用于渦輪發(fā)電機的湍流補償系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種控制由發(fā)電機(10)向終端系統(tǒng)(12)提供的電力的方法，其中在來自發(fā)電機的過功率輸出的期間，電力從所述發(fā)電機(10)的輸出轉向到輔助系統(tǒng)(22)。轉向的電力儲存在能量庫(24)中，在來自發(fā)電機的較低電力輸出期間內，通過將能量庫放電而將轉向的電力返回到終端系統(tǒng)。控制電力的轉向和返回以將輸送給終端系統(tǒng)的電力維持在期望的平均功率水平。來自發(fā)電機的電力的轉向還具有防止發(fā)電機產生過電壓電平的效果。
【專利說明】
用于渦輪發(fā)電機的湍流補償系統(tǒng)和方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及用于渦輪電力發(fā)電機的湍流補償，尤其涉及風力或潮汐流渦輪發(fā)電機的瑞流補償。
【背景技術】
[0002]圖1示出了發(fā)電機系統(tǒng)的框圖，該發(fā)電機系統(tǒng)包括渦流發(fā)電機10，其用于經由變頻器14向電網12供給電力。渦輪發(fā)電機包括與發(fā)電機18耦合的渦輪機16。渦輪機16由流體(尤其是空氣或水)來驅動，渦輪機16的具體構造典型地至少部分地取決于驅動流體。最常見類型的渦輪發(fā)電機10是由風力或潮汐流/潮流驅動。
[0003]在使用時，渦輪機16驅動發(fā)電機18來通過AC電輸出信號而產生AC電力。大多數渦輪機能夠以可變轉子速度運行，并且因此風速或潮汐流速的變化會導致發(fā)電機輸出信號的頻率的相應變化。變頻器14穩(wěn)定輸出信號的頻率以補償風力或潮汐流變化。特別地，變頻器14改變發(fā)電機輸出信號的頻率以適應電網12的頻率要求。
[0004]然而，流體流速的變化可能很大，例如，對于典型的風力或潮汐渦輪發(fā)電機，流體速度會在均值附近變化達到40%，并且這會導致與電壓和功率控制有關的問題。
[0005]渦輪機16的轉速的變化會導致發(fā)電機18所產生的電壓電平的相應變化，尤其是在發(fā)電機18是永磁發(fā)電機的情況下。在許多情況下，渦輪葉片的節(jié)距是固定的，這加劇了該問題。對于具有可變節(jié)距轉子葉片的渦輪機，節(jié)距控制能夠補償湍流，但這是以節(jié)距機構的磨損以及快速作用控制系統(tǒng)的要求為代價的。
[0006]針對該問題的一個解決方案是使用具有承受最高預期臨時高壓的容量的變頻器。然而，由于成本原因，這是不期望的。另一解決方案是在極端電壓偏移情形下將變頻器與發(fā)電機隔離以免對變頻器的輸入級造成損壞。然而，這產生了非期望的對電網12供給中斷并且產生了進一步的如何管理變頻器的再連接的問題。
[0007]另一問題是流速的變化導致發(fā)電機輸出的電力的變化。尤其是，能夠看出，渦輪發(fā)電機10的輸出電力隨著流速的三次方而變化。額外的能量與湍流相關聯，因為在每個短的間隔A T內，當流速高于均值νω_+δ時，存在流速降低至相同程度νω_-δ時的相應時間段。在那兩個間隔內所輸送的能量與AT.(νω_+δ)3+Δ Τ.(νη_-δ)3成比例，Δ Τ.(νη_+δ)3+Δ Τ.(νη__δ)3等于2.AT.V3mean.{l+3.(S/Vm_)2}且典型地代表了與穩(wěn)態(tài)流相比4-5%額外的電力。這可視為機會，而不是問題，但是需要采取措施來受益于該機會。一個選擇是在較高流期間內保持變頻器連接且在該期間內傳輸最大電力。然而，這將涉及到具有極高額定變頻器。
[0008]波動的電力對于電網12的運行是不期望的，但是與例如單個發(fā)電機或者少量的發(fā)電機連接到電網12相比，這對于多個渦輪發(fā)電機的輸出在供給電網之前聚集的渦輪群組而言不算問題。
[0009]期望的是提供緩解上述問題的渦輪發(fā)電機系統(tǒng)。
[0010]發(fā)明概述
[0011]本發(fā)明的第一方面提供了一種控制發(fā)電機向終端系統(tǒng)提供的電力的方法，所述方法包括:
[0012]監(jiān)測所述發(fā)電機所產生的電力；
[0013]響應于所述監(jiān)測的電力超過閾值水平，將來自所述發(fā)電機的輸出的電力中的至少一些電力轉向到輔助系統(tǒng)；
[0014]用所述轉向的電力對至少一個能量存儲設備充電；
[0015]響應于所述監(jiān)測的電力在閾值水平以下，通過將所述至少一個能量存儲設備放電而從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力。
[0016]來自發(fā)電機的電力典型地經由變頻器提供給終端系統(tǒng)。變頻器可包括整流器-逆變器體系結構。在一個實施例中，電力從輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的中間區(qū)段，所述中間區(qū)段在整流器與逆變器之間。例如，變頻器可包括整流器與逆變器之間的DC環(huán)節(jié)，所述輸送涉及到將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述DC環(huán)節(jié)。
[0017]在典型的實施例中，變頻器包括AC-DC-AC變頻器。變頻器有益地包括電子變頻器。
[0018]典型地，電力的所述轉向和輸送分別涉及攜載所述電力的電信號的轉向和輸送。所述轉向典型地涉及將來自所述發(fā)電機的輸出的AC電信號轉向。
[0019]—些實施例涉及在所述充電之前對所述電信號執(zhí)行AC-DC整流，所述充電涉及用整流后的電信號對所述至少一個能量存儲設備充電。
[0020]所述輸送典型地涉及將AC電信號從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述終端系統(tǒng)。
[0021]所述放電典型地涉及從所述至少一個能量存儲設備放出DC電信號，所述方法進一步包括執(zhí)行所述放電電信號的DC-AC逆變以及將逆變后的AC信號輸送到所述終端系統(tǒng)。
[0022]在典型的實施例中，所述AC電信號包括多相AC電信號，典型地是3相AC電信號。
[0023]所述轉向典型地涉及到將至少有功功率轉向到所述輔助系統(tǒng)，優(yōu)選地是有功功率和無功功率。
[0024]—些實施例包括:監(jiān)測由所述發(fā)電機輸出的電壓電平，以及響應于判定所述電壓電平超過閾值而操作所述輔助系統(tǒng)以吸收來自所述發(fā)電機的無功功率，以及優(yōu)選地在判定出所述發(fā)電機輸出的電壓電平在所述閾值或第二閾值以下時操作所述輔助電路不從所述發(fā)電機吸收無功功率。
[0025]在典型的實施例中，所述終端系統(tǒng)包括供電網。
[0026]其它優(yōu)選特征記述在從屬權利要求中。
[0027]本發(fā)明的第二方面提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，該發(fā)電系統(tǒng)包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機，以及包括至少一個能量存儲設備的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:
[0028]監(jiān)測裝置，其用于監(jiān)測由所述發(fā)電機產生的電力；
[0029 ]轉向裝置，其響應于所述監(jiān)測的電力超過閾值水平而將來自所述發(fā)電機的輸出的電力中的至少一些電力轉向到所述輔助系統(tǒng)；
[0030]充電裝置，其用所述轉向的電力對所述至少一個能量存儲設備充電；
[0031]以及輸送裝置，其響應于所述監(jiān)測的電力在閾值水平以下而通過將所述至少一個能量存儲設備放電來從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力。
[0032]優(yōu)選的實施例包括控制裝置，其用于控制電力的所述轉向和輸送以將輸送到所述終端系統(tǒng)的電力維持在期望的功率水平帶內、優(yōu)選地在期望的平均功率水平。
[0033]優(yōu)選地，所述轉向和輸送裝置響應于由所述發(fā)電機直接產生的電力的變化。
[0034]優(yōu)選地，所述轉向裝置被布置成將直接由所述發(fā)電機產生的電力中的至少一些電力轉向。
[0035]在優(yōu)選的實施例中，存在單個發(fā)電機，所述監(jiān)測和轉向是關于所述單個發(fā)電機而執(zhí)行的。
[0036]在典型的實施例中，所述發(fā)電機包括用于響應于驅動流體的流動而產生電力的渦輪發(fā)電機，并且其中所述轉向和所述輸送響應于由于所述驅動流的流速的波動引起的所述發(fā)電機產生的電力的變化而執(zhí)行。
[0037]典型的系統(tǒng)包括用于從所述發(fā)電機向所述終端系統(tǒng)提供所述電力的變頻器。所述轉向裝置優(yōu)選地配置為將所述至少一些電力轉向而遠離所述變頻器的輸入。
[0038]在一些實施例中，所述輔助系統(tǒng)典型地通過所述控制裝置可操作以將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的輸入。
[0039]在一些實施例中，所述輔助系統(tǒng)典型地通過所述控制裝置可操作以將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的輸出。
[0040]在一些實施例中，所述變頻器經由變壓器向所述終端系統(tǒng)提供電力，并且所述輔助系統(tǒng)典型地通過所述控制器件可操作以將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變壓器的與所述變頻器相同的一側，例如輸送到所述變壓器的與所述變頻器相同的繞組或者所述變壓器的獨立于所述變頻器的繞組。
[0041]在一些實施例中，所述輔助系統(tǒng)典型地通過所述控制裝置可操作以將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的中間區(qū)段。
[0042]在優(yōu)選的實施例中，所述輔助系統(tǒng)典型地通過所述控制裝置可操作以在從所述發(fā)電機所述轉向電力的過程中吸收來自所述發(fā)電機的無功功率，優(yōu)選地通過在從所述發(fā)電機所述轉向電力的過程中配置所述輔助系統(tǒng)向所述發(fā)電機輸出提供無功負載。
[0043]所述輔助系統(tǒng)可以通過切換設備選擇性地直接或間接地連接到所述發(fā)電機的輸出。輔助系統(tǒng)可以包括一個或多個電感器或其它電感負載。輔助系統(tǒng)可包括用于對所述至少一個能量庫充電的裝置。所述充電器件可包括AC-DC轉換器。
[0044]本發(fā)明的第三方面提供保護設備免于發(fā)電機產生的過電壓破壞的方法，所述方法包括:監(jiān)測由所述發(fā)電機產生的電壓電平；以及響應于判定所述電壓電平超過閾值而操作輔助系統(tǒng)以從所述發(fā)電機吸收無功功率。
[0045]該方法可進一步包括:配置所述輔助以向所述發(fā)電機提供無功負載;在檢測到所述電壓超過閾值時，將所述輔助系統(tǒng)連接到所述發(fā)電機的輸出；以及在判定所述電壓小于所述閾值或第二閾值時，將所述輔助系統(tǒng)從所述發(fā)電機的輸出斷開連接。
[0046]本發(fā)明的第四方面提供一種發(fā)電系統(tǒng)，包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機以及配置為選擇性地提供電感負載給所述發(fā)電機的輸出的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括:監(jiān)測裝置，其監(jiān)測所述發(fā)電機產生的電壓電平；以及操作裝置，其響應于判定出所述電壓電平超過閾值而操作所述輔助系統(tǒng)以從所述發(fā)電機吸收無功功率。
[0047]通過閱覽下面的具體實施例的說明以及參考附圖，本發(fā)明的其它的有益的方面對于本領域普通技術人器件員而言將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0048]現在通過示例的方式且參考附圖來描述本發(fā)明的實施例，在附圖中相似的標記用于指代相似的部件，并且其中:
[0049]圖1是顯示出當流體流速相對低或適中時的有功功率傳輸和無功功率傳輸的發(fā)電機系統(tǒng)的框圖；
[0050]圖2是圖1的系統(tǒng)的框圖，示出了當流體流速相對高時的有功功率傳輸和無功功率傳輸；
[0051]圖3是包括具體實施本發(fā)明的一個方面的湍流補償系統(tǒng)的發(fā)電機系統(tǒng)的框圖，該圖示出了當流體流速處于極端水平時的有功功率傳輸和無功功率傳輸；
[0052]圖4是圖3的系統(tǒng)的框圖，示出了當流體流速相對低或適中時的有功功率傳輸和無功功率傳輸；
[0053]圖5是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機系統(tǒng)的第一實施例的示意圖；
[0054]圖6是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機系統(tǒng)的第二實施例的示意圖；
[0055]圖7是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機系統(tǒng)的第三實施例的示意圖；
[0056]圖8是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機系統(tǒng)的第四實施例的示意圖；
[0057]圖9是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機系統(tǒng)的第五實施例的示意圖；
[0058]圖10是具體實施本發(fā)明的一個方面的發(fā)電機系統(tǒng)的第六實施例的示意圖。
[0059]發(fā)明詳述
[0060]再次參考圖1，在正常操作條件下，例如，當渦輪機16由具有相對低或適中的流速的流體驅動時，變頻器14工作，優(yōu)選地但不一定是通過向量控制，使得有功功率從渦輪發(fā)電機10經由變頻器14流到電網12，而無功功率從變頻器流到發(fā)電機10。參考圖2，在相對高流速的條件下，變頻器14配置為從渦輪發(fā)電機10吸收無功功率。這對發(fā)電機18具有場削弱效應。結果，發(fā)電機18的端電壓降低，不超過變頻器電壓限值。這種控制形式可以擴展到變頻器14的電流限值(和/或可適用的電壓限值)。在圖1和圖2所描述的條件下，不會發(fā)生來自渦輪發(fā)電機10的過電壓(excessive voltage)或過功率的問題。
[0061]現在參考圖3，示出了發(fā)電機系統(tǒng)20，其類似于圖1和圖2所示的系統(tǒng)，但是其還包括用于湍流補償的輔助系統(tǒng)22。在優(yōu)選的實施例中，系統(tǒng)20還包括能夠儲存電能的能量庫24。輔助系統(tǒng)22在渦輪發(fā)電機10與變頻器14之間的位置L處連接到系統(tǒng)20，例如，連接到發(fā)電機10的輸出或者變頻器10的輸入。輔助系統(tǒng)22被構造為使得其將無功阻抗在位置L處給系統(tǒng)20并且因此從渦輪發(fā)電機10吸收無功功率。特別地，輔助系統(tǒng)22構造為和/或能運行而使得在驅動渦輪機16的流體流可被視為極端(例如，閾值水平以上)且在不補償的情況下會導致來自發(fā)電機1的過電壓或過功率的期間內其從發(fā)電機1吸收無功功率。輔助系統(tǒng)22所吸收的無功功率對發(fā)電機18具有場削弱效應，這降低了發(fā)電機18的輸出電壓(與輔助系統(tǒng)22不存在的情況相比)并且因此降低了變頻器14的輸入處的電壓電平。在典型的實施例中，開關(圖3未示出)被提供以將輔助系統(tǒng)22選擇性地連接到系統(tǒng)20或者將輔助系統(tǒng)22從系統(tǒng)20斷開連接。該開關由控制器(圖3中未示出)操作，控制器可以通過任何方便的裝置來監(jiān)測渦輪發(fā)電機1的輸出和/或變頻器14的輸入處的電壓、電流和/或功率中的任一項或多項，并且操作開關以在監(jiān)測的特性超過相應的閾值水平時連接或者斷開輔助系統(tǒng)22。相應的閾值水平可通過變頻器14的電壓和/或電流限值和/或相對于期望的平均功率水平來確定。
[0062]在優(yōu)選的實施例中，輔助系統(tǒng)22構造為從發(fā)電機10汲取有功功率(以及無功功率)并且有益地將有功功率從發(fā)電機20傳輸到電能庫24。特別地，輔助系統(tǒng)22構造為和/或能運行而使得當驅動渦輪機16的流體流可被視為極端(例如，閾值水平以上)且在不補償的情況下會導致來自發(fā)電機10的過電壓或過功率的期間內輔助系統(tǒng)22汲取有功功率。結果，當輔助系統(tǒng)22在電路中時，經由變頻器14傳遞到電網12的有功功率相應地降低。因此，在優(yōu)選的實施例中，當輔助系統(tǒng)22在電路中時，其降低變頻器14從發(fā)電機10接收到的電壓電平和功率水平。
[0063]在一些實施例中，或者在一種操作模式中，基于在渦輪機發(fā)電機10的輸出處和/或變頻器14的輸入處檢測到的電壓電平，輔助電路被切換而進入電路或者脫離電路。這樣做的目的是保護變頻器14免于導致極端流速的湍流期間內的過電壓破壞，同時允許變頻器14保持連接到發(fā)電機1且因此繼續(xù)向電網12供給電力。為此，用于使輔助系統(tǒng)22接入電路的電壓閾值電平可以由變頻器14的額定電壓(voltage rating)來確定。任何適合的電壓監(jiān)測器(未示出)可用來監(jiān)測電壓，并且可以方便地直接或間接測量相關的電壓。
[0064]在優(yōu)選的實施例中，或者在一種操作模式中，基于在渦輪機發(fā)電機10的輸出處和/或變頻器14的輸入處的功率水平，輔助電路22被切換而進入電路或者脫離電路?？蔀榇四康亩捎萌魏芜m合的功率計(未示出)。顯然，可以在系統(tǒng)20中任何方便的點處測量相關功率水平，例如直接從渦輪發(fā)電機10的輸出和/或在變頻器14的輸入處或者間接地從系統(tǒng)中的其它地方測量。當輔助系統(tǒng)22在該操作模式中處于電路中時，其將來自發(fā)電機系統(tǒng)20的有功功率轉向到能量庫24。特別地，電力從發(fā)電機1的輸出，即在發(fā)電機18的輸出處、在變頻器14的輸入處或者從它們之間的位置被轉向。該方法的目的是通過在導致極端流速的湍流期間內將來自發(fā)電機系統(tǒng)20的過量的有功功率轉向，來使提供給電網12的有功功率平穩(wěn)。為此，用于使輔助系統(tǒng)22處于電路中的功率閾值水平可通過期望的平均功率水平來確定。更一般地，輔助系統(tǒng)可運行以將輸送到所述終端系統(tǒng)的電力維持在期望的功率水平帶內，或者更特別地維持在期望的功率水平，尤其是在期望的平均功率水平。
[0065]有益地，因為輔助系統(tǒng)22吸收無功功率，所以發(fā)現以這種方式操作輔助系統(tǒng)22還具有限制發(fā)電機10提供給變頻器14的電壓電平的效果，并且因此保護變頻器14免于過電壓破壞。
[0066]輔助系統(tǒng)22可通過任何方便的方式來設計，例如通過計算機模擬，從而展現出期望的電抗或電感以及引起期望量的有功功率傳輸。
[0067]有益地，儲存在能量庫24中的電能作為有功功率而返回到發(fā)電機系統(tǒng)20，如現在參考圖4更詳細說明的。能量典型地在相對低或適中流體流的期間內返回，例如當發(fā)電機系統(tǒng)20以如圖1所示的正常模式運行時。能量可以輸送到系統(tǒng)20中的任何方便的點，例如在變頻器14的輸入處(或者更一般地在發(fā)電機10的輸出與變頻器14的輸入之間)、或輸送到變頻器14的輸入與輸出之間的點、或者輸送到電網12 (或者另一終端系統(tǒng))、或者更一般地輸送到變頻器14的輸出之后的點、或者輸送到這些位置中的一個或多個的任意組合。在任意情形下，通過在相對低或適中流體流的期間內將能量庫24放電，返回的電力被輸送到電網12(或另一終端系統(tǒng))。
[0068]在典型的實施例中，開關(圖4中沒有示出)被提供以將輔助系統(tǒng)22選擇性地連接到系統(tǒng)20或者與系統(tǒng)20斷開連接，以便能量返回(基于實施例，這可以是或者不是如上文參考圖3所描述的相同的開關)。開關由控制器(圖4中沒有示出，但是典型地與參考圖3提到的控制器為相同的控制器)操作，該控制器可通過任何便利的裝置來監(jiān)測渦輪發(fā)電機10的輸出和/或變頻器14的輸入處的電壓、電流和/或功率中的任一項或多項，并且操作開關以在所監(jiān)測的特性滿足相應的閾值水平時連接或斷開輔助系統(tǒng)22。
[0069]尤其優(yōu)選的是，儲存的能量返回發(fā)電機系統(tǒng)20，以使提供給電網12的有功功率平穩(wěn)，從而補償湍流效應。
[0070]因此，當控制器判定從發(fā)電機10輸出的功率降至閾值水平(例如期望的平均功率水平)以下時，使得輔助系統(tǒng)22將能量返回至系統(tǒng)20。切換輔助系統(tǒng)22以將能量返回至系統(tǒng)2 2的功能可以在輔助系統(tǒng)2 2的輸出區(qū)段內電子地實現。
[0071]因此，在優(yōu)選的實施例中，基于所檢測到的發(fā)電機10輸出的功率水平，使得輔助系統(tǒng)22將有功功率從系統(tǒng)20傳輸到能量庫24或者將儲存的能量返回至系統(tǒng)20，從而使提供給電網12(或其它終端系統(tǒng))的有功功率相對于期望的平均功率水平平穩(wěn)。有益地，這被執(zhí)行以補償對于發(fā)電機10提供給電網12的(有功)功率的湍流效應。因此，在相對短的時間段內，典型地在秒數量級(例如，多達60秒)或者分鐘數量級(例如，多達60分鐘，但是更典型地多達近似10分鐘)內執(zhí)行儲存和返回能量的循環(huán)。
[0072]在圖3和圖4中，顯示輔助系統(tǒng)22作為一個單元，但是將意識到輔助系統(tǒng)22可以任何便利的方式實現并且可包括用于執(zhí)行吸收無功功率、傳輸有功功率到能量庫24以及將電能返回至系統(tǒng)20中的任一項或多項的相應的獨立部分。各個部分能夠通過控制器獨立地操作。
[0073]輔助系統(tǒng)22優(yōu)選地設計成使得當其將正在能量返回至系統(tǒng)20時不吸收無功功率，即在該模式下不給系統(tǒng)20電感負載。
[0074]現在參考圖5至圖10，通過示例的方式描述了具體的實施例。如技術人員顯而易見的或者除非作出相反指示，相似的標記用于指代相似的部件，并且相同或相似的描述適用于每一個。每個實施例包括發(fā)電機系統(tǒng)120，發(fā)電機系統(tǒng)120包括發(fā)電機118，該發(fā)電機118通常是渦輪發(fā)電機的部分(雖然在圖5至10中沒有示出渦輪機)，但是可替選地通過其它手段來驅動。
[0075]系統(tǒng)120包括變頻器114，典型地是ac-dc-ac變頻器。變頻器114可以是常規(guī)的。變頻器114包括通過0<:環(huán)節(jié)(1;[1110136親合的3(3-(1(3轉換器級132以及(1(3-3(3逆變器級134(其中每個均可以具有常規(guī)的構造和操作)。變頻器114典型地是電子變頻器，即包括電子電路。優(yōu)選地，轉換器132和逆變器134包括適當構造的電壓源逆變器138，但是其它常規(guī)的電子體系結構可替選地使用。DC環(huán)節(jié)136典型地包括與轉換器132與逆變器134并聯并且在轉換器132與逆變器134之間的電容器。
[0076]在每個實施例中，發(fā)電機系統(tǒng)120經由電力變壓器130將電力供給到電網(圖5至圖10中沒有示出)。典型地，變頻器114將電力供給變壓器130。在可選的實施例中，發(fā)電機系統(tǒng)可連接到其它終端系統(tǒng)，尤其是輸電網，而不是電網。
[0077]在發(fā)電機118是渦輪發(fā)電機的部分的實施例中，渦輪機可以是風力渦輪機或潮汐流/潮流渦輪機。典型地，發(fā)電機118是永磁發(fā)電機，尤其是其中發(fā)電機118是風力或潮汐流渦輪機發(fā)電機的部件。渦輪機可以具有葉片，葉片具有固定或可變的節(jié)距。在優(yōu)選的實施例中，系統(tǒng)120包括與變頻器114連接的單個發(fā)電機118。典型地，發(fā)電機118(以及渦輪機，如果存在)被共同定位在共同的地點，例如在離岸渦輪機站。系統(tǒng)120單獨地或者以一個或多個其它發(fā)電機系統(tǒng)(未示出)相結合地將電力供應給電網，或其它終端系統(tǒng)。
[0078]提供控制器140以根據需要控制發(fā)電機系統(tǒng)120的運行，尤其是變頻器114的各個級的運行。該控制可以是常規(guī)的。如下文更詳細說明，控制器14還方便地控制輔助系統(tǒng)122的運行?？刂破?40可以呈任何適合的常規(guī)形式，例如，適當編程的微處理器、微控制器或其它邏輯器件。
[0079]現在尤其參考圖5的實施例，發(fā)電機系統(tǒng)120包括輔助系統(tǒng)122，用于補償來自發(fā)電機118的可變輸出信號的效應，尤其由湍流引起的可變輸出信號的效應。在該情況下，輔助系統(tǒng)122的功能是降低發(fā)電機120輸出的電壓電平。輔助系統(tǒng)122包括無功負載，尤其是3相無功負載142，例如，3相電感器或其它電感負載。輔助系統(tǒng)122包括開關144，該開關144用于將輔助系統(tǒng)122選擇性地連接到發(fā)電機系統(tǒng)120或者將輔助系統(tǒng)122與發(fā)電機系統(tǒng)120斷開連接，例如連接到發(fā)電機118的輸出、或者變頻器114的輸入、或者它們之間的點(其中任一個可以是電學上相同的點)或者與之斷開連接。在該示例中，開關144包括3相開關。優(yōu)選地，開關144是固態(tài)開關。當輔助電路122連接到系統(tǒng)120時，負載142吸收來自發(fā)電機118的無功功率。這有助于發(fā)電機120中的場削弱效應且允許變頻器114在來自發(fā)電機118的過電壓電平會損壞變頻器114的期間內(例如在由湍流引起的過高流體流速的期間內)仍連接到發(fā)電機118。提供電壓監(jiān)測器(未示出)以監(jiān)測(方便地直接或者間接)發(fā)電機118的輸出電壓。控制器140響應于所測量的電壓而操作開關144，例如，基于所測量的電壓是否超過閾值電平。
[0080]類似于圖5，在圖6的實施例中，輔助系統(tǒng)222能夠運行以降低發(fā)電機120輸出的電壓電平。輔助系統(tǒng)222包括ac-dc轉換器246，例如為晶閘管橋接整流器的形式，其能夠作為開關運行以將輔助系統(tǒng)222選擇性地連接到發(fā)電機系統(tǒng)120或與發(fā)電機系統(tǒng)120斷開連接，例如連接到發(fā)電機118的輸出、或者變頻器114的輸入、或者它們之間的點，或者與之斷開連接。特別地，ac-dc轉換器246分別在接通和關斷時連接到發(fā)電機系統(tǒng)120或者從發(fā)電機系統(tǒng)120斷開連接。方便地，控制器140控制ac-dc轉換器246的運行(在該示例中通過提供適當的信號給晶閘管控制輸入)。為此，控制器140任選地提供相控整流器輸入，但是可替選地基于所測量的電壓是否超過閾值電平而接通和關斷轉換器246，如上文結合圖5所描述的。輔助系統(tǒng)222還包括無功負載，該無功負載有益地通過ac-dc轉換器246來提供。當通過晶閘管的相控開關來運行時，ac-dc轉換器246充當無功負載且從發(fā)電機118吸收無功功率，從而降低輸出電壓電平，如上所述。優(yōu)選地，輔助系統(tǒng)222包括在其dc側的電感器247，以確保在晶閘管接通時連續(xù)的電流通過晶閘管。輔助系統(tǒng)222可通過電感器249與發(fā)電機系統(tǒng)120耦合，以防止或者至少限制ac-dc轉換器的開關操作與變頻器114的操作之間的任何干涉。電感器247有助于提供無功負載，但是這不是其主要功能。
[0081]在圖7的實施例中，輔助系統(tǒng)322包括能量庫324，該能量庫324包括至少一個儲能設備，例如，電容器排，或者優(yōu)選地超級電容器。系統(tǒng)322還包括無功負載和開關，方便地通過例如如上文結合圖6所描述的ac-dc轉換器346聯合提供。輔助電路322能夠在第一模式下運行，在該第一模式下，輔助電路422從發(fā)電機118吸收無功功率。在第一模式下，輔助電路322連接到發(fā)電機系統(tǒng)120從而提供無功負載，例如如上文結合圖6所描述的。如上所述，這具有降低發(fā)電機118的輸出電壓電平的效果。在該第一模式下，輔助系統(tǒng)322還將有功功率傳輸到能量庫324，在該示例中經由接通時的ac-dc轉換器346，從而將能量儲存在庫324中。輔助系統(tǒng)優(yōu)選地包括在其dc側的電感器，以確保在晶閘管接通時連續(xù)的電流通過晶閘管。有益地，輔助系統(tǒng)322在來自發(fā)電機118的過電壓電平會損壞變頻器114的期間內(例如在由于過量的流速的湍流引起過高流體流速的期間內)在第一模式下(在控制器140的控制下)運行。第一模式可以響應于檢測到來自發(fā)電機118的超閾值電壓電平而實現，如上文結合圖5和圖6所描述的。然而，優(yōu)選地，第一模式響應于檢測到來自發(fā)電機118的超閾值功率水平而實現，如上文結合圖3和圖4所描述的。為此，任何方便的功率計(未示出)可以被提供以監(jiān)測(直接地或者間接地)發(fā)電機118的功率輸出，控制器140響應于檢測到的功率水平而操作系統(tǒng)322?？舍槍ο到y(tǒng)120內的任何方便的點(例如在變頻器114的輸入側或輸出側、或者在變頻器114內)監(jiān)測和/或控制功率水平。
[0082]輔助系統(tǒng)322能夠在第二模式下(在控制器140的控制下)運行，在第二模式中，儲存在能量庫324中的能量返回發(fā)電機系統(tǒng)120，如上文結合圖3和圖4所描述的。輔助系統(tǒng)322包括dc-ac轉換器348，其能夠運行(方便地通過控制器140)以將可從能量庫324得到的dc電壓或電流轉換成相應的ac電壓或電流，以便在第二模式下返回系統(tǒng)120。在該示例中，dc-ac轉換器348包括晶閘管橋接電路。方便地，控制器140控制dc-ac轉換器348的操作(在該示例中通過提供適合的信號給晶閘管控制輸入)。方便地，ac-dc轉換器346以及dc-ac轉換器348被一起提供作為雙向轉換器。優(yōu)選地，系統(tǒng)322在發(fā)電機118產生相對低功率的期間內以第二模式操作，從而使發(fā)電機的輸出功率平穩(wěn)，如上文結合圖3和圖4所描述的。可替選地，輔助系統(tǒng)322可在發(fā)電機118的輸出電壓電平降至閾值電平以下的期間內在第二模式下運行。在該實施例中，輔助系統(tǒng)324(以及更特別地dc-ac轉換器348)被布置成在變頻器114的輸入側將能量從能量庫324返回到發(fā)電機系統(tǒng)120。
[0083]現在參考圖8的實施例，輔助系統(tǒng)422及其操作類似于圖7的輔助系統(tǒng)，除了系統(tǒng)422(以及尤其是dc-ac轉換器448)被布置成將儲存的能量返回到變頻器114的輸出側。在圖示的實施例中，能量庫424被并聯地設置在ac-dc轉換器446與dc-ac轉換器448之間。輔助系統(tǒng)422的輸出(以及更特別地dc-ac轉換器448的輸出)可以通過到共同的變壓器繞組450(如圖所示)或者到變壓器130的共同側上的單獨的繞組或抽頭的連接而與來自變頻器114的輸出組合。
[0084]圖9的實施例類似于圖7和圖8的實施例，除了dc-ac轉換器548包括電壓源逆變器之外。dc-ac轉換器548的輸出(以及更特別地電壓源逆變器)通過到變壓器130的共同側上的單獨的繞組552或者抽頭的連接而與來自變頻器114的輸出組合。優(yōu)選地，繞組552被構造為提供比變頻器114經由繞組144提供的電壓低的電壓。能量存儲設備524的操作在一系列電壓范圍內是可能的，下限由變壓器繞組552的電壓來設定。
[0085]在圖10的實施例中，輔助系統(tǒng)622將儲存的能量從庫624返回到處于其ac-dc轉換器級及其dc-ac逆變器級之間的修正后的變頻器614，方便地經由DC環(huán)節(jié)636。這可以通過任何適合的能量耦合設備來實現，該能量耦合設備例如是變壓器，該變壓器具有連接到能量庫624的一個繞組654(初級)以及設置在變頻器614中的另一繞組656(次級)，該變壓器優(yōu)選地與ac-dc轉換級和dc-ac轉換級之間的DC環(huán)節(jié)636并聯。這可以采取dc-dc轉換器或反激式轉換器的形式。反激式轉換器工作如下:dc-dc轉換器包括與變壓器的初級繞組串聯的以高頻(典型地以3kHz)運行的開關。在接通期間內，變壓器磁路中的磁通量增加，且在關斷期間內，變壓器磁路中的磁通量減少并且在繞組中引起負電壓，使得凈電壓在完整的循環(huán)內平均化時具有均值零。變壓器次級具有等于初級電壓乘以次級與初級繞組匝數之比的感應電壓。開關僅允許電流從能量庫流到變壓器初級。與次級繞組串聯連接的二極管允許電流從次級流到dc環(huán)節(jié)的正極側。因此，從能量庫吸收電力且電力在不同的電壓下被輸送到dc環(huán)
-K-
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[0086]開關658被提供以將繞組654連接到庫624或者將繞組654與庫624斷開連接，從而允許庫624為繞組654供給能量并且因此相應地為繞組656供給能量?？刂破?40根據是否要求將電力從能量庫傳輸到DC環(huán)節(jié)636而允許變頻器的開關658被操作或者不被操作。典型地，二極管660與次級繞組656串聯地設置。因此，在控制器140的控制下，與直接從發(fā)電機118提供的相比，來自庫624的能量能夠用于提高從變頻器614輸出的電壓或電力。優(yōu)選地，ac-dc轉換器級以等于平均流體流速產生的功率的上限功率水平或平均功率水平運行，但是當流體流速低于平均值時該功率水平會下降。在該期間內，能量能夠從能量庫624提供，如所描述的。為此，優(yōu)選的是，變頻器614的dc-ac轉換器級具有比ac-dc級高的電容。在優(yōu)選的實施例中，控制器140監(jiān)測功率，并且輔助系統(tǒng)622相應地操作，以將進入DC環(huán)節(jié)636的總功率水平維持在穩(wěn)定水平，例如對應于期望的平均功率水平。
[0087]顯而易見的是，圖5至圖9的實施例可以改型成常規(guī)的發(fā)電機系統(tǒng)，因為變頻器114及其控制可以是常規(guī)的。而且，這些實施例的輔助系統(tǒng)會故障而不損害變頻器114的運行。本發(fā)明的實施例可與中壓或高壓發(fā)電機和變頻器兼容。優(yōu)選的實施例使得平均輸出功率增加，并且能夠用于補償湍流引起的功率驟增，同時減少電力切斷的發(fā)生。
[0088]適合用于提供能量庫24的設備包括:超級電容器、電容器、電感器、飛輪、壓縮氣體設備、可充電電池。
[0089]本發(fā)明不限于本文所描述的實施例，其可被修改或改動，而不偏離本發(fā)明的范圍。
【主權項】
1.一種控制發(fā)電機提供給終端系統(tǒng)的電力的方法，所述方法包括: 監(jiān)測所述發(fā)電機所產生的電力； 響應于所述監(jiān)測的電力超過閾值水平，將來自所述發(fā)電機的輸出的電力中的至少一些電力轉向到輔助系統(tǒng)； 用所述轉向的電力對至少一個儲能設備充電； 響應于所監(jiān)測的電力在閾值水平以下，通過將所述至少一個儲能設備放電而從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力。2.如權利要求1所述的方法，進一步包括:控制電力的所述轉向和輸送以將輸送到所述終端系統(tǒng)的電力維持在期望的功率水平帶內，優(yōu)選地維持在期望的平均功率水平。3.如任一前述權利要求所述的方法，其中響應于所述發(fā)電機直接產生的電力的變化而執(zhí)行電力的所述轉向和輸送。4.如任一前述權利要求所述的方法，其中所述轉向涉及將所述發(fā)電機直接產生的電力中的至少一些電力轉向。5.如任一前述權利要求所述的方法，其中所述發(fā)電機是單個發(fā)電機，所述監(jiān)測和轉向關于所述單個發(fā)電機而執(zhí)行。6.如任一前述權利要求所述的方法，其中所述發(fā)電機包括響應于驅動流體的流動而產生電力的渦輪發(fā)電機，并且其中所述轉向和所述輸送響應于由于所述驅動流體的流速的波動引起的所述發(fā)電機產生的電力的變化而執(zhí)行。7.如任一前述權利要求所述的方法，其中所述轉向和所述輸送響應于在I秒與60秒之間的時間段內或者I分鐘與10分鐘之間的時間段內所檢測到的所述發(fā)電機電力的變化而執(zhí)行。8.如任一前述權利要求所述的方法，進一步包括:經由變頻器從所述發(fā)電機向所述終端系統(tǒng)提供所述電力，并且其中所述轉向優(yōu)選地涉及將所述至少一些電力轉向而遠離所述變頻器的輸入。9.如權利要求8所述的方法，其中所述輸送涉及將電力從輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的輸入。10.如權利要求8或9所述的方法，其中所述輸送涉及到將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的輸出。11.如權利要求10所述的方法，其中所述變頻器經由變壓器向所述終端系統(tǒng)提供電力，其中所述輸送涉及將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變壓器的與所述變頻器相同的一側。12.如權利要求11所述的方法，其中所述輸送涉及將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變壓器的與所述變頻器相同的繞組或者輸送到所述變壓器的獨立于所述變頻器的繞組。13.如權利要求8或9所述的方法，其中所述輸送涉及將電力從所述輔助系統(tǒng)輸送到所述變頻器的中間區(qū)段。14.如任一前述權利要求所述的方法，進一步包括:在來自所述發(fā)電機的電力的所述轉向過程中使所述輔助系統(tǒng)吸收來自所述發(fā)電機的無功功率，優(yōu)選地通過將所述輔助系統(tǒng)配置成在來自所述發(fā)電機的電力的所述轉向過程中向所述發(fā)電機輸出提供無功負載。15.—種發(fā)電系統(tǒng)，包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機以及包括至少一個能量存儲設備的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括: 監(jiān)測裝置，其用于監(jiān)測由所述發(fā)電機產生的電力； 轉向裝置，其響應于所述監(jiān)測的電力超過閾值水平而將來自所述發(fā)電機的輸出的電力中的至少一些電力轉向到所述輔助系統(tǒng)； 充電裝置，其用所述轉向的電力對所述至少一個能量存儲設備充電； 以及輸送裝置，其響應于所述監(jiān)測的電力在閾值水平以下而通過將所述至少一個能量存儲設備放電來從所述輔助系統(tǒng)向所述終端系統(tǒng)輸送電力。 平均功率水平。16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述輔助系統(tǒng)能夠通過切換設備而選擇性地直接或間接地連接到所述發(fā)電機的輸出。17.如權利要求15或16所述的系統(tǒng)，其中所述輔助系統(tǒng)包括一個或多個電感器或其它電感性負載。18.如權利要求15至17中任一項所述的系統(tǒng)，其中所述輔助系統(tǒng)包括用于對所述至少一個能量庫充電的裝置。19.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述充電裝置包括AC-DC轉換器。20.—種保護設備免于發(fā)電機產生的過電壓破壞的方法，所述方法包括:監(jiān)測所述發(fā)電機產生的電壓電平；以及響應于判定所述電壓電平超過閾值而操作輔助系統(tǒng)，以吸收來自所述發(fā)電機的無功功率。21.如權利要求20所述的方法，進一步包括:配置所述輔助系統(tǒng)以向所述發(fā)電機提供無功負載;在檢測到所述電壓超過所述閾值時，將所述輔助系統(tǒng)連接到所述發(fā)電機的輸出；以及在判定所述電壓小于所述閾值或者第二閾值時，將所述輔助系統(tǒng)從所述發(fā)電機的輸出斷開連接。22.—種發(fā)電系統(tǒng)，包括與終端系統(tǒng)耦合的發(fā)電機、以及被配置為選擇性地給所述發(fā)電機的輸出提供電感性負載的輔助系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進一步包括:監(jiān)測裝置，其用于監(jiān)測所述發(fā)電機產生的電壓電平；以及操作裝置，其響應于判定出所述電壓電平超過閾值而操作所述輔助系統(tǒng)，以從所述發(fā)電機吸收無功功率。
【文檔編號】F03B15/16GK105899805SQ201480072355
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年11月3日
【發(fā)明人】E·斯普納, S·考索恩
【申請人】開放水知識產權有限公司