專利名稱：用于操作發(fā)電機的頻率變換器的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于提供電力給一個電網(wǎng)(grid)的功率變換器的操作，并且特別涉及一種風力渦輪機的發(fā)電機的頻率變換器。
相關現(xiàn)有技術(shù)通過由多種能源將機械能變換成電能來提供公共電網(wǎng)中的電力。支持公共電網(wǎng)的主要能源為火力發(fā)電廠與核電廠。幾種其他類型的能源(尤其是可再生能量的發(fā)電廠，比如太陽能發(fā)電廠、水力發(fā)電廠或風力渦輪機)也對公共電網(wǎng)提供支持。
在過去，如果在一個公共電網(wǎng)中發(fā)生顯著的電網(wǎng)電壓跌落時，在這種情況下風力渦輪機需要被自動關閉。然而，由于風力渦輪機的數(shù)目的增加，以下情況變得越來越重要即在出現(xiàn)顯著電網(wǎng)電壓跌落的情況下，由這些風力渦輪機來支持公共電網(wǎng)。然而，由于施加到一個將機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電機的頻率變換器的電子部件上的熱應力，在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時提高變換器的輸出電流是非常關鍵的并且是受到限制的。
因此，本發(fā)明的一個目標是在發(fā)生顯著電網(wǎng)電壓跌落時提高發(fā)電機(尤其是風力渦輪機)的輸出電流。
發(fā)明概要根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于在發(fā)生顯著電網(wǎng)電壓跌落時操作發(fā)電機(尤其是風力渦輪機)的頻率變換器的方法，其中該頻率變換器包括一個連接到該發(fā)電機的AC/DC變換器、一個連接到該電壓電網(wǎng)的DC/AC變換器以及一個用于將該AC/DC變換器連接到該DC/AC變換器的DC鏈接電路，該方法包括以下步驟-降低該DC鏈接電路的輸出電壓以提高該DC/AC變換器的輸出電流；以及/或者-降低該DC/AC變換器的各電子開關的操作頻率以提高該DC/AC變換器的輸出電流。
由本發(fā)明提出的用于解決上述目標的解決方案涉及在發(fā)生顯著電網(wǎng)電壓跌落時提高被提供到公共電網(wǎng)中的電流。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提高所述DC/AC變換器(即所述頻率變換器)的輸出電流是通過降低該頻率變換器的DC鏈接電路的輸出電壓來執(zhí)行的，該輸出電壓是用于該頻率變換器的DC/AC變換器的操作電壓。依靠降低該DC鏈接電路的輸出電壓，在不增加出現(xiàn)在該頻率變換器的正常操作條件下的各電子開關(典型地是晶體管)的能量損失的情況下提高流過該DC/AC變換器的各電子開關的電流是可能的。特別地，所述電子開關包括晶體管(例如IGBT模塊)，正如由本領域普通技術(shù)人員通常所知的那樣。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，降低所述DC/AC變換器的各電子開關的開關頻率，從而導致提高被提供給電網(wǎng)的該DC/AC變換器的輸出電流。此外，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，當發(fā)生顯著電網(wǎng)電壓跌落時，在該頻率變換器的正常操作條件下給出的電子開關能量消耗幾乎不發(fā)生變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其中降低輸出電壓和操作頻率的上述步驟能夠同時發(fā)生。
在另一種實施例中，能通過降低在所述DC鏈接電路自身內(nèi)的DC鏈接電路輸出電壓(即通過激活電壓分配器或類似裝置)來降低該DC鏈接電路的輸出電壓。此外另一個有利的方法涉及控制所述AC/DC變換器的各電子開關處于其接通狀態(tài)的時間間隔。也就是說，取決于各電子開關(典型地是閘流晶體管(thyristor))的操作狀態(tài)(接通或關斷)，AC/DC變換器的輸出電壓能被控制。AC/DC變換器的各電子開關的接通狀態(tài)時間間隔越短，AC/DC變換器的輸出電壓就越低。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，當電網(wǎng)電壓被減少一小段時間(毫秒直到秒)時，上述降低步驟或者至少其中一個降低步驟被執(zhí)行。用于啟動至少其中一個降低步驟的電壓減少的水平取決于所述部件的設計。當正常電網(wǎng)電壓被再次提高到一個特定電平一小段時間(毫秒直到秒)時，所述降低步驟或至少其中一個降低步驟被終止。
附圖
簡述在說明書的剩余部分中特別參照附圖闡述了對本領域普通技術(shù)人員來說是完整且具啟發(fā)性的本發(fā)明公開內(nèi)容(包括本發(fā)明的最佳模式)，該附圖示意性地示出了配置在發(fā)電機和電網(wǎng)之間的頻率變換器的電路。
優(yōu)選實施例的描述下面將詳細參考本發(fā)明的各實施例，其中的一個或更多例子在附圖中說明。每一個例子都是為了解釋本發(fā)明而被提供的，并且不意味著對本發(fā)明的限制。例如，作為一個實施例的一部分被說明或描述的特征能被用在其他實施例中或與其他實施例相結(jié)合地使用，以便產(chǎn)生另一個實施例。本發(fā)明意圖包括這些修改和變化。
在附圖中示出了一個用于將電力提供到電網(wǎng)的頻率變換器10。此頻率變換器被配置在一個風力渦輪機(未示出)的發(fā)電機14的輸出端12與一個電網(wǎng)18的輸入端16之間。
此頻率變換器10包括三個主要級，也就是一個輸入級、一個中間級以及一個輸出級。該輸入級被配置為一個AC/DC變換器20，而該輸出級則包括一個DC/AC變換器22。這兩個變換器20、22通過被配置為一個DC鏈接電路24的中間級而被連接。
在這個實施例中，該AC/DC變換器20和DC/AC變換器22典型地都包括電子半導體功率元件。然而，其它電子或電氣元件也可能被使用。特別地，在這個實施例中，該AC/DC變換器20包括6個閘流晶體管25，所述閘流晶體管由一個控制單元26控制，該控制單元又依賴于風力渦輪機的當前操作參數(shù)和環(huán)境條件而被控制。作為一個替換方案，可以使用二極管來取代閘流晶體管25。如圖所示，該DC/AC變換器22包括6個晶體管28，其也由控制單元26控制。根據(jù)本發(fā)明，多種類型的晶體管能被用于電力變換器，例如IGBT模塊。此外，如本領域普通技術(shù)人員所知，該DC/AC變換器22在其輸出端包括一個濾波裝置，該濾波裝置在這個實施例中包括3個電感器30。
DC鏈接電路24通常包括至少一個用于DC鏈接電流的濾波器，其能被配置為DC鏈接扼流圈(未示出)。此外，該DC鏈接電路包括一個電能存儲裝置32，其例如可以是一個電容器組、一個電池、一個超級電容器或類似裝置。
電網(wǎng)電壓跌落能通過被連接到控制單元26的電網(wǎng)電壓傳感器34來感測。以類似方式，發(fā)電機14的輸出電壓能通過也被連接到控制單元26的定子電壓傳感器36來感測。
在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，一個風力渦輪機的發(fā)電機14能夠支持電網(wǎng)以便產(chǎn)生所需的電力并將其提供給電網(wǎng)18是必要的。根據(jù)本發(fā)明，有兩種方法能被用于在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時提高被提供給電網(wǎng)的電力。根據(jù)本發(fā)明的第一種方法涉及降低DC鏈接電路24的輸出電壓Vz，這例如能通過控制AC/DC變換器20來實現(xiàn)。為了實現(xiàn)這樣的功能，該AC/DC變換器20的閘流晶體管25需要根據(jù)發(fā)電機14的定子的相移而被控制。此外還必須檢測或確定定子的頻率。依照這些參數(shù)，對閘流晶體管25的控制被修正，以便降低DC鏈接電路24的輸出電壓Vz。
由于DC鏈接電路24的輸出電壓Vz的降低，在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時，DC/AC變換器22的輸出電流IC不改變晶體管28中的功率損耗的情況下而被提高，從而當與在正常操作條件下相比時，這些功率損耗基本不改變。
在下面給出一個例子，以示出在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時的電流的提高。
假設在正常條件下，對于頻率變換器10給出下列參數(shù)。DC鏈接電路24的輸出電壓Vz是600V，以及輸出電流IC是1600A。晶體管28的允許溫度是125℃，以及晶體管28的占空比是1。當接通一個晶體管28時的能量損耗Eon是210mWs，當關斷一個晶體管28時的能量損耗Eoff是260mWs，以及在其中一個晶體管28被關斷的間隔期間的能量損耗Erec是115mWs。需要注意的是，這些參數(shù)僅僅是例子，并且因此可能做出改變。
進一步假設開關頻率f是25001/s，基于Eon、Eoff和Erec的功率損耗以及在一個晶體管28的接通狀態(tài)期間的功率損耗Psw如下Pon+Poff+Prec＝(Eon+Eoff+Erec)*f＝(0.210Ws+0.260Ws+0.115Ws)*25001/s＝0.585Ws*25001/s＝1462.5WPsw＝Vce*Ic*(接通狀態(tài)間隔)/(接通+關斷狀態(tài)間隔)＝2.4V*1600A*1/2
＝1920WP ＝Pon+Poff+Prec+Psw＝3382.5W進一步假設DC鏈接電路24的輸出電壓Vz被降低到30％，并且進一步假設Pon、Poff和Prec基本上被降低相同的百分比，這些功率損耗的總和如下Pon+Poff+Prec＝1/3*1462.5W＝487.5WP＝1920W+487.5W＝2407.5W為了不超過在正常操作下的功率損耗，輸出電流Ic能被提高大約30％Ic＝2100A(對于2407.5W)需要注意的是，最大輸出電壓Ic的提高的百分比與所使用的晶體管28的類型無關。
另外一種在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時提高輸出電壓Ic的方法是降低晶體管28的開關頻率。也就是說，當晶體管28被接通一段較短的時間周期時，若此時保持電流不變，則能量損耗被降低。因此，如果能量損耗能保持不變，則電流能被提高。
下面將針對這種情況給出一個基于上述參數(shù)的例子。
假設開關頻率f從25001/s被降低到5001/s，則能夠獲得下列等式Pon+Poff+Prec＝(Eon+Eoff+Erec)*f＝(0.210Ws+0.260Ws+0.115Ws)*5001/s＝0.585Ws*5001/s＝292.5WPsw＝Vce*Ic*(接通狀態(tài)間隔)/(接通+關斷狀態(tài)間隔)＝2.4V*1600A*1/2＝1920WP＝1920W+292.5W＝2212.5W因此，為了獲得與在正常操作時相同的總功率損耗，輸出電流Ic能被提高到IC＝2200A(對于2212.5W)
雖然已經(jīng)參考其特定示意性實施例描述和闡釋了本發(fā)明，但這并不意味著本發(fā)明被限制為那些示意性實施例。本領域技術(shù)人員將認識到，在不背離由所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明真實范圍的情況下，本領域技術(shù)人員可以對其做出各種改變和修改。因此，本發(fā)明意圖包括落在所附權(quán)利要求書或其等效表述的范圍內(nèi)的所有改變和修改。
權(quán)利要求
1.用于在發(fā)生顯著電網(wǎng)電壓跌落時操作一個發(fā)電機、尤其是一個風力渦輪機的頻率變換器的方法，其中該頻率變換器(10)包括一個連接到該發(fā)電機(14)的AC/DC變換器(20)、一個連接到該電壓電網(wǎng)(18)的DC/AC變換器(22)以及一個用于將該AC/DC變換器(20)連接到該DC/AC變換器(22)的DC鏈接電路(24)，本方法包括以下步驟-降低該DC鏈接電路(24)的輸出電壓以提高該DC/AC變換器(22)的輸出電流；以及/或者-降低該DC/AC變換器(22)的各電子開關(28)的操作頻率以提高該DC/AC變換器(22)的輸出電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中當電網(wǎng)電壓被減少至少大約其正常值的10％幾秒鐘時執(zhí)行所述降低步驟或至少其中一個降低步驟，以及其中當正常電網(wǎng)電壓被再次提高至少大約其正常值的80％幾秒鐘時終止所述降低步驟或至少其中一個降低步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中當電網(wǎng)電壓被減少至少大約其正常值的20％幾秒鐘時執(zhí)行所述降低步驟或至少其中一個降低步驟，以及其中當正常電網(wǎng)電壓被再次提高至少大約其正常值的90％幾秒鐘時終止所述降低步驟或至少其中一個降低步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任一個的方法，其中所述降低DC鏈接電路(24)的輸出電壓的步驟包括控制發(fā)電機(14)的一個相位的輸出電壓的一個交叉與AC/DC變換器(20)的一個電子開關(25)的一個操作之間的時間間隔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任一個的方法，其中所述降低DC鏈接電路(24)的輸出電壓的步驟包括降低AC/DC變換器(20)的該電子開關(25)的脈沖寬度間隔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任一個的方法，其中執(zhí)行對DC鏈接電路(24)的輸出電壓的降低和/或?qū)C/AC變換器(22)的操作頻率的降低，以便在不顯著改變該DC/AC變換器(22)的各電子開關(28)中的能量損耗的情況下提高所流過的電流。
全文摘要
本方法涉及在發(fā)生顯著電網(wǎng)電壓跌落時操作一個發(fā)電機、尤其是一個風力渦輪機的頻率變換器，其中該頻率變換器(10)包括一個連接到該發(fā)電機(14)的AC/DC變換器(20)、一個連接到該電壓電網(wǎng)(18)的DC/AC變換器(22)以及一個用于將該AC/DC變換器(20)連接到該DC/AC變換器(22)的DC鏈接電路(24)。本方法包括以下步驟降低該DC鏈接電路(24)的輸出電壓以提高該DC/AC變換器(22)的輸出電流；以及/或者降低該DC/AC變換器(22)的各電子開關(28)的操作頻率以提高該DC/AC變換器(22)的輸出電流。
文檔編號H02J3/18GK1860655SQ03827194
公開日2006年11月8日 申請日期2003年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月16日
發(fā)明者D·門克, W·揚森 申請人:通用電氣公司