專利名稱：為雙饋感應發(fā)電機提供增加的渦輪機輸出的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及風カ發(fā)電機的領域，更具體地涉及允許增加發(fā)電機輸出以供應頻率支持電流的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
近來，風カ渦輪機作為ー種環(huán)境安全和相對廉價的替代能源而日益受到關注。由于此日益增長的關注，已做出相當大的努力來開發(fā)可靠和高效的風カ渦輪機。一般而言，風カ渦輪機使用風カ來發(fā)電。風カ轉動連接到轉子上的多個葉片。風力造成的葉片的旋轉使轉子的軸旋轉，該軸連接到發(fā)電的發(fā)電機上。具體而言，轉子安裝在位于桁架或管狀塔架的頂部上的殼體或機艙內。公用級風カ渦輪機，即，設計成向公用電網(wǎng)提供電カ的風カ渦輪機，可具有直徑達三十米或以上的相對大型的轉子。這些轉子上的葉片將風能轉換成驅動在某些情況下通過齒輪箱聯(lián)接到轉子上的一個或更多發(fā)電機的旋轉扭矩或力。齒輪箱可用于逐步提高渦輪機轉子的固有低轉速以便發(fā)電機有效地將機械能轉換為被提供給公用電網(wǎng)的電能。一些渦輪機利用不使用齒輪箱而直接聯(lián)接到轉子上的發(fā)電機。在這些情形下，可使用雙饋感應發(fā)電機(DFIG)。使用功率轉換器來將發(fā)電機的繞線轉子的電カ轉移到電網(wǎng)接點。在操作中，所需水平的能量將通過功率轉換器的DC鏈。在某些狀態(tài)(例如，瞬時功率狀態(tài))下，轉子與電網(wǎng)接點之間的高功率失配暫時存在并且電壓瞬變被放大，使得DC鏈電壓水平可上升到高于正常允許的水平或額定水平。用于吸收或偏離在過剩電カ水平狀態(tài)期間的電カ的已知系統(tǒng)包括在雙饋感應發(fā)電機的轉子端子與轉子轉換器之間使用快速工作的短接裝置，例如消弧電路。在操作中，這些短接裝置例如在過剩電力水平狀態(tài)期間在轉子端子處提供短接電路，以防止過剩的電カ 流向轉子轉換器。過剩的電カ可導致形成能夠損壞轉換器并使風カ渦輪機系統(tǒng)停止操作的過剩DC鏈電壓。已知的附加短接裝置不僅增加了風カ渦輪機系統(tǒng)的成本，而且可能導致發(fā)電機軸扭矩的高扭矩峰值，該峰值激發(fā)所聯(lián)接的風カ渦輪機的傳動系的振動。在提取的電カ的突然變化導致瞬時或振蕩カ超過額定力或者與該カ有關的位移超過額定位移的情況下，必須消除過剩的力。雖然為這些構件提供増加的強度成本高，但通過此類構件提供的性能可用于提高它們的價值。另ー方面，必須對操作系統(tǒng)施加的限制可能降低該價值。需要系統(tǒng)提供用于電網(wǎng)穩(wěn)定的電流可降低發(fā)電機容量，以提供電網(wǎng)穩(wěn)定電流的一部分由發(fā)電機単獨供應的頻 ￥支手寸。因此，需要ー種方法和系統(tǒng)在不需要增強所有渦輪機設備的情況下可靠地供應電網(wǎng)穩(wěn)定無功電流，同時允許發(fā)電機提供頻率支持電流
發(fā)明內容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點將在以下說明中進行部分論述，或可從說明而變得顯而易見，或可通過實施本發(fā)明而獲悉。本公開內容的一個示例性實施例涉及用于穩(wěn)定風カ渦輪機供電電網(wǎng)中的電網(wǎng)電流擾動的控制方法，該方法包括將風カ驅動的雙饋感應發(fā)電機的定子聯(lián)接到電網(wǎng)上；借助于線路側轉換器將雙饋感應發(fā)電機的轉子聯(lián)接到電網(wǎng)上，該線路側轉換器包括多個導電電氣開關；以及為線路側轉換器的導電開關提供充分的電流承載容量，以產生頻率支持和増加的電網(wǎng)穩(wěn)定電流，同時提供頻率支持并且所需的來自雙饋感應發(fā)電機的定子的電網(wǎng)穩(wěn)定電流的量更小，從而允許在電網(wǎng)擾動期間的更多有功定子電流。在選定的實施例中，該方法還提供借助于轉子側轉換器和直流鏈將雙饋感應發(fā)電機的轉子聯(lián)接到線路側轉換器上，此處該轉子側轉換器包括多個導電電氣開關。在某些情形中，該方法將上述開關提供為固態(tài)開關且在一些情形中提供為IGBT開關。在更多特定實施例中，該方法提供跨直流鏈聯(lián)接動態(tài)制動器并根據(jù)跨直流鏈的電壓水平控制動態(tài)制動器。在所選的實施例中，該方法將動態(tài)制動器提供為串聯(lián)連接的開關和消耗裝置，并且在特定實施例中該串聯(lián)連接的開關是固態(tài)開關且消耗裝置為電阻器。在所選的實施例中，該方法提供通過根據(jù)跨直流鏈的電壓變化調制施加到固態(tài)開關的信號來控制動態(tài)制動器。在更多特定實施例中，該方法提供具有至少與為轉子側轉換器開關提供的電流承載容量一樣大的用于線路側轉換器開關的電流承載容量的開關。在一些實施例中，該方法將開關和動態(tài)制動器開關提供為絕緣柵雙極晶體管。本公開內容的另ー示例性實施例涉及ー種用于穩(wěn)定風力渦輪機供電電網(wǎng)中的電網(wǎng)電流擾動的裝置。該裝置包括具有定子和轉子的風カ驅動的雙饋感應發(fā)電機，其中該定子聯(lián)接到電網(wǎng)上。線路側轉換器設置有構造成將雙饋感應發(fā)電機的轉子聯(lián)接到電網(wǎng)上的多個導電電氣開關。導電開關設置有充分的電流承載容量，以產生頻率支持和増加的電網(wǎng)穩(wěn)定電流，同時提供頻率支持并且所需的來自雙饋感應發(fā)電機的定子的電網(wǎng)穩(wěn)定電流的量更小，使得在電網(wǎng)中擾動期間可從定子提供更多有功電流?？蓪Ρ竟_內容的這些示例性的實施例做出變形和改型。參考以下說明和所附權利要求，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解。結合在本說明書中并構成本說明書的一部分的附圖示出了本發(fā)明的實施例，并連同說明一起用于解釋本發(fā)明的原理。


在參照附圖的說明書中針對本領域的普通技術人員闡述了本發(fā)明的完整和能夠實現(xiàn)的公開內容，在附圖中圖1示出用于風カ渦輪機的示例性的控制系統(tǒng)的方面；圖2示出根據(jù)本公開內容的轉子側和定子側轉換器以及動態(tài)制動器的方面；圖3A示出可在前面的DFIG系統(tǒng)中獲得的頻率支持和電網(wǎng)穩(wěn)定電流流動；以及圖加示出可在根據(jù)本公開內容的DFIG系統(tǒng)中獲得的頻率支持和電網(wǎng)穩(wěn)定電流流動。零部件列表100風カ渦輪機系統(tǒng)
106轉子
108轉子葉片
110旋轉輪轂
118齒輪箱
120DFIG發(fā)電機
136DC鏈
138DC鏈電容器
154定子總線
156轉子總線
158轉子同步開關
160系統(tǒng)總線
162功率轉換構件
166轉子側轉換器
168線路側轉換器
172線路接觸器
174控制器
176控制系統(tǒng)
178系統(tǒng)電路斷路器
180變壓器
182電網(wǎng)斷路器
184電網(wǎng)
186轉換器斷路器
188線路總線
200動態(tài)制動器
202IGBT
204消耗元件
206控制器
300DFIG
302電路路徑箭頭
304電路路徑箭頭
304，電路路徑箭頭
306電路路徑箭頭
306，電路路徑箭頭
310轉子側開關
312DC鏈
314線路側開關
314，較高容量線路側開關
316動態(tài)制動器
具體實施例方式現(xiàn)將詳細說明本發(fā)明的實施例，其一個或多個實例在附圖中示出。各實例作為對本發(fā)明的說明來提供，而并非對本發(fā)明的限制。事實上，對本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的前提下，可在本發(fā)明中做出各種改型和變型。例如， 作為ー個實施例的一部分示出或描述的特征可與另ー實施例一起使用以產生再ー實施例。 因此，本發(fā)明旨在涵蓋諸如落入所附權利要求及其等同物的范圍內的此類改型和變型。為了將本發(fā)明的教導置于上下文中，現(xiàn)在討論用于使用風カ渦輪機發(fā)電的構件的方面的概況。參照圖1，示出了風カ渦輪機系統(tǒng)100的方面的示例性實施例。在此實施例中，轉子106包括聯(lián)接到旋轉輪轂110上的多個轉子葉片108，并與其一起限定螺旋槳(propeller)。該螺旋槳聯(lián)接到可選的齒輪箱118上，該齒輪箱118又聯(lián)接到發(fā)電機120上。根據(jù)本公開內容，發(fā)電機120是雙饋感應發(fā)電機120 (DFIG)。DFIG 120典型地經(jīng)由轉子總線156聯(lián)接到定子總線巧4和功率轉換構件162上。 定子總線巧4提供來自DFIG 120的定子(未単獨示出)的三相電的輸出并且轉子總線156 提供來自DFIG 120的轉子(未単獨示出)的三相電的輸出。特別參考功率轉換構件162， DFIG 120經(jīng)由轉子總線156聯(lián)接到轉子側轉換器166上。轉子側轉換器166聯(lián)接到線路側轉換器168上，該線路側轉換器168又聯(lián)接到線路側總線188上。在示例性的構造中，轉子側轉換器166和線路側轉換器168構造成使用如圖2中所示的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 開關裝置以三相、兩級、脈沖寬度調制(PWM)布置而用于正常操作模式。轉子側轉換器166 和線路側轉換器168經(jīng)由DC鏈136聯(lián)接，DC鏈電容器138跨越該DC鏈136。功率轉換構件162還包括控制器174以控制轉子側轉換器166和線路側轉換器 168的操作。應注意，在示例性實施例中，控制器174構造為功率轉換構件162與控制系統(tǒng) 176之間的接ロ。在典型的構造中，可包括各種線路接觸器和斷路器，例如，電網(wǎng)斷路器182，以在與電網(wǎng)184連接或分離期間隔離DFIG 120的正常操作所需的各種構件。系統(tǒng)電路斷路器178 將系統(tǒng)總線160聯(lián)接到變壓器180上，該變壓器180經(jīng)由電網(wǎng)斷路器182連接到電網(wǎng)184上。在操作中，通過旋轉的轉子106在DFIG 120處產生的電カ經(jīng)由雙路提供給電網(wǎng) 184。該雙路由定子總線巧4和轉子總線156限定。在轉子總線156側上，正弦三相交流 (AC)電由功率轉換構件162轉換為直流(DC)電。來自功率轉換構件162的轉換的電カ與來自DFIG 120的定子的電カ相結合，以提供具有維持在基本恒定、例如60赫茲AC水平的頻率的三相電。功率轉換構件162對來自DFIG 120的轉子的三相電的頻率進行補償或者調節(jié)以便改變。如本領域中已知的，風カ渦輪機系統(tǒng)100內的各種斷路器和開關，包括電網(wǎng)斷路器182、系統(tǒng)斷路器178、定子同步開關158、轉換器斷路器186和線路接觸器172，構造成例如在電流過剩并且可損壞風カ渦輪機系統(tǒng)100的構件時或出于其它操作考慮連接或分離相應的總線。也可設置另外的保護構件(未示出)。應注意，可對風カ渦輪機系統(tǒng)100進行改造以與不同的電カ系統(tǒng)等相結合地操作。一般而言，風カ渦輪機系統(tǒng)100如本領域中已知的那樣發(fā)電。還應認識到，如本文所述的風カ渦輪機系統(tǒng)100的方面僅為說明性的且并非對其加以限制。
在各種實施例中，功率轉換構件162經(jīng)由控制器174接收來自例如控制系統(tǒng)176 的控制信號。這些控制信號尤其基于感測到的風カ渦輪機系統(tǒng)100的狀態(tài)或操作特征。典型地，這些控制信號提供對于功率轉換構件162的操作的控制。例如，可使用形式為感測到的DFIG 120的速度的反饋來控制來自轉子總線156的輸出電力的轉換以維持適當和平衡的三相電源。來自其它傳感器的其它反饋也可由控制系統(tǒng)174用于控制功率轉換構件162， 包括，例如，定子和轉子總線電壓和電流反饋。利用各種形式的反饋信息，并且例如，可以以任何公知的方式生成開關控制信號、定子同步開關控制信號和系統(tǒng)電路斷路器控制(跳閘)信號?，F(xiàn)參照圖2，示出了根據(jù)本公開內容的轉子側轉換器166、線路側168轉換器和動態(tài)制動器200的方面。如從圖2可以看到，轉子側轉換器166和線路側轉換器168兩者在此示例性的構造中對應于多個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。本領域的普通技術人員應理解， 可使用其它類型的裝置來代替IGBT。轉子側轉換器166構造成接收來自轉子總線156的 AC輸入并提供跨電容器138的DC電壓，該電容器138跨DC鏈136聯(lián)接。另ー方面，線路側轉換器168構造成將DC鏈136上的DC電壓轉換成AC電壓并將此類AC電壓供應給線路總線 188。根據(jù)本公開內容，已發(fā)現(xiàn)，通過用具有至少與轉子側轉換器166開關相同的電流承載容量的開關代替線路側轉換器168開關，即，本文說明的IGBT開關，并增加跨越DC鏈 136聯(lián)接的動態(tài)制動器200，可在瞬時狀態(tài)期間供應顯著增加的電網(wǎng)穩(wěn)定無功電流。在本文說明的示例性的構造中，動態(tài)制動器200可對應于與消耗元件204串聯(lián)聯(lián)接的IGBT 202。 在示例性的實施例中，消耗元件204可對應于具有適當電カ處理容量的電阻器并且可經(jīng)由響應于跨DC鏈136的電壓水平的控制器206使用脈沖寬度調制技術來控制IGBT 202?，F(xiàn)參考圖3A，示出了當前可獲得的雙饋感應發(fā)電機(DFIG)系統(tǒng)中的頻率支持和電網(wǎng)穩(wěn)定電流流動的框圖。如從圖3A可以看到，頻率支持和電網(wǎng)穩(wěn)定電流可從DFIG 300 的轉子沿通過電流路徑箭頭302表示的路徑流動并在通過轉子側開關310、DC鏈312和線路側開關314之后與通過電流路徑箭頭304表示的定子電流相結合。圖加示出可根據(jù)本公開內容獲得的頻率支持和電網(wǎng)穩(wěn)定電流流動。根據(jù)本公開內容，使用如圖3B中與圖3A相比通過增加的字體大小來部分表示的電流承載容量至少對應于轉子側開關310的更高容量的線路側開關314’代替前面使用的線路側開關314。另外，動態(tài)制動器316如前文關于圖2所述設置成跨DC鏈312聯(lián)接。這些特征的組合提供如通過電流路徑箭頭306’表示的來自線路側開關314’的頻率支持和較多的電網(wǎng)穩(wěn)定電流以及如通過電流路徑箭頭304’表示的來自發(fā)電機300的定子的頻率支持和較少的電網(wǎng)穩(wěn)定電流。同吋，DFIG 300的轉子被請求供應如通過電流路徑箭頭302’表示的頻率支持和較少的電網(wǎng)穩(wěn)定電流。此組合使得發(fā)電機的有功定子電流増加，即，發(fā)電機的電容量増加，并且對電網(wǎng)瞬時現(xiàn)象的響應改善。在電網(wǎng)188上的瞬時干擾周期期間，必須對無功效應做出補償。一般而言，風カ渦輪機提供有允許在接近単位功率因子操作的補償機構。例如，在示例性的DFIG系統(tǒng)中，可經(jīng)由脈沖寬度調制技術來控制線路側轉換器，以產生比它們所連接的總線更高或更低的電壓，從而實現(xiàn)功率因子修正。根據(jù)本公開內容，例如加倍的顯著增加線路側開關的容量提供了用于提供線路側轉換器的額外電流容量以在不增加轉子或定子電流的情況下供應電網(wǎng)穩(wěn)定電流的手段。同時，動態(tài)制動器316使用例如脈沖寬度調制技術響應于DC鏈電壓操作以控制DC鏈電壓，從而在電網(wǎng)不穩(wěn)定的周期期間提供基本恒定的相對正常的水平。 此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本發(fā)明，并且還使本領域的任何技術人員能夠實施本發(fā)明，包括制造并利用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何所結合的方法。本發(fā)明可取得專利權的范圍通過權利要求來限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果此類其它實例包括并未不同于權利要求的文字語言所描述的結構元件，或者它們包括與權利要求的文字語言無實質性區(qū)別的等同結構元件，則認為此類其它實例包含在權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種用于穩(wěn)定風力渦輪機供電的電網(wǎng)中的電網(wǎng)電流的擾動的方法，包括將風カ驅動的雙饋感應發(fā)電機(120)的定子聯(lián)接到所述電網(wǎng)(184)上；借助于線路側轉換器(168)將所述雙饋感應發(fā)電機(120)的轉子聯(lián)接到所述電網(wǎng)上， 所述線路側轉換器包括多個導電電氣開關；以及為所述線路側轉換器的所述導電開關提供充分的電流承載容量，以產生頻率支持和增加的電網(wǎng)穩(wěn)定電流，同時提供頻率支持并且所需的來自所述雙饋感應發(fā)電機的定子的電網(wǎng)穩(wěn)定電流的量更小，從而在所述電網(wǎng)干擾期間提供増加的有功定子電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在干，所述方法還包括借助于轉子側轉換器 (166)和直流鏈(136)將所述雙饋感應發(fā)電機(120)的所述轉子聯(lián)接到所述線路側轉換器 (168)上，所述轉子側轉換器(166)包括多個導電電氣開關。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在干，所述方法還包括跨所述直流鏈(136)聯(lián)接動態(tài)制動器O00)；以及根據(jù)跨所述直流鏈的電壓水平來控制所述動態(tài)制動器。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在干，聯(lián)接動態(tài)制動器(200)包括跨越所述直流鏈(136)聯(lián)接串聯(lián)連接的開關(20 和消耗裝置004)。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，控制所述動態(tài)制動器(200)包括根據(jù)跨所述直流鏈(136)的電壓變化來調制施加到所述固態(tài)開關O02)的信號。
6.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在干，為所述線路側轉換器開關提供的電流承載容量至少與為所述轉子側轉換器開關提供的電流承載容量一樣大。
7.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，將所述線路側轉換器(166)中的所述多個導電電氣開關和所述轉子側轉換器(168)中的所述多個導電電氣開關提供為絕緣柵雙極晶體管。
8.一種用于穩(wěn)定風力渦輪機供電的電網(wǎng)中的電網(wǎng)電流的擾動的裝置，包括具有定子和轉子的風カ驅動的雙饋感應發(fā)電機(120)，其中所述定子聯(lián)接到所述電網(wǎng) (184)上；以及線路側轉換器(168)，所述線路側轉換器(168)包括構造成將所述雙饋感應發(fā)電機 (120)的轉子聯(lián)接到所述電網(wǎng)上的多個導電電氣開關；其中所述導電開關設置有充分的電流承載容量，以產生頻率支持和増加的電網(wǎng)穩(wěn)定電流，同時提供頻率支持并且所需的來自所述雙饋感應發(fā)電機(120)的定子的電網(wǎng)穩(wěn)定電流的量更小，從而在所述電網(wǎng)干擾期間提供増加的有功定子電流。
9.根據(jù)權利要求8的裝置，其特征在干，所述裝置還包括轉子側轉換器(166)，所述轉子側轉換器(166)包括多個導電電氣開關；以及將所述轉子側轉換器(166)聯(lián)接到所述線路側轉換器(168)上的直流鏈(136)。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，其特征在干，所述裝置還包括跨所述直流鏈(136)聯(lián)接的動態(tài)制動器O00)；以及控制器O06)，其響應于跨聯(lián)接到所述動態(tài)制動器(200)上的所述直流鏈(136)的電壓水平。
11.根據(jù)權利要求10所述的裝置，其特征在干，所述動態(tài)制動器(200)包括跨所述直流鏈(136)聯(lián)接的串聯(lián)連接的開關(202)和消耗裝置004)。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，其特征在干，所述串聯(lián)連接的開關(202)是固態(tài)開關并且所述消耗裝置(204)是電阻器。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，其特征在干，所述控制器(206)構造成根據(jù)跨所述直流鏈(136)的電壓變化來調制施加到所述固態(tài)開關O02)的信號。
14.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在于，為所述線路側轉換器(168)開關提供的電流承載容量至少與為所述轉子側轉換器(166)開關提供的電流承載容量一樣大。
15.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在干，所述線路側轉換器(168)中的多個導電電氣開關和所述轉子側轉換器(166)中的多個導電電氣開關是絕緣柵雙極晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及為雙饋感應發(fā)電機提供增加的渦輪機輸出的方法和系統(tǒng)，具體而言，涉及用于供應來自雙饋感應發(fā)電機(DFIG)(120)的增加的頻率支持電流以有助于維持電網(wǎng)穩(wěn)定性的系統(tǒng)和方法。通過顯著增加形成轉換器的電氣開關的電流處理容量來提高與DFIG(120)的線路側轉換器(168)相關的輸出容量。還跨DC鏈(136)設置動態(tài)制動器(200)，該DC鏈(136)將線路側轉換器聯(lián)接到轉子側轉換器(168)上，該轉子側轉換器(168)聯(lián)接到DFIG(120)的轉子上?；诳鏒C鏈(136)的電壓來控制動態(tài)制動器(200)。
文檔編號H02P9/30GK102545759SQ201110346429
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權日2010年10月29日
發(fā)明者A·M·里特, J·A·米柳斯 申請人:通用電氣公司