專利名稱:變換器系統(tǒng)的操作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及連接到公用電網(wǎng)的風力渦輪機發(fā)電的領域,尤其涉及風力渦輪機和包括向公用電網(wǎng)供電的變換器模塊的電功率變換器系統(tǒng)。
背景技術:
一方面,風力渦輪機涉及變換器系統(tǒng)的功率效率。即使是微小的功率效率提高對風力渦輪機的投資收益率也是意義重大的,因為提高了發(fā)電功率。
另一方面,風力渦輪機涉及變換器系統(tǒng)的可靠性。改進的變換器系統(tǒng)可靠性提高了風力渦輪機的可靠性,因此延長了風力渦輪機的平均無故障時間。平均無故障時間的延長降低了維修成本和提高了發(fā)電量,這對于風力渦輪機的投資收益率非常重要。
WO 2004/030189公開了適用于將功率從第一種形式轉(zhuǎn)換為適用于的目的地系統(tǒng)元件使用的其他形式的功率轉(zhuǎn)換單元(PCU)。功率源可以包括多種發(fā)電設備,如風力渦輪機。在轉(zhuǎn)換之后功率提供給目的地系統(tǒng)的一個或多個可變的負載。這些可變的負載能夠代表來自電機、伺服系統(tǒng)、電路和類似設備運行的功率要求。系統(tǒng)的運行可以包括為適應目的地系統(tǒng)功率消耗的增加/減少而啟用/停用一個或多個PCU。通過在低功率消耗期間停用PCU,可使配電系統(tǒng)的整體效率提高。但是,WO 2004/030189既沒有考慮到如何延長功率轉(zhuǎn)換單元的平均無故障時間,也沒有考慮到如何管理輸入PCU的電功率的變化,因此WO 2004/030189沒有考慮如何提高系統(tǒng)中PCU的效率,該系統(tǒng)中輸入PCU的電功率相對時間變化不是常數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標是通過使用具有提高的電功率轉(zhuǎn)換效率的電力變換器系統(tǒng)來提供一種優(yōu)化風力渦輪機電功率效率的方法。通過使用具有提高的可靠性的電力變換器系統(tǒng)而提高風力渦輪機的可靠性的方法也可作為本發(fā)明補充的或可選的目標。
通過應用操作風力渦輪機的變換器系統(tǒng)的方法,可以實現(xiàn)本發(fā)明的一個或多個目標,所述變換器系統(tǒng)包括--能夠?qū)l(fā)電機的可變發(fā)電功率轉(zhuǎn)換為可應用于公共電網(wǎng)的電功率的多個變換器模塊,其中--所述多個變換器模塊安排為并聯(lián)方式,及其中該方法包括步驟--響應與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關的參數(shù),確定至少一個變換器模塊的啟用/禁止程序。
本發(fā)明獨特的但不唯一的優(yōu)點是提高了風力渦輪機發(fā)電的效率,以及提高了電功率變換器系統(tǒng)的可靠性,因此延長了風力渦輪機的平均無故障時間。
能夠?qū)l(fā)電機的可變發(fā)電功率變換為可應用于公共電網(wǎng)的電功率的多個變換器模塊可以包括發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器??蛇x地,變換器模塊包括矩陣變換器,其特征是既不具有單獨的發(fā)電機逆變器也不具有單獨的電網(wǎng)逆變器,因此不具有直流環(huán)節(jié)。
與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關的參數(shù)可以是以下一個或多個變換器模塊元件的溫度、變換器系統(tǒng)表觀功率的參考功率(Sref)、變換器系統(tǒng)有功功率的參考功率(Pref)、變換器系統(tǒng)的參考電流(Iref)、發(fā)電機產(chǎn)生的表觀功率或傳輸給電網(wǎng)的表觀功率的測量值(Smes)、發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率或傳輸給電網(wǎng)的有功功率的測量值(Pmes)、發(fā)電機產(chǎn)生的電流或傳輸給電網(wǎng)的電流的測量值(Imes)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,禁止至少一個變換器模塊可以是短期禁止也可以是長期禁止。
所述短期禁止的特征是允許快速啟用已經(jīng)被禁止了預期短時間段的變換器模塊。快速啟用持續(xù)的時間可以相對于操作接觸器要求的時間定義,如機械接觸器。優(yōu)選地,短期禁止的情況可以由風速變化引起,風速變化引起了發(fā)電機發(fā)電量的變化,因此當測量到或預計到發(fā)電量降低時,變換器模塊可以短期禁止,短期禁止的優(yōu)點是當測量到或預計到發(fā)電量的增長時短期禁止允許快速啟用。能夠只在預期短的時間內(nèi)禁止變換器模塊是有優(yōu)點的,因為短期禁止具有快速啟用變換器模塊的能力,因此避免了由于變換器模塊緩慢啟動造成的發(fā)電量損失。
如同能夠短期禁止變換器模塊,還有可能長時間禁止變換器模塊,其中長時間禁止的持續(xù)時間可以相對于短期禁止定義。當期望變換器模塊在一個較長時間內(nèi)不必啟用時長時間禁止是一項優(yōu)點。而且長時間禁止是一項優(yōu)點是因為當變換器模塊被長時間禁止時其平均無故障時間將提高,因為變換器的晶體管和電容上沒有施加電壓。當預期在較長的時間段內(nèi)風速不會變化,或變換器模塊需要修理或替換時,是導致優(yōu)選長時間禁止的情況。
在本發(fā)明可能的實施例中,可以執(zhí)行啟用/禁止至少多個變換器模塊之一的步驟從而使得每一個啟用的變換器模塊或至少某些變換器模塊輸出的功率相對于變換器模塊的額定功率最大化。當從變換器模塊輸出的電功率相對于變換器模塊的額定功率最大化時,變換器模塊的電功率轉(zhuǎn)換效率也最大化,因此最大化了風力渦輪機的發(fā)電量,這是風力渦輪機投資收益率的優(yōu)勢。
在另一可能的實施例中,可以執(zhí)行啟用/禁止至少多個變換器模塊之一從而使得每一個變換器模塊或至少某些變換器模塊的熱循環(huán),即電子元件的溫度隨時間的變化最小化,例如與正常運行溫度相比,或與最大允許運行溫度相比,或與最大允許溫度變化相比。這是優(yōu)點,因為變換器的熱循環(huán)正在損害變換器模塊。因此最小化熱循環(huán)將提高變換器模塊的可靠性,因此降低了變換器模塊故障的數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明響應于熱循環(huán)進行啟用/禁止的方法,當運行變換器模塊時,執(zhí)行啟用/禁止從而使得多個變換器模塊的每一個或至少多個變換器模塊中的一部分的熱循環(huán)在所選的溫度范圍內(nèi)最小化,或者執(zhí)行啟用/禁止從而使得每一個啟用的變換器模塊的熱循環(huán)的溫度范圍最小化。
優(yōu)選地,相對于在0和125攝氏度之間的溫度間隔、在30和125攝氏度之間的溫度間隔更好、最好在60和125攝氏度之間的溫度間隔、甚至在60和110攝氏度之間的溫度間隔,執(zhí)行最小化熱循環(huán)溫度范圍。
根據(jù)本發(fā)明另一可選或額外的響應于熱循環(huán)進行啟用/禁止的方法,當運行變換器模塊時,執(zhí)行啟用/禁止從而使得多個變換器模塊的每一個或至少多個變換器模塊中的一部分的熱循環(huán)在所選的溫度范圍內(nèi)最小化,或者執(zhí)行啟用/禁止從而使得每一啟用的變換器模塊的熱循環(huán)頻率最小化,其中優(yōu)選相對于最大允許頻率執(zhí)行最小化熱循環(huán)的頻率。
相對于變換器模塊的額定功率最大化至少已啟用的變換器模塊之一的輸出功率和最小化至少變換器模塊之一的熱循環(huán)的要求在一些情況下是不能都實現(xiàn)的。變換器模塊的輸出功率最大化或至少部分最大化和熱循環(huán)最小化或至少部分最小化二者都實現(xiàn)的方法可以通過計算單一參數(shù)并相對于預設值優(yōu)化該單一參數(shù)而獲得,其中所述單一參數(shù)可以是相對于變換器模塊的額定功率的輸出功率和變換器模塊的熱循環(huán)二者的特征。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,執(zhí)行啟用/禁止至少變換器模塊之一從而兩個或多個變換器模塊的脈寬調(diào)制(PWM)方案相互相位偏移。因此,當啟用2個變換器模塊時脈寬調(diào)制方案可以相互相位偏移180度,當啟用3個變換器模塊時脈寬調(diào)制(PWM)方案可以相互相位偏移120度,從而第二變換器模塊的PWM方案相對于第一變換器模塊相位相差120度,第三變換器模塊的PWM方案相對于第一變換器模塊相位相差240度。相似地,當啟用4個變換器模塊時,脈寬調(diào)制(PWM)方案的相位相互相差90度。當啟用5個或更多變換器模塊時,脈寬調(diào)制(PWM)方案根據(jù)上述啟用2個、3個或4個變換器模塊的示例移相。當兩個或多個變換器模塊的脈寬調(diào)制(PWM)方案相互移相時,源自脈寬調(diào)制(PWM)的諧波成分減少,因此提高了施加到公用電網(wǎng)上的電壓信號的質(zhì)量。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中,啟用/禁止至少變換器模塊之一的標準由預定的滯后參數(shù)確定,其中滯后參數(shù)受渦輪機元件的溫度和/或環(huán)境溫度的影響。當渦輪機元件的溫度,如變換器模塊、變換器模塊的散熱器、電網(wǎng)側(cè)扼流圈、發(fā)電機側(cè)扼流圈、制動斬波器電阻、IGBT模塊、機殼或發(fā)電機的溫度相對于正常運行溫度或相對于最高運行溫度變得過高時,改變變換器模塊的啟用和/或禁止界限是有益的,從而每一變換器模塊輸出較少量的電功率,因此降低了風力渦輪機的任何一個過熱元件的溫度。當修改啟用和/或禁止界限時周圍環(huán)境的溫度也要考慮,以降低風力渦輪機過熱的元件的溫度。
相反地,如果風力渦輪機的一些或全部元件的溫度和/或環(huán)境溫度相對于正常運行溫度或相對于最高運行溫度比較低,改變變換器模塊的啟用和/或禁止界限是有益的。改變啟用和/或禁止界限將在允許的范圍內(nèi)提高風力渦輪機的元件溫度并同時提高風力渦輪機的功率效率。風力渦輪機元件的最大運行溫度,如IGBT模塊,可以是125攝氏度。
在優(yōu)選實施例中,通過啟用發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器啟動至少變換器模塊之一,其提供了容易快速啟用變換器模塊的方法,因為只要求改變施加在發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器上的電子信號。
相似地,通過禁止發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器可以短期禁止至少變換器模塊之一,其只要求改變施加在發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器上的電子信號。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中,根據(jù)啟用程序序列通過啟用變換器模塊啟用了至少變換器模塊之一。根據(jù)啟用程序序列,啟用既可以從關閉狀態(tài)開始,該狀態(tài)是變換器模塊的長期禁止,也可以從準備狀態(tài)開始,該狀態(tài)是變換器模塊的短期禁止。
相似地,根據(jù)禁止程序序列通過禁止變換器模塊,至少變換器模塊之一可以長期禁止,其中禁止程序序列提供了用于禁止變換器模塊的可預知方法,如從狀態(tài)機了解。
本發(fā)明的一個或多個目標還可以通過打算連接到公用電網(wǎng)的風力渦輪機和打算操作風力渦輪機系統(tǒng)的變換器系統(tǒng)實現(xiàn),所述風力渦輪機系統(tǒng)包括--能夠?qū)l(fā)電機的可變發(fā)電功率轉(zhuǎn)換為可應用于公用電網(wǎng)的電功率的多個變換器模塊,其中--所述多個變換器模塊安排為并聯(lián)方式,及所述風力渦輪機系統(tǒng)包括--響應與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關的參數(shù),確定至少多個變換器模塊之一的啟用/禁止的裝置。
風力渦輪機系統(tǒng)可以包括禁止和/或啟用裝置,如短期禁止和/或啟用變換器模塊的發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器是一項優(yōu)勢。禁止和/或啟用可以通過對發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器應用禁止/啟用信號實現(xiàn)。風力渦輪機還可以包括禁止/啟用裝置,如通過對矩陣變換器施加禁止/啟用信號能夠快速禁止和/或啟用的矩陣變換器。
為了長期禁止變換器模塊的目的,風力渦輪機系統(tǒng)可以包括如用于從發(fā)電機和電網(wǎng)斷開變換器模塊的接觸器是另一項優(yōu)勢。
相對于上述優(yōu)勢,風力渦輪機可以包括如用于已啟用的變換器模塊的脈寬調(diào)制(PWM)方案的移相器的裝置是一項優(yōu)勢。
在優(yōu)選實施例中,風力渦輪機可以包括用于濾除直流信號的波動的直流環(huán)節(jié)電容器,用于直流環(huán)節(jié)電容充電的充電電阻。
本發(fā)明的這些和其他方面將在下面結(jié)合附圖和實施例進行的描述基礎上更加明顯。
圖1原理性地說明了根據(jù)本發(fā)明連接到變換器系統(tǒng)的發(fā)電機和將連接到公用電網(wǎng)的變換器系統(tǒng)。
圖2說明了根據(jù)本發(fā)明用于確定是啟用還是禁止變換器模塊的方法的圖示。
具體實施例方式
圖1說明了包括并聯(lián)的三個變換器模塊20的變換器系統(tǒng)10。圖1還說明了風力渦輪機的發(fā)電機11、將變換器系統(tǒng)10的輸出連接到公用電網(wǎng)和電路斷路器13的變壓器12。
變換器模塊20包括用于從變換器模塊20的電子部分斷開發(fā)電機連接的發(fā)電機接觸器Kgen。變換器模塊還包括用于發(fā)電機電流濾波的電感21、用于從發(fā)電機11的交流信號變換為直流信號的發(fā)電機側(cè)逆變器22、用于濾除直流信號的波動的直流環(huán)節(jié)電容23、用于消耗殘余能量的制動斬波器24、用于直流信號變換為交流信號的電網(wǎng)側(cè)逆變器、以及與電容(未示出)相連用于減少將施加到公用電網(wǎng)上的電壓信號諧波的電感26。變換器模塊20進一步包括當接觸器Kcharge閉合時,用于直流環(huán)節(jié)電容23充電的充電電阻27、用于從變換器模塊20的電子部分斷開公用電網(wǎng)連接的電網(wǎng)接觸器Kgrid、以及在過流的情況下用于從變換器模塊20斷開公用電網(wǎng)連接的電路斷路器28。數(shù)字29指示的符號表明在該示例中變換器模塊是三相系統(tǒng),但是變換器模塊20工作的原理對其他系統(tǒng)同樣適用,如單相系統(tǒng)。
圖1中所示的變換器系統(tǒng)10包括三個變換器模塊20,但是變換器系統(tǒng)10可以包括任意多個變換器模塊20,例如兩個或更多變換器模塊20。
在變換器模塊20能夠向電網(wǎng)供電之前,必須通過從變換器模塊20的初始無效關閉狀態(tài)過渡到最終的完全工作運行狀態(tài)啟用變換器模塊20。從關閉狀態(tài)過渡到運行狀態(tài)包括到多個將在以下描述的中間暫時狀態(tài)和固定狀態(tài)的過渡。暫時狀態(tài)是變換器模塊20能夠保持短時間(總計幾秒)的狀態(tài),固定狀態(tài)是變換器模塊原則上能夠保持無限長時間的狀態(tài)。變換器模塊20的不同狀態(tài)之間的過渡由控制單元控制,如中央處理單元(CPU)。
在初始的關閉狀態(tài),所有的接觸器Kgen、Kgrid和Kcharge打開,且電路斷路器28的狀態(tài)沒有變化,因此電路斷路器28根據(jù)在關閉狀態(tài)之前斷路器28的狀態(tài)打開或關閉。發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25都禁止。
變換器模塊20的下一狀態(tài)是暫時預充電狀態(tài),其中首先如果電路斷路器28最初是打開的,則使其閉合,然后接觸器Kcharge閉合以通過充電電阻27和電網(wǎng)側(cè)逆變器25的續(xù)流二極管將直流環(huán)節(jié)電容23充電到電網(wǎng)電壓的峰值,即如果例如電網(wǎng)的均方根電壓是690V,直流環(huán)節(jié)電容將充電至975V。
變換器模塊20的后續(xù)狀態(tài)是固定的就緒狀態(tài),其中首先接觸器Kgen和Kgrid閉合,Kcharge打開。在固定的就緒狀態(tài)中,直流環(huán)節(jié)電容23的電壓維持在網(wǎng)壓的峰值,從而變換器模塊20準備開始從發(fā)電機11向公用電網(wǎng)變換電功率。
變換器模塊20的狀態(tài)從就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換為短暫的開關充電狀態(tài),其中啟用電網(wǎng)變換器25和直流環(huán)節(jié)電容23充電至大于原先電壓的額定電壓,即電壓可以增長到1050伏。
從暫時的開關充電狀態(tài),變換器模塊20的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為固定的直流環(huán)節(jié)接通狀態(tài),其中直流環(huán)節(jié)電容的電壓保持恒定。
在直流環(huán)節(jié)接通狀態(tài)之后,變換器模塊20的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為暫時的啟動發(fā)電機側(cè)逆變器狀態(tài),其中啟用發(fā)電機側(cè)逆變器22。
后續(xù)狀態(tài)是固定的運行狀態(tài),其中電網(wǎng)側(cè)逆變器25根據(jù)直流環(huán)節(jié)電壓和參考無功功率控制。發(fā)電機側(cè)逆變器22根據(jù)來自于渦輪機控制器的參考功率控制。
就緒狀態(tài)提供了快速啟用和禁止變換器模塊20的可能性,即當變換器模塊20處于向電網(wǎng)供電的運行狀態(tài)中時,通過禁止發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25而從運行狀態(tài)變化到就緒狀態(tài)可以非??焖俚亟棺儞Q器模塊20。相似地,如果變換器模塊處于就緒狀態(tài),通過啟用發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25可以非??焖俚貑⒂米儞Q器模塊20。因此Kgen、Kgrid和Kcharge沒有一個需要操作以禁止或啟用變換器模塊20的電功率轉(zhuǎn)換,從而提供了非??焖賳⒂没蚪棺儞Q器模塊20的方法,也就是快速啟用或緊止的持續(xù)時間范圍是10-100毫秒。此外,當快速禁止或快速啟用任意多個變換器模塊20時,就緒狀態(tài)不要求操作接觸器Kgen、Kgrid和Kcharge,因此與就緒狀態(tài)相關的有利效果是變換器模塊20的平均無故障時間(MTBF)延長。
通過向發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25施加啟用電信號,如通過向發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25的晶體管IGBT的柵極施加脈寬調(diào)制電壓信號,能夠啟用發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25。相似地,通過向發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25施加禁止電信號,如通過向發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25的晶體管柵極施加零電壓信號,能夠禁止發(fā)電機側(cè)逆變器22和電網(wǎng)側(cè)逆變器25。
發(fā)電機側(cè)逆變器22可以包括6個IGBT晶體管。通過向IGBT晶體管的柵極施加電壓,例如0到15伏之間的電壓控制發(fā)電機側(cè)逆變器22。如果0伏的電壓信號施加在6個IGBT晶體管的柵極,則將沒有電流流過IGBT晶體管,因此發(fā)電機變換器22將被禁止。如果例如電壓電平為0伏和15伏的脈寬調(diào)制電壓信號施加在6個IGBT晶體管,則發(fā)電機變換器22將被啟用。通過施加脈寬調(diào)制電壓信號和零電壓信號啟用和禁止電網(wǎng)側(cè)逆變器25與上述的啟用和禁止發(fā)電機側(cè)逆變器22相同。
從運行狀態(tài)到關閉狀態(tài)的反方向過渡通過首先以斜坡方式降低發(fā)電機11的參考功率至零實現(xiàn),其中參考功率控制發(fā)電機11產(chǎn)生的功率。當其已經(jīng)實現(xiàn),發(fā)電機電流是零,且發(fā)電機側(cè)逆變器22可以被禁止,接觸器Kgen可以打開。而直流環(huán)節(jié)參考電壓保持恒定,即直流環(huán)節(jié)電容23的電壓保持恒定,且施加到電網(wǎng)側(cè)逆變器的參考無功功率以斜坡方式下降到零。隨后來自電網(wǎng)側(cè)逆變器25的電網(wǎng)電流將為零,則電網(wǎng)側(cè)逆變器25可以被禁止,Kgrid可以打開。
從運行狀態(tài)到關閉狀態(tài)的過渡持續(xù)時間或與從關閉狀態(tài)到運行狀態(tài)的相反過渡持續(xù)時間的范圍在1-10秒。
上述從關閉狀態(tài)到運行狀態(tài)的過渡的示例只說明了其他實施例中的一個實施例,其中其他狀態(tài)可以包括在狀態(tài)序列中。因此,其他狀態(tài)可以添加在上述狀態(tài)序列之前或之后。而且,上述狀態(tài)中的一些或全部可以在可選狀態(tài)中分組,也就是說預充電狀態(tài)、就緒狀態(tài)和開關充電狀態(tài)可以分入充電狀態(tài)組。此外,在一些情況下一些狀態(tài)可以跳過,例如直流環(huán)節(jié)接通狀態(tài)可以在從開關充電狀態(tài)到啟動發(fā)電機變換器狀態(tài)的過渡中跳過。
通過確保每一個變換器模塊20運行在接近所討論變換器模塊20的額定功率等級可能提高變流系統(tǒng)10的電功率效率。變換器模塊的額定功率等級應理解為變換器模塊在給定溫度能夠輸出的最大電功率。例如,如果變換器模塊20輸出的電功率等于額定功率的100%,則變換器模塊的效率可以是97.5%。反之,如果變換器模塊20輸出的電功率等于額定功率的20%,則變換器模塊的效率可以是95.7%,相應的效率下降了1.8%。
因此,為了實現(xiàn)最佳的變換器效率,啟用的變換器模塊20的數(shù)量必須適合發(fā)電機11的實際發(fā)電功率量。因此,如果發(fā)電機的發(fā)電功率僅為變換器系統(tǒng)額定容量的50%,其中變換器系統(tǒng)10的額定功率等于變換器系統(tǒng)10包括的所有變換器模塊20的額定功率水平的總合,則理想的是啟用一半的變換器模塊20以最大化變換器系統(tǒng)10的效率。
圖2是確定應當啟用的變換器模塊的數(shù)量(沿縱坐標)的圖示,其是變換器系統(tǒng)10的參數(shù)Sref與額定表觀功率Srated的比值(沿橫坐標)的函數(shù)。圖2所示圖形對具有6個變換器模塊20的變換器系統(tǒng)10有效。參數(shù)Srated是變換器系統(tǒng)10的額定表觀功率。參數(shù)Sref是變換器系統(tǒng)10的參考表觀功率,且Sref換算為有功功率和無功功率的均方根。因此參數(shù)Sref與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關,可變發(fā)電功率與變換器模塊20中的電功率損耗有關,其中損耗引起變換器模塊20的溫度升高。由電功率損耗引起的變換器模塊溫度升高對變換器模塊的額定功率是起決定作用的,因此相關的參數(shù)Sref是確定啟用或禁止變換器模塊20的典型參數(shù)。
可以使用其他參數(shù)代替Sref,例如變換器系統(tǒng)10的參考有功功率Pref或變換器系統(tǒng)10的參考電流Iref。此外,還有可能使用發(fā)電機產(chǎn)生的或傳輸給電網(wǎng)的表觀功率的測量值Smes、發(fā)電機產(chǎn)生的或傳輸給電網(wǎng)的有功功率的測量值Pmes或發(fā)電機產(chǎn)生的或傳輸給電網(wǎng)的電流測量值Imes。還有可能使用變換器模塊元件,如變換器模塊20的IGBT晶體管或散熱器的溫度。上述任意參數(shù)(Sref,Pref,Iref)、測量值(Smes,Pmes,Imes)和溫度可以結(jié)合在可使用的單一參數(shù)中代替有關圖2描述的參數(shù)Sref。
圖2中表示的曲線40以Sref/Srated的比率的形式說明了用于啟用變換器模塊20的啟用界限41-45和用于禁止變換器模塊20的禁止界限51-55。因此,當Sref/Srated的比率低于等于或小于啟用界限41的特定值時,例如值1/6或略小于1/6如5/60或8/60,則只有一個變換器模塊20需要啟用。應當理解等于1/6的啟用界限41對應于變換器模塊20的額定功率的100%,因此等于5/60的啟用界限41對應于變換器模塊20的額定功率的50%,等于8/60的啟用界限41對應于變換器模塊20的額定功率的80%。由于發(fā)電機11的發(fā)電功率增加,當Sref/Srated的比率增長大于特定的啟用界限時,如由啟用界限41給出的界限,啟用另一變換器模塊20,從而總共啟用2個變換器模塊20。如果由于發(fā)電機11的發(fā)電功率降低,Sref/Srated的比率隨后降低小于特定禁止界限,例如界限51,則禁止一個變換器模塊20從而只有一個變換器模塊使用,因此維持變換器系統(tǒng)10的高電功率效率。啟用界限41的典型值約等于變換器模塊20的額定功率的90%,或者可能80%,甚至變換器模塊20的額定功率的50%。禁止界限51的典型值約是變換器模塊20的額定功率的80%,或者可能70%,甚至變換器模塊20的額定功率的40%。啟用界限41與禁止界限51之間的差值給出的滯后帶61確保了不會由于發(fā)電機11的發(fā)電能量中的微小波動過分頻繁出現(xiàn)啟用和禁止變換器模塊20。
啟用界限41-45與禁止界限51-55之間的差值給出的滯后帶61-65可以隨著圖2中所示的Sref/Srated的值的增加而調(diào)整增大,其確保了當發(fā)電機11的發(fā)電能量波動增加時,不會過分頻繁出現(xiàn)啟用和禁止變換器模塊20。
當Sref/Srated的比率進一步增長大于啟用界限42時,啟用第三變換器模塊20,且如果Sref/Srated的比率降低小于禁止界限52,將禁止一個變換器模塊。當Sref/Srated的比率增長大于啟用界限45時,將啟用第六即最后一個變換器模塊20。
根據(jù)本發(fā)明,在其他實施例中,可以使用或多或少的變換器模塊,其要求相應的啟用界限41-45和禁止界限51-55的數(shù)值變化。
可以依據(jù)溫度確定啟用界限41-45和禁止界限51-55以避免過熱和因此造成的變換器模塊20失效。例如,如果由于環(huán)境溫度的升高變換器模塊20的溫度上升高于特定界限,必需調(diào)整啟用界限41-45以降低Sref/Srated的比值,例如啟用界限43可以調(diào)整為如圖2所示的啟用界限43a。
因此,當變換器模塊20的啟用界限41-45中的一些或全部已經(jīng)調(diào)整,例如從變換器模塊20的額定功率的90%調(diào)整到85%,從變換器模塊20輸出的平均電功率將相應降低,因為將啟用更多的變換器模塊,從而降低變換器模塊20的溫度。
啟用界限41-45和禁止界限51-55可以依賴于變換器系統(tǒng)任何元件的溫度,例如散熱器、電阻、晶體管、機柜、電網(wǎng)側(cè)扼流圈、發(fā)電機側(cè)扼流圈和制動斬波器電阻的溫度。而且啟用界限41-45和禁止界限51-55可以依賴于發(fā)電機11的溫度,還可以依賴于環(huán)境溫度。
禁止界限51-55中的一些或全部可以對應于啟用界限41-45的降低而降低,例如禁止界限從變換器模塊20的額定功率的80%降到75%,因此維持滯后帶的大小等于例如變換器模塊20的額定功率的10%。
相似地,啟用界限41-45和/或禁止界限51-55可以增加,從而變換器模塊中的一些或全部能夠輸出較大的電功率。如果變換器模塊的溫度降低,例如由于環(huán)境溫度的降低或由于任意元件溫度的降低,如散熱器、電阻、晶體管、機柜、電網(wǎng)側(cè)扼流圈、發(fā)電機側(cè)扼流圈、制動斬波器電阻和發(fā)電機11,可以出現(xiàn)增大啟用界限41-45和/或禁止界限51-55的情況。而且啟用界限41-45和/或禁止界限51-55可以臨時增加以處理來自發(fā)電機11的發(fā)電功率的短時增加。
而且可以依據(jù)變換器系統(tǒng)任意元件的溫度確定變換器模塊的額定功率等級,例如散熱器、電阻、晶體管、機柜、電網(wǎng)側(cè)扼流圈、發(fā)電機側(cè)扼流圈和制動斬波器電阻的溫度。還可以依據(jù)發(fā)電機11的溫度和環(huán)境溫度確定額定功率等級。明顯地,根據(jù)溫度確定額定功率等級等效于根據(jù)溫度確定啟用界限41-45和禁止界限51-55電網(wǎng)側(cè)逆變器23基于脈寬調(diào)制(PWM)。通過確保兩個或多個變換器模塊20的脈寬調(diào)制(PWM)方案相互之間產(chǎn)生相移可能降低脈寬調(diào)制技術產(chǎn)生的諧波。因此,當啟用2個變換器模塊20時,脈寬調(diào)制(PWM)方案相互之間相移180度,當啟用3個變換器模塊20時,脈寬調(diào)制(PWM)方案相互之間相移120度,從而第二變換器模塊20的脈寬調(diào)制(PWM)方案相對于第一變換器模塊相移120度,第三變換器模塊20的脈寬調(diào)制(PWM)方案相對于第一變換器模塊相移240度。相似地,當啟用4個變換器模塊20時,脈寬調(diào)制(PWM)方案可以相互之間相移90度。當啟用5個或更多變換器模塊20時,根據(jù)上述給出的啟用2、3或4個變換器模塊20的示例對脈寬調(diào)制(PWM)方案進行移相。因此,通過對應用在變換器模塊20上脈寬調(diào)制(PWM)方案信號移相,實現(xiàn)了提高施加在公用電網(wǎng)上的電壓信號的質(zhì)量。
考慮應該啟用至少2個變換器模塊20的情況,為了降低脈寬調(diào)制技術產(chǎn)生的諧波,圖2的曲線應該調(diào)整,從而當Sref等于0時曲線以啟用2個變換器模塊20開始,當Sref/Srated的比率超過啟用界限42時,啟用第三變換器。
當變換器系統(tǒng)的輸出連接到強電網(wǎng)時,不必為了降低脈寬調(diào)制引起的諧波電壓成分啟用至少2個變換器模塊20,因為強電網(wǎng)具有抑制該諧波電壓的成分的能力。在這些情況下,當Sref/Srated的比率如圖2所示大于零小于啟用界限41時,只需要啟用一個變換器模塊20。
當啟用和禁止變換器模塊時,通過考慮變換器模塊20的溫度和變換器模塊的運行時間能夠提高變換器模塊20的可靠性。變換器模塊20的可靠性應當理解為如變換器模塊的平均無故障時間(MTBF)這類特性的表征。
由于變換器模塊的熱循環(huán)降低變換器模塊20的可靠性,例如由于電元件的熱循環(huán),如IGBT晶體管。電元件熱循環(huán)以負面的方式影響變換器模塊的壽命,因此降低了變換器模塊20的可靠性。影響電元件的熱循環(huán)影響應當理解為電子元件的溫度隨時間的變化。保持變換器模塊20的電子元件的溫度恒定或降低溫度隨時間的波動將提高所討論的變換器模塊20的可靠性。
通過降低例如IGBT晶體管相對于其運行溫度間距的溫度波動,如在0-125攝氏度的范圍,30-125攝氏度的范圍更好,最好60-125攝氏度的范圍或甚至60-110攝氏度的范圍,可以最小化變換器模塊20的熱循環(huán)??蛇x地,可以相對于IGBT晶體管的平均溫度最小化熱循環(huán)。
當Sref/Srated的比率提高大于圖2中的啟用界限42時,將啟用第三變換器模塊20。但是在變換器系統(tǒng)10包括6個變換器模塊20的情況下,將啟用的第三變換器模塊20可以是4個禁止的變換器模塊20中的任意一個。為了降低變換器模塊20的熱循環(huán),將啟用的第三變換器模塊20選擇為4個禁止的變換器模塊中在啟用時刻具有最高溫度的那一個。通過啟用具有最高溫度的變換器模塊20,將最小化熱循環(huán),并因此提高了變換器系統(tǒng)10的可靠性。
相反地,如果Sref/Srated的比率降低小于圖2中禁止界限52,必須禁止三個已啟用的變換器模塊之一。為了降低變換器模塊的熱循環(huán),將要禁止的變換器模塊20選擇為3個已啟用的變換器模塊中在禁止時刻具有最低溫度的那一個。通過禁止具有最低溫度的變換器模塊20,將最小化熱循環(huán),并因此提高了變換器系統(tǒng)10的可靠性。
用于確定哪一個變換器模塊20應該啟用或禁止的變換器模塊20的溫度能夠通過測量重要電元件的溫度獲得,如IGBT晶體管,或通過測量變換器模塊20的散熱器的溫度,或通過測量變換器模塊20的其他任何元件的溫度。
變換器模塊20的可靠性還受變換器模塊20的運行時間影響,其中變換器模塊20的運行時間應理解為已經(jīng)啟用的變換器模塊20的運行時間數(shù)。因此,如果變換器模塊20很少啟用,則該變換器模塊的可靠性較高,反之另一頻繁啟用的變換器模塊20的可靠性較低。
所以,通過確保變換器系統(tǒng)10的每一個變換器模塊20的運行時間數(shù)是近似相同的,用于提高變換器模塊20和變換器系統(tǒng)10的可靠性的方案最小化了每一個變換器模塊20的運行時間數(shù)。
因此,當Sref/Srated的比率增長例如大于啟用界限42時,將啟用具有最小運行時間數(shù)的已禁止的變換器模塊之一。相反,當Sref/Srated的比率下降例如小于禁止界限55時,將禁止具有最大運行時間數(shù)的已啟用的變換器模塊之一。
當確定禁止/啟用哪一個已啟用/已禁止的變換器模塊時會引起沖突,因為最小化熱循環(huán)和運行時間二者的標準可能指向兩個不同的變換器模塊,而根據(jù)圖2的曲線只有一個變換器模塊應該禁止/啟用。
該沖突可以通過確定包括用于減少熱循環(huán)和最小化運行時間的兩標準的單一標準解決。例如,如果需要啟用3個已禁止的變換器模塊之一,可以對3個已禁止的變換器模塊中的每一個計算由關于熱循環(huán)的參數(shù)與關于運行時間的參數(shù)的和得出的標準,以確定哪一個變換器模塊應該禁止。
當已經(jīng)確定禁止變換器模塊時,必須確定禁止是長期禁止還短期禁止。如果禁止應該是短期禁止,將變換器模塊20的狀態(tài)從運行狀態(tài)變?yōu)槿缜八龅木途w狀態(tài)就足夠了。如果禁止應該是長期禁止,變換器模塊20的狀態(tài)應該從運行狀態(tài)變化為關閉狀態(tài)。
禁止應該是短期禁止還是長期禁止的決定可以從基于信息的統(tǒng)計計算確定,信息包括天氣狀況如風速和環(huán)境溫度、天氣預報、未來預期的連接到電網(wǎng)的用戶電功率消耗、以及有關將被禁止的變換器模塊20的運行時間和熱循環(huán)的近期數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.操作風力渦輪機的變換器系統(tǒng)的方法,所述變換器系統(tǒng)包括--能夠?qū)l(fā)電機的可變發(fā)電功率轉(zhuǎn)換為可應用于公用電網(wǎng)的電功率的多個變換器模塊,其中--所述多個變換器模塊安排為并聯(lián)方式,及其中該方法包括步驟--響應與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關的參數(shù),確定至少一個變換器模塊的啟用/禁止程序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中涉及發(fā)電機可變發(fā)電功率的參數(shù)可從包括下述參數(shù)的組中選擇變換器模塊元件的溫度、變換器系統(tǒng)表觀功率的參考功率(Sref)、變換器系統(tǒng)有功功率的參考功率(Pref)、變換器系統(tǒng)的參考電流(Iref)、發(fā)電機產(chǎn)生的表觀功率的測量值(Smes)、發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率或傳輸給電網(wǎng)的有功功率的測量值(Pmes)、發(fā)電機產(chǎn)生的電流或傳輸給電網(wǎng)的電流的測量值(Imes)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中禁止至少一個變換器模塊可以是短期禁止,其特征在于處于就緒狀態(tài)的至少一個變換器模塊的短期禁止允許快速啟用正處于被短期禁止的變換器模塊,其中快速啟用是相對于操作接觸器(Kgen,Kgrid,Kcharge)的時間要求定義的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中至少變換器模塊之一的禁止可以是長期禁止,其特征在于處于關閉狀態(tài)的至少一個變換器模塊的長期禁止只允許緩慢啟用正處于被長期禁止的變換器模塊,其中緩慢啟用是相對于快速啟用變換器模塊的時間要求定義的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而每一個已啟用的變換器模塊的輸出功率相對于每一個變換器模塊的額定功率最大化,優(yōu)選地,執(zhí)行確定步驟,從而每一個已啟用的變換器模塊的輸出功率至少是額定輸出功率的80%,最好至少是額定功率的90%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而所選擇數(shù)量的已啟用變換器模塊的輸出功率相對于每一個變換器模塊的額定功率最大化,執(zhí)行確定步驟從而每一個已啟用的變換器模塊的輸出功率至少是額定輸出功率的50%,最好至少是額定功率的80%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而當運行變換器模塊時,多個變換器模塊的每一個的熱循環(huán)在選定的溫度范圍內(nèi)最小化,可能執(zhí)行確定步驟從而每一個已啟用的變換器模塊的熱循環(huán)溫度幅度最小化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而當運行變換器模塊時,所選擇數(shù)量的多個變換器模塊的熱循環(huán)在選定的溫度范圍內(nèi)最小化,執(zhí)行確定步驟從而所選數(shù)量的已啟用變換器模塊的熱循環(huán)溫度幅度最小化。
9.根據(jù)權(quán)利要求7-8任一所述的方法,其中相對于0與125攝氏度之間的溫度間隔執(zhí)行最小化熱循環(huán)溫度幅度,相對于30與125攝氏度之間的溫度間隔更好,最好相對于60與125攝氏度之間的溫度間隔甚至相對于60與110攝氏度之間的溫度間隔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而當運行變換器模塊時,每一個變換器模塊的熱循環(huán)在選定的溫度范圍內(nèi)最小化,可能執(zhí)行確定步驟從而每一個已啟用變換器模塊的熱循環(huán)頻率最小化,其中優(yōu)選相對于最大允許頻率執(zhí)行最小化熱循環(huán)頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而當運行變換器模塊時,所選擇數(shù)量的多個變換器模塊的熱循環(huán)在選定的溫度范圍內(nèi)最小化,執(zhí)行確定步驟從而所選數(shù)量的已啟用變換器模塊的熱循環(huán)頻率最小化,其中優(yōu)選相對于最大允許熱循環(huán)頻率執(zhí)行最小化熱循環(huán)頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而所選擇數(shù)量的變換器模塊的輸出功率最大化,同時所選擇數(shù)量的變換器模塊的熱循環(huán)最小化,通過相對于預設值計算單一參數(shù)和優(yōu)化所述單一參數(shù)影響所述輸出功率最大化和所述熱循環(huán)最小化,所述單一參數(shù)表征相對于變換器模塊的額定功率的輸出功率和變換器模塊的熱循環(huán)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而均衡多個變換器模塊中的每一個的運行時間數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而均衡所選數(shù)量的多個變換器模塊的運行時間數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中執(zhí)行確定至少變換器模塊之一的啟用/禁止程序的步驟,從而通過相移多個變換器模塊的脈寬調(diào)制圖樣而使對公用電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波電壓最小。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中啟用/禁止至少變換器模塊之一的標準決定于預定的滯后參數(shù),其中滯后參數(shù)受風力渦輪機元件的溫度的影響。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中啟用/禁止至少變換器模塊之一的標準決定于預定的滯后參數(shù),其中滯后參數(shù)受環(huán)境溫度的影響。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中所述多個變換器模塊包括發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中通過同時啟用發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器啟用至少變換器模塊之一。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中通過禁止發(fā)電機側(cè)逆變器短期禁止至少變換器模塊之一。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中通過禁止電網(wǎng)側(cè)逆變器短期禁止至少變換器模塊之一。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法,其中通過同時禁止發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器短期禁止至少變換器模塊之一。
23.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中通過根據(jù)啟用程序序列啟用變換器模塊而啟用至少變換器模塊之一,所述序列如根據(jù)狀態(tài)機狀態(tài)的啟用狀態(tài)序列。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中通過根據(jù)禁止程序序列禁止變換器模塊而長期禁止至少變換器模塊之一,所述序列如根據(jù)狀態(tài)機狀態(tài)的禁止狀態(tài)序列。
25.用于連接到公用電網(wǎng)和用于操作風力渦輪機系統(tǒng)的變換器系統(tǒng)的風力渦輪機,所述風力渦輪機系統(tǒng)包括--能夠?qū)l(fā)電機的可變發(fā)電功率轉(zhuǎn)換為可應用于公共電網(wǎng)的電功率的多個變換器模塊,其中--所述多個變換器模塊安排為并聯(lián)方式,及所述風力渦輪機系統(tǒng)包括--響應與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關的參數(shù),確定至少多個變換器模塊之一的啟用/禁止的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的風力渦輪機,其中所述多個變換器模塊包括發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器。
27.根據(jù)權(quán)利要求25-26任一所述的風力渦輪機,所述風力渦輪機包括禁止裝置,如用于短期禁止變換器模塊的發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器,通過向發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器施加禁止/啟用信號能夠禁止/啟用所述發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器。
28.根據(jù)權(quán)利要求25-26任一所述的風力渦輪機,所述風力渦輪機包括啟用裝置,如用于啟用變換器模塊的發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器,通過向發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器施加禁止/啟用信號能夠禁止/啟用所述發(fā)電機側(cè)逆變器和/或電網(wǎng)側(cè)逆變器。
29.根據(jù)權(quán)利要求25所述的風力渦輪機,所述風力渦輪機包括發(fā)電機接觸器(Kgen)和/或電網(wǎng)接觸器(Kgrid)和/或充電接觸器(Kcharge),所述風力渦輪機還包括用于根據(jù)禁止程序序列長期禁止變換器模塊的充電電阻(27)。
30.根據(jù)權(quán)利要求25所述的風力渦輪機,所述風力渦輪機包括用于已啟用變換器模塊的脈寬調(diào)制圖樣的相位移動的移相器。
31.根據(jù)權(quán)利要求25所述的風力渦輪機,所述風力渦輪機包括用于濾除直流信號波動的直流環(huán)節(jié)電容(23),及所述風力渦輪機還包括當充電接觸器(Kcharge)閉合時,用于直流環(huán)節(jié)電容(23)充電的充電電阻(27)。
32.根據(jù)權(quán)利要求25所述的風力渦輪機,所述風力渦輪機包括用于從變換器模塊斷開發(fā)電機連接的發(fā)電機接觸器(Kgen),及所述風力渦輪機還包括用于從變換器模塊斷開電網(wǎng)連接的電網(wǎng)接觸器(Kgrid)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于操作風力蝸輪機的變換器系統(tǒng)的方法,其中變換器系統(tǒng)包括能夠?qū)l(fā)電機的發(fā)電功率轉(zhuǎn)換為可應用于公用電網(wǎng)的電功率的變換器模塊。變換器模塊包括發(fā)電機側(cè)逆變器和電網(wǎng)側(cè)逆變器。該方法響應與發(fā)電機的可變發(fā)電功率有關的參數(shù)確定變換器模塊的啟用/禁止。本發(fā)明的優(yōu)勢在于優(yōu)化了變換器模塊的功率效率并提高了變換器模塊的可靠性。本發(fā)明的另一優(yōu)勢是具有快速啟用/禁止變換器模塊的能力。
文檔編號H02J9/06GK1945920SQ200610152588
公開日2007年4月11日 申請日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日
發(fā)明者伊格納西奧·略倫特 岡薩雷斯 何塞, 比約恩·安德烈森, 延斯·比爾克 申請人:歌美颯風電有限公司