專利名稱：功率轉換器裝置和方法
技術領域：
本發明一般涉及電力設備并且具體地涉及一種功率轉換器裝置 和一種用于傳送電功率的方法。
背景技術：
用不僅提供能量而且對它所連接到的電力網有負面影響。不僅風力 的變化而且風力渦輪機本身也產生功率脈動。
一種解決方案是通過使用晶體管轉換器來使用渦輪機的變速操 作。雖然可以提高功率質量，但是變速系統在較高風速與定速系統 相比具有較低的效率。
為了克服這樣的局限性，如在T. Thiringer、T. Petru和C. Liljegren 在IEEE Transactions on Energy Conversion 2001年6月第16巻第2 期第123頁的Power Quality Impact of a Sea Located Hybrid Wind Park
中公開的那樣，可以僅在有能量增益的較低功率使用轉換器而在較 高風速使用直接連接的感應發電機。
在圖1中示出了在較低和較高風速的操作過程中用于風力渦輪 機的此類功率轉換器裝置。該裝置包括為了在較低風速實現變速操 作而提供的兩個功率轉換器lla、 llb。在較高風速，通過將感應發 電機13直接地連接到電力網15來實現恒速操作。在這一模式下， 電力網側上的功率轉換器作為用于提供所需數量的無功功率的無功 電源來操作，并且減少了由來自風力渦輪機的有功功率變化所造成 的電力網上的電壓變化。
在US 7,012,409 B2 ( SEMIKRON )中^>開了 一種類似的功率轉 換器裝置。也公開了一種用于在短路情況下觸發功率補償的方法。
發明內容
對于大于3MW的較大渦輪額定值，在無刷感應發電機中的氣隙 磁化將造成與轉矩產生電流相當的磁化電流。在這樣的條件下，功
率轉換器裝置的可用下額定值限于約30% 。
對于大于1MW的渦輪額定值，關鍵是要在具有高效轉子的感應 發電機中克服固有的轉矩-速度剛度。針對這一 問題的一種即時解決 方案是在感應發電機內部增加轉子電阻。然而，由于有限的冷卻能 力，這僅限于略孩i 2MW以上的額定值。
因此，本發明的一個主要目的在于分別提供用來至少緩解上 述問題和限制的 一 種功率轉換器裝置和 一 種用于傳送電功率的方 法。
就這一點而言，本發明的一個具體目的在于提供靈活、可靠并 且成本合理的這樣的裝置和這樣的方法。
這些目的以及其它目的是根據本發明通過如在所附權利要求書 中具體說明的裝置和方法來實現的。
根據本發明的第一方面，提供一種功率轉換器，該功率轉換器 包括為了在不同操作條件過程中將電功率從感應發電機傳送到電力 網的兩個并行通^^，其中第一通路包括交流-交流轉換器，而第二通
路包括開關。電容器裝置互連于感應發電機與第一通路和第二通路 之間，而第一交流電抗器裝置互連于電容器裝置與第一通路和第二 通路之間，其中電容器裝置被提供用于補償感應發電機的磁化電流。
這里，即使對于在約3MW以上的渦4侖才幾和感應發電機額定值， 交流-交流轉換器仍然可以具有小于渦專侖機和感應發電機的額定功率 的30%的額定功率。
優選地，第二交流電抗器裝置互連于第 一通路和第二通路與電 力網之間。
這里，實現如下成本高效裝置，該裝置使感應發電機穩定或者 失去穩定以解決額定在約1M W以上的固有轉矩-速度剛度問題。根據本發明的第二方面，提供一種用于通過上述裝置將電功率 從感應發電機傳送到電力網的方法。該方法包括通過電容器裝置來 補償感應發電機的磁化電流的步驟。
乂人下文給出的對本發明實施例和變型的以下具體描述以及附圖 2中將清楚本發明的更多特征及其優點，其中附圖2僅通過示例而給 出，因此并不是對本發明的限制。
圖1示意地圖示了根據現有技術的功率轉換器裝置。 圖2以單線、框圖示意地圖示了根據本發明一個實施例的三相 功率轉換器裝置。
具體實施例方式
如圖2中所示的功率轉換器裝置將無刷三相感應發電機23連接 到三相電力網或者網絡29。風力渦輪機轉子21經由齒輪箱25驅動 發電機。功率轉換器裝置包括兩個并行通路包括交流-交流轉換器 25的第一通路和包括開關27的第二通路。
交流-交流轉換器25優選地包括由電容器25c互連的交流-直流 轉換器25a和直流-交流轉換器25b,正如在T. Thiringer、 T. Petru和 C. Liljegren在IEEE Transactions on Energy Conversion 2001年6月第 16巻第2期第123頁的上述引用文章Power Quality Impact of a Sea Located Hybrid Wind Park以及7,012,409 B2 ( SEMIKRON)中所公 開，通過引用將其內容結合于此。備選地，可以實施無直流電壓《連 路的交流-交流轉換器25。可以使用任何如下交流-交流轉換器，該 轉換器能夠執行從低頻到至少電力網頻率的頻率轉換以便同步并且 能夠產生無功功率。無直流電壓鏈路的交流-交流轉換器的 一 個例子 是所謂的矩陣轉換器。交流-交流轉換器優選地額定為低電壓，例如 400-1000V交流。
在較低風速的操作過程中，開關27斷開，并且提供用于實現變
6速操作的交流-交流轉換器25。由此，向感應發電才幾23和向電力網 供應無功功率。
另外，風力渦輪機機艙或者塔式變壓器28和斷路器31可以互 連于并行通路與電力網或者電力網絡29之間。提供該變壓器以用于 將從感應發電機輸出的低壓功率或者低壓到中壓功率(如690V)變 換成高電壓功率(如例如10kV)。
提供用于控制渦輪機和功率轉換器裝置的控制系統(未明示)、 優選為計算機化控制器。
在較高風速的操作過程中，開關27閉合并且維持恒速(或者半 變速)操作。交流-交流轉換器25這里作為分流元件來操作，以便仍 然向感應發電機和向電力網供應無功功率。
當從低速/低功率端達到電力網頻率時，使感應發電機23同步到 電力網29,并且開關27閉合。當從高功率/高速端達到低功率才莫式 時，將感應發電機23從電力網29去同步，并且開關裝置/功能斷開。
根據本發明，功率轉換器裝置還包括互連于感應發電機23與并 行通路之間的電容器裝置35。為求便利，電容器裝置包括按以Y或 者A配置來連接的電容器。
借助于將電容器連接到感應發電機23的端子，可以補償感應發 電機23的磁化電流，因而，即使當風力渦輪才幾和感應發電機23的 額定功率在約3MW以上時，交流-交流轉換器25仍然可以具有小于 渦輪機和感應發電機23的額定功率的30%的額定功率。可以達到低 至渦輪機和感應發電機的額定功率的15%的額定功率。
第一交流電抗器裝置37互連于感應發電機23的端子處的電容 器裝置35與分別包括交流-交流轉換器25和開關27的并行通路之 間。第一交流電抗器裝置37作為匹配濾波器來操作，從而可以避免 電容器裝置到有源整流器(即交流-直流轉換器25a或者直流-交流轉 換器25b)的直接連接。
另外，第二交流電抗器裝置39互連于并行通路與電力網之間。 第一和第二交流電抗器裝置37、 39可以與交流-交流轉換器25 —起類似于具有如下靜態VAr補償裝置的很長的電力線，該補償裝置沿
著電力線位于途中，用于無功功率補償。由此，實現一種用以使感
應發電機23穩定或者失去穩定以解決渦輪和感應發電機額定值在約 1MW以上的固有轉矩-速度剛度問題的成本高效的方式。
可以在電力匯集網(collection grid )中的適當位置添加靜態VAr 補償裝置以協調渦輪機機艙中以及電力匯集網中的無功功率補償。 例如，可以提供固定的濾波器電容器FC以滿足無功功率要求。
交流-交流頻率轉換器因此可以經由在所需穩態點周圍的少量變 化作為有源濾波器、作為閃變消除器和/或作為平滑器來操作。它也 可以控制固定的濾波器電容器中的電容器電壓，從而使該固定的濾 波器電容器幾乎在瞬間將其電容器電壓變成它故障前的值。
在出現瞬變現象，如電力網故障時，本發明的功率轉換器裝置 還可以被布置用于如在通過引用將內容結合于此的美國臨時專利申 請No. 60/712,125 ( GERTMAR等人)中公開的以下用途中的任何用 途。
在高功率和恒速或者半變速度時，執行迅速去同步，并且接合 電阻性臨時過剩功率控制33 (即操作功率轉換器裝置以將無功功率 遞送到感應發電機，該感應發電機臨時帶有電阻性臨時過剩功率控 制負載)或者迅速地接合瞬變增壓器。在通過引用將內容結合于此 的WO 2005/062438 ( ABB RESEARCH )中也詳述了瞬變增壓器。
在低功率和低變速時，保持變速并且在某點接合電阻性臨時過 剩功率控制33,或者迅速地接合瞬變增壓器而在以后階段接合電阻
性臨時過剩功率控制33。
在清除故障之時，風力渦輪機的間距控制器使轉子速度變成正 常穩態值，并且在達到正常穩態值時脫離電阻性臨時過剩功率控制。
本發明的功率轉換器裝置還可以或者備選地包括如在美國 7,012，409 B2 (SEMIKRON)中公開的用于在網絡短路的情況下進行 無功功率補償的觸發機制。
應當認識到，可以組合本發明的各種特征以實現其更多實施例 及其變型。
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權利要求
1. 一種用于將感應發電機(23)連接到電力網(29)的功率轉換器裝置，所述功率轉換器裝置包括-第一通路，被提供用于在第一操作條件過程中將電功率從所述感應發電機傳送到所述電力網，所述第一通路包括交流-交流轉換器(25)；以及-第二通路，被提供用于在第二操作條件過程中將電功率從所述感應發電機傳送到所述電力網，所述第二通路包括開關(27)，其特征在于-電容器裝置(35)，互連于所述感應發電機與所述第一通路和第二通路之間，所述電容器裝置被提供用于補償所述感應發電機的磁化電流；以及-第一交流電抗器裝置(37)，互連于所述電容器裝置與所述第一通路和第二通路之間。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中第二交流電抗器裝置(39) 互連于所述第 一通路和第二通路與所述電力網之間。
3. 根據權利要求1或者2所述的裝置，其中所述交流-交流轉換 器具有小于所述感應發電機的額定功率的30 %的額定功率。
4. 根據權利要求1-3中的任一權利要求所述的裝置，其中所述 感應發電機的額定功率至少約為1MW。
5. 根據權利要求1-3中的任一權利要求所述的裝置，其中所述 感應發電機的額定功率至少約為3MW。
6. 根據權利要求1-5中的任一權利要求所述的裝置，其中所述 裝置被提供用于在所述第 一搡作條件和第二操作條件過程中進行無 功功率補償。
7. 根據權利要求1-6中的任一權利要求所述的裝置，包括用于 無功功率補償的固定濾波器電容器裝置，其中所述交流-交流轉換器 控制所述固定濾波器電容器裝置的電容器電壓。
8. 根據權利要求1-7中的任一權利要求所述的裝置，其中無功 功率補償裝置被提供用于在所述電力網中的電壓降情況下進行無功 功率補償。
9. 一種用于將電功率從感應發電機(23)傳送到電力網(29) 的方法，所述方法包括以下步驟-在第 一操作條件過程中經由第 一通路將電功率從所述感應發 電機傳送到所述電力網，所述第一通路包括交流-交流轉換器(25); 以及-在第二操作條件過程中經由第二通路將電功率從所述感應發 電機傳送到所述電力網，所述第二通路包括開關(27),其中所述 方法的特征在于以下步驟-通過互連于所述感應發電機與所述第一通路和第二通路之間 的裝置來補償所述感應發電機的磁化電流，所述裝置包括連接到所 述感應發電機的電容器裝置(35)和連接到所述第一通路和第二通 路的第一交流電抗器裝置(37)。
全文摘要
一種用于將感應發電機(23)連接到電力網(29)的功率轉換器裝置，包括第一通路，被提供用于在第一操作條件過程中將電功率從感應發電機傳送到電力網；以及第二通路，被提供用于在第二操作條件過程中將電功率從感應發電機傳送到電力網，其中第一通路包括交流-交流轉換器(25)，而第二通路包括開關(27)。電容器裝置(35)互連于感應發電機與第一通路和第二通路之間，而第一交流電抗器裝置(37)互連于電容器裝置與第一通路和第二通路之間，其中電容器裝置被提供用于補償感應發電機的磁化電流。
文檔編號H02J3/18GK101507076SQ200680055697
公開日2009年8月12日 申請日期2006年8月30日 優先權日2006年8月30日
發明者E·K·尼爾森, H·C·克里斯坦森, J·尼拉南, L·E·雷, L·格特瑪 申請人:Abb研究有限公司