專利名稱：用于與能量轉換器一起使用的電路的制作方法
技術領域：
本文公開的主旨大體上涉及可再生能量，并且更具體地涉及用于與能量轉換器 (與基于可再生能量的電力單元一起使用)一起使用的電路。
背景技術：
風力渦輪機是與傳統形式的發電競爭的一種類型的基于可再生能量的電力單元。 因此，風力渦輪機依靠成本有效、可靠以及安全的部件以捕捉風能并且將它轉換成適合于 傳輸數英里遠的電能。運行中，風能渦輪機具有由風轉動的多個連接到轉子軸的轉動葉片。 葉片由風的轉動使該轉子軸旋轉以產生驅動一個或多個發電機的轉矩或力以將機械能轉 換成電能。由發電機產生的電能借助于變壓器通過塔向下分配到公用電網。一般，在典型的風力發電應用中，中壓用于從風力渦輪機收集電力。能量轉換器在 發電機側或線路側或兩者上使用。3電平橋(3-level bridge)典型地在中壓系統中用作功 率轉換器。該3電平橋轉換器的產品要求是正直流(DC)總線電壓和負DC總線電壓仍然相 同，使得中性DC總線平衡。此外，該正DC總線電壓和負DC總線電壓必須限制于最大工作 電壓。如果發生電網故障，中性DC總線的控制可以暫時被限制。并且，在電網故障期間，或 在電網故障后的恢復期間，DC總線電壓可過沖和超過最大峰值工作電壓。另外，如果發生 電網故障，凈能量可能流入正到負DC總線，這必須被耗散。
發明內容
公開了通過電路在電網故障期間耗散可再生能量并且控制DC總線電壓的技術方 案。在一個實施例中，該電路包括串聯連接到第一放電電阻器的第一開關，該第一開關和 第一放電電阻器連接到正DC總線；串聯連接到第二放電電阻器的第二開關，該第二開關和 第二放電電阻器連接到負DC總線；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組，該電 容器組包括與該第一開關和第一放電電阻器并聯的第一電容器，和與該第二開關和第二放 電電阻器并聯的第二電容器，其中該第一開關獨立于第二開關操作以將正DC電壓通過第 一放電電阻器放電并且該第二開關獨立于第一開關操作以將負DC電壓通過第二放電電阻 器放電。本發明的第一方面提供電路，其包括串聯連接到第一放電電阻器的第一開關，該 第一開關和第一放電電阻器連接到正DC總線；串聯連接到第二放電電阻器的第二開關，該 第二開關和第二放電電阻器連接到負DC總線；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電 容器組，該電容器組包括與該第一開關和第一放電電阻器并聯的第一電容器，和與該第二 開關和第二放電電阻器并聯的第二電容器，其中該第一開關獨立于第二開關操作以將正DC電壓通過第一放電電阻器放電并且該第二開關獨立于第一開關操作以將負DC電壓通過第 二放電電阻器放電。本發明的第二方面提供電力單元，其包括至少一個能量轉換器；配置成將電能 從該至少一個能量轉換器傳遞到電網的變壓器；以及耦合于該至少一個能量轉換器的電 路，該電路包括串聯連接到第一放電電阻器的第一開關，該第一開關和第一放電電阻器連 接到正DC總線；串聯連接到第二放電電阻器的第二開關，該第二開關和第二放電電阻器連 接到負DC總線；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組，該電容器組包括與該第 一開關和第一放電電阻器并聯的第一電容器，和與該第二開關和第二放電電阻器并聯的第 二電容器，其中該第一開關獨立于第二開關操作以將正DC電壓通過第一放電電阻器放電 并且該第二開關獨立于第一開關操作以將負DC電壓通過第二放電電阻器放電。本發明的第三方面提供風電單元(wind power unit)，其包括至少一個包括發電 機的風力渦輪機；至少一個耦合于該至少一個風力渦輪機的發電機的能量轉換器；配置成 將電能從該至少一個能量轉換器傳遞到電網的變壓器；以及耦合于該至少一個能量轉換器 的電路，該電路包括串聯連接到第一放電電阻器的第一開關，該第一開關和第一放電電阻 器連接到正DC總線；串聯連接到第二放電電阻器的第二開關，該第二開關和第二放電電阻 器連接到負DC總線；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組，該電容器組包括與 該第一開關和第一放電電阻器并聯的第一電容器，和與該第二開關和第二放電電阻器并聯 的第二電容器，其中該第一開關獨立于第二開關操作以將正DC電壓通過第一放電電阻器 放電并且該第二開關獨立于第一開關操作以將負DC電壓通過第二放電電阻器放電。
本發明的這些和其他特征將通過下列與描繪本發明的各種實施例的附圖結合來 看的本發明的各種方面的詳細說明更加容易理解，其中圖1示出根據本發明的實施例的電路圖。圖2示出根據本發明的實施例的電路圖。圖3示出根據本發明的實施例的能量轉換器的電路圖。圖4示出根據本發明的實施例的風電單元的示意圖。注意本發明的圖是不按比例的。圖意在僅描繪本發明的典型方面，并且因此不應 該認為限制本發明的范圍。在圖中，相似的編號代表圖之間相似的元件。
具體實施例方式如上指出的，本發明的方面提供以用于在電網故障期間耗散可再生能量并且控制 DC總線電壓。盡管本文描述的本發明的各種實施例針對與風力渦輪機一起使用電路，本發 明的實施例具有比與風電單元一起的更寬的使用應用。特別地，本發明的實施例適合于例 如基于可再生能量的電力單元等任何發電單元。可適合與本發明一起使用的基于可再生能 量的電力單元的說明性但非窮舉列表可包括太陽能、蓄電池能量存儲系統、水、地熱等。本 領域內技術人員將能夠應用本發明的各種實施例的原理于與這些基于可再生能量的電力 單元中的每個一起使用的能量轉換器和用于分配該能量到電網的變壓器。參考附圖，圖1是根據本發明的實施例的電路圖。電路100示出包括串聯連接到第一放電電阻器130的第一開關120和串聯連接到第二放電電阻器132的第二開關122。 第一開關120和第一放電電阻器130連接到正DC總線170。第二開關122和第二放電電阻 器132連接到負DC總線180。電路100還包括用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組 140。電容器組140包括與第一開關120和第一放電電阻器130并聯的第一電容器142(包 括正DC電壓)。電容器組140還包括與第二開關122和第二放電電阻器132并聯的第二電 容器144(包括負DC電壓)。示為開關、放電電阻器和電容器的元件可以由并聯或串聯操作 的較小裝置構成，它們用以執行具有比個體部件更高的額定電壓和/或電流的單個較大開 關、放電電阻器或電容器的凈功能。第一開關120和第二開關122示為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。然而，本領域內技 術人員將認識到任何現在已知的或后來開發的開關裝置可代替IGBT使用。例如，第一開關 120和第二開關122還可包括門極可關斷晶閘管(GTO)、集成門極換向晶閘管(IGCT)、電子 注入增強門極晶體管(IEGT)、雙極晶體管、M0SFET、mos可控晶閘管(MCT)和可能的強迫換 向可控硅整流器(SCR)。電路100可包括至少一個感測單元，例如感測單元150和感測單元152等，其配置 成分別測量第一電容器142兩端和第二電容器144兩端的電壓。在電路100工作期間，如 果感測單元150感測到第一電容器142兩端的過電壓，第一開關120獨立于第二開關122 操作以將正DC電壓放電。相反地，如果感測單元152感測到第二電容器144兩端存在過電 壓，第二開關122獨立于第一開關120操作以將負DC電壓放電。此外，如果兩個感測單元 150、152感測到第一電容器142兩端和第二電容器144兩端存在過電壓，第一開關120和第 二開關122可獨立地并且同時操作以將正DC電壓和負DC電壓放電。備選地，如果感測單 元150、152感測到正DC總線電壓和負DC總線電壓之間的不平衡，與電容器142、144兩端 的最高電壓關聯的開關120、122接通以將正DC電壓或負DC電壓放電。并且，在不平衡的 情況下，兩個開關120、122可都同時接通以將正DC電壓和負DC電壓放電；然而，與最高電 壓關聯的開關120、122接通持續較長時間段以將正DC電壓和負DC電壓平衡。現在參照圖2，示出電路200的備選實施例。電路200可包括(除上文關于圖1公 開的那些特征外)連接到正DC總線270和負DC總線觀0的多個附加開關和多個附加放電 電阻器。這可允許有耗散更多功率或更平滑地控制耗散功率的能力。例如，如在圖2中示 出的，電路200包括串聯連接到第三放電電阻器234的第三開關224。第三開關2 和第三 放電電阻器234連接到正DC總線270并且與第一開關220和第一放電電阻器230并聯。電 路200還包括第四開關2 和第四放電電阻器236。第四開關2 和第四放電電阻器236 連接到負DC總線觀0并且與第二開關222和第二放電電阻器232并聯。盡管圖2僅圖示 電路200包括具有第三放電電阻器234的第三開關2M和具有第四放電電阻器236的第四 開關226，電路200可包括獨立操作的多個附加開關和多個附加放電電阻器。現在參照圖1，電路100可包括多個二極管160、162、164、166。備選地，參照圖2， 電路200可進一步包括多個二極管沈8、272、274和276。在任何實施例中，該多個二極管可 通常被包括在作為商業上可用的電力裝置的一部分的封裝件中或當開關關斷時控制電力 電路的任何寄生效應。該多個二極管160、162、164、166J68、272、274和276可并聯連接到 放電電阻器230、232、2；34和236并且并聯連接到開關220、222、2M和226。然而，備選實施 例可僅包括并聯連接到放電電阻器230、232、234和236的多個二極管160、164J68和274。
現在參照圖3，示出根據本發明的實施例的用于與電路100、200(圖1和2) —起使 用的能量轉換器300的電路圖。如示出的，能量轉換器300是3電平轉換器橋，其包括三串 四個IGBT，其中每個IGBT與二極管并聯。3電平轉換器橋300連接到正DC總線170、270、 中性DC總線175、275和負DC總線180,280o能量轉換器300的正DC總線170、270、中性 DC總線175,275和負DC總線180,280與電路100,200的正DC總線170、270、中性DC總 線175、275和負DC總線180、280相同。能量轉換器300包括輸入端310以連接到發電機 50 (圖4)或變壓器400 (圖4)。現在論述其中過電壓可能發生的情況的示例。一個示例是在電網故障期間能量可 仍然繼續由發電機產生，但將不會流到電網。在該情況下，該能量通過第一放電電阻器130 和第二放電電阻器132耗散。另一個示例是在電網故障期間或在電網故障后恢復期間，DC 總線電壓可能激增。第一放電電阻器130和/或第二放電電阻器132可被接通以控制電壓 直到獲得正常電網控制。電網故障還可引起正DC電壓和負DC電壓變得不平衡。然而，對 于適當操作，3電平橋轉換器要求這兩個電壓仍然平衡。第一放電電阻器130或第二放電 電阻器132可被接通以減少正DC電壓或負DC電壓之間的不平衡。并且，如果在3電平轉 換器中的某個電力裝置短路，例如內部二極管396或內部IGBT 394或連接到中性DC總線 175的二極管390(圖3)，對于本領域內技術人員已知為“倍壓器(voltage doubler) ”的過 電壓可能發生，其將引起第一電容器142或第二電容器144充電到大約正常工作值的兩倍。 第一放電電阻器130或第二放電電阻器132可被接通以控制過電壓。現在參考圖4，示出根據本發明的實施例的風電單元的示意圖。風電單元包括至少 一個風力渦輪機10，其包括發電機50。風電單元還包括在線路側和發電機側上的能量轉換 器300，例如3電平轉換器(圖幻等。變壓器400配置成將電能從能量轉換器300傳遞到 電網。本文使用的術語僅用于描述特定實施例的目的并且不意在限制本公開。如本文中 使用的，單數形式“一”和“該”意在也包括復數形式，除非上下文另外明確指示。將進一步 理解，術語“包括”當在本文中使用時，規定了陳述的特征、整數、步驟、操作、元件和/或部 件的存在，但不排除一個或多個其他的特征、整數、步驟、操作、元件、部件和/或其的組的 存在或增加。該書面說明使用示例以公開本發明，其包括最佳模式，并且還使本領域內技術人 員能夠實踐本發明，包括制作和使用任何裝置或系統和執行任何包含的方法。本發明的可 專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域內技術人員想到的其他示例。這樣的其他示 例如果它們具有不與權利要求的書面語言不同的結構元件，或者如果它們包括與權利要求 的書面語言無實質區別的等同結構元件則規定在權利要求的范圍內。部件列表
權利要求
1.一種電路(100，200)，其包括串聯連接到第一放電電阻器(130，230)的第一開關(120，220)，所述第一開關(120， 220)和所述第一放電電阻器(130，230)連接到正直流(DC)總線(170，270)；串聯連接到第二放電電阻器(132，232)的第二開關(122，222)，所述第二開關(122， 222)和所述第二放電電阻器(132，232)連接到負DC總線(180,280)；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組(140)，所述電容器組(140)包括與所述第 一開關(122，222)和所述第一放電電阻器(130，230)并聯的第一電容器(142)，和與所述第 二開關(122，222)和第二放電電阻器(132，232)并聯的第二電容器(144)，其中所述第一開關(120，220)獨立于所述第二開關(122，222)操作以將正DC電壓通 過所述第一放電電阻器(130，230)放電并且所述第二開關(122，222)獨立于所述第一開關 (120,220)操作以將負DC電壓通過所述第二放電電阻器(132，232)放電。
2.如權利要求1所述的電路(100，200)，進一步包括配置成測量所述第一電容器(142) 兩端和所述第二電容器(144)兩端的電壓并且感測過電壓的至少一個感測單元(150)，使 得響應于所述第一電容器(142)兩端的過電壓，所述第一開關(120，220)獨立于所述第二 開關(122，222)操作以將正DC電壓放電。
3.如權利要求1所述的電路(100，200)，進一步包括配置成測量所述第一電容器(142) 兩端和所述第二電容器(144)兩端的電壓并且感測過電壓的至少一個感測單元(152)，使 得響應于所述第二電容器(144)兩端的過電壓，所述第二開關(122，222)獨立于所述第一 開關(120，220)操作以將負DC電壓放電。
4.如權利要求1所述的電路(100，200)，進一步包括多個附加開關(224)和多個附加 放電電阻器034)，每個附加開關OM)串聯連接到附加放電電阻器034)，每個附加開關 (224)和每個附加放電電阻器(234)連接到所述正DC總線(170，270)，并且與所述第一開 關(120，220)和所述第一放電電阻器(130，230)并聯。
5.如權利要求4所述的電路(100，200)，進一步包括多個附加開關(226)和多個附加 放電電阻器036)，每個附加開關0 )串聯連接到附加放電電阻器036)，每個附加開關 (226)和每個附加放電電阻器(236)連接到所述負DC總線(180，280)，并且與所述第二開 關(122，222)和所述第二放電電阻器(132，232)并聯。
6.如權利要求1所述的電路(100，200)，進一步包括多個二極管(160，162，164，166， 268，272，274，276)，其中每個二極管(160，162，164，166，268，272，274，276)并聯連接到每 個開關(120，122，220，222，224，226)和 / 或每個放電電阻器(130，132，230，232，234，236)。
7.一種電力單元，其包括 至少一個能量轉換器(300)；配置成將電能從所述至少一個能量轉換器(300)傳遞到電網的變壓器G00)；以及 耦合于所述至少一個能量轉換器(300)的電路(100，200)，所述電路(100，200)包括 串聯連接到第一放電電阻器(130，230)的第一開關(120，220)，所述第一開關(120， 220)和所述第一放電電阻器(130，230)連接到正直流(DC)總線(170，270)；串聯連接到第二放電電阻器(132，232)的第二開關(122，222)，所述第二開關(122， 222)和所述第二放電電阻器(132,232)連接到負DC總線(180,280)；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組(140)，所述電容器組(140)包括與所述第一開關(120，220)和所述第一放電電阻器(130，230)并聯的第一電容器(142)，和與所述第 二開關(122，222)和第二放電電阻器(132，232)并聯的第二電容器(144)，其中所述第一開關(120，220)獨立于所述第二開關(122，222)操作以將所述正DC電 壓通過所述第一放電電阻器(130，230)放電并且所述第二開關(122，222)獨立于所述第一 開關(120，220)操作以將所述負DC電壓通過所述第二放電電阻器(132，232)放電。
8.如權利要求7所述的電力單元，其中所述電路(100，200)進一步包括配置成測量所 述第一電容器(14 兩端和所述第二電容器(144)兩端的電壓并且感測過電壓的至少一 個感測單元(150)，使得響應于所述第一電容器(14 兩端的過電壓，所述第一開關(120， 220)獨立于所述第二開關(122，222)操作以將所述正DC電壓放電。
9.如權利要求7所述的電力單元，其中所述電路(100，200)進一步包括配置成測量所 述第一電容器(14 兩端和所述第二電容器(144)兩端的電壓并且感測過電壓的至少一 個感測單元(152)，使得響應于所述第二電容器(144)兩端的過電壓，所述第二開關(122， 222)獨立于所述第一開關(120，220)操作以將所述負DC電壓放電。
10.一種風電單元，其包括至少一個包括發電機(50)的風力渦輪機(10)；至少一個耦合于所述至少一個風力渦輪機(10)的發電機(50)的能量轉換器(300)； 配置成將電能從所述至少一個能量轉換器(300)傳遞到電網的變壓器G00)；以及 耦合于所述至少一個能量轉換器(300)的電路(100，200)，所述電路(100，200)包括 串聯連接到第一放電電阻器(130，230)的第一開關(120，220)，所述第一開關(120， 220)和所述第一放電電阻器(130，230)連接到正直流(DC)總線(170，270)；串聯連接到第二放電電阻器(132，232)的第二開關(122，222)，所述第二開關(122， 222)和所述第二放電電阻器(· 132，232)連接到負DC總線(180,280)；以及用于存儲正DC電壓和負DC電壓的電容器組(140)，所述電容器組(140)包括與所述第 一開關(120，220)和所述第一放電電阻器(130，230)并聯的第一電容器(142)，和與所述第 二開關(122，222)和第二放電電阻器(132，232)并聯的第二電容器(144)，其中所述第一開關(120，220)獨立于所述第二開關(122，222)操作以將所述正DC電 壓通過所述第一放電電阻器(130，230)放電并且所述第二開關(122，222)獨立于所述第一 開關(120，220)操作以將所述負DC電壓通過所述第二放電電阻器(122，222)放電。
全文摘要
在實施例中，電路包括串聯連接到第一放電電阻器的第一開關，該第一開關和第一放電電阻器連接到正DC總線；串聯連接到第二放電電阻器的第二開關，該第二開關和第二放電電阻器連接到負DC總線；以及用于存儲正和負DC電壓的電容器組，該電容器組包括與該第一開關和第一放電電阻器并聯的第一電容器，和與該第二開關和第二放電電阻器并聯的第二電容器，其中該第一開關獨立于第二開關操作以將正DC電壓通過第一放電電阻器放電并且該第二開關獨立于第一開關操作以將負DC電壓通過第二放電電阻器放電。
文檔編號H02J3/38GK102142691SQ20111003753
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月26日 優先權日2010年2月3日
發明者A·M·克洛多夫斯基 申請人:通用電氣公司