CN101188395B - 风力涡轮机和风力涡轮机的启动方法 - Google Patents

风力涡轮机和风力涡轮机的启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风力涡轮机(100)，该风力涡轮机(100)包括具有定子(134)和转子(132)的同步发电机(130)，以及使所述同步发电机与电网联接的交流-直流-交流的链路(140)，其中，该直流链路连接到所述同步发电机的转子(132)上，以便供应激励电压给所述转子的转子绕组。此外，还提供了一种启动带有电气激励同步发电机的风力涡轮机的方法，该方法包括步骤：(a)打开电网连接器；(b)闭合旁路连接器以将所述风力涡轮机的电网侧的直流-交流变流器旁路；(c)对所述风力涡轮机的直流链路充电；(d)供应激励电压给所述同步发电机的转子绕组，其中，所述激励电压从直流链路供应；以及(e)打开所述旁路连接器且闭合所述电网连接器。

Description

风力涡轮机和风力涡轮机的启动方法
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的领域，尤其涉及具有电气激励同步发电机的风力涡轮机，更具体地，涉及这种同步发电机的激励电压供给(voltage supply)。此外，本发明还涉及这种风力涡轮机的启动过程。
背景技术
同步发电机具有转子，其由直流电流激励，典型地通过集电环激励。通过转子的旋转场，交流电压在定子绕组中产生。在普通的设计中，转子激励电压被从公用电网中取出，并且通过单独的电路供给到转子。然而，如果电网电压较低或甚至电网故障(也就是零电网电压)，则激励电压不再足以保证发电机的激励。因此，不能保证构成电网连接的转换器能保持联机状态。具体地，如果转子绕组的衰减电压被用来在低电网电压或零电网电压期间馈给转换器，则只能在短时间内保持充足的电源供给，该短时间与电机的时间常数有关。
其它的已知设计提议使用不间断电源供给(UPS)，用于缓冲转子的激励电路。由于UPS，即使电网电压在较长的时间内很低或为零，也能够供给转子绕组足够的激励电压。然而，UPS的使用带来额外的成本，增加了要维护的零配件的数目和涡轮机的重量。
发明内容
鉴于以上所述，提供了一种风力涡轮机，其包括具有定子和转子的同步发电机，和用于使所述同步发电机与电网联接的交流-直流-交流的链路，直流链路连接到所述同步发电机的转子上，以便供应激励电压给所述转子的转子绕组。
本发明的其它方面、优点和特征通过从属权利要求、说明书和附图中可以明显看出。
根据本发明的第一个方面，提供了一种风力发电站，风力发电站包括具有定子绕组和转子绕组的电气激励同步发电机，以及用于联接所述同步发电机和公用电网的交流-直流-交流链路，直流链路连接在所述同步发电机的转子绕组上，以便施加激励电压。
根据本发明的上述方面，激励电压从直流链路供给到转子绕组。换句话说，转换器(converter)的直流链路电压用来馈给发电机的激励电路。因此，发电机能维持工作而且能对直流链路重新充电。这即使在低电网电压或甚至零电网电压的很长时间期间，也允许涡轮机保持联机(online)。因此，只要涡轮机的风力转子(wind rotor)旋转，涡轮机就可以支持电网且补偿转换器的电气损失。因此，涡轮机对低压或零压事件的传导(ride-through)能力明显地提高。此外，本配置中不需要UPS，因此节约了成本和维护费用。而且，由于来自直流链路的能量供给足够涡轮机正常工作，所以来自电网的正常激磁电路供给甚至可以忽略。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于风力涡轮机的中间直流电压电路。中间直流电压电路包括适于联接到风力涡轮机的同步发电机的定子绕组的发电机侧的交流-直流变流器(inverter)、适于联接到公用电网的电网侧的直流-交流变流器、连接所述发电机侧的交流-直流变流器和所述电网侧的直流-交流变流器的电路以及适于连接在所述电路和所述同步发电机的转子绕组之间的直流-直流转换器。
根据本发明的又一个方面，提供了一种带有电气激励同步发电机的风力涡轮机的启动方法。该方法包括步骤：(a)打开电网连接器(grid connector)；(b)关闭旁路连接器(bypass connector)以将所述风力涡轮机的电网侧的直流-交流变流器旁路；(c)对所述风力涡轮机的直流链路(DC Link)充电；(d)供应激励电压给所述同步发电机的转子绕组，其中，所述激励电压从直流链路中供应；以及(e)打开所述旁路连接器并关闭所述电网连接器。
附图说明
本发明的完全且使能够实现的公开包括了对本领域的普通技术人员来说的最佳模式，并且将在余下的说明书中更具体地阐述，其中包括了对附图的参考，在附图中：
图1是根据本发明实施例的风力涡轮机的示意图。
图2是根据本发明另一实施例的、处于第一状态下的风力涡轮机的示意图。
图3显示了处于第二状态下的图2中的风力涡轮机。
图4显示了处于第三状态下的图2中的风力涡轮机。
图5是根据本发明又一实施例的方法的流程图。
图6是根据本发明再一实施例的风力涡轮机的示意图。
元件符号说明：
100    风力涡轮机
110    风力转子
120    转子轴
130    同步发电机
132    转子
134    定子
140    直流链路
142    发电机侧的变流器
144    电网侧的变流器
146    直流链路电容器
148    直流/直流转换器
150    电网接线
152    电网连接器
154    旁路连接器
具体实施方式
现在详细地参考本发明的各种实施例，其一个或多个示例将在附图中举例阐述。每个示例只是对本发明的解释，而并不意味着对本发明的限制。例如，作为某个实施例的一部分所举例或所描述的特征可以用于其它实施例中或与其它实施例结合使用，以产生另一个实施例。此意味着本发明包括这样的修改和变化。
图1是根据本发明实施例的风力涡轮机的示意图。在其中，风力涡轮机100包括风力转子110，其在工作期间获取来自风的动能而且把它转换成转动能。风力转子110联接于转子轴120上且转移转动能给转子轴120。转子轴120直接地或通过齿轮箱(未显示)联接于发电机130的转子132上。发电机130是具有转子132和定子134的同步发电机。在工作期间，直流电压被供给到转子132的绕组以产生激励磁场。转子132的旋转引起了定子134的绕组中的交流电压。定子绕组通过交流-直流-交流的链路140和电网接线(gridconnection)150与公用电网连接。
交流-直流-交流链路140包括发电机侧的交流-直流变流器142，其通过包括直流链路电容器146的直流链路连接于电网侧的直流-交流变流器144。在涡轮机的工作期间，发电机侧的交流-直流变流器142转换发电机130发生的交流电压为直流电压。然后，该直流电压被电网侧的变流器144再次转换为具有所需电网频率的交流电压。因此，风力转子110变化的速度不干扰恒定的电网频率。在交流-直流变流器142和直流-交流变流器144工作之前，对直流链路电容器146充电。此外，本领域技术人员应当理解，直流链路实际上通过直流-交流变流器144与电网断开了联接。
此外，根据本发明实施例的中间直流电压电路140包括发电机130的转子132和直流链路之间的连接。具体地，直流链路连接于转子绕组上以使转子绕组被激励。在图1所示的实施例中，直流-直流转换器148连接于直流链路和转子之间。典型地，直流链路具有1000伏左右的范围内的电压，然而用于转子绕组的典型激励电压要小得多。直流-直流转换器的典型转换比处在大约20∶1至2∶1的范围内，更典型处在大约12∶1至5∶1的范围内。换句话说，转子绕组的典型激励电压只有几百伏。由于直流链路与电网实际上的脱离联接，在低电网电压或零电网电压事件期间，直流链路电压仅仅下降约1％至10％，典型地约5％。因此，在这种低电网电压或零电网电压事件期间，直流链路电压足以维持转子绕组的激励电压。因此，只要风力转子110在旋转，发电机130就能对直流链路再充电，且补偿变流器和转换器的损失。因此，包括根据本发明实施例的中间直流电压电路140的风力涡轮机改进了对长达一秒或数秒的低电网电压或零电网电压事件的低电压或零电压传导能力。此外，根据本发明的实施例，不需要UPS，因此节约了成本和维护费用。而且，只要来自直流链路的能量供给足够涡轮机正常工作，来自电网的正常激磁电路供给甚至可以忽略。
根据本发明的另一实施例，发电机侧的交流-直流变流器142、电网侧的直流-交流变流器144和连接在直流链路和转子绕组之间的直流-直流转换器148能够集成为一个部件(如图1中的虚线方框所示)。因此，零配件的数目可以减少更多。具体地，本领域技术人员应当理解，变流器142、144和转换器148可以实现为例如IGBT(色缘栅双极晶体管)的大功率电子设备。
在前面的实施例中，发电机已经被描述为典型的集电环同步发电机。然而，本领域技术人员应当理解，本发明也可应用于带有无刷激励器的发电机。因为应用本发明于带有无刷激发器的发电机并不对本领域技术人员带来任何特定问题，所以省略了对这样的实施例的详细描述，以免多余。
图2是根据本发明另一实施例的风力涡轮机的示意图。比较图1所示的实施例，图2中所示实施例的电网连接150还包括电网连接器152和旁路连接器154。电网连接器152用于在工作期间连接涡轮机链路与公用电网。旁路连接器154连接于公用电网和直流链路之间，因此通过电网侧的直流-交流变流器144的单向传动(free-wheeling)二极管将电网连接器152旁路以对直流链路充电。
接下来，将参考图2至图5描述图2所示风力涡轮机的启动方法。在其中，图2显示了根据处于第一状态的实施例的风力涡轮机100，图3和图4相应地显示了处于第二状态和第三状态的同一风力涡轮机100。图5是根据本发明实施例的方法的流程图。图2显示了涡轮机不工作时(例如，由于维护工作的停工期之后)的风力涡轮机的状态。因为电网连接器152和旁路连接器154已经打开，涡轮机100与公用电网断开连接。在下一步骤502，旁路连接器154闭合，以建立直流链路140和电网之间的连接。这是图3所示的风力涡轮机100的第二状态。然而，因为电网连接器152仍然在它的打开状态，直流-交流变流器144依然被置于旁路状态。在502步骤闭合旁路连接器154之后，包括直流连接电容器146的直流链路140在步骤503充电。当直流链路电压达到阈值的时候，直流-直流转换器148开始在步骤504内供应直流电压给发电机转子132的转子绕组，由此为同步发电机130产生激励磁场。现在，发电机130开始产生供应给交流-直流变流器142的电力。在系统达到工作水平后，在505步骤内，旁路连接器154打开且电网连接器152闭合。这是图4所示的风力涡轮机100的第三个状态。因此，风力涡轮机100的启动已完成。根据本发明实施例的方法和风力涡轮机不需要用于启动的电网和转子绕组之间的额外连接。因此，风力涡轮机的全部配置和方法本身与现有技术的风力涡轮机系统及/或启动方法(其利用电网和转子之间的这种额外连接)相比，复杂性降低了。
根据本发明的又一实施例，供应激励电压给转子绕组的方法步骤504包括转换典型地高的直流链路电压为典型地较低的激励电压。典型地，转换直流链路电压为激励电压的转换比处于约20∶1至2∶1的范围内，更典型地处于约12∶1至5∶1的范围内。根据又一个典型实施例，在风力涡轮机连接于电网之前，也就是在步骤505之前，将交流-直流变流器142和直流-交流变流器144同步。
图6是根据本发明又一实施例的风力涡轮机的示意图。在其中，发电机130的定子绕组与桥式整流电路(bridge rectifier circuit)143连接，其典型地由二极管电桥实现。典型地，桥式整流电路143不需要IGBT而且因此与交流-直流变流器142相比价格较低。然而，整流器桥接电路(rectifier bridge circuit)143不能够在与变流器142相同的程度上控制。此外，直流链路包括用于增加直流链路电压的升压转换器(step-up converter)145。除了直流链路电容器146之外，另一直流链路电容器147典型地连接于整流器桥接回路143和升压转换器145之间。在上述实施例中，直流链路电压被用来通过转换器148馈给发电机转子132的激励电路。虽然风力涡轮机100的配置略微不同于上述实施例，其运转基本上如上述的那样，因此省略了细节。
本书面描述说明使用了示例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使任何本领域技术人员可以生产及使用本发明。尽管本发明已经根据各种具体实施例进行了描述，不过本领域技术人员应当认识到，本发明能以在权利要求的精神和范围内的修改进行实践。特别地，上述实施例的互相间非排他特征可以彼此结合。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，而且可以包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这些其它示例所具有的结构元件与本权利要求书中的字面语言并无不同，或者它们所包括的等效的结构元件与本权利要求书中的字面语言仅仅只有微小的不同，则意味着这些示例处于本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种风力涡轮机(100)，包括：
具有定子(134)和转子(132)的同步发电机(130)，
用于联接所述同步发电机(130)与电网的交流-直流-交流链路(140)，所述交流-直流-交流链路(140)包括直流链路，以及
直流-直流转换器(148)，其将所述直流链路连接到所述转子的转子绕组，
其中，所述直流链路用于供应激励电压给所述转子的转子绕组。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其特征在于，所述直流-直流转换器(148)具有处于20∶1至2∶1的范围内的转换比。
3.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机，其特征在于，在零电网电压偏移期间，与正常直流链路电压相比较，直流链路电压下降最大值的1％至10％。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，所述交流-直流-交流链路(140)还包括发电机侧的交流-直流变流器(142)和电网侧的直流-交流变流器(144)，所述直流链路形成于所述发电机侧的交流-直流变流器(142)和所述电网侧的直流-交流变流器(144)之间。
5.根据权利要求3所述的风力涡轮机，其特征在于，发电机侧的交流-直流变流器(142)、电网侧的直流-交流变流器(144)和连接于所述直流链路和所述转子绕组之间的直流-直流转换器(148)集成为一个部件。
6.根据前述权利要求1或2所述的风力涡轮机，其特征在于，所述风力涡轮机还包括用于将电网侧的直流-交流变流器(144)旁路的旁路连接器(154)。
7.一种启动带有电气激励同步发电机的风力涡轮机的方法，包括步骤：
(a)打开电网连接器；
(b)闭合旁路连接器，以便将所述风力涡轮机的电网侧的直流-交流变流器旁路；
(c)对所述风力涡轮机的直流链路充电；
(d)供应激励电压给所述同步发电机的转子绕组，所述激励电压从直流链路供应；以及
(e)打开所述旁路连接器且闭合所述电网连接器。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括转换直流链路电压为发电机激励电压的步骤，其中转换比为20∶1至2∶1。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述电网侧的直流-交流变流器及/或发电机侧的交流-直流变流器在步骤(e)之前用电网频率同步。
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