CN101197503A

CN101197503A - 采集和传输系统

Info

Publication number: CN101197503A
Application number: CNA2007101995074A
Authority: CN
Inventors: R·达塔; C·M·西勒; R·S·张
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Renovables Espana SL
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: DK1931021T3; EP1931021A3; US20080137382A1; EP1931021A2; CN101197503B; EP1931021B1; US7633770B2

Abstract

本发明提供一种采集和传输系统(10)，包括：配置用来从源(13)向电网(16)送电的系统直流(DC)链路(12)；以及在系统DC链路的源侧串联耦合到系统DC链路的交流(AC)到DC电力变换器模块(19，119，219，319)，每个电力变换器模块都被配置为在源侧耦合到一个或更多的源(114，214，314，414)，其中每个电力变换器模块都被配置为一收到相应的指令信号就将电力变换器模块的DC端短路。

Description

采集和传输系统

相关申请的交叉参考

本申请与共同转让的内部案卷号为205134的美国专利申请同时提交，该申请通过参考引入本文中。

技术领域

在此公开的主题总体上涉及用于直流(DC)输电的变换器拓扑。

背景技术

在发电地点远离可用的电网或加载点的分布式发电的应用中，经常要进行大电力远距离输电。例如，在离岸风力农场(off-shore windfarm)中，各个风力涡轮发电机所发的电要经过电力电子变换器进行处理，将变化的电压、变化的频率输出变换为固定的电压、固定的频率输出。尽管各个机器运行的速度不同并且输出的频率也不相同，单个发电机的输出还是同步到公用网络的频率。涡轮机所发的电由包括变压器和开关设备的采集系统汇集在一起，采集系统用于隔离各个涡轮机和升高电压，通常升高到几十千伏。采集网络由电缆连到离岸变电站，离岸变电站进一步抬高电压，通常抬高到几百千伏。然后通过海底电缆传输到陆上变电站，在这里通过隔离开关设备和变压器连接到公用网络。

对于大电力远距离输电的应用，传统的交流(AC)传输提出了技术挑战。电容会产生沿AC电缆的长度方向流动的充电电流。因为电缆必须传送这个电流和有用的源电流，所以这种物理限制会减小电缆的源传送能力。因为沿着电缆的整个长度方向都分布有电容，所以长度越长电容就越大并且产生的充电电流也越大。在增大电缆系统的设计电压以使线路损耗和压降减到最小的同时，充电电流也增大了。

对于远距离，DC传输比AC传输可以有更高的效率。中压(MV)或高压(HV)DC传输通常需要能在HV AC和HV DC之间进行变换的电力电子变换器。在传统的变换器拓扑中，变换器的每个开关都设计为能够处理高压，根据应用的不同，该高压可以在几十千伏到几百千伏之间变化。这种开关通常具有几个串联的半导体器件，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和晶闸管。

发明内容

希望提供一种更加可靠和有效率的采集和传输系统。

一种采集和传输系统，包括：配置用来从源向电网送电的系统直流(DC)链路；以及在系统DC链路的源侧串联耦合到系统DC链路的交流(AC)到DC电力变换器模块，每个电力变换器模块都被配置为在源侧耦合到一个或更多的源，其中每个电力变换器模块都被配置为一收到相应的指令信号就将电力变换器模块的DC端短路。

另一个实施例，一种采集和传输方法，包括：提供配置用来从多个离岸源向网送电的系统直流(DC)链路；在系统DC链路的源侧将至少两个AC到DC电力变换器模块串联耦合到系统DC链路；以及然后将至少另外的一个AC到DC电力变换器模块串联耦合到原先耦合的AC到DC电力变换器模块或者去耦至少一个原先耦合的AC到DC电力变换器模块。

另一个实施例，一种采集和传输方法，包括：提供配置用来从源向电网送电的系统DC链路和在系统DC链路的源侧串联耦合到系统DC链路的AC到DC电力变换器模块；每个电力变换器模块都被配置为在源侧耦合到一个或更多的源；根据故障，发送指令信号以使相应的电力变换器模块中的电力变换器模块的DC端短路。

另一个实施例，一种采集和传输系统，包括：配置用来从离岸的源向网送电的系统直流(DC)链路；以及在系统DC链路的源侧串联耦合到系统DC链路的AC到DC电力变换器模块，在源侧至少若干电力变换器模块被配置为耦合到一个或更多的风力涡轮机。

附图的简要说明

从下面的结合附图对发明所做的详细的描述中，可以很好的理解本发明的这些以及其它的特征、方面和优点，附图中相同的附图标记表示相同的部件：

图1是在此公开的一个采集和传输系统的实施例的框图；

图2是一个变换器实施例的框图；

图3是另一个变换器实施例的框图。

具体实施方式

图1是在此公开的一个实施例的框图，其中的采集和传输系统10包括配置用来从源13(至少一个源)向电网16送电的系统直流(DC)链路12和在系统DC链路的源侧串联耦合到系统DC链路12的交流(AC)到DC的电力变换器模块19、119、219、319。每个电力变换器模块都被配置为在源侧耦合到一个或更多的源114、214、314、414。在一个实施例中，每个电力变换器模块都被配置为一收到相应的指令信号就将电力变换器模块的DC端短路。

对于使用DC电压电平至少是中等(例如，至少10千伏)的DC传输来从源向远处的电网传输大电力，图1的实施例尤其有用。通常，该距离大于20公里，但“远处”所指的距离会根据系统的电力需求而变化。此外，在一些应用中，以DC的方式将源侧的电力变换模块连成一串，这样做的好处不会受到距离远的影响。图1的实施例在用来从离岸的源供电时预期会减少费用、复杂性(例如，诸如断路器、变压器和连接器等元件的数量，在此公开的实施例的某些方面，可以不用或减少这些元件)，也需要用于电力变换装置的空间。

在图1的实施例的一个方面，一个或更多的源包括风力涡轮发电机，或者更具体的说是离岸风力涡轮发电机。在图1的实施例的其它方面，使用陆上的源或使用其它类型的离岸源，例如船舶基发电机，或结合使用不同类型的源。

电力变换器模块通常包括三相电力变换器。在较具体的实例中，电力变换器包括两级变换器，三级变换器或两级变换器和三级变换器的结合。在其它的实例中，可以使用更多数目的级。

在系统DC链路12形成的环中，进入和离开每个电力变换器模块的电流总是与采集和传输系统10的源侧供给的电流相同。换句话说，源侧的变换器模块维持系统DC链路上的电流。选择最小的系统DC链路上的指令电流，该最小的指令电流要支持为了向电网供给合适的电力源侧的电力变换器模块19、119、219、319中的任何一个所需要的最大电流。因此，在性能类似的源串联时，采集和传输系统非常有效率。可以使用反馈回路以使控制器140能够确定系统DC链路的电流指令。一个实施例中，控制器140还可以用来驱动系统DC链路的电流使其接近指令值。如上所述，指令值一般取决于源的需求，可以不时地调节以适合改变的需求。

一个实施例中，与DC链路电流被限制在相对窄的范围相比，系统DC链路的电压可以在零到正或负的标称DC链路电压之间变化。在DC链路的电流受到控制而DC链路的电压是可变的的实施例中，如果发生故障，可以更容易地将串联耦合的电力变换器模块短路。因为有了这个特征，能够不用DC断路器，或者减少DC断路器。标称电压不需要很高。例如，一个实施例中，标称电压小于或等于约正或负10千伏。另一个实例中，标称电压小于或等于约正或负30千伏。

如图2的放大图所示，一个用来提供电力变换器模块旁路能力的实施例中，每个源侧的电力变换器模块都包括逆变器22以及在系统DC链路12和逆变器之间耦合的半桥24。模块DC链路23耦合半桥和逆变器。一个实例中，半桥包括不对称的半桥。逆变器22可以包括具有相关的控制并使用了半导体开关器件(例如IGBT、GTO或晶体管等)的传统的变换模块。

半桥用来控制到系统DC链路的电流，而逆变器用来控制模块DC链路的电压。可以通过控制电流、电压或结合控制电流和电压来调节给系统DC链路的电力。在一个典型的实施例中，至少有一个半桥包括两个二极管开关对26和28，它们每一个依次包括一个二极管32或34和一个开关36或38。半桥配置用来在二极管开关对的两个开关36和38都是闭合的时候从逆变器接收输入电力并传输到系统DC链路12。开关36和38可以包括任何合适的开关器件，例如包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)和GTO(门极关断晶闸管)。

当一个源的供电比其它的源少时，相应的电力变换器模块就会旁路DC环电流的没有由这个源供给的部分，这会产生一定的效率损失，尤其是在不同的源之间所发的电有很大的不同的时候。这个实例中的旁路是同时调制半桥开关的部分旁路，选择占容比(duty ratio)以降低供给系统DC链路的最终电力。

控制器40配置用来在发生故障的情况下闭合开关36和38中的一个。例如，如果在半桥24和逆变器22之间的模块DC链路23中发生短路，半桥可以旁路源(即，使相应的电力变换模块处于短路状态)，并避免从网侧馈入故障。作为例子，控制器40可以包括配置用来给半桥和逆变器的开关发送指令信号的一个或多个的计算机或处理器(可以位于本地、远处或本地和远处都有)，这样使电力变换器模块的DC端短路。如果开关36或38是闭合的(即接通)，那么，电力变换器模块会被旁路，即不会从电网通过它供电。这个短路的特征作为对DC断路器的替代是很有用的。这个实施例的另一个优点是，电力变换器模块在另外的(指一个或更多的其它的)电力变换器模块处于短路状态时可以保持独立运转。当在系统DC链路的一侧有一个或更多的电力变换器模块被旁路时，所引起的系统DC链路的电压等于其余的半桥电压的和。控制器140自动地调节系统DC链路的另一侧的半桥电压的和，以保持DC环电流是常数。这样，通过改变系统DC链路的电压，可以即时改变从源传输的电力。

虽然DC采集和传输系统相对于AC系统具有若干优点，但是DC系统大多用在诸如军事和研究等特殊应用中。一个原因是，能量分布通常以平行(parallel)的拓扑通过，平行的DC拓扑中的短路电流会很大并且包括执行中断功能的昂贵的开关设备。当DC拓扑用于具有在源侧串联连接的离岸的应用中时，源模块或变换器中的短路可以很容易的通过下面参考图2的实施例所要讨论的方法来处理。

图2中，将源模块再分成三个部件，其中第一部件84包括耦合到风力涡轮机11的发电机114，第二部件184包括电力变换元件，第三部件284包括DC开关设备(例如，图中的开关74，76，78)。这些部件可以安装在一个或更多的容器中。如果使用多个容器，所述容器可以使用电缆或连接器(未图示)进行连接，以便于保养和维修。

在源或变换器发生故障的时候，半桥24的开关36和38中的一个闭合从而将半桥的DC端短路，以确保采集和传输系统的其它部分不受故障的影响。可以同时关掉逆变器22的开关，以更快地隔离故障。断路器72可以断开以将源与电力变换器模块分开。在这连串的开关操作之后，源中唯一剩余的电流只是流过短路的半桥的系统DC链路的电流。一个实施例中，在闭合开关36和38之后，闭合开关74以对模块DC链路23的电容进行放电。这个实施例中，半桥设计成能承受几毫秒的最大放电电流。然后，可以和开关76和78一起断开开关36和38，此时源变换器完全与源以及采集和传输系统分离，从而可以进行维修、修理和更换，与此同时采集和传输系统保持运转。以后可以通过短路半桥然后断开开关74，再次插入变换器模块。

图3是模块冗余实施例的实例的框图，其中至少一个电力变换器模块119包括在系统DC链路123和相应的发电机214之间的至少两个子变换器模块56和156。模块冗余是一种可以用来增强系统的稳定性的技术。图3还描述了一个实施例，其中两个子变换器模块包括跨在(across)模块DC链路上串联耦合的至少两个DC到DC变换器58和158，并联耦合到发电机的至少两个AC到DC变换器60和160，和模块DC链路123，它将串联耦合的DC到DC变换器耦合到并联耦合的AC到DC变换器。虽然给出了两个DC到DC变换器58和158和两个AC到DC变换器60和160，如果想要增加冗余还可以耦合其它的变换器。因为这里描述的所有的系统与传统的AC到AC变换实施例相比，需要更少的变换器容器中的空间，因此，能够使用相同大小的空间并包括子变换器模块实施例以建立比传统的变换器设计更大的冗余。

提供这种冗余的实施例可以用来确保在DC到DC变换器发生故障的时候(只要至少还有一个其它的DC到DC变换器还在运转)或者在AC到DC变换器发生故障的时候(只要至少还有一个其它的AC到DC变换器还在运转)，电机214仍然可以供电。与图2描述的类似的方法，一旦发生变换器故障，对于DC到DC变换器故障，可以短路发生故障的变换器，或者对于AC到DC变换器故障，可以关掉发生故障的变换器。

图3还给出了电感器170，270，370和470，它们可以包括分立的元件或者作为线路中固有的电感存在，还可以是图2的实施例中的典型的存在(未图示)。当与DC到DC变换器结合使用时，电感器会减小系统DC链路中的由开关DC到DC变换器引起的电压的谐波含量。具有耦合到它的电感器的AC到AC变换器可以选择以交错(interleaved)的模式操作以改善正与源交换的电流的质量。

有或者没有系统中断都可以实现对子变换器模块或源的旁路。如果单个的模块出现DC链路故障，可以通过调节半桥开关将模块DC链路23短路，可以从跨在(across)其它的模块DC链路上获得电压。当冗余的子变换器模块并联放置并且其中一个发生故障时，其它的可以从源接收电流，同时关掉发生故障的子变换器模块。如果源处于故障状态，与源相关的断路器可以脱扣(trip)。

一个实施例中，如交叉参考的相关申请中所描述的，网侧的DC到AC电力变换器模块82串联耦合到系统DC链路12。这个实施例的更具体的方面，半桥48还可以存在于网侧的电力变换器模块中以增强旁路能力。在图1的实例中，结合使用半桥48和旁路开关54来简化实施例，并减少采集和传输系统的费用。虽然所说明的实施例具有效率上的好处，但它只是一个可选的实施例，可以使用任何合适的网侧的配置来从系统DC链路供给DC电力，一个实例就是电流控制晶闸管变换器配置(未图示)。

一些实施例中可以使用相移部件。一个实例中，每个网侧的电力变换器模块82都包括移相变压器44和在移相变压器和系统DC链路之间耦合的逆变器46。另一个实例中，控制器140(它通常相对于控制器40是独立的，但也可选择是控制器40的部分)响应于相应变压器的相移控制网侧的电力变换器模块的逆变器中的开关操作。在共同转让的美国专利申请11/010147和11/095227中描述了相移的实施例，它可以用来改善电力质量并能够进行冗余模式的操作。

系统DC链路12上的电缆85可以包括任何在施加DC电压后不会退化的合适的材料。几个实例包括乙丙橡胶(ethylene propelyne rubber)AC电缆和聚合物DC电缆。在一个具体的能够冗余的实例中，使用两个三相AC电缆。在另外的更具体的实例中，使用六个并联的DC电缆。DC系统链路12的电缆外壳由图1中的元件15表示。这些实施例只是用于实例的目的，还可以使用其它的一些电缆。

由系统DC链路12形成的环和图1实例中的串联连接通过阻抗50接地以避免由于极到地(pole to earth)的故障而中断。理想的阻抗50是有足够的大小能为跨在(across)系统DC链路的电压差提供绝缘。在一个实例中，系统DC链路的顶线设置在+12千伏，负线设置在-12千伏，阻抗设置为提供高达24千伏的绝缘。

当电缆传送单极电流(single pole current)时，出现双极故障的可能性很低。如果出现成问题的极到地的故障时，可以绝缘。一个实施例中，DC电力链路12的电缆包括具有足够的电流传送能力的平行的电缆，能够不需要中断就断开故障电缆的芯线(core)。这个实施例中，如果出现极到地的故障，负载中断器62可以顺次开关直到故障消除了，负载中断器62可以安装在每个单个的电缆部件(为了说明的目的图1中只给出了几个)的输入处，一个安装在输出处。一个实例中，在每个海底电缆部件的输入和输出处有六个并联的开关，顺次开关是指海底电缆一个接着一个断开(通过同时关掉海底电缆的输入和输出开关)。这样在短时间内每个海底电缆都完全与电力系统分离(同时其它的海底电缆仍然传送环电流)。如果海底电缆中的一个发生接地故障，当这个海底电缆完全断开时故障就会消失。随后，对于所有的电缆部件，一个接一个地断开海底电缆，这样能够在系统保持运转的同时消除接地故障。

这里公开的实施例的一个优点是通过将电力变换器模块串联连成一串可以提供灵活性。一个实施例中，采集和传输方法包括提供配置用来从多个离岸源14向网16送电的系统DC链路12；在系统DC链路的源侧，将至少两个AC到DC电力变换器模块串联耦合到系统DC链路；然后将至少另外的一个AC到DC电力变换器模块串联耦合到原先耦合的AC到DC电力变换器模块或去耦(这里的“或”指任何一个或者两者都)至少一个原先耦合的AC到DC电力变换器模块。

这里只描述和说明了本发明的某些特征，本领域的技术人员可以进行任何的修改或改变。因此，应当理解后面的权利要求包括本发明的精神内的任何的修改或改变。

元件表

10 系统

12 系统DC链路

13 源

14，114，214，314，414 源

16，516 电网

19，119，219，319 源变换器模块

22 逆变器

23 模块DC链路

24 半桥

26 二极管开关对

28 二极管开关对

32 二极管

34 二极管

36 开关

38 开关

40，140 控制器

44 变压器

46 逆变器

48 半桥

50 阻抗

54 旁路开关

56，156 子变换器模块

58，158 DC到DC变换器

60，160 AC到DC变换器

62 负载中断

170，270，370，470 电感器

72 断路器

74 开关

76 开关

78 开关

82 变换器模块

84，184，284 部件

85 电缆

Claims

1.一种采集和传输系统(10)，包括：

配置用来从源(13)向电网(16)送电的系统直流(DC)链路(12)；以及

在系统DC链路的源侧串联耦合到系统DC链路的交流(AC)到DC电力变换器模块(19，119，219，319)，每个电力变换器模块都被配置为在源侧耦合到一个或更多的源(114，214，314，414)，其中每个电力变换器模块都被配置为一收到相应的指令信号就将电力变换器模块的DC端短路。

2.如权利要求1所述的系统，其中每个电力变换器模块都配置为在另一个电力变换器模块处于短路的状态时保持独立运转。

3.如权利要求1所述的系统，该一个或更多的源中的至少若干个包括风力涡轮发电机。

4.如权利要求3所述的系统，其中至少若干风力涡轮发电机位于离岸。

5.如权利要求1所述的系统，其中至少若干变换器模块包括逆变器(22)和在系统DC链路和逆变器之间耦合的半桥(24)，其中至少一个半桥包括两个二极管开关对(26，28)，并配置用来在二极管开关对的两个开关(36，38)都闭合时从逆变器输入电力，还包括配置用来在发生故障时闭合至少一个开关的控制器(40)。

6.如权利要求1所述的系统，其中至少一个电力变换器模块(119)包括至少两个子变换器模块(56，156)，其中两个子变换器模块包括跨在模块DC链路上串联耦合的至少两个DC到DC变换器、并联耦合到源的至少两个AC到DC变换器以及将串联耦合的DC到DC变换器耦合到并联耦合的AC到DC变换器的模块DC链路。

7.如权利要求1所述的系统，还包括用于驱动系统DC链路的电流使其接近指令值的控制器，其中系统DC链路的电压可在零到标称DC链路电压之间变化。

8.一种采集和传输方法，包括：

提供配置用来从多个离岸源(14)向网(16)送电的系统直流(DC)链路(12)；

在系统DC链路的源侧将至少两个交流(AC)到DC电力变换器模块串联耦合到系统DC链路；以及

然后将至少另外的一个AC到DC电力变换器模块串联耦合到原先耦合的AC到DC电力变换器模块或者去耦至少一个原先耦合的AC到DC电力变换器模块。

9.如权利要求8所述的方法，其中的源包括多个风力涡轮发电机。