CN101507076A - 功率转换器装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将感应发电机(23)连接到电力网(29)的功率转换器装置，包括：第一通路，被提供用于在第一操作条件过程中将电功率从感应发电机传送到电力网；以及第二通路，被提供用于在第二操作条件过程中将电功率从感应发电机传送到电力网，其中第一通路包括交流－交流转换器(25)，而第二通路包括开关(27)。电容器装置(35)互连于感应发电机与第一通路和第二通路之间，而第一交流电抗器装置(37)互连于电容器装置与第一通路和第二通路之间，其中电容器装置被提供用于补偿感应发电机的磁化电流。

Description

功率转换器装置和方法
技术领域
本发明一般涉及电力设备并且具体地涉及一种功率转换器装置和一种用于传送电功率的方法。
背景技术
风力资源的利用在过去几年中已经迅速增长。然而，风力的使用不仅提供能量而且对它所连接到的电力网有负面影响。不仅风力的变化而且风力涡轮机本身也产生功率脉动。
一种解决方案是通过使用晶体管转换器来使用涡轮机的变速操作。虽然可以提高功率质量，但是变速系统在较高风速与定速系统相比具有较低的效率。
为了克服这样的局限性，如在T.Thiringer、T.Petru和C.Liljegren在IEEE Transactions on Energy Conversion 2001年6月第16卷第2期第123页的Power Quality Impact of a Sea Located Hybrid Wind Park中公开的那样，可以仅在有能量增益的较低功率使用转换器而在较高风速使用直接连接的感应发电机。
在图1中示出了在较低和较高风速的操作过程中用于风力涡轮机的此类功率转换器装置。该装置包括为了在较低风速实现变速操作而提供的两个功率转换器11a、11b。在较高风速，通过将感应发电机13直接地连接到电力网15来实现恒速操作。在这一模式下，电力网侧上的功率转换器作为用于提供所需数量的无功功率的无功电源来操作，并且减少了由来自风力涡轮机的有功功率变化所造成的电力网上的电压变化。
在US 7,012,409 B2(SEMIKRON)中公开了一种类似的功率转换器装置。也公开了一种用于在短路情况下触发功率补偿的方法。
发明内容
对于大于3MW的较大涡轮额定值，在无刷感应发电机中的气隙磁化将造成与转矩产生电流相当的磁化电流。在这样的条件下，功率转换器装置的可用下额定值限于约30％。
对于大于1MW的涡轮额定值，关键是要在具有高效转子的感应发电机中克服固有的转矩-速度刚度。针对这一问题的一种即时解决方案是在感应发电机内部增加转子电阻。然而，由于有限的冷却能力，这仅限于略微2MW以上的额定值。
因此，本发明的一个主要目的在于：分别提供用来至少缓解上述问题和限制的一种功率转换器装置和一种用于传送电功率的方法。
就这一点而言，本发明的一个具体目的在于提供灵活、可靠并且成本合理的这样的装置和这样的方法。
这些目的以及其它目的是根据本发明通过如在所附权利要求书中具体说明的装置和方法来实现的。
根据本发明的第一方面，提供一种功率转换器，该功率转换器包括为了在不同操作条件过程中将电功率从感应发电机传送到电力网的两个并行通路，其中第一通路包括交流-交流转换器，而第二通路包括开关。电容器装置互连于感应发电机与第一通路和第二通路之间，而第一交流电抗器装置互连于电容器装置与第一通路和第二通路之间，其中电容器装置被提供用于补偿感应发电机的磁化电流。
这里，即使对于在约3MW以上的涡轮机和感应发电机额定值，交流-交流转换器仍然可以具有小于涡轮机和感应发电机的额定功率的30％的额定功率。
优选地，第二交流电抗器装置互连于第一通路和第二通路与电力网之间。
这里，实现如下成本高效装置，该装置使感应发电机稳定或者失去稳定以解决额定在约1MW以上的固有转矩-速度刚度问题。
根据本发明的第二方面，提供一种用于通过上述装置将电功率从感应发电机传送到电力网的方法。该方法包括通过电容器装置来补偿感应发电机的磁化电流的步骤。
从下文给出的对本发明实施例和变型的以下具体描述以及附图2中将清楚本发明的更多特征及其优点，其中附图2仅通过示例而给出，因此并不是对本发明的限制。
附图说明
图1示意地图示了根据现有技术的功率转换器装置。
图2以单线、框图示意地图示了根据本发明一个实施例的三相功率转换器装置。
具体实施方式
如图2中所示的功率转换器装置将无刷三相感应发电机23连接到三相电力网或者网络29。风力涡轮机转子21经由齿轮箱25驱动发电机。功率转换器装置包括两个并行通路：包括交流-交流转换器25的第一通路和包括开关27的第二通路。
交流-交流转换器25优选地包括由电容器25c互连的交流-直流转换器25a和直流-交流转换器25b，正如在T.Thiringer、T.Petru和C.Liljegren在IEEE Transactions on Energy Conversion 2001年6月第16卷第2期第123页的上述引用文章Power Quality Impact of a SeaLocated Hybrid Wind Park以及7,012,409 B2(SEMIKRON)中所公开，通过引用将其内容结合于此。备选地，可以实施无直流电压链路的交流-交流转换器25。可以使用任何如下交流-交流转换器，该转换器能够执行从低频到至少电力网频率的频率转换以便同步并且能够产生无功功率。无直流电压链路的交流-交流转换器的一个例子是所谓的矩阵转换器。交流-交流转换器优选地额定为低电压，例如400-1000V交流。
在较低风速的操作过程中，开关27断开，并且提供用于实现变速操作的交流-交流转换器25。由此，向感应发电机23和向电力网供应无功功率。
另外，风力涡轮机机舱或者塔式变压器28和断路器31可以互连于并行通路与电力网或者电力网络29之间。提供该变压器以用于将从感应发电机输出的低压功率或者低压到中压功率(如690V)变换成高电压功率(如例如10kV)。
提供用于控制涡轮机和功率转换器装置的控制系统(未明示)、优选为计算机化控制器。
在较高风速的操作过程中，开关27闭合并且维持恒速(或者半变速)操作。交流-交流转换器25这里作为分流元件来操作，以便仍然向感应发电机和向电力网供应无功功率。
当从低速/低功率端达到电力网频率时，使感应发电机23同步到电力网29，并且开关27闭合。当从高功率/高速端达到低功率模式时，将感应发电机23从电力网29去同步，并且开关装置/功能断开。
根据本发明，功率转换器装置还包括互连于感应发电机23与并行通路之间的电容器装置35。为求便利，电容器装置包括按以Y或者△配置来连接的电容器。
借助于将电容器连接到感应发电机23的端子，可以补偿感应发电机23的磁化电流，因而，即使当风力涡轮机和感应发电机23的额定功率在约3MW以上时，交流-交流转换器25仍然可以具有小于涡轮机和感应发电机23的额定功率的30％的额定功率。可以达到低至涡轮机和感应发电机的额定功率的15％的额定功率。
第一交流电抗器装置37互连于感应发电机23的端子处的电容器装置35与分别包括交流-交流转换器25和开关27的并行通路之间。第一交流电抗器装置37作为匹配滤波器来操作，从而可以避免电容器装置到有源整流器(即交流-直流转换器25a或者直流-交流转换器25b)的直接连接。
另外，第二交流电抗器装置39互连于并行通路与电力网之间。第一和第二交流电抗器装置37、39可以与交流-交流转换器25一起类似于具有如下静态VAr补偿装置的很长的电力线，该补偿装置沿着电力线位于途中，用于无功功率补偿。由此，实现一种用以使感应发电机23稳定或者失去稳定以解决涡轮和感应发电机额定值在约1MW以上的固有转矩-速度刚度问题的成本高效的方式。
可以在电力汇集网(collection grid)中的适当位置添加静态VAr补偿装置以协调涡轮机机舱中以及电力汇集网中的无功功率补偿。例如，可以提供固定的滤波器电容器FC以满足无功功率要求。
交流-交流频率转换器因此可以经由在所需稳态点周围的少量变化作为有源滤波器、作为闪变消除器和/或作为平滑器来操作。它也可以控制固定的滤波器电容器中的电容器电压，从而使该固定的滤波器电容器几乎在瞬间将其电容器电压变成它故障前的值。
在出现瞬变现象，如电力网故障时，本发明的功率转换器装置还可以被布置用于如在通过引用将内容结合于此的美国临时专利申请No.60/712,125(GERTMAR等人)中公开的以下用途中的任何用途。
在高功率和恒速或者半变速度时，执行迅速去同步，并且接合电阻性临时过剩功率控制33(即操作功率转换器装置以将无功功率递送到感应发电机，该感应发电机临时带有电阻性临时过剩功率控制负载)或者迅速地接合瞬变增压器。在通过引用将内容结合于此的WO 2005/062438(ABB RESEARCH)中也详述了瞬变增压器。
在低功率和低变速时，保持变速并且在某点接合电阻性临时过剩功率控制33，或者迅速地接合瞬变增压器而在以后阶段接合电阻性临时过剩功率控制33。
在清除故障之时，风力涡轮机的间距控制器使转子速度变成正常稳态值，并且在达到正常稳态值时脱离电阻性临时过剩功率控制。
本发明的功率转换器装置还可以或者备选地包括如在美国7,012,409 B2(SEMIKRON)中公开的用于在网络短路的情况下进行无功功率补偿的触发机制。
应当认识到，可以组合本发明的各种特征以实现其更多实施例及其变型。

Claims (9)

1.一种用于将感应发电机(23)连接到电力网(29)的功率转换器装置，所述功率转换器装置包括：
-第一通路，被提供用于在第一操作条件过程中将电功率从所述感应发电机传送到所述电力网，所述第一通路包括交流-交流转换器(25)；以及
-第二通路，被提供用于在第二操作条件过程中将电功率从所述感应发电机传送到所述电力网，所述第二通路包括开关(27)，其特征在于：
-电容器装置(35)，互连于所述感应发电机与所述第一通路和第二通路之间，所述电容器装置被提供用于补偿所述感应发电机的磁化电流；以及
-第一交流电抗器装置(37)，互连于所述电容器装置与所述第一通路和第二通路之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中第二交流电抗器装置(39)互连于所述第一通路和第二通路与所述电力网之间。
3.根据权利要求1或者2所述的装置，其中所述交流-交流转换器具有小于所述感应发电机的额定功率的30％的额定功率。
4.根据权利要求1-3中的任一权利要求所述的装置，其中所述感应发电机的额定功率至少约为1MW。
5.根据权利要求1-3中的任一权利要求所述的装置，其中所述感应发电机的额定功率至少约为3MW。
6.根据权利要求1-5中的任一权利要求所述的装置，其中所述装置被提供用于在所述第一操作条件和第二操作条件过程中进行无功功率补偿。
7.根据权利要求1-6中的任一权利要求所述的装置，包括用于无功功率补偿的固定滤波器电容器装置，其中所述交流-交流转换器控制所述固定滤波器电容器装置的电容器电压。
8.根据权利要求1-7中的任一权利要求所述的装置，其中无功功率补偿装置被提供用于在所述电力网中的电压降情况下进行无功功率补偿。
9.一种用于将电功率从感应发电机(23)传送到电力网(29)的方法，所述方法包括以下步骤：
-在第一操作条件过程中经由第一通路将电功率从所述感应发电机传送到所述电力网，所述第一通路包括交流-交流转换器(25)；以及
-在第二操作条件过程中经由第二通路将电功率从所述感应发电机传送到所述电力网，所述第二通路包括开关(27)，其中所述方法的特征在于以下步骤：
-通过互连于所述感应发电机与所述第一通路和第二通路之间的装置来补偿所述感应发电机的磁化电流，所述装置包括连接到所述感应发电机的电容器装置(35)和连接到所述第一通路和第二通路的第一交流电抗器装置(37)。
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