CN101645606A

CN101645606A - 用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器和采用所述变流器的风力发电站

Info

Publication number: CN101645606A
Application number: CN200910149766A
Authority: CN
Inventors: F·C·德赞; F·帕罗蒂; G·玛格吉安尼
Original assignee: TREVI ENERGY Spa
Current assignee: TREVI ENERGY Spa; Trevi Energy SpA
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-02-10
Also published as: BRPI0901292A2; ITTO20080324A1; US20090273956A1; US8174138B2; CA2664465A1; EP2114001A1

Abstract

一种用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器发动机控制模块30，设计成用于风力发电站内，其配有：设计成与单相或多相电机3相连的输入端30a；输出端30b；和用于控制所述电机3电力的控制装置36。该模块变流器具有多个模块31，其设计成在其输入端31.1接收交流电并在各输出端31.2a、31.2b产生配至风力发电站的直流电，并且控制装置36从所述模块31接收信号并作用在电机3上。

Description

用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器和采用所述变流器的风力发电站

技术领域

本发明涉及用于风力发电机的能量转换系统，尤其涉及用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器，以及采用这种变流器的相应的风力发电站。

背景技术

为了易于理解以下的描述，在此提供文中所采用的缩写词的全称列表：

a.c.-交流电；

d.c.-直流电；

DCBUS-直流中间电路；

LV-低压；

MV-中压；

HV-高压；

HVDC-高压直流电，高压直流传输；

DDPMSG-直驱式永磁同步发电机

DFIG-双馈感应式发电机

IGBT-绝缘栅双极晶体管

MMSC-多级模块静态变流器

SCM-静态变流器模块

DC-数字控制器

MDC-主数字控制器

SDC-从数字控制器

N_m-SCM的数量

N_ms-串联的SCM的数量

N_mp-并联的SCM的数量

V_mac-SCM输入侧的交流电压

V_mdc-SCM输出侧的直流电压

V_dcn-直流中间电路的总直流电压

现有技术中用于产生电流的风力涡轮(通常也称为“风力发电机”)的当前发展都在寻求电力的不断提高；尤其是，如海上风力发电站，即，将这些发电站安装在离海岸或湖岸若干英里的地方，以便用于让它们充分地暴露在这些区域的气流之中以达到更好的效果。

如图1所示，风力发电机1包括风力涡轮2，其配有叶片2a和包含主体4内的具有齿轮2b、2c的系统，主体4安装在支撑塔5上。风力发电机1还包括，仍旧位于主体4中的发电机3，其设计成将风冲击在涡轮叶片上所产生的机械能转换成电能。

大多数情况下，风力发电机1还具有制动器6，其设计成在风力过强的情况下降低涡轮2的叶片2a的旋转速度。

在这些发电机中，最适于用于风力涡轮的是：

-感应式发电机，具有双电源并典型地配有与连在风力涡轮2自身上的轴7耦接的转速倍增器；和

-直驱式永磁同步发电机(DDPMSG)，在这种情况下，其直接与涡轮的轴耦接。

图2中具体示出的是带有永磁体11的同步发电机10的截面，此时永磁体相对彼此以90°的角度定位。永磁体11与缠绕在永磁体11自身上的、由导电材料制成的线圈12一起，构成了发电机10的转子13。所述转子连接到风力涡轮的轴7上并安装在导磁性金属定子14的内部，旋转时转子13所产生的磁场线15不断传播(propagate)。

当前，对于这种特殊应用类型，DDPMSG没有感应式发电机普遍。然而，DDPMSG还是在效率、可靠性、控制的简易性方面表现出了相当的优势，从而代表了风力发电机1领域中机械动能转换成电能的技术前沿。

另外，当前开发的风力发电机1具有高于3MW的电力，其带有通过静态变频器连接至50/60Hz公共电网的可变速发电机。

现今，风力发电机1典型地配有400-V或690-V的发电机，其采用了双级变流器，带有中间直流电路，公知的缩写为DCBUS，如具有典型的650Vdc或1100Vdc的输出电压，通过采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)来获得该DCBUS并设计成用于驱动高电压。

近来，一些公司开始引入中压发电机变流器系统，DCBUS上具有3000Vac和5000Vdc的级联电压。

提高发电机/变流器的电压的需要是为了能够获得大型风力发电机。基于现有的解决方案，对于690V的电压，实际上是易于获得的，风力发电机具有高达3MW的功率；为了更高的功率，需要提高电压，从而提高系统的电效率。

目前，风力发电机是借助于LV-MV变压器(其中，LV-MV变压器将电压从低压LV，也就是低于20kV，转换至中压MV)通过中压(MV)电站(这里的“通过中压(MV)电站”表示20-kV至36-kV范围内的电压)内部的网络连至公共主电网，所述LV-MV变压器安装在风力发电机自身的内部，并将电压提高到MV网的20-kV至36-kV水平。

风力发电机1，典型地位于风力发电站的内部，并且风力发电站包含特定多数个风力发电机，其通过如下方式连接至国家电网：

1.通过多条电缆通过交流中压传输的交流中压配电；

2.通过海上平台上的MV/HV变电站(即，将电压从中压MV转换至高压HV的变电站)以及将交流高压电能传输至公共配电网的配电；和

3.通过带有HVDC传输线的传输平台的中压配电；

在上述三种情况下，电站的内部配电网络仍然是中压型，且通常在电站内部电压绝不超出36kV。然而，连在风力发电机和公共电网地面站之间的风力发电站的电流传输线的电压水平是传输线自身所覆盖的距离的函数；此时，如果距离短的话，如多达20km，则将要借助第1点中的技术；对于大于20km但小于100km的距离，采用第2点中的技术，具有150kV、50Hz的交流电；而80-100km以上的距离，则采用第3点中的技术。

然而，由于风力发电机1上所配设备量由此具有相当大的重量，因而目前的风力发电系统具有高成本。因此，支撑结构特别是支撑塔的建造也必须谨慎，并且造价昂贵。

另外，风力发电站内的交流电系统不允许风力发电站与主电网脱开，因此从某种程度上说也就不能容忍电压下降，这部分地与欧洲法律的一些规定相冲突，如CEI11-32中。交流电风力发电站系统不需要电压逆变器，这就限制了网络故障时无功功率的产生量，从而有利于网络的迅速恢复。

另外，已知交流网络会受到趋肤效应的影响，其中电流仅在或大部分在导体的外表面流动，从而必须考虑所涉及计算的难度，另一方面，还要考虑电导体的结构强度(其由此不可能完全中空，也不能具有太小的直径)。由此可知，实际上，在相对于电导体外表面深度为δ的位置处，以正弦方式流过导体的电流密度是外表面上电流的1/e(大约0.37)倍。

通过以下的关系式来计算其值：

δ = \sqrt{\frac{2 ρ}{ωμ}} - - - (1)

其中：

ρ是导体的电阻系数(典型地用Ωmm²/m表示)

ω是电流的角频率(用弧度/每秒表示)，且

μ是导电材料的绝对磁导率(用H/m表示，或等同地用N/A²表示)。

因此，由于可以看到正弦方式中电流遭遇的阻抗与其频率的平方根成比例，因此网络频率越高，这种现象的危害就越大。继而，显著的趋肤效应也就意味着相当大的网络电阻损耗。

由此可见，传输中压直流电能将更有优势，其减少了风力发电机内部存在的元件，并继而减少了支撑塔所支撑的重量和负载。比较重要的，在风力发电站内采用交流电就意味着，如果发生故障，例如发电机3的相绕组发生故障，则整个风力发电机1必须停止工作，否则，所产生电流的波形将不再与电站的需求一致。

最后，目前还没有用于覆盖短距离的中压(MV)直流传输系统，也就是最多不超过15-20km。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于转换风力发电机产生的电力的模块系统，其将不具有上述缺陷。

根据本发明，提供了一种用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器，如权利要求1所述。

附图说明

将参考附图对本发明进行描述，附图示出了非限制性的实施例，其中：

-图1是公知类型的风力发电机的剖视图；

-图2是同步型电机的截面图；

-图3是根据本发明的变流器可行结构的方块图；

-图4是根据本发明的变流器的部件的电路图；

-图5和6示出了根据本发明的变流器结构的其它可行方案；和

-图7是采用根据本发明的变流器的风力发电站的示例的示意图。

具体实施方式

参考附图3，30整体地表示多级模块静态变流器(MMSC)。

MMSC30包括：

-N_m个静态变流器模块31(下文称为SCM)，其每一个都是静态变流器，具有与发电机3相连的交流电输入31.1，以及直流电输出31.2a、31.2b。

-数字控制器36(DC)，电连接至各个SCM，并能够控制发电机3的转速，或可选地控制它的转矩；

-一个或多个输入30a，直接连至各SCM31的输入31.1以及发电机3；和

-一个或多个输出30b，将被连至公共主电网(未示出)。

图3示出了其中具有三星型同步发电机42.1、42.2、42.3的结构，其中每一星型都具有两个交流电输出端32.4，分别连至包括两个不同SCM31的子模块35的输入。构成一个单独子模块35的两个SCM31通过这样的方式连接，即共用两个输出端31.2a中的一个。每个单个SCM31的两个输出端31.2a和31.2b连至平行设置的相应的电容33。图3中的发电机3是三星型多相发电机42.1、42.2、42.3；因此，在此例中MMSC30具有三个串联的子模块35。

通常，期望SCM31可通过这样的方式配置在MMSC30中，即采用以下结构中的任何一种：

-仅串联；

-仅并联；

-串联/并联混合；

各SCM具有交流电压V_mac的输入31.1和具有额定中压V_dcn的直流输出。

N_m是属于MMSC30的SCM31的总数量，N_ms和N_mp分别是彼此串联和并联设置的SCM变流器31的数量；数量N_m由下式给出：

N_m＝N_ms·N_mp (2)

另外，很清楚，MMSC的输出电压仅由于彼此串联设置的SCM31的数量而增加。因此，我们得到了将MMSC30输出电压表示为V_dcn的关系式：

V_dcn＝N_ms·V_mdc (3)

各SCM31配置成三相桥式逆变器(三桥臂逆变器)。替换的，图4是SCM31的详细结构图。

各SCM31由多个IGBT 41.1-41.6组成，其中的每一个SCM31都配有集电极端43，发射极端44，和栅极端45。与各IGBT 41.1-41.6耦接的是二极管42.1-42.6，其具有连接至各IGBT 41.1-41.6的发射极端44的阳极和集电极端43的阴极。

具体地，由于现有技术中普遍了解的事实，即所述装置是用于以极高的电流(甚至高于1500A)和非常高的电压来开关负载，因此选择为各SCM31配有IGBT。

图4中详细描述的是用于三相式发电机3的SCM31，由此该SCM31配有三对IGBT 46.1-46.3，其中每对IGBT都具有两个晶体管之一的连至发电机3相应相的发射极端44，以及连接至形成一对的另一个IGBT的集电极端43。每对IGBT都具有两个输出端，其形成此SCM31的输出端31.2a和31.2b，且这些对46彼此并联连接。

具体地，具有连至发电机3其中一相的相应的集电极端43的所有双极晶体管41.1-41.6都具有连至SCM31的输出31.2b的相应的发射极端44；作为替代，具有连至发电机3的一相的发射极端44的所有IGBT41.1-41.6具有连至SCM31输出31.2a的相应的集电极端43。

最后，各SCM31具有从属类型的数字控制器50(SDC)，其受控制器DC36的控制，从而使得能够从发电机3上获得产生期望的电磁转矩的必需的电流设置，并通过作用在各个单个IGBT41.1-41.6的栅极端45上来保持SCM31的直流输出电压相对于彼此平衡。图5中示出的是MMSC30的第二实例，其中采用9个SCM31构成如下结构：三个SCM31并联，与三个并联的SCM31串联，再串联另外三个并联的SCM31。简单来说，省略了每个单独SCM31的输入处的连接。

采用这样的结构，如前所述，MMSC30输出端30a和30b两端的平均直流额定输出电压V_dc为V_dcn＝3·V_mdc。

作为选择，图6示出了MMSC30中SCM31的另外一种结构，其中，MMSC30输出端30a和30b两端的平均直流额定输出电压V_dc仍然为V_dcn＝3·V_mdc。

通过将三组SCM31并联来获得所述电压，其中各组是由三个SCM31彼此串联而形成的。

图7是框图，简要示出了配有多个风力发电机1的风力发电站，所述风力发电机连接至相应的MMSC30；MMSC30彼此连接并电连接至用图7中的线70表示的中压(MV)MVDC网络，从而提供与由此产生的各个电力的总和相等的电力。例如，考虑到各风力发电机1具有3MW的功率，并且假定对于每条线路串联10个风力发电机1，各条线70的总电力将达到30MW。图7详细示出了存在多条并联的线70的风力发电站。

MVDC网的线70连至直流/交流电力变流站71，其同样形成了该电站的一部分。

具体地，电力变流站71配有多个高功率高电压的电压变流器72，其在其输入端72.i接收中压MVDC网的线70，且每个变流器都具有各自的中压或高压交流输出72.u。

通过电压变流器72，可以在电力故障期间获得无功功率的受控管理，由此有助于网络的快速恢复。

电压变流器72的输出端连至增压变压器73，其包括至少一个初级绕组73a，和一个次级绕组73b。

增压变压器73通过如下方式将其初级绕组73a上供给的交流电压增压，所述方式是在次级绕组73b上提供一个相当高的电压，例如380kV。

至此，已经清楚地描述了本发明的优点。

特别地，在此描述的系统通过尽可能地从风力发电机1主体削减所有的直流电/交流变流器从而减轻了风力发电机的重量，所述重量上的减少带来了涡轮上静态和动态负载的减少，从而在各结构元件的成本方面得到了改善，例如，支撑塔5。另外，如此所述的系统提高了对电网内部和外部故障的耐受能力，如风力发电站电网的直流管理将电站自身从电网脱离，并且改善了对电压下降的响应。

通过将直流电/交流逆变器应用到电力变流站71，从而实现了对网络中无功功率的有效控制(例如，利用受控嵌入电容器组或公知的“闭环控制”技术)，由此提高并加快了风力发电站对故障的响应。另外，采用直流网络使得各个单个风力涡轮的转速可变，从而将涡轮自身与MVDC网络脱开并通过数字控制器DC进行控制，从而消除了对网络电压的影响。

通过采用直流中压网络，减少了电力站导体趋附效应的损耗，从而能够减少用于金属导电体的铜的浪费，该金属导电体其实际上具有比交流电流过时要小得多的截面。最后，还有模块化结构所带来的一些优点。实际上，各种SCM31可容易地配置成串联并联混合形式，或者，也可以完全采用串联或完全并联的结构。这样一来，多级模块静态变流器就能为电力站构造配置不同类型的风力发电机，也可以是具有不同输出电压的风力发电机，其相当大的优势在于风力发电站设计的灵活性以及消除了每个电力站仅能采用一种特定类型的风力发电机的约束。

采用模块化结构带来的另一优点是，当发电机3某部分发生故障的情况下(例如，其中一相的电缆中断)，或直接是SCM31发生故障时，不需要使整个风力发电机处于停机状态，而是可以在任何情况下使用，尽管性能会有所降低。

可以对上述系统进行多种变形：例如，可采用不同方式配置的数字控制器，如不采用主从结构，并且也可以作用于风力涡轮的结构，例如，改变它的叶片安装角。

Claims

1、一种用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，设计成用在风力发电站内部，其包括：

-被设计为与单相或多相类型的发电机(3)相连的输入端(30a)；

-输出端(30b)；和

-用于控制所述发电机(3)的电力的控制装置(36)；

所述模块变流器的特征在于其包括多个模块(31)，被设计为在其输入端(31.1)接收交流电并在相应的输出端(31.2a、31.2b)产生将在所述风力发电站内分配的直流电，并且所述控制装置36从模块(31)接收信号并作用在发电机(3)上。

2、如权利要求1所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中每个模块(31)具有连至其输出端(31.2a、31.2b)的电容性装置33。

3、如权利要求1所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中所述模块(31)能够被配置为彼此串联或并联的任意组合，其中所述模块(31)的所述输入端(31.1)电连接至所述变流器(30)的输入端。

4、如权利要求1所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中所述模块(31)在其内部具有多个绝缘栅双极晶体管(41.1-41.6)，其具有栅极端(45)、集电极端(43)和发射极端(44)。

5、如权利要求4所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中耦接到每个所述双极晶体管(41.1-41.6)的是相应的整流二极管(42.1-42.6)，其连接在所述相应的双极晶体管(41.1-41.6)集电极端(43)和发射极端(44)之间。

6、如权利要求4所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中所述双极晶体管(41.1-41.6)被成对(46.1-46.3)配置，每对(46.1-46.3)具有两个双极晶体管，分别为(41.1)和(41.2)、(41.3)和(41.4)、(41.5)和(41.6)，其中形成所述一对的两个双极晶体管中的一个双极晶体管的集电极端(43)连接至形成所述一对的另一个双极晶体管的发射极端(44)以及所述发电机(3)的其中一相，从而使得对于每一对(46)都连接到所述发电机(3)的不同相。

7、如权利要求6所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中具有连至所述发电机(3)的一相的相应的集电极端(43)的所有双极晶体管(41.1-41.6)都具有连至所述模块(31)的所述输出端(31.2b)的相应的发射极端(44)，并且，具有连至所述发电机(3)的一相的相应的发射极端(44)的所有双极晶体管(41.1-41.6)分别具有连至所述模块(31)的所述输出端(31.2a)的相应的发射极端(43)。

8、如权利要求1所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中各模块(31)包括各自的第二控制器(50)，其设计成与所述控制器(36)交互，并通过作用于每个单独的晶体管(41.1-41.6)的栅极端(45)来保持模块(31)的直流输出电压相对于彼此平衡。

9、如权利要求1所述的用于转换风力发电机产生的电力的模块变流器(30)，其中所述模块(31)被设计成在其各自的输入端(31.1)接收来自于同步型发电机的交流电能。

10、一种风力发电站，包括：

-多个风力发电机(1)，其具有风力涡轮(2)、支撑件(5)和主体(4)，在所述风力发电机中，发电机(3)通过轴(6)与所述风力涡轮(2)相连；

-用于传输电能的内部网络(70)；和

-电力变流站(71)，其向上游连接至所述内部网络70；

所述风力发电站的特征在于在所述内部网络(70)上传输直流电能，对于各个风力发电机(1)，具有模块变流器(30)，其包括控制装置(36)和多个模块(31)，被设计成在所述模块的输入端(31.1)接收交流电并在相应的输出端(31.2a)、(31.2b)产生将在所述风力发电站内分配的直流电，并且所述控制装置(36)从所述模块(31)接收信号并作用于发电机(3)。

11、如权利要求10所述的发电站，其中所述电力变流站(71)的下游直接电连接至变压器装置(73)，所述变压器装置被设计为提升到达其输入端的电压。

12、如权利要求10所述的发电站，其中所述模块变流器(30)的各个模块(31)都具有连至其输出端(31.2a)、(31.2b)的电容装置(33)。

13、如权利要求10所述的发电站，其中所述模块(31)能够被配置为相对于彼此任意组合地串联或并联，其中所述模块(31)的所述输入端(31.1)电连接至所述变流器(30)的输入端。

14、如权利要求10所述的发电站，其中所述模块(31)在其内部具有多个绝缘栅双极晶体管(41.1-41.6)，其具有栅极端(45)、集电极端(43)和发射极端(44)。

15、如权利要求14所述的发电站，其中耦接到各个双极晶体管(41.1-41.6)的是相应的整流二极管(42.1-42.6)，其连接在相应的双极晶体管(41.1-41.6)的集电极端(43)和发射极端(44)之间。

16、如权利要求14所述的发电站，其中所述双极晶体管(41.1-41.6)被成对(46.1-46.3)配置，每对(46.1-46.3)都具有两个双极晶体管，分别为(41.1)和(41.2)、(41.3)和(41.4)、(41.5)和(41.6)，其中形成所述一对的两个双极晶体管中的一个的集电极端(43)连接至形成所述一对的另一个双极晶体管的发射极端(44)以及所述发电机(3)的其中一相，从而使得对于每一对(46)都连接到所述发电机(3)的不同相。

17、如权利要求16所述的发电站，其中具有连至所述发电机(3)的一相的集电极端(43)的所有双极晶体管(41.1-41.6)都具有连至所述模块(31)的输出端(31.2b)的相应的发射极端(44)，而且，具有连至所述发电机(3)的一相的相应的发射极端(44)的所有双极晶体管(41.1-41.6)分别具有连至所述模块(31)的输出端(31.2a)的相应的发射极端(43)。

18、如权利要求1所述的发电站，其中各模块(31)包括各自的第二控制器(50)，其设计成与所述控制器(36)交互，并通过作用于每个单独的晶体管(41.1-41.6)的栅极端(45)来保持模块(31)的直流输出电压相对于彼此平衡。

19、如权利要求1所述的发电站，其中所述发电机(3)是三相或具有更多相类型的同步发电机。