CN101710717A - 用于满标度变换器系统的低压谐波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机设备，其包含可操作地连接至AC/AC变换器的发电机，AC/AC变换器适用于从发电机接收可变频率AC电力，并适用于产生频率基本固定的AC电力。风力涡轮机设备进一步包含谐波滤波器系统以及电网变压器，电网变压器包含可操作地连接至AC/AC变换器的一次绕组以及适用于可操作地连接至相关联的、频率基本固定的AC供电电网的二次绕组。电网变压器进一步包含可操作地连接至谐波滤波器以抑制例如由AC/AC变换器所产生的所选择谐波的有害谐波的三次绕组。选择一次和三次绕组间的匝数比，使得三次绕组的电压低于相关联的AC供电电网的标称电压等级。

Description

用于满标度变换器系统的低压谐波滤波器

技术领域

本发明涉及一种抑制满标度(full-scale)变换器系统中的谐波的配置。根据本发明的配置涉及例如调谐LC滤波器或有源滤波器等的滤波器到电网变压器(grid transformer)的三次绕组的连接。

背景技术

US 3,711,760涉及一种经由整流器系统向DC负载提供AC功率的电源系统。

在US 3,711,760所提出的电源系统中，三相AC电源向两台各自具有一次、二次和三次绕组的六相变压器提供AC功率。一次绕组直接连接至AC电源。二次绕组可操作地连接至为DC负载提供DC功率的十二相整流器。两台六相变压器中每一台的绕组被配置为使得五、七、十七和十九次谐波互相抵消。

三次绕组连接至谐波滤波器，使得十一、十三、二十三和二十五次谐波被所述谐波滤波器抑制。

US 3,711,760的电源系统意在向DC负载提供大量DC功率。

在风能领域中，大量AC功率从个体风力涡轮机或风力涡轮发电厂输送至AC配电网。由于风力涡轮机经常以可变速度运行，所产生的电力的频率根据可变频率而改变。由于该原因，采用具有中间电路的AC/AC变换器来将所要注入AC配电网的AC功率的频率保持在由特定电网的电网规程(grid codes)所设定的范围内。

风力涡轮机系统的AC/AC变换器产生有害的电压或电流谐波。应当防止这些有害的电压或电流谐波到达可操作地连接至风力涡轮机系统的供电电网中。由于通常在AC/AC变换器和相关联的供电电网之间需要升压变压器，利用变压器电抗是有利的。参照图1，将升压变压器用作相电抗并在升压变压器的高压侧应用调谐LC支路是公知的。这样就不再需要使用分立的相电抗，但是具有两个缺点：(i)必须在AC/AC变换器和升压变压器之间插入dv/dt滤波器(其体积较小)，以及(ii)LC支路连接在高压等级。

本发明的实施例的目的可看成是提供一种用于在风力系统中抑制谐波的简单方案。

本发明的实施例的进一步的目的可看成是提供一种在低压等级执行谐波抑制的方案。

发明内容

在第一实施形态中，通过提供一种风力涡轮机设备实现上述目的，该风力涡轮机设备包含：

-发电机，其适用于将机械能转换为AC电力形式的电能，

-AC/AC变换器，其适用于从发电机接收可变频率的AC电力，并适用于产生频率基本固定的AC电力，

-谐波滤波器系统，以及

电网变压器，其包含可操作地连接至AC/AC变换器以便从之接收频率基本固定的AC电力的一个或多个一次绕组，电网变压器进一步包含适用于可操作地连接至相关联的、频率基本固定的AC电力供电电网的一个或多个二次绕组，且

其中，电网变压器进一步包含一个或多个三次绕组，所述一个或多个三次绕组可操作地连接至谐波滤波器系统，以便抑制有害谐波，例如由AC/AC变换器所产生的被选择的谐波，且其中，一次绕组和三次绕组之间的匝数比以这样的方式选择：使得三次绕组的电压低于相关联的AC供电电网电压的标称电压等级。

应当注意，术语“风力涡轮机设备”应作广义的理解。这样，术语“风力涡轮机设备”覆盖了单台风力涡轮机或构成风力涡轮机场的一组风力涡轮机。

同样地，术语“有害谐波”应作广义的理解。因此，术语“有害谐波”覆盖了在风力涡轮机设备和相关联的、频率基本固定的AC供电电网之间流动的电流和/或电压的任何畸变。

由下文的描述将会明了，对于风力涡轮机设备的每一相，谐波滤波器系统可包含一个谐波滤波器或多个谐波滤波器。例如，可对于每一相应用一个有源滤波器。作为替代或者与之结合地，可对于每一相应用多个无源滤波器，每个所述无源滤波器优选被配置为抑制所选择的谐波。标称电压等级意味着期望AC供电电网以之运行的希望的电压等级。典型地，AC供电电网电压的标称电压等级在10kV与36kV之间。

优选地，发电机、AC/AC变换器、谐波滤波器系统和电网变压器均被配置为以三相配置运行。发电机可输送电压等级在0.4-6kV范围内的三相AC输出电力电压。另外，发电机能够产生和输送宽广功率范围内的AC电力，即从几kW到几MW。

发电机可以是采用外部励磁的同步发电机，或者，作为替代的是采用永磁体进行励磁的同步发电机。也可以采用感应发电机。根据本发明的风力涡轮机设备优选为所谓的满标度设备。这隐含意味着发电机所发出的全部电力均通过AC/AC变换器和电网变压器。

电网变压器可被配置为通过采用适合的绕组结构来抑制所选择的谐波。这样，通过采用电网变压器的一次和/或二次绕组的例如星形、Y形和三角形结构的适当组合可实现对谐波的抑制。

一个或多个三次绕组的电压可以在400-1000V的范围内，例如在大大小于二次绕组标称电压等级(10-36kV)的600-990V范围内。通过使谐波滤波器系统运行在相对较低的电压等级，其制造成本相应减少，这是因为谐波滤波器系统能仅采用无源元件来实现。此外，与谐波滤波器系统运行在高得多的电压等级时的配置相比，滤波器的尺寸也可减小。

当将风力涡轮机设备连接至供电电网时，在风力涡轮机设备的谐波滤波器系统和供电电网之间存在以谐波或其他谐振的形式的相互作用的风险。在以固定开关频率运行的基于PWM的AC/AC变换器中，使用调谐LC支路而不是开路C支路(open C-branches)来抑制PWM频率处或PWM频率附近的谐波是有利的。调谐LC支路将缩小LC支路的电容与电网之间的谐振频率的范围。与开路C支路相比，当采用调谐LC支路进行同样的谐波滤波时，相电抗(在变换器相输出上)更大。

根据本发明，可以将变压器上的一个或多个三次绕组用于LC支路，LC支路构成谐波滤波器系统。在三相系统中必须使用三绕组变压器。这同样隐含意味着，与已知的高压方案不同的是，并非全部漏电抗被置于AC/AC变换器和LC支路之间。较小的电抗意味着LC支路需要更大的电容。但是，电容C比电感L显著更小并且更为便宜。所需的电抗值取决于变压器的配置。但是，剩余的变压器电抗(从LC支路且朝向供电电网)在一定程度上减小了谐波。

如上所述，谐波滤波器系统可包含一个或多个无源电子滤波器。优选地，谐波滤波器系统包含可操作地连接至风电设备的每一相的一个或多个无源电子滤波器。这样，在三相发电机的情况下，每一相均具有例如调谐LC滤波器的一个或多个无源电子滤波器。对于每一相，调谐LC滤波器的相应的输入末端可操作地连接至电网变压器的相关三次绕组。滤波器的其他末端互连，从而形成星形连接。

优选地，每个无源电子滤波器被实现为带通滤波器，该带通滤波器包含与电感串联连接的电容和并联耦合的电阻。可以将每个无源滤波器调谐为抑制所选择的谐波，优选为由AC/AC变换器所产生的谐波。这些谐波例如是具有AC/AC变换器所采用开关频率的谐波。每个无源电子滤波器可配置为抑制所选择的谐波，例如十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波。

由于无源滤波器为调谐滤波器，其将对窄频带中的频率进行抑制。可有利地采用多个调谐滤波器，以便抑制包括开关频率处或开关频率附近的谐波在内的多种谐波。

根据本发明的风力涡轮机设备可进一步包含可操作地连接至AC/AC变换器和电网变压器的所述一个或多个一次绕组的dv/dt滤波器。可有利地在来自AC/AC变换器的每一相中使用dv/dt滤波器，以便保护变压器的绕组。

作为无源滤波器的替换方式，谐波滤波器系统可以采用有源滤波器来实现。有源滤波器可以工作在显著高于AC/AC变换器的开关频率。通过这种方式可以控制有源滤波器来抑制升压变压器的给定配置所未抑制的谐波。举例来说，有源滤波器可适用于、但不限于抑制例如十一、十三、二十三和二十五次谐波的谐波。有源滤波器的开关频率设定了所能抑制的谐波的上限。视情况可选的是，有源滤波器可用于抑制来自风力涡轮机设备的不平衡电压。这些不平衡电压可能源自风力涡轮机设备的相应相之间的微小制造偏差。

AC/AC变换器优选为包含将整流器和逆变器隔开的DC中间电路。这样，AC/AC变换器可以作为频率变换器工作，其中，AC/AC变换器所供给的AC电力的频率与发电机所提供的频率无关。可提供可操作地连接至AC/AC变换器的DC中间电路的共模滤波器。

典型地，风力涡轮机设备包含专门用于发电的元件和具有附属性质的元件，后者被称作辅助元件。视情况可选的是，辅助元件可由三次绕组供电。

在第二实施形态中，本发明涉及一种用于抑制多相风力涡轮机设备中的有害电气谐波的配置，该配置对于每一相包含：

-电网变压器，其包含一次绕组、二次绕组和三次绕组，其中，一次和三次绕组间的匝数比以这样的方式选择：使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，以及

-谐波滤波器系统，其适用于抑制由风力涡轮机设备的相关联的AC/AC变换器所产生的至少一种所选择的谐波。

一般而言，根据本发明第二实施形态的配置可以遵循联系本发明第一形态所提供的设计路线来实施。

这样，电网变压器优选为被配置为以三相配置运行。此外，谐波滤波器系统可操作地连接至电网变压器的每个三次绕组。

对于每一相，谐波滤波器系统可包含一个或多个无源电子滤波器。每个所述无源电子滤波器可包含调谐LC滤波器，其中，每个所述调谐LC包含带通滤波器。

或者，对于每一相，谐波滤波器系统可包含一个或多个有源电子滤波器。每个有源滤波器可被配置为抑制例如十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波的多种谐波。

该配置可进一步包含可操作地连接至相关联的AC/AC变换器和电网变压器的一个或多个一次绕组的dv/dt滤波器。相关联的AC/AC变换器可以如联系本发明第一实施形态所讨论的那样实现。

优选地，所述一个或多个三次绕组的电压处于400-1000V的范围内，例如在600-900V的范围内。

在第三实施形态中，本发明涉及一种抑制风力涡轮机设备中的有害电气谐波的方法，该方法包含以下步骤：

-提供包含一个或多个一次绕组、一个或多个二次绕组以及一个或多个三次绕组的电网变压器，其中，一次和三次绕组之间的匝数比以这样的方式选择：使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，以及

-提供有源滤波器系统，其可操作地连接至电网变压器的所述一个或多个三次绕组中的至少一个，以便抑制有害谐波，例如由风力涡轮机设备的相关联的AC/AC变换器产生的所选择的谐波。

由于多数风力涡轮机设备发出三相AC电力，电网变压器和有源滤波器系统应当能够以三相配置运行。但是，根据本发明第三实施形态的方法并不限于三相系统，且因此可用于单相以及其他多相配置。

有源滤波器系统可以以显著高于相关联AC/AC变换器的开关频率的开关频率运行。这样，可以控制有源滤波器系统以抑制未被电网变压器的所选配置抑制的谐波。有源滤波器系统可适用于、但不限于抑制例如十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波的谐波。然而，应当注意，有源滤波器系统的开关频率设置了可抑制谐波的次数的上限。

将有源滤波器用在三次绕组上的优点在于，由于滤波器上的较低的电压，滤波器可以以较高的开关频率工作。

在第四实施形态中，本发明涉及一种抑制风力涡轮机设备中的有害电气谐波的方法，该方法包含以下步骤：

-提供包含一个或多个一次绕组、一个或多个二次绕组以及一个或多个三次绕组的电网变压器，其中，一次绕组和三次绕组之间的匝数比以这样的方式选择：使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，以及

-提供谐波滤波器系统，该谐波滤波器系统可操作地连接至电网变压器的一个或多个三次绕组中的至少一个，以便抑制有害谐波，例如由风力涡轮机设备的相关联AC/AC变换器产生的所选择的谐波。

再一次地，由于多数风力涡轮机设备发出三相AC电力，电网变压器和谐波滤波器系统应当能够以三相配置运行。但是，根据本发明第三实施形态的方法并不限于三相系统，且因此可用于单相和其他多相配置中。

谐波滤波器系统可以如同联系本发明第一和第二实施形态所讨论的那样实施，即，实施为无源或有源滤波器。这样，谐波滤波器系统可以被配置为、但不限于抑制十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波。

在第五实施形态中，本发明涉及一种抑制多相风力涡轮机设备中的有害电气谐波的方法，该方法包含以下步骤：

-提供电网变压器，所述电网变压器对于每一相包含：

-一次绕组、二次绕组、和三次绕组，其中，一次和三次绕组间的匝数比以这样的方式选择：使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，

以及

-对于每一相，提供一个或多个谐波滤波器，每一个谐波滤波器适用于抑制至少一中所选择的谐波，所述所选择的谐波由风力涡轮机设备的AC/AC变换器产生。

优选为，包含电网变压器的风力涡轮机设备产生三相AC电力。但是，根据本发明第五实施形态的方法并不限于三相系统，且因此可用于其他多相配置。

谐波滤波器可以如同联系本发明第一和第二实施形态所讨论的那样实施，即，实施为无源或有源滤波器。这样，谐波滤波器可以被配置为、但不限于抑制十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波。

附图说明

现在参考附图对本发明进行更详细的说明，其中：

图1所示为现有技术的供电系统，其具有连接至升压变压器的高压侧的谐波滤波器；

图2所示为风力供电系统，以及

图3所示为可操作地连接至电网变压器的低压三次绕组的谐波滤波器。

尽管可以对本发明进行多种修改和替换，但在此通过图中示例示出了特定的实施方式并将对该特定的实施方式进行详细地描述。然而，应当理解，本发明并不意在受限于所公开的特殊形式。相反地，本发明覆盖了由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效和替换方式。

具体实施方式

图1示出了采用现有技术的解决方案来抑制谐波的满标度电力系统。如图1中所示，三相供电线路101向可操作地连接至电网变压器103的满标度AC/AC变换器102提供AC功率，电网变压器103典型地为升压变压器。无源调谐谐波滤波器104连接至电力线107。此外，还提供有dv/dt滤波器105和共模滤波器106。电力线107典型地提供10-36kV范围内的电压。图1所示现有技术的系统的缺点是，谐波滤波器104的大小必须做成可在该相对较高的电压等级运行。

图2描述了满标度风力发电系统。如图2中所示，该系统包含发电机201、满标度AC/AC变换器202、电网变压器203和对风力发电系统与相关联的电网205进行互联的一组端子204。发电机201被配置为以可变速度运行，由于该原因，满标度AC/AC变换器202作为包含由DC中间电路208分开的整流器206和逆变器207的频率变换器运行。整流器206和逆变器207可包含传统的桥式整流器/逆变器结构。

在图2所描述的满标度系统中，发电机201产生的全部电力通过满标度变换器202。供给整流器206的AC电力的频率随着发电机201的转子(未示出)转速而变化。但是，输送给相关联的电网205的AC电力的频率必须与相关联的电网的频率基本匹配。这通过选择逆变器207的恰当的开关频率以使得逆变器207的电压输出的基波频率与供电电网205的标称频率相匹配而实现。

发电机201可以是采用外部励磁的同步发电机，或者，作为替代地为采用永磁体进行励磁的同步发电机。或者，也可以采用感应发电机。

图3示出了本发明的一个实施方式。如图3中所示，三相电力线301对AC/AC变换器302进行馈送，AC/AC变换器包含整流器303、DC中间电路304和逆变器305。逆变器305经由视情况可选的dv/dt滤波器配置306可操作地连接至电网变压器308的三个一次绕组310。共模滤波器配置307插在三相313和DC中间电路304之间。

电网变压器308的一次绕组310以星形连接方式连接。电网变压器308进一步包含以三角形连接方式连接的三个二次绕组309。此外，还提供了以星形连接方式连接的三个三次绕组311。

电网变压器308的一次侧的电压等级典型地在0.4-6kV范围内，而电网变压器的二次侧的电压等级可典型地为10-36kV。每个三次绕组的电压等级典型低于1kV。

电网变压器可以配置为抑制所选择的谐波。例如，如果将电网变压器配置为星形/三角形结构，则满足公式6n±1的谐波被抑制，其中，n为正整数。其他变压器配置消除其他次谐波。

三个三次绕组311中的每一个连接至一个或多个调谐LC滤波器312，以便抑制所选择的谐波，即没有由电网变压器自身抑制的谐波。由调谐LC滤波器312抑制的谐波中的大多数是由逆变器305产生的开关谐波。当AC/AC变换器304的逆变器305以例如5kHz的频率切换，且电网频率为50Hz时，将在4950Hz和5050Hz处产生谐波。为了抑制这些谐波，每一相需要至少两个调谐LC滤波器。其中一个滤波器调谐为抑制4950Hz的谐波，而另一个滤波器调谐为抑制5050Hz的谐波。这样，优选对每相中所要抑制的各种谐波提供调谐LC滤波器。

优选为，对于所有相的滤波器构成是相同的。这样，如果一相设有分别用来抑制4950Hz和5050Hz谐波的第一和第二调谐LC滤波器，其余相则优选为设有相同的滤波器。

如上所述，用以抑制谐波的滤波器可被实现为有源滤波器。优选为，有源滤波器以显著高于AC/AC变换器开关频率的开关频率运行。可以将有源滤波器配置为抑制谐波，例如十一、十三或满足公式6n±1的其他次谐波，其中，n为正整数。有源滤波器可被实施为电压源变换器。

Claims (18)

1.一种风力涡轮机设备，包含：

-适用于将机械能转换为AC电力形式的电能的发电机，

-适用于从发电机接收可变频率的AC电力并适用于产生频率基本固定的AC电力的AC/AC变换器，

-谐波滤波器系统，以及

-电网变压器，其包含可操作地连接至AC/AC变换器以便从之接收频率基本固定的AC电力的一个或多个一次绕组，电网变压器进一步包含适用于可操作地连接至相关联的、频率基本固定的AC供电电网的一个或多个二次绕组，且

其中，电网变压器进一步包含一个或多个三次绕组，所述一个或多个三次绕组可操作地连接至谐波滤波器系统，以便抑制有害谐波，例如由AC/AC变换器产生的所选择的谐波，且其中，一次绕组和三次绕组之间的匝数比被选择为使得三次绕组的电压低于相关联的AC供电电网电压的标称电压等级。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机设备，其中，发电机、AC/AC变换器、谐波滤波器系统和电网变压器被配置为以三相配置运行。

3.根据权利要求1所述的风力涡轮机设备，其中，所述一个或多个三次绕组的电压在400-1000V范围内。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机设备，其中，所述一个或多个三次绕组的电压在600-990V范围内。

5.根据权利要求1所述的风力涡轮机设备，其中，所述谐波滤波器系统包含一个或多个无源电子滤波器。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机设备，其中，所述无源电子滤波器中的每一个包含调谐LC滤波器，其中，所述调谐LC滤波器中的每一个包含带通滤波器。

7.根据权利要求1所述的风力涡轮机设备，其中，谐波滤波器系统包含一个或多个有源电子滤波器。

8.根据权利要求1所述的风力涡轮机设备，其中，谐波滤波器系统被配置为抑制多种谐波。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机设备，其中，谐波滤波器系统被配置为抑制十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波。

10.一种用于抑制多相风力涡轮机设备中的有害电气谐波的布置，该布置对于每一相包含：

-包含一次绕组、二次绕组和三次绕组的电网变压器，其中，一次和三次绕组间的匝数比被选择为使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，以及

-谐波滤波器系统，其适用于抑制由风力涡轮机设备的相关联的AC/AC变换器产生的至少一种所选择的谐波。

11.根据权利要求10所述的布置，其中，电网变压器被配置为以三相配置运行，谐波滤波器系统可操作地连接至电网变压器的各个三次绕组。

12.根据权利要求10所述的布置，其中，所述一个或多个三次绕组的电压在400-1000V范围内。

13.根据权利要求12所述的布置，其中，所述一个或多个三次绕组的电压在600-990V范围内。

14.根据权利要求10所述的布置，其中，谐波滤波器系统包含一个或多个无源电子滤波器，其中，每个无源电子滤波器包含含有带通滤波器的调谐LC滤波器。

15.根据权利要求10所述的布置，其中，谐波滤波器系统包含一个或多个有源电子滤波器，谐波滤波器系统被配置为抑制多种谐波。

16.根据权利要求15所述的布置，其中，谐波滤波器系统包含一个或多个有源电子滤波器，谐波滤波器系统被配置为抑制十一、十三、十七、十九、二十三和二十五次谐波。

17.一种抑制风力涡轮机设备中的有害电气谐波的方法，该方法包含以下步骤：

-提供包含一个或多个一次绕组、一个或多个二次绕组和一个或多个三次绕组的电网变压器，其中，一次和三次绕组之间的匝数比被选择为使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，以及

-提供谐波滤波器系统，该谐波滤波器系统可操作地连接至电网变压器的所述一个或多个三次绕组中的至少一个，以便抑制有害谐波，例如由风力涡轮机设备的相关联的AC/AC变换器产生的所选择的谐波。

18.一种抑制多相风力涡轮机设备中的有害电气谐波的方法，该方法包含以下步骤：

-提供电网变压器，所述电网变压器对于每一相包含：

-一次绕组、二次绕组和三次绕组，其中，一次和三次绕组间的匝数比被选择为使得三次绕组的电压低于二次绕组的标称电压等级，

以及

-为每一相提供一个或多个谐波滤波器，每个谐波滤波器适用于抑制由风力涡轮机设备的AC/AC变换器产生的至少一种所选择的谐波。

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