CN102142691B - 用于与能量转换器一起使用的电路 - Google Patents

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Abstract

在实施例中，电路包括：串联连接到第一放电电阻器的第一开关，该第一开关和第一放电电阻器连接到正DC总线；串联连接到第二放电电阻器的第二开关，该第二开关和第二放电电阻器连接到负DC总线；以及用于存储正和负DC电压的电容器组，该电容器组包括与该第一开关和第一放电电阻器并联的第一电容器，和与该第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，其中该第一开关独立于第二开关操作以将正DC电压通过第一放电电阻器放电并且该第二开关独立于第一开关操作以将负DC电压通过第二放电电阻器放电。

Description

用于与能量转换器一起使用的电路
相关申请的交叉引用
本申请涉及2009年8月31日提交的名为“能量转换器的线路侧消弧电路”的共同受让的US专利申请序列号12/550,585(GE文案号237929)。
技术领域
本文公开的主旨大体上涉及可再生能量，并且更具体地涉及用于与能量转换器(与基于可再生能量的电力单元一起使用)一起使用的电路。
背景技术
风力涡轮机是与传统形式的发电竞争的一种类型的基于可再生能量的电力单元。因此，风力涡轮机依靠成本有效、可靠以及安全的部件以捕捉风能并且将它转换成适合于传输数英里远的电能。运行中，风能涡轮机具有由风转动的多个连接到转子轴的转动叶片。叶片由风的转动使该转子轴旋转以产生驱动一个或多个发电机的转矩或力以将机械能转换成电能。由发电机产生的电能借助于变压器通过塔向下分配到公用电网。
一般，在典型的风力发电应用中，中压用于从风力涡轮机收集电力。能量转换器在发电机侧或线路侧或两者上使用。3电平桥(3-levelbridge)典型地在中压系统中用作功率转换器。该3电平桥转换器的产品要求是正直流(DC)总线电压和负DC总线电压仍然相同，使得中性DC总线平衡。此外，该正DC总线电压和负DC总线电压必须限制于最大工作电压。如果发生电网故障，中性DC总线的控制可以暂时被限制。并且，在电网故障期间，或在电网故障后的恢复期间，DC总线电压可过冲和超过最大峰值工作电压。另外，如果发生电网故障，净能量可能流入正到负DC总线，这必须被耗散。
发明内容
公开了通过电路在电网故障期间耗散可再生能量并且控制DC总线电压的技术方案。在一个实施例中，该电路包括：串联连接到第一放电电阻器的第一开关，该第一开关和第一放电电阻器连接到正DC总线；串联连接到第二放电电阻器的第二开关，该第二开关和第二放电电阻器连接到负DC总线；以及用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，该电容器组包括与该第一开关和第一放电电阻器并联的第一电容器，和与该第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，其中该第一开关独立于第二开关操作以将正DC电压通过第一放电电阻器放电并且该第二开关独立于第一开关操作以将负DC电压通过第二放电电阻器放电。
本发明的第一方面提供电路，其包括：串联连接到第一放电电阻器的第一开关，该第一开关和第一放电电阻器连接到正DC总线；串联连接到第二放电电阻器的第二开关，该第二开关和第二放电电阻器连接到负DC总线；以及用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，该电容器组包括与该第一开关和第一放电电阻器并联的第一电容器，和与该第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，其中该第一开关独立于第二开关操作以将正DC电压通过第一放电电阻器放电并且该第二开关独立于第一开关操作以将负DC电压通过第二放电电阻器放电。
本发明的第二方面提供电力单元，其包括：至少一个能量转换器；配置成将电能从该至少一个能量转换器传递到电网的变压器；以及耦合于该至少一个能量转换器的电路，该电路包括：串联连接到第一放电电阻器的第一开关，该第一开关和第一放电电阻器连接到正DC总线；串联连接到第二放电电阻器的第二开关，该第二开关和第二放电电阻器连接到负DC总线；以及用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，该电容器组包括与该第一开关和第一放电电阻器并联的第一电容器，和与该第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，其中该第一开关独立于第二开关操作以将正DC电压通过第一放电电阻器放电并且该第二开关独立于第一开关操作以将负DC电压通过第二放电电阻器放电。
本发明的第三方面提供风电单元(windpowerunit)，其包括：至少一个包括发电机的风力涡轮机；至少一个耦合于该至少一个风力涡轮机的发电机的能量转换器；配置成将电能从该至少一个能量转换器传递到电网的变压器；以及耦合于该至少一个能量转换器的电路，该电路包括：串联连接到第一放电电阻器的第一开关，该第一开关和第一放电电阻器连接到正DC总线；串联连接到第二放电电阻器的第二开关，该第二开关和第二放电电阻器连接到负DC总线；以及用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，该电容器组包括与该第一开关和第一放电电阻器并联的第一电容器，和与该第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，其中该第一开关独立于第二开关操作以将正DC电压通过第一放电电阻器放电并且该第二开关独立于第一开关操作以将负DC电压通过第二放电电阻器放电。
附图说明
本发明的这些和其他特征将通过下列与描绘本发明的各种实施例的附图结合来看的本发明的各种方面的详细说明更加容易理解，其中：
图1示出根据本发明的实施例的电路图。
图2示出根据本发明的实施例的电路图。
图3示出根据本发明的实施例的能量转换器的电路图。
图4示出根据本发明的实施例的风电单元的示意图。
注意本发明的图是不按比例的。图意在仅描绘本发明的典型方面，并且因此不应该认为限制本发明的范围。在图中，相似的编号代表图之间相似的元件。
具体实施方式
如上指出的，本发明的方面提供以用于在电网故障期间耗散可再生能量并且控制DC总线电压。尽管本文描述的本发明的各种实施例针对与风力涡轮机一起使用电路，本发明的实施例具有比与风电单元一起的更宽的使用应用。特别地，本发明的实施例适合于例如基于可再生能量的电力单元等任何发电单元。可适合与本发明一起使用的基于可再生能量的电力单元的说明性但非穷举列表可包括太阳能、蓄电池能量存储系统、水、地热等。本领域内技术人员将能够应用本发明的各种实施例的原理于与这些基于可再生能量的电力单元中的每个一起使用的能量转换器和用于分配该能量到电网的变压器。
参考附图，图1是根据本发明的实施例的电路图。电路100示出包括串联连接到第一放电电阻器130的第一开关120和串联连接到第二放电电阻器132的第二开关122。第一开关120和第一放电电阻器130连接到正DC总线170。第二开关122和第二放电电阻器132连接到负DC总线180。电路100还包括用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组140。电容器组140包括与第一开关120和第一放电电阻器130并联的第一电容器142(包括正DC电压)。电容器组140还包括与第二开关122和第二放电电阻器132并联的第二电容器144(包括负DC电压)。示为开关、放电电阻器和电容器的元件可以由并联或串联操作的较小装置构成，它们用以执行具有比个体部件更高的额定电压和/或电流的单个较大开关、放电电阻器或电容器的净功能。
第一开关120和第二开关122示为绝缘栅双极晶体管(IGBT)。然而，本领域内技术人员将认识到任何现在已知的或后来开发的开关装置可代替IGBT使用。例如，第一开关120和第二开关122还可包括门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、电子注入增强门极晶体管(IEGT)、双极晶体管、MOSFET、mos可控晶闸管(MCT)和可能的强迫换向可控硅整流器(SCR)。
电路100可包括至少一个感测单元，例如感测单元150和感测单元152等，其配置成分别测量第一电容器142两端和第二电容器144两端的电压。在电路100工作期间，如果感测单元150感测到第一电容器142两端的过电压，第一开关120独立于第二开关122操作以将正DC电压放电。相反地，如果感测单元152感测到第二电容器144两端存在过电压，第二开关122独立于第一开关120操作以将负DC电压放电。此外，如果两个感测单元150、152感测到第一电容器142两端和第二电容器144两端存在过电压，第一开关120和第二开关122可独立地并且同时操作以将正DC电压和负DC电压放电。备选地，如果感测单元150、152感测到正DC总线电压和负DC总线电压之间的不平衡，与电容器142、144两端的最高电压关联的开关120、122接通以将正DC电压或负DC电压放电。并且，在不平衡的情况下，两个开关120、122可都同时接通以将正DC电压和负DC电压放电；然而，与最高电压关联的开关120、122接通持续较长时间段以将正DC电压和负DC电压平衡。
现在参照图2，示出电路200的备选实施例。电路200可包括(除上文关于图1公开的那些特征外)连接到正DC总线270和负DC总线280的多个附加开关和多个附加放电电阻器。这可允许有耗散更多功率或更平滑地控制耗散功率的能力。例如，如在图2中示出的，电路200包括串联连接到第三放电电阻器234的第三开关224。第三开关224和第三放电电阻器234连接到正DC总线270并且与第一开关220和第一放电电阻器230并联。电路200还包括第四开关226和第四放电电阻器236。第四开关226和第四放电电阻器236连接到负DC总线280并且与第二开关222和第二放电电阻器232并联。尽管图2仅图示电路200包括具有第三放电电阻器234的第三开关224和具有第四放电电阻器236的第四开关226，电路200可包括独立操作的多个附加开关和多个附加放电电阻器。
现在参照图1，电路100可包括多个二极管160、162、164、166。备选地，参照图2，电路200可进一步包括多个二极管268、272、274和276。在任何实施例中，该多个二极管可通常被包括在作为商业上可用的电力装置的一部分的封装件中或当开关关断时控制电力电路的任何寄生效应。该多个二极管160、162、164、166、268、272、274和276可并联连接到放电电阻器230、232、234和236并且并联连接到开关220、222、224和226。然而，备选实施例可仅包括并联连接到放电电阻器230、232、234和236的多个二极管160、164、268和274。
现在参照图3，示出根据本发明的实施例的用于与电路100、200(图1和2)一起使用的能量转换器300的电路图。如示出的，能量转换器300是3电平转换器桥，其包括三串四个IGBT，其中每个IGBT与二极管并联。3电平转换器桥300连接到正DC总线170、270、中性DC总线175、275和负DC总线180、280。能量转换器300的正DC总线170、270、中性DC总线175、275和负DC总线180、280与电路100、200的正DC总线170、270、中性DC总线175、275和负DC总线180、280相同。能量转换器300包括输入端310以连接到发电机50(图4)或变压器400(图4)。
现在论述其中过电压可能发生的情况的示例。一个示例是在电网故障期间能量可仍然继续由发电机产生，但将不会流到电网。在该情况下，该能量通过第一放电电阻器130和第二放电电阻器132耗散。另一个示例是在电网故障期间或在电网故障后恢复期间，DC总线电压可能激增。第一放电电阻器130和/或第二放电电阻器132可被接通以控制电压直到获得正常电网控制。电网故障还可引起正DC电压和负DC电压变得不平衡。然而，对于适当操作，3电平桥转换器要求这两个电压仍然平衡。第一放电电阻器130或第二放电电阻器132可被接通以减少正DC电压或负DC电压之间的不平衡。并且，如果在3电平转换器中的某个电力装置短路，例如内部二极管396或内部IGBT394或连接到中性DC总线175的二极管390(图3)，对于本领域内技术人员已知为“倍压器(voltagedoubler)”的过电压可能发生，其将引起第一电容器142或第二电容器144充电到大约正常工作值的两倍。第一放电电阻器130或第二放电电阻器132可被接通以控制过电压。
现在参考图4，示出根据本发明的实施例的风电单元的示意图。风电单元包括至少一个风力涡轮机10，其包括发电机50。风电单元还包括在线路侧和发电机侧上的能量转换器300，例如3电平转换器(图3)等。变压器400配置成将电能从能量转换器300传递到电网。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且不意在限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一”和“该”意在也包括复数形式，除非上下文另外明确指示。将进一步理解，术语“包括”当在本文中使用时，规定了陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其的组的存在或增加。
该书面说明使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。
部件列表
10 风力涡轮机 50 发电机
100 电路 120 第一开关
122 第二开关 130 第一放电电阻器
132 第二放电电阻器 140 电容器组
142 第一电容器 144 第二电容器
150 感测单元 152 感测单元
160 多个二极管 162 多个二极管
164 多个二极管 166 多个二极管
170 正DC总线 175 中性DC总线
180 负DC总线 200 电路
220 第一开关 222 第二开关
224 第三开关 226 第四开关
230 第一放电电阻器 232 第二放电电阻器
234 第三放电电阻器 236 第四放电电阻器
268 多个二极管 270 正DC总线
272 多个二极管 274 多个二极管
275 中性DC总线 276 多个二极管
280 负DC总线 300 能量转换器
310 输入端 394 内部IGBT
396 内部二极管 400 变压器

Claims (12)

1.一种与3电平桥转换器一起使用的电路，其包括：
串联连接到第一放电电阻器的第一开关，所述第一开关和所述第一放电电阻器串联形成的线路的一端连接到正直流(DC)总线，所述线路的另一端连接到中性DC总线；
串联连接到第二放电电阻器的第二开关，所述第二开关和所述第二放电电阻器串联形成的另一线路的一端连接到负DC总线，所述另一线路的另一端连接到所述中性DC总线；
用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，所述电容器组包括与所述第一开关和所述第一放电电阻器并联的第一电容器，和与所述第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，所述第一电容器连接至所述正DC总线和所述中性DC总线，并且所述第二电容器连接至所述负DC总线和所述中性DC总线；
第一感测单元，与所述第一电容器并联连接并且直接连接至所述正DC总线和所述中性DC总线；以及
第二感测单元，与所述第二电容器并联连接并且直接连接至所述负DC总线和所述中性DC总线，
其中所述第一感测单元和所述第二感测单元配置成分别测量跨所述第一电容器和所述第二电容器的电压并且感测过电压；并且
其中响应于跨所述第一电容器的感测的过电压，所述第一开关独立于所述第二开关操作以将正DC电压通过所述第一放电电阻器放电并且，响应于跨所述第二电容器的感测的过电压，所述第二开关独立于所述第一开关操作以将负DC电压通过所述第二放电电阻器放电，从而使所述中性DC总线平衡。
2.如权利要求1所述的电路，进一步包括多个附加开关和多个附加放电电阻器，每个附加开关串联连接到附加放电电阻器，每个附加开关和每个附加放电电阻器连接到所述正DC总线，并且与所述第一开关和所述第一放电电阻器并联。
3.如权利要求2所述的电路，进一步包括多个附加开关和多个附加放电电阻器，每个附加开关串联连接到附加放电电阻器，每个附加开关和每个附加放电电阻器连接到所述负DC总线，并且与所述第二开关和所述第二放电电阻器并联。
4.如权利要求1所述的电路，进一步包括多个二极管，其中每个二极管并联连接到每个开关和/或每个放电电阻器。
5.一种电力单元，其包括：
至少一个3电平桥转换器；
配置成将电能从所述至少一个3电平桥转换器传递到电网的变压器；以及
耦合于所述至少一个3电平桥转换器的电路，所述电路包括：
串联连接到第一放电电阻器的第一开关，所述第一开关和所述第一放电电阻器串联形成的线路的一端连接到正直流(DC)总线，所述线路的另一端连接到中性DC总线；
串联连接到第二放电电阻器的第二开关，所述第二开关和所述第二放电电阻器串联形成的另一线路的一端连接到负DC总线，所述另一线路的另一端连接到所述中性DC总线；
用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，所述电容器组包括与所述第一开关和所述第一放电电阻器并联的第一电容器，和与所述第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，所述第一电容器连接至所述正DC总线和所述中性DC总线，并且所述第二电容器连接至所述负DC总线和所述中性DC总线；
第一感测单元，与所述第一电容器并联连接并且直接连接至所述正DC总线和所述中性DC总线；以及
第二感测单元，与所述第二电容器并联连接并且直接连接至所述负DC总线和所述中性DC总线，其中所述第一感测单元和所述第二感测单元配置成分别测量跨所述第一电容器和所述第二电容器的电压，并且感测过电压；并且
其中响应于跨所述第一电容器的感测的过电压，所述第一开关独立于所述第二开关操作以将所述正DC电压通过所述第一放电电阻器放电并且，响应于跨所述第二电容器的感测的过电压，所述第二开关独立于所述第一开关操作以将所述负DC电压通过所述第二放电电阻器放电，从而使所述中性DC总线平衡。
6.如权利要求5所述的电力单元，其中所述电路进一步包括多个附加开关和多个附加放电电阻器，每个附加开关串联连接到附加放电电阻器，每个附加开关和每个附加放电电阻器连接到所述正DC总线，并且与所述第一开关和所述第一放电电阻器并联。
7.如权利要求6所述的电力单元，其中所述电路进一步包括多个附加开关和多个附加放电电阻器，每个附加开关串联连接到附加放电电阻器，每个附加开关和每个附加放电电阻器连接到所述负DC总线，并且与所述第二开关和所述第二放电电阻器并联。
8.如权利要求5所述的电力单元，其中所述电路进一步包括多个二极管，其中每个二极管并联连接到每个开关和/或每个放电电阻器。
9.一种风电单元，其包括：
至少一个包括发电机的风力涡轮机；
至少一个耦合于所述至少一个风力涡轮机的发电机的3电平桥转换器；
配置成将电能从所述至少一个3电平桥转换器传递到电网的变压器；以及
耦合于所述至少一个3电平桥转换器的电路，所述电路包括：
串联连接到第一放电电阻器的第一开关，所述第一开关和所述第一放电电阻器串联形成的线路的一端连接到正直流(DC)总线，所述线路的另一端连接到所述中性DC总线；
串联连接到第二放电电阻器的第二开关，所述第二开关和所述第二放电电阻器连接到负DC总线串联形成的另一线路的一端，所述另一线路的另一端连接到所述中性DC总线；
用于存储正DC电压和负DC电压的电容器组，所述电容器组包括与所述第一开关和所述第一放电电阻器并联的第一电容器，和与所述第二开关和第二放电电阻器并联的第二电容器，所述第一电容器连接至所述正DC总线和所述中性DC总线，并且所述第二电容器连接至所述负DC总线和所述中性DC总线；
第一感测单元，与所述第一电容器并联连接并且直接连接至所述正DC总线和所述中性DC总线；以及
第二感测单元，与所述第二电容器并联连接并且直接连接至所述负DC总线和所述中性DC总线，其中所述第一感测单元和所述第二感测单元配置成分别测量跨所述第一电容器和所述第二电容器的电压，并且感测过电压；并且
其中响应于跨所述第一电容器的感测的过电压，所述第一开关独立于所述第二开关操作以将所述正DC电压通过所述第一放电电阻器放电并且，响应于跨所述第二电容器的感测的过电压，所述第二开关独立于所述第一开关操作以将所述负DC电压通过所述第二放电电阻器放电，从而使所述中性DC总线平衡。
10.如权利要求9所述的风电单元，其中所述电路进一步包括多个附加开关和多个附加放电电阻器，每个附加开关串联连接到附加放电电阻器，每个附加开关和每个附加放电电阻器连接到所述正DC总线，并且与所述第一开关和所述第一放电电阻器并联。
11.如权利要求10所述的风电单元，其中所述电路进一步包括多个附加开关和多个附加放电电阻器，每个附加开关串联连接到附加放电电阻器，每个附加开关和每个附加放电电阻器连接到所述负DC总线，并且与所述第二开关和所述第二放电电阻器并联。
12.如权利要求9所述的风电单元，其中所述电路进一步包括多个二极管，其中每个二极管并联连接到每个开关和/或每个放电电阻器。
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