CN102237686A - 用于电力供应中谐波的减少的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明名称为“用于电力供应中谐波的减少的方法和设备”。一种适于向负载供应电力的电力供应装置，包括第一电力发电机(201)，适于提供具有第一相角的第一输出电流(301)；至少第二电力发电机(202)，适于提供具有与第一相角无关的第二相角的第二输出电流(302)；以及组合单元(206)，适于将第一输出电流(301)和第二输出电流(302)组合成相对于第一输出电流和第二输出电流具有减少的谐波的组合电流(306)。

Description

用于电力供应中谐波的减少的方法和设备
技术领域
本公开一般涉及用于向诸如电力供应网的负载供应电力的电力供应装置。具体来说，本公开涉及适于组合不同风轮机的电力发电机的电输出的设备。此外，本公开涉及用于组合不同风轮机的电力发电机的电输出的方法。
背景技术
风轮机作为环境安全的和可靠的能源具有不断增加的重要性。典型地，风轮机设置在简称为“风力田(wind farm)”的风轮机田之内。这些风力田典型地位于在其中用于运行大量风轮机的适当环境条件为主的地理区域中。
在单独风轮机中，将气流的动能转化成电能。为此，将气流能量或风能转化成能够用来驱动电力发电机的转动能。典型地，各风轮机包括基于转动能输入提供电输出的这些电力发电机。在风力田中，将单独电力发电机的输出进行组合，以便例如向电力供应网提供电能输出。
对于在预定频率和/或电压范围中的风轮机的电力发电机的电输出能量的生成和/或转化，可能出现相对于基频或电网频率(例如美国的60Hz以及欧洲的50Hz)的谐波。这些谐波可叠加到单独电力发电机的电输出电流上，并且可引起例如相对于设置在风力田之内的电力组件和电子组件的问题。典型地，具有在风力田之内和/或在将风力田连接到电力供应网的能量输出单元处允许的、谐波的可容许水平。
发明内容
鉴于以上所述，提供一种适于向负载供应电力的电力供应装置，该电力供应装置包括：第一电力发电机，适于提供具有第一相角的第一输出电流；至少第二电力发电机，适于提供具有与第一相角无关的第二相角的第二输出电流；以及组合单元，适于将第一输出电流和第二输出电流组合成相对于第一和第二输出电流具有减少的谐波的组合电流。
根据另一个方面，提供一种适于向负载供应电力的风力田，该风力田包括：具有第一电力发电机的第一风轮机，其中第一电力发电机适于提供具有第一相角的第一输出电流；具有第二电力发电机的第二风轮机，其中第二电力发电机适于提供具有与第一相角无关的第二相角的第二输出电流；以及组合单元，适于将第一输出电流和第二输出电流组合成相对于第一和第二输出电流具有减少的谐波的组合电流。
根据又一个方面，提供一种用于操作至少两个电力发电机的方法，该方法包括下列步骤：提供具有第一相角的第一输出电流，第一输出电流由第一电力发电机生成；提供具有与第一相角无关的第二相角的第二输出电流，第二输出电流由第二电力发电机生成；将第一输出电流和第二输出电流组合成相对于第一和第二输出电流具有减少的谐波的组合电流；以及向指定负载输出组合电流。
进一步的示例性实施例根据从属权利要求、说明书和附图。
附图说明
在包括附图引用的说明书剩余部分中更具体地提出了对本领域普通技术人员的全面和可实现的公开，包括了公开的最佳模式，在附图中：
图1示出用于将风能转化成电能的风轮机的侧视图；
图2示出根据典型实施例的、包括组合单元和许多电力发电机的电力供应装置的框图；
图3呈现了示出根据另一典型实施例的、包括经由输出变压器连接到组合单元的电力供应网以及多个电力发电机的电力供应装置的另一框图；
图4是根据又一典型实施例的、包括用于向电力供应网供应电力的由发电机控制单元控制的多个电力发电机的电力供应装置的框图；
图5是示出作为时间的函数的、单独电力发电机的不同输出电流以及各自组合电流的幅度图；以及
图6是示出根据又一典型实施例的、用于以单独相角来操作至少两个电力发电机的方法的流程图。
配件表
标号配件/步骤
100风轮机
101动叶片
102管状塔架
103机舱
104轮毂
105风向
106偏航角
107偏航动量
108螺旋角
200电力供应装置
201第一电力发电机
202第二电力发电机
203第三电力发电机
204第n电力发电机
205a-205n 变压器
206组合单元
206a滤波器单元
207输出变压器
208电力供应网
209发电机控制单元
300幅度图
301，301a，301b第一输出电流
302，302a，302b  第二输出电流
303第三输出电流
304第n输出电流
305输出相角
306，306a，306b  组合电流
307变换的组合电流
308电流幅度
309时间
401第一相角信号
402第二相角信号
403第三相角信号
404第n相角信号
具体实施方式
现将详细引用多种示例性实施例，在附图中示出多种示例性实施例的一个或多个示例。每个示例作为说明来提供，而不是意在限制。例如，作为一个实施例的部分所示或所述的特征能够在其它实施例使用或者与其配合使用，以便产生又一实施例。本公开意在包括此类修改和变化。
下面将说明许多实施例。在这种情况下，相同结构特征在附图中由相同附图标记来标识。附图中示出的结构没有按实际比例示出，而是仅用作对实施例的更好理解。
图1是用于将输入风105的能量转化成转动能的风轮机100的侧视图，其中转动能经由动叶片101的转动传递给电力发电机201。风轮机100包括附连到轮毂104的至少一个动叶片101，其中轮毂104可转动地附连在机舱(machine nacelle)103处。机舱103安装在塔架102的顶上，并且能够通过施加偏航动量(yaw momentum)107绕垂直轴转动。偏航角106调整成使得风轮机100的转子的轮毂104的典型垂直轴典型地与输入风105的方向一致。通过以此种方式改变偏航角106，能够调整从转动能到电能的能量转化效率。风轮机100的电力发电机201例如为电力供应网(图1中未示出)提供电输出能量。
正如风轮机100位于适当风为主的区域中，典型地，多个风轮机100设置在那个局部区域之内，即，“风力田”之内。风力田的单独风轮机100可由中央风力田管理系统来控制。由于每个风轮机100包括单独电力发电机201，因此每个风轮机100将单独电能输出提供到电力供应网中。
图2示出包括多个电力发电机201、202、203...204的电力供应装置200。这些电力发电机201-204可设置在单独风轮机100中，尽管风轮机在图2中未示出。第一电力发电机201提供低电压范围中的电输出能量并连接到将该电输出能量从低电压范围变换到高电压范围的变压器205a。以类似的方式，第二电力发电机202连接到另一个变压器205b，用于将第二电力发电机202的电输出能量类似转化到高电压范围。第三电力发电机203连接到第三变压器205c。在这里要注意，变压器可以是例如dyn 5和/或dyn 11的不同向量组配置或不同向量组的装置。
在这里要注意，能够提供n个(由附图标记204所表示的电力发电机是第n个电力发电机)电力发电机。在高电压范围中，第一输出电流301从第一电力发电机201的变压器205a得出，第二输出电流302从第二电力发电机202的变压器205b得出，第三输出电流303从第三电力发电机203的变压器205c得出等等，直到第n个输出电流304从第n个电力发电机204的变压器205n得出。输出电流301、302、303和304经由电缆传递给组合单元206，组合单元206典型地将单独输出电流相加，以便获得在组合单元206的输出处提供的组合电流306。在这里要注意，组合单元206可提供为诸如电端子的电连接。组合单元206不必须是独立电子组件。
提供组合单元206用于组合单独发电机的输出电流，以便生成组合电流306。为了执行此种组合，组合单元206可包括单独发电机输出连接到其的汇流条。组合单元则充当用于对其输入单元处的电流求和的部件。
在一个备选实施例中，组合单元206可包括适于以从变压器205a-205n输出的输出电流301-304为基础来控制组合电流306的电子组件。此类电子组件可形成适于将其输入单元处的电流相加的电流相加单元。
此外，在组合单元206中提供适于对组合电流进行滤波的滤波器部件206a。滤波器部件206a可提供为低通滤波器，其适于从组合电流306中滤去(filter out)电网频率的高次谐波。此外，滤波器部件206a可提供为陷波滤波器，其能够消除从组合单元206输出的组合电流306中包含的预定频率。对于特定应用，滤波器部件206a可设计为带通滤波器单元。在这里要注意，诸如组合单元206的滤波器部件206a的滤波器部件可提供在风力田之内的不同位置处。例如，滤波器部件可为每个风轮机单独提供，或者滤波器部件可为许多风轮机集体提供。
在这里要注意，输出电流的相角调整成使得：在组合它们时，就减少组合电流中的基波的谐波水平。此谐波水平例如可定义为与基波相关的至少一个特定谐波的幅度。
根据典型实施例，电力发电机201-204和/或连接到各自电力发电机201-204的变压器205a-205n相对于它们的电气设计-例如相对于电力发电机和/或变压器的不同绕组-彼此可以不同。
基于不同电能生成系统(电力发电机201-204和变压器205a-205n)生成的单独输出电流301-304的组合呈现不同的谐波模式。可在单独电力发电机201-204的能量转化过程期间生成谐波和/或在电压变换(例如通过变压器205a-205n从低电压范围变换成高电压范围)期间生成谐波。
由于单独能量变换系统的输出叠加，有可能至少部分地抵消谐波。此外，谐波相对于彼此将在不同相位连续出现，以使得谐波的求和可至少部分地导致其抵消。
图3是示出根据又一典型实施例的电力供应装置200的原理设置的框图。在这里要注意，没有重复上文中相对于图2已经描述的组件和步骤，以免冗余描述。
如图3中所示，提供电力发电机201、202、203...204，它们经由变压器205a-205n连接到组合单元206。如上所述，变压器205a-205n可具有不同向量组或不同向量组配置，例如dyn 5和/或dyn 11。
组合单元206组合变压器205a-205n的输出电流(即，第一输出电流301、第二输出电流302、第三输出电流303、...以及第n输出电流304)，以便产生组合电流306。由于变压器205a-205n将从电力发电机201-204输出的输出能量从低电压范围变换到高电压范围，因此提供了输出变压器207，以便将组合电流306从高电压范围变换到接收电输出能量的负载中使用的电压范围。
在图3所示的典型实施例中，电力负载提供为电力供应网208，它以中电压范围接收来自输出变压器207的变换的组合电流307。因此，变压器207将组合电流306从高电压范围变换到中电压范围。根据图3中示出的典型实施例，电力发电机201-204和/或变压器205a-205n以不同配置设计，以使得在变压器205a-205n中和/或电力发电机201-204之内生成(例如通过开关过程(switching process)生成)的谐波它们自己不累加，而是部分地遍布谱和/或时间范围。由于不同电力发电机201-204和/或不同变压器205a-205n，因此单独相角-即对于单独输出的电压与电流之间的角-相对于彼此有所不同。
根据电力供应网208的提供商的规范，可希望将电压与电流之间的相角Φ调整为零度，即，将余弦Φ(cosΦ)调整为1。根据相对于图3所述的典型实施例，第一输出电流、第二输出电流、第三输出电流和第n输出电流呈现不同相角Φ。但是，在组合电流301-304之后，组合电流306可呈现为1的余弦Φ(cosΦ)(电压与电流之间的零度相移)。
通过以电压与电流之间的不同相角Φ操作包括至少一个电力发电机和一个变压器的单独电力供应支路，生成的谐波将扩展(spread)并且部分地抵消，以使得谐波总水平减少。
图4是示出根据又一典型实施例的电力供应装置200的框图。在这里要注意，没有重复上文中相对于前面附图已经描述的组件和步骤，以免冗余描述。与图2和图3中所示的电力供应装置200相比，图4中所示的电力供应装置200还包括发电机控制单元209。
发电机控制单元209提供用于调整单独发电机的相角的控制信号，即，相角信号401-404(用于第一电力发电机201的第一相角信号401、用于第二电力发电机202的第二相角信号402、用于第三电力发电机203的第三相角信号403、和用于第n电力发电机204的第n相角信号404)。提供相角信号401-404，以便将单独电力发电机201-204处的相角-即电压与电流之间的角-调整到预定值。
为了能够执行相角调整，虽然图4中未示出，但电力发电机201-204包括相角调整单元，相角调整单元提供各自电力发电机的相角调整。这种调整可提供用于第一输出电流、第二输出电流、第三输出电流、...第n输出电流301-304的不同相角。
在这里要注意，第一电力发电机和第二电力发电机的至少一个可包括适于将相角设置成预定值的发电机控制单元。这个值可以使得在累加各自输出电流时，组合电流306中包含的谐波总水平减少。
如果仅提供两个发电机，则它们的输出电流谐波的相角可相差180度。此外，如果提供许多附加输出电流谐波，则单独输出电流谐波的相角可调整成使得它们至少部分地相互抵消。
因此，即使变压器205a-205n以及电力发电机201-204的剩余组件相似，通过发电机控制单元209的相角调整也提供谐波减少。通过以不同相角操作单独电力发电机201-204，这种谐波减少是可能的。此外，有可能将单独电力发电机201-204的单独相角调整成使得组合单元206输出的输出电流的结果相角呈现定义的功率因数。
图5是示出单独电力发电机输出的输出电流301a、302a及它们的7次谐波电流301b、302b的时间依赖性的幅度图300。根据电力发电机201-204的设计(见图2、图3和图4)和/或通过发电机控制单元209的单独电力发电机201-204的相角调整(见图4)，图5中所示的单独输出电流301、302的相角可改变成使得：在输出电流301a、302a与它们的7次谐波电流301b、302b之间可存在共同(mutual)相角差。在图5的示意图中，7次谐波电流301b、302b示为与它们的基波输出电流301a、302a同相，但情况不必须是这样，并且可改变。在这里要注意，输出电流301a、302a及它们的7次谐波电流301b、302b的电流(或电压)幅度308示为时间309的函数。相对于图5中所示的幅度图300，假定电力发电机201、202提供单独输出电流301、302。如图5所示，输出电流301a(A)、302a(B)的7次谐波电流301b(A7)和302b(B7)的相角相对于彼此偏移大约180度，使得产生于单独7次谐波电流301b(A7)和302b(B7)的组合的结果7次谐波组合电流306b(A7+B7)非常小。因此，输出电流301a(A)、301b(B)相对于彼此的小相差导致7次谐波电流301b(A7)与302b(B7)之间的大约180度的相移。因此，如果7次谐波电流301b(A7)和302b(B7)组合成组合电流306b(A7+B7)，则它们可在很大程度上相互抵消。
在这里要注意，为了便于说明，仅示出两个单独输出电流进行求和，但是可相加具有不同相位的两个以上输出电流。另外，谐波电流可分别相对于它们的单独基波电流具有相移。具有不同相移的若干输出电流的求和可分别导致相对于彼此的、甚至更好的波纹抵消和谐波减少。因此，有可能的是，组合单元可将第一输出电流和至少一个第二输出电流组合成具有减少的谐波的组合电流。
在这里要注意，以电压与电流之间的不同相角操作单独电力发电机201-204能够通过如下获得：或者选择电力发电机201-203和/或变压器205a-205n的适当组件，如图2和图3所示，以及备选地通过特定相角信号401-404来调整单独电力发电机201-204的相角。
根据又一典型实施例，可组合一方面相对于图2和图3所述以及另一方面相对于图4所述的两种相角修改方法。此外，可提供与用于谐波减少的其它方法的组合(例如，交错开关和/或电力供应装置200中的变频器的不同开关频率的使用)。
图6是示出用于操作至少两个电力发电机的方法的流程图。该方法开始于框501，并且进入框502，在框502中提供具有电压与电流之间的第一相角(cosΦ)的第一输出电流。第一输出电流由第一电力发电机生成。
然后，该过程前进到框503，在框503中提供至少一个第二输出电流。至少一个第二输出电流具有相对于第一输出电流的相角-例如第一相角-不同的相角。第二输出电流由上文中相对于图2、图3和图4所述的电力供应装置200之内的第二电力发电机生成。
在已经提供第一输出电流和第二输出电流之后，该过程前进到框504，在框504中第一输出电流和第二输出电流通过组合单元组合成组合电流。然后，该过程前进到框505，在框505中第一输出电流和第二输出电流输出为组合电流。在框505处输出组合电流之后，该过程在框506处结束。
根据上述图2、图3和图4的电力供应装置200可被利用在包括多个图1所示风轮机100的大风力田中。多个风轮机100的每个可包括一个电力发电机，以便将输入风105提供的转动能转化成电能。
根据典型实施例，风轮机的单独电力发电机以不同方式来设计，使得提供风轮机100的单独发电机的电压与电流之间的不同相角。如果图4中所示的电力供应装置200被利用在风力田中以使得单独电力发电机201、202、203和204作为设置在单独风轮机100之内的发电机，则发电机控制单元209可提供为风力田管理系统(WFMS)。则这个风力田管理系统209能够分别调整每个风轮机和每个电力发电机的单独相角。
本书面描述使用示例公开了包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能够实践描述的主题，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。虽然前面已经公开多种具体实施例，但是本领域技术人员将认可，权利要求书的精神和范围允许同样有效的修改。特别是上述实施例的非互斥特征可相互组合。可专利范围由权利要求来定义，并且可包括此类修改和本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的文字语言相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种适于向负载供应电力的电力供应装置，包括：
第一电力发电机(201)，适于提供具有第一相角的第一输出电流(301)；
至少第二电力发电机(202)，适于提供具有与所述第一相角无关的第二相角的第二输出电流(302)；以及
组合单元(206)，适于将所述第一输出电流(301)和所述第二输出电流(302)组合成相对于所述第一输出电流和所述第二输出电流具有减少的谐波的组合电流(306)。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一电力发电机(201)连接到第一变压器(205a-205n)，并且所述第二电力发电机(202)具有相对于所述第一电力发电机(201)的所述第一变压器(205a-205n)不同地缠绕的第二变压器(205a-205n)。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，提供适于对所述组合电流(306)和/或所述第一输出电流(301)和/或所述第二输出电流(302)进行滤波的滤波器部件(206a)。
4.如以上权利要求中的任一项所述的装置，其中，向包括电力供应网的负载供应所述组合电流(306)。
5.如以上权利要求中的任一项所述的装置，所述第一电力发电机和第二电力发电机(202)的至少一个还包括适于将相角设置成预定值和/或用于控制至少两个电力发电机的相角的发电机控制单元(209)。
6.如以上权利要求中的任一项所述的装置，还包括至少一个电力变压器(205a-205n)，所述至少一个电力变压器(205a-205n)连接在所述组合单元(206)与所述负载之间并适于将所述组合单元(206)的电输出变换到指定电压范围。
7.一种用于操作至少两个电力发电机的方法，所述方法包括：
提供具有第一相角的第一输出电流(301)，所述第一输出电流(301)由第一电力发电机(201)生成；
提供具有与所述第一相角无关的第二相角的至少一个第二输出电流(302)，所述第二输出电流(302)由第二电力发电机(202)生成；
将所述第一输出电流(301)和所述至少一个第二输出电流(302)组合成组合电流(306)；以及
输出所述组合电流(306)。
8.如权利要求7所述的方法，其中，组合所述第一输出电流(301)和所述至少一个第二输出电流(302)导致零度的输出相角。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中，还提供其相角有所不同的n个输出电流。
10.如权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中，调整所述输出电流的相角，使得在组合它们时，所述组合电流(306)中的基波的谐波水平减少。
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