CN102244392B - 频率转换器装置中的电转换器模块的自动机械断开 - Google Patents

Abstract

本发明涉及频率转换器装置中的电转换器模块的自动机械断开。描述了用于容纳用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率的电转换器模块的装置。所述装置包括：机架，其包括用于接收电输入信号的输入端子和用于提供电输出信号的输出端子；槽，其用于在第一位置和第二位置中容纳转换器模块，其中，在第一位置中，转换器模块被电连接到输入端子和输出端子两者，并且在第二位置中，转换器模块被从输入端子和输出端子二者电学上断开；以及致动器，其被安装到机架，并且其响应于断开触发信号而适合于使电转换器模块从第一位置移动至第二位置。此外，描述了装配有此类装置的频率转换器系统和用于使转换器模块断开的方法。

Description

频率转换器装置中的电转换器模块的自动机械断开

技术领域

本发明涉及发电领域。特别地，本发明涉及用于容纳电转换器模块的装置（arrangement），该电转换器模块适合于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率。此外，本发明涉及装配有此类装置的频率转换器（frequency converter）系统。此外，本发明涉及用于将电转换器模块断开的方法，该电转换器模块被用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率。

背景技术

为了从例如风力涡轮机的发电机向电网馈送电能，通常需要使所产生的电力的频率适合于电网的工作频率。

对于风力涡轮机而言，存在已知的频率转换器装置，其使用并联的许多相同的逆变器模块和/或转换器模块以便达到电力的期望容量。下面，将这些模块称为电转换器模块。

在电转换器模块中的一个的缺陷的情况下，必须使发电机停止，并且必须将相应频率转换器从电网断开，直至已经更换有缺陷的电转换器模块为止。这是由于电转换器模块内的故障常常是由作为受控功率半导体的绝缘栅双极晶体管（IGBT）中的短路引起的。因此，不能仅在逻辑上将相应有缺陷的电转换器模块断开，而是必须在物理上将其断开以便允许其余电转换器模块继续其操作。

在被用于发电机、特别是用于风力涡轮机的许多频率转换器中，像大部头书一样将电转换器模块并排地放置在架子上，栓接到底盘并装配有栓接的（bolted）AC和DC主电流连接。在电转换器模块中的已有一个的故障的情况下，相应模块的去除是麻烦的过程，如上文已经描述的，这要求发电机停止其操作。由此，增加发电机的停机时间。

可能需要促进频率转换器内的电转换器模块的断开。

发明内容

可由根据独立权利要求的主题来满足此需要。由从属权利要求来描述本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于容纳用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率的电转换器模块的装置。提供的装置包括（a）机架，其包括：（a1）输入端子，用于从发电机接收电输入信号和（a2）输出端子，用于向电网提供电输出信号，（b）槽，用于在第一位置中和第二位置中容纳电转换器模块，其中，在第一位置中，电转换器模块被电连接到输入端子和输出端子两者，并且其中，在第二位置中，电转换器模块被从输入端子和输出端子两者二者电学上断开，以及（c）致动器，其被安装到机架，并且其响应于断开触发信号而适合于将电转换器模块从第一位置移动至第二位置。

所述的装置是基于思想：能够借助于可遥控触发信号来自动地实现有缺陷的电转换器模块的断开。此自动断开能够在短时间段内实现。在自动断开之后，能够例如在几分钟内暂时修理包括所述装置的频率转换器系统，使得能够再次使发电机投入差不多正常操作，其中，能够执行仅略微减少的发电。结果，尽管在有限的负载下，能够实现电力生产的高可用性。这在离岸风力涡轮机处可能是尤其有利的，其中，由于对于修理而言依赖于天气的访问，可用性增加能够相对于电力生产的量显著地改善风力涡轮机的有效性能。

所有端子且尤其是主电流连接可以是插拔式的（pluggable）。优选地，在存在空载情况时段的时间点进行转换器模块与机架之间的断开。这可以提供主电流插头（plug）连接不必针对电流中断来设计的优点。这允许用相对简单的结构来实现连接并降低用于所述装置的成本。

输入端子的数目可以取决于由发电机产生的电力的类型。通常，特别是在发电机是风力涡轮机时，频率转换器装置包括允许从风力涡轮机的发电机接收三相交流电流的三个输入端子。

输出端子的数目取决于被馈送到电力网的电力的类型。通常，也将电输出电力提供为三相电流，使得输出端子的数目也是三个。

应提到的是第二频率是零也是可能的。这意味着电输出电力被提供为直流电流（DC）。在这种情况下，输出端子的数目也可以是两个。

应注意的是上文相对于输入和输出端子的数目的阐述仅涉及单个电转换器模块。对于本技术领域的技术人员来说应理解的是输入、相应输出端子的总数当然可以与槽的数目成正比，每个槽可能被用于容纳电转换器模块。

根据本发明的实施例，所述致动器包括机电换能器。可以例如借助于与主轴齿轮（spindle gear）相连的电动机来实现机电换能器。由此，能够实现从第一位置到第二位置的电转换器模块的平滑直线移动。

如果考虑到通常从连接位置（即第一位置）到断开位置（即第二位置）的移动速度尤其在转换器模块的所谓空载情况下不是关键的，则由所述机电换能器引起的平缓移动可以保证能够有效地防止作用在转换器模块上的不必要的机械震动。

根据本发明的另一实施例，所述致动器包括弹簧承载（spring loaded）系统。该弹簧承载系统可以使转换器模块从该转换器模块被牢固地与机架啮合的第一位置缩回到该转换器模块脱离机架的第二位置。可以借助于螺线管激活的（activated）触发机构和/或借助于由电动机驱动的机构来释放或激活弹簧承载系统。

弹簧承载系统的使用和/或用于致动器的烟火信号（pyrotechnical）解决方案的使用可以提供能够实现转换器模块的快速断开的优点。这将允许还在所谓的加载情况下使转换器模块从机架端子断开，其中，转换器模块是活动的（active），并且电流正在通过由转换器模块端子和各机架端子限定的插头连接而流动。

根据本发明的另一实施例，所述装置还包括用于控制制动器的操作的控制器。

在转换器模块的故障的情况下，所述控制器可以例如从电转换器模块和/或从电监视设备接收相应的信号，所述电监视设备正在监视转换器模块的操作状态。

根据本发明的另一实施例，所述槽包括至少一个导轨和用于将转换器模块锁定在第一位置中和/或第二位置中的锁定机构。这可以意味着该导轨应包括锁定机构以将转换器模块锁定在其中主电流连接插头被配合（mate）的啮合位置或其中主电流插头连接被断开的脱离位置中。

应提到的是在脱离位置中，用于每个电位的配合部分之间的空隙应足够大，以便提供电绝缘。为了实现足够的空隙尺寸，当然应考虑断开的插头组件之间的电压差。

根据本发明的另一实施例，所述机架包括（a）用于从发电机接收另外的电输入信号的另外的输入端子和（b）用于向电网提供另外的电输出信号的另外的输出端子。此外，所述装置还包括（a）用于在第一位置中和第二位置中容纳另外的电转换器模块的至少一个另外的槽，其中，在第一位置中，所述另外的电转换器模块被电连接到另外的输入端子和另外的输出端子两者，并且在第二位置中，所述另外的电转换器模块被从另外的输入端子和另外的输出端子二者电学上断开，以及（b）另外的致动器，其被安装到机架，并且其响应于断开触发信号而适合于将另外的电转换器模块从第一位置移动至第二位置。

本多槽装置可以提供优点，即其可以用于大型频率转换器系统，该大型频率转换器系统包括至少两个且优选地多个电转换器模块，并且其适合于转换可以由诸如风力涡轮机和/或多个风力涡轮机的发电机提供的高功率输入信号的频率。

一般而言，放置在每个机架槽中并由上述控制器来控制的致动器应通过将有缺陷的电转换器模块从第一（啮合）位置移动至第二（脱离）位置来将其断开。如上文已描述的，在已将有缺陷的电转换器模块设置在第二位置中之后，可以使仍包括至少一个无故障电转换器模块的频率转换器系统投入正常操作。由此，用减少的负载来表征正常操作。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率的频率转换器系统。所提供的频率转换器系统包括（a）用于容纳电转换器模块的如上所述的装置，以及（b）用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率的电转换器模块。电转换器模块可被槽容纳。

并且，所述频率转换器系统是基于这样的思想，即在电转换器模块的缺陷的情况下，相应模块能够被自动地放入第二（脱离）位置。由此，使用在缺陷的情况下接收所述断开触发信号的上述致动器。

根据本发明的实施例，所述电转换器模块是电开关模块。在本文中，术语电开关模块可以指的是转换器模块，其首先将具有第一频率的交流电流转换成DC电流，并且其其次将DC电流转换成具有第二频率的交流电流。

根据本发明的另一实施例，所述电转换器模块是电逆变器模块。在本文中，术语电逆变器模块可以指的是转换器模块，其将AC电流转换成DC电流或将DC电流转换成AC电流。

在这方面，应提到的是根据两个频率不等于零的假设，单逆变器模块当然不能执行从第一频率到第二频率的频率转换。然而，单逆变器模块可以至少在执行上文依照本发明的第一方面所述的AC—AC频率转换方面有所贡献。

应提到的是可以用于将风力涡轮机连接到电网的频率转换器系统可以包括被连接到DC汇流排的多个AC—DC逆变器模块。具体地，（a）可以在能量产生发电机与DC汇流排之间连接许多AC—DC逆变器模块，以及（b）可以在电网与DC汇流排之间连接许多AC—DC逆变器模块。

此外，用于风力涡轮机的频率转换器系统可以包括每个包括至少一个逆变器模块的两个逆变器面板。可以将可以被放在风力涡轮机底部中的一个逆变器面板与到电网的其AC侧相连。可以将可以被放在风力涡轮机的机舱中的另一逆变器面板与到风力涡轮机的发电机的其AC侧相连。可以通过风力涡轮机的塔架中的电缆敷设来将两个逆变器面板的DC侧相互连接。从而，这些电缆被电学上分配给上述汇流排。

根据本发明的实施例，电转换器模块包括用于监视电转换器模块的操作的监视单元。从而，所述监视单元适合于如果在电转换器模块中发生缺陷，则生成断开触发信号和/或生成断开触发信号的前兆（precursor）信号。

在频率转换器包括多个电转换器模块的情况下，每个转换器模块可以具有用于实现诊断功能以便识别相应电转换器模块的缺陷并以便将缺陷报告给上述控制器的监视单元，上述控制器可以被视为所述频率转换器系统的主控制器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于将机架内的电转换器模块断开的方法，该电转换器模块被用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率，所述机架包括用于从发电机接收电输入信号的输入端子和用于向电网提供电输出信号的输出端子。所提供的方法包括（a）接收指示电转换器模块的错误状态的断开触发信号，以及（b）响应于断开触发信号，借助于被安装到机架的致动器将机架的槽内的电转换器模块从第一位置移动至第二位置。在第一位置中，所述电转换器模块被电连接到输入端子和输出端子二者，并且在第二位置中，电转换器模块被从输入端子和输出端子二者电学上断开。

并且，所述方法是基于这样的思想，即如果发生电转换器模块的缺陷，则该电转换器模块能够被自动地放入第二（脱离）位置。能够快速地、有效地且容易地实现自动断开。在自动断开之后，能够临时修理包括用于容纳电转换器模块的上述装置的频率转换器系统，使得能够使发电机再次投入差不多正常操作。从而，能够执行仅略微减少的发电。结果，尽管在有限的负载下，能够实现电力生产的高可用性。

根据本发明的实施例，在空载情况下执行将电转换器模块从第一位置移动至第二位置。

在这方面，应提到的是如果不存在（a）从被分配给转换器模块的AC部分的端子流到（b）被分配给转换器模块的DC部分的端子的电流，则存在空载情况。因此，在空载情况下，能够在没有断开端子连接时的起弧风险的情况下将转换器模块移动至第二位置。

下面，解释如何可以发生空载情况：电转换器模块中的故障通常是绝缘栅双极晶体管（IGBT）内或更多IGBT中的、引起转换器模块的AC部分与DC部分之间的短路的故障。通常由频率转换器控制系统来检测此短路，所述频率转换器控制系统促使所有其它转换器模块立即断开，以免向段路中馈送能量，这可能引起转换器系统中的爆炸和起火。这意味着风力涡轮机被立即停止操作。风力涡轮机的操作停止将持续至修理转换器模块。下面，打开转换器模块、包括转换器模块的相应转换器之间的断路器机构。在采用具有永久性磁铁的发电机的情况下，还激活频率转换器系统与发电机之间的断路器机构或断开机构。结果，使得转换器模块、相应整个频率转换器系统不带电（de-energized），并且没有电流流过（频率）转换器（系统）。在这里，存在空载情况。

在空载情况下将电转换器模块断开可以提供主电流插头连接不必针对电流中断来设计的优点。这使得转换器模块和/或用于容纳电转换器模块的上述装置的电和/或机械设计更为容易。

必须注意的是已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已参考装置类型权利要求描述了某些实施例，而参考方法类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域的技术人员将从以上和以下说明推断除非另外通知，除属于一种主题的特征的任何组合之外，还认为将用本文来公开与不同主题有关的特征之间、特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合。

本发明的上文定义的方面和其它方面从下文将描述的实施例的示例中是显而易见的，并且其参考实施例的示例来进行解释。下面将参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明不限于所述实施例的示例。

附图说明

图1a示出依照本发明的实施例的频率转换器系统，其中，所述电转换器模块在连接位置中。

图1b示出图1a所示的频率转换器系统，其中，所述电转换器模块在断开位置中。

具体实施方式

图中的图示是示意性的。应注意的是在不同的图中，为类似或相同的元件提供相同的附图标记。

图1a示出依照本发明的实施例的频率转换器系统100。在图1a所示的情况下，电转换器模块150在连接位置中。

频率转换器系统100包括具有多个槽的机架110。在图1a的示意性横截面图中，只能看到一个槽。其它槽可以位于所选投影面之上或之下。当然，所述机架还可以包括其它槽，其被相对于在图1a中描绘的槽侧向地放置。

机架110的每个槽包括一对导轨112。导轨112促进电转换器模块150到槽中的插入。

机架110还包括用于从未描绘的发电机接收电输入信号的三个输入端子121。根据这里所述的实施例，发电机是风力涡轮机或被相互电连接的整个的多个风力涡轮机。（一个或多个）风力涡轮机产生三相交流电流。在图1a中，三个相被命名为“U”、“V”和“W”。

根据这里所述的实施例，电转换器模块150包括AC/DC/AC转换器。因此，转换器模块150还被命名为开关模块150。被馈送到三个输入端子121的电三相交流电流输入信号首先被转换成DC信号，并且其次被转换成具有频率的电三相交流电流输出信号，该频率通常不同于输入信号的频率。

这里，应提到的是在包括异步发电机的风力涡轮机中，存在从电网流过来或由转换器系统中的DC链路中的电容器提供以便提供发电机的所需磁化的无功电功率（reactive electric power）。与此相反，有功功率正常地从发电机流到电网。

在三个输出端子125处提供输出信号，三个输出端子125在图1a中被命名为“L1”、“L2”和“L3”。如果想要掌握（grip）DC功率和/或出于测量和/或诊断的目的，电开关模块150还包括两个中间端子123。中间端子123被分配给AC/DC/AC转换器的DC级。

如从图1a可以看到的，电转换器模块150包括监视单元155。根据这里所述的实施例，监视单元155包括微处理器，该微处理器以未描绘但已知的方式监视电转换器模块150的操作、相应操作状态。如果监视单元155检测到电转换器模块150的故障，则生成相应的故障信号。该故障信号被提供给机架110的主控制器。

被安装到机架110的主控制器135确定已生成故障信号的电转换器模块150的槽。响应于此，主控制器135向被安装在相应槽的侧面处的两个致动器130传送“断开触发信号”。响应于此“断开触发信号”，致动器130变成活动的。从而，啮合臂131被向外移动，这使电转换器模块150相对于机架110横向地向外移动，并且这从而使电转换器模块150从端子121、123和125断开。在图1b中示出电转换器模块150的断开位置。

如从图1b可以看到的，在断开位置中，端子121、123和125与电转换器模块150的相应端子分离了距离d。此距离d被选择为使得在各相对端子中的每一个之间提供可靠的空气绝缘。当然，当设计频率转换器系统100时，应根据端子121、123和125中的每个与电转换器模块150的相应相对端子之间的电压差来选择距离d。

应注意的是术语“包括”不排除其它元素或步骤，且“一个”或“一”不排除复数。还可以将结合不同实施例所述的元素组合。还应注意的是不应将权利要求中的附图标记理解为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种用于容纳用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率的电转换器模块（150）的装置，该装置包括： 

· 机架（110），包括： 

输入端子（121），用于从发电机接收电输入信号，以及 

输出端子（125），用于向电网提供电输出信号， 

· 槽，用于在第一位置中和第二位置中容纳电转换器模块（150），其中，在第一位置中，电转换器模块（150）被电连接到输入端子（121）和输出端子（125）两者，以及 

在第二位置中，电转换器模块（150）被从输入端子（121）和输出端子（125）二者电学上断开，其特征在于所述装置还包括 

· 致动器（130），被安装到机架（110），并且其响应于断开触发信号而适合于将电转换器模块（150）从第一位置移动至第二位置。

2.如前述权利要求所述的装置，其中 

所述致动器（130）包括机电换能器。

3.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中 

致动器（130）包括弹簧承载系统。

4.如权利要求1所述的装置，还包括 

· 控制器（135），用于控制致动器（130）的操作。

5.如权利要求1所述的装置，其中 

所述槽包括至少一个导轨（12）和用于将转换器模块（150）锁定在第一位置中和/或第二位置中的锁定机构。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述机架（110）包括 

用于从发电机接收另外的电输入信号的另外的输入端子和用于向电网提供另外的电输出信号的另外的输出端子，所述装置还包括： 

· 至少一个另外的槽，用于在第一位置中和第二位置中容纳另外的电转换器模块，其中 

在第一位置中，所述另外的电转换器模块被电连接到所述另外的输入端子和所述另外的输出端子，并且在第二位置中，所述另外的电转换器模块被从所述另外的输入端子和所述另外的输出端子二者电学上断开，以及 

· 另外的致动器，其被安装到机架（110），且其响应于断开触发信号而适合于使所述另外的电转换器模块从第一位置移动至第二位置。

7.一种用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率的频率转换器系统，所述频率转换器系统（100）包括： 

· 如前述权利要求中的任一项所述的装置，以及 

· 电转换器模块（150），用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率，其中，所述电转换器模块（150）可被所述槽容纳。

8.如权利要求7所述的频率转换器系统，其中 

所述电转换器模块是电开关模块（150），其首先将具有第一频率的交流电流转换成DC电流，并且其次将DC电流转换成具有第二频率的交流电流。

9.如权利要求7所述的频率转换器系统，其中 

所述电转换器模块是电逆变器模块，其将AC电流转换成DC电流或将DC电流转换成AC电流。

10.如前述权利要求7至9中的任一项所述的频率转换器系统，其中 

电转换器模块（150）包括用于监视电转换器模块（150）的操作的监视单元（155），其中，所述监视单元（155）适合于生成断开触发信号和/或生成断开触发信号的前兆信号。

11.一种用于使机架（110）内的电转换器模块（150）断开的方法，所述电转换器模块（150）用于将电输入信号的第一频率转换成电输出信号的第二频率，机架（110）包括用于从发电机接收电输入信号的输入端子（121）和用于向电网提供电输出信号的输出端子（125），其特征在于所述方法包括 

· 接收指示电转换器模块（150）的错误状态的断开触发信号，以及 

· 响应于断开触发信号，借助于被安装到机架（110）的致动器（130）将机架（110）的槽内的电转换器模块（150）从第一位置移动至第二位置，其中 

在第一位置中，电转换器模块（150）被电连接到输入端子（121）和输出端子（125）二者，以及 

在第二位置中，电转换器模块（150）被从输入端子（121）和输出端子（125）二者电学上断开。

12.如前述权利要求所述的方法，其中，在空载情况期间执行将电转换器模块（150）从第一位置移动至第二位置。