CN103249943A - 用于波能设施的电气设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气设备，该电气设备具有绕组（12）和用于在绕组中感应电流的装置。桥接电路（400）将绕组（12）电连接至负载（13）。根据本发明，桥接电路（400）包括电容器装置（401、402），所述电容器装置适于与绕组（12）的阻抗产生共振。

Description

用于波能设施的电气设备及方法
技术领域
在第一方面，本发明涉及一种电气设备，包括绕组、用于在绕组中感应电流的装置以及具有电容器装置的电桥接电路。本发明还涉及一种包括多个这种电气设备的波能设施，以及一种连接至至少一个这种电气设备的电网。
在第二方面，本发明涉及这种电气设备的用途。
在第三方面，本发明涉及一种控制在其中感应电流的电绕组的方法。
背景技术
在海上和大型内陆湖泊中的波浪运动构成迄今为止几乎未曾被开发过的潜在的能源。然而，已提出各种建议来利用海洋的竖直运动在发电机中产生电力。由于海面上的点进行往复的竖直运动，因而适于使用线性发电机来产生电力。
WO03/058055披露了这样的波能单元，其中，发电机的活动部分（即，与旋转发电机中的转子相对应以及本申请中被称为平动子（translator）的部分）相对于发电机的定子而往复运动。在该公开中，定子锚定在海床中。平动子通过线、缆线或链连接至漂浮在海面上的实体。
对于这种波能单元，优化被波能单元吸收的波能的量以及被作为电能供应的波能的量是重要的。这包括与系统的机械以及电气方面相关的考虑。被波能单元吸收的功率的多少依赖于能量系统的水力参数和阻尼因子。浮体决定水力参数和负载，与发电机和海上缆线一起形成阻尼因子。
当波能单元的固有频率与波浪频率一致时，实现高的功率捕获比，功率捕获比被定义为所提取的功率除以投射在浮体的截面上的功率的商。因此，期望的是，实现产生这种机械共振的波能单元的设计。然而，必须考虑的各种参数和系统必须满足的各种其他需求使得通过该系统的机械部件的设计来优化功率捕获比是非常复杂的。
本发明的焦点在于系统的电气部件上。众所周知，在涉及电容器和电感器的电路中的电共振能够产生高的电压和高的功率（所谓的无功功率）。然而，由于这可对传统发电机和其他电力部件都带来损害，因而在电气系统和电网中通常避免电共振。因此，在克服电路中电共振的不利影响方面存在改进功率转换的巨大潜力。本发明的目的因而在于提高可被用作波能单元以产生电能的电气设备的功率捕获比。
发明内容
由于在引言中所描述的特定种类的电气设备包括特定的特征，即，电源电路（下文中也称为电桥接电路，或仅称为桥接电路）包括具有用于与绕组的阻抗产生共振的电容的电容器装置，因而本发明的上述目的得以实现。
当
Figure BDA00003319808500021
时发生电共振。然而，指定用于桥接电路的共振应当被解释为不仅意味着精确的共振，还意味着与该值高达10%的偏差。共振还导致发电机的高阻尼。如果部件的尺寸足够，该共振将提高系统的功率捕获比。利用本发明所获得的电共振从而提供有效的且不如用于提供与波浪频率产生共振的机械措施复杂的替代方案，或者建立对这样的机械措施的补充。
根据一个优选实施例，桥接电路进一步包括具有一个或多个半导体的半导体装置。
在共振时产生的高无功功率从而至少部分地可被用作有功功率。通常，谐振电路中的无功功率将仅仅在电感与电容之间往返。通过在桥接电路中提供用于相位控制的半导体，相反，可将该功率的一部分引导至负载并进行利用。这将进一步导致电气设备的功率输出增大。
根据另一实施例，半导体装置包括一个或多个二极管。
根据另一优选实施例，半导体装置包括一个或多个晶体闸流管。
根据另一优选实施例，半导体装置包括一个或多个绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
因此可在桥接电路中使用无源元件或有源元件，其中，成本方面和品质方面将决定使用哪一种。当然，二极管、晶体闸流管和IGBT可组合地使用。
根据另一优选实施例，桥接电路包括连接至负载的第一分支、第二分支和第三分支，第一分支具有与负载并联的电容器，第二分支和第三分支分别具有两个半导体，这些半导体全部布置在相同方向上，并且绕组分别在两个半导体之间连接至第二分支以及在两个半导体之间连接至第三分支。
根据另一优选实施例，桥接电路包括连接至负载的第一分支和第二分支，第一分支具有第一电容器和第一半导体，第二分支具有第二电容器和第二半导体，绕组在第一电容器与第一半导体之间连接至第一分支并且在第二电容器与第二半导体之间连接至第二分支，并且其中，第一电容器和第二半导体通过第三半导体连接至负载，并且第一半导体和第二电容器通过第四半导体连接至负载。
根据另一优选实施例，桥接电路包括绕组通过其连接至负载的IGBT，并进一步包括与IGBT并联的第一分支和与绕组并联的第二分支，所述第一分支和第二分支每个均包含电容器，并且其中，在第一分支与第二分支之间设置有半导体。
与桥接电路的布局相关的上述实施例全部使得否则将作为无源功率而损失的功率非常有效地转换成负载处的有源功率。
根据另一优选实施例，绕组为多相绕组，诸如三相绕组。
因此，所述电气设备将容易地适于将能量供应至电网（grid）。
根据另一优选实施例，桥路连接至电负载。
根据另一优选实施例，电气设备包括变压器、发电机和/或高压直流（HVDC）缆线。
根据另一优选实施例中，绕组为发电机的定子绕组，并且在绕组中感应电流的装置为发电机的活动部分上的磁体。
根据另一优选实施例，电气设备包括由风或海浪提供动力的驱动源，该驱动源与发电机的活动部分传动连接。
根据另一优选实施例，发电机为以往复式平动子作为活动部分的线性发电机。
根据另一优选实施例，驱动源为通过柔性连接装置而机械地连接至平动子的浮体。
本发明还涉及一种波能设施，该波能设施包括多个根据本发明（特别是根据本发明优选实施例中的任一者）的电气设备。
本发明还涉及一种电网，该电网包括与根据本发明（特别是根据本发明优选实施例中的任一者）的电气设备的连接。
在本发明的第二个方面，本发明的电气设备用于产生电力并将该电力供应给电网。
在本发明的第三个方面，由于在引言中所描述的特定种类的方法包括在桥接电路中布置电容器装置的具体措施，该电容器装置具有适于与绕组的电感产生共振的电容器，因而所述目的得以实现。
根据本发明的方法的优选实施例，利用根据本发明（特别是根据本发明的优选实施例中的任一者）的电气设备来实行所述方法。
本发明的波能设施、本发明的电网、本发明的用途以及本发明的方法全部具有与本发明的电气设备及已在上文中描述的优选实施例的优点相对应的优点。
本发明的上述优选实施例在从属权利要求中描述。应当理解的是，其他优选实施例当然可由以上优选实施例的任意可能的组合组成并且可由这些优选实施例以及在以下实例的描述中说明的特征的任意可能的组合组成。
将通过以下本发明实例的详细描述并且参照附图来进一步阐述本发明。
附图简要说明
图1是根据本发明的电气设备的侧视图，这里用波能单元代表所述电气设备。
图2是穿过图1中电气设备的发电机的一部分细节的剖面。
图3示出了根据本发明实例的桥接电路。
图4示出了根据本发明另一实例的桥接电路。
图5-图7示出了根据本发明其他实例的桥接电路。
图8示意性示出了根据本发明的波能设施。
具体实施方式
图1是根据本发明的电气设备的示意性侧视图，该电气设备适于为在海上操作的波能单元。浮体1漂浮在海面上并通过连接装置3（诸如缆线、线、绳、链等）连接至锚定在海床处的线性发电机2。在附图中，发电机附接在海床处。然而，应当理解的是，发电机可位于海床上方并且以其他某种方式锚定。
线性发电机2具有带有绕组的定子5和带有磁体的平动子6。平动子6能在定子5内上下往复运动从而在定子绕组中产生电流，该电流通过缆线11转移至电网。
平动子6包括杆7，线3附接至该杆。当浮体1由于海面的波浪运动而被迫向上移动时，浮体会将下面的平动子6向上拉动。当浮体之后向下移动时，平动子6将通过重力向下移动。可选地但优选地，作用在平动子6上的弹簧（未示出）等提供了额外的向下的力。
图2示出了平动子6和定子5之间的配合。附图仅分别示出了平动子6和定子5的一部分。在平动子6上设置有多个永磁体14，所述多个永磁体在平动子6的表面上沿着多个竖直行分布并面向定子5。附图仅示出了这些行中的一行上的一些磁体。
定子5具有多个绕组槽15，绕组槽面向磁体14并且绕组12容纳在其中。
随着平动子上下移动，磁体14相对于绕组12行进，从而由于磁通量Φ改变而在其中感应出电流。电压将为
Figure BDA00003319808500071
其中n为槽15中的绕组匝数。用于使磁体14移动与两个相邻磁体14的中部之间的竖直距离相对应的距离的行进时间决定电压的频率。
定子5的绕组设置有通过缆线11连接至负载的桥接电路。桥接电路具有被布置为在桥接电路中建立共振的部件。图3-图7示出了用于这种桥接电路的布局的一些实例。
在图2中示出了第一实例，示出了根据本发明的以其最简单形式的桥接电路100。具有电阻R和阻抗L的定子绕组12通过两个二极管102、103连接至负载13。电容器101并联至定子绕组12。电容器101具有这样的电容，该电容被调谐成用于在由平动子6移动与平动子6上的两个相邻磁体之间的距离相对应的距离的行进时间决定的频率下与绕组12的电感L共振。
为了降低通过共振产生的无功功率，桥接电路实际上应该比图2的实例更复杂。在图3中示出了这种桥接电路的实例。在该实例中，桥接电路具有连接至负载13的三个分支206、207、208。这些分支中的第一分支206具有用于产生共振的电容器201。其他两个分支207、208中的每个均具有两个二极管202、203；204、205，通过这些二极管使无功功率降低并将其用于负载13。绕组在相应分支207、208中的两个二极管202、203；203、205之间连接至第二分支和第三分支中的每一个。
在图4中示出了另一实例。桥接电路300具有IGBT304，绕组12通过该IGBT连接至负载13。第一电容器301在第一分支305中与IGBT304并联。第二电容器302在第二分支306中与绕组12并联。二极管303位于两个分支305、306之间的桥接电路中。
在图5中示出了又一实例。桥接电路400包括两个分支407、408。第一分支407具有第一电容器401和第一二极管403。第二分支408具有第二电容器402和第二二极管。绕组12在第一分支的电容器401与二极管403之间连接至第一分支407并在第二分支的电容器402与二极管404之间连接至第二分支408。第三二极管405将第一分支407的电容器401和第二分支408的二极管404连接至负载13。第四二极管406将第二分支408的电容器402和第一分支407的二极管403连接至负载13。
应当理解的是，上述实例中的一些或全部二极管可由其他种类的无源或有源半导体替代。进一步地，桥接电路的所示布局仅为实例，并且应当理解的是，在本发明的范围内可采用各种其他布局，还包括具有比示出实例中更多数量的电容器和/或半导体的布局。每个电容器可仅为单个电容器，但应当理解的是，术语电容器还可指电容器组。桥接电路还可包括用于测量、控制、调节、转换以及类似目的的附加部件。
上述的实例全部仅示出了一相，以便简化描述。实际上，桥接电路通常将布置用于三相。图6示意性示出了桥接电路500的三相应用的实例。
图7以俯视图的方式示意性示出了具有多个上述种类的电气设备的波能设施。这些单元的发电机2全部连接至水下开关装置30，该水下开关装置连接至电网40。
已通过测试来证实本发明的具有产生共振的桥接电路的电气设备的功能，下面简要地描述。利用适于作为具有重力是32000N的平动子的波能单元的电气设备来实行测试。因此，平动子的力为提升力减去32000N。作为参照，对纯电阻性负载进行测试，结果如下，其中，所有的值均代表最大值。
Figure BDA00003319808500091
当测试具有如图6中所示的桥接电路的波能单元时（其中，电容为8.5mF），获得以下数据：
Figure BDA00003319808500092
对11.8mF的电容进行的相应测试产生以下数据：

Claims (21)

1.一种电气设备，包括绕组、用于在所述绕组中感应电流的装置以及电桥接电路，其特征在于，所述电桥接电路包括电容器装置，所述电容器装置具有适于与所述绕组的阻抗产生共振的电容。
2.根据权利要求1所述的电气设备，其中，所述桥接电路（100-500）进一步包括具有一个或多个半导体的半导体装置。
3.根据权利要求2所述的电气设备，其中，所述半导体装置包括一个或多个二极管。
4.根据权利要求2或3所述的电气设备，其中，所述半导体装置包括一个或多个晶体闸流管。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的电气设备，其中，所述半导体装置包括一个或多个绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电气设备，其中，所述桥接电路（200）包括连接至电负载（13）的第一分支（206）、第二分支（207）和第三分支（208），所述第一分支（206）具有与所述电负载（13）并联的电容器（201），所述第二分支（207）和第三分支（208）每一个均具有两个半导体（202、203；204、205），并且所述绕组（12）分别在所述两个半导体（202、203）之间连接至所述第二分支（207）、以及在所述两个半导体（204、205）之间连接至所述第三分支（208）。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的电气设备，其中，所述桥接电路（400）包括连接至所述电负载（13）的第一分支（407）和第二分支（408），所述第一分支（407）具有第一电容器（401）和第一半导体（403），所述第二分支（408）具有第二电容器（402）和第二半导体（404），所述绕组（12）在所述第一电容器（401）与所述第一半导体（403）之间连接至所述第一分支（407）并且在所述第二电容（402）与所述第二半导体（404）之间连接至所述第二分支（408），并且其中，所述第一电容器（401）和所述第二半导体（404）通过第三半导体（405）连接至所述负载（13），并且所述第一半导体（403）和所述第二电容器（402）通过第四半导体（406）连接至所述负载（13）。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的电气设备，其中，所述桥接电路（300）包括IGBT（304），所述绕组（12）通过所述IGBT连接至电负载（13），并且所述桥接电路进一步包括与所述IGBT（304）并联的第一分支（305）以及与所述绕组（12）并联的第二分支（306），所述第一分支（305）和所述第二分支（306）每个均包括电容器（301、302），并且其中，在所述第一分支（305）与所述第二分支（306）之间设置有半导体（303）。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的电气设备，其中，所述绕组（12）为多相绕组。
10.根据权利要求9所述的电气设备，其中，所述绕组为三相绕组。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的电气设备，其中，所述桥路连接至电负载。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的电气设备，其中，所述电气设备包括变压器、发电机和/或HVDC缆线。
13.根据权利要求12所述的电气设备，其中，所述电气设备包括发电机，所述绕组为所述发电机的定子绕组，并且用于在所述绕组中感应电流的装置为所述发电机的活动部分上的磁体。
14.根据权利要求13所述的电气设备，其中，所述电气设备包括由风或海浪提供动力的驱动源，所述驱动源与所述发电机的所述活动部分驱动连接。
15.根据权利要求14所述的电气设备，其中，所述发电机为以往复式平动子作为所述活动部分的线性发电机。
16.根据权利要求15所述的电气设备，其中，所述驱动源为通过柔性连接装置机械地连接至所述平动子的浮体。
17.一种波能设施，其特征在于，所述波能设施包括多个根据权利要求15或16所述的电气设备。
18.一种电网，其特征在于，所述电网包括将所述电网连接至至少一个根据权利要求14-16中任一项所述的电气设备的连接线路。
19.一种根据权利要求1-16中任一项所述的电气设备的用途，其特征在于，所述电气设备用于产生电能并将所述电能供应给电网。
20.一种用于控制电绕组的方法，在所述绕组中感应电流，其特征在于，将所述绕组连接至包括电容器装置的电桥，并且使所述电容器装置的电容适于与所述绕组的阻抗产生共振。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，利用根据权利要求1-16中任一项所述的电气设备来执行所述方法。
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