CN104769804B - 具有dc输出的基于涡轮的能量产生系统 - Google Patents

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Abstract

一种能量产生系统包括涡轮(102)、发电机(100)、升压变压器(106)和变换器(104)。涡轮(102)可操作为从流体流动提取能量，并将所提取的能量转换为机械能。发电机(100)可操作为将来自涡轮(102)的机械能转换为AC电能。升压变压器(106)可操作为将来自发电机(100)的较低电压的AC电能转换为较高电压。变换器(104)可操作为将较高电压的AC电能转换为DC电能。该变换器(104)包括用于AC电能的一相的变换器支路(110)。该变换器支路(110)具有上臂和下臂，上臂具有第一多个子模块(112)，下臂具有第二多个子模块(114)。每个子模块(112，114)可操作用于作为受控电压源工作。

Description

具有DC输出的基于涡轮的能量产生系统
技术领域
本申请涉及基于涡轮的能量产生系统，并更具体地涉及具有DC输出的基于涡轮的能量产生系统。
背景技术
来自涡轮的能量被转换为一种适于从多个涡轮收集能量的形式。优选以具有成本效益地、安全地并且几乎没有系统故障地来完成。
US20110049994A1描述了一种具有DC收集的风电场，其中塔架中的功率转换链包括发电机和具有单极模块的模块化多级(MMC)整流器。US8174138B2和WO2011055175A1描述了一种风力发电机-整流器设置，其具有在DC侧上堆叠的整流模块。US20100133901A1描述了一种功率输送系统，其在DC传输线的任一端具有相同的堆叠的模块化变换器。US8018083B2描述了一种风力发电机-整流器设置，其具有矩阵变换器、升压变压器和为高电压DC收集电网馈电的整流器。US7324359B2描述了一种风力发电机-整流器设置，其具有多绕组升压变压器，其为DC侧上堆叠的两级整流器模块馈电。WO2012041380A1描述了一种MMC整流器，其具有产生单极电压的单极模块和产生双极电压的双极模块两者，用于使得能够具有故障处理能力。WO2012048743A1描述了基于集群平台的解决方案，其在风塔中使用数量降低的部件。
发明内容
本文描述了一种基于涡轮的能量产生系统，其包括用于将来自涡轮的机械能转换成AC电能的发电机，以及将AC电能转换成DC电能的变换器。升压变压器被提供在发电机和变换器之间。升压变压器增加了系统的DC输出电压，提供到发电机的高压隔离，并能更有效的进行能量收集。
根据能量产生系统的一个实施例，该系统包括涡轮、发电机、升压变压器和变换器。涡轮可操作为从流体流动提取能量，例如空气或其他气体，或水或其它液体。发电机可操作为将来自涡轮的机械能转换为AC电能。升压变压器可操作为将来自发电机的较低电压的AC电能转换为较高电压。该变换器可操作为将较高电压的AC电能转换为DC电能。该变换器包括用于AC电能的一相的变换器支路。该变换器支路具有上臂和下臂，上臂具有第一多个子模块，下臂具有第二多个子模块。每个子模块可操作用于作为受控电压源工作。
根据一种产生电能方法的一个实施例，所述方法包括：从流体流动中提取能量；将所提取的能量转换为机械能；将机械能转换为AC电能；使用升压变压器将较低电压的AC电能转换为较高电压；以及使用变换器将较高电压的AC电能转换为DC电能，该变换器包括用于AC电能的一相的变换器支路，该变换器支路具有上臂和下臂，上臂具有第一多个子模块，下臂具有第二多个子模块，每个子模块可操作用于作为受控电压源工作。
根据能量产生系统的另一个实施例，该系统包括多个涡轮，每个涡轮可操作为从流体流动中提取能量，并将所提取的能量转换为机械能，多个发电机，每个发电机可操作为将来自涡轮中的一个涡轮的机械能转换为AC电能；以及多个升压变压器，每个升压变压器可操作为将来自发电机中的一个发电机的较低电压的AC电能转换为较高电压。该系统还包括多个变换器，每个变换器可操作为将来自升压变压器中的一个升压变压器的较高电压的AC电能转换为DC电能。每个变换器包括用于耦合到该变换器的AC电能的每一相的变换器支路。每个变换器支路具有上臂和下臂，上臂具有第一多个子模块，下臂具有第二多个子模块。每个子模块可操作用于作为受控电压源工作。
在阅读以下详细描述并且查看了附图之后，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图中的部件不必按比例绘制，而是把重点放在举例说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的参考标记表示相应的部件。在附图中：
图1示出了基于涡轮的能量产生系统的一个实施例的框图，该系统包括用于将发电机耦合到变换器的升压变压器；
图2示出了基于涡轮的能量产生系统的变换器中包括的单极单元的一个实施例的示意图；
图3示出了基于涡轮的能量产生系统的变换器中包括的双极单元的一个实施例的示意图；
图4示出了部署在风塔应用中的基于涡轮的能量产生系统的一个实施例的框图；
图5示出了基于涡轮的能量产生系统的升压变压器的一个实施例的框图；
图6示出了基于涡轮的能量产生系统的升压变压器和变换器的一个实施例的框图；
图7示出了部署在高压风力发电场应用中的基于涡轮的能量产生系统的一个实施例的框图；
图8示出了部署在高压风力发电场应用中的基于涡轮的能量产生系统的另一个实施例的框图；
图9示出了部署在高压风力发电场应用中的基于涡轮的能量产生系统的又一个实施例的框图。
具体实施方式
图1示出了基于涡轮的能量产生系统的一个实施例，其包括用于将来自涡轮102的机械能转换为AC电能的升压变压器(G)100，以及用于将AC电能转换成系统输出(+/-DCOUT)的DC电能的变换器104。涡轮102从流体流动提取能量，例如空气或其他气体，或水或其它液体。例如，涡轮102可以是风、波浪或潮汐涡轮，其将所提取的能量转换为机械能。发电机输出通常在约3.3kV和13.8kV之间，但其它范围也落入本文描述的实施例的范围。为了便于说明，不与本发明密切相关的系统外围元件不包括在图1中，如AC断路器、控制装置、监控设备等。
升压变压器106设置在发电机100和变换器104之间，以增加系统的DC输出电压并且使得能够进行更有效的能量收集。该升压变压器106将来自发电机100的较低电压的AC电能转换为通向变换器104的较高电压。该升压变压器106将来自发电机100的AC电能转换为至少10kV，例如至少25kV，60kV或更高。对于风塔应用，增加升压变压器106允许风塔输出比传统风塔更高的DC输出电压。这样做使得能够进行更有效地收集和在更长的距离上传输，而不需要附加的变电站/平台。如果发电机100的标称频率大于60Hz，可以使用较小的升压变压器106，这使得风塔应用中的安装变得更加容易。在一个实施例中，升压变压器106是自耦变压器。
变换器104将来自升压变压器106的较高电压的AC电能转换为DC电能。变换器的操作由控制器108来管理。在一个实施例中，变换器104是模块化多级变换器(MMC)。与常规的解决方案相比，MMC104的使用得到了较低成本的系统，同时保持发电机输出的高可控性。MMC104允许可缩放大小的输出电压、各种安装和排列选择，和/或改进的故障处理性能。例如在风塔应用中，具有DC输出的基于涡轮的能量产生系统在塔架中使用比具有AC输出的塔架更少的转换阶段。因此相比于具有AC收集的风电场，这降低了整个系统的成本。
在基于MMC的变换器104的情况中，变换器支路110被设置为用于AC电能的每一相。MMC104的变换器支路110中的每一个具有上臂和下臂，上臂具有第一多个子模块112，下臂具有第二多个子模块114。子模块112、114包括例如功率半导体晶体管的开关单元，和例如DC电容器的能量存储装置，晶闸管旁路装置，例如栅极驱动器的辅助单元等。每个子模块112、114作为受控电压源工作。子模块112、114可包括单极或双极单元，其中每个单元是两端布置的半导体开关和能量存储元件。单极单元产生单极电压，而且双极单元产生双极电压。
图2示出了MMC104的各个子模块112/114中包括的单极单元的一个实施例。单极单元包括连接成半桥配置的一对功率晶体管T1、T2，它们与DC电容器CDC并联。每个功率晶体管T1、T2与相应的续流二极管D1、D2并联耦合。
图3示出了MMC104的各个子模块112/114中包括的双极单元的一个实施例。双极单元包括连接成全桥配置的两对功率晶体管T3、T4和T5、T6，它们与DC电容器CDC并联。每个功率晶体管T3、T4、T5、T6与相应的续流二极管D3、D4、D5、D6并联耦合。
在一些实施例中，单极和双极单元均可用在变换器104中。在这些情况中，具有双极单元的子模块112/114可通过响应于检测到的DC故障或电压崩溃状况(即错误状况)使它们的DC输出极性反向，从而减小系统输出的DC电能的电压。这样做就限制了DC故障电流。
该变换器控制器108能够响应于错误状况关停所有的子模块112、114或使所有的子模块112、114短路。控制器108可通过关断到子模块单元的栅极信号，从而关停或短路变换器子模块112、114。各种错误状况可以导致控制器108采取纠正措施，例如短路、DC/AC电流超过最大值、过电压、系统电压下降到低于固定值或变换器操作点相关的值任一项等。在每一种情况下，控制器108可以检测错误状况，或者从外部检测器或另一控制器接收错误信息。
本文所述的基于涡轮的能量产生系统可以应用在具有不同配置的多种应用中。例如，基于涡轮的能量产生系统可用于风力、波浪、或潮汐发电应用中。
图4示出了部署在风塔应用中的基于涡轮的能量产生系统的一个实施例。根据该实施例，提供了风塔的组(场)。本文所述的基于涡轮的能量产生系统与每个单独的风塔相关联。为了便于说明，单个基于风塔的系统的部件在图4中示出。一些系统部件共同布置在物理的塔中(在图4中用文字标签“塔中”表示)，并且其它部件设置在塔的外部，例如在离岸(集群)平台上(在图4中用文字标签“在集群平台上”表示)，形成具有DC输出(DCOUT)的虚拟风塔场。在一个实施例中，每个涡轮102的至少一个转子(即转轴)和相应的发电机100被容纳在物理的风塔结构的舱内，而且变换器104位于舱的外部。典型的实用级别的风轮机的转子包括三个高科技叶片、轮毂、和旋转器。该风轮机的舱是盒状部件，其位于塔顶上并连接到所述转子。舱和发电机100被安装在高塔的顶部，以允许所述转子叶片最佳地利用风力。为了便于说明，所述转子、舱、和物理的塔结构未在图4中示出。风塔的这些部件是本领域技术人员熟知的，因此不再提供描述或说明。
在一个实施例中，风塔系统位于离岸。根据该实施例，变换器可以位于离岸平台上。然而，变换器可以位于相应的塔中或其它地方，这取决于特定的风塔应用。升压变压器106可以在与相应的涡轮102和发电机100相同的物理的风塔结构中，或在不同的结构中。
如图4所示，单独的升压变压器106和单独的变换器104被提供给风场中的每个风塔(其它风塔在图4中用文字标签“其它塔”表示)。可替换地，单独的升压变压器106可以被提供给风场中的每个风塔，而且单个变换器104可用于将来自所有升压变压器106的较高电压的AC电能转换为DC电能。在另一个实施例中，提供了单个升压变压器106，用于将来自所有发电机100的较低电压的AC电能转换为较高电压，而且提供了单个变换器104，用于将来自单个升压变压器106的较高电压的AC电能转换为DC电能。
通常，基于涡轮的能量产生系统中使用的升压变压器106可以是单个多相变压器，例如，具有如图1所示的三相。
图5示出了升压变压器106的另一个实施例，实现为多个芯部200，每一个芯部被耦合到发电机100的不同相202。变换器104的每个支路110被连接到升压变压器106的不同芯部200。该升压变压器106的芯部200可彼此垂直地间隔开，例如位于风塔或其它结构的不同层。变换器104的每个支路110可以位于与该变换器支路110被耦合到的变压器芯部200相同的风塔结构层上。这样，基于涡轮的能量产生系统的每相的部件可以容纳在一起并且所述相被置于风塔或其它结构中的隔开的层上。
图6示出了基于涡轮的能量产生系统的另一个实施例。根据该实施例，使用了多绕组升压变压器106(图5中示出了三相)。该多绕组升压变压器106将来自一侧的发电机100的较低电压的AC电能转换为通向另一侧上的变换器104的较高电压，如前面所描述的。在这种情况下，变换器104包括级联的基于MMC的整流器子系统300。使用基于MMC的整流器300降低了系统成本，同时保持发电机输出的高可控性，如前面所描述的。
图1-6所示的实施例可应用于任何基于涡轮的发电源(例如风能、潮汐等)，可使用同一变换器中的单极和/或双极单元，可使用在变压器输出处具有串联连接的整流器的多绕组升压变压器，可允许风塔或其它结构内的部件的不同物理位置，和/或可使用如本文前面所述的自耦变压器。
在一些示例中，具有DC输出的风塔可具有例如使变换器子模块，多个发电机到单个变压器和变换器的连接，具有在变换器的DC或AC侧的任一侧上的公共耦合点的多个涡轮，和/或风车的串联和并联连接开路或短路的保护动作。在另一个示例中，中压(MV)收集风电场可提供多个变换器到中压母线的连接。在这种情况下，风车发电机通过升压变压器与DC母线隔离，限制了短路电流。
图7示出了MV功率收集风电场的一个实施例，其采用本文所述的基于涡轮的能量产生系统，并具有MV DC功率收集。根据该实施例，MV功率收集风电场包括多个涡轮102，每个涡轮用于从流体流动中提取能量并将所提取的能量转换成机械能，多个发电机100，每个发电机用于将来自一个涡轮的机械能转换为AC电能，以及多个升压变压器106，每个升压变压器用于将来自一个发电机100的较低电压的AC电能转换为较高电压。该升压变压器106还将发电机100与MV功率收集风电场的高压部件隔离。
MV功率收集风电场还包括多个变换器104，每个变换器用于将来自一个升压变压器106的较高电压的AC电能转换为DC电能。每个变换器104包括变换器支路110，用于耦合到该变换器104的AC电能的每一相。每个变换器支路110具有上臂和下臂，上臂具有第一多个子模块，下臂具有第二多个子模块，每个子模块作为本文前面所述的受控电压源工作。为了便于说明，图7中没有示出变换器子模块。
每个发电机100是低压(LV)或中压(MV)发电机，其产生例如5-10MW的功率。该升压变压器106为发电机100提供高电压隔离，并增加发电机100的电压。变换器104串联连接，产生高压DC输出。逆变器400可以设置在MV功率收集风电场的DC输出(DCOUT)，用于将DC输出转换为AC。逆变器400可以是MMC或其他类型的逆变器。变压器402将来自逆变器400的AC电能例如耦合到AC电网或其它输电系统404。单独的控制器108/406可以被提供给每个变换器104以及逆变器400，用于控制变换器104和逆变器400的各个操作。该控制器108、406可以彼此协作，或者可以提供主控制器用于协调操作。
图8示出了MV功率收集风电场的另一个实施例。图8中所示的实施例类似于图7中所示，但是变换器104是并联连接而不是串联。
图9示出了MV功率收集风电场的又一个实施例。图9所示的实施例类似于图7中所示的，但是变换器104的第一组500被串联连接，并且变换器104的第二组502与第一组500并联连接。为了便于说明，包括变换器104的第二组502的基于涡轮的能量产生系统在图9中由单个虚线框表示，但是具有与图9中所示的包括串联连接的变换器104的第一组500的基于涡轮的能量产生系统相同或类似的结构。图7-9所示的一个或多个变换器104可以是MMC，如本文前面所述。
术语如“第一”、“第二”等被用于描述各种元件、区域、部分等，并不旨在进行限制。在整个说明书中，相同的术语表示相同的元件。
如本文所使用，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是开放性术语，表示具有所述元件或特征，但不排除其它的元件或特征。冠词“一”、“一个”和“所述”旨在包括复数以及单数，除非上下文另外清楚地指出。
对于上述范围的变化和应用，应该理解的是，本发明并不局限于前面的描述，也不限于附图。相反，本发明仅由所附权利要求及其合法的等效物限制。

Claims (20)

1.一种能量产生系统，包括：
涡轮(102)，所述涡轮可操作为从流体流动提取能量，并将所提取的所述能量转换为机械能；
发电机(100)，所述发电机可操作为将来自所述涡轮(102)的所述机械能转换为AC电能；
升压变压器(106)，所述升压变压器可操作为将来自所述发电机(100)的较低电压的所述AC电能转换为较高电压；以及
变换器(104)，所述变换器可操作为将所述较高电压的所述AC电能转换为DC电能，所述变换器(104)包括用于所述AC电能的一相的变换器支路(110)，所述变换器支路(110)具有上臂和下臂，所述上臂具有第一多个子模块(112)，并且所述下臂具有第二多个子模块(114)，每个子模块(112，114)可操作用于作为受控电压源工作。
2.根据权利要求1所述的能量产生系统，其中所述涡轮(102)的至少一个转子和所述发电机(100)被容纳在舱中，并且其中所述变换器(104)位于所述舱的外部。
3.根据权利要求1所述的能量产生系统，其中所述变换器(104)的每个子模块(112，114)包括单极单元或双极单元。
4.根据权利要求3所述的能量产生系统，其中具有所述双极单元的所述子模块(112，114)可操作为响应于检测到的DC故障或电压崩溃状况，降低所述DC电能的电压。
5.根据权利要求1所述的能量产生系统，还包括控制器(108)，所述控制器可操作为响应于由所述控制器(108)检测到的错误状况或由所述控制器(108)接收的错误信息，而关停所有的所述子模块(112，114)或使所有的所述子模块(112，114)短路。
6.根据权利要求1所述的能量产生系统，其中所述升压变压器(106)包括多个芯部(200)，每个芯部被耦合到所述发电机(100)的不同相(202)，并且其中所述变换器(104)具有多个变换器支路(110)，每个变换器支路(110)被连接到所述升压变压器(106)的不同芯部(200)。
7.根据权利要求6所述的能量产生系统，其中所述升压变压器(106)的所述芯部(200)彼此垂直地间隔开。
8.根据权利要求7所述的能量产生系统，其中每个变换器支路(110)位于风塔的与所述芯部(200)相同的层上，所述变换器支路(110)被耦合到所述芯部(200)。
9.根据权利要求1所述的能量产生系统，还包括至少一个模块化多级变换器(104)，所述至少一个模块化多级变换器与所述变换器(104)串联连接。
10.根据权利要求1所述的能量产生系统，其中所述发电机(100)可操作为输出3.3kV和13.8kV之间电压的所述AC电能，并且其中所述升压变压器(106)可操作为将来自所述发电机(100)的所述AC电能转换为至少10kV。
11.根据权利要求1所述的能量产生系统，其中所述升压变压器(106)是自耦变压器。
12.根据权利要求1所述的能量产生系统，还包括：
多个附加的涡轮(102)，每个涡轮可操作为从流体流动提取能量，并将所提取的所述能量转换为机械能；以及
多个发电机(100)，每个发电机可操作为将来自所述附加的涡轮(102)中的一个涡轮的所述机械能转换为AC电能。
13.根据权利要求12所述的能量产生系统，还包括多个附加的升压变压器(106)，每个升压变压器可操作为将来自所述附加的发电机(100)中的一个发电机的较低电压的所述AC电能转换为较高电压，并且其中相同的变换器(104)可操作为将来自所有所述升压变压器(106)的较高电压的所述AC电能转换为DC电能。
14.根据权利要求12所述的能量产生系统，其中相同的所述升压变压器(106)可操作为将来自所有发电机(100)的较低电压的所述AC电能转换为较高电压，并且其中相同的所述变换器(104)可操作为将来自所述升压变压器(106)的较高电压的所述AC电能转换为DC电能。
15.一种产生电能的方法，所述方法包括：
从流体流动中提取能量；
将所提取的所述能量转换为机械能；
将所述机械能转换为AC电能；
使用升压变压器将较低电压的所述AC电能转换为较高电压；以及
使用变换器将较高电压的所述AC电能转换为DC电能，所述变换器包括用于所述AC电能的一相的变换器支路，所述变换器支路具有上臂和下臂，所述上臂具有第一多个子模块，并且所述下臂具有第二多个子模块，每个子模块可操作用于作为受控电压源工作。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述变换器的每个子模块包括单极单元或双极单元，所述方法还包括响应于检测到的DC故障或电压崩溃状况，通过具有所述双极单元的所述子模块来降低所述DC电能的电压。
17.一种能量产生系统，包括：
多个涡轮(102)，每个涡轮可操作为从流体流动提取能量，并将所提取的所述能量转换为机械能；
多个发电机(100)，每个发电机可操作为将来自所述涡轮(102)中的一个涡轮的所述机械能转换为AC电能；
多个升压变压器(106)，每个升压变压器可操作为将来自所述发电机(100)中的一个发电机的较低电压的所述AC电能转换为较高电压；以及
多个变换器(104)，每个变换器可操作为将来自所述升压变压器(106)中的一个升压变压器的较高电压的所述AC电能转换为DC电能，每个变换器(104)包括用于耦合到所述变换器(104)的所述AC电能的每一相的变换器支路(110)，每个变换器支路(110)具有上臂和下臂，所述上臂具有第一多个子模块(112)，并且所述下臂具有第二多个子模块(114)，每个子模块(112，114)可操作用于作为受控电压源工作。
18.根据权利要求17所述的能量产生系统，其中所述变换器(104)为串联连接。
19.根据权利要求17所述的能量产生系统，其中所述变换器(104)为并联连接。
20.根据权利要求17所述的能量产生系统，其中所述变换器(104)的第一组(500)为串联连接，并且所述变换器(104)的第二组(502)与所述第一组(500)并联连接。
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