CN105048905B - 用于产生电功率的发电机 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于产生电功率的发电机，所述发电机包括：(a)发电机单元，其包括定子(313)和可旋转地支撑的转子，其中，定子包括第一组绕组和第二组绕组，并且其中，转子适于在转子相对于定子旋转时在第一组绕组中和在第二组绕组中感生电压，所述发电机还包括：(b)联接到第一组绕组的第一变换器，第一变换器适于将第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压；(c)DC输出，其联接到第一变换器以接收输出DC电压；以及(d)联接到第二组绕组和DC输出的第二变换器，第二变换器适于在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流。

Description

用于产生电功率的发电机
技术领域
本发明涉及用于产生电功率的发电机的领域，特别地涉及用于基于由风力涡轮机的例如旋转感应的交流电流产生输出DC电压的发电机。本发明还涉及用于产生电功率的系统和用于产生电功率的方法。
背景技术
在诸如风能发电的发电过程中，成熟的配置之一是使用全功率背靠背变换器系统。在这样的系统中，发电机(例如，风力涡轮机)由电压源变换器控制以将功率递送至DC链路，并且连接到此DC链路的另一个电压源变换器被控制以将功率馈送至电网。
在常规的全功率背靠背电压源变换器发电系统中，发电机变换器额定为具有与发电机相同水平的电压和电流。此外，变换器在脉冲宽度调制(PWM)模式下操作，以便将所需的电压和电流提供至发电机。考虑到在发电机和发电机控制动力学中的当前谐波和转矩波动，PWM切换必须以诸如2.5kHz的相对高的速率发生。由于每次切换在功率部件中造成额外的功率损失(和因此热量)，较高的切换频率将不仅造成降低的效率和对变换器冷却的增加的要求，而且更重要的是导致变换器的更短的寿命。后者对于海上风力发电应用来说是特别不期望的。
考虑到现有的功率部件技术，利用单个功率单元处理风力发电所需的功率水平是困难的。相反，常常使用模块化变换器，其中若干功率单元并联布置以用于提供所需的功率/电流水平。为了改善并联的模块之间的电流共享(尤其是在切换瞬间期间)，已经应用了专门的技术，例如脉冲插入或丢弃。然而，仍然采取了一些折衷，以允许较少的理想切换，并且必须使用更多的模块来产生所需的电流/功率裕度。然而，部件数量的增加意味着更高的成本和在系统水平上更低的可靠性。
对于常规变换器系统的技术挑战正变得越来越严重，因为风力发电正朝甚至更高的电压和更大的功率水平发展。
在文献中已经讨论了在DC链路中利用二极管整流器和升压变换器的若干备选的较低成本变换器技术。然而，发电机定子电流不能使用二极管整流器直接地和独立地控制。此外，在DC链路中使用升压变换器的已知的转矩波动方法的问题在于有限的可控性和由二极管整流器导致的增加的延迟。
因此，可能存在对没有上述缺点的发电机的需求，特别是这样的发电机，其能够可靠地满足关于高的电压和功率水平的需求，并且同时相对廉价且易于制造和实现。
发明内容
这种需求可由根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求描述。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生电功率的发电机，该发电机包括：(a)发电机单元，其包括定子和可旋转地支撑的转子，其中，定子包括第一组绕组和第二组绕组，并且其中，转子适于在转子相对于定子旋转时在第一组绕组中和在第二组绕组中感生电压，发电机还包括：(b)联接到第一组绕组的第一变换器，第一变换器适于将第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压；(c)DC输出，其联接到第一变换器以接收输出DC电压；以及(d)第二变换器，其联接到第二组绕组和DC输出，第二变换器适于在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流。
本发明的该方面基于以下思想：第一(或主要)组绕组和第一(或主)变换器主要用来发电，而第二(或辅助)组绕组和第二(或辅助)变换器主要用来在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流，以便在发电机单元上执行各种控制功能。由此，第一变换器可以在功率产生方面优化，而第二变换器可以在控制功能方面优化。由于第一变换器不需要涉及控制功能，第一变换器可以以简单方式设计成具有为了处理高功率水平而优化的廉价部件。另一方面，由于控制功能的性能涉及处理相比第一变换器显著小的功率，第二变换器可设计成执行控制功能，而不必考虑在高功率水平方面的上述考虑因素。这还具有以下优点：第二组绕组中的电流将显著低于第一组绕组中的电流。因此，用于第二绕组的线可具有显著更低的额定电流，即，不超过用于第一组绕组的线的额定电流的三分之一，并且可以相应地被添加到定子，而不招致大量的成本，并且不占用大量的空间。
换句话讲，根据此方面的发电机利用并联布置在发电机单元和DC输出之间的两个不同的变换器：主(第一)变换器，其用于提供实际的功率输出；以及辅助(第二)变换器，其用于处理控制功能，例如定子通量控制。
概括地说，该发电机能够可靠地产生显著量的功率，同时相对廉价且构造简单。
发电机单元可以是永磁电机、外部励磁的同步电机、感应电机、开关磁阻电机等。特别地，发电机单元可以是用于直驱式风力涡轮机的永磁电机。
根据本发明的一个实施例，第一变换器包括二极管全桥整流器，和/或第二变换器包括PWM全桥变换器。
换句话讲，第一变换器可包括具有简单且廉价的部件的标准全桥二极管整流器。由于换流自然地发生，整流器中的切换损失将是微不足道的。此外，由于二极管中相对低的电压降，传导损耗也将是低的。减小的应力意味着整流器将更可靠并且具有长的使用寿命。此外，由于自然切换，若干二极管整流器模块可并联布置以形成第一变换器。如果从成本效益角度来看是理想的，则可以使用诸如碳化硅二极管的高级二极管来进一步改善第一变换器的性能。
此外，第二变换器可包括常规的电压源全桥式变换器。由于其主要功能不是产生功率，而是在定子系统中生成控制电压和/或电流，第二变换器的额定功率可以显著低于在常规设计中的满额定值变换器(参见引言中的讨论)。考虑到在普通兆瓦发电机设计中的典型电流角，第二变换器只可以是全尺寸的三分之一或甚至更小。
因此，相比标准满功率背靠背变换器系统，实现了显著的简化和成本降低。
根据本发明的另一个实施例，第二变换器适于执行下列功能中的至少一个：(a)无传感器磁场定向矢量控制；(b)用于定子中的磁场减弱或磁场增强的Id电流控制；(c) DC输出电压调节(直接地或通过磁场控制)；(d)有功和无功功率控制(直接地或通过磁场控制)；(e)谐波电流控制，以补偿从整流器换流产生的谐波；(f)通过注入谐波电流进行的转矩波动或振动控制；(g)齿槽转矩控制；(h)通过第二系统中的磁场调节进行的发电机功率因数控制或效率控制；以及(i)各种其它控制功能，例如传动系阻尼控制和对电网故障情况的支持。
以上提及的控制功能类似于由常规满功率背靠背系统执行的功能，这里不再进一步讨论。相比常规的背靠背系统，第二变换器专用于这些功能，并且因此可以具有显著低的额定功率(同样参见上文)。
根据本发明的另一个实施例，发电机还包括用于控制第二变换器的操作的控制单元。
控制单元优选地适于与适当地布置的传感器连通，该传感器用于获得相关的测量数据。事实上，控制单元能够以与控制常规的背靠背变换器的方式类似的方式控制第二变换器，而不必处理实际的功率产出。
根据本发明的另一个实施例，控制单元适于基于测量数据控制第二变换器，该测量数据表示第一组绕组中的电流、第二组绕组中的电流、在DC输出处的电压和在DC输出处的电流。
用于获得和通信上述测量数据的传感器系统是本领域已知的，并且将不需要结合本发明的第二变换器实现任何显著的设计措施。
根据本发明的另一个实施例，定子包括多个定子狭槽以用于保持第一组绕组和第二组绕组，其中，每个定子狭槽保持第一组绕组中的至少一个绕组和第二组绕组中的至少一个绕组。
一般来讲，定子的设计对应于在定子狭槽中布置有一组绕组(通常在三相发电机中三个绕组)的常规定子。例如，在外部转子设计的情况中，第一组绕组可布置在定子狭槽的较深区域(即，最远离转子)中，而第二组绕组在顶部上，即，最靠近转子。不言而喻，绕组需要彼此适当地绝缘。
由于第一组绕组不需要像在满额定值背靠背变换器中那样传送全电流，第一组绕组的额定电流可以比常规系统中小。然而，需要调整匝数，以使得所生成的EMF与在输出处的所需DC电压相匹配。
类似地，辅助绕组主要需要传送用于执行控制功能的所需电流。因此，第二组绕组仅需要符合该额定电流，其不超过主绕组中的额定电流的三分之一。在第二组绕组中的匝数可以一定程度地小于第一组绕组中的匝数，使得来自辅助绕组的整流电压将低于第一组绕组的整流电压。另外的考虑因素可以是匝数应足够高，以允许第二组绕组形成所需的通量调节和/或在必要时产生所需的有功/无功功率。
一般来讲，发电机单元的设计可以相比常规设计略微调整，使得开路通量略微地较不饱和，并且使得当在额定条件下操作时，将几乎不需要磁场减弱，或者当在低发电机速度下操作时，将为磁场增强留下较小的空间。
根据本发明的另一个实施例，在第一组绕组中的绕组数目等于或大于在第二组绕组中的绕组数目。
在根据该实施例的一个示例中，第一组绕组和第二组绕组均具有三个绕组。这是标准的3相实施。
在根据该实施例的另一个示例中，第一组绕组具有六个绕组，并且第二组绕组具有三个绕组。在这种情况下，第一变换器设计成处理六个相。例如，第一变换器可构造为六支路二极管基整流器。由此，由二极管整流器操作造成的电流波动可以相比对应的3支路二极管基整流器显著减少，并且因此，可以进一步减小第二变换器的尺寸。
根据本发明的另一个实施例，第一变换器的输出DC电压等于第二变换器的输出DC电压，并且第一变换器和第二变换器并联地联接到DC输出。
换句话讲，第一和第二变换器具有相同的输出电压额定值，并且并联地布置在发电机单元和DC输出之间。
根据本发明的另一个实施例，第一变换器的输出DC电压大于第二变换器的输出DC电压，其中，第一变换器经由串联地连接的至少两个电容器联接到DC输出，并且其中，第二变换器经由所述至少两个电容器中的一个联接到DC输出。
在第一变换器为二极管基整流器并且第二变换器为在PWM模式下操作的全桥有功变换器的情况中，该实施例是特别有利的。在这种情况下，可以在第二变换器中使用较廉价的标准部件，并且同时可以在第二组绕组中实现较高的可控电流，这改善了发电机单元的可控性(较高的通量)。同时，在第一变换器(二极管整流器)上的电压水平可以保持相对较高，以便减小额定电流和电气损耗。
更具体而言，第一变换器可以是3.3kV的二极管基整流器，而第二变换器可以是具有低至480V或690V的标准额定值的相对廉价的有功变换器。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于生成电功率的系统，该系统包括根据前述权利要求中的任一项所述的多个发电机。
本发明的此方面基于以下思想：根据第一方面的多个有利的发电机布置成协同地操作。由此，提供了这样的功率产生系统：其能够产生显著量的功率，同时制造和维护成本仍然相对较低。
根据本发明的一个实施例，所述多个发电机中的至少一个发电机包括风力涡轮机。
特别地，该系统可以是风电场，例如海上风电场。备选地，该系统也可包含其它类型的发电机(除了所述至少一个风力涡轮机之外)，例如，潮汐涡轮机或蒸汽驱动涡轮机。
根据本发明的另一个实施例，该系统还包括用于连接到HVDC连接的DC/DC输出变换器，其中，所述多个发电机中的每个发电机的DC输出联接到DC/DC输出变换器。
通过连接到HVDC连接，可以优化例如从海上风电场到用户电网的长距离功率传输。
根据本发明的第三方面，提供了一种由发电机产生电功率的方法，该发电机包括：发电机单元，其具有定子和可旋转地支撑的转子，定子包括第一组绕组和第二组绕组，当转子相对于定子旋转时，转子在第一组绕组中和在第二组绕组中感生电压。该方法包括：(a)操作联接到第一组绕组的第一变换器以将第一组绕组中的交流电压变换为输出DC电压；(b)将第一变换器的输出DC电压提供至DC输出；以及(c)操作联接到第二组绕组和DC输出的第二变换器以在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流。
本发明的此方面基于与上述第一方面基本上相同的思想。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于生成电功率的风力涡轮机，该风力涡轮机包括根据第一方面或上述实施例中的任一个的发电机。
风力涡轮机优选地为直驱式风力涡轮机。
应当指出，本发明的实施例已参照不同的主题进行了描述。特别地，一些实施例已参照设备类权利要求进行描述，而其它实施例已参照方法类权利要求进行描述。然而，本领域的技术人员将从上面和下面的描述想到，除非另外指出，除了属于一类主题的特征的任何组合之外，与不同主题有关的特征的任何组合、特别是方法类权利要求的特征和设备类权利要求的特征的组合也是本文献的公开内容的一部分。
以上限定的方面和本发明的另外的方面从下文将描述的实施例的示例显而易见，并且参照该实施例的示例加以说明。下面将参照实施例的示例更详细地描述本发明。然而，应当明确指出的是，本发明不限于所描述的示例性实施例。
附图说明
图1示出了根据现有技术的发电机。
图2示出了根据本发明的一个实施例的发电机。
图3示出了根据本发明的一个实施例的发电机的定子。
图4示出了根据本发明的一个实施例的发电机。
图5示出了根据本发明的一个实施例的发电机。
图6示出了根据本发明的一个实施例的系统。
图7示出了根据比较例的系统。
具体实施方式
附图中的图示为示意性的。应当指出，在不同附图中，类似或相同的元件具有相同的附图标记，或者具有仅在第一位中不同的附图标记。
图1示出了根据现有技术的发电机。
更具体而言，图1示出了包括诸如风力涡轮机发电机的发电机单元101和电压源变换器系统102的发电机，电压源变换器系统102用于将由发电机单元101输出的3相交流电压变换成输出DC电压。输出DC电压被馈送至电网140。如在本申请的引言中所讨论的，电压源变换器系统102以PWM模式操作，以便既提供输出DC电压，又对发电机单元执行各种控制功能，例如通量控制(Id电流)和谐波电流的注入以用于减小转矩波动等。
图2示出了根据本发明的一个实施例的发电机。如图所示，发电机包括发电机单元210、第一(或主)变换器220和第二(或辅助)变换器230。第一变换器220联接到发电机单元210的第一组绕组211。第二变换器230联接到发电机单元210的第二组绕组212。当发电机单元210的转子(未示出)例如由于风而相对于发电机单元210的定子(未示出)旋转时，第一变换器220和第二变换器230均适于基于在第一组绕组211和第二组绕组212中感应的相应的交流电压而生成输出DC电压。第一变换器220和第二变换器230两者的DC输出连接到电网240。
第一变换器210为全桥二极管整流器，其设计成执行主功率变换。第二变换器为PWM全桥变换器，其具有与图1中所示现有技术变换器102基本上相同的结构。然而，此处第二变换器230设计成主要执行控制功能，例如用于通量控制的Id电流的生成、用于转矩波动补偿的谐波电流的注入等。由第二变换器230执行的控制功能通过控制单元(未示出)控制，该控制单元适于控制第二变换器230。为此，控制单元可以从本领域已知的适当地布置的传感器接收测量数据，例如，第一组绕组中的电流、第二组绕组中的电流、在DC输出处的电压和在DC输出处的电流。
图3示出了根据本发明的一个实施例的诸如图2中所示发电机的发电机的定子313的一部分。如图所示，定子313包括具有多个定子狭槽315的定子主体314。在每个狭槽315的下部中，布置有第一组绕组211中的一个绕组316a、316b、316c。在每个绕组316a、316b、316c的顶部上，布置有第二组绕组212中的一个绕组317a、317b、317c。因此，每个狭槽315包括第一组绕组211中的一个绕组316a、316b、316c和第二组绕组212中的一个绕组317a、317b、317c。在图3中所示实施例中，第二组绕组212的绕组317a、317b、317c布置成比第一组绕组211的绕组316a、316b、316c更靠近转子(未示出)。
图4示出了根据本发明的一个实施例的发电机。图4的发电机与图2中所示发电机的区别仅在于：第一变换器421为六支路二极管整流器，并且发电机410’包括具有六个绕组的第一组绕组411’。也就是说，在该实施例中，功率由六相发电机生成，而第二变换器430是类似于图2中所示第二变换器230的3相变换器。然而，由于第一变换器421将产生比图2的第一变换器220小的电流波动，在该实施例中的第二变换器430可能不需要能够提供与图2中的第二变换器230一样多的控制电流。因此，第二变换器430可以比第二变换器230更小且因此更廉价。
图5示出了根据本发明的一个实施例的发电机。根据该实施例的发电机与在图2和图4中所示发电机的区别在于，第一变换器522的输出DC电压大于第二变换器532的输出DC电压。否则，第一变换器522相当于变换器220和421中的任一者，并且第二变换器532相当于变换器230和430中的任一者。为了合并第一变换器522和第二变换器532的不同的输出DC电压，在第一变换器522的DC输出端子之间的电容器形成为电容器C11、C12和C13的串联连接，并且第二变换器532的输出DC电压仅与电容器C11通过类似的电容器C21并联联接。
由此，第二变换器532可以是比此前的实施例的第二变换器230和430甚至更简单和廉价的。
图6示出了根据本发明的一个实施例的系统。更具体而言，该系统包括对应于图5中所示发电机的多个发电机650(仅示出一个)。然而，应当指出，发电机650可被替换成根据本发明的任何其它实施例的发电机。发电机650经由共用的DC链路641并联连接，DC链路641又连接到DC/DC变换器660的输入。DC变换器将由发电机650提供的输出DC电压变换为适合HVDC连接670的电压。
图6中所示系统可以例如适用于定位在离海岸和因此用户电网相当大的距离处的大型海上风电场。
图7示出了根据比较例的系统。更具体而言，图7示出了包括具有第一组绕组711和第二组绕组712的发电机单元710的结构。第一组绕组711连接到第一变换器(二极管整流器) 722，第一变换器又经由第一电网变换器781联接到3绕组变压器784。第二组绕组712连接到第二变换器782，第二变换器782又通过第二电网变换器783联接到变压器784。
图7中所示系统特别在发电机710启动时可用作励磁器。在这种情况下，第二变换器783和第二电网变换器782可提供用于第二组绕组的控制电流，其方式类似于上述实施例中那样，但此时使用在变压器784的另一侧处来自电网的功率。
如在上述实施例中所示，实现了包括辅助绕组、辅助变换器和辅助控制器的辅助系统，以用于执行各种控制功能，使得主系统可以处理实际功率产生。在某些情况下，辅助系统也用来生成功率。此外，辅助系统也可用于马达驱动以适合各种目的，例如风力涡轮机元件(例如，叶片、舱体等)的定位。
应当指出，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一个”或“一种”的使用不排除复数。结合不同的实施例描述的元件也可被组合。还应当指出，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种用于产生电功率的发电机，所述发电机包括：
发电机单元(210, 410’, 510, 610)，其包括定子(313)和可旋转地支撑的转子，
其中，所述定子包括第一组绕组(211, 411’, 511, 611)和第二组绕组(212, 412,512, 612)，并且
其中，当所述转子相对于所述定子旋转时，所述转子适于在所述第一组绕组中和在所述第二组绕组中感生电压，
所述发电机还包括：
联接到所述第一组绕组的第一变换器(220, 421, 522, 622)，所述第一变换器适于将所述第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压，
DC输出，其联接到所述第一变换器以接收所述输出DC电压，以及
联接到所述第二组绕组和所述DC输出的第二变换器(230, 430, 532, 632)，所述第二变换器适于在所述第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流，以便在所述发电机单元上执行控制功能，
其中，所述第一变换器用于发电，并且包括二极管全桥整流器，
其中，所述第二变换器用于执行控制功能，并且包括PWM全桥变换器，
其中，所述第二变换器适于执行以下功能中的至少一种：无传感器磁场定向矢量控制、用于磁场减弱或磁场增强的Id电流控制、DC输出电压调节、有功和无功功率控制、谐波电流控制、转矩波动或振动控制、齿槽转矩控制、通过磁场调节进行的发电机功率因数控制或效率控制，
其中，所述发电机还包括控制单元，所述控制单元适于基于测量数据来控制所述第二变换器，所述测量数据表示所述第一组绕组中的电流、所述第二组绕组中的电流、在所述DC输出处的电压和在所述DC输出处的电流。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述定子包括多个定子狭槽(315)以用于保持所述第一组绕组和所述第二组绕组，其中，每个定子狭槽保持所述第一组绕组中的至少一个绕组(316a, 316b, 316c)和所述第二组绕组中的至少一个绕组(317a, 317b, 317c)。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，在所述第一组绕组中的绕组数目等于或大于在所述第二组绕组中的绕组数目。
4.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述第一变换器的所述输出DC电压等于所述第二变换器的输出DC电压，并且其中，所述第一变换器和所述第二变换器并联地联接到所述DC输出。
5.根据权利要求1或2所述的发电机，其中，所述第一变换器的所述输出DC电压大于所述第二变换器的输出DC电压，其中，所述第一变换器经由串联地连接的至少两个电容器(C11, C12, C13)联接到所述DC输出，并且其中，所述第二变换器经由所述至少两个电容器中的一个联接到所述DC输出。
6.一种用于生成电功率的系统，所述系统包括根据权利要求1至5中的任一项所述的多个发电机(650)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述多个发电机中的至少一个发电机包括风力涡轮机。
8.根据权利要求6或7所述的系统，还包括用于连接到HVDC连接(670)的DC/DC输出变换器(660)，其中，所述多个发电机中的每个发电机的所述DC输出联接到所述DC/DC输出变换器。
9.一种由发电机产生电功率的方法，所述发电机包括具有定子和可旋转地支撑的转子的发电机单元，所述定子包括第一组绕组和第二组绕组，当所述转子相对于所述定子旋转时，所述转子在所述第一组绕组中和在所述第二组绕组中感生电压，所述方法包括：
操作联接到所述第一组绕组的第一变换器，以将所述第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压，
将所述第一变换器的所述输出DC电压提供至DC输出，以及
操作联接到所述第二组绕组和所述DC输出的第二变换器以在所述第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流，以便在所述发电机单元上执行控制功能，
其中，所述第一变换器用于发电，并且包括二极管全桥整流器，
其中，所述第二变换器用于执行控制功能，并且包括PWM全桥变换器，
其中，所述第二变换器适于执行以下功能中的至少一种：无传感器磁场定向矢量控制、用于磁场减弱或磁场增强的Id电流控制、DC输出电压调节、有功和无功功率控制、谐波电流控制、转矩波动或振动控制、齿槽转矩控制、通过磁场调节进行的发电机功率因数控制或效率控制，
其中，所述发电机还包括控制单元，所述控制单元适于基于测量数据来控制所述第二变换器，所述测量数据表示所述第一组绕组中的电流、所述第二组绕组中的电流、在所述DC输出处的电压和在所述DC输出处的电流。
10.一种用于生成电功率的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求1至5中的任一项所述的发电机(650)。
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