CN105322772A - 用于在不利电压事件期间保护功率转换器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明题为用于在不利电压事件期间保护功率转换器的系统和方法。本公开针对用于在不利电压事件、例如高压穿越(HVRT)事件期间保护可再生能量电力系统的功率转换器(162)以及与电力网(160)连接的独立能量储存系统(200)的系统和方法。在一个实施例中，方法包括经由控制系统(174)来监测功率转换器(162)的电流-电压参数，其中电流-电压参数指示不利电压事件在电力网(160)发生。另一个步骤包括当电流-电压参数指示不利电压事件正发生时，经由开关电源(220)将能量从功率转换器(162)的DC链路(136)传递给与功率转换器(162)耦合的能量储存系统(200)的一个或多个能量储存装置(212)。

Description

用于在不利电压事件期间保护功率转换器的系统和方法
技术领域
一般来说，本公开涉及功率转换器，以及更具体来说，涉及用于在不利电压事件、例如高压穿越(HVRT)事件期间保护连接到电力网的功率转换器的系统和方法。
背景技术
电池能量储存系统(BESS)表示一种用来在电力网中大规模地储存电力的系统。例如，当电力系统的生产超过消耗时，BESS配置成储存电能。这样，电能生产不必急剧扩大和缩小以满足暂时消耗。生产而是可保持在更恒定水平。因此，电力系统能够在恒定生产水平更有效和轻松地操作。
BESS能够是独立系统，或者可结合到可再生能量电力系统中，以提供能量储存能力。独立BESS一般经由开关电源、例如DC-AC功率转换器连接到电力网。此外，典型独立BESS包括一个或多个能量储存装置(例如电池)，其经由DC链路和桥接电路来耦合到开关电源。独立BESS能够用于商业/工业设备的调峰、缓冲配电网中的峰值负荷、能量交易、缓冲太阳能电力(例如在夜间)、太阳能/风力发电的升级心服许多其他适当应用。
可再生能量电力系统、例如风能电力系统和太阳能电力系统通常还包括功率转换器，其中具有与独立BESS非常相像的调节DC链路。例如，风力电力系统、例如风力驱动双馈感应发电机(DFIG)系统或者全功率转换系统通常包括具有AC-DC-AC拓扑的功率转换器。太阳能电力系统通常包括功率转换器，其具有DC-DC-AC拓扑或者单级DC-AC拓扑。BESS可耦合到可再生能量电力系统的功率转换器的DC链路，并且能够例如用来在瞬态条件期间将电力施加到功率转换器的DC链路或者从DC链路得到电力。能够提供开关电源，以便在功率转换器的DC链路与BESS之间来回传递能量。例如，开关电源常常是DC-DC转换器，其配置成将DC链路上的第一电压转换成BESS的第二电压，反过来也是一样。此外，能够期望可再生能量电力系统的开关电源是双向的，以便不仅允许瞬变条件期间从BESS到DC链路的电力流，而且还允许从DC链路到BESS的电力流、例如以对BESS充电。
为了向电力网供应电力，可再生能量电力系统和/或能量储存系统需要符合某些要求。例如，可再生能量电力系统和/或能量储存系统可需要提供高压穿越(HVRI)能力或者低压穿越(LVRT)能力。HVRT能力表示系统在过电压条件期间保持连接到电力网的能力。类似地，LVRT能力表示系统在低电压条件期间保持连接到电力网的能力。但是，由于电力网中的这些条件的任一个可引起对功率转换器的操作的问题，所以期望设计能量系统，以便适应高或低电压事件，而没有损坏系统组件。
例如，各种电力系统采用了动态制动器，其具有制动斩波器和电阻元件，其配置有DC链路电容器以调节DC链路电压，如标题为“WindTurbineHavingaHigh-VoltageRideThrough(HVRT)Mode”的美国专利No.8432055中所述，通过引用将其结合到本文中。在另一个示例中，可提供具有较高击穿电压的较大和大容量DC链路电容器。在又一示例中，如果功率转换器采用半导体开关、例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者集成栅换向晶闸管(IGCT)，则过电压或者过电流条件可施加应力或者使功率转换器中的开关是不可操作的。相应地，可提供将功率转换器连接到电力网的线路电感器，其具有较高额定电压，以保护位于功率转换器中的开关。但是，提供较大的大容量电容器和电感器对风力涡轮机增加成本和复杂度。
鉴于以上所述，向能量储存系统和/或可再生能量电力系统提供改进HVRT或LVRT能力也会是有利的。因此，本公开针对用于在这种不利电压事件期间保护独立能量储存系统的功率转换器和/或可再生能量电力系统的功率转换器的系统和方法。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分提出，或者通过描述可以是显然的，或者可通过实施本发明来了解。
本公开的一个示例方面针对一种用于在不利电压事件期间保护连接到电力网的可再生能量电力系统的功率转换器的方法。该方法包括经由控制系统将功率转换器的DC链路的DC链路电压调节到标称范围电压。另一个步骤包括经由控制系统来监测DC链路的DC链路电压。基于被监测DC链路电压，该方法包括当DC链路电压超越DC链路额定电压时，经由开关电源将能量从DC链路传递给能量储存系统的一个或多个能量储存装置，其中高于DC链路额定电压的电压值指示不利电压事件在电力网发生。
在一个实施例中，DC链路额定电压包括DC链路配置成在基本上确保DC链路的操作时要耐受所指定时间段的最大电压量。在另一个实施例中，监测DC链路的DC链路电压的步骤还包括经由一个或多个传感器来确定实际DC链路电压或者经由计算机模型来估计实际DC链路电压中的至少一个。在另一实施例中，该方法包括当实际DC链路电压超越DC链路额定电压时，将能量从DC链路传递给能量储存系统的一个或多个能量储存装置，直到DC链路电压低于DC链路额定电压(即，返回到低于DC链路额定电压的电压值)。
在某些实施例中，开关电源包括DC-DC功率转换器等。在其他实施例中，一个或多个能量储存装置包括电池储存装置、电容器、电池模块等的至少一个。在另一个实施例中，不利电压事件可包括高压穿越(HVRT)事件或者低压穿越(LVRT)事件中的至少一个。在附加实施例中，可再生能量电力系统可包括风力涡轮机电力系统、太阳能电力系统或者任何其他适当电力系统中的至少一个。
在另一方面，本公开针对一种用于在不利电压事件期间保护连接到电力网的可再生能量电力系统的功率转换器的方法。该方法包括经由控制系统来监测功率转换器的电流-电压参数，其中电流-电压参数指示不利电压事件在电力网发生。另一个步骤包括当电流-电压参数指示不利电压事件正发生时，经由开关电源将能量从功率转换器的DC链路传递给与功率转换器耦合的能量储存系统的一个或多个能量储存装置。
在各个实施例中，电流-电压参数可包括DC链路电压、电力网电压、调制指数极限、DC链路电流、电力网电流或者指示不利电压事件在电力网发生的任何其他适当参数中的至少一个。因此，在一个实施例中，该方法还可包括当被监测DC链路电压超越DC链路额定电压时，将能量从DC链路传递给能量储存系统的一个或多个能量储存装置，直到DC链路电压等于或低于DC链路额定电压。在另一实施例中，DC链路额定电压包括DC链路配置成在基本上确保DC链路的操作时要耐受所指定时间段的最大电压量。还应当理解，该方法还可包括如本文所述附加步骤和/或特征的任一个。
在又一方面，本公开针对一种用于在不利电压事件期间保护连接到电力网的能量储存系统的功率转换器的方法。该方法包括经由控制系统来监测能量储存系统的电流-电压参数，其中电流-电压参数指示不利电压事件在电力网发生。另一个步骤包括当电流-电压参数指示不利电压事件正发生时，经由一个或多个开关元件将能量从能量储存系统的DC链路传递给能量储存系统的一个或多个能量储存装置。
在各个实施例中，电流-电压参数可包括DC链路电压、电力网电压、调制指数极限、DC链路电流、电力网电流或者指示不利电压事件在电力网发生的任何其他适当参数中的至少一个。在一个实施例中，不利电压事件可包括高压穿越(HVRT)事件或者低压穿越(LVRT)事件中的至少一个。此外，在一个实施例中，一个或多个开关元件可包括至少一个绝缘栅双极晶体管或者任何其他适当开关元件。还应当理解，该方法还可包括如本文所述附加步骤和/或特征的任一个。
技术方案1：一种用于在不利电压事件期间保护与电力网连接的可再生能量电力系统的功率转换器的方法，所述方法包括：
经由控制系统将所述功率转换器的DC链路的DC链路电压调节到标称范围电压；
经由所述控制系统来监测所述DC链路的所述DC链路电压；以及
当所述DC链路电压超越DC链路额定电压时，经由开关电源将能量从所述DC链路传递给能量储存系统的一个或多个能量储存装置，其中高于所述DC链路额定电压的电压值指示不利电压事件在所述电力网发生。
技术方案2：如技术方案1所述的方法，其中，所述DC链路额定电压包括所述DC链路配置成在基本上确保所述DC链路的操作时要耐受所指定时间段的最大电压量。
技术方案3：如技术方案1所述的方法，其中，监测所述DC链路的所述DC链路电压还包括经由一个或多个传感器来确定实际DC链路电压或者经由计算机模型来估计所述实际DC链路电压中的至少一个。
技术方案4：如技术方案1所述的方法，还包括当所述实际DC链路电压超越所述DC链路额定电压时，将能量从所述DC链路传递给所述能量储存系统的所述一个或多个能量储存装置，直到所述DC链路电压等于或低于所述DC链路额定电压。
技术方案5：如技术方案1所述的方法，还包括监测所述能量储存装置的储存容量，以确保所述储存容量能够接收来自所述DC链路的能量。
技术方案6：如技术方案1所述的方法，其中，所述开关电源包括DC-DC功率转换器。
技术方案7：如技术方案1所述的方法，其中，所述一个或多个能量储存装置还包括电池储存装置、电容器或电池模块中的至少一个。
技术方案8：如技术方案1所述的方法，其中，所述不利电压事件包括高压穿越(HVRT)事件或者低压穿越(LVRT)事件中的至少一个。
技术方案9：如技术方案1所述的方法，其中，所述可再生能量电力系统包括风力涡轮机电力系统或太阳能电力系统中的至少一个。
技术方案10：一种用于在不利电压事件期间保护与电力网连接的可再生能量电力系统的功率转换器的方法，所述方法包括：
经由控制系统来监测所述功率转换器的电流-电压参数，其中所述电流-电压参数指示不利电压事件在所述电力网发生；以及
当所述电流-电压参数指示不利电压事件正发生时，经由开关电源将能量从所述功率转换器的DC链路传递给与所述功率转换器耦合的能量储存系统的一个或多个能量储存装置。
技术方案11：如技术方案10所述的方法，其中，所述电流-电压参数包括DC链路电压、电力网电压、调制指数极限、DC链路电流或电力网电流中的至少一个。
技术方案12：如技术方案11所述的方法，还包括：
监测所述能量储存装置的储存容量，以确保所述储存容量能够接收来自所述DC链路的能量；以及
当所述DC链路电压超越DC链路额定电压时，将能量从所述DC链路传递给所述能量储存系统的一个或多个能量储存装置，直到所述DC链路电压等于或低于所述DC链路额定电压。
技术方案13：如技术方案12所述的方法，其中，所述DC链路额定电压包括所述DC链路配置成在基本上确保所述DC链路的操作时要耐受所指定时间段的最大电压量。
技术方案14：如技术方案10所述的方法，其中，所述开关电源包括DC-DC功率转换器。
技术方案15：如技术方案10所述的方法，其中，监测所述电流-电压参数还包括经由一个或多个传感器来确定所述电流-电压参数或者经由计算机模型来估计所述电流-电压参数中的至少一个。
技术方案16：如技术方案10所述的方法，其中，所述不利电压事件包括高压穿越(HVRT)事件或者低压穿越(LVRT)事件中的至少一个。
技术方案17：一种用于在不利电压事件期间保护与电力网连接的能量储存系统的功率转换器的方法，所述方法包括：
经由控制系统来监测所述能量储存系统的电流-电压参数，其中所述电流-电压参数指示不利电压事件在所述电力网发生；以及
当所述电流-电压参数指示不利电压事件正发生时，经由一个或多个开关元件将能量从所述能量储存系统的DC链路传递给所述能量储存系统的一个或多个能量储存装置。
技术方案18：如技术方案17所述的方法，其中，所述电流-电压参数包括DC链路电压、电力网电压、调制指数极限、DC链路电流或电力网电流中的至少一个。
技术方案19：如技术方案17所述的方法，其中，所述不利电压事件包括高压穿越(HVRT)事件或者低压穿越(LVRT)事件中的至少一个。
技术方案20：如技术方案17所述的方法，其中，所述一个或多个开关元件包括至少一个绝缘栅双极晶体管。
通过参照以下描述和所附权利要求书，将会更好地理解本发明的这些及其他特征、方面和优点。结合在本说明中并且构成其组成部分的附图示出本发明的实施例，并且连同描述一起用于说明本发明的原理。
附图说明
针对本领域的技术人员的本发明的全面和开放公开、包括其最佳模式在说明书中提出，其中参照附图，附图包括：
图1示出按照本公开的示例可再生能量电力系统的一个实施例；
图2示出适合与图1所示可再生能量电力系统配合使用的控制系统的一个实施例的框图；
图3示出按照本公开、耦合到功率转换器的DC链路的示例能量储存系统的一个实施例；
图4示出按照本公开、用于能量储存系统的开关电源的示例拓扑的一个实施例；
图5示出按照本公开的示例独立能量储存系统的一个实施例；以及
图6示出按照本公开、操作能量储存系统的示例方法的流程图的一个实施例。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，附图中示出其一个或多个示例。各示例作为对本发明的说明而不是限制来提供。实际上，本领域的技术人员将会清楚地知道，能够对本发明进行各种修改和变更，而没有背离本发明的精神和范围。例如，作为一个实施例所示或所述的特征能够与另一个实施例配合使用，以便产生又一个实施例。因此，预计本发明涵盖落入所附权利要求书及其等效体的范围之内的这类修改和变更。
一般来说，本公开针对用于向与电力网耦合的独立电池能量储存系统(BESS)或者与电力网耦合的可再生能量电力系统提供高压穿越(HVRT)或者低压穿越(LVRT)能力的系统和方法。更具体来说，在一个实施例中，BESS能够耦合到可再生能量电力系统的功率转换器的DC链路。例如，BESS能够耦合到风力能量电力系统中使用的AC-DC-AC转换器的DC链路。作为另一个示例，BESS能够耦合到太阳能系统中使用的DC-DC-AC转换器的DC链路。BESS通常包括一个或多个能量储存装置，例如电池储存装置、电容器或者任何其他适当能量储存装置。开关电源、例如DC-DC功率转换器能够耦合在BESS与功率转换器的DC链路之间，以用于在其之间传递能量。
更具体来说，控制系统能够控制开关电源，以调节BESS与可再生能量电力系统之间的电力流。例如，控制系统能够配置成将DC链路电压调节到标称范围电压。控制系统还可配置成监测DC链路电压，以确保实际DC链路电压处于标称范围电压的某个百分比之内。如果DC链路电压超越某个电压阈值(例如，DC链路额定电压，其指示不利电压事件在电力网发生)，则控制系统配置成将能量从DC链路传递给BESS的一个或多个能量储存装置，直至DC链路电压返回到低于DC链路额定电压的电压值。
本公开具有现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开向可再生能量电力系统和/或能量储存系统提供HVRT或LRVT能力，而无需附加硬件安装。因此，本公开提供降低的制造和安装成本。另外，本公开提供改进的能量吸收能力。
现在参照附图，图1示出按照本公开的一个实施例的示例风力驱动双馈感应发电机(DFIG)系统100。为了便于说明和论述，参照图1的DFIG风力涡轮机来论述本公开的示例方面。使用本文所提供的公开，本领域的技术人员应当理解，本公开的示例方面在诸如风力、太阳能、燃气涡轮机或者其他适当电力生成系统之类的其他电力系统中也是可适用的。
在示例系统100中，转子106包括多个转子叶片108，其耦合到可旋转轮毂110，并且共同限定推进器。推进器耦合到可选变速箱118，其又耦合到发电机120。按照本公开的方面，发电机120可以是任何适当发电机，包括但不限于双馈感应发电机(DFIG)或者全馈感应发电机。发电机120通常经由转子母线156耦合到定子母线154和功率转换器162。定子母线154从发电机120的定子来提供输出多相电力(例如三相电力)，以及转子母线156提供发电机120的转子的输出多相电力(例如三相电力)。
参照功率转换器162，DFIG120经由转子母线156耦合到转子侧转换器166。转子侧转换器166耦合到线路侧转换器168，其又耦合到线路侧母线188。在示例配置中，转子侧转换器166和线路侧转换器168配置用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关元件的三相脉宽调制(PWM)布置的正常操作模式。转子侧转换器166和线路侧转换器168能够经由DC链路136(跨其上是DC链路电容器138)来耦合。
功率转换器162能够耦合到控制系统174，以控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作以及电力系统100的其他方面。例如，如图2具体所示，控制系统174能够包括任何数量的控制装置。在一个实现中，例如，控制系统174能够包括一个或多个处理器176和关联存储器装置178，其配置成执行多种计算机实现功能和/或指令(例如，如本文所公开执行方法、步骤、计算等并且存储相干数据)。指令在由处理器176运行时能够使处理器176执行操作，包括向功率转换器162的开关元件提供控制命令(例如脉宽调制命令)以及电力系统100的其他方面。另外，控制系统174还可包括通信模块180，以促进控制系统174与电力系统100的各种组件、例如图1的组件的任一个之间的通信。此外，通信模块180可包括传感器接口182(例如一个或多个模数转换器)，以准许从一个或多个传感器所传送的信号被转换为能够由处理器176来理解和处理的信号。应当理解，传感器(例如传感器181、183、185)可使用任何适当方式在通信上耦合到通信模块180。例如，如图2所示，传感器181、183、185经由有线连接耦合到传感器接口182。但是，在其他实施例中，传感器181、183、185可经由无线连接、例如通过使用本领域已知的任何适当无线通信协议来耦合到传感器接口182。因此，处理器176可配置成从传感器接收一个或多个信号。
如本文所使用的术语“处理器”不仅表示本领域中说成是包含在计算机中的集成电路，而且还表示控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路和其他可编程电路。处理器176还配置成计算高级控制算法，并且传递给多种基于以太网或串行的协议(Modbus、OPC、CAN等)。另外，(一个或多个)存储器装置178一般可包括但不限于计算机可读介质(例如随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如闪速存储器)、软盘、致密光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其他适当存储器元件。(一个或多个)这种存储器装置178一般可配置成存储适当计算机可读指令，其在由(一个或多个)处理器176实现时将控制系统174配置成执行如本文所述的各种功能。
在操作中，在DFIG120通过转子106的旋转所生成的交流电力经由双路提供给电力网160。双路通过定子母线154和转子母线156来限定。在转子母线侧156，将正弦多相(例如三相)交流(AC)电力提供给功率转换器162。转子侧功率转换器166将从转子母线156所提供的AC电力转换为直流(DC)电力，并且将DC电力提供给DC链路136。转子侧功率转换器166的桥接电路中使用的开关元件(例如IGBT)能够调制成将从转子母线156所提供的AC电力转换为适合于DC链路136的DC电力。
线路侧转换器168将DC链路136上的DC电力转换为适合于电力网160的AC输出电力。具体来说，线路侧功率转换器168的桥接电路中使用的开关元件(例如IGBT)能够调制成将DC链路136上的DC电力转换为线路侧母线188上的AC电力。来自功率转换器162的AC电力能够与来自DFIG120的定子的电力相结合，以提供具有基本上保持在电力网160的频率(例如50Hz/60Hz)的频率的多相电力(例如三相电力)。
各种断路器和开关、例如转换器断路器186能够包含在系统100中，以便例如当电流过剩并且能够损坏风力涡轮机系统100的组件时或者由于其他操作考虑因素，连接或断开对应母线。附加保护组件也能够包含在风力涡轮机系统100中。
功率转换器162能够从例如控制系统174接收控制信号。控制信号能够基于风力涡轮机系统100的所感测条件或工作特性等等。控制信号通常提供功率转换器162的操作的控制。例如，采取DFIG120的所感测速率的形式的反馈能够用来控制来自转子母线156的转换，以保持正确和平衡多相(例如三相)电源。来自其他传感器的其他反馈也能够由控制系统174用来控制功率转换器162，包括例如定子和转子母线电压和电流反馈。使用各种形式的反馈信息，能够生成开关控制信号(例如，IGBT的栅极定时命令)、定子同步控制信号和断路器信号。
仍然参照图1，电池能量储存系统(BESS)200能够耦合到电力系统100的功率转换器162。为了便于说明和论述，参照电池能量储存系统来论述本公开。使用本文所提供的公开，本领域的技术人员应当理解，本公开的方面在其他能量储存系统和不同风力涡轮机配置和/或功率转换器拓扑中也是可适用的。如所示实施例所示，电池能量储存系统200能够并联地耦合到功率转换器162的DC链路136，以控制DC链路电压。也就是说，控制系统174可向DC链路136供应电压，直至DC链路电压达到DC链路额定电压。一旦DC链路电压达到或者至少大致等于DC链路额定电压，控制系统174通过将能量从DC链路136传递给能量储存系统200来调节DC链路电压。此外，电池能量储存系统200能够用来在某些条件下向DC链路136提供电力。例如，电池能量储存系统200能够用来向DC链路136提供电力，以在风速下降时增加电力系统100的输出。在DFIG系统100的操作期间，电力也能够在能量储存系统200中供应和储存。
现在参照图3，示出耦合到功率转换器162的DC链路136的示例电池能量储存系统200。如所示，能量储存系统200能够包括一个或多个能量储存装置212。更具体来说，如所示，能量储存系统200包括四个电池储存装置212。在其他实施例中，能量储存系统200可包括多于四个或者少于四个电池储存装置212。在又一些附加实施例中，能量储存系统200可包括电池储存装置、电容器、电池模块等的至少一个。此外，如所示实施例所示，电池能量储存系统200能够经由开关电源220、例如DC-DC功率转换器来耦合到DC链路136。因此，开关电源220能够将DC链路136上的DC电力转换成适合于传递给能量储存系统200的DC电压。
现在参照图4，示出按照本公开的能量储存系统200的开关电源220的示例拓扑。如所示，开关电源220可包括桥接电路310，其具有相互串联耦合的一个或多个开关元件312、314(例如IGBT或其他开关元件)。开关元件312、314能够例如由控制系统174(图1和图2)来控制，以调节送往能量储存系统200的电力流。例如，在高压穿越(HVRT)事件期间，多个开关元件312、314其中之一能够控制成使得电力沿第一方向从DC链路136流动到能量储存系统200，使得过剩能量从DC链路136传递给能量储存系统200，由此将DC链路电压保持在低于阈值电压(即，DC链路额定电压)，以便不损坏系统组件。
本领域的技术人员应当理解，开关元件312、314能够是任何适当开关装置，例如IGBT、功率MOSFET或者其他适当开关装置。例如，一个或多个开关元件可包括第一IGBT312，其具有栅极、集电极和发射极。另一个开关元件可包括第二IGBT314，其具有栅极、集电极和发射极。另外，第一IGBT312能够耦合到第一反并联二极管322，以及第二IGBT314能够耦合到第二反并联二极管324。此外，开关元件312、314能够控制成将DC链路136上的第一DC电压VDC转换成能量储存系统200的第二DC电压VOUT。更具体来说，脉冲频率调制命令(例如栅极驱动命令)能够提供给开关元件312、314的一个或多个，以便调整DC-DC功率转换器220的工作频率，以调节DC链路136与能量储存系统200之间的电力流。
仍然参照图4，开关电源220还可包括耦合到桥接电路310的电力滤波器或滤波电路330。参照耦合到DC链路136的负极端子146的滤波电路330来论述图4的示例开关电源220。使用本文所提供的本公开，本领域的技术人员将会理解，滤波电路330能够耦合到DC链路136的正极端子144，而没有背离本公开的范围。例如，电容器334能够耦合在第二电感器332与DC链路136的正极端子144之间。
更具体来说，如所示，滤波电路340通常是LC电路，其包括主导电感器332和主导电容器334。电感器332能够耦合到开关元件312、314之间的结点315。电容器334能够耦合在电感器332与DC链路136的负极端子146之间。滤波电路330能够用来对桥接电路310的输出进行滤波，以向能量储存系统200提供DC电流Iout和DC链路电压Vout。在某些实施例中，DC电压Vout能够是电容器334两端的电压。在附加实施例中，DC链路电压Vout通常对应于由电力网160的过电压条件所引起的DC链路136的过剩电压。由于过电压事件通常很短(例如在100-500毫秒的范围中)，所以能量储存系统200仅或多或少受到能量传递影响。
在操作期间，控制系统174向DC链路136提供标称范围电压，并且将DC链路调节到标称范围电压。在一个实施例中，控制系统174还监测DC链路136的实际DC链路电压，以确保DC链路电压处于标称范围电压的某个百分比之内。在另一个实施例中，控制系统174配置成监测功率转换器的电流-电压参数，其指示HVRT事件在电力网160发生。例如，在某些实施例中，电流-电压参数可包括DC链路电压、电力网电压、调制指数极限、DC链路电流、电力网电流或者指示不利电压事件在电力网160发生的任何其他适当参数中的至少一个。因此，在一个实施例中，如果DC链路电压大致等于或高于阈值电压或者DC链路额定电压值，则过电压条件、例如高压穿越(HVRT)事件可能在电力网160发生。
在各个实施例中，DC链路额定电压的值是DC链路136配置成或者额定为在基本上确保DC链路136的操作时要耐受所指定时间段的最大电压量。在某些实施例中，所指定时间段通常在大约数百毫秒的数量级，但是应当理解，其他时间段也可使用。因此，当控制系统174检测到电流-电压参数指示过电压条件正发生、例如DC链路电压超越了DC链路额定电压时，控制系统174开始工作在“过电压”模式。例如，在各个实施例中，在选择成工作在这种模式之后，控制系统174配置成经由开关电源220将能量从功率转换器162的DC链路136传递给能量储存系统200的一个或多个能量储存装置212。在某些实施例中，当控制系统174工作在过电压模式时，要求电力系统100在过电压条件期间保持连接到电力网160，但是控制系统174配置成防止DC链路136达到过电压条件，由此保护功率转换器162。
现在来看图5，示出经由开关电源366连接到电力网360的示例独立电池能量储存系统(BESS)350如所述，本公开还针对保护独立BESS350的DC链路358，并且与如上所述耦合到电力系统100的能量储存系统200相似地操作。例如，如所示实施例所示，独立BESS350包括多个能量储存装置356。更具体来说，如所示，BESS350包括串联耦合的四个电池储存装置356。如所述，能量储存装置356可包括电池储存装置(例如电池)、电容器、电池模块等。电池储存装置356经由电池母线368耦合到桥接电路370。在各个实施例中，桥接电路370可包括相互串联耦合的一个或多个开关元件352、354(例如IGBT或者其他开关元件)。开关元件352、354能够例如由控制系统174(图1和图2)来控制，以在过电压事件期间调节从DC链路358到BESS350的电力流。例如，在高压穿越(HVRT)事件期间，多个开关元件352、354其中之一能够控制成使得电力沿第一方向从BESS350的DC链路358流动到能量储存装置356的一个或多个，使得过剩能量从DC链路358传递给能量储存装置356，由此将DC链路电压保持在低于阈值电压(即，DC链路额定电压)。因此，控制系统174配置成操作BESS350，以便保护BESS组件在过电压事件期间被损坏。
现在参照图6，示出按照本公开的一示例实施例、用于在不利电压事件期间控制与电力网连接的可再生能量电力系统的功率转换器的示例方法400的流程图。此外，图6为了便于说明和论述而示出按照特定顺序所执行的步骤。使用本文所提供的本公开，本领域的技术人员将会理解，本文所公开方法的各个步骤能够按照各种方式来适配、省略、重新排列或扩大，而没有背离本公开的范围。
在(402)，方法400包括经由控制系统将功率转换器的DC链路的DC链路电压调节到标称范围电压。在(404)，方法400包括经由控制系统来监测DC链路的DC链路电压。在(406)，方法400包括当DC链路电压超越DC链路额定电压时，将能量从DC链路传递给能量储存系统的一个或多个能量储存装置，其中高于DC链路额定电压的电压值指示不利电压事件、例如HVRT事件在电力网发生。
以上详细描述了风力涡轮机、用于风力涡轮机的控制系统以及控制风力涡轮机的方法的示范实施例。方法、风力涡轮机和控制系统并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独地并且独立于本文所述的其他组件和/或步骤来使用风力涡轮机和/或控制系统的组件和/或方法的步骤。例如，控制系统和方法也可与其他风力涡轮机电力系统和方法结合使用，而并不局限于仅对于如本文所述的电力系统来实施。示范实施例而是能够与许多其他风力涡轮机或电力系统应用、例如太阳能电力系统结合实现和使用。
虽然本发明的各个实施例的具体特征可在部分附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便起见。按照本发明的原理，可与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例包括与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，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，则它们意在落入权利要求书的范围之内。
附图标记说明
参考标号 组件
10 风力涡轮机
12 短舱
14 塔架
16 转子
18 转子叶片
19 可旋转轮毂
100 DFIG系统
106 转子
108 转子叶片
110 可旋转轮毂
118 可选变速箱
120 DFIG
136 DC链路
138 DC链路电容器
144 正极端子
146 负极端子
154 定子母线
156 转子母线
160 电力网
162 功率转换器
166 转子侧转换器
168 线路侧功率转换器
174 控制系统
176 处理器
178 存储器装置
180 通信模块
181 传感器
182 传感器接口
183 传感器
185 传感器
186 转换器断路器
188 线路侧母线
200 能量储存系统
212 能量储存装置
220 开关电源/DC-DC功率转换器
310 桥接电路
312 第一IGBT
314 第二IGBT
315 结点
322 二极管
324 二极管
330 电力滤波器/滤波电路
332 主导电感器
334 主导电容器
350 独立电池能量储存系统(BESS)
352 第一IGBT
354 第二IGBT
356 能量储存装置
358 DC链路
360 电力网
362 二极管
364 二极管
366 开关电源/DC-DC功率转换器
368 电池母线
400 方法
402 方法步骤
404 方法步骤
406 方法步骤
408 方法步骤

Claims (10)

1.一种用于在不利电压事件期间保护与电力网(160)连接的可再生能量电力系统的功率转换器(162)的方法(100)，所述方法(100)包括：
经由控制系统(174)将所述功率转换器(162)的DC链路(136)的DC链路电压调节到标称范围电压；
经由所述控制系统(174)来监测所述DC链路(136)的所述DC链路电压；以及
当所述DC链路电压超越DC链路额定电压时，经由开关电源(220)将能量从所述DC链路(136)传递给能量储存系统(200)的一个或多个能量储存装置(136)，其中高于所述DC链路额定电压的电压值指示不利电压事件在所述电力网(160)发生。
2.如权利要求1所述的方法(100)，其中，所述DC链路额定电压包括所述DC链路(136)配置成在基本上确保所述DC链路(136)的操作时要耐受所指定时间段的最大电压量。
3.如权利要求1所述的方法(100)，其中，监测所述DC链路(136)的所述DC链路电压还包括经由一个或多个传感器来确定实际DC链路电压或者经由计算机模型来估计所述实际DC链路电压中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法(100)，还包括当所述实际DC链路电压超越所述DC链路额定电压时，将能量从所述DC链路(136)传递给所述能量储存系统(200)的所述一个或多个能量储存装置(212)，直到所述DC链路电压等于或低于所述DC链路额定电压。
5.如权利要求1所述的方法(100)，还包括监测所述能量储存装置(212)的储存容量，以确保所述储存容量能够接收来自所述DC链路(136)的能量。
6.如权利要求1所述的方法(100)，其中，所述开关电源(220)包括DC-DC功率转换器。
7.如权利要求1所述的方法(100)，其中，所述一个或多个能量储存装置(212)还包括电池储存装置、电容器或电池模块中的至少一个。
8.如权利要求1所述的方法(100)，其中，所述不利电压事件包括高压穿越(HVRT)事件或者低压穿越(LVRT)事件中的至少一个。
9.一种用于在不利电压事件期间保护与电力网(160)连接的可再生能量电力系统的功率转换器(162)的方法，所述方法包括：
经由控制系统(174)来监测所述功率转换器(162)的电流-电压参数，其中所述电流-电压参数指示不利电压事件在所述电力网发生；以及
当所述电流-电压参数指示不利电压事件正发生时，经由开关电源(220)将能量从所述功率转换器(162)的DC链路(136)传递给与所述功率转换器(162)耦合的能量储存系统(200)的一个或多个能量储存装置(212)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述电流-电压参数包括DC链路电压、电力网电压、调制指数极限、DC链路电流或电力网电流中的至少一个。
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