CN105874676B - 用于基于涡轮机的能量产生系统的辅助电力系统 - Google Patents

用于基于涡轮机的能量产生系统的辅助电力系统 Download PDF

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Abstract

一种基于涡轮机的能量产生系统(100)包括发电机(102)和辅助负载(112)。用于基于涡轮机的能量产生系统的电力系统包括主变换器(106)和辅助变换器(110)。当主变换器(106)耦接到发电机(102)时，主变换器(106)可操作以将由发电机(102)产生的功率递送到在基于涡轮机的能量产生系统(100)外部的功率收集系统(108)。当主变换器(106)从发电机(102)解耦时，主变换器(106)也可操作以将从功率收集系统(108)提供的功率递送到辅助变换器(110)。当辅助变换器(110)耦合到发电机(102)时，辅助变换器(110)可操作以将由发电机(102)产生的功率递送到辅助负载(112)。当辅助变换器(110)从发电机(102)解耦时，辅助变换器(110)也可操作以将由主变换器(106)提供的来自功率收集系统(108)的功率递送到辅助负载(112)。

Description

用于基于涡轮机的能量产生系统的辅助电力系统
技术领域
本申请涉及基于涡轮机的能量产生系统，更特别地，涉及具有电动辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统。
背景技术
来自涡轮机的能量被变换为适于从多个涡轮机的能量收集的形式。优选成本有效地、安全地、以及很少系统故障地来实现。传统的风力涡轮机的功率变换链通常包括转子组件，将转子组件连接到发电机的齿轮箱，以及将发电机电耦合到AC-至-AC变换器的升压变压器。风力涡轮机还包括辅助负载，其实施各种风力涡轮机功能，诸如控制、通信、安全等。甚至在发电机输出的功率不足时，也可能要求对辅助负载进行供电。当辅助负载失去功率时，风力涡轮机通常被关闭。
具有AC输出的用于风力涡轮机的辅助功率传统上通过在涡轮机AC输出处提供三绕组变压器来实现，这在涡轮机输出为DC时不易于实现。具有DC输出的涡轮机理想地必须通过其他方式来提供辅助功率，该其他方式必须具有非常高的可供给性并且应该为包括风力涡轮机的启动和安全关闭的各种过程提供功率。
发明内容
在此描述了一种基于涡轮机的能量产生系统，其包括主变换器，用于将由内部的发电机产生的功率递送到在基于涡轮机的能量产生系统外部的功率收集系统，以及辅助变换器，用于将功率递送到基于涡轮机的能量产生系统的辅助负载，而不考虑发电机是否正在产生功率。这样，即使风力涡轮机没有正在产生任何功率，辅助负载都可以被供电。
根据用于包括发电机和辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统的电力系统的一个实施例，该电力系统包括主变换器和辅助变换器。当主变换器耦接到发电机时，主变换器可操作以将由发电机产生的功率递送到在基于涡轮机的能量产生系统外部的功率收集系统。当主变换器从发电机解耦时，主变换器也可操作以将从功率收集系统提供的功率递送到辅助变换器。当辅助变换器耦接到发电机时，辅助变换器可操作以将由发电机产生的功率递送到辅助负载。当辅助变换器从发电机解耦时，辅助变换器也可操作以将由主变换器提供的来自功率收集系统的功率递送到辅助负载。
根据用于向也包括发电机、主变换器和辅助变换器的基于涡轮机的能量产生系统的辅助负载供电的方法的一个实施例，该方法包括：当主变换器耦接到发电机时，经由主变换器将由发电机产生的功率递送到在基于涡轮机的能量产生系统外部的功率收集系统；当辅助变换器耦接到发电机时，经由辅助变换器将由发电机产生的功率递送到辅助负载；当主变换器从发电机解耦时，经由主变换器将从功率收集系统提供的功率递送到辅助变换器；以及当辅助变换器从发电机解耦时，经由辅助变换器将由主变换器提供的来自功率收集系统的功率递送到辅助负载。
本领域技术人员在阅读下文的详细说明以及附图后将认识到额外的特征和优势。
附图说明
附图的元件彼此之间不必按比例绘制。相似的附图标记表示相应的相同的部分。除非其相互排斥，所图示的多个实施例的特征可以组合。在附图中描绘了具体实施例并且在下面的说明中进行了详细的描述。
图1图示出了包括主变换器、辅助变换器和辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统的一个实施例的框图。
图2图示出了包括主变换器、辅助变换器和辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统的另一个实施例的框图。
图3图示出了包括主变换器、辅助变换器和辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统的又一实施例的框图。
图4图示出了包括主变换器、辅助变换器和辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统的再一实施例的框图。
图5图示出了包括主变换器、辅助变换器和至少部分的DC辅助负载的基于涡轮机的能量产生系统的实施例的框图。
图6图示出了包括主变换器、辅助变换器、辅助负载和连接到辅助变换器的能量存储装置的基于涡轮机的能量产生系统的实施例的框图。
图7图示出了包括主变换器、辅助变换器、辅助负载和连接到辅助变换器的能量存储装置的基于涡轮机的能量产生系统的另一实施例的框图。
图8图示出了将功率提供给到基于涡轮机的能量产生系统的辅助负载的方法的实施例。
具体实施方式
图1示出了基于涡轮机的能量产生系统100的实施例，基于涡轮机的能量产生系统100包括用于将来自转子组件104的机械能转换为AC电能的发电机(G)102，和用于将该AC电能转换为涡轮系统输出处的AC或DC电能以用于递送到在基于涡轮机的能量产生系统100外部的功率收集系统108的主变换器106。转子组件104从诸如空气或其他气体、或者水或者其他液体等的流体流中吸取能量。例如，转子组件104可以是风力、海浪或者潮汐涡轮机转子组件，其将吸取的能量变换为机械能量。为了易于阐述，系统100的与本发明不是密切相关的次要元件没有在图1中示出，比如AC断路器、齿轮箱、制动系统、监控设备等。
除了主变换器106之外，基于涡轮机的能量产生系统100还包括辅助变换器110。无论发电机102是否正在产生功率，辅助变换器110都将功率递送到基于涡轮机的能量产生系统100的辅助负载112。辅助负载112执行多种与涡轮机相关的功能，诸如控制、通信、安全等。甚至在发电机102的输出功率不足时，辅助负载112也可能要求被供电。正常操作期间、当发电机102输出功率充足时，主变换器106耦合到发电机102并且将来自发电机102的功率递送到外部的功率收集系统108。当辅助变换器110耦接到发电机102时，辅助变换器110类似地将来自发电机102的功率递送到辅助负载112。当发电机102输出的功率不足时，辅助变换器110从发电机102解耦并且将由电源提供的而不是由发电机102提供的功率递送到辅助负载112。
根据图1所示的实施例，当发电机102从主和辅助变换器106、110解耦时，外部的功率收集系统108用作辅助电源。当发电机102从变换器106、110解耦时，来自外部的功率收集系统108的功率通过主变换器106被递送到辅助变换器110。辅助变换器110进而将由主变换器106提供的功率从功率收集系统108递送到辅助负载112以用于为辅助负载112供电，即使发电机102从辅助变换器110解耦。基于涡轮机的能量产生系统100可包括开关模块114，其包含一个或多个机械和/或功率电开关(S)，比如IGBT(绝缘栅双极晶体管)或者晶闸管，以用于将发电机102耦接，或者将发电机102与主和辅助变换器106、110解耦。开关模块114介于发电机102和主和辅助变换器106、110之间。
在图1所示的一个实施例中，三绕组变压器116连接辅助变换器110、开关模块114以及主变换器106。图1中基于涡轮机的能量产生系统100还包括控制器118，用于响应于由控制器118监控的发电标准来控制开关模块114，比如发电机102的电压(V)，发电机102的电流(I)和/或风力涡轮机情况下的风速(Ws)。电压、电流和风速感测在基于涡轮机的发电领域都是公知的技术，因此在这点上不再进一步描述。发电标准指示发电机102是否正在产生足够高水平的功率。例如在风力涡轮机的情况下，风速提供准确的指示，指出发电机102是否正在产生足够高等级的功率。
如果发电标准超过第一阈值(即发电机102正在产生足够高水平的功率)，那么控制器118闭合开关模块114以使得发电机102耦接到主和辅助变换器106、110。在该配置中，由发电机102产生的功率的部分被辅助变换器110汲取以用于为辅助负载112供电，同时，剩余的功率由主变换器106馈送到外部的功率收集系统108。如果发电标准低于第二阈值(即发电机102正在产生的功率低于足够高的水平)，那么控制器118断开开关模块114以使得发电机102从主和辅助变换器106、110解耦。在该配置中，主变换器106将足够的功率从外部的功率收集系统108递送到辅助变换器110以满足辅助负载112的需求。第一和第二阈值可以是相同的或者不同的。根据本实施例，主变换器106是双向的。辅助变换器110可以是双向的或者是单向的。
在风速被用作发电标准的情况下，当风速低于连接到发电机102的转子组件104的接通速度时，控制器118断开开关模块114。接通速度是风力涡轮机产生可用功率的最小风速。这样，辅助变换器110保持向辅助负载112的高的功率可供给性而与风的可供给性无关。可选择地或者附加地，在零电流切换条件下，通过恰当的控制主和辅助变换器116、110，控制器118可以切换开关模块114。控制器118在零电流开关操作期间对主和辅助变换器106、110实施合适的控制以使得在仅有很小的或者没有可感知的电流流过开关模块114的情况下开关模块114可以从一个状态切换到另一状态(从打开到关闭，反之亦然)，从而确保开关模块114的寿命不被不必要的缩短。
在外部功率收集系统108是DC功率收集系统的情况下，当主变换器106经由开关模块114耦接到发电机102时，主变换器106可以将来自发电机102的AC电能转换为递送到外部的DC功率收集系统108的DC电能。例如，主变换器106可以是MMC(模块化多电平变换器)。MMC在AC和DC电能之间进行转换并且对于AC电能的每一相具有一个变换器支路。每一变换器支路具有包括有第一多个单极或双极模块的上臂和包括有第二多个单极或双极模块的下臂。每一单极或双极模块用作受控的单极或双极电压源。当开关模块114被断开时，发电机102从变换器106、110解耦并且来自外部DC功率收集系统108的DC电能通过双向主变换器106转换成AC电能并且递送到辅助变换器110以用于为辅助负载112供电。在连接到DC收集系统的风力涡轮机的情况下，甚至在风力涡轮机内部没有功率产生时，辅助功率是可获得的，而不需要另外的高电压变换器。
图2图示出了基于涡轮机的能量产生系统200的另一实施例。图2所示的实施例类似于图1所示的实施例，但是，开关模块114例如通过三相总线202直接连接到主变换器106，并且两绕组变压器204将辅助变换器110连接到主变换器106和开关模块114。
图3图示出了基于涡轮机的能量产生系统300的又一实施例。图3所示的实施例类似于图1所示的实施例，但是，第一两绕组变压器302将开关模块114连接到主变换器106，并且第二两绕组变压器304将辅助变换器110连接到第一两绕组变压器302和主变换器106。
图4图示出了基于涡轮机的能量产生系统400的再一实施例。图4所示的实施例类似于图3所示的实施例，但是，第一两绕组变压器402将开关模块114连接到主变换器106，并且第二两绕组变压器404将辅助变换器110连接到第一两绕组变压器402和开关模块114。
图5图示出了基于涡轮机的能量产生系统500的一个实施例，其类似于图1所示实施例，但是，基于涡轮机的能量产生系统500的辅助负载112至少部分的要求DC功率。例如在风力涡轮机的情况下，辅助负载112可以包括节距控制电路，其是一种需要变换器接口的基于驱动的负载。辅助变换器110朝向主变换器106将辅助变换器110的第一侧处的AC电能变换为耦接到至少部分DC负载112的辅助变换器110的第二侧处的DC电能。辅助电力系统可以包括DC总线502，其用于将辅助变换器110的第二侧连接到至少部分的DC负载112。通过提供DC辅助总线502，减少了辅助电力系统的功率变换级数并且改善了辅助电力系统的效率和成本。
图6图示出了基于涡轮机的能量产生系统600的一个实施例，其类似于图1所示实施例，但是，该辅助电力系统还包括耦接到辅助变换器110的能量存储装置602，诸如电池，电池组，飞轮等。在正常操作期间，例如，当开关模块114闭合时，辅助变换器110利用从发电机102汲取的功率为能量存储装置602充电。在低功率发电情况期间，当辅助变换器110从发电机102解耦时，辅助变换器110将由能量存储装置602提供的功率递送到辅助负载112。在一个实施例中，双向变换器604将辅助变换器110耦接到能量存储装置602以用于实现在辅助变换器110和能量存储设备602之间的双向功率流，以使得能量存储装置602能够按照需要进行充电和放电以便为辅助负载112供电。
根据一个实施例，图7更详细地图示出了图6的基于涡轮机的能量产生系统600。辅助变换器110包括整流器606以用于将来自于发电机102或主变换器106的AC电能变换为DC电能，以及逆变器608以用于将DC电能变换回用于对辅助负载112供电的AC电能。双向变换器604在一侧处连接在整流器606和逆变器608之间，在另一侧处连接到能量存储设备602。
辅助变换器、主变换器、开关模块、发电机和转子组件被包含在基于涡轮机的能量产生系统的壳体内。为了简明起见，壳体未示于图中。图中所示的控制器可以是专用控制器。例如，每一变换器具有其自己的控制器以用于管理各自变换器的操作，这在基于涡轮机的能量产生系统领域是公知的。根据本文中所描述的教导，这些控制器中任意一个也可以被用于控制开关模块的操作。可选择地，主和辅助变换器的控制器可以彼此之间联合工作或者以主-从配置以控制开关模块。在又一实施例中，不同于包含在主和辅助变换器内的控制器的另外的控制器，可以被用于控制开关模块。
图8图示出了提供功率给基于涡轮机的能量产生系统的辅助负载的方法的实施例。该方法包括：当主变换器连接到发电机时，将由基于涡轮机的能量产生系统的发电机产生的功率经由基于涡轮机的能量产生系统的主变换器递送到外部功率收集系统(800)；当辅助变换器耦接到发电机时，将由发电机产生的功率经由基于涡轮机的能量产生系统的辅助变换器递送到辅助负载(802)；当主变换器从发电机解耦时，将从功率收集系统提供的功率经由主变换器递送到辅助变换器(804)；以及当辅助变换器从发电机解耦时，将由主变换器提供的来自功率收集系统的功率经由辅助变换器递送到辅助负载(806)。
术语比如“第一”、“第二”等被用于描述各种元件、区域、部分等，而不是用于限制。整个说明书中，相同的术语指代相同的元件。
如这里所使用的，“具有”、“包含”、“包括”之类的术语是开放式术语，其意味着所述元件或者特征的存在，但是不排除其他元件或者特征。冠词“一”、“一个”、“该”意味着包括复数和单数，除非上下文中明确地另有所指。
考虑到以上变化和应用的范围，应当理解，本发明不被前面的说明书所限制，并且也不被附图所限制。而是本发明仅由随附的权利要求书及其法律上的等同方案来限定。

Claims (20)

1.一种用于包括发电机(102)和辅助负载(112)的基于涡轮机的能量产生系统(100)的电力系统，包括：
主变换器(106)；
辅助变换器(110)；
开关模块(114)，介于所述发电机(102)与所述主变换器和所述辅助变换器(106、110)之间；以及
控制器(118)，可操作为当发电标准超过第一阈值时，闭合所述开关模块(114)以使得所述发电机(102)耦接到所述主变换器和所述辅助变换器(106、110)，以及当所述发电标准低于第二阈值时，断开所述开关模块(114)以使得所述发电机(102)从所述主变换器和所述辅助变换器(106、110)解耦，
其中主变换器(106)可操作为，当所述主变换器(106)耦接到所述发电机(102)时，将所述发电机(102)产生的功率递送到所述基于涡轮机的能量产生系统(100)外部的功率收集系统(108)，以及当所述主变换器(106)从所述发电机(102)解耦时，将从所述功率收集系统(108)提供的功率递送到辅助变换器(110)，
其中所述辅助变换器(110)可操作为，当所述辅助变换器(110)耦接到所述发电机(102)时，将由所述发电机(102)产生的功率递送到所述辅助负载(112)，以及当所述辅助变换器(110)从所述发电机(102)解耦时，将由所述主变换器(106)提供的来自所述功率收集系统的功率递送到所述辅助负载(112)。
2.根据权利要求1所述的电力系统，进一步包括能量存储装置(602)，所述能量存储装置(602)耦接到所述辅助变换器(110)，并且其中所述辅助变换器(110)可操作为，当所述辅助变换器(110)从所述发电机(102)解耦时，将由所述能量存储装置(602)提供的功率递送到所述辅助负载(112)。
3.根据权利要求2所述的电力系统，进一步包括双向变换器(604)，所述双向变换器(604)将所述辅助变换器(110)耦接到所述能量存储装置(602)。
4.根据权利要求3所述的电力系统，其中所述辅助变换器(110)包括整流器(606)和逆变器(608)，所述整流器(606)可操作为，将来自所述发电机(102)或者所述主变换器(106)的AC电能变换为DC电能，所述逆变器(608)可操作为将所述DC电能变换回用于所述辅助负载(112)的AC电能，并且其中所述双向变换器(604)在一侧处被连接在所述整流器(606)和所述逆变器(608)之间，在另一侧处被连接到所述能量存储装置(602)。
5.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述主变换器(106)是双向变换器，所述主变换器(106)可操作为，当所述主变换器(106)耦接到所述发电机(102)时，将来自所述发电机(102)的AC电能变换为递送到所述功率收集系统(108)的DC电能，以及当所述主变换器(106)从所述发电机(102)解耦时，将来自所述功率收集系统(108)的DC电能变换为递送到所述辅助变换器(110)的AC电能。
6.根据权利要求5所述的电力系统，其中所述双向变换器是模块化多电平变换器。
7.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述辅助负载(112)至少部分是DC负载，以及所述辅助变换器(110)可操作为，将所述辅助变换器(110)第一侧处的AC电能变换为耦接到所述至少部分DC负载的所述辅助变换器(110)第二侧处的DC电能。
8.根据权利要求7所述的电力系统，进一步包括DC总线(502)，所述DC总线(502)将所述辅助变换器(110)的所述第二侧连接到所述至少部分DC负载。
9.根据权利要求1所述的电力系统，进一步包括连接所述辅助变换器(110)、所述开关模块(114)和所述主变换器(106)的三绕组变压器(116)。
10.根据权利要求1所述的电力系统，进一步包括：
第一两绕组变压器(302)，将所述开关模块(114)连接到所述主变换器(106)；以及
第二两绕组变压器(304)，将所述辅助变换器(110)连接到所述第一两绕组变压器(302)和所述主变换器(106)。
11.根据权利要求1所述的电力系统，进一步包括：
第一两绕组变压器(402)，将所述开关模块(114)连接到所述主变换器(106)；以及
第二两绕组变压器(404)，将所述辅助变换器(110)连接到所述第一两绕组变压器(402)和所述开关模块(114)。
12.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述发电标准包括所述发电机(102)的电压、所述发电机(102)的电流和风速中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的电力系统，其中所述控制器(118)可操作为，当所述风速低于连接到所述发电机(102)的转子组件(104)的接通速度时，断开所述开关模块(114)。
14.根据权利要求1所述的电力系统，其中所述控制器(118)可操作为，在零电流切换条件下切换所述开关模块(114)。
15.一种为也包括发电机、主变换器和辅助变换器、以及介于所述发电机与所述主变换器和所述辅助变换器之间的开关模块的基于涡轮机的能量产生系统的辅助负载供电的方法，所述方法包括：
当所述主变换器连接到所述发电机时，将由所述发电机产生的功率经由所述主变换器递送到所述基于涡轮机的能量产生系统外部的功率收集系统(800)；
当所述辅助变换器耦接到所述发电机时，将由所述发电机产生的功率经由所述辅助变换器递送到所述辅助负载(802)；
当所述主变换器从所述发电机解耦时，将由所述功率收集系统提供的功率经由所述主变换器递送到所述辅助变换器(804)；
当所述辅助变换器从所述发电机解耦时，将由所述主变换器提供的来自所述功率收集系统的功率经由所述辅助变换器递送到所述辅助负载(806)；
当发电标准超过第一阈值时，闭合所述开关模块以使得所述发电机耦接到所述主变换器和所述辅助变换器；以及
当发电标准低于第二阈值时，断开所述开关模块以使得所述发电机从所述主变换器和所述辅助变换器上解耦。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述基于涡轮机的能量产生系统进一步包括耦接到所述辅助变换器的能量存储装置，所述方法进一步包括：
当所述辅助变换器从所述发电机解耦时，将由所述能量存储装置提供的功率经由所述辅助变换器和将所述辅助变换器耦接到所述能量存储装置的双向变换器递送到所述辅助负载。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述主变换器是双向变换器，所述方法进一步包括：
当所述主变换器耦接到所述发电机时，通过所述双向变换器将来自所述发电机的AC电能转换为用于递送到所述功率收集系统的DC电能；以及
当所述主变换器从所述发电机解耦时，通过所述双向变换器将来自所述功率收集系统的DC电能变换为用于递送到所述辅助变换器的AC电能。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述辅助负载至少部分是DC负载，所述方法进一步包括：
将所述辅助变换器的第一侧处的AC电能变换为耦接到至少部分DC负载的所述辅助变换器的第二侧处的DC电能；以及
经由DC总线将所述辅助变换器的所述第二侧连接到所述至少部分DC负载。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述基于涡轮机的能量产生系统进一步包括连接到所述发电机的转子组件，所述方法进一步包括：
当风速低于所述转子组件的接通速度时断开所述开关模块。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：在零电流切换条件下切换所述开关模块。
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