CN107534297B - 容错风力涡轮机转换器系统 - Google Patents

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Abstract

在满标度转换器系统中，电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元都具有并联逆变器的串联连接，并且分别形成处于这些串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点。电压中心点通过中心线导线电连接，中心线导线的横截面在正电位导线或负电位导线的横截面的30％至70％之间。转换器系统在第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助转换器系统的无故障的逆变器继续转换操作，因为中心线导线的尺寸依据所述横截面被设置为传送因不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。

Description

容错风力涡轮机转换器系统
技术领域
本发明涉及风力涡轮机满标度转换器(full-scale converter)的领域，具体而言，涉及即使在风力涡轮机满标度转换器的部件故障的情况下也能够维持部分功率产生的风力涡轮机满标度转换器。
发明内容
根据第一方面，提供了一种满标度转换器系统，用于转换由变速风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到电网，所述转换器系统包括：转换器系统控制器，电网侧逆变器单元、发电机侧逆变器单元，所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元都包括并联逆变器的串联连接，处于所述串联连接的相同电压电平的所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元的逆变器一起形成第一转换器串和第二转换器串，其中，所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元通过正电位导线和负电位导线在其直流侧背靠背连接，以形成公共直流链路，所述正电位导线和所述负电位导线具有横截面，其中，所述发电机侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点，所述电网侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的电网侧电压中心点，其中，所述发电机侧电压中心点和所述电网侧电压中心点通过中心线导线电连接，其中，所述中心线导线的横截面在所述正电位导线和所述负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的30％与70％之间，其中，所述转换器系统控制器被编程为在所述第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助所述第一转换器串和所述第二转换器串的无故障的逆变器继续转换操作，导致所述第一转换器串与所述第二转换器串之间不平衡的有功功率输出，因为所述中心线导线的尺寸依据所述中心线导线的横截面被设置为传送因所述故障所引起的所述不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。
根据第二方面，提供了一种控制满标度转换器系统的方法，所述满标度转换器系统用于转换由变速风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到电网中，所述转换器系统包括：电网侧逆变器单元、发电机侧逆变器单元，所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元都包括并联逆变器的串联连接，处于所述串联连接的相同电压电平的所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元的逆变器一起形成第一转换器串和第二转换器串，其中，所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元通过正电位导线和负电位导线在其直流侧背靠背连接，以形成公共直流链路，所述正电位导线和所述负电位导线具有横截面，其中，所述发电机侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点，所述电网侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的电网侧电压中心点，其中，所述发电机侧电压中心点和所述电网侧电压中心点通过中心线导线电连接，其中，所述中心线导线的横截面在所述正电位导线和所述负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的30％与70％之间，其中，所述方法包括：在所述第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助所述第一转换器串和所述第二转换器串的无故障的逆变器继续转换操作，导致所述第一转换器串与所述第二转换器串之间不平衡的有功功率输出，因为所述中心线导线的尺寸依据所述中心线导线的横截面被设置为传送因所述故障所引起的所述不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。
概述以及可选实施例的概述
根据第一方面，提供了一种满标度转换器系统，用于转换由变速风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到电网中。
因此，满标度转换器将其频率取决于风速的可变频率电流转换为固定频率电流，例如，50Hz电流，以馈送到电网中。在将转换损耗视为可忽略不计时，满标度转换器是将发电机的100％的可变频率功率输出转换为固定频率有功功率。
满标度转换器包括被编程为控制满标度转换器系统的转换器系统控制器。满标度转换器还包括电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元。发电机侧逆变器单元例如被耦合到发电机，电网侧逆变器单元例如耦合到变压器。
电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元都包括并联逆变器的串联连接。发电机侧逆变器单元用作将可变频率交流电流转换为直流电流的整流器，而电网侧逆变器用于将直流电流转换为固定频率交流电流。
因此，例如，发电机侧逆变器单元的至少两个逆变器彼此并联连接，其中，这些并联连接的逆变器串联连接到发电机侧逆变器单元的彼此并联连接的至少两个其它发电机侧逆变器。同样地，电网侧逆变器单元包括的至少两个逆变器彼此并联连接，其中，这些并联连接的电网侧逆变器串联连接到电网侧逆变器单元包括的彼此并联连接的至少两个其它电网侧逆变器。
处于串联连接的相同电压电平的电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元的逆变器一起形成转换器串。
因此，例如，发电机侧逆变器单元例如包括以正电位工作的并联连接的发电机侧逆变器，本文也称为正转换器串的发电机侧逆变器。正转换器串的这些发电机侧逆变器串联连接到以负电位工作的并联连接的发电机侧逆变器，本文也称为负转换器串的发电机侧逆变器。
电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元通过正电位导线和负电位导线在其直流侧背靠背连接，形成公共直流链路。例如，正电位导线和负电位导线都实现为具有铜电缆芯的电缆。正电位导线和负电位导线均具有横截面。
发电机侧逆变器和电网侧逆变器分别形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点。
例如通过将发电机侧逆变器单元的负电位逆变器连接到发电机侧逆变器单元的正电位逆变器，并且通过将电网侧逆变器单元的负电位逆变器连接到电网侧逆变器单元的正电位逆变器，来形成例如处于中性电位的电压中心点。
发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点通过中心线导线电连接。
因此，连接到正电位导线以及中心线导线的逆变器形成例如处于正电位的第一转换器串(正转换器串)。同样地，连接到负电位导线以及中心线导线的逆变器形成例如处于负电位的第二转换器串(负转换器串)。然而，将“第一”和“第二”指定给正转换器串或负转换器串是可互换的。
中心线导线的横截面在正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的30％至70％之间。为了提供示例，如果正电位导线的横截面为500mm2，而负电位导线的横截面为400mm2，则中心线导线的横截面范围为120mm2至280mm2，即400mm2的30％至70％。
术语正电位导线或负电位导线的横截面在本文中指代形成正电位导线的所有导电元件的总横截面，因为正电位导线以及负电位导线可以例如由用作正电位导线的仅有一根电缆芯的单根电缆或多根电缆或具有多根电缆芯的电缆形成。例如，传导正或负电位电流的所有这些电缆芯的横截面在本文中被称为正或负电位导线的横截面。
转换器系统控制器被编程为在第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助转换器系统的无故障逆变器继续转换操作。
转换操作在本文中被称为将馈送到满标度转换器的发电机的可变频率交流输出功率转换为馈送到电网中的满标度转换器的固定频率交流功率输出的过程。
在第一转换器串的逆变器发生故障的情况下，借助无故障逆变器继续转换操作导致第一转换器串和第二转换器串之间不平衡的有功功率输出。
为了在这种不平衡的有功功率输出的情况下也继续操作，中心线导线的尺寸被设置为传送由故障，更准确地说，由第一转换器串的逆变器的故障引起的第一转换器串和第二转换器串的不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。
通过将中心线导线的横截面的尺寸设置为在正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的30％至70％之间，将中心线导线的尺寸设置为传送该补偿电流。在一些实施例中，中心线导线的横截面接近于正或负电位导线的横截面的50％，例如在正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的40％至60％之间，或者在45％至55％之间的横截面。
例如，第一转换器串配备有两个发电机侧逆变器和两个对应的电网侧逆变器，其例如通过正电位导线耦合在一起，第二转换器串配备有两个发电机侧逆变器和两个对应的电网侧逆变器，第一和第二转换器串的发电机侧和电网侧逆变器具有相等的最大有功功率输出。
例如，在第一转换器串的发电机侧逆变器发生故障的情况下，第一转换器串的最大有功功率减少50％。
例如，第二转换器串的最大有功功率输出并不由于第一转换器串的发电机侧逆变器的故障而改变，仍然是100％的最大有功功率输出。
在这个示例中，由于第一转换器串的发电机侧逆变器的故障，满标度转换器的最大有功功率输出现在减小到满标度转换器系统的初始最大有功功率输出的75％。
因此，在最坏的情况下，如果两个转换器串都以其各自的最大有功功率输出执行转换操作，如上述示例中一样，补偿电流将对应于以第一和第二转换器串的给定直流链路电压传输的满标度转换器的总最大有功功率输出的25％(第一转换器串的最大有功功率输出的50％)。
对应的第一转换器串的给定直流链路电压例如由正电位导线和中心线导线(处于电压中心点电位，例如中性电位)之间的直流电压给定。同样地，第二转换器串的给定直流链路电压例如由负电位导线和中心线导线(处于中性电位)之间的直流电压给定。当以减小的最大有功功率输出执行转换操作时，第一/第二转换器串的给定直流链路电压例如对于两个转换器串相等而不改变。
然后通过将第一转换器串的最大有功功率输出的50％除以第一转换器串的给定直流链路电压来给定补偿电流。
将中心线导线的尺寸设置为传送这种补偿电流。因此，与正或负电位导线相比，其横截面不被选择为可忽略不计，而是具有为正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的至少30％的横截面。因此，中心线导线的尺寸设置为依据横截面传送补偿电流，因为中心线导线的电阻与其横截面成比例地线性减小，与产生的热量相关联的功率耗散与中心线导线的电阻成比例。
然而，中心线导线的尺寸设置为具有比正或负电位导线更小的横截面，因为将中心线导线的横截面的尺寸设置为等于正或负电位导线的横截面所需的补偿电流只有当转换器串的所有转换器单元确实都发生故障时才会发生。例如，无论如何，这种严重的故障都很难处理，并且通常需要关闭风力涡轮机。
由两个转换器串的不平衡的有功功率输出引起的补偿电流例如对应于(i)因正转换器串所转换的功率产生的沿着正电位导线流动的直流电流与(ii)因负转换器串所转换的功率产生的沿着负电位导线流动的直流电流之间的差。如果该差为零，对应于正转换器串和负转换器串的相等的功率产生，则沿着中心线导线流动的、从正电位流向零电位和从零电位流向负电位的电流会相互抵消。然而，当该差不为零时，这两个电流中的一个占优势，在中心线导线上发生净电流流动，即补偿电流。
由于中心线导线过热，该补偿电流可能会导致中心线导线损坏以及整个转换器系统的过热。
然而，通过如上所述地设置中心线导线的尺寸而不管补偿电流如何，转换器系统例如能够转换可由无故障逆变器转换的最大功率量。
在一些实施例中，转换器系统控制器被编程为禁用故障的发电机侧或电网侧逆变器，并且在转换器串的电网侧逆变器发生故障的情况下禁用转换器串的发电机侧逆变器，并且响应于转换器串的发电机侧逆变器发生故障而禁用转换器串的电网侧逆变器。
在发电机侧或电网侧逆变器发生故障的情况下，例如禁用发电机侧或电网侧逆变器。
禁用逆变器包括，例如，根据逆变器是发电机侧逆变器还是电网侧逆变器，来关闭逆变器并将逆变器与发电机或变压器断开连接。因此，使用无故障、从而未禁用的发电机侧或电网侧逆变器，满标度转换器的转换操作以由于该故障的减小的最大有功功率输出来继续。
为了防止由于转换器串的电网侧逆变器或发电机侧逆变器的故障而导致对转换器串的逆变器的进一步损坏，例如，当电网侧逆变器发生故障时，不仅禁用转换器串的有故障的电网侧逆变器，而且禁用转换器串的对应的发电机侧逆变器。同样，当发电机侧逆变器发生故障时，不仅禁用转换器串的有故障的发电机侧逆变器，而且禁用转换器串的对应的电网侧逆变器。
因此，在转换器串的电网侧逆变器单元有故障的情况下，如果不禁用转换器串的无故障的发电机侧逆变器，则转换器串的其它电网侧逆变器将例如接收到超过其最大允许直流输入电流的直流输入电流，因为有故障的电网侧逆变器不再能够将逆变自接收到的直流电压的固定频率的交流电压馈送到电网。由此，转换器串的剩余(无故障)电网侧逆变器接收整个直流输入电流，例如导致超过剩余的无故障逆变器的最大直流输入电流。
为了能够如上所述禁用有故障的发电机侧或电网侧逆变器以及对应的其它发电机侧和电网侧逆变器，满标度转换器的转换器控制系统被编程为检测发电机侧或电网侧逆变器的故障。这种逆变器的故障例如通过温度传感器来监测，该温度传感器监测逆变器的温度，并且如果转换器单元中的至少一个的温度超过给定阈值一段给定的时间，则宣告转换器单元发生故障。转换器单元的故障也可以由放置在逆变器或整个转换器单元的上游和下游(电流流动方面)的电流、电压和/或功率传感器来进行检测。例如，如果发电机侧逆变器的交流输入电流和直流输出电流之间的差超过给定阈值，尽管发送到发电机侧逆变器的控制参数保持恒定，也宣告发电机侧逆变器发生故障。
在一些实施例中，转换器系统控制器被编程为通过将发电机侧逆变器从发电机断开来禁用发电机侧逆变器并且通过用断路器将电网侧逆变器从变压器断开来禁用电网侧逆变器。
例如，为每个发电机侧逆变器提供发电机侧断路器。同样，例如，为每个电网侧逆变器提供电网侧断路器。
断路器例如是耦合到故障传感器(例如，上述的电压/电流传感器或温度传感器)的机械开关。这些开关物理地断开电流路径，该电流路径从将满标度转换器作为整体连接到发电机和变压器的电流路径分支，其中这些分支电流路径是通向发电机侧或电网侧逆变器的电流路径。
在一些实施例中，除了断路器之外，还为满标度转换器提供熔断器。
除了这些断路器，例如，在通向发电机侧和电网侧逆变器的电流路径中提供熔断器。这些熔断器在例如由于特定故障(例如，转换器串的一个发电机侧和/或一个电网侧逆变器中的任意一个或两个中的短路)而导致过电流从而引起致动熔断器的过电流的情况下断开所述电流路径。
提供具有熔断器以及断路器的电流路径使得可以例如在上述过电流的情况下在几分之一秒内断开电流路径，即可能比使用常规断路器更快。
在一些实施例中，中心线导线的横截面的尺寸设置为正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的50％，并且转换器控制器被编程为在第一或第二转换器串的发电机侧或电网侧逆变器的多达50％发生故障而满标度转换器的其它逆变器无故障的情况下继续操作，其中以无故障逆变器的最大转换能力继续转换操作。
在转换器串的发电机侧或电网侧逆变器的50％发生故障的情况下，例如，当有故障的转换器单元响应于故障而断开或关闭(如果可能)时，该转换器串的最大有功输出功率降低50％。
例如，中心线导线的尺寸被设置为传送补偿电流，该补偿电流在最坏的情况下(即当两个转换器串都以其最大有功功率输出操作时，只要转换器串的直流链路电压没有由于故障而改变)对应于沿着正电位导线流动的电流的50％，因为该电流在发生这种故障的情况下沿着中心线导线流动。
因此，例如，将中心线导线的横截面选择为正电位导线的横截面的50％，以使满标度转换器能够以满标度转换器的最大有功功率输出的50％继续转换操作。
在一些实施例中，中心线导线是具有尺寸设置为传送补偿电流的横截面的电缆的铜芯。
例如，中心线导线适合于传送补偿电流，横截面相对于相关规范来选择，例如0.6/1kV至18/30kV电力线DIN VDE 0276-1000的欧洲规范。因此选择在正电位导线或负电位导线的横截面的30％至70％之间的范围内的横截面，其传送由转换器单元的至少一个电网侧或发电机侧逆变器的故障引起的预期补偿电流。
补偿电流可以通过将故障(断开)的逆变器的这个最大有功功率输出除以包括该断开的发电机侧和对应的电网侧逆变器的转换器串的给定直流链路电压来得到。
借助如上所述计算出的在一定数量的转换器单元遭受故障时预期的补偿电流I，例如，使用以下公式计算电缆的铜芯的横截面：
Figure GDA0002963288380000081
其中，L是直流链路的长度[m]，I是预期的补偿电流[A]，U是转换器串的直流链路电压的最大允许损耗[V]，κ是铜的比电导率[56m/Ωmm2]，结果A为横截面[mm2]。
如果该计算出的横截面例如小于正或负电位导线横截面的30％(以具有较小横截面的导线为准)，则中心线导线的横截面例如设定为该横截面的30％，因为这个横截面在此被视为同样在发生故障的情况下安全地继续转换操作的中心线导线的横截面的下限。
如果相关规范要求，如DIN VDE 0276-1000，则该公式得到的横截面可能还必须通过进一步的因子进行调整。
在一些实施例中，电缆包括包围铜芯的绝缘层。
实现为电缆的铜芯的中心线导线例如被绝缘层包围，该绝缘层包括聚氯乙烯(PVC)、交联聚乙烯或适用于将介质与高压电缆(例如，100V至10kV，传送例如1至10kA的电流)绝缘的其它绝缘材料。
包围被实现为电缆的铜芯的中心线导线的绝缘层确保了中心线导线与正电位或负电位导线之间不存在电接触，因为这可能导致转换器系统短路。此外，通过该绝缘层也可以防止风力涡轮机的塔架或机舱的导电部分与中心线导线之间的电接触，在这个接触的情况下就像在中心线导线上存在补偿电流一样，出现沿着风力涡轮机的机舱或塔架的不期望的电流流动。
绝缘层还提供被实现为由该绝缘层包围的铜芯的中心线导线的绝热。由于电绝缘材料通常具有比高导电材料低的热导率，所以减少了由于沿着中心线导线的电流流动而引起的来自中心线导线的热传输。
在一些实施例中，正电位导线和负电位导线是电缆的铜芯，该电缆包括包围电缆的相应铜芯的绝缘层，其中，负电位导线、正电位导线和中心连接线的绝缘层在空间上彼此分离，即，满标度转换器的对应电缆彼此分离地从发电机侧逆变器单元布设到电网侧逆变器单元。
为了提供示例，三根电缆，即正电位导线、负电位导线和中心线导线，空间上彼此分离地从发电机侧逆变器布设到电网侧逆变器。这些分离的电缆中的每一个包括分离的铜芯和分离的绝缘层。
然而，正电位导线和负电位导线也可以由两个或更多个电缆芯形成。因此，例如，正电位导线由包括两个对应电缆芯的两根电缆形成。同样，负电位导线于是由包括两个相应电缆芯的两根电缆形成。中心线导线的横截面的尺寸被设置为用作正电位导线的两个电缆芯的横截面相加的至少30％且不大于70％，总横截面由中心线导线的电缆A的横截面和电缆B的横截面给定。
在一些实施例中，正电位导线、负电位导线和中心连接线嵌入在公共绝缘层中。例如包括聚氯乙烯(PVC)、交联聚乙烯的公共绝缘层包围并围绕这些导线，并将它们从发电机侧逆变器单元导引到电网侧逆变器单元。因此，公共绝缘层和嵌入的导线形成直流链路电缆。
由于均由一个或多个电缆芯形成的正电位导线、负电位导线和中心连接线被该公共绝缘层围绕，它们在该直流链路电缆中彼此物理连接。因此，由于将直流链路电缆从发电机侧逆变器单元布设到电网侧逆变器单元而产生的作用在直流链路电缆上的弯曲力以相同的方式影响物理连接的导线，因为例如它们的弯曲半径基本相同。此外，正电位导线、负电位导线和中心连接线可以通过布设直流链路电缆穿过单个电缆管道而从发电机侧逆变器单元布设到电网侧逆变器单元。
在一些实施例中，正电位导线的横截面和负电位导线的横截面以及正电位导线的横截面相等。
将中心线导线的横截面选择为正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的至少30％且不大于70％。
当正和负电位导线的横截面相等时，将中心线导线的横截面选择为两个导线的共同横截面的至少30％且不大于70％。
假如正转换器串的直流电压与负转换器串的直流电压相同，则对第一和第二(正和负)转换器串以相等的最大有功功率输出执行转换操作会导致正和负电位导线上相等的电流流动。因此，例如，正和负电位导线的横截面相等。
在一些实施例中，发电机侧逆变器单元布置在风力涡轮机的机舱中，并且电网侧逆变器单元布置在风力涡轮机的塔架的基部处。
以这种方式，机舱的重量有所减小，这又降低了承载机舱的塔架的偏航轴承的应力和磨损。此外，由于每个逆变器也是热源，所以通过将电网侧逆变器放置在机舱外部来减小作用在逆变器的热敏半导线部件上的机舱中的总体温度。
当电网侧和发电机侧逆变器如此位于远处时，中心线导线、正电位导线和负电位导线沿着风力涡轮机的塔架从机舱延伸到风力涡轮机的塔架的基部，因此是细长的导线。如上所述，这些细长导线例如嵌入在分离的绝缘层中或公共绝缘层中。
在一些实施例中，转换器控制器被编程为使得在转换器串的电网侧逆变器发生故障的情况下，当禁用所述转换器串的发电机侧逆变器时，满标度转换器系统消耗由所述转换器串的发电机侧逆变器产生的功率。
如上所述，示例性满标度转换器配备有发电机侧逆变器单元的至少两个发电机侧逆变器，它们连接到第一和第二转换器串中具有相同电位的电网侧逆变器单元的相应电网侧逆变器。
在转换器串的电网侧逆变器发生故障而转换器串的发电机侧逆变器没有发生故障的情况下，转换器串的电网侧逆变器接收直流输入电流，其可能超过其最大允许输入电流，即使接收到的电流相等地分布到剩余的电网侧逆变器，因为剩余的电网侧逆变器是并联连接的。
为了避免这种情况，例如，在以下情况下，为剩余的电网侧逆变器提供保护机制：满标度转换器包括例如由转换器系统控制器致动的可开关能量耗散元件，该转换器系统控制器被编程为当在对应的转换器串中检测到电网侧逆变器的故障时，在禁用发电机侧和电网侧逆变器期间致动这些能量耗散元件。
在一些实施例中，由发电机产生的功率由位于公共直流链路中的能量耗散单元消耗。这些能量耗散单元例如实现为高欧姆(例如，100MΩ)、可开关电阻元件，其一侧连接到正/负电位导线，并且例如在另一侧通过在发电机侧逆变器发生故障时闭合的开关连接到地电位。激活的电阻元件的数量可以取决于遭受故障的发电机侧逆变器的数量。
因此，满标度转换器的转换器控制系统使得满标度转换器系统如在上述情况下消耗过量的功率。在禁用故障逆变器的过程中关闭和/或断开发电机侧逆变器之前，该能量耗散装置例如由转换器控制系统致动，因为尽管关闭和/或断开发电机侧逆变器，但是例如，通过发电机侧逆变器的一些非零功率流动可能依然会发生，直到有故障的发电机侧逆变器完全断开。馈送到满标度转换器系统的风力涡轮发电机的有功功率输出通过风力涡轮机转子叶片偏离风来减少。
在一些实施例中，转换器控制器被编程为在转换器串的至少一个发电机侧逆变器发生故障的情况下仅禁用转换器串的至少一个发电机侧逆变器，同时保持转换器串的电网侧逆变器运行，以实现电网侧逆变器的无功功率产生。
因此，如上所述未关闭或断开的电网侧逆变器通过将由无故障的发电机侧逆变器产生的直流功率转换为无功功率来产生无功功率。
于是，转换器系统能够产生额定的无功功率，例如，至少直到与有故障的发电机侧逆变器连接的电容器中存储的能量已被耗尽。
通过保持转换器单元的无故障电网侧逆变器运行，风力涡轮机满标度转换器可以至少在一段时间内通过其全无功功率产生能力而积极参与调节电网电压和/或补偿电网中的电压骤降，即使在转换器单元的至少一个发电机侧逆变器发生故障的情况下。
根据第二方面，提供了一种控制满标度转换器系统的方法，用于转换由变速风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到电网中。转换器系统包括电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元，电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元都包括并联逆变器的串联连接。处于所述串联连接的相同电压电平的电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元的逆变器一起形成第一和第二转换器串，其中，电网侧逆变器单元和发电机侧逆变器单元通过正电位导线和负电位导线在其直流侧背靠背连接，以形成公共直流链路，正电位导线和负电位导线具有横截面，其中，发电机侧逆变器和电网侧逆变器分别形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点和电网侧电压中心点。电压中心点通过中心线导线电连接。中心线导线的横截面在正电位导线和负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的30％至70％之间。所述方法包括在第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助第一转换器串和第二转换器串的无故障的逆变器继续转换操作，导致第一转换器串和第二转换器串之间的不平衡的有功功率输出，因为中心线导线的尺寸依据所述横截面设置为传送因故障所引起的不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。
该方法可以使用根据上述任何实施例的满标度转换器系统来执行。
附图说明
现在还参考附图描述本发明的示例性实施例，在附图中：
图1是具有分体式(一个逆变器单元位于机舱中，另一逆变器单元位于塔架中)满标度转换器的风力涡轮机的示意图。
图2是具有由正电位、负电位和中心线导线形成的直流链路的满标度转换器的示意图。
图3是图2的满标度转换器的示意性的详细电路图。
图4是图3的满标度转换器的示意电路图，具有故障且禁用的电网侧逆变器和响应于该故障而被禁用的相同转换器串的发电机侧逆变器。
图5是图3的满标度转换器的示意电路图，具有故障且禁用的发电机侧逆变器和保持联机的电网侧逆变器。
图6是具有由正电位、负电位和中心线导线形成的直流链路的满标度转换器的示意图。
图7示意性地示出了具有分离绝缘层的分离的正电位、负电位和中心线导线。
图8示意性地示出了嵌入公共绝缘层中的正电位、负电位和中心线导线，具有用作正电位导线的单根电缆芯和用作负电位导线的单根电缆芯。
图9示意性地示出了嵌入公共绝缘层中的正电位、负电位和中心线导线，具有用作正电位导线的两根电缆芯和用作负电位导线的两根电缆芯。
附图和对附图的描述是本发明的示例，但不是本发明本身。在以下对实施例的描述中，相似的附图标记指代相似的元件。
具体实施方式
由图1示意性地示出的风力涡轮机1具有发电机2，其位于机舱7中，由风力涡轮机转子11驱动。发电机2产生可变频率交流输出功率，该交流输出功率被馈送到同样位于机舱7中的发电机侧逆变器单元3。发电机侧逆变器单元3将该可变频率交流电流转换为直流电流，该直流电流被传输到位于塔架8的基部的电网侧逆变器单元5。电网侧逆变器单元5将直流电流转换为固定频率交流电流。发电机侧逆变器单元3、直流链路6和电网侧逆变器单元5一起形成由转换器系统控制器100控制的满标度转换器3。电网侧逆变器5的固定频率交流电流输出在被馈送到电网10中之前被馈送到变压器9。
由图2示意性地示出了具有由三根分离的电缆形成的直流链路6的满标度转换器3。发电机2包括两个分离的发电机绕组，第一发电机绕组连接到处于正电位的第一发电机侧逆变器4A，第二发电机绕组连接到处于负电位的第二发电机侧逆变器4B。第一发电机侧逆变器4A和第二发电机侧逆变器4B串联连接，从而形成发电机侧逆变器单元4。同样地，连接到变压器9的第一分离变压器绕组的处于正电位的第一电网侧逆变器5A，串联连接到处于负电位的第二电网侧逆变器5B，该第二电网侧逆变器5B又连接到第二分离变压器绕组。
串联连接形成中间电压点，其在图2的示例中处于0V直流电位，因此处于中性电位。处于相对于中间电压点与1kV相对应的正电位的电网侧逆变器5A和发电机侧逆变器4A通过正电位电缆17连接，正电位电缆17包括用作正电位导线17c的电缆芯。正电位导线的尺寸设置为在1kV电压下传送4kA电流。这些逆变器4A和5A和正电位导线形成由虚线框包围的正转换器串(第一转换器串)15。以相同的方式，处于相对于中间电压点与1kV相对应的负电位的电网侧逆变器5B和发电机侧逆变器4B通过负电位电缆17连接，负电位电缆17包括用作负电位导线19c的电缆芯。负电位导线的尺寸也设置为在1kV电压下传送4kA的电流。这些逆变器4B和5B以及负电位导线形成同样被虚线框包围的负转换器串(第二转换器串)16。
发电机侧逆变器4A和4B之间的发电机侧串联连接与电网侧逆变器5A和5B之间的串联连接的电压中心点通过中心线电缆18连接，中心线电缆18包括用作中心线导线18c的电缆芯。中心线导线18c的尺寸设置为传送2kA的电流。在这个示例中，中心线导线的横截面是正电位导线和负电位导线的横截面除以2。正电位电缆17、负电位电缆19和中心线电缆18一起形成公共直流链路6。
由图2的满标度转换器系统执行的转换操作由转换器系统控制器100控制，转换器系统控制器100被编程为同样在转换器串15、16的发电机侧4a、4b、4c、4d或电网侧转换器5a、5b、5c、5d发生故障的情况下继续转换操作。
结合图3更详细地示出图2的转换器系统。发电机侧逆变器单元4包括处于正电位的发电机侧逆变器4A和处于负电位的发电机侧逆变器4B，其中，这些发电机侧逆变器4A和4B串联连接。处于正电位的发电机侧逆变器4A由并联连接的两个发电机侧逆变器4a和4b形成。同样，处于负电位的发电机侧逆变器4B由并联连接的两个发电机侧逆变器4c和4d形成。因此，并联连接的发电机侧逆变器4a和4b与并联连接的发电机侧逆变器4c和4d串联连接，以形成发电机侧逆变器单元4。同样地，电网侧逆变器单元5包括彼此串联连接的处于正电位的电网侧逆变器5A和处于负电位的电网侧逆变器5B。处于正电位的电网侧逆变器5A包括并联连接的两个电网侧逆变器5a和5b，处于负电位的电网侧逆变器5B包括并联连接的两个电网侧逆变器5c和5d。由此，电网侧逆变单元5由两个并联连接的电网侧逆变器5a和5b串联连接到两个并联连接的电网侧逆变器5c和5d而形成。正和负转换器串由发电机侧逆变器单元4和电网侧逆变器单元5形成，如结合图2所述。
发电机侧逆变器单元4配备有断路器12，其用以将故障的发电机侧逆变器与发电机2断开，并配备有发电机侧能量耗散单元13，其用以消耗能量，例如在电网侧逆变器单元5的电网侧逆变器发生故障的情况下。同样地，电网侧逆变器配备有断路器12'，其用以将电网侧逆变器单元5的故障的电网侧逆变器与变压器9断开，并配备有电网侧能量耗散单元13'。电网侧和发电机侧能量耗散单元13、13'位于公共的直流链路6中。如结合图2所述地选择正电位导线17c、负电位导线19c和中心连接线18c的横截面。
转换器系统控制器100被编程为控制由上述转换器系统、断路器12、12'和能量耗散单元13、13'执行的转换操作。转换器系统控制器100被编程为同样在转换器串15、16的发电机侧4a、4b、4c、4d或电网侧逆变器5a、5b、5c、5d发生故障的情况下继续转换操作。
由转换器控制系统100控制的转换器系统3响应于正转换器串15的电网侧逆变器5a的故障而进行的动作如图4所示。响应于电网侧逆变器5a的故障，转换器控制器100使得将故障的电网侧逆变器5a连接到变压器9的电网侧断路器12'将故障的电网侧逆变器5a与变压器9断开。从而禁用故障的电网侧逆变器5a。由转换器控制系统100发起的该动作由图4中划掉的电网侧逆变器4a表示。为了防止向其它电网侧逆变器(特别是正转换器串15的另一电网侧逆变器5b)馈送过电流，该转换器串15的发电机侧逆变器(即，发电机侧逆变器4a)同样响应于电网侧逆变器5a的故障而被禁用，在图4中由用虚线划掉的发电机侧逆变器4a表示。通过断开将发电机侧逆变器4a连接到发电机的发电机侧断路器12来禁用发电机侧逆变器4a。
通过禁用发电机侧逆变器4a和电网侧逆变器5a，正转换器串15的最大有功功率输出减少了该转换器串15的初始最大有功功率输出的50％。由于负转换器串仍能够以最大有功功率输出执行转换操作，当以它们各自的最大有功功率输出操作两个转换器串时，或者更一般地，当以负转换器串的最大有功功率输出的50％以上操作负转换器串，而以正转换器串的最大有功功率输出的仅50％操作正转换器串(由于不可能以更高的有功功率输出操作该转换器串15)时，两个转换器串15、16的有功功率输出现在是不平衡的。两个转换器串中的电流流动在图4中由正转换器串15和负转换器串16中的虚线箭头指示。负转换器串16中的电流流动较高，因此指示该电流流动的虚线箭头较粗。
因此，由于这种不平衡的有功功率输出以及这个电流流动，发生沿着中心线导线18c的补偿电流90。中心线导线18c的横截面的尺寸被设置为传送补偿电流90，因为该横截面被选择为正和负电位导线17c、19c的横截面的50％。
转换器系统3对正转换器串15的发电机侧逆变器4a的故障的另一个示例性反应示于图5中。转换器控制器100被编程为通过使用相关联的发电机侧断路器12将发电机侧逆变器5a与发电机2断开来禁用发电机侧逆变器4a，由划掉的发电机侧逆变器4a表示。其中发生故障的正转换器串15的电网侧逆变器5a、5b由转换器系统控制器100保持联机，以使它们能够继续产生无功功率。此外，由于发电机侧逆变器4a的故障，当负转换器串以比其中发电机侧逆变器4a发生故障的正转换器串的现在减小的最大有功功率输出更高的有功功率输出进行操作时，如结合图4所述地发生补偿电流90。
在发电机侧逆变器4a发生故障的情况下，也可以响应于发电机侧逆变器(图5中未示出)的故障而禁用电网侧逆变器5a或5b。在仅电网侧逆变器5a、5b、5c、5d或发电机侧逆变器4a、4b、4c、4d中的一个发生故障的情况下，禁用转换器串的发电机侧和电网侧逆变器的动作类似于结合图4描述的动作进行。
图6所示的满标度转换器3'的直流链路6，其发电机侧和电网侧逆变器单元对应于结合图2和3描述的转换器单元，被实现为直流链路电缆6'。直流链路电缆6'由嵌入公共绝缘层6d中的正电位导线17c、中心线导线18c和负电位导线19c形成。正电位导线和负电位导线是直流链路电缆6'的铜芯，其横截面的尺寸设置为传送4kA电流，而中心线导线也是所述直流链路电缆6'的铜芯，其横截面的尺寸设置为传送2kA电流。因此，同样在图3给出的这个示例中，中心线导线的横截面是正和负电位导线的横截面除以二。
在图7中更详细地示出了具有如图2所示的分离的直流链路电缆的示例性直流链路6的切片视图。该示例性直流链路由三根电缆形成，即正电位直流链路电缆17、负电位直流链路电缆19和中心线电缆18。正电位直流链路电缆17具有用作正电位导线17c的电缆芯。该电缆芯被绝缘层18d包围。同样，负直流链路电缆19具有用作负电位导线19c的电缆芯。该电缆芯19c被绝缘层19d包围。直径d2及由此的正电位导线和负电位导线的横截面相等。由于正电位导线17c和负电位导线19c的直径都为2.828cm，所以这些导线的横截面为6.283cm2。但中心线导线的直径d1仅为2.000cm，从而中心线导线的横截面为3.142cm2，即正导线横截面的大约一半，也是等同构造的负导线横截面的一半。当假定沿电缆的可允许的电压降约为3％时，当根据由以下公式给出的公式来计算横截面时，正电位和负电位导线的横截面6.283cm2足以沿长度为130m的电缆芯在1000V的直流链路电压下传送4kA的电流，
Figure GDA0002963288380000171
其中，L是直流链路的长度[m]，I是预期的补偿电流[A]，U是转换器串的直流链路电压的最大允许损耗[V]，κ是铜的比电导率[56m/Ωmm2]，结果A为横截面[mm2]。
该公式也可以在概述部分中找到。
如图4所示由正、负和中心线导线17c、19c、18c(它们被公共绝缘层6'包围)形成直流链路6(未示出)包括的示例性直流链路电缆6'的切片视图由图6给出。对于图8，均由单根电缆芯表示的正和负电位导线的直径为2.828cm，而中心线导线的直径为2.000cm。
另一个示例性的直流链路电缆6'的切片视图示于图9中。正电位导线17c被实现为具有2.000cm直径的两根电缆芯。此外，负电位导线19c也被实现为具有2.000cm直径的两根电缆芯。因此，正电位导线17c的总横截面(在该示例中是正电位导线的两根电缆芯的横截面相加)为6.283cm2，因为正电位导线17c的每根电缆芯的横截面为3.142cm2。同样适用于负电位导线19c。中心连接线18c具有与用作正电位导线的两根电缆芯中的一个相同的横截面，因而为总正电位导线17c的横截面的50％。因此，中心连接线能够传送如果例如通过正电位导线17c连接到电网侧逆变器单元的电网侧逆变器的正转换器串的两个等同构造的发电机侧逆变器中的一个遭受故障而发生的补偿电流。当以额定功率输出执行转换操作时，该补偿电流最大为由正电位导线17c输送的电流的一半。
虽然本文已经描述了根据本发明的教导构造的某些产品，但是本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利涵盖了本发明的教导的所有实施例，这些实施例完全属于所附权利要求书的范围内，无论是字面上还是根据等同原则。

Claims (16)

1.一种满标度转换器系统，用于转换由变速风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到电网，所述转换器系统包括：
转换器系统控制器，
电网侧逆变器单元、发电机侧逆变器单元，
所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元都包括并联逆变器的串联连接，
处于所述串联连接的相同电压电平的所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元的逆变器一起形成第一转换器串和第二转换器串，
其中，所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元通过正电位导线和负电位导线在其直流侧背靠背连接，以形成公共直流链路，所述正电位导线和所述负电位导线具有横截面，
其中，所述发电机侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点，所述电网侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的电网侧电压中心点，其中，所述发电机侧电压中心点和所述电网侧电压中心点通过中心线导线电连接，
其中，所述中心线导线的横截面在所述正电位导线和所述负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的30％与70％之间，
其中，所述转换器系统控制器被编程为在所述第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助所述第一转换器串和所述第二转换器串的无故障的逆变器继续转换操作，导致所述第一转换器串与所述第二转换器串之间不平衡的有功功率输出，因为所述中心线导线的尺寸依据所述中心线导线的横截面被设置为传送因所述故障所引起的所述不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。
2.根据权利要求1所述的满标度转换器系统，其中，所述转换器系统控制器被编程为禁用故障的发电机侧逆变器或电网侧逆变器，并且在所述第一转换器串的电网侧逆变器发生故障的情况下禁用所述第一转换器串的发电机侧逆变器，或在所述第二转换器串的电网侧逆变器发生故障的情况下禁用所述第二转换器串的发电机侧逆变器，并且响应于所述第一转换器串的发电机侧逆变器的故障而禁用所述第一转换器串的电网侧逆变器，或响应于所述第二转换器串的发电机侧逆变器的故障而禁用所述第二转换器串的电网侧逆变器。
3.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述转换器系统控制器被编程为通过利用断路器将发电机侧逆变器从所述发电机断开来禁用所述发电机侧逆变器，并且通过利用所述断路器将电网侧逆变器从变压器断开来禁用所述电网侧逆变器。
4.根据权利要求3所述的满标度转换器系统，其中，所述满标度转换器系统除了所述断路器之外还被提供有熔断器。
5.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述中心线导线的横截面的尺寸被设置为所述正电位导线和所述负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的50％，并且所述转换器系统控制器被编程为在所述第一转换器串或所述第二转换器串的发电机侧逆变器或电网侧逆变器的多达50％发生故障而所述满标度转换器系统的其它逆变器无故障的情况下继续操作，其中，以所述无故障的其它逆变器的最大转换能力来继续转换操作。
6.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述中心线导线是电缆的铜芯，所述中心线导线的横截面的尺寸被设置为传送所述补偿电流。
7.根据权利要求6所述的满标度转换器系统，其中，所述电缆包括包围所述铜芯的绝缘层。
8.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述正电位导线和所述负电位导线是至少一根电缆的铜芯，所述至少一根电缆包括包围所述至少一根电缆的铜芯的绝缘层，其中，所述负电位导线、所述正电位导线和所述中心线导线的绝缘层在空间上彼此分离，即，所述满标度转换器系统的对应电缆彼此分离地从所述发电机侧逆变器单元布设到所述电网侧逆变器单元。
9.根据权利要求8所述的满标度转换器系统，其中，所述正电位导线、所述负电位导线和所述中心线导线嵌入在公共绝缘层中。
10.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述正电位导线的横截面和所述负电位导线的横截面相等。
11.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述发电机侧逆变器单元布置在所述风力涡轮机的机舱中，并且所述电网侧逆变器单元布置在所述风力涡轮机的塔架的基部处。
12.根据权利要求1或2所述的满标度转换器系统，其中，所述转换器系统控制器被编程为使得所述满标度转换器系统在所述第一转换器串的电网侧逆变器发生故障的情况下，当禁用所述第一转换器串的发电机侧逆变器时，消耗由所述第一转换器串的发电机侧逆变器产生的功率，以及在所述第二转换器串的电网侧逆变器发生故障的情况下，当禁用所述第二转换器串的发电机侧逆变器时，消耗由所述第二转换器串的发电机侧逆变器产生的功率。
13.根据权利要求12所述的满标度转换器系统，其中，由所述发电机产生的功率被位于所述公共直流链路中的能量耗散单元消耗。
14.根据权利要求1所述的满标度转换器系统，其中，所述转换器系统控制器被编程为在所述第一转换器串的至少一个发电机侧逆变器发生故障的情况下仅禁用所述第一转换器串的至少一个发电机侧逆变器，同时保持所述第一转换器串的电网侧逆变器运行，以实现所述电网侧逆变器的无功功率产生，以及在所述第二转换器串的至少一个发电机侧逆变器发生故障的情况下仅禁用所述第二转换器串的至少一个发电机侧逆变器，同时保持所述第二转换器串的所述电网侧逆变器运行，以实现所述电网侧逆变器的无功功率产生。
15.一种控制满标度转换器系统的方法，所述满标度转换器系统用于转换由变速风力涡轮机的发电机产生的有功功率以馈送到电网中，所述转换器系统包括：
电网侧逆变器单元、发电机侧逆变器单元，
所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元都包括并联逆变器的串联连接，
处于所述串联连接的相同电压电平的所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元的逆变器一起形成第一转换器串和第二转换器串，
其中，所述电网侧逆变器单元和所述发电机侧逆变器单元通过正电位导线和负电位导线在其直流侧背靠背连接，以形成公共直流链路，所述正电位导线和所述负电位导线具有横截面，
其中，所述发电机侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的发电机侧电压中心点，所述电网侧逆变器单元形成处于串联连接的逆变器之间的电压电平的电网侧电压中心点，其中，所述发电机侧电压中心点和所述电网侧电压中心点通过中心线导线电连接，
其中，所述中心线导线的横截面在所述正电位导线和所述负电位导线中具有较小横截面的导线的横截面的30％与70％之间，其中，所述方法包括：
在所述第一转换器串的逆变器发生故障的情况下借助所述第一转换器串和所述第二转换器串的无故障的逆变器继续转换操作，导致所述第一转换器串与所述第二转换器串之间不平衡的有功功率输出，因为所述中心线导线的尺寸依据所述中心线导线的横截面被设置为传送因所述故障所引起的所述不平衡的有功功率输出而产生的补偿电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述方法使用根据权利要求2至14中任一项所述的满标度转换器系统来执行。
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