专利名称：用于操作发电机的频率变换器的方法
技术领域：
本发明涉及用于提供电力给一个电网(grid)的功率变换器的操作，并且特别涉及一种风力涡轮机的发电机的频率变换器。
相关现有技术通过由多种能源将机械能变换成电能来提供公共电网中的电力。支持公共电网的主要能源为火力发电厂与核电厂。几种其他类型的能源(尤其是可再生能量的发电厂，比如太阳能发电厂、水力发电厂或风力涡轮机)也对公共电网提供支持。
在过去，如果在一个公共电网中发生显著的电网电压跌落时，在这种情况下风力涡轮机需要被自动关闭。然而，由于风力涡轮机的数目的增加，以下情况变得越来越重要即在出现显著电网电压跌落的情况下，由这些风力涡轮机来支持公共电网。然而，由于施加到一个将机械能转换为电能的发电机的频率变换器的电子部件上的热应力，在发生电网电压跌落时提高变换器的输出电流是非常关键的并且是受到限制的。
因此，本发明的一个目标是在发生显著电网电压跌落时提高发电机(尤其是风力涡轮机)的输出电流。
发明概要根据本发明，提供一种用于在发生显著电网电压跌落时操作发电机(尤其是风力涡轮机)的频率变换器的方法，其中该频率变换器包括一个连接到该发电机的AC/DC变换器、一个连接到该电压电网的DC/AC变换器以及一个用于将该AC/DC变换器连接到该DC/AC变换器的DC链接电路，该方法包括以下步骤-降低该DC链接电路的输出电压以提高该DC/AC变换器的输出电流；以及/或者-降低该DC/AC变换器的各电子开关的操作频率以提高该DC/AC变换器的输出电流。
由本发明提出的用于解决上述目标的解决方案涉及在发生显著电网电压跌落时提高被提供到公共电网中的电流。根据本发明的第一方面，提高所述DC/AC变换器(即所述频率变换器)的输出电流是通过降低该频率变换器的DC链接电路的输出电压来执行的，该输出电压是用于该频率变换器的DC/AC变换器的操作电压。依靠降低该DC链接电路的输出电压，在不增加出现在该频率变换器的正常操作条件下的各电子开关(典型地是晶体管)的能量损失的情况下提高流过该DC/AC变换器的各电子开关的电流是可能的。特别地，所述电子开关包括晶体管(例如IGBT模块)，正如由本领域普通技术人员通常所知的那样。
根据本发明的第二方面，降低所述DC/AC变换器的各电子开关的开关频率，从而导致提高被提供给电网的该DC/AC变换器的输出电流。此外，根据本发明的这个方面，当发生显著电网电压跌落时，在该频率变换器的正常操作条件下给出的电子开关能量消耗几乎不发生变化。
根据本发明的另一方面，其中降低输出电压和操作频率的上述步骤能够同时发生。
在另一种实施例中，能通过降低在所述DC链接电路自身内的DC链接电路输出电压(即通过激活电压分配器或类似装置)来降低该DC链接电路的输出电压。此外另一个有利的方法涉及控制所述AC/DC变换器的各电子开关处于其接通状态的时间间隔。也就是说，取决于各电子开关(典型地是闸流晶体管(thyristor))的操作状态(接通或关断)，AC/DC变换器的输出电压能被控制。AC/DC变换器的各电子开关的接通状态时间间隔越短，AC/DC变换器的输出电压就越低。
根据本发明的另一个方面，当电网电压被减少一小段时间(毫秒直到秒)时，上述降低步骤或者至少其中一个降低步骤被执行。用于启动至少其中一个降低步骤的电压减少的水平取决于所述部件的设计。当正常电网电压被再次提高到一个特定电平一小段时间(毫秒直到秒)时，所述降低步骤或至少其中一个降低步骤被终止。
附图
简述在说明书的剩余部分中特别参照附图阐述了对本领域普通技术人员来说是完整且具启发性的本发明公开内容(包括本发明的最佳模式)，该附图示意性地示出了配置在发电机和电网之间的频率变换器的电路。
优选实施例的描述下面将详细参考本发明的各实施例，其中的一个或更多例子在附图中说明。每一个例子都是为了解释本发明而被提供的，并且不意味着对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分被说明或描述的特征能被用在其他实施例中或与其他实施例相结合地使用，以便产生另一个实施例。本发明意图包括这些修改和变化。
在附图中示出了一个用于将电力提供到电网的频率变换器10。此频率变换器被配置在一个风力涡轮机(未示出)的发电机14的输出端12与一个电网18的输入端16之间。
此频率变换器10包括三个主要级，也就是一个输入级、一个中间级以及一个输出级。该输入级被配置为一个AC/DC变换器20，而该输出级则包括一个DC/AC变换器22。这两个变换器20、22通过被配置为一个DC链接电路24的中间级而被连接。
在这个实施例中，该AC/DC变换器20和DC/AC变换器22典型地都包括电子半导体功率元件。然而，其它电子或电气元件也可能被使用。特别地，在这个实施例中，该AC/DC变换器20包括6个闸流晶体管25，所述闸流晶体管由一个控制单元26控制，该控制单元又依赖于风力涡轮机的当前操作参数和环境条件而被控制。作为一个替换方案，可以使用二极管来取代闸流晶体管25。如图所示，该DC/AC变换器22包括6个晶体管28，其也由控制单元26控制。根据本发明，多种类型的晶体管能被用于电力变换器，例如IGBT模块。此外，如本领域普通技术人员所知，该DC/AC变换器22在其输出端包括一个滤波装置，该滤波装置在这个实施例中包括3个电感器30。
DC链接电路24通常包括至少一个用于DC链接电流的滤波器，其能被配置为DC链接扼流圈(未示出)。此外，该DC链接电路包括一个电能存储装置32，其例如可以是一个电容器组、一个电池、一个超级电容器或类似装置。
电网电压跌落能通过被连接到控制单元26的电网电压传感器34来感测。以类似方式，发电机14的输出电压能通过也被连接到控制单元26的定子电压传感器36来感测。
在发生电网电压跌落时，一个风力涡轮机的发电机14能够支持电网以便产生所需的电力并将其提供给电网18是必要的。根据本发明，有两种方法能被用于在发生电网电压跌落时提高被提供给电网的电力。根据本发明的第一种方法涉及降低DC链接电路24的输出电压Vz，这例如能通过控制AC/DC变换器20来实现。为了实现这样的功能，该AC/DC变换器20的闸流晶体管25需要根据发电机14的定子的相移而被控制。此外还必须检测或确定定子的频率。依照这些参数，对闸流晶体管25的控制被修正，以便降低DC链接电路24的输出电压Vz。
由于DC链接电路24的输出电压Vz的降低，在发生电网电压跌落时，DC/AC变换器22的输出电流IC不改变晶体管28中的功率损耗的情况下而被提高，从而当与在正常操作条件下相比时，这些功率损耗基本不改变。
在下面给出一个例子，以示出在发生电网电压跌落时的电流的提高。
假设在正常条件下，对于频率变换器10给出下列参数。DC链接电路24的输出电压Vz是600V，以及输出电流IC是1600A。晶体管28的允许温度是125℃，以及晶体管28的占空比是1。当接通一个晶体管28时的能量损耗Eon是210mWs，当关断一个晶体管28时的能量损耗Eoff是260mWs，以及在其中一个晶体管28被关断的间隔期间的能量损耗Erec是115mWs。需要注意的是，这些参数仅仅是例子，并且因此可能做出改变。
进一步假设开关频率f是25001/s，基于Eon、Eoff和Erec的功率损耗以及在一个晶体管28的接通状态期间的功率损耗Psw如下Pon+Poff+Prec＝(Eon+Eoff+Erec)*f＝(0.210Ws+0.260Ws+0.115Ws)*25001/s＝0.585Ws*25001/s＝1462.5WPsw＝Vce*Ic*(接通状态间隔)/(接通+关断状态间隔)＝2.4V*1600A*1/2
＝1920WP ＝Pon+Poff+Prec+Psw＝3382.5W进一步假设DC链接电路24的输出电压Vz被降低到30％，并且进一步假设Pon、Poff和Prec基本上被降低相同的百分比，这些功率损耗的总和如下Pon+Poff+Prec＝1/3*1462.5W＝487.5WP＝1920W+487.5W＝2407.5W为了不超过在正常操作下的功率损耗，输出电流Ic能被提高大约30％Ic＝2100A(对于2407.5W)需要注意的是，最大输出电压Ic的提高的百分比与所使用的晶体管28的类型无关。
另外一种在发生电网电压跌落时提高输出电压Ic的方法是降低晶体管28的开关频率。也就是说，当晶体管28被接通一段较短的时间周期时，若此时保持电流不变，则能量损耗被降低。因此，如果能量损耗能保持不变，则电流能被提高。
下面将针对这种情况给出一个基于上述参数的例子。
假设开关频率f从25001/s被降低到5001/s，则能够获得下列等式Pon+Poff+Prec＝(Eon+Eoff+Erec)*f＝(0.210Ws+0.260Ws+0.115Ws)*5001/s＝0.585Ws*5001/s＝292.5WPsw＝Vce*Ic*(接通状态间隔)/(接通+关断状态间隔)＝2.4V*1600A*1/2＝1920WP＝1920W+292.5W＝2212.5W因此，为了获得与在正常操作时相同的总功率损耗，输出电流Ic能被提高到IC＝2200A(对于2212.5W)
虽然已经参考其特定示意性实施例描述和阐释了本发明，但这并不意味着本发明被限制为那些示意性实施例。本领域技术人员将认识到，在不背离由所附权利要求书所限定的本发明真实范围的情况下，本领域技术人员可以对其做出各种改变和修改。因此，本发明意图包括落在所附权利要求书或其等效表述的范围内的所有改变和修改。
权利要求
1.用于在发生显著电网电压跌落时操作一个发电机、尤其是一个风力涡轮机的频率变换器的方法，其中该频率变换器(10)包括一个连接到该发电机(14)的AC/DC变换器(20)、一个连接到该电压电网(18)的DC/AC变换器(22)以及一个用于将该AC/DC变换器(20)连接到该DC/AC变换器(22)的DC链接电路(24)，本方法包括以下步骤-降低该DC链接电路(24)的输出电压以提高该DC/AC变换器(22)的输出电流；以及/或者-降低该DC/AC变换器(22)的各电子开关(28)的操作频率以提高该DC/AC变换器(22)的输出电流。
2.根据权利要求1的方法，其中当电网电压被减少至少大约其正常值的10％几秒钟时执行所述降低步骤或至少其中一个降低步骤，以及其中当正常电网电压被再次提高至少大约其正常值的80％几秒钟时终止所述降低步骤或至少其中一个降低步骤。
3.根据权利要求1的方法，其中当电网电压被减少至少大约其正常值的20％几秒钟时执行所述降低步骤或至少其中一个降低步骤，以及其中当正常电网电压被再次提高至少大约其正常值的90％几秒钟时终止所述降低步骤或至少其中一个降低步骤。
4.根据权利要求1到3中的任一个的方法，其中所述降低DC链接电路(24)的输出电压的步骤包括控制发电机(14)的一个相位的输出电压的一个交叉与AC/DC变换器(20)的一个电子开关(25)的一个操作之间的时间间隔。
5.根据权利要求1到3中的任一个的方法，其中所述降低DC链接电路(24)的输出电压的步骤包括降低AC/DC变换器(20)的该电子开关(25)的脉冲宽度间隔。
6.根据权利要求1到5中的任一个的方法，其中执行对DC链接电路(24)的输出电压的降低和/或对DC/AC变换器(22)的操作频率的降低，以便在不显著改变该DC/AC变换器(22)的各电子开关(28)中的能量损耗的情况下提高所流过的电流。
全文摘要
本方法涉及在发生显著电网电压跌落时操作一个发电机、尤其是一个风力涡轮机的频率变换器，其中该频率变换器(10)包括一个连接到该发电机(14)的AC/DC变换器(20)、一个连接到该电压电网(18)的DC/AC变换器(22)以及一个用于将该AC/DC变换器(20)连接到该DC/AC变换器(22)的DC链接电路(24)。本方法包括以下步骤降低该DC链接电路(24)的输出电压以提高该DC/AC变换器(22)的输出电流；以及/或者降低该DC/AC变换器(22)的各电子开关(28)的操作频率以提高该DC/AC变换器(22)的输出电流。
文档编号H02J3/18GK1860655SQ03827194
公开日2006年11月8日 申请日期2003年9月16日 优先权日2003年9月16日
发明者D·门克, W·扬森 申请人:通用电气公司