专利名称：用于动态变化输出功率发电机的整流电路及相应控制方法
技术领域：
本发明描述了一种用于将一个三相发电机连接到电网上的整流电路。这种整流电路例如用于风力发电设备中。很显然，这里由于自然条件，即不同的风速而导致发电机的输出功率动态变化。
背景技术：
发电机所产生的电流必须在电压、频率和相位上适配地馈送给已有电网。典型的电压值为数百伏至数万伏，频率为50Hz或60Hz。
在具有产生时间上动态变化的输出功率的电流发电机的风电发电设备中，例如采用以下现有技术。
DE 101 140 75 A1公开了具有动态功率输出的发电机与一次配电电网的一种复杂的连接。其中发电机与一个桥式整流器相连接。整流器产生一个数千伏的直流电压，它通过一个直流电压连接线与级联的反用换流器相连接。这个非常灵活的整流电路由于级联的反用换流器和那里集成的上行换流器可有效工作于风速变化大并从而导致发电机不同的输出电压的情况下。这种整流电路的缺点是这里不能应用有效且可靠的异步机械，它们对于产生旋转磁场是必要的。另一个缺点是相对高的电路技术开销，例如这使得这种整流电路由于经济原因而没有被安装在现有风力发电设备中。
US 56 524 85公开了将风力发电设备连接到电网上的一种简单的方法。其中一个四象限反用换流器的交流电压连接端子直接连接于发电机输出端与电网之间。这里一个模糊逻辑控制用于适当控制四象限反用换流器。当然这里四象限反用换流器必须具有对应于发电机给出的最大功率的功率容限，为了保证其安全运行，此功率容限最好略大于发电机的最大输出功率。
将风力发电设备连接到电网上最简单的方法是风力发电设备的发电机与电网直接连接。此时最好异步机械由于其可靠性而被用作发电机。然而这种简单电路具有很多缺点。在低风速情况下由于保持恒定的发电机转速而不可能耦合低的输出功率到电网上，或者只能以非常有限的效率实现此耦合。此外，采用此电路不可能在每个运行状态下实现馈电用户所需的无功功率补偿。
本发明还描述了在电网短接情况下进行无功功率补偿的整流电路的控制方法。在电网短接时通常—如果短路位置与观察位置具有一定距离—残留一个剩余电压。如果此剩余电压还具有一个规定值—它取决于电网运营商的规定，例如为标称电压的15％，则设置在那里的馈入装置，例如一个风力发电设备，可以将无功功率馈送到电网中。上述发电机直接连接到电网上的结构中风力发电设备不能完成此任务。
发明内容
本发明的目的在于给出一种整流电路，它将具有动态变化输出功率的发电机与电网的直接连接进行了扩展，使得发电机的转速范围—在此范围中可以有效馈送到电网中—进一步向低转速扩展，上述扩展也可集成到现有电路中，并且在整个运行中可以实现无功功率补偿。本发明的目的还在于给出一种控制方法，它可在电网短接时馈送无功功率到电网中。
上述任务由权利要求1所述整流电路及权利要求2所述控制方法完成。优选的改进如从属权利要求所述。
用于连接三相发电机和电网的本发明整流电路由两个独立的连接组成。第一个连接是发电机与电网的直接连接，其中这个连接在每一相中具有一个开关，通过这个开关此连接可以被切断。发电机与电网的第二个连接由一个由两个整流器构成的四象限变换器组成，每个整流器由三个半桥电路构成，每个半桥电路由两个功率开关构成。此四象限变换器最大具有发电机标称功率的一半。第二个连接如此设置，使得第一个整流器的交流电压连接端与发电机的三相连接，第二个整流器的交流电压连接端与电网的三相连接。此外这两个整流器与一个公共的直流中间电路连接，其中在直流中间电路的正连接端和负连接端之间连接有至少一个电容器。
用于在电网短接情况下—其中剩余电压等于或大于标称电压的10％—对上述整流电路进行无功功率补偿的本发明控制方法可以划分为三个时段。直到重新达到标准电压的至少80％的整个短路期应持续例如三秒时间。短路后根据降低的电网电压立即切断发电机与电网的直接连接，发电机自动从电网断开。通过四象限变换器的连接，发电机并非直接与电网连接。
在短路后的第一个时段中发电机与电网之间的开关切断，四象限变换器在电网一侧的整流器通过其交流电压连接端借助于存储在中间电路中的能量为电网提供无功功率。在接着的第二个时段中发电机与电网之间的开关仍然切断，电网一侧的整流器从电网取出有用功率以补偿其内部损耗，并提供无功功率到电网中。在此第二个时段中电网电压通常重新上升。在达到标称电压的例如80％时馈入点又被接通。在第三个时段中发电机与电网之间的开关仍然断开，整个四象限变换器控制发电机的平缓重启，这样其中不会出现电网的无功功率加载。
在接着的时间进程中依据风速及从而得到的发电机输出功率，继续通过四象限变换器，或者直接通过接通的开关使发电机与电网连接，提供能量给电网。
下面借助图1举例说明本发明的特征和配置，其中本发明整流电路被设置在一个风力发电设备中。
具体实施例方式
图中示出一个具有旋翼10的风力发电设备，旋翼通过传动装置驱动发电机20。此发电机20是按现有技术具有690伏标称输出电压的异步机械，三相输出22通过一个变压器92连接到一个一次配电电网90。这些都与现有技术一致，就像它已多次用作风力发电设备那样。
为了经济地推广现有风力发电设备，或者为了制造新的廉价的风力发电设备，所示电路对于整流电路作出了创造性改进。此整流电路被设计为四象限变换器100，并且分别由发电机侧和电网侧的一个整流器50，70组成，每个整流器分别由三个半桥电路构成。所述半桥电路分别由一个上功率半导体开关52，72和一个下功率半导体开关53，73以及分别与其反向并联连接的空转二极管54、55，74、75构成。这两个整流器50，70以其直流输出端56，58，76，78通过直流中间电路60与一个存储能量的电容器62相连接。
为了将四象限变换器接入到已有电路中，在从发电机20到电网90的连接线的三相22中的每一相都具有一个开关30。最好每个这种开关30分别由两个反向并联连接的功率半导体开关，如晶闸管组成。发电机一侧的整流器50的交流连接端25分别通过一个扼流圈40连接于发电机20的三相22。此连接点24位于开关30的发电机一侧。电网一侧的整流器70的交流连接端27分别通过一个扼流圈80连接于发电机的三相22，然而这些连接点26位于开关30的电网一侧。
在低风速情况下借助于开关30使第一个连接，即发电机20与电网90的直接连接断开。现在能量通过四象限变换器100流到电网。由于此连接仅用于低风速，只有小转速和所产生的小的能量才接通，将四象限变换器100配置为最大为发电机20功率的一半，最好只为其三分之一就足够了。这一方面具有功率降低的四象限变换器100成本低的经济上的优点，另一方面还使机械结构简化了。
在较高风速时开关30接通，电流从发电机20直接流到电网90。在此情况下四象限变换器100的两个整流器50，70通过适当的控制提供电网运营商所需的无功功率到电网90上。
本发明整流电路的四象限变换器100在电网短接的情况下用于电网90的无功功率补偿。基于电网运营商的需要按照现有技术电网电压在大约三秒后重又恢复到至少80％。在此期间内馈入点，如风力发电设备必须馈送无功功率到电网中。为此借助本发明的控制方法来控制四象限变换器100电网一侧的整流器70。
下面从发电机20直接、即通过接通的开关30连接于电网90的状态出发。在电网短接后电网90的电压下降到标称值的例如20％。在约150ms的时段之后电网电压重新开始上升，直到三秒之后又近似达到标称电压。
在外部激励造成电网短接的情况下，发电机20仅在短时间内提供电流，发电机自动借助于开关30与电网分离。从而只有电网一侧的整流器70以其交流电压连接端与电网90连接，并且此整流器可以向电网馈送无功功率。在电网刚刚短接之后电网一侧的整流器70如此被控制，使得它向电网90提供无功功率。这里在电网短接之后的第一个时段中中间电路60被用作能量供应源。在馈送无功功率期间必要时可在短时间内在功率开关的额定电流之上馈送电流，这里功率开关是功率晶体管72，73(最好是IGBT，即绝缘栅双极型晶体管)，只要避免可能会导致功率晶体管损坏的热过载。
在直至电网电压重又达到标称电压80％的第二时段中电网一侧的整流器70从电网90取出有用功率并且反馈给电网无功功率。取出有用功率是必要的，因为在整流器内部的损耗，如IGBT72，73的开关损耗必须被补偿。
在达到标称电压的80％后的第三个时段中发电机20又被接通。四象限变换器100现在如此被控制，使得能保证发电机20的平缓重启而没有无功功率加载电网。接着开关30被断开，可以像电网短接之前一样工作。
权利要求
1.用于连接三相发电机(20)和电网(90)的整流电路，该整流电路包括发电机(20)与电网(90)的第一个直接连接，其中在每一相(22)的连接中具有一个开关(30)，以及发电机(20)与电网(90)的第二个连接，其中一个功率最大为发电机(20)标称功率一半的四象限变换器(100)被如此设置使得四象限变换器(100)由第一个整流器(50)和第二个整流器(70)组成，第一个整流器的三个交流电压连接端(24)与发电机(20)的三个连接端相连接，并且其直流连接端(56，58)与一个具有电容器(62)的中间电路(60)相连接；第二个整流器的三个交流电压连接端(26)与电网(90)相连接，并且其直流连接端(76，78)与中间电路(60)相连接。
2.用于在电网短接情况下，对权利要求1所述整流电路进行控制以进行无功功率补偿的控制方法，其中剩余电网电压等于或大于标称电压的10％，如此设计使得在短路后的第一个时段中—这时开关(30)已经断开或由于电网短接而被断开，电网一侧的整流器(70)通过其交流电压连接端(24，26)从存储在中间电路(60)中的能量向电网提供无功功率，在开关(30)继续断开的第二个时段中整流器(70)将无功功率反馈到电网(90)中，并且在开关(30)断开的第三个时段中整个四象限变换器(100)控制发电机(20)的平缓重启，并使无功功率的电网加载保持最小或被避免，接着发电机重又或者继续通过四象限变换器(100)或者通过直接连接向电网(90)提供能量。
3.如权利要求1所述的整流电路，其中每个整流器(50，70)由三个半桥电路构成，每个半桥电路分别具有一个上功率开关和一个下功率开关。
4.如权利要求3所述的整流电路，其中每个功率开关由一个或多个分别带有一个或多个反向并联连接的功率二极管(54，55，74，75)的功率晶体管(52，53，72，73)组成。
5.如权利要求1所述的整流电路，其中开关(30)分别由两个反向并联连接的功率半导体开关，如晶闸管构成。
6.如权利要求2所述的控制方法，其中在第一个时段中整流器(50，70)的功率开关被加载到其标称负载之上，只要此加载不损坏此功率开关。
全文摘要
本发明涉及用于连接三相发电机和电网的整流电路及其相应的控制方法，包括发电机与电网的第一个直接连接和发电机(20)与电网(90)的第二个连接，其中一个四象限变换器被如此配置它由第一个整流器和第二个整流器组成，第一个整流器的三个交流电压连接端与发电机的三个连接端连接，第二个整流器的三个交流电压连接端与电网相连接。用于在电网短接情况下进行无功功率补偿的控制方法如下在短路之后的第一个时段中电网侧整流器通过其交流电压连接端给出无功功率到电网，在第二个时段中此整流器反馈无功功率到电网，并且在第三个时段中整个四象限变换器控制发电机的平缓重启过程而没有无功功率加载电网。
文档编号H02M5/458GK1645730SQ20051000562
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月21日 优先权日2004年1月24日
发明者德简·施赖伯, 海因里希·海尔布隆纳 申请人:塞米克朗电子有限公司