专利名称：用于旋转发电系统的电力转换系统以及方法
用于旋转发电系统的电力转换系统以及方法
背景技术：
本发明一般涉及电力转换系统。更具体地，本发明涉及在旋转发电系统中使用的电力转换系统以将由可变速度旋转发电机产生的可变频率交流电转换成具有可控幅值或者频率的交流电以用于向电网馈电。发电系统的一种类型包括用于通过发电机转子的旋转产生具有可变频率的交流电的旋转发电机以及用于将可变频率交流电转换成供应给电网的具有可控的幅值或者频率的交流电的电力转换系统。这样的发电系统的一个示例包括可变速度风力涡轮机发电系统。可变速度风力涡轮机发电系统包括具有随风速变化的旋转速度的发电机并且以产生具有可变频率的交流电。可变速度风力涡轮机发电机与要求固定速度运行的风力涡轮机发电机相比，能在风速的范围内提供较多的能量。用于可变速度的风力涡轮机的电力转换系统典型地包括用于将可变频率的交流电转换成在DC链路处的直流电的发电机侧电力电子转换器(“发电机侧转换器”)以及用于将在DC链路处的直流电转换成具有可控的幅值或者频率的交流电以给电网馈电的线路 (或者电网)侧电力电子转换器(“线路侧转换器”)。当在不同风力以及电网状态下保护发电系统时传输尽可能多的风力到电网是所希望的。
发明内容
根据本发明的一个示例性的实施例，提供了发电系统。该发电系统包括用于产生可变频率交流电的旋转发电机、用于将可变频率交流电转换成DC电流的发电机侧转换器、 与发电机侧转换器耦合以用于接收DC电流的DC链路、与DC链路耦合以用于将DC电流转换成具有可控的幅值或者频率的交流电的线路侧转换器、用于接收DC链路电压命令信号与 DC链路电压反馈信号并且产生用于发电机侧转换器的控制信号的发电机侧控制器、以及用于接收发电机转矩命令信号与发电机转矩反馈信号并且产生用于线路侧转换器的控制信号的线路侧控制器。根据本发明的另一示例性的实施例，提供了风力涡轮机发电系统。该风力涡轮机发电系统包括用于产生由风驱动的可变频率的交流电的风力涡轮机以及电力转换模块。该电力转换模块包括用于将可变频率交流电转换成DC电流的发电机侧转换器、与发电机侧转换器耦合以用于接收DC电流的DC链路、与DC链路耦合以用于将DC电流转换成具有可控的幅值或者频率的交流电的线路侧转换器、以及电力转换控制系统。该电力转换控制系统包括用于接收DC链路电压命令信号与DC链路电压反馈信号并且产生用于发电机侧转换器的控制信号的发电机侧控制器、以及用于接收发电机转矩命令信号与发电机转矩反馈信号并且产生用于线路侧转换器的控制信号的线路侧控制器。
本发明这些和其他特征、方面和优点当参考附图(在其中类似的字符表示遍及所有附图的类似部件)阅读了下面详细的描述时可以被更好地理解，其中图1是与电网电耦合的传统发电系统的框图。图2是根据本发明的一个实施例与电网电耦合的发电系统的框图。图3是根据一个实施例的线路侧控制器的示例性的框图。图4是根据一个实施例的发电机侧控制器的示例性的框图。
具体实施例方式本文公开的实施例涉及电力转换控制系统，其用于控制电力转换模块的运行，电力转换模块用于将由旋转发电机产生的可变频率的交流电转换成具有可控的幅值或者频率的交流电以给电网馈电。如本文所使用的，或者旨在包含的使得“可控的幅值或者频率” 旨在包括可控的幅值、可控的频率、或者既可控的幅值又可控的频率。电力转换模块包括发电机侧转换器、线路侧转换器、以及在该发电机侧转换器与线路侧转换器之间的DC链路。电力转换控制系统使用转矩控制命令以控制线路侧转换器的运行并且使用DC链路控制命令以控制发电机侧转换器的运行。尽管示例性的附示了用于示例目的的风力发电系统，本发明的实施例对任何旋转发电系统适用，该旋转发电系统具有以可变速度运行的旋转发电机以及将具有由旋转发电机产生的具有可变频率的交流电的电力转换成具有以不同频率、不同相位角、或者不同的频率和相位角的交流电的电力的电力转换模块。旋转发电机可包括例如可变速度的风力涡轮机、燃气涡轮机、微涡轮机、以及海洋水电动力装置 (marine hydro kinetic device)0首先参考传统旋转发电系统，该系统是如图1中所图示的传统可变速度的风力涡轮机电力系统10 (此后本文称“系统10”)。系统10包括用于在相导体14上产生具有可变频率的交流电的可变速度的风力涡轮机发电机12 (此后本文称“涡轮机12)、用于将在相导体14上的可变频率的交流电转换成在相导体18上的交流电的电力转换模块16、以及用于接收几个参考信号与命令以产生用于控制电力转换模块16的运行的控制信号的传统电力转换控制系统20。在相导体18上的交流电进一步给电网22馈电。涡轮机12包括多个涡轮机叶片沈，并且发电机观具有发电机转子(未示出)与发电机定子(未示出)。涡轮机叶片26的间距是可变的并且可被控制。涡轮机叶片沈与第一可旋转轴M (其在某些实施例中与变速箱30机械耦合)耦合。变速箱30进一步通过第二可旋转轴25与发电机转子耦合以驱动发电机转子来旋转。变速箱30典型地包括具有固定比率的阶升变速(st印-up speed transmission)，使得发电机转子以第一可旋转轴的固定多倍速度旋转。发电机的空气间隙被磁通量场(F)布满，并且发电机转子的旋转在来自发电机定子上的线圈的相导体14上感生交流电。相应地，在相导体14上的交流电具有可变的频率与可变的幅度，其与第一旋转轴24(或者第二旋转轴或者发电机转子)的旋转速度以及磁通量F成比例。如被图示的，电力转换模块16包括发电机侧转换器32、DC链路34、以及线路侧转换器36。发电机侧转换器与线路侧转换器32、36每个包括多个半导体开关35，例如IGBT、 IGCT、M0SFET,以及类似物。发电机侧转换器32接收来自发电机观在相导体14上的可变频率的交流电并且将在相导体14上的交流电转换成在DC链路34处的DC电流。线路侧转换器M接收在DC链路34处的DC电流并且将该DC电流转换成具有可控的幅度和/或频率的交流电18以给电网22馈电。图示的传统电力转换控制系统20包括发电机侧控制器38以及线路侧控制器40。 发电机侧控制器与线路侧控制器38、40相应地接收许多参考信号与命令并且相应地产生用于发电机侧与线路侧转换器32、36的脉宽调制(PWM)控制信号。如被图示的，传统电力转换控制系统20使用转矩参考发生器(TRG)装置41来指引涡轮机沈的电力轨迹并且产生转矩命令信号T。_。发电机侧控制器38接收转矩命令信号T。_并且使用在转矩命令信号与在相导体14上的交流电(例如测量的三相电流与电压信号ia、ib、i。与va、vb、v。)之间的相互关系来产生用于控制发电机侧转换器32的半导体开关35的切换运行的PWM控制信号。在一个实施例中，发电机侧控制器38使用在相导体14上的交流电来产生转矩反馈信号T—fMdba。k并且然后使用转矩命令T。。_与转矩反馈信号T fradba。k以产生用于发电机侧开关的PWM控制信号以控制发电机转矩。在某些实施例中，转矩反馈信号T fMdba。k能通过在查阅表中搜索、通过观察测量的结果、或者通过观察发电机转矩与交流电的相关函数而获得。线路侧转换器40接收DC链路电压命令信号Vde。。_，以及测量的DC链路34的DC 电压反馈信号Vde feedba。k并且使用这些信号以控制线路侧转换器40的半导体开关35的切换运行以及将DC链—路电压维持在所希望的水平。使用这样的传统电力转换控制系统20、线路侧转换器40的性能以维持DC链路电压可被不正常运转的电网所折损。例如，如果电网22非常弱或者具有电共振(由于分流或者串联电容)，线路侧转换器40DC链路电压控制可变得不稳定。参考图2，图示了根据本发明的一个实施例包括电力转换控制系统50的示例性的旋转发电系统42。示例性的旋转发电系统42( “系统42”)包括旋转发电机，其在一个实施例中包括风力涡轮机发电机12 ( “涡轮机12”)、与涡轮机12以及与电网44 二者电耦合的电力转换模块48、以及用于控制电力转换模块48的运行的电力转换控制系统50。在图示的实施例中，涡轮机12具有如参考图1所描述的传统涡轮机相似的配置。在其他实施例中，涡轮机12可包括任何旋转发电机，其包括例如可变速度风力涡轮机、燃气涡轮机、微涡轮机、以及海洋水电动力装置的其他类型。在图示的实施例中，电力转换模块48包括发电机侧转换器52、DC链路54、以及线路侧转换器56。DC链路M包括至少一个电容器55。发电机侧转换器与线路侧转换器52、 56可包括双向转换器，并且每个包括多个半导体开关57，例如IGBT、IGCT、以及类似物。发电机侧转换器52接收来自涡轮机12在相导体46上的可变频率的交流电并且将在相导体 46上的交流电转换成在DC链路M处的DC电流。线路侧转换器56接收在DC链路M处的DC电流并且将该DC电流转换成在相导体58上具有可控幅值和/或频率的交流电以给电网44馈电。在图示的实施例中，转换控制系统50包括用于控制发电机侧转换器与线路侧转换器52、56的运行的发电机侧控制器60与线路侧控制器62。在本发明的某些实施例中，发电机侧控制器60与线路侧控制器62相应操纵DC链路电压控制以及发电机转矩控制。发电机侧控制器与线路侧控制器60、62可被物理上分离或者可位于集成控制单元内。在图2的图示实施例中，发电机侧控制器60接收代表在DC链路M处所希望的DC 电压的DC链路电压命令Vde。_，以及测量的DC链路电压反馈信号Vde feedba。k。发电机侧控制器60使用DC链路电压差值(DC链路电压命令信号与DC链路电压反馈信号的差值)以产生PWM控制信号64用于控制发电机侧转换器52的半导体开关57的切换运行。当在DC链路处的DC电压中存在减少并且测量的DC链路电压反馈信号Vde feedba。k减少时，发电机侧控制器60控制发电机侧转换器52来增加来自涡轮机12的功率流量(power flow)。当在测量的DC链路电压反馈中存在增加时，相反的控制动作发生。无论这样或那样，以确保输出 DC链路电压被维持在所希望的名义水平的方式来提供PWM控制信号64是有用的。在图2的图示实施例中，发电机侧控制器60还接收指示所希望的发电机的VAR输出的VAR命令信号(VAR。。_)与指示所希望的在发电机定子端子处允许的最大水平电压的电压限制信号(VAR linJ。在某些实施例中，发电机以零VAR输出运行以使输出电流最小化。 在某些实施例中，VAR输出可在高速运行期间被调整以限制发电机的AC电压。继续参考图2，线路侧控制器62接收代表所希望的转矩的转矩命令信号T。。_与测量的或者计算的转矩反馈信号T fradba。k以产生用于线路侧转换器56的PWM控制信号65。图 3更详细地图示了线路侧控制器62的一个实施例。该图示的线路侧控制器62包括用于接收转矩命令信号T。_与转矩反馈信号T fradba。k以产生转矩控制信号68的转矩调整器66、以及用于接收转矩控制信号68以产生PWM控制信号65的PWM调制器70。在一个实施例中， 转矩调整器66使用转矩误差信号Δ T (其是在转矩命令信号Τ—。。_与转矩反馈信号T—fMdba。k 之间的差值)来产生转矩控制信号68。转矩反馈信号T fMdba。k能由任何合适的方法获得。 在一个示例中，转矩反馈信号T fradba。k从在相导体46上测量的电流以及基于所测量的电压与发电机转子的旋转速度的发电机通量来计算。线路侧控制器62使用转矩命令信号与转矩反馈信号T。_、T feedback以产生控制线路侧转换器56的半导体开关57的运行的PWM控制信号。在图3的图示实施例中，线路侧控制器62进一步包括调整器增益调节模块72，其用于产生调整器增益调节信号74以调节转矩调整器66的控制增益。在图3的图示实施例中，调整器增益调节模块72使用测量的发电机旋转速度(ω)来调节转矩调整器66的控制增益。在一个示例性的实施例中，转矩控制信号68能由下获得T = KX Δ T其中“Τ”是转矩控制信号，“K”是控制增益，以及“ Δ Τ”是转矩误差。控制增益K 由旋转速度ω调节。在某些实施例中，较高的旋转速度ω代表较高的电力水平，以及相应地，较大的控制增益K被选作转矩控制。在图3的图示实施例中，线路侧控制器62进一步包括电压调整器74，其用于接收电压命令V。_(代表所希望的电网侧转换器输出电压幅度)以及测量的电压反馈信号V feedback,并且用于产生电压控制信号76。在一个实施例中，电压调整器74使用电压误差信号 Δ V(其是在电压命令信号V。。_与电压反馈信号T fradba。k之间的差值)来产生电压控制信号76。电压控制信号76限定被施加给相导体58(在图2中示出)的所希望的输出电压的幅度，同时转矩控制信号68限定所希望的输出电压角。在图3的实施例中，所希望的电压幅度以及角的合并由PWM调制器70所使用以产生控制信号来控制被施加给相导体58的输出电压。当由于在电网中的变化或者发电机转矩水平的变化而在输出电压中存在变化时， 所测量的三相电压信号V feedba。k变化，并且线路侧控制器62控制线路侧转换器56以将输出电压维持在名义上等于电压命令V。_。在某些实施例中，线路侧控制器62进一步调整电抗性电流或者VAR输出。
参考图4，在一个更具体的实施例中，发电机侧控制器60进一步接收转矩命令信号τ—。。_。在一个实施例中，转矩命令T—。_被施加给滤波器块78。来自滤波器块78的滤波的转矩命令80被用于产生PWM控制信号64，其将增加或者减少进入DC链路M的发电机输出功率流量，并且因而提高发电机的转矩响应以更好地遵循转矩命令T。_。例如，在一个实施例中，当在风速中存在增加时，转矩命令信号T。_增加，并且发电机侧控制器60控制该发电机侧转换器输出更多电力至DC链路M同时将DC链路电压维持在所希望的水平。在图示的实施例中，发电机侧控制器60进一步包括DC电压调整器84，其用于接收DC电压命令信号Vd。—。。_以及DC电压反馈信号Vd。fradba。k并且用于产生DC电压控制信号86，其是Vd。。。_ 与Vd。—fradba。k之间的DC电压差值的函数。在图示的实施例中，滤波的转矩命令80被用作变量，其用于在馈入有效电流控制88以产生PWM控制信号64之前调节DC电压控制信号86。 较高的滤波的转矩命令80增加有效电流控制信号87同时将在DC链路34处产生的DC电压维持在所希望的值内。在有效电流控制信号87中的增加将促使更多的电力流入DC链路 54以平衡到电网44的输出功率流量。参考回图2，电力转换模块48可进一步包括保护性电路或者动态制动电路90 ("DB 电路90”)。在图示的实施例中，DB电路90与DC链路M耦合以用于防止发电机观与变速箱30经历在电网故障事件期间(当电网不能接受产生的电力时)可损害变速箱大的瞬时转矩。在一个实施例中，DB电路90包括与DC链路M耦合的能量吸收元件92、以及至少一个DB开关94。在一个实施例中，能量吸收元件92包括一个或者多个电阻器。在一个实施例中，电力转换控制系统50包括DB控制器96，其用于控制DB电路90 的运行。在某些实施例中，DB控制器96使用转矩误差Δ T (其是转矩命令信号与转矩反馈信号T—。。_、T feedba。k的差值)以产生控制DB电路90的切换运行的DB控制信号98。在一个实施例中，当转矩误差ΔΤ比阈值ΔΤ0大时，启用信号被传输以致动开关94。当开关94 被激活，能量吸收元件消耗来自DC链路M的能量以增加发电机负载与相应的转矩反馈T ftedba。k至由转矩命令T—。。_确定的水平。相应地，当存在电网故障(其减少电网侧转换器输出电力)，发电机侧转换器52将迅速减少发电机转矩以维持稳定的DC链路电压，其将引起 Δ T的增加并且促使能量吸收元件92运行并且将发电机转矩负载恢复至名义上的水平以使变速箱磨损最小化。虽然本发明的仅某些特征在本文被说明和描述，许多修改和变化对于该领域的技术人员是可以想到的。因此，必须理解附上的权利要求书旨在覆盖所有这些修改和变化，它们落入本发明的真实精神范围内。部件列表
权利要求
1.一种发电系统(42)，包括旋转发电机(12)，其用于产生可变频率的交流电； 发电机侧转换器(52)，其用于将所述可变频率的交流电转换成DC电流； DC(54)链路，其与所述发电机侧转换器耦合以用于接收所述DC电流； 线路侧转换器(56)，其与所述DC链路耦合以用于将所述DC电流转换成具有可控的幅值或者频率的交流电；发电机侧控制器(60)，其用于接收DC链路电压命令信号与DC链路电压反馈信号并且产生用于所述发电机侧转换器的控制信号；以及线路侧控制器(62)，其用于接收发电机转矩命令信号与发电机转矩反馈信号并且产生用于所述线路侧转换器的控制信号。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述发电机侧控制器被配置成接收所述发电机转矩命令信号并且使用所述发电机转矩命令信号、以及所述DC链路电压命令与反馈信号来产生用于所述发电机侧转换器的控制信号。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述线路侧控制器被配置成接收测量的发电机旋转速度以调节由所述线路侧控制器产生的控制信号的增益。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述线路侧控制器进一步被配置成用于接收所述电网侧转换器输出电压幅度命令与反馈信号以产生电压控制信号以在产生用于所述线路侧转换器的控制信号中使用。
5.如权利要求1所述的系统，进一步包括动态制动电路，其与所述DC链路耦合。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述动态制动电路包括能量吸收元件以及至少一个与所述能量吸收元件串联的动态制动开关。
7.如权利要求6所述的系统，进一步包括动态制动控制器，其用于通过使用所述转矩命令信号与所述转矩反馈信号的差值以控制所述动态制动开关的运行来控制动态制动电路的切换运行。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述旋转发电机包括风力涡轮机、燃气涡轮机、微涡轮机、或者海洋水电动力装置。
9.一种风力涡轮机发电系统，包括风力涡轮机(12)，其用于产生由风驱动的可变频率的交流电； 电力转换模块(48)，其包括发电机侧转换器(52)，其用于将所述可变频率的交流电转换成DC电流； DC链路(M)，其与所述发电机侧转换器耦合以用于接收所述DC电流； 线路侧转换器(56)，其与所述DC链路耦合以用于将所述DC电流转换成具有可控的幅值或者频率的交流电；以及电力转换控制系统(50)，其包括发电机侧控制器(60)，其用于接收DC链路电压命令信号与DC链路电压反馈信号并且产生用于所述发电机侧转换器的控制信号；以及线路侧控制器(62)，其用于接收发电机转矩命令信号与发电机转矩反馈信号并且产生用于所述线路侧转换器的控制信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述发电机侧控制器被配置成用于接收所述发电机转矩命令信号并且使用所述发电机转矩命令信号以及所述DC链路电压命令与反馈信号以产生用于所述发电机侧转换器的控制信号。
全文摘要
发电系统(42)包括用于产生可变频率交流电的旋转发电机(12)、用于将可变频率交流电转换成DC电流的发电机侧转换器(52)、与发电机侧转换器耦合以用于接收DC电流的DC链路(54)、与DC链路耦合以用于将DC电流转换成具有可控的幅值或者频率的交流电的线路侧转换器(56)、用于接收DC链路电压命令信号与DC链路电压反馈信号并且产生用于发电机侧转换器的控制信号的发电机侧控制器(60)、以及用于接收发电机转矩命令信号与发电机转矩反馈信号并且产生用于线路侧转换器的控制信号的线路侧控制器(62)。
文档编号H02P9/30GK102299677SQ20111018501
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者R·W·德尔梅里科, 袁小明 申请人:通用电气公司