专利名称：风力涡轮的hvdc连接的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及风力发电机的领域，并且更具体地，涉及考虑到通过产生现场 HVDC传输电平电压的、改善来自风力发电机地点的电力传输的方法和系统。
背景技术：
现有的风力涡轮包括经以电网频率操作的升压变压器连接的逆变器，该逆变器与 AC电网同步地调节ac电压。图1示出典型的此类连接电网的风力发电系统10。该系统包括风力发电机12、发电机侧转换器14、以及电网侧转换器16。该系统还包括电网侧控制器 18、发电机侧控制器20、以及电力网22。直流(DC)链路观连接发电机侧转换器14和电网侧转换器16。发电机侧转换器14将风力发电机12产生的交流(AC)功率转换成DC功率。 然后，电网侧转换器18将DC功率转换到与电力网22兼容的频率处的AC功率。电网侧控制器18和电网侧转换器16的组合起到用于电网22的电流源的功能。换言之，电网侧控制器18控制电网侧转换器16的输出电流的相位和幅度。发电机侧控制器 20为发电机侧转换器14生成开关信号。在一些实施例中，涡轮控制器38基于风速或风力涡轮的转子转速，向发电机侧控制器20提供扭矩参考T。涡轮控制器38生成扭矩参考，使得部分地使用最大功率点跟踪(MPPT)电路从风力捕获最大能量。图1的风力发电系统的有功功率控制通过调整经变压器50施加到电网22的AC电压的相角，来保持风力涡轮42 的输出电流。最近，在某些实例中，将先前施加到AC配电网22的输出转换到DC，对于例如从近岸风力农场(wind farm)、经海底线缆的传输变得有利。在示范性配置中，通过将整流器耦合到发电机地点处的变压器50的输出侧以及将整流器输出耦合到DC传输线路，来满足将正常生成的AC电压转换到用于传输的DC的需求。但是，在发电机地点处增加额外的组件， 具体在近岸安装的情况中，至少鉴于此类设备需要的额外空间和成本，会引起额外的难题。因此，需要一种方法和系统来减少产生用于施加到DC传输线路的、适合电平的直流需要的转换组件的数量及成本。
发明内容
在下面的描述中将部分阐述本发明的方面和优点，或者本发明的方面和优点从该描述可以是显然的，或者可以通过实践本发明来认识本发明的方面和优点。本公开的一个示范实施例针对一种用于独立于AC电网进行电力传输的、风力涡轮的高电压直流(HVDC)连接的方法。风力驱动发电机配置成产生可变频率AC电压输出。 该方法提供了将生成的电压电平提升得足够向HVDC传输线路提供功率。该方法还提供将该电压转换到DC，并将该电压施加到HVDC传输线路。在一些实施例中，首先将电压电平从一个AC电压电平提升到更高的AC电压电平，并且然后将其整流， 此后将该电压施加到HVDC传输线路。在其他实施例中，通过AC-DC转换器将来自风力驱动发电机的电压转换到DC电压，并然后通过高电压DC-DC转换器将其增压到更高的电平，此后将其施加到HVDC传输线路。在某些实施例中，使用矩阵转换器将来自一个AC频率的电压转换到更高的AC频率。在这些实施例的某几个中，还将更高频率电平施加到升压变压器，以提升电压电平。然后，对升压的高频电压整流，此后将其施加到HVDC传输线路。在每个示范实施例中，无需转换到标称AC配电频率(例如，50Hz或60Hz)。本公开的另一个示范实施例针对用于产生可变频率AC的风力涡轮发电机的连接的设备，所述连接用于独立于AC电网向HVDC传输线路进行电力传输。该设备包括互连的电压电平提升器和AC-DC转换器，以使得从风力涡轮发电机接收可变AC输出，并将HVDC功率直接施加到HVDC传输线路。在一些实施例中，该电压电平提升器是矩阵转换器和升压变压器，配置成将来自风力驱动涡轮发电机的AC电压转换到更高电平的AC电压，以及该AC-DC转换器是耦合到矩阵转换器的输出的整流器。在其他实施例中，电压电平提升器是高电压DC-DC转换器电路，该电路从AC-DC 转换器接收DC输入。AC-DC转换器的AC输入从风力驱动涡轮发电机供给。在采用高电压 DC-DC转换器的实施例中，可以将高电压DC-DC转换器的HVDC输出直接连接到HVDC传输线路。对于本公开的这些示范实施例，能够进行多种变化和修改。参考下面的描述和所附权利要求，将变得更好理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。并入本说明书并构成其一部分的附示了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。
在引用了附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的、包括其最佳方式的本发明的完整且可实施的公开，在附图中图1是连接到电力网的常规风力发电系统的示意图表示；图2是根据本发明主题的第一示范实施例的、AC-AC-DC转换系统的示意图表示；图3是根据本发明主题的第二示范实施例的、AC-DC-DC转换系统的示意图表示； 以及，图4是根据本发明主题的第三示范实施例的、AC-DC-DC转换系统的示意图表示。
具体实施例方式现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本发明而非限制本发明的方式来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将显然的是， 在不背离本发明的范围和精神的情况下能够在本发明中进行多种修改和变化。例如，作为一个实施例的部分图示或描述的特征能够与另一个实施例结合使用，以获得再一个实施例。因此，本发明意在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变化。现在参考本发明主题，注意到现有涡轮一般设计成以介于10kVAC与35k Vac之间的标称电压连接到AC电网。当然，电网侧转换器16和变压器50 (图1)必须以与电网相同的频率(典型地，50Hz或60Hz)操作。AC电网本身可以对应于数英里的线缆和额外的变压
ο对于风力生成的电力的长距离线缆传输(例如，大于50英里)，如果使用HVDC线缆，则传输系统的成本较低；但是，将风力涡轮连接到HVDC线缆存在难题。现有方法包括在远程位置处建立AC电网，然后提供用于长部分传输的线路和一个HVDC转换器站。但是，根据本发明主题，本发明技术免去了对本地AC网络和HVDC转换器站的需要。此外，因为本发明技术还消除了以电网频率操作逆变器的限制，所以通过以更高频率操作，可能减小磁组件(具体是逆变器变压器)的成本、尺寸和重量。这具有获得更低的完整系统的总成本(包括到负载中心的电力传输)的潜力。现在参考图2，图示了根据本发明主题的第一示范实施例的、AC-AC-DC转换系统 200的示意图表示。与图1比较，将显然的是，图2中示出的实施例包括相似的风力涡轮M2、风力驱动发电机212、以及接收来自功率控制器238的控制信号的发电机侧控制器 220。但是，在本发明主题的此实施例中，提供了矩阵转换器214，其配置成直接将发电机 212的标称50Hz至IlOHz的AC输出直接转换到更高频率的AC电压，并将此AC电压供给到总线2观。在示范配置中，可以约400Hz来提供更高频率的AC电压，并且矩阵转换器可以对应于如以下所述的转换器例如，Kolar等人的“Novel Three-Phase AC-AC Sparse Matrix Converters (创新的三相 AC-AC 稀疏矩阵转换器)” ；Power Electronics, IEEE Transactions，2007年9月5日出版，卷22，第1649-1661页。正如本领域普通技术人员理解的那样，矩阵转换器具有与诸如转换器14和16(图1)的发电机侧转换器和电网侧转换器的组合操作的一些操作相似性，但是缺少诸如图1的电容器桥接DC总线观的储能元件。然后，可将从矩阵转换器214施加到总线2 的更高频率的AC电压施加到变压器 250，由于更高的操作频率，所以可至少部分地基于需要的磁组件、以缩减的成本来构造变压器250。可以通过经由线路230向发电机侧控制器220供给代表总线228电压的信号，来调整总线2 处的AC电压，从而实现有功功率控制。应该意识到，虽然图2图示了以约400Hz供给三相AC的三相矩阵转换器214，但是其他配置是可能的，并通过本发明主题预期到。例如，可以约400Hz或其他适合的频率来生成多相AC。进一步关于图2，将看到提供了整流器210，以接收变压器250的升压的AC输出， 并将整流的电流供给到HVDC总线222。就此而言，变压器250还可配置有多个绕组和/或配置有带串联整流器的多个绕组，以对应于图示的整流器210。在关于图2描述的示范配置中，来自矩阵转换器214的总线2 上的三相AC电压可以在约400Hz频率处的HOOVems的范围中。正如前面提到的，调整此电压的幅度，以调节来自发电机的真实功率通量。HVDC总线222处的电压典型地可大约是50k Vdc.在示范实施例中，整流器210可对应于简单二极管电桥或相控闸流管电桥，同时变压器250的输出将典型地高于50k Vac,从而功率将从变压器250流向HVDC电网。现在关于图3，图示了根据本发明主题的第二示范实施例的、AC-DC-DC转换系统 300的示意图表示。转换系统300在一些方面中与转换系统10(图1)相似提供了驱动发电机312的涡轮342，发电机312将可变频率AC功率供给到发电机侧转换器314。从发电机312供给的功率可以是范围在50Hz至IlOHz的AC。以与前面关于图1描述的、控制器38向发电机侧转换器20供给控制信号的相似方式，控制器338向发电机侧转换器314供给控制信号。还与关于图1相似的是，图3的实施例为DC总线3 提供了耦合跨过那里的、包含的存储元件(一般为电容器-未个别标号)。而且，以与图1的转换器10相似的方式，提供电网侧控制器318，但是在此实例中，电网侧控制器318监测跨过总线328的电压，并向高电压DC-DC转换器316供给控制信号。高电压DC-DC转换器316又从总线3 接收相对较低的DC电压，并直接将其提升到适于施加到HVDC总线322的电平。高电压DC-DC转换器在本领域中是已知的，并且可对应于诸如 G. S. Zinov，ev、N. N. Lopatkin、和 H. Vais.的"High-Voltage DC-DC Converter for New-Generation ElectricLocomotives (用于新一代电气机车的高电压DC-DC转换器)”中公开的装置。在本发明主题的此实施例中，通过调整高电压DC-DC转换器316的操作频率和/ 或负载周期，提供了有功功率控制。在一些实施例中，高电压DC-DC转换器316可包括电压倍增器，以帮助获得用于耦合到HVDC总线322以传输到DC电网的、适合的HVDC电平。在示范配置中，DC总线3 上可用于施加到高电压DC-DC转换器316的、可用的DC电压可大约是2500VDe，而高电压DC-DC转换器316及可选地包含的电压倍增器的输出为无需采用升压变压器即可施加到标称50k Vdc电网的、适合的电平。现在关于图4，图示了根据本发明主题的第三示范实施例的AC-DC-DC转换系统 400的示意图表示。转换系统400在大多数方面中与转换系统300(图幻相似提供有驱动发电机412的涡轮442，发电机412将可变频率AC功率供给到发电机侧转换器414。从发电机412供给的功率可以是范围在50Hz至IlOHz的AC。根据图4的实施例，控制器438向电网侧控制器418供给控制信号，与这与之前关于图3描述的、控制器338向发电机侧控制器320供给控制信号相对。还与关于图3相似的是，图4的实施例为DC总线4 提供了耦合跨过那里的、包含的存储元件(一般为电容器-未个别标号)。而且，以与图3的转换器300相似的方式，提供了电网侧控制器418，但是在此实例中，电网侧控制器418从MPPT/功率控制438接收扭矩或功率信号，并向高电压DC-DC转换器416供给控制信号。高电压DC-DC转换器416又从总线4 接收相对较低的DC电压，并直接将其提升到适于施加到HVDC总线422的电平。本书面描述使用示例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求来定义，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则它们规定为落入权利要求的范围之内。组件列表附图标记组件10力发电系统12风力发电机
7
14发电机侧转换器
16电网侧转换器
18电网侧控制器
20电网侧转换器
22电力网
28直流(DC)链路
38涡轮控制器
50变压器
200转换系统
210整流器
212风力驱动发电机
214矩阵转换器
220发电机侧转换器
222HVDC总线
228总线
230信号线路
238功率控制器
242风力涡轮
250变压器
300转换系统
312发电机
314发电机侧控制器
316DC-DC转换器
318电网侧控制器
322HVDC总线
328DC总线
338控制器
342涡轮
400转换系统
412发电机
414发电机侧控制器
416DC-DC转换器
418电网侧控制器
422HVDC总线
428DC总线
438控制器
442涡轮
权利要求
1.一种用于独立于AC电网进行电力传输的、风力涡轮042)的高电压直流(HVDC)连接的方法，所述方法包括提供风力驱动发电机012)，其配置成产生可变频率AC电压输出； 充分提升所述电压电平014、316)，以向HVDC传输线路(222、322)提供功率； 将所述电压转换到DC(210、314)；以及， 将所述电压施加到HVDC传输线路(222、322)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中提升所述电压电平包括将来自所述风力发电机的所述可变频率AC电压转换到更高频率的AC电压014)；以及，提升所述更高频率的AC电压的电压电平050)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中提升所述电压电平包括将所述可变频率AC电压转换到更高电平的DC电压(314)；以及， 充分增压(316)所述更高电平的DC电压，以向HVDC传输线路(322)提供功率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中将所述电压转换到DC包括 提供具有输入和输出的矩阵转换器014)；将所述矩阵转换器的所述输入耦合到所述风力驱动发电机012)的可变频率输出；以及，将所述矩阵转换器的所述输出耦合到整流器010)。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括经由升压变压器(250)将所述矩阵转换器的所述输出耦合到所述整流器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述矩阵转换器014)的所述输出是约为400Hz 的AC电压。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将所述电压转换到DC包括将所述风力驱动发电机(312)的输出耦合到AC-DC转换器(314)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中提升所述电压电平包括将所述AC-DC转换器 (314)的DC输出耦合到增压换流器(316)。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括响应所述AC-DC转换器的所述DC输出，向所述增压换流器(316)提供有功功率控制信号。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括响应所述AC-DC转换器的所述DC输出，向所述发电机侧转换器(414)提供有功功率控制信号。
11.用于产生可变频率AC的风力涡轮发电机012、312)的连接的设备，所述连接用于独立于AC电网向HVDC传输线路(222、322)进行电力传输，所述设备包括电压电平提升器O50、316)； AC-DC 转换器(210、314)；以及，耦合装置，其配置成将来自所述风力涡轮发电机(212、31幻的可变AC输出耦合到所述电压电平提升器050、316)，并将所述AC-DC转换器(210、314)直接耦合到HVDC传输线路 (222,322)。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述电压电平提升器是配置成将第一AC电压转换到更高电平的AC电压的矩阵转换器(214)和升压变压器050)。
13.根据权利要求11所述的设备，其中所述更高电平的AC电压处于比所述第一AC电压更高的频率处。
14.根据权利要求10所述的设备，其中所述AC-DC转换器是AC-DC转换器(314)，并且其中所述AC-DC转换器的AC输入电压是从所述风力涡轮发电机(312)产生的所述可变频率AC。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述电压电平提升器是增压换流器(316)，其配置成从所述AC-DC转换器(314)接收DC电压，并产生用于连接到所述HVDC传输线路(322) 的 HVDC。
全文摘要
本发明名称为“风力涡轮的HVDC连接”。提供了一种用于将风力驱动涡轮发电机(12)连接到HVDC传输线路(222)的方法和设备，该方法和设备无需将风力生成的AC电压变换到标称AC配电电网频率。对来自涡轮发电机(12)的AC输出提升电平，并将其转换到用于直接施加到HVDC传输线路的HVDC。可以首先经由矩阵转换器(214)提升风力涡轮生成的AC的频率，并然后对其进行整流(210)，或者可以首先进行整流(314)并通过DC增压换流器(316)电路提升电平，并然后将其直接施加到HVDC传输线路(322)。
文档编号H02J3/36GK102377193SQ20111023054
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月5日
发明者E·V·拉森, R·W·德尔梅里科 申请人:通用电气公司