用于控制水电涡轮机的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于控制水电涡轮机的操作的控制系统。所述控制系统包括转换器系统，其将由连接到所述涡轮机的发电机供应且具有为所述涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将所述AC电力传输到接收站的传输系统的电压和频率的AC电力。所述系统还包括控制单元，其被配置来与所述转换器系统协作以响应于通过所述涡轮机的水流速度而调整由所述发电机供应的所述AC电压，从而控制所述涡轮机的旋转。所述转换器系统包括第一级转换器和第二级转换器，其中所述第一级转换器与所述第二级转换器之间提供DC链路。所述第一级转换器被配置来将由所述发电机供应的所述AC电力转换成DC电力。所述第二级转换器被配置来将所述DC电力转换成所述AC电力以传输到所述接收站且所述第二级转换器是电压源逆变器类型。
【专利说明】用于控制水电涡轮机的方法和系统
发明领域
[0001]本发明涉及一种用于控制涡轮机的方法和系统，且特别地涉及一种用于对水电涡轮机提供控制以最佳化涡轮机的性能的方法和系统。
[0002]发明背景
[0003]水电涡轮机被公认为用于有效使用清洁且可再生能源的工具。安装在海中的水电涡轮机组利用由潮汐或由河口附近的河流引起的自然水流，从而产生电力提供给一般提供在海岸上的共用电网。
[0004]接近安装在海中的涡轮机是昂贵又危险的。因此，在可能的情况下，优选地避免使用存在出现故障或磨损的任何风险的组件。因此，固定桨距涡轮机叶片优选地是具有可调桨距机构的叶片，直接耦接到涡轮机的低速发电机优选地是通过齿轮耦接的高速发电机，且发电机的永久磁铁励磁优选地是需要电刷和环滑或换向器的配置。
[0005]在大部分情况下，涡轮机组包括大量涡轮机。假设涉及大量涡轮机，由连接到每个涡轮机的不同电力电缆将电力传递到海岸将是不切实际且不经济的。因此，被安装用来将电力传输到海岸的每根电力电缆被优选地配置来从多个涡轮机中收集电力。为了将大量电力从涡轮机组传输到海岸上的电网连接点(其通常可能与涡轮机相距几千米)，电力电缆在高电压下进行操作。然而，涡轮机内的电元件(诸如发电机绕组)通常被设计来在极低电压下进行可靠又经济的操作。
[0006]此外，海底和附近海岸线的湍流和不规则地势造成水流速度差，且因此造成由单根电缆伺服的涡轮机组内的每个涡轮机处存在可用电力差。为了从水流中获取最大电力，应根据主导水流速度调整涡轮机组的每个涡轮机的旋转速度。因此，组内的涡轮机通常以不同速度进行操作且如果其配备永久磁铁发电机，那么便产生不同频率和电压的电力输出。
[0007]因此本发明的目的是提供一种用于将由涡轮机产生的电力转换成可与电力传输系统兼容的形式以将电力传输到海岸同时确保涡轮机和作为整体的涡轮机组的性能最佳化的系统。
[0008]发明概述
[0009]根据本发明，提供了一种用于控制水电涡轮机的操作的控制系统，控制系统包括:
[0010]转换器系统，其被配置来将由连接到涡轮机的发电机供应且具有为涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将AC电力传输到接收站的传输系统的电压和频率的AC电力；系统还包括控制单兀，控制单兀与转换器系统协作以响应于通过润轮机的水流速度而调整由发电机供应的AC电压，从而控制涡轮机的旋转。
[0011]优选地，由发电机供应的AC电力具有与涡轮机的旋转速度成比例的电压和频率。
[0012]优选地，转换器系统包括第一级转换器和第二级转换器，其中第一级转换器与第二级转换器之间提供DC链路，第一级转换器被配置来将由发电机供应的AC电力转换成DC电力，且第二级转换器被配置来将DC电力转换成AC电力以传输到接收站。[0013]替代地，转换器系统包括回旋转换器或矩阵转换器，其被配置来将由发电机供应的AC转换成AC电力以传输到接收站。
[0014]优选地，DC链路包括用于感测DC电流的至少一个传感器且被配置来将与受感测DC电流相关联的信号提供给控制单元。
[0015]优选地，DC链路包括用于感测DC电压的至少一个传感器且被配置来将与受感测DC电压相关联的信号提供给控制单元。
[0016]优选地，第一级转换器包括整流器。
[0017]优选地，整流器是三相相控整流器，且控制单元被配置来调整相控整流器的晶闸管触发信号的延迟角度。
[0018]替代地，第一级转换器包括与二极管桥接器串联的晶闸管AC控制器。
[0019]优选地，第二级转换器是相控电流源线换向逆变器。
[0020]优选地，响应于水流速度小于额定值，控制单元被配置来调整第二级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电压设置成在DC链路处提供最佳DC电力值的值。
[0021]优选地，响应于水流速度小于阈值，控制单元被配置来设置第一级转换器以使其表现为不受控整流器、确定DC链路电流、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且调整第二级转换器的操作以将DC链路电压设置成给所确定的DC链路电流提供最佳DC电力值的值。
[0022]优选地，响应于水流速度超过额定值，控制单元被配置来调整第二级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电压设置成阈值DC电压值，且调整第一级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电流设置成用于将DC电力限制成最佳DC电力值的固定值。
[0023]优选地，响应于水流速度超过阈值，控制单元被配置来调整第二级转换器以将DC链路电压设置成阈值DC电压值、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且调整第一级转换器以将DC链路电流设置成将DC电力限制成最佳DC电力值的固定值。
[0024]替代地，第一级转换器和第二级转换器是电压源逆变器类型。
[0025]优选地，第一级转换器是用作有源前端的电压源逆变器且被配置来运用固定电压DC链路进行操作。
[0026]优选地，第一级转换器和第二级转换器是6-装置三相桥接器，每个装置包括开关和续流二极管。
[0027]优选地，开关是选自半导体开关中的任何一个，诸如绝缘栅双极型晶体管IGBT、开关装置、集成栅极换流晶闸管(IGCT)或栅极关断(GTO)晶闸管。
[0028]优选地，开关装置被配置来接收从控制单元接收的信号且根据所述信号进行操作。
[0029]优选地，电容器与第一级转换器和第二级转换器的DC端子并联连接且被配置来在装置的开关的切换循环的周期内维持大体上恒定的DC链路电压。
[0030]优选地，控制单元被配置来控制第一级转换器的装置，从而控制第一级转换器的AC输入处提供的电压。
[0031]优选地，控制单元被配置来控制第一级转换器的装置以设置发电机端子处的电压的振幅和频率以及对应的有功和无功功率流。
[0032]优选地，第一级转换器被控制来将根据电频率变化的AC电压提供给发电机使得生成的AC电流与发电机的绕组中引发的电磁力同相。
[0033]优选地，控制单元被配置来通过切换传输到第二级转换器的装置的信号控制AC输出电压的振幅和频率来控制第二级转换器的AC输出电压。
[0034]优选地，控制单元被配置来修改第一级控制器的装置的操作以调整第一级转换器的输入端子处的AC电压的频率以控制涡轮机的旋转。
[0035]优选地，响应于水流速度小于阈值，控制单元被配置来确定DC链路电流、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且通过修改装置的切换次序调整第一级转换器的操作以将输入端子处的AC电压的频率调整成给所确定的DC链路电流提供最佳DC电力值的值。
[0036]优选地，响应于水流速度超过阈值，控制单元被配置来确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且通过修改装置的切换次序调整第一级转换器的操作以将输入端子处的AC电压的频率调整成提供固定值以将DC电力限制成最佳DC电力值的值。
[0037]优选地，阈值是正常操作流速或额定速度。
[0038]优选地，控制系统被配置来与监管控制器协作以确定涡轮机的阈值。
[0039]优选地，阈值是基于以下任何一个:涡轮机系统阵列内的每个涡轮机的性能水平、水流跨涡轮机阵列的方式和电网运营商偏好。
[0040]优选地，每个涡轮机系统被连接到海岸的共同电缆。
[0041]优选地，涡轮机的性能水平包括涡轮机阵列内的涡轮机系统的每个涡轮机的输出功率。
[0042]优选地，还提供了一种涡轮机系统，所述涡轮机系统包括转换器系统且还包括连接到发电机的水电涡轮机，发电机被配置来将AC电力输出作为输入提供给控制系统。
[0043]优选地，涡轮机具有固定叶片且发电机具有直接耦接的永久磁铁发电机。
[0044]优选地，涡轮机系统还包括传输系统，其包括变压器，传输系统被配置来接收输出自控制系统的AC电力并将AC电力传输到海岸上提供的接收站。
[0045]优选地,润轮机系统还包括提供在发电机的输出与转换器系统的输入之间的第一功率因子校正组件，以补偿转换器系统对发电机功率因子的影响。
[0046]优选地，第一功率校正组件包括三个组件组，每个包括与电容器串联的电感器，且每个组件组被提供与发电机的各自三相输出并联。电容器用来减小发电机电流的时间谐波分量和基波分量的无功部分二者使得发电机损耗减小，且电感器中的每个用来防止三相相控整流器换流时大电流流过对应电容器。
[0047]优选地，涡轮机系统还包括提供在转换器系统的输出与传输系统之间的第二功率因子校正组件以确保传输系统以相对较高功率因子操作。以此方式，最小化电缆到海岸的损耗且传输系统以最大容量操作以将有功功率传递到电网。
[0048]优选地，第二功率因子校正组件包括三个组件组，每个包括至少一个电容器且选择性包括与电容器串联的电感器，且每个组件组被提供与转换器系统的各自三相输出并联。电容器用来减小由传输系统携带的电流以最小化损耗并最大化传输系统的容量以将有用的有功功率传输到海岸，且电感器被提供来防止切换第二级转换器的晶闸管时从电容器汲取大电流。
[0049]电容器可以被连接到变压器的高电压端子或低电压端子。[0050]替代地，第二功率因子校正组件可以被连接到变压器的不同绕组使得绕组的漏电感防止电容器破坏转换器系统的操作。
[0051]优选地，涡轮机系统具有被配置来将涡轮机系统并联连接到至少一个其它涡轮机系统的第一电力电缆，且被配置来将携带AC电力的共同第二电力电缆馈送到海岸。
[0052]替代地，第二功率因子校正组件可以被连接到第一电力电缆与第二电力电缆之间的接点。
[0053]本发明还提供了一种涡轮机系统阵列，其包括由第一电力电缆并联连接在一起的多个涡轮机系统，涡轮机系统被配置来馈送将被配置来将AC电力携带到接收站的共同第二电力电缆。
[0054]优选地，涡轮机系统阵列还包括监管控制器，其被配置来确定阵列内的每个涡轮机的性能水平并命令每个涡轮机系统的控制单元调整由发电机供应的AC电压以更改由每个涡轮机系统产生的电力，从而控制由阵列产生的总电力。
[0055]以此方式，可监控涡轮机系统阵列的输出功率且选择个别涡轮机系统，诸如具有水流高于平均水平的涡轮机且其操作被修改来补偿阵列内因为相关联的水流低于平均值而没有产生额定功率的其它涡轮机系统的涡轮机系统。
[0056]优选地，第一电力电缆和第二电力电缆被配置来在适用于无需油绝缘的电设备的线间电压(诸如22kV的线间电压)下携带三相AC电流。
[0057]附图简述
[0058]现将通过举例参考附图描述本发明的实施方案，其中:
[0059]图1是根据本发明的优选实施方案的涡轮机系统组的电配置；
[0060]图2是依据电力对旋转速度变化的涡轮机特性的图形表示；
[0061]图3描绘了图1的润轮机系统之一，其包括根据本发明的第一实施方案的电力转换器系统；
[0062]图4描绘了图1的涡轮机系统之一，其包括根据本发明的第二实施方案的电力转换器系统；
[0063]图5描绘了图1的涡轮机系统之一，其包括根据本发明的第三实施方案的电力转换器系统；
[0064]图6描绘了图1的涡轮机系统之一，其包括根据本发明的第四实施方案的电力转换器系统；
[0065]图7描绘了被配置来与图3至图6的涡轮机系统中的任何一个的控制单元通信并协作的监管控制器；
[0066]图8描绘了图3的涡轮机系统，其还包括第一功率因子校正组件和第二功率因子校正组件；
[0067]图9描绘了图8的第二功率因子校正组件的替代配置；
[0068]图10示出了包括连接到本发明的控制系统的涡轮机的速度、扭矩和电力的特性与水流速度之间的关系；
[0069]图11示出了对于已知涡轮机系统和本发明的涡轮机系统来说涡轮机叶片上的涡轮机轴向推力和弯曲力矩随着水流速率增加而变化的比较；
[0070]图12描绘了响应于水流速度而根据优选实施方案调节DC电力；且[0071]图13描绘了根据本发明的优选实施方案的第一级转换器的整流器的晶闸管和第二级转换器的逆变器在控制单元的控制下的操作。
【具体实施方式】
[0072]参考图1，示出了涡轮机系统组10 (和优选地水电涡轮机)的优选电配置。
[0073]涡轮机系统10是由短电力电缆12电并联连接在一起，且将被配置来传输收集自涡轮机系统组10的电力的一个或多个主传输电力电缆14馈送到提供在海岸附近或海岸上的接收站(未示出)。在优选实施方案中，电力电缆在22kV线间电压下携带三相AC电流，从而最小化电缆中的任何功耗。然而，应明白可以采用任何合适的电缆。
[0074]如示出，每个涡轮机系统10包括涡轮机16，例如潮汐流涡轮机。在优选实施方案中，涡轮机优选地包括固定叶片。
[0075]涡轮机16被连接到发电机18，其被配置来将由涡轮机16产生的机械能转换成电能。在优选实施方案中，发电机18是直接耦接的永久磁铁发电机且提供具有与涡轮机16的旋转速度成比例的电压和频率的三相AC电力输出。在替代性实施方案中，发电机18是提供具有为涡轮机16的旋转速度的函数的电压和频率的三相AC电力输出的感应发电机。然而，应明白可以采用任何合适数量的相位的配置。在一些发电机设计中，可将绕组线圈分离成多组以提供电隔离的两个或更多个输出。
[0076]发电机18的输出(或每个电输出，视具体情况)被提供给电力转换器系统20的AC端子以将三相AC电力转换成呈可与用于将收集自涡轮机系统组10的电力传输到海岸上的接收站的传输系统22兼容的形式的AC电力。
[0077]传输系统22包括变压器24以将由转换器系统传递的电力电压(通常400V或690V)增加到传输系统的电压。
[0078]提供在接收站(未示出)处的变压器(未示出)被配置来将经由电力电缆14接收的电力转换成适用于连接到电网的电压或替代地适用于连接到在电网连接之前可能需要的电力转换的后续阶段的电压。
[0079]选取22kV电压，因为其在免维护树脂浇注式变压器的范围内。这些变压器将适用于在位于涡轮机16附近的充气外壳内使用。较高电压可能需要充油式变压器，其强加定期维护需求并存在潜在环境危害。
[0080]潮汐流一般是湍流，造成水流速度通常在从几秒钟至几分钟的范围中的时间周期内在平均值的60%与140%之间变化。水流可用的电力与流速的立方成比例，且对于具有IMW的标称额定功率值的涡轮机的典型情况，当平均流速是3m/s时，每个涡轮机的可用电力可以在0.216丽与2.744MW之间变化。
[0081]如图2的图表中描绘，对于额定水流速度，由涡轮机产生的电力与涡轮机的旋转速度之间存在关系。如示出，对于20rpm与25rpm之间的旋转速度，所考虑的涡轮机产生的电力随着旋转速度增加而增加到最大大约IOOOkW的电力值。在下文中,所产生的电力随着旋转速度增加而降低，对于35rpm与40rpm之间的旋转速度来说描绘零电力值。因此可推断出，对于额定水流值，由涡轮机产生的电力随着涡轮机的叶片的旋转速度增加而增加。然而，在旋转速度的给定阈值内，所产生的电力开始降低。
[0082]由涡轮机16产生的机械电力与由水流携带的电力之间的比例被称作涡轮机16的电力系数(CP)。由水流携带的电力与涡轮机16拦截水流的面积和水流的速度有关。电力系数是为尖速比函数的无量纲参数，尖速比是等于涡轮机16的圆周速度与水流速度之间的比例的第二无量纲参数。对于尖速比的最佳值，电力系数达到最大值。对于图2中描绘的情况，当旋转速度是22rpm且最大电力系数乘以流动电力产生I丽机械电力时，尖速比等于其最佳值。
[0083]当水流速度小于正常操作流速或额定速度时，希望调整涡轮机16的扭矩或旋转速度使得其被操作来从水流中提取尽可能多的电力。类似地，当水流速度超过额定速度时，希望将所产生的电力限制成额定值以保护涡轮机16不受过量机械应力影响且避免涡轮机系统10内的其它组件过载和过热。
[0084]本发明的电力转换器系统20因此被配置来控制涡轮机的操作，且特别地控制涡轮机的旋转速度，以确保当水流速度小于额定值时产生最佳电力，且当水流速度大于额定值时限制所产生的电力。
[0085]因此，涡轮机系统10的电力转换器系统20被优选地配置来与控制单元32通信。控制单元32被配置来确定通过涡轮机16的水流速度的指示。在优选实施方案中，从来自发电机的量测电流和操作频率和电压推断出当前水流速度。然而，应明白，当前水流速度可以是由流量传感器获取的量测值或其在概率上可以使用统计和/或预测信息(例如或替代地，通过根据由统计和/或预测导出的信息调整水流速度的量测值)而导出。
[0086]现参考图3，示出了涡轮机系统10，其包括根据本发明的第一实施方案的电力转换器系统20的详细描绘。在这个第一实施方案中，电力转换器系统20包括第一级转换器26和第二级转换器28。
[0087]第一级转换器26是被配置来将接收自发电机且具有对应于发电机的旋转速度的频率的输入AC电力转换成DC电力的整流器。如示出，整流器优选地是三相相控整流器，诸如晶闸管桥接器。替代地，应明白，如下文关于图4更详细论述，第一级转换器26可以被实现为晶闸管AC控制器后跟二极管桥接器。
[0088]第二级转换器28是被配置来将由第一级转换器26提供的DC电力转换成具有传输系统22的电压和频率的AC电力的逆变器。在这个实施方案中，逆变器是用作相控电流源线换向逆变器的晶闸管桥接器。
[0089]对于水流速度的每个值,涡轮机16存在使涡轮机16产生最大输出功率的最佳旋转速度且提供在第一级转换器26与第二级转换器28之间的DC链路34的电压与电流之间存在对应最佳关系。
[0090]因此，控制单元32被配置来响应于当前水流速度而调整DC链路电压以控制涡轮机16的旋转。
[0091]当通过涡轮机16的水流速度小于额定速度值时，控制单元32被配置来造成第一级转换器26用作或表现为不受控整流器(S卩，其中触发角被设置成O度的一个整流器)，使得发电机18的速度和涡轮机16的速度与DC链路34的电压直接有关。因此，通过将DC链路电压调整成设置值，随后更改DC电流且因此更改AC电力，使能够控制涡轮机16的旋转速度，且在这种情况下，优选地造成减小涡轮机的旋转且从而确保从涡轮机中提取最佳电力。
[0092]在高水流速度的周期期间使用第一级转换器26 (且在优选实施方案中，使用受控整流器)以允许提高涡轮机16的旋转速度使得所产生的电力被限制成所希望的最大值。
[0093]当通过涡轮机16的水流速度超过额定速度值时，控制单元32被配置来设置第二级转换器28，且特别地设置第二级转换器28的晶闸管的触发角或相角以给DC链路电压提供最大值。控制单元32还被配置来通过调整第一级转换器26将DC链路电流设置成固定值，从而将产生自发电机18的电力限制成所希望的最大值。因此，第一级转换器26的输入处的电压增加，且因此涡轮机16的旋转速度增加。
[0094]如图3中示出，优选地在第一级转换器的输出与第二级转换器的输入之间串联提供电感器30以处理对系统不断变化的要求且尽管晶闸管切换，但仍确保DC电流保持连续。
[0095]由于由发电机18产生所生成的高电压，第一级转换器使用切换装置，诸如极高额定电压的晶闸管。
[0096]在如图4中示出的第二实施方案中，可以通过将每个输出连接到被提供与第一级转换器26的整流器的各自输入并联的电感负载136、236和336而不是使用极高电压晶闸管来减小来自发电机18的三相AC输出中的每个的电压。由电感负载136、236和336汲取的无功电流被配置来造成发电机18的绕组电感产生大电压降。电感负载136、236和336是由各自固态开关138、238和338优选地连接到第一级转换器的整流器，且整流器优选地是普通的二极管整流器40。在这个实施方案中，控制单元32被配置来调整受相位控制的固态开关的晶闸管的触发角以控制第一级转换器，且因此控制涡轮机16的旋转。
[0097]在图5中描绘的第三实施方案中，两个三相AC电力输出是由发电机18提供且被配置来分别馈送到不同的第一电力转换器系统120和第二电力转换器系统220中。第一电力转换器系统120和第二电力转换器系统220的输出被配置来馈送共同变压器的不同绕组，从而创建在传输系统22中产生的谐波电流显著低于将由较低值脉冲系统产生的谐波电流的12-脉冲系统。还应明白，本发明的涡轮机系统10可以采用任何数量的合适的三相组。
[0098]还应明白，如果所述两个或更多个电力转换器系统120、220之一中发生故障，那么其它电力转换器系统可继续运行并允许涡轮机10在受限制的最大电力下运行。在这种情况下，控制单元32、32’优选地具有用于探测故障并应用适当减小的最大电力限制的探测工具(未示出)。控制单元32、32’被连接或以其它方式配置使得其能够相互通信。替代地，单个控制单元32可以被采用并连接到电力转换器系统120、220中的每个。
[0099]在本发明的第四实施方案中，使用图6的电力转换器系统20来替换图3的电力转换器系统20。如不出，图6的电力转换器系统也包括第一级转换器26和第二级转换器28。第一级转换器26被配置来将由发电机18供应的AC电力转换成DC电力，且第二级转换器28被配置来将DC电力转换成AC电力以传输到接收站(未示出)。
[0100]正如先前实施方案的转换器系统，图6的转换器系统20被配置来与控制单元32通信以接收控制信号并给控制单元32提供通过电力转换器系统20的电力的测量。因此，在DC链路34处提供传感器(未示出)以探测并监控通过第一级转换器与第二级转换器之间的DC电流并将信号传输到控制单元32。
[0101]在这个实施方案中，第一级转换器26和第二级转换器28是电压源逆变器类型。特别地，第一级转换器优选地是用作有源前端的电压源逆变器且被配置来运用固定电压DC链路进行操作。[0102]如图6中示出，第一级转换器26和第二级转换器28是6_装置三相桥接器，每个装置39包括半导体开关和续流二极管。
[0103]在这个实施方案中，第一级转换器26和第二级转换器28是基于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)切换装置39。然而，应明白，可以采用其它类型的切换，诸如集成栅极换流晶闸管(IGCT)或栅极关断(GTO)晶闸管。根据接收自控制单元32的信号控制并操作切换装置39。
[0104]如图6中示出，电容器41优选地与第一级转换器26和第二级转换器28的DC端子并联连接。电容器41被配置来在切换装置39的切换循环的周期内维持大体上恒定的DC链路电压。控制单元32被配置来响应于电容器41处的电压变化而调整第二级转换器28的输出电压的相位，从而将DC链路电压维持在规定值的窄极限内。
[0105]在本发明的这个实施方案中，第二级转换器28被配置来将由第一级转换器提供的DC电力转换成AC电力以传输到接收站(未示出)。优选地使用脉宽调制(PWM)实现包括第二级转换器28的输出AC线(A、B和C)的AC输出端子处提供的电压。
[0106]为了控制线A处提供的电压，重复闭合和断开第二级转换器28的开关SI。当开关SI闭合时，电流从正DC线流到线A。当开关SI断开时，电流由于传输系统内的组件(诸如变压器)的电感而继续在相同方向上流过线A且被迫通过被提供与第二开关S2并联的续流二极管D2。当电流在另一方向上流动时，其通过开关S2和被提供与第一开关SI并联的续流二极管Dl。
[0107]当开关SI闭合时，线A处的电压大体上等于正DC线的电压且当开关SI断开时，线A处的电压大体上等于负DC线的电压。线A处的时间平均电压因此与正DC线和负DC线处的电压和开关SI开始闭合的持续时间与断开持续时间的周期的比例有关。因此，可通过控制发送到开关SI和S2的切换信号来控制线A处的平均电压。
[0108]特别地，通过改变装置39的开关SI和S2处的闭合与断开周期的切换比例，可控制线A处的平均电压以使其采取所述两根DC线处的电压之间的任何值。因此，在这个实施方案中，控制单元32提供比例循环变化的高频切换信号以在AC输出端子的线A处创建具有叠加高频分量的近似正弦电压。优选地，采用小的滤波器(未示出)以使高频分量衰减。
[0109]以相同方式通过控制与线B和C相关联的装置39来控制线B和C处的电压。
[0110]例如，DC链路34可以在1100V下操作且馈送到第二级转换器28的IGBT的栅极的切换信号可以通常具有3000Hz的频率。闭合与断开周期的比例可以在1:10与10:1之间变化使得AC输出端子处的平均电压在100V与1000V之间变化。如果比例在时间上随着50Hz频率呈正弦变化，那么AC输出端子的线A处的输出电压具有550V的平均值，其具有振幅450V和rms值318V的叠加50Hz AC分量。
[0111]馈送到连接到线B的开关S3和S4的类似信号造成线B处的电压以相同方式变化，但是其可以相移使得50Hz分量与线A上的分量异相120度。线A与B之间的AC电压因此是551V rms且如果馈送到线C的开关S5和S6的信号进一步相移120度，那么三根线A、B和C携带551V rms平衡三相输出线间电压。通过适当地改变切换信号，控制单元32可控制AC输出电压的振幅和频率。
[0112]第二级转换器28的输出AC电压的振幅确定流入三相AC网络的无功功率的量且输出电压相对于网络电压的相位确定有功功率流。[0113]类似地，控制单元32被配置来控制第一级转换器26的装置39，从而控制第一级转换器26的AC输入处提供的电压，且因此控制发电机18的端子处的AC电压。特别地，第一级转换器26被控制来设置发电机端子处的电压的振幅和频率和对应的有功和无功功率流。
[0114]此外，第一级转换器26被控制来将根据电频率变化的AC电压提供给发电机18使得生成的AC电流与发电机18的绕组中引发的电磁力(emf)同相。
[0115]对于给定水流速度，涡轮机16与大体上理想旋转速度、生成的频率和emf和对应的电力相关联。因此，对于大体上理想旋转速度，发电机AC电流与emf同相的分量是已知的频率函数。当损耗且因此电流最小时获取发电机的最大效率，这又意指电流象限与emf同相的分量优选地是零。发电机端子处的对应AC电压可被评估成频率函数且可固定成控制单元32的要求参数。
[0116]如先前论述,对于水流速度的每个值,涡轮机16存在使涡轮机16产生最大输出功率的最佳旋转速度且频率、电压和电力之间存在对应最佳关系。因为DC链路电压固定，所以AC电力与DC链路电流直接成比例。控制单元32因此被配置来根据如由传感器(未示出)测量的DC链路电流设置第一级转换器的频率以控制发电机处的AC电压。
[0117]特别地，控制单元32被配置来修改第一级控制器26的装置39的操作以响应于DC链路电流的当前值而调整第一级转换器的输入端子处的AC电压的频率。
[0118]当通过涡轮机16的水流速度小于额定速度值时，控制单元32被配置来造成第一级转换器26调整第一级转换器的输入端子处的AC电压的频率，且因此调整发电机18的AC端子，使得发电机和涡轮机的旋转速度最佳化以从水流中提取最大电力。
[0119]在高水流速度的周期期间使用第一级转换器26以允许提高涡轮机16的旋转速度使得所产生的电力限于所希望的最大值。当通过涡轮机16的水流速度超过额定速度值时，控制单元32被配置来造成第一级转换器26调整第一级转换器的输入端子处的AC电压的频率且因此调整发电机18的AC端子，使得发电机18和涡轮机16的旋转速度造成电力限于最大值。如果水流极高，那么对应的理想电压将超过第一级转换器26的额定电压，且将需要发电机18携带象限与emf同相的一定量的AC电流，且发电机18中的损耗将对应地高于最小值。
[0120]应明白，类似于图5中描绘的实施方案，图6的涡轮机系统10可以被修改来包括两个或更多个电力转换器系统20，每个具有具备不同DC链路的并联电力转换通道。这提供冗余度使得如果通道之一出现故障，那么涡轮机16可以继续以受限的最大电力操作。不同通道每个采取来自发电机绕组的隔离截面的输入使得一个通道中的故障不会影响其它通道的操作。
[0121]如先前论述，被安装用于将电力传输到海岸的电力电缆14优选地被配置来从涡轮机系统的阵列中的几个涡轮机系统10中收集电力。到海岸的电力电缆14和用以将电力传递到陆地电网的其它基础设施意味着极大投资且优选地尽可能始终加以最大程度地使用。因此，当阵列中的涡轮机16中的一些以小于P/N操作时(其中P是电缆的最大容量且N是涡轮机的数量)，有利于允许其它涡轮机传递大于P/N，从而平衡所传递的总电量。在其它时间，可以希望或必须减小所产生的电力，例如如果公用电网负载小且电网运营商从涡轮机阵列请求低于主导水流可用的电力的电力贡献。[0122]本发明因此还提供了一种根据其它涡轮机处的主导水流速度调整和控制个别涡轮机16的最大电力限制和由阵列中其它涡轮机系统10提取的电力的工具。因此，在优选实施方案中，控制单元32被配置来与如图7中示出的监管控制器54通信且协作，所述监管控制器54用来整体最佳化涡轮机阵列或涡轮机组16的操作。监管控制器54优选地被配置来监控性能水平(包括涡轮机阵列或涡轮机组内的每个涡轮机16的输出功率)，且被配置来通过命令涡轮机16具有较高水流以产生高于额定电力的电力的涡轮机系统10的控制单元32来补偿由于相关联的水流低于平均值而没有产生额定电力的涡轮机16。
[0123]在由涡轮机阵列作为整体产生的总电力超过阈值(诸如由电网运营商强加的阈值限制)的情况下，监管控制器54被配置来引导阵列中涡轮机系统10中的一些或所有的控制单元32以减小DC链路电流的固定值，从而限制所产生的总输出功率。类似地，在涡轮机系统10阵列中的其它涡轮机16具有低于平均水流的水流且因此没有产生额定功率的情况下，监管控制器54被配置来引导或指令阵列内的选定涡轮机系统的控制单元32以增加DC链路电流的固定值以产生高于额定功率输出的功率输出并从而补偿由阵列中的其它涡轮机16产生的较低功率输出。
[0124]如下文更详细解释，在与水流的平方成比例的较高水流下通过采取发电机18与电力转换器系统20之间的功率因子校正组件由涡轮机系统10提取高于额定功率的功率。
[0125]使用相控整流器的电力转换器系统造成发电机以显著低于单位的功率因子进行操作。因此，发电机必须具有高于另外必需发电机额定值的发电机额定值，这涉及磁性材料的数量增加且因此涉及成本增加。
[0126]因此，在本发明的优选实施方案中，如图8中示出，为了补偿电力转换器系统20对发电机的功率因子的影响，在发电机18的输出与图3的涡轮机系统的电力转换器系统20的第一级转换器的输入之间提供第一功率因子校正组件42。
[0127]在优选实施方案中，第一功率因子校正组件42分别包括三个组件组142、242和342，每个包括与电容器146、246、346串联的电感器144、244、344，且每个组件组142、242和342与发电机18的各自三个相位输出并联。电容器146、246、346中的每个减小发电机电流的时间谐波分量和基波分量的无功部分两者，使得发电机损耗减小。电感器144、244、344中的每个用来防止当三相相控整流器26换流时大电流流过对应电容器146、246、346。
[0128]如图8中示出，为了最小化损耗并最大化传输系统22的容量以将有用的有功功率传输到海岸，在电力转换器系统20的第二级转换器的输出与图3的涡轮机系统的传输系统之间提供第二功率因子校正组件48。
[0129]在优选实施方案中，第二功率因子校正组件48分别包括三个组件组148、248和348，每个包括与电容器152、252、352串联的电感器150、250、350，且每个组件组144、244和344与第二级转换器28的各自三相输出并联。电容器152、252、352中的每个减小由传输系统22携带的电流以最小化损耗并最大化传输系统22的容量以将有用的有功功率传输到海岸。提供电感器150、250、350以防止当切换第二级转换器28的晶闸管时从电容器152、252,352中汲取大电流。
[0130]然而，应明白，第二功率因子校正组件48代而可以如图9中示出般连接到变压器24的不同绕组。在这种情况下，变压器的漏电抗通常足以在第二级转换器的换流期间限制电容器中的电流且不一定需要串联电感器。[0131]虽然采用图3的电力转换器系统20的实例以描述功率校正组件的应用，但是应明白所公开的电力转换实施方案中的任何一个可被修改来包括所描述的功率因子校正组件以补偿电力转换器系统20对发电机的功率因子的影响并最小化损耗且最大化传输系统22的容量以将有用的有功功率传输到海岸。
[0132]图10示出了包括连接到本发明的控制系统的涡轮机的速度、扭矩和电力的特性(其在阈值之外对水流速度产生的电力采用电力抑制或限制)与水流速度之间的关系。如所描绘，随着水流速度朝额定水流速度增加，涡轮机的速度、扭矩和电力增加。然而，一旦水流速度超过额定值，则将抑制电力且扭矩中断，且趋于随着水流速度继续增加而降低。增加涡轮机的速度以防止对涡轮机施加过大的机械应力。显然，当开始进行电力限制时，可以使用控制单元限制扭矩。这减小机器上的机械负载。特别地，图10示出了对于所描绘的特定实施例，在约3.5m/s与4.2m/s之间的小流动范围内，将扭矩进一步限制成约300kN.m的最大值。如果所采用的电力转换器系统是电压控制逆变器系统(诸如图6的实施方案)，那么这是通过使用频率控制限制电力来实现。替代地，如果所采用的电力转换器系统是电流控制逆变器系统(诸如图3的实施方案，诸如相控晶闸管桥接器)，那么扭矩可以通过如图13中示出且在下文更详细论述般调整触发延迟角度来加以限制。
[0133]图11示出了涡轮机叶片上的涡轮机轴向推力和弯曲力矩随着水流速率增加而变化。可以看出涡轮机叶片的叶片弯曲力矩和总推力的值通过本发明的控制系统而被控制成减小值。然而，当涡轮机具有最大电力系数(CP)且因此不受本发明的控制系统控制时，涡轮机叶片的叶片弯曲力矩和总推力的值被示为随着水流速率增加而稳定增加。优选地，最大扭力值是预定值且被选择来确保发电机绕组的温度不会超过安全值。此外，因为扭力与应力有关，所以还优选地选取最大扭力值以将涡轮机16内的应力限制成可接受水平。图11示出了临界机械负载、叶片上的弯曲力矩和涡轮机上的总轴向推力中的两个之间的关系。可以看出，当流速为高时限制电力会造成机械负载对应地减小且因此减小应力。图11对应于其中电力被限制成固定值的情况，但是其将同样可能进一步限制电力且因此限制对应机械负载和应力。
[0134]图12描绘了响应于如上所述的水流速度而调节DC电力，且图13描绘了第一级转换器26的整流器的晶闸管和第二级转换器28的逆变器在控制单元32的控制下的操作。如图13中示出，对于所考虑的涡轮机，额定水流速度是近似4.lm/s，且因此对于一直增加到额定水速度值的水流速度，图形描绘了第二级转换器的晶闸管的触发角在角度逐渐增大的情况下被启动。一旦水流速度超过额定水流值，第一级转换器的晶闸管则以根据渐增的水流速度逐渐增大的角度而触发，但是第二级转换器的晶闸管被保持在恒定触发角以确保提供最大DC链路电压。
[0135]本发明不限于本文中描述的实施方案，而是可在不违背本发明的范围的情况下加以修订或修改。
【权利要求】
1.一种用于控制水电涡轮机(16)的操作的控制系统，所述控制系统包括:转换器系统(20)，其被配置来将由连接到所述涡轮机(16)的发电机(18)供应且具有为所述涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将所述AC电力传输到接收站的传输系统(22)的电压和频率的AC电力； 所述系统还包括控制单元(32)，所述控制单元与所述转换器系统(20)协作以响应于通过所述涡轮机(16)的水流速度而调整由所述发电机供应的所述AC电压，从而控制所述涡轮机的旋转； 其中所述转换器系统还包括第一级转换器(26)和第二级转换器(28)，其中所述第一级转换器与所述第二级转换器之间提供DC链路(34)，所述第一级转换器被配置来将由所述发电机(18)供应的所述AC电力转换成DC电力，且所述第二级转换器被配置来将所述DC电力转换成所述AC电力以传输到所述接收站；且其中所述第二级转换器是电压源逆变器类型。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述DC链路(34)包括用于感测DC电流的至少一个传感器且被配置来将与所述受感测DC电流相关联的信号提供给所述控制单元(32)。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述DC链路包括用于感测DC电压的至少一个传感器且被配置来将与所述受感测DC电压相关联的信号提供给所述控制单元。
4.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)是电压源逆变器类型。
5.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)是用作有源前端的电压源逆变器且被配置来运用固定电压DC链路进行操作。
6.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)和所述第二级转换器(28)是6-装置三相桥接器，每个装置包括开关和续流二极管。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述开关是选自半导体开关中的任何一个，诸如绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成栅极换流晶闸管(IGCT)或栅极关断(GTO)晶闸管。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述开关被配置来接收从所述控制单元(32)接收的信号且根据所述信号进行操作。
9.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中电容器(41)与所述第一级转换器和第二级转换器(26、28)的DC端子并联连接且被配置来在所述装置的所述开关的切换循环的周期内维持大体上恒定的DC链路电压。
10.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述控制单元(32)被配置来控制所述第一级转换器(26)的所述装置，从而控制所述第一级转换器(26)的AC输入处提供的电压。
11.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述控制单元(32)被配置来控制所述第一级转换器(26)的所述装置以设置所述发电机(18)的端子处的电压的振幅和频率以及对应的有功和无功功率流。
12.根据权利要求10或 11中任一项所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)被控制来将根据电频率变化的AC电压提供给所述发电机(18)使得生成的AC电流与所述发电机(18)的绕组中引发的电磁力同相。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的控制系统，其中所述控制单元(32)被配置来通过切换传输到所述第二级转换器(28)的所述装置的信号控制所述第二级转换器(28)的所述AC输出电压的振幅和频率。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的控制系统，其中所述控制单元(32)被配置来修改所述第一级控制器(26)的所述装置的操作以调整所述第一级转换器(26)的输入端子处的所述AC电压的频率以控制所述涡轮机(16)的旋转。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的控制系统，其中响应于所述水流速度小于阈值，所述控制单元(32)被配置来确定所述DC链路电流、确定与所述涡轮机的所述水流速度相关联的最佳DC电力值，且通过修改所述第一级转换器(26)的所述装置的切换次序调整所述第一级转换器(26)的操作以将所述输入端子处的所述AC电压的频率调整成给所确定的DC链路电流提供所述最佳DC电力值的值。
16.根据权利要求10至15中任一项所述的控制系统，其中响应于所述水流速度超过阈值，所述控制单元(32)被配置来确定与所述涡轮机(16)的所述水流速度相关联的最佳DC电力值，且通过修改所述装置的切换次序调整所述第一级转换器(26)的操作以将所述输入端子处的所述AC电压的频率调整成提供固定值以将所述DC电力限制成所述最佳DC电力值的值。
17.根据权利要求15和16所述的控制系统，其中阈值是正常操作流速或额定速度。
18.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述控制系统被配置来与监管控制器(54)协作以确定所述涡轮机(16)的所述阈值。
19.根据权利要求18所述的控制系统，其中所述阈值是基于以下任何一个:涡轮机系统阵列内的每个涡轮机(16)的性能水平、水流跨涡轮机阵列的方式和电网运营商偏好。
20.根据任何前述 权利要求所述的控制系统，其中由所述发电机供应的所述AC电力具有与所述涡轮机的旋转速度成比例的电压和频率。
【文档编号】H02M5/45GK103931097SQ201280041336
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年8月10日 优先权日:2011年8月12日
【发明者】E·斯普纳, S·考索恩, W·K·古 申请人:开放水知识产权有限公司