用於動態變化輸出功率發電機的整流電路及相應控制方法
2023-09-11 16:26:50
專利名稱：用於動態變化輸出功率發電機的整流電路及相應控制方法
技術領域：
本發明描述了一種用於將一個三相發電機連接到電網上的整流電路。這種整流電路例如用於風力發電設備中。很顯然，這裡由於自然條件，即不同的風速而導致發電機的輸出功率動態變化。
背景技術：
發電機所產生的電流必須在電壓、頻率和相位上適配地饋送給已有電網。典型的電壓值為數百伏至數萬伏，頻率為50Hz或60Hz。
在具有產生時間上動態變化的輸出功率的電流發電機的風電發電設備中，例如採用以下現有技術。
DE 101 140 75 A1公開了具有動態功率輸出的發電機與一次配電電網的一種複雜的連接。其中發電機與一個橋式整流器相連接。整流器產生一個數千伏的直流電壓，它通過一個直流電壓連接線與級聯的反用換流器相連接。這個非常靈活的整流電路由於級聯的反用換流器和那裡集成的上行換流器可有效工作於風速變化大並從而導致發電機不同的輸出電壓的情況下。這種整流電路的缺點是這裡不能應用有效且可靠的異步機械，它們對於產生旋轉磁場是必要的。另一個缺點是相對高的電路技術開銷，例如這使得這種整流電路由於經濟原因而沒有被安裝在現有風力發電設備中。
US 56 524 85公開了將風力發電設備連接到電網上的一種簡單的方法。其中一個四象限反用換流器的交流電壓連接端子直接連接於發電機輸出端與電網之間。這裡一個模糊邏輯控制用於適當控制四象限反用換流器。當然這裡四象限反用換流器必須具有對應於發電機給出的最大功率的功率容限，為了保證其安全運行，此功率容限最好略大於發電機的最大輸出功率。
將風力發電設備連接到電網上最簡單的方法是風力發電設備的發電機與電網直接連接。此時最好異步機械由於其可靠性而被用作發電機。然而這種簡單電路具有很多缺點。在低風速情況下由於保持恆定的發電機轉速而不可能耦合低的輸出功率到電網上，或者只能以非常有限的效率實現此耦合。此外，採用此電路不可能在每個運行狀態下實現饋電用戶所需的無功功率補償。
本發明還描述了在電網短接情況下進行無功功率補償的整流電路的控制方法。在電網短接時通常—如果短路位置與觀察位置具有一定距離—殘留一個剩餘電壓。如果此剩餘電壓還具有一個規定值—它取決於電網運營商的規定，例如為標稱電壓的15％，則設置在那裡的饋入裝置，例如一個風力發電設備，可以將無功功率饋送到電網中。上述發電機直接連接到電網上的結構中風力發電設備不能完成此任務。
發明內容
本發明的目的在於給出一種整流電路，它將具有動態變化輸出功率的發電機與電網的直接連接進行了擴展，使得發電機的轉速範圍—在此範圍中可以有效饋送到電網中—進一步向低轉速擴展，上述擴展也可集成到現有電路中，並且在整個運行中可以實現無功功率補償。本發明的目的還在於給出一種控制方法，它可在電網短接時饋送無功功率到電網中。
上述任務由權利要求1所述整流電路及權利要求2所述控制方法完成。優選的改進如從屬權利要求所述。
用於連接三相發電機和電網的本發明整流電路由兩個獨立的連接組成。第一個連接是發電機與電網的直接連接，其中這個連接在每一相中具有一個開關，通過這個開關此連接可以被切斷。發電機與電網的第二個連接由一個由兩個整流器構成的四象限變換器組成，每個整流器由三個半橋電路構成，每個半橋電路由兩個功率開關構成。此四象限變換器最大具有發電機標稱功率的一半。第二個連接如此設置，使得第一個整流器的交流電壓連接端與發電機的三相連接，第二個整流器的交流電壓連接端與電網的三相連接。此外這兩個整流器與一個公共的直流中間電路連接，其中在直流中間電路的正連接端和負連接端之間連接有至少一個電容器。
用於在電網短接情況下—其中剩餘電壓等於或大於標稱電壓的10％—對上述整流電路進行無功功率補償的本發明控制方法可以劃分為三個時段。直到重新達到標準電壓的至少80％的整個短路期應持續例如三秒時間。短路後根據降低的電網電壓立即切斷髮電機與電網的直接連接，發電機自動從電網斷開。通過四象限變換器的連接，發電機並非直接與電網連接。
在短路後的第一個時段中發電機與電網之間的開關切斷，四象限變換器在電網一側的整流器通過其交流電壓連接端藉助於存儲在中間電路中的能量為電網提供無功功率。在接著的第二個時段中發電機與電網之間的開關仍然切斷，電網一側的整流器從電網取出有用功率以補償其內部損耗，並提供無功功率到電網中。在此第二個時段中電網電壓通常重新上升。在達到標稱電壓的例如80％時饋入點又被接通。在第三個時段中發電機與電網之間的開關仍然斷開，整個四象限變換器控制發電機的平緩重啟，這樣其中不會出現電網的無功功率加載。
在接著的時間進程中依據風速及從而得到的發電機輸出功率，繼續通過四象限變換器，或者直接通過接通的開關使發電機與電網連接，提供能量給電網。
下面藉助圖1舉例說明本發明的特徵和配置，其中本發明整流電路被設置在一個風力發電設備中。
具體實施例方式
圖中示出一個具有旋翼10的風力發電設備，旋翼通過傳動裝置驅動發電機20。此發電機20是按現有技術具有690伏標稱輸出電壓的異步機械，三相輸出22通過一個變壓器92連接到一個一次配電電網90。這些都與現有技術一致，就像它已多次用作風力發電設備那樣。
為了經濟地推廣現有風力發電設備，或者為了製造新的廉價的風力發電設備，所示電路對於整流電路作出了創造性改進。此整流電路被設計為四象限變換器100，並且分別由發電機側和電網側的一個整流器50，70組成，每個整流器分別由三個半橋電路構成。所述半橋電路分別由一個上功率半導體開關52，72和一個下功率半導體開關53，73以及分別與其反向並聯連接的空轉二極體54、55，74、75構成。這兩個整流器50，70以其直流輸出端56，58，76，78通過直流中間電路60與一個存儲能量的電容器62相連接。
為了將四象限變換器接入到已有電路中，在從發電機20到電網90的連接線的三相22中的每一相都具有一個開關30。最好每個這種開關30分別由兩個反向並聯連接的功率半導體開關，如晶閘管組成。發電機一側的整流器50的交流連接端25分別通過一個扼流圈40連接於發電機20的三相22。此連接點24位於開關30的發電機一側。電網一側的整流器70的交流連接端27分別通過一個扼流圈80連接於發電機的三相22，然而這些連接點26位於開關30的電網一側。
在低風速情況下藉助於開關30使第一個連接，即發電機20與電網90的直接連接斷開。現在能量通過四象限變換器100流到電網。由於此連接僅用於低風速，只有小轉速和所產生的小的能量才接通，將四象限變換器100配置為最大為發電機20功率的一半，最好只為其三分之一就足夠了。這一方面具有功率降低的四象限變換器100成本低的經濟上的優點，另一方面還使機械結構簡化了。
在較高風速時開關30接通，電流從發電機20直接流到電網90。在此情況下四象限變換器100的兩個整流器50，70通過適當的控制提供電網運營商所需的無功功率到電網90上。
本發明整流電路的四象限變換器100在電網短接的情況下用於電網90的無功功率補償。基於電網運營商的需要按照現有技術電網電壓在大約三秒後重又恢復到至少80％。在此期間內饋入點，如風力發電設備必須饋送無功功率到電網中。為此藉助本發明的控制方法來控制四象限變換器100電網一側的整流器70。
下面從發電機20直接、即通過接通的開關30連接於電網90的狀態出發。在電網短接後電網90的電壓下降到標稱值的例如20％。在約150ms的時段之後電網電壓重新開始上升，直到三秒之後又近似達到標稱電壓。
在外部激勵造成電網短接的情況下，發電機20僅在短時間內提供電流，發電機自動藉助於開關30與電網分離。從而只有電網一側的整流器70以其交流電壓連接端與電網90連接，並且此整流器可以向電網饋送無功功率。在電網剛剛短接之後電網一側的整流器70如此被控制，使得它向電網90提供無功功率。這裡在電網短接之後的第一個時段中中間電路60被用作能量供應源。在饋送無功功率期間必要時可在短時間內在功率開關的額定電流之上饋送電流，這裡功率開關是功率電晶體72，73(最好是IGBT，即絕緣柵雙極型電晶體)，只要避免可能會導致功率電晶體損壞的熱過載。
在直至電網電壓重又達到標稱電壓80％的第二時段中電網一側的整流器70從電網90取出有用功率並且反饋給電網無功功率。取出有用功率是必要的，因為在整流器內部的損耗，如IGBT72，73的開關損耗必須被補償。
在達到標稱電壓的80％後的第三個時段中發電機20又被接通。四象限變換器100現在如此被控制，使得能保證發電機20的平緩重啟而沒有無功功率加載電網。接著開關30被斷開，可以像電網短接之前一樣工作。
權利要求
1.用於連接三相發電機(20)和電網(90)的整流電路，該整流電路包括發電機(20)與電網(90)的第一個直接連接，其中在每一相(22)的連接中具有一個開關(30)，以及發電機(20)與電網(90)的第二個連接，其中一個功率最大為發電機(20)標稱功率一半的四象限變換器(100)被如此設置使得四象限變換器(100)由第一個整流器(50)和第二個整流器(70)組成，第一個整流器的三個交流電壓連接端(24)與發電機(20)的三個連接端相連接，並且其直流連接端(56，58)與一個具有電容器(62)的中間電路(60)相連接；第二個整流器的三個交流電壓連接端(26)與電網(90)相連接，並且其直流連接端(76，78)與中間電路(60)相連接。
2.用於在電網短接情況下，對權利要求1所述整流電路進行控制以進行無功功率補償的控制方法，其中剩餘電網電壓等於或大於標稱電壓的10％，如此設計使得在短路後的第一個時段中—這時開關(30)已經斷開或由於電網短接而被斷開，電網一側的整流器(70)通過其交流電壓連接端(24，26)從存儲在中間電路(60)中的能量向電網提供無功功率，在開關(30)繼續斷開的第二個時段中整流器(70)將無功功率反饋到電網(90)中，並且在開關(30)斷開的第三個時段中整個四象限變換器(100)控制發電機(20)的平緩重啟，並使無功功率的電網加載保持最小或被避免，接著發電機重又或者繼續通過四象限變換器(100)或者通過直接連接向電網(90)提供能量。
3.如權利要求1所述的整流電路，其中每個整流器(50，70)由三個半橋電路構成，每個半橋電路分別具有一個上功率開關和一個下功率開關。
4.如權利要求3所述的整流電路，其中每個功率開關由一個或多個分別帶有一個或多個反向並聯連接的功率二極體(54，55，74，75)的功率電晶體(52，53，72，73)組成。
5.如權利要求1所述的整流電路，其中開關(30)分別由兩個反向並聯連接的功率半導體開關，如晶閘管構成。
6.如權利要求2所述的控制方法，其中在第一個時段中整流器(50，70)的功率開關被加載到其標稱負載之上，只要此加載不損壞此功率開關。
全文摘要
本發明涉及用於連接三相發電機和電網的整流電路及其相應的控制方法，包括發電機與電網的第一個直接連接和發電機(20)與電網(90)的第二個連接，其中一個四象限變換器被如此配置它由第一個整流器和第二個整流器組成，第一個整流器的三個交流電壓連接端與發電機的三個連接端連接，第二個整流器的三個交流電壓連接端與電網相連接。用於在電網短接情況下進行無功功率補償的控制方法如下在短路之後的第一個時段中電網側整流器通過其交流電壓連接端給出無功功率到電網，在第二個時段中此整流器反饋無功功率到電網，並且在第三個時段中整個四象限變換器控制發電機的平緩重啟過程而沒有無功功率加載電網。
文檔編號H02M5/458GK1645730SQ20051000562
公開日2005年7月27日 申請日期2005年1月21日 優先權日2004年1月24日
發明者德簡·施賴伯, 海因裡希·海爾布隆納 申請人:塞米克朗電子有限公司