發電系統和用於存儲電能的方法

2023-09-19 22:29:10 2

專利名稱：發電系統和用於存儲電能的方法
發電系統和用於存儲電能的方法
背景技術：
風電場已經用於產生電能。風電場通常具有各產生電能的多個風力渦輪機。然 而，當風電場開始產生電網不需要的過剩電能時，控制系統減小由風力渦輪機產生的電能 的量。因此，風力渦輪機能夠產生的電能的量沒有被完全地利用。 因此，發明人在本文已經認識到對最大程度地減小和/或消除上述缺陷的改進了 的發電系統的需要。

發明內容
提供了根據示例性實施例的發電系統。該發電系統包括具有殼體、整流器、DC電 壓總線、換流器和功率變換器控制器的功率變換器。整流器、DC電壓總線、換流器和功率變 換器控制器設置在殼體中。DC電壓總線電聯接到整流器和換流器兩者上。控制器與換流器 可操作地連通。整流器構造成接收第一AC電壓，且將第一AC電壓轉換成第一DC電壓。DC 電壓總線構造成將第一DC電壓傳送到換流器。換流器構造成響應於來自功率變換器控制 器的第一控制信號而將第一DC電壓轉換成第二AC電壓，且將第二AC電壓輸出到電網。發 電系統進一步包括可操作地聯接到DC電壓總線上的DC-DC變換器。DC-DC變換器構造成從 DC電壓總線接收第一 DC電壓，且響應於第二控制信號而將來自第一 DC電壓的電能存儲到 電池存儲單元中。DC-DC變換器進一步構造成響應於第三控制信號而輸出通過DC電壓總線 傳送到換流器的第二DC電壓。功率變換器的換流器進一步構造成響應於來自功率變換器 控制器的第四控制信號而將第二DC電壓轉換成第三AC電壓，且將第三AC電壓輸出在電網 上。 提供了一種根據另一個示例性實施例的用於存儲電能的方法。該方法包括自風力 渦輪發電機產生第一AC電壓。該方法進一步包括利用電聯接到風力渦輪發電機上的功率 變換器的整流器來將第一 AC電壓轉換成第一 DC電壓。該方法進一步包括通過DC電壓總 線將第一DC電壓傳送到功率變換器的換流器。該方法進一步包括響應於來自功率變換器 控制器的第一控制信號而利用換流器將第一DC電壓轉換成第二AC電壓，且將第二AC電壓 輸出到電網。該方法進一步包括自可操作地聯接到DC電壓總線上的DC-DC變換器處接收 來自DC電壓總線的第一DC電壓。該方法進一步包括響應於第二控制信號而利用DC-DC變 換器將來自第一DC電壓的電能存儲到電池存儲單元中。
附圖簡述

圖1顯示了根據一個示例性實施例的風電場發電系統的示意圖；以及 圖2和3顯示了根據另一個示例性實施例的用於存儲電能的方法的流程圖。 部件列表 風電場發電系統IO AC電網12 風力渦輪機20 風力渦輪機殼體21
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AC發電機22 功率變換器24 電池存儲單元26 風力渦輪機控制系統28 風電場控制器30 殼體39 整流器40 DC電壓總線41 換流器42 DC-DC變換器44 功率變換器控制器46 放電-充電控制器48
具體實施例方式
參看圖l，現在將闡述用於將電能輸送到AC電網12的風電場發電系統10。風電 場發電系統10包括風力渦輪機20、風力渦輪機殼體21、AC發電機22、功率變換器24、電池 存儲單元26、風力渦輪機控制系統28和風電場控制器30。 風力渦輪機20構造成響應於接觸風力渦輪機的風而旋轉，以驅動AC發電機22，從 而使得AC發電機22輸出AC電壓。風力渦輪機20操作地聯接到可控制風力渦輪機20的 操作的風力渦輪機控制器28上。 風力渦輪機殼體21構造成將AC發電機22、功率變換器24、電池存儲單元26和風 力渦輪機控制器圍繞在其中。風力渦輪機20可旋轉地聯接到風力渦輪機殼體21上。
功率變換器24構造成接收來自AC發電機22的AC電壓，並將AC電壓供應到AC 電網12。功率變換器24進一步構造成將DC電壓供應到電池存儲單元26，以存儲由AC發 電機22產生的過剩電能。功率變換器24包括殼體39、整流器40、換流器42、 DC-DC變換 器44、功率變換器控制器46和放電_充電控制器48。在一個示例性實施例中，殼體39構 造成將整流器40、換流器42、DC-DC變換器44、控制器46和放電_充電控制器48保持在其 中。在另一個示例性實施例中，DC-DC變換器44設置在殼體39的外面，且可操作地聯接在 DC電壓總線41和電池存儲單元26之間。 整流器40構造成接收來自AC發電機22的AC電壓，且對AC電壓進行整流，以獲 得DC電壓。整流器40將DC電壓輸出在DC電壓總線41上。DC電壓總線41將DC電壓傳 送到換流器42和DC-DC變換器44兩者上。 換流器42構造成接收來自DC電壓總線41的DC電壓，且將DC電壓轉換成AC電 壓，此AC電壓從換流器42輸出到AC電網12。特別地，換流器42響應於接收來自功率變換 器控制器46的控制信號而將AC電壓輸出到AC電網12。另外，功率變換器控制器46響應 於接收來自風電場控制器30的控制信號而產生由換流器42所接收的控制信號。
DC-DC變換器44構造成接收來自DC電壓總線41的DC電壓。DC_DC變換器44響 應於來自放電-充電控制器48的控制信號而調節DC電壓的電壓水平，且將DC電壓輸出到 電池存儲單元26。電池存儲單元26接收來自DC-DC變換器44的DC電壓輸出，且將電能存儲在其中。DC-DC變換器44進一步構造成響應於來自放電-充電控制器48的另一個控制 信號而利用來自電池存儲單元26的電能輸出DC電壓在DC電壓總線41上。
功率變換器控制器46構造成控制功率變換器24的操作。特別地，控制器46響應 於來自風電場控制器30的控制信號而產生控制信號，以促使換流器42將AC電壓輸出在AC 電網12上。另外，控制器46產生另一個控制信號，以促使放電_充電控制器48指示DC-DC 變換器44將電能存儲到電池存儲單元26中。另外，控制器46產生另一個控制信號，以促 使放電_充電控制器48指示DC-DC變換器44使用存儲在電池存儲單元26中的電能來將 DC電壓輸出在DC電壓總線41上。如圖所示，功率變換器控制器46可操作地聯接到換流器 42、放電-充電控制器48、風電場控制器30和風力渦輪機控制系統28。
放電-充電控制器48構造成控制DC-DC變換器44的操作，從而使得DC-DC變換 器44將DC電壓輸出到電池存儲單元26，以將電能存儲在其中，或者將DC電壓輸出在DC電 壓總線41上。 電池存儲單元26構造成響應於接收來自DC-DC變換器44的DC電壓而將電能存 儲在其中。電池存儲單元26包括電聯接在一起的一個或多個電池。電池存儲單元26還可 將DC電壓輸出到DC-DC變換器44。 風力渦輪機控制系統28構造成控制風力渦輪機20的操作。特別地，風力渦輪機 控制系統28可控制風力渦輪機20的操作位置，且可響應於接收自風電場控制器30的控制 信號而控制風力渦輪機的最大旋轉速度。 風電場控制器30構造成控制從功率變換器24輸出到AC電網12的電能的量。風 電場控制器30產生由風力渦輪機控制系統28、功率變換器控制器46和放電-充電控制器 48所接收的控制信號。 現在提供風電場發電系統10的運行的一般綜述。風電場控制器30監視和控制從 系統10輸出的電能的實際量。通常，風電場控制器30將指示功率變換器控制器46將所有 產生的電能輸出到AC電網12。但是，如果風速高得足以允許AC發電機22產生多於需要的 電能，則風電場控制器30可指示放電-充電控制器48將來自AC發電機22的所產生的電 能的至少一部分存儲到電池存儲單元26中。應當注意，對於存儲最優化來說，可基於本地 風條件來選擇各個電池存儲單元26的存儲容量。如果風速太低以致於風力渦輪AC發電機 22無法輸出期望的電能量，則風電場控制器30可指示功率變換器24和放電-充電控制器 48從本地電池存儲單元26中提取電能，且將電能輸出在AC電網12上。
參看圖2和3，現在將闡述利用風電場發電系統10的用於存儲電能的方法的流程 圖。 在步驟60處，風力渦輪AC發電機22產生由功率變換器24的整流器40接收的第 一AC電壓。 在步驟62處，整流器40將第一 AC電壓轉換成輸出在功率變換器24的DC電壓總 線41上的第一DC電壓。 在步驟64處，DC電壓總線41將第一 DC電壓傳送到功率變換器24的換流器42。
在步驟66處，換流器42響應於來自功率變換器控制器46的第一控制信號而將第 一DC電壓轉換成第二AC電壓，且將第二AC電壓輸出到電網12。 在步驟68處，DC-DC電壓變換器44接收來自DC電壓總線41的第一 DC電壓。
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在步驟70處，DC-DC電壓變換器44響應於來自放電_充電控制器48的第二控制
信號而調節第一 DC電壓的電壓水平，以獲得第二 DC電壓。 在步驟72處，電池存儲單元26響應於接收第二 DC電壓而存儲電能。 在步驟74處，DC-DC電壓變換器44響應於來自放電_充電控制器48的第三控制
信號而利用來自電池存儲單元26的存儲的電能來將第三DC電壓輸出在DC電壓總線41上。 在步驟76處，換流器42接收第三DC電壓，且響應於來自功率變換器控制器24的
第四控制信號而將第三DC電壓轉換成第三AC電壓，且將第三AC電壓輸出在電網12上。 此發電系統和用於存儲電能的方法提供優於其它系統和方法的重要優點。特別
地，發電系統和方法提供利用可操作地聯接到風力渦輪機殼體內的功率變換器上的電池存
儲單元來存儲電能的技術效果。 雖然參考示例性實施例對本發明進行了描述，但是本領域技術人員將理解，在不 偏離本發明的範圍的情況下，可進行各種改變，等效物可代替本發明的元件。另外，在不偏 離本發明的範圍的情況下，可依據本發明的教導進行許多修改，以適應特定情況。因此，本 發明不限於用於實現本發明而公開的實施例，而是本發明包括落入權利要求書的範圍內的 所有實施例。此外，用語第一、第二等的使用不表示重要性的任何順序，而是，用語第一、第 二等用於使一個元件區別於另 一個元件。
權利要求
一種發電系統(10)，包括具有殼體(39)、整流器(40)、DC電壓總線(41)、換流器(42)和功率變換器控制器(46)的功率變換器(24)，所述整流器(40)、所述DC電壓總線(41)、所述換流器(42)和所述功率變換器控制器(46)設置在所述殼體(39)中，所述DC電壓總線(41)電聯接到所述整流器(40)和所述換流器(42)兩者上，所述控制器(46)與所述換流器(42)可操作地連通，所述整流器(40)構造成接收第一AC電壓，且將所述第一AC電壓轉換成第一DC電壓，所述DC電壓總線(41)構造成將所述第一DC電壓傳送到所述換流器(42)，所述換流器(40)構造成響應於來自所述功率變換器控制器(46)的第一控制信號而將所述第一DC電壓轉換成第二AC電壓，且將所述第二AC電壓輸出到電網(12)；可操作地聯接到所述DC電壓總線(41)上的DC-DC變換器(44)，所述DC-DC變換器(44)構造成接收來自所述DC電壓總線(41)的所述第一DC電壓，且響應於第二控制信號而將來自所述第一DC電壓的電能存儲到電池存儲單元(26)中，所述DC-DC變換器(44)進一步構造成響應於第三控制信號而輸出第二DC電壓，所述第二DC電壓通過所述DC電壓總線(41)被傳送到所述換流器(42)；並且所述功率變換器(24)的所述換流器(42)進一步構造成響應於來自所述功率變換器控制器(46)的第四控制信號而將所述第二DC電壓轉換成第三AC電壓，且將所述第三AC電壓輸出在所述電網(12)上。
2. 根據權利要求l所述的發電系統(IO)，其特徵在於，所述發電系統(10)進一步包括可操作地聯接到所述DC-DC變換器(44)上的放電-充電控制器(48)。
3. 根據權利要求2所述的發電系統，其特徵在於，所述DC-DC電壓變換器(44)構造成響應於來自所述放電-充電控制器(48)的所述第二控制信號而調節所述第一DC電壓的電壓水平，以獲得第三DC電壓。
4. 根據權利要求3所述的發電系統(IO)，其特徵在於，所述電池存儲單元(26)構造成響應於從所述DC-DC變換器(44)接收所述第三DC電壓而存儲電能。
5. 根據權利要求2所述的發電系統(10)，其特徵在於，所述DC-DC電壓變換器(44)進一步構造成響應於來自所述放電-充電控制器(48)的所述第三控制信號而利用來自所述電池存儲單元(26)的存儲的電能來將所述第二DC電壓輸出到所述DC電壓總線(41)。
6. 根據權利要求l所述的發電系統(10)，其特徵在於，所述DC-DC變換器(44)設置在所述功率變換器(24)的所述殼體(39)中。
7. 根據權利要求l所述的發電系統(10)，其特徵在於，所述DC-DC變換器(44)設置在所述功率變換器(24)的所述殼體(39)的外面。
8. 根據權利要求l所述的發電系統(IO)，其特徵在於，所述發電系統(10)進一步包括構造成產生所述第一AC電壓的風力渦輪發電機(22)，所述風力渦輪發電機(22)電聯接到所述功率變換器(24)的所述整流器(40)上。
9. 一種用於存儲電能的方法，包括自風力渦輪發電機(22)產生第一AC電壓；利用電聯接到所述風力渦輪發電機(22)上的功率變換器(24)的整流器(40)來將所述第一 AC電壓轉換成第一 DC電壓；通過DC電壓總線(41)將所述第一DC電壓傳送到所述功率變換器的換流器(42);響應於來自功率變換器控制器(46)的第一控制信號而利用所述換流器(42)將所述第一DC電壓轉換成第二AC電壓，且將所述第二AC電壓輸出到電網(12);在可操作地聯接到所述DC電壓總線(41)的DC-DC變換器(44)處接收來自所述DC電壓總線(41)的所述第一DC電壓；以及響應於第二控制信號而利用所述DC-DC變換器(44)將來自所述第一DC電壓的電能存儲到電池存儲單元(26)中。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括響應於第三控制信號而從所述DC-DC變換器(44)輸出第二DC電壓，所述第二DC電壓通過所述DC電壓總線(41)被傳送到所述換流器(42);以及響應於來自所述功率變換器控制器(46)的第四控制信號而利用所述換流器(42)將所述第二DC電壓轉換成第三AC電壓，且將所述第三AC電壓輸出到所述電網(12)。
全文摘要
提供了一種發電系統(10)和用於存儲電能的方法。該方法包括自風力渦輪發電機(22)產生第一AC電壓，以及利用整流器(40)將第一AC電壓轉換成第一DC電壓。該方法進一步包括通過DC電壓總線(41)將第一DC電壓傳送到功率變換器(24)的換流器(42)，以及響應於來自功率變換器控制器(46)的第一控制信號而利用換流器(42)將第一DC電壓轉換成第二AC電壓，且將第二AC電壓輸出到電網(12)。該方法進一步包括從可操作地聯接到DC電壓總線(41)上的DC-DC變換器(44)處接收來自DC電壓總線的第一DC電壓，且響應於第二控制信號而利用DC-DC變換器(44)將來自第一DC電壓的電能存儲到電池存儲單元(26)中。
文檔編號H02J3/38GK101714764SQ20091020520
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月30日 優先權日2008年9月30日
發明者M·阿爾滕舒爾特 申請人:通用電氣公司