用于波能設施的電氣設備及方法

2023-09-16 16:45:45 1

專利名稱：用于波能設施的電氣設備及方法
技術領域：
在第一方面，本發明涉及一種電氣設備，包括繞組、用於在繞組中感應電流的裝置以及具有電容器裝置的電橋接電路。本發明還涉及一種包括多個這種電氣設備的波能設施，以及一種連接至至少一個這種電氣設備的電網。在第二方面，本發明涉及這種電氣設備的用途。在第三方面，本發明涉及一種控制在其中感應電流的電繞組的方法。
背景技術：
在海上和大型內陸湖泊中的波浪運動構成迄今為止幾乎未曾被開發過的潛在的能源。然而，已提出各種建議來利用海洋的豎直運動在發電機中產生電力。由於海面上的點進行往復的豎直運動，因而適於使用線性發電機來產生電力。W003/058055披露了這樣的波能單元，其中，發電機的活動部分(即，與旋轉發電機中的轉子相對應以及本申請中被稱為平動子(translator)的部分)相對於發電機的定子而往復運動。在該公開中，定子錨定在海床中。平動子通過線、纜線或鏈連接至漂浮在海面上的實體。對於這種波能單元，優化被波能單元吸收的波能的量以及被作為電能供應的波能的量是重要的。這包括與系統的機械以及電氣方面相關的考慮。被波能單元吸收的功率的多少依賴於能量系統的水力參數和阻尼因子。浮體決定水力參數和負載，與發電機和海上纜線一起形成阻尼因子。當波能單元的固有頻率與波浪頻率一致時，實現高的功率捕獲比，功率捕獲比被定義為所提取的功率除以投射在浮體的截面上的功率的商。因此，期望的是，實現產生這種機械共振的波能單元的設計。然而，必須考慮的各種參數和系統必須滿足的各種其他需求使得通過該系統的機械部件的設計來優化功率捕獲比是非常複雜的。本發明的焦點在於系統的電氣部件上。眾所周知，在涉及電容器和電感器的電路中的電共振能夠產生高的電壓和高的功率(所謂的無功功率)。然而，由於這可對傳統發電機和其他電力部件都帶來損害，因而在電氣系統和電網中通常避免電共振。因此，在克服電路中電共振的不利影響方面存在改進功率轉換的巨大潛力。本發明的目的因而在於提高可被用作波能單元以產生電能的電氣設備的功率捕獲比。

發明內容
由於在引言中所描述的特定種類的電氣設備包括特定的特徵，即，電源電路(下文中也稱為電橋接電路，或僅稱為橋接電路)包括具有用於與繞組的阻抗產生共振的電容的電容器裝置，因而本發明的上述目的得以實現。

當0)=+時發生電共振。然而，指定用於橋接電路的共振應當被解釋為不僅意味著精確的共振，還意味著與該值高達10%的偏差。共振還導致發電機的高阻尼。如果部件的尺寸足夠，該共振將提高系統的功率捕獲比。利用本發明所獲得的電共振從而提供有效的且不如用於提供與波浪頻率產生共振的機械措施複雜的替代方案，或者建立對這樣的機械措施的補充。根據一個優選實施例，橋接電路進一步包括具有一個或多個半導體的半導體裝置。在共振時產生的高無功功率從而至少部分地可被用作有功功率。通常，諧振電路中的無功功率將僅僅在電感與電容之間往返。通過在橋接電路中提供用於相位控制的半導體，相反，可將該功率的一部分引導至負載並進行利用。這將進一步導致電氣設備的功率輸出增大。根據另一實施例，半導體裝置包括一個或多個二極體。根據另一優選實施例，半導體裝置包括一個或多個晶體閘流管。根據另一優選實施例，半導體裝置包括一個或多個絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。因此可在橋接電路中使用無源元件或有源元件，其中，成本方面和品質方面將決定使用哪一種。當然，二極體、晶體閘流管和IGBT可組合地使用。根據另一優選實施例，橋接電路包括連接至負載的第一分支、第二分支和第三分支，第一分支具有與負載並聯的電容器，第二分支和第三分支分別具有兩個半導體，這些半導體全部布置在相同方向上，並且繞組分別在兩個半導體之間連接至第二分支以及在兩個半導體之間連接至第三分支。根據另一優選實施例，橋接電路包括連接至負載的第一分支和第二分支，第一分支具有第一電容器和第一半導體，第二分支具有第二電容器和第二半導體，繞組在第一電容器與第一半導體之間連接至第`一分支並且在第二電容器與第二半導體之間連接至第二分支，並且其中，第一電容器和第二半導體通過第三半導體連接至負載，並且第一半導體和第二電容器通過第四半導體連接至負載。根據另一優選實施例，橋接電路包括繞組通過其連接至負載的IGBT，並進一步包括與IGBT並聯的第一分支和與繞組並聯的第二分支，所述第一分支和第二分支每個均包含電容器，並且其中，在第一分支與第二分支之間設置有半導體。與橋接電路的布局相關的上述實施例全部使得否則將作為無源功率而損失的功率非常有效地轉換成負載處的有源功率。根據另一優選實施例，繞組為多相繞組，諸如三相繞組。因此，所述電氣設備將容易地適於將能量供應至電網(grid)。根據另一優選實施例，橋路連接至電負載。根據另一優選實施例，電氣設備包括變壓器、發電機和/或高壓直流(HVDC)纜線。根據另一優選實施例中，繞組為發電機的定子繞組，並且在繞組中感應電流的裝置為發電機的活動部分上的磁體。根據另一優選實施例，電氣設備包括由風或海浪提供動力的驅動源，該驅動源與發電機的活動部分傳動連接。根據另一優選實施例，發電機為以往復式平動子作為活動部分的線性發電機。根據另一優選實施例，驅動源為通過柔性連接裝置而機械地連接至平動子的浮體。
本發明還涉及一種波能設施，該波能設施包括多個根據本發明(特別是根據本發明優選實施例中的任一者)的電氣設備。本發明還涉及一種電網，該電網包括與根據本發明(特別是根據本發明優選實施例中的任一者)的電氣設備的連接。在本發明的第二個方面，本發明的電氣設備用於產生電力並將該電力供應給電網。在本發明的第三個方面，由於在引言中所描述的特定種類的方法包括在橋接電路中布置電容器裝置的具體措施，該電容器裝置具有適於與繞組的電感產生共振的電容器，因而所述目的得以實現。根據本發明的方法的優選實施例，利用根據本發明(特別是根據本發明的優選實施例中的任一者)的電氣設備來實行所述方法。本發明的波能設施、本發明的電網、本發明的用途以及本發明的方法全部具有與本發明的電氣設備及已在上文中描述的優選實施例的優點相對應的優點。本發明的上述優選實施例在從屬權利要求中描述。應當理解的是，其他優選實施例當然可由以上優選實施例的任意可能的組合組成並且可由這些優選實施例以及在以下實例的描述中說明的特徵的任意可能的組合組成。將通過以下本發明實例的詳細描述並且參照附圖來進一步闡述本發明。附圖簡要說明

圖1是根據本發 明的電氣設備的側視圖，這裡用波能單元代表所述電氣設備。圖2是穿過圖1中電氣設備的發電機的一部分細節的剖面。圖3示出了根據本發明實例的橋接電路。圖4示出了根據本發明另一實例的橋接電路。圖5-圖7示出了根據本發明其他實例的橋接電路。圖8示意性示出了根據本發明的波能設施。
具體實施例方式圖1是根據本發明的電氣設備的示意性側視圖，該電氣設備適於為在海上操作的波能單元。浮體I漂浮在海面上並通過連接裝置3 (諸如纜線、線、繩、鏈等)連接至錨定在海床處的線性發電機2。在附圖中，發電機附接在海床處。然而，應當理解的是，發電機可位於海床上方並且以其他某種方式錨定。線性發電機2具有帶有繞組的定子5和帶有磁體的平動子6。平動子6能在定子5內上下往復運動從而在定子繞組中產生電流，該電流通過纜線11轉移至電網。平動子6包括杆7，線3附接至該杆。當浮體I由於海面的波浪運動而被迫向上移動時，浮體會將下面的平動子6向上拉動。當浮體之後向下移動時，平動子6將通過重力向下移動。可選地但優選地，作用在平動子6上的彈簧(未示出)等提供了額外的向下的力。圖2示出了平動子6和定子5之間的配合。附圖僅分別示出了平動子6和定子5的一部分。在平動子6上設置有多個永磁體14，所述多個永磁體在平動子6的表面上沿著多個豎直行分布並面向定子5。附圖僅不出了這些行中的一行上的一些磁體。定子5具有多個繞組槽15，繞組槽面向磁體14並且繞組12容納在其中。
隨著平動子上下移動，磁體14相對於繞組12行進，從而由於磁通量Φ改變而在
其中感應出電流。電壓將為V,其中η為槽15中的繞組匝數。用於使磁體14移
M
動與兩個相鄰磁體14的中部之間的豎直距離相對應的距離的行進時間決定電壓的頻率。定子5的繞組設置有通過纜線11連接至負載的橋接電路。橋接電路具有被布置為在橋接電路中建立共振的部件。圖3-圖7示出了用於這種橋接電路的布局的一些實例。在圖2中示出了第一實例，示出了根據本發明的以其最簡單形式的橋接電路100。具有電阻R和阻抗L的定子繞組12通過兩個二極體102、103連接至負載13。電容器101並聯至定子繞組12。電容器101具有這樣的電容，該電容被調諧成用於在由平動子6移動與平動子6上的兩個相鄰磁體之間的距離相對應的距離的行進時間決定的頻率下與繞組12的電感L共振。為了降低通過共振產生的無功功率，橋接電路實際上應該比圖2的實例更複雜。在圖3中示出了這種橋接電路的實例。在該實例中，橋接電路具有連接至負載13的三個分支206、207、208。這些分支中的第一分支206具有用於產生共振的電容器201。其他兩個分支207、208中的每個均具有兩個二極體202、203 ;204、205，通過這些二極體使無功功率降低並將其用於負載13。繞組在相應分支207、208中的兩個二極體202、203 ;203、205之間連接至第二分支和第三分支中的每一個。在圖4中示出了另一實例。橋接電路300具有IGBT304，繞組12通過該IGBT連接至負載13。第一電容器301在第一分支305中與IGBT304並聯。第二電容器302在第二分支306中與繞組12並聯。二極體303位於兩個分支305、306之間的橋接電路中。在圖5中示 出了又一實例。橋接電路400包括兩個分支407、408。第一分支407具有第一電容器401和第一二極體403。第二分支408具有第二電容器402和第二二極體。繞組12在第一分支的電容器401與二極體403之間連接至第一分支407並在第二分支的電容器402與二極體404之間連接至第二分支408。第三二極體405將第一分支407的電容器401和第二分支408的二極體404連接至負載13。第四二極體406將第二分支408的電容器402和第一分支407的二極體403連接至負載13。應當理解的是，上述實例中的一些或全部二極體可由其他種類的無源或有源半導體替代。進一步地，橋接電路的所示布局僅為實例，並且應當理解的是，在本發明的範圍內可採用各種其他布局，還包括具有比示出實例中更多數量的電容器和/或半導體的布局。每個電容器可僅為單個電容器，但應當理解的是，術語電容器還可指電容器組。橋接電路還可包括用於測量、控制、調節、轉換以及類似目的的附加部件。上述的實例全部僅示出了一相，以便簡化描述。實際上，橋接電路通常將布置用於三相。圖6示意性示出了橋接電路500的三相應用的實例。圖7以俯視圖的方式示意性示出了具有多個上述種類的電氣設備的波能設施。這些單元的發電機2全部連接至水下開關裝置30，該水下開關裝置連接至電網40。已通過測試來證實本發明的具有產生共振的橋接電路的電氣設備的功能，下面簡要地描述。利用適於作為具有重力是32000Ν的平動子的波能單元的電氣設備來實行測試。因此，平動子的力為提升力減去32000Ν。作為參照，對純電阻性負載進行測試，結果如下，其中，所有的值均代表最大值。
權利要求
1.一種電氣設備，包括繞組、用於在所述繞組中感應電流的裝置以及電橋接電路，其特徵在於，所述電橋接電路包括電容器裝置，所述電容器裝置具有適於與所述繞組的阻抗產生共振的電容。
2.根據權利要求1所述的電氣設備，其中，所述橋接電路(100-500)進一步包括具有一個或多個半導體的半導體裝置。
3.根據權利要求2所述的電氣設備，其中，所述半導體裝置包括一個或多個二極體。
4.根據權利要求2或3所述的電氣設備，其中，所述半導體裝置包括一個或多個晶體閘流管。
5.根據權利要求2-4中任一項所述的電氣設備，其中，所述半導體裝置包括一個或多個絕緣柵雙極電晶體(IGBT )。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的電氣設備，其中，所述橋接電路(200)包括連接至電負載(13)的第一分支(206)、第二分支(207)和第三分支(208)，所述第一分支(206)具有與所述電負載(13)並聯的電容器(201)，所述第二分支(207)和第三分支(208)每一個均具有兩個半導體(202、203 ;204、205)，並且所述繞組(12)分別在所述兩個半導體(202、203)之間連接至所述第二分支(207)、以及在所述兩個半導體(204、205)之間連接至所述第三分支(208)。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的電氣設備，其中，所述橋接電路(400)包括連接至所述電負載(13)的第一分 支(407)和第二分支(408)，所述第一分支(407)具有第一電容器(401)和第一半導體(403)，所述第二分支(408)具有第二電容器(402)和第二半導體(404)，所述繞組(12)在所述第一電容器(401)與所述第一半導體(403)之間連接至所述第一分支(407)並且在所述第二電容(402)與所述第二半導體(404)之間連接至所述第二分支(408)，並且其中，所述第一電容器(401)和所述第二半導體(404)通過第三半導體(405)連接至所述負載(13)，並且所述第一半導體(403)和所述第二電容器(402)通過第四半導體(406 )連接至所述負載(13)。
8.根據權利要求1-5中任一項所述的電氣設備，其中，所述橋接電路(300)包括IGBT(304)，所述繞組(12)通過所述IGBT連接至電負載(13)，並且所述橋接電路進一步包括與所述IGBT (304)並聯的第一分支(305)以及與所述繞組(12)並聯的第二分支(306)，所述第一分支(305)和所述第二分支(306)每個均包括電容器(301、302)，並且其中，在所述第一分支(305)與所述第二分支(306)之間設置有半導體(303)。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的電氣設備，其中，所述繞組(12)為多相繞組。
10.根據權利要求9所述的電氣設備，其中，所述繞組為三相繞組。
11.根據權利要求ι- ο中任一項所述的電氣設備，其中，所述橋路連接至電負載。
12.根據權利要求1-11中任一項所述的電氣設備，其中，所述電氣設備包括變壓器、發電機和/或HVDC纜線。
13.根據權利要求12所述的電氣設備，其中，所述電氣設備包括發電機，所述繞組為所述發電機的定子繞組，並且用於在所述繞組中感應電流的裝置為所述發電機的活動部分上的磁體。
14.根據權利要求13所述的電氣設備，其中，所述電氣設備包括由風或海浪提供動力的驅動源，所述驅動源與所述發電機的所述活動部分驅動連接。
15.根據權利要求14所述的電氣設備，其中，所述發電機為以往復式平動子作為所述活動部分的線性發電機。
16.根據權利要求15所述的電氣設備，其中，所述驅動源為通過柔性連接裝置機械地連接至所述平動子的浮體。
17.一種波能設施，其特徵在於，所述波能設施包括多個根據權利要求15或16所述的電氣設備。
18.一種電網，其特徵在於，所述電網包括將所述電網連接至至少一個根據權利要求14-16中任一項所述的電氣設備的連接線路。
19.一種根據權利要求1-16中任一項所述的電氣設備的用途,其特徵在於,所述電氣設備用於產生電能並將所述電能供應給電網。
20.一種用於控制電繞組的方法，在所述繞組中感應電流，其特徵在於，將所述繞組連接至包括電容器裝置的電橋，並且使所述電容器裝置的電容適於與所述繞組的阻抗產生共振。
21.根據權利要求20所述的方法，其特徵在於，利用根據權利要求1-16中任一項所述的電氣設備來執行所述方法·。
全文摘要
本發明涉及一種電氣設備，該電氣設備具有繞組(12)和用於在繞組中感應電流的裝置。橋接電路(400)將繞組(12)電連接至負載(13)。根據本發明，橋接電路(400)包括電容器裝置(401、402)，所述電容器裝置適於與繞組(12)的阻抗產生共振。
文檔編號F03B13/18GK103249943SQ201080070590
公開日2013年8月14日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者馬茨·萊永, 切奇莉·博斯特倫, 米卡埃爾·埃裡克松 申請人:西貝斯特公司