用於轉換風力發電機產生的電力的模塊變流器和採用所述變流器的風力發電站的製作方法
2023-05-15 22:54:26
專利名稱：用於轉換風力發電機產生的電力的模塊變流器和採用所述變流器的風力發電站的製作方法
技術領域：
本發明涉M於風力發電機的能量轉換系統，尤其涉及用於轉 力發電
才幾產生的電力的才莫塊變流器，以;5Ujl用這種變流器的相應的風力發電站。
背景技術：
為了易於S^以下的描述，^jtb^供文中所iMl的縮寫詞的全稱列表:
a.c.-交^危電；
d.c.-直流電；
DCBUS-直流中間電絲^
LV-
MV-中壓； HV-高壓；
HVDC-高壓直流電，高壓直流傳輸； DDPMSG -直驅^^1^茲同步發電機 DFIG-雙饋感應iC^C電機 IGBT-糹,冊棘電晶體 MMSC -多級^^:靜態變流器 SCM-靜態變流器才1* DC教字控制器 MDC畫主數字控制器 SDC-從數字控制器 Nm-SCM的數量 Nms-串聯的SCM的數量 Nmp-並聯的SCM的數量 Vmae-SCM輸入側的交流電壓Vmde- SCM輸出側的直流電壓
Vdc。-直流中間電路的總直流電壓
賄^^中用於產生電流的風力;繊(通常 為"風力發電機")的當前
it^都在尋求電力的不斷提高；尤其是，如海JiX力發電站，即，將這些發電
站安^離海岸或湖岸^英裡的地方，以便用於讓它們充^*#這些區
域的氣^^:中以iiiij^的^。
如圖1所示，風力發電機l包括風力渦輪2，其酉沐葉片2a和包含主體4 內的具有齒輪2b、 2c的系統，主體4安^支#^5上。風力發電機l還包括， 仍舊位於主體4中的發電機3，其設計成將風衝擊在J^t片J^斤產生的才成 能轉M電能。
大多數情況下，風力發電機1還具有制動器6，其設計^ MU過強的情 況下斷氐;g2的葉片2a的旋#^變。
扭些發電機中，最適於用於風力';^w是
-感應式發電機，具有雙電源並典型地S沐與i^^U^輸2自身上的軸 7津^的#^4#"增器；和
-直驅式7^^茲同步發電機(DDPMSG)，在這種情況下，其直接與渦輪的
圖2中M示出的是帶有4^茲體11的同步發電機10的截面，此時 io^體
相對to匕以9o。的角^L^位。7la茲體ii與^^Ma茲體u自身上的、由導電材
料製成的線圏12-"^，構成了發電機10的轉子13。所述M連接到風力;練 的軸7上並安^^導磁性金屬定子14的內部，旋轉時轉子13所產生的》茲場線 15不斷傳播(propagate )。
當前，對於這種特殊應用類型，DDPMSG沒有感應iC^電才;^4。然而， DDPMSG還是在效率、可靠性、控制的簡易性方面4^見出了相當的優勢，從 而4化了風力發電機1領域中^^動能轉M電能的^^前沿。
另外，當前開發的風力發電機1具有高於3MW的電力，其帶有通過靜態 變頻器連接至50/60Hz公共電網的可變i4^電機。
現令，風力發電機1典型地酉沐400-V或690-V的發電機，其採用了艦 變流器，帶有中間直流電路，公知的縮寫為DCBUS，如具有典型的650Vdc或 UOOVdc的輸出電壓，通it^用糹^bf冊^L電晶體(IGBT) ^^f尋該DCBUS^H殳計成用於驅動高電壓。
狄， 一些公司開始引入中壓發電機變流器系統，DCBUS上具有3000Vac和5000Vdc的級眹電壓。
提高發電才;v變流器的電壓的需要是為了能夠獲得大型風力發電機。基於現有的解決方案，對於690V的電壓，實際上是易於獲得的，風力發電才;i^有高達3MW的功率；為了更高的功率，需要提高電壓，從而提高系統的電效率。
目前，風力發電機是藉助於LV-MV變壓器(其中，LV-MV，貌誇電壓LV,也#^_低於20kV，轉換至中壓MV)通過中壓(MV)電站(這裡的"通過中壓(MV)電站"表示20-kV至36-kV範圍內的電壓)內部的網絡il^公共主電網，所述LV-MV Bll^^^風力發電機自身的內部，並將電壓提高到MV網的20"kV至36-kV水平。
風力發電機1，典型^M立於風力發電站的內部，並JLX力發電站包^4爭定多凝:個風力發電機，其通過如下方弍逸接至國家電網
1. 通過多條電鎖通過交流中壓傳輸的交流中壓配電；
2. 通it^上平臺上的MV/HV變電站(即，將電i^中壓MV轉換至高壓HV的變電站)以及將交流高壓電能傳輸至公共配電網的配電；和
3. 通過帶有HVDC傳輸線的傳輸平臺的中壓配電；在上ii^種情況下，電站的內部配電網,然是中壓型，ilit常在電站內
部電壓絕不超出36kV。然而，連在風力發電積i^公共電網地面站之間的風力發電站的電流傳輸線的電壓水平是傳輸線自身所;t^的距離的函數；此時，如幕距離短的話，如多達20km，則將^ft助第l點中的技術；對於大於20km但小於100km的距離，採用第2點中的技術，具有150kV、 50Hz的交流電；而80-100km以上的距離，則採用第3點中的才^。
然而，由於風力發電機l上所配設備量由jtb^有相當大的重量，因而目前的風力發電系統具有高絲。因此，支撐結構特別AiL將的建造也必須謹慎，並JLit價昂貴。
另夕卜，風力發電站內的交流電系統不允許風力發電站與主電網脫開，因此
從某種程JLL說也就不負fe^忍電壓下降，這部她與歐洲法律的一些^:相衝
突，如CEIll-32中。交流電風力發電站系統不需要電壓逆變器，逸就限制了網時無功功率的產生量，從而有利於網絡的i^'隨。；另外，已知交流網^^到^^的影響，其中電流"fMEil大部分在導體的夕卜表面流動，從而必須考慮所涉及計算的難度，另一方面，還要考慮電導體的結構強度(其由此不可能完全中空，也不能具有太小的直徑)。由此可知，實際上，^目對於電#外表面^1為5的位置處，以正弦方式流it導沐的電
流密^A外表面上電流的l/e (大約037)倍。通過以下的關係式來計^1:
其中
p是將的電阻係數(典型地用Om^/m表示)w是電流的角頻率(用S^t/每秒表示)，且
A是導電材料的^f石茲導率(用H/m表示，或等同地用N/A2表示)。因此，由於可以看到正弦方式中電流遭遇的阻抗與其頻率的平方根成比例，因此網絡頻率越高，這種現象的危害就越大。繼而，顯著的^^i也就:^木著相當大的網絡電FiL^員耗。
由此可見，傳輸中壓直流電能將更有優勢，其減少了風力發電機內部存在的元件，並繼而減少了支撐塔所支撐的重量和負載。tb^重要的，在風力發電站內採用交流電就^^絲，如^A贈，例如發電機3的相^IJL^故障，則整個風力發電機1必須停止工作，否則，所產生電流的波形將不再與電站的需求一致。
絲，目1te^用於M鄉巨離的中壓(MV)直幽輸系統，也IU:最多不超過15畫20km。
皿不具有上i^:陷。
才娥本發明，提供了一種用於轉艦力發電機產生的電力的才執變流器，:H^要求1所述。
發明內容
將參考附圖對本發明進^^笛述，附圖示出了非限制性的實施例，其中
-圖1是^^類型的風力發電機的# 見-圖2是同，電才幾的截面-圖3是#^本發明的變流器可#^構的方塊-圖4是才娥本發明的變流器的部件的電路-圖5和6示出了才娥本發明的變流器結構的其它可e^案；和
-圖7AiMI^^本發明的變流器的風力發電站的示例的示意圖。
M實施方式 參考附圖3， 30整體M^示多級才^:靜態變流器(MMSC)。MMSC30包括
-Nm傳態變流器才狹31 (下文稱為SCM)，其^-個都是靜態變流器，具有與發電機3相連的交流電輸入31.1,以;SJ1流電輸出31.2a、 31.2b。
-數字控制器36(DC)，電連接至各個SCM，並能夠控制發電機3的被，或可i^k^制它的轉矩；
- 一個或多個輸入30a，直接i^各SCM31的輸入31.1以狄電機3;和
-一個或多個輸出30b，將^il^公共主電網(未示出)。
圖3示出了其中具有三星型同步發電機42.1、 42.2、 423的結構，其中^-"星型^M"有兩個交流電輸出端32.4，分別i^包括兩個不同SCM31的子才缺35的^"入。構成一個單獨子模塊35的兩個SCM31通iiit樣的方式連接，即共用兩個輸出端31.2a中的一個。每個單個SCM31的兩個輸出端31.2a和31.2bi^平^iM的相應的電容33。圖3中的發電機3是三星型多相發電機42.1、42.2、 423;因此，扭M列中MMSC30具有三個串聯的f^莫塊35。
通常，期望SCM31可通iiil樣的方式配置在MMSC30中，即釆用以下結構中的l^f可一種
-僅串耽
-僅並乾
-串稱並聯齡；
各SCM具有交流電壓Vmac的輸入31.1和具有額定中壓Vdcn的直;m出。Nm;l^-於MMSC30的SCM31的總數量，N,和1>^分別是<|^匕串#並^iU:的SCM變流器31的數量；數量Nm由下*出
Nm = Nms.Nmp (2)
另夕卜，m^"it， MMSC的輸出電壓僅由於^^匕串^bm的SCM31的數量
而增加。因此，我們得到了將MMSC30輸出電錄示為Vto的關係式
Vdcn - N咖.Vmdc (3)
各SCM31配置^^目橋式逆變教三#^逆變器)。替換的，圖4是SCM31的詳細結構圖。
各SCM31由多個IGBT41.141.6》J^，其中的^-~個SCM31都酉沐集電極端43，發#^1端44，和4鵬及端45。與各IGBT 41.141.6津緣的是^^4 L管42.142.6，^"有連接至各IGBT41.1-41.6的發#^1端44的陽招禾集電極端43的陰才及。
*^地，由於賄技術中魏了解的事實，即所錄J^I於以極高的電流(甚至高於1500A)和非常高的電壓來開關負載，因jthi^擇為各SCM31配有IGBT。
圖4中詳細描述的^JU於^目狄電機3的SCM31,由此該SCM31酉沐 S^f IGBT 46.1-46.3，其中每對IGBT ^^有兩個電晶體之一的i^^電機3相應相的發i^及端44，以;SJ^接至形成一對的另一個IGBT的集電極端43。每對IGBT^o"有兩個輸出端，其形^jH:SCM31的輸出端31.23和31.21 ,且這些對46 ;fc)^並^ii接。
*^地，具有il^發電機3其中一相的相應的集電極端43的所有雙fe電晶體41.141.6 ^R"有i^ SCM31的輸出31.2b的相應的發4^及端44;作為替代，具有iUJC電機3的一相的發4#及端44的所有IGBT41.141.6具有紅SCM31輸出31.2a的相應的集電極端43。
最後，各SCM31具有從屬類型的數字控制器50( SDC),其受控制器DC36的控制，從而使得能夠從發電機3上獲得產生期望的電^#矩的必需的電流設置，^it過怍用在^^單個IGBT41.141.6的柵極端45上來保持SCM31的直流渝出電刷目對於;fe^平衡。圖5中示出的是MMSC30的第二實例，其中採用9個SCM31構成如下結構三個SCM31並聯，與三個並聯的SCM31串聯，再串聯另夕卜三^Hf聯的SCM31。簡單來說，省略了每個單獨SCM31的輸A^t的連接。iMl這才羊的結構，如前所述，MMSC30輸出端30a和30b兩端的平均直流額定輸出電壓Vde為Vdcn = 3'Vmdc。
作為選擇，圖6示出了 MMSC30中SCM31的另外一種結構，其中，MMSC30輸出端30a和30b兩端的平均直流額定輸出電壓V&仍然為Vdcn =
通過將三組SCM31並^^得所述電壓，其中各組是由三個SCM31 匕串聯而形成的。
圖7A^匡圖，簡要示出了西e^"多個風力發電才幾i的風力發電站，所iiX力
發電才;U^接J4目應的MMSC30; MMSC30 4i^bi4接並電連接至用圖7中的線70表示的中壓(MV) MVDC網絡，從而提供與由此產生的M電力的總何目等的電力。例如，考慮剖各風力發電機1具有3MW的功率，並且^^對於每條*串聯10個風力發電機1， ^g^"線70的總電力將iiJ'j30MW。圖7詳細示出了存在多糸^f聯的線70的風力發電站。
MVDC網的線70連至直;力交流電力變流站71，其同樣形成了該電站的一部分。
^f^地，電力變流站71 S沐多個高功率高電壓的電壓變流器72，其在其輸入端72.i接收中壓MVDC網的線70，且每個變流器^^有各自的中壓或高壓交;微出72.u。
通過電壓變流器72，可以在電力故障期間獲得無功功率的受控管理，由此有助於網絡的'^i4恢復。
電壓變流禁72的輸出端i^增壓^E器73，其包括至少一個初^^且73a，和一個次^iEL73b。
增壓^H器73通過如下方式將其初^^且73a上供給的交流電壓增壓，所i^iC^:在次，組73b上提^"個相當高的電壓，例如380kV。
Jjt匕，已經清楚itW翁述了本發明的優點。
特別地，4j^笛述的系^iiit^可育^AX力發電機l主體削減所有的直流電/交流變流器從而減輕了風力發電機的重量，所述重量上的減少帶來了 ;輸上靜態和動態負栽的減少，從而在各結構元件的成本方面得到了改善，例如，支撐塔5。另外，如j^斤述的系統提高了對電網內部和夕卜部故障的耐受能力，如風力發電站電網的直流管理將電站自身從電網脫離，並且改善了對電壓下降
的響應o通過將直流電/交;M變器應用到電力變^^ 71，從而實現了對網絡中無功功率的有效控制(例如，利用受控^A電^H糹JLiU^的"閉環逸制"技術)，由》談高並加快了風力發電站對^tF章的響應。另外，輛直流網^f吏得^M^單個
風力渦輪的4^4可變，從而將';輸自身與mvdc網絡脫開絲過數字控制器
DC進4誰制，從而消除了對網絡電壓的影響。
通itiMl直流中壓網絡，減少了電力站導體趨附^的損耗，從而能夠減少用於金屬導電體的銅的浪費，該金屬導電體其實際上具有比交流電流過時要小得多的截面。絲，還有^^f匕結構所帶來的一些優點。實際上，樹SCM31可容易地配置成串聯並聯^^式，或者，也可以完全採用串^l完4^f聯的結構。這#-來，多級^^靜態變流器就能為電力站構itS5置不同類型的風力發電機，也可以是具有不同輸出電壓的風力發電機，其相當大的優勢在於風力發電站設計的靈活性以及消除了每個電力站僅能採用 一種特定類型的風力發電機的約束。
糾^^化結構帶來的另j點是，當發電機3某部分處故障的情況下(例如，其中一相的電纜中斷)，或直接是SCM3li(jl故障時，不需^f吏卦風力發電才成於停4Mt態，而是可以在^f可情況下^^1,儘管性能會有所剮氐。
可以對上述系統進行多種變形例如，可採用不同方式配置的數字控制器，如不採用iA^構，並且也可以作用於風力渦輪的結構，例如，改變它的葉片安裝角。
權利要求
1、一種用於轉換風力發電機產生的電力的模塊變流器(30)，設計成用在風力發電站內部，其包括-被設計為與單相或多相類型的發電機(3)相連的輸入端(30a)；-輸出端(30b)；和-用於控制所述發電機(3)的電力的控制裝置(36)；所述模塊變流器的特徵在於其包括多個模塊(31)，被設計為在其輸入端(31.1)接收交流電並在相應的輸出端(31.2a、31.2b)產生將在所述風力發電站內分配的直流電，並且所述控制裝置36從模塊(31)接收信號並作用在發電機(3)上。
2、 如權利要求1所述的用於轉m力發電機產生的電力的模塊變流器 (30),其中每個才狹(31)具有趕藩出端(31.2a、 31.2b)的電容t錄置33。
3、 如權利要求1所述的用於轉,力發電機產生的電力的模塊變流器 (30)，其中所述模塊(31)能夠^S己置為;fct匕串^l並聯的任意組合，其中所述才狹(31)的所述輸入端(31.1)電i^"^至所述變;危器(30)的輸入端。
4、 如權利要求1所述的用於轉m力發電機產生的電力的模塊變流器 (30)，其中所述模夬(31)在其內部具有多個絕^f冊^feL電晶體(41.1-41.6)，^"有4鵬及端(45 )、集電極端(43 )和發4^及端(44 )。
5、 如權利要求4所述的用於轉M力發電機產生的電力的模塊變流器 (30)，其中M到每個所i^U及電晶體(41.1-41.6)的是相應的整iiU^l管 (42.142.6)，其連接在所ii^目應的^^及電晶體(41.141.6)集電極端(43)和發械端(44)之間。
6、 如權利要求4所述的用於轉拖吼力發電機產生的電力的模塊變流器(30 )，其中所ii^f及電晶體(41.141.6)被成對(46.1- 463)配置，每對(46.1-46 3)具有兩個雄電晶體，分別為(41.1)和(41.2 )、 ( 41 3 )和(41.4 )、 ( 41.5) 和(41.6),其中形成所述一對的兩個^^及電晶體中的一個xa及電晶體的集電極 端(43 ) i^^至形成所ii—對的另一個勸玟電晶體的發_#^端(44)以"J斤述 發電機(3)的其中一相，從而使得對於^"對(46)都連接到所狄電機(3) 的不同相。
7、 如權利要求6所述的用於轉皿力發電機產生的電力的模塊變流器 (30),其中具有輕所組電機(3)的一相的相應的集電極端(43)的所有^5^及電晶體(41.1-41.6) 有輕所述模塊(31)的所述輸出端(31.2b)的 相應的發4^及端(44)，並且，具有i^JJ斤述發電機(3)的一相的相應的發射 極端(44)的所有艦電晶體(41.1-41.6)分別具有連至所i^狹(31)的所 述輸出端(31.2a)的相應的發^f及端(43)。
8、 如權利要求1所述的用於轉，力發電機產生的電力的模塊變流器 (30),其中各樓夾(31)包括各自的第1制器(50),其設計成與所述控制器(36)交互，絲過怍用於每個單獨的電晶體(4U- 41.6)的柵極端(45) 來^#^狹(31)的直;j^出電^目對於4於匕平衡。
9、 如權利要求1所述的用於轉換風力發電機產生的電力的模塊變流器 (30)，其中所述模夾(31)被設計絲絲自的輸入端(31.1)接收來自於同步型發電機的交流電能。
10、 一^t風力發電》佔，包括國多個風力發電才幾(1)， ^"有風力渦輪(2)、支撐件(5)和主體(4)， 在所述風力發電機中，發電機(3)通過軸(6)與所述風力渦輪(2)相連；-用於傳輸電能的內部網絡(70);和-電力變滬j佔(71)，其向上遊連接至所述內部網絡70;所述風力發電站的特徵在於在所述內部網絡(70)上傳輸直流電能，對於 ^i"風力發電機(1)，具有模塊變流器(30)，其包M制裝置(36)和多個模塊(31 )，被設計絲所述才缺的輸入端(31.1)接收交流電並斜目應的輸出端 (31.2a)、 (31.2b)產生將在所m^7發電站內射己的直流電，並JL^斤述控制裝 置(36) >^斤^^執(31) # 1^言號將用於發電才幾(3 )。
11、 H5U'J要求10所述的發電站，其中所述電力變;歸(71)的下遊直接 電連接至妙器裝置(73 )，所述妙器裝置被設計為提升到達^T入端的電壓。
12、 M又矛虔求10所述的發電站，其中所述才狹變流器(30)的^^才狹 (31) ^"有輕無出端(31.2a)、 (31.2b)的電容裝置(33)。
13、 H5U'J要求10所述的發電站，其中所i^狹(31)能夠淨賴己置為相對 於to匕任意組M串絲並聯，其中所述模塊(31)的所述輸入端(31.1)電 i^接至所M;流器(30)的輸入端。
14、 H5Uf'JJ^求10所述的發電站，其中所述才缺(31)在其內部具有多個 絕^t^冊^f及電晶體(41.141.6)，其具有柵極端(45)、集電極端(43)和發射 極端(44)。
15、 H5U'JJNU4所述的發電站，其中^J妄到^N^及電晶體(41.141.6) 的A^目應的整iit^L管(42.L42.6),其i^^斜目應的雙敗晶詢i管(41.141.6) 的集電極端(43)和發*1端(44)之間。
16、 H5Uf'J^求14所述的發電站，其中所it^O L電晶體(41.1-41.6 H城 對(46.1-463)配置，每對(46.1"46J)都具有兩個她電晶體，分別為(41.1) 和(41.2)、 (41.3)和(41.4)、 (41.5)和(41.6),其中形成所述一對的兩個雙 極電晶體中的一個的集電極端(43)連接至形成所述一對的另一個*電晶體 的發4t^L端(44)以A^斤ii^電才幾(3 )的其中一相，從而使得對於"^—對(46) 都連接到所^電機(3)的不同相。
17、 ^wK利要求16所述的發電站，其中具有i^所趁電機(3)的一相的集電極端(43)的所有雙fe電晶體(41.1-41.6) ^R"有連至所述才狹(31)的輸出端(31.2b)的相應的發^fel端(44)，而且，具有輕所狄電機(3)的一相的相應的發#^1端(44)的所有雙歐電晶體(41.1-41.6)分別具有連至所述才狹(31)的輸出端(31.2a)的相應的發4^及端(43)。
18、 H5U，虔求1所述的發電站，其中^M執(31)包括各自的第4制器(50)，其i殳計成與所i^控制器(36)交互，^fit過作用於每個單獨的電晶體(41.1- 41.6)的柵極端(45)來##^莫塊(31)的直流輸出電對目對於ajt匕平衡。
19、 ^bU'J^求1所述的發電站，其中所述發電機(3)是^目或具有更多相類型的同步發電機。
全文摘要
一種用於轉換風力發電機產生的電力的模塊變流器發動機控制模塊30，設計成用於風力發電站內，其配有設計成與單相或多相電機3相連的輸入端30a；輸出端30b；和用於控制所述電機3電力的控制裝置36。該模塊變流器具有多個模塊31，其設計成在其輸入端31.1接收交流電並在各輸出端31.2a、31.2b產生配至風力發電站的直流電，並且控制裝置36從所述模塊31接收信號並作用在電機3上。
文檔編號H02J3/38GK101645606SQ20091014976
公開日2010年2月10日 申請日期2009年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者F·C·德贊, F·帕羅蒂, G·瑪格吉安尼 申請人:特雷維能源股份公司