用於發電應用的低成本電流源變流器的製作方法

2024-03-11 12:03:15

專利名稱：用於發電應用的低成本電流源變流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及變流器拓撲和電カ轉換系統，更具體地，涉及用於發電應用的低成本和低複雜度的電カ轉換系統。
背景技術：
傳統能源(例如，油、天然氣以及煤)是有限的，不可再生的，並且正快速耗盡。因此，利用可再生能源，諸如風能、燃料電池、太陽能等，具有重要意義。用於把風生成的能量提供給電カ網的基於風的能量轉換系統正經歷大規模發展並日益流行。特別地，風能轉換系統把風的動能轉換成電或其它形式的能量。此外，風能的利用是快速增長的發電技術，其被認為是環境友好的發電方式。
典型的風能轉換系統(WECS)的主要部件包括風カ渦輪機、發電機、互連裝置以及控制系統。通常，傳統系統包括同步發電機、永磁體同步發電機和/或感應發電機(例如，用於風カ渦輪機的鼠籠型和繞線轉子型發電機)。此外，互連裝置包括可以實現電カ控制、平穩啟動以及互連功能的電カ變流器。一般地，電壓源變流器(VSC)和電流源變流器(CSC)都可被用於WECS中。各種傳統拓撲可用於基於VSC和CSC的WECS。通常，基於VSC的拓撲包括包括ニ極管整流器、升壓變流器以及脈寬調製(PWM)電壓源逆變器(VSI)的互連繫統，或者包括ニ極管整流器連同PWM VSI的互連繫統，或者包括背對背PWM VSI的互連繫統。此外，傳統的基於CSC的拓撲包括採用ニ極管整流器和相控可控娃換流器(thyristor inverter)的互連繫統，採用基於背靠背相控可控矽的變流器的互連繫統，或採用背靠背PWM CSC的互連繫統。然而，大多數傳統拓撲包括用在發電機側變流器中的大量昂貴有源半導體器件。在採用ニ極管整流器連同PWM VSI的其它傳統拓撲中，利用可能増加系統和控制的成本和複雜度的升壓電路。

發明內容
以下給出簡要概述以便提供本發明的ー些方面的基本理解。該概述並非泛泛概括，也並非要標識重大或關鍵元件或描繪本發明的範圍。其僅是為了以簡化形式給出ー些概念，作為後面給出的更詳細描述的前序。電流源逆變器(CSI)的升壓特性適合風能轉換系統(WECS)的本質。鑑於此，此處公開了與脈寬調製(PWM)CSI —起利用ニ極管和/或相控晶閘管整流器的用於風カ發電應用的低成本拓撲。此外，低成本器件(諸如但不限於ニ極管橋、晶閘管橋、或ニ極管與晶閘管的組合等)被利用作為發電機側變流器以及PWM CSI被用作電網側變流器。在ー個方面，此處公開了用於發電應用的低成本拓撲。特別地，所公開的發電系統包括發電機(例如，永磁體同步發電機)以將動能轉換成電能。通過採用ニ極管整流器、晶閘管整流器和/或包括ニ極管與晶閘管的組合的電路將所生成的電能轉換成直流(DC或dc)電流。在dc電流被提供作為PWM CSI的輸入之前，dc電流經過dc鏈路，例如電感器。PWM CSI生成可被傳遞到公用電網的固定頻率和/或電壓輸出。為了實現前述和相關內容，此處結合以下說明和附圖描述了所公開發明的某些示例方面。然而，這些方面表示可以採用此處公開原理的各種方式中的幾種，並且旨在包括所有這些方面及其等效內容。當結合附圖考慮時，根據以下詳細描述，其它優點和新穎特徵將
變得清楚。


圖I示出根據本說明書一個方面的基於全功率變流器的風能轉換系統(WECS)的簡化框圖。圖2A示出包括連接到用於發電的永磁體同步發電機(PMSG)的三相二極體整流器 的示例系統。圖2B示出描繪由二極體整流器輸出的dc鏈路電流的圖形。圖3示出採用脈寬調製(PWM)電流源逆變器(CSI)的示例電網側變流器電路。圖4A示出利用二極體整流器和PWM CSI的用於風能轉換的示例系統。圖4B示出根據本發明一個方面的利用以下拓撲的電力轉換的示例系統，該拓撲包括相控晶閘管整流器和PWM CSI。圖5示出描繪針對二極體整流器連同PWM CSI的dc電流需求的示例圖形。圖6A-6D示出用於電力轉換的、採用二極體整流器連同PWM CSI的WECS的示例波形。圖7A-7D示出用於電力轉換的、採用相控晶閘管整流器和PWM CSI的WECS的示例波形。圖8示出根據本說明書一個方面的在電力轉換期間採用多個發電機側變流器的示例系統。圖9示出根據本發明一個方面的採用多個用於發電的發電機的示例系統。圖10示出在長線纜應用中用於發電的示例系統。圖11示出用於發電應用的示例低成本方法。
具體實施例方式現在參照附圖描述本發明，其中相似的附圖標記通篇用來指相似的元件。在以下描述中，為了說明，闡述了多個特定細節以便提供透徹理解。然而，顯而易見的是本發明可以無需這些特定細節而得以實施。在其它情況下，公知的結構和器件被示出為框圖形式以便於描述。如在此申請中所使用的那樣，術語「部件」、「系統」、「設備」、「接口」、「網絡」、「器件」、「電路」等是指計算機相關實體，或者是硬體、硬體和軟體組合、軟體，或者是執行軟體。例如，部件可以是但不限於處理器上運行的處理、處理器、硬碟驅動、(光和/或磁存儲介質的)多存儲驅動、對象、可執行文件、執行線程、程序和/或計算機、工業控制器、繼電器、傳感器和/或可變頻率驅動。通過示例，運行在伺服器上的應用和伺服器都可以是部件。一個或更多個部件可以存在於處理和/或執行線程內，並且部件可以位於一臺計算機上和/或分布在兩個或更多計算機之間。
除了前述之外，應該明白所要求保護的主題內容可以實現為使用通常程序和/或工程技術生成軟體、固件、硬體或其任何適當的組合來控制計算器件(諸如可變頻率驅動和控制器)以實現所公開的主題內容的方法、裝置或製造物品。此處使用的術語「製造物品」旨在包括可從任何適當的計算機可讀器件、介質或由這樣的介質/器件生成的載體獲得的電腦程式。例如，計算機可讀介質可以包括但不限於磁存儲器件(例如，硬碟，軟盤，磁帶等)、光碟(例如，壓縮光碟(⑶)，數字多功能盤(DVD)等)、智慧卡、以及閃速存儲器件(例如，卡、棒、鍵驅動等)。此外，應該明白由發送器生成的載波可以被用來承載計算機可讀電子數據，諸如在發送和接收電子郵件或在訪問網絡(諸如網際網路或區域網(LAN))時使用的數據。當然，本領域技術人員將理解在不脫離所要求保護主題內容的範圍或精神的情況下可以對該配置進行許多修改。此外，此處使用的詞語「示例性的」是指作為示例、實例或說明。此處描述為「示例性的」的任何方面或設計不必解釋為相對於其它方面或設計是優選或有利的。相反，詞語示例性的使用g在以具體方式給出概念。如本申請中所使用的那樣，術語「或」是指包括性的 「或」而不是排他性的「或」。也即是說，除非另外指出，或根據上下文顯見，「X採用A或B」是指任何自然的包括性排列。也就是說，如果X採用A，X採用B，或X採用A和B，則在前面任一情況下滿足「 X採用A或B」。此外，在本說明書和所附權利要求中使用的冠詞「一」應該一般地被解釋為「ー個或更多個」，除非另外指出或根據上下文顯然指単數形式。風カ轉換系統經歷了巨大發展，這是由於風カ的環境益處、技術先進以及政府鼓勵。此處公開的系統和方法提供用於具有合理工作範圍的發電應用的低成本和簡單設計的電カ變流器系統。可以明白儘管此處公開的實施例涉及示例風能轉換系統(WECS)，但本說明書不限於此以及所公開的實施例可以在大多數任何電カ轉換系統(例如，水力渦輪機)中實現。參照附圖，圖I示出根據本說明書ー個方面的基於全功率變流器的風能轉換系統100的簡化框圖。圖I中描繪的可變速風能轉換系統(WECS)IOO多數主要是再生模式中エ作的電驅動。通常，WECS可以包括風カ渦輪機102、發電機104、互連裝置106和電網108。此外，風カ渦輪機102可以是垂直軸線型和/或水平軸線型風カ渦輪機。此外，風カ渦輪機102可以採用幾乎任意數量的刀片(例如，兩個或三個刀片)以及風力渦輪機102可以順風和/或逆風工作。儘管在圖中示出了永磁體同步發電機(PMSG) 104，但可以明白本發明不限於此而是可以利用大多數任何類型的發電機。例如，所公開的拓撲也可採用電勵磁同步發電機(EESG)。與PMSG相比，利用EESG提供勵磁控制的附加自由，這可以幫助在低風速時提高電網側功率因數。通常，PMSG和/或鼠籠感應發電機由於其可靠性和成本優勢可以用於小功率到中功率風カ渦輪機。在所有傳統上在風カ渦輪機中採用的發電機中，PMSG具有最大的優點，這是由於它們在正常工作期間是穩定並且安全的以及不需要用於勵磁電路的附加DC供電。在示例中，PMSG 104可以將風力渦輪機102的機械功率輸出轉換成用於電網108的電功率。此外，可以採用互連裝置106來實現電カ控制、平穩啟動和/或幾乎任意互連功能。在一個示例中，互連裝置106可以提供具有較高功率品質的固定電壓和固定頻率輸出。返回參照示出典型的基於全功率變流器的WECS 100的圖1，有功功率從發電機104經由互連裝置106流到電網108。此外，系統100的源電壓是隨轉子速度和/或磁通量而變化(例如，以頻率和/或量值)的發電機端子電壓；在可變速操作情況下，源電壓可以取從零到機器額定功率的任意值。互連裝置106的輸出經由升壓變壓器(未示出)連接到高壓電網108。因此，負載電壓的量值由電網108確定並通常比源電壓的量值高。作為示例，負載電壓可以具有固定量值以及固定和/或可變頻率。儘管此處公開的實施例表明負載電壓高於源電壓，但可以明白負載電壓可以等於或小於源電壓。根據實施例，互連裝置106可以包括發電機側變流器110、直流(dc)鏈路112以及電網側變流器114。在一個方面，dc鏈路112可以提供能夠生成用於工作的平滑dc直流的電路。此外，dc鏈路112可以是幾乎任何電感器(例如，單電感器，分立電感，共模扼流圈等)。在另一方面，電網側變流器114可以是將dc鏈路電流轉換成可被電網108接收的三相交流(ac或AC)電流的電流源逆變器(CSI)。與傳統系統中採用的作為電壓抵償變流器的電壓源逆變器(VSI)相反，CSI本質上是增壓變流器並因此非常適於基於全功率變流器的WECS。固有的增壓特性為CSI提供要與不同類型的發電機側變流器110相組合的更多靈活性，得到可以提供比由傳統系統提供的範圍更寬系統工作範圍的配置，該傳統系統在電網側採用基於VSI的變流器以及在發電機側採用二極體整流器。作為示例，對於互連裝置106可以利用各種CSC拓撲，包括利用脈寬調製(PWM)CSI或晶閘管變流器作為電網側變流器；二極體整流器、晶閘管變流器或PWM電流源整流器(CSR)作為發電機側變流器。拓撲的選擇可以取決於系統需求和/或整體性能。在一個示例低成本拓撲中，發電機側變流器110可以包括二極體和/或相控晶閘管整流器電路以生成dc電流，而電網側變流器114可以包括PWM CSI。該示例拓撲具有簡單結構並提供比採用電網側二極體整流器電路和發電機側PWM VSI電路的常規互連裝置更寬的工作範圍，由此可以在大型WECS中採用。特別地，發電機側變流器110可以採用低成本器件，諸如二極體橋、晶閘管橋和/或二極體與晶閘管的組合，並因此提供簡化和低成本的發電機側變流器和控制。現在參照圖2A，示出根據本發明一方面的包括連接到PMSG 104的二極體整流器202的示例系統200。通常，CSI固有的增壓特性根據WECS的特性。因此，與PWM CSI 一起使用二極體整流器202(和/或相控晶閘管橋(未示出))的低成本拓撲可以用於風發電應用。根據一個實施例，包括二極體D1-D6的三相二極體整流器202可被用於WECS中的發電機側變流器。PMSG 104簡化為電壓源，例如分別具有同步電感和表示後電磁場(EMF)的有限源電感Lg。dc鏈路的負載可被視為電壓源或電流源。二極體整流器的輸入處的理論功率因數(PF)可以是0.955。由於大的輸入線電感Lg，因此整流器中的電流整流不是瞬時的並可以引起dc輸出處的電壓下降。安全形(commutation angle)以及所得的電壓下降取決於!^和如電流、。。如果安全形小於輸入基頻的60°，則由整流引起的電壓損失可以每個基本周期發生六次以及平均dc輸出電壓可以計算如下Vdc =--COgLgIdc...(I)
TlTl此外，安全形5可以如下推導權利要求
1.一種便於將電能傳遞到公用電網的用於電力轉換的系統，包括 發電機側變流器，其包括生成直流DC電流的電路，所述電路包括二極體橋或相控晶閘管橋中的至少之一；以及 電網側變流器，其包括將所述DC電流轉換成三相交流AC電流的電流源逆變器。
2.根據權利要求I所述的系統，還包括被採用以導通所述晶閘管橋中的晶閘管的選通電流。
3.根據權利要求I所述的系統，還包括DC鏈路，所述DC鏈路使所述發電機側變流器與所述電網側變流器連接並且提供所述發電機側變流器與所述電網側變流器之間的前向電流通路。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述DC鏈路包括電感器。
5.根據權利要求I所述的系統，還包括便於電力轉換的風力或水力渦輪機中的至少之o
6.根據權利要求5所述的系統，還包括連接到所述風力或水力渦輪機中的至少之一的、將動能轉換成電能的發電機，所述電能被提供到所述發電機側變流器。
7.根據權利要求I所述的系統，還包括連接到所述電網側變流器的輸出的三相電容器，所述三相電容器在所述三相AC電流被傳遞到所述公用電網之前，輔助電流換流或濾除諧波至少之一。
8.一種用於發電的低成本方法，包括 通過採用二極體整流器或晶閘管整流器中的至少之一，將可變頻率或可變電壓輸入中的至少之一轉換成直流DC電流； 使所述DC電流經過電感器；以及 通過採用脈寬調製PWM電流源逆變器CSI，生成具有固定頻率或固定電壓中的至少之一的三相交流AC電流。
9.一種用於應用的發電系統，包括 第一電路，其適於接收可變頻率或可變電壓中的至少之一作為輸入，並且通過採用二極體整流器或晶閘管整流器中的至少之一來生成直流DC電流；以及 第二電路，其適於接收所述DC電流，並且通過採用電流源逆變器CSI來生成具有固定頻率或固定電壓中的至少之一的相應交流AC電流，所述電流源逆變器CSI包括一組反向阻斷的有源功率器件。
10.根據權利要求9所述的發電系統，還包括第三電路，其適於將所述第一電路連接到所述第二電路，所述第三電路包括電感器。
全文摘要
提供了一種包括用於功率變流器系統的低成本拓撲的系統。該系統利用電流源逆變器(CSI)的增壓特性，並且利用PWM CSI作為用於發電系統的電網側變流器。另外，發電機側變流器採用低成本器件，諸如但不限於二極體橋、晶閘管橋、和/或二極體與晶閘管的組合，並且相應地簡化了發電機側變流器和控制。此外，該系統相對於基於利用電壓源逆變器(VSI)作為電網側變流器以及二極體整流器作為發電機側變流器的拓撲的傳統電壓源變流器，提供更寬的工作範圍。
文檔編號H02J3/38GK102709933SQ201110178658
公開日2012年10月3日 申請日期2011年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者吳斌, 戴景婭, 汪家城, 納維德·R·扎加裡, 許德偉 申請人:洛克威爾自動控制技術股份有限公司