用於電力供應中諧波的減少的方法和設備的製作方法

2024-02-04 17:32:15

專利名稱：用於電力供應中諧波的減少的方法和設備的製作方法
技術領域：
本公開一般涉及用於向諸如電力供應網的負載供應電力的電力供應裝置。具體來說，本公開涉及適於組合不同風輪機的電力發電機的電輸出的設備。此外，本公開涉及用於組合不同風輪機的電力發電機的電輸出的方法。
背景技術：
風輪機作為環境安全的和可靠的能源具有不斷增加的重要性。典型地，風輪機設置在簡稱為「風力田(wind farm) 」的風輪機田之內。這些風力田典型地位於在其中用於運行大量風輪機的適當環境條件為主的地理區域中。在單獨風輪機中，將氣流的動能轉化成電能。為此，將氣流能量或風能轉化成能夠用來驅動電力發電機的轉動能。典型地，各風輪機包括基於轉動能輸入提供電輸出的這些電力發電機。在風力田中，將單獨電力發電機的輸出進行組合，以便例如向電力供應網提供電能輸出。對於在預定頻率和/或電壓範圍中的風輪機的電力發電機的電輸出能量的生成和/或轉化，可能出現相對於基頻或電網頻率(例如美國的60Hz以及歐洲的50Hz)的諧波。 這些諧波可疊加到單獨電力發電機的電輸出電流上，並且可引起例如相對於設置在風力田之內的電力組件和電子組件的問題。典型地，具有在風力田之內和/或在將風力田連接到電力供應網的能量輸出單元處允許的、諧波的可容許水平。

發明內容
鑑於以上所述，提供一種適於向負載供應電力的電力供應裝置，該電力供應裝置包括第一電力發電機，適於提供具有第一相角的第一輸出電流；至少第二電力發電機，適於提供具有與第一相角無關的第二相角的第二輸出電流；以及組合單元，適於將第一輸出電流和第二輸出電流組合成相對於第一和第二輸出電流具有減少的諧波的組合電流。根據另一個方面，提供一種適於向負載供應電力的風力田，該風力田包括具有第一電力發電機的第一風輪機，其中第一電力發電機適於提供具有第一相角的第一輸出電流；具有第二電力發電機的第二風輪機，其中第二電力發電機適於提供具有與第一相角無關的第二相角的第二輸出電流；以及組合單元，適於將第一輸出電流和第二輸出電流組合成相對於第一和第二輸出電流具有減少的諧波的組合電流。根據又一個方面，提供一種用於操作至少兩個電力發電機的方法，該方法包括下列步驟提供具有第一相角的第一輸出電流，第一輸出電流由第一電力發電機生成；提供具有與第一相角無關的第二相角的第二輸出電流，第二輸出電流由第二電力發電機生成； 將第一輸出電流和第二輸出電流組合成相對於第一和第二輸出電流具有減少的諧波的組合電流；以及向指定負載輸出組合電流。進一步的示例性實施例根據從屬權利要求、說明書和附圖。


在包括附圖引用的說明書剩餘部分中更具體地提出了對本領域普通技術人員的全面和可實現的公開，包括了公開的最佳模式，在附圖中圖1示出用於將風能轉化成電能的風輪機的側視圖；圖2示出根據典型實施例的、包括組合單元和許多電力發電機的電力供應裝置的框圖；圖3呈現了示出根據另一典型實施例的、包括經由輸出變壓器連接到組合單元的電力供應網以及多個電力發電機的電力供應裝置的另一框圖；圖4是根據又一典型實施例的、包括用於向電力供應網供應電力的由發電機控制單元控制的多個電力發電機的電力供應裝置的框圖；圖5是示出作為時間的函數的、單獨電力發電機的不同輸出電流以及各自組合電流的幅度圖；以及圖6是示出根據又一典型實施例的、用於以單獨相角來操作至少兩個電力發電機的方法的流程圖。配件表標號配件/步驟100風輪機101動葉片102管狀塔架103 機艙104 輪轂105 風向106偏航角107偏航動量108螺旋角200電力供應裝置201第一電力發電機202第二電力發電機203第三電力發電機204第η電力發電機205a-205n 變壓器206組合單元206a濾波器單元207輸出變壓器208電力供應網209發電機控制單元300幅度圖301，301a，301b 第一輸出電流302, 302a, 302b 第二輸出電流
303第三輸出電流304第η輸出電流305輸出相角306, 306a, 306b 組合電流307變換的組合電流308電流幅度309 時間401第一相角信號402第二相角信號403第三相角信號404第η相角信號
具體實施例方式現將詳細引用多種示例性實施例，在附圖中示出多種示例性實施例的一個或多個示例。每個示例作為說明來提供，而不是意在限制。例如，作為一個實施例的部分所示或所述的特徵能夠在其它實施例使用或者與其配合使用，以便產生又一實施例。本公開意在包括此類修改和變化。下面將說明許多實施例。在這種情況下，相同結構特徵在附圖中由相同附圖標記來標識。附圖中示出的結構沒有按實際比例示出，而是僅用作對實施例的更好理解。圖1是用於將輸入風105的能量轉化成轉動能的風輪機100的側視圖，其中轉動能經由動葉片101的轉動傳遞給電力發電機201。風輪機100包括附連到輪轂104的至少一個動葉片101，其中輪轂104可轉動地附連在機艙(machine nacelle) 103處。機艙103 安裝在塔架102的頂上，並且能夠通過施加偏航動量(yaw momentum) 107繞垂直軸轉動。偏航角106調整成使得風輪機100的轉子的輪轂104的典型垂直軸典型地與輸入風105的方向一致。通過以此種方式改變偏航角106，能夠調整從轉動能到電能的能量轉化效率。風輪機100的電力發電機201例如為電力供應網(圖1中未示出)提供電輸出能量。正如風輪機100位於適當風為主的區域中，典型地，多個風輪機100設置在那個局部區域之內，即，「風力田」之內。風力田的單獨風輪機100可由中央風力田管理系統來控制。由於每個風輪機100包括單獨電力發電機201，因此每個風輪機100將單獨電能輸出提供到電力供應網中。圖2示出包括多個電力發電機201、202、203. . . 204的電力供應裝置200。這些電力發電機201-204可設置在單獨風輪機100中，儘管風輪機在圖2中未示出。第一電力發電機201提供低電壓範圍中的電輸出能量並連接到將該電輸出能量從低電壓範圍變換到高電壓範圍的變壓器20fe。以類似的方式，第二電力發電機202連接到另一個變壓器20 ， 用於將第二電力發電機202的電輸出能量類似轉化到高電壓範圍。第三電力發電機203連接到第三變壓器205c。在這裡要注意，變壓器可以是例如dyn 5和/或dyn 11的不同向量組配置或不同向量組的裝置。在這裡要注意，能夠提供η個(由附圖標記204所表示的電力發電機是第η個電力發電機)電力發電機。在高電壓範圍中，第一輸出電流301從第一電力發電機201的變
5壓器20 得出，第二輸出電流302從第二電力發電機202的變壓器20 得出，第三輸出電流303從第三電力發電機203的變壓器205c得出等等，直到第η個輸出電流304從第η個電力發電機204的變壓器205η得出。輸出電流301、302、303和304經由電纜傳遞給組合單元206，組合單元206典型地將單獨輸出電流相加，以便獲得在組合單元206的輸出處提供的組合電流306。在這裡要注意，組合單元206可提供為諸如電端子的電連接。組合單元 206不必須是獨立電子組件。提供組合單元206用於組合單獨發電機的輸出電流，以便生成組合電流306。為了執行此種組合，組合單元206可包括單獨發電機輸出連接到其的匯流條。組合單元則充當用於對其輸入單元處的電流求和的部件。在一個備選實施例中，組合單元206可包括適於以從變壓器205a-205n輸出的輸出電流301-304為基礎來控制組合電流306的電子組件。此類電子組件可形成適於將其輸入單元處的電流相加的電流相加單元。此外，在組合單元206中提供適於對組合電流進行濾波的濾波器部件206a。濾波器部件206a可提供為低通濾波器，其適於從組合電流306中濾去(filter out)電網頻率的高次諧波。此外，濾波器部件206a可提供為陷波濾波器，其能夠消除從組合單元206輸出的組合電流306中包含的預定頻率。對於特定應用，濾波器部件206a可設計為帶通濾波器單元。在這裡要注意，諸如組合單元206的濾波器部件206a的濾波器部件可提供在風力田之內的不同位置處。例如，濾波器部件可為每個風輪機單獨提供，或者濾波器部件可為許多風輪機集體提供。在這裡要注意，輸出電流的相角調整成使得在組合它們時，就減少組合電流中的基波的諧波水平。此諧波水平例如可定義為與基波相關的至少一個特定諧波的幅度。根據典型實施例，電力發電機201-204和/或連接到各自電力發電機201-204的變壓器20fe-205n相對於它們的電氣設計-例如相對於電力發電機和/或變壓器的不同繞組-彼此可以不同。基於不同電能生成系統(電力發電機201-204和變壓器20fe_205n)生成的單獨輸出電流301-304的組合呈現不同的諧波模式。可在單獨電力發電機201-204的能量轉化過程期間生成諧波和/或在電壓變換(例如通過變壓器205a-205n從低電壓範圍變換成高電壓範圍)期間生成諧波。由於單獨能量變換系統的輸出疊加，有可能至少部分地抵消諧波。此外，諧波相對於彼此將在不同相位連續出現，以使得諧波的求和可至少部分地導致其抵消。圖3是示出根據又一典型實施例的電力供應裝置200的原理設置的框圖。在這裡要注意，沒有重複上文中相對於圖2已經描述的組件和步驟，以免冗餘描述。如圖3中所示，提供電力發電機201、202、203. ..204，它們經由變壓器20fe-205n 連接到組合單元206。如上所述，變壓器205a-205n可具有不同向量組或不同向量組配置， 例如dyn 5禾口 /或dyn 11。組合單元206組合變壓器20fe_205n的輸出電流(即，第一輸出電流301、第二輸出電流302、第三輸出電流303、...以及第η輸出電流304)，以便產生組合電流306。由於變壓器20fe-205n將從電力發電機201-204輸出的輸出能量從低電壓範圍變換到高電壓範圍，因此提供了輸出變壓器207，以便將組合電流306從高電壓範圍變換到接收電輸出能量的負載中使用的電壓範圍。在圖3所示的典型實施例中，電力負載提供為電力供應網208，它以中電壓範圍接收來自輸出變壓器207的變換的組合電流307。因此，變壓器207將組合電流306從高電壓範圍變換到中電壓範圍。根據圖3中示出的典型實施例，電力發電機201-204和/或變壓器205a-205n以不同配置設計，以使得在變壓器205a-205n中和/或電力發電機201-204之內生成(例如通過開關過程(switching process)生成)的諧波它們自己不累加，而是部分地遍布譜和/或時間範圍。由於不同電力發電機201-204和/或不同變壓器20^ι-205η， 因此單獨相角-即對於單獨輸出的電壓與電流之間的角-相對於彼此有所不同。根據電力供應網208的提供商的規範，可希望將電壓與電流之間的相角Φ調整為零度，即，將餘弦φ (cos。)調整為1。根據相對於圖3所述的典型實施例，第一輸出電流、 第二輸出電流、第三輸出電流和第η輸出電流呈現不同相角Φ。但是，在組合電流301-304 之後，組合電流306可呈現為1的餘弦Φ (οο8Φ)(電壓與電流之間的零度相移)。通過以電壓與電流之間的不同相角Φ操作包括至少一個電力發電機和一個變壓器的單獨電力供應支路，生成的諧波將擴展(spread)並且部分地抵消，以使得諧波總水平減少。圖4是示出根據又一典型實施例的電力供應裝置200的框圖。在這裡要注意，沒有重複上文中相對於前面附圖已經描述的組件和步驟，以免冗餘描述。與圖2和圖3中所示的電力供應裝置200相比，圖4中所示的電力供應裝置200還包括發電機控制單元209。發電機控制單元209提供用於調整單獨發電機的相角的控制信號，即，相角信號 401-404(用於第一電力發電機201的第一相角信號401、用於第二電力發電機202的第二相角信號402、用於第三電力發電機203的第三相角信號403、和用於第η電力發電機204的第η相角信號404)。提供相角信號401-404，以便將單獨電力發電機201-204處的相角-即電壓與電流之間的角-調整到預定值。為了能夠執行相角調整，雖然圖4中未示出，但電力發電機201-204包括相角調整單元，相角調整單元提供各自電力發電機的相角調整。這種調整可提供用於第一輸出電流、 第二輸出電流、第三輸出電流、...第η輸出電流301-304的不同相角。在這裡要注意，第一電力發電機和第二電力發電機的至少一個可包括適於將相角設置成預定值的發電機控制單元。這個值可以使得在累加各自輸出電流時，組合電流306 中包含的諧波總水平減少。如果僅提供兩個發電機，則它們的輸出電流諧波的相角可相差180度。此外，如果提供許多附加輸出電流諧波，則單獨輸出電流諧波的相角可調整成使得它們至少部分地相互抵消。因此，即使變壓器20fe_205n以及電力發電機201-204的剩餘組件相似，通過發電機控制單元209的相角調整也提供諧波減少。通過以不同相角操作單獨電力發電機 201-204，這種諧波減少是可能的。此外，有可能將單獨電力發電機201-204的單獨相角調整成使得組合單元206輸出的輸出電流的結果相角呈現定義的功率因數。圖5是示出單獨電力發電機輸出的輸出電流301130 及它們的7次諧波電流 301b,302b的時間依賴性的幅度圖300。根據電力發電機201-204的設計(見圖2、圖3和圖4)和/或通過發電機控制單元209的單獨電力發電機201-204的相角調整(見圖4)，圖5中所示的單獨輸出電流301、302的相角可改變成使得在輸出電流301a、302a與它們的 7次諧波電流301b、302b之間可存在共同(mutual)相角差。在圖5的示意圖中，7次諧波電流301b、302b示為與它們的基波輸出電流301a、302a同相，但情況不必須是這樣，並且可改變。在這裡要注意，輸出電流301130 及它們的7次諧波電流301b、302b的電流(或電壓)幅度308示為時間309的函數。相對於圖5中所示的幅度圖300，假定電力發電機 201、202提供單獨輸出電流301、302。如圖5所示，輸出電流301a(A)、3(^a(B)的7次諧波電流301b (A7)和302b (B7)的相角相對於彼此偏移大約180度，使得產生於單獨7次諧波電流301b (A7)和302b(B7)的組合的結果7次諧波組合電流306b (A7+B7)非常小。因此， 輸出電流301a(A) ,301b (B)相對於彼此的小相差導致7次諧波電流301b (A7)與302b (B7) 之間的大約180度的相移。因此，如果7次諧波電流301b (A7)和302b (B7)組合成組合電流306b (A7+B7)，則它們可在很大程度上相互抵消。在這裡要注意，為了便於說明，僅示出兩個單獨輸出電流進行求和，但是可相加具有不同相位的兩個以上輸出電流。另外，諧波電流可分別相對於它們的單獨基波電流具有相移。具有不同相移的若干輸出電流的求和可分別導致相對於彼此的、甚至更好的波紋抵消和諧波減少。因此，有可能的是，組合單元可將第一輸出電流和至少一個第二輸出電流組合成具有減少的諧波的組合電流。在這裡要注意，以電壓與電流之間的不同相角操作單獨電力發電機201-204能夠通過如下獲得或者選擇電力發電機201-203和/或變壓器205a-205n的適當組件，如圖2 和圖3所示，以及備選地通過特定相角信號401-404來調整單獨電力發電機201-204的相角。根據又一典型實施例，可組合一方面相對於圖2和圖3所述以及另一方面相對於圖4所述的兩種相角修改方法。此外，可提供與用於諧波減少的其它方法的組合(例如，交錯開關和/或電力供應裝置200中的變頻器的不同開關頻率的使用)。圖6是示出用於操作至少兩個電力發電機的方法的流程圖。該方法開始於框501， 並且進入框502，在框502中提供具有電壓與電流之間的第一相角(cos。)的第一輸出電流。第一輸出電流由第一電力發電機生成。然後，該過程前進到框503，在框503中提供至少一個第二輸出電流。至少一個第二輸出電流具有相對於第一輸出電流的相角-例如第一相角-不同的相角。第二輸出電流由上文中相對於圖2、圖3和圖4所述的電力供應裝置200之內的第二電力發電機生成。在已經提供第一輸出電流和第二輸出電流之後，該過程前進到框504，在框504中第一輸出電流和第二輸出電流通過組合單元組合成組合電流。然後，該過程前進到框505， 在框505中第一輸出電流和第二輸出電流輸出為組合電流。在框505處輸出組合電流之後， 該過程在框506處結束。根據上述圖2、圖3和圖4的電力供應裝置200可被利用在包括多個圖1所示風輪機100的大風力田中。多個風輪機100的每個可包括一個電力發電機，以便將輸入風105 提供的轉動能轉化成電能。根據典型實施例，風輪機的單獨電力發電機以不同方式來設計，使得提供風輪機 100的單獨發電機的電壓與電流之間的不同相角。如果圖4中所示的電力供應裝置200被利用在風力田中以使得單獨電力發電機201、202、203和204作為設置在單獨風輪機100之內的發電機，則發電機控制單元209可提供為風力田管理系統(WFMS)。則這個風力田管理系統209能夠分別調整每個風輪機和每個電力發電機的單獨相角。
本書面描述使用示例公開了包括最佳模式的本發明，並且還使本領域技術人員能夠實踐描述的主題，包括製作和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。雖然前面已經公開多種具體實施例，但是本領域技術人員將認可，權利要求書的精神和範圍允許同樣有效的修改。特別是上述實施例的非互斥特徵可相互組合。可專利範圍由權利要求來定義，並且可包括此類修改和本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求書的文字語言相同的結構元件，或者如果它們包括具有與權利要求書的文字語言的非實質差異的等效結構元件，則它們意在處於權利要求書的範圍之內。
權利要求
1.一種適於向負載供應電力的電力供應裝置，包括第一電力發電機001)，適於提供具有第一相角的第一輸出電流(301)；至少第二電力發電機002)，適於提供具有與所述第一相角無關的第二相角的第二輸出電流(302)；以及組合單元006)，適於將所述第一輸出電流(301)和所述第二輸出電流(30 組合成相對於所述第一輸出電流和所述第二輸出電流具有減少的諧波的組合電流(306)。
2.如權利要求1所述的裝置，其中，所述第一電力發電機O01)連接到第一變壓器 O05a-205n)，並且所述第二電力發電機(202)具有相對於所述第一電力發電機Q01)的所述第一變壓器(20fe-205n)不同地纏繞的第二變壓器O05a-205n)。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其中，提供適於對所述組合電流(306)和/或所述第一輸出電流(301)和/或所述第二輸出電流(30 進行濾波的濾波器部件O06a)。
4.如以上權利要求中的任一項所述的裝置，其中，向包括電力供應網的負載供應所述組合電流(306)。
5.如以上權利要求中的任一項所述的裝置，所述第一電力發電機和第二電力發電機 (202)的至少一個還包括適於將相角設置成預定值和/或用於控制至少兩個電力發電機的相角的發電機控制單元009)。
6.如以上權利要求中的任一項所述的裝置，還包括至少一個電力變壓器 O05a-205n)，所述至少一個電力變壓器(20fe_205n)連接在所述組合單元(206)與所述負載之間並適於將所述組合單元006)的電輸出變換到指定電壓範圍。
7.一種用於操作至少兩個電力發電機的方法，所述方法包括提供具有第一相角的第一輸出電流(301)，所述第一輸出電流(301)由第一電力發電機(201)生成；提供具有與所述第一相角無關的第二相角的至少一個第二輸出電流(302)，所述第二輸出電流(302)由第二電力發電機(202)生成；將所述第一輸出電流(301)和所述至少一個第二輸出電流(302)組合成組合電流 (306)；以及輸出所述組合電流(306)。
8.如權利要求7所述的方法，其中，組合所述第一輸出電流(301)和所述至少一個第二輸出電流(302)導致零度的輸出相角。
9.如權利要求7或8所述的方法，其中，還提供其相角有所不同的η個輸出電流。
10.如權利要求7至9中的任一項所述的方法，其中，調整所述輸出電流的相角，使得在組合它們時，所述組合電流(306)中的基波的諧波水平減少。
全文摘要
本發明名稱為「用於電力供應中諧波的減少的方法和設備」。一種適於向負載供應電力的電力供應裝置，包括第一電力發電機(201)，適於提供具有第一相角的第一輸出電流(301)；至少第二電力發電機(202)，適於提供具有與第一相角無關的第二相角的第二輸出電流(302)；以及組合單元(206)，適於將第一輸出電流(301)和第二輸出電流(302)組合成相對於第一輸出電流和第二輸出電流具有減少的諧波的組合電流(306)。
文檔編號H02J3/01GK102237686SQ201110114598
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月19日 優先權日2010年4月20日
發明者A·朗格爾, W·巴頓 申請人:通用電氣公司