CN102273055A

CN102273055A - 可重新配置的功率变换器模块

Info

Publication number: CN102273055A
Application number: CN2010800043350A
Authority: CN
Inventors: P·C·谢尔; L·赫勒
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: EP2386137A1; US9065329B2; US20120038167A1; WO2010079234A1; EP2386137B1; CN102273055B

Abstract

本发明涉及一种可重新配置的功率变换器模块，用于适于向相关联的供电电网提供电功率的风力涡轮机设备。所述可重新配置的功率变换器模块包括变频器，所述变频器可操作地连接到滤波器模块，其中，所述变频器和所述滤波器模块可彼此重新配置，以便抑制内部和/或内部共振/谐波。

Description

可重新配置的功率变换器模块

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机设备的可重新配置的功率变换器模块。具体地，本发明涉及一种功率变换器，该功率变换器具有可调整的开关频率以匹配例如变化的滤波器特性，诸如变化的滤波器阻抗，以便抑制内部和外部的共振/谐波。

背景技术

功率过载情况和非期望的共振情形经常发生在与风力涡轮机相关的供能领域中。当所需电功率超过传送功率的配电系统的额定功率级时会发生过载情况。为了处理这种过载情况，配电系统必须使用可用的备用功率。非期望且令人烦扰的共振情形可能是由偏移的阻抗引起的，并且可能出现在风力涡轮机设备内部或者出现在风力涡轮机设备与相关联的供电电网之间。

通常通过针对较高的连续工作电流而使得半导体开关组件超出额定值工作，来设立风力涡轮机系统的功率变换器的过载能力。可替换地，添加额外的半导体开关组件以提供所需的过载能力。然而，额外的开关组件增加了变换器的总体损耗。

上述常规解决方案的缺点在于，组件成本以及由此的制造成本较高。而且，增加的耗电与上述设立所需过载能力的方式有关。此外，添加更多组件增大了组件故障的风险。

WO 2005/027301研究了一种用于处理低电压消除事件的方法，其中，以降低的开关频率来操作DC/AC变换器以便向供电电网中泵入额外的电流，以防电网电压明显下降。

本发明实施例的目的可以视为提供一种装置及其相关方法，其用于在无需增加功率变换器的复杂性和制造成本的情况下设立过载能力。

本发明实施例进一步的目的可以视为提供一种可重新配置的装置，其能够避免或抑制风力涡轮机内的内部共振/谐波，以及在风力涡轮机与某些外部设备之间的外部共振/谐波。

发明内容

在第一方案中，通过提供适于向相关联的供电电网传送电能的风力涡轮机设备来实现上述目的，所述风力涡轮机设备包括：

—发电机模块，用于将机械能转换为电能，所述发电机模块可选地经由传动装置以机械方式耦合到一组转动叶片，及

—电功率变换器，其可选地经由电网变压器电耦合到所述发电机模块及相关联的供电电网，所述电功率变换器包括可以以变化的或可变的开关频率进行开关的多个可控开关元件。

其中，根据由相关联的供电电网在风力涡轮机设备上产生的电负载来选择所述可控开关元件的开关频率。这样，由相关联的供电电网产生的负载决定了所述变换器的开关频率。

应当注意，应当以广义的方式理解术语“风力涡轮机设备”。因此，术语“风力涡轮机设备”涵盖了单个风力涡轮机或者构成风力涡轮机场的一组风力涡轮机。

发电机模块包括发电机。类似地，电功率变换器包括AC/DC和/或DC/AC变换器。优选地，发电机、AC/DC和/或DC/AC变换器及可选的电网变压器全都配置为以三相配置工作。

发电机可以传送具有在0.4-6kV范围内的电压电平的三相AC输出电压。此外，发电机可以能够产生并传送在一个宽功率范围(即从几千瓦到几兆瓦)内的AC功率。提供给供电电网的所产生功率的额定频率可以是50Hz或60Hz。发电机可以是应用外部磁化的同步发电机，或者可替换地，是应用用于磁化的永磁体的同步发电机。可替换地，可以应用感应发电机或者双馈感应发电机。然而，发电机的类型并不局限于前述类型。因此，本发明可以结合基本上任意类型的发电机来实现。

此外，本发明可应用于全功率装置和双馈电装置，后者包括：电功率变换器通过转子电路至少部分地耦合发电机。在全功率系统中，通过AC/DC和/或DC/AC变换器及可选的电网变压器传送由发电机产生的全部功率。

电功率变换器的可控开关元件可以是可用于此类目的的任何传统开关元件，诸如例如IGBT。此外，就系统中的该多个相而言，可以以各种已知的桥结构来布置可控开关元件。

在本发明的一个实施例中，电功率变换器可以被配置为，当相关联的供电电网及与其相连的用电设备产生的电负载超过预定值时，降低开关频率。该预定值可以对应于变换器的额定功率级。可替换地，当电功率变换器表现出一组给定的与负载相关的特性时，可以降低开关频率。因此，包含其电功率变换器及其其他电设备的风力涡轮机设备可以在过载情形下以主动(proactive)方式运行。

通常以在传导损耗与开关损耗之间大致均匀地分摊半导体开关元件中的电损耗的方式，来设计与风力涡轮机的电功率变换器相关的应用。因此，如果将开关频率降低到给定初始值的50％，则开关损耗就降低约25％。

例如在计划的过载情况下，当以降低的开关频率运行风力涡轮机设备时，即使所需功率级超过了该设备的额定功率级，其也能够传送足够的功率。由于考虑了过载情况，因此通常不应用工作EMC标准的异常模式(不稳定)。

因此，当相关联的供电电网产生的电负载超过变换器的额定功率级时，可以将开关频率降低多达50％(或者甚至更多)。按照绝对频率值来说，电功率变换器的额定开关频率通常在几kHz附近。

风力涡轮机设备可以进一步包括变换器滤波器，用于对电功率变换器输出的电功率，即为供电电网产生的电功率，进行滤波。变换器滤波器的实现对于所有相位优选地是相同的。因此，如果为一个相位配备了用于抑制选定谐波的一个或多个调谐LC滤波器，就优选地为剩余相位配备相同的滤波器。

变换器滤波器可以可替换地实现为有源滤波器。优选地，以比变换器自身的开关频率高得多的开关频率来操作有源滤波器。有源滤波器可以实现为电压源变换器。

通过降低双馈电系统中的开关频率，可以增加额定功率，从而风力涡轮机设备可以借助于用于无功功率的两个可用变换器或者仅借助于其中一个变换器来提供更多的无功功率。

在第二方案中，本发明涉及一种响应于相关联的供电电网提供的负载变化而操作风力涡轮机设备的电功率变换器的方法，其中，风力涡轮机设备包括：发电机模块，其用于将机械能转换为电能，及电功率变换器，其可选地通过电网变压器耦合到所述发电机模块及相关联的供电电网，所述电功率变换器包括可以以变化的或可变的开关频率进行开关的多个可控开关元件，其中，根据由相关联的供电电网在风力涡轮机设备上产生的电负载来选择所述可控开关元件的开关频率。这样，由相关联的供电电网产生的负载决定了所述变换器的开关频率。

同样，为了降低开关损耗，当相关联的供电电网结合与其相连的用电设备产生的电负载超过诸如变换器的额定功率级之类的预定值时，可以降低开关频率。以此方式，电功率变换器可以在短时间内高于其额定功率级来工作。

如前所述，在相关联的供电电网产生的电负载超过变换器的额定功率级的过载情况下，可以将开关频率降低多达50％(或者甚至更高)。

根据本发明第二方案的方法还暗示了，改变开关频率以便近似地匹配变换器滤波器的与负载相关的特性，因为这种变换器滤波器特性会相关于由相关联的供电电网产生的电负载。变换器滤波器通常被设计为工作在特定开关频率上。然而，由于变换器滤波器包含磁性材料(铁、铁粉或铁氧体磁心)，因此滤波器的特性会随着施加到滤波器上的负载而改变。因此，为了以最佳方式使用变换器滤波器，可以连续地调整功率变换器的开关频率，以便跟随变换器滤波器的工作情况。

优选地，变换器滤波器包括带通滤波器。因此，变换器滤波器特性可以包括此类带通变换器滤波器的中心频率的频率值。

此外，本发明的第二方案暗示了，可以改变或调整电功率变换器的开关频率，以便总体上补偿风力涡轮机设备的组件的性能降低或容限。尤其是，电容器随时间而性能降低。

在第三方案中，本发明涉及一种用于风力涡轮机设备的可重新配置的功率变换器模块，所述风力涡轮机设备适于向相关联的供电电网提供电功率，所述变换器模块包括：变频器，其可操作地连接到滤波器模块，所述滤波器模块具有与负载相关的滤波器特性，其中，所述变频器的开关频率是可变的，以便匹配一个或多个变化的滤波器特性。

根据第三方案的功率变换器的一个优点在于，可以通过适当地选择功率变换器模块的DC/AC变换器的开关频率来抑制风力涡轮机设备内的电共振/谐波。优选地，根据滤波器模块的与负载相关的阻抗来选择开关频率。因此，如果滤波器阻抗(例如电感器)由于负载变化而改变，就可以相应地改变DC/AC变换器的IGBT的开关频率，以避免风力涡轮机设备内的内部共振。

类似于第一方案，应注意，术语“风力涡轮机设备”应做广泛理解。因此，术语“风力涡轮机设备”涵盖了单个风力涡轮机或者构成风力涡轮机场的一组风力涡轮机。

所述可重新配置的功率变换器模块可操作地连接到发电机，其用于将风能/机械能转换为电能。此外，所述可重新配置的功率变换器可选地经由电网变压器可操作地连接到相关联的供电电网。发电机可以是结合本发明第一方案提及的类型。因此，发电机可以是适用于全功率或双馈电发电机系统中的类型。

变频器可以包括AC/DC和/或DC/AC变换器。优选地，发电机、变频器和可选的电网变压器全都被配置为以三相配置工作。

变频器可以是可重新配置的，因为其开关频率可以是可变的，以便适应于与电网有关的事件。这种与电网有关的事件可以涉及过载情况，在过载情况中，变频器可以是可配置的，以便在相关联的供电电网及可操作地与之相连的用电设备产生的电负载超过预定值时降低其开关频率，所述预定值例如是功率变换器模块的额定功率级。更具体地，当相关联的供电电网产生的电负载超过变换器的额定功率级时，开关频率可以被降低多达50％(或者甚至更高)。通过降低开关频率，显著降低了变频器的开关损耗。

滤波器模块适于对变频器输出的电功率，即为供电电网产生的电功率，进行滤波。滤波器模块的实现对于所有相位优选地是相同的。因此，如果为一个相位配备了用于抑制选定谐波的一个或多个调谐LC滤波器，就优选地为剩余相位配备相同的滤波器。可替换地，滤波器模块可以实现为有源滤波器。优选地，以比变频器的开关频率高得多的开关频率来操作有源滤波器。有源滤波器可以实现为电压源变换器。

在第四方案中，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括根据第三方案的可重新配置的功率变换器模块。该风力涡轮机可以是双馈电系统或者全功率系统。此外，在第五方案中，本发明涉及一种风力涡轮机场，其包括多个在上述第四方案中阐述的风力涡轮机。

在最后的第六方案中，本发明涉及一种对用于风力涡轮机设备的功率变换器模块进行重新配置的方法，所述风力涡轮机设备适于向相关联的供电电网提供电功率，所述方法包括调整变频器的开关频率以匹配与负载相关的阻抗变化的步骤。

通常，改变开关频率以便于：

1.增加功率变换器模块的热容量，和/或

2.抑制风力涡轮机设备内的共振和/或抑制风力涡轮机与周围设备之间的共振。

同样，术语“风力涡轮机设备”应做广泛理解。开关频率可以是构成功率变换器模块的一部分的DC/AC变换器的IGBT的开关频率。

因此，可以调整开关频率以匹配由于负载变化造成的滤波器中的阻抗变化。可替换地或者与之相结合地，可以调整开关频率以匹配由于负载变化造成的电网变压器中的阻抗变化。可替换地或者与前述情形相结合地，可以调整开关频率以匹配由于负载变化造成的供电电网中的阻抗变化。

同样，在实现方面，可以按照结合本发明前述方案公开的内容来实现风力涡轮机设备、功率变换器模块和滤波器模块。

附图说明

将参考附图更详细地解释本发明，其中：

图1显示了具有与之相连的滤波器模块的功率变换器，

图2a显示了在负载与开关频率之间的关系的第一实例，

图2b显示了在负载与开关频率之间的关系的第二实例，及

图2c显示了在负载与开关频率之间的关系的第三实例。

尽管本发明容许有多种修改和替换形式，但借助附图中的实例来显示并将在此详细说明了特定实施例。然而，应理解，本发明并非旨在局限于公开的特定形式。相反，本发明将涵盖属于所附权利要求定义的本发明的精神与范围内的所有修改、等价物和替换方案。

具体实施方式

本发明在其最广泛的方面中涉及一种可重新配置的功率变换器及相关方法，适于抑制内部和/或外部的共振现象。该可重新配置的功率变换器包括：具有可变开关频率的变频器，和可操作地与之相连的滤波器模块，所述滤波器模块具有与负载相关的滤波器阻抗。

与电网相关的事件可以具体为影响该可重新配置的功率变换器上的电网的负载的任何事件。具体地，本发明的实施例可用于与风能相关的应用中。然而，本发明的实施例不局限于此类应用。

图1显示了一个完整的电力系统，其中，三相输电线1向全功率AC/AC变换器2提供AC电功率，全功率AC/AC变换器2可以可操作地连接到电网变压器(未示出)，后者通常是升压变压器。将AC/AC变换器2实现为变频器，具有整流器3和逆变器4-二者由中间DC电路5分离。

如图1所示，无源调谐滤波器模块6连接到电力线7。滤波器模块6的阻抗是与负载相关的。因此，如果由供电电网造成的负载发生变化，则滤波器模块6的阻抗也相应地变化。可以选择滤波器模块的阻抗以匹配特定工作条件，以便优化该可重新配置的功率变换器模块自身的工作特性和包括这种可重新配置的功率变换器模块的风力涡轮机设备的性能。

此外，在电力线7与中间DC电路5之间提供共模滤波器8。

当由供电电网产生的负载变化时，滤波器模块的阻抗也变化。为了避免在风力涡轮机设备内发生共振以及避免在风力涡轮机设备与电网之间发生共振，可以改变逆变器4的开关频率。此外，如果降低开关频率，逆变器的热容量就增大。

现在参考图2a，描绘了在功率变换器的开关频率(Tsw)与负载之间的关系的实例。如图2a所示，功率变换器以额定开关频率(PU＝1)工作，直到负载达到对应于额定负载的级别(100％)。在额定负载以上，即处于过载状况下，线性地降低开关频率，直到负载达到对应于125％额定负载的级别。如果负载进一步增大，就关闭变换器。在开关频率与负载之间的线性相关性可以与图2a所示的绘图不同。类似地，该关闭级别也可以与图2a中所描绘125％的级别的不同。

如前所述，通常以在传导损耗和开关损耗之间大致均匀地分摊半导体开关元件中的电损耗的方式，来设计电功率变换器。因此，如果将开关频率降低50％，则开关损耗就降低25％。损耗的降低使得变换器可运行在过载工作模式中。通常，功率变换器的额定开关频率约为5kHz。

图2b和2c描绘了在开关频率(Tsw)与负载之间的其它关系。正如所看到的，低于和高于额定负载级别的各种相关性都是可能的。

Claims

1.一种用于风力涡轮机设备的可重新配置的功率变换器模块，所述风力涡轮机设备适于向相关联的供电电网提供电功率，所述变换器模块包括变频器，所述变频器可操作地连接到滤波器模块，所述滤波器模块具有与负载相关的滤波器特性，其中，所述变频器的开关频率是可变的，以便匹配一个或多个变化的滤波器特性。

2.根据权利要求1所述的可重新配置的功率变换器模块，其中，所述一个或多个可变滤波器特性包括可变滤波器阻抗。

3.一种包括根据权利要求1或2所述的可重新配置的功率变换器模块的风力涡轮机。

4.一种包括多个根据权利要求3所述的风力涡轮机的风力涡轮机场。

5.一种对用于风力涡轮机设备的功率变换器模块进行重新配置的方法，所述风力涡轮机设备适于向相关联的供电电网提供电功率，所述方法包括调整变频器的开关频率以匹配与负载相关的阻抗变化的步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述开关频率以匹配由于负载变化所造成的滤波器中的阻抗变化。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述开关频率以匹配由于负载变化所造成的电网变压器中的阻抗变化。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，调整所述开关频率以匹配由于负载变化所造成的供电电网中的阻抗变化。