專利名稱：用于發(fā)電應(yīng)用的低成本電流源變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變流器拓?fù)浜碗姤D(zhuǎn)換系統(tǒng)，更具體地，涉及用于發(fā)電應(yīng)用的低成本和低復(fù)雜度的電カ轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)能源(例如，油、天然氣以及煤)是有限的，不可再生的，并且正快速耗盡。因此，利用可再生能源，諸如風(fēng)能、燃料電池、太陽能等，具有重要意義。用于把風(fēng)生成的能量提供給電カ網(wǎng)的基于風(fēng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)正經(jīng)歷大規(guī)模發(fā)展并日益流行。特別地，風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電或其它形式的能量。此外，風(fēng)能的利用是快速增長的發(fā)電技術(shù)，其被認(rèn)為是環(huán)境友好的發(fā)電方式。
典型的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)的主要部件包括風(fēng)カ渦輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、互連裝置以及控制系統(tǒng)。通常，傳統(tǒng)系統(tǒng)包括同步發(fā)電機(jī)、永磁體同步發(fā)電機(jī)和/或感應(yīng)發(fā)電機(jī)(例如，用于風(fēng)カ渦輪機(jī)的鼠籠型和繞線轉(zhuǎn)子型發(fā)電機(jī))。此外，互連裝置包括可以實(shí)現(xiàn)電カ控制、平穩(wěn)啟動(dòng)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)都可被用于WECS中。各種傳統(tǒng)拓?fù)淇捎糜诨赩SC和CSC的WECS。通常，基于VSC的拓?fù)浒òē藰O管整流器、升壓變流器以及脈寬調(diào)制(PWM)電壓源逆變器(VSI)的互連系統(tǒng)，或者包括ニ極管整流器連同PWM VSI的互連系統(tǒng)，或者包括背對(duì)背PWM VSI的互連系統(tǒng)。此外，傳統(tǒng)的基于CSC的拓?fù)浒ú捎氓藰O管整流器和相控可控娃換流器(thyristor inverter)的互連系統(tǒng)，采用基于背靠背相控可控硅的變流器的互連系統(tǒng)，或采用背靠背PWM CSC的互連系統(tǒng)。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)拓?fù)浒ㄓ迷诎l(fā)電機(jī)側(cè)變流器中的大量昂貴有源半導(dǎo)體器件。在采用ニ極管整流器連同PWM VSI的其它傳統(tǒng)拓?fù)渲?，利用可能増加系統(tǒng)和控制的成本和復(fù)雜度的升壓電路。

發(fā)明內(nèi)容
以下給出簡要概述以便提供本發(fā)明的ー些方面的基本理解。該概述并非泛泛概括，也并非要標(biāo)識(shí)重大或關(guān)鍵元件或描繪本發(fā)明的范圍。其僅是為了以簡化形式給出ー些概念，作為后面給出的更詳細(xì)描述的前序。電流源逆變器(CSI)的升壓特性適合風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)的本質(zhì)。鑒于此，此處公開了與脈寬調(diào)制(PWM)CSI —起利用ニ極管和/或相控晶閘管整流器的用于風(fēng)カ發(fā)電應(yīng)用的低成本拓?fù)洹４送?，低成本器?諸如但不限于ニ極管橋、晶閘管橋、或ニ極管與晶閘管的組合等)被利用作為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器以及PWM CSI被用作電網(wǎng)側(cè)變流器。在ー個(gè)方面，此處公開了用于發(fā)電應(yīng)用的低成本拓?fù)?。特別地，所公開的發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)(例如，永磁體同步發(fā)電機(jī))以將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。通過采用ニ極管整流器、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(zhuǎn)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(jīng)過dc鏈路，例如電感器。PWM CSI生成可被傳遞到公用電網(wǎng)的固定頻率和/或電壓輸出。為了實(shí)現(xiàn)前述和相關(guān)內(nèi)容，此處結(jié)合以下說明和附圖描述了所公開發(fā)明的某些示例方面。然而，這些方面表示可以采用此處公開原理的各種方式中的幾種，并且旨在包括所有這些方面及其等效內(nèi)容。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，根據(jù)以下詳細(xì)描述，其它優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將
變得清楚。


圖I示出根據(jù)本說明書一個(gè)方面的基于全功率變流器的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)的簡化框圖。圖2A示出包括連接到用于發(fā)電的永磁體同步發(fā)電機(jī)(PMSG)的三相二極管整流器 的示例系統(tǒng)。圖2B示出描繪由二極管整流器輸出的dc鏈路電流的圖形。圖3示出采用脈寬調(diào)制(PWM)電流源逆變器(CSI)的示例電網(wǎng)側(cè)變流器電路。圖4A示出利用二極管整流器和PWM CSI的用于風(fēng)能轉(zhuǎn)換的示例系統(tǒng)。圖4B示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的利用以下拓?fù)涞碾娏D(zhuǎn)換的示例系統(tǒng)，該拓?fù)浒ㄏ嗫鼐чl管整流器和PWM CSI。圖5示出描繪針對(duì)二極管整流器連同PWM CSI的dc電流需求的示例圖形。圖6A-6D示出用于電力轉(zhuǎn)換的、采用二極管整流器連同PWM CSI的WECS的示例波形。圖7A-7D示出用于電力轉(zhuǎn)換的、采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(jù)本說明書一個(gè)方面的在電力轉(zhuǎn)換期間采用多個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的示例系統(tǒng)。圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的采用多個(gè)用于發(fā)電的發(fā)電機(jī)的示例系統(tǒng)。圖10示出在長線纜應(yīng)用中用于發(fā)電的示例系統(tǒng)。圖11示出用于發(fā)電應(yīng)用的示例低成本方法。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明，其中相似的附圖標(biāo)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(gè)特定細(xì)節(jié)以便提供透徹理解。然而，顯而易見的是本發(fā)明可以無需這些特定細(xì)節(jié)而得以實(shí)施。在其它情況下，公知的結(jié)構(gòu)和器件被示出為框圖形式以便于描述。如在此申請中所使用的那樣，術(shù)語“部件”、“系統(tǒng)”、“設(shè)備”、“接口”、“網(wǎng)絡(luò)”、“器件”、“電路”等是指計(jì)算機(jī)相關(guān)實(shí)體，或者是硬件、硬件和軟件組合、軟件，或者是執(zhí)行軟件。例如，部件可以是但不限于處理器上運(yùn)行的處理、處理器、硬盤驅(qū)動(dòng)、(光和/或磁存儲(chǔ)介質(zhì)的)多存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)、對(duì)象、可執(zhí)行文件、執(zhí)行線程、程序和/或計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制器、繼電器、傳感器和/或可變頻率驅(qū)動(dòng)。通過示例，運(yùn)行在服務(wù)器上的應(yīng)用和服務(wù)器都可以是部件。一個(gè)或更多個(gè)部件可以存在于處理和/或執(zhí)行線程內(nèi)，并且部件可以位于一臺(tái)計(jì)算機(jī)上和/或分布在兩個(gè)或更多計(jì)算機(jī)之間。
除了前述之外，應(yīng)該明白所要求保護(hù)的主題內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)為使用通常程序和/或工程技術(shù)生成軟件、固件、硬件或其任何適當(dāng)?shù)慕M合來控制計(jì)算器件(諸如可變頻率驅(qū)動(dòng)和控制器)以實(shí)現(xiàn)所公開的主題內(nèi)容的方法、裝置或制造物品。此處使用的術(shù)語“制造物品”旨在包括可從任何適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)可讀器件、介質(zhì)或由這樣的介質(zhì)/器件生成的載體獲得的計(jì)算機(jī)程序。例如，計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括但不限于磁存儲(chǔ)器件(例如，硬盤，軟盤，磁帶等)、光盤(例如，壓縮光盤(⑶)，數(shù)字多功能盤(DVD)等)、智能卡、以及閃速存儲(chǔ)器件(例如，卡、棒、鍵驅(qū)動(dòng)等)。此外，應(yīng)該明白由發(fā)送器生成的載波可以被用來承載計(jì)算機(jī)可讀電子數(shù)據(jù)，諸如在發(fā)送和接收電子郵件或在訪問網(wǎng)絡(luò)(諸如互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)(LAN))時(shí)使用的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解在不脫離所要求保護(hù)主題內(nèi)容的范圍或精神的情況下可以對(duì)該配置進(jìn)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(shí)例或說明。此處描述為“示例性的”的任何方面或設(shè)計(jì)不必解釋為相對(duì)于其它方面或設(shè)計(jì)是優(yōu)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(shù)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(jù)上下文顯見，“X采用A或B”是指任何自然的包括性排列。也就是說，如果X采用A，X采用B，或X采用A和B，則在前面任一情況下滿足“ X采用A或B”。此外，在本說明書和所附權(quán)利要求中使用的冠詞“一”應(yīng)該一般地被解釋為“ー個(gè)或更多個(gè)”，除非另外指出或根據(jù)上下文顯然指単數(shù)形式。風(fēng)カ轉(zhuǎn)換系統(tǒng)經(jīng)歷了巨大發(fā)展，這是由于風(fēng)カ的環(huán)境益處、技術(shù)先進(jìn)以及政府鼓勵(lì)。此處公開的系統(tǒng)和方法提供用于具有合理工作范圍的發(fā)電應(yīng)用的低成本和簡單設(shè)計(jì)的電カ變流器系統(tǒng)?？梢悦靼妆M管此處公開的實(shí)施例涉及示例風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)，但本說明書不限于此以及所公開的實(shí)施例可以在大多數(shù)任何電カ轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(例如，水力渦輪機(jī))中實(shí)現(xiàn)。參照附圖，圖I示出根據(jù)本說明書ー個(gè)方面的基于全功率變流器的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的簡化框圖。圖I中描繪的可變速風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(WECS)IOO多數(shù)主要是再生模式中エ作的電驅(qū)動(dòng)。通常，WECS可以包括風(fēng)カ渦輪機(jī)102、發(fā)電機(jī)104、互連裝置106和電網(wǎng)108。此外，風(fēng)カ渦輪機(jī)102可以是垂直軸線型和/或水平軸線型風(fēng)カ渦輪機(jī)。此外，風(fēng)カ渦輪機(jī)102可以采用幾乎任意數(shù)量的刀片(例如，兩個(gè)或三個(gè)刀片)以及風(fēng)力渦輪機(jī)102可以順風(fēng)和/或逆風(fēng)工作。盡管在圖中示出了永磁體同步發(fā)電機(jī)(PMSG) 104，但可以明白本發(fā)明不限于此而是可以利用大多數(shù)任何類型的發(fā)電機(jī)。例如，所公開的拓?fù)湟部刹捎秒妱?lì)磁同步發(fā)電機(jī)(EESG)。與PMSG相比，利用EESG提供勵(lì)磁控制的附加自由，這可以幫助在低風(fēng)速時(shí)提高電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。通常，PMSG和/或鼠籠感應(yīng)發(fā)電機(jī)由于其可靠性和成本優(yōu)勢可以用于小功率到中功率風(fēng)カ渦輪機(jī)。在所有傳統(tǒng)上在風(fēng)カ渦輪機(jī)中采用的發(fā)電機(jī)中，PMSG具有最大的優(yōu)點(diǎn)，這是由于它們在正常工作期間是穩(wěn)定并且安全的以及不需要用于勵(lì)磁電路的附加DC供電。在示例中，PMSG 104可以將風(fēng)力渦輪機(jī)102的機(jī)械功率輸出轉(zhuǎn)換成用于電網(wǎng)108的電功率。此外，可以采用互連裝置106來實(shí)現(xiàn)電カ控制、平穩(wěn)啟動(dòng)和/或幾乎任意互連功能。在一個(gè)示例中，互連裝置106可以提供具有較高功率品質(zhì)的固定電壓和固定頻率輸出。返回參照示出典型的基于全功率變流器的WECS 100的圖1，有功功率從發(fā)電機(jī)104經(jīng)由互連裝置106流到電網(wǎng)108。此外，系統(tǒng)100的源電壓是隨轉(zhuǎn)子速度和/或磁通量而變化(例如，以頻率和/或量值)的發(fā)電機(jī)端子電壓；在可變速操作情況下，源電壓可以取從零到機(jī)器額定功率的任意值?；ミB裝置106的輸出經(jīng)由升壓變壓器(未示出)連接到高壓電網(wǎng)108。因此，負(fù)載電壓的量值由電網(wǎng)108確定并通常比源電壓的量值高。作為示例，負(fù)載電壓可以具有固定量值以及固定和/或可變頻率。盡管此處公開的實(shí)施例表明負(fù)載電壓高于源電壓，但可以明白負(fù)載電壓可以等于或小于源電壓。根據(jù)實(shí)施例，互連裝置106可以包括發(fā)電機(jī)側(cè)變流器110、直流(dc)鏈路112以及電網(wǎng)側(cè)變流器114。在一個(gè)方面，dc鏈路112可以提供能夠生成用于工作的平滑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(wǎng)側(cè)變流器114可以是將dc鏈路電流轉(zhuǎn)換成可被電網(wǎng)108接收的三相交流(ac或AC)電流的電流源逆變器(CSI)。與傳統(tǒng)系統(tǒng)中采用的作為電壓抵償變流器的電壓源逆變器(VSI)相反，CSI本質(zhì)上是增壓變流器并因此非常適于基于全功率變流器的WECS。固有的增壓特性為CSI提供要與不同類型的發(fā)電機(jī)側(cè)變流器110相組合的更多靈活性，得到可以提供比由傳統(tǒng)系統(tǒng)提供的范圍更寬系統(tǒng)工作范圍的配置，該傳統(tǒng)系統(tǒng)在電網(wǎng)側(cè)采用基于VSI的變流器以及在發(fā)電機(jī)側(cè)采用二極管整流器。作為示例，對(duì)于互連裝置106可以利用各種CSC拓?fù)?，包括利用脈寬調(diào)制(PWM)CSI或晶閘管變流器作為電網(wǎng)側(cè)變流器；二極管整流器、晶閘管變流器或PWM電流源整流器(CSR)作為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器。拓?fù)涞倪x擇可以取決于系統(tǒng)需求和/或整體性能。在一個(gè)示例低成本拓?fù)渲?，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器110可以包括二極管和/或相控晶閘管整流器電路以生成dc電流，而電網(wǎng)側(cè)變流器114可以包括PWM CSI。該示例拓?fù)渚哂泻唵谓Y(jié)構(gòu)并提供比采用電網(wǎng)側(cè)二極管整流器電路和發(fā)電機(jī)側(cè)PWM VSI電路的常規(guī)互連裝置更寬的工作范圍，由此可以在大型WECS中采用。特別地，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器110可以采用低成本器件，諸如二極管橋、晶閘管橋和/或二極管與晶閘管的組合，并因此提供簡化和低成本的發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和控制?，F(xiàn)在參照圖2A，示出根據(jù)本發(fā)明一方面的包括連接到PMSG 104的二極管整流器202的示例系統(tǒng)200。通常，CSI固有的增壓特性根據(jù)WECS的特性。因此，與PWM CSI 一起使用二極管整流器202(和/或相控晶閘管橋(未示出))的低成本拓?fù)淇梢杂糜陲L(fēng)發(fā)電應(yīng)用。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，包括二極管D1-D6的三相二極管整流器202可被用于WECS中的發(fā)電機(jī)側(cè)變流器。PMSG 104簡化為電壓源，例如分別具有同步電感和表示后電磁場(EMF)的有限源電感Lg。dc鏈路的負(fù)載可被視為電壓源或電流源。二極管整流器的輸入處的理論功率因數(shù)(PF)可以是0.955。由于大的輸入線電感Lg，因此整流器中的電流整流不是瞬時(shí)的并可以引起dc輸出處的電壓下降。安全角(commutation angle)以及所得的電壓下降取決于!^和如電流、。。如果安全角小于輸入基頻的60°，則由整流引起的電壓損失可以每個(gè)基本周期發(fā)生六次以及平均dc輸出電壓可以計(jì)算如下Vdc =--COgLgIdc...(I)
TlTl此外，安全角5可以如下推導(dǎo)權(quán)利要求
1.一種便于將電能傳遞到公用電網(wǎng)的用于電力轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，包括 發(fā)電機(jī)側(cè)變流器，其包括生成直流DC電流的電路，所述電路包括二極管橋或相控晶閘管橋中的至少之一；以及 電網(wǎng)側(cè)變流器，其包括將所述DC電流轉(zhuǎn)換成三相交流AC電流的電流源逆變器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括被采用以導(dǎo)通所述晶閘管橋中的晶閘管的選通電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括DC鏈路，所述DC鏈路使所述發(fā)電機(jī)側(cè)變流器與所述電網(wǎng)側(cè)變流器連接并且提供所述發(fā)電機(jī)側(cè)變流器與所述電網(wǎng)側(cè)變流器之間的前向電流通路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述DC鏈路包括電感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括便于電力轉(zhuǎn)換的風(fēng)力或水力渦輪機(jī)中的至少之o
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述風(fēng)力或水力渦輪機(jī)中的至少之一的、將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機(jī)，所述電能被提供到所述發(fā)電機(jī)側(cè)變流器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，還包括連接到所述電網(wǎng)側(cè)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(wǎng)之前，輔助電流換流或?yàn)V除諧波至少之一。
8.一種用于發(fā)電的低成本方法，包括 通過采用二極管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(zhuǎn)換成直流DC電流； 使所述DC電流經(jīng)過電感器；以及 通過采用脈寬調(diào)制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。
9.一種用于應(yīng)用的發(fā)電系統(tǒng)，包括 第一電路，其適于接收可變頻率或可變電壓中的至少之一作為輸入，并且通過采用二極管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，其適于接收所述DC電流，并且通過采用電流源逆變器CSI來生成具有固定頻率或固定電壓中的至少之一的相應(yīng)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(jù)權(quán)利要求9所述的發(fā)電系統(tǒng)，還包括第三電路，其適于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
提供了一種包括用于功率變流器系統(tǒng)的低成本拓?fù)涞南到y(tǒng)。該系統(tǒng)利用電流源逆變器(CSI)的增壓特性，并且利用PWM CSI作為用于發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)側(cè)變流器。另外，發(fā)電機(jī)側(cè)變流器采用低成本器件，諸如但不限于二極管橋、晶閘管橋、和/或二極管與晶閘管的組合，并且相應(yīng)地簡化了發(fā)電機(jī)側(cè)變流器和控制。此外，該系統(tǒng)相對(duì)于基于利用電壓源逆變器(VSI)作為電網(wǎng)側(cè)變流器以及二極管整流器作為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的拓?fù)涞膫鹘y(tǒng)電壓源變流器，提供更寬的工作范圍。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102709933SQ201110178658
公開日2012年10月3日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者吳斌, 戴景婭, 汪家城, 納維德·R·扎加里, 許德偉 申請人:洛克威爾自動(dòng)控制技術(shù)股份有限公司