專利名稱：用于波能設(shè)施的電氣設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在第一方面，本發(fā)明涉及一種電氣設(shè)備，包括繞組、用于在繞組中感應(yīng)電流的裝置以及具有電容器裝置的電橋接電路。本發(fā)明還涉及一種包括多個這種電氣設(shè)備的波能設(shè)施，以及一種連接至至少一個這種電氣設(shè)備的電網(wǎng)。在第二方面，本發(fā)明涉及這種電氣設(shè)備的用途。在第三方面，本發(fā)明涉及一種控制在其中感應(yīng)電流的電繞組的方法。
背景技術(shù)：
在海上和大型內(nèi)陸湖泊中的波浪運動構(gòu)成迄今為止幾乎未曾被開發(fā)過的潛在的能源。然而，已提出各種建議來利用海洋的豎直運動在發(fā)電機中產(chǎn)生電力。由于海面上的點進行往復(fù)的豎直運動，因而適于使用線性發(fā)電機來產(chǎn)生電力。W003/058055披露了這樣的波能單元，其中，發(fā)電機的活動部分(即，與旋轉(zhuǎn)發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子相對應(yīng)以及本申請中被稱為平動子(translator)的部分)相對于發(fā)電機的定子而往復(fù)運動。在該公開中，定子錨定在海床中。平動子通過線、纜線或鏈連接至漂浮在海面上的實體。對于這種波能單元，優(yōu)化被波能單元吸收的波能的量以及被作為電能供應(yīng)的波能的量是重要的。這包括與系統(tǒng)的機械以及電氣方面相關(guān)的考慮。被波能單元吸收的功率的多少依賴于能量系統(tǒng)的水力參數(shù)和阻尼因子。浮體決定水力參數(shù)和負載，與發(fā)電機和海上纜線一起形成阻尼因子。當波能單元的固有頻率與波浪頻率一致時，實現(xiàn)高的功率捕獲比，功率捕獲比被定義為所提取的功率除以投射在浮體的截面上的功率的商。因此，期望的是，實現(xiàn)產(chǎn)生這種機械共振的波能單元的設(shè)計。然而，必須考慮的各種參數(shù)和系統(tǒng)必須滿足的各種其他需求使得通過該系統(tǒng)的機械部件的設(shè)計來優(yōu)化功率捕獲比是非常復(fù)雜的。本發(fā)明的焦點在于系統(tǒng)的電氣部件上。眾所周知，在涉及電容器和電感器的電路中的電共振能夠產(chǎn)生高的電壓和高的功率(所謂的無功功率)。然而，由于這可對傳統(tǒng)發(fā)電機和其他電力部件都帶來損害，因而在電氣系統(tǒng)和電網(wǎng)中通常避免電共振。因此，在克服電路中電共振的不利影響方面存在改進功率轉(zhuǎn)換的巨大潛力。本發(fā)明的目的因而在于提高可被用作波能單元以產(chǎn)生電能的電氣設(shè)備的功率捕獲比。

發(fā)明內(nèi)容
由于在引言中所描述的特定種類的電氣設(shè)備包括特定的特征，即，電源電路(下文中也稱為電橋接電路，或僅稱為橋接電路)包括具有用于與繞組的阻抗產(chǎn)生共振的電容的電容器裝置，因而本發(fā)明的上述目的得以實現(xiàn)。

當0)=+時發(fā)生電共振。然而，指定用于橋接電路的共振應(yīng)當被解釋為不僅意味著精確的共振，還意味著與該值高達10%的偏差。共振還導(dǎo)致發(fā)電機的高阻尼。如果部件的尺寸足夠，該共振將提高系統(tǒng)的功率捕獲比。利用本發(fā)明所獲得的電共振從而提供有效的且不如用于提供與波浪頻率產(chǎn)生共振的機械措施復(fù)雜的替代方案，或者建立對這樣的機械措施的補充。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，橋接電路進一步包括具有一個或多個半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置。在共振時產(chǎn)生的高無功功率從而至少部分地可被用作有功功率。通常，諧振電路中的無功功率將僅僅在電感與電容之間往返。通過在橋接電路中提供用于相位控制的半導(dǎo)體，相反，可將該功率的一部分引導(dǎo)至負載并進行利用。這將進一步導(dǎo)致電氣設(shè)備的功率輸出增大。根據(jù)另一實施例，半導(dǎo)體裝置包括一個或多個二極管。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，半導(dǎo)體裝置包括一個或多個晶體閘流管。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，半導(dǎo)體裝置包括一個或多個絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因此可在橋接電路中使用無源元件或有源元件，其中，成本方面和品質(zhì)方面將決定使用哪一種。當然，二極管、晶體閘流管和IGBT可組合地使用。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，橋接電路包括連接至負載的第一分支、第二分支和第三分支，第一分支具有與負載并聯(lián)的電容器，第二分支和第三分支分別具有兩個半導(dǎo)體，這些半導(dǎo)體全部布置在相同方向上，并且繞組分別在兩個半導(dǎo)體之間連接至第二分支以及在兩個半導(dǎo)體之間連接至第三分支。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，橋接電路包括連接至負載的第一分支和第二分支，第一分支具有第一電容器和第一半導(dǎo)體，第二分支具有第二電容器和第二半導(dǎo)體，繞組在第一電容器與第一半導(dǎo)體之間連接至第`一分支并且在第二電容器與第二半導(dǎo)體之間連接至第二分支，并且其中，第一電容器和第二半導(dǎo)體通過第三半導(dǎo)體連接至負載，并且第一半導(dǎo)體和第二電容器通過第四半導(dǎo)體連接至負載。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，橋接電路包括繞組通過其連接至負載的IGBT，并進一步包括與IGBT并聯(lián)的第一分支和與繞組并聯(lián)的第二分支，所述第一分支和第二分支每個均包含電容器，并且其中，在第一分支與第二分支之間設(shè)置有半導(dǎo)體。與橋接電路的布局相關(guān)的上述實施例全部使得否則將作為無源功率而損失的功率非常有效地轉(zhuǎn)換成負載處的有源功率。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，繞組為多相繞組，諸如三相繞組。因此，所述電氣設(shè)備將容易地適于將能量供應(yīng)至電網(wǎng)(grid)。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，橋路連接至電負載。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，電氣設(shè)備包括變壓器、發(fā)電機和/或高壓直流(HVDC)纜線。根據(jù)另一優(yōu)選實施例中，繞組為發(fā)電機的定子繞組，并且在繞組中感應(yīng)電流的裝置為發(fā)電機的活動部分上的磁體。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，電氣設(shè)備包括由風或海浪提供動力的驅(qū)動源，該驅(qū)動源與發(fā)電機的活動部分傳動連接。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，發(fā)電機為以往復(fù)式平動子作為活動部分的線性發(fā)電機。根據(jù)另一優(yōu)選實施例，驅(qū)動源為通過柔性連接裝置而機械地連接至平動子的浮體。
本發(fā)明還涉及一種波能設(shè)施，該波能設(shè)施包括多個根據(jù)本發(fā)明(特別是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例中的任一者)的電氣設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種電網(wǎng)，該電網(wǎng)包括與根據(jù)本發(fā)明(特別是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例中的任一者)的電氣設(shè)備的連接。在本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明的電氣設(shè)備用于產(chǎn)生電力并將該電力供應(yīng)給電網(wǎng)。在本發(fā)明的第三個方面，由于在引言中所描述的特定種類的方法包括在橋接電路中布置電容器裝置的具體措施，該電容器裝置具有適于與繞組的電感產(chǎn)生共振的電容器，因而所述目的得以實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例，利用根據(jù)本發(fā)明(特別是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的任一者)的電氣設(shè)備來實行所述方法。本發(fā)明的波能設(shè)施、本發(fā)明的電網(wǎng)、本發(fā)明的用途以及本發(fā)明的方法全部具有與本發(fā)明的電氣設(shè)備及已在上文中描述的優(yōu)選實施例的優(yōu)點相對應(yīng)的優(yōu)點。本發(fā)明的上述優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中描述。應(yīng)當理解的是，其他優(yōu)選實施例當然可由以上優(yōu)選實施例的任意可能的組合組成并且可由這些優(yōu)選實施例以及在以下實例的描述中說明的特征的任意可能的組合組成。將通過以下本發(fā)明實例的詳細描述并且參照附圖來進一步闡述本發(fā)明。附圖簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā) 明的電氣設(shè)備的側(cè)視圖，這里用波能單元代表所述電氣設(shè)備。圖2是穿過圖1中電氣設(shè)備的發(fā)電機的一部分細節(jié)的剖面。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實例的橋接電路。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實例的橋接電路。圖5-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明其他實例的橋接電路。圖8示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的波能設(shè)施。
具體實施例方式圖1是根據(jù)本發(fā)明的電氣設(shè)備的示意性側(cè)視圖，該電氣設(shè)備適于為在海上操作的波能單元。浮體I漂浮在海面上并通過連接裝置3 (諸如纜線、線、繩、鏈等)連接至錨定在海床處的線性發(fā)電機2。在附圖中，發(fā)電機附接在海床處。然而，應(yīng)當理解的是，發(fā)電機可位于海床上方并且以其他某種方式錨定。線性發(fā)電機2具有帶有繞組的定子5和帶有磁體的平動子6。平動子6能在定子5內(nèi)上下往復(fù)運動從而在定子繞組中產(chǎn)生電流，該電流通過纜線11轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)。平動子6包括桿7，線3附接至該桿。當浮體I由于海面的波浪運動而被迫向上移動時，浮體會將下面的平動子6向上拉動。當浮體之后向下移動時，平動子6將通過重力向下移動?？蛇x地但優(yōu)選地，作用在平動子6上的彈簧(未示出)等提供了額外的向下的力。圖2示出了平動子6和定子5之間的配合。附圖僅分別示出了平動子6和定子5的一部分。在平動子6上設(shè)置有多個永磁體14，所述多個永磁體在平動子6的表面上沿著多個豎直行分布并面向定子5。附圖僅不出了這些行中的一行上的一些磁體。定子5具有多個繞組槽15，繞組槽面向磁體14并且繞組12容納在其中。
隨著平動子上下移動，磁體14相對于繞組12行進，從而由于磁通量Φ改變而在
其中感應(yīng)出電流。電壓將為V,其中η為槽15中的繞組匝數(shù)。用于使磁體14移
M
動與兩個相鄰磁體14的中部之間的豎直距離相對應(yīng)的距離的行進時間決定電壓的頻率。定子5的繞組設(shè)置有通過纜線11連接至負載的橋接電路。橋接電路具有被布置為在橋接電路中建立共振的部件。圖3-圖7示出了用于這種橋接電路的布局的一些實例。在圖2中示出了第一實例，示出了根據(jù)本發(fā)明的以其最簡單形式的橋接電路100。具有電阻R和阻抗L的定子繞組12通過兩個二極管102、103連接至負載13。電容器101并聯(lián)至定子繞組12。電容器101具有這樣的電容，該電容被調(diào)諧成用于在由平動子6移動與平動子6上的兩個相鄰磁體之間的距離相對應(yīng)的距離的行進時間決定的頻率下與繞組12的電感L共振。為了降低通過共振產(chǎn)生的無功功率，橋接電路實際上應(yīng)該比圖2的實例更復(fù)雜。在圖3中示出了這種橋接電路的實例。在該實例中，橋接電路具有連接至負載13的三個分支206、207、208。這些分支中的第一分支206具有用于產(chǎn)生共振的電容器201。其他兩個分支207、208中的每個均具有兩個二極管202、203 ;204、205，通過這些二極管使無功功率降低并將其用于負載13。繞組在相應(yīng)分支207、208中的兩個二極管202、203 ;203、205之間連接至第二分支和第三分支中的每一個。在圖4中示出了另一實例。橋接電路300具有IGBT304，繞組12通過該IGBT連接至負載13。第一電容器301在第一分支305中與IGBT304并聯(lián)。第二電容器302在第二分支306中與繞組12并聯(lián)。二極管303位于兩個分支305、306之間的橋接電路中。在圖5中示 出了又一實例。橋接電路400包括兩個分支407、408。第一分支407具有第一電容器401和第一二極管403。第二分支408具有第二電容器402和第二二極管。繞組12在第一分支的電容器401與二極管403之間連接至第一分支407并在第二分支的電容器402與二極管404之間連接至第二分支408。第三二極管405將第一分支407的電容器401和第二分支408的二極管404連接至負載13。第四二極管406將第二分支408的電容器402和第一分支407的二極管403連接至負載13。應(yīng)當理解的是，上述實例中的一些或全部二極管可由其他種類的無源或有源半導(dǎo)體替代。進一步地，橋接電路的所示布局僅為實例，并且應(yīng)當理解的是，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可采用各種其他布局，還包括具有比示出實例中更多數(shù)量的電容器和/或半導(dǎo)體的布局。每個電容器可僅為單個電容器，但應(yīng)當理解的是，術(shù)語電容器還可指電容器組。橋接電路還可包括用于測量、控制、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換以及類似目的的附加部件。上述的實例全部僅示出了一相，以便簡化描述。實際上，橋接電路通常將布置用于三相。圖6示意性示出了橋接電路500的三相應(yīng)用的實例。圖7以俯視圖的方式示意性示出了具有多個上述種類的電氣設(shè)備的波能設(shè)施。這些單元的發(fā)電機2全部連接至水下開關(guān)裝置30，該水下開關(guān)裝置連接至電網(wǎng)40。已通過測試來證實本發(fā)明的具有產(chǎn)生共振的橋接電路的電氣設(shè)備的功能，下面簡要地描述。利用適于作為具有重力是32000Ν的平動子的波能單元的電氣設(shè)備來實行測試。因此，平動子的力為提升力減去32000Ν。作為參照，對純電阻性負載進行測試，結(jié)果如下，其中，所有的值均代表最大值。
權(quán)利要求
1.一種電氣設(shè)備，包括繞組、用于在所述繞組中感應(yīng)電流的裝置以及電橋接電路，其特征在于，所述電橋接電路包括電容器裝置，所述電容器裝置具有適于與所述繞組的阻抗產(chǎn)生共振的電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣設(shè)備，其中，所述橋接電路(100-500)進一步包括具有一個或多個半導(dǎo)體的半導(dǎo)體裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電氣設(shè)備，其中，所述半導(dǎo)體裝置包括一個或多個二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電氣設(shè)備，其中，所述半導(dǎo)體裝置包括一個或多個晶體閘流管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述半導(dǎo)體裝置包括一個或多個絕緣柵雙極晶體管(IGBT )。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述橋接電路(200)包括連接至電負載(13)的第一分支(206)、第二分支(207)和第三分支(208)，所述第一分支(206)具有與所述電負載(13)并聯(lián)的電容器(201)，所述第二分支(207)和第三分支(208)每一個均具有兩個半導(dǎo)體(202、203 ;204、205)，并且所述繞組(12)分別在所述兩個半導(dǎo)體(202、203)之間連接至所述第二分支(207)、以及在所述兩個半導(dǎo)體(204、205)之間連接至所述第三分支(208)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述橋接電路(400)包括連接至所述電負載(13)的第一分 支(407)和第二分支(408)，所述第一分支(407)具有第一電容器(401)和第一半導(dǎo)體(403)，所述第二分支(408)具有第二電容器(402)和第二半導(dǎo)體(404)，所述繞組(12)在所述第一電容器(401)與所述第一半導(dǎo)體(403)之間連接至所述第一分支(407)并且在所述第二電容(402)與所述第二半導(dǎo)體(404)之間連接至所述第二分支(408)，并且其中，所述第一電容器(401)和所述第二半導(dǎo)體(404)通過第三半導(dǎo)體(405)連接至所述負載(13)，并且所述第一半導(dǎo)體(403)和所述第二電容器(402)通過第四半導(dǎo)體(406 )連接至所述負載(13)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述橋接電路(300)包括IGBT(304)，所述繞組(12)通過所述IGBT連接至電負載(13)，并且所述橋接電路進一步包括與所述IGBT (304)并聯(lián)的第一分支(305)以及與所述繞組(12)并聯(lián)的第二分支(306)，所述第一分支(305)和所述第二分支(306)每個均包括電容器(301、302)，并且其中，在所述第一分支(305)與所述第二分支(306)之間設(shè)置有半導(dǎo)體(303)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述繞組(12)為多相繞組。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電氣設(shè)備，其中，所述繞組為三相繞組。
11.根據(jù)權(quán)利要求ι- ο中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述橋路連接至電負載。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的電氣設(shè)備，其中，所述電氣設(shè)備包括變壓器、發(fā)電機和/或HVDC纜線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電氣設(shè)備，其中，所述電氣設(shè)備包括發(fā)電機，所述繞組為所述發(fā)電機的定子繞組，并且用于在所述繞組中感應(yīng)電流的裝置為所述發(fā)電機的活動部分上的磁體。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電氣設(shè)備，其中，所述電氣設(shè)備包括由風或海浪提供動力的驅(qū)動源，所述驅(qū)動源與所述發(fā)電機的所述活動部分驅(qū)動連接。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電氣設(shè)備，其中，所述發(fā)電機為以往復(fù)式平動子作為所述活動部分的線性發(fā)電機。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電氣設(shè)備，其中，所述驅(qū)動源為通過柔性連接裝置機械地連接至所述平動子的浮體。
17.一種波能設(shè)施，其特征在于，所述波能設(shè)施包括多個根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的電氣設(shè)備。
18.一種電網(wǎng)，其特征在于，所述電網(wǎng)包括將所述電網(wǎng)連接至至少一個根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項所述的電氣設(shè)備的連接線路。
19.一種根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的電氣設(shè)備的用途,其特征在于,所述電氣設(shè)備用于產(chǎn)生電能并將所述電能供應(yīng)給電網(wǎng)。
20.一種用于控制電繞組的方法，在所述繞組中感應(yīng)電流，其特征在于，將所述繞組連接至包括電容器裝置的電橋，并且使所述電容器裝置的電容適于與所述繞組的阻抗產(chǎn)生共振。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，利用根據(jù)權(quán)利要求1-16中任一項所述的電氣設(shè)備來執(zhí)行所述方法·。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電氣設(shè)備，該電氣設(shè)備具有繞組(12)和用于在繞組中感應(yīng)電流的裝置。橋接電路(400)將繞組(12)電連接至負載(13)。根據(jù)本發(fā)明，橋接電路(400)包括電容器裝置(401、402)，所述電容器裝置適于與繞組(12)的阻抗產(chǎn)生共振。
文檔編號F03B13/18GK103249943SQ201080070590
公開日2013年8月14日 申請日期2010年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月9日
發(fā)明者馬茨·萊永, 切奇莉·博斯特倫, 米卡埃爾·埃里克松 申請人:西貝斯特公司