專利名稱：轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)連接到公共電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電的領(lǐng)域，特別是風(fēng)力渦輪機(jī)和包括用于將電力輸送到公共電網(wǎng)的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
具有可變轉(zhuǎn)子速度的風(fēng)力渦輪機(jī)通過(guò)電力轉(zhuǎn)換器(converter)連接到公共電網(wǎng) (utility grid)，電力轉(zhuǎn)換器將發(fā)電機(jī)(通常經(jīng)由變速器耦合到葉片)生成的交流電轉(zhuǎn)換為具有可調(diào)頻率和振幅的直流電。對(duì)于高功率的應(yīng)用，通常都實(shí)施包括各種并聯(lián)互聯(lián)模塊的轉(zhuǎn)換器，它們?cè)试S在電網(wǎng)中電力傳輸?shù)母罂煽匦?。為了?shí)現(xiàn)最大可能的功率，這些轉(zhuǎn)換器模塊中的組件都是大于一般的；因?yàn)樽畲蠡墓β蕛H僅在非常偶然的機(jī)會(huì)會(huì)被在電網(wǎng)中傳輸，為了保證變換器中每個(gè)工作點(diǎn)的恰當(dāng)管理需要最優(yōu)化各個(gè)模塊。特別是，在可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)的情況下，其中發(fā)電機(jī)生成的功率直接依賴于風(fēng)力速度，將高品質(zhì)的電力發(fā)送到配電網(wǎng)是復(fù)雜的過(guò)程。另外，電網(wǎng)變換器到配電網(wǎng)絡(luò)的連接產(chǎn)生了應(yīng)該被消除的諧振，因?yàn)榉駝t的話它們將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)中的錯(cuò)誤并帶來(lái)機(jī)器停
止工作?，F(xiàn)有技術(shù)中已知不同的策略用于啟用和停用功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器模塊，這試圖解決諧振的出現(xiàn)從而改進(jìn)轉(zhuǎn)換器的效率和可靠性。并聯(lián)連接的模塊化轉(zhuǎn)換器的開關(guān)策略的一個(gè)例子可以參見(jiàn)US專利 2008/00310M，其中描述了一個(gè)模塊化轉(zhuǎn)換器包括至少兩個(gè)并聯(lián)耦合并由控制裝置控制的模塊。該發(fā)明通過(guò)在給定時(shí)間、即基于風(fēng)力和功率，連接盡可能多所需要的轉(zhuǎn)換器模塊，改進(jìn)了由于轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)器連接到電網(wǎng)而引起的電網(wǎng)上和聲的影響，它通過(guò)啟用或停用轉(zhuǎn)換器模塊以便將需要的功率發(fā)送到電網(wǎng)。另一個(gè)控制策略描述在歐洲專利EP1768223中，其提出了一種使用風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的方法，系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)換器模塊，模塊并聯(lián)連接且能夠?qū)l(fā)電機(jī)生成的電功率轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)適用的電功率。該方法響應(yīng)于發(fā)電機(jī)生成的電功率的可變量相關(guān)的參數(shù)，例如轉(zhuǎn)換器模塊組件的溫度、轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的參考表觀功率和參考有效功率、轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的參考電流、 發(fā)電機(jī)生成的表觀功率的測(cè)量值或發(fā)送到電網(wǎng)的表觀功率、發(fā)電機(jī)生成的或發(fā)送到電網(wǎng)的有效功率的測(cè)量值、發(fā)電機(jī)生成的電流的測(cè)量值或發(fā)送到電網(wǎng)的電流的測(cè)量值，來(lái)確定轉(zhuǎn)換器模塊的啟用/停用。此外，現(xiàn)有技術(shù)還設(shè)想了在短時(shí)間或延長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)斷開模塊的可能性并提出了通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)模式啟用/停用轉(zhuǎn)換器模塊，使得兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器彼此不同相，由此減少來(lái)自PWM的和聲組件，由此改進(jìn)應(yīng)用到公用電網(wǎng)的電壓信號(hào)的品質(zhì)。但是，這個(gè)方案有一個(gè)缺點(diǎn)任何時(shí)候需要改變連接的轉(zhuǎn)換器的數(shù)目并由此改變 PWM模式設(shè)定的開關(guān)相位差時(shí)，這種開關(guān)需要停止，不同的模塊必須以新的相位差重新配置，并重新連接。換句話說(shuō)，向電網(wǎng)發(fā)送電功率需要停止，因?yàn)閱⒂没蛲Ｓ靡粋€(gè)新的轉(zhuǎn)換器模塊將導(dǎo)致出現(xiàn)引起過(guò)電流警報(bào)的電流波峰，而風(fēng)力渦輪機(jī)將進(jìn)入緊急停止模式。這些停止將導(dǎo)致實(shí)質(zhì)性的發(fā)電損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換器的控制系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)并聯(lián)連接且能夠?qū)l(fā)電機(jī)生成的電功率轉(zhuǎn)換為公共電網(wǎng)適用的電功率的轉(zhuǎn)換器模塊，且該系統(tǒng)允許根據(jù)風(fēng)力速度增加或減少啟用的轉(zhuǎn)換器數(shù)量。本發(fā)明的另一目標(biāo)是提供一種控制方法，通過(guò)轉(zhuǎn)換器模塊的同步PWM連接，確保配電網(wǎng)絡(luò)中最小程度的諧振(harmonics)。本發(fā)明的另一目標(biāo)是保證將電力發(fā)送到配電網(wǎng)絡(luò)期間的轉(zhuǎn)換器模塊之間的動(dòng)態(tài)開關(guān)，而不會(huì)過(guò)電流保護(hù)停止，不會(huì)因?yàn)殡娋W(wǎng)需要而連接或斷開不同模塊而導(dǎo)致電壓峰值 (peak) ο為此，本發(fā)明包括連接到轉(zhuǎn)換器和風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)計(jì)算根據(jù)風(fēng)力速度和多個(gè)預(yù)設(shè)功率參數(shù)，計(jì)算需要連接以獲得給定功率的轉(zhuǎn)換器的數(shù)目，從而保證最大化的轉(zhuǎn)換器效率和可靠性。由此，并且基于啟用的模塊的數(shù)量，確定需要啟用/停用的轉(zhuǎn)換器模塊的數(shù)量，同時(shí)還計(jì)算用于需要保持啟動(dòng)的轉(zhuǎn)換器模塊的新的開關(guān)偏置?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)逐步的連續(xù)方式改變控制模塊的開關(guān)偏置(相位差)來(lái)重新配置啟用的控制模塊，保證在配電網(wǎng)中沒(méi)有電流峰值出現(xiàn)。通過(guò)以下附圖和實(shí)施例的幫助將更加詳細(xì)地描述本發(fā)明的這些和其他方面。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的連接到風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)換器的控制系統(tǒng)的實(shí)施例子。圖2A示出了沒(méi)有本發(fā)明控制系統(tǒng)的電網(wǎng)電流信號(hào)的圖表，圖2B示出了具有本發(fā)明控制系統(tǒng)的電網(wǎng)電流信號(hào)的圖表。圖3A示出了對(duì)于偏置變化對(duì)應(yīng)連接的轉(zhuǎn)換器模塊的數(shù)量改變的電網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)的圖表。圖IBB示出了與之前圖相關(guān)的發(fā)電機(jī)側(cè)電流信號(hào)的圖表。
具體實(shí)施例方式圖1示出了轉(zhuǎn)換器(1) (converter)，包括至少兩個(gè)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器模塊O)，它們并聯(lián)連接，轉(zhuǎn)換器連接到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(3)、將轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的信號(hào)連接到公共電網(wǎng)(5) 的變壓器⑷和電路開關(guān)(6)。轉(zhuǎn)換器(1)中的每個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊( 包括發(fā)電機(jī)接觸器(kgen)用于將發(fā)電機(jī)(3) 從轉(zhuǎn)換器模塊⑵的電子機(jī)構(gòu)斷開，電感器(2. 1)用于平滑發(fā)電機(jī)的電流，發(fā)電機(jī)換流器 (2. 2) (inverter)用于將發(fā)電機(jī)(3)的AC信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)，DC總線電容器(2. 3)用于濾波DC信號(hào)中的異變，制動(dòng)斬波器(chopper brake) (2. 4)用于消除殘余的電壓，電網(wǎng)側(cè)換流器(2. 5)用于將DC信號(hào)轉(zhuǎn)換為AC信號(hào)，電感器(2. 6)用于與電容器一起減小施加到公共電網(wǎng)( 的電壓信號(hào)中的諧振。
轉(zhuǎn)換器模塊( 還包括電網(wǎng)接觸器(kgen)用于將公共電網(wǎng)( 從轉(zhuǎn)換器模塊(2) 的電子組件斷開，和電路開關(guān)(2.8)用于在過(guò)電壓或過(guò)電流的情況下將公共電網(wǎng)(5)從轉(zhuǎn)換器模塊(2)斷開。根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，轉(zhuǎn)換器⑴連接到控制系統(tǒng)(7)，控制系統(tǒng)(7)連接到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)(3)，保證了轉(zhuǎn)換器⑴的有效操作和施加到公共電網(wǎng)(5)的電壓信號(hào)的品質(zhì)。在轉(zhuǎn)換器模塊(2)之前可以提供電能到公共電網(wǎng)(5)，它們需要從原始斷開狀態(tài)切換到最終完全工作狀態(tài)來(lái)啟用，這由控制系統(tǒng)(7)控制。每個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊O)的發(fā)電機(jī)側(cè)換流器(2. 2)和電網(wǎng)側(cè)換流器(2. 5)通過(guò)分別向發(fā)電機(jī)側(cè)換流器(2. 2)和電網(wǎng)側(cè)換流器(2. 5)的柵極施加作為脈寬調(diào)制(PWM)電壓信號(hào)的電啟動(dòng)信號(hào)來(lái)啟用，并通過(guò)施加作為零電壓信號(hào)的電停用信號(hào)來(lái)停用；這些是IGBT型的晶體管。從運(yùn)行狀態(tài)到關(guān)閉狀態(tài)變換的轉(zhuǎn)換器模塊O)的持續(xù)期間，或者相反的從關(guān)閉狀態(tài)到運(yùn)行狀態(tài)變換的持續(xù)期間可以設(shè)置為1秒和10秒之間。為了改進(jìn)轉(zhuǎn)換器⑴的效率，活動(dòng)的轉(zhuǎn)換器模塊(2)的數(shù)量需要適配于發(fā)電機(jī)⑶ 產(chǎn)生的實(shí)際電量。為此，控制系統(tǒng)(7)基于要產(chǎn)生的電流Ip 和轉(zhuǎn)換器實(shí)際電流I。。nv
(各個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊的全部實(shí)際電流的總和)之間的差計(jì)算動(dòng)態(tài)開關(guān)電流IDS。所述動(dòng)態(tài)開關(guān)電流Ids和與風(fēng)力速度相關(guān)的參數(shù)表之間的內(nèi)插值將確定需要啟用的轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。為了防止總是啟用/停用相同的模塊0)，控制系統(tǒng)(7)具有至少一個(gè)啟用隊(duì)列用以確定啟用和/或停用轉(zhuǎn)換器模塊O)的次序。此外，如果根據(jù)預(yù)設(shè)的啟用隊(duì)列，需要啟用下一個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊O)并且它已備用，控制系統(tǒng)(7)將根據(jù)啟用隊(duì)列啟用下一個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊⑵。另外，本發(fā)明的控制系統(tǒng)(7)通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)電網(wǎng)側(cè)換流器(2. 3)，由此可以減少PWM技術(shù)產(chǎn)生的諧振，因此保證兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊O)的脈寬調(diào)制(PWM)圖樣彼此不同相。這個(gè)相位差將依賴于根據(jù)發(fā)電機(jī)(1)生成的電量為保證轉(zhuǎn)換器(1)的效率而需要連接的轉(zhuǎn)換器模塊O)的數(shù)量?？刂葡到y(tǒng)(7)動(dòng)態(tài)調(diào)整從對(duì)于給定數(shù)量的啟用轉(zhuǎn)換器模塊O)的相位差X到與更多或更少數(shù)量的連接轉(zhuǎn)換器模塊( 的相位差Y的切換；為此，在啟用或停用對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器模塊之前，逐漸地增加或減少連接的轉(zhuǎn)換器模塊之間的相位差，從而保證在逐漸相位差變化過(guò)程中的持續(xù)切換并避免必須停止將電力發(fā)送到公共電網(wǎng)(5)，以及防止會(huì)產(chǎn)生警報(bào)和導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)停止的電流峰值出現(xiàn)。圖2A和2B分別示出了具有和不具有控制系統(tǒng)的電網(wǎng)電流信號(hào)，偏移變量(相位差)90°到180°，即對(duì)于4到2個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊的變化。如同從圖2A的圖表中可以看出的， 在不具有本發(fā)明控制系統(tǒng)的電網(wǎng)電流信號(hào)中，當(dāng)連接的轉(zhuǎn)換器模塊數(shù)量變化時(shí)，出現(xiàn)電流峰值，其將導(dǎo)致產(chǎn)生警報(bào)并使發(fā)電停止的過(guò)電流。圖2B示出了通過(guò)安裝有本發(fā)明控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器將電流信號(hào)發(fā)送到電網(wǎng)，在該電流信號(hào)中沒(méi)有看到電流尖峰。如上所示，控制系統(tǒng)(7)檢查發(fā)電機(jī)(3)產(chǎn)生的實(shí)際電量，基于預(yù)設(shè)的多個(gè)與存在的風(fēng)力速度相關(guān)的電參數(shù)，確定(7. 1)需要啟用的轉(zhuǎn)換器模塊O)的數(shù)量，設(shè)置(7. 2)需要啟用的轉(zhuǎn)換器模塊(2)之間的脈寬調(diào)制(PWM)相位差圖樣并通過(guò)斜坡信號(hào)逐漸改變(7. 3)啟用的轉(zhuǎn)換器模塊( 之間的相位差直到計(jì)算中確定的調(diào)制圖樣的相位差被達(dá)到(參見(jiàn)圖 3A 和;3B)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和公共電網(wǎng)之間耦合的轉(zhuǎn)換器控制電路，具有至少兩個(gè)并聯(lián)連接并由不同相脈寬調(diào)制圖樣啟用/停用的轉(zhuǎn)換器模塊，其特征在于，該控制系統(tǒng)(7)動(dòng)態(tài)地啟用或停用至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊(2)而不會(huì)從公共電網(wǎng)(5)斷開轉(zhuǎn)換器(1)，從而保持發(fā)送到公共電網(wǎng)(5)的電力品質(zhì)恒定且沒(méi)有顯著改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)通過(guò)脈寬調(diào)制圖樣改變啟用的轉(zhuǎn)換器模塊O)的數(shù)量，脈寬調(diào)制圖樣逐漸并持續(xù)地改變啟用的模塊的開關(guān)相位差，直到達(dá)到轉(zhuǎn)換器模塊( 新的開關(guān)相位差，并且保證通過(guò)模塊( 之間相位差的逐漸變化進(jìn)行的開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)基于發(fā)電機(jī)(3)產(chǎn)生的實(shí)際電量和與現(xiàn)有風(fēng)力速度相關(guān)的多個(gè)預(yù)設(shè)參數(shù)來(lái)確定啟用/停用的轉(zhuǎn)換器模塊(2) 的數(shù)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)確定轉(zhuǎn)換器模塊的至少一個(gè)啟用/停用隊(duì)列，其設(shè)置轉(zhuǎn)換器模塊(2)將被啟用/停用的次序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)連接在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)⑶和轉(zhuǎn)換器⑴之間。
全文摘要
風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和配電網(wǎng)絡(luò)之間耦合的轉(zhuǎn)換器控制系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)并聯(lián)的轉(zhuǎn)換器模塊，其由不同相脈寬調(diào)制模式啟用/停用?？刂蒲b置保證轉(zhuǎn)換器模塊的動(dòng)態(tài)開關(guān)，而不管至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊的啟用或停用，持續(xù)地將電力發(fā)送到配電網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H02J3/38GK102403729SQ20111027441
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者拉蒙·圣瑪利亞伊斯拉, 瑪爾塔·索托阿佩里貝, 羅薩·拉福加加略 申請(qǐng)人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司