[發明專利]頻率轉換器

有效

• 申請號: 200980146618.6
• 申請日: 2009-11-24
• 公開（公告）號: CN102224671A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: 歐雷·約翰·比耶克內斯;赫沃德·布雷斯坦
• 申請（專利權）人: 阿克工程及技術股份有限公司
• 主分類號: H02P9/08
• 分類號: H02P9/08;F03D7/02;H02J3/38;H02M7/49
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 周靖;鄭霞

發明領域

本發明通常涉及與渦輪機相關的頻率轉換器。更具體地，本發明涉及來自可變速渦輪機例如連接到他激式或永久磁鐵同步機器的風力渦輪機的功率的調節。

發明背景及現有技術

當化石能源達到其最高產量和其可用性衰退時，與人類的不斷增加的消費并駕齊驅，對可再生能的需要增加了。在很大程度上，容易可用的可再生能源已經如化石能源一樣被開發。這是事實，特別是對于水力發電。換句話說，需要是針對新的可再生能源，例如，風能、太陽能、潮汐能或波浪能。這些能源的共同特點是它們是內在地周期性的或不可預測的，如潮汐流以及可能的太陽輻射，開發昂貴并且有時是易變的。

在以上提到的可再生能源中，風能到目前為止被證明為最可能有競爭力的。然而，它有大的安裝成本和低的輸出的負擔。因此，趨勢是朝著安裝的每個單獨的風力渦輪機的更高額定功率，以便最大化生產和因而最大化收入。因為風力渦輪機的最大理論功率與其翼梢形成的圓面積成比例，風車的功率與其物理尺寸成比例。這導致涉及將大和重的部件放置到高結構的頂部上、經歷來自強風的難對付的猛推的結構挑戰。此外，風車吊艙內的可用空間的量被限制。風力渦輪機可被放置在岸上或離岸放置。最近，研究和開發的焦點轉移到離岸風力渦輪機。

涉及風能的另一個挑戰是與風速相關的不可預測性?，F今普通的大多數可變速風力渦輪機具有2-4m/s的所需風速、12-16m/s的最高產量風速，以及在25m/s范圍內的切出速度。這個寬范圍的操作條件使在電網和發電機之間的某種功率調節單元的使用成為必要。這對于本領域技術人員是明顯的，因為直接連接到電網的例如在50Hz操作的同步發電機根據其結構僅能以3000、1500、1000、750rpm等旋轉——參考還包括一些其它頻率和速度替代項的圖15。渦輪傳動裝置風速順應的普通方式由Vestas?Wind?Systems公司在專利申請號EP1908163A1中被描述。頻率轉換器位于柵極變壓器和發電機之間，其控制頻率側在發電機側。這種解決方案實現了在被稱為再生中斷的模式中的機器的速度控制：風試圖使發電機轉子旋轉得快于對應于所應用的控制頻率的速度的發電機轉子，感生出通過轉換器饋送并經由DC鏈和逆變器進入電網的電流。如果來自葉片的轉矩對于機器變得太大，轉換器可提高頻率并因此提高轉子速度。

EP1416604A2公開了風車的電路。該電路包括具有轉子和定子的驅動發電機。發電機的定子被分為單獨的部分，并且每個部分被連接到獨立的并聯整流器電路，以及每個整流器電路被連接到獨立的直流電路，該直流電路又被連接到至少一個獨立逆變器的輸入。最后，獨立逆變器的輸出被連接到供電網絡。定子和獨立的整流器以及逆變器的分割性給系統提供超靜定性，這使在不必停止風車的整個操作的情況下執行對電路的維護成為可能，以及也提供更大的可靠性。

頻率轉換器被本領域技術人員所熟知，以及它們存在于具有不同特點、優點和缺點的許多種類的拓撲中。一種這樣的頻率轉換器是由西門子取得專利權的在圖1中說明的“完美和諧系列(Perfect?harmony?series)”。其特征在于包括單獨的電池8，電池8包括三相整流器6和單相脈寬調制逆變器7。電池然后串聯以形成如圖1所示的因而產生的相之一的輸出。每一列串聯電池8為120°相移，并且因而產生的十分平穩的三相AC驅動同步或異步機器9。頻率轉換器25從具有一倍或多倍的三到五個引腳的隔離變壓器10被饋電。在圖1的情況中，它具有被分為四個組的12個三相“低壓”繞組，每組包括到三個隔離的電池的二極管整流器的單獨三相連接。在圖1中示出的12個三相“低壓”繞組具有不同的相移，以便提供“干凈的功率輸入”。電池組的脈寬調制通常被相移一些角度，以便對三相輸出的因而產生的合成限制諧波含量。

另外一個頻率轉換器的例子為ABB的ACS5000，其被開發以滿足被高達6.9KV的標準電動機驅動的增長數量的應用的要求。這類頻率轉換器在圖2中被說明并且包括連接到主轉換器部分的可選地集成的輸入變壓器15。主轉換器部分包括串聯連接的并連接到電動機的二極管整流器6、DC鏈電容器16和逆變器7。電動機可為具有永久磁鐵或磁場繞組的感應或同步電動機。逆變器7具有電壓源逆變器多電平無熔斷(VSI-MF)拓撲(9電平線到線)，并使用集成柵極換向晶閘管(IGCT)半導體技術。在圖2中示出的典型的變壓器繞組相移和二極管整流器6都集中起來成為36脈沖二極管整流器，其最小化從電網引出的諧波?？刂破?7也包括在ACS5000中。