[發(fā)明專利]用于發(fā)電應用的低成本電流源變流器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110178658.8
• 申請日: 2011-06-21
• 公開（公告）號: CN102709933A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設計）人: 戴景婭;納維德·R·扎加里;吳斌;許德偉;汪家城
• 申請（專利權）人: 洛克威爾自動控制技術股份有限公司
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 朱勝;陳煒

技術領域

本發(fā)明涉及變流器拓撲和電力轉換系統(tǒng)，更具體地，涉及用于發(fā)電應用的低成本和低復雜度的電力轉換系統(tǒng)。

背景技術

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，諸如風能、燃料電池、太陽能等，具有重要意義。用于把風生成的能量提供給電力網的基于風的能量轉換系統(tǒng)正經歷大規(guī)模發(fā)展并日益流行。特別地，風能轉換系統(tǒng)把風的動能轉換成電或其它形式的能量。此外，風能的利用是快速增長的發(fā)電技術，其被認為是環(huán)境友好的發(fā)電方式。

典型的風能轉換系統(tǒng)(WECS)的主要部件包括風力渦輪機、發(fā)電機、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、永磁體同步發(fā)電機和/或感應發(fā)電機(例如，用于風力渦輪機的鼠籠型和繞線轉子型發(fā)電機)。此外，互連裝置包括可以實現(xiàn)電力控制、平穩(wěn)啟動以及互連功能的電力變流器。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)拓撲可用于基于VSC和CSC的WECS。通常，基于VSC的拓撲包括：包括二極管整流器、升壓變流器以及脈寬調制(PWM)電壓源逆變器(VSI)的互連系統(tǒng)，或者包括二極管整流器連同PWM?VSI的互連系統(tǒng)，或者包括背對背PWM?VSI的互連系統(tǒng)。此外，傳統(tǒng)的基于CSC的拓撲包括：采用二極管整流器和相控可控硅換流器(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)拓撲包括用在發(fā)電機側變流器中的大量昂貴有源半導體器件。在采用二極管整流器連同PWM?VSI的其它傳統(tǒng)拓撲中，利用可能增加系統(tǒng)和控制的成本和復雜度的升壓電路。

發(fā)明內容

以下給出簡要概述以便提供本發(fā)明的一些方面的基本理解。該概述并非泛泛概括，也并非要標識重大或關鍵元件或描繪本發(fā)明的范圍。其僅是為了以簡化形式給出一些概念，作為后面給出的更詳細描述的前序。

電流源逆變器(CSI)的升壓特性適合風能轉換系統(tǒng)(WECS)的本質。鑒于此，此處公開了與脈寬調制(PWM)CSI一起利用二極管和/或相控晶閘管整流器的用于風力發(fā)電應用的低成本拓撲。此外，低成本器件(諸如但不限于二極管橋、晶閘管橋、或二極管與晶閘管的組合等)被利用作為發(fā)電機側變流器以及PWM?CSI被用作電網側變流器。

在一個方面，此處公開了用于發(fā)電應用的低成本拓撲。特別地，所公開的發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(例如，永磁體同步發(fā)電機)以將動能轉換成電能。通過采用二極管整流器、晶閘管整流器和/或包括二極管與晶閘管的組合的電路將所生成的電能轉換成直流(DC或dc)電流。在dc電流被提供作為PWM?CSI的輸入之前，dc電流經過dc鏈路，例如電感器。PWM?CSI生成可被傳遞到公用電網的固定頻率和/或電壓輸出。

為了實現(xiàn)前述和相關內容，此處結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容。當結合附圖考慮時，根據(jù)以下詳細描述，其它優(yōu)點和新穎特征將變得清楚。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本說明書一個方面的基于全功率變流器的風能轉換系統(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(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示出采用脈寬調制(PWM)電流源逆變器(CSI)的示例電網側變流器電路。

圖4A示出利用二極管整流器和PWM?CSI的用于風能轉換的示例系統(tǒng)。

圖4B示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的利用以下拓撲的電力轉換的示例系統(tǒng)，該拓撲包括相控晶閘管整流器和PWM?CSI。

圖5示出描繪針對二極管整流器連同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)本說明書一個方面的在電力轉換期間采用多個發(fā)電機側變流器的示例系統(tǒng)。

圖9示出根據(jù)本發(fā)明一個方面的采用多個用于發(fā)電的發(fā)電機的示例系統(tǒng)。

圖10示出在長線纜應用中用于發(fā)電的示例系統(tǒng)。

圖11示出用于發(fā)電應用的示例低成本方法。

具體實施方式