[发明专利]具有激励器设备和不连接至电网的功率变换器的变速风机

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请要求2006年3月17日提交的美国临时申请第60/783029号和2006年6月30日提交的美国申请第11//477,593号的优先权，其全部内容通过引用包含于此。 

技术领域

本发明涉及变速风机(wind turbine)领域，更特别地涉及一种变速风机，包括：双馈感应发电机(DFIG，doubly fed induction generator)、激励器设备、不连接至电网的中间静态变换器、功率控制和桨距(pitch)调节。 

背景技术

在最近几年间，风力发电在世界范围内显著增长。即使在本领域中产业和技术已上升到成熟水平，仍广泛预测这种成长将在下一个十年中持续。随着风场规模的增大、以及风电装机容量的总基数持续增长，改善电能输出质量的重要性成为了风电研发者乃至使用顾客所面对的举足轻重的挑战。 

电力传输是将电传送至顾客的一个过程。电力传输系统经常被称作“电网”。输电公司必须满足从每一个输电线得到最大可靠容量的挑战。然而，由于对系统稳定性的考虑，实际容量可能低于线路的物理极限。因此，需要良好的清洁电源来改善系统稳定性。 

在多数应用中，风机发出电力并将电流馈入电网。这可能造成诸如稳态电压水平改变、动态电压变化、闪变(flicker)、注入非正弦波电流(即谐波)等局部电网电压的偏差。 

这些现象对于端用户设备和其它发电机或诸如变压器的连接至电网的部件可能是不希望的。随着电力容量的增加，出现了对于改善涡轮机输出的电能质量特性的明显需要。风机的电能质量影响取决于其所牵涉的技 术。尽管如此，风机制造商却不将电能质量作为主要设计特征来考虑。 

起初，最初的风机被设计为以固定转速工作。根据这种模型，风机的发电机直接连接至电网并以确定的速度工作，这允许非常小的速度变化。在异步发电机的情况下，仅允许发电机的滑差(slip)范围。滑差是转子的转速与定子的旋转磁场相比的差。发电机的滑差随着发电的量而略微变化，因此不完全是恒定的。此外，这些风机在正常工作期间需要启动电流限制策略和无功能量补偿元件。风湍流(turbulence)产生不希望的转矩变化，该转矩变化被直接传输至风机的驱动机构，因此传输至馈入电网的有功功率。 

保持旋转发电机速度与风速成比例的一种风机是变速风机。为了获得风机的最大效率，发电机转速适应波动的风速。这种风机包括连接至电网的电力电子变换器。由于这种接口，致使从涡轮机的电力电子变换器发出的谐波被馈入电网。 

目前，使用电力电子变换器的变速型风机已得到广泛使用。在美国专利第5,083,039号、美国专利第5,225,712号或美国已公开申请2005/0012339中描述了这种变速风机的示例。这些基于完全变换器系统的涡轮机包括发电机、发电机侧变换器、DC链路母线、以及连接至电网的有源变换器。发电机的可变频率能量通过发电机侧变换器传送至DC链路母线，稍后通过电网侧有源变换器变换成固定频率。一些缺点是所有完全变换器系统共有的。电网侧变换器的半导体有源开关将不希望的高频谐波注入电网。为了避免这些谐波引起问题，必须安装大量滤波器。此外，由于电网的不同阻抗值和先前存在的谐波，需要根据风场位置的特性对滤波器进行不同的调整。 

在美国专利第6,137,187号中描述了另一种变速风机。如图1所示，这种风机结构包括：双馈感应发电机(1)；包含转子侧有源变换器(5)、DC母线(8)和电网侧有源变换器(7)的功率变换器(4)。在这种结构中，总功率中只有极少的一部分通过变换器(5、7)传送至电网(9)。功率可以直接由定子(3)传送至电网(9)，同时转子(2)可以根据双馈感应发电机是处于次同步还是超同步操作而经由功率变换器(4)吸收功率或将功率供给电网(9)。转子的变速操作具有如下优点：许多更快的功率变化不传输至网络，而通过转子的飞轮动作使其变平滑。然而，使用连接至电网(9)的电力电子变换器(4)引起网络电压的谐波畸变。