[发明专利]频率转换器

说明书

发明领域

本发明通常涉及与涡轮机相关的频率转换器。更具体地，本发明涉及来自可变速涡轮机例如连接到他激式或永久磁铁同步机器的风力涡轮机的功率的调节。

发明背景及现有技术

当化石能源达到其最高产量和其可用性衰退时，与人类的不断增加的消费并驾齐驱，对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经如化石能源一样被开发。这是事实，特别是对于水力发电。换句话说，需要是针对新的可再生能源，例如，风能、太阳能、潮汐能或波浪能。这些能源的共同特点是它们是内在地周期性的或不可预测的，如潮汐流以及可能的太阳辐射，开发昂贵并且有时是易变的。

在以上提到的可再生能源中，风能到目前为止被证明为最可能有竞争力的。然而，它有大的安装成本和低的输出的负担。因此，趋势是朝着安装的每个单独的风力涡轮机的更高额定功率，以便最大化生产和因而最大化收入。因为风力涡轮机的最大理论功率与其翼梢形成的圆面积成比例，风车的功率与其物理尺寸成比例。这导致涉及将大和重的部件放置到高结构的顶部上、经历来自强风的难对付的猛推的结构挑战。此外，风车吊舱内的可用空间的量被限制。风力涡轮机可被放置在岸上或离岸放置。最近，研究和开发的焦点转移到离岸风力涡轮机。

涉及风能的另一个挑战是与风速相关的不可预测性。现今普通的大多数可变速风力涡轮机具有2-4m/s的所需风速、12-16m/s的最高产量风速，以及在25m/s范围内的切出速度。这个宽范围的操作条件使在电网和发电机之间的某种功率调节单元的使用成为必要。这对于本领域技术人员是明显的，因为直接连接到电网的例如在50Hz操作的同步发电机根据其结构仅能以3000、1500、1000、750rpm等旋转——参考还包括一些其它频率和速度替代项的图15。涡轮传动装置风速顺应的普通方式由Vestas Wind Systems公司在专利申请号EP1908163A1中被描述。频率转换器位于栅极变压器和发电机之间，其控制频率侧在发电机侧。这种解决方案实现了在被称为再生中断的模式中的机器的速度控制：风试图使发电机转子旋转得快于对应于所应用的控制频率的速度的发电机转子，感生出通过转换器馈送并经由DC链和逆变器进入电网的电流。如果来自叶片的转矩对于机器变得太大，转换器可提高频率并因此提高转子速度。

EP1416604A2公开了风车的电路。该电路包括具有转子和定子的驱动发电机。发电机的定子被分为单独的部分，并且每个部分被连接到独立的并联整流器电路，以及每个整流器电路被连接到独立的直流电路，该直流电路又被连接到至少一个独立逆变器的输入。最后，独立逆变器的输出被连接到供电网络。定子和独立的整流器以及逆变器的分割性给系统提供超静定性，这使在不必停止风车的整个操作的情况下执行对电路的维护成为可能，以及也提供更大的可靠性。

频率转换器被本领域技术人员所熟知，以及它们存在于具有不同特点、优点和缺点的许多种类的拓扑中。一种这样的频率转换器是由西门子取得专利权的在图1中说明的“完美和谐系列(Perfect harmony series)”。其特征在于包括单独的电池8，电池8包括三相整流器6和单相脉宽调制逆变器7。电池然后串联以形成如图1所示的因而产生的相之一的输出。每一列串联电池8为120°相移，并且因而产生的十分平稳的三相AC驱动同步或异步机器9。频率转换器25从具有一倍或多倍的三到五个引脚的隔离变压器10被馈电。在图1的情况中，它具有被分为四个组的12个三相“低压”绕组，每组包括到三个隔离的电池的二极管整流器的单独三相连接。在图1中示出的12个三相“低压”绕组具有不同的相移，以便提供“干净的功率输入”。电池组的脉宽调制通常被相移一些角度，以便对三相输出的因而产生的合成限制谐波含量。

另外一个频率转换器的例子为ABB的ACS5000，其被开发以满足被高达6.9KV的标准电动机驱动的增长数量的应用的要求。这类频率转换器在图2中被说明并且包括连接到主转换器部分的可选地集成的输入变压器15。主转换器部分包括串联连接的并连接到电动机的二极管整流器6、DC链电容器16和逆变器7。电动机可为具有永久磁铁或磁场绕组的感应或同步电动机。逆变器7具有电压源逆变器多电平无熔断(VSI-MF)拓扑(9电平线到线)，并使用集成栅极换向晶闸管(IGCT)半导体技术。在图2中示出的典型的变压器绕组相移和二极管整流器6都集中起来成为36脉冲二极管整流器，其最小化从电网引出的谐波。控制器17也包括在ACS5000中。