專利名稱：電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和方法，尤其是用于連接到AC電網(wǎng)的潮汐發(fā)電裝置的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
很多采用可再生能量的發(fā)電形式使用發(fā)電機(jī)，并使發(fā)電機(jī)以根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況而改變的速度來被驅(qū)動(dòng)。例如，風(fēng)カ渦輪機(jī)以依賴于風(fēng)速的速度驅(qū)動(dòng)其發(fā)電機(jī)，潮流渦輪機(jī)以依賴于水流的當(dāng)時(shí)速度的速度驅(qū)動(dòng)其發(fā)電機(jī)，而波能轉(zhuǎn)換器可包括以按循環(huán)方式變化的速度來驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。在這樣的情況下，來自發(fā)電機(jī)的電輸出的電壓和頻率不斷地變化。然而， 電網(wǎng)以固定的電壓和頻率操作，且以電網(wǎng)代碼體現(xiàn)的嚴(yán)格規(guī)章應(yīng)用于將連接到電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于大的發(fā)電系統(tǒng)例如潮流渦輪機(jī)的風(fēng)カ農(nóng)場(chǎng)和組，電網(wǎng)代碼一般包括下面的主要需求1.發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能夠通過具有獨(dú)立于當(dāng)時(shí)的風(fēng)速、潮汐速度等而修改其實(shí)際功率輸出的能力來促進(jìn)電網(wǎng)頻率的控制。2.發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能夠通過具有提供高達(dá)所供應(yīng)的實(shí)際電流的某個(gè)限定的部分的無功功率的能力來促進(jìn)電網(wǎng)電壓的控制。3.發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能夠產(chǎn)生具有正弦波形的電流。該電流應(yīng)沒有DC分量，且所有諧波和子諧波分量應(yīng)小于規(guī)定的上限。4.發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能夠在電網(wǎng)上的整個(gè)低電壓瞬時(shí)故障期間保持連接到電網(wǎng)，所以當(dāng)故障被清除時(shí)準(zhǔn)備繼續(xù)供應(yīng)功率。為了遵守這些規(guī)章中的第一個(gè)，大部分大的風(fēng)力渦輪機(jī)包括節(jié)距控制機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)由槳葉產(chǎn)生的高達(dá)相應(yīng)于當(dāng)時(shí)風(fēng)速的最大值的機(jī)械功率。為了遵守第二和第三個(gè)規(guī)章，來自發(fā)電機(jī)的功率通常使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)逆變器通過功率系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成50或60Hz固定頻率三相ac。為了遵守最后ー個(gè)規(guī)章，逆變器被控制以限制輸出電流而不是簡(jiǎn)單地?cái)嚅_，以保護(hù)逆變器免受短路。具有高達(dá)690Vrm線-線的輸出電壓額定值的適當(dāng)逆變器是可用的，該電壓是優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)電壓之一。較高的電壓是可能的，但它們以增加的成本、較低的效率和較低的調(diào)制頻率為代價(jià)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致被發(fā)送到電網(wǎng)的較高的諧波電流和因而對(duì)輔助濾波器的需要。使用經(jīng)由變壓器連接到電網(wǎng)的690V逆變器因此是正常的，該變壓器將電壓逐步增加到連接點(diǎn)處的電網(wǎng)電壓。對(duì)于基于陸地的風(fēng)カ渦輪機(jī)，這個(gè)裝置是令人滿意的。然而，對(duì)于所提出的潮流渦輪機(jī)，這個(gè)裝置呈現(xiàn)幾個(gè)困難。首先，位于海床上的潮流渦輪機(jī)將需要非常大和昂貴的海底外殼來容納所述形式的轉(zhuǎn)換設(shè)備。在設(shè)備中的任何故障將需要昂貴的海上操作來取回并更換該設(shè)備，且工作可能在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)被當(dāng)時(shí)天氣情況延遲。通常，將盡可能多的設(shè)備定位在電纜的接收端處因此是合乎需要的，該電纜將來自渦輪機(jī)的功率帶到海岸用于連接到電網(wǎng)或連接到容納從一組這樣的渦輪機(jī)接收功率的特殊變電站的離岸平臺(tái)。由于傳輸距離，使用適度地高的傳輸電壓以減小傳輸損失是優(yōu)選的。例如，經(jīng)由具有250mm2導(dǎo)體橫截面的雙芯電纜在5km的距離上以4%的傳輸損失傳輸5MW需要大約IOKV 的操作電壓。這個(gè)幅值的電壓可由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，所以存在在渦輪機(jī)處不需要電功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的系統(tǒng)的可能性。由于海底電纜及其安裝的高成本，所以有共享公共電纜的盡可能多的渦輪機(jī)是合乎需要的。如果每個(gè)渦輪機(jī)的電輸出是AC，則其輸出必須被同步，如果它們連接在一起。然而，如果渦輪機(jī)輸出是DC，則它們可安全地并聯(lián)連接，假定它們可在相同的電壓處操作。由于節(jié)距控制機(jī)構(gòu)在海底環(huán)境中的高成本和故障風(fēng)險(xiǎn)，所以使用具有固定節(jié)距槳葉的渦輪機(jī)是優(yōu)選的。由于簡(jiǎn)單性和效率，使用由沒有中間變速箱的渦輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)并使用發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的永久磁鐵勵(lì)磁是進(jìn)一步優(yōu)選的。AC輸出通過二極管容易并有效地轉(zhuǎn)換成DC，二極管可嵌在發(fā)電機(jī)繞組或接線盒中。渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度以及相關(guān)的輸出功率于是依賴于當(dāng)時(shí)的流量和渦輪機(jī)-發(fā)電機(jī)-二極管所饋送的DC系統(tǒng)的電壓。對(duì)一組潮汐渦輪機(jī)的優(yōu)選功率布置因此如

圖1所示，圖1示出了產(chǎn)生直流輸出 (經(jīng)由整流二極管12)的一系列渦輪發(fā)電機(jī)10。發(fā)電機(jī)10由一組短電纜14和一個(gè)較長(zhǎng)的電纜16并聯(lián)連接到接收臺(tái)18。接收臺(tái)18可以在岸上，或可以設(shè)置在用于維修設(shè)備的通路是可能的離岸平臺(tái)上。接收臺(tái)18的輸出連接到AD電網(wǎng)。用于將HVDC連接到AC功率的已知方法是通過使用晶閘管逆變器電路。圖2示出了具有晶閘管100的陣列的三相電流源晶閘管逆變器。在操作期間，DC電壓施加在端子A 兩端?？刂凭чl管100的點(diǎn)弧角的信號(hào)的相位交錯(cuò)，以便在端子X、Y和Z處提供三相AC信號(hào)。晶閘管逆變器提供效率和可靠性的組合以及相對(duì)廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。雖然已知電流源晶閘管逆變器用于HVDC到AC功率的轉(zhuǎn)換，但是電流源晶閘管逆變器通常不適合于電網(wǎng)連接，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生大振幅諧波電流并從電網(wǎng)提取無功功率。此外， 電流源晶閘管逆變器依賴于使電壓在晶閘管的導(dǎo)電期結(jié)束時(shí)關(guān)斷晶閘管的電網(wǎng)，所以它不能在低電壓電網(wǎng)故障期間操作。Michael Owen 的"Homopolar Electro-mechanical Rotary Power Converter (HERPC)" (IEEE Melecon 2004，2004 年 5 月 12-15 日，Dubrovnik，Croatia)公開了用于將高壓DC功率轉(zhuǎn)換成AC電網(wǎng)電源的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于接收高壓 DC功率輸入的線電壓輸入；用于將所述高壓DC功率輸入轉(zhuǎn)換成AC功率的轉(zhuǎn)換器模塊；同步電機(jī)，所述同步電機(jī)由所述轉(zhuǎn)換器模塊所提供的AC功率驅(qū)動(dòng)；以及可操作來提供AC輸出功率用于連接到電網(wǎng)電源的同步發(fā)電機(jī)，其中所述同步發(fā)電機(jī)由所述同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的目的是提供可在高DC電壓處操作并滿足電網(wǎng)代碼的所有需要的DC到AC 轉(zhuǎn)換器。發(fā)明概述因此，提供了根據(jù)權(quán)利要求1的特征部分的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)由同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此存在機(jī)械隔離級(jí)，其防止來自原始DC輸入信號(hào)或從所轉(zhuǎn)換的AC信號(hào)的任何諧波的饋通。雖然本發(fā)明主要打算用在潮汐渦輪機(jī)的陣列上，但是應(yīng)理解，它可在其它功率轉(zhuǎn)換環(huán)境例如離岸風(fēng)力渦輪機(jī)或波能轉(zhuǎn)換器中使用。此外，可實(shí)現(xiàn)具有相對(duì)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)的基于陸地的風(fēng)カ渦輪機(jī)，以用在根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)上。將理解，同步發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)直接連接到同步電機(jī)的軸，或可能有在電機(jī)和發(fā)電機(jī)之間耦合的任何適當(dāng)?shù)臋C(jī)械耦合。優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換器模塊包括多相晶間管橋式逆變器。多相晶閘管橋式逆變器的相的數(shù)量可被選擇為減小饋送到同步電機(jī)的諧波電流、 和/或波紋電流和反饋回線電壓輸入的電壓的效應(yīng)。優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換器模塊包括三相晶間管橋式逆變器。優(yōu)選地，所述同步電機(jī)的相數(shù)量等于多相晶閘管橋式逆變器中的相的數(shù)量。可選地，轉(zhuǎn)換器模塊還包括變壓器，變壓器用于將多相晶閘管橋式逆變器的輸出轉(zhuǎn)換成具有適合于驅(qū)動(dòng)所述同步電機(jī)的電壓的AC功率。優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括控制器，控制器可操作來通過調(diào)節(jié)晶間管橋式逆變器的相角以改變DC線電壓輸入來控制所述AC輸出功率的實(shí)際功率分量，以調(diào)節(jié)所述渦輪發(fā)電機(jī)的操作。當(dāng)晶閘管橋式逆變器操作被調(diào)節(jié)吋，這允許相關(guān)的渦輪發(fā)電機(jī)的DC線電壓的變化。線電壓的調(diào)節(jié)影響渦輪機(jī)的操作條件，且相應(yīng)地允許由轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供到電網(wǎng)的實(shí)際功率的調(diào)節(jié)。此外或可選地，所述同步電機(jī)是磁場(chǎng)繞組型同步電機(jī)，所述系統(tǒng)包括控制器，控制器可操作來通過調(diào)節(jié)同步電機(jī)的磁場(chǎng)繞組勵(lì)磁以改變DC線電壓輸入來控制所述AC輸出功率的實(shí)際功率分量，以調(diào)節(jié)所述渦輪發(fā)電機(jī)的操作。類似地，當(dāng)同步電機(jī)的激勵(lì)磁場(chǎng)變化吋，在電機(jī)端子處的AC電壓且因此DC線電壓改變，允許輸出AC功率的實(shí)際功率分量通過相關(guān)渦輪機(jī)的操作條件的調(diào)整而被調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括與所述同步電機(jī)并聯(lián)地設(shè)置的輔助負(fù)載電路，其中所述系統(tǒng)可操作來供應(yīng)由所述轉(zhuǎn)換器模塊提供到所述輔助負(fù)載電路的AC功率的至少一部分。輔助負(fù)載電路的提供意味著由相關(guān)的渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的任何過剩的功率可被放電到負(fù)載電路中，允許轉(zhuǎn)換系統(tǒng)滿足所需的電網(wǎng)條件。優(yōu)選地，輔助負(fù)載電路包括存儲(chǔ)來自所述轉(zhuǎn)換器模塊AC功率的儲(chǔ)能設(shè)備，其中所述儲(chǔ)能設(shè)備還可操作來選擇性地向所述同步電機(jī)提供存儲(chǔ)在設(shè)備中的AC功率。因?yàn)檩o助負(fù)載電路包括儲(chǔ)能設(shè)備，例如電池、飛輪、電容器等，因此由相關(guān)的渦輪機(jī)產(chǎn)生的過剩的功率可被存儲(chǔ)并提供到在后面的級(jí)處的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這可以是對(duì)潮汐渦輪發(fā)電機(jī)的情況，其中過剩的功率可在高潮流時(shí)期期間被存儲(chǔ)，并在低潮流期期間和/或?qū)﹄娋W(wǎng)的高需求期期間被釋放回到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(以及進(jìn)而擴(kuò)展到電網(wǎng))中。此外或可選地，輔助負(fù)載電路包括負(fù)載箱。負(fù)載箱可用作放棄多余的功率并確保轉(zhuǎn)換系統(tǒng)繼續(xù)滿足電網(wǎng)需求的有效方法。還提供了根據(jù)權(quán)利要求11的特征部分的用于將來自渦輪發(fā)電機(jī)高壓的DC功率轉(zhuǎn)換成AC電網(wǎng)電源的方法。優(yōu)選地，該方法包括通過改變DC功率輸入的線電壓來控制同步發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率輸出以調(diào)節(jié)所述渦流發(fā)電機(jī)的操作的另ー步驟。優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)換步驟包括控制多相晶間管橋式逆變器的相角，且其中所述控制步驟包括調(diào)節(jié)晶閘管橋式逆變器的相角以改變DC線電壓輸入。
此外或可選地，所述控制步驟包括調(diào)節(jié)同步電機(jī)的勵(lì)磁以改變DC功率輸入的線電壓。優(yōu)選地，該方法還包括當(dāng)同步發(fā)電機(jī)的輸出超出所需水平時(shí)將所述轉(zhuǎn)換的AC功率的至少一部分轉(zhuǎn)移到輔助負(fù)載電路的步驟。本發(fā)明的詳細(xì)描述現(xiàn)在將僅作為例子參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖1示出現(xiàn)有技術(shù)潮汐渦輪機(jī)的設(shè)置；圖2示出已知的晶閘管逆變器電路；圖3是根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的視圖；圖4是圖3的系統(tǒng)的第一增強(qiáng)的視圖；圖5是圖3的系統(tǒng)的第二增強(qiáng)的視圖；圖6是樣本渦輪機(jī)特征曲線的曲線圖；圖7是在具有不同的潮汐速度的陣列中操作的一組五個(gè)渦輪機(jī)的渦輪機(jī)特征曲線的曲線圖；圖8是還包括負(fù)載箱電路的圖3的系統(tǒng)的視圖；以及圖9是還包括儲(chǔ)能設(shè)備電路的圖3的系統(tǒng)的視圖。為了提供與適當(dāng)?shù)膶?shí)際和無功功率控制結(jié)合的具有所需隔離的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，功率由電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī)輸送到AC電網(wǎng)。從接收自ー個(gè)或多個(gè)渦輪機(jī)并轉(zhuǎn)換成適合于饋送到電機(jī)的形式的高壓直流電給電機(jī)供應(yīng)功率。參考圖3，通常在20示出了根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在輸入端子22處提供高壓DC(HVDC)功率。進(jìn)入的HVDC通過電流源晶閘管逆變器M轉(zhuǎn)換成AC。具有高達(dá)大約 8kV的電壓額定值的単獨(dú)的晶閘管是可用的。因此，圖3所示的電路將適合于具有高達(dá)大約 5kV的DC電壓的系統(tǒng)。所轉(zhuǎn)換的AC功率接著用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)26。因?yàn)檫M(jìn)入的HVDC功率通常對(duì)于是電機(jī)類型的實(shí)際選擇的DC電機(jī)在太高的電壓處，相應(yīng)地，圖3的裝置利用具有用于勵(lì)磁的常規(guī)磁場(chǎng)繞組或永久磁鐵的AC同步電機(jī)26。同步電機(jī)沈(軸27)的輸出耦合到同步發(fā)電機(jī)觀的輸入。同步發(fā)電機(jī)觀提供AC 輸出30，其可容易直接連接到AC電網(wǎng)。這樣的同步發(fā)電機(jī)可以具有與可能在由化石燃料供燃料的常規(guī)發(fā)電站中找到的相同的類型。這樣的發(fā)電機(jī)將滿足電網(wǎng)代碼的大部分要求，且在高達(dá)IGW的功率額定值的情況下是可用的。如上所述，通常，電流源晶閘管逆變器不適合于電網(wǎng)連接。然而，在本發(fā)明的系統(tǒng)中，電流源晶閘管逆變器未連接到電網(wǎng)，而是連接到同步電機(jī)，其提供必要的無功功率和用于按需要關(guān)斷晶閘管的電壓。此外，同步電機(jī)在很多程度上不被諧波電流影響。驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的同步電機(jī)的機(jī)械耦合提供了晶閘管逆變器與電網(wǎng)連接的不完整性的機(jī)械隔離。因此，圖3的系統(tǒng)提供了用于將HVDC轉(zhuǎn)換到AC電網(wǎng)電源的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。如上所述，圖3的系統(tǒng)將適合于具有高達(dá)大約5kV的DC輸入電壓的系統(tǒng)。然而， 如果最大DC輸入電壓高于這個(gè)值，例如高達(dá)10kV，則初始轉(zhuǎn)換級(jí)可能改變。例如，如可在圖 4中看到的，晶閘管橋M使用串聯(lián)的兩個(gè)晶閘管來構(gòu)建，允許較高的輸入電壓額定值?？蛇x地，關(guān)于圖5的電路，兩個(gè)或多個(gè)完整的晶閘管逆變器M可串聯(lián)連接在其DC輸入處，其AC輸出如圖5所示被組合為一對(duì)轉(zhuǎn)換變壓器32的輸入。變壓器32的AC輸出接著被組合，并作為輸入被提供到同步電機(jī)26。圖5所示的轉(zhuǎn)換變壓器32中的每個(gè)具有兩個(gè)分離的輸入繞組34，每個(gè)輸入繞組由專用逆變器橋接逆變器供應(yīng)，一個(gè)繞組3 是星形連接的，而另一繞組34b是三角形連接的。這兩個(gè)橋供應(yīng)在相位上相差30電度的電流，且在輸出繞組處的電流遵循12脈沖模式。 這具有比單個(gè)三相橋所產(chǎn)生的6脈沖模式小得多的諧波電流。用于減小整流器和晶閘管電路中的電流的諧波含量的這種布置避免與諧波電流相關(guān)的同步電機(jī)26中的一些損耗。圖3-5所示的系統(tǒng)使用三相逆變器，但按需要使用不同數(shù)量的相將是可能的。這可能是優(yōu)選的，以便限制饋送到同步電機(jī)沈的諧波電流或在DC系統(tǒng)上的波紋電流和電壓。將理解，雖然來自電流源晶閘管逆變器M的AC輸出可通過適當(dāng)連接的變壓器32 轉(zhuǎn)換成三相，可選地，同步電機(jī)26可配置成具有與逆變器M使用的相同數(shù)量的相。通常，晶閘管逆變器M需要具有超過輸入DC電壓的峰值的AC電壓。轉(zhuǎn)換變壓器 34因此在使晶閘管逆變器M的電壓與匹配相關(guān)電機(jī)沈的額定值的值匹配時(shí)具有另一目的。同步發(fā)電機(jī)28的旋轉(zhuǎn)速度耦合到AC電網(wǎng)的頻率。例如，連接到50Hz電網(wǎng)的兩極發(fā)電機(jī)必須以3000rpm旋轉(zhuǎn)，四極機(jī)器以1500rpm旋轉(zhuǎn)，六極機(jī)器以IOOOrpm旋轉(zhuǎn)，等等。優(yōu)選的機(jī)械布置是將電機(jī)26直接耦合到發(fā)電機(jī)觀，在這種情況下，電機(jī)沈以相同的速度旋轉(zhuǎn)。電機(jī)沈不必具有與發(fā)電機(jī)觀相同數(shù)量的極。類似地，在電機(jī)^WAC端子處的AC電流和電壓的頻率關(guān)聯(lián)到電機(jī)沈的旋轉(zhuǎn)速度。如果電機(jī)沈的極數(shù)和發(fā)電機(jī)觀的極數(shù)相等，且這兩個(gè)機(jī)器經(jīng)由軸27直接耦合來以相同的旋轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)，則在電機(jī)26的輸入處的電壓和電流的頻率等于ac電網(wǎng)的頻率——該布置允許對(duì)電機(jī)沈和發(fā)電機(jī)觀使用相同的機(jī)器。如果電機(jī)沈具有比發(fā)電機(jī)觀高的極數(shù)，則電機(jī)頻率高于電網(wǎng)頻率?？蛇x地，如果在電機(jī)沈和發(fā)電機(jī)觀之間的耦合使電機(jī)沈比發(fā)電機(jī)觀旋轉(zhuǎn)地更快(例如借助于變速箱)，則電機(jī)頻率將高于發(fā)電機(jī)頻率。相反，如果電機(jī)沈的極數(shù)小于發(fā)電機(jī)觀的極數(shù)，或如果電機(jī)沈的旋轉(zhuǎn)速度低于發(fā)電機(jī)觀的旋轉(zhuǎn)速度(由于在這兩個(gè)機(jī)器之間使用的耦合)，則電機(jī)頻率低于電網(wǎng)頻率。例如，驅(qū)動(dòng)連接到50Hz電網(wǎng)的四極發(fā)電機(jī)的六極電機(jī)將需要75Hz的供電頻率。 在以這種方式安排待升高的電機(jī)頻率時(shí)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，變壓器的物理尺寸和效率部分地取決于操作頻率。通過選擇適當(dāng)?shù)牟僮黝l率，轉(zhuǎn)換器變壓器34相應(yīng)地可被制造得更小和更有效。圖6示出了渦輪機(jī)特征曲線的例子。為了控制輸送到電網(wǎng)30的實(shí)際功率，DC電壓可被控制，這又影響相關(guān)渦輪機(jī)的操作條件和它們所輸送的功率。例如，如果電壓升高， 則每個(gè)渦輪機(jī)的速度將增加，導(dǎo)致根據(jù)一般渦輪特征產(chǎn)生的功率的改變。實(shí)際上，在一組渦輪機(jī)中，由于越過海床區(qū)域的流量的變化，每個(gè)渦輪機(jī)將受到與其它渦輪機(jī)不同的流量。因此，每個(gè)渦輪機(jī)具有功率相對(duì)于速度(且因而電壓)的不同特征，但該組作為整體具有功率相對(duì)于DC電壓的綜合特征。圖7示出一起操作但具有范圍從 1. 8到2. 6m/s的不同潮汐速度的五個(gè)渦輪機(jī)的例子。如果這些渦輪機(jī)并聯(lián)連接使得它們都在比如5kV處操作，則總功率將為大約2100kW。具有最高流量的渦輪機(jī)將在比最佳值稍微更低的電壓處操作，且具有最低流量的渦輪機(jī)將在比最佳值稍微更高的電壓(且因而速度)處操作。如果電壓升高到比如6kV，則總功率將減小到大約1900kW。將電壓升高到8kV 將總功率減小到小于1MW。電壓控制因此是按需要調(diào)節(jié)功率的適當(dāng)方式，用于與電網(wǎng)代碼的兼容?？赏ㄟ^饋送到所使用的晶閘管逆變器M的晶閘管柵極端子的轉(zhuǎn)換信號(hào)的相控制來調(diào)節(jié)DC電壓?？蛇x地，如果同步電機(jī)沈由常規(guī)磁場(chǎng)繞組激勵(lì)，那么同步電機(jī)沈的激勵(lì)可被控制，使得在其端子處的AC電壓以及依次對(duì)相關(guān)渦輪機(jī)呈現(xiàn)的DC線電壓被按需要調(diào)節(jié)。圖8示出另一可選的實(shí)施方案，其中可通過將過剩的功率丟棄到與同步電機(jī)沈并聯(lián)的輔助負(fù)載例如電阻負(fù)載箱36中來影響輸送到電網(wǎng)30的功率的控制。在圖8中，電阻負(fù)載箱36由半控制的晶間管橋式逆變器38控制，晶間管橋式逆變器38是對(duì)被控制的整流所需的一切。半控制的橋38使用同步電機(jī)沈的電壓來關(guān)斷橋38的晶閘管，并提供由橋38 吸收的無功功率?？蛇x地，如圖9所示，過剩的功率被提供到與電機(jī)沈并聯(lián)的儲(chǔ)能設(shè)備例如電池40， 電池40與適當(dāng)?shù)恼髌麟娐否詈?2。圖9所示的系統(tǒng)不僅滿足對(duì)功率控制的需要，而且還提供使用儲(chǔ)能系統(tǒng)(電池40)來在高潮流期期間從渦輪機(jī)吸收能量并在以后的時(shí)間將這個(gè)多余的功率提供到電網(wǎng)30的可能性。預(yù)期當(dāng)渦輪機(jī)產(chǎn)生高功率時(shí)的高潮流期常常不與對(duì)電網(wǎng)30的高需求的時(shí)期重合。儲(chǔ)能系統(tǒng)因此可增加所產(chǎn)生的能量的值，以及提供用于遵守電網(wǎng)代碼的功率和頻率規(guī)章方面的方式。此外，能量系統(tǒng)可通過操作在逆功率流配置中的同步電機(jī)26和發(fā)電機(jī)觀在潮流低時(shí)從電網(wǎng)30提取能量，由此電機(jī)沈作為發(fā)電機(jī)操作，反之亦然。在這種情況下， 能量可在低需求時(shí)從電網(wǎng)30被吸收而在高需求時(shí)返回。這提供了圖9的實(shí)施方案的另一額外的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明不限于本文所述的實(shí)施方案，而是可被修正或修改，而不偏離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于將來自渦輪發(fā)電機(jī)(10)的高壓DC功率轉(zhuǎn)換成AC電網(wǎng)電源(30)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(20)，所述系統(tǒng)包括線電壓輸入(22)，其用于接收高壓DC功率輸入；轉(zhuǎn)換器模塊04)，其用于將所述高壓DC功率輸入轉(zhuǎn)換成AC功率；同步電機(jī)( )，所述同步電機(jī)由所述轉(zhuǎn)換器模塊所提供的所述AC功率驅(qū)動(dòng)；以及同步發(fā)電機(jī)( )，其可操作來提供AC輸出功率用于連接到電網(wǎng)電源，其中所述同步發(fā)電機(jī)由所述同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，特征在于所述線電壓輸入0 專有地從一個(gè)或多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)(10)接收所述高壓DC功率輸入。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換器模塊04)包括多相晶閘管橋式逆變器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換器模塊04)包括三相晶閘管橋式逆變器。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述同步電機(jī)06)的所述相數(shù)量等于所述多相晶閘管橋式逆變器中的相的所述數(shù)量。
5.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)換器模塊04)還包括變壓器 (32)，所述變壓器用于將所述多相晶間管橋式逆變器的所述輸出轉(zhuǎn)換成具有適合于驅(qū)動(dòng)所述同步電機(jī)06)的相的AC功率。
6.如權(quán)利要求2-5中的任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)OO)還包括控制器，所述控制器可操作來通過調(diào)節(jié)所述晶閘管橋式逆變器04)的所述相角以改變所述DC線電壓輸入02)來控制所述AC輸出功率的所述實(shí)際功率分量，以調(diào)節(jié)所述一個(gè)或多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī) (10)的所述操作。
7.如任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述同步電機(jī)06)是磁場(chǎng)繞組型同步電機(jī)， 所述系統(tǒng)OO)包括控制器，所述控制器可操作來通過調(diào)節(jié)所述同步電機(jī)06)的所述磁場(chǎng)繞組勵(lì)磁以改變所述DC線電壓輸入02)來控制所述AC輸出功率的所述實(shí)際功率分量，以調(diào)節(jié)所述一個(gè)或多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)(10)的所述操作。
8.如任一前述權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)OO)還包括與所述同步電機(jī)06) 并聯(lián)地設(shè)置的輔助負(fù)載電路(36)，其中所述系統(tǒng)可操作來供應(yīng)由所述轉(zhuǎn)換器模塊04)提供到所述輔助負(fù)載電路(36)的所述AC功率的至少一部分。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述輔助負(fù)載電路(36)包括存儲(chǔ)來自所述轉(zhuǎn)換器模塊04)的AC功率的儲(chǔ)能設(shè)備(40)，其中所述儲(chǔ)能設(shè)備還可操作來選擇性地向所述同步電機(jī)(26)提供存儲(chǔ)在所述設(shè)備中的AC功率。
10.如權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述輔助負(fù)載電路(36)包括負(fù)載箱。
11.一種用于將來自一個(gè)或多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)(10)的高壓DC功率轉(zhuǎn)換成AC電網(wǎng)電源 (30)的方法，包括下列步驟提供高壓DC功率輸入02)；將所述高壓DC功率輸入02)轉(zhuǎn)換成AC功率；使用所述轉(zhuǎn)換的AC功率來驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)06)；使用所述同步電機(jī)06)的所述輸出來驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)( )，其中所述同步發(fā)電機(jī)可操作來輸出AC電網(wǎng)電源(30)；特征在于專有地從一個(gè)或多個(gè)渦輪發(fā)電機(jī)(10)提供所述高壓DC功率輸入02)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述方法還包括通過改變所述DC功率輸入02) 的所述線電壓來控制所述同步發(fā)電機(jī)08)的所述實(shí)際功率輸出以調(diào)節(jié)所述一個(gè)或多個(gè)渦流發(fā)電機(jī)的所述操作的步驟。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟包括控制多相晶間管橋式逆變器 (24)的所述相角，且其中所述控制步驟包括調(diào)節(jié)所述晶間管橋式逆變器的所述相角以改變所述DC線電壓輸入02)。
14.如權(quán)利要求12或權(quán)利要求13所述的方法，其中所述控制步驟包括調(diào)節(jié)所述同步電機(jī)06)的所述勵(lì)磁以改變所述DC功率輸入02)的所述線電壓。
15.如權(quán)利要求11-14中的任一項(xiàng)所述的方法，其中所述方法還包括當(dāng)所述同步發(fā)電機(jī)08)的所述輸出超出所需水平時(shí)將所述轉(zhuǎn)換的AC功率的至少一部分轉(zhuǎn)移到輔助負(fù)載電路(36)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于電功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)(20)和方法。該系統(tǒng)(20)預(yù)期用于將來自渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓DC功率輸出轉(zhuǎn)換成適合于連接到AC電網(wǎng)的AC功率信號(hào)。該系統(tǒng)(20)利用驅(qū)動(dòng)同步發(fā)電機(jī)(28)的同步電機(jī)(26)之間的機(jī)械耦合(27)以便提供隔離，以及允許通過該系統(tǒng)控制實(shí)際功率輸出。
文檔編號(hào)H02K47/02GK102577007SQ201080043233
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者D·塔弗, E·斯普納 申請(qǐng)人:開放水知識(shí)產(chǎn)權(quán)有限公司