用于控制水电涡轮机的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于控制水电涡轮机的操作的控制系统。所述控制系统包括转换器系统，其将由连接到所述涡轮机的发电机供应且具有为所述涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将所述AC电力传输到接收站的传输系统的电压和频率的AC电力。所述系统还包括控制单元，其被配置来与所述转换器系统协作以响应于通过所述涡轮机的水流速度而调整由所述发电机供应的所述AC电压，从而控制所述涡轮机的旋转。所述转换器系统包括第一级转换器和第二级转换器，其中所述第一级转换器与所述第二级转换器之间提供DC链路。所述第一级转换器被配置来将由所述发电机供应的所述AC电力转换成DC电力。所述第二级转换器被配置来将所述DC电力转换成所述AC电力以传输到所述接收站且所述第二级转换器是电压源逆变器类型。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制水电涡轮机的方法和系统专利
本专利技术涉及一种用于控制涡轮机的方法和系统，且特别地涉及一种用于对水电涡轮机提供控制以最佳化涡轮机的性能的方法和系统。专利技术背景水电涡轮机被公认为用于有效使用清洁且可再生能源的工具。安装在海中的水电涡轮机组利用由潮汐或由河口附近的河流引起的自然水流，从而产生电力提供给一般提供在海岸上的共用电网。接近安装在海中的涡轮机是昂贵又危险的。因此，在可能的情况下，优选地避免使用存在出现故障或磨损的任何风险的组件。因此，固定桨距涡轮机叶片优选地是具有可调桨距机构的叶片，直接耦接到涡轮机的低速发电机优选地是通过齿轮耦接的高速发电机，且发电机的永久磁铁励磁优选地是需要电刷和环滑或换向器的配置。在大部分情况下，涡轮机组包括大量涡轮机。假设涉及大量涡轮机，由连接到每个涡轮机的不同电力电缆将电力传递到海岸将是不切实际且不经济的。因此，被安装用来将电力传输到海岸的每根电力电缆被优选地配置来从多个涡轮机中收集电力。为了将大量电力从涡轮机组传输到海岸上的电网连接点(其通常可能与涡轮机相距几千米)，电力电缆在高电压下进行操作。然而，涡轮机内的电元件(诸如发电机绕组)通常被设计来在极低电压下进行可靠又经济的操作。此外，海底和附近海岸线的湍流和不规则地势造成水流速度差，且因此造成由单根电缆伺服的涡轮机组内的每个涡轮机处存在可用电力差。为了从水流中获取最大电力，应根据主导水流速度调整涡轮机组的每个涡轮机的旋转速度。因此，组内的涡轮机通常以不同速度进行操作且如果其配备永久磁铁发电机，那么便产生不同频率和电压的电力输出。因此本专利技术的目的是提供一种用于将由涡轮机产生的电力转换成可与电力传输系统兼容的形式以将电力传输到海岸同时确保涡轮机和作为整体的涡轮机组的性能最佳化的系统。专利技术概述根据本专利技术，提供了一种用于控制水电涡轮机的操作的控制系统，控制系统包括:转换器系统，其被配置来将由连接到涡轮机的发电机供应且具有为涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将AC电力传输到接收站的传输系统的电压和频率的AC电力；系统还包括控制单兀，控制单兀与转换器系统协作以响应于通过润轮机的水流速度而调整由发电机供应的AC电压，从而控制涡轮机的旋转。优选地，由发电机供应的AC电力具有与涡轮机的旋转速度成比例的电压和频率。优选地，转换器系统包括第一级转换器和第二级转换器，其中第一级转换器与第二级转换器之间提供DC链路，第一级转换器被配置来将由发电机供应的AC电力转换成DC电力，且第二级转换器被配置来将DC电力转换成AC电力以传输到接收站。替代地，转换器系统包括回旋转换器或矩阵转换器，其被配置来将由发电机供应的AC转换成AC电力以传输到接收站。优选地，DC链路包括用于感测DC电流的至少一个传感器且被配置来将与受感测DC电流相关联的信号提供给控制单元。优选地，DC链路包括用于感测DC电压的至少一个传感器且被配置来将与受感测DC电压相关联的信号提供给控制单元。优选地，第一级转换器包括整流器。优选地，整流器是三相相控整流器，且控制单元被配置来调整相控整流器的晶闸管触发信号的延迟角度。替代地，第一级转换器包括与二极管桥接器串联的晶闸管AC控制器。优选地，第二级转换器是相控电流源线换向逆变器。优选地，响应于水流速度小于额定值，控制单元被配置来调整第二级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电压设置成在DC链路处提供最佳DC电力值的值。优选地，响应于水流速度小于阈值，控制单元被配置来设置第一级转换器以使其表现为不受控整流器、确定DC链路电流、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且调整第二级转换器的操作以将DC链路电压设置成给所确定的DC链路电流提供最佳DC电力值的值。优选地，响应于水流速度超过额定值，控制单元被配置来调整第二级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电压设置成阈值DC电压值，且调整第一级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电流设置成用于将DC电力限制成最佳DC电力值的固定值。优选地，响应于水流速度超过阈值，控制单元被配置来调整第二级转换器以将DC链路电压设置成阈值DC电压值、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且调整第一级转换器以将DC链路电流设置成将DC电力限制成最佳DC电力值的固定值。替代地，第一级转换器和第二级转换器是电压源逆变器类型。优选地，第一级转换器是用作有源前端的电压源逆变器且被配置来运用固定电压DC链路进行操作。优选地，第一级转换器和第二级转换器是6-装置三相桥接器，每个装置包括开关和续流二极管。优选地，开关是选自半导体开关中的任何一个，诸如绝缘栅双极型晶体管IGBT、开关装置、集成栅极换流晶闸管(IGCT)或栅极关断(GTO)晶闸管。优选地，开关装置被配置来接收从控制单元接收的信号且根据所述信号进行操作。优选地，电容器与第一级转换器和第二级转换器的DC端子并联连接且被配置来在装置的开关的切换循环的周期内维持大体上恒定的DC链路电压。优选地，控制单元被配置来控制第一级转换器的装置，从而控制第一级转换器的AC输入处提供的电压。优选地，控制单元被配置来控制第一级转换器的装置以设置发电机端子处的电压的振幅和频率以及对应的有功和无功功率流。优选地，第一级转换器被控制来将根据电频率变化的AC电压提供给发电机使得生成的AC电流与发电机的绕组中引发的电磁力同相。优选地，控制单元被配置来通过切换传输到第二级转换器的装置的信号控制AC输出电压的振幅和频率来控制第二级转换器的AC输出电压。优选地，控制单元被配置来修改第一级控制器的装置的操作以调整第一级转换器的输入端子处的AC电压的频率以控制涡轮机的旋转。优选地，响应于水流速度小于阈值，控制单元被配置来确定DC链路电流、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且通过修改装置的切换次序调整第一级转换器的操作以将输入端子处的AC电压的频率调整成给所确定的DC链路电流提供最佳DC电力值的值。优选地，响应于水流速度超过阈值，控制单元被配置来确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且通过修改装置的切换次序调整第一级转换器的操作以将输入端子处的AC电压的频率调整成提供固定值以将DC电力限制成最佳DC电力值的值。优选地，阈值是正常操作流速或额定速度。优选地，控制系统被配置来与监管控制器协作以确定涡轮机的阈值。优选地，阈值是基于以下任何一个:涡轮机系统阵列内的每个涡轮机的性能水平、水流跨涡轮机阵列的方式和电网运营商偏好。优选地，每个涡轮机系统被连接到海岸的共同电缆。优选地，涡轮机的性能水平包括涡轮机阵列内的涡轮机系统的每个涡轮机的输出功率。优选地，还提供了一种涡轮机系统，所述涡轮机系统包括转换器系统且还包括连接到发电机的水电涡轮机，发电机被配置来将AC电力输出作为输入提供给控制系统。优选地，涡轮机具有固定叶片且发电机具有直接耦接的永久磁铁发电机。优选地，涡轮机系统还包括传输系统，其包括变压器，传输系统被配置来接收输出自控制系统的AC电力并将AC电力传输到海岸上提供的接收站。优选地,润轮机系统还包括提供在发电机的输出与转换器系统的输入之间的第一功率因子校正组件，以补偿转换器系统对发电机功率因子的影响。优选地，第一功率校正组件包括三个组件组，每个包括与电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制水电涡轮机（16）的操作的控制系统，所述控制系统包括：转换器系统（20），其被配置来将由连接到所述涡轮机（16）的发电机（18）供应且具有为所述涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将所述AC电力传输到接收站的传输系统（22）的电压和频率的AC电力；所述系统还包括控制单元（32），所述控制单元与所述转换器系统（20）协作以响应于通过所述涡轮机（16）的水流速度而调整由所述发电机供应的所述AC电压，从而控制所述涡轮机的旋转；其中所述转换器系统还包括第一级转换器（26）和第二级转换器（28），其中所述第一级转换器与所述第二级转换器之间提供DC链路（34），所述第一级转换器被配置来将由所述发电机（18）供应的所述AC电力转换成DC电力，且所述第二级转换器被配置来将所述DC电力转换成所述AC电力以传输到所述接收站；且其中所述第二级转换器是电压源逆变器类型。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.13 EP 11193224.0;2011.08.12 GB 1113932.61.一种用于控制水电涡轮机(16)的操作的控制系统，所述控制系统包括:转换器系统(20)，其被配置来将由连接到所述涡轮机(16)的发电机(18)供应且具有为所述涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将所述AC电力传输到接收站的传输系统(22)的电压和频率的AC电力； 所述系统还包括控制单元(32)，所述控制单元与所述转换器系统(20)协作以响应于通过所述涡轮机(16)的水流速度而调整由所述发电机供应的所述AC电压，从而控制所述涡轮机的旋转； 其中所述转换器系统还包括第一级转换器(26)和第二级转换器(28)，其中所述第一级转换器与所述第二级转换器之间提供DC链路(34)，所述第一级转换器被配置来将由所述发电机(18)供应的所述AC电力转换成DC电力，且所述第二级转换器被配置来将所述DC电力转换成所述AC电力以传输到所述接收站；且其中所述第二级转换器是电压源逆变器类型。2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述DC链路(34)包括用于感测DC电流的至少一个传感器且被配置来将与所述受感测DC电流相关联的信号提供给所述控制单元(32)。3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述DC链路包括用于感测DC电压的至少一个传感器且被配置来将与所述受感测DC电压相关联的信号提供给所述控制单元。4.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)是电压源逆变器类型。5.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)是用作有源前端的电压源逆变器且被配置来运用固定电压DC链路进行操作。6.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中所述第一级转换器(26)和所述第二级转换器(28)是6-装置三相桥接器，每个装置包括开关和续流二极管。7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述开关是选自半导体开关中的任何一个，诸如绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成栅极换流晶闸管(IGCT)或栅极关断(GTO)晶闸管。8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述开关被配置来接收从所述控制单元(32)接收的信号且根据所述信号进行操作。9.根据任何前述权利要求所述的控制系统，其中电容器(41)与所述第一级转换器和第二级转换器(26、28)的DC端子并联连接且被配置来在所述装置的所述开关的切换循环的周期内维持大体上恒定的DC链路电压。10.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·斯普纳，S·考索恩，W·K·古，
申请(专利权)人：开放水知识产权有限公司，
类型：发明
国别省市：爱尔兰;IE