描述了一种用于产生电功率的发电机，所述发电机包括：(a)发电机单元，其包括定子(313)和可旋转地支撑的转子，其中，定子包括第一组绕组和第二组绕组，并且其中，转子适于在转子相对于定子旋转时在第一组绕组中和在第二组绕组中感生电压，所述发电机还包括：(b)联接到第一组绕组的第一变换器，第一变换器适于将第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压；(c)DC输出，其联接到第一变换器以接收输出DC电压；以及(d)联接到第二组绕组和DC输出的第二变换器，第二变换器适于在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及用于产生电功率的发电机的领域，特别地涉及用于基于由风力涡轮机的例如旋转感应的交流电流产生输出DC电压的发电机。本专利技术还涉及用于产生电功率的系统和用于产生电功率的方法。
技术介绍
在诸如风能发电的发电过程中，成熟的配置之一是使用全功率背靠背变换器系统。在这样的系统中，发电机(例如，风力涡轮机)由电压源变换器控制以将功率递送至DC链路，并且连接到此DC链路的另一个电压源变换器被控制以将功率馈送至电网。在常规的全功率背靠背电压源变换器发电系统中，发电机变换器额定为具有与发电机相同水平的电压和电流。此外，变换器在脉冲宽度调制(PWM)模式下操作，以便将所需的电压和电流提供至发电机。考虑到在发电机和发电机控制动力学中的当前谐波和转矩波动，PWM切换必须以诸如2.5kHz的相对高的速率发生。由于每次切换在功率部件中造成额外的功率损失(和因此热量)，较高的切换频率将不仅造成降低的效率和对变换器冷却的增加的要求，而且更重要的是导致变换器的更短的寿命。后者对于海上风力发电应用来说是特别不期望的。考虑到现有的功率部件技术，利用单个功率单元处理风力发电所需的功率水平是困难的。相反，常常使用模块化变换器，其中若干功率单元并联布置以用于提供所需的功率/电流水平。为了改善并联的模块之间的电流共享(尤其是在切换瞬间期间)，已经应用了专门的技术，例如脉冲插入或丢弃。然而，仍然采取了一些折衷，以允许较少的理想切换，并且必须使用更多的模块来产生所需的电流/功率裕度。然而，部件数量的增加意味着更高的成本和在系统水平上更低的可靠性。对于常规变换器系统的技术挑战正变得越来越严重，因为风力发电正朝甚至更高的电压和更大的功率水平发展。在文献中已经讨论了在DC链路中利用二极管整流器和升压变换器的若干备选的较低成本变换器技术。然而，发电机定子电流不能使用二极管整流器直接地和独立地控制。此外，在DC链路中使用升压变换器的已知的转矩波动方法的问题在于有限的可控性和由二极管整流器导致的增加的延迟。因此，可能存在对没有上述缺点的发电机的需求，特别是这样的发电机，其能够可靠地满足关于高的电压和功率水平的需求，并且同时相对廉价且易于制造和实现。
技术实现思路
这种需求可由根据独立权利要求的主题来满足。本专利技术的有利实施例通过从属权利要求描述。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于产生电功率的发电机，该发电机包括:(a)发电机单元，其包括定子和可旋转地支撑的转子，其中，定子包括第一组绕组和第二组绕组，并且其中，转子适于在转子相对于定子旋转时在第一组绕组中和在第二组绕组中感生电压，发电机还包括:(b)联接到第一组绕组的第一变换器，第一变换器适于将第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压；(c)DC输出，其联接到第一变换器以接收输出DC电压；以及(d)第二变换器，其联接到第二组绕组和DC输出，第二变换器适于在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流。本专利技术的该方面基于以下思想:第一(或主要)组绕组和第一(或主)变换器主要用来发电，而第二(或辅助)组绕组和第二(或辅助)变换器主要用来在第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流，以便在发电机单元上执行各种控制功能。由此，第一变换器可以在功率产生方面优化，而第二变换器可以在控制功能方面优化。由于第一变换器不需要涉及控制功能，第一变换器可以以简单方式设计成具有为了处理高功率水平而优化的廉价部件。另一方面，由于控制功能的性能涉及处理相比第一变换器显著小的功率，第二变换器可设计成执行控制功能，而不必考虑在高功率水平方面的上述考虑因素。这还具有以下优点:第二组绕组中的电流将显著低于第一组绕组中的电流。因此，用于第二绕组的线可具有显著更低的额定电流，即，不超过用于第一组绕组的线的额定电流的三分之一，并且可以相应地被添加到定子，而不招致大量的成本，并且不占用大量的空间。换句话讲，根据此方面的发电机利用并联布置在发电机单元和DC输出之间的两个不同的变换器:主(第一)变换器，其用于提供实际的功率输出；以及辅助(第二)变换器，其用于处理控制功能，例如定子通量控制。概括地说，该发电机能够可靠地产生显著量的功率，同时相对廉价且构造简单。发电机单元可以是永磁电机、外部励磁的同步电机、感应电机、开关磁阻电机等。特别地，发电机单元可以是用于直驱式风力涡轮机的永磁电机。根据本专利技术的一个实施例，第一变换器包括二极管全桥整流器，和/或第二变换器包括PffM全桥变换器。换句话讲，第一变换器可包括具有简单且廉价的部件的标准全桥二极管整流器。由于换流自然地发生，整流器中的切换损失将是微不足道的。此外，由于二极管中相对低的电压降，传导损耗也将是低的。减小的应力意味着整流器将更可靠并且具有长的使用寿命。此外，由于自然切换，若干二极管整流器模块可并联布置以形成第一变换器。如果从成本效益角度来看是理想的，则可以使用诸如碳化硅二极管的高级二极管来进一步改善第一变换器的性能。此外，第二变换器可包括常规的电压源全桥式变换器。由于其主要功能不是产生功率，而是在定子系统中生成控制电压和/或电流，第二变换器的额定功率可以显著低于在常规设计中的满额定值变换器(参见引言中的讨论)。考虑到在普通兆瓦发电机设计中的典型电流角，第二变换器只可以是全尺寸的三分之一或甚至更小。因此，相比标准满功率背靠背变换器系统，实现了显著的简化和成本降低。根据本专利技术的另一个实施例，第二变换器适于执行下列功能中的至少一个:(a)无传感器磁场定向矢量控制；(b)用于定子中的磁场减弱或磁场增强的Id电流控制；(C)DC输出电压调节(直接地或通过磁场控制)；(d)有功和无功功率控制(直接地或通过磁场控制)；(e)谐波电流控制，以补偿从整流器换流产生的谐波；(f)通过注入谐波电流进行的转矩波动或振动控制；(g)齿槽转矩控制；(h)通过第二系统中的磁场调节进行的发电机功率因数控制或效率控制；以及⑴各种其它控制功能，例如传动系阻尼控制和对电网故障情况的支持。以上提及的控制功能类似于由常规满功率背靠背系统执行的功能，这里不再进一步讨论。相比常规的背靠背系统，第二变换器专用于这些功能，并且因此可以具有显著低的额定功率(同样参见上文)。根据本专利技术的另一个实施例，发电机还包括用于控制第二变换器的操作的控制单J L ο控制单元优选地适于与适当地布置的传感器连通，该传感器用于获得相关的测量数据。事实上，控制单元能够以与控制常规的背靠背变换器的方式类似的方式控制第二变换器，而不必处理实际的功率产出。根据本专利技术的另一个实施例，控制单元适于基于测量数据控制第二变换器，该测量数据表示第一组绕组中的电流、第二组绕组中的电流、在DC输出处的电压和在DC输出处的电流。用于获得和通信上述测量数据的传感器系统是本领域已知的，并且将不需要结合本专利技术的第二变换器实现任何显著的设计措施。根据本专利技术的另一个实施例，定子包括多个定子狭槽以用于保持第一组绕组和第二组绕组，其中，每个定子狭槽保持第一组绕组中的至少一个绕组和第二组绕组中的至少一个绕组。—般来讲，定子的设计对应于在定子狭槽中布置有一组绕组(通常在三相发电机中三个绕组)的常规定子。例如，在外部转子设计的情况中，第一组绕组可布置在定子狭槽的较深区域(即，最远离转子)中，而第二组绕组在本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于产生电功率的发电机，所述发电机包括：发电机单元(210, 410’, 510, 610)，其包括定子(313)和可旋转地支撑的转子，其中，所述定子包括第一组绕组(211, 411’, 511, 611)和第二组绕组(212, 412, 512, 612)，并且其中，当所述转子相对于所述定子旋转时，所述转子适于在所述第一组绕组中和在所述第二组绕组中感生电压，所述发电机还包括：联接到所述第一组绕组的第一变换器(220, 421, 522, 622)，所述第一变换器适于将所述第一组绕组中的交流电压变换成输出DC电压，DC输出，其联接到所述第一变换器以接收所述输出DC电压，以及联接到所述第二组绕组和所述DC输出的第二变换器(230, 430, 532, 632)，所述第二变换器适于在所述第二组绕组中生成控制电压和/或控制电流。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：B安德烈森，JE佩特森，A托马斯，ZY吴，夏振萍，
申请(专利权)人：西门子公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE
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