使用电流源转换器来激励低阻抗机器的系统和方法技术方案

本公开的发明专利技术名称是“使用电流源转换器激励低阻抗机器的系统和方法”。一种能量转换系统包括具有至少一个电枢绕组集合的低阻抗发电机。电枢绕组集合包括多个单相线圈。该系统还包括电耦合到发电机的电枢的电流源转换器组件。该电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器包括经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器。（一个或多个）电流源转换器的（一个或多个）电容器被配置成吸收由电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。电流纹波最小化。电流纹波最小化。

【技术实现步骤摘要】
使用电流源转换器来激励低阻抗机器的系统和方法


[0001]本公开一般涉及低阻抗机器（诸如，超导机器），并且更特定地涉及用于使用电流源转换器来激励低阻抗机器的系统和方法。

技术介绍

[0002]一般地，诸如超导发电机之类的超导机器包括至少一个超导线圈和至少一个电枢线圈，所述超导线圈生成静态或旋转磁场，所述电枢线圈也生成与来自所述超导线圈的场相互作用的静态或旋转磁场。此外，超导发电机通过构造超导材料（“超导体”）而不是通常铜材料的发电机励磁线圈（field coil）（其通常承载（carry）直流电）来制成。与传统导体（诸如，铜）相比，超导体通常重量更轻且尺寸更小（例如，相对于载流容量而言），并且在传导电流方面（特别是在较低频率下）也更加高效。因此，在诸如风力涡轮发电机之类的电力应用中使用超导体提供了诸如更加高效的性能、更低的发电机重量、无齿轮箱（gearbox）直接驱动操作以及更低的制造和安装成本之类的益处。这样的益处对于离岸（offshore）风力涡轮机应用而言特别有用。
[0003]超导（SC）线支持非常高的电流密度而没有任何耗散，这促进产生非常高的磁场的励磁绕组（field winding）。SC线通常仅在它们对AC场的暴露保持最低限度的情况下留在SC状态。这使SC线仅适用于被馈送DC电流的励磁绕组。电枢绕组由常规导体（通常为铜，但可以是铝或具有良好传导性的某种其它材料）制成。SC线可在大约7T的磁场下操作。因为转矩密度依赖场强，所以具有SC励磁线圈的电机提供了比常规电机大得多的转矩密度。在其中最小化发电机尺寸和重量是重要的应用中，SC励磁绕组的使用可能是非常有价值的。离岸风力涡轮机是这样的应用，因为塔之上的质量对塔和基础成本具有重大影响。
[0004]由SC励磁绕组产生的高磁场远足以使电机中通常使用的磁性材料饱和，以用于将磁通量输送（duct）到产生转矩的气隙。因此，用于超导机器的电枢绕组不能从使用磁性材料中获益。结果，电枢绕组具有非常低的阻抗，典型地比用于常规机器的电枢绕组小一个数量级。一些永磁电机还使用导致非常低阻抗的磁性拓扑。
[0005]大多数电机的电子激励是使用被称为电压源转换器的电子转换器来实现的，如图1中所示。更特定地，图1示出了电压源转换器1及其到三相电机（未示出）的接口的结构的一个实施例的示意图。如所示出的，左侧的三根导线（lead）3通到电机（未示出）。此外，如所示出的，电感器4可以是电机的相电感或者可以是单独的滤波电感器。右侧的两根导线5连接到DC电源（未示出）。取决于系统的操作模式，对于电压源转换器1来说接受功率可能是必要的。
[0006]这样，电压源转换器1包括通过开关矩阵6连接到电机的电压源。开关6的顺序操作导致电机电枢绕组内的AC电流的流动。电流的流动用于产生电磁转矩。在电压源转换器1内，一目标是调节相绕组中的电流以控制电磁转矩。在常规的电机中，电机的阻抗足够大，使得电机表现得像低通滤波器，从而尽管切换电压被施加到相绕组，仍导致平滑的相电流。
[0007]然而，在诸如具有超导励磁绕组的机器之类的具有低阻抗的电机中，除非在电压
源转换器和机器之间插入某种形式的低通滤波器，否则低阻抗意味着相电流将具有非常高的纹波（ripple）。然而，低通滤波器给电机的高效操作引入损耗和控制挑战。另外，由于存在非常小的阻抗来限制电流，因此可能导致非常高的故障电流。另外，当使用电压源转换器时，在正常操作条件下对相电流的调节是困难的，这又是因为存在如此小的阻抗以致导致大的电流纹波。
[0008]因此，该行业需要一种用于激励低阻抗机器的改进的系统和方法。因此，本公开针对一种系统和方法，该系统和方法利用电流源转换器而不是电压源转换器来解决与控制低阻抗电机中的相电流相关联的控制和操作问题中的许多问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本专利技术的实践而获知。
[0010]在一个方面，本公开针对一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：塔；安装在所述塔顶上的机舱（nacelle）；耦合到所述机舱并且具有可旋转的轮毂（hub）和固定到所述轮毂的至少一个转子叶片的转子；以及耦合到所述转子的超导发电机。所述发电机包括具有多个单相线圈的至少一个电枢绕组集合。所述风力涡轮机还包括电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述发电机的电枢。所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器具有经由DC链路耦合到电流源逆变器（inverter）的电流源整流器。所述电流源转换器组件的（一个或多个）电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。
[0011]在实施例中，低阻抗发电机是超导发电机。在另一实施例中，电流源转换器组件可包括多个电容器，其中所述多个电容器中的至少一个电容器跨所述多个单相线圈中的每个单相线圈。
[0012]在另外的实施例中，DC链路可包括至少DC链路电感器。在这样的实施例中，DC链路内的电流可受跨（一个或多个）DC链路电感器的电压控制。在另一实施例中，DC链路电感器可以是刚性（stiff）电流源（例如，具有是负载阻抗100倍的内部阻抗）。
[0013]在另外的实施例中，电流源整流器和电流源逆变器可各自包括多个开关。在另一实施例中，电流源转换器组件可包括消弧电路（crowbar circuit）。
[0014]在更进一步的实施例中，风力涡轮机可包括用于控制低阻抗发电机和电流源转换器组件的操作的控制器。因此，在某些实施例中，在电流源转换器组件中发生短路事件时，控制器被配置成接通消弧电路以便为来自DC链路的电流提供路径，并且配置成关断电流源转换器组件中的多个开关，从而阻塞发电机与DC链路之间的电流。
[0015]在若干实施例中，电流源转换器组件可包括电耦合到低阻抗发电机并且耦合到电网的多个电流源转换器。在另一实施例中，所述多个电流源转换器可并联连接。另外，多个电流源转换器中的每个电流源转换器可被配置成处理风力涡轮机的总功率的一部分。
[0016]在又一实施例中，风力涡轮机可包括有功功率平衡机构，所述有功功率平衡机构被配置成确保总功率在电流源转换器之间被均匀地共享。
[0017]在特定实施例中，风力涡轮机可以是离岸风力涡轮机。备选地，风力涡轮机可以是
陆上（onshore）风力涡轮机。
[0018]在另一方面，本公开针对一种操作风力涡轮机的方法。风力涡轮机具有低阻抗发电机和电流源转换器组件，所述低阻抗发电机具有多个单相电枢线圈，所述电流源转换器组件电耦合到发电机电枢。电流源转换器组件具有至少一个电流源转换器。所述方法包括针对故障而监测风力涡轮机。响应于检测到电流源转换器组件中的短路故障，所述方法包括经由控制器接通电流源转换器组件的消弧电路，以便为来自电流源转换器组件的DC链路的DC链路电感器的电流提供电流路径，以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风力涡轮机，包括：塔；机舱，所述机舱安装在所述塔顶上；转子，所述转子耦合到所述机舱，所述转子包括可旋转的轮毂和固定到所述轮毂的至少一个转子叶片；低阻抗发电机，所述低阻抗发电机耦合到所述转子，所述发电机包括至少一个电枢绕组集合，所述至少一个电枢绕组集合包括多个单相线圈；以及电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述发电机的电枢，所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器包括经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器，所述电流源转换器组件的所述至少一个电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述低阻抗发电机是超导发电机。3.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述至少一个电容器进一步包括多个电容器，其中所述多个电容器中的至少一个电容器跨所述多个单相线圈中的每个单相线圈。4.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述DC链路包...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：