本发明专利技术具有利用多个隔离的发电机绕组的并联变换器的风力涡轮，通过利用风力涡轮发电机１４上的隔离的功率绕组３１０、３１５、３２０、３２５，提供隔离风力涡轮发电机１４的发电机侧上变换器２０的并联变换器线程２０－１、２０－２、２０－３、２０－ｎ的输出３４０、３４５、３５０、３４４的系统和方法。此类隔离消除了变换器的并联变换器线程２０－１、２０－２、２０－３、２０－ｎ之间循环的共模电流，并且消除对共模电感器的需要。系统可靠性得到增强，并且总系统成本得以降低。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术主要涉及风力涡轮发电机，并且更具体地说，涉及将用于 风力涡轮发电机的并联功率变换器互连以消除在并联功率变换器之 间循环的共^f莫电流的方法。
技术介绍
风力涡轮一般使用风力生成电力。风力转动连接到转子的多个叶 片。在风力作用下叶片的转动使转子的轴转动，该轴连接到生成电力的发电机。具体地说，转子安装在位于构架式塔架(truss tower)或管 式塔架(tubular tower)顶部的机壳或机抢内，塔架高度可达大约100 米。公用级风力涡轮(例如，设计为向公共电力网提供电力的风力涡 轮)能具有大的转子(例如，直径为30米或更大)。这些转子上的 叶片将风能转换成旋转力矩或力，该旋转力矩或力可驱动通过变速箱 连接到转子的一个或多个发电机。变速箱可用于为发电机提高涡轮转 子的低旋转速度，以有效地将机械能转换成提供到公共电力网的电 能。 一些涡轮利用不使用变速箱直接连接到转子的发电机。各种类型 的发电机可在这些风力涡轮中使用。诸如风力涡轮等许多装置包括功率变换器系统。功率变换器系统 一般用于将可以是固定频率交流、可变频率交流或直流电的输入电压 转换成所需的输出频率和电压电平。变换器系统通常包括几个功率半 导体开关，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT 或GCT)或金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，它们在某些 频率开关以生成所需的变换器输出电压和频率。变换器输出电压随后 提供到各种负载。在本文中使用时，负载要在广义上包括例如电机、电力网和阻抗性负载。图1是连接到具有同步绕线磁极式(wound-field)或永磁发电机 的风力涡轮并才艮据本专利技术的一个方面实现的典型功率系统的框图。功 率系统IO适用于向电力网21提供输出功率。风力涡轮12配置用于 将风能转换成机械能。风力涡轮通过变速箱19连接到发电机14或备 选地直接连接到发电机14。风能通过风力涡轮的叶片转动捕获，并且 发电机14由受到变换器控制系统24控制的功率变换器系统20配置 成生成可变频率输入功率。功率由一个或多个变压器22变换成适当 的电压并提供到电力网21。为适应来自风电场对更大功率的需要，越来越多地为各个风力涡 轮发电机提供了更高的功率输出能力。为适应来自风力涡轮发电机的 更高功率输出，为一些风力涡轮系统提供了多个并联变换器(也称为 变换器线程(converter thread))。由于对高可用性和低畸变(distortion) 的愿望，多个并联变换器也可提供风力变换器的优点。一般情况下，功率变换器系统使用与选通控制(gating control) 并联的多个功率变换器桥(power converter bridge)以扩展功率处理能 力。在风力涡轮应用中，功率变换器桥通常指具有六个功率开关的三 相变换器电路。为符合电力网侧和机器侧的功率质量要求，此类系统 一般使用极大和极高成本的滤波器，对脉冲宽度调制波形进行平滑处 理。在大且成本高的滤波器降到最少时，由于高谐波分量的原因，此 类系统有时导致发电机和/或变压器和其它畸变敏感设备的过热。图2是采用多个并联变换器的典型功率系统的框图。功率系统IO 配置用于向负载21提供功率。发电机源14配置成生成AC输入功率。 AC输入功率提供到功率变换器系统20。功率变换器系统20包括变换 器20-1到20-N。变换器并联连接并配置成从发电机源14接收AC输 入功率。功率变换器系统20配置成将AC输入功率转换成AC输出功 率。AC输出功率提供到负载21。负载可包括例如电机、电力网和阻 抗性负载。虽然电力网一般是功率供应方，但在大多数风力涡轮系统实施例中，风力涡轮功率供应到充当负载的公共电力网。多个并联变换器20-1到20-N的每个(也称为线程)具有一小部 分净系统额定值。这些变换器线程在输入和输出两端上连接在一起以 在输入和输出上形成净电流/功率额定值，该额定值与并联的变换器线 程数量直接有关。 一般情况下，变换器的一侧连接到公共电源(例如， 电力网)，另一端连接到设备(例如，发电机)。将变换器连接到电 力网的电路将通常对地参考。由于成本和大小原因，每个线程用导体 连接到电力网和设备上的公共点，其中导体根据每个线程的额定值而 不是系统额定值来决定大小。变换器控制系统24配置成提供用于功率变换器系统20的操作的 控制信号。变换器控制系统连接到变换器系统，并且配置成根据预指 定的开关模式驱动变换器系统。变换器控制系统提供的预指定的开关 模式可提供用于多个并联变换器的同步选通，或者可通过相位移选通 信号为每个变换器线程提供控制的交错方式，使得由于相移开关波形 的抵消而降低总的开关谐波分量。图3是功率变换器系统的一个线程的典型线程的框图。风力涡轮 实施例例如一般包括三相功率变换器系统。变换器20-1表示功率变换 器系统20的一个线程。变换器20-1包括用于AC-DC转换的发电机变 换器桥30、 DC链路35和用于在适合的电压和频率的DC-AC转换的 负载变换器桥40。发电机变换器桥30可使用六个半导体功率开关45 实现。类似地，负载侧桥40可使用六个半导体功率开关45实现。发 电机侧扼流圏50和负载侧扼流圏55可调整大小以实现非交错或交错 选通。别，即使系统上没有接地故障，这也形成在变换器线程之间流动的共 模电流。共模电流将在功率变换器线程之间以圆形环路方式流动，但 对电力网或设备中的净电流无任何影响。共模扼流圈60抑制链接发 电机侧变换器和负载侧变换器的高频率(开关频率范围)共模横流(cross current)。图4示出在具有连接到电力网21和风力涡轮发电机14的n个并 联变换器线程(20-1到20-n)的功率系统变换器中的共模电流流动。 例如，可能的是电流能流入线程T1—L—IallO和流出Tl—G—Ial15，并 且返回通过线程T2—G—Ia 120和T2—L—Ia 125。对于将不影响净电流的 此类电流，存在许多环路组合。然而，这些共模电流及正常模式循环 电流强制变换器开关装置和其它组件更接近热限制操作。此外，这些 共模电流可导致该环路的接地故障电流的测量直接出错，由此使故障 检测更加困难。需要使用大的共模电感器以限制在变换器之间循环共 模电流的量，以及需要使用大的正常模式电抗器以限制循环正常;f莫式 电流，其中相移用于降低净畸变。因此，需要提供一种结构和方法，将风力涡轮发电机绕组和功率 变换器以某种方式互连，以降低或消除在并联功率变换器之间流动的 共模电流，而无需与相移多线程变换器的能力耦合的共模电感器以降 低对庞大滤波器的需要。
技术实现思路
最近，风力涡轮作为环保、安全和费用较低的替代能源，已受到 了越来越多的关注。随着这些关注的增长，已进行了大量的工作以开 发可靠、高效的风力涡轮。本专利技术涉及将功率变换器与风力涡轮互连 的特定方法，该方法通过消除在并联功率变换器之间循环的共模电 流，允许优化系统成本和可靠性。根据本专利技术的第 一方面，提供了用于将输出功率提供给负载的功 率系统。该功率系统包括配置成对功率变换器系统生成交流输入功率 的发电机。功率变换器系统耦合到发电机，并且互连以生成输出功率 和将输出功率提供给负载，其中，变换器系统包括多个并联变换器线 程。变本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于向负载（２１）提供输出功率的功率系统（１０），所述系统包括： 发电机（１４），配置成对功率变换器系统（２０）生成交流输入功率； 功率变换器系统（２０），耦合到所述发电机（１４）并且互连以生成输出功率，并将所述输出功率提供 给所述负载（２１），其中所述功率变换器系统（２０）包括多个并联变换器线程（２０－１、２０－２、２０－３、２０－ｎ）； 变换器控制系统（２４），耦合到所述功率变换器系统（２０）并配置成驱动所述功率变换器系统（２０）以降低所述输出功率或所 述交流输入功率中的谐波分量；以及 隔离部件（３０５），用于从所述发电机（１４）到所述功率变换器系统的所述输入功率，适用于防止在所述并联变换器线程（２０－１、２０－２、２０－３、２０－ｎ）之间的共模电流循环。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：RG沃戈纳，AM里特，AM克洛多夫斯基，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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