用于涡轮发电机的湍流防护系统和方法
【专利摘要】控制发电机(10)向终端系统提供的电力的方法，其中在从发电机输出的电力过量期间内将电力从所述发电机的输出转向到辅助系统(22)。转向的电力储存在能量库(24)中，并且在从发电机输出的功率较低的期间内，通过使得能量库放电而将转向的电力返回给终端系统。电力的转向和返回被控制以将输送到终端系统的电力维持在期望的平均功率电平。电力从发电机的转向还具有防止发电机产生过电压电平的效果。
【专利说明】
用于涡轮发电机的湍流防护系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及用于涡轮动力发电机、尤其是风力或潮汐流涡轮发电机的湍流防护。
【背景技术】
[0002]图1示出了电力发电机系统的框图，包括用于经由变频器14向电网12供应电力的涡轮发电机10。涡轮发电机包括与电力发电机18耦合的涡轮机16。涡轮机16由流体、典型地空气或水来驱动，涡轮机16的具体构造典型地至少部分地取决于驱动流体。最常见类型的涡轮发电机10是由风力或潮汐流/潮流驱动。
[0003]在使用时，涡轮机16驱动发电机18来通过AC电输出信号而产生AC电力。大多数涡轮机能够以可变转子速度运行，并且因此风速或潮汐流率的变化会导致发电机输出信号的频率的相应变化。变频器14稳定输出信号的频率以补偿风力或潮汐流的变化。特别地，变频器14改变发电机输出信号的频率以适应电网12的频率要求。
[0004]然而，流体流率的变化可能很大，例如，对于典型的风力或潮汐涡轮发电机，流体速度会围绕均值变化达到40%，并且这会导致与电压和功率控制有关的问题。
[0005]涡轮机16的转速的变化会导致发电机18所产生的电压电平的相应变化，尤其是在发电机18是永磁发电机的情况下。在许多情况下，涡轮叶片的节距是固定的，这加剧了该问题。对于具有可变节距转子叶片的涡轮机，节距控制能够补偿湍流，但是是以节距机构的磨损以及需要快速作用控制系统代价的。
[0006]针对该问题的一个解决方案是使用具有承受最高预期临时高压的容量的变频器。然而，由于成本原因，这是不期望的。另一解决方案是在极端电压偏移情形下将变频器与发电机隔离以避免对变频器的输入级造成损坏。然而，这产生了非期望的对电网12供应中断并且产生了进一步的如何管理变频器的再连接的问题。
[0007]另一问题是流速的变化导致发电机输出的电力的变化。尤其是，能够看出，涡轮发电机10的输出电力随着流速的三次方而变化。额外的能量与湍流相关联，因为在每个短的间隔A T内，当流速高于均值时，νω_+δ，存在流速在相同程度上降低的相应时间段，Vme3an-S。在那两个间隔内所输送的能量与&1'.^_+3)3+&!'.^_-3)3成比例，后者等于2.ΔT.V3mean.{1+3.(δ/Vmean)2}且典型地代表了与稳态流相比的4 % -5 %的额外电力。这可视为机会，而不是问题，但是需要采取措施来受益于该机会。一个选择是在较高流动期间内保持变频器连接且在该期间内传输最大电力。然而，这将涉及到具有极高额度值的变频器。
[0008]波动的电力对于电网12的运行是不期望的，但是与例如单个发电机或者少量的发电机连接到电网12相比，这对于多个涡轮发电机的输出在供应电网之前聚集的涡轮群组而言不算问题。
[0009]将期望的是提供缓解上述问题的涡轮发电机系统。
【发明内容】
[0010]本发明的第一方面提供了保护设备免于发电机所产生的过电压的方法，所述方法包括:
[0011 ]监测发电机所产生的电压电平；以及
[0012]响应于确定所述电压电平超过阈值而操作辅助系统以吸收来自所述发电机的无功功率。
[0013]在一些实施例中，该方法包括监测发电机所产生的电力。可选地，所述方法包括:响应于所述监测的电力或所述监测的电压超过相应的阈值电平而将来自所述发电机的输出的电力中的至少一些转向到辅助系统;利用所述转向的电力对至少一个储能设备充电；以及响应于所述监测的电力或所述监测的电压在相应的阈值电平以下而优选地通过使得所述至少一个储能设备放电来将电力从所述辅助系统输送给所述终端系统。
[0014]典型地，所述操作和/或所述转向以及电力的输送是响应于所述发电机直接产生的电压或电力的变化而执行的。所述转向优选地涉及到将由所述发电机直接产生的电力中的至少一些转向。所述转向优选地涉及到将所述至少一些电力转向而远离变频器的输入。所述转向优选地涉及到至少将有功功率、优选地为有功功率和无功功率，转向到所述辅助系统。
[0015]所述输送可涉及到将电力从辅助系统输送到所述变频器的输入，或者输送到所述变频器的输出。在一些实施例中，所述变频器将电力经由变压器提供应所述终端系统，其中所述输送涉及到将电力从所述辅助系统输送到所述变压器的与所述变频器相同的一侧。所述输送可涉及到将电力从所述辅助系统输送到所述变压器的与所述变频器相同的绕组，或者输送到所述变压器的独立于所述变频器的绕组。在一些实施例中，所述输送涉及到将电力从辅助系统输送到所述变频器的中间部。
[0016]所述变频器典型地包括整流器-逆变器体系结构。所述中间部位于所述整流器与所述逆变器之间。所述变频器可包括所述整流器与逆变器之间的DC环节，所述输送涉及到将电力从所述辅助电路输送到所述DC环节。
[0017]在典型的实施例中，所述变频器包括AC到DC到AC变频器。所述变频器有益地包括电子变频器。
[0018]电力的所述转向和输送典型地分别涉及到载送所述电力的电信号的转向和输送。所述转向典型地涉及到将来自所述发电机的输出的AC电信号转向。所述输送涉及到将AC电信号从所述辅助系统输送到所述终端系统。
[0019]辅助电路典型地包括在所述充电之前执行所述电信号的AC到DC整流的器件，所述充电涉及到通过任何适合的充电器件利用整流后的电信号对所述至少一个储能设备充电。
[0020]所述放电涉及到从所述至少一个储能设备放出DC电信号。典型地，提供了用于执行所述放电电信号的DC到AC逆变以及将逆变后的AC信号输送到所述终端系统的器件。所述AC电信号典型地包括多相AC电信号，典型地为3相AC电信号。
[0021]在典型的实施例中，所述终端系统包括供电网。
[0022]在从属权利要求中记载了其它优选的特征。
[0023]本发明的第二方面提供了发电系统，所述发电系统包括与终端系统耦合的发电机，以及配置为可选择地向所述发电机的输出提供感性负载的辅助系统，所述系统还包括:
[0024]用于监测发电机产生的电压电平的监测器件；以及
[0025]用于响应于确定所述电压电平超过阈值而操作所述辅助系统以从所述发电机吸收无功功率的操作器件。
[0026]优选地，所述操作器件布置成，在确定所述发电机输出的电压电平低于所述阈值或第二阈值时，操作所述辅助电路而不从所述发电机吸收无功功率。
[0027]所述辅助系统典型地配置为向所述发电机提供无功负载例、如感性负载。
[0028]该系统可包括:用于响应于所述监测的电压电平超过阈值电平而将来自所述发电机输出的电力中的至少一些转向到所述辅助系统的器件；以及用于利用所述转向的电力对至少一个储能设备充电的器件。
[0029]该系统可包括:用于响应于所述电压小于所述阈值或所述第二阈值，或者响应于所述发电机产生的电力低于阈值电平，而通过使得所述至少一个储能设备放电来将电力从从所述辅助系统输送到所述终端系统的器件。
[0030]在优选的实施例中，所述发电机是单个发电机，所述监测、操作以及当适用时的所述转向和所述输送在针对所述单个发电机而执行的。
[0031]典型地，所述发电机包括响应于驱动流体的流动而发出电力的涡轮发电机，并且其中所述监测、操作和当适用时的所述转向和所述输送是响应于由于所述驱动流体的流率的波动引起的所述发电机产生的电压电平的变化而执行的。
[0032]典型地，电力从所述发电机经由变频器而提供给所述终端系统，并且所述操作器件被配置为操作所述辅助系统以便从所述变频器的输入处或者之前的位置吸收无功功率。
[0033]所述辅助系统可以可选择地直接或间接地通过开关设备连接到所述发电机的输出。辅助系统可包括一个或多个电感器或其它感性负载。辅助系统可包括用于对所述至少一个能量库充电的器件。所述充电器件可包括AC到DC变换器。
[0034]本发明的第三方面提供了控制发电机向终端系统提供的的方法，所述方法包括:
[0035]监测由所述发电机产生的电力；
[0036]响应于所述监测的电力超过阈值电平而将来自所述发电机的输出的电力中的至少一些转向到辅助系统；
[0037]利用所述转向的电力对至少一个储能设备充电；
[0038]响应于所述监测的电力低于阈值电平，而通过使所述至少一个储能设备放电从所述辅助系统向所述终端系统输送电力。
[0039]优选地，提供了用于控制电力的所述转向和输送以将向所述终端系统输送的电力维持在期望的功率电平带内的器件。
[0040]优选地，提供了用于控制所述电力的转向和输送以将向所述终端系统输送的电力维持在期望的平均功率电平的器件。
[0041]本发明的第四方面提供了一种发电系统，包括与终端系统耦合的发电机以及包括至少一个储能设备的辅助系统，所述系统还包括:
[0042]用于监测发电机产生的电力的监测器件；
[0043]用于响应于所述监测电力超过阈值电平而将来自所述发电机的输出的电力中的至少一些电力转向到所述辅助系统的转向器件；
[0044]用于利用所述转向的电力对所述至少一个储能设备充电的充电器件；
[0045]以及用于响应于所述监测的电力低于阈值电平，而通过使得所述至少一个储能设备放电而从所述辅助系统向所述终端系统输送电力的输送器件。
[0046]通过阅览下面的具体实施例的说明以及参考附图，本发明的其它的有益的方面对于本领域普通技术人员而言将变得清楚。
【附图说明】
[0047]现在通过示例的方式且参考附图来描述本发明的实施例，在附图中相似的标记用于指代相似的部件，并且其中:
[0048]图1是示出当流体流速相对低或适中时的有功功率传输和无功功率传输的发电机系统的框图；
[0049]图2是示出当流体流速相对高时的有功功率传输和无功功率传输的图1的系统的框图；
[0050]图3是具体实施本发明的一个方面的包括湍流补偿系统的发电机系统的框图，该图示出了当流体流速处于极端电平时的有功功率传输和无功功率传输；
[0051 ]图4是示出当流体流速相对低或适中时的有功功率传输和无功功率传输的图3的系统的框图，；
[0052]图5是具体实施本发明的一个方面的发电机系统的第一实施例的示意图；
[0053]图6是具体实施本发明的一个方面的发电机系统的第二实施例的示意图；
[0054]图7是具体实施本发明的一个方面的发电机系统的第三实施例的示意图；
[0055]图8是具体实施本发明的一个方面的发电机系统的第四实施例的示意图；
[0056]图9是具体实施本发明的一个方面的发电机系统的第五实施例的示意图；以及
[0057]图10是具体实施本发明的一个方面的发电机系统的第六实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0058]再次参考图1，在正常操作条件下，例如，当涡轮机16由具有相对低或适中的流速的流体驱动时，变频器14工作，优选地但不一定是通过矢量控制，使得有功功率从涡轮发电机10经由变频器14流到电网12，而无功功率从变频器流到发电机10。参考图2，在相对高流速的条件下，变频器14配置为从涡轮发电机10吸收无功功率。这对发电机18具有弱磁效应。结果，发电机18的端电压降低，不超过变频器电压限值。这种控制形式可以扩展到变频器14的电流限值(和/或在可适用时的电压限值)。在图1和图2所描述的条件下，不会发生来自涡轮发电机1的过电压或过功率的问题。
[0059]现在参考图3，示出了发电机系统20，其类似于图1和图2所示的系统，但是其还包括用于湍流补偿的辅助系统22。在优选的实施例中，系统20还包括能够储存电能的能量库
24。辅助系统22在涡轮发电机10与变频器14之间的位置L处连接到系统20，例如，连接到发电机10的输出或者变频器10的输入。辅助系统22被配置为使得其将无功阻抗提供给在位置L的系统20并且因此从涡轮发电机10吸收无功功率。特别地，辅助系统22被配置为和/或可操作为使得在驱动涡轮机16的流体流动可被视为极端(例如，在阈值电平以上)、且在没有补偿情况下会导致来自发电机10的过电压或过功率的期间内，其从发电机10吸收无功功率。辅助系统22所吸收的无功功率对发电机18具有弱磁效应，这降低了发电机18的输出电压(与不存在辅助系统22的情况相比)，并且因此降低了变频器14的输入处的电压电平。在典型的实施例中，开关(图3未示出)被提供以将辅助系统22选择性地连接到系统20以及将辅助系统22从系统20断开连接。该开关由控制器(图3中未示出)操作，控制器可以通过任何便利的方式来监测涡轮发电机10的输出和/或变频器14的输入处的电压、电流和/或功率中的任一项或多项，并且操作开关以便当监测的特性(多个)超过相应的阈值电平时连接或者断开辅助系统22。相应的阈值电平可通过变频器14的电压和/或电流限值和/或相对于期望的平均功率电平来确定。
[0060]在优选的实施例中，辅助系统22被配置为从发电机10汲取有功功率(以及无功功率)，并且有益地将有功功率从发电机20传输到电能库24。特别地，辅助系统22被配置为和/或可操作为使得当驱动涡轮机16的流体流动可被视为极端(例如，在阈值电平以上)、且在没有补偿情况下会导致来自发电机10的过电压或过功率的期间内，其汲取有功功率。结果，当辅助系统22在电路中时，经由变频器14传输到电网12的有功功率相应地降低。因此，在优选的实施例中，当辅助系统22在电路中时，其降低变频器14从发电机10接收到的电压电平和功率电平。
[0061 ]在一些实施例中，或者在一种操作模式中，辅助电路被切换而进入电路或者离开电路，取决于在涡轮机发电机10的输出处和/或变频器14的输入处检测到的电压电平。这样做的目的是保护变频器14免于导致极端流率的湍流期间内的过电压破坏，同时允许其被保持连接到发电机1且因此继续向电网12供应电力。为此，用于使辅助系统22接入电路的电压阈值电平可以由变频器14的电压额度值来确定。任何适合的电压监测(未示出)可用来监测电压，并且可以方便地直接或间接测量相关的电压。
[0062]在优选的实施例中，或者在一种操作模式中，辅助电路22被切换而进入电路或者离开电路，取决于在涡轮机发电机10的输出处和/或变频器14的输入处的功率电平。可为此目的而采用任何适合的功率计(未示出)。显然，可以在系统20中任何方便的点处测量相关功率电平，例如直接从涡轮发电机10的输出和/或在变频器14的输入处或者间接地从系统中的其它地方。当辅助系统22在该操作模式中处于电路中时，其将来自发电机系统20的有功功率转向到能量库24。特别地，电力从发电机1的输出，即在发电机18的输出处、在变频器14的输入处或者从它们之间的位置被转向。该方案的目的是通过在导致极端流率的湍流期间内将来自发电机系统20的过量的有功功率进行转向来平滑提供给电网12的有功功率。为此，用于使辅助系统22处于电路中的功率阈值电平可通过期望的平均功率电平来确定。更一般地，辅助系统可被操作以将输送到所述终端系统的电力维持在期望的功率电平带内，或者更特别地维持在期望的功率电平，尤其是在期望的平均功率电平。
[0063]有益地，因为辅助系统22吸收无功功率，所以发现，以这种方式操作辅助系统22还具有限制发电机10提供给变频器14的电压电平的效果，并且因此保护变频器14免于过电压破坏。
[0064]辅助系统22可通过任何方便的方式来设计，例如通过计算机模拟，从而展现出期望的电抗或电感以及引起期望量的有功功率传输。
[0065]有益地，储存在能量库24中的电能作为有功功率而被返回到发电机系统20，如现在参考图4更详细说明的。典型地，在相对低或适中流体流动的期间内，例如当发电机系统20以如图1所示的正常模式运行时，将能量返回。能量可以输送到系统20中的任何方便的点，例如在变频器14的输入处(或者更一般地在发电机10的输出与变频器14的输入之间)，或输送到变频器14的输入与输出之间的点，或者输送到电网12(或者其他终端系统)，或者更一般地输送到变频器14的输出之后的点，或者输送到这些位置中的一个或多个的任意组合。在任意情形下，通过在相对低或适中流体流动的期间内使得能量库24放电，而使得返回的功率被输送到电网12(或其它终端系统)。
[0066]在典型的实施例中，开关(图4中没有示出)被提供以将辅助系统22选择性地连接到系统20或者从系统20断开连接，以便返回能量(取决于实施例，这可以是或者不是如上文参考图3所描述的相同的开关)。开关由控制器(图4中没有示出，但是典型地与参考图3提及的控制器为相同的控制器)操作，该控制器可通过任何便利的方式来监测涡轮发电机10的输出和/或变频器14的输入处的电压、电流和/或功率中的任一项或多项，并且操作开关以便当监测的特性(多个)满足相应的阈值电平时连接或断开辅助系统22。
[0067]尤其优选的是，储存的能量返回发电机系统20，从而平滑提供给电网12的有功功率，以便补偿湍流效应。因此，当控制器确定从发电机10输出的功率降至阈值电平、例如期望的平均功率电平以下时，使得辅助系统22将能量返回系统20。切换辅助系统22以返回能量给系统22的功能可以在辅助系统22的输出部之内电子地实现。
[0068]因此，在优选的实施例中，取决于检测到的发电机10输出的功率电平，使得辅助系统22将有功功率从系统20传输到能量库24或者将储存的能量返回给系统20，从而相对于期望的平均功率电平而平滑提供给电网12(或其他终端系统)的有功功率。有益地，这被执行以补偿对于发电机10提供给电网12的(有功)功率的湍流效应。因此，在相对短的时间段内，典型地在秒数量级(例如，达到60秒)或者分钟数量级(例如，达到60分钟，但是更典型地达到近似10分钟)内，执行储存和返回能量的循环。
[0069]在图3和图4中，将辅助系统22作为一个单元示出，但是将意识到辅助电路22可以任何便利的方式实现并且可包括用于执行吸收无功功率、传输有功功率到能量库24以及将电能返回到系统20中的任一项或多项的相应的独立部分。各个部分能够通过控制器独立地操作。
[0070]辅助系统22优选地设计成使得当其正返回能量到系统20时、即在该模式下不提供感性负载给系统20，不吸收无功功率。
[0071]现在参考图5至图10，通过示例的方式描述了具体的实施例。相似的标记用于指代相似的部件，并且相同或相似的描述适用于对于技术人员显而易见的每个部件或者除非做出相反指示。每个实施例包括发电机系统120，发电机系统120包括发电机118，该发电机118是涡轮发电机的部分(虽然在图5至10中没有示出涡轮机)，但是可替选地通过其它手段来驱动。
[0072]系统120包括变频器114，典型地是ac-dc-ac变频器。变频器114可以是常规的。变频器114包括通过DC环节136耦合的ac-dc变换器级132以及dc-ac逆变器级134 (其中每个均可以具有常规的构造和操作)。变频器114典型地是电子变频器，即包括电子电路系统。优选地，变换器132和逆变器134包括适当构造的电压源逆变器138，但是其它常规的电子体系结构可替选地使用。DC环节136典型地包括并联且处在变换器132与逆变器134之间的电容器。
[0073]在每个实施例中，发电机系统120经由电力变压器130将电力供应到电网(图5至图10中没有示出)。典型地，变频器114将电力供应至变压器130。在可选的实施例中，发电机系统可连接到其它终端系统，尤其是输电网，而不是电网。
[0074]在发电机118是涡轮发电机的部分的实施例中，涡轮机可以是风力涡轮机或潮汐流/潮流涡轮机。典型地，发电机118是永磁发电机，尤其是发电机118是风力或潮汐流涡轮机发电机的部件。涡轮机可以具有叶片，叶片具有固定或可变的节距。在优选的实施例中，系统120包括与变频器114连接的单个发电机118。典型地，发电机118(以及涡轮机，如果存在)被共同定位在共同的地点，例如在离岸涡轮机站。系统120单独地或者与一个或多个其它发电机系统(未示出)相结合地将电力馈给电网，或其它终端系统。
[0075]提供控制器140以根据需要控制发电机系统120的运行，尤其是变频器114的相应的级的操作。该控制可以是常规的。如下文更详细说明，控制器14还方便地控制辅助电路122的运行。控制器140可以采用任何适合的常规形式，例如，适当编程的微处理器、微控制器或其它逻辑器件。
[0076]现在尤其参考图5的实施例，发电机系统120包括辅助系统122，用于补偿来自发电机118的可变输出信号的效应，后者尤其是由于湍流而引起的。在该情况下，辅助系统122的功能是降低发电机120输出的电压电平。辅助系统122包括无功负载，尤其是3相无功负载142，例如，3相电感器或其它感性负载。辅助系统122包括开关144，该开关144用于将辅助系统122可选择地连接到发电机系统120、例如连接到发电机118的输出，或者变频器114的输入，或者它们之间的点(其中任一个可以是电气上相同的点)，或者将辅助系统122从其断开。在该示例中，开关144包括3相开关。优选地，开关144是固态开关。当将辅助电路122连接到系统120时，负载142吸收来自发电机118的无功功率。这贡献于发电机120中的弱磁效应且允许变频器114在来自发电机118的过电压电平否则可能会损坏变频器114的期间内，例如在由湍流引起的过高流体流速的期间内，仍连接到发电机118。提供电压监测器(未示出)以监测(方便地直接或者间接)发电机118的输出电压。控制器140响应于测量电压而操作开关144，例如，取决于测量电压是否超过阈值电平。
[0077]类似于图5，在图6的实施例中，辅助系统222可操作以降低发电机120输出的电压电平。辅助系统222包括ac-dc变换器246，例如为晶闸管桥接整流器的形式，其能够作为开关运行以将辅助系统222可选择地连接到发电机系统120、例如连接到发电机118的输出，或者变频器114的输入，或者它们之间的点，或者或其断开连接。特别地，ac-dc变换器246当接通和关断时分别连接到发电机系统120或者从发电机系统120断开连接。方便地，控制器140控制ac-dc变换器246的运行(在该示例中通过提供适当的信号给晶闸管控制输入)。为此，控制器140可选地提供相控整流器输入，但是可替选地接通和关断变换器246，取决于测量电压是否超过阈值电平，如上文结合图5所描述的。辅助系统222还包括无功功率，该无功功率有益地通过ac-dc变换器246来提供。当通过晶闸管的相控切换来操作时，ac-dc变换器246充当无功负载且从发电机118吸收无功功率，从而降低输出电压电平，如上所述。优选地，辅助系统222包括在其dc侧的电感器247，以确保在接通时通过晶闸管的连续电流。辅助系统222可通过电感器249与发电机系统120耦合，以防止或者至少限制ac-dc变换器的切换操作与变频器114的操作之间的任何干涉。电感器247有助于提供无功负载，但是这不是其主要功能。
[0078]在图7的实施例中，辅助系统322包括能量库324，该能量库324包括至少一个储能设备，例如，电容器组，或者优选地超级电容器。系统322还包括无功负载和开关，方便地通过ac-dc变换器346联合提供，例如如上文结合图6所描述的。辅助电路322能够在第一模式下运行，在该第一模式下，辅助电路422从发电机118吸收无功功率。在第一模式下，辅助电路322连接到发电机系统120从而提供无功负载，例如如上文结合图6所描述的。如上所述，这具有降低发电机118的输出电压电平的效果。在第一模式下，辅助系统322还将有功功率传输到能量库324，在该示例中当接通时经由ac-dc变换器346，从而将能量储存在库324中。辅助系统优选地包括在其dc侧的电感器，以确保在接通时通过晶闸管的连续电流。有益地，辅助系统322在来自发电机118的过电压电平否则可能会损坏变频器114的期间内，例如在由于过大流速的湍流引起过高流体流速的期间内，在第一模式下(在控制器140的控制下)运行。第一模式可以响应于检测到来自发电机118的上述阈值电压电平而有效，如上文结合图5和图6所描述的。然而，优选地，第一模式响应于检测到来自发电机118的上述阈值功率电平而有效，如上文结合图3和图4所描述的。为此，任何方便的功率计(未示出)可以被提供以监测(直接地或者间接地)发电机118的功率输出，控制器140响应于检测到的功率电平而操作系统322 ο可针对系统120内的任何便利的点，例如在变频器114的输入侧或输出侧，或者在变频器114之内，监测和/或控制功率电平。
[0079]辅助系统322能够在第二模式下(在控制器140的控制下)运行，在第二模式中，储存在能量库324中的能量返回发电机系统120，如上文结合图3和图4所描述的。辅助系统322包括dc-ac变换器348，其可操作(方便地通过控制器140)以将可从能量库324得到的dc电压或电流转换成相应的ac电压或电流，以便在第二模式下返回系统120。在该示例中，dc-ac变换器348包括晶闸管桥接电路。便利地，控制器140控制dc-ac变换器348的操作(在该示例中通过提供适合的信号给晶闸管控制输入)。便利地，ac-dc变换器346以及dc-ac变换器348被一起提供作为双向变换器。优选地，系统322在发电机118产生相对低功率的期间内以第二模式操作，从而平滑发电机的输出功率，如上文结合图3和图4所描述的。可替选地，辅助系统322可在发电机118的输出电压电平降至阈值电平以下的期间内在第二模式下运行。在该实施例中，辅助系统324，以及更特别地dc-ac变换器348，被布置成在变频器114的输入侧将能量从能量库324返回到发电机系统120。
[0080]现在参考图8的实施例，辅助系统422及其操作类似于图7的辅助系统，除了系统422、并且尤其是dc-ac变换器448被布置成将储存的能量返回到变频器114的输出侧。在图示的实施例中，能量库424被并联地设置在ac-dc变换器446与dc-ac变换器448之间。辅助系统422的输出，以及更特别地dc-ac变换器448的输出，可以通过连接到共同的变压器绕组450(如图所示)或者连接到变压器130的共同侧上的单独的绕组或抽头，而与变频器114的输出组合。
[0081]图9的实施例类似于图7和图8的实施例，除了dc-ac变换器548包括电压源逆变器之外。dc-ac变换器548、并且更具体地是电压源逆变器的输出，通过连接到变压器130的共同侧上的单独的绕组552或者抽头，而与来自变频器114的输出组合。优选地，绕组552被构造为提供比变频器114经由绕组144提供的电压低的电压。储能设备524的操作在一系列电压范围内是可能的，下限由变压器绕组552的电压来设定。
[0082]在图10的实施例中，辅助系统622将储存的能量从库624返回到处于其ac-dc变换器级及其dc-ac反转级之间的改进后的变频器614，方便地经由DC环节636。这可以通过任何适合的能量耦合设备来实现，该能量耦合设备例如是这样的变压器，其具有连接到能量库624的一个绕组654(初级)以及设置在变频器614中的另一绕组656(次级)，后者优选地与ac-dc变换级和dc-ac变换级之间的DC环节636并联。这可以采用dc-dc变换器或反激式变换器的形式。反激式变换器工作如下:dc-dc变换器包括与变压器的初级绕组串联的以典型地为3kHz的高频工作的开关。在接通期间内，变压器磁路中的磁通量增加，且在关断期间内，变压器磁路中的磁通量减少并且在绕组中感生负电压，使得净电压当在完整的循环内平均时具有均值零。变压器次级具有等于初级电压乘以次级与初级绕组匝数之比的感应电压。开关仅允许电流从能量库流到变压器初级。与次级绕组串联连接的二极管允许电流从次级流到dc环节的正侧。因此，从能量库吸收功率并且将其以不同的电压输送到dc环节。
[0083]提供开关658以将绕组654连接到库624或者将其断开连接，从而允许库624为绕组654赋能并且因此相应地为绕组656赋能。控制器140根据是否要求将功率从能量库传递到DC环节636而允许变频器的开关658被操作或者不被操作。典型地，二极管660与次级绕组656串联地设置。因此，在控制器140的控制下，与直接从发电机118提供的能量相比，来自库624的能量能够用于提高从变频器614输出的电压或电力。优选地，ac-dc变换器级以等于平均流体流速产生的功率的上限功率电平、或平均功率电平工作，但是当流体流率低于平均值时其被降低。在该期间内，能量能够从能量库624提供，如所描述的。为此，优选的是，变频器614的dc-ac变换器级具有比ac-dc级更高的容量。在优选的实施例中，通过控制器140监测功率，并且辅助系统622相应地操作，以将进入DC环节636的总功率电平维持在稳定电平，例如对应于期望的平均功率电平。
[0084]明显地，图5至图9的实施例可以改型成常规的发电机系统，因为变频器114及其控制可以是常规的。而且，这些实施例的辅助系统可能会故障而不危害变频器114的运行。本发明的实施例可与中压或高压发电机和变频器兼容。优选的实施例使得能够增加平均输出功率，并且能够用于补偿湍流引起的功率偏移，同时减少电源切断的发生率。
[0085]用于提供能量库24的适合设备包括:超级电容器、电容器、电感器、飞轮、压缩气体设备、可充电电池。
[0086]本发明不限于本文所描述的实施例，其可被修改或改动，而不偏离本发明的范围。
【主权项】
1.一种保护设备免于发电机产生的过电压的方法，所述方法包括: 监测所述发电机所产生的电压电平；以及 响应于确定所述电压电平超过阈值，操作辅助系统以吸收来自所述发电机的无功功率。2.如权利要求1所述的方法，包括:在确定所述发电机所输出的所述电压电平低于所述阈值或第二阈值时，操作所述辅助电路而不吸收来自所述发电机的无功功率。3.如权利要求1或2所述的方法，进一步包括:配置所述辅助系统以向所述发电机提供无功负载;在检测到所述电压超过所述阈值时，将所述辅助系统直接地或者间接地连接到所述发电机的输出。4.如权利要求3所述的方法，进一步包括:在确定所述电压小于所述阈值或者第二阈值时，将所述辅助系统与所述发电机的所述输出断开连接。5.如任一前述权利要求所述的方法，包括:响应于所述监测的电压电平超过阈值电平，将来自所述发电机的输出的电力中的至少一些转向到所述辅助系统；以及利用所述转向的电力对至少一个储能设备充电。6.如权利要求5所述的方法，进一步包括:响应于所述电压小于所述阈值或所述第二阈值，或者响应于由所述发电机产生的电力低于阈值电平，通过使得所述至少一个储能设备放电而将电力从所述辅助系统输送到所述终端系统。7.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述发电机是单个发电机，所述监测、操作以及当适用时的所述转向以及所述输送是针对所述单个发电机而执行的。8.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述发电机包括用于响应于驱动流体的流动而生成电力的涡轮发电机，并且其中所述监测、操作以及当适用时的所述转向和所述输送响应于由于所述驱动流体的流率的波动引起的所述发电机所生成的电压电平的变化而被执行。9.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述监测、操作以及当适用时的所述转向和所述输送响应于在I秒与60秒之间的时间段内或者I分钟与10分钟之间的时间段内检测到的所述发电机输出电压电平的变化而被执行。10.如任一前述权利要求所述的方法，进一步包括:经由变频器向所述终端系统提供来自所述发电机的所述电力，并且其中所述操作涉及操作所述辅助系统以从所述变频器的输入所处的位置或之前的位置吸收无功功率。11.一种发电系统，包括与终端系统耦合的发电机、以及配置为可选择地向所述发电机的输出提供感性负载的辅助系统，所述系统还包括: 用于监测所述发电机所产生的电压电平的监测器件；以及 用于响应于确定所述电压电平超过阈值而操作所述辅助系统以从所述发电机吸收无功功率的操作器件。12.如权利要求11所述的系统，其中所述辅助系统布置成向所述发电机提供无功负载，并且所述辅助系统能够通过所述操作器件直接地或者间接地可选择地连接到所述发电机的输出。13.如权利要求12所述的系统，其中所述操作器件被配置为，在检测到所述电压超过所述阈值时，将所述辅助系统直接地或者间接地连接到所述发电机的所述输出。14.如权利要求12或13所述的系统，其中所述操作器件被配置为，在确定所述电压小于所述阈值或第二阈值时，将所述辅助系统从所述发电机的所述输出断开连接。15.如权利要求12至14中任一项所述的系统，其中所述发电机经由变频器连接到所述终端系统，并且其中所述辅助系统能够通过所述操作器件直接地或者间接地可选择地连接到所述变频器的输入所处的位置或者之前的位置。16.如权利要求12至15中任一项所述的系统，其中所述变频器包括整流器-逆变器体系结构。17.如权利要求12至16中任一项所述的系统，其中所述变频器包括AC到DC到AC变频器。18.如权利要求12至17中任一项所述的系统，其中所述变频器包括电子变频器。19.如权利要求1至10中任一项所述的方法，包括:监测由所述发电机产生的电力；响应于所述监测的电力或所述监测的电压超过相应的阈值电平，将来自所述发电机的输出的所述电力中的至少一些转向到所述辅助系统；利用所述转向的电力对至少一个储能设备充电；以及，响应于所述监测的电力或所述监测的电压低于相应的阈值电平，而优选地通过使得所述至少一个储能设备放电而从所述辅助系统向所述终端系统输送电力。
【文档编号】F03D9/25GK105874198SQ201480072252
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月3日
【发明人】E·斯普纳, S·考索恩
【申请人】开放水知识产权有限公司