用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的系统和方法
【专利摘要】本文描述的主题内容包括一种有源补偿扩充的二极管桥整流器系统。根据一个方面，该系统包括：发电机单元，被配置用于生成完全由有功电流组成的电流潮流；以及二极管整流器，被配置用于接收来自发电机单元的有功电流以将有功电流引向连接的电力网并且接收无功电流。该系统还包括：有源补偿器，被配置用于优化发电机单元以产生有功电流并且生成用来有助于二极管整流器的操作的无功功率。
【专利说明】用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的系统和方法
【技术领域】
[0001]本文描述的主题涉及提供一种用于电动机器发电机的无功功率源。更具体而言，本文描述的主题涉及用于利用有源补偿器扩充二极管整流器的系统和方法。
【背景技术】
[0002]目前，100%千伏安(kVA)额定功率转换器风能解决方案已经更为普及，尽管事实上市场已被利用40% kVA额定(近似)功率转换器的双馈感应发电机(DFIG)所主导。特别地，基于100% kVA额定功率转换器的风力系统解决方案能够提供有吸引力的特征，比如改善的低电压穿越(LVRT)能力、更好的发电机利用率、和更宽的速度范围。然而，100% kVA额定功率转换器风能解决方案比40% kVA额定功率转换器更昂贵、更重和更大。为了克服前述缺点，二极管桥整流器可以与DC到DC转换器级联。通过利用二极管桥整流器解决方案，可以减少总系统成本。使用二极管桥整流器需要无功功率源，该无功功率源通常由系统的发电机提供。另外，提供无功功率的发电机单元未以优化的效率工作或者控制。
[0003]因而鉴于这些难点，需要一种用于利用有源补偿器以向功率发电系统提供无功功率并且优化关联的发电机单元的性能的系统和方法。
【发明内容】
[0004]本文描述的主题包括一种有源补偿扩充的二极管整流器系统。根据一个方面，该系统包括:发电机单元，被配置用于生成完全由有功电流组成的电流潮流；以及二极管整流器，被配置用于接收来自发电机单元的有功电流、将有功电流引向连接的电网、并且接收无功电流。该系统还包括:有源补偿器，被配置用于优化发电机单元以产生有功电流并且生成用来有助于二极管整流器的操作的无功功率。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]现在将参照说明本文所描述的主题的优选实施例，其中相似附图标记代表相似部分，在附图中:
[0006]图1是图示根据本文描述的主题的实施例的由有源补偿器扩充的二极管桥整流器的图；
[0007]图2是图示根据本文描述的主题的实施例的示例性有源补偿器扩充二极管桥整流器风力发电机系统的图；
[0008]图3是图示根据本文描述的主题的实施例的在表面永磁同步发电机中的优化的机器操作的矢量图；
[0009]图4是图示根据本文描述的主题的实施例的示例性风力发电机控制系统的框图；
[0010]图5是图示根据本文描述的主题的实施例的多相风力发电机系统中的有源补偿器的示例性使用的图；
[0011]图6是描绘根据本文描述的主题的实施例的示例性风力发电机系统的功率和速度性能特征的关联的绘图图形；并且
[0012]图7是图示根据本文描述的主题的实施例的风力发电机系统中的静态同步补偿器(STATCOM)设备的示例性使用的图。
【具体实施方式】
[0013]本主题内容包括一种运用全额定二极管整流器和分数额定值有源补偿器的发电系统(例如风力发电系统)，该有源补偿器减少系统的成本并且优化系统的发电机单元的性能。在一个实施例中，可以通过经由控制方法控制发电机电压来优化发电机单元，该控制方法涉及有源补偿器通过在同步参考系中将交轴(q轴)电流和直轴(d轴)电流调整到最优运行点来向发电系统中注入无功功率。q轴通常用来代表无功(即虚)功率和电流分量，而d轴通常用来代表有功(即实)功率和电流分量。
[0014]如本文所使用的，术语“无功功率”和“无功电流”是指用来有助于通过交流(AC)发电和/或输电系统传送实功率(即有功功率)的功率潮流和电流潮流类型。在AC电路中，能量暂时存储于电感性和电容性元件中，这造成能量潮流方向的周期反向。剩余功率潮流部分在完整AC波形内平均之后是可以用来对负载做功(例如克服马达中的摩擦、加热元件等)的实功率或者能量。反言之，由于电感性和电容性网络元件而暂时以磁场或者电场形式存储的功率潮流部分已知为无功功率。
[0015]图1描绘包括发电机单元102、二极管整流器104、有功补偿器106和电网逆变器110的示例性发电系统100。虽然本说明书和图1描述发电系统100为风力发电系统，但是可以从使用有源补偿器中受益的任何机器系统可以被利用而不脱离本主题内容的范围。例如在更高速范围操作(即避免高转矩和低速度操作条件)的任何基于机器的发电应用可以从本主题内容受益。可以有效利用本主题内容的备选实施例包括利用(例如船上的)螺旋桨轴以产生电功率的水电机器/系统应用或者电气发电系统。
[0016]在一个实施例中，发电机单元102可以包括被配置用于生成将向电力网供应的电力的任何机器。例如发电机单元102可以包括永磁机器、比如表面永磁同步发电机(SPMSG)单元。根据它的配置，发电机单元102生成包括有功(即实)功率分量和无功功率分量两者的视在功率。有功功率分量包括在负载处做功的功率，而无功功率分量是用来在接线和电路部件之间传送能量/电流(即未在负载处做功)的功率。发电机单元通常被定规格用以输送与视在功率关联的总电流(即无功电流和有功电流分量两者)。
[0017]二极管整流器104可以包括经由电网逆变器100将有功功率弓丨向电力网的二极管桥整流器电路。在一个实施例中，二极管整流器104被设计用于减少与系统100关联的总成本。由于二极管桥整流器比基于全有源绝缘栅双极晶体管(IGBT)的转换器(或者用来将有功功率引向电力网的任何其它类似设备)制造/实施更便宜，系统成本得以降低。可以在本主题内容中有利地使用二极管整流器，因为二极管整流器在传输有功功率之时具有比IGBT转换器低得多的电压降。因此，在利用二极管整流器时将在系统中有更少能量损耗(例如能量损耗少20-30% )。然而，为了利用二极管整流器，在系统200中需要无功功率源。通过利用备选无功功率源(而不是从发电机单元获得无功功率)，发电机单元102在框尺寸上可以被减少。
[0018]在一个实施例中，二极管整流器104依赖于无功电流(或者无功功率)以便操作。特别地，二极管整流器104需要无功功率来工作，因为穿过二极管整流器中的二极管的电流需要传送无功功率。通常，无功功率和有功功率二者由发电机单元102产生。然而，发电机单元102生成的任何无功功率或者电流是发电机单元102的低效率产物。为了优化发电机102的效率，二极管整流器104可以接收有源补偿器106 (而不是发电机单元102)生成的无功电流。如本文所使用的，术语“优化的”可以是指发电机单元102在被定规格用以在发电机单元经历所施加的满负载时仅产生(例如基本上或者完全)有功电流或者有功功率(即没有无功电流或者功率)。
[0019]在一个实施例中，有源补偿器106可以包括被配置用于向系统100供应无功功率的任何电路。在一个实施例中，有源补偿器106包括有源电路元件，比如多个IGBT半导体设备、集成门极换流晶闸管(IGCT)半导体设备和/或其它类似功率设备。例如六(6)个IGBT可以链接在一起以形成有源补偿器电路。通过作为用于系统100的无功功率源来工作，有源补偿器106能够提供总系统成本减少和发电机操作优化两者。在一个实施例中，有源补偿器106被配置用于补偿无功功率并且优化发电机操作。例如，有源补偿器106可以被配置用于增加或降低发电机单元102中的电压。通过向系统100提供无功电流Ia，由发电机单元102产生的定子电流Is不包括无功分量。以下具体描述其中有源补偿器106提供无功电流的示例性过程。有源补偿器106可以经由电感器112向二极管整流器104提供无功电流I3O
[0020]在一个实施例中，由有源补偿器106生成的无功功率用于i)调节发电机单元102的电压，并且ii)提供由二极管整流器104利用的能量源。例如，通过有源补偿器106向系统100中注入无功电流可以升高发电机单元102的端子电压(Vs)。特别地，有源补偿器106可以被用于通过经由改变源于发电机单元102的有功电流Is而调节电压来优化发电机操作。没有有源补偿器106，发电机单元102必须提供用于二极管整流器104的操作的无功功率。发电机单元102可以提供具有无功功率分量的定子电流，该无功功率分量在发电机单元102内产生不希望的损耗。然而，如果有源补偿器106工作，则发电机单元102可以最优地被配置用于不生成具有无功分量的电流，由此减少发电机单元102内的损耗。因而，可以减少发电机单元102的框尺寸，因为消除了与无功功率和/或电流关联的损耗额定值。
[0021]在一个实施例中，可以定义发电机单元102的电压为磁体产生的磁通与发电机单元102的转子速度的乘积。定子电流Is的有功分量由负载定义，因此不适合于控制发电机单元102中的电压。然而，定子电流Is的无功分量可以受有源补偿器106影响。由于发电机单元102中的整流直流(DC)电压不能在很大程度上变化，所以有源补偿器106可以被用来在低转速处增加发电机电压并且在高转速处降低发电机电压。需要的无功电流数量依赖于发电机单兀102的所需最大和最小速度以及由发电机单兀102产生的电感。在一个实施例中，无功电流的数量可以由系统中的处理单元推导，该处理单元利用矢量计算、数学公式等。以下在图4中描述利用矢量计算的示例性控制过程。
[0022]如果发电机单元102在中间转速范围内工作，则发电机单元102的电压变化可能受转速变化影响。最终调整发电机单元102使得它不产生任何无功功率。因而，有源补偿器106被配置用于产生由二极管整流器104利用的所有无功功率或者所有无功电流。在一个实施例中，控制由有源补偿器106生成的无功电流可以通过开环控制过程或者闭环控制过程来执行。在开环控制过程中，可以使用解析公式来确定用于有源补偿器106的无功电流。例如，可以表示六脉冲二极管桥整流器消耗的无功功率为:
【权利要求】
1.一种用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的系统，所述系统包括: 发电机单元，被配置用于生成基本上由有功电流组成的电流潮流； 二极管整流器，被配置用于接收来自所述发电机单元的所述有功电流用以将所述有功电流弓丨向连接的电力网并且用以接收无功功率；以及 有源补偿器，被配置用于优化所述发电机单元以产生所述有功电流并且生成用于有助于所述二极管整流器的操作的所述无功功率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中由所述发电机单元生成的所述电流潮流包括零无功电流。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机单元包括风力发电机单元。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机单元包括表面永磁同步发电机(SPMSG)单元。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机单元包括被定尺寸以在所述发电机单元经历施加的满负载时适应所述有功电流的生成的框结构。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述有源补偿器被配置用于通过调整在同步参考系中包括的直轴(d轴)电流到最优操作点来优化所述发电机单元，其中所述同步参考系代表所述发电机单元。
7.根据权利要求6所述的系统，其中通过调整由所述发电机单元产生的定子电流以沿着所述d轴对准来将所述d轴调整到所述最优操作点。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述最优操作点包括最大转矩每安培(MTPA)曲线上的点。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述有源补偿器包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体设备或者多个集成门极换向晶闸管(IGCT)半导体设备。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述有源补偿器包括至少六个IGBT电路。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述二极管整流器包括二极管桥整流器。
12.根据权利要求1所述的系统，其中与所述有源补偿器关联的处理单元被配置用于通过利用矢量计算或者数学公式来确定所述无功电流的数量。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述有源补偿器包括STATCOM设备。
14.一种用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的方法，所述方法包括: 在有源补偿器处接收来自发电机单元与功率有关的测量； 基于所述与功率有关的测量，配置所述发电机单元以产生基本上由有功电流组成的电流潮流； 确定使二极管整流器能够向电力网传送所述有功电流的无功功率数量； 在所述有源补偿器处生成所述确定的数量的无功功率；并且 向所述二极管整流器提供所述确定的数量的无功电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述发电机单元生成的所述电流潮流包括零无功电流。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述发电机单元包括风力发电机单元。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述发电机单元包括表面永磁同步发电机(SPMSG)单元。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述发电机单元包括被定尺寸用以适应在所述发电机单元经历施加的满负载时所述有功电流的生成的框结构。
19.根据权利要求14所述的方法，其中配置所述发电单元包括调整在同步参考系中包括的直轴(d轴)电流到最优操作点，其中所述同步参考系代表所述发电机单元。
20.根据权利要求19所述的方法，其中调整所述d轴到所述最优操作点包括调整由所述发电机单元产生的定子电流以沿着所述d轴对准。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述最优操作点包括最大转矩每安培(MTPA)曲线上的点。
22.根据权利要求14所述的方法，其中所述有源补偿器包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体设备或者多个集成门极换向晶闸管(IGCT)半导体设备。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述有源补偿器包括至少六个IGBT半导体设备。
24.根据权利要求14所述的方法，其中所述二极管整流器包括二极管桥整流器。
25.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述无功电流的数量包括利用矢量计算或者数学公式。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述有源补偿器包括STATCOM设备。
【文档编号】H02M7/06GK103956765SQ201310474470
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2012年12月4日
【发明者】金弘来, J·尼拉南, J·J·萨斯特里 申请人:Abb研究有限公司