专利名称：变换器系统的操作方法
技术领域：
本发明涉及连接到公用电网的风力涡轮机发电的领域，尤其涉及风力涡轮机和包括向公用电网供电的变换器模块的电功率变换器系统。
背景技术：
一方面，风力涡轮机涉及变换器系统的功率效率。即使是微小的功率效率提高对风力涡轮机的投资收益率也是意义重大的，因为提高了发电功率。
另一方面，风力涡轮机涉及变换器系统的可靠性。改进的变换器系统可靠性提高了风力涡轮机的可靠性，因此延长了风力涡轮机的平均无故障时间。平均无故障时间的延长降低了维修成本和提高了发电量，这对于风力涡轮机的投资收益率非常重要。
WO 2004/030189公开了适用于将功率从第一种形式转换为适用于的目的地系统元件使用的其他形式的功率转换单元(PCU)。功率源可以包括多种发电设备，如风力涡轮机。在转换之后功率提供给目的地系统的一个或多个可变的负载。这些可变的负载能够代表来自电机、伺服系统、电路和类似设备运行的功率要求。系统的运行可以包括为适应目的地系统功率消耗的增加/减少而启用/停用一个或多个PCU。通过在低功率消耗期间停用PCU，可使配电系统的整体效率提高。但是，WO 2004/030189既没有考虑到如何延长功率转换单元的平均无故障时间，也没有考虑到如何管理输入PCU的电功率的变化，因此WO 2004/030189没有考虑如何提高系统中PCU的效率，该系统中输入PCU的电功率相对时间变化不是常数。
发明内容
本发明的目标是通过使用具有提高的电功率转换效率的电力变换器系统来提供一种优化风力涡轮机电功率效率的方法。通过使用具有提高的可靠性的电力变换器系统而提高风力涡轮机的可靠性的方法也可作为本发明补充的或可选的目标。
通过应用操作风力涡轮机的变换器系统的方法，可以实现本发明的一个或多个目标，所述变换器系统包括--能够将发电机的可变发电功率转换为可应用于公共电网的电功率的多个变换器模块，其中--所述多个变换器模块安排为并联方式，及其中该方法包括步骤--响应与发电机的可变发电功率有关的参数，确定至少一个变换器模块的启用/禁止程序。
本发明独特的但不唯一的优点是提高了风力涡轮机发电的效率，以及提高了电功率变换器系统的可靠性，因此延长了风力涡轮机的平均无故障时间。
能够将发电机的可变发电功率变换为可应用于公共电网的电功率的多个变换器模块可以包括发电机侧逆变器和电网侧逆变器。可选地，变换器模块包括矩阵变换器，其特征是既不具有单独的发电机逆变器也不具有单独的电网逆变器，因此不具有直流环节。
与发电机的可变发电功率有关的参数可以是以下一个或多个变换器模块元件的温度、变换器系统表观功率的参考功率(Sref)、变换器系统有功功率的参考功率(Pref)、变换器系统的参考电流(Iref)、发电机产生的表观功率或传输给电网的表观功率的测量值(Smes)、发电机产生的有功功率或传输给电网的有功功率的测量值(Pmes)、发电机产生的电流或传输给电网的电流的测量值(Imes)。
在本发明的优选实施例中，禁止至少一个变换器模块可以是短期禁止也可以是长期禁止。
所述短期禁止的特征是允许快速启用已经被禁止了预期短时间段的变换器模块。快速启用持续的时间可以相对于操作接触器要求的时间定义，如机械接触器。优选地，短期禁止的情况可以由风速变化引起，风速变化引起了发电机发电量的变化，因此当测量到或预计到发电量降低时，变换器模块可以短期禁止，短期禁止的优点是当测量到或预计到发电量的增长时短期禁止允许快速启用。能够只在预期短的时间内禁止变换器模块是有优点的，因为短期禁止具有快速启用变换器模块的能力，因此避免了由于变换器模块缓慢启动造成的发电量损失。
如同能够短期禁止变换器模块，还有可能长时间禁止变换器模块，其中长时间禁止的持续时间可以相对于短期禁止定义。当期望变换器模块在一个较长时间内不必启用时长时间禁止是一项优点。而且长时间禁止是一项优点是因为当变换器模块被长时间禁止时其平均无故障时间将提高，因为变换器的晶体管和电容上没有施加电压。当预期在较长的时间段内风速不会变化，或变换器模块需要修理或替换时，是导致优选长时间禁止的情况。
在本发明可能的实施例中，可以执行启用/禁止至少多个变换器模块之一的步骤从而使得每一个启用的变换器模块或至少某些变换器模块输出的功率相对于变换器模块的额定功率最大化。当从变换器模块输出的电功率相对于变换器模块的额定功率最大化时，变换器模块的电功率转换效率也最大化，因此最大化了风力涡轮机的发电量，这是风力涡轮机投资收益率的优势。
在另一可能的实施例中，可以执行启用/禁止至少多个变换器模块之一从而使得每一个变换器模块或至少某些变换器模块的热循环，即电子元件的温度随时间的变化最小化，例如与正常运行温度相比，或与最大允许运行温度相比，或与最大允许温度变化相比。这是优点，因为变换器的热循环正在损害变换器模块。因此最小化热循环将提高变换器模块的可靠性，因此降低了变换器模块故障的数量。
根据本发明响应于热循环进行启用/禁止的方法，当运行变换器模块时，执行启用/禁止从而使得多个变换器模块的每一个或至少多个变换器模块中的一部分的热循环在所选的温度范围内最小化，或者执行启用/禁止从而使得每一个启用的变换器模块的热循环的温度范围最小化。
优选地，相对于在0和125摄氏度之间的温度间隔、在30和125摄氏度之间的温度间隔更好、最好在60和125摄氏度之间的温度间隔、甚至在60和110摄氏度之间的温度间隔，执行最小化热循环温度范围。
根据本发明另一可选或额外的响应于热循环进行启用/禁止的方法，当运行变换器模块时，执行启用/禁止从而使得多个变换器模块的每一个或至少多个变换器模块中的一部分的热循环在所选的温度范围内最小化，或者执行启用/禁止从而使得每一启用的变换器模块的热循环频率最小化，其中优选相对于最大允许频率执行最小化热循环的频率。
相对于变换器模块的额定功率最大化至少已启用的变换器模块之一的输出功率和最小化至少变换器模块之一的热循环的要求在一些情况下是不能都实现的。变换器模块的输出功率最大化或至少部分最大化和热循环最小化或至少部分最小化二者都实现的方法可以通过计算单一参数并相对于预设值优化该单一参数而获得，其中所述单一参数可以是相对于变换器模块的额定功率的输出功率和变换器模块的热循环二者的特征。
在本发明的优选实施例中，执行启用/禁止至少变换器模块之一从而两个或多个变换器模块的脉宽调制(PWM)方案相互相位偏移。因此，当启用2个变换器模块时脉宽调制方案可以相互相位偏移180度，当启用3个变换器模块时脉宽调制(PWM)方案可以相互相位偏移120度，从而第二变换器模块的PWM方案相对于第一变换器模块相位相差120度，第三变换器模块的PWM方案相对于第一变换器模块相位相差240度。相似地，当启用4个变换器模块时，脉宽调制(PWM)方案的相位相互相差90度。当启用5个或更多变换器模块时，脉宽调制(PWM)方案根据上述启用2个、3个或4个变换器模块的示例移相。当两个或多个变换器模块的脉宽调制(PWM)方案相互移相时，源自脉宽调制(PWM)的谐波成分减少，因此提高了施加到公用电网上的电压信号的质量。
在本发明的另一优选实施例中，启用/禁止至少变换器模块之一的标准由预定的滞后参数确定，其中滞后参数受涡轮机元件的温度和/或环境温度的影响。当涡轮机元件的温度，如变换器模块、变换器模块的散热器、电网侧扼流圈、发电机侧扼流圈、制动斩波器电阻、IGBT模块、机壳或发电机的温度相对于正常运行温度或相对于最高运行温度变得过高时，改变变换器模块的启用和/或禁止界限是有益的，从而每一变换器模块输出较少量的电功率，因此降低了风力涡轮机的任何一个过热元件的温度。当修改启用和/或禁止界限时周围环境的温度也要考虑，以降低风力涡轮机过热的元件的温度。
相反地，如果风力涡轮机的一些或全部元件的温度和/或环境温度相对于正常运行温度或相对于最高运行温度比较低，改变变换器模块的启用和/或禁止界限是有益的。改变启用和/或禁止界限将在允许的范围内提高风力涡轮机的元件温度并同时提高风力涡轮机的功率效率。风力涡轮机元件的最大运行温度，如IGBT模块，可以是125摄氏度。
在优选实施例中，通过启用发电机侧逆变器和电网侧逆变器启动至少变换器模块之一，其提供了容易快速启用变换器模块的方法，因为只要求改变施加在发电机侧逆变器和电网侧逆变器上的电子信号。
相似地，通过禁止发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器可以短期禁止至少变换器模块之一，其只要求改变施加在发电机侧逆变器和电网侧逆变器上的电子信号。
在本发明的另一优选实施例中，根据启用程序序列通过启用变换器模块启用了至少变换器模块之一。根据启用程序序列，启用既可以从关闭状态开始，该状态是变换器模块的长期禁止，也可以从准备状态开始，该状态是变换器模块的短期禁止。
相似地，根据禁止程序序列通过禁止变换器模块，至少变换器模块之一可以长期禁止，其中禁止程序序列提供了用于禁止变换器模块的可预知方法，如从状态机了解。
本发明的一个或多个目标还可以通过打算连接到公用电网的风力涡轮机和打算操作风力涡轮机系统的变换器系统实现，所述风力涡轮机系统包括--能够将发电机的可变发电功率转换为可应用于公用电网的电功率的多个变换器模块，其中--所述多个变换器模块安排为并联方式，及所述风力涡轮机系统包括--响应与发电机的可变发电功率有关的参数，确定至少多个变换器模块之一的启用/禁止的装置。
风力涡轮机系统可以包括禁止和/或启用装置，如短期禁止和/或启用变换器模块的发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器是一项优势。禁止和/或启用可以通过对发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器应用禁止/启用信号实现。风力涡轮机还可以包括禁止/启用装置，如通过对矩阵变换器施加禁止/启用信号能够快速禁止和/或启用的矩阵变换器。
为了长期禁止变换器模块的目的，风力涡轮机系统可以包括如用于从发电机和电网断开变换器模块的接触器是另一项优势。
相对于上述优势，风力涡轮机可以包括如用于已启用的变换器模块的脉宽调制(PWM)方案的移相器的装置是一项优势。
在优选实施例中，风力涡轮机可以包括用于滤除直流信号的波动的直流环节电容器，用于直流环节电容充电的充电电阻。
本发明的这些和其他方面将在下面结合附图和实施例进行的描述基础上更加明显。
图1原理性地说明了根据本发明连接到变换器系统的发电机和将连接到公用电网的变换器系统。
图2说明了根据本发明用于确定是启用还是禁止变换器模块的方法的图示。
具体实施例方式
图1说明了包括并联的三个变换器模块20的变换器系统10。图1还说明了风力涡轮机的发电机11、将变换器系统10的输出连接到公用电网和电路断路器13的变压器12。
变换器模块20包括用于从变换器模块20的电子部分断开发电机连接的发电机接触器Kgen。变换器模块还包括用于发电机电流滤波的电感21、用于从发电机11的交流信号变换为直流信号的发电机侧逆变器22、用于滤除直流信号的波动的直流环节电容23、用于消耗残余能量的制动斩波器24、用于直流信号变换为交流信号的电网侧逆变器、以及与电容(未示出)相连用于减少将施加到公用电网上的电压信号谐波的电感26。变换器模块20进一步包括当接触器Kcharge闭合时，用于直流环节电容23充电的充电电阻27、用于从变换器模块20的电子部分断开公用电网连接的电网接触器Kgrid、以及在过流的情况下用于从变换器模块20断开公用电网连接的电路断路器28。数字29指示的符号表明在该示例中变换器模块是三相系统，但是变换器模块20工作的原理对其他系统同样适用，如单相系统。
图1中所示的变换器系统10包括三个变换器模块20，但是变换器系统10可以包括任意多个变换器模块20，例如两个或更多变换器模块20。
在变换器模块20能够向电网供电之前，必须通过从变换器模块20的初始无效关闭状态过渡到最终的完全工作运行状态启用变换器模块20。从关闭状态过渡到运行状态包括到多个将在以下描述的中间暂时状态和固定状态的过渡。暂时状态是变换器模块20能够保持短时间(总计几秒)的状态，固定状态是变换器模块原则上能够保持无限长时间的状态。变换器模块20的不同状态之间的过渡由控制单元控制，如中央处理单元(CPU)。
在初始的关闭状态，所有的接触器Kgen、Kgrid和Kcharge打开，且电路断路器28的状态没有变化，因此电路断路器28根据在关闭状态之前断路器28的状态打开或关闭。发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25都禁止。
变换器模块20的下一状态是暂时预充电状态，其中首先如果电路断路器28最初是打开的，则使其闭合，然后接触器Kcharge闭合以通过充电电阻27和电网侧逆变器25的续流二极管将直流环节电容23充电到电网电压的峰值，即如果例如电网的均方根电压是690V，直流环节电容将充电至975V。
变换器模块20的后续状态是固定的就绪状态，其中首先接触器Kgen和Kgrid闭合，Kcharge打开。在固定的就绪状态中，直流环节电容23的电压维持在网压的峰值，从而变换器模块20准备开始从发电机11向公用电网变换电功率。
变换器模块20的状态从就绪状态转换为短暂的开关充电状态，其中启用电网变换器25和直流环节电容23充电至大于原先电压的额定电压，即电压可以增长到1050伏。
从暂时的开关充电状态，变换器模块20的状态转换为固定的直流环节接通状态，其中直流环节电容的电压保持恒定。
在直流环节接通状态之后，变换器模块20的状态转换为暂时的启动发电机侧逆变器状态，其中启用发电机侧逆变器22。
后续状态是固定的运行状态，其中电网侧逆变器25根据直流环节电压和参考无功功率控制。发电机侧逆变器22根据来自于涡轮机控制器的参考功率控制。
就绪状态提供了快速启用和禁止变换器模块20的可能性，即当变换器模块20处于向电网供电的运行状态中时，通过禁止发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25而从运行状态变化到就绪状态可以非常快速地禁止变换器模块20。相似地，如果变换器模块处于就绪状态，通过启用发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25可以非常快速地启用变换器模块20。因此Kgen、Kgrid和Kcharge没有一个需要操作以禁止或启用变换器模块20的电功率转换，从而提供了非常快速启用或禁止变换器模块20的方法，也就是快速启用或紧止的持续时间范围是10-100毫秒。此外，当快速禁止或快速启用任意多个变换器模块20时，就绪状态不要求操作接触器Kgen、Kgrid和Kcharge，因此与就绪状态相关的有利效果是变换器模块20的平均无故障时间(MTBF)延长。
通过向发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25施加启用电信号，如通过向发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25的晶体管IGBT的栅极施加脉宽调制电压信号，能够启用发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25。相似地，通过向发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25施加禁止电信号，如通过向发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25的晶体管栅极施加零电压信号，能够禁止发电机侧逆变器22和电网侧逆变器25。
发电机侧逆变器22可以包括6个IGBT晶体管。通过向IGBT晶体管的栅极施加电压，例如0到15伏之间的电压控制发电机侧逆变器22。如果0伏的电压信号施加在6个IGBT晶体管的栅极，则将没有电流流过IGBT晶体管，因此发电机变换器22将被禁止。如果例如电压电平为0伏和15伏的脉宽调制电压信号施加在6个IGBT晶体管，则发电机变换器22将被启用。通过施加脉宽调制电压信号和零电压信号启用和禁止电网侧逆变器25与上述的启用和禁止发电机侧逆变器22相同。
从运行状态到关闭状态的反方向过渡通过首先以斜坡方式降低发电机11的参考功率至零实现，其中参考功率控制发电机11产生的功率。当其已经实现，发电机电流是零，且发电机侧逆变器22可以被禁止，接触器Kgen可以打开。而直流环节参考电压保持恒定，即直流环节电容23的电压保持恒定，且施加到电网侧逆变器的参考无功功率以斜坡方式下降到零。随后来自电网侧逆变器25的电网电流将为零，则电网侧逆变器25可以被禁止，Kgrid可以打开。
从运行状态到关闭状态的过渡持续时间或与从关闭状态到运行状态的相反过渡持续时间的范围在1-10秒。
上述从关闭状态到运行状态的过渡的示例只说明了其他实施例中的一个实施例，其中其他状态可以包括在状态序列中。因此，其他状态可以添加在上述状态序列之前或之后。而且，上述状态中的一些或全部可以在可选状态中分组，也就是说预充电状态、就绪状态和开关充电状态可以分入充电状态组。此外，在一些情况下一些状态可以跳过，例如直流环节接通状态可以在从开关充电状态到启动发电机变换器状态的过渡中跳过。
通过确保每一个变换器模块20运行在接近所讨论变换器模块20的额定功率等级可能提高变流系统10的电功率效率。变换器模块的额定功率等级应理解为变换器模块在给定温度能够输出的最大电功率。例如，如果变换器模块20输出的电功率等于额定功率的100％，则变换器模块的效率可以是97.5％。反之，如果变换器模块20输出的电功率等于额定功率的20％，则变换器模块的效率可以是95.7％，相应的效率下降了1.8％。
因此，为了实现最佳的变换器效率，启用的变换器模块20的数量必须适合发电机11的实际发电功率量。因此，如果发电机的发电功率仅为变换器系统额定容量的50％，其中变换器系统10的额定功率等于变换器系统10包括的所有变换器模块20的额定功率水平的总合，则理想的是启用一半的变换器模块20以最大化变换器系统10的效率。
图2是确定应当启用的变换器模块的数量(沿纵坐标)的图示，其是变换器系统10的参数Sref与额定表观功率Srated的比值(沿横坐标)的函数。图2所示图形对具有6个变换器模块20的变换器系统10有效。参数Srated是变换器系统10的额定表观功率。参数Sref是变换器系统10的参考表观功率，且Sref换算为有功功率和无功功率的均方根。因此参数Sref与发电机的可变发电功率有关，可变发电功率与变换器模块20中的电功率损耗有关，其中损耗引起变换器模块20的温度升高。由电功率损耗引起的变换器模块温度升高对变换器模块的额定功率是起决定作用的，因此相关的参数Sref是确定启用或禁止变换器模块20的典型参数。
可以使用其他参数代替Sref，例如变换器系统10的参考有功功率Pref或变换器系统10的参考电流Iref。此外，还有可能使用发电机产生的或传输给电网的表观功率的测量值Smes、发电机产生的或传输给电网的有功功率的测量值Pmes或发电机产生的或传输给电网的电流测量值Imes。还有可能使用变换器模块元件，如变换器模块20的IGBT晶体管或散热器的温度。上述任意参数(Sref，Pref，Iref)、测量值(Smes，Pmes，Imes)和温度可以结合在可使用的单一参数中代替有关图2描述的参数Sref。
图2中表示的曲线40以Sref/Srated的比率的形式说明了用于启用变换器模块20的启用界限41-45和用于禁止变换器模块20的禁止界限51-55。因此，当Sref/Srated的比率低于等于或小于启用界限41的特定值时，例如值1/6或略小于1/6如5/60或8/60，则只有一个变换器模块20需要启用。应当理解等于1/6的启用界限41对应于变换器模块20的额定功率的100％，因此等于5/60的启用界限41对应于变换器模块20的额定功率的50％，等于8/60的启用界限41对应于变换器模块20的额定功率的80％。由于发电机11的发电功率增加，当Sref/Srated的比率增长大于特定的启用界限时，如由启用界限41给出的界限，启用另一变换器模块20，从而总共启用2个变换器模块20。如果由于发电机11的发电功率降低，Sref/Srated的比率随后降低小于特定禁止界限，例如界限51，则禁止一个变换器模块20从而只有一个变换器模块使用，因此维持变换器系统10的高电功率效率。启用界限41的典型值约等于变换器模块20的额定功率的90％，或者可能80％，甚至变换器模块20的额定功率的50％。禁止界限51的典型值约是变换器模块20的额定功率的80％，或者可能70％，甚至变换器模块20的额定功率的40％。启用界限41与禁止界限51之间的差值给出的滞后带61确保了不会由于发电机11的发电能量中的微小波动过分频繁出现启用和禁止变换器模块20。
启用界限41-45与禁止界限51-55之间的差值给出的滞后带61-65可以随着图2中所示的Sref/Srated的值的增加而调整增大，其确保了当发电机11的发电能量波动增加时，不会过分频繁出现启用和禁止变换器模块20。
当Sref/Srated的比率进一步增长大于启用界限42时，启用第三变换器模块20，且如果Sref/Srated的比率降低小于禁止界限52，将禁止一个变换器模块。当Sref/Srated的比率增长大于启用界限45时，将启用第六即最后一个变换器模块20。
根据本发明，在其他实施例中，可以使用或多或少的变换器模块，其要求相应的启用界限41-45和禁止界限51-55的数值变化。
可以依据温度确定启用界限41-45和禁止界限51-55以避免过热和因此造成的变换器模块20失效。例如，如果由于环境温度的升高变换器模块20的温度上升高于特定界限，必需调整启用界限41-45以降低Sref/Srated的比值，例如启用界限43可以调整为如图2所示的启用界限43a。
因此，当变换器模块20的启用界限41-45中的一些或全部已经调整，例如从变换器模块20的额定功率的90％调整到85％，从变换器模块20输出的平均电功率将相应降低，因为将启用更多的变换器模块，从而降低变换器模块20的温度。
启用界限41-45和禁止界限51-55可以依赖于变换器系统任何元件的温度，例如散热器、电阻、晶体管、机柜、电网侧扼流圈、发电机侧扼流圈和制动斩波器电阻的温度。而且启用界限41-45和禁止界限51-55可以依赖于发电机11的温度，还可以依赖于环境温度。
禁止界限51-55中的一些或全部可以对应于启用界限41-45的降低而降低，例如禁止界限从变换器模块20的额定功率的80％降到75％，因此维持滞后带的大小等于例如变换器模块20的额定功率的10％。
相似地，启用界限41-45和/或禁止界限51-55可以增加，从而变换器模块中的一些或全部能够输出较大的电功率。如果变换器模块的温度降低，例如由于环境温度的降低或由于任意元件温度的降低，如散热器、电阻、晶体管、机柜、电网侧扼流圈、发电机侧扼流圈、制动斩波器电阻和发电机11，可以出现增大启用界限41-45和/或禁止界限51-55的情况。而且启用界限41-45和/或禁止界限51-55可以临时增加以处理来自发电机11的发电功率的短时增加。
而且可以依据变换器系统任意元件的温度确定变换器模块的额定功率等级，例如散热器、电阻、晶体管、机柜、电网侧扼流圈、发电机侧扼流圈和制动斩波器电阻的温度。还可以依据发电机11的温度和环境温度确定额定功率等级。明显地，根据温度确定额定功率等级等效于根据温度确定启用界限41-45和禁止界限51-55电网侧逆变器23基于脉宽调制(PWM)。通过确保两个或多个变换器模块20的脉宽调制(PWM)方案相互之间产生相移可能降低脉宽调制技术产生的谐波。因此，当启用2个变换器模块20时，脉宽调制(PWM)方案相互之间相移180度，当启用3个变换器模块20时，脉宽调制(PWM)方案相互之间相移120度，从而第二变换器模块20的脉宽调制(PWM)方案相对于第一变换器模块相移120度，第三变换器模块20的脉宽调制(PWM)方案相对于第一变换器模块相移240度。相似地，当启用4个变换器模块20时，脉宽调制(PWM)方案可以相互之间相移90度。当启用5个或更多变换器模块20时，根据上述给出的启用2、3或4个变换器模块20的示例对脉宽调制(PWM)方案进行移相。因此，通过对应用在变换器模块20上脉宽调制(PWM)方案信号移相，实现了提高施加在公用电网上的电压信号的质量。
考虑应该启用至少2个变换器模块20的情况，为了降低脉宽调制技术产生的谐波，图2的曲线应该调整，从而当Sref等于0时曲线以启用2个变换器模块20开始，当Sref/Srated的比率超过启用界限42时，启用第三变换器。
当变换器系统的输出连接到强电网时，不必为了降低脉宽调制引起的谐波电压成分启用至少2个变换器模块20，因为强电网具有抑制该谐波电压的成分的能力。在这些情况下，当Sref/Srated的比率如图2所示大于零小于启用界限41时，只需要启用一个变换器模块20。
当启用和禁止变换器模块时，通过考虑变换器模块20的温度和变换器模块的运行时间能够提高变换器模块20的可靠性。变换器模块20的可靠性应当理解为如变换器模块的平均无故障时间(MTBF)这类特性的表征。
由于变换器模块的热循环降低变换器模块20的可靠性，例如由于电元件的热循环，如IGBT晶体管。电元件热循环以负面的方式影响变换器模块的寿命，因此降低了变换器模块20的可靠性。影响电元件的热循环影响应当理解为电子元件的温度随时间的变化。保持变换器模块20的电子元件的温度恒定或降低温度随时间的波动将提高所讨论的变换器模块20的可靠性。
通过降低例如IGBT晶体管相对于其运行温度间距的温度波动，如在0-125摄氏度的范围，30-125摄氏度的范围更好，最好60-125摄氏度的范围或甚至60-110摄氏度的范围，可以最小化变换器模块20的热循环。可选地，可以相对于IGBT晶体管的平均温度最小化热循环。
当Sref/Srated的比率提高大于图2中的启用界限42时，将启用第三变换器模块20。但是在变换器系统10包括6个变换器模块20的情况下，将启用的第三变换器模块20可以是4个禁止的变换器模块20中的任意一个。为了降低变换器模块20的热循环，将启用的第三变换器模块20选择为4个禁止的变换器模块中在启用时刻具有最高温度的那一个。通过启用具有最高温度的变换器模块20，将最小化热循环，并因此提高了变换器系统10的可靠性。
相反地，如果Sref/Srated的比率降低小于图2中禁止界限52，必须禁止三个已启用的变换器模块之一。为了降低变换器模块的热循环，将要禁止的变换器模块20选择为3个已启用的变换器模块中在禁止时刻具有最低温度的那一个。通过禁止具有最低温度的变换器模块20，将最小化热循环，并因此提高了变换器系统10的可靠性。
用于确定哪一个变换器模块20应该启用或禁止的变换器模块20的温度能够通过测量重要电元件的温度获得，如IGBT晶体管，或通过测量变换器模块20的散热器的温度，或通过测量变换器模块20的其他任何元件的温度。
变换器模块20的可靠性还受变换器模块20的运行时间影响，其中变换器模块20的运行时间应理解为已经启用的变换器模块20的运行时间数。因此，如果变换器模块20很少启用，则该变换器模块的可靠性较高，反之另一频繁启用的变换器模块20的可靠性较低。
所以，通过确保变换器系统10的每一个变换器模块20的运行时间数是近似相同的，用于提高变换器模块20和变换器系统10的可靠性的方案最小化了每一个变换器模块20的运行时间数。
因此，当Sref/Srated的比率增长例如大于启用界限42时，将启用具有最小运行时间数的已禁止的变换器模块之一。相反，当Sref/Srated的比率下降例如小于禁止界限55时，将禁止具有最大运行时间数的已启用的变换器模块之一。
当确定禁止/启用哪一个已启用/已禁止的变换器模块时会引起冲突，因为最小化热循环和运行时间二者的标准可能指向两个不同的变换器模块，而根据图2的曲线只有一个变换器模块应该禁止/启用。
该冲突可以通过确定包括用于减少热循环和最小化运行时间的两标准的单一标准解决。例如，如果需要启用3个已禁止的变换器模块之一，可以对3个已禁止的变换器模块中的每一个计算由关于热循环的参数与关于运行时间的参数的和得出的标准，以确定哪一个变换器模块应该禁止。
当已经确定禁止变换器模块时，必须确定禁止是长期禁止还短期禁止。如果禁止应该是短期禁止，将变换器模块20的状态从运行状态变为如前所述的就绪状态就足够了。如果禁止应该是长期禁止，变换器模块20的状态应该从运行状态变化为关闭状态。
禁止应该是短期禁止还是长期禁止的决定可以从基于信息的统计计算确定，信息包括天气状况如风速和环境温度、天气预报、未来预期的连接到电网的用户电功率消耗、以及有关将被禁止的变换器模块20的运行时间和热循环的近期数据。
权利要求
1.操作风力涡轮机的变换器系统的方法，所述变换器系统包括--能够将发电机的可变发电功率转换为可应用于公用电网的电功率的多个变换器模块，其中--所述多个变换器模块安排为并联方式，及其中该方法包括步骤--响应与发电机的可变发电功率有关的参数，确定至少一个变换器模块的启用/禁止程序。
2.根据权利要求1所述的方法，其中涉及发电机可变发电功率的参数可从包括下述参数的组中选择变换器模块元件的温度、变换器系统表观功率的参考功率(Sref)、变换器系统有功功率的参考功率(Pref)、变换器系统的参考电流(Iref)、发电机产生的表观功率的测量值(Smes)、发电机产生的有功功率或传输给电网的有功功率的测量值(Pmes)、发电机产生的电流或传输给电网的电流的测量值(Imes)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中禁止至少一个变换器模块可以是短期禁止，其特征在于处于就绪状态的至少一个变换器模块的短期禁止允许快速启用正处于被短期禁止的变换器模块，其中快速启用是相对于操作接触器(Kgen，Kgrid，Kcharge)的时间要求定义的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中至少变换器模块之一的禁止可以是长期禁止，其特征在于处于关闭状态的至少一个变换器模块的长期禁止只允许缓慢启用正处于被长期禁止的变换器模块，其中缓慢启用是相对于快速启用变换器模块的时间要求定义的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而每一个已启用的变换器模块的输出功率相对于每一个变换器模块的额定功率最大化，优选地，执行确定步骤，从而每一个已启用的变换器模块的输出功率至少是额定输出功率的80％，最好至少是额定功率的90％。
6.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而所选择数量的已启用变换器模块的输出功率相对于每一个变换器模块的额定功率最大化，执行确定步骤从而每一个已启用的变换器模块的输出功率至少是额定输出功率的50％，最好至少是额定功率的80％。
7.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而当运行变换器模块时，多个变换器模块的每一个的热循环在选定的温度范围内最小化，可能执行确定步骤从而每一个已启用的变换器模块的热循环温度幅度最小化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而当运行变换器模块时，所选择数量的多个变换器模块的热循环在选定的温度范围内最小化，执行确定步骤从而所选数量的已启用变换器模块的热循环温度幅度最小化。
9.根据权利要求7-8任一所述的方法，其中相对于0与125摄氏度之间的温度间隔执行最小化热循环温度幅度，相对于30与125摄氏度之间的温度间隔更好，最好相对于60与125摄氏度之间的温度间隔甚至相对于60与110摄氏度之间的温度间隔。
10.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而当运行变换器模块时，每一个变换器模块的热循环在选定的温度范围内最小化，可能执行确定步骤从而每一个已启用变换器模块的热循环频率最小化，其中优选相对于最大允许频率执行最小化热循环频率。
11.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而当运行变换器模块时，所选择数量的多个变换器模块的热循环在选定的温度范围内最小化，执行确定步骤从而所选数量的已启用变换器模块的热循环频率最小化，其中优选相对于最大允许热循环频率执行最小化热循环频率。
12.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而所选择数量的变换器模块的输出功率最大化，同时所选择数量的变换器模块的热循环最小化，通过相对于预设值计算单一参数和优化所述单一参数影响所述输出功率最大化和所述热循环最小化，所述单一参数表征相对于变换器模块的额定功率的输出功率和变换器模块的热循环。
13.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而均衡多个变换器模块中的每一个的运行时间数。
14.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而均衡所选数量的多个变换器模块的运行时间数。
15.根据权利要求1所述的方法，其中执行确定至少变换器模块之一的启用/禁止程序的步骤，从而通过相移多个变换器模块的脉宽调制图样而使对公用电网产生的谐波电压最小。
16.根据权利要求1所述的方法，其中启用/禁止至少变换器模块之一的标准决定于预定的滞后参数，其中滞后参数受风力涡轮机元件的温度的影响。
17.根据权利要求1所述的方法，其中启用/禁止至少变换器模块之一的标准决定于预定的滞后参数，其中滞后参数受环境温度的影响。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个变换器模块包括发电机侧逆变器和电网侧逆变器。
19.根据权利要求18所述的方法，其中通过同时启用发电机侧逆变器和电网侧逆变器启用至少变换器模块之一。
20.根据权利要求18所述的方法，其中通过禁止发电机侧逆变器短期禁止至少变换器模块之一。
21.根据权利要求18所述的方法，其中通过禁止电网侧逆变器短期禁止至少变换器模块之一。
22.根据权利要求18所述的方法，其中通过同时禁止发电机侧逆变器和电网侧逆变器短期禁止至少变换器模块之一。
23.根据权利要求1所述的方法，其中通过根据启用程序序列启用变换器模块而启用至少变换器模块之一，所述序列如根据状态机状态的启用状态序列。
24.根据权利要求1所述的方法，其中通过根据禁止程序序列禁止变换器模块而长期禁止至少变换器模块之一，所述序列如根据状态机状态的禁止状态序列。
25.用于连接到公用电网和用于操作风力涡轮机系统的变换器系统的风力涡轮机，所述风力涡轮机系统包括--能够将发电机的可变发电功率转换为可应用于公共电网的电功率的多个变换器模块，其中--所述多个变换器模块安排为并联方式，及所述风力涡轮机系统包括--响应与发电机的可变发电功率有关的参数，确定至少多个变换器模块之一的启用/禁止的装置。
26.根据权利要求25所述的风力涡轮机，其中所述多个变换器模块包括发电机侧逆变器和电网侧逆变器。
27.根据权利要求25-26任一所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括禁止装置，如用于短期禁止变换器模块的发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器，通过向发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器施加禁止/启用信号能够禁止/启用所述发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器。
28.根据权利要求25-26任一所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括启用装置，如用于启用变换器模块的发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器，通过向发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器施加禁止/启用信号能够禁止/启用所述发电机侧逆变器和/或电网侧逆变器。
29.根据权利要求25所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括发电机接触器(Kgen)和/或电网接触器(Kgrid)和/或充电接触器(Kcharge)，所述风力涡轮机还包括用于根据禁止程序序列长期禁止变换器模块的充电电阻(27)。
30.根据权利要求25所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括用于已启用变换器模块的脉宽调制图样的相位移动的移相器。
31.根据权利要求25所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括用于滤除直流信号波动的直流环节电容(23)，及所述风力涡轮机还包括当充电接触器(Kcharge)闭合时，用于直流环节电容(23)充电的充电电阻(27)。
32.根据权利要求25所述的风力涡轮机，所述风力涡轮机包括用于从变换器模块断开发电机连接的发电机接触器(Kgen)，及所述风力涡轮机还包括用于从变换器模块断开电网连接的电网接触器(Kgrid)。
全文摘要
本发明涉及用于操作风力蜗轮机的变换器系统的方法，其中变换器系统包括能够将发电机的发电功率转换为可应用于公用电网的电功率的变换器模块。变换器模块包括发电机侧逆变器和电网侧逆变器。该方法响应与发电机的可变发电功率有关的参数确定变换器模块的启用/禁止。本发明的优势在于优化了变换器模块的功率效率并提高了变换器模块的可靠性。本发明的另一优势是具有快速启用/禁止变换器模块的能力。
文档编号H02J9/06GK1945920SQ200610152588
公开日2007年4月11日 申请日期2006年9月27日 优先权日2005年9月27日
发明者伊格纳西奥·略伦特 冈萨雷斯 何塞, 比约恩·安德烈森, 延斯·比尔克 申请人:歌美飒风电有限公司