专利名称：具有利用多个绝缘变压器绕组的并行转换器的风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及风力涡轮发电机，并且更具体地涉及一种将用于风 力涡轮发电机的并行功率转换器互连以〉'肖除在该并行功率转换器之间 循环的共^^莫电流的方法。
背景技术：
风力涡轮机通常使用风来发电。风使连接到转子上的多个叶片转 动。由风引起的所述叶片的旋转使转子的轴旋转，所述转子连接到生成
电的发电机。具体讲，转子被安装在外壳或者发动机舱(nacelle)内， 所述外壳或者发动机舱被安置在可能高达大约IOO米的桁架顶上或者圆 柱塔架顶上。公用电网风力涡轮机(例如，被设计向公用电网提供电力 的风力涡轮机)可以具有大的转子(例如，直径为30米或更大)。在 这些转子上的叶片将风能转换成驱动一个或者多个发电机的回转扭矩 或者回转力，所述发电机通过齿轮箱与转子旋转耦合。可以使用齿轮箱
来为发电机加速涡轮转子本来低的回转速度以高效地将机械能转换成 提供给公用电网的电能。 一些涡轮机采用不使用齿轮箱而直接耦合到转 子上的发电机。在这些风力涡轮机中可以使用不同类型的发电机。
许多装置，例如风力涡轮机，都包括功率转换器系统。功率转换器 系统典型地被用于将输入电压转换成期望的输出频率和电压水平，该输 入电压可以是频率固定的交流电、频率可变的交流电或者直流电。转换 器系统通常包括若干在特定频率进行切换以生成期望的转换器输出电 压和功率的功率半导体开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成栅
极整流晶闸管(IGCT或GCT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。然后，将转换器输出电压提供给不同负载。此处所用的
负载旨在广义地包括例如电动机、电力网及电阻性负载。
图1是典型电力系统的方框图，该电力系统与具有绕线磁极式 (wound-field )或者永磁式(PM )同步发电机的风力涡轮机耦合并且是
根据本发明的 一 个方面来实施的。该功率系统10被配置成将AC输出功
率提供给电网21。风力涡轮机12被配置成用于将风能转换成机械能。该风力涡轮机通过齿轮箱19与发电机14耦合，或者可替换地直接与发 电机14耦合。风能是通过旋转风力涡轮机的叶来获得的，并且发电机 14通过由转换器控制系统24控制的功率转换器系统20而被配置成用于 生成频率可变的输入功率。将所述功率通过一个或多个变压器22转换 成合适的电压并且提供给电力网21。
为了适应从风力场获得更多电力的需要，各个风力涡轮发电机的功 率输出量越来越大。为了适应风力涡轮发电机的更高的功率输出，向一 些风力涡轮机系统提供多重并行转换器(也称为转换器线程(thread))。 出于对高可用性和低失真的期望，多重并行转换器也可以在风力转换器 中提供优势。
典型地，功率转换器系统与门控制并行地使用多重功率转换器桥来 扩大功率处理容量。在风力涡轮机应用中，功率转换器桥通常指具有六 个功率开关的三相转换器电路。为了满足电网侧和机器侧的功率质量要 求，这种系统通常使用非常大的并且昂贵的滤波器来使脉冲宽度调制波 形平稳化。当大的并且昂贵的滤波器被最小化时，由于高谐波分量，这 种系统有时引起发电机和/或变压器以及其它对失真敏感的设备的过热。
图2是应用多重并行转换器的典型电力系统的方框图。电力系统10 被配置成用于为负载21提供电力。发电机源14被配置成生成AC输入 功率。将AC输入功率提供给功率转换器系统20。所述功率转换器系统 20包括转换器20-1至20-N。所述转换器以并行方式耦合并且,皮配置成 从所述发电机源14接收AC输入功率。所述功率转换器系统2(H皮配置 成将AC输入功率转换成AC输出功率。所述AC输出功率被提供给负 载21。负载可以包括例如电动才几、电力网以及电阻性负载。虽然电网在 传统上是电力的提供方，但是在大多数风力涡轮机系统实施例中，风力 涡轮机电力被提供给起负载作用的公用电网。
多个多重并行转换器(也称作线程)中的每一个都具有净系统额定 值(net system rating)的一部分。将这些转换器线程在输入端和输出端 上连接在一起以在输入端和输出端上形成直接与并行的转换器线程的 数量相关的净电流/功率额定值。典型地，转换器的一侧与公用电源(例 如电网)连接，而另一侧与工厂(plant)(例如发电机)连接。将转换 器与电力网连接的电路通常以地作为参考。由于费用和大小的原因，每 个线程与电网上的公共点和具有导体的工厂连接，所述导体是根据每个线程的额定值而不是根据系统的额定值来设置大小的。
转换器控制系统24被配置成提供控制信号以用于对功率转换器系
统20进行操作。所述转换器控制系统24与所述功率转换器系统20耦 合，并且被配置成根据预先指定的开关^t式来驱动转换器系统。由转换 器控制系统24提供的所述预先指定的开关模式可以提供对多重并行转 换器(20-1至20-n)的同步门控，或者可以用相移(phase displaced) 的门控信号为每个转换器线程提供交替的控制方式以便由于取消相移 开关波形而减少总的开关谐波分量。
图3是典型的功率转换器系统线程的方框图。风力涡轮机实施例例 如典型地包括三相功率转换器系统。转换器20-1表示功率转换器系统 20的一个线程。转换器20-1包括用于AC-DC转换的发电机转换器桥30、 DC链路35以及用于以合适的电压和频率进行DC-AC转换的负载转换 器桥40。可以使用六个功率半导体开关45来实施发电机转换器桥30。 相似地，可以使用六个功率半导体开关45来实施负载侧桥40。可以规 划发电机侧扼流器50和负载侧扼流器55的工作以实现非交替或交替的 门控。
对转换器线程中的功率半导体进行开关会导致在并行转换器之间 的电压不同，这即使在系统上没有接地故障也会产生在转换器线程之间 流动的共模电流。所述共模电流将在功率转换器线程之间的环形回路中 流动，但是既不对电网中的净电流也不对工厂中的净电流产生影响。共 模扼流器60抑制既连接发电机侧转换器又连接负载侧转换器的高频(开 关频率范围)共模交叉电流。
图4示出在具有与电网21和与风力涡轮发电才几14连4妻的n重并行 转换器线程(20-l至20-n)的电力系统转换器中的共^t电流。例如，有 可能电流能够流入线程Tl—L—Ia 110并流出Tl—G—Ia 115以及通过线程 T2—G—Ia 120和T2—L—Ia 125返回。对于这种将不影响净电流的电流存在 许多回路的组合。然而，这些共才莫电流以及正常才莫式的循环电流迫使转
换器开关装置和其它组件更接近热极限地运行。此外，这些共^t电流可 能引起对那个回路的接地故障电流的测量的直接误差，因此使得故障检 测更加困难。需要大的共模电感器以限制在转换器之间的循环共模电流 量，以及需要大的正常模式电抗器以限制在利用相移来减少净失真时的 循环正常才莫式电流。相应地，需要提供一种用于以如下方式互连功率转换器的结构和方
法使得不需要共模电感器就可以减少或者消除在并行转换器线程之间 流动的共模电流，并且这种结构和方法具有使多线程相移的能力以减少 对大体积滤波器的需要。
发明内容
最近，风力涡轮机作为对环境安全并且相对便宜的替代能源受到了 越来越多的关注。随着该兴趣的增长，已经做出相当大的努力以发展可 靠并且高效的风力涡轮机。本发明涉及一种在风力涡轮机中将功率转换 器互连的具体方法，该方法通过消除在并行功率转换器之间循环的共才莫 电流使得可以优化系统费用和可靠性。
根据本发明的第一方面，提供一种用于为负载提供输出功率的电力 系统。该电力系统包括^皮配置成为功率转换器系统生成交流输入功率的 发电机。该功率转换器系统与发电才几耦合并且,皮互连以生成输出功率并 且为负载提供该输出功率，其中转换器系统包括多个并行转换器线程。 转换器控制系统与功率转换器系统耦合并且被配置成驱动转换器系统 以减少在输出功率或者交流输入功率中的谐波分量。针对从转换器到负 载的输出功率的隔离装置适合于防止在并行转换器线程之间的共模电 流循环。
根据本发明的第二方面，提供一种用于在电力系统中消除共it电流 的方法，该电力系统将功率输出从包括多个并行转换器线程的功率转换 器系统提供给负载。该方法包括按照控制器对发电机进行操作以将AC 功率提供给电力系统转换器，并且该方法包括将AC功率提供给电力系 统转换器。该方法也包括按照用于功率转换器系统的控制器对多个转换 器线程进行操作，这适应于驱动功率转换器系统以减少在功率输出或者 交流输入功率中的谐波分量。该方法进一步包括通过至少 一组多个绝缘 功率变压器绕组将功率转换器系统的功率输出提供给负载，其中至少一 组绝缘功率变压器绕组由多个转换器线程中的对应转换器线程馈给。
根据本发明的第三方面，风力涡轮机电力系统适合于在将输出功率 提供给电力网时防止在电力系统转换器线程之间的共才莫电流循环。该风 力涡轮机电力系统包括由风力涡轮机控制器控制的风力涡轮发电机，该 风力涡轮发电机被配置成为功率转换器系统生成交流输入功率。该功率转换器系统与风力涡轮发电机耦合并且被互连以生成输出功率且为负 载提供该输出功率。功率转换器系统包括多个并行转换器线程。转换器 控制系统与功率转换器系统耦合并且被配置成驱动并行转换器线程以 减少在输出功率或者交流输入功率中的谐波分量。针对从转换器到电力 网的输出功率的隔离装置适合于防止在并行转换器线程之间的共模电 流循环。在位于转换器和负载之间的功率变压器上提供多组绝缘功率绕 组。变压器上的多组绝缘功率绕组中的每一组只与多个并行转换器线程 中的一个对应的并行转换器线程连接。
当参照附图阅读了下面的详细it明时，本发明的这些和其它特4正、 方面和优点将变得更容易理解，在附图中，相同的符号表示相同的部分，
^巾
图1示出用于从风力涡轮发电机将电功率输出通过功率系统转换器 输送给负载的典型的风力涡轮发电机电力系统；
图2示出应用多个并行频率和电压转换器的典型电力系统的方框
图3示出典型的功率转换器系统线程的方框图4示出在具有并行转换器线程的电力系统转换器中的共模电流流
动；
图5示出用于风力涡轮发电机电力系统的非绝缘绕组的功率输出连 接，该风力涡轮发电机电力系统具有功率转换器系统的转换器线程；
图6示出包括功率转换器系统的电力系统的一个实施例，该功率转 换器系统包含为负载侧变压器提供以Y形配置的绝缘功率绕组的多个 并行转换器线程；
图7示出包括功率转换器系统的电力系统的另一实施例，该功率转 换器系统包含为负载侧变压器提供以A形(delta)配置的绝缘功率绕组 的多个并行转换器线程；以及
图8示出用于在电力系统中消除共才莫电流的方法的流程图，该电力 系统从包括多个并行转换器线程的功率转换器系统将功率输出提供给 负载。
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具体实施例方式
本发明的下述实施例具有许多优点，包括消除在并行转换器线程之 间的循环共才莫电流。为了消除在风力涡轮机系统的并行转换器之间的循 环共^t电流，所述新的结构和方法通过在主变压器的输入侧采用绝缘功 率绕组，隔离了在负载侧的并行转换器线程的输出。这种设置消除了对 共电感器的需要，提高系统可靠性并减少总的系统费用。
图5示出风力涡轮发电机电力系统的现有技术的非绝缘绕组的功率 输出连接，该风力涡轮发电机电力系统具有用于功率转换器系统的发电
机侧并行转换器线程。功率系统转换器20包括并行转换器线程20-1、 20-2、 20-3和20-n。用于风力涡轮发电机14的发电机功率绕组205可 以-波配置成Y形i殳置，其中功率绕组210、 211、 212与Y形的中性点 215连接。每相功率绕组210、 211、 212的另一端(与Y形中性点相反) 可以与一个针对每个平4亍转纟灸器线程20-l至20-n的对应相(A相230、 B相235、 C相240 )的每个输入端250、 255、 260连接。将每个转换器 线程的对应相连接的输入端接合在一起。相似地，转换器线程20-1至 20-n的输入端在点270、 275和280与主变压器25的转换器侧绕组25-1 连接，这使得共模循环电流205在转换器线程之间的闭合回路中流动。
图6示出包括功率转换器系统的电力系统的实施例，该功率转换器 系统包含由主变压器的Y形配置的绝缘功率绕组供应的多个并行转换 器线程。风力涡轮发电机14可以从发电机功率绕组205的三组非绝缘 三相绕组210、 211、 212将输入相A相230、 B相235、 C相240供应 到功率系统转换器20的示例性的4个并行转换器线程20-1至20-n。在 本示例中，示出以Y形配置的非绝缘绕组。然而，非绝缘风力涡轮发电 机绕组405可以反之包括任何其它适用于电力应用的变压器设置。
根据本发明的一方面，主变压器25的转换器侧绕组25-1包括用于 各个转换器线程20-1至20-n的一组单独的绝缘三相功率绕组。转换器 线程20-l至20-n的输出连接340、 345、 350和355分别与主变压器25 的Y形配置的绝缘功率绕组305、 310、 315和320连接。
因为主变压器25的转换器侧功率绕组25-1对于各个转换器线程都 是绝缘的，转换器线程不再电连接到负载侧，因此防止了共模电流在发 电机侧在转换器线程之间流动。即使在发电机侧的每个转换器线程的相 同相之间在点250、 255和260处连接，流动路径也是^皮隔离的。由于消除了在转换器线程之间流动的共模电流，因此可以取消共模电抗器， 这减少了转换器线程的费用、复杂度和大小。
图7示出包括功率转换器系统的电力系统的另一实施例，该功率转 换器系统包含为负载侧变压器提供以△形配置的绝缘功率绕组的多个
并行转换器线程。绝缘三相输入变压器功率绕组405、 410、 415和420 接受来自各个转换器线程20-1至20-n的输出端440、 445、 450和455, 这在各个转换器线程之间提供相似的绝缘效果，因此阻塞共模电流在转
换器线程之间的流动。
虽然图6和图7示出了 Y-Y形配置的变压器和A-A形配置的变压 器以用来隔离共模电流的循环，但是可以考虑使用星形配置的变压器或 者任何其它类型适用于功率操作的变压器以在转换器的负载侧提供对 共模循环电流的隔离。另外，虽然在图6和图7中分别示出Y-Y形变压 器配置和A-A形变压器配置，但是也可以采用Y-A形和A-Y形配置以 及其它合适类型的功率变压器。
虽然该实施例已经it明用于风力涡4仑发电才几的电力系统和功率转 换器，可以理解，本发明可以一般性地应用于其它类型的电力系统、电 力发电才几和电力系统转换器。
对发电机绕组进行隔离以便将电力输入提供给转换器可以进一 步 与对输出变压器上转换器的并行转换器线程的功率输出的绕组进行隔 离相结合。
在本发明进一步的实施例中，提供一种用于在电力系统中消除共模 电流的方法，该电力系统从包括多个并行转换器线程的功率转换器系统 为负载提供功率输出。该方法可以包括按照风力涡轮控制器对风力涡轮 发电机进行操作以便通过包括多个并行转换器线程的转换器向电网提 供电输出。该方法也包括按照用于功率转换器系统的控制器对并行转换 器线程进行操作以将电力提供给电网，这适应于使用由风力涡轮发电机 提供的电力来驱动功率转换器系统以减少在功率输出或者交流输入功 率中的谐波分量。该方法也包括通过转换器侧变压器的绝缘绕组从每个 并行转换器线程提供电力，这适应于在转换器线程之间对共模电流的循 环3各径进4亍电隔离。
图8示出一种用于在电力系统中消除共^t电流的方法的流程图，该 电力系统从包括多个并行转换器线程的功率转换器系统为负载提供功率输出。初始步骤510，按照风力涡轮发电机控制器对风力涡轮发电机 进行操作以便通过包括多个并行转换器线程的转换器为电网提供电输
出。在步骤520中，功率系统转换器使用由风力涡轮发电机提供的电力 对并行转换器线程进行操作以将电力提供给电网。在对并行转换器线程 进行操作时，用于转换器的控制器向并行转换器线程的半导体开关提供 I' :i控信号以驱动功率转换器系统来减少在功率输出或者交流输入功率 中的谐波分量。并行转换器线程可以以交替才莫式或者非交替^t式来执行 门控。在步骤530中，并行转换器线程通过在转换器负载侧的主变压器 的绝缘输入功率绕组将功率提供给电网，这防止了共^t电流在转换器线 程之间循环。
虽然在此说明了不同的实施例，j旦是从说明书中可以理解，可以对 范围内。部件列表
10.电力系统
12.风力涡轮才几
14.风力涡轮发电机
16.风力涡轮发电机控制器
19. 齿轮箱
20. 功率转换器系统 20-1至20-n转换器线程
21. 负载(电网)
22. 变压器
24. 转换器控制系统
25. 主变压器
25-1来自转换器的主变压器输入绕组
30.发电机转换器桥
35. DC链路
40.负载侧桥
50.发电机侧扼流器
55.负载侧扼流器
60.共模扼流器
110. Tl一L一Ia
115. Tl一G一Ia
120. T2一G一Ia
125. T2一L一Ia
210. 功率绕组
211. 功率绕组
212. 功率绕组 215. Y形连接 230. A相 235. B相 240. C相 250.连接点 255.连接点
12260.连"l妻点
270.接合点
275.接合点
280.接合点
305.发电才几功率绕组
310.三相Y形绕组.
315.三相Y形绕组
320.三相Y形绕组
325.三相Y形绕组
340、 345、 350、 355分别为在三相绕组和转换器线程20-1 、 20-2、 20-3、 20-n之间的输入连接
310. Y形配置的绝纟彖功率绕组
315. Y形配置的绝缘功率绕组
320. Y形配置的绝纟彖功率绕组
325. Y形配置的绝缘功率绕组
370.在转换器线程和主变压器输入之间的连接点
375.在转换器线程和主变压器输入之间的连接点
380.在转换器线程和主变压器输入之间的连接点
405.发电机功率绕组
410.绝缘的三相A形功率绕组
415.绝^^的三7f目A形功率绕组
420.绝缘的三相A形功率绕组
425.绝缘的三相A形功率绕组
440、 445、 450、 455分别为在三相绝缘绕组和转换器线程20-1、 20-2、 20-3、 20-n之间的输入连接
470.在转换器线程和主变压器输入之间的连接点 475.在转换器线程和主变压器输入之间的连接点 480.在转换器线程和主变压器输入之间的连接点。
权利要求
1.一种用于为负载(21)提供输出功率的电力系统(10)，所述系统包括发电机(14)，所述发电机(14)被配置成为功率转换器系统(20)生成交流输入功率；功率转换器系统(20)，所述功率转换器系统(20)与发电机(14)耦合并被互连以生成输出功率并且将输出功率提供给负载(21)，其中所述功率转换器系统(20)包括多个并行转换器线程(20-1)、(20-2)、(20-3)、(20-n)；转换器控制系统(24)，所述转换器控制系统(24)与功率转换器系统(20)耦合并且被配置成驱动功率转换器系统(20)以减少在输出功率或者交流输入功率中的谐波分量；以及针对从发电机(14)到功率转换器系统(20)的输出功率的隔离装置(305)，所述隔离装置适合于防止在并行转换器线程(20-1)、(20-2)、(20-3)、(20-n)之间的共模电流循环。
2. 根据权利要求1所述的电力系统(10),所述功率转换器系统(20) 进一步包括针对输出功率的隔离装置，该隔离装置包括在发电机(14)上的多 组绝缘功率绕组(305 ) 、 (310) 、 (315) 、 ( 320),其中在发电才几 上的多组绝缘功率绕组中的每一组与多个并行转换器线程(20-1)、 (20-2) 、 (20-3) 、 (20-n)中的一个相应的并行转换器线程互连。
3. 根据权利要求2所述的电力系统(10),其中在发电机(14)上 的该组绝缘功率绕组包括三相功率绕组(25-1),并且多个并行转换器 线程(20-1) 、 (20-2) 、 (20-3) 、 (20-n)中的每一个包括三相功率 输入(340)、 ( 345 )、 ( 350 )、 ( 355 )。
4. 根据权利要求3所述的电力系统(10)，其中所述三相功率绕组 (25-1 )包括Y形连接的发电机功率输出绕组(310)、 (315)、 ( 320)、 ( 305 )。
5. 根据权利要求3所述的电力系统(10),其中所述三相功率绕组 (25-1)包括A形连接的发电机功率输出绕组(405 )、 (410)、 (415)、 (420)。
6. 根据权利要求3所述的电力系统(10),其中所述三相功率绕组(25-1)包括星形连接的发电机功率输出绕组。
7. 根据权利要求3所述的电力系统(10),其中所述发电机包括 风力涡轮发电机(14)。
8. 根据权利要求3所述的电力系统，其中所述负载包括电力网 (21)。
9. 根据权利要求3所述的电力系统(10 ),其中所述转换器控制系 统(24)按照交替的控制模式驱动所述功率转换器系统(20)的所述并 行转换器线程(20-1 ) 、 ( 20-2 ) 、 ( 20-3 ) 、 ( 20-n )。
10. 根据权利要求3所述的电力系统(10),其中所述转换器控制 系统(24)按照非交替的控制模式驱动所述功率转换器系统(20)的所 述并行转换器线程(20-1 ) 、 ( 20-2 ) 、 ( 20-3 ) 、 ( 20-n )。
全文摘要
本发明涉及具有利用多个绝缘变压器绕组的并行转换器的风力涡轮机。提供一种系统和方法来在风力涡轮发电机电力系统(10)中隔离转换器(20)的并行转换器线程(20-1)、(20-2)、(20-3)、(20-n)的输出(340)、(345)、(350)、(355)。通过利用功率变压器(25)的绝缘功率绕组(305)、(310)、(315)、(320)，在所述转换器(20)的负载侧提供隔离。这种隔离消除了在所述转换器(20)的并行转换器线程(20-1)、(20-2)、(20-3)、(20-n)之间的循环共模电流，并且消除了对共模电感器的需要。提高了系统可靠性并且减少了总的系统费用。
文档编号H02J3/38GK101621207SQ20091015130
公开日2010年1月6日 申请日期2009年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者A·M·克洛多夫斯基, A·M·里特, R·G·沃戈纳 申请人:通用电气公司