专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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发明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。
发明内容
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。本发明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。
根据本发明的第 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。变换器控制系统耦合到功率变换器系统并配置成驱动功率变换器 系统以降低输出功率或交流输入功率中的谐波分量。用于发电机到变换器的输入功率的隔离部件适用于防止在并联变换器线程之间的共 模电流循环。
根据本发明的第二方面，提供了 一种用于在将功率输出从包括多 个并联变换器线程的功率变换器系统供应到负载的功率系统中消除 共模电流的方法。方法包括根据控制器操作发电机以向功率系统变换
器供应ac功率；通过发电机的多组隔离的发电绕组将ac功率供应到 功率系统变换器，其中发电机的一组隔离的发电机绕组对多个变换器 线程的对应变换器线程馈电。方法还包括根据用于功率变换器系统的 控制器操作多个变换器线程；适用于驱动功率变换器系统以P争^^功率 输出或交流输入功率中的谐波分量。
才艮据本发明的第三方面，风力涡轮功率系统适用于在将输出功率 提供到电力网时在功率系统变换器线程中防止共模电流循环。风力涡 轮功率系统包括由风力涡轮控制器控制、配置成对功率变换器系统生 成交换电输入功率的风力涡轮发电机。功率变换器系统耦合到风力涡 轮发电机，并互连以生成输出功率并将输出功率提供给负载。功率变 换器系统包括多个并联变换器线程。变换器控制系统耦合到功率变换 器系统并配置成驱动并联变换器线程以降低输出功率或交流输入功 率中的谐波分量。用于从风力涡轮发电机到变换器的输入功率的隔离 部件适用于防止在并联变换器线程之间的共模电流循环。在风力涡轮 发电机上提供了多组隔离的功率绕组。发电机上多组隔离的功率绕组 的每个绕组只与多个并联变换器线程的对应并联变换器线程之一互 连。
参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其 它特征、方面和优点，附图中类似的字符在所有图形中表示类似的部 分，其中
图1示出用于通过功率系统变换器将电力输出从风力涡轮发电机输送到负载的典型风力涡轮发电机功率系统；
图2示出采用多个并联频率和电压变换器的典型功率系统的框图。
图3示出功率变换器系统的一个线程的典型线程的框图； 图4示出在具有并联变换器线程的功率系统变换器中流动的共模 电流；
图5示出用于由发电机供电的功率变换器系统的变换器线程的功 率输入和输出连接；
图6示出包括功率变换器系统的功率系统的实施例，功率变换器 系统包含由发电机的隔离的Y型连接功率绕组供电的多个并联变换 器线程；
图7示出包括功率变换器系统的功率系统的另一实施例，功率变 换器系统包含由发电机的隔离的三角配置的功率绕组供电的多个并 联变换器线程；以及
图8示出在将功率输出从包括多个并联变换器线程的功率变换器 系统供应到负载的功率系统中消除共i^莫电流的方法的流程图。
具体实施例方式
本发明的以下实施例具有许多优点，包括消除并联变换器线程之 间的循环共模电流。为消除风力涡轮系统的并联变换器之间的循环共 模电流，所述新结构和方法要在负载侧通过利用系统功率发电机上的 隔离的功率绕组，将并联变换器线程的输出隔离。此类布置消除了对 共模电感器的需要，促进了系统可靠性，并P争低了总系统成本。
图5示出用于风力涡轮发电机功率的现有技术的非隔离的绕组的 功率输出连接，其具有用于功率变换器系统的发电机侧并联变换器线 程。功率系统变换器20包括并联变换器线程20-l、 20-2、 20-3、 20-n。 用于风力涡轮发电机14的发电机功率绕组205可以Y型布置方式配 置，功率绕组210、 211、 212在Y型中性点215结合。功率绕组210、211、 212的每个相位的对端(相对Y型中性)可结合到用于每个并 :眹变换器线程20-1到20-N的一个对应相位(相位A 230、相位B 235、 相位C240)的每个输入250、 255、 260。每个变换器线程的对应相位 连接的输入结合在一起。来自变换器线程20-1到20-N的输入类似地 在点270、 275和280结合到主变压器25的变换器侧绕组25-l， /人而 使共模循环电流205在变换器线程之间的闭环中流动。
图6示出包括功率变换器系统的功率系统的实施例，该功率变换 器系统包含由Y型配置的发电机的隔离的功率绕组供电的多个并联 变换器线程。在发电机控制器16下操作的风力涡轮发电机14可从发 电机功率绕组305的四组隔离的三相绕组310、 315、 320、 325 (每个 单独的变换器线程一个隔离的三相绕组)将输入340、 345、 350、 355 供应到功率系统变换器20的示范的四个并联变换器线程20-1到20-n。 在本示例中，示出了 Y型配置的隔离的绕组。然而，如图7所示，隔 离的风力涡轮发电机绕组405可以三角配置三相绕组410、 415、 420、 425形式配置，以将输入供应到功率系统变换器20的四个示范并联变 换器线程20-l到20-n。虽然未示出，但用于从发电机到功率系统变换 器的输入的隔离的变压器绕组可包括星形配置或适合于功率应用的 任何其它变压器布置。虽然此实施例描述了用于风力涡轮发电机的功 率系统和功率变换器，但理解本发明可普遍适用于其它类型的功率系 统、发电机和功率系统变换器。
可将变换器线程20-1到20-n的对应相位到主变压器25的变换器 侧绕组25-l的输入如图6(图7 )所示分别在点370(470 )、 375(475 )、 380 (480)保持结合在一起。由于发电机绕组305 (405 )对于各个变 换器线程是隔离的，因此，在发电机侧变换器线程不再有电流连接， 由此防止在变换器线程之间在发电机侧上的共模电流的流动。随着变 换器线程之间流动的共模电流的消除，可消除共模电抗器，降低变换 器线程的成本、复杂性和大小。
用于向变换器提供电力输入的发电机绕组的隔离可进一步与输出变压器上用于变换器的并联变换器线程的电输出的绕组的隔离组合。
根据本发明的又一方面，提供了 一种用于在将功率输出从包括多 个并联变换器线程的功率变换器系统供应到负载的功率系统中消除 共模电流的方法。该方法可包括根据风力涡轮控制器操作风力涡轮发
电力网。方法还包括通过与供应并联变换器的其它线程的隔离的绕组 电隔离的风力涡轮发电机的隔离的绕组，将电力供应到每个并联变换 器线程。方法还包括使用风力涡轮发电机的隔离的绕组供应的电力操 作并联变换器线程，以将电力供应到电力网。
图8示出在将功率输出从包括多个并联变换器线程的功率变换器 系统供应到负载的功率系统中消除共模电流的方法的流程图。初始步
骤510根据风力涡轮发电机控制器操作风力涡轮发电机，以用于通过 包括多个并联变换器线程的变换器将电输出供应到电力网。步骤520 通过风力涡轮发电机的隔离的绕组，将电力供应到每个并联变换器线 程。在步骤530中，变换器使用风力涡轮发电机的隔离的绕组供应的 电力来操作并联变换器线程，以将电力供应到电力网。在操作并联变 换器线程中，用于变换器的控制器提供选通信号到并联变换器线程的 半导体开关。并联变换器线程进行的选通可在交错或非交错模式中执 行。
虽然在本文中描述了各种实施例，但从说明书将理解，其中可进 行要素、变化或改进的各种组合，并且在本发明的范围内。各部分列表
10功率系统
12风力涡專仑
14风力涡轮发电才几
19变速箱
20功率变换器系统
20-1到20-n变换器线程
21负载(电力网)
22变压器
24变换器控制系统
25主变压器
25-1相对变换器的主变压器的输入绕组
30发电机变换器桥
35 DC链路
40负载侧桥
50发电机侧扼流圈
55负载侧扼流圈
60发电机侧滤波器
110Tl一L一Ia
115Tl一GJa—
120 T2一G—la
125 T2—G—la
205发电^/L功率绕组
210功率绕组
211功率绕组
212功率绕组
215 Y形连接
230相位A
235相位B270结合点
275结合点
280结合点
305发电机功率绕组
310 3相Y形绕组
315 3相Y形绕组
320 3相Y形绕组
325 3相Y形绕组
340、 345、 350、 355 分別在3相绕组和变换器线程20-1 、 20-2、 20-3、 20-n之间的输入连接
370在变换器线程和主变压器输入之间的连接点 375在变换器线程和主变压器输入之间的连接点 380在变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 3相三角绕组 415 3相三角绕组 420 3相三角绕组 425 3相三角绕组
440、 445、 450、 455 分别在3相绕组和变换器线程20-1 、 20-2、 20-3、 20-n之间的输入连接
470在变换器线程和主变压器输入之间的连接点 475在变换器线程和主变压器输入之间的连接点 480在变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。
2. 如权利要求1所述的功率系统(10)，所述功率变换器系统(20) 还包括用于所述输入功率的隔离部件，包括在所述发电机(14)上的多 组隔离的功率绕组(310、 315、 320、 325 ),其中所述发电^L上的所 述多组隔离的功率绕组的每个绕组与所述多个并联变换器线程(20-1 、 20-2、 20-3、 20-n)的对应并联变换器线程之一互连。
3. 如权利要求2所述的功率系统(10),其中所述发电机(14) 上的隔离的功率绕组的组包括三相功率绕组(305)，并且所述多个 并联变换器线程(20-1、 20-2、 20-3、 20-n)中的每个包括三相功率输 入(340、 345、 350、 355 )。
4. 如权利要求3所述的功率系统(10)，其中所述三相功率绕组 (305 )包括Y形连接的发电机功率输出绕组(310、 315、 320、 325 )。
5. 如权利要求3所述的功率系统(10)，其中所述三相功率绕组 (305 )包括三角连接的发电机功率输出绕组(410、 415、 420、 425 )。
6. 如权利要求3所述的功率系统(10)，其中所述三相功率绕组 (305 )包括星形连接的发电机功率输出绕组。
7. 如权利要求3所述的功率系统(10)，其中所述发电机包括 风力涡轮发电才几(14)。
8. 如权利要求3所述的功率系统，其中所述负载包括电力网 (21)。
9. 如权利要求3所述的功率系统，其中所述变换器控制系统(24) 根据交错控制方案来驱动所述功率变换器系统(20)的并联变换器线 程(20-1、 20-2、 20画3、 20-n)。
10. 如权利要求3所述的功率系统(10),其中所述变换器控 制系统(24) 4艮据非交错控制方案来驱动所述功率变换器系统(20) 的并联变换器线程(20-1、 20-2、 20-3、 20-n)。
全文摘要
本发明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。
文档编号H02J3/38GK101621208SQ20091015943
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