用于传输电功率的设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于在第一和第二交流电压网(2，3)之间传输电功率的设备(1)。在第二交流电压网(3)上连接自换相变流器(20)，其经由直流电压连接与不可调整流器(10)连接。不可调整流器(10)在交流电压侧与第一交流电压网(2)连接。按照本实用新型的装置的特征在于与第一交流电压网(2)连接的电网产生装置(9)，其被设置为用于产生在第一交流电压网(2)中的交流电压，其中电网产生装置(9)被构造为用于与第一交流电压网(2)交换无功功率和有功功率。
【专利说明】
用于传输电功率的设备
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种用于在第一和第二交流电压网之间传输电功率的设备。在第二交流电压网上可以连接自换相变流器，其经由直流电压连接与不可调整流器连接。不可调整流器在交流电压侧可以与第一交流电压网连接。【背景技术】
[0002]上述类型的设备由现有技术所公知。例如在S.Bernal-Perez等的文章，，Off-shore Wind Farm Grid Connect1n using a Novel D1de-Rectifier and VSC-1nverter based HVDC Transmiss1n Link"，IEC0N, 2011，Seiten 3186-3191 中公开了一种用于在风电设备中使用的能量传输设备。能量传输设备包括构造为二极管整流器的不可调变流器，其在直流电压侧与直流电压中间电路连接。直流电压中间电路在二极管整流器与电压注入式变换器之间延伸，该电压注入式变换器在英文中也被称为“Voltage Source ConverteHVSC)”。不可调整流器经由变压器和交流电压网与风电设备的风电场连接。为了无功功率补偿的目的，将无源滤波器元件与风电场的交流电压网连接。
[0003]借助直流电流传输电能在许多应用中，特别是在几千米长的线路中经济上是具有优势的。
[0004]该应用例如包括已经提到的在海洋中建立的风电场至陆地侧的供电网的连接、从陆地向离岸设施(例如石油平台)供能或连接两个被海洋分开的大陆电网。
[0005]在直流传输装置中通常使用两个自换相变流器，其借助直流电压连接彼此连接。 这样的布置还允许在弱的交流电压网之间的双向的功率通量，从而例如可以通过强的交流电压网实现弱的交流电压网的稳定。
[0006]自换相变流器还能够实现交流电压网的“无电源起动”(“Black Start”)。为了启动风电场例如通过在海洋侧的变流器产生交流电压网，其中为此所需的供应能量可以从在陆地侧的能量供电网中获得。风电场的风电设备因此可以同步到存在的交流电压网。在风较强的情况下进行期望的功率反流，也就是从风电场至在陆地侧的供电网的功率传输。目前，使用产生电压的和自换相变流器(VSC)以及特别是多级变流器作为变流器。但是这种变流器在海洋中的安装由于变流器的越来越高的重量是高成本的。
[0007]使用不可调整流器虽然仅允许在一个方向上传输功率，但是具有如下优点，S卩，整流器的损失和重量相对于自换相变流器明显降低。此外，在不可调整流器中可以使用相对紧凑的功率半导体。在该情况下还可以更低成本地实施不可调整流器的控制和冷却。
[0008]如果第一交流电压网例如连接到能量产生设备，例如风电场，则功率传输的方向基本上预先给定，从而限制到单向的能量传输不构成严重缺陷。
[0009]但是该方案的缺陷是，不可调整流器不能提供在第一交流电压网中的交流电压。 但是，在与风电场相连的交流电压网中存在频率稳定的交流电压是对于利用商业上通常的风力涡轮机来运行设备的前提条件。借助不可调整流器不能提供该所需的交流电压。此外， 仅能不充分地调节在第一交流电压网中的电网频率的波动。
[0010]克服该问题的一种可能性是采用特殊匹配的风力涡轮机调节方案。但是在这种情况下不再能够使用商业上可用的风力涡轮机。因此存在对于上述类型的设备的要求，其具有稳定的第一交流电压网。【实用新型内容】
[0011]基于现有技术，本实用新型要解决的技术问题在于，建议一种开头提到的类型的设备，其能够实现第一交流电压网的稳定运行。
[0012]上述技术问题通过具有可与第一交流电压网连接的电网产生装置的设备来解决。 电网产生装置被设置为用于产生在第一交流电压网中的交流电压，其中其被构造为与第一交流电压网交换无功功率和有功功率。
[0013]按照本实用新型，电网产生装置产生在第一交流电压网中的交流电压。此外，电网产生装置被设置为，与第一交流电压网交换无功功率。如果例如能量产生装置，诸如具有商业上通常的风力涡轮机的风电场，连接到第一交流电压网，则可以通过电网产生装置提供在第一交流电压网中的对于其运行所需的交流电压以及可能的所需的无功功率。通过电网产生装置，优选地通过为此设置的电网产生装置的控制单元来控制所需的有功功率和无功功率的接收或馈入。
[0014]如果例如将多个有功功率馈入第一交流电压网，则这会导致在第一交流电压网中的电网频率的波动。为了例如抵消电网频率的提高，降低在自换相变流器的直流电压接头上的电压。这引起从第一至第二交流电压网的提高的功率通量。通过这种方式，在第一交流电压网中的电网频率可以被调节到预定的值。在降低电网频率的情况下可以相应地，通过提高在自换相变流器的直流电压接头上的电压，由此降低从第一至第二交流电压网的功率通量。
[0015]优选地，不可调整流器是二极管整流器。二极管整流器在实践中证明在制造和运行中是特别紧凑的和有利的。
[0016]按照本实用新型的设备特别适用于其中在离岸风电设备中产生的电能必须被传输到在陆地上布置的供电网的应用。不可调整流器在此例如可以经由第一交流电压网与在海洋或湖泊中布置的风电场连接。因为向陆地的能量传输在该情况下通过直流电压连接进行，所以不可调整流器优选地布置在海上平台上。相应地，自换相变流器布置在陆地上。 [〇〇17]通过电网产生装置提供在第一交流电压网中的对于启动风力涡轮机所需的交流电压。电网产生装置为此例如可以包括旋转的移相器，例如以同步电机的形式。移相器可以接收来自于第一交流电压网的有功功率并且以旋转能量的形式中间存储。为此，移相器具有旋转质量，例如以实心转子的形式。移相器相应地可以将有功功率馈入第一交流电压网， 其中从所存储的旋转能量中获得在一段时间上输出的有功功率。
[0018]在该情况下，在移相器中关于给出的时间所存储的旋转能量影响第一交流电压网的电网频率。如果移相器接收能量，则旋转质量的旋转速度提高，其中第一交流电压网的电网频率与旋转速度相关。为了均衡电网频率的变化，可以提高或降低在自换相变流器的直流电压接头上的电压。通过这种方式可以调节在不可调整流器与自换相变流器之间的功率通量:在第一交流电压网中的电网频率提高时降低在自换相变流器的直流电压接头上的电压，从而从第一交流电压网中降低更多有功功率，由此降低电网频率;相应地，当在第一交流电压网中的电网频率降低时，提高在自换相变流器的直流电压接头上的电压。[0〇19] 合适的是，电网产生装置包括静止同步补偿器(Static-Synchronous-Compensator，STATC0M)设备。STATC0M设备具有交流电压接头，经由其例如可以将STATC0M 设备连接到交流电压网的三个相。借助STATC0M设备可以在STATC0M设备与交流电压网之间交换电感性的和/或电容性的无功功率。合适地，STATC0M设备被构造为，产生不取决于交流电压网的电压的无功功率。STATC0M设备例如可以被构造为所谓的电压源变流器(Voltage Source Converter)，其经由电感与第一交流电压网连接。基本上任意电感性的部件，诸如线圈或变压器，被考虑为电感。STATC0M设备例如可以被构造为具有分布式存储电容器的模块化的多级变流器(Mul ti 1 eve 1 Converter)。STATC0M设备在该情况下包括相模块，其数量相应于第一交流电压网的相的数量，其中相模块例如按照星形电路或三角电路彼此连接。 在此，每个相模块被构造为由双极的子模块构成的串联电路。每个子模块配备了能量存储器，例如单极的电容器，以及与之并联布置的功率半导体电路。功率半导体电路例如可以被构造为半桥或全桥电路。此外在该情况下，电网产生装置包括用于提供可能的所需的有功功率的能量存储元件，例如以可再充电的电池的形式。能量存储元件例如可以与直流电压注入式变换器的中间电路电容器并联连接。能量存储元件一般地仅能接收和/或输出限制的能量的量。由于该原因，对于在第一交流电压网中的电网频率的频率稳定，通过匹配在自换相变流器的直流电压接头上的电压来调节在第一和第二交流电压网之间的功率通量。
[0020]同时可以考虑，电网产生装置具有合适构造的、由专业人员已经公知的飞轮。飞轮可以，类似于旋转的移相器，将有功功率作为旋转能量进行中间存储或输出。
[0021]此外，电网产生装置可以具有至少一个开关元件，其中能量存储元件可以借助开关元件与电网产生装置的其余部分分离。
[0022]电网产生装置可以在靠近第一交流电压网的任意合适的位置上布置。在风电场应用的情况下，电网产生装置例如可以与不可调整流器共同布置在建于海洋中的海上平台上，其中电网产生装置和整流器也可以布置在两个或多个彼此空间上分开的平台上。在该情况下还可以考虑，将电网产生装置安装到风电设备的支柱中的一个上。
[0023]在一些应用中合适的是，设备配备有用于辅助地提供用于电网产生装置的能量的辅助供电单元，例如用于能量存储元件的充电。在风电场应用中，辅助供电单元可以在微风阶段向电网产生装置供电。能量提供例如通过辅助发电机进行，例如柴油发电机。但是其也可以从陆地经由存在的直流电压连接和附加的自换相逆变器以明显较小的电压进行，其中附加的逆变器可以借助开关与传输线路分离。替换地，能量提供还可以从陆地经由专门为此设置的直流传输线路和附加的逆变器进行。此外可以考虑，能量提供从陆地经由直流电压连接和经由集成在不可调整流器中的可关断的部件或也经由附加的交流电压导线进行，例如至陆地或至另一个风电场的并联电缆。
[0024]合适地，自换相变流器可以是模块化的多级变流器。模块化的多级变流器具有相模块，其数量相应于所连接的第二交流电压网的相的数量。在此，每个相模块被构造为三极并且具有两个外部的直流电压接头和中间的交流电压接头。在交流电压接头与每个直流电压接头之间延伸相模块支路，其具有由双极的子模块构成的串联电路。每个子模块配备有能量存储器，例如单极的电容器，以及与之并联布置的功率半导体电路。功率半导体电路例如可以被构造为半桥电路或全桥电路。在半桥电路的情况下提供两个可接通和断开的功率半导体开关，诸如IGBT、IGCT等的串联电路，其中给每个可接通和断开的功率半导体开关反向并联地连接续流二极管。在此，第一子模块接头端子直接与能量存储器的一个极连接，而另外的子模块接头端子与在可接通和断开的功率半导体开关之间的电势点连接。在全桥电路的情况下，设置分别由两个可接通和断开的功率半导体开关组成的两个串联电路，其中一个子模块接头端子与在第一串联电路的可接通和断开的功率半导体开关之间的电势点连接，并且第二子模块接头端子与在第二串联电路的可接通和断开的功率半导体开关之间的电势点连接。
[0025]按照本实用新型的一种实施方式，无源地冷却不可调整流器，例如通过空气冷却， 其中通过合适的空气通道可以将冷却空气输送到待冷却的部分。在风电场应用的情况下， 可供使用的冷却功率良好地与损失功率，也就是在整流器中产生的热的量，相关联。
[0026]合适地，不可调整流器经由至少一个变压器与海洋侧的交流电压网连接。变压器通常是必须的，因为不可调整流器预先给定在施加的直流电压和交流电压之间的固定规定的变压比。此外合适的是，在直流电压连接中在与不可调整流器直接相邻处布置直流电压平滑电抗器。平滑电抗器可以被用于，减小在不可调整流器的直流电压输出端上产生的直流电压的剩余波纹度。
[0027]优选地，设备包括测量装置，其采集在第一交流电压网中的电网频率。计算单元然后例如可以根据连续地或按照时间间隔采集的电网频率确定频率变化。还可以考虑对在第一交流电压网中的电网频率变化进行直接的测量采集。此外合适地，设置控制装置，其将所采集的电网频率或所采集或所确定的电网频率变化转换为控制信号，以用于调节在自换相变流器的直流电压接头上的电压。【附图说明】
[0028]下面对照图1和图2中所示的按照本实用新型的设备的实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0029]图1示出了按照本实用新型的用于能量传输的设备的实施例；[〇〇3〇]图2示出了根据图1的按照本实用新型的设备的电网产生装置的实施例。【具体实施方式】
[0031]图1按照示意图示出了按照本实用新型的用于传输电功率的设备1的实施例。设备 1包括海洋侧的第一交流电压网2,其耦合到风电场7,该风电场布置在海洋或湖泊中。风电场7包括多个风电设备72,其被设置为，将风能转换为电能。海洋侧的交流电压网2三相地构造。
[0032]二极管整流器10在交流电压侧与海洋侧的交流电压网2连接。二极管整流器10可以形成专业人员公知的所谓的六脉冲桥或专业人员同样公知的十二脉冲桥。
[0033]二极管整流器10在直流电压侧连接到直流电压连接4,其中直流电压连接4包括直流电压导线41和42,其是相反的极性。直流电压连接4从在海洋侧布置的二极管整流器10引导至陆地，其中直流电压连接4的长度可以在30km与100km之间变化。海滨在图1中通过海岸线5表示。[〇〇34]自换相变流器20布置在陆地上并且在直流电压侧连接到直流电压连接4。在交流电压侧，自换相变流器20与陆地侧的第二交流电压网3连接。陆地侧的交流电压网3在所示的示例中是连接了多个耗电器的供电网。直流电压导线41和42分别具有两个直流电压开关 11和12,其被设置为，用于中断直流电压导线41和42。直流电压开关例如是机械的分离开关。此外，在海洋侧的交流电压网3中设置开关8,其可以用于将交流电压网3与二极管整流器10分离。在此例如是断路器。[〇〇35]二极管整流器10布置在建于海底上的海上平台14上。
[0036]此外，海洋侧的交流电压网2包括变压器6,其初级绕组与二极管整流器10的交流电压接头连接并且其次级绕组与母线71连接，其中风电设备72同样与母线71连接。
[0037]在设备1中仅能从风电场7向第二交流电压网3单向地传输能量。但是特别是在微风阶段，风电场7本身必须被供能。只要风电场7需要能量，例如用于对齐风电设备、转子叶片或用于提供或稳定第一交流电压网2,就通过电网产生装置9提供为此所需的功率。
[0038]电网产生装置9在交流电压侧与交流电压网2连接。电网产生装置9可以或者直接地经由图1中未图示的变压器或者也经由变压器6的第三绕组连接到交流电压网3。电网产生装置9包括所谓的电压源变流器(Voltage Source Converter)13,关于其内部结构在图2 中详细介绍。[〇〇39]此外，电网产生装置9包括以锂离子电池的形式的可再充电的能量存储元件91。借助电网产生装置9可以将无功功率和/或有功功率馈入交流电压网3或从交流电压网3中获得。
[0040]经由开关161与电网产生装置9连接的辅助供电单元16可以在微风阶段辅助地向电池提供电能。由此例如可以通过在电网产生装置中维持加热来减小设备上的湿度损伤。
[0041]测量装置15被构造为，持续地或按照时间序列采集第一交流电压网2中的电网频率。计算单元可以根据电网频率确定电网频率的时间变化。将电网频率的变化传送到自换相变流器20的控制装置。控制装置将电网频率变化设置为控制信号，用于调节在自换相变流器20的直流电压接头上的电压。通过这种方式，例如可以通过在直流电压侧降低变流器 20的电压以及与之相连地提高从第一至第二交流电压网的功率通量来调节由于风力涡轮机的提高的功率输出而导致的在第一交流电压网2中的电网频率的提高。
[0042]图2示意性示出了电网产生装置9,用于产生第一交流电压网2中的交流电压以及用于电压和频率稳定，并且用于补偿图1中示性意示出的用于传输电功率的设备1的交流电压网2中的无功功率。[〇〇43]电网产生装置9包括变流器13。变流器13具有三个交流电压接头X1、X2、X3,电网产生装置9经由其可以与海洋侧的交流电压网2的三个相连接。此外，变流器13具有三个相模块，其具有串联连接的双极的子模块132,其中每个子模块132在所示的实施例中包括电子开关和与之反并联连接的二极管。此外，变流器13在每个相模块中具有两个电抗器131， 在其之间分别布置交流电压接头X1、X2、X3中的一个。
[0044]与相模块并联地布置中间电路电容器92。在合适地控制变流器13的情况下可以借助电容器92与交流电压网2交换无功功率。电网产生装置9此外包括电池91，其与中间电路电容器92并联连接。借助两个开关93可以将电池91与变流器13分离。通过合适地控制变流器13,电池可以被用于与交流电压网2交换有功功率。电容器92和电池91连接到变流器13的直流电压侧。开关93例如是电子开关。
[0045]附图标记列表[〇〇46]1用于传输电能的设备[〇〇47]2第二交流电压网[〇〇48]3第一交流电压网
[0049]4直流电压连接[〇〇5〇] 41，42直流电压导线 [0051 ]5海岸线[〇〇52]6变压器
[0053]7风电场
[0054]71母线
[0055]72风电设备
[0056]8开关[〇〇57]9电网产生装置[0〇58]91能量存储元件
[0059]92中间电路电容器[〇〇6〇]93开关元件[〇〇61 ]10不可调整流器[〇〇62]11，12直流电压开关
[0063]13变流器[〇〇64]131电抗器
[0065]132子模块
[0066]14海上平台[〇〇67]15测量装置[〇〇68]16辅助供电单元
[0069]161开关
[0070]XI，X2，X3交流电压接头
【主权项】
1.一种用于在第一交流电压网(2)和第二交流电压网(3)之间传输电功率的设备(1)， 具有连接到第二交流电压网(3)的自换相变流器(20)，其经由直流电压连接(4)与不可调整 流器(10)连接，其中所述不可调整流器(10)在交流电压侧与第一交流电压网(2)连接，其特征在于能够与所述第一交流电压网(2)连接的电网产生装置(9)，其被设置为用于产生在第一 交流电压网(2)中的交流电压，其中所述电网产生装置(9)被构造为用于与第一交流电压网 (2)交换无功功率和有功功率。2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述不可调整流器(10)是二极管整流器。3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述不可调整流器(10)经由第一交 流电压网(2)与在海洋或湖泊中布置的风电场(7)连接。4.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1 )，其特征在于，所述不可调整流器布置在 海上平台(14)上，并且所述自换相变流器(20)布置在陆地上。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述电网产生装置(9)包 括旋转的移相器。6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述电网产生装置(9)包 括静止同步补偿器(STATCOM)设备。7.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，设置辅助供电单元(16)， 用于辅助地提供用于电网产生装置(9)的能量。8.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述自换相变流器(20)是 模块化的多级变流器。9.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述不可调整流器(10)具 有无源的空气冷却装置。10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述不可调整流器(10) 经由至少一个变压器(6)与第一交流电压网(2)连接。11.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在直流电压连接(4)中 布置至少一个直流电压平滑电抗器。
【文档编号】H02J3/38GK205670685SQ201390001254
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2013年10月7日
【发明人】H.黄, P.门克, K.斯普林格, M.温霍尔德
【申请人】西门子公司