专利名称：电力系统的利记博彩app
技术领域：
电力系统技术领域[0001]本实用新型总地来说涉及电力转换器和逆变器的领域。更具体地，本实用新型涉及用于防止或预防因过热引起的电机驱动电路的故障的技术。特别地，本实用新型涉及一种具有电网侧无功功率控制的风电转换器系统背景技术[0002]功率逆变器和转换器典型地使用功率模块创建所期望的输出电流波形，其用于为诸如电机和其他机器的各种设备供电。输出电流波形的频率和幅度可以诸如通过改变例如电机的速度或转矩来影响设备的操作。一些功率模块通过脉冲宽度调制创建所期望的输出电流波形，其中转换器或逆变器中的诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的功率半导体开关以特定的顺序迅速地接通和断开，以便于创建近似正弦的输出电流波形。此外，高IGBT切换速度往往产生较平滑的、较理想的正弦波形，这在一些应用中是所期望的。例如，在加热、 通风和空调系统中，较平滑的正弦波形将减少系统噪声和振动。[0003]然而，较高的IGBT切换速度往往增加IGBT的结温，这可能导致较大的机械应力和随时间增加的IGBT的故障率。已经尝试通过限制最大绝对IGBT结温来减少IGBT故障。然而，这些技术未考虑往往在启动条件或低速条件下出现的增加的应力，其中IGBT往往在低输出频率处经历高电流。例如，风系统的转子侧的电力转换器可能典型地在转换器的大部分寿命中操作于低速条件(例如，-IOHz至IOHz)下。这种低速条件可能对转换器的电气故障有贡献。[0004]因此，有利的是提供一种在启动条件和低速、高电流条件下特别有效的减少IGBT 热应力的系统和方法。具体地，有利的是提供一种控制电网侧转换器中的无功功率以提高风电系统中的转换器的寿命的方法。实用新型内容[0005]本实用新型总地来说涉及操作转子侧转换器并且控制电网侧转换器的无功功率以预防风电转换器系统中的转换器故障。实施例包括通过在生成满足电网所需的无功功率的总无功功率的同时使转子侧转换器电流最小来预防转换器故障的系统和方法。[0006]本实用新型的目的在于解决如上文所述的问题。[0007]根据本实用新型的一个方面，提供了一种电力系统，其包括发电机；转子侧转换器，耦合到发电机的转子部分；电网侧转换器，耦合到电网和发电机的定子部分；以及处理器，耦合到电网侧转换器，其中处理器被配置为计算电网侧转换器的电网侧无功功率，并且在电网侧转换器的最大功率点跟踪(MPPT)操作之下或以下，当电网侧无功功率在最大电网侧无功功率以上时，改变电网侧无功功率。[0008]根据一个替选实施例，发电机是双馈感应发电机(DFIG)。[0009]根据另一替选实施例，处理器被配置为计算转子侧转换器和电网侧转换器的总无功功率。[0010]根据另一替选实施例，处理器被配置为将总无功功率与电网命令无功功率比较， 以及当总无功功率小于电网命令无功功率时改变提供给转子侧转换器的电流。[0011]根据另一替选实施例，处理器被配置为以最小电流操作转子侧转换器，其中最小电流是为了满足耦合到电力系统的电网命令的无功功率而提供给转子侧转换器的最小幅值的电流。[0012]根据另一替选实施例，最小电流包括转矩电流但是不包括通量电流。[0013]根据另一替选实施例，最小电流可基于电力系统的转子捕获的风速而变化。[0014]根据另一替选实施例，处理器被配置为迭代地重新计算电网侧无功功率并且当电网侧无功功率在最大电网侧无功功率以上时改变电网侧无功功率。[0015]根据如上文所述本实用新型的方面，这里公开的电力系统能够在启动条件和低速、高电流条件下特别有效地减少IGBT热应力。具体地，该电力系统能够控制电网侧转换器中的无功功率以提高风电系统中的转换器的寿命。
[0016]当参照附图阅读下面的详细描述时，将更好地理解本实用新型的这些和其他特征、方面和优点，在附图通篇中相同的附图标记表示相同的部件，其中[0017]图1是根据本技术的实施例的具有可以包括可调速逆变器的风电转换器系统的形式的可变频率驱动器的示例性应用的框图；[0018]图2图示了根据本技术的实施例的图1的示例性应用中的逆变器的示意图；[0019]图3是表示根据本技术的实施例的关于不同的切换频率的转换器的平均故障时间和转换器的操作频率之间的关系的图线；以及[0020]图4是概述根据本技术的实施例的用于控制电网侧转换器的无功功率的处理的流程图。
具体实施方式
[0021]本实用新型的实施例通过在转子侧转换器处以最小电流操作的同时提供对无功功率的电网需要来处理转换器系统的电气系统故障。这些技术可以在用于电机驱动器和具有再生能力的其他负载以及用于诸如双馈风力涡轮发电机的发电机的多种设置中使用。典型地，高电流和低频率条件下的转子侧转换器的延长的操作可能导致电气系统故障。在转子侧转换器处以最小电流操作系统可以导致较长耐久的转换器模块。此外，可以监控电网侧转换器，并且可以调整转子侧转换器处的最小电流，使得系统可以输出电网所需的无功功率。[0022]转到附图，图1示出了根据本公开的具有可以包括可调速逆变器的风电系统10的形式的示例性应用。风电系统10可以适于使用涡轮叶片12从风捕获动力并且将捕获的风动力转换为机械动力，并且将机械动力转换为电力。系统10可以包括连接到涡轮叶片12 的涡轮转子14的齿轮箱16。齿轮箱16使涡轮转子14的相对低的速度与发电机18的相对高的速度相适应。[0023]发电机18将机械动力转换为电力，并且可以是例如感应发电机或者同步发电机。 例如，图1中图示的发电机18可以是双馈感应发电机(DFIG)，其包括转子绕组20和定子绕组22。在图示实施例中，发电机18的定子绕组22连接到变压器观，变压器观通过感应耦合的导体将电力传输到用于电网30的适当的电压电平。电网30可以是向各种其他电气设备或网络递送电力的互连网络。发电机18的转子绕组20可以通过使机械和电气频率解耦(例如，以实现可变速操作)的转换器和逆变器模块(例如，转换器M和26)连接到电网30。[0024]系统10的转换器和逆变器模块可以包括两个三相转换器M和26。例如，在一些实施例中，系统可以包括AC (交流)-DC (直流)转换器M和三相DC-AC逆变器沈。在一些实施例中，通过DC电容器电池32链接的转换器M和沈在两个方向(AC-DC和DC-AC)上传输有功功率和无功功率。转换器M可以连接到发电机18的转子绕组20，并且还可以被称为转子侧转换器对。转换器26可以通过变压器观连接到电网30，并且还可以被称为电网侧转换器26。双向转换器M和沈可以实现递送到电网30的有功功率和无功功率的矢量控制并且还可以提高电力质量和角度稳定性并且(例如，经由滤波器)减少引入到电网 30中的谐波内容。[0025]转换器M和沈可以用于级别变化的功率控制，并且有时可以输出相对高的功率 (电压和电流)。转换器对和沈均可以包括用于切换和转换这些电压的反向并联二极管和晶体管。在一些实施例中，系统10可以包括用于控制转换器M和沈的一个或多个操作的一个或多个处理器34。例如，并且如将讨论的，处理器34可以控制转子侧转换器沈的电流或者使之最小，这减少了转子侧转换器26处的功率损失。处理器34还可以监控电网侧转换器M输出的无功功率并且确定由电网侧转换器M输出的功率是否满足电网30需要的无功功率。处理器34可以进一步适用于执行算法并且计算与转换器M和沈的操作关联的参数。[0026]在图2中提供了一些实施例中的转换器M或沈的一个示例。转换器M或沈可以包括多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 40和功率二极管42，每个二极管42被配置为与各自的IGBT 40反并联。IGBT 40和功率二极管42通过接合线44(适当地)连结到正的或负的DC线路和输出线路a、b或C。例如，输出46的输出线路a、b或c可以输出三相电压 va、vb和ν。。IGBT 40迅速地接通和断开以在输出46处产生离散化的三相输出电流波形可能导致功率损失，这可能导致IGBT 40处的较高的结温。这种结温可能导致接合线44的机械应变和/或变形，这可能缩短转换器26的预期寿命。[0027]例如，图3图示了表示在操作频率52的范围内的转换器的平均故障时间(MTTF) 50 的图线48。典型地，DFIG的转换器在较低的操作频率52处经历较高的电流。较高的电流可能导致转换器M中的IGBT 40和接合线44上的较高的结温变化和机械应力。如图线48 中所示，在较低的操作频率52 (例如，在图线48上小于IOHz)处操作转换器M可以减少转换器M WMTTF 50。此外，MTTF 50还可能受IGBT 40的不同的切换频率的影响。例如，较之2kHz处的相对较低的切换频率M，4kHz处的较高的切换频率56可以导致较低的MTTF 50。[0028]在一些实施例中，可以通过确定转换器M中的IGBT 40的功率损失来估计由机械应力和增加的结温变化引起的转换器M的寿命减少。可以基于IGBT 40的估计的操作条件来计算该功率损失。例如，峰值IGBT 40结温估值可以基于如根据如下等式计算的近似传导功率损失和切换功率损失Pc (/，IRMS )=[0030]^ 1 | M{f)· PF7Γ8 J.V+V t i 1 RMS ^1 M(Z)-PF-+3·πRt ·2·ΙRMS(1)，PAfs Jms) = -Zs-El πonoff(Ji.! λ ‘ 1 RMS^DC、 I nom ,\ ^nom J(2)，和[0031]P(f, fs, Iems) = Pc (f, Iems)+Ps (fs, Iems)(3)，[0032]其中P。是作为基频f和驱动器的输出RMS (均方根)电流Iems的函数的估计的传导功率损失，Ps是作为切换频率fs和驱动器的输出RMS电流Iems的函数的估计的切换功率损失，并且P(f，fs，IKMS)是IGBT 40的估计的总功率损失。在等式(1)中，M(f)表示调制指数并且PF表示由转换器M驱动的负载的功率因数。在等式(1)中，Vt表示在小的或者接近零的正向电流处的近似的IGBT 40传导电压并且Rt表示近似的斜率电阻。Vt和Rt可以得自转换器M中使用的晶体管(例如，IGBT 40)的制造商数据手册。在等式(2)中，E_ff 表示在IGBT 40的额定电压Vn。m(IGBT额定电压的一半)和电流In。m (额定IGBT模块电流) 处接通和断开IGBT 40所需的总能量。所有这三个E_ff、Vnoffl和In。m可以从制造商数据手册得到或者可以被直接地和/或动态地测量。Ikms和Vdc表示IGBT 40的估计的输出电流和总线电压。[0033]因此，电流Iems用作对总功率损失P有贡献的比例因数。总功率损失P影响转换器M的结温变化，这引起IGBT 40和接合线44上的机械应力，减少了转换器M的预期寿命。一个或多个实施例包括如下技术用于使转子侧转换器M中的电流最小以减少功率损失和应力，可能增加转子侧转换器M的寿命。然而，在一些实施例中，减少转子侧转换器M 的电流减少了定子绕组22处的无功功率并且降低了递送到电网30的总无功功率。[0034]例如，下面的等式提供了转子绕组的无功功率和定子绕组的无功功率之间的关系Qs = 1. 5 (vqs ids-vds iqs)(4)禾口Qr — 1.5 (Vqridr_Vdriqr)(5)，其中表示abc到dq坐标变换的等式被定义为[0035][0036][0037][0038] 2XgcosO) + Xb cosO - 2π/3) + xc cos(r + 2π/3))[0039]2^ =-( ·sin(r) + xb sinO-2π/3) + xc sin(> + 2π/3))(6)(7)[0040] 其中χ可以表示电机的电压、电流、通量等。在等式⑷和(5)中，A表示定子侧无功功率并且A表示转子侧无功功率。在以上等式中，s下标指的是定子侧，r下标指的是转子侧，q下标指的是转矩，而d下标指的是通量。转子和定子侧的稳定状态的转矩和通量电压的特征可以由以下等式描述[0041]'ds=R i, -ω (Li +Li )⑶，[0042]vqs = RsIqs+ ω e (Lsids+Lmidr)(9)，[0043]vdr = Rridr- ω slip (Lffliqs+Lriqr)(19)和[0044]V = Rriff+Osliplids+Lridr)(11) °[0045]在一些实施例中，并且如前面讨论的，可以使转子侧电流最小以减少功率损失，用以可能延长转子侧转换器M的预期寿命。例如，通过转子侧转换器M驱动的电流可以由下面的等式(1 至(1 表示。应当注意，等式(1 至(1 仅表示其中使转子侧电流减小或最小的操作条件的近似和示例。在一些实施例中，根据风电系统10的配置，使转子侧电流最小或减小可以具有不同的近似并且可以由不同的等式表示。例如，在一些实施例中，最小的转子侧电流可以是具有最小的总幅值或者具有最小的通量或转矩分量的幅值的电流， 其使得系统10能够适当地向电网30供电。此外，在一些实施例中，转子侧电流值可以被连续调整以满足电网30需要的总无功功率。更具体地，预防转换器故障并且使无功功率能够满足电网需要的最小转子侧电流可以随风电系统10的操作而变化。[0046]在使转子侧电流最小的一个实施例中，定子通量定向条件下(并且忽略定子电阻的作用)的电流关系被表示如下[0047]
权利要求1.一种电力系统，其特征在于包括 发电机；转子侧转换器，耦合到所述发电机的转子部分； 电网侧转换器，耦合到电网和所述发电机的定子部分；以及处理器，耦合到所述电网侧转换器，其中所述处理器被配置为计算所述电网侧转换器的电网侧无功功率，并且在所述电网侧转换器的最大功率点跟踪操作之下或以下，当所述电网侧无功功率在最大电网侧无功功率以上时，改变所述电网侧无功功率。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于所述发电机是双馈感应发电机。
3.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于所述处理器被配置为计算所述转子侧转换器和所述电网侧转换器的总无功功率。
4.根据权利要求3所述的电力系统，其特征在于所述处理器被配置为 将所述总无功功率与电网命令无功功率比较；以及当所述总无功功率小于所述电网命令无功功率时改变提供给所述转子侧转换器的电流。
5.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于所述处理器被配置为以最小电流操作所述转子侧转换器，其中所述最小电流是为了满足耦合到所述电力系统的电网命令的无功功率而提供给所述转子侧转换器的最小幅值的电流。
6.根据权利要求5所述的电力系统，其特征在于最小电流包括转矩电流但是不包括通量电流。
7.根据权利要求5所述的电力系统，其特征在于所述最小电流能够基于所述电力系统的转子捕获的风速而变化。
8.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于所述处理器被配置为迭代地重新计算所述电网侧无功功率并且当所述电网侧无功功率在所述最大电网侧无功功率以上时改变所述电网侧无功功率。
专利摘要本技术包括操作风电系统以维持转子侧转换器的预期寿命的方法和系统。使转子侧转换器电流最小以减小转换器的开关晶体管和接合线的应力和/或结温变化。基于转子侧和电网侧无功功率在转子侧转换器中使用最小电流。如果电网侧无功功率大于最大值，减小电网侧无功功率。如果总无功功率不满足电网无功功率需要，调整转子侧转换器中的最小电流，使系统充分对电网供电。一种电力系统包括发电机；转子侧转换器，耦合到发电机转子部分；电网侧转换器，耦合到电网和发电机定子部分；和处理器，耦合到电网侧转换器，计算电网侧转换器的电网侧无功功率，在电网侧转换器的MPPT操作之下或以下，当电网侧无功功率在最大电网侧无功功率以上时，改变电网侧无功功率。
文档编号H02J3/01GK202260486SQ201120182369
公开日2012年5月30日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者拉塞尔·J·克尔克曼, 理查德·A·卢卡谢夫斯基, 袁震寰, 陆海慧, 韦立祥 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司