用于利用有源补偿器以扩充二极管整流器的系统和方法

摘要

本文描述的主题内容包括一种有源补偿扩充的二极管桥整流器系统。根据一个方面，该系统包括：发电机单元，被配置用于生成完全由有功电流组成的电流潮流；以及二极管整流器，被配置用于接收来自发电机单元的有功电流以将有功电流引向连接的电力网并且接收无功电流。该系统还包括：有源补偿器，被配置用于优化发电机单元以产生有功电流并且生成用来有助于二极管整流器的操作的无功功率。

说明书

技术领域

本文描述的主题涉及提供一种用于电动机器发电机的无功功率源。更具体而言，本文描述的主题涉及用于利用有源补偿器扩充二极管整流器的系统和方法。

背景技术

目前，100％千伏安(kVA)额定功率转换器风能解决方案已经更为普及，尽管事实上市场已被利用40％kVA额定(近似)功率转换器的双馈感应发电机(DFIG)所主导。特别地，基于100％kVA额定功率转换器的风力系统解决方案能够提供有吸引力的特征，比如改善的低电压穿越(LVRT)能力、更好的发电机利用率、和更宽的速度范围。然而，100％kVA额定功率转换器风能解决方案比40％kVA额定功率转换器更昂贵、更重和更大。为了克服前述缺点，二极管桥整流器可以与DC到DC转换器级联。通过利用二极管桥整流器解决方案，可以减少总系统成本。使用二极管桥整流器需要无功功率源，该无功功率源通常由系统的发电机提供。另外，提供无功功率的发电机单元未以优化的效率工作或者控制。

因而鉴于这些难点，需要一种用于利用有源补偿器以向功率发电系统提供无功功率并且优化关联的发电机单元的性能的系统和方法。

发明内容

本文描述的主题包括一种有源补偿扩充的二极管整流器系统。根据一个方面，该系统包括：发电机单元，被配置用于生成完全由有功电流组成的电流潮流；以及二极管整流器，被配置用于接收来自发电机单元的有功电流、将有功电流引向连接的电网、并且接收无功电流。该系统还包括：有源补偿器，被配置用于优化发电机单元以产生有功电流并且生成用来有助于二极管整流器的操作的无功功率。

附图说明

现在将参照说明本文所描述的主题的优选实施例，其中相似附图标记代表相似部分，在附图中：

图1是图示根据本文描述的主题的实施例的由有源补偿器扩充的二极管桥整流器的图；

图2是图示根据本文描述的主题的实施例的示例性有源补偿器扩充二极管桥整流器风力发电机系统的图；

图3是图示根据本文描述的主题的实施例的在表面永磁同步发电机中的优化的机器操作的矢量图；

图4是图示根据本文描述的主题的实施例的示例性风力发电机控制系统的框图；

图5是图示根据本文描述的主题的实施例的多相风力发电机系统中的有源补偿器的示例性使用的图；

图6是描绘根据本文描述的主题的实施例的示例性风力发电机系统的功率和速度性能特征的关联的绘图图形；并且

图7是图示根据本文描述的主题的实施例的风力发电机系统中的静态同步补偿器(STATCOM)设备的示例性使用的图。

具体实施方式

本主题内容包括一种运用全额定二极管整流器和分数额定值有源补偿器的发电系统(例如风力发电系统)，该有源补偿器减少系统的成本并且优化系统的发电机单元的性能。在一个实施例中，可以通过经由控制方法控制发电机电压来优化发电机单元，该控制方法涉及有源补偿器通过在同步参考系中将交轴(q轴)电流和直轴(d轴)电流调整到最优运行点来向发电系统中注入无功功率。q轴通常用来代表无功(即虚)功率和电流分量，而d轴通常用来代表有功(即实)功率和电流分量。

如本文所使用的，术语“无功功率”和“无功电流”是指用来有助于通过交流(AC)发电和／或输电系统传送实功率(即有功功率)的功率潮流和电流潮流类型。在AC电路中，能量暂时存储于电感性和电容性元件中，这造成能量潮流方向的周期反向。剩余功率潮流部分在完整AC波形内平均之后是可以用来对负载做功(例如克服马达中的摩擦、加热元件等)的实功率或者能量。反言之，由于电感性和电容性网络元件而暂时以磁场或者电场形式存储的功率潮流部分已知为无功功率。

图1描绘包括发电机单元102、二极管整流器104、有功补偿器106和电网逆变器110的示例性发电系统100。虽然本说明书和图1描述发电系统100为风力发电系统，但是可以从使用有源补偿器中受益的任何机器系统可以被利用而不脱离本主题内容的范围。例如在更高速范围操作(即避免高转矩和低速度操作条件)的任何基于机器的发电应用可以从本主题内容受益。可以有效利用本主题内容的备选实施例包括利用(例如船上的)螺旋桨轴以产生电功率的水电机器／系统应用或者电气发电系统。

在一个实施例中，发电机单元102可以包括被配置用于生成将向电力网供应的电力的任何机器。例如发电机单元102可以包括永磁机器、比如表面永磁同步发电机(SPMSG)单元。根据它的配置，发电机单元102生成包括有功(即实)功率分量和无功功率分量两者的视在功率。有功功率分量包括在负载处做功的功率，而无功功率分量是用来在接线和电路部件之间传送能量／电流(即未在负载处做功)的功率。发电机单元通常被定规格用以输送与视在功率关联的总电流(即无功电流和有功电流分量两者)。

二极管整流器104可以包括经由电网逆变器100将有功功率引向电力网的二极管桥整流器电路。在一个实施例中，二极管整流器104被设计用于减少与系统100关联的总成本。由于二极管桥整流器比基于全有源绝缘栅双极晶体管(IGBT)的转换器(或者用来将有功功率引向电力网的任何其它类似设备)制造／实施更便宜，系统成本得以降低。可以在本主题内容中有利地使用二极管整流器，因为二极管整流器在传输有功功率之时具有比IGBT转换器低得多的电压降。因此，在利用二极管整流器时将在系统中有更少能量损耗(例如能量损耗少20-30％)。然而，为了利用二极管整流器，在系统200中需要无功功率源。通过利用备选无功功率源(而不是从发电机单元获得无功功率)，发电机单元102在框尺寸上可以被减少。

在一个实施例中，二极管整流器104依赖于无功电流(或者无功功率)以便操作。特别地，二极管整流器104需要无功功率来工作，因为穿过二极管整流器中的二极管的电流需要传送无功功率。通常，无功功率和有功功率二者由发电机单元102产生。然而，发电机单元102生成的任何无功功率或者电流是发电机单元102的低效率产物。为了优化发电机102的效率，二极管整流器104可以接收有源补偿器106(而不是发电机单元102)生成的无功电流。如本文所使用的，术语“优化的”可以是指发电机单元102在被定规格用以在发电机单元经历所施加的满负载时仅产生(例如基本上或者完全)有功电流或者有功功率(即没有无功电流或者功率)。

在一个实施例中，有源补偿器106可以包括被配置用于向系统100供应无功功率的任何电路。在一个实施例中，有源补偿器106包括有源电路元件，比如多个IGBT半导体设备、集成门极换流晶闸管(IGCT)半导体设备和／或其它类似功率设备。例如六(6)个IGBT可以链接在一起以形成有源补偿器电路。通过作为用于系统100的无功功率源来工作，有源补偿器106能够提供总系统成本减少和发电机操作优化两者。在一个实施例中，有源补偿器106被配置用于补偿无功功率并且优化发电机操作。例如，有源补偿器106可以被配置用于增加或降低发电机单元102中的电压。通过向系统100提供无功电流I_a，由发电机单元102产生的定子电流I_s不包括无功分量。以下具体描述其中有源补偿器106提供无功电流的示例性过程。有源补偿器106可以经由电感器112向二极管整流器104提供无功电流I_a。

在一个实施例中，由有源补偿器106生成的无功功率用于i)调节发电机单元102的电压，并且ii)提供由二极管整流器104利用的能量源。例如，通过有源补偿器106向系统100中注入无功电流可以升高发电机单元102的端子电压(V_s)。特别地，有源补偿器106可以被用于通过经由改变源于发电机单元102的有功电流I_s而调节电压来优化发电机操作。没有有源补偿器106，发电机单元102必须提供用于二极管整流器104的操作的无功功率。发电机单元102可以提供具有无功功率分量的定子电流，该无功功率分量在发电机单元102内产生不希望的损耗。然而，如果有源补偿器106工作，则发电机单元102可以最优地被配置用于不生成具有无功分量的电流，由此减少发电机单元102内的损耗。因而，可以减少发电机单元102的框尺寸，因为消除了与无功功率和／或电流关联的损耗额定值。

在一个实施例中，可以定义发电机单元102的电压为磁体产生的磁通与发电机单元102的转子速度的乘积。定子电流I_s的有功分量由负载定义，因此不适合于控制发电机单元102中的电压。然而，定子电流I_s的无功分量可以受有源补偿器106影响。由于发电机单元102中的整流直流(DC)电压不能在很大程度上变化，所以有源补偿器106可以被用来在低转速处增加发电机电压并且在高转速处降低发电机电压。需要的无功电流数量依赖于发电机单元102的所需最大和最小速度以及由发电机单元102产生的电感。在一个实施例中，无功电流的数量可以由系统中的处理单元推导，该处理单元利用矢量计算、数学公式等。以下在图4中描述利用矢量计算的示例性控制过程。

如果发电机单元102在中间转速范围内工作，则发电机单元102的电压变化可能受转速变化影响。最终调整发电机单元102使得它不产生任何无功功率。因而，有源补偿器106被配置用于产生由二极管整流器104利用的所有无功功率或者所有无功电流。在一个实施例中，控制由有源补偿器106生成的无功电流可以通过开环控制过程或者闭环控制过程来执行。在开环控制过程中，可以使用解析公式来确定用于有源补偿器106的无功电流。例如，可以表示六脉冲二极管桥整流器消耗的无功功率为：

$>Q=\frac{{2\mu }_0-\sin {2\mu }_0}{1-\cos {\mu }_0}\frac{3}{2\sqrt{2}\pi }{\mathrm{UI}}_{\mathrm{DC}}$>

其中，换向角(以弧度为单位)可以表示为：

$>{\mu }_0=\arccos (1-\frac{2\sqrt{2}\mathrm{\pi f}{L}^{\prime \prime }{I}_{\mathrm{DC}}}{U})$>

其中I_DC是二极管整流器的DC电流，f是发电机单元的输出频率，L″是发电机单元的次瞬态电感，并且U是发电机单元的rms相间电压。

在一个备选实施例中，也可以使用作为转子速度和由发电机单元102产生的有功功率(或者有功电流)的函数的仿真来确定用于有源补偿器106的无功电流。备选地，可以使用简化或者拟合公式而不是仿真。在又一实施例中，可以在插入参考值的查找表中存储发电机特征曲线／值。

通过利用闭环控制过程，可以测量发电机单元102的无功电流，并且有源补偿器106的无功电流参考信号由诸如比例和积分型控制(即P-I控制)的适当控制来调整。在这样的情况下，设置发电机单元102的无功电流等于参考信号。

在一个实施例中，有源补偿器106包括发电机端子电压控制器，如果发电机电压趋于太高或者太低，则该控制器进入“补偿器模式”并且开始改变来自开或者闭环控制的无功电流参考信号。

在一个实施例中，有源补偿器106可以在发电机单元102操作在低速范围时工作，即其中由发电机单元102生成的有功功率充分低以便补偿器处理，同时有源补偿器106在转换器模式中。在转换器模式中时，有源补偿器106的DC母线连接到发电机系统100的主DC母线。在这一模式中，发电机单元102运行在控制它的无功电流为零(即功率因子cosineΦ=1)或者使得最小化发电机单元102中的总损耗。

二极管整流器104接收电流I_p，该电流包括来自发电机单元102的定子电流I_s和来自有源补偿器106的无功电流I_a的组合。响应于接收电流I_p，二极管整流器104从I_a分量接收用以工作的必需无功功率并且向电网逆变器110提供经由I_s提供的有功电流。电网逆变器110随后向连接的电力网(即“电网”)提供关联功率。

图2是图示根据本文描述的主题内容的实施例的示例性有源补偿器扩充的二极管桥整流器风力发电机系统200的图。特别地，图2描绘风力发电机系统200为图1中描绘的发电机系统100的一个示例性实施例。系统200包括转子和转子轴承208，转子轴承208与SPMSG单元202(即风力发电机单元)交互作用。风力发电机系统200也包括经由补偿器接触器开关212向二极管整流器204和SPMSG202提供无功功率的有源补偿器206。二极管整流器204也可以利用接触器开关214以连接到有源补偿器206和SPMSG202。二极管整流器204还可以被配置用于接收和处理由SPMSG202生成的所有有功功率并且向电网逆变器210转送有功功率。电网逆变器210然后可以向变压器218提供有功功率(经由LV CB开关216)。在转换(即升高／降低)之后，功率离开变压器218并且经由MV开关装置220进入电力网。特别地，风力发电系统200以关于图1中的系统100描述的相似方式工作。

图3是图示表面永磁同步发电机(SPMSG)中的优化的机器操作的矢量图和对应的块部件图。具体而言，图3描绘可以用来简化三相发电单元302的分析的同步参考系(例如直-交-零变换)的矢量图。在平衡的三相电路的情况下，应用同步参考系将三个AC量减少成两个DC量。然后可以在进行逆变换以恢复实际三相AC结果之前使用虚拟DC量来执行简化计算。图3图示被配置用于不生成任何无功功率的优化的发电机单元302。代之以经由由有源补偿器(在图3中未示出)生成的电流I_a向二极管整流器304提供无功功率。即，调整定子电流I_s以沿着d轴对准。这样的对准表明没有关于I_s的q轴分量。因此没有无功功率分量。取而代之，由二极管整流器304利用的无功功率由电流I_a提供，该电流由有源补偿器产生并且在图3中描绘为与q_v轴对准，由此代表虚拟分量(即无功功率)。图3还描绘电流I_p(即穿过二极管整流器的电流)为包括完全从电流I_a获得的无功功率分量和基本上或者完全从I_s获得的有功功率分量。

如以上所示，除了提供用于操作二极管整流器的必需功率之外，有功功率补偿器也可以通过在同步参考系中调整交轴(q轴)电流和直轴(d轴)电流到最优操作点向发电系统中注入无功功率来控制发电系统中的发电机单元以在最优条件(例如MTPA或者场定向控制)之下运行。在一个实施例中，系统的控制包括在调节有源补偿器的电容器电压(V_dc)时将定子电流I_s(即q轴电流)与q轴对准。可以使用能够以同步速度旋转的单独两组d-q参考系。控制系统中的第一d-q参考系(即d_e轴和q_e轴)与机器d-q参考关联，其中d轴与磁体的方向对准。这一参考系可以用来确定定子电流(I_s)相对于转子位置位于何处。通过控制相对于参考系的定子电流角θ_I为零来遵循最大转矩每安培(MTPA)曲线。在控制系统中使用的第二d-q参考系(即d_v轴和q_v轴)可以包括发电机端子电压d-q参考系。特别地，参考系中的d轴在与端子电压(V_s)矢量相同的方向上对准。参考系可以用来确定注入的无功电流的相位角。由于注入的电流被设置为与端子电压成90度，所以有源补偿器仅注入无功功率。

在一个实施例中，有源补偿器用来调整发电机电流I_s到最优操作点。这些最优操作点可以由等式、简化的或者拟合的公式或者查找表确定。因此，有源补偿器可以被定规格用以提供在满负载期间与发电机单元关联的总视在功率。由于二极管比诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的有源开关明显更便宜，所以可以通过实施有源补偿器来充分降低系统的成本。

在一个实施例中，使用2.2MW SPMSG机器的风力发电机系统可以为特征在于针对配备的全有源整流器具有2700kVA额定值。反言之，有源补偿器扩充的二极管桥整流器系统可能需要1500kVA额定值的有源补偿器以产生相同的2.2MW。因此，在使用有源补偿器时，相同功率／电流潮流输出具有减小的发电机规格。特别地，本主题内容实施的有源补偿器的规格可以小于全有源整流器。为了进一步减少有源补偿器的规格，固定电容器可以用来供应有源补偿器需要向系统供应的无功功率的至少一部分。特别地，更好的机器利用率可以由基于电容的无功功率实现。此外，更慢的柔性AC传输系统(FACTS)设备，比如静态VAR补偿器(SVC)和晶闸管控制的电抗器(TCR)，可以与有源补偿器配合使用，由此允许有源补偿器针对快速瞬态被定规格用以进一步减少系统的总成本。

图4图示控制框图，该控制框图描绘控制系统400，该控制系统400用来通过调整q轴和d轴电流到最优操作点来优化SPMSG机器的操作。虽然图4中描绘的控制方法包括一个P-I控制实施例，但是可以运用任何类型的控制方法而不脱离本主题内容的范围。在一个实施例中，SPMSG402产生由电压和电流传感器422监视／检测的定子电流(I_s)和端子电压(V_s)。电压和电流传感器422可以被配置用于向处理单元(未示出)转送电压和电流读数，该处理单元利用读数与闭环等式(即这些代表发电机单元402)以便确定发电机单元402产生的无功功率数量。此外，处理单元也可以接收与有源补偿器406关联的DC母线的电压测量(V_dc)作为输入。在处理闭环等式之后，处理单元可以利用测量的V_s和I_s值作为向系统400中的相位检测模块410和锁相回路(PLL)模块412的输入。在一个实施例中，PLL模块412可以用来跟踪电流和电压波形二者的相位。相位检测模块410和PLL模块412也可以各自从处理单元接收转子的相位角(θ_r)(例如，转子的位置)，与端子电压V_s一起作为输入。PLL模块412可以计算向两相／三相变换模块418转送的端子电压角(θ_V)。

类似地，相位检测模块410接收I_s和θ_r作为输入以确定定子电流的电流角(θ_I)。为了调节无功功率，比较预定／预设电流角参考信号(θ_{I_ref})与从相位检测模块410获得的θ_I，并且向PI控制器模块416提供差值(例如正或者负差值)。PI控制器模块416的输出(例如d轴命令)设置在发电机端子d-q系中的d轴电流(即定子电流)并且随后向两相／三相变换模块418转送PI控制器模块416的输出。在一个实施例中，变换模块418可以包括用于将两相信号变换成三相信号的简单等式。变换模块418也接收PI模块414的输出(例如q轴命令)，该PI模块414将有源补偿器406的DC母线的电压(V_dc)与参考值(V_{dc_ref})进行比较。特别地，通过调整在发电机端子d-q系中的注入的q轴电流(即电流I_a)来调节浮动的DC母线电压。DC母线电压可以在实功率进入系统时上升并且在实功率离开有源补偿器时下降。因此，可以有效调节浮动的DC电容器电压。

然后可以向电流调节器模块420转送从变换模块418所得的三相输出信号。在一个实施例中，三相输出信号可以包括相位参考电流。基于从有源补偿器406接收的反馈信号(即有源补偿器406的相位电流的实际测量)和来自变换418的电流输出信号，电流调节器420可以执行生成导通／关断开关信号(例如门信号)的电流调节过程。然后在激活时信号可以被转送至有源补偿器406。

在一个实施例中，有源补偿器406利用门信号以控制发电机单元402。例如，如果在发电机绕组中检测到无功电流，则系统400利用有源补偿器406以调节发电机电流为零(0)。有源补偿器406然后可以在从电流调节器420接收有效的门信号时向连接点(例如链接到二极管整流器404)中注入无功电流。在从电流调节器420接收门信号时，有源补偿器406被配置用于向系统400中注入可以由二极管整流器404接收的无功电流I_a。

在一个实施例中，利用代表／描述发电机单元402的闭环等式来确定系统400需要的无功电流数量。特别地，有源补偿器406可以监视由发电机单元402产生的特定度量(例如与功率有关的测量)，并且利用与功率有关的测量来控制发电机单元402以实现最优操作。例如，有源补偿器406可以测量定子电流、相电流或者发电机转子的位置，并且向处理单元提供与功率有关的测量。基于与功率有关的测量，发电机单元可以被优化，即被配置用于产生基本上或者完全由有功电流(或者有功功率)组成的电流潮流(或者功率潮流)，即减少定子电流的无功分量至零。也可以使用与功率有关的测量作为用于闭环计算的输入，该闭环计算确定二极管整流器404需要的用以向电网逆变器410和电力网传送由发电机单元402生成的有功电流(或者功率)的无功功率。在确定无功电流数量之后，有源补偿器406可以生成必需无功电流并且向连接到发电机单元402和二极管整流器404两者的连接点处注入无功电流。

在一个实施例中，本主题内容可以应用于诸如多相风力发电机的多相发电机。通过在多相发电机中利用一个或者多个有源补偿器，可以减少发电机内的谐波损耗。图5是图示两个有源补偿器506-507的示例性使用，以补偿多相(例如六相)风力发电机系统500中的由二极管整流器504-505利用的无功功率的图。向电网逆变器510提供由有源补偿器506-507扩充的二极管整流器504-505的输出(该输出最终引向电力网)。

对于超过最大发电机速度的95％的速度，风力发电机系统500可以由于二极管整流器操作而表现出增加的谐波，该操作造成增加的定子、转子和设备导通损耗。特别地，利用有源补偿器的多相风力发电机可以在气隙中提供谐波抵消，使得减少转子损耗。通过利用多个有源补偿器506-507与诸如图5中描绘的六相风力发电机502的多相风力发电机，可以实现损耗降低。虽然图5描绘六相风力发电机，但是可以实施其它多相风力发电机系统而不脱离本主题内容的范围。例如九相风力发电机可以被配置用于利用三个有源补偿器和三个二极管整流器以便降低能量损耗。

图6描绘图示风力发电机的性能特征曲线的绘图。具体而言，图6图示示例性的2.2MW风力发电机的性能特征曲线。例如，图中的绘图点指示与2.2MW风力发电机相关联的发电机功率(kW)和发电机速度(RPM)之间的关系。特别地，在最大发电机速度的(近似)95％以下的速度处生成额定功率的0-55％。类似地，在最大发电机速度的(近似)95％以上的速度处生成额定功率的55％。图6还图示可以从数据点获得的数据曲线，这些数据点指示示例性风力发电机在利用有源补偿器以扩充二极管整流器系统时，在1400RPM速度(近似最大速度的95％)处生成1200kW(近似额定功率的55％)。基于风力发电机的这一性能特征，能够确定有源补偿器的操作和规格。

对于在最大发电机速度的95％以下的速度，有源补偿器作为发电机有源整流器来工作。因此，电流潮流(或者关联的功率潮流)穿过有源补偿器。使用图1作为示例，来自发电机102的电流潮流将直接流向有源补偿器106(即，由此绕过二极管整流器104)并且经由闭合的开关108引向电网逆变器110。对于超过最大发电机速度的95％的速度，有源补偿器106可以作为补偿器来工作。例如，来自发电机102的电流潮流将直接流向二极管整流器104(即，由此绕过有源补偿器106)并且被直接提供至电网逆变器110(即开关108将断开)。因此，在这一配置中电流穿过二极管整流器。一般而言，额定kVA的50-60％是用于有源补偿器以减少总系统成本并且优化发电机操作的适当kVA额定值。

在一个实施例中，在本主题内容中利用的有源补偿器可以包括静态同步补偿器(STATCOM)设备。图7描绘包括串联补偿STATCOM设备706作为无功功率源的发电系统700，该无功功率源用来调节发电机单元702的端子电压。例如，可以通过变化在机器端子的电流的虚和实部来独立控制在STATCOM设备的DC母线处的DC电压。具体而言，STATCOM DC母线可以从主DC母线断开。在先前提到的实施例中，有源补偿器被配置用于通过使用开关母线来向DC母线发送功率。然而，在图7中描绘的具体实施例中，在系统700的DC母线侧上无开关机制。在一个实施例中，在STATCOM设备607与剩余系统700之间存在的连接可以包括至少一个电感器和／或至少一个电容器。

将理解可以改变当前公开的主题内容的各种细节而不脱离当前公开的主题内容的范围。另外，前文描述仅用于举例说明的目的，而不是限制的目的。