用于具有可变功率输出的双馈异步发电机的变频器电路及其工作方法

摘要

本发明涉及用于具有可变功率输出的双馈异步发电机的变频器电路及其工作方法。用于其定子(6)可连接于供电网(14)的、具有可变功率输出的双馈异步发电机(2)的变频器电路(4)包括可连接到异步发电机(2)的转子(8)上的转子整流器(16)、可连接到供电网(14)上的电网变频器(20)和中间回路(18)，其中中间回路(18)包括设置在转子整流器(16)上的半导体开关(32)、设置在电网变频器(20)上的中间回路电容器(40)和设置在半导体开关(32)与中间回路电容器(40)之间的二极管(38)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变频器电路，它适用于具有可变功率输出的、可连接到供电网上的双馈异步发电机，尤其适用于风力发电机，本发明还涉及这种变频器电路的工作方法。

背景技术

如今具有可变功率输出的异步发电机已被广泛应用于能源生产领域。特别是应用在风力发电机中，其功率输出很自然地在很大程度上随当时的风力而变化。在这种异步发电机中可变的运行速度是特别具有优点的。具有可变速度的风力发电机能够更好地利用弱风，并在强风时对风力发电机的塔台提供较小的机械应力。

为了相应的异步发电机的工作，在它和其中应由异步发电机馈入能量的供电网之间必须有一个变频器电路。用于双馈异步发电机的变频器电路在风磨中是很普遍的，并且通常在转子侧具有一个三相电流变频器、中间回路电容器和一个电网侧的变频器。这种传统的用于双馈异步发电机的变频器电路具有上面提到的两个优点，但是相应较昂贵。

US7015595公开了一种简单的双馈异步发电机解决方案，它提供在欠同步范围内的速度调节。“欠/过同步”在这里是指异步发电机的所谓同步转速或标称转速，并意味着转子转速小于/大于同步转速。从而提高了在低风速情况下的能量输出。但在风速突然提高时风磨塔台不能被卸载。

DE102004003657A1公开了一种用于具有短接转子的异步发电机的风磨的解决方案和用于低功率下使低风速时有更好的风能输出的功率电子驱动装置。这里在风速急剧上升时风磨塔台也不能被卸载。

对于塔台卸载，现有技术已公开了一个替代方案。在此方案中在转子回路中采用一个电阻，它在较高风速的情况下被接入。于是转子电流流过此电阻。从而风磨可以提高转子速度，附加的风能以风磨的附加动能的形式被储存起来，并且塔台被机械卸载。由于塔台被机械卸载，塔台结构可以简化并降低成本。采用电阻的“适当滑动”电路完全位于转子中，即与转子一起旋转，所以不存在接触环。转子能量使电阻加热，并从而使转子和发电机发热。因此在实际中用于塔台卸载的过同步工作在短期内被限制在较小的百分比。

发明内容

本发明的目的在于为具有可变功率输出的异步发电机提供一种改进的变频器电路。

上述任务通过一种用于其定子可连接到供电网上的、具有可变功率输出的双馈异步发电机，特别是用于风力发电机的变频器电路来完成。此变频器电路包括一个可连接到异步发电机转子上的、具有两个直流电压输出端的转子整流器和一个可连接到供电网上的、具有两个直流电压输入端的电网变频器。变频器电路还包括一个中间回路，其每一直流电压输出端通过一根连接线与一个直流电压输入端相连接。中间回路具有一个设置在直流电压输出端之间的半导体开关和一个设置在直流电压输入端之间的中间回路电容器。此外中间回路具有一个设置在半导体开关和中间回路电容器之间的连接线之一中的二极管。

转子的提供交流电压的转子绕组通过接触环抵达转子整流器，它通常是一个二极管整流器。它将来自转子的交流电压或电流转换为直流电压输出端之间的直流电压。通过半导体开关可以短接这个经过整流的电压。于是异步发电机像一个具有短接转子的发电机一样工作。至供电网的交流变换器从而与发电机侧或转子分开，因为二极管在反向极化下不导通。

通过本发明所述解决方案，发电机的过同步区域得以扩展，因为过剩的功率不会在电阻中消耗，而是被送到供电网中。整流器中所需的二极管相对于已知的具有发电侧转子变频器的方案是廉价的。整个解决方案与为在风磨中强化塔台所采用的相应结构措施相比要便宜得多。

具有短接子转子的异步发电机，特别是在风磨中，通常通过一个软起动器(W3C)来起动。在本发明所述的变频器电路中不需要软起动器。异步发电机或风力发电机以简单的方式起动。经过整流的转子电流可通过半导体开关来控制，并且转子能量可以受控地转移到中间回路。交流变换器向供电网供给能量。风力发电机像具有一个转子电阻那样起动，只是能量不会消耗在电阻中，而是回馈给电网。

当电网变频器连接到电网上并且中间回路电容器被充电时，风磨也可以其它方式被起动。在中间回路电容器上的或在整流器的直流电压输入端之间或直流电压输出端之间的中间回路电压高于电网电压或其峰值，并且对于3*690伏的供电网来说，电压值例如等于1050伏。异步发电机的定子绕组不连接到电网上。风加速发电机空转。如果发电机速度接近同步速度，则定子绕组连接到电网上。作为转子短接器工作的半导体开关这时始终保持打开状态，是不导通的。

根据本发明的变频器电路是廉价的，它使发电机可以超过同步速度，并且使风力设施中的塔台结构卸载。在过同步区域中可以改变速度。

连接线中之一可包含有一个与二极管串联连接的、设置在半导体开关与直流电压输出端之间的分立的扼流圈。半导体开关和中间回路电容器与扼流圈一起按照提升器的方式作用于异步发电机的转子所提供的经整流后的电压。特别是在半导体开关打开时通过扼流圈维持在中间回路中流过的电流。但为了此电路例如作为提升器的工作，也可以只利用异步发电机(转子)中始终存在的寄生扼流圈，如果其大小合适的话。

异步发电机转子上的标称电压可能比定子的标称电压高。特别是它可以是定子标称电压的至少两倍至四倍。于是转子绕组被设计成例如用于较高的、如两倍或四倍的电枢绕组电压。

如果异步发电机的转子绕组被设计成例如用于两倍的电枢绕组电压，在10％的异步发电机过同步转差率情况下转子电压等于电网电压的20％。如果转子速度达到50％转差率，转子电压为100％，即在上述例子中在25Hz时为3*690伏。此电压及其峰值仍比1050伏的中间回路电压小得多，因此转子电流不从转子流到中间回路电容器中，从而不会流入到供电网中。这里上面提到的提升器是必要的，以使转子能对中间回路电容器充电。对于转子对定子两倍的电压比的情况，在定子或电枢绕组连接到电网上时最小的转子速度是同步速度的50％。

如果定子连接到供电网上并且转子电压小于中间回路电压，异步发电机继续加速，并且速度越高或越接近同步速度则感生出的转子电压越小。

最终在达到同步速度时转子电压接近为零，此时半导体开关接通，即短接。这时异步发电机像一个具有短接转子的异步发电机那样工作。只要半导体开关导通，则异步发电机保持此状态。

如果半导体开关被短时关断，则经过整流的转子电流在中间电路中继续流动。如果风力突然增大，异步发电机可以通过这种方式加速。

异步发电机可设计成用于两个同步速度(标称转速)，例如1000转/分钟和1500转/分钟。对于这两个速度可采用一个过同步速度调节。对于低的速度的调节范围明显大于对于较高速度的调节范围。对于低的同步速度，发电机功率明显较小，因此所允许的转子-变频器功率相对于标称的变频器大小相对更高。以这种方式，对于低同步速度的调节性能被明显地扩展。

例如对于标称转速为1500的1兆瓦发电机，在转速n＝1000时由于1000³/1500³，实际输出功率等于296千瓦。如果转子变频器功率针对发电机功率的20％(200千瓦)进行设计，则高出最大速度20％，即n＝1800的转速是允许的。对于较低的标称转速，即对于n＝1000和标称功率296千瓦，相应200千瓦转子变频器功率的动态速度提升为69.9％，明显高于20％。因此异步发电机或风磨对低风速的适配是很灵活的，并且在低速时的能量输出比具有恒定标称转速的风磨时明显更好。

关于方法的任务通过一种用于操作以上所述的变频器电路的方法来完成，其中半导体开关在异步发电机的欠同步工作期间保持接通，并且半导体开关在异步发电机同步和过同步工作时至少以时间分段的方式被断开。

这种调节方法是很简单的。当半导体开关短时间断开、即不导通时，经过整流后的转子电流，特别是在应用上面所述的分立扼流圈时继续流入中间回路电容器。中间回路电容器的电压有提高趋势，但是电网变频器使中间回路电容器放电并保持中间回路电压不变。从异步发电机的转子输出的能量流入供电网。这就是所谓的DFIG(双馈感应发电机)原理。半导体开关在切换周期中断开的时间越长，则转子电压越高，并且输出的转子能量越大。这样转子速度也提高了，风磨通过定子绕组和转子绕组将能量馈送到供电网中，这里应用了DFIG原理。

当二极管截止或异步发电机停转时，交流变换器继续连接在电网侧，并且可继续工作。这使得无功功率补偿、电网电压调节或cos调节成为可能。此时交流变换器可根据需要对供电网提供电容性或电感性的无功功率，并从而使发电机的功率因数保持在1附近，和/或根据需要稳定电网电压。电容性无功功率的产生提高了电网电压，电感性无功功率的吸收使电网电压下降。

本发明所述方法的其它方面及其优点已与本发明所述变频器电路一起被说明。

附图说明

下面参考附图所示实施例进一步说明本发明。附图简要示出原理框图：

图1示出一个具有本发明所述变频器电路的风力设施的异步发电机。

具体实施方式

图1示出一个图中未示出的具有属于它的本发明变频器电路4的风力设施的异步发电机2。异步发电机2包括定子6和转子8，它们分别具有定子连接端子10和转子连接端子12。定子连接端子10连接到一个标称电压U_N＝3*690伏的供电网14上。由图中未示出的风轮和风力发电机传动装置驱动的转子8以其转子连接端12与变频器电路4相连接。异步发电机2被设计成用于两个不同的同步速度n_S1，2：1000转/分钟和1500转/分钟。

变频器电路4主要具有三个子电路，即整流器16、中间电路18和交流变换器20。整流器16具有交流电压输入端22，这些输入端与异步发电机2的转子连接端12相连接，并通过它们将交流电压或交流电流从转子8传输到整流器16。交流电压输入端22在整流器16中以已知的方式和方法通过二极管24与直流电压输出端26a，b相连接。

中间回路18或提升器连接到直流电压输出端26a，b上，即以其两个纵向支路28a，b与直流电压输出端连接。在纵向支路28a中设置有一个与直流电压输出端26a相连接的扼流圈30，其后面跟着一个与纵向支路28a，b相连接的IGBT 32。这个IGBT作为一个电子可控的半导体开关工作，其通过其输入端36上的相应开关信号34可以使纵向支路28a，b短接。在纵向支路28a中扼流圈30和IGBT32的端子上后接一个设置在通过方向上的二极管38，并且在其后还跟着一个连接纵向支路28a，b的中间回路电容器40。

交流变换器20的直流电压输入端42a，b连接在中间回路电容器40上。交流变换器20包含以已知方式连接在直流电压输入端42a，b与其交流电压输出端44之间的IGBT46。交流电压输出端44通过电网(滤波)扼流圈48与供电网14相连接。

对于3×690伏的电网，中间回路电容器40上的中间回路电压U_DC等于1050伏。在欠同步工作时，即当转子8的转速n低于标称转速或低于较小的同步转速或同步速度n_S1＝1000转/分钟时，IGBT32持续地保持接通，纵向支路28a，b在电气上相连接，从而整流器16的直流电压输出端26a，b电气上相连接，并且通过整流器16使转子连接端子12和转子8都被短接。

从转子8的同步速度开始IGBT32将关断，从而使转子连接端子12不再被短接，来自转子8的电能在整流器16中被整流成直流电压或直流电流的形式，并通过直流电压输出端26a，b馈送到中间回路18的纵向支路28a，b。在那里电流通过二极管38对中间回路电容器40充电。一旦中间回路电容器40被过充电，则这个电容器通过至电网14的交流变换器20再次放电，从而使电能从转子8被馈送给电网14。

如果在直流电压输出端26a，b之间的电压不够，IGBT32可以通过已知的方式被控制，使得它与扼流圈30、二极管38和中间回路电容器40一起按照提升器的方式工作，以将来自转子8的经过整流后电压提升到中间回路电压U_DC的高度。

在作为提升器工作时IGBT32由相应的开关信号34按时间分段的方式、例如以提升器常用的1至10kHz的切换频率断开和接通。在同步频率之间工作时，即当转子转速n大约对应于同步速度f_S1和一个约20％的过同步转子转速n＝1，2*n_S1时，提升器工作。

异步发电机2的最大速度受变到频器电路4的功率的限制。如果最大转子变频器功率等于例如20％的发电机标称功率，则最大风磨速度被限制到同步速度或同步转速N_S的1.063倍，即比同步速度高出6.3％，由于1.063³＝1.2，风磨功率等于发电机标称功率的120％。如果异步发电机2在结构上为低转速(较小的同步速度)而连接，则相对的速度提高更大。在标称风速的一半时，即n＝1/2N_S(N_S为同步速度)时，提供的风功率为标称功率的${\left(0.5n\right)}^3{n}^3=\frac{1}{8}=12.5\%$。从而风速调节范围是50％至69％，而功率调节范围为12.5％至32.5％。

附图标记列表：

2异步发电机

4变频器电路

6定子

8转子

10定子连接端子

12转子连接端子

14供电网

16整流器

18中间回路

20交流变换器

22交流电压输入端

24二极管

26a，b直流电压输出端

28a，b纵向支路

30扼流圈

32IGBT

34开关信号

36输入端

38二极管

40中间回路电容器

42a，b直流电压输入端

44交流电压输出端

46IGBT

48电网(滤波)扼流圈

U_DC中间回路电压

U_N标称电压

N_S1，2同步速度

N电机转速