CN106797181B - 用于可再生能源的功率转换器*** - Google Patents

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Abstract

一种用于将可再生能源(12)与DC配电母线(20)互连的转换器***(14)包括转换器单元(18)，其包括可连接到可再生能源(12)的隔离DC到DC转换器(26)以及可连接到DC配电母线(20)的非隔离DC到DC转换器(28)，其与隔离DC到DC转换器(26)级联连接。

Description

用于可再生能源的功率转换器***
技术领域
本发明涉及电功率转换领域，具体来说相对于可再生能源。具体来说，本发明涉及转换器***、优良转换器***、可再生能量发电站以及涉及用于操作转换器***和优良转换器***的方法和控制器。
背景技术
在作为可再生能量发电站的风力田中，作为可再生能源的风力发电机按照若干级连接到高压DC配电网。在第一中压电平级中，每个可再生能源可经由间接AC到AC转换器来连接到配电母线。风力发电机通常按照可变速度操作模式来驱动，其在与以恒定速度进行操作的***相比时允许更高能量输出、更低机械应力和更少功率波动。在第二高压级中，配电母线的一个或多个经由AC到DC转换器与高压DC配电网连接。
将风力发电机与配电母线互连的转换器的主要功能性是风力发电机的输出的调节以及同时从可变频率和电压到恒定频率和恒定电压的能量转换。
通常，第一转换器包括能源侧AC到DC转换器，其经由DC链路与母线侧DC到AC转换器互连。这些转换器的控制策略按照应用可有所不同。例如，在强电网应用中,其中风能到配电母线中的份额与总安装功率相比是小的，母线侧转换器主要用来将DC链路电压调节到用于能源侧整流器的最佳电平。同时，注入到配电母线中的电流必须满足与谐波失真和功率质量相关的标准。例如，三电平转换器可用来执行这种任务。能源侧AC到DC转换器调节风力发电机(例如PMG)的速度，以实现给定风力条件的预期功率传递。另外，考虑在给定风速下,最大涡轮机能量转换效率出现在涡轮机转子叶尖速度与风速的最佳比率,AC到DC转换器能够实现***的最佳操作点。这意味着，当风速发生变化时，涡轮机的转子速度必须相应地变化，以保持最佳涡轮机能量转换比率。
另一方面，在其中风能的份额是安装功率的大部分并且能量馈送到弱电网的应用中，转换器的功能性有所不同。在这种情况下，母线侧转换器的主要目标是要调节配电母线的频率和电压。DC链路电压由能源侧转换器来控制。
在互连可再生能源与配电网的AC到AC转换器之中，低频变压器可用于调高电压。另一个变压器可用来将配电母线中的中等AC电压增加到高压，以便输入到高压DC配电网之前的AC到DC转换器，其对AC电压进行整流，并且控制将要输入到高压DC配电网中的DC电压。
这种转换器***可呈现缺点，例如对若干转换级的需要，其导致更低效率、更高成本和符合电网法规标准的困难。低频变压器的使用可以是另一个优点，因为它使重量、大小和功率密度(其可以是离岸应用中的关键参数的一部分)不利。
备选地，AC配电母线可采用中压DC配电母线来取代。在这种DC方式中，来自风力发电机的所得到的AC电压被整流并且调高到DC中压。若干这类转换器单元可互连到一个DC配电母线。另一个DC到DC转换器则可用于到高压DC配电网的连接。这种方式的主要益处可以是若干转换器单元到DC配电母线的连接中的简化以及将中压DC配电母线连接到高压DC配电网的优点。但是，这种方式仍然呈现一些缺陷，例如对快速电路断路器和限流器(其在短路和过电流条件下保护连接到风力发电机的转换器单元)的需要。此外，DC到DC转换器通常还包括若干级联的隔离DC到DC转换器级。
例如，EP 2341594 A1描述功率收集和传输***，其将隔离DC到DC转换器用于按照两个隔离级将风力发电机与高压配电网连接。
WO 2011/029566 A1示出具有用于向电气负载供应的中间DC配电母线的二级***的另外示例。
US 2010/0156189 A1涉及从可再生能源的电功率的收集，并且示出隔离DC到DC转换器可如何用于将风力发电机连接到配电网的另外示例。
发明内容
本发明的一个目的是降低可再生能量发电站的成本，增强这种发电站的效率，并且优化这种发电站的转换器的控制。
这个目的通过独立权利要求的主题来实现。根据从属权利要求和下面描述，另外示范实施例是显而易见的。
本发明的第一方面涉及一种用于将可再生能源与至少处于中压电平的DC配电母线互连的转换器***。可再生能源可生成AC输出电压(例如风力发电机)或DC输出电压(例如光电模块)，所述输出电压可转换为馈送到DC配电母线中的DC电压。DC配电母线可以是转换器***所属的发电站的内部部分，和/或可与DC配电网直接互连。DC配电母线和大规模DC配电网通过另外DC到DC转换器间接互连也是可能的。术语“中压”在上文和下文表示高于低压的电压。按照IEEE-141标准，术语低压在本应用中用来表示低于600 V的电压。因此，中压表示高于600 V的电压、例如表示650 V、700V或以上的电压。如本申请中使用的,中压确实包含高达50 kV的电压。
术语“用于将可再生能源与至少处于中压电平的DC配电母线互连的转换器***”在上文和下文表示一种转换器***，该转换器***能够将可再生能源互连到中压DC配电母线。“用于将可再生能源与至少处于中压的DC配电母线互连的转换器***”既不是暗示DC配电母线的存在也不是指定任何存在的DC配电母线的电压电平。它是转换器单元的功能特性。它定义其用来将可再生功率源连接到处于中压电平的DC配电母线或者处于比中压要高的电压电平的任何母线、例如处于高压电平的DC配电母线的能力。
按照本发明的实施例，转换器***包括用于将可再生能源与DC配电母线互连的转换器单元，其中转换器单元包括可连接到可再生能源的隔离DC到DC转换器以及可连接到DC配电母线的非隔离DC到DC转换器，其与隔离DC到DC转换器级联连接。隔离DC到DC转换器可包括DC到AC转换器，其经由变压器与AC到DC转换器相连接。非隔离DC到DC转换器可以是降压、升压或降压/升压转换器。
术语“隔离DC到DC转换器”在上文和下文表示包括电流隔离元件、例如电流隔离变压器的DC到DC转换器。在“隔离DC到DC转换器”中，这个电流隔离元件实现能量传递但是禁止输入与输出之间的直接传导通路。
术语“非隔离DC到DC变压器”在上文和下文表示DC到DC转换器，在所述转换器中，输入和输出没有彼此电流隔离。
按照本发明的实施例，DC配电母线是处于中压电平的DC配电母线。
按照本发明的优选实施例，DC配电母线的电压电平处于10 kV与50 kV之间。
按照本发明的实施例，可再生能源是低压能源，例如太阳能发电厂或者任何其他可再生发电厂。
按照本发明的实施例，可再生能源是中压能源，例如风力发电厂、太阳能发电厂或者任何其他可再生发电厂。
按照本发明的优选实施例，可再生能源的电压电平处于600 V与10 kV之间。换言之，可被看作为模块化隔离DC到DC转换器(包括隔离和非隔离DC到DC转换器)的转换器单元用于将例如风力发电机与例如处于中压电平的DC配电母线互连。这个转换器单元可用来执行从可再生源的最大功率点能量提取，因为两个DC到DC转换器可彼此无关地控制。例如，非隔离转换器可用于控制可再生能源与配电母线之间的功率流，以及隔离转换器可按照开环(以恒定切换频率) 来控制。由于这些原因，提供隔离转换器的电流隔离的变压器可被构成用于更高频率和最佳效率，并且因此可以是更轻的和更廉价的。
总之，由于非隔离DC到DC转换器，可消除第二组变压器，这可导致减少总体安装的重量、大小和覆盖区(footprint)。例如，在离岸可再生能量安装中，空间受到极大限制，并且因此大小、重量和覆盖区可以是极重要量度。通过使用转换器单元内的隔离DC到DC转换器内部的中频变压器，可实现重量和大小中的显著节省，例如引起直接在风力发电机的短舱内部的安装。
术语“级联连接”意味着转换器***的第一部分的输出与转换器***的第二部分的输入相连接。例如，隔离DC到DC转换器的两个输出与非隔离DC到DC转换器的输入相连接。
按照本发明的实施例，转换器单元包括至少两个转换器室，每个转换器室包括与非隔离DC到DC转换器级联连接的隔离DC到DC转换器。隔离DC到DC转换器的输入并联连接到可再生能源，以及非隔离DC到DC转换器的输出串联连接在DC配电母线的线路之间。转换器室可被看作为转换器单元的子模块或子转换器。这些子模块并联连接在可再生能源侧处并且串联连接在配电母线侧处。串联连接在配电母线侧处使得有可能将转换器单元的DC输出电压转换成DC输入电压的倍数。通过隔离DC到DC转换器，每一个转换器室包括可由变压器所提供的电流隔离。
按照本发明的实施例，转换器***还包括并联连接到DC配电母线的至少两个转换器单元，每个转换器单元可连接到可再生能源。因此，转换器***可包括多个并联连接转换器单元，并且每个转换器单元可包括多个转换器室，其并联连接在能源侧处并且串联连接在DC配电母线侧处。
按照本发明的实施例，隔离DC到DC转换器包括级联连接的第一DC到AC转换器、变压器和第二AC到DC转换器。变压器可提供电流隔离，并且可用来调高或调低来自能源的电压。
按照本发明的实施例，转换器单元包括用于将AC功率源与隔离DC到DC转换器相连接的AC到DC转换器。在通常生成AC输出电压的风力发电机的情况下，这个AC输出电压可在输入到隔离DC到DC转换器之前被整流。
按照本发明的实施例，转换器单元包括用于将DC功率源与隔离DC到DC转换器相连接的DC到DC转换器。这种DC功率源可以是光电模块。
按照本发明的实施例，非隔离DC到DC转换器是降压、升压或降压/升压转换器。降压和/或升压转换器可包括两个半导体开关，其串联连接在两个第一输出之间。一个第二输出经由电感器与两个半导体开关之间的中点相连接，以及第二输出可直接连接到第一输出中的一个。电容器可连接在两个第二输出之间。
按照本发明的实施例，优良转换器***包括至少两个DC配电母线，每个DC配电母线连接到转换器***，其包括用于将一个或多个可再生能源与至少处于中压电平的相应DC配电母线互连的一个或多个转换器单元。每个DC配电母线连接到非隔离电网侧DC到DC转换器的第一侧，以及非隔离电网侧DC到DC转换器的第二侧串联连接在DC配电网的线路之间。必须注意，在可再生能源与DC配电母线之间互连的非隔离DC到DC转换器可被看作为能源侧DC到DC转换器，而DC配电母线与DC配电网之间的非隔离DC到DC转换器是电网侧DC到DC转换器。
按照本发明的实施例，DC配电网电压电平高于DC配电母线电压电平。
按照本发明的实施例，DC配电网是高压DC配电网。
术语“高压”在上文和下文表示等于或高于50 kV的电压。高压仅通过电压下限来指定，并且没有强加上限。如本申请中使用的,高压包括其他文献可称作超高或特高电压的电压，例如500 kV、700 kV和更高电压。
通过串联连接的电网侧转换器，来自配电母线的中压(例如高达20 kV或30 kV)可通过乘法来转换为DC配电网的高压(例如高达100 kV或以上)。
按照本发明的实施例，非隔离电网侧转换器是降压、升压或降压/升压转换器。这些转换器可具有与能源侧转换器相同的布局。
优良转换器***可基于在不同电压电平(例如可再生能源与配电母线之间的中压以及配电母线与高压配电网之间的高压)的DC能量的收集、分配和传输。通过优良转换器***，可消除通常是笨重和昂贵的变压器，例如低频变压器和/或第二组隔离中频变压器。
本发明的另外方面涉及可再生能量发电站。例如，发电站可以是(离岸)风电场或风力田，或者可以是光电站。
按照本发明的实施例，可再生能量发电站包括如上文和下文所述用于将可再生能源与DC功率配电网互连的至少一个可再生能源和转换器***或优良转换器***。DC功率配电网可以是大规模配电网和/或高压配电网(例如适合于传送具有多于100 kV的电功率)。
按照本发明的实施例，可再生能量发电站的转换器***是如上文和下文所述用于将可再生能源与DC配电网互连的优良转换器***的部分。
按照本发明的实施例，至少一个可再生能源包括风力发电机和光电模块的至少一个。可再生能量发电站可包括多个可再生能源，其中的每个连接到转换器单元(其将相应可再生能源与DC配电母线互连)。优良转换器***可用来将离岸风力田连接到主要配电网。但是，优良转换器***还可与其他可再生能源、例如大光电发电厂(其本性是DC源)一起使用。
本发明的另外方面涉及一种转换器***的操作的方法，其可由转换器***的控制器来执行。
按照本发明的实施例，转换器***包括用于将可再生能源与DC配电母线互连的转换器单元，其中转换器单元包括级联连接的第一DC到DC转换器和第二DC到DC转换器。这可以是如上文和下文所述的转换器单元，具体来说是具有如上文和下文所述的至少两个转换器室的转换器单元。
具体来说，转换器单元可包括AC到DC转换器，其直接连接到风力发电机并且在另一侧连接到至少两个并联连接转换器室，其中的每个包括级联连接的第一隔离DC到DC转换器和第二非隔离DC到DC转换器。
首先，AC到DC转换器可控制风力发电机的频率和电压。
其次，第一隔离DC到DC转换器可把来自发电机侧的DC电压变换为配电侧处的DC电压。这可通过隔离DC到DC变压器的变压器(及其匝比)和/或通过转换器室的并联到串联连接来实现。
第三，第二非隔离DC到DC转换器可通过控制功率流来控制由第一DC到DC转换器所生成的配电侧DC链路电压。
按照本发明的实施例，该方法包括：按照开环来控制第一(隔离)DC到DC转换器；以及采用第二(非隔离)DC到DC转换器(其与第一DC到DC转换器级联连接)来控制转换器单元的功率流。以这种方式，第一DC到DC转换器可以只用于将电压变换成更高电平，和/或可在恒定频率来操作，这可改进第一DC到DC转换器的效率。
按照本发明的实施例，该方法还包括：控制互连可再生能源和第一DC到DC转换器的AC到DC转换器，使得优化可再生能源的操作点。第二DC到DC转换器可以仅用来控制AC到DC转换器的输出电压(例如通过这两个转换器之间的DC链路中的隔离DC到DC转换器)。以这种方式，两个控制目的可采用两个不同的转换器(其可最小化损耗，并且可增强从可再生能源所提取的功率)来达到。此外，更小和更廉价的变压器可用于隔离转换器。
由于两个单独DC到DC转换器，从可再生能源(风力、光电等)的最大功率提取在最佳操作点处是可能的。
按照本发明的实施例，该方法还包括：检测转换器单元中的故障；当检测到故障时，打开将转换器单元与DC配电母线互连的开关；在检测到故障之后，调制非隔离DC到DC转换器，使得转换器单元中的电流和/或电压在开关打开之前减小。非隔离转换器可用于转换器***的短路限制和过载保护。由于非隔离转换器包括半导体开关(其与机械开关相比快速反应)，所以非隔离转换器可用来在(较慢)开关打开之前限制电压和电流。在高压DC电平的短路和过电流限制可集成到转换器***中。
如已所述，每个转换器单元可包括子模块，其并联连接在能源侧处并且串联连接在配电母线侧处。具体来说，第二DC到DC转换器可以是串联连接在一侧处的降压、升压或降压/升压转换器。按照本发明的实施例，该方法涉及转换器***，所述转换器***是如上文和下文所述的优良转换器***的部分，该方法还包括：采用相移脉冲模式对第二DC到DC转换器进行脉宽调制，使得DC配电母线中生成的电压失真具有比脉冲模式要高的频率。串联连接配电母线侧DC到DC转换器可按照使得其切换时刻相对于彼此偏移(相移)的方式来切换。通过切换所引起的这类电压失真具有更高频率，并且例如可更易于滤出。
如已所述，DC配电母线可经由电网侧DC到DC转换器与配电网相连接。而且，这些转换器可以是串联连接在一侧处的降压、升压或降压/升压转换器。
按照本发明的实施例，该方法还包括：采用相移脉冲模式对电网侧DC到DC转换器进行脉宽调制，使得DC配电网中生成的电压失真具有比脉冲模式要高的频率。还可像用于降低谐波失真的能源侧隔离DC到DC转换器一样来操作电网侧非隔离DC到DC转换器。
按照本发明的实施例，该方法还包括：检测优良转换器***和/或转换器***和/或转换器单元中的故障；当检测到故障时，打开将转换器单元与DC配电母线互连的开关；在检测到故障之后，调制非隔离DC到DC转换器，使得转换器单元中的电流和/或电压在开关打开之前减小。非隔离转换器可用于转换器***的短路限制和过载保护。由于非隔离转换器包括半导体开关(其与机械开关相比快速反应)，所以非隔离转换器可用来在(较慢)开关打开之前限制电压和电流。在高压DC电平的短路和过电流限制可集成到转换器***中。
本发明的另外方面涉及用于转换器***或优良转换器***的控制器，其适合于执行如上文和下文所述的方法。例如，该方法可在硬件(在DSP或FPGA中)中或者在软件中实现。在后一种情况下，控制器可包括用于运行实现该方法的计算机程序的处理器。
必须理解，如上文和下文所述方法的特征可以是如上文和下文所述的转换器***、优良转换器***、可再生能量发电站和控制器的特征，并且反之亦然。
总之，优良转换器***可被看作为DC可再生能量收集器***，其配置用于将多个可再生能源连接到高压DC传输***(即，高压DC配电网)。优良转换器***可被看作为具有电流隔离中压DC到DC转换器(其允许从可再生能源的最大功率提取)的多级***。在与利用多个级联的隔离DC到DC转换器的上述AC到AC收集器***和AC到DC收集器***相比时，从中压DC配电母线到高压DC配电网的连接采用减少数量的功率转换级是可能的。不存在对利用低频变压器来实现互连的需要。转换器***和优良转换器***以及控制方法不仅可增加功率配电/输电***的效率，而且可允许可再生能源在标称操作点处的操作。转换器***(具有并联转换器室的并联转换器单元)的拓扑布局可允许输出/输入电压的易于可缩放性和适应，这可增加转换器***的模块性。
，本发明的这些方面及其他方面根据以下所述实施例将是显而易见的并且参照以下所述实施例进行阐明。
附图说明
下文中将参照附图图示的示范实施例更详细地说明本发明的主题。
图1示意示出按照本发明的实施例的可再生能量发电站。
图2示意示出按照本发明的实施例的用于转换器***的转换器单元。
图3示意示出图2的转换器单元的转换器室。
图4示出为按照本发明的实施例、用于控制优良转换器***的方法的流程图。
图5示出图示图4的方法的相移脉冲模式的简图。
图6示出图示图3的转换器室的DC到DC转换器的增益的简图。
图7示出图示图1的发电站中的风力发电机的功率轨迹的简图。
图8示出按照本发明的实施例的可再生能量发电站的另外实施例。
附图所使用的参考符号及其含意在参考符号的列表中以概括形式列示。大体上，附图中，相同部件提供有相同参考符号。
具体实施方式
图1示出包括以风力发电机(风力涡轮机)的形式的多个可再生能源12的可再生能量发电站。可再生能源12经由优良转换器***11与高压配电网16相连接。
在第一中压级中，每个可再生能源12经由转换器单元18与处于中压电平的配电母线20相连接。在第二高压级中，优良转换器***11包括多个配电母线20，其经由电网侧DC到DC转换器22与高压配电网16相连接。
每个转换器单元18包括级联连接的AC到DC转换器24、隔离DC到DC转换器26和非隔离DC到DC转换器28。
AC到DC转换器24用于把来自风力发电机12的AC电压转换为将要输入到隔离DC到DC转换器26中的DC电压，并且在提供DC电压的可再生能源(例如光电模块)的情况下可省略。在这种情况下，AC到DC转换器24还可采用也用于实现光电***的最大功率点操作的非隔离DC到DC转换器来取代。AC到DC转换器24可以是简单多相二极管整流器或者具有二电平、三电平或多电平结构的有源整流器。
AC到DC转换器24允许风力发电机12在所有条件(风速、辐照等)下以最大效率或最大功率传递的速度来驱动。可实现最大功率点跟踪(MPPT)，其最大化转换器***14的效率。
DC到DC转换器26、28用来通过控制输送给负载的功率来调节AC到DC转换器24的输出电压。另外，它们用来把来自发电机AC到DC转换器24的输出的电压(其可以是低压或中压)调高到配电母线20的预期中压，其中收集来自不同风力发电机12的能量。DC中压可通过考虑中压AC范围上升到36 kV来扩展到50 kV。
DC到DC转换器26、28可经由保护开关30来连接到配电母线20。
优良转换器***11此外包括用于控制转换器24、26、28和22的控制器32。
图2更详细示出转换器单元18(没有AC到DC转换器24)。转换器单元18包括多个转换器室34(或者转换器子模块/构建块)，其在可再生能源12侧上并联连接并且在配电母线20侧上串联连接。在配电母线侧上串联连接的转换器室34的数量可取决于配电母线的电压电平和/或功率半导体装置的电压额定。转换器单元18根据所要求的功率还可并联放置到能源12上。在能源侧上，转换器室34可串联/并联连接，以处理AC到DC转换器24的功率和输出电压。
每个转换器室34包括第一DC链路36、隔离DC到DC转换器26、第二DC链路39和非隔离DC到DC转换器28(全部级联连接)。
隔离DC到DC转换器26包括DC到AC转换器38、中频变压器40和AC到DC转换器42(级联连接)。例如，隔离DC到DC转换器26可以是谐振LLC转换器。一般来说，隔离DC到DC转换器26可使用半桥、全桥、三电平或多电平结构来配置。另外，功率处理可按照谐振或PWM模式来实现。但是，当功率处理按照谐振模式来实现时，提出明显优点、例如低切换损耗。此外，为了得到最大效率，在其中在转换器26中得到最大效率的点处按照开环来操作DC到DC转换器26。
隔离DC到DC转换器26可以仅提供转换器室34的隔离，其同时允许转换器室34的串联连接以便达到中压电平。另外，DC到DC转换器28可用于控制AC到DC转换器24的输出电压。
非隔离DC到DC转换器28用来调节输送给负载的功率，并且保护转换器***14和优良转换器***11免于过载和短路条件，如下面将说明。
此外，每个转换器室34的操作可被相移，以提供输入和输出滤波器中的纹波消除。
图3示出转换器室34的示例。转换器38、42可采用与DC链路36、39并联的半桥来实现。半桥的中点通过变压器40耦合。一般来说，转换器28可以是降压、升压或降压/升压转换器。
图4示出可由控制器32来执行的优良转换器***11的控制方法的流程图。一般来说，控制器32测量优良转换器***11中的电流和/或电压，并且基于这些测量来控制转换器22、24、26、28。
控制器32可包括中央和/或本地组件，和/或可并行控制转换器22、24、26、28。
在步骤S10中，AC到DC转换器24被控制,使得优化相应可再生能源12的操作点。
在步骤S12中，在所设计的操作点处按照开环来控制隔离DC到DC转换器26。
在步骤S14中，配电母线侧非隔离DC到DC转换器28被控制,使得通过相应转换器室34的功率流的控制来实现预期DC链路电压39。
在步骤S16中，电网侧非隔离DC到DC转换器22被控制,使得实现作为总电网电压16的部分的22的预期输出电压。
相对于步骤S14和S16，串联连接在其在一个转换器单元18的DC配电母线20的线路之间的输出处的转换器28和/或串联连接在DC配电网16的线路之间的转换器22可被脉宽调制。
图5示出以对于三个转换器22或28的脉宽调制信号或脉冲模式44的简图。脉冲模式44相对于彼此被相移，使得DC配电母线20或配电网16中生成的电流失真46具有比脉冲模式44要高的频率，如图5所指示。一般来说，电流失真46的频率增加与转换器的数量成比例。例如，通过三个转换器，曲线46的频率是脉冲模式44的频率的三倍。而且，电流失真46的纹波可具有另一种形式，例如它可以是三角的而不是正弦的。
具体来说，串联连接DC到DC转换器28和/或22以相移角来操作(交错操作)，以便提供在中压DC和/或高压DC电平的纹波消除。因此，DC到DC转换器28、22能够在低切换频率来操作，从而降低转换器28、22中的切换损耗，并且仍然具有小滤波器要求。此外，交错允许转换器28、22按照不连续传导模式或临界传导模式的操作，从而消除转换器28、22中的反向恢复损耗并且同时保证低滤波器要求。
如已提及，转换器26按照开环来控制。作为示例，图6示出LLC谐振转换器26的DC增益特性。在这个简图中，每个曲线48表示从无负载到过载条件的负载特性。简图中，归一化切换频率在水平轴上描绘，以及DC增益在垂直轴上描绘。
还为转换器指示三个可能操作条件：轻(50a)、标称(50b)和过载(50c)。这些操作点通过转换器26的DC增益特性、输入电压(AC到DC转换器24的整流器电压)和输出电压(在配电母线20处的中压DC)来定义。为了简化，可考虑作为刚性电压源的中压DC收集器20，其对由风力发电机12所生成的能量和来自电网16的需求负载相应地缓慢变化。如果AC到DC转换器24的输出电压36在跟随(follow)风力发电机12的最大功率点的同时不严格地调节，则隔离DC到DC转换器26通常将围绕标称操作点50b移动。如能够看到，远离点50b的小变化能够易于导致过载条件50c。在情况50c中，出现在隔离DC到DC转换器26的DC链路39上的中压DC的部分低于AC到DC转换器24的输出端子处的电压36。过载条件的严重性将通过这些电压之间的差来确定。另外，能够认识到，转换器的操作范围是相当窄的但是很有效,如果用在一个操作点50b处的话。
因此，每个转换器单元18的隔离DC到DC转换器26在操作点50b处按照开环来控制。为了实现预期电压增益，相应地控制DC到DC转换器28。
如前所述，在步骤S10中，连接到风力发电机12的AC到DC转换器24基于风速来控制发电机电压和发电机电流以提取最大功率，如图7所示，其示出以最佳功率轨迹52的简图。简图描绘水平轴上的风力发电机12的旋转速度以及垂直轴上的所提取的功率。示出用于不同操作条件的不同功率曲线54。
用来控制最大功率的这个控制策略将不允许由AC到DC转换器24对DC链路电压的控制。如果来自DC到DC转换器28的功率流与AC到DC转换器24中的功率流不平衡，则DC链路36中的电压将变化。因此，为了使DC链路电压保持恒定，非隔离DC到DC转换器28用来控制到配电母线20的功率流，以匹配从AC到DC转换器24进入DC链路36中的功率。
如果不是谐振DC到DC转换器26用于这个任务，则操作频率将会必须变化，以控制将会从图5所示的最佳效率操作点50b移动转换器26的功率流。
为了进一步阐明，如果在标称点在没有28的情况下来操作转换器室34并且电网电压保持固定，则功率将通过DC到DC转换器26被动地流动。但是，如果配电母线20中的电压开始降低，则DC链路电压36将因固定的电压增益而跟随。但是，这将会导致AC到DC转换器24的过载条件，这将从标称操作点50b处离开26。另一方面，如果电压20上升，则DC链路电压36也将上升，最终达到AC到DC转换器24和DC到DC转换器26的过电压条件。为了避免这些条件，DC到DC转换器26将会必须远离标称点50b来操作。DC到DC转换器26的设计将会必须改变，以给出更陡增益曲线供更好调节，从而导致不太有效的DC到DC转换器26。另外，输出电流在过载条件的情况下不能由DC到DC转换器26来控制。
为了保持风力发电机12的最大功率点、隔离DC到DC转换器26的最大效率点50b和最佳转换器设计，包含附加DC到DC转换器28。这能够是DC到DC转换器26的输出侧上的降压、升压或降压/升压转换器28，其用来在过载条件的情况下控制功率流和电流。通过这个配置，DC到DC转换器26能够在标称点50b处保持在恒定频率，以及转换器28控制功率流，以便将DC链路36保持在其固定的参考值。因此，控制器32的控制任务在用于发电机控制的AC到DC转换器24与用于DC链路电压控制的DC到DC转换器28之间相等地划分。
图8示出其中利用双向高压DC到DC转换器22的DC到DC转换器22的可能实现中的一个。所有DC配电母线20并联连接到DC到DC转换器22的第一输出，该DC到DC转换器22与它们的第二输出串联连接以便为高压DC配电网16馈电。
另外，DC到DC转换器22能够严格调节输出电压，以限制负载电流，并且在高压DC配电网16中保护配电母线20免于短路条件。类似任务可由DC到DC转换器28来执行。
转回到图4，DC到DC转换器22(以及DC到DC转换器28)另外可用于过载保护。
在步骤S18中，控制器32检测优良转换器***11中的故障，例如DC配电网16中的短路或过载条件。因此，控制器32打开将转换器单元18与DC配电母线20互连的开关30。在检测到故障之后，控制器32调制DC到DC转换器22和/或28，使得转换器单元18中的电流和/或电压在开关30打开之前降低。
例如，如图1和图8所示，所提出结构将允许若干配电母线20连接到高压DC配电网16，从而导致多端子高压DC***。在这种情况下，并且考虑因非隔离DC到DC转换器28已经保护转换器单元18免于短路和过载条件，降压、升压或降压/升压类型DC到DC转换器的使用对于DC到DC转换器22的实现是可能的。这样，可与功率流方向无关地保护整体优良转换器***11免于短路和过载条件。这个特征可最小化对快速保护元件的需要，从而主要要求机械隔离开关30和熔丝，并且因此去除与DC电路断路器技术的开发的相关性。
请注意，为了说明目的而示出转换器22、28的简化半桥级，以及实际上可需要IGBT的串联连接，以实现DC到DC转换器22、28。例如，通过现有技术高压DC技术，有可能简单地堆叠半导体以操控高压(例如20 kV)。
图8还示出到地电位的可能连接。例如，中间DC到DC转换器22中的一个可连接到地。
虽然在附图和前面描述中详细图示和描述了本发明，但是这种说明和描述被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的；本发明并不局限于所公开的实施例。根据研究附图、本公开和所附权利要求书，对所公开的实施例的其他变更由本领域熟练的并且实施所要求保护的发明的人员能够理解和实现。在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或控制器或者其他单元可实现权利要求书中所述的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求书中的任何参考符号不应当被理解为限制范围。
参考符号列表
10. 可再生能量发电站
11. 优良转换器***
12. 可再生能源
14. 转换器***
16. 高压DC配电网
18. 转换器单元
20. 中压DC配电母线
22. 电网侧DC到DC转换器
24. AC到DC转换器
26. 隔离DC到DC转换器
28. 非隔离DC到DC转换器
30. 保护开关
32. 控制器
34. 转换器室
36. 第一DC链路
38. DC到AC转换器
39. 第二DC链路
40. 变压器
42. AC到DC转换器
44. 脉冲模式
46. 电压失真
48. 负载特性
50a、50b、50c. 负载条件
52. 最佳功率轨迹
54. 功率曲线

Claims (18)

1.一种用于将可再生能源(12)与至少处于中压等级的DC配电母线(20)互连的转换器设备(14)，
其中所述转换器设备(14)包括用于将可再生能源(12)与所述DC配电母线(20)互连的转换器单元(18)；
其中所述转换器单元(18)包括：
隔离DC到DC转换器(26)，所述隔离DC到DC转换器(26)能连接到所述可再生能源(12)；以及
非隔离DC到DC转换器(28)，所述非隔离DC到DC转换器(28)能连接到所述DC配电母线(20)，所述非隔离DC到DC转换器(28)与所述隔离DC到DC转换器(26)级联连接，
其中所述隔离DC到DC转换器(26)按照开环来控制。
2.如权利要求1所述的转换器设备(14)，
其中所述转换器单元(18)包括至少两个转换器室(34)，每个转换器室(34)包括与非隔离DC到DC转换器(28)级联连接的隔离DC到DC转换器(26)；
其中所述隔离DC到DC转换器(26)的输入并联连接到所述可再生能源；
其中所述非隔离DC到DC转换器(28)的输出串联连接在所述DC配电母线(20)的线路之间。
3.如权利要求1或2所述的转换器设备(14)，还包括：
并联连接到所述DC配电母线(20)的至少两个转换器单元(18)，每个转换器单元(18)能连接到可再生能源(12)。
4.如权利要求1-2中的任一项所述的转换器设备(14)，
其中所述隔离DC到DC转换器(26)包括级联连接的第一DC到AC转换器(38)、变压器(40)和第二AC到DC转换器(42)。
5.如权利要求1-2中的任一项所述的转换器设备(14)，
其中所述转换器单元(18)包括用于将AC功率源(12)与所述隔离DC到DC转换器(26)相连接的AC到DC转换器(24)；或者
其中所述转换器单元(18)包括用于将DC功率源与所述隔离DC到DC转换器(26)相连接的DC到DC转换器。
6.如权利要求1-2中的任一项所述的转换器设备(14)，
其中所述非隔离DC到DC转换器(28)是降压、升压或降压/升压转换器。
7.一种转换器***(11)，
其中所述转换器***(11)包括至少两个DC配电母线(20)，每个DC配电母线(20)连接到如权利要求1至6中的任一项所述的包括用于将可再生能源(12)与至少处于中压等级的相应DC配电母线(20)互连的至少一个转换器单元(18)的转换器设备(14)；
其中每个DC配电母线(20)连接到非隔离电网侧DC到DC转换器(22)的第一侧；
其中所述非隔离电网侧DC到DC转换器(22)的第二侧串联连接在DC配电网(16)的线路之间。
8.如权利要求7所述的转换器***(11)，其中所述DC配电网(16)的电压等级高于所述DC配电母线(20)的电压等级。
9.如权利要求7或8中的任一项所述的转换器***(11)，
其中所述非隔离电网侧DC到DC转换器(22)是降压、升压或降压/升压转换器。
10.一种可再生能量发电站(10)，包括：
至少一个可再生能源(12)；
如权利要求1至6中的任一项所述的用于将所述可再生能源(12)与DC配电网(16)互连的转换器设备(14)。
11.如权利要求10所述的可再生能量发电站(10)，其中所述转换器设备(14)是如权利要求7至9中的任一项所述的用于将所述可再生能源(12)与所述DC配电网(16)互连的转换器***(11)的一部分。
12.一种操作如权利要求1至6中的任一项所述的转换器设备(14)的方法，其中所述转换器设备(14)包括用于将可再生能源(12)与DC配电母线(20)互连的转换器单元(18)，其中所述转换器单元(18)包括级联连接的隔离DC到DC转换器(26)和非隔离DC到DC转换器(28)，所述方法包括：
按照开环来控制所述隔离DC到DC转换器(26)；
采用所述非隔离DC到DC转换器(28)来控制所述转换器单元(18)的功率增益。
13.如权利要求12所述的方法，
其中所述转换器单元(18)包括互连可再生能源(12)和所述隔离DC到DC转换器(26)的AC到DC转换器(24)，所述方法还包括：
控制所述AC到DC转换器(24)，使得优化所述可再生能源(12)的操作点。
14.如权利要求12或13所述的方法，还包括：
检测所述转换器设备(14)中的故障；
当检测到所述故障时，打开将所述转换器单元(18)与所述DC配电母线(20)互连的开关(30)；
在检测到所述故障之后，调制所述非隔离DC到DC转换器(28)，使得所述转换器单元(18)中的电流和/或电压在所述开关(30)打开之前降低。
15.如权利要求12至13中的任一项所述的方法，
其中所述转换器单元(18)包括至少两个转换器室(34)，每个转换器室包括隔离DC到DC转换器(26)和非隔离DC到DC转换器(28)，其中所述隔离DC到DC转换器(26)并联连接到所述可再生能源(12)，并且所述非隔离DC到DC转换器(28)串联连接在所述DC配电母线(20)的线路之间，
所述方法还包括：
采用相移脉冲模式(44)对所述非隔离DC到DC转换器(28)进行脉宽调制，使得所述DC配电母线(20)中生成的电压失真具有比所述相移脉冲模式(44)要高的频率。
16.如权利要求12至13中的任一项所述的方法，
其中所述转换器设备(14)是如权利要求7至9中的任一项所述的转换器***(11)的一部分，其中所述转换器***(11)包括至少两个DC配电母线(20)，每个DC配电母线(20)连接到用于将可再生能源(12)与相应DC配电母线(20)互连的至少一个转换器单元(18)；
其中每个DC配电母线(20)连接到电网侧DC到DC转换器(22)的第一侧，并且其中所述电网侧DC到DC转换器(22)的第二侧串联连接在DC配电网(16)的线路之间；
所述方法还包括：
采用相移脉冲模式（44）对所述电网侧DC到DC转换器(22)进行脉宽调制，使得所述DC配电网(16)中生成的电压失真具有比所述相移脉冲模式(44)要高的频率。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
检测所述转换器***(11)中的故障；
当检测到所述故障时，打开将所述转换器单元(18)与所述DC配电母线(20)互连的开关(30)；
在检测到所述故障之后，调制所述非隔离DC到DC转换器(28)和/或所述电网侧DC到DC转换器(22)，使得所述转换器单元(18)中的电流和/或电压在所述开关(30)打开之前降低。
18.一种用于转换器设备(14)或转换器***(11)的控制器(32)，
其中所述控制器(32)适合于执行如权利要求12至17中的任一项所述的方法。
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