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頻率轉換器裝置中的電轉換器模塊的自動機械斷開.pdf

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頻率 轉換器 裝置 中的 模塊 自動 機械 斷開
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摘要
申請專利號:

CN201110122391.0

申請日:

2011.05.12

公開號:

CN102244392B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H02J 3/38申請日:20110512|||公開
IPC分類號: H02J3/38; H02M1/36(2007.01)I 主分類號: H02J3/38
申請人: 西門子公司
發明人: T.S.湯姆森
地址: 德國慕尼黑
優先權: 2010.05.12 EP 10162639.8
專利代理機構: 中國專利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 王岳;盧江
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201110122391.0

授權公告號:

102244392B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2013.04.17|||2011.11.16

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及頻率轉換器裝置中的電轉換器模塊的自動機械斷開。描述了用于容納用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率的電轉換器模塊的裝置。所述裝置包括:機架,其包括用于接收電輸入信號的輸入端子和用于提供電輸出信號的輸出端子;槽,其用于在第一位置和第二位置中容納轉換器模塊,其中,在第一位置中,轉換器模塊被電連接到輸入端子和輸出端子兩者,并且在第二位置中,轉換器模塊被從輸入端子和輸出端子二者電學上斷開;以及致動器,其被安裝到機架,并且其響應于斷開觸發信號而適合于使電轉換器模塊從第一位置移動至第二位置。此外,描述了裝配有此類裝置的頻率轉換器系統和用于使轉換器模塊斷開的方法。

權利要求書

1.?一種用于容納用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率的電轉換器模塊(150)的裝置,該裝置包括:?·?機架(110),包括:?輸入端子(121),用于從發電機接收電輸入信號,以及?輸出端子(125),用于向電網提供電輸出信號,?·?槽,用于在第一位置中和第二位置中容納電轉換器模塊(150),其中,在第一位置中,電轉換器模塊(150)被電連接到輸入端子(121)和輸出端子(125)兩者,以及?在第二位置中,電轉換器模塊(150)被從輸入端子(121)和輸出端子(125)二者電學上斷開,以及?·?致動器(130),被安裝到機架(110),并且其響應于斷開觸發信號而適合于將電轉換器模塊(150)從第一位置移動至第二位置。2.?如前述權利要求所述的裝置,其中?所述致動器(130)包括機電換能器。3.?如前述權利要求中的任一項所述的裝置,其中?致動器(130)包括彈簧承載系統。4.?如前述權利要求中的任一項所述的裝置,還包括?·?控制器(135),用于控制致動器(130)的操作。5.?如前述權利要求中的任一項所述的裝置,其中?所述槽包括至少一個導軌(12)和用于將轉換器模塊(150)鎖定在第一位置中和/或第二位置中的鎖定機構。6.?如前述權利要求中的任一項所述的裝置,其中,所述機架(110)包括?用于從發電機接收另外的電輸入信號的另外的輸入端子和用于向電網提供另外的電輸出信號的另外的輸出端子,所述裝置還包括:?·?至少一個另外的槽,用于在第一位置中和第二位置中容納另外的電轉換器模塊,其中?在第一位置中,所述另外的電轉換器模塊被電連接到所述另外的輸入端子和所述另外的輸出端子,并且在第二位置中,所述另外的電轉換器模塊被從所述另外的輸入端子和所述另外的輸出端子二者電學上斷開,以及?·?另外的致動器,其被安裝到機架(110),且其響應于斷開觸發信號而適合于使所述另外的電轉換器模塊從第一位置移動至第二位置。7.?一種用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率的頻率轉換器系統,所述頻率轉換器系統(100)包括:?·?如前述權利要求中的任一項所述的裝置,以及?·?電轉換器模塊(150),用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率,其中,所述電轉換器模塊(150)可被所述槽容納。8.?如權利要求7所述的頻率轉換器系統,其中?所述電轉換器模塊是電開關模塊(150)。9.?如權利要求7所述的頻率轉換器系統,其中?所述電轉換器模塊是電逆變器模塊。10.?如前述權利要求7至9中的任一項所述的頻率轉換器系統,其中?電轉換器模塊(150)包括用于監視電轉換器模塊(150)的操作的監視單元(155),其中,所述監視單元(155)適合于生成斷開觸發信號和/或生成斷開觸發信號的前兆信號。11.?一種用于使機架(110)內的電轉換器模塊(150)斷開的方法,所述電轉換器模塊(150)用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率,機架(110)包括用于從發電機接收電輸入信號的輸入端子(121)和用于向電網提供電輸出信號的輸出端子(125),所述方法包括?·?接收指示電轉換器模塊(150)的錯誤狀態的斷開觸發信號,以及?·?響應于斷開觸發信號,借助于被安裝到機架(110)的致動器(130)將機架(110)的槽內的電轉換器模塊(150)從第一位置移動至第二位置,其中?在第一位置中,電轉換器模塊(150)被電連接到輸入端子(121)和輸出端子(125)二者,以及?在第二位置中,電轉換器模塊(150)被從輸入端子(121)和輸出端子(125)二者電學上斷開。12.?如前述權利要求所述的方法,其中,在空載情況期間執行將電轉換器模塊(150)從第一位置移動至第二位置。

說明書

頻率轉換器裝置中的電轉換器模塊的自動機械斷開

技術領域

本發明涉及發電領域。特別地,本發明涉及用于容納電轉換器模塊的裝置(arrangement),該電轉換器模塊適合于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率。此外,本發明涉及裝配有此類裝置的頻率轉換器(frequency?converter)系統。此外,本發明涉及用于將電轉換器模塊斷開的方法,該電轉換器模塊被用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率。

背景技術

為了從例如風力渦輪機的發電機向電網饋送電能,通常需要使所產生的電力的頻率適合于電網的工作頻率。

對于風力渦輪機而言,存在已知的頻率轉換器裝置,其使用并聯的許多相同的逆變器模塊和/或轉換器模塊以便達到電力的期望容量。下面,將這些模塊稱為電轉換器模塊。

在電轉換器模塊中的一個的缺陷的情況下,必須使發電機停止,并且必須將相應頻率轉換器從電網斷開,直至已經更換有缺陷的電轉換器模塊為止。這是由于電轉換器模塊內的故障常常是由作為受控功率半導體的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)中的短路引起的。因此,不能僅在邏輯上將相應有缺陷的電轉換器模塊斷開,而是必須在物理上將其斷開以便允許其余電轉換器模塊繼續其操作。

在被用于發電機、特別是用于風力渦輪機的許多頻率轉換器中,像大部頭書一樣將電轉換器模塊并排地放置在架子上,栓接到底盤并裝配有栓接的(bolted)AC和DC主電流連接。在電轉換器模塊中的已有一個的故障的情況下,相應模塊的去除是麻煩的過程,如上文已經描述的,這要求發電機停止其操作。由此,增加發電機的停機時間。

可能需要促進頻率轉換器內的電轉換器模塊的斷開。

發明內容

可由根據獨立權利要求的主題來滿足此需要。由從屬權利要求來描述本發明的有利實施例。

根據本發明的第一方面,提供了一種用于容納用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率的電轉換器模塊的裝置。提供的裝置包括(a)機架,其包括:(a1)輸入端子,用于從發電機接收電輸入信號和(a2)輸出端子,用于向電網提供電輸出信號,(b)槽,用于在第一位置中和第二位置中容納電轉換器模塊,其中,在第一位置中,電轉換器模塊被電連接到輸入端子和輸出端子兩者,并且其中,在第二位置中,電轉換器模塊被從輸入端子和輸出端子兩者二者電學上斷開,以及(c)致動器,其被安裝到機架,并且其響應于斷開觸發信號而適合于將電轉換器模塊從第一位置移動至第二位置。

所述的裝置是基于思想:能夠借助于可遙控觸發信號來自動地實現有缺陷的電轉換器模塊的斷開。此自動斷開能夠在短時間段內實現。在自動斷開之后,能夠例如在幾分鐘內暫時修理包括所述裝置的頻率轉換器系統,使得能夠再次使發電機投入差不多正常操作,其中,能夠執行僅略微減少的發電。結果,盡管在有限的負載下,能夠實現電力生產的高可用性。這在離岸風力渦輪機處可能是尤其有利的,其中,由于對于修理而言依賴于天氣的訪問,可用性增加能夠相對于電力生產的量顯著地改善風力渦輪機的有效性能。

所有端子且尤其是主電流連接可以是插拔式的(pluggable)。優選地,在存在空載情況時段的時間點進行轉換器模塊與機架之間的斷開。這可以提供主電流插頭(plug)連接不必針對電流中斷來設計的優點。這允許用相對簡單的結構來實現連接并降低用于所述裝置的成本。

輸入端子的數目可以取決于由發電機產生的電力的類型。通常,特別是在發電機是風力渦輪機時,頻率轉換器裝置包括允許從風力渦輪機的發電機接收三相交流電流的三個輸入端子。

輸出端子的數目取決于被饋送到電力網的電力的類型。通常,也將電輸出電力提供為三相電流,使得輸出端子的數目也是三個。

應提到的是第二頻率是零也是可能的。這意味著電輸出電力被提供為直流電流(DC)。在這種情況下,輸出端子的數目也可以是兩個。

應注意的是上文相對于輸入和輸出端子的數目的闡述僅涉及單個電轉換器模塊。對于本技術領域的技術人員來說應理解的是輸入、相應輸出端子的總數當然可以與槽的數目成正比,每個槽可能被用于容納電轉換器模塊。

根據本發明的實施例,所述致動器包括機電換能器。可以例如借助于與主軸齒輪(spindle?gear)相連的電動機來實現機電換能器。由此,能夠實現從第一位置到第二位置的電轉換器模塊的平滑直線移動。

如果考慮到通常從連接位置(即第一位置)到斷開位置(即第二位置)的移動速度尤其在轉換器模塊的所謂空載情況下不是關鍵的,則由所述機電換能器引起的平緩移動可以保證能夠有效地防止作用在轉換器模塊上的不必要的機械震動。

根據本發明的另一實施例,所述致動器包括彈簧承載(spring?loaded)系統。該彈簧承載系統可以使轉換器模塊從該轉換器模塊被牢固地與機架嚙合的第一位置縮回到該轉換器模塊脫離機架的第二位置。可以借助于螺線管激活的(activated)觸發機構和/或借助于由電動機驅動的機構來釋放或激活彈簧承載系統。

彈簧承載系統的使用和/或用于致動器的煙火信號(pyrotechnical)解決方案的使用可以提供能夠實現轉換器模塊的快速斷開的優點。這將允許還在所謂的加載情況下使轉換器模塊從機架端子斷開,其中,轉換器模塊是活動的(active),并且電流正在通過由轉換器模塊端子和各機架端子限定的插頭連接而流動。

根據本發明的另一實施例,所述裝置還包括用于控制制動器的操作的控制器。

在轉換器模塊的故障的情況下,所述控制器可以例如從電轉換器模塊和/或從電監視設備接收相應的信號,所述電監視設備正在監視轉換器模塊的操作狀態。

根據本發明的另一實施例,所述槽包括至少一個導軌和用于將轉換器模塊鎖定在第一位置中和/或第二位置中的鎖定機構。這可以意味著該導軌應包括鎖定機構以將轉換器模塊鎖定在其中主電流連接插頭被配合(mate)的嚙合位置或其中主電流插頭連接被斷開的脫離位置中。

應提到的是在脫離位置中,用于每個電位的配合部分之間的空隙應足夠大,以便提供電絕緣。為了實現足夠的空隙尺寸,當然應考慮斷開的插頭組件之間的電壓差。

根據本發明的另一實施例,所述機架包括(a)用于從發電機接收另外的電輸入信號的另外的輸入端子和(b)用于向電網提供另外的電輸出信號的另外的輸出端子。此外,所述裝置還包括(a)用于在第一位置中和第二位置中容納另外的電轉換器模塊的至少一個另外的槽,其中,在第一位置中,所述另外的電轉換器模塊被電連接到另外的輸入端子和另外的輸出端子兩者,并且在第二位置中,所述另外的電轉換器模塊被從另外的輸入端子和另外的輸出端子二者電學上斷開,以及(b)另外的致動器,其被安裝到機架,并且其響應于斷開觸發信號而適合于將另外的電轉換器模塊從第一位置移動至第二位置。

本多槽裝置可以提供優點,即其可以用于大型頻率轉換器系統,該大型頻率轉換器系統包括至少兩個且優選地多個電轉換器模塊,并且其適合于轉換可以由諸如風力渦輪機和/或多個風力渦輪機的發電機提供的高功率輸入信號的頻率。

一般而言,放置在每個機架槽中并由上述控制器來控制的致動器應通過將有缺陷的電轉換器模塊從第一(嚙合)位置移動至第二(脫離)位置來將其斷開。如上文已描述的,在已將有缺陷的電轉換器模塊設置在第二位置中之后,可以使仍包括至少一個無故障電轉換器模塊的頻率轉換器系統投入正常操作。由此,用減少的負載來表征正常操作。

根據本發明的另一方面,提供了一種用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率的頻率轉換器系統。所提供的頻率轉換器系統包括(a)用于容納電轉換器模塊的如上所述的裝置,以及(b)用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率的電轉換器模塊。電轉換器模塊可被槽容納。

并且,所述頻率轉換器系統是基于這樣的思想,即在電轉換器模塊的缺陷的情況下,相應模塊能夠被自動地放入第二(脫離)位置。由此,使用在缺陷的情況下接收所述斷開觸發信號的上述致動器。

根據本發明的實施例,所述電轉換器模塊是電開關模塊。在本文中,術語電開關模塊可以指的是轉換器模塊,其首先將具有第一頻率的交流電流轉換成DC電流,并且其其次將DC電流轉換成具有第二頻率的交流電流。

根據本發明的另一實施例,所述電轉換器模塊是電逆變器模塊。在本文中,術語電逆變器模塊可以指的是轉換器模塊,其將AC電流轉換成DC電流或將DC電流轉換成AC電流。

在這方面,應提到的是根據兩個頻率不等于零的假設,單逆變器模塊當然不能執行從第一頻率到第二頻率的頻率轉換。然而,單逆變器模塊可以至少在執行上文依照本發明的第一方面所述的AC—AC頻率轉換方面有所貢獻。

應提到的是可以用于將風力渦輪機連接到電網的頻率轉換器系統可以包括被連接到DC匯流排的多個AC—DC逆變器模塊。具體地,(a)可以在能量產生發電機與DC匯流排之間連接許多AC—DC逆變器模塊,以及(b)可以在電網與DC匯流排之間連接許多AC—DC逆變器模塊。

此外,用于風力渦輪機的頻率轉換器系統可以包括每個包括至少一個逆變器模塊的兩個逆變器面板。可以將可以被放在風力渦輪機底部中的一個逆變器面板與到電網的其AC側相連。可以將可以被放在風力渦輪機的機艙中的另一逆變器面板與到風力渦輪機的發電機的其AC側相連。可以通過風力渦輪機的塔架中的電纜敷設來將兩個逆變器面板的DC側相互連接。從而,這些電纜被電學上分配給上述匯流排。

根據本發明的實施例,電轉換器模塊包括用于監視電轉換器模塊的操作的監視單元。從而,所述監視單元適合于如果在電轉換器模塊中發生缺陷,則生成斷開觸發信號和/或生成斷開觸發信號的前兆(precursor)信號。

在頻率轉換器包括多個電轉換器模塊的情況下,每個轉換器模塊可以具有用于實現診斷功能以便識別相應電轉換器模塊的缺陷并以便將缺陷報告給上述控制器的監視單元,上述控制器可以被視為所述頻率轉換器系統的主控制器。

根據本發明的另一方面,提供了一種用于將機架內的電轉換器模塊斷開的方法,該電轉換器模塊被用于將電輸入信號的第一頻率轉換成電輸出信號的第二頻率,所述機架包括用于從發電機接收電輸入信號的輸入端子和用于向電網提供電輸出信號的輸出端子。所提供的方法包括(a)接收指示電轉換器模塊的錯誤狀態的斷開觸發信號,以及(b)響應于斷開觸發信號,借助于被安裝到機架的致動器將機架的槽內的電轉換器模塊從第一位置移動至第二位置。在第一位置中,所述電轉換器模塊被電連接到輸入端子和輸出端子二者,并且在第二位置中,電轉換器模塊被從輸入端子和輸出端子二者電學上斷開。

并且,所述方法是基于這樣的思想,即如果發生電轉換器模塊的缺陷,則該電轉換器模塊能夠被自動地放入第二(脫離)位置。能夠快速地、有效地且容易地實現自動斷開。在自動斷開之后,能夠臨時修理包括用于容納電轉換器模塊的上述裝置的頻率轉換器系統,使得能夠使發電機再次投入差不多正常操作。從而,能夠執行僅略微減少的發電。結果,盡管在有限的負載下,能夠實現電力生產的高可用性。

根據本發明的實施例,在空載情況下執行將電轉換器模塊從第一位置移動至第二位置。

在這方面,應提到的是如果不存在(a)從被分配給轉換器模塊的AC部分的端子流到(b)被分配給轉換器模塊的DC部分的端子的電流,則存在空載情況。因此,在空載情況下,能夠在沒有斷開端子連接時的起弧風險的情況下將轉換器模塊移動至第二位置。

下面,解釋如何可以發生空載情況:電轉換器模塊中的故障通常是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)內或更多IGBT中的、引起轉換器模塊的AC部分與DC部分之間的短路的故障。通常由頻率轉換器控制系統來檢測此短路,所述頻率轉換器控制系統促使所有其它轉換器模塊立即斷開,以免向段路中饋送能量,這可能引起轉換器系統中的爆炸和起火。這意味著風力渦輪機被立即停止操作。風力渦輪機的操作停止將持續至修理轉換器模塊。下面,打開轉換器模塊、包括轉換器模塊的相應轉換器之間的斷路器機構。在采用具有永久性磁鐵的發電機的情況下,還激活頻率轉換器系統與發電機之間的斷路器機構或斷開機構。結果,使得轉換器模塊、相應整個頻率轉換器系統不帶電(de-energized),并且沒有電流流過(頻率)轉換器(系統)。在這里,存在空載情況。

在空載情況下將電轉換器模塊斷開可以提供主電流插頭連接不必針對電流中斷來設計的優點。這使得轉換器模塊和/或用于容納電轉換器模塊的上述裝置的電和/或機械設計更為容易。

必須注意的是已參考不同的主題描述了本發明的實施例。特別地,已參考裝置類型權利要求描述了某些實施例,而參考方法類型權利要求描述了其它實施例。然而,本領域的技術人員將從以上和以下說明推斷除非另外通知,除屬于一種主題的特征的任何組合之外,還認為將用本文來公開與不同主題有關的特征之間、特別是裝置類型權利要求的特征和方法類型權利要求的特征之間的任何組合。

本發明的上文定義的方面和其它方面從下文將描述的實施例的示例中是顯而易見的,并且其參考實施例的示例來進行解釋。下面將參考實施例的示例來更詳細地描述本發明,但本發明不限于所述實施例的示例。

附圖說明

圖1a示出依照本發明的實施例的頻率轉換器系統,其中,所述電轉換器模塊在連接位置中。

圖1b示出圖1a所示的頻率轉換器系統,其中,所述電轉換器模塊在斷開位置中。

具體實施方式

圖中的圖示是示意性的。應注意的是在不同的圖中,為類似或相同的元件提供相同的附圖標記。

圖1a示出依照本發明的實施例的頻率轉換器系統100。在圖1a所示的情況下,電轉換器模塊150在連接位置中。

頻率轉換器系統100包括具有多個槽的機架110。在圖1a的示意性橫截面圖中,只能看到一個槽。其它槽可以位于所選投影面之上或之下。當然,所述機架還可以包括其它槽,其被相對于在圖1a中描繪的槽側向地放置。

機架110的每個槽包括一對導軌112。導軌112促進電轉換器模塊150到槽中的插入。

機架110還包括用于從未描繪的發電機接收電輸入信號的三個輸入端子121。根據這里所述的實施例,發電機是風力渦輪機或被相互電連接的整個的多個風力渦輪機。(一個或多個)風力渦輪機產生三相交流電流。在圖1a中,三個相被命名為“U”、“V”和“W”。

根據這里所述的實施例,電轉換器模塊150包括AC/DC/AC轉換器。因此,轉換器模塊150還被命名為開關模塊150。被饋送到三個輸入端子121的電三相交流電流輸入信號首先被轉換成DC信號,并且其次被轉換成具有頻率的電三相交流電流輸出信號,該頻率通常不同于輸入信號的頻率。

這里,應提到的是在包括異步發電機的風力渦輪機中,存在從電網流過來或由轉換器系統中的DC鏈路中的電容器提供以便提供發電機的所需磁化的無功電功率(reactive?electric?power)。與此相反,有功功率正常地從發電機流到電網。

在三個輸出端子125處提供輸出信號,三個輸出端子125在圖1a中被命名為“L1”、“L2”和“L3”。如果想要掌握(grip)DC功率和/或出于測量和/或診斷的目的,電開關模塊150還包括兩個中間端子123。中間端子123被分配給AC/DC/AC轉換器的DC級。

如從圖1a可以看到的,電轉換器模塊150包括監視單元155。根據這里所述的實施例,監視單元155包括微處理器,該微處理器以未描繪但已知的方式監視電轉換器模塊150的操作、相應操作狀態。如果監視單元155檢測到電轉換器模塊150的故障,則生成相應的故障信號。該故障信號被提供給機架110的主控制器。

被安裝到機架110的主控制器135確定已生成故障信號的電轉換器模塊150的槽。響應于此,主控制器135向被安裝在相應槽的側面處的兩個致動器130傳送“斷開觸發信號”。響應于此“斷開觸發信號”,致動器130變成活動的。從而,嚙合臂131被向外移動,這使電轉換器模塊150相對于機架110橫向地向外移動,并且這從而使電轉換器模塊150從端子121、123和125斷開。在圖1b中示出電轉換器模塊150的斷開位置。

如從圖1b可以看到的,在斷開位置中,端子121、123和125與電轉換器模塊150的相應端子分離了距離d。此距離d被選擇為使得在各相對端子中的每一個之間提供可靠的空氣絕緣。當然,當設計頻率轉換器系統100時,應根據端子121、123和125中的每個與電轉換器模塊150的相應相對端子之間的電壓差來選擇距離d。

應注意的是術語“包括”不排除其它元素或步驟,且“一個”或“一”不排除復數。還可以將結合不同實施例所述的元素組合。還應注意的是不應將權利要求中的附圖標記理解為限制權利要求的范圍。

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