[发明专利]用于控制水电涡轮机的方法和系统

说明书

发明领域

本发明涉及一种用于控制涡轮机的方法和系统，且特别地涉及一种用于对水电涡轮机提供控制以最佳化涡轮机的性能的方法和系统。

发明背景

水电涡轮机被公认为用于有效使用清洁且可再生能源的工具。安装在海中的水电涡轮机组利用由潮汐或由河口附近的河流引起的自然水流，从而产生电力提供给一般提供在海岸上的共用电网。

接近安装在海中的涡轮机是昂贵又危险的。因此，在可能的情况下，优选地避免使用存在出现故障或磨损的任何风险的组件。因此，固定桨距涡轮机叶片优选地是具有可调桨距机构的叶片，直接耦接到涡轮机的低速发电机优选地是通过齿轮耦接的高速发电机，且发电机的永久磁铁励磁优选地是需要电刷和环滑或换向器的配置。

在大部分情况下，涡轮机组包括大量涡轮机。假设涉及大量涡轮机，由连接到每个涡轮机的不同电力电缆将电力传递到海岸将是不切实际且不经济的。因此，被安装用来将电力传输到海岸的每根电力电缆被优选地配置来从多个涡轮机中收集电力。为了将大量电力从涡轮机组传输到海岸上的电网连接点（其通常可能与涡轮机相距几千米），电力电缆在高电压下进行操作。然而，涡轮机内的电元件（诸如发电机绕组）通常被设计来在极低电压下进行可靠又经济的操作。

此外，海底和附近海岸线的湍流和不规则地势造成水流速度差，且因此造成由单根电缆伺服的涡轮机组内的每个涡轮机处存在可用电力差。为了从水流中获取最大电力，应根据主导水流速度调整涡轮机组的每个涡轮机的旋转速度。因此，组内的涡轮机通常以不同速度进行操作且如果其配备永久磁铁发电机，那么便产生不同频率和电压的电力输出。

因此本发明的目的是提供一种用于将由涡轮机产生的电力转换成可与电力传输系统兼容的形式以将电力传输到海岸同时确保涡轮机和作为整体的涡轮机组的性能最佳化的系统。

发明概述

根据本发明，提供了一种用于控制水电涡轮机的操作的控制系统，控制系统包括：

转换器系统，其被配置来将由连接到涡轮机的发电机供应且具有为涡轮机的旋转速度的函数的电压和频率的AC电力转换成具有用于将AC电力传输到接收站的传输系统的电压和频率的AC电力；系统还包括控制单元，控制单元与转换器系统协作以响应于通过涡轮机的水流速度而调整由发电机供应的AC电压，从而控制涡轮机的旋转。

优选地，由发电机供应的AC电力具有与涡轮机的旋转速度成比例的电压和频率。

优选地，转换器系统包括第一级转换器和第二级转换器，其中第一级转换器与第二级转换器之间提供DC链路，第一级转换器被配置来将由发电机供应的AC电力转换成DC电力，且第二级转换器被配置来将DC电力转换成AC电力以传输到接收站。

替代地，转换器系统包括回旋转换器或矩阵转换器，其被配置来将由发电机供应的AC转换成AC电力以传输到接收站。

优选地，DC链路包括用于感测DC电流的至少一个传感器且被配置来将与受感测DC电流相关联的信号提供给控制单元。

优选地，DC链路包括用于感测DC电压的至少一个传感器且被配置来将与受感测DC电压相关联的信号提供给控制单元。

优选地，第一级转换器包括整流器。

优选地，整流器是三相相控整流器，且控制单元被配置来调整相控整流器的晶闸管触发信号的延迟角度。

替代地，第一级转换器包括与二极管桥接器串联的晶闸管AC控制器。

优选地，第二级转换器是相控电流源线换向逆变器。

优选地，响应于水流速度小于额定值，控制单元被配置来调整第二级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电压设置成在DC链路处提供最佳DC电力值的值。

优选地，响应于水流速度小于阈值，控制单元被配置来设置第一级转换器以使其表现为不受控整流器、确定DC链路电流、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且调整第二级转换器的操作以将DC链路电压设置成给所确定的DC链路电流提供最佳DC电力值的值。

优选地，响应于水流速度超过额定值，控制单元被配置来调整第二级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电压设置成阈值DC电压值，且调整第一级转换器的晶闸管的触发角以将DC链路电流设置成用于将DC电力限制成最佳DC电力值的固定值。

优选地，响应于水流速度超过阈值，控制单元被配置来调整第二级转换器以将DC链路电压设置成阈值DC电压值、确定与涡轮机的水流速度相关联的最佳DC电力值，且调整第一级转换器以将DC链路电流设置成将DC电力限制成最佳DC电力值的固定值。