CN103797703A - 风力涡轮机中的功率耗散装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于对来自风力涡轮机中的发电机的功率进行耗散的功率耗散装置。所述发电机包括与多相输出相对应的多个输出端子。所述功率耗散装置包括多个耗散单元、多个半导体开关、用于对所述半导体开关进行切换的触发电路以及用于控制所述触发电路的操作而由此控制所述半导体开关的切换的控制单元。每一个耗散单元包括第一端子和第二端子。每一个耗散单元的第一端子耦合至发电机的每一个输出端子。每一个半导体开关包括第一端子阳极、第二端子和栅极端子。每一半导体开关的第一端子耦合至每一个耗散单元的第二端子，且半导体开关的第二端子耦合至另一个耗散单元的第二端子，以使得每一个耗散单元的第二端子耦合至一个半导体开关的第一端子和另一个半导体开关的第二端子。所述触发电路耦合至多个半导体开关的栅极端子，以对半导体开关进行切换。

Description

风力涡轮机中的功率耗散装置

技术领域

本发明总体上涉及功率耗散装置，具体而言，涉及用于在风力涡轮机中使用的功率耗散装置（power dissipating arrangement）。

背景技术

风力涡轮机是将动力风能转化为用于公用电网的电能的能量转换系统。具体地，吹到风力涡轮发电机（WTG）的叶片上的风引起WTG的转子旋转。接着通过发电机将旋转转子的机械能转换为电能。提供恒定频率电力的一种类型风力涡轮机是固定速度的风力涡轮机。这种类型的风力涡轮机需要以恒定速度旋转的发电机转子。另一种类型的风力涡轮机是变速风力涡轮机。这种类型的风力涡轮机允许发电机以变化的速度旋转，以适应波动的风速。

基于满量程的功率变换器的风力涡轮机（其是一种类型的变速风力涡轮机）通常包括功率变换器，所述功率变换器具有经由直流（DC）链路耦合至电网侧变换器的发电机侧变换器。发电机侧变换器对发电机的功率进行调节。该功率通过所述DC链路进行传送，且最终通过电网侧变换器和其他功率部件馈送至电网。电网侧变换器对电网侧功率进行调节。相同的情形对于双重馈送感应发电机（DFIG）系统也成立，在该系统中只有来自发电机的一部分功率可以通过所述功率变换器。

可以请求风力涡轮机关闭，例如由于电网中的极端故障、涡轮机/风电场中的部件故障或应电网操作者的请求。通常将功率耗散单元应用于发电机绕组，从而在关闭期间耗散来自发电机的功率。这确保了在存在突然的功率损耗时，在轴转矩中不存在显著的变化。

通常通过电力开关和控制电路控制所述耗散单元的激活，以耗散来自发电机的功率。为了使风力涡轮机妥当安全地关闭，耗散单元、相关的开关和控制电路可靠是至关重要的。如果部件中的任何一个有故障，则应当容易地检测到，以确保传动系统健康（drive train health）不受损害。

因而，希望提供一种与现有技术水平相比具有更高的可靠性的功率耗散装置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对来自风力涡轮机中的发电机的功率进行耗散的功率耗散装置。所述发电机包括多个对应于多相输出的输出端子。所述功率耗散装置包括多个耗散单元、多个半导体开关、用于对半导体开关进行切换的触发电路以及用于控制触发电路的操作而由此控制半导体开关的切换的控制单元。

每一个耗散单元包括第一端子和第二端子。将每一个耗散单元的第一端子耦合至发电机的每一个输出端子。每一个半导体开关包括第一端子、第二端子和栅极端子。将每一个半导体开关的第一端子耦合至每一个耗散单元的第二端子，并将半导体开关的第二端子耦合至另一个耗散单元的第二端子，以使得每一个耗散单元的第二端子耦合至一个半导体开关的第一端子和另一个半导体开关的第二端子。将所述触发电路耦合至所述多个半导体开关的栅极端子，以对所述半导体开关进行切换。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于对来自风力涡轮机中的发电机的功率进行耗散的功率耗散装置。所述发电机包括对应于三相输出的第一、第二和第三输出端子。所述功率耗散装置包括第一耗散单元、第二耗散单元和第三耗散单元；第一半导体开关、第二半导体开关和第三半导体开关；用于对所述半导体开关进行切换的触发电路以及用于控制所述触发电路的操作而由此控制所述半导体开关的切换的控制单元。

所述第一耗散单元、第二耗散单元和第三耗散单元中的每一个都具有第一端子和第二端子。将第一耗散单元的第一端子耦合至所述发电机的第一输出端子，将第二耗散单元的第一端子耦合至所述发电机的第二输出端子，将所述第三耗散单元的第一端子耦合至所述发电机的第三输出端子。

所述第一半导体开关、第二半导体开关和第三半导体开关中的每一个都具有第一端子、第二端子和栅极端子。将所述第一半导体开关的第一端子耦合至所述第一耗散单元的第二端子，将所述第一半导体开关的第二端子耦合至所述第二耗散单元的第二端子，将所述第二半导体开关的第一端子耦合至所述第二耗散单元的第二端子，将所述第二半导体开关的第二端子耦合至所述第三耗散单元的第二端子，将所述第三半导体开关的第一端子耦合至所述第三耗散单元的第二端子，将所述第三半导体开关的第二端子耦合至所述第一耗散单元的第二端子。将所述触发电路耦合至所述第一半导体开关、第二半导体开关和第三半导体开关的栅极端子，以对所述半导体开关进行切换。

根据本发明的第三方面，提供了一种风力涡轮机。所述风力涡轮机包括：具有对应于多相功率输出的多个输出端子的发电机；用于变换来自发电机的功率输出的功率变换器以及用于对来自所述发电机的功率进行耗散的功率耗散装置。所述功率耗散装置包括：多个耗散单元；多个半导体开关；用于对所述半导体开关进行切换的触发电路以及用于控制所述触发电路的操作而由此控制所述半导体开关的切换的控制单元。

每一耗散单元包括第一端子和第二端子。将每一个耗散单元的第一端子耦合至所述发电机的每一个输出端子。每一个半导体开关包括第一端子、第二端子和栅极端子。将每一个半导体开关的第一端子耦合至每一个耗散单元的第二端子，并将所述半导体开关的第二端子耦合至另一个耗散单元的第二端子，以使得每一个耗散单元的第二端子耦合至一个半导体开关的第一端子和另一个半导体开关的第二端子。将所述触发电路耦合至所述多个半导体开关的栅极端子，以对所述半导体开关进行切换。

附图说明

在结合非限制性示例和附图进行考虑时，将参考具体实施方式更好地理解本发明。

图1示出了风力涡轮机的一般结构。

图2示出了风轮机的电气系统布局。

图3示出了根据实施例的风力涡轮机中的示例性功率耗散装置。

具体实施方式

以下，将参考本发明的实施例。但是，应当理解本发明不限于所描述的具体实施例。相反，可以考虑下述特征和元件的任意组合来实施和实践本发明，而无论所述特征和元件是否涉及不同的实施例。

此外，在各种实施例中，本发明提供了相对于现有技术的诸多优点。然而，尽管本发明的实施例可以实现相对于其他可能的解决方案和/或相对于现有技术的优点，但是特定的优点是否是由给定的实施例来实现并不对本发明构成限定。因而，以下的方面、特征、实施例和优点只是例示性的，而不应将其看作是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中有明确陈述。类似地，不应将对“本发明”的引述视作是文中公开的任何发明主题的概括，也不应将其看作是所附权利要求的要素或限制，除非在权利要求中有明确记载。

提供了一种用于对来自风力涡轮机中的发电机的功率进行耗散的功率耗散装置。发电机包括对应于多相输出的输出端子。功率耗散装置包括多个耗散单元、多个半导体开关、用于对半导体开关进行切换的触发电路和用于控制触发电路的操而由此控制半导体开关的切换的控制单元。

每一耗散单元包括第一端子和第二端子。将每一耗散单元的第一端子耦合至发电机的每一输出端子。每一半导体开关包括第一端子、第二端子和栅极端子。将每一半导体开关的第一端子耦合至每一耗散单元的第二端子，并将半导体开关的第二端子耦合至另一耗散单元的第二端子，从而将每一耗散单元的第二端子耦合至一个半导体开关的第一端子和另一半导体开关的第二端子。将触发电路耦合至多个半导体开关的栅极端子，从而对半导体开关进行切换。

所述发电机是能够将机械能转换为电能的机电机器。风力涡轮机中采用的发电机可以是任何类型的发电机，所述发电机包括但不限于永磁发电机、同步发电机和双重馈送感应发电机（doubly-fed inductiongenerator）。所述发电机一般具有提供多相功率输出的多个绕组，其中，功率输出的每一相处于每一绕组上。典型地，发电机具有三相输出，其中，每一相与另外两个相呈120度。

所述耗散单元包括适于耗散功率的任何部件。例如，耗散单元可以包括电阻器或电阻器组。半导体开关的第一端子和第二端子之间的电流受到了阻挡。为了使半导体开关进入导通状态或者为了激活半导体开关，向栅极端子施加适当的栅极信号。通过耦合至多个半导体开关的栅极端子的触发电路提供该选通信号。以某种方式连接半导体开关和耗散单元，从而将每一耗散单元的第二端子耦合至一个半导体开关的第一端子和一个其他不同的半导体开关的第二端子。在激活或接通半导体开关时，它们处于导通状态，并通过耗散单元耗散来自发电机的功率。

与现有技术相比，根据本发明的功率耗散装置采用了最低功率电子部件。具体而言，每一相只需一个半导体开关。例如，对于具有三相功率输出的发电机而言，只需三个半导体开关。在采用较少的部件时，还降低了所述部件中的任何一个部件发生故障的概率。相应地提高了功率耗散装置的可靠性。由于采用了较少的部件，因而还节约了空间和成本。如下文的描述中显而易见的那样，该功率耗散装置还能够使得系统中的故障部件被容易地识别出来，并因而能够在风力涡轮机运转之前对其替换。这缩短了不必要的涡轮机停机时间。

根据实施例，所述半导体开关包括晶闸管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或者金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。晶闸管包括阳极、阴极和栅极端子。晶闸管的阳极和阴极分别对应于所述半导体开关的第一端子和第二端子。IGBT包括集电极端子、发射极端子和栅极端子。IGBT的集电极和发射极分别对应于半导体开关的第一端子和第二端子。MOSFET包括漏极端子、源极端子和栅极端子。MOSFET的漏极和源极分别对应于所述半导体开关的第一端子和第二端子。

应当指出，在其他实施例中可以采用其他类型的半导体开关，例如，可控硅整流器（SCR）、双极结型晶体管（BJT）、MOS受控晶闸管（MCT）、栅极可关断晶闸管（GTO）等。

根据实施例，控制单元基于输入控制触发电路的操作，所述输入是从耗散单元的第一端子或第二端子处的电压、发电机的输出端子处的电流、耗散单元的温度以及关闭信号中的至少一个获得的。控制单元不应限制于仅从该实施例中所提到的输入的这四个来源而获得输入。控制单元也能够从其他来源接收输入，以确定是否应当关闭半导体开关。例如，控制单元可以基于电网电压或者基于来自风力涡轮机的操作者的指令来接通半导体开关。

根据实施例，风力涡轮机包括涡轮机控制，并且其中，控制单元被配置为当控制单元检测到来自涡轮机控制的关闭信号时，使得触发电路接通所述半导体开关，由此使来自发电机的功率通过功率耗散单元而被耗散。涡轮机控制可以是风力涡轮机中的用于控制涡轮机的总体运转的中央控制器、用于确保涡轮机的安全运行的安全控制器或用于执行任何控制功能的任何分布式控制器。当涡轮机控制确定涡轮机应关闭时，例如，由于涡轮机部件的不可接受的负载或不利的风况的原因，发出关闭信号以触发关闭过程。当控制单元接收到这样的关闭信号时，激活半导体开关以耗散来自发电机的功率。

根据实施例，功率耗散装置进一步包括电压测量单元，其中，所述电压测量单元被配置为测量耗散单元的第二端子处的电压。耗散单元的第二端子处的电压对应于发电机的输出电压。如果所述半导体开关处于导通状态，则耗散单元的第二端子处的电压为零。应当指出，在替换的实施例中，也可能测量耗散单元的第一端子处的电压。

根据实施例，控制单元被配置为当所测量的电压呈现预定的电压特征时使得触发电路接通所述半导体开关，以通过耗散单元耗散来自发电机的功率。根据进一步的实施例，预定电压特征包括以下特征中的至少一个：所测量的电压中的非对称性；以及所测量的电压中的至少一个在预定范围以外。

测量（或监测）并处理每一个输出端子处的电压（线路电压）。线路电压的监测包括但不限于，对电压进行滤波、确定电压的rms，对电压求和以及求均值，以及观测电压中的非对称性。如果所测量的电压中存在显著的非对称性，则这可以表明发电机正产生非对称的电压，一个或多个半导体开关处于导通状态，或者任何其他相关联的部件发生了故障。相应地，通过控制单元来接通半导体开关。在检测到所测量的电压之一过低或过高时，即处于预定范围之外时，控制单元也可以接通所述半导体开关。如果所测量的电压之一过低，例如，接近零，则这可以表明部件之一发生了故障。相应地，关闭涡轮机并接通半导体开关，从而耗散发电机功率。因此，实施例确保了当发电机或半导体开关中存在故障时，关闭风力涡轮机并激活耗散单元，以耗散来自所述发电机的功率。

根据实施例，功率耗散装置进一步包括电流测量单元，其中，电流测量单元被配置为测量耦合至发电机的输出端子的功率变换器的多个输入端子处的电流。通过测量功率变换器输入处的电流，能够监测变换器的健康。

根据实施例，控制单元被配置为当所测量的电流呈现预定电流特征时，使得触发电路接通半导体开关，以耗散来自发电机的功率。根据进一步的实施例，预定电流特征包括以下特征中的至少一个：所测量的电流中的非对称性以及所测量的电流中至少一个处于预定范围以外。

类似地，测量并监测每一个输入端子处的电流（线路电流）。线路电流的监测包括但不限于，对电流进行滤波，确定电流的rms，对电流求和和/或求均值，观测所测量的电流中的非对称性。如果电流当中存在显著的非对称性或所测量的电流之一过低或过高，则这可以表明变换器发生故障或任何其他相关联的部件发生故障。相应地，通过控制单元接通半导体开关以耗散发电机功率。

根据实施例，功率耗散装置进一步包括健康监测单元，其中，健康监测单元被配置为在风力涡轮机的测试阶段期间通过以下操作来确定功率耗散装置的健康状态：

-从电压测量单元获得第一电压测量；

-基于第一电压测量来确定发电机的状态；

-控制控制单元以使得半导体开关在预定的时间段内接通；

-从电压测量单元获得第二电压测量；以及

-基于第二电压测量来确定半导体开关和触发电路的状态。

在该实施例中，确定功率耗散装置和/或发电机的健康状态。可以在风力涡轮机的启动阶段期间或当在工厂内对涡轮机传动系统进行试运行期（commission）间执行健康状态的确定。在这一阶段，通常例如通过断路器使功率变换器与发电机断开。根据实施例，因而有可能确定发电机的健康状态，且还有可能确定功率耗散装置的其他部件的健康状态。这允许在早期阶段识别出任何有故障的部件，并且能够容易地实施替换装置。这确保了在风力涡轮机的运转期间的可靠的系统。在风力涡轮机的运转期间对发电机和变换器持续监测还确保了系统的鲁棒性。

下文是对附图中所描绘的本发明的实施例的详细说明。所述实施例是示例且具体到能够清楚地表达本发明。然而，所提供的细节的量并非旨在限制实施例的所预见的变化，而是相反，其旨在覆盖落由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等同形式和变化形式。

图1示出了根据实施例的示例性风力涡轮机100。如图1所示，风力涡轮机100包括塔架110、机舱120和转子130。在一个实施例中，风力涡轮机100可以是陆上风力涡轮机(onshore wind turbine)。但是，本发明的实施例不限于陆上风力涡轮机。在替代实施例中，风力涡轮机100可以是位于水体之上的离岸风力涡轮机（offshore wind turbine），所述水体例如是湖、海等。将这样的离岸风力涡轮机的塔架110安装到海底上或安装在平台上，所述平台稳定于海面上或上方。

可以将风力涡轮机100的塔架110配置为使机舱120和转子130升高到一高度，其中，转子130可以接收强的、更少涡流的、一般不受阻的空气流。塔架110的高度可以是任何合理的高度，且应当考虑从转子130延伸的风力涡轮机叶片的长度。塔架110可以由任何类型的材料构成，所述材料例如是钢、混凝土等。在一些实施例中，塔架110可以由整体材料构成。然而，在替代的实施例中，塔架110可以包括多个部分，例如，两个或更多个管状钢部分111和112，如图1所示。在本发明的一些实施例中，塔架110可以是格构式塔架（lattice tower）。因此，塔架110可以包括焊接的钢轮廓。

转子130可以包括转子轮毂（rotor hub）（下文简称为“轮毂”）132和至少一个叶片140（在图1中示出了三个这样的叶片140）。转子轮毂132可以被配置为将至少一个叶片140耦合至轴（未示出）。在一个实施例中，叶片140可以具有空气动力学轮廓，以使得在预定的风速下使叶片受到提升，由此使叶片围绕轮毂径向旋转。轮毂140进一步包括用于调整叶片140的间距的机构（未示出），以提高或降低叶片140捕获的风能的量。间距调节风冲击叶片140的角度。叶片140的间距也可能是不能调节的。在这种情况下，以某种方式对叶片140的空气动力学轮廓进行设计，从而在风速超过某一阈值时使叶片经受的提升消失，由此使涡轮机停转。

轮毂132通常围绕沿从轮毂132延伸到机舱120的传动轴（未示出）的基本上水平的轴线而旋转。通常将传动轴耦合至机舱120中的一个或多个部件，所述部件被配置为将所述轴的旋转能转换为电能。

尽管图1所示的风力涡轮机100具有三个叶片140，但是应当指出，风力涡轮机可以具有不同数量的叶片。常见的情况是发现风力涡轮机具有两个到四个叶片。图1所示的风力涡轮机100是水平轴风力涡轮机（HAWT），因为转子130围绕水平轴旋转。应当指出，转子130可以围绕纵轴旋转。将这样的使其转子围绕纵轴旋转的风力涡轮机称为纵轴风力涡轮机（VAWT）。前文描述的实施例不限于具有3个叶片的HAWT。可以通过HAWT和VAWT两者来实施实施例，而且在转子130中可以具有任何数量的叶片140。

图2示出了根据实施例的具有功率耗散装置220的风力涡轮机的电气系统。电气系统包括发电机201、功率变换器202和主变压器203。将所述电气系统连接至电网207。功率变换器202包括通过直流（DC）链路212连接的发电机侧变换器210和电网侧变换器211。DC链路212包括DC链路电容器213。将功率耗散装置220连接至发电机201的输出。所述电气系统还包括用于对开关谐波进行滤波的电网侧滤波器208（又称为电网谐波滤波器）、处于发电机201和功率变换器202之间的发电机侧断路器215以及处于滤波器208和变压器203之间的电网侧断路器216。

发电机201将机械能或机械功率转换为具有AC电压和电流（统称为“AC信号”）的电能或电功率，并将所生成的AC信号提供给发电机侧变换器210。来自发电机的AC信号由于风的变化而具有变化频率。发电机侧变换器210将AC信号转换或整流为DC电压和电流（统称为“DC信号”）。电网侧变换器211将来自DC链路212的DC信号转换为电网207的固定频率AC信号。通过主变压器203使处于电网侧变换器211的输出处的固定频率AC信号的电压升高。连接至发电机201的输出的功率耗散装置220适于耗散来自发电机201的功率。在下文中将更加详细地解释功率耗散装置220的结构。

应当指出，图2只是风力涡轮机中的电气系统的例示，其中，只示出了常见的部件。电气系统可以包括其他部件，例如，发电机侧滤波器、传感器、DC链路电压预充电布置、共振滤波器等。

图3示出了根据实施例的功率耗散装置220。功率耗散装置220包括第一电阻器301、第二电阻器302、第三电阻器303、第一晶闸管304、第二晶闸管305、第三晶闸管306、触发电路307和控制单元308。第一、第二和第三电阻器301、302、303中的每一个包括第一端子311、312、313以及第二端子314、315、316。每一个晶闸管304、305、306包括阳极317、318、319、阴极320、321、322和栅极端子323、324、325。

将第一电阻器301的第一端子311耦合至发电机201的第一输出绕组，且将第二端子314耦合至第一晶闸管304的阳极317。将第二电阻器302的第一端子312耦合至发电机201的第二输出绕组，且将第二端子315耦合至第二晶闸管305的阳极318。将第三电阻器303的第一端子313耦合至发电机201的第三输出绕组，且将第二端子316耦合至第三晶闸管306的阳极319。将第一晶闸管304的阴极320耦合至第二晶闸管305的阳极318（或者第二电阻器302的第二端子315）。将第二晶闸管305的阴极321耦合至第三晶闸管306的阳极319（或者第三电阻器303的第二端子316）。将第三晶闸管306的阴极322耦合至第一晶闸管304的阳极317（或者第一电阻器301的第二端子314）。将第一、第二和第三晶闸管304、305、306的栅极端子323、324、325耦合至触发电路307。

将控制单元308耦合至触发电路307。如前所述，阳极和阴极之间的电流受到阻挡。为了使晶闸管进入导通状态或为了激活晶闸管，通过触发电路307向栅极端子施加选通信号。在晶闸管处于导通状态时可以说所述晶闸管接通/导通。控制单元308控制触发电路307的操作，因而控制晶闸管304、305、306的开关或激活。一种常见类型的晶闸管是可控硅整流器（SCR）。

控制单元308可以获得来自各种来源的输入，以确定是否激活晶闸管304、305、306，所述来源包括但不限于，来自涡轮机控制350的信号、发电机输出处的电压、变换器210的输入处的电流以及电阻器301、302、303的温度。根据实施例，功率耗散装置220包括用于获得电压和电流信息的测量电路340。作为示例，测量电路340接收第二端子314、315、316处的电压。或者，测量电路340接收变换器210的输入处的电流，或者更一般而言接收在发电机201的输出和变换器210的输入之间的点上的电流。测量电路340向控制单元308提供输出信号341。控制单元308还接收来自涡轮机控制350的控制信号351，例如，关闭信号。控制单元308基于来自测量电路340的输出信号341和/或来自涡轮机控制350的控制信号351，通过触发电路307来控制晶闸管304、305、306的操作，由此通过电阻器301、302、303耗散来自发电机的功率。

应当指出，电阻器301、302、303可以是单个电阻器或包括多个电阻器的电阻器组。也可以采用其他适于耗散功率的部件替代电阻器301、302、303。测量电路340是功率耗散装置220中的任选部件，其取决于将控制单元308配置为通过接收何种输入来控制晶闸管的操作。在实施例中，控制单元308基于电阻器301、302、303的温度控制晶闸管的操作。在这一实施例中，可以将测量电路340配置为测量电阻器301、302、303的温度。

如前所述，所述用于3相发电机的功率耗散装置只包括三个晶闸管。因此，与现有技术相比降低了所使用的部件的数量。这提高了功率耗散装置的可靠性，因为降低了部件中的任何一个部件发生故障的概率。根据实施例，还有可能确定功率耗散装置的哪一个部件发生了故障。

应当指出，在图3所示的例子中采用晶闸管作为半导体开关。在其他实施例中也可能采用其他半导体开关，例如，IGBT、MOSFET等。

现在将参考图3描述根据实施例的用于确定功率耗散装置的健康状态的方法。可以随时执行对功率耗散装置的健康状态的检查，但是一般在风力涡轮机的起动期间，当发电机正在旋转，而通过发电机侧断路器215使功率变换器202与发电机201断开时执行所述检查。在这一阶段，通过测量电路340测量电阻器301、302、303的第二端子处的电压。进一步的处理且分析所测量的电压做，以确定发电机的健康。进一步的处理包括对电压进行滤波、确定电压的rms、对所述电压求和和/或求均值等。然后，对所述电压进行分析。电压的分析包括观测所测量的电压中的非对称性。如果所测量的电压的非对称性超过了某一阈值（即，在电压中存在显著的非对称性），则这意味着发电机可能存在问题。例如，确定线路电压之和。对于健康发电机而言，线路电压之和大致为零或非常低。如果线路电压之和并非大致为零，则发电机可能存在故障。也可以由所测量的电压的rms值来确定发电机的健康状态。

在确定发电机的健康之后，在例如10-50ms的短时间段内接通晶闸管。在接通晶闸管时，测量单元340测量电阻器301、302、303的第二端子处的电压。如果所测量的电压中的任何电压不为零，则对应的晶闸管和/或相关联的电路（例如，触发电路）可能存在故障。如果在发电机、晶闸管和相关联的电路中未检测到故障，则通过发电机侧断路器215将变换器210连接至发电机201，以启动风力涡轮机的运转。

应当指出，在替代实施例中可以交换用于确定功率耗散装置的健康状态的步骤。在该替代实施例中，首先在短时间段内接通晶闸管，以确定晶闸管和相关联电路（例如，触发电路）的健康状态。接下来使晶闸管断开，并确定发电机的健康状态。

能够通过健康监测单元（未示出）来执行用于执行健康检查的方法。健康监测单元可以是控制单元308或涡轮机控制器350的部分。功率耗散装置的健康状态检查简单，并且能够快速完成。通过在起动或测试期间检测发电机、晶闸管和其他相关联的电路（例如，触发电路）的故障，能够在早期更换任何有故障的部件。这是相对于现有技术的优势，在现有技术中，只有在涡轮机处于运转当中时才能随后发现存在故障的晶闸管、发电机和/或其他部件，从而导致了进一步的损坏或不必要的涡轮机停机时间，并且有可能需要维修技术人员不定期地到访以更换故障部件。当风力涡轮机处于运转中时，功率耗散装置中的故障部件还可能导致风力涡轮机中的其他部件的损坏。根据实施例，避免了所有的这些问题。

在风力涡轮机的运转期间，功率耗散装置220监测发电机或功率变换器的状态，并在检测到发电机或变换器中的故障的情况下激活晶闸管304、305、306，以耗散来自发电机201的功率。在实施例中，测量单元340测量电阻器301、302、303的第二端子314、315、316处的电压。如果测量单元340所测量的电压显著非对称（在预定限度以外）和/或如果线路电压之一接近零或非常低，则这意味着发电机、一个或多个晶闸管或其相关联的电路发生了故障。相应地，控制单元308接通晶闸管304、305、306。例如，如果在第二电阻器302的第二端子315和第一电阻器301的第二端子314之间所测量的电压接近零，则预示在晶闸管或其相关联的电路中存在故障，控制单元308激活所有晶闸管304、305、306以耗散来自发电机201的功率。

在另一个实施例中，测量单元340测量发电机侧变换器210的输入端子处的电流。如果由测量单元340测量的电流是显著非对称的和/或线路电流之一在预定范围之外（即，过高或过低），则这意味着变换器210或相关联的电路存在故障。相应地，控制单元接通晶闸管304、305、306。例如，如果在变换器210的第三输入端子处所测量的电流比预定电流阈值高得多，则控制单元308激活所有的晶闸管304、305、306，以耗散来自发电机201的功率。类似地，如果所测量的电流中的非对称性大于预定限度，则系统中的至少一个部件存在故障，并接通晶体管。在能够继续运转之前可能需要做进一步的调查。取决于故障的性质，也可能需要断开发电机侧断路器215，以避免对变换器和其他部件造成进一步的损坏。也可以停止对变换器的控制。

在实施例中，控制单元308在接收到来自涡轮机控制350的关闭信号351时激活晶闸管304、305、306，以耗散来自发电机201的功率。可以请求风力涡轮机关闭，例如由于监督警报、极端风力状况、部件故障或其他安全相关原因。当请求涡轮机关闭时，通常由涡轮机控制器350向风力涡轮机中的各种部件发送关闭信号，以触发关闭操作。当控制单元308接收到关闭信号351时，其接通晶闸管304、305、306。

应当强调，上文描述的实施例是实施方式的可能的示例，所述实施例仅为了使本发明的原理得到清楚的理而阐述。本领域技术人员可以对上文所描述的实施例作出许多变换和变型，所述变换和变型旨在被包含于本文中的以下权利要求的范围之内。

Claims (17)

1.一种用于对来自风力涡轮机中的发电机的功率进行耗散的功率耗散装置，其中，所述发电机包括与多相输出相对应的多个输出端子，所述功率耗散装置包括：

多个耗散单元，每一个耗散单元具有第一端子和第二端子，其中，每一个耗散单元的所述第一端子耦合至所述发电机的每一个输出端子；

多个半导体开关，每一个半导体开关具有第一端子、第二端子和栅极端子，其中，每一个半导体开关的所述第一端子耦合至每一个耗散单元的所述第二端子，且所述半导体开关的所述第二端子耦合至另一个耗散单元的所述第二端子，以使得每一个耗散单元的所述第二端子耦合至一个半导体开关的所述第一端子和另一个半导体开关的所述第二端子；

触发电路，所述触发电路耦合至所述多个半导体开关的所述栅极端子，以对所述半导体开关进行切换；以及

控制单元，所述控制单元用于控制所述触发电路的操作，由此控制所述半导体开关的所述切换。

2.根据权利要求1所述的功率耗散装置，其中，所述多个半导体开关包括晶闸管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

3.根据权利要求1或2所述的功率耗散装置，其中，所述控制单元基于输入来控制所述触发电路的所述操作，所述输入是从所述耗散单元的第一端子或第二端子上的电压、所述发电机的所述输出端子上的电流、所述耗散单元的温度以及关闭信号中的至少一个获得的。

4.根据前述权利要求中的任何一项所述的功率耗散装置，其中，所述风力涡轮机包括涡轮机控制，并且其中，所述控制单元被配置为当所述控制单元检测到来自所述涡轮机控制的关闭信号时使得所述触发电路接通所述半导体开关，由此使来自所述发电机的功率通过所述功率耗散单元而被耗散。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的功率耗散装置，进一步包括电压测量单元，其中，所述电压测量单元被配置为测量所述耗散单元的第二端子处的所述电压。

6.根据权利要求5所述的功率耗散装置，其中，所述控制单元被配置为当所测量的电压呈现预定电压特征时，使得所述触发电路接通所述半导体开关，以通过所述耗散单元耗散来自所述发电机的功率。

7.根据权利要求6所述的功率耗散装置，其中，所述预定电压特征包括以下特征中的至少一个：

-所测量的电压中的非对称性；以及

-所测量的电压中的至少一个在预定范围之外。

8.根据前述权利要求中的任何一项所述的功率耗散装置，进一步包括电流测量单元，其中，所述电流测量单元被配置为测量耦合至所述发电机的所述输出端子的功率变换器的多个输入端子处的电流。

9.根据权利要求8所述的功率耗散装置，其中，所述控制单元被配置为当所测量的电流呈现预定电流特征时，使得所述触发电路接通所述半导体开关以通过所述耗散单元耗散来自所述发电机的功率。

10.根据权利要求9所述的功率耗散装置，其中，所述预定电流特征包括以下特征中的至少一个：

-所测量的电流中的非对称性；以及

-所测量的电流中的至少一个在预定范围之外。

11.根据权利要求4到7中任何一项所述的功率耗散装置，进一步包括健康监测单元，其中，所述健康监测单元被配置为在所述风力涡轮机的测试阶段期间通过以下操作来确定所述功率耗散装置的健康状态：

-从所述电压测量单元获得第一电压测量；

-基于所述第一电压测量来确定所述发电机的所述健康状态；

-控制所述控制单元以使得所述半导体开关在预定的时间段内接通；

-从所述电压测量单元获得第二电压测量；以及

-基于所述第二电压测量来确定所述半导体开关和所述触发电路的所述健康状态。

12.根据前述权利要求中的任何一项所述的功率耗散装置，其中，所述耗散单元是电阻器或电阻器组。

13.根据前述权利要求中的任何一项所述的功率耗散装置，其中，所述触发电路通过提供选通信号来接通所述半导体开关中的至少一个。

14.一种用于对来自风力涡轮机中的发电机的功率进行耗散的功率耗散装置，其中，所述发电机包括与三相输出相对应的第一输出端子、第二输出端子和第三输出端子，所述功率耗散装置包括：

第一耗散单元、第二耗散单元和第三耗散单元，每一个耗散单元具有第一端子和第二端子，其中

-所述第一耗散单元的所述第一端子耦合至所述发电机的所述第一输出端子，

-所述第二耗散单元的所述第一端子耦合至所述发电机的所述第二输出端子，并且

-所述第三耗散单元的所述第一端子耦合至所述发电机的所述第三输出端子；

第一半导体开关、第二半导体开关和第三半导体开关，每一个半导体开关具有第一端子、第二端子和栅极端子，其中

-所述第一半导体开关的所述第一端子耦合至所述第一耗散单元的所述第二端子，且所述第一半导体开关的所述第二端子耦合至所述第二耗散单元的所述第二端子，

-所述第二半导体开关的所述第一端子耦合至所述第二耗散单元的所述第二端子，并且所述第二半导体开关的所述第二端子耦合至所述第三耗散单元的所述第二端子，

-所述第三半导体开关的所述第一端子耦合至所述第三耗散单元的所述第二端子，且所述第三半导体开关的所述第二端子耦合至所述第一耗散单元的所述第二端子；

触发电路，所述触发电路耦合至所述第一半导体开关、所述第二半导体开关和所述第三半导体开关的栅极端子，以对所述半导体开关进行切换；以及

控制单元，所述控制单元用于控制所述触发电路的操作，由此控制所述半导体开关的所述切换。

15.根据权利要求14所述的功率耗散装置，其中，所述多个半导体开关包括晶闸管、绝缘栅双极晶体管（IGBT）或金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

16.根据权利要求14或15所述的功率耗散装置，进一步包括电压测量单元，其中，所述电压测量单元被配置为测量所述耗散单元的第二端子处的所述电压。

17.一种风力涡轮机，包括：

发电机，所述发电机包括与多相功率输出相对应的多个输出端子；

功率变换器，所述功率变换器用于变换来自所述发电机的功率输出；以及

功率耗散装置，所述功率耗散装置用于耗散来自所述发电机的功率，

其中，所述功率耗散装置包括：

多个耗散单元，每一个耗散单元具有第一端子和第二端子，其中，每一个耗散单元的所述第一端子耦合至所述发电机的每一个输出端子；

多个半导体开关，每一个半导体开关具有第一端子阳极、第二端子和栅极端子，其中，每一个半导体开关的所述第一端子耦合至每一个耗散单元的所述第二端子，且所述半导体开关的所述第二端子耦合至另一个耗散单元的所述第二端子，以使得每一个耗散单元的所述第二端子耦合至一个半导体开关的所述第一端子和另一个半导体开关的所述第二端子；

触发电路，所述触发电路耦合至所述多个半导体开关的所述栅极端子，以对所述半导体开关进行切换；以及

控制单元，所述控制单元用于控制所述触发电路的操作，由此控制所述半导体开关的所述切换。

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