CN102739095A - 用于功率转换的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于功率转换的***和方法。提供多级逆变器(22)。该多级逆变器(22)包括多个桥(60)，每个桥配置成接收输入DC电力(32)的相应的部分并且将该相应部分转换为相应的转换的AC电力(44)。该多级逆变器(22)还包括至少一个桥控制器(42)，用于采用方形波形模式操作多个桥(60)中的至少一个。该多级逆变器(22)进一步包括多个变压器(48)，每个变压器耦合于相应的桥(60)并且配置成增加转换的AC电力(44)的相应部分的电压水平。这些多个变压器(48)进一步包括二次绕组(70)，其与其它二次绕组(70)串联耦合以组合转换的AC电力(44)的相应增加的电压水平部分。该多级逆变器(22)还包括电网转换器(52)，其配置成提供输出电力(34)用于电网(36)。

Description

用于功率转换的***和方法
技术领域
本发明的实施例大体涉及用于在流体涡轮机中产生高压电力的***。
背景技术
流体涡轮机(例如风力涡轮机和海洋流体动力设备等)从例如风和水等流体的动能产生电，其被传输到电网用于分配。例如，风力涡轮机典型地包括：转子部件，其将风的动能转换为机械能；和同步发电机，其将机械能转换为具有变化频率和低电压的交流(AC)电力。由该同步发电机产生的AC电力在传输到一个或多个电网用于进一步分配之前通过功率转换***进行调整。
在一个常规的功率转换***中，将低电压和变化频率的AC电力经由低压电缆馈送到设置在风力涡轮机的塔内的AC-DC转换器。在非限制示例中，该低压电缆包括能够传输具有低于1000伏电压的电力的电缆。该AC-DC转换器将变化频率的AC电力转换为直流(DC)电力。该DC电力经由DC链路传输给逆变器，并且该逆变器提供固定频率脉冲宽度调制的AC电力作为输出。此外，滤波该固定频率脉冲宽度调制的AC电力来产生固定频率正弦AC电力。该正弦AC电力被输送到升压变压器，其将该低压AC电力转换为高压AC电力。在这样的实施例中，对于DC电力的脉冲宽度调制使用逆变器可导致效率损失并且另外需要笨重且昂贵的滤波器来产生正弦AC电力。此外，用于输送低压AC电力到AC/DC转换器的低压电缆是大、沉重并且昂贵的。另外，变压器大且笨重。此外，在其中安装了离岸AC/DC转换器以从各种风力涡轮机收集AC电力并且将该AC电力转换为适于远距离传输的DC电力的实施例中，产生了额外成本。
因此，需要有改进的并且不太昂贵的***来解决上述问题。
发明内容
在一个实施例中，提供多级逆变器。该多级逆变器包括多个桥，每个桥配置成接收输入DC电力的相应部分并且将该输入DC电力的该相应部分转换为转换的AC电力的相应部分。该多级逆变器还包括至少一个桥控制器，用于采用方形波形模式操作多个桥中的至少一个。该多级逆变器进一步包括多个变压器，每个变压器耦合于相应的桥并且配置成增加该相应桥的转换AC电力的相应部分的电压水平，其中多个变压器的每个包括一次绕组和二次绕组，该一次绕组耦合于相应的桥，该二次绕组与该一次绕组配对并且与其它二次绕组串联耦合以组合转换的AC电力的相应增加的电压水平部分。该多级逆变器还包括电网转换器，其电耦合于多个变压器的串联连接的二次绕组并且配置成提供输出电力以用于电网。
在另外一个实施例中，提供功率转换***。该***包括功率源。该***还包括多级逆变器。该多级逆变器包括多个桥，每个桥配置成接收输入DC电力的相应部分并且将该输入DC电力的该相应部分转换为转换的AC电力的相应部分。该多级逆变器还包括至少一个桥控制器，用于采用方形波形模式操作多个桥中的至少一个。该多级逆变器进一步包括多个变压器，每个变压器耦合于相应的桥并且配置成增加该相应桥的转换的AC电力的相应部分的电压水平，其中多个变压器的每个包括一次绕组和二次绕组，该一次绕组耦合于相应的桥，该二次绕组与该一次绕组配对并且与其它二次绕组串联耦合以组合转换的AC电力的相应增加的电压水平部分。该多级逆变器还包括电网转换器，其电耦合于多个变压器的串联连接的二次绕组并且配置成提供输出电力用于电网。
在再另一个实施例中，提供用于功率转换的方法。该方法包括将输入DC电力分成输入DC电力的多个部分。该方法还包括将输入DC电力的每个相应部分转换为转换的AC电力的相应部分，其中使用方形波形模式来转换该输入DC电力的这些部分中的至少一些。该方法进一步包括增加转换的AC电力的相应部分的电压。该方法还包括串联组合增加的电压来提供组合的AC电力。该方法进一步包括转换该组合的AC电力来提供输出电力用于电网。
附图说明
当下列详细说明参照附图(其中类似的符号在整个附图中代表类似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：
图1是根据本发明的实施例的包括功率转换***的风力涡轮机***的部分图示。
图2是根据本发明的实施例描绘耦合于多相功率转换***的每个相的多个多级逆变器的功率转换***的框图表示。
图3是根据本发明的实施例的耦合于单相的多级逆变器的框图表示。
图4是根据本发明的实施例描绘多级逆变器的各种部件之间的耦合的多级逆变器的详细图示。
图5是根据本发明的实施例在相应的二次绕组的输出处具有由多级逆变器中的多个桥产生的采用方形波形模式的增加的电压的转换AC电力的各种部分的示范性图形表示。
图6是根据本发明的实施例由多级逆变器中的多个桥采用方形波形模式产生的组合的转换AC电力的示范性图形表示。
图7是根据本发明的实施例由电网转换器从方形波形模式产生的正弦波形的示范性图形表示。
图8是代表根据本发明的实施例用于功率转换的方法所牵涉的步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例包括多级逆变器。该多级逆变器包括多个桥，其中每个桥接收输入DC电力的相应部分并且将该相应部分转换为相应的转换的AC电力。该多级逆变器还包括至少一个桥控制器，其采用方形波形模式控制多个桥中的至少一个的操作。该多级逆变器进一步包括多个变压器，其中这些多个变压器的每个包括电耦合于相应的桥的一次绕组。该一次绕组与二次绕组配对，该二次绕组与其它二次绕组串联电耦合。该一次绕组接收转换的AC电力的相应部分并且将其输送给该二次绕组，这导致该转换的AC电力的相应部分的电压水平增加。该转换的AC电力的相应部分由串联连接的二次绕组组合以形成组合的AC电力。该组合的AC电力被输送到电网转换器，(其电耦合于串联连接的二次绕组)并且为电网提供输出电力。如本文使用的，术语“一”不表示数量的限制，而是表示存在引用的项目中的至少一个，并且术语“耦合的”或“耦合”包括任何合适类型的耦合并且还包括直接耦合和间接耦合两者。尽管使用单线图用于示例目的，图中的电气线路的每个典型地代表两个或三个物理线路/电缆，这取决于上下文。
图1是根据本发明的实施例的为了示例目的示出为风力涡轮机***10(其包括功率转换***12)的功率源的部分图示。该风力涡轮机***10包括塔14、附连在该塔14顶部的吊舱16和机械耦合于该吊舱16的转子18。该吊舱16包括设置在该风力涡轮机***10的该吊舱16内的功率转换***12。该功率转换***12从该转子18接收机械能并且将该机械能转换为适于经由高压电缆20在电网中传输的输出电力。例如，对于离岸风力应用，具有带有两个电缆20(一个是正的并且另一个是负的)的DC输出电力将通常是可取的。对于一些应用，输出电力将包括多相电力，其中每个相存在电缆20。
图2是根据本发明的实施例描绘多个多级逆变器22(每个耦合于多相功率转换***12的相应的相)的功率转换***12的框图表示。为了示例目的，在图2示出三个相，但可使用其他数量的相。例如，在其中输出电力包括DC输出电力或单相输出电力的实施例中，可使用单个多级逆变器22。转子18将机械功率24输送到功率转换***12。在风力涡轮机示例中，功率转换***12包括发电机26，其接收机械功率24并且将该机械功率24转换为源功率，其示出为源功率28。该源功率28被输送到发电机整流器30，其耦合于发电机26。该发电机整流器30将该源功率28转换为输入DC电力32。在例如风力涡轮机实施例的实施例中，其中功率源包括AC功率源，发电机整流器可包括AC-DC型整流器。在例如太阳能发电实施例的实施例中，其中功率源包括DC功率源，发电机整流器可包括DC-DC型整流器或可不需要发电机整流器。
在一个实施例中，输入DC电力32然后被输送到至少一个多级逆变器22。每个多级逆变器22接收输入DC电力32的相应部分并且产生该多级逆变器的相应相的用于电网36的输出电力34。在一个实施例中，该输出电力34是高压电力，使用高压电缆20(图1)将其传输到电网36。
图3是根据本发明的实施例的一个多级逆变器22的框图表示。每个多级逆变器22包括高频逆变器40，该高频逆变器40耦合于桥控制器42，其控制该高频逆变器40的操作。基于由该桥控制器42提供的控制信号46，该高频逆变器40从发电机整流器30接收输入DC电力32的部分并且将该输入DC电力32转换为转换的AC电力44。转换的AC电力44被输送到多个高频变压器48，其增加了转换的AC电力44的电压水平。因此，具有增加的电压水平的转换AC电力44被组合以形成组合的AC电力50。该组合的AC电力50被输送到电网转换器52，其电耦合于多个变压器48。在一些实施例中，该电网转换器52由电网控制器54控制并且从该电网控制器54接收控制信号56以从该组合的AC电力50产生该输出电力34并且/或在功率源需要电网支持的情况下从该电网提供电力给该功率源。在具有桥和电网控制器两者的实施例中，桥控制器42和电网控制器54可一体化成一个单元或可在分开的单元中。在另一个实施例中，桥控制器42和电网控制器54可分别与该高频逆变器40或与电网转换器52成一体。
图4是根据本发明的实施例描绘多级逆变器22的各种部件之间的耦合的多级逆变器22的详细图示。高频逆变器40包括多个桥60，其以高频操作以从该输入DC电力32产生转换的AC电力44。多个桥60的每个接收该输入DC电力32的相应部分并且将该输入DC电力32的该相应部分转换为相应的转换的AC电力44。这些多个桥60耦合于桥控制器42，其控制这些多个桥60的开关操作。在一个实施例中，这些多个桥60包括第一桥62、第二桥64和第三桥66。尽管示出了三个桥，本发明不限于三桥实施例。可使用更少或更多的桥来实现期望的分辨率。
桥控制器42提供控制信号46(图3)以采用方形波形模式操作多个桥中的至少一个。在更特定的实施例中，桥控制器42提供控制信号以至少部分地采用占空比模式操作桥中的至少一个并且采用方形波形模式操作剩余桥中的至少一些。在另一个实施例中，桥控制器提供控制信号以至少部分地采用占空比模式操作桥中的一个并且全部采用方形波形模式操作剩余的桥。在一些需要较小分辨率的实施例中，桥控制器可提供控制信号以全部采用方形波形模式操作桥的全部。多个桥60同时操作以产生转换的AC电力44的同相或异相部分。转换的AC电力44的相应部分的相取决于要产生的波形点使得转换的AC电力44的相应部分的极性是加或减的，从而导致净输出电压非常类似于正弦参考电压。
AC电力44的相应的转换部分被输送到相应的变压器48，其电耦合于相应的桥60。多个变压器48的每个包括一次绕组68和二次绕组70，该一次绕组68电耦合于相应的桥60，该二次绕组70与该一次绕组68配对并且与其它二次绕组串联电耦合。在一个实施例中，这些多个变压器48包括至少一个变压器48，其与另一个变压器48相比具有不同的一次绕组48和相应的二次绕组70的匝数比。在该实施例中，多个变压器48的每个基于它相应的匝数比增加转换的AC电力44的相应部分的电压水平。在一个实施例中，预设不同的匝数比以产生期望的多级净输出电压。转换的AC电力44在二次绕组70的每个处的相应部分叠加以形成组合的AC电力72。组合的AC电力72的幅度代表正弦参考电压。
组合的AC电力72被输送到电网转换器52，其电耦合于串联耦合的二次绕组70。电网转换器52可耦合于电网控制器54，其控制电网转换器52以产生输出电力34用于电网36。输出电力34可包括DC输出电力或AC输出电力。如图示的，电网转换器52包括互相电耦合的多个二极管和开关74。
在其中产生DC输出电力34的实施例中，电网转换器52不必包括任何能控制的设备。在这样的实施例中，电网转换器52可包括二极管桥，用于整流组合的AC电力72来产生DC输出电力34。然而，如果期望额外的灵活性，例如可控硅整流器或栅极关断晶闸管等能控制的设备对于允许双向功率流将是有用的，该双向功率流在对例如风力涡轮机失效并且从电网36向风力涡轮机10的电力供应将使风力涡轮机10能够起动而不需要塔上14能量储备的情况下是有用的。
在其中产生AC输出电力34的实施例中，将包括能控制的设备。在这样的实施例中，电网转换器52作为AC-AC转换器操作，并且将组合的AC电力72转换为采用正弦波形的AC输出电力，其具有用于在电网36(图2)中传输的兼容的频率水平(典型地是较低的频率水平)。
图5是根据本发明的实施例的在相应的二次绕组70中的至少一些的输出处具有采用方形波形模式的增加的电压的转换AC电力的各种部分的示范性图形表示。X轴76描绘时间，并且Y轴78描绘电压。在一个实施例中，不同波形80(最高)、82(中)和84(最低)的电压水平由相应的变压器匝数比控制。根据本发明的实施例，电压80和82具有大致上方形的波形，而波形84被占空比调制。使用时间线断开符号使得该概念的标尺能更容易看见。实际上，将可能存在比在图5和图6中示出的更多的循环。
如图示的，例如在时间间隔Ta期间，控制第一桥62以产生零电压，同时控制第二桥64和第三桥66使得它们异相。在时间间隔Tb期间，桥62和64产生相反的方形波形80和82，同时对桥66进行占空比调制来产生波形84。在时间间隔Tc期间，桥62和64产生同相的方形波形，同时控制桥66来提供零电压。在时间间隔Td期间，三个桥都产生同相的方形波形。上文提到的描述是针对九十度的正弦波形并且可扩展至覆盖全部三百六十度的波形，并且然后如下面描述的那样可重复进行以用于产生组合的AC电力72。
图6是由在图5中指示的波形80、82和84的相加引起的多个变压器48的二次绕组70处的净电压86的示范性图形表示。X轴88描绘时间，并且Y轴90描绘电压。如观察到的，例如，组合的AC电力72是各种时间点处的电压的相加。例如，在时间间隔Ta，最高电压桥62没有产生电压，并且中间电压桥64由于最低电压桥66开关到异相这一事实而减少其输出处的电压；并且在第二时间间隔Tb，最高电压桥62产生电压，中间电压桥64采用异相模式操作以减少输出电压的总幅度，并且最低电压桥66采用占空比类型的模式(其与桥62同相)操作以更狭窄地增加电压量。
图7是根据本发明的实施例的由电网转换器52从组合的AC电力72产生的大致上正弦的电压波形92的示范性图形表示。X轴94描绘时间，并且Y轴96描绘电压。电网转换器52整流高频净电压波形86并且提供具有大致上正弦的波形92(其在电网36耦合点处具有期望的极性)的电压。
图8是代表根据本发明的实施例的用于功率转换的方法100所牵涉的步骤的流程图。对于具有转子的实施例，该方法100包括将从转子接收的机械能转换为源功率。该源功率被转换成输入DC电力。在步骤102，该输入DC电力分成多个部分。在步骤104，将该输入DC电力的相应部分的每个转换为转换的AC电力的相应部分，其中使用方波形式转换输入DC电力的部分中的至少一些。在一个实施例中，以处于或高于几千赫的频率开关多个桥来将输入DC电力的部分转换为转换的AC电力的部分。在步骤106，转换的AC电力的相应部分的电压被增加。在特定实施例中，转换的AC电力的相应部分的电压在不同的水平增加。在另一个实施例中，使用多个变压器(其中这些变压器中的至少一个具有与多个变压器中的其它变压器不同的匝数比)在不同的水平增加电压。在步骤108，串联组合转换AC电力的增加的电压以提供组合的AC电力。在步骤110，转换组合的AC电力以提供输出电力用于电网。在一个实施例中，将组合的AC电力转换为DC输出电力。在另一个实施例中，将组合的AC电力转换为AC输出电力。
上文描述的该功率转换***的各种实施例能够减少功率转换***的重量和尺寸。该减少导致可以设置在吊舱内的功率转换***的紧凑尺寸，从而导致维修方便和不太昂贵的***成本。而且，功率转换***不需要大的滤波器并且这显著地提高了效率并且降低功率转换***的成本和尺寸。此外，可采用高压电缆以将来自功率转换***的输出电力输送到电网。另外，在其中功率转换***产生DC输出电力(其可以直接从功率转换***输送到远距离电力传输***)的实施例中，不需要额外的离岸AC-DC转换器。
要理解，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的互换性并且描述的各种特征以及对于每个特征的其他已知的等同物可以由本领域内普通技术人员混合和匹配以根据本公开的原理构建另外的***和技术。因此，要理解，附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。
尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解，附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。
部件列表
10风力涡轮机***
12功率转换***
14塔
16吊舱
18转子
20高压电缆
22多个多级逆变器
24机械功率
26发电机
28源功率
30发电机整流器
32输入DC电力
34输出电力
36电网
40高频逆变器
42桥控制器
44转换的AC电力
46来自桥控制器的控制信号
48高频变压器
50组合的AC电力
52电网转换器
54电网控制器
56来自电网控制器的控制信号
60多个桥
62第一桥
64第二桥
66第三桥
68一次绕组
70二次绕组
72组合的AC电力
74多个二极管
76描绘时间的X轴
78描绘电压的Y轴
80电压水平的波形
82描述电压水平的波形
84描述电压水平的波形
86净电压
88描绘时间的X轴
90描绘电压的Y轴
92正弦波形
94描绘时间的X轴
96描绘电压的Y轴
100用于功率转换的方法
102将输入DC电力分成输入DC电力的多个部分
104将输入DC电力的每个相应部分转换为转换的AC电力的相应部分，其中使用方形波形模式来转换输入DC电力的部分中的至少一些
106增加转换的AC电力的相应部分的电压
108串联组合转换的AC电力的增加的电压部分来提供组合的AC电力
110转换组合的AC电力来提供输出电力用于电网

Claims (10)

1.一种多级逆变器(22)，包括：
多个桥(60)，每个桥配置成接收输入DC电力(32)的相应部分，并且将所述输入DC电力(32)的所述相应部分转换为转换的AC电力(44)的相应部分；
至少一个桥控制器(42)，用于采用方形波形模式操作所述多个桥(60)中的至少一个；
多个变压器(48)，每个变压器耦合于相应的桥(60)并且配置成增加所述相应的桥(60)的转换的AC电力(44)的所述相应部分的电压水平，其中所述多个变压器(48)的每个包括一次绕组(68)和二次绕组(70)，所述一次绕组(68)耦合于所述相应的桥(60)，所述二次绕组(70)与所述一次绕组(68)配对并且与其它二次绕组(70)串联耦合以组合所述转换的AC电力(44)的相应的增加的电压水平部分；以及
电网转换器(52)，其电耦合于所述多个变压器(48)的串联连接的二次绕组(70)并且配置成提供输出电力(34)用于电网(36)。
2.如权利要求1所述的多级逆变器(22)，其中所述桥控制器(42)配置成提供控制信号(46)以至少部分地采用占空比模式操作所述桥(60)中的至少一个并且采用方形波形模式操作剩余桥中的至少一些。
3.如权利要求1所述的多级逆变器(22)，其中所述桥控制器(42)配置成提供控制信号(46)以全部采用方形波形模式操作所述桥(60)的全部。
4.如权利要求1所述的多级逆变器(22)，其进一步包括配置成控制所述电网转换器(52)的操作的电网控制器(54)。
5.如权利要求1所述的多级逆变器(22)，其中所述多个变压器(48)中的至少一个包括与所述多个变压器(48)中另外的变压器不同的匝数比的一次绕组(68)和相应的二次绕组(70)。
6.如权利要求5所述的多级逆变器(22)，其中所述不同的匝数比产生多级净输出电压(86)。
7.一种功率转换***(12)，包括：
功率源；以及
多级逆变器(22)，其包括：
多个桥(60)，每个桥配置成接收输入DC电力(32)的相应部分并且将所述输入DC电力(32)的所述相应部分转换为转换的AC电力(44)的相应部分；
至少一个桥控制器(42)，用于采用方形波形模式操作所述多个桥(60)中的至少一个，
多个变压器(48)，每个变压器耦合于相应的桥(60)并且配置成增加所述相应的桥(60)的转换的AC电力(44)的所述相应部分的电压水平，其中所述多个变压器(48)的每个包括一次绕组(68)和二次绕组(70)，所述一次绕组(68)耦合于所述相应的桥(60)，所述二次绕组(70)与所述一次绕组(68)配对并且与其它二次绕组(70)串联耦合以组合所述转换的AC电力(44)的相应的增加的电压水平部分；以及
电网转换器(52)，其电耦合于所述多个变压器(48)的串联连接的二次绕组(70)并且配置成提供输出电力(34)用于电网(36)。
8.一种用于功率转换的方法(100)，包括：
将输入DC电力(32)分成所述输入DC电力(32)的多个部分；
将所述输入DC电力(32)的每个相应部分转换为转换的AC电力(44)的相应部分，其中使用方形波形模式来转换所述输入DC电力(32)的部分中的至少一些；
增加转换的AC电力(44)的相应部分的电压；
串联组合转换的AC电力(44)的增加的电压部分以提供组合的AC电力(72)；以及
转换所述组合的AC电力(72)以提供输出电力(34)用于电网(36)。
9.如权利要求8所述的方法，其中将所述输入DC电力(32)的部分转换为转换的AC电力(44)的部分包括以处于或高于几千赫的频率开关多个桥(60)。
10.如权利要求8所述的方法，其中增加转换的AC电力(44)的相应部分的电压包括使用多个变压器(48)在不同的水平增加电压来提供不同水平的电压，其中所述变压器(48)中的至少一个具有与所述多个变压器(48)中的其它变压器不同的匝数比。
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