專利名稱：用于風力發(fā)電機的功率轉換器的制作方法
用于風力發(fā)電機的功率轉換器
背景技術：
近年來，研究者和科學家聚焦在大規(guī)模的風能的經(jīng)濟利用上。在渦輪機的設計中的改進以及對針對無功補償和/或頻率轉換的功率電子轉換器(power electronics converter)的越來越多的使用，提升了此工業(yè)。在輸入資源功率相當大地變化的風力和其它功率發(fā)電系統(tǒng)的領域中，變速發(fā)電(variable-speed generation, VSG)比固定速度系統(tǒng)更有吸引力。在這些系統(tǒng)中，最大功率點跟蹤器調節(jié)系統(tǒng)量(諸如，關于風輪機(wind turbine)的旋轉速度)以使渦輪機功率輸出最大化。最大功率點跟蹤控制器和相關聯(lián)的功率電子轉換器設置發(fā)電機的操作點，以便捕獲最大功率的起伏的風能。為了使它們對投資的返還最大化，開發(fā)者積極追求構建越來越大的風電站(wind plant)。在風力資源支持這樣的開發(fā)的地區(qū)，具有超過20(MW的總功率額定值的風電站正變得是正常的。更大的風電站被設計成具有高架的和地下的收集器電路(collector circuit)，在一些情形中，所述收集器電路的饋線電路(feeder circuit)具有長度超過10 英里的單獨的饋電線。該電站還可以包括收集器/互連子站，且在一些情形中還包括從收集器子站到互連子站的傳輸線，以及分開的互連子站。從收集器子站到互連子站的距離從幾英里到數(shù)十英里的范圍變化，這取決于現(xiàn)有傳輸線和互連的點的路由。在美國安裝的風電站中的大多數(shù)具有34. 5kV收集器電路，這是因為在北美，大部分中等電壓基礎設施是基于35-kV級設備的。由于風電站的滲透性和尺寸增加了，所以它們對傳輸電網(wǎng)的影響需要更透徹的分析和了解。風電場(wind farm)的一個苛刻問題是功率質量和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在對電力工業(yè)進行重建的情況下，規(guī)則和規(guī)章趨于通過聯(lián)邦能源管理委員會(Federal Energy Regulatory Commission, FERC)動作影響風力工業(yè)。FERC條例661和66IA通過要求新的風力發(fā)電機具有故障穿越的能力以及還把它們的無功功率控制在0. 95超前到0. 95滯后范圍內來解決對風電站支持功率系統(tǒng)電壓的需要。除了對變速運行的持續(xù)傾向以外，風電場可以作為峰值功率電站(岸上和海上)運行。這要求更好的控制和更增強的功率電子轉換器方案。對于額定值高達2麗左右的渦輪機，無轉換器結構導致簡單、有效的系統(tǒng)。對于變速系統(tǒng)，已經(jīng)使用具有小的轉換器的雙饋感應發(fā)電機或者具有滿標轉換器的無齒輪系統(tǒng)構建了高性能渦輪機。低電壓技術在所有功率電平上都已經(jīng)成功應用。在超過500kVA左右的轉換器功率電平下，典型地使用并聯(lián)連接的轉換器模塊來實現(xiàn)該技術要求。然而，低電壓風力發(fā)電機與高連接損耗相關聯(lián)，這是因為加載在機艙(其是存在于風力塔的頂部的結構，且其可以是在空中數(shù)百英尺(100’ s of feet))與塔底部之間的連接的有效電流非常高。在690V系統(tǒng)中，在約2 MW下達到1700A的相電流。這要求每相并聯(lián)連接的多個電纜和相當大的電壓降。此缺點可以通過把包括變壓器的電氣轉換系統(tǒng)放置在機艙中來減緩。然而，支持機艙重量的結構引入了極其更高的成本。此外，由于并聯(lián)連接低電壓轉換器模塊的必要性的原因，在機艙中轉換器所需要的空間大約與其功率成比例地增加。機艙尺度和重量相當大地增加了，并使得在渦輪機安裝期間機械穩(wěn)定性和后勤系統(tǒng)復雜化。因此，在發(fā)電系統(tǒng)中需要存在改進的功率轉換。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個實現(xiàn)方式是針對一種系統(tǒng)，其包括從動能生成機械能的渦輪機；耦合到該渦輪機的發(fā)電機，用來接收機械能以輸出多個隔離的供應功率；以及多個功率級，每個功率級耦合到發(fā)電機。所述功率級中的每個功率級可以接收所述隔離的供應功率中的至少一個。而且，功率級的不同子組可以耦合到不同的相輸出線。在一個實現(xiàn)方式中，發(fā)電機可以提供針對隔離的供應功率的P · η · m個輸出連接，其中P是相輸出線的數(shù)目，η是耦合到一個相輸出線的功率級的數(shù)目，而m是由所述功率級中的一個接收的相的數(shù)目。類似地， 發(fā)電機可以包括N個線圈，其中N等于或大于ρ · η · (k · m)，其中P是相輸出線的數(shù)目，η 是耦合到一相輸出線的功率級的數(shù)目，k是耦合在一起用來形成隔離的供應功率的相的線圈的數(shù)目，而m是由所述功率級中的一個接收的相的數(shù)目。本發(fā)明的另一方面是針對可以把隔離的功率輸出直接提供到功率轉換器的多個功率級的發(fā)電機。發(fā)電機包括轉子和定子，定子具有槽，每個槽具有圍繞其纏繞的至少一個線圈，且發(fā)電機可以提供多達S個隔離的功率輸出，其中S至少等于P · n，其中P是轉換器的相輸出線的數(shù)目，而η是串聯(lián)耦合到一個相輸出線的功率級的數(shù)目。本發(fā)明的再一方面是針對風能轉換系統(tǒng)，諸如風電場，其包括風輪機、發(fā)電機和功率轉換器。發(fā)電機均耦合到所述風輪機中的一個風輪機，并把多個隔離的供應功率輸出到功率轉換器的功率級。功率級的不同子組耦合到不同的相輸出線，其進而可以直接連接到收集器電路或公用設施電網(wǎng)。


圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的多電平風能轉換系統(tǒng)的框圖。圖IA示出了按照本發(fā)明的一個實施例的在級內的并聯(lián)連接的功率單元的框圖。圖2是按照本發(fā)明的一個實施例的二極管前端功率單元的示例。圖3是按照本發(fā)明的一個實施例的多相有源前端功率單元的示例。圖4是按照本發(fā)明的一個實施例的示例性三相永磁體發(fā)電機的截面圖。圖5是按照本發(fā)明的一個實施例的風能轉換系統(tǒng)的框圖。圖6是按照本發(fā)明的一個實施例的示例性三相六極72槽雙層繞組永磁體發(fā)電機的截面圖。圖7是按照本發(fā)明的另一實施例的風能轉換系統(tǒng)的框圖。圖8是按照本發(fā)明的一個實施例的風能轉換系統(tǒng)中并聯(lián)連接的線圈的框圖。圖9是按照本發(fā)明的一個實施例的使用多輸出齒輪箱的風電場功率轉換系統(tǒng)的框圖。圖10是按照本發(fā)明的另一實施例的具有多輸出齒輪箱的風能轉換系統(tǒng)的框圖。圖11是按照本發(fā)明的一個實施例的具有多輸出齒輪箱的風能轉換系統(tǒng)的另一實施例的框圖。圖12是按照本發(fā)明的一個實施例的具有多輸出齒輪箱的風能轉換系統(tǒng)的另一實施例的框圖。
圖13是按照本發(fā)明的再一實施例的風能轉換系統(tǒng)的框圖。圖14是按照本發(fā)明的另一實施例的風能轉換系統(tǒng)的另一實施例的框圖。圖15是按照本發(fā)明的又一實施例的風能轉換系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式實施例提供了電壓轉換系統(tǒng)，其可以結合諸如風能轉換系統(tǒng)之類的發(fā)電系統(tǒng)而被使用。特別地，可以提供多電平功率轉換器，其導致在機艙中所安裝的設備的顯著的重量、 尺寸和成本減少。實施例還可以被用來在轉換器的輸入或者輸出處不需要變壓器的情況下實現(xiàn)風能轉換系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)可以直接連接到收集器電路，而不需要升壓變壓器，而同時滿足由IEEE 519標準規(guī)定的功率質量要求和由FERC條例661和661A指示的故障穿越和無功功率控制。此外，按照本發(fā)明的實施例的功率電子轉換器可以設置風能轉換系統(tǒng)以捕獲最大功率的起伏的風能。實施例可以被應用到海上或岸上獨立的風輪機或者風電站，其可以直接連接到收集器電路。其它實施例可以與諸如水力或其它流體驅動的渦輪機之類的其它發(fā)電系統(tǒng)一起使用。模塊化多電平轉換器概念可以容易地擴展到在不使用升壓變壓器的情況下被連接到不同的收集器電路。在一個實施例中，可以使用具有多組隔離的m相繞組的中壓到高壓發(fā)電機(例如，3MW發(fā)電機，34. 5kV)。每組隔離的m相繞組把功率供應給對應的功率單元，所述功率單元可以是低壓或中壓功率單元。如本文所使用的，術語“低壓”或“LV”用來表示 1000伏及以下的電壓，術語“中壓”或“MV”用來表示在近似1000伏與35000伏之間的電壓，而術語“高壓”或“HV”用來表示超過此電平的電壓。圖1是按照本發(fā)明的一個實施例的多電平風能轉換系統(tǒng)的框圖。正如圖1中所看到的，能量轉換系統(tǒng)10包括渦輪機20 (諸如，風輪機)，其將動能轉換成機械能且其進而耦合到齒輪箱30，所述齒輪箱30，如將在下面描述的，可以是多輸出齒輪箱。然而，在其它實施例中，對齒輪箱的需要可以被避免，且渦輪機可以直接連接到發(fā)電機。齒輪箱30進而耦合到發(fā)電機40，所述發(fā)電機40可以是中到高壓發(fā)電機以用來把機械能轉換成電能。在圖 1的實施例中，渦輪機可以適配在塔上，且齒輪箱和發(fā)電機以及功率轉換器可以適配在耦合到渦輪機的機艙內。在一些實現(xiàn)方式中，單個模塊可以容納發(fā)電機和功率轉換器二者。然而，對在機艙內的另外部件的需要可以被避免，這使得能夠使用更小且更輕的機艙，減輕了制造和安裝成本。正如在圖中看出的，多個獨立且隔離的m相(在圖1的實施例中的三相)的輸出可以從發(fā)電機40提供。這些輸出中的每一個被直接提供到功率轉換器50的功率級55al-55。n 中的對應的一個功率級。通常，n(ri22)個功率級串聯(lián)連接以形成供應的功率的一相。如本文所使用的，“功率級”包括并聯(lián)的一個或多個功率單元。如本文所使用的，“功率單元”包括獨立的功率轉換器(其可以是有源前端或無源整流器)、DC總線和逆變器。雖然在一些實施例中，在一級中可以存在單個功率單元，但在許多實現(xiàn)方式中，兩個或多個功率單元可以并聯(lián)耦合以接收來自發(fā)電機的隔離的功率。在此拓撲中，功率級的較低電壓功率單元可以串聯(lián)連接以生成更高的電壓和功率。串聯(lián)的功率級的數(shù)目取決于連接到電網(wǎng)所需要的電壓。例如，為了連接到4160V電網(wǎng)，串聯(lián)連接三個740V功率級。在諸如34. 5kV電網(wǎng)之類的更高的電網(wǎng)中，可以使用更高電壓的功率級，例如，1500V功率級。如上所述，功率級由并聯(lián)的一個或多個功率單元建立。功率單元可以由兩個電平H-橋或任何不同種類的多電平逆變器形成。在不同的實現(xiàn)方式中，每個功率級可以具有相同的電壓電平，或者可以存在非對稱拓撲，其中級的一個或多個電平表示處于不同的電壓。在圖1中示出的實現(xiàn)方式中，已經(jīng)使用了每個功率級一個功率單元。然而，為了提供更高的電流，多個功率單元可以并聯(lián)以形成一個功率級。在圖1中，功率轉換器50可以是具有三個相輸出線56a-56。的三相轉換器，相輸出線中的每一個由串聯(lián)耦合的多個功率級55組成。進而，每個相輸出線56可以耦合到收集器電路60，在一個實施例中該收集器電路60可以是34. 5kV收集器電路。注意，在發(fā)電機40與功率轉換器50的功率級55之間的連接可以是直接連接，而不需要輸入變壓器來提供隔離。注意，雖然被示為直接耦合，但在一些實現(xiàn)方式中，在連接發(fā)電機40與功率轉換器50的線上可以存在保險絲或其它保護機構。然而，這仍然是直接連接，這是因為在發(fā)電機與提供功率隔離的轉換器之間不需要輸入變壓器。而且，在相輸出線56上的輸出可以直接被提供給收集器電路60，而不需要輸出變壓器來提供升壓功能。雖然在圖1的實施例中示出了此特定實現(xiàn)方式，但是在這點上本發(fā)明的范圍并不受到限制。圖IA示出了按照本發(fā)明的一個實施例的在級內的并聯(lián)連接的功率單元的框圖。 如圖IA中所示出的，功率級55包括并聯(lián)耦合的兩個功率單元55i和552，用來接收3-相隔離的功率輸入，這些功率輸入例如可以直接從按照本發(fā)明的實施例的發(fā)電機接收。雖然被示為僅兩個并聯(lián)耦合的單元，但應當理解，在各種實現(xiàn)方式中，兩個以上的單元可以并聯(lián)耦合。而且，預期在一些實現(xiàn)方式中功率級可以包括單個功率單元。在圖2中描繪了二極管前端功率單元的示例。為了方便起見，本文功率單元用數(shù)字55來列舉，與級相同。然而，應當理解，這些術語不是同義的，這是因為給定的級可以包括一個以上功率單元。如圖2中所看出的，每個功率單元55包括多相二極管整流器110 (例如，三相)、DC總線120和單相逆變器130 (例如，H-橋逆變器)，其可以由諸如IGBT之類的半導體開關器件形成。當然，在功率單元中還可以存在諸如局部控制器等等的其它部件。 雖然在圖2的實施例中示出了功率單元的此特定實現(xiàn)方式，但是在此這點上本發(fā)明的范圍并不受到限制，且這些功率單元可以用任何不同種類的多電平逆變器來替代。在其它實現(xiàn)方式中，二極管前端整流器可以用多相有源前端替代，該多相有源前端用來使得功率轉換器能夠實現(xiàn)對發(fā)電機的速度控制，以使風輪機捕獲最大功率的起伏的風力。多相有源前端功率單元陽’的示例示出在圖3中。如圖3中所看出的，代替如在圖2 的實施例中存在的整流器110，圖3的功率單元55’包括三相有源前端105，其包括多個開關器件，例如，功率IGBT。這些開關器件以及H-橋130的開關器件可以經(jīng)由局部單元控制器來控制，局部單元控制器進而可以被功率轉換器的主控制器控制。雖然在圖3的實施例中示出了此特定實現(xiàn)方式，但是在這點上本發(fā)明的范圍并不受到限制。每個功率級55由發(fā)電機40的隔離且獨立的三相繞組供電。通常，發(fā)電機由放在定子槽中的若干線圈構建。在常規(guī)設計中，線圈根據(jù)發(fā)電機的電壓和功率能力被串聯(lián)或并聯(lián)連接以形成多相，例如三相發(fā)電機。然而，在本發(fā)明的實施例中，發(fā)電機的獨立的線圈可以給與其它功率級電氣隔離的每個功率級供應功率。如果耦合在相輸出線上的每個相的功率級的數(shù)目等于n，則需要η組m相功率供應來形成功率轉換器的一個相輸出線。因此，如果一個發(fā)電機被用來給功率級供應功率，則需要3η組m相線圈。然而，配置串聯(lián)或并聯(lián)的更多的線圈以制作一組m相繞組是可能的。在一個實施例中，用于獨立的風輪機的發(fā)電機線圈的總數(shù)被計算為 N=P · η · (k · m)[公式 1]
其中N是發(fā)電機線圈的總數(shù)； P是相輸出線的數(shù)目；
η是功率轉換器的每個相輸出線的功率級的數(shù)目；
k是用來形成m相功率供應(S卩，至功率級的隔離的供應功率)的每個相的串聯(lián)或并聯(lián)的線圈的總數(shù)目；
以及m是由功率級的前端接收的相的數(shù)目。在一些實現(xiàn)方式中，發(fā)電機可以提供多達S個隔離的功率輸出，其中S等于或大于 P · n，其中P是相輸出線的數(shù)目，而η是耦合到一個相輸出線的功率級的數(shù)目。因此，圖1中示出的實施例與要求大量隔離的電壓源來供應功率單元的常規(guī)驅動轉換器系統(tǒng)不同。這典型地是使用多繞組隔離變壓器來給功率單元供應功率來完成的。然而，這使得風能轉換系統(tǒng)笨重且昂貴。相反，實施例可以使用多繞組發(fā)電機以把隔離的功率直接供應到驅動系統(tǒng)的功率級。在不同的實現(xiàn)方式中，還可以使用各種各樣的用于發(fā)電機的分布式變速控制算法，以使得能夠實現(xiàn)對風輪機的最大功率跟蹤。實施例因此可以變換風電站被開發(fā)和被連接到公用設施的方式，以實現(xiàn)更高水平的可靠度、成本效力和功率質量。按照本發(fā)明的實施例的技術可以通過機艙中所安裝的設備的顯著重量減少來使海上和岸上風電站的安裝、能量收集和傳輸輕松。而且，這樣的技術允許渦輪機或其它裝置在不使用升壓變壓器的情況下連接到發(fā)電機、公用設施電網(wǎng)或收集器電路。通過減少塔、后勤系統(tǒng)和基礎結構的計數(shù)和復雜性(以及消除升壓變壓器)，風能的每千瓦的成本得以顯著減少。而且，通過使用堆疊式功率級模塊，風能轉換系統(tǒng)的電壓和功率能力可擴展到多個MW水平和34. 5kV或更高的電壓。此外，使用多電平變換器實現(xiàn)方式可以使得能夠實現(xiàn)大的功率質量。通過對發(fā)電機繞組的適當設計，該機器可以產(chǎn)生多組隔離的AC電壓以用于級聯(lián)的逆變器，而不需要隔離變壓器或其它功率轉換器。現(xiàn)在大多數(shù)電網(wǎng)規(guī)程要求風力電站幫助電網(wǎng)維持或調整系統(tǒng)電壓。風力電站開始被要求也幫助電網(wǎng)維持或調整系統(tǒng)頻率。 通過利用由本發(fā)明的實施例提供的調制技術的冗余性，可以滿足諸如穿越要求之類的指示的電網(wǎng)規(guī)程。在風電場的情形下，多相發(fā)電機可以供應一個或多個功率級，因此多電平功率轉換器可以被用來生成更高的電壓和更清潔的功率。如圖4中所看出的，發(fā)電機200包括轉子210和定子220，其具有一組耦合在其間的永磁體215。可以由鐵芯形成的定子220包括多個槽225(在圖4上為了便于圖解僅列舉其中的一個槽)，具有耦合在槽之間的散置的齒230。每個槽225具有適配于其中的一個或多個線圈的繞組，例如銅制繞組。在圖4中示出的實現(xiàn)方式中，可以提供27個這樣的槽，每些槽中的每一個槽包括槽襯墊228，其在存在于每個槽中的兩個線圈之間提供隔離。使用按照本發(fā)明的實施例的這些繞組之間的連接，大量隔離的功率供應可以被供應到功率級的相。在此示例中，發(fā)電機200具有圍繞每個齒的集中的繞組。在此設計中有27個獨立的線圈。這 27個線圈可以形成要被提供到功率轉換器的9組(1-9)隔離的3-相(A-C)功率供應。也就是說，由于在線圈之間制作的選擇性連接的原因，27個獨立的電壓可以被提供到功率轉換器。這與常規(guī)線圈耦合不同，其中對于圖4中所示出的實現(xiàn)方式而言，可能僅提供單組隔離的三相功率。 還參照圖4，注意，在此實施例中，每個線圈與所有其它線圈隔離，而不是提供耦合在一起的大量線圈。例如，如圖4中所看出，槽Al+和ΑΓ具有在槽之間纏繞的線圈235 (Al)。 然而，圍繞這兩個槽纏繞的此線圈235不與任何另外線圈耦合。注意，雖然為了便于圖解僅示出了此線圈的單個匝，但該槽的整個寬度可以用此線圈占據(jù)。在槽Al+和ΑΓ中存在的此隔離的線圈(可以被表示為線圈Al)和在槽Bl+和ΒΓ中存在的線圈(可以被表示為線圈 Bi)以及在槽Cl+和Cl—中存在的線圈(可以被表示為線圈Cl)可以以星形連接方式連接， 并把隔離的三相功率經(jīng)由直接連接提供到功率轉換器的功率級。注意，術語在Al+和ΑΓ指具有兩個端(即，正端和負端)的隔離的線圈。例如，在星形連接中，線圈Al、Bl和Cl的負端可以連接在一起，而正端連接到功率級(功率單元)的輸入。相反，在具有27個槽的發(fā)電機中的線圈的常規(guī)連接方式中，只提供一個三相輸出。圖5示出了使用圖4所圖示的示例性永磁體發(fā)電機(permanent magnet generator, PMG)的風能轉換系統(tǒng)。在此配置中，九組05^45。隔離的三相功率從發(fā)電機 40直接連接到功率轉換器50的功率級55。注意，在此實施例中每個功率級僅包括一個功率單元，然而，多個功率單元可以并聯(lián)連接。功率級55被示為具有有源前端轉換器配置功率單元；然而，可以使用二極管前端轉換器或任何類型的多電平逆變器來代替。圖5中另外示出的是控制功率單元的開關器件的局部單元控制器140與進而可以被耦合到系統(tǒng)控制器的光纖接口 150之間的連接。注意，雖然圖5中并未示出，但相輸出線56a-56c可以直接連接到傳輸電網(wǎng)或收集器電路。圖4示出了具有M個極和27個槽的示例性三相PMG的截面圖。圖6是按照本發(fā)明的一個實施例的示例性三相六極72槽雙層繞組永磁體發(fā)電機的截面圖。針對此發(fā)電機的相A的繞組配置在圖6中示出。在此設計中，每相有對個線圈。在圖6的實施例中，發(fā)電機250包括具有72個槽的定子沈0，每一個槽可以經(jīng)由通常徑向的槽襯墊(圖6中未示出)被分隔成兩個不同的區(qū)域。在本發(fā)明的一些實施例中，發(fā)電機可以具有單層槽設計，而圖4和6的發(fā)電機使用雙層槽。在單層配置的情況下，總線圈的數(shù)目將是槽數(shù)目的一半。但在雙層配置中，線圈總數(shù)目將等于槽的數(shù)目。注意，在圖6中示出的實施例中，為了便于圖解，諸如轉子和磁體之類的發(fā)電機的細節(jié)未示出。圖6中示出的是針對相A的繞組。正如所看出的，繞組可以在發(fā)電機的不同的槽周圍來纏繞。例如，線圈可以被纏繞在槽1(具有附圖標記Al+)和槽11 (具有附圖標記為 AD之間。為了提供更大的電壓到功率單元，實施例可以把多個線圈串聯(lián)耦合在一起。在一個實現(xiàn)方式中，從槽2(即，A2+)延伸到槽12(即，A2_)的附加線圈可以串聯(lián)耦合到在槽 1與11之間延伸的線圈。在各種實施例中，此串聯(lián)連接可以被制作在發(fā)電機中，或者可以位于功率轉換器中。取決于這些連接制作在哪里，可以從發(fā)電機250輸出36個或者72個獨立的功率供應。因此，在圖6的實施例中，這些繞組組被串聯(lián)連接，例如，A2與Al串聯(lián)連接。這樣的拓撲增加了到功率級的電壓。因此，在各種實現(xiàn)方式中，一個以上的線圈可以供應功率級的每個相。在圖7中示出了按照本發(fā)明的實施例的對于功率轉換器的不同功率級作出的、發(fā)電機250中的這些不同線圈的連接的細節(jié)。在圖7中，每個功率級包括一個功率單元，然而， 若干功率單元可以并聯(lián)連接以形成一個功率級。圖7示出了從圖6的發(fā)電機接收功率的風能轉換系統(tǒng)。在此示例中，一對兩個線圈被串聯(lián)連接以形成到功率單元的功率供應的一相， 從而允許更高的電壓供給到功率單元。當然，兩個以上這樣的線圈可以被耦合在一起。在圖7中，用Al+和ΑΓ的線圈末端表示的線圈Al被串聯(lián)連接到用A2+和A2—的線圈末端表示的線圈A2。在此配置中，12組三相功率供應45^4 供應功率到功率單元。功率轉換器的每個相輸出線可以通過串聯(lián)連接四個功率級來形成。輸出電壓的頻率可以被固定到公用設施頻率，例如60Hz。功率轉換器自然是對稱的級聯(lián)逆變器，然而，由于發(fā)電機可以生成12個隔離的功率供應到功率級，或者在特殊情形下(即，一個單元級)到功率單元，所以已經(jīng)消除了隔離輸入變壓器?，F(xiàn)在參照圖8，示出的是按照本發(fā)明的一個實施例的風力轉換系統(tǒng)中的并聯(lián)連接的線圈。如所看出的，發(fā)電機40可以具有并聯(lián)耦合在一起的線圈組，用來提供單相輸出功率到功率級的一相。因此，如所看出的，線圈可以把三相功率供應45提供到功率轉換器50 的對應的功率級55。圖8的發(fā)電機線圈的附圖標記對應于圖6中所示出的發(fā)電機配置。并聯(lián)連接的線圈可以用來把更多的電流供應到功率級，而串聯(lián)連接的線圈可以用來供應更高的電壓以供應功率到功率級。在并聯(lián)連接中，具有相同電壓的兩個或多個線圈被并聯(lián)連接。如果允許軸速度跟隨風速變化，以使得風輪機的空氣動力效率特性保持在最大值，則渦輪機可以被制成在任何風速下得到最大功率。有源前端功率轉換器可以基于風速和渦輪機空氣動力效率特性控制發(fā)電機的速度，以捕獲最大功率的風能。風輪機的空氣動力效率被定義為風力除以渦輪機的輸出功率。渦輪機的空氣動力效率是槳距角、渦輪機角速度、渦輪機葉片的半徑和風速的函數(shù)。空氣動力效率特性可以直接測量或可以使用通一般基于葉片迭代技術的針對空氣動力設計的軟件來計算。典型地，對于多個風速而言，把輸出功率和得到的轉矩表示為渦輪機速度的函數(shù)的特性曲線族可以根據(jù)空氣動力學效率對風速推導出。然而，風輪機的空氣動力效率可以在不同的風速下被最大化，如果渦輪機以一定速度旋轉的話?？梢钥刂茰u輪機的速度以使風輪機在不同風速下的空氣動力效率最大化。因而，可以捕獲最大功率的風能。發(fā)電機可以被速度控制，以迫使渦輪機以對應的速度旋轉。為了能夠基于風速來控制發(fā)電機的速度，可以使用有源前端轉換器。雖然結合永磁體發(fā)電機進行了描述，但是可以使用諸如感應發(fā)電機、同步發(fā)電機、永磁體同步發(fā)電機或者開關磁阻發(fā)電機之類的任何種類的AC發(fā)電機。也有可能通過增加串聯(lián)的功率級的數(shù)目來耦合一個以上的發(fā)電機以產(chǎn)生更高的電壓和功率，所述串聯(lián)的功率級使得風能轉換器能夠被連接到配電或傳輸電網(wǎng)。圖9描繪了按照本發(fā)明的另一實施例的風電場功率轉換系統(tǒng)300。在此配置中，有 3η個均耦合到三相發(fā)電機320的風輪機310al-310。n。每個發(fā)電機把功率供應到功率轉換器 350的功率級55’ al-55’ cn的組中的一個。在圖9的實施例中，每個發(fā)電機被直接耦合到對應的功率級，這避免了對一個或多個輸入變壓器的需要。發(fā)電機的輸出電壓可以是較低的電壓，然而，通過對功率級進行級聯(lián)，可以實現(xiàn)更高的電壓和功率。系統(tǒng)的功率單元可以是二極管、有源前端或任何其它類型的多電平逆變器，不過在圖9中示出了代表性的有源前端轉換器。如在上面所論述的其它系統(tǒng)配置的情況下，對升壓變壓器的需要也可以避免。圖10示出了使用多輸出齒輪箱315的風電場功率轉換器系統(tǒng)301。齒輪箱的每個輸出驅動三相發(fā)電機320，且進而每個發(fā)電機320把功率供應到功率級55’。在圖10的實施例中，每個功率級包括一個功率單元，不過可以把多個單元并聯(lián)耦合。因此，每個齒輪箱 315被耦合以經(jīng)由輸入軸接收對應的風輪機的輸出，并提供四個輸出軸，每個輸出軸耦合到不同的發(fā)電機。在此示例中，四個功率級被配置成串聯(lián)連接以沿著對應的相輸出線56提供功率。圖11示出了具有多輸出齒輪箱315的風能轉換系統(tǒng)302的另一實施例的框圖。在此實施例中，單個渦輪機310被耦合到齒輪箱，該齒輪箱進而提供九個輸出到九個對應的發(fā)電機320。進而，每個發(fā)電機可以提供三相功率到對應的功率級55’，其可以由多個二極管或基于有源前端的功率單元或任何不同種類的多電平逆變器構建。功率轉換器350的相輸出線56a-56c的串聯(lián)輸出可以直接耦合到傳輸電網(wǎng)或收集器電路。圖12示出了具有多輸出齒輪箱315的風能轉換系統(tǒng)303的另一實施例的框圖。 在此實施例中，單個渦輪機310被耦合到齒輪箱，該齒輪箱進而提供輸出到六個對應的發(fā)電機320。進而，每個發(fā)電機可以提供三相功率到對應的功率級55’，所述功率級中的每個功率級可以包括并聯(lián)耦合的一個或多個二極管或者基于有源前端的功率單元。功率轉換器 350的輸出線56a-56c可以直接耦合到傳輸電網(wǎng)或收集器電路。在其它實現(xiàn)方式中，功率轉換器可以使用三相功率級和單相功率級的組合來形成?，F(xiàn)在參照圖13，示出的是包括具有三相功率級討和多個單相功率級55’的功率轉換器350的風能轉換系統(tǒng)305的框圖。如所看出的，每個功率級從對應的發(fā)電機320接收隔離的三相功率。圖13還示出了三相功率單元M的示意圖。如所看出的，H-橋配置提供了在三個相上的輸出，每個輸出到該單相功率級55’中的一個。功率單元M進而耦合到局部單元控制器57。圖14示出了風能轉換系統(tǒng)306的另一實施例，其中三相功率級包括并聯(lián)的兩個三相功率單元M，其中該三相級的輸出與單相功率級55’級聯(lián)。現(xiàn)在參照圖15，示出的是按照本發(fā)明的再一實施例的風能轉換系統(tǒng)307的框圖。 如圖15中所示出的，每個發(fā)電機320可以把三相功率提供到多個功率級。如在圖15的實施例中所看出的，每個發(fā)電機320提供三相功率到三個功率級55 (例如，單元55al-55el)。來自相輸出線56a-56c上的功率級的級聯(lián)的輸出可以直接耦合到傳輸線或另一電網(wǎng)連接。雖然在上面描述的各種圖中示出有這些特定實現(xiàn)方式，但應當理解，在這點上本發(fā)明的范圍并不受到限制，且在不同的實現(xiàn)方式中，可以實現(xiàn)提供從發(fā)電機到功率轉換器的一個或多個功率單元的直接連接并進而從功率單元直接到傳輸電網(wǎng)或收集器電路的連接的許多不同拓撲。雖然已經(jīng)相對于有限數(shù)目的實施例對本發(fā)明進行了描述，但本領域技術人員將意識到根據(jù)其的眾多修改和變化。目的是所附權利要求覆蓋落入此本發(fā)明的真實精神和范圍之內的所有的這樣的修改和變化。
權利要求
1.一種系統(tǒng)，包括渦輪機，其用來從動能生成機械能；發(fā)電機，其耦合到所述渦輪機以接收所述機械能并輸出多個隔離的供應功率；以及均耦合到所述發(fā)電機的多個功率級，其中所述多個功率級中的每一個是用來接收所述隔離的供應功率中的至少一個，且所述功率級的第一子組耦合到第一相輸出線而所述功率級的第二子組耦合到第二相輸出線。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機包括適配在定子的槽內的多個線圈，其中所述線圈的第一組耦合在一起以把第一相的隔離的供應功率提供到第一功率級，而所述線圈的第二組耦合在一起以把第二相的隔離的供應功率提供到所述第一功率級，其中所述第一組和所述第二組中的每一個不與所述發(fā)電機的連接到不同功率級的任何其它線圈連接。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述多個功率級中的每一個包括至少兩個并聯(lián)耦合的功率單元，用來接收至少一個隔離的供應功率，其中每個功率單元包括功率轉換器、DC鏈和逆變器。
4.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述線圈的所述第一組串聯(lián)連接、并聯(lián)連接或串聯(lián)連接與并聯(lián)連接的組合。
5.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述定子的第一槽的第一線圈不連接到所述第一槽的第二線圈。
6.如權利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第一線圈從所述定子的所述第一槽延伸到第二槽，以及還包括直接從所述第一線圈到第一功率級的對應相的連接，其中所述第一線圈與被連接到不同的功率級的所述發(fā)電機的所有其它線圈隔離。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機是用以提供針對隔離的供應功率的 P · η · m個輸出連接，其中P是相輸出線的數(shù)目，η是耦合到一個相輸出線的功率級的數(shù)目， 而m是由所述功率級中的一個功率級接收的相的數(shù)目。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述發(fā)電機包括N個線圈，其中N等于或大于 ρ · η · (k · m)，其中P是相輸出線的數(shù)目，η是耦合到一個相輸出線的功率級的數(shù)目，k是耦合在一起用來形成隔離的供應功率的一相的線圈的數(shù)目，而m是由所述功率級中的一個功率級接收的相的數(shù)目。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一相輸出線和所述第二相輸出線直接耦合到收集器電路。
10.一種設備，包括發(fā)電機，其用來接收來自渦輪機的機械能以把多個隔離的功率輸出直接提供到功率轉換器的功率級，其中所述發(fā)電機包括轉子和定子，所述定子具有多個槽，每個槽具有圍繞其纏繞的至少一個線圈，其中所述發(fā)電機是用以提供多達S個隔離的功率輸出，其中S至少等于P · n，其中P是所述功率轉換器的相輸出線的數(shù)目而η是串聯(lián)耦合到一個相輸出線的功率級的數(shù)目。
11.如權利要求10所述的設備，其中所述發(fā)電機包括耦合在一起以把第一相的隔離的功率輸出提供到第一功率級的第一組線圈，以及耦合在一起以把第二相的隔離的功率輸出提供到所述第一功率級的第二組線圈。
12.如權利要求11所述的設備，其中所述第一組和所述第二組中的每一個并聯(lián)耦合， 且不與所述發(fā)電機的連接到不同功率級的任何其它線圈連接。
13.如權利要求11所述的設備，其中每個功率級包括并聯(lián)耦合以接收所述第一隔離的功率輸出相和所述第二隔離的功率輸出相的多個功率單元。
14.一種系統(tǒng)，包括多個風輪機，每個風輪機耦合到至少一個發(fā)電機以把機械能輸出到所述至少一個發(fā)電機；多個發(fā)電機，每個發(fā)電機耦合到所述風輪機中的一個風輪機以接收機械能并輸出多個隔離的供應功率；以及連接到所述多個發(fā)電機的功率轉換器，所述功率轉換器包括多個功率級，每個功率級接收至少一個隔離的供應功率，其中所述功率級的第一子組耦合到第一相輸出線而所述功率級的第二子組耦合到第二相輸出線。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述多個發(fā)電機中的每一個發(fā)電機包括N個線圈， 其中N等于ρ·η· (k·!!!)，其中P是相輸出線的數(shù)目，η是由對應的發(fā)電機提供的隔離的供應功率的所述多個功率級的數(shù)目，k是耦合在一起用來形成隔離的供應功率的一相的對應發(fā)電機的線圈數(shù)目，而m是由所述功率級中的一個功率級接收的相的數(shù)目。
16.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述風輪機中的每一個耦合到一個發(fā)電機。
17.如權利要求14所述的系統(tǒng)，還包括齒輪箱，其耦合到所述多個風輪機中的一個風輪機的輸出且具有多個輸出，每個輸出耦合到一個發(fā)電機。
18.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述功率轉換器包括至少一個m-相功率級和多個單相功率級，其中所述m-相功率級具有m個輸出，每個輸出耦合到所述單相功率級中的一個。
19.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述多個發(fā)電機中的每一個提供m-相隔離的供應功率到多個功率級，每個功率級耦合到不同的相輸出線。
20.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二相輸出線直接耦合到傳輸電網(wǎng)而不需要升壓變壓器。
全文摘要
在一個實施例中，本發(fā)明包括用來從動能生成機械能的渦輪機、耦合到該渦輪機以接收機械能并輸出多個隔離的供應功率的發(fā)電機、以及均耦合到該發(fā)電機的多個功率級。所述功率級中的每一個可以接收所述隔離的供應功率中的至少一個。
文檔編號F03D7/00GK102171449SQ201080002831
公開日2011年8月31日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2009年6月30日
發(fā)明者A·斯科爾茨, E·萊德斯馬, H·卡馬克, L·T·凱斯特, M·阿博爾哈薩尼, R·愛德華茲 申請人:特科－西屋發(fā)動機公司