專利名稱：用于功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例大體涉及用于在流體渦輪機(jī)中產(chǎn)生高壓電力的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
流體渦輪機(jī)(例如風(fēng)力渦輪機(jī)和海洋流體動(dòng)力設(shè)備等)從例如風(fēng)和水等流體的動(dòng)能產(chǎn)生電，其被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)用于分配。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)典型地 包括轉(zhuǎn)子部件，其將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；和同步發(fā)電機(jī)，其將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為具有變化頻率和低電壓的交流(AC)電力。由該同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的AC電力在傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)電網(wǎng)用于進(jìn)一步分配之前通過功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。在一個(gè)常規(guī)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，將低電壓和變化頻率的AC電力經(jīng)由低壓電纜饋送到設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)的塔內(nèi)的AC-DC轉(zhuǎn)換器。在非限制示例中，該低壓電纜包括能夠傳輸具有低于1000伏電壓的電力的電纜。該AC-DC轉(zhuǎn)換器將變化頻率的AC電力轉(zhuǎn)換為直流(DC)電力。該DC電力經(jīng)由DC鏈路傳輸給逆變器，并且該逆變器提供固定頻率脈沖寬度調(diào)制的AC電力作為輸出。此外，濾波該固定頻率脈沖寬度調(diào)制的AC電力來產(chǎn)生固定頻率正弦AC電力。該正弦AC電力被輸送到升壓變壓器，其將該低壓AC電力轉(zhuǎn)換為高壓AC電力。在這樣的實(shí)施例中，對(duì)于DC電力的脈沖寬度調(diào)制使用逆變器可導(dǎo)致效率損失并且另外需要笨重且昂貴的濾波器來產(chǎn)生正弦AC電力。此外，用于輸送低壓AC電力到AC/DC轉(zhuǎn)換器的低壓電纜是大、沉重并且昂貴的。另外，變壓器大且笨重。此外，在其中安裝了離岸AC/DC轉(zhuǎn)換器以從各種風(fēng)力渦輪機(jī)收集AC電力并且將該AC電力轉(zhuǎn)換為適于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腄C電力的實(shí)施例中，產(chǎn)生了額外成本。因此，需要有改進(jìn)的并且不太昂貴的系統(tǒng)來解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)實(shí)施例中，提供多級(jí)逆變器。該多級(jí)逆變器包括多個(gè)橋，每個(gè)橋配置成接收輸入DC電力的相應(yīng)部分并且將該輸入DC電力的該相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分。該多級(jí)逆變器還包括至少一個(gè)橋控制器，用于采用方形波形模式操作多個(gè)橋中的至少一個(gè)。該多級(jí)逆變器進(jìn)一步包括多個(gè)變壓器，每個(gè)變壓器耦合于相應(yīng)的橋并且配置成增加該相應(yīng)橋的轉(zhuǎn)換AC電力的相應(yīng)部分的電壓水平，其中多個(gè)變壓器的每個(gè)包括一次繞組和二次繞組，該一次繞組耦合于相應(yīng)的橋，該二次繞組與該一次繞組配對(duì)并且與其它二次繞組串聯(lián)耦合以組合轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)增加的電壓水平部分。該多級(jí)逆變器還包括電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，其電耦合于多個(gè)變壓器的串聯(lián)連接的二次繞組并且配置成提供輸出電力以用于電網(wǎng)。在另外一個(gè)實(shí)施例中，提供功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括功率源。該系統(tǒng)還包括多級(jí)逆變器。該多級(jí)逆變器包括多個(gè)橋，每個(gè)橋配置成接收輸入DC電力的相應(yīng)部分并且將該輸入DC電力的該相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分。該多級(jí)逆變器還包括至少一個(gè)橋控制器，用于采用方形波形模式操作多個(gè)橋中的至少一個(gè)。該多級(jí)逆變器進(jìn)一步包括多個(gè)變壓器，每個(gè)變壓器耦合于相應(yīng)的橋并且配置成增加該相應(yīng)橋的轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分的電壓水平，其中多個(gè)變壓器的每個(gè)包括一次繞組和二次繞組，該一次繞組耦合于相應(yīng)的橋，該二次繞組與該一次繞組配對(duì)并且與其它二次繞組串聯(lián)耦合以組合轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)增加的電壓水平部分。該多級(jí)逆變器還包括電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，其電耦合于多個(gè)變壓器的串聯(lián)連接的二次繞組并且配置成提供輸出電力用于電網(wǎng)。在再另一個(gè)實(shí)施例中，提供用于功率轉(zhuǎn)換的方法。該方法包括將輸入DC電力分成輸入DC電力的多個(gè)部分。該方法還包括將輸入DC電力的每個(gè)相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分，其中使用方形波形模式來轉(zhuǎn)換該輸入DC電力的這些部分中的至少一些。該方法進(jìn)一步包括增加轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分的電壓。該方法還包括串聯(lián)組合增加的電壓來提供組合的AC電力。該方法進(jìn)一步包括轉(zhuǎn)換該組合的AC電力來提供輸出電力用于電網(wǎng)。


當(dāng)下列詳細(xì)說明參照附圖(其中類似的符號(hào)在整個(gè)附圖中代表類似的部件)閱讀時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢(shì)將變得更好理解，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的部分圖示。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例描繪耦合于多相功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的每個(gè)相的多個(gè)多級(jí)逆變器的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的框圖表示。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的耦合于單相的多級(jí)逆變器的框圖表示。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例描繪多級(jí)逆變器的各種部件之間的耦合的多級(jí)逆變器的詳細(xì)圖示。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在相應(yīng)的二次繞組的輸出處具有由多級(jí)逆變器中的多個(gè)橋產(chǎn)生的采用方形波形模式的增加的電壓的轉(zhuǎn)換AC電力的各種部分的示范性圖形表
/Jn ο圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由多級(jí)逆變器中的多個(gè)橋采用方形波形模式產(chǎn)生的組合的轉(zhuǎn)換AC電力的示范性圖形表示。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器從方形波形模式產(chǎn)生的正弦波形的示范性圖形表示。圖8是代表根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例用于功率轉(zhuǎn)換的方法所牽涉的步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例包括多級(jí)逆變器。該多級(jí)逆變器包括多個(gè)橋，其中每個(gè)橋接收輸ADC電力的相應(yīng)部分并且將該相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的轉(zhuǎn)換的AC電力。該多級(jí)逆變器還包括至少一個(gè)橋控制器，其采用方形波形模式控制多個(gè)橋中的至少一個(gè)的操作。該多級(jí)逆變器進(jìn)一步包括多個(gè)變壓器，其中這些多個(gè)變壓器的每個(gè)包括電耦合于相應(yīng)的橋的一次繞組。該一次繞組與二次繞組配對(duì)，該二次繞組與其它二次繞組串聯(lián)電耦合。該一次繞組接收轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分并且將其輸送給該二次繞組，這導(dǎo)致該轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分的電壓水平增加。該轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分由串聯(lián)連接的二次繞組組合以形成組合的AC電力。該組合的AC電力被輸送到電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，(其電耦合于串聯(lián)連接的二次繞組)、并且為電網(wǎng)提供輸出電力。如本文使用的，術(shù)語(yǔ)“一”不表示數(shù)量的限制，而是表示存在引用的項(xiàng)目中的至少一個(gè)，并且術(shù)語(yǔ)“耦合的”或“耦合”包括任何合適類型的耦合并且還包括直接耦合和間接耦合兩者。盡管使用單線圖用于示例目的，圖中的電氣線路的每個(gè)典型地代表兩個(gè)或三個(gè)物理線路/電纜，這取決于上下文。圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的為了示例目的示出為風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)10(其包括功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12)的功率源的部分圖示。該風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)10包括塔14、附連在該塔14頂部的吊艙16和機(jī)械I禹合于該吊艙16的轉(zhuǎn)子18。該吊艙16包括設(shè)置在該風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)系統(tǒng)10的該吊艙16內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12。該功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12從該轉(zhuǎn)子18接收機(jī)械能并且將該機(jī)械能轉(zhuǎn)換為適于經(jīng)由高壓電纜20在電網(wǎng)中傳輸?shù)妮敵鲭娏?。例如，?duì)于離岸風(fēng)力應(yīng)用，具有帶有兩個(gè)電纜20 ( 一個(gè)是正的并且另一個(gè)是負(fù)的)的DC輸出電力將通常是可取的。對(duì)于一些應(yīng)用，輸出電力將包括多相電力，其中每個(gè)相存在電纜20。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例描繪多個(gè)多級(jí)逆變器22 (每個(gè)耦合于多相功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12的相應(yīng)的相)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12的框圖表示。為了示例目的,在圖2示出三個(gè)相,但 可使用其他數(shù)量的相。例如，在其中輸出電力包括DC輸出電力或單相輸出電力的實(shí)施例中，可使用單個(gè)多級(jí)逆變器22。轉(zhuǎn)子18將機(jī)械功率24輸送到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12。在風(fēng)力渦輪機(jī)示例中，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)12包括發(fā)電機(jī)26，其接收機(jī)械功率24并且將該機(jī)械功率24轉(zhuǎn)換為源功率，其示出為源功率28。該源功率28被輸送到發(fā)電機(jī)整流器30，其耦合于發(fā)電機(jī)26。該發(fā)電機(jī)整流器30將該源功率28轉(zhuǎn)換為輸入DC電力32。在例如風(fēng)力渦輪機(jī)實(shí)施例的實(shí)施例中，其中功率源包括AC功率源，發(fā)電機(jī)整流器可包括AC-DC型整流器。在例如太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)施例的實(shí)施例中，其中功率源包括DC功率源，發(fā)電機(jī)整流器可包括DC-DC型整流器或可不需要發(fā)電機(jī)整流器。在一個(gè)實(shí)施例中，輸入DC電力32然后被輸送到至少一個(gè)多級(jí)逆變器22。每個(gè)多級(jí)逆變器22接收輸入DC電力32的相應(yīng)部分并且產(chǎn)生該多級(jí)逆變器的相應(yīng)相的用于電網(wǎng)36的輸出電力34。在一個(gè)實(shí)施例中，該輸出電力34是高壓電力，使用高壓電纜20 (圖I)將其傳輸?shù)诫娋W(wǎng)36。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)多級(jí)逆變器22的框圖表示。每個(gè)多級(jí)逆變器22包括高頻逆變器40，該高頻逆變器40耦合于橋控制器42，其控制該高頻逆變器40的操作?；谟稍摌蚩刂破?2提供的控制信號(hào)46，該高頻逆變器40從發(fā)電機(jī)整流器30接收輸入DC電力32的部分并且將該輸入DC電力32轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力44。轉(zhuǎn)換的AC電力44被輸送到多個(gè)高頻變壓器48，其增加了轉(zhuǎn)換的AC電力44的電壓水平。因此，具有增加的電壓水平的轉(zhuǎn)換AC電力44被組合以形成組合的AC電力50。該組合的AC電力50被輸送到電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52，其電耦合于多個(gè)變壓器48。在一些實(shí)施例中，該電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52由電網(wǎng)控制器54控制并且從該電網(wǎng)控制器54接收控制信號(hào)56以從該組合的AC電力50產(chǎn)生該輸出電力34并且/或在功率源需要電網(wǎng)支持的情況下從該電網(wǎng)提供電力給該功率源。在具有橋和電網(wǎng)控制器兩者的實(shí)施例中，橋控制器42和電網(wǎng)控制器54可一體化成一個(gè)單元或可在分開的單元中。在另一個(gè)實(shí)施例中，橋控制器42和電網(wǎng)控制器54可分別與該高頻逆變器40或與電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52成一體。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例描繪多級(jí)逆變器22的各種部件之間的耦合的多級(jí)逆變器22的詳細(xì)圖示。高頻逆變器40包括多個(gè)橋60，其以高頻操作以從該輸入DC電力32產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的AC電力44。多個(gè)橋60的每個(gè)接收該輸入DC電力32的相應(yīng)部分并且將該輸入DC電力32的該相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的轉(zhuǎn)換的AC電力44。這些多個(gè)橋60耦合于橋控制器42，其控制這些多個(gè)橋60的開關(guān)操作。在一個(gè)實(shí)施例中，這些多個(gè)橋60包括第一橋62、第二橋64和第三橋66。盡管示出了三個(gè)橋，本發(fā)明不限于三橋?qū)嵤├?。可使用更少或更多的橋來?shí)現(xiàn)期望的分辨率。橋控制器42提供控制信號(hào)46 (圖3)以采用方形波形模式操作多個(gè)橋中的至少一個(gè)。在更特定的實(shí)施例中，橋控制器42提供控制信號(hào)以至少部分地采用占空比模式操作橋中的至少一個(gè)并且采用方形波形模式操作剩余橋中的至少一些。在另一個(gè)實(shí)施例中，橋控制器提供控制信號(hào)以至少部分地采用占空比模式操作橋中的一個(gè)并且全部采用方形波形 模式操作剩余的橋。在一些需要較小分辨率的實(shí)施例中，橋控制器可提供控制信號(hào)以全部采用方形波形模式操作橋的全部。多個(gè)橋60同時(shí)操作以產(chǎn)生轉(zhuǎn)換的AC電力44的同相或異相部分。轉(zhuǎn)換的AC電力44的相應(yīng)部分的相取決于要產(chǎn)生的波形點(diǎn)使得轉(zhuǎn)換的AC電力44的相應(yīng)部分的極性是加或減的，從而導(dǎo)致凈輸出電壓非常類似于正弦參考電壓。AC電力44的相應(yīng)的轉(zhuǎn)換部分被輸送到相應(yīng)的變壓器48，其電耦合于相應(yīng)的橋60。多個(gè)變壓器48的每個(gè)包括一次繞組68和二次繞組70，該一次繞組68電耦合于相應(yīng)的橋60，該二次繞組70與該一次繞組68配對(duì)并且與其它二次繞組串聯(lián)電耦合。在一個(gè)實(shí)施例中，這些多個(gè)變壓器48包括至少一個(gè)變壓器48，其與另一個(gè)變壓器48相比具有不同的一次繞組48和相應(yīng)的二次繞組70的匝數(shù)比。在該實(shí)施例中，多個(gè)變壓器48的每個(gè)基于它相應(yīng)的匝數(shù)比增加轉(zhuǎn)換的AC電力44的相應(yīng)部分的電壓水平。在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)設(shè)不同的匝數(shù)比以產(chǎn)生期望的多級(jí)凈輸出電壓。轉(zhuǎn)換的AC電力44在二次繞組70的每個(gè)處的相應(yīng)部分疊加以形成組合的AC電力72。組合的AC電力72的幅度代表正弦參考電壓。組合的AC電力72被輸送到電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52，其電耦合于串聯(lián)耦合的二次繞組70。電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52可耦合于電網(wǎng)控制器54，其控制電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52以產(chǎn)生輸出電力34用于電網(wǎng)36。輸出電力34可包括DC輸出電力或AC輸出電力。如圖不的，電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52包括互相電耦合的多個(gè)二極管和開關(guān)74。在其中產(chǎn)生DC輸出電力34的實(shí)施例中，電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52不必包括任何能控制的設(shè)備。在這樣的實(shí)施例中，電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52可包括二極管橋，用于整流組合的AC電力72來產(chǎn)生DC輸出電力34。然而，如果期望額外的靈活性，例如可控硅整流器或柵極關(guān)斷晶閘管等能控制的設(shè)備對(duì)于允許雙向功率流將是有用的，該雙向功率流在對(duì)例如風(fēng)力渦輪機(jī)失效并且從電網(wǎng)36向風(fēng)力渦輪機(jī)10的電力供應(yīng)將使風(fēng)力渦輪機(jī)10能夠起動(dòng)而不需要塔上14能量?jī)?chǔ)備的情況下是有用的。在其中產(chǎn)生AC輸出電力34的實(shí)施例中，將包括能控制的設(shè)備。在這樣的實(shí)施例中，電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52作為AC-AC轉(zhuǎn)換器操作，并且將組合的AC電力72轉(zhuǎn)換為采用正弦波形的AC輸出電力，其具有用于在電網(wǎng)36(圖2)中傳輸?shù)募嫒莸念l率水平(典型地是較低的頻率水平)。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在相應(yīng)的二次繞組70中的至少一些的輸出處具有采用方形波形模式的增加的電壓的轉(zhuǎn)換AC電力的各種部分的示范性圖形表示。X軸76描繪時(shí)間，并且Y軸78描繪電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，不同波形80 (最高)、82 (中)和84 (最低)的電壓水平由相應(yīng)的變壓器匝數(shù)比控制。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電壓80和82具有大致上方形的波形，而波形84被占空比調(diào)制。使用時(shí)間線斷開符號(hào)使得該概念的標(biāo)尺能更容易看見。實(shí)際上，將可能存在比在圖5和圖6中示出的更多的循環(huán)。如圖示的，例如在時(shí)間間隔Ta期間，控制第一橋62以產(chǎn)生零電壓，同時(shí)控制第二橋64和第三橋66使得它們異相。在時(shí)間間隔Tb期間，橋62和64產(chǎn)生相反的方形波形80和82，同時(shí)對(duì)橋66進(jìn)行占空比調(diào)制來產(chǎn)生波形84。在時(shí)間間隔Tc期間，橋62和64產(chǎn)生同相的方形波形，同時(shí)控制橋66來提供零電壓。在時(shí)間間隔Td期間，三個(gè)橋都產(chǎn)生同相的方形波形。上文提到的描述是針對(duì)九十度的正弦波形并且可擴(kuò)展至覆蓋全部三百六十度的波形，并且然后如下面描述的那樣可重復(fù)進(jìn)行以用于產(chǎn)生組合的AC電力72。圖6是由在圖5中指示的波形80、82和84的相加引起的多個(gè)變壓器48的二次繞組70處的凈電壓86的示范性圖形表示。X軸88描繪時(shí)間，并且Y軸90描繪電壓。如觀察到的，例如，組合的AC電力72是各種時(shí)間點(diǎn)處的電壓的相加。例如，在時(shí)間間隔Ta，最高電壓橋62沒有產(chǎn)生電壓,并且中間電壓橋64由于最低電壓橋66開關(guān)到異相這一事實(shí)而減少 其輸出處的電壓；并且在第二時(shí)間間隔Tb，最高電壓橋62產(chǎn)生電壓，中間電壓橋64采用異相模式操作以減少輸出電壓的總幅度，并且最低電壓橋66采用占空比類型的模式(其與橋62同相)操作以更狹窄地增加電壓量。圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的由電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52從組合的AC電力72產(chǎn)生的大致上正弦的電壓波形92的示范性圖形表示。X軸94描繪時(shí)間，并且Y軸96描繪電壓。電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器52整流高頻凈電壓波形86并且提供具有大致上正弦的波形92 (其在電網(wǎng)36耦合點(diǎn)處具有期望的極性)的電壓。圖8是代表根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于功率轉(zhuǎn)換的方法100所牽涉的步驟的流程圖。對(duì)于具有轉(zhuǎn)子的實(shí)施例，該方法100包括將從轉(zhuǎn)子接收的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為源功率。該源功率被轉(zhuǎn)換成輸入DC電力。在步驟102，該輸入DC電力分成多個(gè)部分。在步驟104，將該輸入DC電力的相應(yīng)部分的每個(gè)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分，其中使用方波形式轉(zhuǎn)換輸入DC電力的部分中的至少一些。在一個(gè)實(shí)施例中，以處于或高于幾千赫的頻率開關(guān)多個(gè)橋來將輸入DC電力的部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力的部分。在步驟106，轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分的電壓被增加。在特定實(shí)施例中，轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分的電壓在不同的水平增力口。在另一個(gè)實(shí)施例中，使用多個(gè)變壓器(其中這些變壓器中的至少一個(gè)具有與多個(gè)變壓器中的其它變壓器不同的匝數(shù)比)在不同的水平增加電壓。在步驟108，串聯(lián)組合轉(zhuǎn)換AC電力的增加的電壓以提供組合的AC電力。在步驟110，轉(zhuǎn)換組合的AC電力以提供輸出電力用于電網(wǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，將組合的AC電力轉(zhuǎn)換為DC輸出電力。在另一個(gè)實(shí)施例中，將組合的AC電力轉(zhuǎn)換為AC輸出電力。上文描述的該功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的各種實(shí)施例能夠減少功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量和尺寸。該減少導(dǎo)致可以設(shè)置在吊艙內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的緊湊尺寸，從而導(dǎo)致維修方便和不太昂貴的系統(tǒng)成本。而且，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不需要大的濾波器并且這顯著地提高了效率并且降低功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的成本和尺寸。此外，可采用高壓電纜以將來自功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出電力輸送到電網(wǎng)。另外，在其中功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生DC輸出電力(其可以直接從功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸送到遠(yuǎn)距離電力傳輸系統(tǒng))的實(shí)施例中，不需要額外的離岸AC-DC轉(zhuǎn)換器。要理解，技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到來自不同實(shí)施例的各種特征的互換性并且描述的各種特征以及對(duì)于每個(gè)特征的其他已知的等同物可以由本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員混合和匹配以根據(jù)本公開的原理構(gòu)建另外的系統(tǒng)和技術(shù)。因此，要理解，附上的權(quán)利要求意在涵蓋所有這樣的修改和改變，它們落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)。盡管本文僅圖示和描述本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，要理解，附上的權(quán)利要求意在涵蓋所有這樣的修改和改變，它們落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)。部件列表10風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng) 12功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)14 塔16 吊艙18 轉(zhuǎn)子20高壓電纜22多個(gè)多級(jí)逆變器24機(jī)械功率26發(fā)電機(jī)28源功率30發(fā)電機(jī)整流器32輸入DC電力34輸出電力36 電網(wǎng)40高頻逆變器42橋控制器44轉(zhuǎn)換的AC電力46來自橋控制器的控制信號(hào)48高頻變壓器50組合的AC電力52電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器54電網(wǎng)控制器56來自電網(wǎng)控制器的控制信號(hào)60多個(gè)橋62 第一橋64 第二橋66第三橋68 一次繞組70 二次繞組72組合的AC電力74多個(gè)二極管76描繪時(shí)間的X軸78描繪電壓的Y軸
80電壓水平的波形82描述電壓水平的波形84描述電壓水平的波形86凈電壓88描繪時(shí)間的X軸90描繪電壓的Y軸92正弦波形94描繪時(shí)間的X軸·96描繪電壓的Y軸100用于功率轉(zhuǎn)換的方法102將輸入DC電力分成輸入DC電力的多個(gè)部分104將輸入DC電力的每個(gè)相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分，其中使用方形波形模式來轉(zhuǎn)換輸入DC電力的部分中的至少一些106增加轉(zhuǎn)換的AC電力的相應(yīng)部分的電壓108串聯(lián)組合轉(zhuǎn)換的AC電力的增加的電壓部分來提供組合的AC電力110轉(zhuǎn)換組合的AC電力來提供輸出電力用于電網(wǎng)
權(quán)利要求
1.一種多級(jí)逆變器(22)，包括 多個(gè)橋(60)，每個(gè)橋配置成接收輸入DC電力(32)的相應(yīng)部分，并且將所述輸入DC電力(32)的所述相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)部分； 至少一個(gè)橋控制器(42)，用于采用方形波形模式操作所述多個(gè)橋(60)中的至少一個(gè)；多個(gè)變壓器(48)，每個(gè)變壓器耦合于相應(yīng)的橋￠0)并且配置成增加所述相應(yīng)的橋(60)的轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的所述相應(yīng)部分的電壓水平，其中所述多個(gè)變壓器(48)的每個(gè)包括一次繞組￠8)和二次繞組(70)，所述一次繞組￠8)耦合于所述相應(yīng)的橋(60)，所述二次繞組(70)與所述一次繞組￠8)配對(duì)并且與其它二次繞組(70)串聯(lián)耦合以組合所述轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)的增加的電壓水平部分；以及 電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器(52)，其電耦合于所述多個(gè)變壓器(48)的串聯(lián)連接的二次繞組(70)并且 配置成提供輸出電力(34)用于電網(wǎng)(36)。
2.如權(quán)利要求I所述的多級(jí)逆變器(22)，其中所述橋控制器(42)配置成提供控制信號(hào)(46)以至少部分地采用占空比模式操作所述橋(60)中的至少一個(gè)并且采用方形波形模式操作剩余橋中的至少一些。
3.如權(quán)利要求I所述的多級(jí)逆變器(22)，其中所述橋控制器(42)配置成提供控制信號(hào)(46)以全部采用方形波形模式操作所述橋￠0)的全部。
4.如權(quán)利要求I所述的多級(jí)逆變器(22)，其進(jìn)一步包括配置成控制所述電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器(52)的操作的電網(wǎng)控制器(54)。
5.如權(quán)利要求I所述的多級(jí)逆變器(22)，其中所述多個(gè)變壓器(48)中的至少一個(gè)包括與所述多個(gè)變壓器(48)中另外的變壓器不同的匝數(shù)比的一次繞組￠8)和相應(yīng)的二次繞組(70)。
6.如權(quán)利要求5所述的多級(jí)逆變器(22)，其中所述不同的匝數(shù)比產(chǎn)生多級(jí)凈輸出電壓(86)。
7.—種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(12)，包括 功率源；以及 多級(jí)逆變器(22)，其包括 多個(gè)橋(60)，每個(gè)橋配置成接收輸入DC電力(32)的相應(yīng)部分并且將所述輸入DC電力(32)的所述相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)部分； 至少一個(gè)橋控制器(42)，用于采用方形波形模式操作所述多個(gè)橋(60)中的至少一個(gè)，多個(gè)變壓器(48)，每個(gè)變壓器耦合于相應(yīng)的橋￠0)并且配置成增加所述相應(yīng)的橋(60)的轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的所述相應(yīng)部分的電壓水平，其中所述多個(gè)變壓器(48)的每個(gè)包括一次繞組￠8)和二次繞組(70)，所述一次繞組￠8)耦合于所述相應(yīng)的橋(60)，所述二次繞組(70)與所述一次繞組￠8)配對(duì)并且與其它二次繞組(70)串聯(lián)耦合以組合所述轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)的增加的電壓水平部分；以及 電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器(52)，其電耦合于所述多個(gè)變壓器(48)的串聯(lián)連接的二次繞組(70)并且配置成提供輸出電力(34)用于電網(wǎng)(36)。
8.一種用于功率轉(zhuǎn)換的方法(100)，包括 將輸入DC電力(32)分成所述輸入DC電力(32)的多個(gè)部分； 將所述輸入DC電力(32)的每個(gè)相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)部分，其中使用方形波形模式來轉(zhuǎn)換所述輸入DC電力(32)的部分中的至少一些； 增加轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)部分的電壓； 串聯(lián)組合轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的增加的電壓部分以提供組合的AC電力(72);以及 轉(zhuǎn)換所述組合的AC電力(72)以提供輸出電力(34)用于電網(wǎng)(36)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中將所述輸入DC電力(32)的部分轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的部分包括以處于或高于幾千赫的頻率開關(guān)多個(gè)橋(60)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中增加轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng) 部分的電壓包括使用多個(gè)變壓器(48)在不同的水平增加電壓來提供不同水平的電壓，其中所述變壓器(48)中的至少一個(gè)具有與所述多個(gè)變壓器(48)中的其它變壓器不同的匝數(shù)比。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于功率轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法。提供多級(jí)逆變器(22)。該多級(jí)逆變器(22)包括多個(gè)橋(60)，每個(gè)橋配置成接收輸入DC電力(32)的相應(yīng)的部分并且將該相應(yīng)部分轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的轉(zhuǎn)換的AC電力(44)。該多級(jí)逆變器(22)還包括至少一個(gè)橋控制器(42)，用于采用方形波形模式操作多個(gè)橋(60)中的至少一個(gè)。該多級(jí)逆變器(22)進(jìn)一步包括多個(gè)變壓器(48)，每個(gè)變壓器耦合于相應(yīng)的橋(60)并且配置成增加轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)部分的電壓水平。這些多個(gè)變壓器(48)進(jìn)一步包括二次繞組(70)，其與其它二次繞組(70)串聯(lián)耦合以組合轉(zhuǎn)換的AC電力(44)的相應(yīng)增加的電壓水平部分。該多級(jí)逆變器(22)還包括電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器(52)，其配置成提供輸出電力(34)用于電網(wǎng)(36)。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK102739095SQ20121010386
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者R·N·拉朱 申請(qǐng)人:通用電氣公司