本發(fā)明一般地涉及海上風(fēng)力渦輪機(jī)，并且具體地涉及從海上風(fēng)力渦輪機(jī)獲得電力。

背景技術(shù)：

典型的大規(guī)模海上風(fēng)電場架構(gòu)包括多個風(fēng)力渦輪機(jī)以及發(fā)電機(jī)和集電網(wǎng)，以用于收集所生成的電力并且例如經(jīng)由高壓dc(hvdc)或高壓ac(hvac)傳輸系統(tǒng)將其傳輸?shù)疥懮?。hvac或hvdc傳輸?shù)倪x擇主要取決于從海上風(fēng)電場到陸上電網(wǎng)連接點(diǎn)的距離。

還考慮了使用低頻ac(lfac)以高電壓向陸上電網(wǎng)連接點(diǎn)的傳輸。雖然來自海上風(fēng)電場的lfac傳輸在陸上電網(wǎng)連接點(diǎn)處需要附加的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備，但是它的使用可以延長在海上風(fēng)電場和陸上電網(wǎng)連接點(diǎn)之間的hvac連接的經(jīng)濟(jì)距離。

在海上風(fēng)電場中的低頻收集和傳輸?shù)囊阎椒ㄖ校退侔l(fā)電機(jī)產(chǎn)生具有16.7hz或20hz的標(biāo)稱頻率的ac輸出。所產(chǎn)生的電使用一個或多個升壓變壓器耦合到lfac傳輸系統(tǒng)中。然而，本文認(rèn)識到，該方法具有許多缺點(diǎn)，包括需要使用不期望的大型設(shè)備。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本文的教導(dǎo)的一個方面，一種用于從風(fēng)力渦輪機(jī)獲得電力的系統(tǒng)提供關(guān)于海上風(fēng)力渦輪機(jī)的有利操作，其中發(fā)電和收集設(shè)備的尺寸和重量是關(guān)鍵考慮因素。所構(gòu)想的系統(tǒng)包括一種裝置，該裝置被配置用于基于模塊化多電平轉(zhuǎn)換器或mmc的有利配置來收集處于固定低頻和期望的收集電壓的風(fēng)力生成的電力。

在更具體的示例中，所構(gòu)想的系統(tǒng)被配置用于獲得海上風(fēng)力渦輪機(jī)場中的電力并且包括第一裝置，該第一裝置包括：變速箱，所述變速箱被配置為將風(fēng)力渦輪機(jī)的可變第一轉(zhuǎn)速機(jī)械地改變?yōu)檩^高可變第二轉(zhuǎn)速。該裝置相應(yīng)地包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)具有在從約50hz到約150hz的范圍中的用于全功率輸出的額定電氣頻率。發(fā)電機(jī)被配置為通過所述變速箱的輸出以所述可變第二轉(zhuǎn)速被驅(qū)動，并且由此以相應(yīng)可變的第一頻率發(fā)電。進(jìn)而，該裝置包括ac到ac轉(zhuǎn)換器，該ac到ac轉(zhuǎn)換器被配置為將來自所述發(fā)電機(jī)的電力轉(zhuǎn)換成ac到ac轉(zhuǎn)換器輸出的電力，ac到ac轉(zhuǎn)換器處于固定低頻以用于以所述固定低頻的海上收集，其中所述固定低頻低于公用電網(wǎng)頻率。

mmc具有轉(zhuǎn)換器輸入和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器輸出，并且進(jìn)一步包括相關(guān)聯(lián)的模塊化轉(zhuǎn)換電路?？偟膩碚f，這樣的電路被配置為在期望用于從所述發(fā)電機(jī)輸出的電力的所述可變第一頻率的可變頻率范圍上接收輸入電力，并且將所輸入的電力轉(zhuǎn)換成處于所述固定低頻的從所述mmc輸出的電力。在一些實(shí)施例中，該裝置包括連接在發(fā)電機(jī)和mmc之間的升壓變壓器，在該實(shí)現(xiàn)中，mmc的輸入電力來自升壓變壓器而不是直接來自發(fā)電機(jī)的輸出。此外，一個或多個實(shí)施例的mmc包括具有級聯(lián)的功率電子開關(guān)電路的輸入橋和具有串聯(lián)的功率電子開關(guān)的輸出橋。輸入橋和輸出橋經(jīng)由呈現(xiàn)時變dc電壓的共享dc鏈路以背對背配置連接。

在另一示例中，一種用于獲得在海上風(fēng)力渦輪機(jī)場中的電力的方法包括：經(jīng)由變速箱將風(fēng)力渦輪機(jī)的可變第一轉(zhuǎn)速機(jī)械地改變?yōu)檩^高可變第二轉(zhuǎn)速；以及基于經(jīng)由所述變速箱的輸出驅(qū)動發(fā)電機(jī)來生成處于可變第一頻率的電力，該發(fā)電機(jī)具有在約50hz至約150hz的范圍中的用于全功率輸出的額定電氣頻率。該方法進(jìn)一步包括經(jīng)由mmc將來自發(fā)電機(jī)的電力轉(zhuǎn)換成處于固定低頻的電力，以用于以比電網(wǎng)頻率更低的所述固定低頻的海上收集。

在另一示例性實(shí)施例中，一種裝置包括mmc，其包括用于將可變頻率ac電力轉(zhuǎn)換成固定低頻ac電力的功率模塊。功率模塊包括輸入橋，其被配置為在從ac電源可變頻率范圍上的接收輸入ac電力。輸入橋包括多個mmc臂，其中每個mmc臂被耦合到dc鏈路，并且包括配置為合成正和負(fù)電壓的級聯(lián)的功率電子開關(guān)電路。功率模塊進(jìn)一步包括輸出橋，其經(jīng)由dc鏈路被耦合到輸入橋并且被配置為以固定低頻提供輸出ac電力。輸出橋包括將所述dc鏈路耦合到所述功率模塊的ac輸出的多個串聯(lián)連接的功率電子開關(guān)。

相應(yīng)地，控制電路被配置為控制所述輸入橋內(nèi)的所述功率電子開關(guān)電路的開關(guān)，以產(chǎn)生關(guān)于對應(yīng)于所述輸出ac電力的整流版本的dc鏈路的時變dc曲線，并且控制所述輸出橋內(nèi)的串聯(lián)連接的功率電子開關(guān)的開關(guān)，以在所述時變dc曲線的零或接近零時刻時進(jìn)行開關(guān)。在涉及三個電相的示例性配置中，該裝置包括三個這樣的功率模塊集合，其中每個功率模塊提供用于作為所述ac電源進(jìn)行操作的三相源的一個電氣相的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)然，本發(fā)明不限于上述特征和優(yōu)點(diǎn)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀下面的詳細(xì)描述時并且在查看附圖時，將認(rèn)識到其他特征和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是用于從海上風(fēng)力渦輪機(jī)場獲得電力的系統(tǒng)和裝置的一個實(shí)施例的框圖。

圖2是從海上風(fēng)力渦輪機(jī)獲得電力的方法的一個實(shí)施例的邏輯流程圖。

圖3是用于從相應(yīng)海上風(fēng)力渦輪機(jī)獲得電力的裝置的另一實(shí)施例和用于海上低頻集電網(wǎng)的相應(yīng)實(shí)施例的框圖。

圖4和圖5是如本文教導(dǎo)的混合模塊化多電平轉(zhuǎn)換器(mmc)的示例性單相實(shí)施例的框圖。

圖6和圖7是如本文教導(dǎo)的混合模塊化多電平變換器(mmc)的示例性三相實(shí)施例的框圖。

圖8和圖9是設(shè)置有隔離輸入ac電力的混合mmc的三相配置的其他示例的框圖。

圖10是在圖4和圖5中引入的單相混合mmc的示例性波形圖。

圖11是經(jīng)由混合mmc從圖10中所描繪的dc鏈路波形得到的示例性lfac輸出波形圖。

圖12和圖13是具有關(guān)于lfac輸出的附加級聯(lián)級的混合mmc的示例性實(shí)施例的框圖，并且在可變頻率輸入側(cè)的多繞組發(fā)電機(jī)或變壓器的上下文中示出。

具體實(shí)施方式

圖1示出了每一個被配置為獲得海上風(fēng)電場中的電力的多個類似的裝置10-1、10-2、...和10-n。更具體地，每個裝置與給定的風(fēng)力渦輪機(jī)8相關(guān)聯(lián)，并且包括變速箱12、發(fā)電機(jī)14、可選升壓變壓器16以及ac到ac轉(zhuǎn)換器18。除非后續(xù)為了清楚起見的需要，附圖標(biāo)記“10”將用于以單數(shù)意義指代任何給定的裝置10，并且以復(fù)數(shù)意義指代任何給定的裝置10。

多個裝置10連接到低頻海上集電網(wǎng)20，集電網(wǎng)20包括一個或多個饋電線22，這里示為饋電線22-1、22-2、...、22-m。m的值是通常小于n(即，裝置10的數(shù)目)的值的整數(shù)，因?yàn)槊總€饋電線22通常將與多于一個的裝置10相關(guān)聯(lián)。然而，概括地，每個饋電線22被耦合到多個裝置10當(dāng)中的一個或多個裝置10，并且將來自其關(guān)聯(lián)的裝置10的電力收集到低頻海上集電網(wǎng)20中。

該圖進(jìn)一步描繪了設(shè)置在風(fēng)力渦輪機(jī)處8的多個保護(hù)設(shè)備24，以用于將相應(yīng)的裝置10與低頻海上集電網(wǎng)20耦合。在包括在低頻海上集電網(wǎng)20中的中心變電站30內(nèi)使用其他保護(hù)設(shè)備24，以用于耦合饋電線22和低頻收集變壓器28。更具體地，可以看出，來自低頻收集變壓器28(也被稱為“升壓變壓器28”)的輸出耦合到包括一個或多個傳輸線34的低頻高壓傳輸系統(tǒng)32中，一個或多個傳輸線34承載從低頻海上集電網(wǎng)20輸出到陸上設(shè)備36的電力。進(jìn)而，在需要或不需要進(jìn)一步電壓調(diào)整的情況下，陸上設(shè)備36將來自海上風(fēng)的電力轉(zhuǎn)換成用于耦合到陸上電網(wǎng)38中的正確頻率。

陸上電網(wǎng)38包括例如以50hz或60hz進(jìn)行操作的陸上傳輸系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，低頻海上集電網(wǎng)20被配置為例如以陸上電網(wǎng)38的頻率的三分之一進(jìn)行操作，例如對于50hz公用電網(wǎng)頻率為約16hz，并且對于60hz公用電網(wǎng)頻率為約20hz。

考慮到這些示例性細(xì)節(jié)，那么圖1的圖可以被理解為公開了一種系統(tǒng)40，該系統(tǒng)40被配置用于獲得在海上風(fēng)力渦輪機(jī)場中的電力。在最小配置中，系統(tǒng)40包括前述裝置10中的至少第一個。在一些實(shí)施例中，第一裝置10包括變速箱12，變速箱12被配置為將風(fēng)力渦輪機(jī)8的可變第一旋轉(zhuǎn)速機(jī)械地改變?yōu)楦叩目勺兊诙D(zhuǎn)速。作為非限制性示例，變速箱提供從約10比1到100比1的輸入到輸出匝數(shù)比。

第一裝置10進(jìn)一步包括發(fā)電機(jī)14，發(fā)電機(jī)14具有在從約50hz至約150hz的范圍中的用于全功率輸出的額定電氣頻率。例如，發(fā)電機(jī)14具有用于全功率輸出的75hz的額定電氣頻率。這里期望以基本上高于風(fēng)力渦輪機(jī)8的轉(zhuǎn)速的頻率發(fā)電。這些較高頻率通過變速箱12中的機(jī)械齒輪傳動和/或通過配置發(fā)電機(jī)14中的電極的數(shù)目來獲得。然而，在任何給定時刻從發(fā)電機(jī)14輸出的電力的實(shí)際頻率將與風(fēng)力渦輪機(jī)8的轉(zhuǎn)速成比例，并且將隨著風(fēng)力渦輪機(jī)8的轉(zhuǎn)速而變化。

從發(fā)電機(jī)14輸出的電力在這里被稱為具有可變第一頻率，在圖中被表示為f1。在實(shí)際操作的非限制性示例中，根據(jù)實(shí)際風(fēng)速，第一可變頻率的范圍可以是約20hz至約150hz。更具體地，所生成的電力的可變第一頻率可以隨著風(fēng)速的變化與發(fā)電機(jī)的額定電氣頻率偏離或改變。例如，具有用于全功率輸出的50hz的額定電氣頻率的發(fā)電機(jī)14可以根據(jù)風(fēng)速的改變來以在約20hz和約50hz之間的范圍中的相應(yīng)可變頻率發(fā)電。在較低的風(fēng)速下，發(fā)電機(jī)可以在20hz附近操作，而在較高的風(fēng)速下，發(fā)電機(jī)可以在50hz附近操作。

示例性第一裝置10進(jìn)一步包括實(shí)現(xiàn)為混合模塊化多電平轉(zhuǎn)換器或mmc的ac到ac轉(zhuǎn)換器18。ac至ac轉(zhuǎn)換器被配置為將來自發(fā)電機(jī)14的電力轉(zhuǎn)換為以固定低頻(在圖中表示為f2)從ac至ac轉(zhuǎn)換器18輸出的電力，以用于以固定低頻的海上收集。固定低頻低于目標(biāo)公用電網(wǎng)頻率。在一些情況下，選擇該固定低頻為約為公用電網(wǎng)頻率的三分之一的值可能是有益的，其在圖中表示為f3。注意，ac到ac轉(zhuǎn)換器18在省略升壓變壓器16的情況下直接對發(fā)電機(jī)14輸出的電力進(jìn)行操作，并且在包括升壓變壓器16的情況下間接地進(jìn)行操作。

在后者情況下，第一裝置10進(jìn)一步包括被設(shè)置或連接在發(fā)電機(jī)14和ac到ac轉(zhuǎn)換器18之間的升壓變壓器16。升壓變壓器16具有與在第一裝置中發(fā)電機(jī)14的額定電氣頻率匹配或相對應(yīng)的額定頻率。也就是說，升壓變壓器16的額定頻率補(bǔ)充發(fā)電機(jī)14的額定頻率，并且與在升壓變壓器16被額定為例如20hz在或低于20hz時可以實(shí)踐的相比，用所公開的裝置10的配置獲得的通常較高的電氣頻率有利地導(dǎo)致升壓變壓器16具有更輕和更緊湊的構(gòu)造。

升壓變壓器16被配置為升高從發(fā)電機(jī)14輸出的電力的電壓，并且由此輸出處于升壓的電壓的電力。相應(yīng)地，ac到ac轉(zhuǎn)換器18被配置為轉(zhuǎn)換從升壓變壓器16以升壓電壓輸出的電力。也就是說，ac到ac轉(zhuǎn)換器18對處于升壓電壓的電力進(jìn)行操作。然而，該電力仍然被認(rèn)為來自發(fā)電機(jī)14，因?yàn)槠渫ㄟ^升高發(fā)電機(jī)14的輸出電壓而被直接獲得。

在這樣的實(shí)施例的一個示例中，發(fā)電機(jī)14被配置為輸出在約690v至約13kv的電壓范圍中的電力，并且升壓變壓器16被配置為輸出在約13kv至約72kv的電壓范圍中的電力。在相同或其他實(shí)施例中，ac至ac轉(zhuǎn)換器18被配置為輸出處于在約16hz至約20hz的范圍中的固定低頻的電力。參見圖1中的圈出數(shù)字注釋供參考。

參考這些圈出的注釋數(shù)字作為“項(xiàng)目”編號，項(xiàng)目1表示風(fēng)力渦輪機(jī)8的可變第一旋轉(zhuǎn)速度。項(xiàng)目2表示從變速箱12輸出的更高的可變第二轉(zhuǎn)速，如從風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)械地得到的。項(xiàng)目3表示從發(fā)電機(jī)14輸出的電力，其具有第一電壓和可變第一頻率。

繼續(xù)項(xiàng)目參考，項(xiàng)目4表示從升壓變壓器16輸出的電力，其具有相對于發(fā)電機(jī)電壓的升壓的電壓。該升壓的電壓可以被稱為第二電壓電平，其高于由發(fā)電機(jī)14提供的第一電壓電平。因?yàn)樵谝恍?shí)施例中包括升壓變壓器16而在其他實(shí)施例中不包括，所以ac到ac轉(zhuǎn)換器18用項(xiàng)目3或項(xiàng)目4標(biāo)記，指示ac到ac轉(zhuǎn)換器18可以接收處于第一或第二電壓電平的電力。在任何一種情況下，ac到ac轉(zhuǎn)換器18輸出具有固定低頻的電力，其被表示為項(xiàng)目5。應(yīng)當(dāng)理解，ac到ac轉(zhuǎn)換器18的輸出處的電力在省略了升壓變壓器16的實(shí)施例中可以處于發(fā)電機(jī)電壓處，或者在包括升壓變壓器16的實(shí)施例中處于升壓變壓器16的升壓電壓處。

進(jìn)一步看出，饋電線22以從耦合到每個相應(yīng)饋電線22的ac到ac轉(zhuǎn)換器18輸出的任何電壓進(jìn)行操作。因此，項(xiàng)目5指定被傳播到低頻海上集電網(wǎng)20中，并且承載在低頻海上集電網(wǎng)20內(nèi)的一個或多個母線26上，以用于輸入到變電站升壓變壓器28。相應(yīng)地，升壓變壓器28將集電網(wǎng)電壓升壓到更高的電壓，其被稱為第三電壓電平或傳輸電壓，用項(xiàng)目6表示。該后者定指示從升壓變壓器28輸出的電壓是用于低頻高壓傳輸系統(tǒng)32的電壓。

雖然預(yù)期具有僅包括如上所述的第一裝置10的系統(tǒng)40，但是系統(tǒng)40的其他實(shí)施例包括包含第一裝置10的多個類似的裝置10。每個裝置10與海上風(fēng)電場中的風(fēng)力渦輪機(jī)8中的相應(yīng)的一個相關(guān)聯(lián)，并且每一個都包括變速箱12、發(fā)電機(jī)14和ac到ac轉(zhuǎn)換器18。在這種實(shí)施例中的“整體”系統(tǒng)40進(jìn)一步包括一個或多個饋電線22，其包括低頻海上集電網(wǎng)20。每個這樣的饋電線22被配置為收集從每個裝置10的ac到ac轉(zhuǎn)換器18輸出的電力。也就是說，每個饋電線22與裝置10中的一個或多個相關(guān)聯(lián)，并且被配置為“收集”處于固定低頻的從關(guān)聯(lián)的裝置10輸出的電力。

低頻海上集電網(wǎng)20包括具有公共升壓變壓器28的中心變電站30，其配置為升高由饋電線22中的一個或多個收集的電力。此外，如前所述，低頻海上集電網(wǎng)20被配置為以升高的電壓輸出電力，以用于經(jīng)由低頻高壓傳輸系統(tǒng)32傳輸?shù)疥懮想娋W(wǎng)38。在一些實(shí)施例中，每個饋電線22被配置用于并行收集由耦合到饋電線的多個裝置10當(dāng)中的那些裝置10輸出電力。

圖2示出了從海上風(fēng)力渦輪機(jī)場獲得電力的相關(guān)方法200。方法200包括將風(fēng)力渦輪機(jī)8的可變第一轉(zhuǎn)速機(jī)械地改變(框202)為相應(yīng)的更高的可變第二轉(zhuǎn)速，并且基于以可變第二轉(zhuǎn)速驅(qū)動發(fā)電機(jī)14來以可變第一頻率生成(框204)電力。發(fā)電機(jī)14具有在從約50hz到約150hz的范圍內(nèi)的用于全功率輸出的額定電氣頻率。因此，盡管從發(fā)電機(jī)14輸出的電力的標(biāo)稱頻率可以被取為其額定頻率，但是實(shí)際電力將具有作為風(fēng)速的函數(shù)的可變第一頻率。

方法200進(jìn)一步包括將從發(fā)電機(jī)14輸出的電力轉(zhuǎn)換(框208)為處于固定低頻的電力，以用于處于固定低頻的海上收集。固定低頻低于陸上電網(wǎng)38的電網(wǎng)頻率，并且將理解，上述ac到ac轉(zhuǎn)換器18執(zhí)行預(yù)期的轉(zhuǎn)換。

一些實(shí)施例包括在框208中的轉(zhuǎn)換操作之前的升高(框206)從發(fā)電機(jī)14輸出的電力的電壓的其他步驟或操作。例如，每個裝置10包括連接在相同裝置10中的發(fā)電機(jī)14和ac到ac轉(zhuǎn)換器18之間的升壓變壓器16。在包括時，升壓變壓器16具有與發(fā)電機(jī)14的額定電氣頻率匹配或以其他方式對應(yīng)的額定電氣頻率。

在一些實(shí)施例中，方法200包括：經(jīng)由低頻海上集電網(wǎng)20收集(框210)在框208中使用的從ac到ac轉(zhuǎn)換器輸出的電力以獲得處于固定低頻的電力，以及從與海上風(fēng)電場中的其他風(fēng)力渦輪機(jī)8相關(guān)聯(lián)的任何類似的轉(zhuǎn)換器18產(chǎn)生的電力的其他步驟或操作，并且升高(框212)從低頻海上集電網(wǎng)20輸出的電力的電壓，以用于經(jīng)由低頻高壓傳輸系統(tǒng)32傳輸?shù)疥懮显O(shè)備36。陸上設(shè)備36提供關(guān)于陸上電網(wǎng)38所需要的任何頻率和/或電壓調(diào)整。

暫時返回參考圖1，風(fēng)力渦輪機(jī)8可以被分組并且連接到低頻海上集電網(wǎng)20的不同饋電線22。在每個裝置10包括在發(fā)電機(jī)14和ac到ac轉(zhuǎn)換器18之間的升壓變壓器16的實(shí)施例中，使得與每個這樣的裝置10相關(guān)聯(lián)的風(fēng)力渦輪機(jī)8的輸出“匹配”低頻海上集電網(wǎng)20的期望電壓和頻率。換言之，在可變風(fēng)速下進(jìn)行操作的每個發(fā)電機(jī)14的可變頻率和可變電壓輸出被變換成低頻海上集電網(wǎng)20的額定頻率和額定電壓，例如20hz的額定頻率為和33kv的額定電壓。然后，有利地，裝置10允許多個風(fēng)力渦輪機(jī)8并聯(lián)連接到給定的饋電線22。以例如33kv操作的饋電線22可以經(jīng)濟(jì)地傳輸30-50mw的電功率。

在預(yù)期的示例中，多達(dá)十個風(fēng)力渦輪機(jī)8與給定的饋電線22相關(guān)聯(lián)，每一個具有5mw的額定容量，其中其他饋電線22從其他多個風(fēng)力渦輪機(jī)8獲得電力。電力在每個這樣的饋電線22上被并行“收集”，并且在中心變電站30處被匯聚。在示例性配置中，多個裝置10中的發(fā)電機(jī)14中的每一個被配置為輸出在例如6.6kv至13.8kv的電壓范圍中的電力。當(dāng)然，也可以配置更高的輸出電壓。在這樣的電壓下，在不使用中間升壓變壓器16的情況下，在相同的裝置10中將每個發(fā)電機(jī)14的輸出耦合到ac到ac轉(zhuǎn)換器18是經(jīng)濟(jì)的。

圖3示出了用于收集從每個裝置10輸出的固定低頻電力的集群架構(gòu)的另一變體。這里，各個裝置10省略ac至ac轉(zhuǎn)換器18。替代地，ac至ac轉(zhuǎn)換為固定低頻由位于中心的一個或多個ac至ac轉(zhuǎn)換器50來處理，優(yōu)選地在用于支持中心變電站30的同一平臺上。注意，在該基于集群的架構(gòu)中，對應(yīng)于故障風(fēng)力渦輪機(jī)8或故障裝置10的保護(hù)設(shè)備24可以用于與受影響的裝置10斷開。

圖4和圖5是如本文教導(dǎo)的被實(shí)現(xiàn)為混合mmc的ac至ac轉(zhuǎn)換器18的示例性單相實(shí)施例的框圖。具體地，圖4示出了在圖中用“x”和附圖標(biāo)記“100”表示的“功率模塊”。功率模塊100被配置為將經(jīng)由ac輸入102對其輸入的可變頻率ac電力轉(zhuǎn)換成經(jīng)由ac輸出104從其輸出的固定低頻ac電力。

轉(zhuǎn)到圖5的細(xì)節(jié)，功率模塊100包括輸入橋106、輸出橋108和將輸入橋106連接到輸出橋108的dc鏈路110。輸入橋106被配置為從ac電源接收在可變頻率范圍上的輸入ac電力。盡管在圖4和圖5中沒有明確示出電源，但是在上述裝置10的上下文中，發(fā)電機(jī)14作為輸入ac電力的源進(jìn)行操作。當(dāng)然，該輸入電力在被施加到ac至ac轉(zhuǎn)換器18的ac輸入102之前，通過升壓變壓器16來在電壓上被升高。

輸入橋106包括多個mmc臂112，其中每個mmc臂112被耦合到dc鏈路110的一側(cè)，即圖5中的耦合到dc鏈路110的vd+側(cè)的mmc臂112可以被視為“上”臂，而耦合到dc鏈路110的vd-側(cè)的mmc臂112可以被視為“下”臂。每個mmc臂112包括級聯(lián)的功率電子開關(guān)電路，其被配置為合成正電壓和負(fù)電壓。這些級聯(lián)的功率電子開關(guān)電路可以被再分組至堆疊單元114中，如在圖5的非限制性示例中所示，其中每個單元包括開關(guān)電路裝置116。

每個單元114可以包括例如全橋開關(guān)電路或半橋開關(guān)電路。更一般地，單元114中的開關(guān)電路不限于全橋或半橋配置。例如，單元114可以包括全橋、半橋和其他類型的開關(guān)拓?fù)涞幕旌稀mc臂112及其所包括的單元114的唯一要求是能夠合成正電壓和負(fù)電壓。

經(jīng)由dc鏈路110耦合到輸入橋106的輸出橋108被配置為以固定低頻提供來自ac輸出104的輸出ac電力。如所示示例中所示，輸出橋108包括將dc鏈路耦合到功率模塊100的ac輸出104的多個串聯(lián)連接的功率電子開關(guān)。在該示例中，在輸出橋108內(nèi)存在多個功率電子開關(guān)120，并且每個這樣的開關(guān)120本身可以包括功率電子設(shè)備122的堆疊或級聯(lián)裝置，以用于降低在每個這樣的設(shè)備上看到的有效電壓。

為了便于功能解釋，可以看到輸出橋108中標(biāo)記為“t1”和“t3”的兩個功率電子開關(guān)120，以及輸出橋108中標(biāo)記為“t2”和“t4”的兩個功率電子開關(guān)120。開關(guān)t1形成將dc鏈路110的vd+側(cè)選擇性地連接到ac輸出104的第一端子的一個開關(guān)引腳或分支，而開關(guān)t3形成從dc鏈路110的vd+側(cè)到ac輸出104的另一個第二端子的并行引腳或分支。再次，該圖示是針對單相實(shí)現(xiàn)，因此ac輸出104可以被視為提供線路和中性輸出端子。以互補(bǔ)的方式，開關(guān)t2將dc鏈路110的vd-側(cè)選擇性地連接到ac輸出104的第一端子，并且開關(guān)t4選擇性地將dc鏈路110的vd-側(cè)連接到ac輸出104的第二端子。

ac至ac轉(zhuǎn)換器18進(jìn)一步包括控制電路130，其被配置為控制在輸入橋106內(nèi)的單元/功率電子開關(guān)電路114/116的開關(guān)，以產(chǎn)生dc鏈路110的對應(yīng)于輸出ac電力的整流版本的時變dc曲線?？刂齐娐?30進(jìn)一步被配置為控制輸出橋108內(nèi)的串聯(lián)連接的功率電子開關(guān)120的開關(guān)，以在時變dc曲線的零或接近零的時刻進(jìn)行開關(guān)。

考慮到上述示例細(xì)節(jié)，可以理解，ac至ac轉(zhuǎn)換器18有利地將級聯(lián)h橋(chb)轉(zhuǎn)換器和傳統(tǒng)模塊化多級轉(zhuǎn)換器二者的各方面組合在新的混合模塊化多電平ac-ac轉(zhuǎn)換器配置中。與chb轉(zhuǎn)換器相比，ac至ac轉(zhuǎn)換器18需要更少的隔離功率輸入。與常規(guī)mmc相比，ac至ac轉(zhuǎn)換器18可以需要較少的轉(zhuǎn)換器單元容量以用于與lfac對接。

如上所述，每個功率模塊100中的輸入橋106的上下mmc臂112可以合成正電壓和負(fù)電壓(例如，varm1可以在一個時間為>0，在另一時間<0)。示例包括包含全橋單元114的mmc臂112或者包含全橋或半橋單元114的混合的mmc臂112。相應(yīng)地，如所指出的，輸出橋108由可以主動接通或斷開的串聯(lián)連接的功率電子設(shè)備組成。

因?yàn)閙mc臂112能夠輸出負(fù)電壓，所以dc鏈路110上的電壓可以周期性地被減小到零或接近零。這樣，輸出橋108可以在接近零的電壓處進(jìn)行開關(guān)，顯著減小用于形成輸出橋108的串聯(lián)連接的功率電子開關(guān)120上的電壓應(yīng)力。此外，作為采用輸入橋106的結(jié)構(gòu)的結(jié)果，用于形成單元114的功率電子開關(guān)也在控制電路130的控制下在低電壓時進(jìn)行開關(guān)。這種操作允許所公開的ac至ac轉(zhuǎn)換器在工作電壓中按比例增加。

圖6示出了ac至ac轉(zhuǎn)換器18的另一實(shí)施例，該實(shí)施例包括配置為在其ac輸入102上接收三個電相位的功率模塊100。圖7示出了用于輸入橋106的相應(yīng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，其包括三個上臂112，其中的每一個將一個輸入相連接到dc鏈路110的vd+側(cè)，并且其進(jìn)一步包括三個下臂112，其中的每一個將一個輸入相位連接到dc鏈路110的vd-側(cè)。

圖8和圖9示出了ac至ac轉(zhuǎn)換器18的其他多相實(shí)現(xiàn)。具體地，在圖8和圖9中，可以看到用于三個電相中的每一個的功率模塊100，其中為了方便起見，使用字母后綴來區(qū)分模塊100，例如模塊100-a、模塊100-b和模塊100-c。因此，應(yīng)當(dāng)理解，在至少一些實(shí)施例中，ac到ac轉(zhuǎn)換器18的混合mmc實(shí)現(xiàn)包括三個功率模塊100的集合，其中每個功率模塊100提供用于作為所述ac電源進(jìn)行操作的三相源的一個電相的轉(zhuǎn)換。在這樣配置中，ac輸入102包括多相輸入，例如輸入102-a、102-b和102-c，并且輸入橋106包括將多相輸入的相應(yīng)相耦合到dc鏈路110的vd+和vd-的mmc臂112的相應(yīng)對。

圖10是與本文提出的ac至ac轉(zhuǎn)換器18的混合mmc實(shí)現(xiàn)的操作相關(guān)聯(lián)的示例性波形圖。參考圖4和圖5可以最好地理解該非限制性示例，涉及ac至ac轉(zhuǎn)換器18及其所包括的功率模塊100的單相實(shí)施例。

從外部系統(tǒng)條件可以得到表示為vac的在ac輸入102的輸入端子處和類似地表示為vlfac的ac輸出104的輸出端子處二者的期望ac電壓波形，以指示從ac至ac轉(zhuǎn)換器18輸出的ac電力的固定低頻特性。

期望的dc鏈路電壓波形是整流的lfac端子電壓波形，即，vdc＝|vlfac|。因此，dc鏈路電壓和電流隨著lfac頻率的兩倍的主要ac分量而隨時間變化。在圖10的圖中，dc鏈路的中點(diǎn)電壓用作參考電壓，即，vdc＝vd+-vd-，并且|vd+|＝|vd|。

從輸入端子(例如，端子vac+)處的期望ac電壓和期望dc鏈路電壓，可以獲得期望mmc上臂電壓作為在正dc電壓和相應(yīng)的ac輸入端子電壓之間的差(例如，vmm1＝vd+-vac+)。類似地，可以獲得期望的mmc下臂電壓作為在相應(yīng)的ac輸入端子電壓和負(fù)dc電壓之間的差(例如，varm2＝vac+-vd-)?？刂齐娐?30控制輸入橋106的mmc臂112中的級聯(lián)單元114的開關(guān)的定時和協(xié)調(diào)以合成期望的臂電壓。

作為另一優(yōu)點(diǎn)，控制電路130控制輸出電橋108中的功率電子開關(guān)120以在零dc電壓或接近零dc電壓時進(jìn)行開關(guān)。例如，當(dāng)在正半周期期間t1和t4導(dǎo)通(并且t2和t3截止)時，ac至ac轉(zhuǎn)換器18輸出在dc鏈路110上看到的時變dc電壓。當(dāng)t2和t3在負(fù)半周期期間導(dǎo)通(并且t1和t4截止)時，ac至ac轉(zhuǎn)換器18輸出在dc鏈路110上看到的時變dc電壓的反轉(zhuǎn)。在圖11中看到從ac輸出104的得到的單相ac波形輸出。

當(dāng)將所公開的ac至ac轉(zhuǎn)換器18配置用于三相輸出時，輸入到每個功率模塊100的ac功率需要被隔離。這種裝置在圖8和圖9中提出，并且更詳細(xì)的示例在圖12和13中示出，圖12和圖13示出了使用隔離的發(fā)電機(jī)繞組或隔離的變壓器繞組來獲得隔離的輸入功率。

此外，圖12和圖13示出了關(guān)于ac輸出104可以使用額外的級聯(lián)級別。具體地，可以看出前述功率模塊100本身可以在輸入橋106中相對于dc鏈路110被級聯(lián)，并且ac輸入102可以用來自多繞組發(fā)電機(jī)或變壓器150的可變頻率ac信號來驅(qū)動。在這個意義上，發(fā)電機(jī)或變壓器150在示例性情況下將被理解為圖1所示的用于給定裝置10的發(fā)電機(jī)14、或者用于升壓用于輸入到ac到ac轉(zhuǎn)換器18的發(fā)電機(jī)電壓的實(shí)施例的升壓變壓器16。

注意，受益于前述描述和相關(guān)附圖中呈現(xiàn)的教導(dǎo)的本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到所公開的發(fā)明的修改和其他實(shí)施例。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的具體實(shí)施例，并且修改和其他實(shí)施例旨在包括被在本公開的范圍內(nèi)。雖然在本文中可以采用特定術(shù)語，但是器僅在一般和描述性意義上使用，而不是為了限制的目的。