具有可重新配置的功率流的功率转换系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本文所描述的技术总体上涉及将由发电机产生的电功率转换为适用于配送或其它用途的AC功率。这种技术例如可以用于将由风力涡轮发电机产生的电功率转换为可以被提供给电网的AC功率。
【背景技术】
[0002]现代工业世界每天都需要大量的电功率。为了产生电功率，设计并制造了发电机以将能量从另一种形式转换为电能。感兴趣的是用于驱动发电机的可再生能源，并且存在通过将机械能(例如，来自自然资源或可再生资源)转换为电能来产生电能的一类发电机。例如，风力涡轮发电机被设计为响应于涡轮叶片的机械旋转而产生电功率，该涡轮叶片采集风能并且该涡轮叶片机械地耦合到驱动发电机的转子以产生电功率的旋转轴。
[0003]存在被设计为通过磁耦合将机械旋转转换为电功率的各种类型的发电机，所述磁耦合响应于变化的磁场而产生电流。这种发电机的示例包括同步发电机和感应发电机。同步发电机的一个不例是永磁发电机。永磁发电机使用转子上的永磁体来产生变化的磁场。同步发电机的另一个示例是励磁发电机。励磁发电机使用通过转子上的导体而建立的电流来产生变化的磁场。在同步发电机中，由转子产生的变化的磁场使定子上的导体产生电流。在感应发电机(例如，双馈感应发电机或DFIG)中，使用磁场在转子中感生涡电流，并且转子的旋转产生了在定子绕组中感生电流的旋转的磁场。风力涡轮发电机中使用的同步发电机和感应发电机通常产生交流(AC)电压和电流(即，AC功率)。
[0004]可以将由风力涡轮发电机产生的功率提供给电力网，或者存储由风力涡轮发电机产生的功率。电力网(下文中也被称为“电网”)通常将AC功率提供给消费者，例如区域或地理地区中的工厂和/或多个消费者。电网可以从一个或多个风力涡轮机和/或其它来源(例如，燃煤发电的发电机)接收功率，并且将功率配送给可能相对地方性的最终消费者，或者可以在相对大的地理地域或区域内配送功率。如此，可能需要电网根据相对于(其它规范中的)可接受的电压电平和频率而言大体上严格的规范来进行操作，并且经常由为特定区域建立的电网准则来调整电网。由风力涡轮发电机产生的AC功率通常不能被直接提供给电网，因为由风力涡轮发电机本身产生的电压通常是幅度和频率可变的并且没有修改，因此由风力涡轮发电机本身产生的电压不可能满足要向其提供电功率的电力网的规范。
[0005]为了解决这个问题，电力电子设备通常用于将由风力涡轮发电机产生的AC功率转换为适用于电力网并且是电力网所期望的AC功率。在典型设计中，电力电子设备包括用于将来自风力涡轮机的AC功率转换为直流(DC)电压的交流到直流(AC/DC)转换模块、以及用于将DC功率转换为适用于风力涡轮机向其供电的电网的AC功率的直流到交流(DC/AC)转换模块。这种电力电子设备可以被实施为风力涡轮机内的或者作为风力涡轮机的部分的功率转换器，并且可以在其输入处耦合到风力涡轮发电机，并且可以被配置为在其输出处耦合到电网(例如，通过输出衰减器(output pad)和/或变压器。
【发明内容】
[0006]—些实施例包括用于对由发电机产生的电功率进行转换的功率转换系统，该功率转换系统包括:至少一个第一功率转换器，其被配置为将来自发电机的交流电转换为直流电；至少一个第二功率转换器，其被配置为将直流电转换为交流电；以及至少一个控制器，其被配置为重新配置所述至少一个第一功率转换器以将直流电转换为交流电和/或被配置为重新配置所述至少一个第二功率转换器以将交流电转换为直流电。
[0007]—些实施例包括使用功率转换系统来转换由发电机产生的电功率的方法，该功率转换系统包括:被配置为将来自发电机的交流电转换为直流电的至少一个第一功率转换器；以及被配置为将直流电转换为交流电的至少一个第二功率转换器，所述方法包括:重新配置所述至少一个第一功率转换器以将直流电转换为交流电；和/或重新配置所述至少一个第二功率转换器以将交流电转换为直流电。
[0008]通过例示的方式提供了以上
【发明内容】
，并且该
【发明内容】
并非是要进行限制。
【附图说明】
[0009]在附图中，出于清楚的目的，可能未在每个附图中对每个部件进行标注。附图并不一定是按照比例绘制的，而是将重点放在对本文所描述的技术和设备的各个方面进行图示上。
[0010]图1A-1F是根据一些实施例的能够进行动态地配置的功率转换系统的示意图。
[0011]图2示出了根据一些实施例的功率转换系统的简图，在所述功率转换系统中可以在电网侧的功率转换模块中使功率流反向。
[0012]图3示出了根据一些实施例的处于第一操作模式的图1的功率转换系统的简图。
[0013]图4示出了根据一些实施例的处于第二操作模式的图1的功率转换系统的简图。
[0014]图5不出了针对不例性风力祸轮发电机的发电机输出功率与发电机RPM(分别被标准化为额定功率和额定RPM)对比的图表。
[0015]图6示出了根据一些实施例的功率转换系统的简图，在所述功率转换系统中可以在发电机侧的功率转换模块中使功率流反向。
[0016]图7示出了根据一些实施例的处于第一操作模式的图5的功率转换系统的简图。
[0017]图8示出了根据一些实施例的处于第二操作模式的图5的功率转换系统的简图。
[0018]图9示出了根据一些实施例的功率转换系统的简图，在所述功率转换系统中可以在电网侧的功率转换模块和发电机侧的功率转换模块中使功率流反向。
[0019]图10是可以控制功率转换系统的操作的说明性计算设备的方框图。
[0020]图11示出了用于将由发电机G产生的功率转换为电网10所需的功率的常规系统的示意图。
【具体实施方式】
[0021]如上所讨论的，电力电子设备可以用于将由发电机(例如，风力涡轮发电机)产生的功率转换为适用于配送和/或使用的功率(例如，提供给电网并且由电网使用的功率)。图11示出了用于将由发电机G产生的功率转换为电网10所需的功率的常规系统的示意图。图11中的功率转换系统包括发电机侧上的两个AC/DC转换模块42和43，所述AC/DC转换模块42和43将由发电机G产生的AC功率转换为DC功率。DC链路将DC功率提供给电网侧上的DC/AC转换模块5和6，所述DC/AC转换模块5和6将DC功率转换为适用于电网10或电网10所需的形式的AC功率。
[0022]相对高功率的风力涡轮发电机可以产生高达一兆瓦特或更高的功率电平。为了处理这种功率电平，多个功率转换模块可以并联连接以使得相对高的功率电平分布在多个并联部件内。图11中所示的示例性系统包括发电机侧上的两个并联的AC/DC转换模块以及电网侧上的两个并联的DC/AC转换模块，然而，可以按照给定的实施方式的需要而使用任何适当数量的转换模块。经常使用一个或多个开关式功率转换器来实施在相对高功率的发电机中所使用的功率转换模块(例如，AC/DC转换模块42和43以及DC/AC转换模块5和6)，所述一个或多个开关式功率转换器使用功率半导体开关(例如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT))，其中，可以响应于在开关的控制端子处所提供的控制信号来接通和关断通过开关的电流。这种半导体开关被称为“硬变流设备”或者“主动变流设备”。
[0023]发明人已经意识到许多这种主动变流设备具有根据通过该设备的电流的方向而执行AC/DC转换和DC/AC转换两者的能力，并且已经认识到这个能力可以用于产生具有优于常规功率转换系统的一个或多个益处和/或优点的功率转换系统。具体而言，发明人已经认识到使用一个或多个功率转换设备作为采用第一模式的AC/DC转换器和采用第二模式的DC/AC转换器的功率转换系统(本文中被称为双重模式或双重模式操作)可以有助于提供如下进一步详细讨论的在一个或多个方面改进的功率转换系统。
[0024]根据一些实施例，包括至少一个功率转换器的功率转换系统可以有助于提供成本降低的和/或更高效的功率转换系统，所述至少一个功率转换器被配置为作为采用第一模式(例如，在第一操作条件下)的AC/DC转换器进行操作，并且被配置为作为采用第二模式(例如，在第二操作条件下)的DC/AC转换器进行操作。例如，主动变流的半导体设备可能相对昂贵。发明人已经意识到在双重模式下操作主动变流设备(例如，电网侧的转换器)允许利用具有被动变流设备(也被称为“线性变流设备”，其示例包括二极管和硅可控整流器(SCR))的相对低成本的整流器来代替(例如，发电机侧上的)一个或多个主动变流设备。例如，可以利用单个整流