具有可重新配置的功率流的功率轉換系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本文所描述的技術總體上涉及將由發(fā)電機產(chǎn)生的電功率轉換為適用于配送或其它用途的AC功率。這種技術例如可以用于將由風力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的電功率轉換為可以被提供給電網(wǎng)的AC功率。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)世界每天都需要大量的電功率。為了產(chǎn)生電功率，設計并制造了發(fā)電機以將能量從另一種形式轉換為電能。感興趣的是用于驅動發(fā)電機的可再生能源，并且存在通過將機械能(例如，來自自然資源或可再生資源)轉換為電能來產(chǎn)生電能的一類發(fā)電機。例如，風力渦輪發(fā)電機被設計為響應于渦輪葉片的機械旋轉而產(chǎn)生電功率，該渦輪葉片采集風能并且該渦輪葉片機械地耦合到驅動發(fā)電機的轉子以產(chǎn)生電功率的旋轉軸。
[0003]存在被設計為通過磁耦合將機械旋轉轉換為電功率的各種類型的發(fā)電機，所述磁耦合響應于變化的磁場而產(chǎn)生電流。這種發(fā)電機的示例包括同步發(fā)電機和感應發(fā)電機。同步發(fā)電機的一個不例是永磁發(fā)電機。永磁發(fā)電機使用轉子上的永磁體來產(chǎn)生變化的磁場。同步發(fā)電機的另一個示例是勵磁發(fā)電機。勵磁發(fā)電機使用通過轉子上的導體而建立的電流來產(chǎn)生變化的磁場。在同步發(fā)電機中，由轉子產(chǎn)生的變化的磁場使定子上的導體產(chǎn)生電流。在感應發(fā)電機(例如，雙饋感應發(fā)電機或DFIG)中，使用磁場在轉子中感生渦電流，并且轉子的旋轉產(chǎn)生了在定子繞組中感生電流的旋轉的磁場。風力渦輪發(fā)電機中使用的同步發(fā)電機和感應發(fā)電機通常產(chǎn)生交流(AC)電壓和電流(即，AC功率)。
[0004]可以將由風力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的功率提供給電力網(wǎng)，或者存儲由風力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的功率。電力網(wǎng)(下文中也被稱為“電網(wǎng)”)通常將AC功率提供給消費者，例如區(qū)域或地理地區(qū)中的工廠和/或多個消費者。電網(wǎng)可以從一個或多個風力渦輪機和/或其它來源(例如，燃煤發(fā)電的發(fā)電機)接收功率，并且將功率配送給可能相對地方性的最終消費者，或者可以在相對大的地理地域或區(qū)域內(nèi)配送功率。如此，可能需要電網(wǎng)根據(jù)相對于(其它規(guī)范中的)可接受的電壓電平和頻率而言大體上嚴格的規(guī)范來進行操作，并且經(jīng)常由為特定區(qū)域建立的電網(wǎng)準則來調(diào)整電網(wǎng)。由風力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的AC功率通常不能被直接提供給電網(wǎng)，因為由風力渦輪發(fā)電機本身產(chǎn)生的電壓通常是幅度和頻率可變的并且沒有修改，因此由風力渦輪發(fā)電機本身產(chǎn)生的電壓不可能滿足要向其提供電功率的電力網(wǎng)的規(guī)范。
[0005]為了解決這個問題，電力電子設備通常用于將由風力渦輪發(fā)電機產(chǎn)生的AC功率轉換為適用于電力網(wǎng)并且是電力網(wǎng)所期望的AC功率。在典型設計中，電力電子設備包括用于將來自風力渦輪機的AC功率轉換為直流(DC)電壓的交流到直流(AC/DC)轉換模塊、以及用于將DC功率轉換為適用于風力渦輪機向其供電的電網(wǎng)的AC功率的直流到交流(DC/AC)轉換模塊。這種電力電子設備可以被實施為風力渦輪機內(nèi)的或者作為風力渦輪機的部分的功率轉換器，并且可以在其輸入處耦合到風力渦輪發(fā)電機，并且可以被配置為在其輸出處耦合到電網(wǎng)(例如，通過輸出衰減器(output pad)和/或變壓器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]—些實施例包括用于對由發(fā)電機產(chǎn)生的電功率進行轉換的功率轉換系統(tǒng)，該功率轉換系統(tǒng)包括:至少一個第一功率轉換器，其被配置為將來自發(fā)電機的交流電轉換為直流電；至少一個第二功率轉換器，其被配置為將直流電轉換為交流電；以及至少一個控制器，其被配置為重新配置所述至少一個第一功率轉換器以將直流電轉換為交流電和/或被配置為重新配置所述至少一個第二功率轉換器以將交流電轉換為直流電。
[0007]—些實施例包括使用功率轉換系統(tǒng)來轉換由發(fā)電機產(chǎn)生的電功率的方法，該功率轉換系統(tǒng)包括:被配置為將來自發(fā)電機的交流電轉換為直流電的至少一個第一功率轉換器；以及被配置為將直流電轉換為交流電的至少一個第二功率轉換器，所述方法包括:重新配置所述至少一個第一功率轉換器以將直流電轉換為交流電；和/或重新配置所述至少一個第二功率轉換器以將交流電轉換為直流電。
[0008]通過例示的方式提供了以上
【發(fā)明內(nèi)容】
，并且該
【發(fā)明內(nèi)容】
并非是要進行限制。
【附圖說明】
[0009]在附圖中，出于清楚的目的，可能未在每個附圖中對每個部件進行標注。附圖并不一定是按照比例繪制的，而是將重點放在對本文所描述的技術和設備的各個方面進行圖示上。
[0010]圖1A-1F是根據(jù)一些實施例的能夠進行動態(tài)地配置的功率轉換系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2示出了根據(jù)一些實施例的功率轉換系統(tǒng)的簡圖，在所述功率轉換系統(tǒng)中可以在電網(wǎng)側的功率轉換模塊中使功率流反向。
[0012]圖3示出了根據(jù)一些實施例的處于第一操作模式的圖1的功率轉換系統(tǒng)的簡圖。
[0013]圖4示出了根據(jù)一些實施例的處于第二操作模式的圖1的功率轉換系統(tǒng)的簡圖。
[0014]圖5不出了針對不例性風力禍輪發(fā)電機的發(fā)電機輸出功率與發(fā)電機RPM(分別被標準化為額定功率和額定RPM)對比的圖表。
[0015]圖6示出了根據(jù)一些實施例的功率轉換系統(tǒng)的簡圖，在所述功率轉換系統(tǒng)中可以在發(fā)電機側的功率轉換模塊中使功率流反向。
[0016]圖7示出了根據(jù)一些實施例的處于第一操作模式的圖5的功率轉換系統(tǒng)的簡圖。
[0017]圖8示出了根據(jù)一些實施例的處于第二操作模式的圖5的功率轉換系統(tǒng)的簡圖。
[0018]圖9示出了根據(jù)一些實施例的功率轉換系統(tǒng)的簡圖，在所述功率轉換系統(tǒng)中可以在電網(wǎng)側的功率轉換模塊和發(fā)電機側的功率轉換模塊中使功率流反向。
[0019]圖10是可以控制功率轉換系統(tǒng)的操作的說明性計算設備的方框圖。
[0020]圖11示出了用于將由發(fā)電機G產(chǎn)生的功率轉換為電網(wǎng)10所需的功率的常規(guī)系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]如上所討論的，電力電子設備可以用于將由發(fā)電機(例如，風力渦輪發(fā)電機)產(chǎn)生的功率轉換為適用于配送和/或使用的功率(例如，提供給電網(wǎng)并且由電網(wǎng)使用的功率)。圖11示出了用于將由發(fā)電機G產(chǎn)生的功率轉換為電網(wǎng)10所需的功率的常規(guī)系統(tǒng)的示意圖。圖11中的功率轉換系統(tǒng)包括發(fā)電機側上的兩個AC/DC轉換模塊42和43，所述AC/DC轉換模塊42和43將由發(fā)電機G產(chǎn)生的AC功率轉換為DC功率。DC鏈路將DC功率提供給電網(wǎng)側上的DC/AC轉換模塊5和6，所述DC/AC轉換模塊5和6將DC功率轉換為適用于電網(wǎng)10或電網(wǎng)10所需的形式的AC功率。
[0022]相對高功率的風力渦輪發(fā)電機可以產(chǎn)生高達一兆瓦特或更高的功率電平。為了處理這種功率電平，多個功率轉換模塊可以并聯(lián)連接以使得相對高的功率電平分布在多個并聯(lián)部件內(nèi)。圖11中所示的示例性系統(tǒng)包括發(fā)電機側上的兩個并聯(lián)的AC/DC轉換模塊以及電網(wǎng)側上的兩個并聯(lián)的DC/AC轉換模塊，然而，可以按照給定的實施方式的需要而使用任何適當數(shù)量的轉換模塊。經(jīng)常使用一個或多個開關式功率轉換器來實施在相對高功率的發(fā)電機中所使用的功率轉換模塊(例如，AC/DC轉換模塊42和43以及DC/AC轉換模塊5和6)，所述一個或多個開關式功率轉換器使用功率半導體開關(例如，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT))，其中，可以響應于在開關的控制端子處所提供的控制信號來接通和關斷通過開關的電流。這種半導體開關被稱為“硬變流設備”或者“主動變流設備”。
[0023]發(fā)明人已經(jīng)意識到許多這種主動變流設備具有根據(jù)通過該設備的電流的方向而執(zhí)行AC/DC轉換和DC/AC轉換兩者的能力，并且已經(jīng)認識到這個能力可以用于產(chǎn)生具有優(yōu)于常規(guī)功率轉換系統(tǒng)的一個或多個益處和/或優(yōu)點的功率轉換系統(tǒng)。具體而言，發(fā)明人已經(jīng)認識到使用一個或多個功率轉換設備作為采用第一模式的AC/DC轉換器和采用第二模式的DC/AC轉換器的功率轉換系統(tǒng)(本文中被稱為雙重模式或雙重模式操作)可以有助于提供如下進一步詳細討論的在一個或多個方面改進的功率轉換系統(tǒng)。
[0024]根據(jù)一些實施例，包括至少一個功率轉換器的功率轉換系統(tǒng)可以有助于提供成本降低的和/或更高效的功率轉換系統(tǒng)，所述至少一個功率轉換器被配置為作為采用第一模式(例如，在第一操作條件下)的AC/DC轉換器進行操作，并且被配置為作為采用第二模式(例如，在第二操作條件下)的DC/AC轉換器進行操作。例如，主動變流的半導體設備可能相對昂貴。發(fā)明人已經(jīng)意識到在雙重模式下操作主動變流設備(例如，電網(wǎng)側的轉換器)允許利用具有被動變流設備(也被稱為“線性變流設備”，其示例包括二極管和硅可控整流器(SCR))的相對低成本的整流器來代替(例如，發(fā)電機側上的)一個或多個主動變流設備。例如，可以利用單個整流