[发明专利]用于多级发生器的功率转换系统

说明书

技术领域

本申请涉及将用于通过电磁设备产生的功率转换成可用功率的电路拓扑以及相关联的控制过程，更具体地，用于将从多级电发生器产生的功率转换成供电负载(例如但不限于，电力公司电网)消耗的可用形式的功率。

背景技术

对于传统的流体流动发电涡轮机系统(例如风力涡轮机系统)，其能量源是可变的(即流体速度和流体的流率随时间变化)，从能量源捕获的能量的量可能只是在该时间上可捕获的能量总量的一部分。例如，在典型风力发电场，所述一部分可能只是一半，甚至更少。

由于系统内使用的发生器、功率转换器(如果存在)、输出变压器的限制，所以通过可变速常规涡轮机/发生器/变压器系统的功率流被限制在其能够输出的功率范围内，即从最小输出功率到额定输出功率。由于传统的电磁发生器在较低功率水平具有降低了的效率，功率转换器(如果存在)以及尤其是将功率耦接到电负载的变压器也一样，所以出现了这种限制。因此，对于常规可变速涡轮机/发生器/变压器系统，工程设计决策通常是限制发生器(和任何相关联的功率转换器、功率调节器或功率过滤器，如果存在)以及相关联的输出变压器的额定功率，以便在限定的功率范围内优化效率。因此，在正常工作流速的极端，即在低流速以及尤其是在高流速，比可能从流体能量源中提取的功率更低的功率被耦接进涡轮机。对于涡轮机直径(和可能的轴向长度)的特定设计，随着时间的推移，这转化成的捕获能量可能比涡轮机能够传递给发生器的能量更少。

为了在能量源具有驱动涡轮机的可变流速且涡轮机可具有可变转速的情况下增加能量捕获，多级发生器可用于涡轮系统中。多级发生器是作为电发生器而工作的电磁机器，该电发生器是从原动机获得机械能并产生通常是交流电形式的电能。在美国专利第7081696号和美国专利申请第2008088200号中公开了这种多级发生器，它们都以引用方式并入本文。相比于常规发生器，多级发生器的优点是多级发生器可以根据涡轮机的功率输出动态地确定尺寸。常规发生器在有限的流速范围内能从能量源有效捕获能量，而由于分级的功率特性，多级发生器可以在能量源的扩展的流速范围内捕获能量。

从多级发生器产生的电功率本质上是可变的，这意味着产生的输出功率波形可能会不时改变，例如：电压幅值；电流幅值；相位；和/或频率。另外，多级发生器可能包括多个感应元件，每个感应元件产生它们自己的功率波形，这些功率波形可能在电压幅值、电流幅值、相位和/或频率上不同于由发生器内其他感应元件产生的功率波形。电负载(例如，电力公司电网)可能不能直接地消耗多级发生器产生的电功率，因为所产生的功率可能不是电负载所要求的正确的形式，例如关于时间函数的波形形状、电压幅值、电流幅值、相位和/或频率。电负载(例如，电力公司电网)通常期望从涡轮机电发生系统获得单相或分相或3相电压或电流波形，该波形通常是正弦波且相对稳定，但多级发生器产生变化的波形。

功率转换器电路可用于将电功率波形从一种形式转换为另一种形式。转换器可设计为具体额定的输入电压范围(例如，1000VAC-rms至2000VAC-rms)和额定输入电流范围(例如，100A-rms至5000A-rms)，但是如果输入电压或输入电流(以及由此功率水平)不满足或超过该转换器设计的水平，那么转换器可能不能够工作，或转换器可能会以一种低效的方式工作。对于多级发生器，单一功率转换器不可能适应于广泛地变化的电压波形和产生的功率范围。而且，将功率传递到连接到一个或多个转换器的电负载的单一功率变压器不可能以合理效率来适应可能由多级发生器产生的宽功率范围。

发明内容

为利用由多级发生器产生的电能的优势，期望提供功率转换系统，该功率转换系统将由多级发生器产生的一部分或全部电功率波形组合并且转换成电负载可消耗的可用形式。转换系统应保持高水平的效率，并且便于多级发生器在发生器能够产生的功率范围内有效率地且有效地工作；这意味着功率转换过程不应该限制可以由多级发生器所产生的功率的范围(从最低水平到最高水平)。

包括相关联的控制过程的适当的功率转换系统期望利用在涡轮发电系统内使用多级发生器的益处，导致相比于常规涡轮发电系统，在更大的流速范围上(或者在更大的流体流率范围上)从能量源捕获更高的能量。