用于操作风力涡轮功率变流器的方法和系统

摘要

本发明涉及用于操作风力涡轮功率变流器的方法和系统。提供了一种用于为负载提供输出功率的功率发生系统(200)。该功率发生系统(200)包括：构造成以便产生交流(AC)输入功率的发电机(120)；耦接到发电机上的功率变流器系统(202)，该功率变流器系统包括构造成以便将AC输入功率转换成输出功率且为负载提供该输出功率的多个变流器线路(224，226，228，230)；以及耦接到功率变流器系统上的变流器控制系统(204)，该变流器控制系统构造成以便至少部分地基于发电机的被监测的操作特性来为功率变流器系统提供第一开关模式和第二开关模式其中之一。

权利要求

1.一种用于为负载提供输出功率的方法，所述方法包括：

将多线路的功率变流器系统耦接到交流发电机上，且耦接到负载上，

监测所述交流发电机的至少一个操作特性；

至少部分地基于被监测的操作特性来为所述多线路的功率变流器系统提供第一开关模式和第二开关模式其中之一；

将所述多线路的功率变流器系统构造成以便根据所述第一开关模式和所述第二开关模式来操作；以及，将所述多线路的功率变流器系统构造成以便将所述交流发电机所提供的交流输入功率转换成用于输送到所述负载的输出功率，并且其中，提供第一开关模式和第二开关模式其中之一包括提供完全交错开关模式、半交错开关模式和非交错开关模式中的一种。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测所述交流发电机的至少一个操作特性包括监测所述交流发电机的旋转速度、由所述交流发电机输出的电压以及调制指数中的至少一个，其中，所述至少一个操作特性基本对应于所述交流输入功率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供第一开关模式和第二开关模式其中之一包括：当被监测的操作特性表明所述交流输入功率在转换功率水平以下时，提供所述第一开关模式；以及当被监测的操作特性表明所述交流输入功率在所述转换功率水平以上时，提供所述第二开关模式。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，提供第一开关模式和第二开关模式其中之一进一步包括：确定小于所述转换功率水平的第一功率水平；

确定大于所述转换功率水平的第二功率水平；

当所述交流输入功率增大超过所述第二功率水平时，从所述第一开关模式转换到所述第二开关模式；以及 当所述交流输入功率降低越过所述第一功率水平时，从所述第二开关模式转换到所述第一开关模式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为所述多线路的功率变流器系统提供所述半交错开关模式包括为所述多线路的功率变流器系统的第一线路和第二线路提供第一开关相，以及为所述多线路的功率变流器系统的第三线路和第四线路提供第二开关相，其中所述第一开关相与所述第二开关相异相一百八十度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供第一开关模式和第二开关模式其中之一包括为包括在所述多线路的功率变流器系统内的多个线路中的各个提供相位移门控信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以第一斩波频率提供所述第一开关模式和以第二斩波频率提供所述第二开关模式，其中所述第二斩波频率低于所述第一斩波频率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，提供第一开关模式和第二开关模式包括：当被监测的操作特性表明所述交流输入功率在转换功率水平以下时，以所述第一斩波频率提供所述第一开关模式；以及当被监测的操作特性表明所述交流输入功率在所述转换功率水平以上时，以所述第二斩波频率提供所述第二开关模式。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将共模电感器定位在所述多线路的功率变流器系统的至少一个线路内，所述共模电感器构造成以便降低所述线路内的共模电流。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括使所述共模电感器的电感值最大，同时将所述共模电感器的通量密度保持在一定范围内。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述多线路的功率变流器系统耦接到所述交流发电机上且耦接到所述负载上包括将所述多线路的功率变流器系统耦接到构造成以便产生可变频率交流输入功率的风力涡轮发电机上，以及将所述多线路的功率变流器系统耦接到基本固定频率的负载上。

12.一种用于为负载提供输出功率的功率发生系统，所述功率发生系统包括：构造成以便产生交流输入功率的发电机；

耦接到所述发电机上的功率变流器系统，所述功率变流器系统包括构造成以便将所述交流输入功率转换成输出功率且为所述负载提供所述输出功率的多个变流器线路；以及耦接到所述功率变流器系统上的变流器控制系统，所述变流器控制系统构造成以便至少部分地基于所述发电机的被监测的操作特性来为所述功率变流器系统提供第一开关模式和第二开关模式其中之一；并且，其中，所述第一开关模式和所述第二开关模式包括完全交错开关模式、半交错开关模式和非交错开关模式中的至少一种。

13.根据权利要求12所述的功率发生系统，其特征在于，所述发电机包括在风力涡轮内。

14.根据权利要求12所述的功率发生系统，其特征在于，所述多个变流器线路包括发电机侧变换器、负载侧变换器和多个电感器。

15.根据权利要求14所述的功率发生系统，其特征在于，所述多个电感器包括构造成以便对所述功率变流器系统提供常模电感的发电机侧电感器和负载侧电感器中的至少一个。

16.根据权利要求14所述的功率发生系统，其特征在于，所述多个电感器包括构造成以便对所述功率变流器系统提供共模电感的至少一个共模电感器，其中，共模电感有利于降低所述功率变流器系统内的共模电流。

17.根据权利要求16所述的功率发生系统，其特征在于，所述共模电感器包括气隙，确定该气隙来提供最大电感值，同时将所述共模电感器的通量密度保持在一定范围内。

18.根据权利要求12所述的功率发生系统，其特征在于，所述被监测的操作特性包括所述发电机的旋转速度、由所述发电机输出的电压以及调制指数中的至少一个，其中所述被监测的操作特性基本对应于交流输入功率水平。

19.根据权利要求12所述的功率发生系统，其特征在于，所述变流器控制系统构造成以便在所述被监测的操作特性表明所述交流输入功率在转换水平以下时提供所述第一开关模式，且在所述被监测的操作特性表明所述交流输入功率在所述转换水平以上时提供所述第二开关模式。

20.根据权利要求19所述的功率发生系统，其特征在于，所述第一开关模式包括半交错开关模式，且所述第二开关模式包括完全交错开关模式。

21.根据权利要求12所述的功率发生系统，其特征在于，所述变流器控制系统构造成以便以第一斩波频率提供所述第一开关模式和以第二斩波频率提供所述第二开关模式，其中所述第二斩波频率低于所述第一斩波频率。

22.根据权利要求12所述的功率发生系统，其特征在于，所述变流器控制系统构造成为所述多个变流器线路的第一变流器线路和第二变流器线路提供第一开关相，以及为所述多个变流器线路的第三变流器线路和第四线路提供第二开关相，其中所述第一开关相与所述第二开关相异相一百八十度。

23.一种用于提高多线路的功率变流器系统的效率的方法，所述方法包括：将共模电感器定位在多线路的功率变流器系统的至少一个线路内，所述共模电感器包括至少一个气隙；

确定所述共模电感器的通量密度；

确定所述共模电感器的最大共模电感值，该最大共模电感值将所述共模电感器的通量密度保持在预定范围内；以及将所述共模电感器构造成以便提供确定的共模电感值。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，确定所述共模电感值包括确定在使共模电感值最大的同时将所述通量密度保持在饱和水平以下的共模电感值。

25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，将所述共模电感器构造成以便提供确定的共模电感值包括调节所述至少一个气隙来设定所述共模电感器的共模电感值。

26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，调节所述至少一个气隙来设定所述共模电感值包括以下中的至少一种：预先设定固定的共模电感器气隙，和为所述共模电感器提供可调气隙。

27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括当供给所述多线路的功率变流器系统的输入功率低于第一转换水平时，对所述多线路的功率变流器系统应用第一开关模式，以及当供给所述多线路的功率变流器系统的输入功率高于所述第一转换水平时，对所述多线路的功率变流器系统应用第二开关模式。

说明书

用于操作风力涡轮功率变流器的方法和系统

技术领域

[0001] 本公开的领域大体涉及风力涡轮的功率发生，且更具体而言涉及通过降低存在于风力涡轮功率变流器中的功率损失来提高风力涡轮效率。

背景技术

[0002] 风力涡轮使用风来发电。风力涡轮通常包括容纳发电机的机舱。风力涡轮通常还包括转子，转子包括附连到旋转轮毂上的多个转子叶片。风力涡轮转子联接到发电机上，其中，风力涡轮转子将风能转换成旋转能，该旋转能用来使发电机的转子旋转。与涡轮的恒定速度操作相比，风力涡轮的可变速度操作有利于增强涡轮对能量的捕获。但是，风力涡轮的可变速度操作会产生具有变化的电压和/或频率的电。更具体地，由可变速度风力涡轮产生的电的频率与转子的旋转速度成比例。可在发电机和公用电网之间耦接功率变流器。该功率变流器输出具有固定的电压和频率的电，以便于在公用电网上进行输送。

[0003] 一些已知的功率变流器包括能够处理高电流和高电压的半导体开关。通常，半导体开关的迅速开关对于变流器的功率输出的质量来说是有益的。但是，半导体开关可能由于热限而不能够以高频率操作。为了克服热限，可将过滤器和扼流圈耦接到半导体开关的输出上，以从电中过滤掉谐波含量。这种过滤可不利地影响功率变流器的效率。

发明内容

[0004] 在一方面，提供了一种用于为负载提供输出功率的方法。该方法包括将多线路的功率变流器系统耦接到交流(AC)发电机上，且耦接到负载上，并且监测AC发电机的至少一个操作特性。该方法还包括至少部分地基于至少一个被监测的操作特性来为多线路的功率变流器系统提供第一开关模式和第二开关模式其中之一。该方法还包括将多线路的功率变流器系统构造成以便根据第一开关模式和第二开关模式来操作，以及将发电机所提供的AC输入功率转换成用于输送到负载的输出功率。

[0005] 在另一方面，提供了一种用于为负载提供输出功率的功率发生系统。该功率系统包括构造成以便产生交流(AC)输入功率的发电机和耦接到该发电机上的功率变流器系统。该功率变流器系统包括构造成以便将AC输入功率转换成输出功率且为负载提供该输出功率的多个变流器线路。该功率系统还包括耦接到功率变流器系统上的变流器控制系统。该变流器控制系统构造成以便至少部分地基于发电机的被监测的操作特性来为功率变流器系统提供第一开关模式和第二开关模式其中之一。

[0006] 在又一方面，提供了一种用于提高多线路的功率变流器系统的效率的方法。该方法包括将共模电感器定位在该多线路的功率变流器系统的至少一个线路内。共模电感器包括至少一个气隙。该方法还包括确定共模电感器的通量密度，以及确定共模电感器的最大共模电感值，该最大共模电感值将共模电感器的通量密度保持在预定范围内。该方法还包括将共模电感器构造成以便提供确定的共模电感值。

附图说明

[0007] 图1是风力涡轮的一个示例性实施例的侧面透视图。

[0008] 图2是图1所示的示例性风力涡轮的机舱的剖面透视图。

[0009] 图3是包括功率变流器系统的功率系统的一个示例性实施例的简图。

[0010] 图4是包括功率变流器系统(例如图3所示的功率变流器系统)的功率系统的简图。

[0011] 图5是图4所示的功率变流器系统的一个示例性实施例的简图。

[0012] 图6是包括在图4所示的功率变流器系统内的变流器线路的一个示例性实施例的简图。

[0013] 图7是示出了一种用于为负载提供输出功率的方法的流程图。

[0014] 图8是示出了一种用于提高多线路的功率变流器系统的效率的方法的流程图。

[0015] 部件列表：

[0016] 100 风力涡轮

[0017] 102 机舱

[0018] 104 塔架

[0019] 106 风力涡轮转子

[0020] 108 三个转子叶片

[0021] 110 旋转轮毂

[0022] 112 控制面板

[0023] 114 可变叶片变桨驱动器

[0024] 116 主转子轴

[0025] 118 齿轮箱

[0026] 120 发电机

[0027] 132 主框架

[0028] 134 联接件

[0029] 200 功率发生系统

[0030] 202 功率变流器系统

[0031] 204 变流器控制系统

[0032] 212 负载

[0033] 214 开关变流器

[0034] 216 开关变流器

[0035] 218 变流器

[0036] 220 变流器

[0037] 222 输入功率

[0038] 224 变流器线路

[0039] 226 第二线路

[0040] 228 第三线路

[0041] 230 第四线路

[0042] 232 输出功率

[0043] 234 功率分配面板

[0044] 236 变压器

[0045] 320 共模电感器

[0046] 322 发电机侧电感器

[0047] 324 气隙

[0048] 328 负载侧电感器

[0049] 330 发电机侧变换器

[0050] 332 负载侧变换器

[0051] 334 第一相

[0052] 336 第二相

[0053] 338 第三相

[0054] 340 六个功率开关

[0055] 342 六个功率开关

[0056] 350 波形组合器

[0057] 352 PWM过滤器

[0058] 354 差模扼流圈

[0059] 356 电感构件

[0060] 358 电容构件

[0061] 360 共模扼流圈

[0062] 370 共模电流

[0063] 400 流程图

[0064] 402 方法

[0065] 410 将多线路的功率变流器系统耦接到AC发电机上且耦接到负载上[0066] 412 监测AC发电机的至少一个操作特性

[0067] 414 至少部分地基于至少一个被监测的操作特性来为多线路的功率变流器系统提供第一开关模式和第二开关模式其中之一

[0068] 416 将多线路的功率变流器系统构造成以便根据第一开关模式和第二开关模式其中之一来操作

[0069] 418 将多线路的功率变流器系统构造成以便将AC发电机所提供的AC输入功率转换成输出功率以便于输送到负载

[0070] 420 将共模电感器定位在多线路的功率变流器系统的至少一个线路内[0071] 500 流程图

[0072] 502 方法

[0073] 510 将共模电感器定位在多线路的功率变流器系统的至少一个线路内，该共模电感器包括至少一个气隙

[0074] 512 确定共模电感器的通量密度

[0075] 514 确定共模电感器的最大共模电感值，该最大共模电感值将共模电感器的通量密度保持在预定范围内

[0076] 516 将共模电感器构造成以便提供确定的共模电感值

具体实施方式

[0077] 本文描述的各实施例包括风力涡轮，且更具体而言，包括用于与风力涡轮一起使用的功率变流器系统。各实施例的技术效果包括通过降低功率变流器损失来提高功率变流器系统的效率。虽然描述为包括在风力涡轮内，但是本文描述的功率变流器系统可包括在任何适当的功率发生源内或耦接到任何适当的功率发生源上，以便于将输入功率转换成输出功率。

[0078] 图1是风力涡轮100的一个示例性实施例的侧面透视图。风力涡轮100大体包括容纳发电机(未在图1中示出)的机舱102。机舱102安装在塔架104上，在图1中显示了塔架104的一部分。风力涡轮100还包括转子106，转子106包括附连到旋转轮毂110上的多个转子叶片108。虽然图1所示的风力涡轮100包括三个转子叶片108，但是不存在对本文描述的各实施例所需的转子叶片108的数量的具体限制。因此，可提供额外的或更少的转子叶片108。

[0079] 图2是机舱102(在图1中示出)的剖面侧面透视图。在该示例性实施例中，各种构件容纳在风力涡轮100的塔架104上的机舱102中。另外，可基于本领域已知的因素和条件来选择塔架104的高度。在一些实施例中，控制面板112内的一个或多个微控制器(未在图2中示出)形成用于整体系统监测和控制(包括桨距和速度调节、高速轴和偏航制动器应用、偏航和泵马达应用，以及功率水平和故障监测)的控制系统。可在一些实施例中使用备选的分布式或集中式控制构架。

[0080] 在各实施例中，控制系统对可变叶片变桨驱动器114提供控制信号，以控制由于风而驱动轮毂110的叶片108(在图1中示出)的桨距。轮毂110和叶片108共同形成风力涡轮转子106(在图1中示出)。风力涡轮100的传动系包括连接到轮毂110和齿轮箱118上的主转子轴116(也称为“低速轴”)，在一些实施例中，主转子轴116使用双路径几何结构来驱动封闭在齿轮箱118内的高速轴。使用高速轴(在图2中未显示)来驱动由主框架132支承的发电机120。在一些实施例中，通过联接件134来传递转子扭矩。发电机120可为任何适当的类型，例如且不限制，为绕线转子感应发电机，例如双馈感应发电机。作为非限制性实例，另一种合适的类型是多极发电机，其可在直接驱动式构造中以主转子轴116的速度操作而无需齿轮。

[0081] 图3是包括多线路的功率变流器系统202的功率发生系统200的一个示例性实施例的简图。在该示例性实施例中，功率发生系统200包括发电机120(在图2中示出)、功率变流器系统202和变流器控制系统204。在该示例性实施例中，功率发生系统200至少部分地定位在机舱102(在图1中示出)内。功率发生系统200构造成用于为负载212供应功率。在该示例性实施例中，功率变流器系统202包括多个功率变流器，例如，变流器214、216、218和220。虽然被示为包括四个变流器214、216、218和220，但是可包括使功率变流器系统202能够如本文描述的那样起作用的任何适当数量的变流器。

[0082] 发电机120构造成以便产生交流(AC)功率。因为由发电机120产生的AC功率被提供给功率变流器系统202，所以产生的AC功率在本文被称为AC输入功率222。变流器214、216、218和220并联地耦接，且构造成以便接收来自发电机120的AC输入功率222。
各个变流器214、216、218和220分别包括在变流器线路-例如变流器线路224、226、228和
230内。功率变流器系统202构造成以便将AC输入功率222转换成输出功率232。将输出功率232提供给负载212。在该示例性实施例中，AC输入功率222具有可变的频率。功率变流器系统202可构造成以便将可变频率的AC输入功率222转换成固定频率的输出功率
232。负载212可包括但不限于包括马达、电网和/或电阻负载。虽然电网传统上是功率的供应者，但是在一些风力涡轮系统实施例中，风力涡轮功率被供应到在这样的实施例中充当负载的公用电网中。

[0083] 在该示例性实施例中，变流器控制系统204构造成以便提供用于功率变流器系统202的操作的控制信号。变流器控制系统204可构造成以便以预定频率操作变流器214、
216、218和220内的开关(在图3中未显示)，以产生具有期望的输出电压和频率的输出功率。在一些实施例中，变流器控制系统204耦接到功率变流器系统202上，且构造成以便以交错模式驱动功率变流器系统202。功率变流器系统202以交错模式进行的操作用相位移门控信号来控制各个变流器214、216、218和220，且由于取消了相移开关波形而降低了整体的开关谐波分量。

[0084] 图4是包括发电机120和功率变流器系统202(在图3中示出)的功率发生系统200的一个示例性实施例的简图。功率变流器系统202构造成以便接收来自发电机120的输入功率222，且为负载212提供输出功率232。如上所述，风力涡轮100构造成用于将风能转换成机械能。风力涡轮100通过齿轮箱118联接到发电机120上，或者备选地直接联接到发电机120上。风能被叶片108的旋转捕获，且发电机120构造成用于产生AC输入功率222。

[0085] 在该示例性实施例中，功率变流器系统202将从发电机120中接收到的可变频率的AC输入功率222转换成固定频率的输出功率232。功率变流器系统202包括发电机侧变流器和负载侧变流器(在图4中未显示)。在一个示例性实施例中，功率变流器系统202是三相变流器系统。可备选地使用其它功率变流器系统202，其中一个非限制性实例是单相系统。在该示例性实施例中，通过功率分配面板234(在图5中示出)和变压器236将功率变流器系统202的输出提供给负载212。

[0086] 图5是功率变流器系统202(在图4中示出)的一个示例性实施例的简图。在该示例性实施例中，功率变流器系统202包括多个变流器线路，例如第一线路224、第二线路226、第三线路228和第四线路230。虽然功率变流器系统202被示为包括四个变流器线路
224、226、228和230，但是功率变流器系统202可包括允许功率发生系统200(在图3中示出)如本文描述的那样起作用的任何数量的变流器线路。在该示例性实施例中，发电机120所产生的输入功率被划分在变流器线路224、226、228和230之间。在其中发电机120产生两兆瓦电的一个实例中，各个变流器线路224、226、228和230接收大约五百千瓦电，以便于转换成供应给负载212的输出功率。

[0087] 在该示例性实施例中，变流器线路224包括耦接在发电机120和发电机侧电感器322之间的共模电感器320。在该示例性实施例中，共模电感器320包括至少一个气隙324。
变流器线路224还包括耦接在发电机侧电感器322和负载侧电感器328之间的变流器214。
在该示例性实施例中，变流器214、216、218和220包括发电机侧变换器330和负载侧变换器332。在变流器线路224中，发电机侧变换器330耦接在发电机侧电感器322和负载侧变换器332之间。负载侧变换器332进一步耦接到负载侧电感器328上。在某些实施例中，负载侧电感器328构造成以便通过功率分配面板234和/或变压器236为负载212提供输出功率。在备选实施例中，变流器214和电感器320、322及328可按使得变流器系统202能够如本文描述的那样起作用的任何适当的顺序定位在变流器线路224内。

[0088] 在该示例性实施例中，共模电感器320构造成以便提供有利于降低第一线路224中的共模电流的共模电感。在至少一些实施例中，共模电感器320包括在单个磁芯支脚(在图5中未显示)上缠绕在一起的三相绕组。共模电流(例如共模电流370)可增大变流器线路224的发电机侧电感器322和/或负载侧电感器328中的功率损失。电感器322和/或328中的功率损失降低了功率变流器系统202的效率。为了有利于提高功率变流器系统202的效率，可通过提高共模电感器320的电感值来有利于降低共模电流370。例如，功率变流器系统202的共模电感器320的电感值与已知的功率变流器系统相比可大约为双倍。
更具体地，在至少一个实例中，共模电感器320的电感值可从四百毫亨(mH)加倍到八百mH。
在另一个实例中，共模电感器320的电感值介于一百mH和一亨(H)之间。在又一个实例中，共模电感器320的电感值介于六百mH和九百mH之间。

[0089] 在该示例性实施例中，发电机侧电感器322和负载侧电感器328构造成以便提供三相(例如常模)电感。在至少一些实施例中，发电机侧电感器322和负载侧电感器328包括缠绕在具有共同的返回通路的三个单独的磁芯支脚(在图5中未显示)上的三相绕组。在该示例性实施例中，发电机侧电感器322和负载侧电感器328与共模电感器320相比相对不提供共模电感。在该示例性实施例中，变流器线路226、228和230按与以上关于变流器线路224所描述的基本类似的方式来构造。

[0090] 图6是包括在功率变流器系统202(在图3中示出)内的变流器线路224(在图3中示出)的一个示例性实施例的简图。通常在风力涡轮应用中，功率变流器系统202是三相功率变流器系统。虽然图5中的各个变流器线路224、226、228和230被示为单线形式，但是单线可表示多个相。例如，图5中表示变流器线路224的单线在图6中被显示为包括第一相334、第二相336和第三相338的三相变流器线路224。如上所述，变流器线路224包括变流器214。在该示例性实施例中，变流器214包括发电机侧变换器330(也称为发电机变流器桥)和负载侧变换器332(也称为负载变流器桥)。可使用六个功率开关340来实现发电机侧变换器330。类似地，可使用六个功率开关342来实现负载侧变换器332。在一些实施例中，功率开关340和342是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。但是，其它类型的功率开关也可包括在变换器330和332内，包括但不限于集成门极换向晶闸管(IGCT或GCT)或MOSFET。开关340和342以预定频率开关，以产生具有期望的输出电压和频率的输出功率。波形组合器350可包括在各个线路内，且耦接到用于功率变流器系统202的整体脉宽调制(PWM)过滤器352上。波形组合器350包括差模扼流圈354，差模扼流圈354足够大，以使得能够进行交错门控。这与使关于传统的非交错式变流器系统的不平衡电流分配最小化所需的任何更小大小的差模扼流圈相反。PWM过滤器352包括电感构件356和电容构件358。

[0091] 波形组合器350中的差模扼流圈354提供PWM过滤器352中的总电感的一些或全部，且抑制由于交错门控控制引起的高频(例如开关频率范围)差模交叉流(cross current)。当使用时，波形组合器350中的共模扼流圈360抑制联结发电机侧变换器330和负载侧变换器332两者的高频共模交叉流。来自PWM过滤器352的过滤了的输出提供给负载212(在图5中示出)。

[0092] 进一步参照图5，在该示例性实施例中，变流器控制系统204耦接到变流器214、216、218和220上。在该示例性实施例中，变流器控制系统204控制包括在变流器214内的开关(例如开关340和342(在图6中示出))的开关模式和/或开关频率。在一些实施例中，变流器控制系统204构造成以便以完全交错模式操作变流器214、变流器216、变流器
218和变流器220。例如，变流器控制系统204可为变流器214、变流器216、变流器218和变流器220提供相位移门控信号，以有利于减少由于取消了相移开关波形而引起的整体的开关谐波分量。更具体地，在完全交错开关模式中，变流器214、216、218和220以交错模式开关。例如，变流器214可与变流器216和变流器220异相九十度来开关，变流器216可与变流器218异相九十度来开关，而变流器218可与变流器220异相九十度来开关。在完全交错开关模式中，变流器214、216、218和220的发电机侧变换器330和负载侧变换器332基本同时开关。

[0093] 在该示例性实施例中，变流器控制系统204还构造成以便以半交错模式开关变流器214、216、218和220。例如，变流器214和变流器218与变流器216和变流器220异相一百八十度来开关。或者，任意两个变流器214、216、218和220可分组在一起，只要以与剩下的两个变流器分开一百八十度的相位开关两个变流器即可。类似于以上所描述的完全交错开关模式，发电机侧变换器330和负载侧变换器332相对于彼此转换相位。

[0094] 通常，提高变流器的开关频率可有利于使变流器输出功率平稳。但是，提高开关频率可导致变流器系统降低效率。本文描述的半交错开关模式与完全交错系统相比有利于提高开关频率而不降低效率。例如，本文描述的半交错开关模式可以以大约2.8kHz执行，且保持这样的效率：该效率基本类似于或大于使用以1.4kHz执行的完全交错开关模式的变流器的效率。

[0095] 在该示例性实施例中，变流器控制系统204在开关模式之间动态地变化。在该示例性实施例中，变流器控制系统204基于发电机120所提供的输入功率222(在图3中示出)在半交错开关模式和完全交错开关模式之间动态地变化。大体上，由发电机120输出的功率(即输入功率222)随着递增的发电机速度(即转子旋转速度)根据预先定义的曲线而增大。因此，可通过例如监测发电机120的旋转速度、由发电机120输出的电压以及/或者调制指数来确定提供给变流器系统202的输入功率222。在该示例性实施例中，除了在开关模式之间动态地变化之外，变流器控制系统204还可在各种开关频率(本文也称为斩波频率)之间变化。例如，变流器控制系统204可在1.4kHz和2.8kHz的开关频率之间变化。

[0096] 在该示例性实施例中，当应用于变流器系统202的输入功率222在转换功率水平以下时，变流器控制系统204以半交错模式开关变流器214、216、218和220。在该示例性实施例中，当应用于变流器系统202的输入功率222在转换功率水平以上时，变流器控制系统204以完全交错模式开关变流器214、216、218和220。转换功率水平是完全交错系统和半交错系统的损失大致相等时的功率水平。在转换功率水平以下，半交错开关模式比完全交错开关模式更高效。在转换功率水平以上，完全交错开关模式比半交错开关模式更高效。更具体地，在该示例性实施例中，在转换功率水平以下，以预定的斩波频率提供半交错开关模式，而在转换功率水平以上，以是半交错斩波频率的频率的一半的斩波频率来提供完全交错开关模式。

[0097] 在该示例性实施例中，可通过测试来计算、确定转换功率水平，或者使用测量变流器系统损失的任何其它适当的方法来确定转换功率水平。在一个备选实施例中，确定第一预定功率水平，该第一预定功率水平小于转换功率水平，且确定第二预定功率水平，该第二预定功率水平大于转换功率水平。在该备选实施例中，当应用于变流器系统202的输入功率222在第一预定功率水平以下时，变流器控制系统204以半交错模式开关变流器214、216、218和220。在该备选实施例中，当应用于变流器系统202的输入功率222在第二预定功率水平以上时，变流器控制系统204以完全交错模式开关变流器214、216、218和220。第一预定功率水平和第二预定功率水平提供有利于减小噪声的滞后作用。

[0098] 如上所述，可通过功率分配面板234和/或变压器236将输出功率232(在图3中示出)供应给负载212。变压器236可为构造成以便将功率变流器系统202耦接到负载212上的单个变压器或多个变压器。功率分配面板234可包括多个负载侧波形组合器(在图5中未显示)。各个负载侧变换器332可在一侧上耦接到相应的发电机侧变换器330上，且在另一侧上由相应的负载侧波形组合器(在图5中未显示)耦接到变压器236上。在该示例性实施例中，各个负载侧变换器332耦接到变压器236的主绕组(在图5中未显示)上，而变压器236的次级绕组(在图5中未显示)则耦接到负载212上。

[0099] 在上述实施例中，使用波形组合器(在图5中未显示)来组合来自发电机侧变换器330和负载侧变换器332的相位移开关波形。提供了足够的谐波减少，使得可使用更低的变流器开关频率，同时保持输出功率232的质量。

[0100] 图7是示出了一种用于为负载(诸如图5所示的负载212)提供输出功率的方法402的流程图400。在该示例性实施例中，方法402包括将多线路的功率变流器系统耦接
410到交流发电机上且耦接410到负载上，例如，将多线路的功率变流器系统202(在图5中示出)耦接410到交流发电机120(在图5中示出)上且耦接410到负载212(在图5中示出)上。在该示例性实施例中，耦接410包括将多线路的功率变流器系统202耦接410到可变频率的交流发电机上，例如发电机120，且耦接410到基本固定频率的负载上，例如负载212。

[0101] 在该示例性实施例中，方法402还包括监测412发电机120的至少一个操作特性。如上所述，应用于变流器系统202的开关模式可取决于发电机120的操作特性，例如由发电机120输出的且输送到变流器系统202的功率。大体上，由发电机120输出的功率随着递增的发电机速度(即转子旋转速度)根据预先定义的曲线而增大。因此，可通过例如监测
412发电机120的旋转速度、由发电机120输出的电压以及/或者调制指数来确定提供给变流器系统202的输入功率。

[0102] 在该示例性实施例中，方法402还包括至少部分地基于被监测的操作特性来为变流器系统202提供414第一开关模式和第二开关模式其中之一。在该示例性实施例中，当被监测的操作特性表明来自发电机120的输入功率222在第一预定水平以下时，提供第一开关模式。或者，当被监测的操作特性表明来自发电机120的输入功率222在第二预定水平以上时，提供第二开关模式。如上所述，第一预定水平和第二预定水平可为相等的，或者也可为不同的，以有利于减小噪声。在该示例性实施例中，第一开关模式和第二开关模式各自是半交错开关模式、完全交错开关模式或非交错开关模式其中之一。在一个特定的实施例中，当被监测的操作特性表明来自发电机120的输入功率222在预定水平以下时，提供半交错开关模式，且当监测操作特征表明来自发电机120的输入功率222在预定水平以上时，提供完全交错开关模式。

[0103] 在该示例性实施例中，方法402还包括将变流器系统202构造416成以便根据第一开关模式或第二开关模式来操作。方法402还包括将变流器系统202构造418成以便将AC发电机所提供的AC输入功率222转换成输出功率，以便于输送到负载，例如负载212(在图5中示出)。例如，在一个示例性实施例中，功率变流器系统202构造成以便根据多种开关模式来操作，且构造成以便将发电机120(在图5中示出)所提供的输入功率222转换成输出功率232，以便于输送到负载212(在图5中示出)。发电机侧变换器330(在图5中示出)还可构造成以便将输入功率222转换成直流功率，而负载侧变换器332(在图5中示出)可构造成以便将直流功率转换成输出功率232。在一个示例性实施例中，将相位移门控信号提供给包括在多线路的功率变流器系统202内的多个线路(例如线路224、226、228和230(在图5中示出))中的各个。

[0104] 在该示例性实施例中，多线路的功率变流器系统的第一线路和第二线路(例如功率变流器系统202的线路224和线路226)设有第一开关相，而第三线路和第四线路(例如线路228和线路230)设有第二开关相。在该示例性实施例中，第一开关相和第二开关相异相一百八十度。

[0105] 方法402还可包括将共模电感器(例如共模电感器320(在图5中示出))定位420在多线路的功率变流器系统的至少一个线路内，例如功率变流器系统202的线路224。共模电感器320构造成以便降低线路224内的共模电流，例如共模电流370(在图5中示出)。

[0106] 图8是示出了一种用于提高多线路的功率变流器系统(例如多线路的功率变流器系统202(在图5中示出))的效率的方法502的流程图500。在该示例性实施例中，方法502包括将共模电感器定位510在多线路的功率变流器系统的至少一个线路内，例如将共模电感器320定位在多线路的功率变流器系统202的线路224内。共模电感器320包括至少一个气隙324(在图5中示出)。在某些实施例中，将共模电感器320定位510在多线路的功率变流器系统202的线路224内可包括将共模电感器320定位在构造成以便根据半交错开关模式来操作的多线路的功率变流器系统的线路224内。

[0107] 在该示例性实施例中，方法502还包括确定512共模电感器的通量密度。另外，方法502还包括确定514共模电感器320的最大共模电感值，该最大共模电感值使共模电感器320的通量密度保持在预定范围内。在该示例性实施例中，通量密度预定范围有利于防止共模电感器320变得饱和。换句话说，在该示例性实施例中，通过将通量密度保持在预定范围内，共模电感器320将不会变得饱和。另外，在该示例性实施例中，使共模电感值增大到最大程度，同时使通量密度保持在饱和水平以下。

[0108] 在该示例性实施例中，方法502还包括将共模电感器构造516成以便提供确定的共模电感值。例如，构造516可包括减小至少一个气隙，这有利于增大共模电感器320的共模电感值。虽然，如本文所述，通过减小至少一个气隙来增大共模电感器320的电感值，但是也可按允许多线路的功率变流器系统202(在图5中示出)如本文描述的那样起作用的任何适当的方式来增大共模电感器320的电感值。在某些实施例中，调节至少一个气隙来实现确定的共模电感值包括预先设定固定的共模电感器气隙。在其它实施例中，在共模电感器中可包括可调气隙，该可调气隙可定位成以便实现确定的共模电感值。如上所述，在至少一个实例中，功率变流器系统202的共模电感器320的电感值与已知的功率变流器系统相比可大约为双倍。更具体地，在至少一个实例中，共模电感器320的电感值可从四百毫亨(mH)加倍到八百mH。在另一个实例中，共模电感器320的电感值介于一百mH和一亨(H)之间。在又一个实例中，共模电感器320的电感值介于六百mH和九百mH之间。

[0109] 本文描述的方法和系统可进一步构造成以便以具有故障冗余操作能力的方式来操作。例如，故障变流器线路可与剩余的变流器线路隔开。可调节开关模式-例如半交错门控模式，使得剩余的变流器线路仍然可产生高功率质量的输出。

[0110] 本文所描述的是用于提高风力涡轮功率变流器系统的效率的示例性方法和系统。更具体地，本文描述的方法和系统有利于通过降低功率变流器中的共模电流来降低功率变流器中的损失。本文描述的方法和系统可通过增大共模扼流圈的值来降低共模电流。本文描述的方法和系统还可至少部分地基于发电机输出水平，通过在开关模式和/或斩波频率之间动态地切换而有利于降低功率变流器中的损失。

[0111] 本文描述的方法和系统有利于风力涡轮所产生的功率的高效且经济的转换。在本文中详细地描述和/或说明了方法和系统的示例性实施例。方法和系统不限于本文描述的具体实施例，而是相反，各个系统的构件以及各个方法的步骤可单独使用，以及与本文描述的其它构件和步骤分开使用。各个构件和各个方法步骤也可与其它构件和/或方法步骤结合起来使用。

[0112] 当介绍本文描述和/或说明的方法和系统的元件/构件/等时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图指存在元件/构件/等中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包含性的，且意思是指除了列出的元件/构件/等之外，可存在额外的元件/构件/等。

[0113] 本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这样的其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。