CN102171449A - 用于风力发电机的功率转换器 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，本发明包括用来从动能生成机械能的涡轮机、耦合到该涡轮机以接收机械能并输出多个隔离的供应功率的发电机、以及均耦合到该发电机的多个功率级。所述功率级中的每一个可以接收所述隔离的供应功率中的至少一个。

Description

用于风力发电机的功率转换器

背景技术

近年来，研究者和科学家聚焦在大规模的风能的经济利用上。在涡轮机的设计中的改进以及对针对无功补偿和/或频率转换的功率电子转换器（power electronics converter）的越来越多的使用，提升了此工业。在输入资源功率相当大地变化的风力和其它功率发电系统的领域中，变速发电(variable-speed generation, VSG)比固定速度系统更有吸引力。在这些系统中，最大功率点跟踪器调节系统量(诸如，关于风轮机（wind turbine）的旋转速度)以使涡轮机功率输出最大化。最大功率点跟踪控制器和相关联的功率电子转换器设置发电机的操作点，以便捕获最大功率的起伏的风能。

为了使它们对投资的返还最大化，开发者积极追求构建越来越大的风电站（wind plant）。在风力资源支持这样的开发的地区，具有超过200MW的总功率额定值的风电站正变得是正常的。更大的风电站被设计成具有高架的和地下的收集器电路（collector circuit），在一些情形中，所述收集器电路的馈线电路（feeder circuit）具有长度超过10英里的单独的馈电线。该电站还可以包括收集器/互连子站，且在一些情形中还包括从收集器子站到互连子站的传输线，以及分开的互连子站。从收集器子站到互连子站的距离从几英里到数十英里的范围变化，这取决于现有传输线和互连的点的路由。在美国安装的风电站中的大多数具有34.5kV收集器电路，这是因为在北美，大部分中等电压基础设施是基于35-kV级设备的。

由于风电站的渗透性和尺寸增加了，所以它们对传输电网的影响需要更透彻的分析和了解。风电场（wind farm）的一个苛刻问题是功率质量和电网的稳定性。在对电力工业进行重建的情况下，规则和规章趋于通过联邦能源管理委员会(Federal Energy Regulatory Commission, FERC)动作影响风力工业。FERC条例661和661A通过要求新的风力发电机具有故障穿越的能力以及还把它们的无功功率控制在0.95超前到0.95滞后范围内来解决对风电站支持功率系统电压的需要。除了对变速运行的持续倾向以外，风电场可以作为峰值功率电站(岸上和海上)运行。这要求更好的控制和更增强的功率电子转换器方案。

对于额定值高达2MW左右的涡轮机，无转换器结构导致简单、有效的系统。对于变速系统，已经使用具有小的转换器的双馈感应发电机或者具有满标转换器的无齿轮系统构建了高性能涡轮机。低电压技术在所有功率电平上都已经成功应用。在超过500kVA左右的转换器功率电平下，典型地使用并联连接的转换器模块来实现该技术要求。然而，低电压风力发电机与高连接损耗相关联，这是因为加载在机舱(其是存在于风力塔的顶部的结构，且其可以是在空中数百英尺（100’s of feet）)与塔底部之间的连接的有效电流非常高。在690V系统中，在约2 MW下达到1700A的相电流。这要求每相并联连接的多个电缆和相当大的电压降。此缺点可以通过把包括变压器的电气转换系统放置在机舱中来减缓。

然而，支持机舱重量的结构引入了极其更高的成本。此外，由于并联连接低电压转换器模块的必要性的原因，在机舱中转换器所需要的空间大约与其功率成比例地增加。机舱尺度和重量相当大地增加了，并使得在涡轮机安装期间机械稳定性和后勤系统复杂化。因此，在发电系统中需要存在改进的功率转换。

发明内容

本发明的一个实现方式是针对一种系统，其包括从动能生成机械能的涡轮机；耦合到该涡轮机的发电机，用来接收机械能以输出多个隔离的供应功率；以及多个功率级，每个功率级耦合到发电机。所述功率级中的每个功率级可以接收所述隔离的供应功率中的至少一个。而且，功率级的不同子组可以耦合到不同的相输出线。在一个实现方式中，发电机可以提供针对隔离的供应功率的P·n·m个输出连接，其中P是相输出线的数目，n是耦合到一个相输出线的功率级的数目，而m是由所述功率级中的一个接收的相的数目。类似地，发电机可以包括N个线圈，其中N等于或大于p·n·(k·m)，其中P是相输出线的数目，n是耦合到一相输出线的功率级的数目，k是耦合在一起用来形成隔离的供应功率的相的线圈的数目，而m是由所述功率级中的一个接收的相的数目。

本发明的另一方面是针对可以把隔离的功率输出直接提供到功率转换器的多个功率级的发电机。发电机包括转子和定子，定子具有槽，每个槽具有围绕其缠绕的至少一个线圈，且发电机可以提供多达S个隔离的功率输出，其中S至少等于P·n，其中P是转换器的相输出线的数目，而n是串联耦合到一个相输出线的功率级的数目。

本发明的再一方面是针对风能转换系统，诸如风电场，其包括风轮机、发电机和功率转换器。发电机均耦合到所述风轮机中的一个风轮机，并把多个隔离的供应功率输出到功率转换器的功率级。功率级的不同子组耦合到不同的相输出线，其进而可以直接连接到收集器电路或公用设施电网。

附图说明

图1是按照本发明的一个实施例的多电平风能转换系统的框图。

图1A示出了按照本发明的一个实施例的在级内的并联连接的功率单元的框图。

图2是按照本发明的一个实施例的二极管前端功率单元的示例。

图3是按照本发明的一个实施例的多相有源前端功率单元的示例。

图4是按照本发明的一个实施例的示例性三相永磁体发电机的截面图。

图5是按照本发明的一个实施例的风能转换系统的框图。

图6是按照本发明的一个实施例的示例性三相六极72槽双层绕组永磁体发电机的截面图。

图7是按照本发明的另一实施例的风能转换系统的框图。

图8是按照本发明的一个实施例的风能转换系统中并联连接的线圈的框图。

图9是按照本发明的一个实施例的使用多输出齿轮箱的风电场功率转换系统的框图。

图10是按照本发明的另一实施例的具有多输出齿轮箱的风能转换系统的框图。

图11是按照本发明的一个实施例的具有多输出齿轮箱的风能转换系统的另一实施例的框图。

图12是按照本发明的一个实施例的具有多输出齿轮箱的风能转换系统的另一实施例的框图。

图13是按照本发明的再一实施例的风能转换系统的框图。

图14是按照本发明的另一实施例的风能转换系统的另一实施例的框图。

图15是按照本发明的又一实施例的风能转换系统的框图。

具体实施方式

实施例提供了电压转换系统，其可以结合诸如风能转换系统之类的发电系统而被使用。特别地，可以提供多电平功率转换器，其导致在机舱中所安装的设备的显著的重量、尺寸和成本减少。实施例还可以被用来在转换器的输入或者输出处不需要变压器的情况下实现风能转换系统。这样，系统可以直接连接到收集器电路，而不需要升压变压器，而同时满足由IEEE 519标准规定的功率质量要求和由FERC 条例661和661A指示的故障穿越和无功功率控制。此外，按照本发明的实施例的功率电子转换器可以设置风能转换系统以捕获最大功率的起伏的风能。

实施例可以被应用到海上或岸上独立的风轮机或者风电站，其可以直接连接到收集器电路。其它实施例可以与诸如水力或其它流体驱动的涡轮机之类的其它发电系统一起使用。模块化多电平转换器概念可以容易地扩展到在不使用升压变压器的情况下被连接到不同的收集器电路。在一个实施例中，可以使用具有多组隔离的m相绕组的中压到高压发电机(例如，3MW发电机，34.5kV)。每组隔离的m相绕组把功率供应给对应的功率单元，所述功率单元可以是低压或中压功率单元。如本文所使用的，术语“低压”或“LV”用来表示1000伏及以下的电压，术语“中压”或“MV”用来表示在近似1000伏与35000伏之间的电压，而术语“高压”或“HV”用来表示超过此电平的电压。

图1是按照本发明的一个实施例的多电平风能转换系统的框图。正如图1中所看到的，能量转换系统10包括涡轮机20(诸如，风轮机)，其将动能转换成机械能且其进而耦合到齿轮箱30，所述齿轮箱30，如将在下面描述的，可以是多输出齿轮箱。然而，在其它实施例中，对齿轮箱的需要可以被避免，且涡轮机可以直接连接到发电机。齿轮箱30进而耦合到发电机40，所述发电机40可以是中到高压发电机以用来把机械能转换成电能。在图1的实施例中，涡轮机可以适配在塔上，且齿轮箱和发电机以及功率转换器可以适配在耦合到涡轮机的机舱内。在一些实现方式中，单个模块可以容纳发电机和功率转换器二者。然而，对在机舱内的另外部件的需要可以被避免，这使得能够使用更小且更轻的机舱，减轻了制造和安装成本。

正如在图中看出的，多个独立且隔离的m相(在图1的实施例中的三相)的输出可以从发电机40提供。这些输出中的每一个被直接提供到功率转换器50的功率级55_a1-55_cn中的对应的一个功率级。通常，n(n>2)个功率级串联连接以形成供应的功率的一相。如本文所使用的， “功率级”包括并联的一个或多个功率单元。如本文所使用的，“功率单元”包括独立的功率转换器(其可以是有源前端或无源整流器)、DC总线和逆变器。虽然在一些实施例中，在一级中可以存在单个功率单元，但在许多实现方式中，两个或多个功率单元可以并联耦合以接收来自发电机的隔离的功率。在此拓扑中，功率级的较低电压功率单元可以串联连接以生成更高的电压和功率。串联的功率级的数目取决于连接到电网所需要的电压。例如，为了连接到4160V电网，串联连接三个740V功率级。在诸如34.5kV电网之类的更高的电网中，可以使用更高电压的功率级，例如，1500V功率级。如上所述，功率级由并联的一个或多个功率单元建立。功率单元可以由两个电平H-桥或任何不同种类的多电平逆变器形成。在不同的实现方式中，每个功率级可以具有相同的电压电平，或者可以存在非对称拓扑，其中级的一个或多个电平表示处于不同的电压。

在图1中示出的实现方式中，已经使用了每个功率级一个功率单元。然而，为了提供更高的电流，多个功率单元可以并联以形成一个功率级。在图1中，功率转换器50可以是具有三个相输出线56_a-56_c的三相转换器，相输出线中的每一个由串联耦合的多个功率级55组成。进而，每个相输出线56可以耦合到收集器电路60，在一个实施例中该收集器电路60可以是34.5kV收集器电路。注意，在发电机40与功率转换器50的功率级55之间的连接可以是直接连接，而不需要输入变压器来提供隔离。注意，虽然被示为直接耦合，但在一些实现方式中，在连接发电机40与功率转换器50的线上可以存在保险丝或其它保护机构。然而，这仍然是直接连接，这是因为在发电机与提供功率隔离的转换器之间不需要输入变压器。而且，在相输出线56上的输出可以直接被提供给收集器电路60，而不需要输出变压器来提供升压功能。虽然在图1的实施例中示出了此特定实现方式，但是在这点上本发明的范围并不受到限制。

图1A示出了按照本发明的一个实施例的在级内的并联连接的功率单元的框图。如图1A中所示出的，功率级55包括并联耦合的两个功率单元55₁和55₂，用来接收3-相隔离的功率输入，这些功率输入例如可以直接从按照本发明的实施例的发电机接收。虽然被示为仅两个并联耦合的单元，但应当理解，在各种实现方式中，两个以上的单元可以并联耦合。而且，预期在一些实现方式中功率级可以包括单个功率单元。

在图2中描绘了二极管前端功率单元的示例。为了方便起见，本文功率单元用数字55来列举，与级相同。然而，应当理解，这些术语不是同义的，这是因为给定的级可以包括一个以上功率单元。如图2中所看出的，每个功率单元55包括多相二极管整流器110(例如，三相)、DC总线120和单相逆变器130(例如，H-桥逆变器)，其可以由诸如IGBT之类的半导体开关器件形成。当然，在功率单元中还可以存在诸如局部控制器等等的其它部件。虽然在图2的实施例中示出了功率单元的此特定实现方式，但是在此这点上本发明的范围并不受到限制，且这些功率单元可以用任何不同种类的多电平逆变器来替代。

在其它实现方式中，二极管前端整流器可以用多相有源前端替代，该多相有源前端用来使得功率转换器能够实现对发电机的速度控制，以使风轮机捕获最大功率的起伏的风力。多相有源前端功率单元55’的示例示出在图3中。如图3中所看出的，代替如在图2的实施例中存在的整流器110，图3的功率单元55’包括三相有源前端105，其包括多个开关器件，例如，功率IGBT。这些开关器件以及H-桥130的开关器件可以经由局部单元控制器来控制，局部单元控制器进而可以被功率转换器的主控制器控制。虽然在图3的实施例中示出了此特定实现方式，但是在这点上本发明的范围并不受到限制。

每个功率级55由发电机40的隔离且独立的三相绕组供电。通常，发电机由放在定子槽中的若干线圈构建。在常规设计中，线圈根据发电机的电压和功率能力被串联或并联连接以形成多相，例如三相发电机。然而，在本发明的实施例中，发电机的独立的线圈可以给与其它功率级电气隔离的每个功率级供应功率。如果耦合在相输出线上的每个相的功率级的数目等于n，则需要n组m相功率供应来形成功率转换器的一个相输出线。因此，如果一个发电机被用来给功率级供应功率，则需要3n组m相线圈。然而，配置串联或并联的更多的线圈以制作一组m相绕组是可能的。

在一个实施例中，用于独立的风轮机的发电机线圈的总数被计算为：

N=P·n·(k·m)      [公式1]

其中N是发电机线圈的总数；

P是相输出线的数目；

n是功率转换器的每个相输出线的功率级的数目；

k是用来形成m相功率供应（即，至功率级的隔离的供应功率）的每个相的串联或并联的线圈的总数目；

以及m是由功率级的前端接收的相的数目。

在一些实现方式中，发电机可以提供多达S个隔离的功率输出，其中S等于或大于P·n，其中P是相输出线的数目，而n是耦合到一个相输出线的功率级的数目。

因此，图1中示出的实施例与要求大量隔离的电压源来供应功率单元的常规驱动转换器系统不同。这典型地是使用多绕组隔离变压器来给功率单元供应功率来完成的。然而，这使得风能转换系统笨重且昂贵。相反，实施例可以使用多绕组发电机以把隔离的功率直接供应到驱动系统的功率级。在不同的实现方式中，还可以使用各种各样的用于发电机的分布式变速控制算法，以使得能够实现对风轮机的最大功率跟踪。

实施例因此可以变换风电站被开发和被连接到公用设施的方式，以实现更高水平的可靠度、成本效力和功率质量。按照本发明的实施例的技术可以通过机舱中所安装的设备的显著重量减少来使海上和岸上风电站的安装、能量收集和传输轻松。而且，这样的技术允许涡轮机或其它装置在不使用升压变压器的情况下连接到发电机、公用设施电网或收集器电路。通过减少塔、后勤系统和基础结构的计数和复杂性(以及消除升压变压器)，风能的每千瓦的成本得以显著减少。

而且，通过使用堆叠式功率级模块，风能转换系统的电压和功率能力可扩展到多个MW水平和34.5kV或更高的电压。此外，使用多电平变换器实现方式可以使得能够实现大的功率质量。通过对发电机绕组的适当设计，该机器可以产生多组隔离的AC电压以用于级联的逆变器，而不需要隔离变压器或其它功率转换器。现在大多数电网规程要求风力电站帮助电网维持或调整系统电压。风力电站开始被要求也帮助电网维持或调整系统频率。通过利用由本发明的实施例提供的调制技术的冗余性，可以满足诸如穿越要求之类的指示的电网规程。

在风电场的情形下，多相发电机可以供应一个或多个功率级，因此多电平功率转换器可以被用来生成更高的电压和更清洁的功率。如图4中所看出的，发电机200包括转子210和定子220，其具有一组耦合在其间的永磁体215。

可以由铁芯形成的定子220包括多个槽225(在图4上为了便于图解仅列举其中的一个槽)，具有耦合在槽之间的散置的齿230。每个槽225具有适配于其中的一个或多个线圈的绕组，例如铜制绕组。在图4中示出的实现方式中，可以提供27个这样的槽，每些槽中的每一个槽包括槽衬垫228，其在存在于每个槽中的两个线圈之间提供隔离。使用按照本发明的实施例的这些绕组之间的连接，大量隔离的功率供应可以被供应到功率级的相。在此示例中，发电机200具有围绕每个齿的集中的绕组。在此设计中有27个独立的线圈。这27个线圈可以形成要被提供到功率转换器的9组(1-9)隔离的3-相(A-C)功率供应。也就是说，由于在线圈之间制作的选择性连接的原因，27个独立的电压可以被提供到功率转换器。这与常规线圈耦合不同，其中对于图4中所示出的实现方式而言，可能仅提供单组隔离的三相功率。

还参照图4，注意，在此实施例中，每个线圈与所有其它线圈隔离，而不是提供耦合在一起的大量线圈。例如，如图4中所看出，槽A1⁺和A1^-具有在槽之间缠绕的线圈235(A1)。然而，围绕这两个槽缠绕的此线圈235不与任何另外线圈耦合。注意，虽然为了便于图解仅示出了此线圈的单个匝，但该槽的整个宽度可以用此线圈占据。在槽A1⁺和A1^-中存在的此隔离的线圈(可以被表示为线圈A1)和在槽B1⁺和B1^-中存在的线圈(可以被表示为线圈B1)以及在槽C1⁺和C1^-中存在的线圈(可以被表示为线圈C1)可以以星形连接方式连接，并把隔离的三相功率经由直接连接提供到功率转换器的功率级。注意，术语在A1⁺和A1^-指具有两个端（即，正端和负端）的隔离的线圈。例如，在星形连接中，线圈A1、B1和C1的负端可以连接在一起，而正端连接到功率级(功率单元)的输入。相反，在具有27个槽的发电机中的线圈的常规连接方式中，只提供一个三相输出。

图5示出了使用图4所图示的示例性永磁体发电机(permanent magnet generator, PMG)的风能转换系统。在此配置中，九组(45₁-45₉)隔离的三相功率从发电机40直接连接到功率转换器50的功率级55。注意，在此实施例中每个功率级仅包括一个功率单元，然而，多个功率单元可以并联连接。功率级55被示为具有有源前端转换器配置功率单元；然而，可以使用二极管前端转换器或任何类型的多电平逆变器来代替。图5中另外示出的是控制功率单元的开关器件的局部单元控制器140与进而可以被耦合到系统控制器的光纤接口150之间的连接。注意，虽然图5中并未示出，但相输出线56a-56c可以直接连接到传输电网或收集器电路。

图4示出了具有24个极和27个槽的示例性三相PMG的截面图。图6是按照本发明的一个实施例的示例性三相六极72槽双层绕组永磁体发电机的截面图。针对此发电机的相A的绕组配置在图6中示出。在此设计中，每相有24个线圈。在图6的实施例中，发电机250包括具有72个槽的定子260，每一个槽可以经由通常径向的槽衬垫(图6中未示出)被分隔成两个不同的区域。在本发明的一些实施例中，发电机可以具有单层槽设计，而图4和6的发电机使用双层槽。在单层配置的情况下，总线圈的数目将是槽数目的一半。但在双层配置中，线圈总数目将等于槽的数目。注意，在图6中示出的实施例中，为了便于图解，诸如转子和磁体之类的发电机的细节未示出。

图6中示出的是针对相A的绕组。正如所看出的，绕组可以在发电机的不同的槽周围来缠绕。例如，线圈可以被缠绕在槽1(具有附图标记A1⁺)和槽11(具有附图标记为A1^-)之间。为了提供更大的电压到功率单元，实施例可以把多个线圈串联耦合在一起。在一个实现方式中，从槽2(即，A2⁺)延伸到槽12(即，A2^-)的附加线圈可以串联耦合到在槽1与11之间延伸的线圈。在各种实施例中，此串联连接可以被制作在发电机中，或者可以位于功率转换器中。取决于这些连接制作在哪里，可以从发电机250输出36个或者72个独立的功率供应。因此，在图6的实施例中，这些绕组组被串联连接，例如，A2与A1串联连接。这样的拓扑增加了到功率级的电压。因此，在各种实现方式中，一个以上的线圈可以供应功率级的每个相。

在图7中示出了按照本发明的实施例的对于功率转换器的不同功率级作出的、发电机250中的这些不同线圈的连接的细节。在图7中，每个功率级包括一个功率单元，然而，若干功率单元可以并联连接以形成一个功率级。图7示出了从图6的发电机接收功率的风能转换系统。在此示例中，一对两个线圈被串联连接以形成到功率单元的功率供应的一相，从而允许更高的电压供给到功率单元。当然，两个以上这样的线圈可以被耦合在一起。在图7中，用A1⁺和A1^-的线圈末端表示的线圈A1被串联连接到用A2⁺和A2^-的线圈末端表示的线圈A2。在此配置中，12组三相功率供应45₁-45_n供应功率到功率单元。功率转换器的每个相输出线可以通过串联连接四个功率级来形成。输出电压的频率可以被固定到公用设施频率，例如60Hz。功率转换器自然是对称的级联逆变器，然而，由于发电机可以生成12个隔离的功率供应到功率级，或者在特殊情形下(即，一个单元级)到功率单元，所以已经消除了隔离输入变压器。

现在参照图8，示出的是按照本发明的一个实施例的风力转换系统中的并联连接的线圈。如所看出的，发电机40可以具有并联耦合在一起的线圈组，用来提供单相输出功率到功率级的一相。因此，如所看出的，线圈可以把三相功率供应45提供到功率转换器50的对应的功率级55。图8的发电机线圈的附图标记对应于图6中所示出的发电机配置。并联连接的线圈可以用来把更多的电流供应到功率级，而串联连接的线圈可以用来供应更高的电压以供应功率到功率级。在并联连接中，具有相同电压的两个或多个线圈被并联连接。

如果允许轴速度跟随风速变化，以使得风轮机的空气动力效率特性保持在最大值，则涡轮机可以被制成在任何风速下得到最大功率。有源前端功率转换器可以基于风速和涡轮机空气动力效率特性控制发电机的速度，以捕获最大功率的风能。风轮机的空气动力效率被定义为风力除以涡轮机的输出功率。涡轮机的空气动力效率是桨距角、涡轮机角速度、涡轮机叶片的半径和风速的函数。空气动力效率特性可以直接测量或可以使用通一般基于叶片迭代技术的针对空气动力设计的软件来计算。典型地，对于多个风速而言，把输出功率和得到的转矩表示为涡轮机速度的函数的特性曲线族可以根据空气动力学效率对风速推导出。然而，风轮机的空气动力效率可以在不同的风速下被最大化，如果涡轮机以一定速度旋转的话。可以控制涡轮机的速度以使风轮机在不同风速下的空气动力效率最大化。因而，可以捕获最大功率的风能。发电机可以被速度控制，以迫使涡轮机以对应的速度旋转。为了能够基于风速来控制发电机的速度，可以使用有源前端转换器。虽然结合永磁体发电机进行了描述，但是可以使用诸如感应发电机、同步发电机、永磁体同步发电机或者开关磁阻发电机之类的任何种类的AC发电机。也有可能通过增加串联的功率级的数目来耦合一个以上的发电机以产生更高的电压和功率，所述串联的功率级使得风能转换器能够被连接到配电或传输电网。

图9描绘了按照本发明的另一实施例的风电场功率转换系统300。在此配置中，有3n个均耦合到三相发电机320的风轮机310_a1-310_cn。每个发电机把功率供应到功率转换器350的功率级55’_a1-55’_cn的组中的一个。在图9的实施例中，每个发电机被直接耦合到对应的功率级，这避免了对一个或多个输入变压器的需要。发电机的输出电压可以是较低的电压，然而，通过对功率级进行级联，可以实现更高的电压和功率。系统的功率单元可以是二极管、有源前端或任何其它类型的多电平逆变器，不过在图9中示出了代表性的有源前端转换器。如在上面所论述的其它系统配置的情况下，对升压变压器的需要也可以避免。

图10示出了使用多输出齿轮箱315的风电场功率转换器系统301。齿轮箱的每个输出驱动三相发电机320，且进而每个发电机320把功率供应到功率级55’。在图10的实施例中，每个功率级包括一个功率单元，不过可以把多个单元并联耦合。因此，每个齿轮箱315被耦合以经由输入轴接收对应的风轮机的输出，并提供四个输出轴，每个输出轴耦合到不同的发电机。在此示例中，四个功率级被配置成串联连接以沿着对应的相输出线56提供功率。

图11示出了具有多输出齿轮箱315的风能转换系统302的另一实施例的框图。在此实施例中，单个涡轮机310被耦合到齿轮箱，该齿轮箱进而提供九个输出到九个对应的发电机320。进而，每个发电机可以提供三相功率到对应的功率级55’，其可以由多个二极管或基于有源前端的功率单元或任何不同种类的多电平逆变器构建。功率转换器350的相输出线56a-56c的串联输出可以直接耦合到传输电网或收集器电路。

图12示出了具有多输出齿轮箱315的风能转换系统303的另一实施例的框图。在此实施例中，单个涡轮机310被耦合到齿轮箱，该齿轮箱进而提供输出到六个对应的发电机320。进而，每个发电机可以提供三相功率到对应的功率级55’，所述功率级中的每个功率级可以包括并联耦合的一个或多个二极管或者基于有源前端的功率单元。功率转换器350的输出线56a-56c可以直接耦合到传输电网或收集器电路。

在其它实现方式中，功率转换器可以使用三相功率级和单相功率级的组合来形成。现在参照图13，示出的是包括具有三相功率级54和多个单相功率级55’的功率转换器350的风能转换系统305的框图。如所看出的，每个功率级从对应的发电机320接收隔离的三相功率。图13还示出了三相功率单元54的示意图。如所看出的，H-桥配置提供了在三个相上的输出，每个输出到该单相功率级55’中的一个。功率单元54进而耦合到局部单元控制器57。

图14示出了风能转换系统306的另一实施例，其中三相功率级包括并联的两个三相功率单元54，其中该三相级的输出与单相功率级55’级联。

现在参照图15，示出的是按照本发明的再一实施例的风能转换系统307的框图。如图15中所示出的，每个发电机320可以把三相功率提供到多个功率级。如在图15的实施例中所看出的，每个发电机320提供三相功率到三个功率级55(例如，单元55_a1-55_c1)。来自相输出线56a-56c上的功率级的级联的输出可以直接耦合到传输线或另一电网连接。虽然在上面描述的各种图中示出有这些特定实现方式，但应当理解，在这点上本发明的范围并不受到限制，且在不同的实现方式中，可以实现提供从发电机到功率转换器的一个或多个功率单元的直接连接并进而从功率单元直接到传输电网或收集器电路的连接的许多不同拓扑。

虽然已经相对于有限数目的实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将意识到根据其的众多修改和变化。目的是所附权利要求覆盖落入此本发明的真实精神和范围之内的所有的这样的修改和变化。

Claims (20)

1.一种系统，包括

涡轮机，其用来从动能生成机械能；

发电机，其耦合到所述涡轮机以接收所述机械能并输出多个隔离的供应功率；以及

均耦合到所述发电机的多个功率级，其中所述多个功率级中的每一个是用来接收所述隔离的供应功率中的至少一个，且所述功率级的第一子组耦合到第一相输出线而所述功率级的第二子组耦合到第二相输出线。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述发电机包括适配在定子的槽内的多个线圈，其中所述线圈的第一组耦合在一起以把第一相的隔离的供应功率提供到第一功率级，而所述线圈的第二组耦合在一起以把第二相的隔离的供应功率提供到所述第一功率级，其中所述第一组和所述第二组中的每一个不与所述发电机的连接到不同功率级的任何其它线圈连接。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述多个功率级中的每一个包括至少两个并联耦合的功率单元，用来接收至少一个隔离的供应功率，其中每个功率单元包括功率转换器、DC链和逆变器。

4.如权利要求2所述的系统，其中所述线圈的所述第一组串联连接、并联连接或串联连接与并联连接的组合。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述定子的第一槽的第一线圈不连接到所述第一槽的第二线圈。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述第一线圈从所述定子的所述第一槽延伸到第二槽，以及还包括直接从所述第一线圈到第一功率级的对应相的连接，其中所述第一线圈与被连接到不同的功率级的所述发电机的所有其它线圈隔离。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述发电机是用以提供针对隔离的供应功率的P·n·m个输出连接，其中P是相输出线的数目，n是耦合到一个相输出线的功率级的数目，而m是由所述功率级中的一个功率级接收的相的数目。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述发电机包括N个线圈，其中N 等于或大于p·n·(k·m)，其中P是相输出线的数目，n是耦合到一个相输出线的功率级的数目，k是耦合在一起用来形成隔离的供应功率的一相的线圈的数目，而m是由所述功率级中的一个功率级接收的相的数目。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述第一相输出线和所述第二相输出线直接耦合到收集器电路。

10.一种设备，包括：

发电机，其用来接收来自涡轮机的机械能以把多个隔离的功率输出直接提供到功率转换器的功率级，其中所述发电机包括转子和定子，所述定子具有多个槽，每个槽具有围绕其缠绕的至少一个线圈，其中所述发电机是用以提供多达S个隔离的功率输出，其中S至少等于P·n，其中P是所述功率转换器的相输出线的数目而n是串联耦合到一个相输出线的功率级的数目。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述发电机包括耦合在一起以把第一相的隔离的功率输出提供到第一功率级的第一组线圈，以及耦合在一起以把第二相的隔离的功率输出提供到所述第一功率级的第二组线圈。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述第一组和所述第二组中的每一个并联耦合，且不与所述发电机的连接到不同功率级的任何其它线圈连接。

13.如权利要求11所述的设备，其中每个功率级包括并联耦合以接收所述第一隔离的功率输出相和所述第二隔离的功率输出相的多个功率单元。

14.一种系统，包括：

多个风轮机，每个风轮机耦合到至少一个发电机以把机械能输出到所述至少一个发电机；

多个发电机，每个发电机耦合到所述风轮机中的一个风轮机以接收机械能并输出多个隔离的供应功率；以及

连接到所述多个发电机的功率转换器，所述功率转换器包括多个功率级，每个功率级接收至少一个隔离的供应功率，其中所述功率级的第一子组耦合到第一相输出线而所述功率级的第二子组耦合到第二相输出线。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述多个发电机中的每一个发电机包括N个线圈，其中N 等于p·n·(k·m)，其中P是相输出线的数目，n是由对应的发电机提供的隔离的供应功率的所述多个功率级的数目，k是耦合在一起用来形成隔离的供应功率的一相的对应发电机的线圈数目，而m是由所述功率级中的一个功率级接收的相的数目。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述风轮机中的每一个耦合到一个发电机。

17.如权利要求14所述的系统，还包括齿轮箱，其耦合到所述多个风轮机中的一个风轮机的输出且具有多个输出，每个输出耦合到一个发电机。

18.如权利要求14所述的系统，其中所述功率转换器包括至少一个m-相功率级和多个单相功率级，其中所述m-相功率级具有m个输出，每个输出耦合到所述单相功率级中的一个。

19.如权利要求14所述的系统，其中所述多个发电机中的每一个提供m-相隔离的供应功率到多个功率级，每个功率级耦合到不同的相输出线。

20.如权利要求14所述的系统，其中所述第一和第二相输出线直接耦合到传输电网而不需要升压变压器。

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