CN102810875B - 使用变流器进行能量转换的系统及其运作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示使用变流器进行能量转换的系统及其运作方法。一种系统包括具有开关元件的变流器，检测器和控制器。检测器检测与系统能量转换过程相关的参数并提供指示该参数的电信号。控制器与变流器和检测器电性连接。控制器接收从检测器传送的电信号并根据接收的电信号判定该系统是否存在预定的系统状况。控制器根据系统状况的判定结果发送对应的控制命令给变流器。变流器中的开关元件根据与该判定结果相对应的控制命令以不同频率的开关信号进行能量转换。

Description

使用变流器进行能量转换的系统及其运作方法
技术领域
本发明涉及使用变流器进行能量转换的系统和方法，特别涉及一种对变流器的开关频率进行控制的系统和方法。
背景技术
使用变流器(Converter)将能量从一种形式转换成另一种形式已经在多种场合得到应用。例如，变流器可以应用于可再生能源发电系统中，包括风能和太阳能发电系统等。可再生能源发电系统中使用的变流器可以将能量变换成适合电网传输的电能。就具体的风力发电系统而言，通常使用交流-直流变流器以及直流-交流变流器进行能量变换。交流-直流变流器也称作整流器，可以将交流电转换成直流电，而直流-交流变流器也称作逆变器，可以将直流电转换成交流电。此外，变流器也可以应用于供电子产品使用的开关电源中，例如，个人电脑，液晶显示电视机等电子装置。在电子产品中使用的变流器通常将从电源获得的交流电转换成维持电子装置正常运作所需的直流电。
上述的变流器通常包括一个或者多个开关元件。这些开关元件在控制器提供的开关信号的作用下进行能量转换。通常情况下，在上述各种场合下使用的变流器，通过控制器提供给变流器的开关信号频率被维持在固定的数值。
在对特定的变流器选择开关信号频率时，提高开关信号频率通常会增加能量损耗，而降低开关信号频率倾向于产生不必要的谐波分量。因此，有必要提供一种控制变流器开关信号频率的系统和方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种系统。该系统包括变流器，检测器和控制器。该变流器包括开关元件。该检测器被配置成用于检测与该系统能量转换过程相关的参数并提供指示该参数的电信号。该控制器与该变流器和检测器电性连接。该控制器被配置成用于接收从该检测器传送的电信号并根据接收的电信号判定该系统是否存在预定的系统状况。该控制器进一步被配置成用于根据系统状况的判定结果发送对应的控制命令给该变流器。该变流器中的开关元件根据与该判定结果相对应的控制命令以不同频率的开关信号进行能量转换。
本发明的另一个方面在于提供一种风力发电场系统。该风力发电场系统包括多个风力发电机，多个风力发电机控制器以及风场控制器。该多个风力发电机与公共连接点电性连接。每一个风力发电机包括具有开关元件的变流器。该变流器用于转换并提供电能给该公共连接点。每一个风力发电机控制器与每一个风力发电机的变流器电性连接。该每一个风力发电机控制器被配置成用于给对应的变流器提供标准频率的开关信号。该风场控制器与每一个风力发电机控制器电性连接。该风场控制器被配置成用于判定运作的风力发电机的数量。该风场控制器还被配置成用于根据判定的风力发电机的运作数量控制该运作的风力发电机的至少一部分风力发电机控制器提供频率不同于标准频率的开关信号给对应的变流器。
本发明的再一个方面在于提供一种系统运作的方法。该方法至少包括如下步骤：通过作用开关信号到开关元件以将发电装置产生的电能转换成适合电网运送的电能；检测与该系统相关联的特定系统状况；以及根据检测到的特定系统状况改变该作用到开关元件的开关信号频率。
本发明的再一个方面在于提供一种运作风力场发电系统的方法。该方法至少包括如下步骤：通过风场控制器确定风力场发电系统中正在运作的风力发电机的数量；以及根据确定的风力发电机的运作数量，通过风场控制器降低作用到至少一部分运作的风力发电机的开关信号频率。
本发明的再一个方面在于提供一种能量转换系统。该能量转换系统包括发电机侧变流器，电网侧变流器，检测器以及控制器。该发电机侧变流器被配置成用于将发电装置产生的交流电或者一种形式的直流电转换成另一种形式的直流电。该电网侧变流器被配置成用于将发电机侧变流器转换成的直流电转换成交流电。该检测器被配置成用于检测与该能量转换系统相关的特定的系统状况并提供指示该检测到的特定的系统状况的电信号。该控制器与该发电机侧变流器，电网侧变流器以及检测器电性连接。该控制器被配置成用于接收该检测器传送的电信号并根据该接收到的电信号判定该特定的系统状况是否存在。该控制器被配置成用于根据该特定的系统状况的判定结果发送控制命令给该发电机侧变流器或者电网侧变流器。该发电机侧变流器或者电网侧变流器根据该控制命令以变化频率的开关信号进行能量转换。
本发明的系统以及方法，通过根据特定的系统状况改变作用到变流器的开关信号频率，可以解决传统的变流器不能改变其开关信号频率的技术缺陷。在一些情形下通过降低开关信号频率可以降低能量损耗，并且减小变流器元件的热应力。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明能量转换系统的一种实施方式的模块示意图。
图2所示为本发明风力发电机系统的一种实施方式的模块示意图。
图3所示为图2所示的风力发电机系统使用的三电平变流器一个支路的电路示意图。
图4所示为运作传统的风力发电机系统的变流器所产生的导通损耗和开关损耗的数据图。
图5所示为运作图2所示的风力发电机系统的变流器所产生的导通损耗和开关损耗的数据图。
图6所示为本发明风力场发电系统的一种实施方式的模块示意图。
图7所示为改变图6所示的风力场发电系统中的一个或者多个风力发电机的变流器的开关信号频率的一种实施方式的流程图。
图8所示为运作传统的风力场发电系统的变流器所产生的导通损耗和开关损耗的数据图。
图9所示为运作图6所示的风力场发电系统的变流器所产生的导通损耗和开关损耗的数据图。
图10所示为本发明能量转换系统的一种实施方式的模块示意图。
图11所示为图10所示的能量转换系统中使用的变流器的开关元件在温度循环下的测试曲线示意图。
图12所示为图10所示的能量转换系统中使用的变流器的开关元件在功率循环下的测试曲线示意图。
图13所示为本发明太阳能发电系统的一种实施方式的模块示意图。
具体实施方式
本发明揭露的一个或者多个实施方式涉及控制变流器开关频率的系统和方法。这些实施方式可以在具有单个变流器元件的系统中执行，也可以在具有多个变流器元件的系统中执行。对于单个变流器元件的系统中而言，通过执行变流器开关频率控制，可以取得降低能量损耗和延长变流器寿命的技术效果。对于多个变流器元件的系统而言，通过执行变流器开关频率控制，并结合执行其他控制策略例如脉冲宽度调制交错(PWM interleaving)，还可以取得减少谐波分量的技术效果。
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。
“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为能量转换系统100一种实施方式的模块示意图。能量转换系统100可以为能量消耗系统或者能量产生系统。在此所谓的“能量消耗系统”是指可以接收从电网传送的电能并将接收的电能转换成供能量消耗系统中一个或者多个电子元件消耗的系统。在此所谓的“能量产生系统”是指可以将从能源，例如可再生能源获取的电能转换成适合电网传送的电能的系统。在一种实施方式中，图1所示的能量转换系统100可以在需要使用一个或者多个变流器进行能量转换的消费性电子装置中实施。消费性电子装置可以包括桌上型电脑，笔记本电脑，平板电脑，移动电话，个人数字助理，数码相机以及液晶电视等。可以理解，图1描述的能量转换系统100实际上并不限缩于消费性电子装置，其他的电子或者电气装置，例如交通运输电子装置，通讯装置，医疗装置以及工业电子也可以执行能量转换系统100。
图1所示的能量转换系统100包括电源122，变流器126，负载132，检测器142以及控制器144。
当能量转换系统100具体在消费性电子装置中执行时，电源122可以包括内置的电源或者外置的电源，用于提供维持能量转换系统100正常运作所需的电能。变流器126与电源122电性连接。变流器126接收电源122提供的电能124。从电源122输出的电能124可以为交流电，也可以为直流电。在电能124为交流电的情形下，变流器126可以使用交流-直流变流器将交流电124变换成直流电128，并将直流电128作用到负载132。在电能124为直流电的情形下，变流器126可以使用直流-直流变流器将一种形式的直流电124变换成另一种形式的直流电128，并将直流电128作用到负载132。在这里所谓的“负载”包括任何合适的可以处理电信号或者在运作时消耗电能的电子元件。
在一种实施方式中，变流器126被配置成用于根据控制器144提供的开关信号148进行能量转换。在这里所谓的“开关信号”是指在高电平和低电平之间交替改变的电信号，其中，作为一种举例，高电平时开关元件可以被导通，而低电平时开关元件可以被关断。在正常运作或者能量转换系统100未出现特定的系统状况时，开关信号148的频率被固定在第一频率值或者标准值以进行能量转换。
检测器142与变流器控制器144电性连接。检测器142用于检测能量转换系统100在能量转换过程中的特定系统状况。在图1以及对应的描述中，虽然“一个”变流器，“一个”特定系统状况，“一个”变流器控制器作为示例作用被提及，但是在其他实施方式中，能量转换系统100也可以包括多个变流器，多个特定系统状况以及多个变流器控制器。在此所谓的“特定系统状况”是指与变流器或者变流器所连接的元件相关联的状况或者事件，例如，可以包括“瞬态事件”，“短期事件”或者“长期事件”。“瞬态事件”包括例如由瞬间的过电压，过电流，欠电压，欠电流，频率或者相位变动等引起的事件。“短期事件”可以包括例如由系统谐波抑制需求所引起的事件。“长期事件”可以包括例如由变流器寿命控制需求所引起的事件。检测器142可以包括一个或者多个感测器或者传感器以用于检测或者监控能量装换系统100的各种参数，以用于确定一个或者多个特定的系统状况。检测器142发送指示存在或者不存在特定系统状况的电信号145给变流器控制器144。当从检测器142传送的电信号145指示存在特定的系统状况时，变流器控制器144改变发送给变流器126的开关信号148的频率。当从检测器142传送的电信号145指示不存在特定的系统状况或者特定的系统状况已经结束，而不需要再将开关信号148的频率维持在改变后的数值时，变流器控制器142可以将开关信号148的频率维持在标准频率，或者如果之前已对频率作调整，而将开关信号148的频率恢复到标准频率。
在一种实施方式中，如图1中虚线141所指示，检测器142可以电性连接在电源122和变流器126之间。在此种情形下，检测器142用于检测或者监控系统100与电源侧相关的特定系统状况。检测器142可以通过检测包括例如电压信号，电流信号，相位信息等各种参数，以确定与电源侧相关的特定系统状况。当检测器142检测到一个显著的电源侧特定系统状况时，电信号145从检测器142发送给变流器控制器144。变流器控制器144根据该电信号145改变作用到变流器126的开关信号148的频率。在一种实施方式中，根据一个检测到的电源侧特定系统状况，开关信号148的频率被调整为第二频率值。该第二频率值小于上述正常运作时的第一频率值或者标准频率值。由于开关信号148的频率值被降低，变流器126中的开关元件在执行能量转换时，可以在特定系统状况存在的时间范围内产生更少的能量损耗，从而使变流器126承受更小的热应力(thermal stress)。当检测器142检测到显著的电源侧特定系统状况不存在或者已经结束时，变流器控制器144将开关信号148的频率恢复到第一数值或者标准频率值。
请继续参阅图1，在另外一种实施方式中，如图1中虚线143所指示，检测器142可以电性连接在变流器126和负载132之间。在此种情形下，检测器142用于检测或者监控系统100与负载侧相关的特定系统状况。与上面描述电源侧特定系统状况相类似，当检测器142检测到一个显著的负载侧特定系统状况时，电信号145从检测器142发送给变流器控制器144。变流器控制器144根据该电信号145改变作用到变流器126的开关信号148的频率。在一种实施方式中，根据一个检测到的负载侧特定系统状况，开关信号148的频率被调整为第二频率值。该第二频率值也小于上述正常运作时的第一频率值或者标准频率值。同样类似地，当检测器142检测到显著的负载侧特定系统状况不存在或者已经结束时，变流器控制器144将开关信号148的频率恢复到第一数值或者标准频率值。
请继续参阅图1，在又一种实施方式中，如图1中虚线147所指示，检测器142可以与变流器126相接触，或者被放置于靠近变流器126的位置并与变流器126进行热连接。检测器142可以为温度传感器，用于检测变流器126内部的温度或者变流器126周围的环境温度。检测器142发送指示检测温度的电信号145给变流器控制器144。变流器控制器144根据指示检测温度的电信号145改变作用到变流器126的开关信号148的频率。
上面描述的控制变流器126的开关频率的三种具体实施方式可以独立地执行，也可以和其他检测方式结合在一起执行。
在另外一种实施方式中，能量转换系统100可以包括发电系统，例如风力发电系统，太阳能发电系统或者水力发电系统等。发电系统的一种例子显示在图2中。图2所示为风力发电系统300一种实施方式的模块图。
风力发电系统300大致包括风力发电装置312，交流-直流变流器316，直流链路(DC link)318，直流-交流变流器322，变流器控制器342，发电机侧检测器336以及电网侧检测器328。
风力发电装置312被配置成用于将机械形式的风能变换成机械形式的转动能，并将机械形式的转动能转换成三相交流电314。
交流-直流变流器316以整流器的方式运作，用于在变流器控制器342的控制下将三相交流电314转换成直流电317。直流链路318可以包括一个或者多个以串联或者并联方式相连接的电容器。直流链路318用于调节在交流整流时的电压波动。直流-交流变流器322以逆变器的方式运作，用于在变流器控制器342的控制下将直流电317再转换成三相交流电324。三相交流电324此后被传送到电网326。虽然图2所示的具体实施方式显示风力发电系统300与电网连接，可以理解的是，在其他实施方式中，风力发电系统300还可以直接连接一个交流负载，例如电机马达，泵，电池以及任何其他类型的负载。此外，作为示例作用，图2所示为使用单一的变流器控制器342控制交流-直流变流器316和直流-交流变流器322，在其他实施方式中，也可以使用多个控制器分别控制交流-直流变流器316和直流-交流变流器322。
交流-直流变流器316可以包括任意一种具有合适拓扑架构的变流器，包括例如二极管箝位(中点箝位)式变流器，飞跨电容式变流器以及级联式变流器等。直流-交流变流器322也可以包括任意一种具有合适拓扑架构的变流器，包括例如二极管箝位式变流器，飞跨电容式变流器以及级联式变流器等。图3示出了具有二极管箝位式拓扑架构的三电平直流-交流变流器350的一个相位支路的电路示意图。如图3所示，三电平直流-交流变流器350包括四个开关元件362，366，372，378以及六个二极管384，386，364，368，374，382。开关元件362，366，372，378可以采用任何合适的开关器件，例如，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBTs)，门极换向晶闸管(Gate Commutated Thyristors，GCTs)以及金属-氧化层-半导体-场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors，MOSFETs)。
图3所示的一个相位支路的三电平直流-交流变流器350被配置成使用三电平脉宽调制策略提供一个相位的交流输出。该三电平包括高电平，中间电平和低电平。举例而言，当开关元件362和366被导通而开关元件372和378被关断时，输出端376与输入端352连接并提供高电平电压。当开关元件366和372被导通而开关元件362和378被关断时，输出端376与电容器356和358之间的中性点357连接并提供中间电平电压。当开关元件372和378被导通而开关元件362和366被关断时，输出端376与输入端354连接并提供低电平电压。可以理解的是，对于本领域具有通常知识的人员而言，该三电平变流器350可以根据电路拓扑结构增加到任意的电平。
请返回参阅图2，在一种实施方式中，发电机侧检测器336电性连接于风力发电装置312和交流-直流变流器316之间的共同连接点。该发电机侧检测器336被提供来检测或者监控与风力发电系统300发电机侧相关的一个或者多个特定系统状况。该发电机侧特定系统状况可以包括例如阵风(gust ofwind)事件或者导致风力发电装置312停机的机械或者电子故障事件等。发电机侧检测器336提供以电信号338形式表示的检测结果给变流器控制器342。用于判定发电机侧特定系统状况的电信号338可以包括例如发电装置转速信号或者转矩命令等。
请继续参阅图2，在一种实施方式中，电网侧检测器328电性连接于交流-直流变流器316和电网326之间的共同连接点。电网侧检测器328被提供来检测或者监控与风力发电系统300电网侧相关的一个或者多个特定系统状况。电网侧特定系统状况可以包括电网326发生的故障事件，例如，低电压穿越事件或者零电压穿越事件。电网侧检测器328提供以电信号332形式表示的检测结果给变流器控制器342。电信号332可以包括例如电压信号，电流信号或者相位信息等。如图2所示，在一种实施方式中，两个检测器336和328被分别用来检测发电机侧特定系统状况和电网侧特定系统状况。在其他实施方式中，也可以使用单一的检测器来检测发电机侧特定系统状况和电网侧特定系统状况。
请继续参阅图2，在一种实施方式中，变流器控制器342接收从发电机侧检测器336传送而来的电信号338以及从电网侧检测器328传递而来的电信号332。变流器控制器342通过分析电信号338和332判定是否存在发电机侧特定系统状况和电网侧特定系统状况。当发电机侧特定系统状况改变时，变流器控制器342改变作用到交流-直流变流器316的开关信号344的频率。在一种实施方式中，当一个发电机侧特定系统状况偏离正常范围时，开关信号344的频率被降低，以使得在发电机侧特定系统状况偏离正常范围的时间范围内，交流-直流变流器316中的开关元件在执行能量转换时产生更少的能量损耗。由于产生更少的能量损耗，因此开关元件在开关动作时产生更少的热量，从而使得交流-直流变流器316具有更小的热应力或者较低的散热要求。当导致开关信号344频率改变的发电机侧特定系统状况不存在或者已经结束时，变流器控制器342将开关信号344的频率重新设置为标准频率值。
类似地，当一个或者多个电网侧特定系统状况被判定为存在于电网326时，变流器控制器342也改变作用到直流-交流变流器322的开关信号346的频率。在一种实施方式中，开关信号346的频率被降低成使得在电网侧特定系统状况发生的时间范围内，直流-交流变流器322的开关元件在运作时产生更少的能量损耗。在电网侧特定系统状况例如低电压穿越事件或者零电压穿越事件发生时，由于需要提供比正常运作时更多的电流，由于开关信号频率降低而产生的谐波相对节省能量而言并非显得特别重要，因此在此种情形下降低开关信号频率是可行的。当导致开关信号346频率改变的电网侧特定系统状况不存在或者已经结束时，变流器控制器342将开关信号346的频率重新设置为标准频率值。
图4所示为根据变流器控制器342提供的标准频率的开关信号运作直流-交流变流器322所产生的能量损耗示意图，其中风力发电系统300处于低电压穿越情形。图5所示为根据变流器控制器342提供的频率值降低的开关信号运作直流-交流变流器322所产生的能量损耗示意图，其中风力发电系统300也处于低电压穿越情形。能量损耗包括导通损耗，开通损耗以及关断损耗。在此所谓的“导通损耗”是指特定的电子装置在导通时所产生的损耗，“开通损耗”是指特定的电子装置从完全关闭状态切换到完全导通状态的过程中所产生的损耗，而“关断损耗”是指特定的电子装置从完全导通状态切换到完全关闭状态的过程中所产生的损耗。
在图4中，提供给直流-交流变流器322的开关信号频率为3.4千赫兹，并且在低电压穿越事件过程中预估的开关损耗为30.6千瓦。在图5中，提供给直流-交流变流器322的开关信号频率降低为1.7千赫兹，并且在低电压穿越事件过程中预估的开关损耗为23.0千瓦。由于二极管384和386在开关过程中以基本相似的方式运作，在图4和图5中仅仅显示二极管384的能量损耗。从图4和图5可以看出，在将开关信号频率从3.4千赫兹降低到1.7千赫兹时，二极管384的关断损耗明显地降低。由于开关元件362和366在开关过程中与开关元件372和378以基本相似的方式运作，在图4和图5中仅仅显示开关元件362和366的能量损耗，从图4和图5可以看出，在将开关信号频率从3.4千赫兹降低到1.7千赫兹时，开关元件362和366的开通损耗和关断损耗明显地降低。类似地，由于二极管384和386在开关过程中与二极管374和382以基本相似的方式运作，在图4和图5中仅仅显示二极管364和368的能量损耗。总体而言，从图4和图5可以看出，在将开关信号频率从3.4千赫兹降低到1.7千赫兹时，二极管364的关断损耗明显地降低。换言之，假定在相同的散热条件下，通过降低开关频率，直流-交流变流器322可以处理更高的瞬时电流或者功率。
可以理解的是，当一个或者多个发电机侧特定系统状况发生时，通过降低作用到交流-直流变流器316的开关信号频率，可以得到类似的降低能量损耗的结果。
请参阅图6，图6所示为风力场发电系统400一种实施方式的模块示意图。风力场发电系统400被配置成将由风能转换而生成的电能提供给电网482。该风力场发电系统400在其多个风力发电装置中的一个或者多个变流器执行开关频率控制技术。
如图6所示，在一种实施方式中，风力场发电系统400大致包括第一风机群组410，第二风机群组420，变压器432，风场检测器434以及风场控制器436。第一风机群组410和第二风机群组420被配置成将由风能转换成的电能提供给收集总线(collector bus)452。变压器432接收来自于收集总线452的电能并输出电网482需要的电压幅度和电流幅度的电能。风场检测器434检测输送给电网482的电能在公共连接点462处的电性参数，并且公共连接462处被检测到的电性参数以电信号435形式传送给风场控制器434。风场控制器436进一步与第一风机群组410和第二风机群组进行通信。风场控制器436被配置成接收来自于第一和第二风机群组410和420的状态信号。举例而言，风场控制器436可以接收指示风力发电机是否正在运行的电信号442。风场控制器436进一步被配置成发送控制命令给第一风机群组410和第二风机群组420中的一个或者多个风力发电机，以控制其运行。
请进一步参阅图6，在图示的实施方式中，第一风机群组410包括第一风力发电机414，第二风力发电机418，第一风机控制器412以及第二风机控制器416。第一风机群组410通过第一连接线446在第一馈送点(feeder point)443处与收集总线452电性连接。第一风力发电机414和第二风力发电机418分别在第一风机控制器412和第二风机控制器416的控制下分别提供交流电到第一馈送点443。虽然图6仅示出两个风力发电机以及对应的风机控制器，可以理解的是，在其他实施方式中，在第一风机群组410中还可以包括更多数量的风力发电机以及对应的风机控制器。此外，在其他实施方式中，还可以使用一个公共的控制器来控制多个风力发电机。
请进一步参阅图6，在图示的实施方式中，第二风机群组420包括第三风力发电机424，第四风力发电机428，第三风机控制器432以及第四风机控制器425。第二风机群组420通过第二连接线448在第二馈送点445处与收集总线452电性连接。第三风力发电机424和第四风力发电机428分别在第三风机控制器422和第四风机控制器426的控制下分别提供交流电到第二馈送点445。
在一种实施方式中，该四个风力发电机414，418，424，428中的每一者包括一个或者多个具有开关元件的变流器，以用于分别在四个风力发电机控制器412，416，422，426提供的开关信号413，415，423，425的作用下进行能量转换。一方面，与上面结合图2和图4所作的描述相类似，每一个风力发电机414，418，424，428其自身可以被配置成具有在检测到与特定的风力发电机414，418，424，428相关联的一个或者多个特定系统状况时，改变开关信号413，415，423，425的频率之能力。并且，当一个或者多个特定系统状况不存在或者已经结束时，每一个风力发电机414，418，424，428还可以恢复开关信号413，415，423，425的频率。
另一方面，开关信号413，415，423，425的频率还可以结合在风力场发电系统400执行风机脉冲宽度调制交错方法进一步进行调节。图7所示为在风力场发电系统400中对风力发电机中的一个或者多个变流器进行开关频率控制的流程图。该方法3000可以编程为程序指令或者计算机软件，并保存在可以被电脑或者处理器读取的存储介质上。当该程序指令被电脑或者处理器执行时，可以实现如流程图所示的各个步骤。可以理解，电脑可读的存储介质可以包括易失性的和非易失性的，以任何方法或者技术实现的可移动的以及非可移动的介质。更具体言之，电脑可读的介质包括但不限于随机访问存储器，只读存储器，电可擦只读存储器，闪存存储器，或者其他技术的存储器，光盘只读存储器，数字化光盘存储器，或者其他形式的光学存储器，磁带盒，磁带，磁碟，或者其他形式的磁性存储器，以及任何其他形式的可以被用来存储能被指令执行系统访问的预定信息的存储介质。
在一种实施方式中，该方法3000可以从步骤3002开始执行。在步骤3002中，确定风力场发电系统400中正在运行的风力发电机的数量。在一种实施方式中，风场控制器436通过接收并分析通过通信系统438传送的来自第一和第二风机群组410，420的电信号，以确定正在运行的风力发电机的数量。风力发电机在运行时会产生电能(例如包括有功功率和无功功率)，并通过变压器432传送到电网482。在一种实施方式中，通信系统438可以包括监视控制与数据采集系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)。在此所谓的“监视控制与数据采集系统”是指一种以计算机为基础的系统，允许对基本的风机功能进行本地或者远程控制，并且可以从风力发电场收集数据，以用于分析和报告风机的运行性能。
在步骤3004中，根据运行的风力发电机的数量确定开关信号频率。在一种实施方式中，开关信号频率被降低成小于标准频率值。设置标准频率值用于满足第一馈送点443和第二馈送点445处的谐波标准或者满足公共连接点462处的谐波标准。作为一种非限制性的例子，开关信号的标准频率值可以设置为3.0千赫兹。更具体而言，降低后的开关信号频率可以满足下面的两个条件：
f＝fnom/N(1)，
f≥fmin  (2)，
其中，f为值降低后的开关频率值，fnom为标准频率值，N为被确定正在运行的风机的数量，fmin为确保风机带宽要求而规定的开关信号频率的下限值。从条件(1)可知，当风力场发电系统400中运行的风机的数量越多时，开关信号频率可以降低到更小的数值。当依照条件(1)计算而得到的开关信号频率数值小于条件(2)限定的下限值fmin时，降低后的开关信号频率可以设置成该下限值fmin。在一种实施方式中，满足上面描述的条件(1)和条件(2)的情形下，每一个运行的风力发电机可以被提供相同频率的开关信号。当然，在其他实施方式中，每一个运行的风力发电机也可以被提供不同频率的开关信号，只要降低后的开关频率值满足下面的条件(3)：
fmax≥f≥fmin  (3)，
其中，fmax为根据规定的谐波标准设定的标准频率值，fmin为满足风机带宽要求而规定的开关信号频率下限值。可以理解的是，在一些实施方式中，并非所有被确定正在运行的风力发电机都必须根据频率值降低的开关信号进行工作。在一些实施方式中，可以设置正在运行的风力发电机的一部分依据频率值降低的开关信号进行工作，而余下的运行风力发电机可以依据原始频率或者标准频率的开关信号进行工作。举例而言，当在某一个时间点确定有五台风力发电机正在正常工作并产生电能时，可以将其中三台风力发电机设置成依据频率值降低的开关信号进行工作，而剩下的两台风力发电机仍然依据原始频率的开关信号进行工作。
在步骤3006中，确定传送到公共连接点462处的电能所需要抑制的谐波分量。在一种实施方式中，风场检测器434可以包括一个谐波检测器，并被用来检测公共连接点462处的谐波分量。风场控制器436接收谐波检测器434传送来的关于谐波分量的检测信息。根据预先规定的满足电网482要求的谐波标准，可以确定需要特别抑制的谐波分量。在另外一种实施方式中，也可以确定传送到第一馈送点443和第二馈送点445处的电能所要抑制的谐波分量。
在步骤3008中，根据需要抑制的谐波分量脉冲宽度调制交错风力场发电系统400中的至少两台风力发电机。被交错的风力发电机可以处于相同的风机群组内，例如第一风机群组410内的第一风力发电机414和第二风力发电机418可以被交错。被交错的风力发电机也可以处于不同的风机群组内，例如，第一风机群组410内的第一风力发电机414和第二风机群组420内的第三风力发电机424可以被交错。在此所谓的“交错”是指一种系统层级的谐波抑制策略，其中处于相同或者不相同风机群组内的至少两台风力发电机在独立的风机控制器或者风场控制器的控制下，改变载波信号，基波信号或者其载波信号和基波信号组合后的信号的相位或者角度，以消除提供给电网的电能的谐波分量。在一个例子中，“载波信号”可以包括三角波，“基波信号”可以包括正弦波，这二者被提供来产生驱动一个或者多个变流器中的开关元件的开关信号。关于“风机交错方法”的一种详细实施方式，可以参考共同受让的由发明人王长永等人提出的公开号为US 2010/0156192之美国专利申请，该美国专利申请的全文被引入在此专利申请中作为参考。
在步骤3012中，产生并发送参考指令给与运行的风力发电机相关联的风机控制器。参考指令包括开关频率参考指令和交错信息参考指令。在一种实施方式中，开关频率参考指令可以根据例如开关信号需降低的频率值产生。交错信息参考指令可以根据载波信号，基波信号或者其载波信号和基波信号组合后的信号所需要移动的相位和角度移动来产生。在一种实施方式中，风场控制器发送参考指令444给每一个被判定为正在运行的风力发电机的风机控制器。
图8所示为根据对应的变流器控制器提供的标准频率的开关信号运作正在运行的风力发电机的变流器所产生的能量损耗示意图。图9所示为根据对应的变流器控制器提供的频率值降低的开关信号运作正在运行的风力发电机的变流器所产生的能量损耗示意图。请参阅图8和图9，柱状条462和464代表如图3所示的开关元件所产生的能量损耗，包括导通损耗，开通损耗以及关断损耗，柱状条466代表如图3所示的二极管所产生的能量损耗。在图8中，提供给变流器的开关信号频率为3.4千赫兹，在电网侧特定系统状况发生时，根据该频率预估的能量损耗为22.6千瓦。在图9中，提供给正在运行的风力发电机的变流器的开关信号频率降低为1.7千赫兹，同样在发生电网侧特定系统状况发生时，根据该降低后的频率预估的能量损耗为16.7千瓦。通过比较图8和图9可以看出，当将开关信号频率从3.4千赫兹降低到1.7千赫兹时，特别是开关元件所产生的包括开通损耗和关断损耗在内的开关损耗被明显地降低。
请返回参阅图7，在步骤3012之后，方法3000后续的流程转向步骤3002执行，以进一步判定运行的风力发电机的数量是否发生变化。当运行的风力发电机的数量发生变化时，可以进一步执行步骤3002后面的步骤，并根据新确定的运行风机的数量来改变开关信号频率。
请参阅图10，其所示为一种实施方式的另一能量转换系统500的模块示意图。在图10中，系统500也可以实施为能量消耗提供或者能量产生系统。在此所谓的“能量消耗系统”以及“能量产生系统”遵照如上描述图1时所作的定义。系统500被配置成用于根据变化的温度状况，变化的负载状况或者变化的温度状况和变化的负载状况的结合，来对一个或者多个变流器执行频率控制。概略而言，在特定的温度或者负载条件下，变流器或者基于半导体的开关元件都有一个正常的寿命或者失效率。在具体运作时，当变流器经受变动的温度状况或者变动的负载状况时，变流器的失效率也随之发生变化，从而会影响变流器的使用寿命。
请参阅图11，其所示出的两条曲线522和524分别描绘样品A和样品B的温度损坏周期数和变化的温度之间的关系特性。从图11可以看出，样品A和样品B均具有这样的特性，所经受的温度变化越大，则开关元件拥有越小的温度损坏周期数。并且，在相同的温度变化条件下，样品B相对样品A而言，可以承受更多数量的温度损坏周期数。请参阅图12，其所示的两条曲线532和534分别描绘样品A和样品B的功率损坏周期数和变化的结温之间的关系特性。从图12可以看出，样品A和样品B均具有这样的特性，结温变化越大，则开关元件拥有越小的功率损坏周期数。并且，在相同的结温条件下，样品B相对样品A而言，可以承受更多数量的功率损坏周期数。
请参阅图10，在一种实施方式中，系统500包括变流器502，热检测器504，负载状况检测器506以及变流器控制器508。根据变流器控制器508提供的开关信号，变流器502可以将第一种形式的电能512转换成第二种形式的电能514。如图10中虚线503所指，热检测器504与变流器502热连接，并且热检测器504与变流器控制器508电性连接。热检测器504可以使用接触型的温度传感器或者非接触型的温度传感器，用来感测变流器502自身的温度或者变流器502周围环境的温度。在一种实施方式中，热检测器504还可以检测变流器502内主要电子元器件的表面温度，这些电子元器件包括电容，电感，功率器件，电路板等。热检测器504将检测的温度转换成第一电信号505并传送给变流器控制器508。负载状况检测器506可以包括电压检测器或者电流检测器，用于检测与负载相关联的电压或者电流参数。负载接收变流器502所转换产生的电能514。负载状况检测器506将检测到的负载状况以第二电信号507的形式传送给变流器控制器508。
请进一步参阅图10，在一种实施方式中，变流器控制器508根据代表温度状况的第一电信号505和代表负载状况的第二电信号507获得变流器502的实际失效率。在一种实施方式中，可以通过查询存储在存储装置中的查询表(lookup table)来获得该实际的失效率。在另外一种实施方式中，也可以使用经验公式或者变流器制造者提供的测试数据来计算实际的失效率。该变流器控制器508进一步比较实际的失效率和通过查询表或者经验公式获得的目标失效率。根据比较结果可以改变开关信号509的频率。在一种实施方式中，如果获得的实际失效率大于目标失效率时，变流器控制器508可以减小开关信号509的频率，并且减小后的频率数值不小于下限值，这里的下限值可以根据带宽控制的要求等来设定。如果获得的实际失效率小于目标失效率时，变流器控制器508可以开关信号509的频率，并且增加后的频率数值不大于上限值，这里的上限值可以根据系统的散热要求或者谐波要求等来设定。可以理解，根据温度状况和负载状况动态调节开关信号频率可以使变流器获得最大的使用寿命。这样取得的有益效果为通过获得最大的使用寿命可以使得系统500拥有更长期的稳定性。长期稳定性对于离岸的风力发电机尤其显得重要，因为在这样的情形下替换损坏的变流器比较复杂也比较昂贵。
请参阅图13，其所示为太阳能发电系统800一种实施方式的模块图。该太阳能发电系统800也被配置成具有对变流器执行开关频率控制的能力。
在一种实施方式中，太阳能发电系统800包括太阳能阵列802，直流-直流变流器(DC-DC converter)804，直流-交流变流器(DC-AC converter)806，太阳能侧检测器812，电网侧检测器814以及变流器控制器818。太阳能阵列802用于基于光电效应将来自太阳的能量转换成直流电820。正常运作或者没有特定的系统状况发生时，直流-直流变流器804根据变流器控制器818提供的具有标准频率值的开关信号817将直流电820进行电压升压并产生升压直流电824。直流-交流变流器806根据变流器控制器818提供的具有标准频率值的开关信号819将升压直流电824转换成交流电826。交流电826被输入到电网808中以供进一步的传输。
请进一步参阅图13，太阳能侧检测器812电性连接在太阳能阵列802和直流-直流变流器804之间的共同连接点。太阳能检测器812用于检测一个或者多个与太阳能侧相关的特定系统状况。作为一种举例，太阳能侧特定系统状况包括例如光照不足事件。太阳能侧检测器812将检测结果以电信号813形式传送给变流器控制器818。
在一种实施方式中，电网侧检测器814电性连接在直流-交流变流器806和电网808之间的共同连接点。电网侧检测器814用于检测一个或者多个与电网能侧相关的特定系统状况。作为一种举例，电网侧特定系统状况可以包括电网808发生的故障事件，例如低电压穿越事件或者零电压穿越事件。电网侧检测器814将检测结果以电信号828形式传送给变流器控制器818。电信号828可以包括电压信号，电流信号以及相位信息等。
请进一步参阅图13，在一种实施方式中，变流器控制器818通过接收并分析电信号813和828以决定是否有特定的太阳能侧系统状况或者特定的电网侧系统状况存在。当一个或者多个太阳能侧特定系统状况存在于太阳阵列802时，变流器控制器342改变作用到直流-直流变流器804的开关信号817的频率；当一个或者多个电网侧特定系统状况存在于电网808中时，变流器控制器342改变作用到直流-交流变流器806的开关信号819的频率。在一种实施方式中，开关信号817和819的频率被降低以减少能量损耗。当一个或者多个太阳能特定系统状况或者电网侧特定系统状况消失或者已经结束时，变流器控制器342将开关信号817和819的频率分别恢复到标准频率值。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (6)

1.一种用于产生电能的风力发电场系统，其特征在于：该风力发电场系统包括：多个风力发电机，多个风力发电机控制器以及风场控制器，该多个风力发电机与公共连接点电性连接，每一个风力发电机包括具有开关元件的变流器，该变流器用于转换并提供电能给该公共连接点；每一个风力发电机控制器与每一个风力发电机的变流器电性连接，该每一个风力发电机控制器被配置成用于给对应的变流器提供标准频率的开关信号；该风场控制器与每一个风力发电机控制器电性连接，该风场控制器被配置成用于判定运作的风力发电机的数量，该风场控制器还被配置成用于根据判定的风力发电机的运作数量控制该运作的风力发电机中至少一部分风力发电机控制器提供频率不同于标准频率的开关信号给对应的变流器。
2.如权利要求1所述的风力发电场系统，其特征在于：该不同于标准频率的开关信号频率值根据下面的公式来确定：f=fnom/N，其中fnom为开关信号的标准频率，N为运作的风力发电机的数量，f为不同于标准频率的开关信号频率值。
3.如权利要求1所述的风力发电场系统，其特征在于：当该运作的风力发电机的数量被判定成大于预定值时，该不同于标准频率的开关信号频率值被设置成不小于一固定值。
4.如权利要求1所述的风力发电场系统，其特征在于：该风力发电场系统还包括谐波检测器，该谐波检测器电性连接于该公共连接点，该谐波检测器被配置成用于测量该公共连接点处电能的谐波分量，该风场控制器至少根据需要抑制的谐波分量的数量确定该开关信号的相位移动。
5.一种运作风力场发电系统的方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
通过风场控制器确定风力场发电系统中正在运作的风力发电机的数量；以及
根据确定的风力发电机的运作数量，通过风场控制器降低作用到至少一部分运作的风力发电机的开关信号频率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：
检测风力场发电系统产生的电能所需要抑制的谐波分量；以及
根据所需要抑制的谐波分量进行脉宽调制交错频率值降低的开关信号。
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