CN103503268A - 风能变流器 - Google Patents

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Abstract

风能变流器（30）包括多个相功率变流器（300、301、302），每个相功率变流器适于将来自风力发电机（31）相应相的输出功率转换至电网（32）相应的相，每个相功率变流器（300、301、302）包括全波整流器（60）、电容器（61）、全波有源逆变器（62），全波整流器（60）适于经由第一端子和第二端子整流来自风力发电机（31）相应相的输入功率，电容器（61）适于由被全波整流器（60）整流的功率充电，全波有源逆变器（62）适于逆变储存在电容器（61）中的功率并通过第三端子和第四端子将逆变的功率输出到电网（32）相应的相，其中，第一端子或第二端子连接到第一虚拟中点（N1），第三端子或第四端子连接到第二虚拟中点（N2）。因此，降低了变流器（30）的成本，提高了提供的电能的品质。

Description

风能变流器
技术领域
本发明涉及风能变流器领域，更特别地，涉及多相中压风能变流器。
背景技术
风能变流器通常利用交流-直流-交流转换技术，其中，采用电压或电流直流链（DC-link）。
图1图示说明具有电压直流链的传统风能变流器理论上的拓扑结构。根据图1，风能变流器1包括风力发电机10、风能变流器11和电网12。风能变流器11转换由风力发电机10产生的电能并将转换的电能提供给电网12。风能变流器11进一步包括三相两电平整流器110、直流链电容器111和三相逆变器112。三相两电平整流器110包括六个二极管D1到D6，每个二极管与功率开关反向并联连接。三相逆变器112包括六个功率开关S1到S6。理论上，三相两电平整流器中每个二极管或三相逆变器112中每个功率开关的击穿电压的值应当至少在直流链电容器111端电压的值之上。所期望的向电网的输出电压的值越高，所需要的击穿电压的值越高。随着击穿电压上升，半导体成本急剧增加，因此这带来高成本。
从工程的角度，技术人员应当考虑在击穿电压的值与向电网的输出电压和提供的电能品质之间取得折中。图2图示说明具有电压直流链、三电平中点箝位型拓扑结构（3-level NPC）的传统风能变流器。根据图2，风能变流器2包括风力发电机20、风能变流器21和电网22。风能变流器21转换由风力发电机20产生的电能并将转换的电能提供给电网22。风能变流器21进一步包括三相三电平整流器210、两个串联连接的直流链电容器211和三相三电平逆变器212。三相三电平变流器210包括十二个二极管D1到D12，每个二极管与功率开关反向并联连接，加上额外的二极管Da到Df，如图2所示。三相逆变器212包括十二个功率开关S1到S12，加上Dg到Dl，如图2所示。通过具有这种结构，二极管或功率开关击穿电压的值可以至少在任一个直流链电容器的端电压之上。击穿电压所需的值被降低，而功率半导体的数量增加，因此后者带来的成本增加在一定程度上减轻了前者带来的成本降低。如果对于更高的电压，半导体成本的问题同样存在。此外，拓扑结构也变得复杂，增加了风能变流器中功率器件间的耦合。
发明内容
因此，本发明的目的是降低成本，同时提高提供的电能的品质。
根据本发明实施例，风能变流器包括：多个相功率变流器，每个相功率变流器适于将从风力发电机的相应相输出的功率转换至电网相应的相；每个相功率变流器包括：全波整流器、电容器和全波有源逆变器，全波整流器适于整流经由第一端子和第二端子从风力发电机的相应相输入的功率，电容器适于由被全波整流器整流的功率充电，全波有源逆变器适于逆变储存在电容器中的功率并通过第三端子和第四端子将逆变的功率输出到电网相应的相；其中，第一端子或第二端子连接到第一虚拟中点，第三端子或第四端子连接到第二虚拟中点。通过具有这种拓扑结构，用作功率转换模块的每个相功率变流器彼此独立，因此，消除了任两个相功率变流器之间的电耦合。下文将对相功率变流器进行详细描述。
附图说明
下文将参考附图中示出的优选的示例性实施例对本发明的主题进行更详细的说明，其中：
图1图示说明具有电压直流链的传统风能变流器理论上的拓扑结构；
图2图示说明具有电压直流链、三电平中点箝位型拓扑结构（3-levelNPC）的传统风能变流器；
图3示出根据本发明实施例的风能变流器的拓扑结构；
图4示出根据本发明实施例的级联连接的两个功率转换模块的拓扑结构；
图5示出根据本发明另一个实施例的级联连接的三个功率转换模块的拓扑结构；
图6示出根据本发明实施例的功率转换模块的拓扑结构；
图7示出箝位电路（clamp circuit）在导通状态和断开状态之间的操作；
图8示出吸收电能的卸载单元（unload unit）的操作；
图9示出根据本发明实施例的风能变流器的拓扑结构；
图10A示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅰ；
图10B示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅱ；
图11和图12分别示出根据图4和图5的基于功率转换模块的拓扑结构的基于设备的实施；
图13A示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅰ；
图13B示出根据本发明实施例的有源全波整流器操作的升压模式的阶段-Ⅱ；
图13C示出根据本发明实施例的全波有源逆变器的操作；
图14A示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅰ；
图14B示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅱ；以及
图14C示出根据本发明实施例的全波有源逆变器的操作。
附图中使用的附图标记及其含义以简要的形式列在附图标记清单中。原则上，在图中相同的部件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图3示出根据本发明的实施例的风能变流器的拓扑结构。在此，用三相风力发电机作为描述实施例的例子。技术人员应当理解，本发明还可应用于诸如两相到多于三相的多相风力发电机。如图3所示，风能变流器30包括相A功率变流器300、相B功率变流器301和相C功率变流器302。这三个相的功率变流器300、301、302中的每个适于转换从风力发电机31相应相输出的功率。相功率变流器300、301、302中的每个均包括两个输入端子A1、Com1和两个输出端子A2、Com2。相-A功率变流器300、相-B功率变流器301和相-C功率变流器302的输入端子A1分别与风力发电机31的相-A、相-B和相-C连接，这三个功率变流器300、301、302的端子Com1与第一虚拟中点（virtual neutral）N1连接。相-A功率变流器300、相-B功率变流器301和相-C功率变流器302的输出端子A2分别与电网32的相-A、相-B和相-C连接，这三个功率变流器300、301、302的端子Com2与第二虚拟中点（virtual neutral）N2连接。通过具有这种拓扑结构，用作功率转换模块的每个相功率变流器彼此独立，因此，消除了任两个相功率变流器之间的电耦合。下文将详细描述相功率变流器。
优选地，如图3所示，三相滤波器33连接在风力发电机31和三相功率变流器之间，三相滤波器34连接在三相功率变流器和电网32之间。
上述相功率变流器可以被作为功率转换模块。出于降低相功率变流器中使用的功率器件所需的击穿电压的目的，对于相A、B和C中的每个，多于一个的功率转换模块级联连接。图4示出根据本发明实施例的级联连接的两个功率转换模块的拓扑结构。如图4所示，相功率变流器4包括两个功率转换模块，功率转换模块40和功率转换模块41分别包括端子AL、ComL、AR、ComR，如上文所述。功率转换模块40的端子ComL与功率转换模块41的端子AL连接，功率转换模块40的端子ComR与功率转换模块41的端子AR连接。这样连接的这两个模块40、41组成相功率变流器，而且功率转换模块40的端子AL和功率转换模块41的端子ComL作为相功率变流器4的输入端子（A1Com1），功率转换模块40的端子AR和功率转换模块41的端子ComR作为相功率变流器4的输出端子（A2Com2）。图5示出根据本发明另一个实施例的级联连接的三个功率转换模块的拓扑结构。如图5所示，相功率变流器5包括三个功率转换模块（相功率变流器50、51、52），分别包括端子AL、ComL、AR、ComR。相功率变流器50的端子ComL与相功率变流器51的端子AL连接，如上文所述，相功率变流器51的端子ComL与相功率变流器52的端子AL连接，功率转换模块50的端子ComR与功率转换模块51的端子AR连接，功率转换模块51的端子ComR与功率转换模块52的端子AR连接。这样连接的这三个模块50、51、52组成相功率变流器5，而且功率转换模块50的端子AL和功率转换模块52的端子ComL作为相功率变流器5的输入端子（A1Com1），功率转换模块50的端子AR和功率转换模块52的端子ComR作为相功率变流器5的输出端子（A2Com2）。按照和上文描述的相似的方式，相功率变流器可以扩展至级联连接的甚至更多的功率转换模块。对于相功率变流器中使用的直流链电容器的给定端电压，其中使用的功率器件的击穿电压所需的值将随着扩展下降。
图6示出根据本发明实施例的功率转换模块的拓扑结构。如前文所述的，一个功率转换模块，或级联连接的多个功率转换模块组成一个相的、相-A、相-B或相-C的相功率变流器。如图6所示，功率转换模块6包括具有两个输入端子AL和ComL的全波整流器60、直流链电容器61、和具有输出端子AR和ComR的全波有源逆变器62。风力发电机通常产生具有可变幅值和可变频率的交流电。为了抑制这种变化，全波整流器60整流经由端子AL和ComL来自风力发电机相应相（例如，相-A、相-B或相-C）的输入功率，由全波整流器60整流的功率对直流链电容器61充电，全波有源逆变器62逆变储存在直流链电容器61中的功率并通过端子AR和ComR将逆变的功率输出到电网相应的相。
优选地，在全波整流器60和直流链电容器61之间串联连接箝位电路64和卸载单元65，在直流链电容器61和全波有源逆变器62之间连接另一个箝位电路66。箝位电路包括如图6连接的电感、电阻、二极管和电容器。如图6所示，卸载单元65包括功率器件650和电阻651。箝位电路64、66有助于当有源全波整流器或全波有源逆变器中的功率开关关掉时，将功率转换模块中的电感电流释放到布置在箝位电路64中的电容器和电阻上，因此，防止毁坏功率转换模块中的功率设备。卸载单元65有助于当电网失电或直流链电容器产生过电压时通过触发功率器件650吸收来自风力发电机的电能输入。图7示出箝位电路在导通状态和断开状态之间的操作。图8示出吸收电能的卸载单元的操作。
提供给电网的电能电压的幅值通常设置得比风能变流器的电压输入的幅值高。因此，对于实现如图6所示的全波整流器60，有源全波整流器比无源全波整流器更好。图9示出根据本发明实施例的风能变流器的拓扑结构。根据图9的拓扑结构是图3所示基于功率转换模块的拓扑结构基于设备的实现，其中，图6所示的功率转换模块使图3中的相功率变流器具体化。风能变流器90包括相-A功率变流器900、相-B功率变流器901、和相-C功率变流器902。这三个相功率变流器900、901、902中的每个都适于转换从风力发电机91相应相输出的功率。每个相功率变流器900、901、902都包括两个输入端子AL、ComL和两个输出端子AR、ComR。相-A功率变流器900、相-B功率变流器901、和相-C功率变流器902的输入端子AL分别与风力发电机91的相-A、相-B和相-C连接，这三个功率变流器900、901、902的端子ComL均与第一虚拟中点N1连接。相-A功率变流器900、相-B功率变流器901、和相-C功率变流器902的输出端子AR分别与电网92的相-A、相-B和相-C连接，这三个功率变流器900、901、902的端子ComR均与第二虚拟中点N2连接。通过具有这种拓扑结构，用作功率转换模块的每个相功率变流器彼此独立，因此，消除了任两个相功率变流器之间的电耦合。相功率变流器900、901、902包括具有两个输入端子AL和ComL的有源全波整流器9000、9010、9020，直流链电容器9001、9011、9021，和具有输出端子AR和ComR的全波有源逆变器9002、9012、9022。全波整流器9000、9010、9020整流经由端子AL和ComL从风力发电机相应相（例如，相-A、相-B或相-C）输入的功率。由全波整流器9000、9010、9020整流的功率对直流链电容器910、911、912充电。全波有源逆变器9002、9012、9022逆变储存在直流链电容器9001、9011、9021中的功率并通过端子AR和ComR将逆变的功率输出到电网相应的相。风能变流器90进一步包括分别连接在相-A功率变流器900、相-B功率变流器901、相-C功率变流器902与风力发电机91的相-A910、相-B911、相-C912之间的相-A电感903、相-B电感904和相-C电感905。如图9所示，全波有源整流器9000、9010、9020分别包括四个二极管D1到D4和四个功率开关S1到S4，且二极管D1、D2、D3、D4和功率开关S1、S2、S3、S4反向并联连接。为了提高直流链电容器9001、9011、9021的端电压的值，有源全波整流器9000、9010、9020在如图10A和图10B所示的升压模式下操作。驱动升压模式的关键原则在于电感抑制电流变化的趋势。当被充电时，它用作负载并吸收能量（有点像电阻），当被放电时，它用作能量源（有点像电池）。放电阶段期间它产生的电压与电流的变化率有关，与原始充电电压无关，因此，允许不同的输入和输出电压。
图10A示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅰ。在此，用单个相-A全波整流器做为描述实施例的例子。技术人员应当理解的是，本发明还可以应用于三相全波整流器。如图10A所示，关于来自风力发电机910的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，功率开关S2闭合同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，引起相-A电感903的电流增加，使得来自风力发电机910相应相的输出功率对相电感充电。关于来自风力发电机910的电能的负半周（未示出），在升压模式的阶段-Ⅰ，功率开关S1闭合同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通，与对相电感充电产生相同的结果。技术人员应当理解，其中一个功率开关闭合其它功率开关断开可以实现升压模式阶段-Ⅰ的交流电通路，例如，关于来自风力发电机910的电能的正半周，功率开关S3闭合同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D1导通；关于来自风力发电机910的电能的负半周，功率开关S1闭合同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D2导通；或者关于来自风力发电机910的电能的负半周，功率开关S4闭合同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D2导通（未示出）。
图10B示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅱ。如图10B所示，关于来自风力发电机910的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅱ，所有功率开关断开且提供给相电感电流的唯一通路穿过二极管D1、D4、直流链电容器9001。这引起将阶段-Ⅰ期间积累的能量转移到直流链电容器9001。关于来自风力发电机910的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅱ，功率开关S1断开且提供给相电感电流的唯一通路穿过二极管D2、D3、直流链电容器9001。这引起将阶段-Ⅰ期间积累的能量转移到直流链电容器9001。关于来自风力发电机910的电能的负循环，在升压模式的阶段-Ⅱ，功率开关S1、S4断开且提供给相电感电流的唯一通路穿过二极管D3、D2、直流链电容器9001（未示出）。
从上文的描述可以看出，给直流链电容器的输出电压总是高于来自风力发电机的输入电压。
优选地，在全波整流器9000和直流链电容器9001之间串联连接箝位电路。
技术人员应当理解，有源全波整流器可以在二极管模式下操作，其中，没有功率开关是闭合的。在二极管模式下，有源全波整流器在功能上等于无源全波整流器。由从风力发电机相应相输出的功率（没有相电感）或由从风力发电机相应相输出的功率和储存在相应相电感的功率（有相电感）对相应的直流链电容器充电。
图11和图12分别示出根据图4和图5的基于功率转换模块的拓扑结构基于设备的实现。
如图11所示，风能变流器110包括分别是相-A、相-B和相-C的三个相功率变流器，每个相功率变流器进一步包括两个功率转换模块，第一功率转换模块和第二功率转换模块分别包括如上文描述的端子AL、ComL、AR、ComR。第一功率转换模块的端子ComL和第二功率转换模块的端子AL连接，第一功率转换模块的端子ComR和第二功率转换模块的端子AR连接。这样连接的这两个模块组成相功率变流器，而且第一功率转换模块的端子AL和第二功率转换模块的端子ComL作为相功率变流器1100、1101、1102的输入端子，第一功率转换模块的端子AR和第二功率转换模块的端子ComR作为相功率变流器1100、1101、1102的输出端子。如图11所示，从功能性的角度看，这三个相功率变流器1100、1101、1102中的每个都包括全波有源整流器、直流链电容器和全波有源逆变器。相-A功率变流器的全波有源整流器进一步包括两个级联连接的子全波有源整流器11000、11001，相-B功率变流器的全波有源整流器进一步包括两个级联连接的子全波有源整流器11010、11011，相-C功率变流器的全波有源整流器进一步包括两个级联连接的子全波有源整流器11020、11021。相-A功率变流器的直流链电容器包括两个子电容器11002、11003，所述两个子电容器11002、11003被相应子全波有源整流器11000、11001整流的功率充电，相-B功率变流器的直流链电容器包括两个子电容器11012、11013，所述两个子电容器11012、11013被相应子全波有源整流器11010、11011整流的功率充电，相-C功率变流器的直流链电容器包括两个子电容器11022、11023，所述两个子电容器11022、11023被相应子全波有源整流器11020、11021整流的功率充电。相-A的全波有源逆变器包括两个级联的子全波有源逆变器11004、11005，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关，相-B的全波有源逆变器包括两个级联的子全波有源逆变器11014、11015，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关，相-C的全波有源逆变器包括两个级联的子全波有源逆变器11024、11025，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关。在风力发电机111分别和相-A功率变流器、相-B功率变流器、相-C功率变流器之间，连接相-A电感11006、相-B电感11016、相-C电感11026，其有助于提高应用到直流链电容器的电压且有助于滤波。
出于清楚和简洁的目的，用相-A做例子，因为相-A、相-B和相-C具有相似的拓扑结构。为了提高子电容器11002、11003端电压的值，子全波有源整流器11000、11001在图13A和图13B所示的升压模式下操作。
图13A示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅰ。如图13A所示，关于来自风力发电机的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器11000中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器11001中，功率开关S3闭合，同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D1导通，引起相-A电感11006中电流增加，使得从风力发电机111相应相输出的功率对相电感充电。关于来自风力发电机111的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器11000中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通，在子全波有源整流器11001中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，与对相-A电感11006充电产生相同的结果。技术人员应当理解，其中通过一个功率开关闭合其它功率开关断开可以实现升压模式阶段-Ⅰ的交流电通路，例如，关于来自风力发电机的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器11000中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通，在子全波有源整流器11001中，功率开关S4闭合，同时其它功率开关S1、S2、S3断开且二极管D2导通；关于来自风力发电机的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器11001中，功率开关S3闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D1导通，在子全波有源整流器11002中，功率开关S4闭合，同时其它功率开关S1、S2、S3断开且二极管D2导通；或者关于来自风力发电机的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器11001中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器11000中，功率开关S3闭合，同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D1导通（未示出）。
图13B示出根据本发明实施例的有源全波整理器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅱ。如图13B所示，关于来自风力发电机111的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅱ，子全波有源整流器11000中所有功率开关断开，子全波有源整流器11001中所有功率开关断开，提供给相-A电感11006电流的唯一通路穿过子全波有源整流器11000中的二极管D1、D4，子电容器11002，子全波有源整流器11001中的二极管D2、D3，和子电容器11003。这引起将阶段-Ⅰ期间积累的能量转移到子电容器11002、11003。关于来自风力发电机111的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅱ，子全波有源整流器11000中的功率开关S1断开，子全波有源整流器11001中的功率开关S2断开，提供给相-A电感1103电流的唯一通路穿过子全波有源整流器11000中的二极管D2、D3，子电容器11002，子全波有源整流器11001中的二极管D1、D4和子电容器11003。这引起将阶段-Ⅰ期间积累的能量转移到相-A直流链电容器。技术人员应当理解，关于来自风力发电机111的电能的负循环，在升压模式的阶段-Ⅱ，子全波有源整流器11000中所有功率开关断开，子全波有源整流器11001中所有功率开关断开，提供给相-A电感11006电流的唯一通路穿过子全波有源整流器11000中的二极管D2、D3，子电容器11002，子全波有源整流器11001中的二极管D1、D4和子电容器11003（未示出）。
此外，用相-A全波有源逆变器11004、11005做例子。图13C左侧示出根据本发明实施例的全波有源逆变器的操作，是如何产生最大输出。对于其它说明，它们与上文描述的功率转换模块相似。图13C右侧示出箝位电路在导通状态和断开状态之间的操作。以和上文描述的相似方式，相功率变流器可以扩展至级联连接的更多的功率转换模块。对于相功率变流器中使用的直流链电容器给定端电压，其中使用的功率设备击穿电压所需的值将随着扩展下降。
如图12所示，风能变流器120包括分别是相-A、相-B和相-C的三个相功率变流器1200、1201、1202，每个相功率变流器1200、1201、1202进一步包括三个功率转换模块，第一功率转换模块、第二功率转换模块和第三功率转换模块分别包括如上文描述的端子AL、ComL、AR、ComR。第一功率转换模块的端子ComL和第二功率转换模块的端子AL连接，第二功率转换模块的端子ComL和第三功率转换模块的端子AL连接，第一功率转换模块的端子ComR和第二功率转换模块的端子AR连接，第二功率转换模块的端子ComR和第三功率转换模块的端子AR连接。这样连接的这三个模块组成相功率变流器，而且第一功率转换模块的端子AL和第三功率转换模块的端子ComL作为相功率变流器1200、1201、1202的输入端子，第一功率转换模块的端子AR和第三功率转换模块的端子ComR作为相功率变流器1200、1201、1202的输出端子。如图12所示，从功能性的角度看，这三个相功率变流器1200、1201、1202中的每个都包括全波有源整流器、直流链电容器和全波有源逆变器。相-A功率变流器的全波有源整流器进一步包括三个级联连接的子全波有源整流器12000、12001、12002，相-B功率变流器的全波有源整流器进一步包括三个级联连接的子全波有源整流器12010、12011、12012，相-C功率变流器的全波有源整流器进一步包括三个级联连接的子全波有源整流器12020、12021、12022。相-A功率变流器的直流链电容器包括三个子电容器12003、12004、12005，由相应的子全波有源整流器12000、12001、12002整流的功率对相-A功率变流器的直流链电容器充电，相-B功率变流器的直流链电容器包括三个子电容器12013、12014、12015，由相应的子全波有源整流器12010、12011、12012整流的功率对相-B功率变流器的直流链电容器充电,相-C功率变流器的直流链电容器包括三个子电容器12023、12024、12025，由相应的子全波有源整流器12020、12021、12022整流的功率对相-C功率变流器的直流链电容器充电。相-A的全波有源逆变器包括三个级联的子全波有源逆变器12006、12007、12008，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关，相-B的全波有源逆变器包括三个级联的子全波有源逆变器12016、12017、12018，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关，相-C的全波有源逆变器包括三个级联的子全波有源逆变器12026、12027、12028，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关。在风力发电机121分别和相-A功率变流器、相-B功率变流器、相-C功率变流器之间，连接相-A电感12009、相-B电感12019、相-C电感12029，这些电感有助于提高应用到直流链电容器的电压且有助于滤波。
出于清楚与简洁的目的，用相-A做例子，因为相-A、相-B和相-C具有相似的拓扑结构。为了提高子电容器12003、12004、12005端电压的值，子全波有源整流器12000、12001、12002在图14A和14B所示的升压模式下操作。
图14A示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅰ。如图14A所示，关于来自风力发电机的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器12000中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器12001中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通，在子全波有源整流器12002中，功率开关S4闭合，同时其它功率开关S1、S2、S3断开且二极管D2导通，引起相-A电感12009的电流增加，使得来自风力发电机121相应相的输出功率对相电感充电。关于来自风力发电机121的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器12000中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通，在子全波有源整流器12001中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器12002中，功率开关S3闭合，同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D1导通，与对相-A电感12009充电产生相同的结果。技术人员应当理解，其中一个功率开关闭合其它功率开关断开可以实现升压模式阶段-Ⅰ的交流电通路，例如，关于来自风力发电机的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器12000中，功率开关S3闭合，同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D1导通，在子全波有源整流器12001中，功率开关S4闭合，同时其它功率开关S1、S2、S3断开且二极管D2导通，在子全波有源整流器12002中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通；关于来自风力发电机的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器12002中，功率开关S3闭合，同时其它功率开关S1、S2、S4断开且二极管D1导通，在子全波有源整流器12001中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器12000中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通；或者关于来自风力发电机的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅰ，在子全波有源整流器12002中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器12001中，功率开关S2闭合，同时其它功率开关S1、S3、S4断开且二极管D4导通，在子全波有源整流器12000中，功率开关S1闭合，同时其它功率开关S2、S3、S4断开且二极管D3导通（未示出）。
图14B示出根据本发明实施例的有源全波整流器在其下操作的升压模式的阶段-Ⅱ。如图14B所示，关于来自风力发电机121的电能的正半周，在升压模式的阶段-Ⅱ，子全波有源整流器12000中功率开关S2断开，子全波有源整流器12001中功率开关S1断开，子全波有源整流器12002中功率开关S4断开，提供给相-A电感12009电流的唯一通路穿过子全波有源整流器12000中的二极管D1、D4，子电容器12003，子全波有源整流器12001中的二极管D2、D3，子电容器12004，子全波有源整流器12002中的二极管D2、D3，子电容器12005。这引起将阶段-Ⅰ期间积累的能量转移到子电容器12003、12004、12005。关于来自风力发电机121的电能的负半周，在升压模式的阶段-Ⅱ，子全波有源整流器12000中功率开关S1断开，子全波有源整流器12001中功率开关S2断开，子全波有源整流器12002中功率开关S3断开，提供给相-A电感12009电流的唯一通路穿过子全波有源整流器12000中的二极管D2、D3，子电容器12003，子全波有源整流器12001中的二极管D1、D4，子电容器12004，子全波有源整流器12002中的二极管D1、D4，子电容器12005。这引起将阶段-Ⅰ期间积累的能量转移到相-A直流链电容器。技术人员应当理解，关于来自风力发电机121的电能的负循环，在升压模式的阶段-Ⅱ，子全波有源整流器12000中所有功率开关断开，子全波有源整流器12001中所有功率开关断开，子全波有源整流器12002中所有功率开关断开，提供给相-A电感12009电流的唯一通路穿过子全波有源整流器12002中的二极管D1、D4，子电容器12005，子全波有源整流器12001中的二极管D1、D4，子电容器12004，子全波有源整流器12000中的二极管D1、D4，子电容器12003。
此外，用相-A全波有源逆变器12006、12007、12008做例子。图14C左侧示出根据本发明实施例的全波有源逆变器的操作，是如何产生最大输出。对于其它说明，它们与上文描述的功率转换模块相似。图14C右侧示出箝位电路在导通状态和断开状态之间的操作。
以和上文描述的相似方式，相功率变流器可以扩展至级联连接的更多的功率转换模块。对于相功率变流器中使用的直流链电容器的给定端电压，其中使用的功率器件击穿电压所需的值将随着扩展下降。
尽管根据一些优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员应当理解，这些实施例不应限制本发明的范围。在不偏离本发明精神和理念的情况下，对实施例的任何变化和修改都应当被具有本领域普通知识和技能的人员理解，因此，对实施例的任何变化和修改都落入权利要求限定的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种风能变流器，其特征在于，包括：
多个相功率变流器，每个相功率变流器适于将从风力发电机相应相输出的功率转换至电网相应的相；
每个所述相功率变流器包括：
全波整流器，所述全波整流器适于整流经由第一端子和第二端子从所述风力发电机的相应相输入的功率；
电容器，所述电容器适于由被所述全波整流器整流的功率充电；以及
全波有源逆变器，所述全波有源逆变器适于逆变储存在所述电容器中的功率并通过第三端子和第四端子将逆变的功率输出到所述电网相应的相；
其中：
所述第一端子或所述第二端子连接到第一虚拟中点；以及
所述第三端子或所述第四端子连接到第二虚拟中点。
2.根据权利要求1所述的风能变流器，进一步包括：
多个第一电感，所述多个第一电感被布置成分别连接在所述每个相功率变流器和所述风力发电机相应相之间；
其中：
所述全波整流器是全波有源整流器，进一步包括功率开关，每个功率开关与所述全波整流器的每个二极管反向并联连接。
3.根据权利要求2所述的风能变流器，其特征在于：
所述全波有源整流器工作在整流模式，在所述整流模式中，所述每个功率开关断开，使得从所述风力发电机的相应相输出的功率对相应的电容器充电。
4.根据权利要求2所述的风能变流器，其特征在于：
所述全波有源整流器包括四个二极管和四个功率开关。
5.根据权利要求2所述的风能变流器，其特征在于：
所述全波有源整流器工作在升压模式的阶段-Ⅰ，在所述阶段-Ⅰ，其中一个功率开关闭合，其它功率开关断开，使得从所述风力发电机相应相输出的功率对所述第一电感充电；以及
所述全波有源整流器工作在升压模式的阶段-Ⅱ，在所述阶段-Ⅱ，所述每个功率开关断开，使得从所述风力发电机相应相输出的功率和储存在相应第一电感中的功率对所述电容器充电。
6.根据权利要求1所述的风能变流器，其特征在于：
所述全波整流器包括多个级联的子全波整流器，其中，每个子全波整流器包括四个。
7.根据权利要求2所述的风能变流器，其特征在于：
所述全波有源整流器包括多个级联的子全波有源整流器，其中，每个子全波有源整流器包括四个二极管和与所述四个二极管反向并联连接的四个功率开关；
所述子全波有源整流器工作在升压模式的阶段-Ⅰ，在所述阶段-Ⅰ，在所述每个子全波有源整流器中，其中一个功率开关闭合，其它功率开关断开，以对相应的第一电感充电；
所述子全波有源整流器工作在升压模式的阶段-Ⅱ，在所述阶段-Ⅱ，每个功率开关断开，使得从所述风力发电机的相应相输出的功率和储存在相应第一电感中的功率对所述电容器充电。
8.根据权利要求2所述的风能变流器，其特征在于：
所述全波有源逆变器包括多个级联的子全波有源逆变器，其中，每个子全波有源逆变器包括四个二极管和四个功率开关。
9.根据权利要求2所述的风能变流器，其特征在于：
所述电容器包括多个子电容器，所述多个子电容器适于由被相应子全波有源整流器整流的功率充电；以及
所述全波有源逆变器包括多个对应于所述多个子电容器的子全波有源逆变器，所述子全波有源逆变器适于逆变储存在相应子电容器中的功率。
10.根据权利要求9所述的风能变流器，其特征在于：
所述子全波有源逆变器和相应子电容器通过两个端子相互连接。
11.根据权利要求1所述的风能变流器，进一步包括：
一组输入滤波器，所述一组输入滤波器被布成分别连接在所述每个相功率变流器和所述风力发电机相应相之间；
一组输出滤波器，所述一组输出滤波器被布置成分别连接在每个所述相功率变流器和所述电网相应相之间。
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