CN107078510A - 用于从海上风力涡轮机获得电力的方法和装置 - Google Patents

用于从海上风力涡轮机获得电力的方法和装置 Download PDF

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Abstract

根据本文的教导的一个方面，一种用于从海上风力涡轮机获得电力的系统提供了关于海上风力涡轮机的有利操作，其中，发电和收集设备的大小和重量是关键考虑。预期系统包括一种装置，该装置被配置用于基于模块化多电平转换器或MMC的有利配置和使用来收集处于固定低频并且处于期望的收集电压的风生电力。

Description

用于从海上风力涡轮机获得电力的方法和装置
技术领域
本发明一般地涉及海上风力涡轮机，并且具体地涉及从海上风力涡轮机获得电力。
背景技术
典型的大规模海上风电场架构包括多个风力涡轮机以及发电机和集电网，以用于收集所生成的电力并且例如经由高压DC(HVDC)或高压AC(HVAC)传输系统将其传输到陆上。HVAC或HVDC传输的选择主要取决于从海上风电场到陆上电网连接点的距离。
还考虑了使用低频AC(LFAC)以高电压向陆上电网连接点的传输。虽然来自海上风电场的LFAC传输在陆上电网连接点处需要附加的频率转换设备，但是它的使用可以延长在海上风电场和陆上电网连接点之间的HVAC连接的经济距离。
在海上风电场中的低频收集和传输的已知方法中，低速发电机产生具有16.7Hz或20Hz的标称频率的AC输出。所产生的电使用一个或多个升压变压器耦合到LFAC传输系统中。然而，本文认识到，该方法具有许多缺点，包括需要使用不期望的大型设备。
发明内容
根据本文的教导的一个方面，一种用于从风力涡轮机获得电力的系统提供关于海上风力涡轮机的有利操作，其中发电和收集设备的尺寸和重量是关键考虑因素。所构想的系统包括一种装置，该装置被配置用于基于模块化多电平转换器或MMC的有利配置来收集处于固定低频和期望的收集电压的风力生成的电力。
在更具体的示例中，所构想的系统被配置用于获得海上风力涡轮机场中的电力并且包括第一装置，该第一装置包括：变速箱，所述变速箱被配置为将风力涡轮机的可变第一转速机械地改变为较高可变第二转速。该装置相应地包括发电机，所述发电机具有在从约50Hz到约150Hz的范围中的用于全功率输出的额定电气频率。发电机被配置为通过所述变速箱的输出以所述可变第二转速被驱动，并且由此以相应可变的第一频率发电。进而，该装置包括AC到AC转换器，该AC到AC转换器被配置为将来自所述发电机的电力转换成AC到AC转换器输出的电力，AC到AC转换器处于固定低频以用于以所述固定低频的海上收集，其中所述固定低频低于公用电网频率。
MMC具有转换器输入和相应的转换器输出，并且进一步包括相关联的模块化转换电路。总的来说，这样的电路被配置为在期望用于从所述发电机输出的电力的所述可变第一频率的可变频率范围上接收输入电力，并且将所输入的电力转换成处于所述固定低频的从所述MMC输出的电力。在一些实施例中，该装置包括连接在发电机和MMC之间的升压变压器，在该实现中，MMC的输入电力来自升压变压器而不是直接来自发电机的输出。此外，一个或多个实施例的MMC包括具有级联的功率电子开关电路的输入桥和具有串联的功率电子开关的输出桥。输入桥和输出桥经由呈现时变DC电压的共享DC链路以背对背配置连接。
在另一示例中，一种用于获得在海上风力涡轮机场中的电力的方法包括：经由变速箱将风力涡轮机的可变第一转速机械地改变为较高可变第二转速；以及基于经由所述变速箱的输出驱动发电机来生成处于可变第一频率的电力，该发电机具有在约50Hz至约150Hz的范围中的用于全功率输出的额定电气频率。该方法进一步包括经由MMC将来自发电机的电力转换成处于固定低频的电力，以用于以比电网频率更低的所述固定低频的海上收集。
在另一示例性实施例中，一种装置包括MMC，其包括用于将可变频率AC电力转换成固定低频AC电力的功率模块。功率模块包括输入桥，其被配置为在从AC电源可变频率范围上的接收输入AC电力。输入桥包括多个MMC臂，其中每个MMC臂被耦合到DC链路，并且包括配置为合成正和负电压的级联的功率电子开关电路。功率模块进一步包括输出桥，其经由DC链路被耦合到输入桥并且被配置为以固定低频提供输出AC电力。输出桥包括将所述DC链路耦合到所述功率模块的AC输出的多个串联连接的功率电子开关。
相应地，控制电路被配置为控制所述输入桥内的所述功率电子开关电路的开关，以产生关于对应于所述输出AC电力的整流版本的DC链路的时变DC曲线，并且控制所述输出桥内的串联连接的功率电子开关的开关，以在所述时变DC曲线的零或接近零时刻时进行开关。在涉及三个电相的示例性配置中，该装置包括三个这样的功率模块集合，其中每个功率模块提供用于作为所述AC电源进行操作的三相源的一个电气相的转换。
当然，本发明不限于上述特征和优点。本领域普通技术人员在阅读下面的详细描述时并且在查看附图时，将认识到其他特征和优点。
附图说明
图1是用于从海上风力涡轮机场获得电力的系统和装置的一个实施例的框图。
图2是从海上风力涡轮机获得电力的方法的一个实施例的逻辑流程图。
图3是用于从相应海上风力涡轮机获得电力的装置的另一实施例和用于海上低频集电网的相应实施例的框图。
图4和图5是如本文教导的混合模块化多电平转换器(MMC)的示例性单相实施例的框图。
图6和图7是如本文教导的混合模块化多电平变换器(MMC)的示例性三相实施例的框图。
图8和图9是设置有隔离输入AC电力的混合MMC的三相配置的其他示例的框图。
图10是在图4和图5中引入的单相混合MMC的示例性波形图。
图11是经由混合MMC从图10中所描绘的DC链路波形得到的示例性LFAC输出波形图。
图12和图13是具有关于LFAC输出的附加级联级的混合MMC的示例性实施例的框图，并且在可变频率输入侧的多绕组发电机或变压器的上下文中示出。
具体实施方式
图1示出了每一个被配置为获得海上风电场中的电力的多个类似的装置10-1、10-2、...和10-N。更具体地，每个装置与给定的风力涡轮机8相关联，并且包括变速箱12、发电机14、可选升压变压器16以及AC到AC转换器18。除非后续为了清楚起见的需要，附图标记“10”将用于以单数意义指代任何给定的装置10，并且以复数意义指代任何给定的装置10。
多个装置10连接到低频海上集电网20，集电网20包括一个或多个馈电线22，这里示为馈电线22-1、22-2、...、22-M。M的值是通常小于N(即，装置10的数目)的值的整数，因为每个馈电线22通常将与多于一个的装置10相关联。然而，概括地，每个馈电线22被耦合到多个装置10当中的一个或多个装置10，并且将来自其关联的装置10的电力收集到低频海上集电网20中。
该图进一步描绘了设置在风力涡轮机处8的多个保护设备24，以用于将相应的装置10与低频海上集电网20耦合。在包括在低频海上集电网20中的中心变电站30内使用其他保护设备24，以用于耦合馈电线22和低频收集变压器28。更具体地，可以看出，来自低频收集变压器28(也被称为“升压变压器28”)的输出耦合到包括一个或多个传输线34的低频高压传输系统32中，一个或多个传输线34承载从低频海上集电网20输出到陆上设备36的电力。进而，在需要或不需要进一步电压调整的情况下，陆上设备36将来自海上风的电力转换成用于耦合到陆上电网38中的正确频率。
陆上电网38包括例如以50Hz或60Hz进行操作的陆上传输系统。在一些实施例中，低频海上集电网20被配置为例如以陆上电网38的频率的三分之一进行操作，例如对于50Hz公用电网频率为约16Hz，并且对于60Hz公用电网频率为约20Hz。
考虑到这些示例性细节，那么图1的图可以被理解为公开了一种系统40，该系统40被配置用于获得在海上风力涡轮机场中的电力。在最小配置中，系统40包括前述装置10中的至少第一个。在一些实施例中，第一装置10包括变速箱12，变速箱12被配置为将风力涡轮机8的可变第一旋转速机械地改变为更高的可变第二转速。作为非限制性示例，变速箱提供从约10比1到100比1的输入到输出匝数比。
第一装置10进一步包括发电机14，发电机14具有在从约50Hz至约150Hz的范围中的用于全功率输出的额定电气频率。例如，发电机14具有用于全功率输出的75Hz的额定电气频率。这里期望以基本上高于风力涡轮机8的转速的频率发电。这些较高频率通过变速箱12中的机械齿轮传动和/或通过配置发电机14中的电极的数目来获得。然而，在任何给定时刻从发电机14输出的电力的实际频率将与风力涡轮机8的转速成比例，并且将随着风力涡轮机8的转速而变化。
从发电机14输出的电力在这里被称为具有可变第一频率，在图中被表示为f1。在实际操作的非限制性示例中，根据实际风速，第一可变频率的范围可以是约20Hz至约150Hz。更具体地，所生成的电力的可变第一频率可以随着风速的变化与发电机的额定电气频率偏离或改变。例如，具有用于全功率输出的50Hz的额定电气频率的发电机14可以根据风速的改变来以在约20Hz和约50Hz之间的范围中的相应可变频率发电。在较低的风速下，发电机可以在20Hz附近操作，而在较高的风速下，发电机可以在50Hz附近操作。
示例性第一装置10进一步包括实现为混合模块化多电平转换器或MMC的AC到AC转换器18。AC至AC转换器被配置为将来自发电机14的电力转换为以固定低频(在图中表示为f2)从AC至AC转换器18输出的电力，以用于以固定低频的海上收集。固定低频低于目标公用电网频率。在一些情况下，选择该固定低频为约为公用电网频率的三分之一的值可能是有益的，其在图中表示为f3。注意，AC到AC转换器18在省略升压变压器16的情况下直接对发电机14输出的电力进行操作，并且在包括升压变压器16的情况下间接地进行操作。
在后者情况下，第一装置10进一步包括被设置或连接在发电机14和AC到AC转换器18之间的升压变压器16。升压变压器16具有与在第一装置中发电机14的额定电气频率匹配或相对应的额定频率。也就是说，升压变压器16的额定频率补充发电机14的额定频率，并且与在升压变压器16被额定为例如20Hz在或低于20Hz时可以实践的相比，用所公开的装置10的配置获得的通常较高的电气频率有利地导致升压变压器16具有更轻和更紧凑的构造。
升压变压器16被配置为升高从发电机14输出的电力的电压，并且由此输出处于升压的电压的电力。相应地，AC到AC转换器18被配置为转换从升压变压器16以升压电压输出的电力。也就是说，AC到AC转换器18对处于升压电压的电力进行操作。然而，该电力仍然被认为来自发电机14，因为其通过升高发电机14的输出电压而被直接获得。
在这样的实施例的一个示例中，发电机14被配置为输出在约690V至约13KV的电压范围中的电力，并且升压变压器16被配置为输出在约13KV至约72KV的电压范围中的电力。在相同或其他实施例中，AC至AC转换器18被配置为输出处于在约16Hz至约20Hz的范围中的固定低频的电力。参见图1中的圈出数字注释供参考。
参考这些圈出的注释数字作为“项目”编号，项目1表示风力涡轮机8的可变第一旋转速度。项目2表示从变速箱12输出的更高的可变第二转速，如从风力涡轮机机械地得到的。项目3表示从发电机14输出的电力，其具有第一电压和可变第一频率。
继续项目参考，项目4表示从升压变压器16输出的电力，其具有相对于发电机电压的升压的电压。该升压的电压可以被称为第二电压电平，其高于由发电机14提供的第一电压电平。因为在一些实施例中包括升压变压器16而在其他实施例中不包括，所以AC到AC转换器18用项目3或项目4标记，指示AC到AC转换器18可以接收处于第一或第二电压电平的电力。在任何一种情况下，AC到AC转换器18输出具有固定低频的电力，其被表示为项目5。应当理解，AC到AC转换器18的输出处的电力在省略了升压变压器16的实施例中可以处于发电机电压处，或者在包括升压变压器16的实施例中处于升压变压器16的升压电压处。
进一步看出，馈电线22以从耦合到每个相应馈电线22的AC到AC转换器18输出的任何电压进行操作。因此，项目5指定被传播到低频海上集电网20中，并且承载在低频海上集电网20内的一个或多个母线26上，以用于输入到变电站升压变压器28。相应地，升压变压器28将集电网电压升压到更高的电压，其被称为第三电压电平或传输电压，用项目6表示。该后者定指示从升压变压器28输出的电压是用于低频高压传输系统32的电压。
虽然预期具有仅包括如上所述的第一装置10的系统40，但是系统40的其他实施例包括包含第一装置10的多个类似的装置10。每个装置10与海上风电场中的风力涡轮机8中的相应的一个相关联，并且每一个都包括变速箱12、发电机14和AC到AC转换器18。在这种实施例中的“整体”系统40进一步包括一个或多个馈电线22，其包括低频海上集电网20。每个这样的馈电线22被配置为收集从每个装置10的AC到AC转换器18输出的电力。也就是说，每个馈电线22与装置10中的一个或多个相关联，并且被配置为“收集”处于固定低频的从关联的装置10输出的电力。
低频海上集电网20包括具有公共升压变压器28的中心变电站30，其配置为升高由馈电线22中的一个或多个收集的电力。此外，如前所述，低频海上集电网20被配置为以升高的电压输出电力，以用于经由低频高压传输系统32传输到陆上电网38。在一些实施例中，每个馈电线22被配置用于并行收集由耦合到馈电线的多个装置10当中的那些装置10输出电力。
图2示出了从海上风力涡轮机场获得电力的相关方法200。方法200包括将风力涡轮机8的可变第一转速机械地改变(框202)为相应的更高的可变第二转速，并且基于以可变第二转速驱动发电机14来以可变第一频率生成(框204)电力。发电机14具有在从约50Hz到约150Hz的范围内的用于全功率输出的额定电气频率。因此，尽管从发电机14输出的电力的标称频率可以被取为其额定频率，但是实际电力将具有作为风速的函数的可变第一频率。
方法200进一步包括将从发电机14输出的电力转换(框208)为处于固定低频的电力，以用于处于固定低频的海上收集。固定低频低于陆上电网38的电网频率，并且将理解，上述AC到AC转换器18执行预期的转换。
一些实施例包括在框208中的转换操作之前的升高(框206)从发电机14输出的电力的电压的其他步骤或操作。例如，每个装置10包括连接在相同装置10中的发电机14和AC到AC转换器18之间的升压变压器16。在包括时，升压变压器16具有与发电机14的额定电气频率匹配或以其他方式对应的额定电气频率。
在一些实施例中，方法200包括：经由低频海上集电网20收集(框210)在框208中使用的从AC到AC转换器输出的电力以获得处于固定低频的电力，以及从与海上风电场中的其他风力涡轮机8相关联的任何类似的转换器18产生的电力的其他步骤或操作，并且升高(框212)从低频海上集电网20输出的电力的电压，以用于经由低频高压传输系统32传输到陆上设备36。陆上设备36提供关于陆上电网38所需要的任何频率和/或电压调整。
暂时返回参考图1，风力涡轮机8可以被分组并且连接到低频海上集电网20的不同馈电线22。在每个装置10包括在发电机14和AC到AC转换器18之间的升压变压器16的实施例中，使得与每个这样的装置10相关联的风力涡轮机8的输出“匹配”低频海上集电网20的期望电压和频率。换言之，在可变风速下进行操作的每个发电机14的可变频率和可变电压输出被变换成低频海上集电网20的额定频率和额定电压，例如20Hz的额定频率为和33KV的额定电压。然后，有利地，装置10允许多个风力涡轮机8并联连接到给定的馈电线22。以例如33KV操作的馈电线22可以经济地传输30-50MW的电功率。
在预期的示例中，多达十个风力涡轮机8与给定的馈电线22相关联，每一个具有5MW的额定容量，其中其他馈电线22从其他多个风力涡轮机8获得电力。电力在每个这样的馈电线22上被并行“收集”，并且在中心变电站30处被汇聚。在示例性配置中，多个装置10中的发电机14中的每一个被配置为输出在例如6.6KV至13.8KV的电压范围中的电力。当然，也可以配置更高的输出电压。在这样的电压下，在不使用中间升压变压器16的情况下，在相同的装置10中将每个发电机14的输出耦合到AC到AC转换器18是经济的。
图3示出了用于收集从每个装置10输出的固定低频电力的集群架构的另一变体。这里，各个装置10省略AC至AC转换器18。替代地，AC至AC转换为固定低频由位于中心的一个或多个AC至AC转换器50来处理，优选地在用于支持中心变电站30的同一平台上。注意，在该基于集群的架构中，对应于故障风力涡轮机8或故障装置10的保护设备24可以用于与受影响的装置10断开。
图4和图5是如本文教导的被实现为混合MMC的AC至AC转换器18的示例性单相实施例的框图。具体地，图4示出了在图中用“X”和附图标记“100”表示的“功率模块”。功率模块100被配置为将经由AC输入102对其输入的可变频率AC电力转换成经由AC输出104从其输出的固定低频AC电力。
转到图5的细节，功率模块100包括输入桥106、输出桥108和将输入桥106连接到输出桥108的DC链路110。输入桥106被配置为从AC电源接收在可变频率范围上的输入AC电力。尽管在图4和图5中没有明确示出电源，但是在上述装置10的上下文中，发电机14作为输入AC电力的源进行操作。当然，该输入电力在被施加到AC至AC转换器18的AC输入102之前，通过升压变压器16来在电压上被升高。
输入桥106包括多个MMC臂112，其中每个MMC臂112被耦合到DC链路110的一侧，即图5中的耦合到DC链路110的Vd+侧的MMC臂112可以被视为“上”臂，而耦合到DC链路110的Vd-侧的MMC臂112可以被视为“下”臂。每个MMC臂112包括级联的功率电子开关电路，其被配置为合成正电压和负电压。这些级联的功率电子开关电路可以被再分组至堆叠单元114中，如在图5的非限制性示例中所示，其中每个单元包括开关电路装置116。
每个单元114可以包括例如全桥开关电路或半桥开关电路。更一般地，单元114中的开关电路不限于全桥或半桥配置。例如，单元114可以包括全桥、半桥和其他类型的开关拓扑的混合。对MMC臂112及其所包括的单元114的唯一要求是能够合成正电压和负电压。
经由DC链路110耦合到输入桥106的输出桥108被配置为以固定低频提供来自AC输出104的输出AC电力。如所示示例中所示，输出桥108包括将DC链路耦合到功率模块100的AC输出104的多个串联连接的功率电子开关。在该示例中，在输出桥108内存在多个功率电子开关120，并且每个这样的开关120本身可以包括功率电子设备122的堆叠或级联装置，以用于降低在每个这样的设备上看到的有效电压。
为了便于功能解释，可以看到输出桥108中标记为“T1”和“T3”的两个功率电子开关120，以及输出桥108中标记为“T2”和“T4”的两个功率电子开关120。开关T1形成将DC链路110的Vd+侧选择性地连接到AC输出104的第一端子的一个开关引脚或分支，而开关T3形成从DC链路110的Vd+侧到AC输出104的另一个第二端子的并行引脚或分支。再次，该图示是针对单相实现，因此AC输出104可以被视为提供线路和中性输出端子。以互补的方式，开关T2将DC链路110的Vd-侧选择性地连接到AC输出104的第一端子，并且开关T4选择性地将DC链路110的Vd-侧连接到AC输出104的第二端子。
AC至AC转换器18进一步包括控制电路130，其被配置为控制在输入桥106内的单元/功率电子开关电路114/116的开关，以产生DC链路110的对应于输出AC电力的整流版本的时变DC曲线。控制电路130进一步被配置为控制输出桥108内的串联连接的功率电子开关120的开关，以在时变DC曲线的零或接近零的时刻进行开关。
考虑到上述示例细节，可以理解，AC至AC转换器18有利地将级联H桥(CHB)转换器和传统模块化多级转换器二者的各方面组合在新的混合模块化多电平AC-AC转换器配置中。与CHB转换器相比，AC至AC转换器18需要更少的隔离功率输入。与常规MMC相比，AC至AC转换器18可以需要较少的转换器单元容量以用于与LFAC对接。
如上所述，每个功率模块100中的输入桥106的上下MMC臂112可以合成正电压和负电压(例如，Varm1可以在一个时间为>0，在另一时间<0)。示例包括包含全桥单元114的MMC臂112或者包含全桥或半桥单元114的混合的MMC臂112。相应地，如所指出的，输出桥108由可以主动接通或断开的串联连接的功率电子设备组成。
因为MMC臂112能够输出负电压，所以DC链路110上的电压可以周期性地被减小到零或接近零。这样，输出桥108可以在接近零的电压处进行开关，显着减小用于形成输出桥108的串联连接的功率电子开关120上的电压应力。此外，作为采用输入桥106的结构的结果，用于形成单元114的功率电子开关也在控制电路130的控制下在低电压时进行开关。这种操作允许所公开的AC至AC转换器在工作电压中按比例增加。
图6示出了AC至AC转换器18的另一实施例，该实施例包括配置为在其AC输入102上接收三个电相位的功率模块100。图7示出了用于输入桥106的相应实现细节，其包括三个上臂112，其中的每一个将一个输入相连接到DC链路110的Vd+侧，并且其进一步包括三个下臂112，其中的每一个将一个输入相位连接到DC链路110的Vd-侧。
图8和图9示出了AC至AC转换器18的其他多相实现。具体地，在图8和图9中，可以看到用于三个电相中的每一个的功率模块100，其中为了方便起见，使用字母后缀来区分模块100，例如模块100-A、模块100-B和模块100-C。因此，应当理解，在至少一些实施例中，AC到AC转换器18的混合MMC实现包括三个功率模块100的集合，其中每个功率模块100提供用于作为所述AC电源进行操作的三相源的一个电相的转换。在这样配置中，AC输入102包括多相输入，例如输入102-A、102-B和102-C，并且输入桥106包括将多相输入的相应相耦合到DC链路110的Vd+和Vd-的MMC臂112的相应对。
图10是与本文提出的AC至AC转换器18的混合MMC实现的操作相关联的示例性波形图。参考图4和图5可以最好地理解该非限制性示例，涉及AC至AC转换器18及其所包括的功率模块100的单相实施例。
从外部系统条件可以得到表示为Vac的在AC输入102的输入端子处和类似地表示为VLFAC的AC输出104的输出端子处二者的期望AC电压波形，以指示从AC至AC转换器18输出的AC电力的固定低频特性。
期望的DC链路电压波形是整流的LFAC端子电压波形，即，Vdc＝|VLFAC|。因此，DC链路电压和电流随着LFAC频率的两倍的主要AC分量而随时间变化。在图10的图中，DC链路的中点电压用作参考电压，即，Vdc＝Vd+-Vd-，并且|Vd+|＝|Vd|。
从输入端子(例如，端子Vac+)处的期望AC电压和期望DC链路电压，可以获得期望MMC上臂电压作为在正DC电压和相应的AC输入端子电压之间的差(例如，Vmm1＝Vd+-Vac+)。类似地，可以获得期望的MMC下臂电压作为在相应的AC输入端子电压和负DC电压之间的差(例如，Varm2＝Vac+-Vd-)。控制电路130控制输入桥106的MMC臂112中的级联单元114的开关的定时和协调以合成期望的臂电压。
作为另一优点，控制电路130控制输出电桥108中的功率电子开关120以在零DC电压或接近零DC电压时进行开关。例如，当在正半周期期间T1和T4导通(并且T2和T3截止)时，AC至AC转换器18输出在DC链路110上看到的时变DC电压。当T2和T3在负半周期期间导通(并且T1和T4截止)时，AC至AC转换器18输出在DC链路110上看到的时变DC电压的反转。在图11中看到从AC输出104的得到的单相AC波形输出。
当将所公开的AC至AC转换器18配置用于三相输出时，输入到每个功率模块100的AC功率需要被隔离。这种装置在图8和图9中提出，并且更详细的示例在图12和13中示出，图12和图13示出了使用隔离的发电机绕组或隔离的变压器绕组来获得隔离的输入功率。
此外，图12和图13示出了关于AC输出104可以使用额外的级联级别。具体地，可以看出前述功率模块100本身可以在输入桥106中相对于DC链路110被级联，并且AC输入102可以用来自多绕组发电机或变压器150的可变频率AC信号来驱动。在这个意义上，发电机或变压器150在示例性情况下将被理解为图1所示的用于给定装置10的发电机14、或者用于升压用于输入到AC到AC转换器18的发电机电压的实施例的升压变压器16。
注意，受益于前述描述和相关附图中呈现的教导的本领域技术人员将想到所公开的发明的修改和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在包括被在本公开的范围内。虽然在本文中可以采用特定术语，但是器仅在一般和描述性意义上使用，而不是为了限制的目的。

Claims (24)

1.一种配置用于在海上风力涡轮机场中获得电力并且包括第一装置的系统，所述第一装置包括：
变速箱，所述变速箱被配置为将风力涡轮机的可变第一转速机械地改变为较高的可变第二转速；
发电机，所述发电机具有在从约50Hz到约150Hz的范围中的用于全功率输出的额定电气频率，并且被配置为通过所述变速箱的输出以所述可变第二转速驱动，并且由此以对应可变的第一频率发电；以及
AC至AC转换器，所述AC至AC转换器被配置为将来自所述发电机的电力转换成处于固定低频的从所述AC至AC转换器输出的电力，以用于以所述固定低频的海上收集，其中所述固定低频低于公用电网频率；
所述AC至AC转换器包括模块化多电平转换器(MMC)，所述模块化多电平转换器(MMC)具有转换器输入、对应的转换器输出以及相关联的模块化转换电路，其被共同地配置为在从所述发电机输出的电力的所述可变第一频率的所期望的可变频率范围上接收输入电力，并且将所输入的电力转换成以所述固定低频从所述MMC输出的电力。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一装置进一步包括升压变压器，所述升压变压器具有对应于所述发电机的额定电气频率的额定电气频率，其中，所述升压变压器被连接在所述发电机和所述MMC之间，其中，所述升压变压器被配置为使从所述发电机输出的电力的电压升高，并且由此以升高的电压输出电力，并且其中所述MMC被配置为转换来自所述升压变压器的以所述升高的电压输出的电力。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述发电机被配置为输出在约690V至约13KV的电压范围中的电力，并且其中，所述升压变压器被配置为输出在约13KV至约72KV的电压范围中的电力。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述MMC被配置为输出处于在约16Hz至约20Hz的范围中的所述固定低频的电力。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括：
包括所述第一装置的多个类似装置；以及
包括低频海上集电网的一个或多个馈电线；
其中，每个馈电线被配置为收集从耦合到所述馈电线的每个装置的所述AC至AC转换器的输出的电力。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述低频海上集电网包括具有公共升压变压器的变电站，所述公共升压变压器被配置为升高由所述馈电线中的一个或多个馈电线收集的电力，并且对应地输出处于升压电压的电力，以用于经由低频高压传输系统传输到陆上电网。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一装置的所述MMC包括具有级联的功率电子开关电路的输入桥和具有串联的功率电子开关的输出桥，所述输入桥和所述输出桥经由呈现时变DC电压的共享DC链路以背对背配置连接。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述MMC被配置为从施加到所述输入桥的AC电压获得所述时变DC电压，并且控制所述时变DC电压以跟随AC控制信号的整流版本的形状。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述MMC包括控制电路，所述控制电路被配置为，相对于所述共享链路的所述时变DC电压，使所述输入桥和所述输出桥的操作同步，以实现所述输出桥中的功率电子开关的零电压或接近零电压的开关。
10.根据权利要求7所述的系统，进一步包括控制电路，所述控制电路被配置为根据输入到所述MMC的电力的AC电压或电流波形来控制所述输入桥中的所述级联的功率电子开关电路的开关，并且根据所述共享链路的所述时变DC电压来控制在所述输出桥中的所述串联功率电子开关的开关。
11.一种用于在海上风力涡轮场中获得电力的方法，包括：
经由变速箱将风力涡轮机的可变第一转速改变为较高可变第二转速；
基于经由所述变速箱的输出来驱动具有在约50Hz至约150Hz的范围中的用于全功率输出的额定电气频率的发电机，而生成处于可变第一频率的电力；以及
经由模块化多电平转换器(MMC)将来自所述发电机的电力转换成具有固定低频的电力，以用于以所述固定低频的海上收集，其中所述固定低频低于公用电网频率，并且所述转换步骤包括将在可变频率范围上的来自所述发电机的电力转换成处于固定低频的电力。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括经由升压变压器增加从所述发电机输出的电力的电压，以用于输入到所述MMC。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，增加从所述发电机输出的电力的电压包括将从约690V至约13KV的范围中的电压升高到约13KV至约72KV的范围。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述固定低频处于约16Hz至约20Hz的范围中。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括对于多个风力涡轮机执行改变、生成和转换的步骤，并且经由包括海上低频集电网的一个或多个馈电线来从与所述多个风力涡轮机相关联的相应MMC中的每一个收集处于所述固定低频的电力。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：在所述海上低频集电网中使用公共升压变压器来对应地输出处于升高的电压的电力，以经由低频高压传输系统传输到陆上电网。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述MMC包括具有级联功率电子开关电路的输入桥和具有串联功率电子开关的输出桥，所述输入桥和所述输出桥经由呈现时变DC电压的共享链路以背对背配置连接，并且其中，所述方法进一步包括从施加到所述输入桥的AC电压获得所述时变DC电压，并且控制所述时变DC电压以跟随AC控制信号的整流版本的形状。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：相对于所述共享链路的所述时变DC电压，使所述输入桥和所述输出桥的操作同步以实现所述输出桥中的所述功率电子开关的零电压或接近零电压开关。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，获得所述时变DC电压包括根据输入到所述MMC的电力的AC电压或电流波形来控制所述输入桥中的所述级联的功率电子开关电路的开关，并且根据所述共享链路的所述时变DC电压来控制在所述输出桥中的串联功率电子开关的开关。
20.一种包括模块化多电平转换器(MMC)的装置，所述模块化多电平转换器包括用于将可变频率AC电力转换成固定低频AC电力的功率模块，所述功率模块包括：
输入桥，所述输入桥被配置为从AC电源接收可变频率范围上的输入AC电力并且包括多个MMC臂，每个MMC臂耦合到DC链路并且包括配置为合成正和负电压的级联的功率电子开关电路；
输出桥，所述输出桥经由所述DC链路耦合到所述输入桥并且被配置为以固定低频提供输出AC电力，所述输出桥包括将所述DC链路耦合到所述功率模块的所述AC输出的多个串联连接的功率电子开关；以及
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述输入桥内的所述功率电子开关电路的开关，以在所述DC链路上产生对应于所述输出AC电力的整流版本的时变DC曲线，并且控制所述输出桥内的所述串联连接的功率电子开关的开关，以在所述时变DC曲线的零或接近零时刻时进行开关。
21.根据权利要求20所述的装置，包括三个功率模块的集合，其中每个功率模块提供用于作为所述AC电源进行操作的三相源的一个电相的转换。
22.根据权利要求20所述的装置，其中，用于所述输入AC电的AC输入包括多相输入，并且其中，所述输入桥包括对应的MMC臂的对，所述MMC臂将所述多相输入的相应相耦合到所述DC链路。
23.根据权利要求20所述的装置，其中，所述装置包括作为所述AC电源的发电机，其中，所述发电机被配置为与风力涡轮机一起使用，包括在从约50Hz至约150Hz的范围中的用于全功率输出的额定电气频率，并且被配置为通过风力涡轮机变速箱的输出以可变的转速被驱动。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述装置进一步包括升压变压器，所述升压变压器被设置在所述发电机的输出与所述MMC的所述AC输入之间，并且被配置为在作为所述输入AC电力被输入到所述MMC之前，升高从所述发电机输出的所述AC电力的电压。
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