CN112311256A - 使用电流源转换器来激励低阻抗机器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的发明名称是“使用电流源转换器激励低阻抗机器的系统和方法”。一种能量转换系统包括具有至少一个电枢绕组集合的低阻抗发电机。电枢绕组集合包括多个单相线圈。该系统还包括电耦合到发电机的电枢的电流源转换器组件。该电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器包括经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器。（一个或多个）电流源转换器的（一个或多个）电容器被配置成吸收由电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。

Description

使用电流源转换器来激励低阻抗机器的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及低阻抗机器（诸如，超导机器），并且更特定地涉及用于使用电流源转换器来激励低阻抗机器的系统和方法。
背景技术
一般地，诸如超导发电机之类的超导机器包括至少一个超导线圈和至少一个电枢线圈，所述超导线圈生成静态或旋转磁场，所述电枢线圈也生成与来自所述超导线圈的场相互作用的静态或旋转磁场。此外，超导发电机通过构造超导材料（“超导体”）而不是通常铜材料的发电机励磁线圈（field coil）（其通常承载（carry）直流电）来制成。与传统导体（诸如，铜）相比，超导体通常重量更轻且尺寸更小（例如，相对于载流容量而言），并且在传导电流方面（特别是在较低频率下）也更加高效。因此，在诸如风力涡轮发电机之类的电力应用中使用超导体提供了诸如更加高效的性能、更低的发电机重量、无齿轮箱（gearbox）直接驱动操作以及更低的制造和安装成本之类的益处。这样的益处对于离岸（offshore）风力涡轮机应用而言特别有用。
超导（SC）线支持非常高的电流密度而没有任何耗散，这促进产生非常高的磁场的励磁绕组（field winding）。SC线通常仅在它们对AC场的暴露保持最低限度的情况下留在SC状态。这使SC线仅适用于被馈送DC电流的励磁绕组。电枢绕组由常规导体（通常为铜，但可以是铝或具有良好传导性的某种其它材料）制成。SC线可在大约7T的磁场下操作。因为转矩密度依赖场强，所以具有SC励磁线圈的电机提供了比常规电机大得多的转矩密度。在其中最小化发电机尺寸和重量是重要的应用中，SC励磁绕组的使用可能是非常有价值的。离岸风力涡轮机是这样的应用，因为塔之上的质量对塔和基础成本具有重大影响。
由SC励磁绕组产生的高磁场远足以使电机中通常使用的磁性材料饱和，以用于将磁通量输送（duct）到产生转矩的气隙。因此，用于超导机器的电枢绕组不能从使用磁性材料中获益。结果，电枢绕组具有非常低的阻抗，典型地比用于常规机器的电枢绕组小一个数量级。一些永磁电机还使用导致非常低阻抗的磁性拓扑。
大多数电机的电子激励是使用被称为电压源转换器的电子转换器来实现的，如图1中所示。更特定地，图1示出了电压源转换器1及其到三相电机（未示出）的接口的结构的一个实施例的示意图。如所示出的，左侧的三根导线（lead）3通到电机（未示出）。此外，如所示出的，电感器4可以是电机的相电感或者可以是单独的滤波电感器。右侧的两根导线5连接到DC电源（未示出）。取决于系统的操作模式，对于电压源转换器1来说接受功率可能是必要的。
这样，电压源转换器1包括通过开关矩阵6连接到电机的电压源。开关6的顺序操作导致电机电枢绕组内的AC电流的流动。电流的流动用于产生电磁转矩。在电压源转换器1内，一目标是调节相绕组中的电流以控制电磁转矩。在常规的电机中，电机的阻抗足够大，使得电机表现得像低通滤波器，从而尽管切换电压被施加到相绕组，仍导致平滑的相电流。
然而，在诸如具有超导励磁绕组的机器之类的具有低阻抗的电机中，除非在电压源转换器和机器之间插入某种形式的低通滤波器，否则低阻抗意味着相电流将具有非常高的纹波（ripple）。然而，低通滤波器给电机的高效操作引入损耗和控制挑战。另外，由于存在非常小的阻抗来限制电流，因此可能导致非常高的故障电流。另外，当使用电压源转换器时，在正常操作条件下对相电流的调节是困难的，这又是因为存在如此小的阻抗以致导致大的电流纹波。
因此，该行业需要一种用于激励低阻抗机器的改进的系统和方法。因此，本公开针对一种系统和方法，该系统和方法利用电流源转换器而不是电压源转换器来解决与控制低阻抗电机中的相电流相关联的控制和操作问题中的许多问题。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践而获知。
在一个方面，本公开针对一种风力涡轮机。该风力涡轮机包括：塔；安装在所述塔顶上的机舱（nacelle）；耦合到所述机舱并且具有可旋转的轮毂（hub）和固定到所述轮毂的至少一个转子叶片的转子；以及耦合到所述转子的超导发电机。所述发电机包括具有多个单相线圈的至少一个电枢绕组集合。所述风力涡轮机还包括电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述发电机的电枢。所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器具有经由DC链路耦合到电流源逆变器（inverter）的电流源整流器。所述电流源转换器组件的（一个或多个）电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。
在实施例中，低阻抗发电机是超导发电机。在另一实施例中，电流源转换器组件可包括多个电容器，其中所述多个电容器中的至少一个电容器跨所述多个单相线圈中的每个单相线圈。
在另外的实施例中，DC链路可包括至少DC链路电感器。在这样的实施例中，DC链路内的电流可受跨（一个或多个）DC链路电感器的电压控制。在另一实施例中，DC链路电感器可以是刚性（stiff）电流源（例如，具有是负载阻抗100倍的内部阻抗）。
在另外的实施例中，电流源整流器和电流源逆变器可各自包括多个开关。在另一实施例中，电流源转换器组件可包括消弧电路（crowbar circuit）。
在更进一步的实施例中，风力涡轮机可包括用于控制低阻抗发电机和电流源转换器组件的操作的控制器。因此，在某些实施例中，在电流源转换器组件中发生短路事件时，控制器被配置成接通消弧电路以便为来自DC链路的电流提供路径，并且配置成关断电流源转换器组件中的多个开关，从而阻塞发电机与DC链路之间的电流。
在若干实施例中，电流源转换器组件可包括电耦合到低阻抗发电机并且耦合到电网的多个电流源转换器。在另一实施例中，所述多个电流源转换器可并联连接。另外，多个电流源转换器中的每个电流源转换器可被配置成处理风力涡轮机的总功率的一部分。
在又一实施例中，风力涡轮机可包括有功功率平衡机构，所述有功功率平衡机构被配置成确保总功率在电流源转换器之间被均匀地共享。
在特定实施例中，风力涡轮机可以是离岸风力涡轮机。备选地，风力涡轮机可以是陆上（onshore）风力涡轮机。
在另一方面，本公开针对一种操作风力涡轮机的方法。风力涡轮机具有低阻抗发电机和电流源转换器组件，所述低阻抗发电机具有多个单相电枢线圈，所述电流源转换器组件电耦合到发电机电枢。电流源转换器组件具有至少一个电流源转换器。所述方法包括针对故障而监测风力涡轮机。响应于检测到电流源转换器组件中的短路故障，所述方法包括经由控制器接通电流源转换器组件的消弧电路，以便为来自电流源转换器组件的DC链路的DC链路电感器的电流提供电流路径，以及经由控制器关断电流源转换器组件中的多个开关，以便阻塞发电机与DC链路电感器之间的电流路径。
在又一方面，本公开针对一种能量转换系统。所述能量转换系统包括低阻抗电机和电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述电机。所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器具有经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器。所述电流源转换器组件的（一个或多个）电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述电机的电流中的电流纹波最小化。
在实施例中，低阻抗电机可包括发电机或电动机（motor）。应当进一步理解，所述能量转换系统进一步可包括本文中所描述的附加特征和/或步骤中的任何附加特征和/或步骤。
参考以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。被并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整和能够实现的公开，包括其最佳模式，所述说明书参考了附图，附图中：
图1示出了根据常规构造的电压源转换器的示意图；
图2示出了根据本公开的具有超导发电机的风力涡轮机的实施例的透视图；
图3示出了根据本公开的超导发电机的一个实施例的截面图；
图4示出了根据本公开的电流源转换器的一个实施例的部分示意图；
图5示出了根据本公开的能量转换系统的一个实施例的示意图，所述示意图特别地示出了具有电耦合在超导发电机和电网之间的多个电流源转换器的系统；
图6示出了根据本公开的用于电流源转换器的电流源逆变器的切换布置的一个实施例的示意图；
图7示出了根据本公开的用于电流源转换器的电流源整流器的开关布置的一个实施例的示意图；
图8示出了根据本公开的能量转换系统的另一实施例的示意图，所述示意图特别地示出了具有电耦合在超导发电机和电网之间的多个电流源转换器的系统；
图9示出了根据本公开的系统的又一实施例的示意图，所述示意图特别地示出了具有双通道电流源转换器的系统配置，以用于基于超导发电机的风力发电系统；
图10示出了根据本公开的用于电流源转换器的电流源整流器的控制的一个实施例的示意图；
图11示出了根据本公开的电流源转换器的电流源逆变器的控制的一个实施例的示意图；
图12示出了根据本公开的操作风力涡轮机的方法的一个实施例的流程图；以及
图13示出了根据本公开的可用于控制本文中所描述的风力涡轮机和/或系统的控制器的一个实施例的框图。
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参考，在附图中示出了本发明的一个或多个示例。每个示例是通过解释本发明而非限制本发明的方式提供的。实际上，对于本领域技术人员将明显的是，可在本发明中进行各种修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，意图是本发明覆盖像在所附权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变化。
本公开针对一种诸如风力涡轮机之类的能量转换系统，其包括诸如超导发电机之类的低阻抗电机。为了解释起见，本系统在本文中一般参考超导发电机并且更特定地参考风力涡轮机超导发电机但是不限于超导发电机而被描述。更特定地，本公开提供了对电力电子转换器在通常与低阻抗电机（并且特别是超导发电机）通过接口连接时遇到的各种挑战的解决方案。一个挑战是要向机器提供高保真度（fidelity）电流，并且维持波纹含量足够低，使得机器操作不受不利影响。另一挑战是要在转换器内部发生短路的情况下阻塞电流路径。利用如本文中所描述的根据本公开的一个或多个电流源转换器至少解决上述挑战。
现在参考附图，图2示出了风力涡轮机发电系统10的一个实施例的透视图。如所示出的，风力涡轮机10通常包括从支撑表面14延伸的塔12、安装在塔12上的机舱16和耦合到机舱16的转子18。转子18包括可旋转的轮毂20和耦合到轮毂20且从轮毂20向外延伸的至少一个转子叶片22（示出了三个）。每个转子叶片22可围绕轮毂20间隔开，以促进旋转该转子18，从而使动能能够从风转换成可用的机械能，并且随后转换成电能。为了此目的，转子18经由轴26与发电机24耦合。为了本公开的目的，发电机24是直接驱动超导发电机。
本发明涵盖了如上面所描述的风力涡轮机发电系统10，其中发电机24被配置为三相超导发电机，如下面阐述的那样。本发明还涵盖了操作超导发电机的各种方法学（methodology），特别是根据下面阐述的方法方面的风力涡轮机超导发电机。
现在参考图3，示出了根据图2的超导发电机24的一个实施例的横截面图。尽管本文中示出和描述了超导发电机24，但应当理解，本文中描述的特征可应用于任何超导机器，并且不限于风力涡轮机电力系统。
如所描绘的，发电机24包括可以是定子的外部同心部件104和可以是转子的内部同心部件106（例如，在内部转子配置中）。然而，在其它实施例中，外部部件104可以是发电机24的转子，并且内部部件106可以是发电机24的定子（例如，在外部转子配置中）。此外，如所示出的，间隙（或“气隙”）105可被限定在外部部件104和内部部件106之间，以便允许它们之间的移动（例如，旋转）。
另外，如所示出的，发电机24还可包括至少一个绕组集合。例如，如所示出的，（一个或多个）绕组集合可包括附接到外部部件104的一个或多个载流导体（“线圈”）108的第一集合和附接到内部部件106的一个或多个载流导体（“线圈”）110的第二集合。励磁导体在足够低的温度、磁场和电流密度下具有超导特性。因此，励磁导体在一个或多个低温区域内操作。在发电机24的操作期间，这些线圈108、110处于电磁通信中。更特定地说，在实施例中，线圈108可以是电枢线圈，并且线圈110可以是发电机24的励磁线圈。在其它实施例中，线圈108可以是励磁线圈，并且线圈110可以是发电机24的电枢线圈。
励磁线圈承载励磁电流，其中流过所述励磁线圈的电流产生通过励磁线圈的磁场，并且电枢线圈连接到发电机24的输出端（例如，经由输出端子）以传导输出电流和电力输出。尽管描绘了若干线圈108、110，但在各种实施例中，可存在围绕外部部件104和内部部件106的更多或更少的线圈108、110和/或其绕组，例如以配置发电机24的极数，并且从而配置发电机24的发电频率和/或其它操作特性。
由电枢线圈生成的磁场是由于由流过电枢绕组的电流建立的磁动势（MMF）引起的。由于线圈的离散化、钢结构内的磁饱和以及由切换逆变器所采用的脉冲宽度调制方案，MMF具有与其相关联的空间和时间谐波两者，以将电流波形驱动为期望的形状。
励磁线圈（例如，线圈110）可由低温超导材料或高温超导材料构成，所述低温超导材料诸如铌-钛（NbTi）、铌-锡（Nb3Sn）或二硼化镁（MgB2），所述高温超导材料诸如YBCO或ReBCO。通常，电枢线圈108由铜构成。然而，在某些实施例中，电枢线圈108也可由超导材料构成，诸如NbTi、Nb3Sn或MgB2。在某些实施例中，超导材料也可以是高温超导体，诸如YBCO或ReBCO。
现在参考图4、图5和图8，示出了根据本公开的具有电流源转换器组件112的能量转换系统100的多个实施例的各种视图。更特定地，如所示出的，系统100还可包括电耦合到低阻抗/超导发电机24电枢的至少一个电流源转换器组件112和用于控制发电机24和电流源转换器组件112（以及系统100的任何其它部件）的操作的控制器130。此外，如图5和图8中特定示出的，电流源转换器组件112可包括多个模块化电流源转换器113，每个模块化电流源转换器113具有经由DC链路118耦合到电流源逆变器116的电流源整流器114。更特定地，如图4、图6和图7中所示，电流源整流器114和电流源逆变器116可各自包括多个开关124、126。
例如，图6示出了可由电流源逆变器116采用的示例开关124。图7示出了可由电流源整流器114采用的示例开关126。因此，如所示出的，一个或多个对称集成门极换流晶闸管（IGCT）可以是一个实现。在另一实施例中，一个或多个不对称的IGCT可与串联连接的二极管一起使用，以用于反向阻塞能力。在又一实施例中，可使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）和串联连接的二极管。在更进一步的实施例中，可进一步使用一个或多个SiC MOSFET和串联连接的二极管，这可提供稳健的切换性能、更高的切换频率以及紧凑的转换器设计。
因此，应当理解，开关的任何合适的组合可用在本文中描述的（一个或多个）电流源转换器113中。
另外，如图4、图5和图8中所示，DC链路118可包括至少一个DC链路电感器122。这样，在实施例中，DC链路118内的电流可受跨（一个或多个）DC链路电感器122的电压控制。换句话说，电流源转换器113可利用刚性DC链路电流操作，并且可向输出端提供切换的电流。
另外，在电流源转换器组件112内部短路的事件中，DC滤波器电感器122被配置成限制故障电流的上升。更重要的是，转换器AC端子可容易地与内部DC总线隔离，从而阻塞故障电流路径。与电压源转换器（图1）相比，这是重要的优点，其中故障电流的阻塞更具挑战性。对于超导发电机24，高故障电流对机器的机械完整性具有重大影响，并且具有可靠的短路故障响应的电力电子转换器（诸如，本文中所描述的电流源转换器组件112）是必要的。
在另外的实施例中，如图5中所示，电流源转换器组件112还可包括跨多个单相电枢线圈108的至少一个电容器120。更特定地，如图4和图8中所示，电流源转换器组件112可包括多个电容器120，其中多个电容器120中的至少一个电容器跨多个单相电枢线圈108中的每个单相电枢线圈108。因此，在实施例中，（一个或多个）电容器120可以是三相电容器。因此，在某些实施例中，电流源转换器组件112的电容器120被配置成吸收由（一个或多个）电流源转换器113生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到多个单相电枢线圈108的电流中的电流纹波最小化。
另外，在特定实施例中，转换器AC输出端子处的电容器120被配置成吸收高频电流分量，其中超导发电机24和电力网132被供给有具有低谐波失真的电流。这样，避免了高dv/dt波形（电压源转换器的典型波形）。
因此，本文中描述的电流源转换器组件112通过创建切换的电流波形而不是切换的电压波形来提供高保真度波形。转换器AC侧用于辅助换向的电容器120还滤出高频电流谐波，从而导致低失真电流流入超导发电机电枢绕组108。此外，电容器120被配置成限制施加到机器端子的dv/dt。电缆电感增加了机器电感，因此，转换器113和超导发电机24之间的长电缆长度对它们的操作具有最小的影响甚至没有影响。
特别参考图5和图8，在特定实施例中，系统100可包括电耦合到发电机24和电网132的多个电流源转换器113。在这样的实施例中，如所示出的，所述多个电流源转换器113可并联连接。对于高功率超导发电机应用，图5中所示的实施例可适用于将超导发电机24与公用电网通过接口连接。因此，在这样的实施例中，模块化电流源转换器113的并联连接可以是常规系统的级联H桥电压源转换器的对偶（dual）。然而，与级联H桥相比，H桥电压源转换器的双频功率纹波特性在三相电流源转换器中并不存在。因此，模块化电流源转换器113的并联连接允许容易的硬件实现和直接的控制。
更特定地，对于高功率超导发电机24而言，具有多个电枢绕组集合可能是有利的。这样的绕组布置可帮助减轻短路故障的影响和严重性，并且降低了整个发电机上短路的可能性。多个电枢绕组集合可电隔离，并且可方便地与模块化电流源转换器113通过接口连接。
超导发电机24的特征可在于非常低的每单元化阻抗（per-unitized impedance）。然而，这主要是由于直接驱动低速风能应用场景。物理单元中的机器电感通常足以用于低纹波电流含量，而无AC滤波电容器120的过量电容要求。在电网侧，交错的切换模式可被施加到电流源逆变器116，使得可在AC端子处生成多电平（multilevel）电流波形。结果，即使在低切换频率情况下，通常在0.1pu左右的变压器漏感（transformer leakageinductance）也足以满足总谐波失真（THD）要求。
更特定地，在某些情况下，由于多种原因，与级联的H桥相比，多个三相电流源转换器113的并联连接可要求更低。例如，在一个实例中，可从相同的AC接口建立多个电流源转换器113，而不需要隔离。另外，在三相电流源转换器113中不存在H桥电压源转换器的双频功率纹波特性。因此，模块化电流源转换器113的并联连接允许容易的硬件实现和直接的控制。
因此，特别是对于诸如风力发电之类的高功率应用，采用模块化方法可能是有利的，其中以协调的方式部署多个电流源转换器113以实现高功率处理能力、冗余和增强的可靠性、以及操作优点，诸如用于波纹最小化和减少滤波的交错切换。
因此，图5和图8示出了由多个模块化电流源转换器113组成的高功率电流源转换器。因此，在实施例中，每个模块化电流源转换器113处理总机器功率的一部分，并且可利用可用的功率半导体开关来实现，而无需过多数量的装置的并联和/或串联连接。在这样的实施例中，也可应用有功功率平衡机构148以确保功率在模块化电流源转换器113之间被均匀地共享。
特别参考图8，示出了基于并联连接的模块化电流源转换器的多电平电流源转换器的另一实施例。然而，与图5中所示的实施例相比，图8的实施例在每个DC链路118内使用共模变压器146来限制电流源转换器之间的循环电流。尽管利用交错切换的纹波消除以及SCG侧的更简单拓扑的益处，但是共模变压器146可以是相当大的（sizable）。
在另一实施例中，如图4中所示，系统100还可包括消弧电路128。因此，在若干实施例中，在电流源转换器113中发生短路事件时，控制器130被配置成接通消弧电路128以便为来自DC链路118的电流提供路径，同时还关断电流源转换器113中的多个开关124、126，从而阻塞发电机24与DC链路118之间的电流。
现在参考图9，示出了根据本公开的系统100的另一实施例的示意图。特别地，提供了一种具有双通道电流源转换器的系统配置，以用于基于超导发电机的风力发电系统。如所示出的，控制器处理传感器信号和监管命令，并且将切换命令提供给电流源整流器114和电流源逆变器116。电流源整流器114通过相同的控制结构被单独控制，而电流源逆变器116一起（作为整体）被控制，增进（augment）了有功功率共享和平衡。因此，电网侧的交错切换模式可导致多电平电流脉冲流入电流源逆变器AC连接点，从而显著地降低纹波含量和滤波器要求。在发电机侧，调节多个电流源整流器114的切换模式的灵活性可被用于像谐波场最小化这样的目标。
通过识别电压源转换器和电流源转换器之间的对偶性，用于电压源转换器的控制器设计知识可应用于本文中所描述的电流源转换器。例如，在用三相电压源转换器设计的典型的AC不间断电源（UPS）中，使用嵌套控制器结构来调节AC电压，其中外环作用于AC电压误差并产生AC电感器电流参考，并且内环作用于AC电感器电流误差以生成调制命令。
对于包括电流源转换器的本公开，可构造类似的嵌套控制器。例如，外环可作用于线路电流误差来产生AC电容器电压命令，并且内环可产生调制命令以调节AC电容器电压。通常在同步帧（synchronous frame）中设计控制器，并且前馈用于改进控制器性能。由于高功率应用的典型的低切换频率，采样和计算延迟可能不利地影响控制器行为并且使控制器设计复杂化。有限的控制带宽通常需要诸如主动阻尼之类的附加控制特征以实现满意的结果。在调谐主动阻尼参数时也应当计及（account for）采样和计算延迟。
现在参考图10和图11，分别示出了用于本文中所描述的电流源整流器114和电流源逆变器116的控制器的实施例的示意图。如图10中所示，电流源整流器114可负责调节超导发电机24电枢相电流。另外，如所示出的，由控制器130提供的超导发电机24电枢电流命令可与超导发电机24侧AC电枢电流和电压反馈一起使用，以产生到电流源整流器114的切换命令。
如图11中所示，电流源逆变器116的控制器可负责维持DC链路电流。更特定地，如所示出的，由控制器130提供的总DC链路电流命令与DC链路电流反馈一起可用于产生电网电流有功分量命令id_CMDGrid，而无功电流命令iq_CMDGrid通常被确定为适应各种操作场景（诸如，无功功率调度和低电压穿越（ride-through））。电网电流命令idq_CMDGrid然后可与电网侧AC电流和电压反馈一起使用，以产生用于电流源逆变器116的调制命令idqCMD_CSI。调制命令idqCMD_CSI可进一步由有功DC电流平衡控制器来调整以导致用于每个电流源逆变器116的实际调制命令。然后，调制命令可用于产生切换命令。
现在参考图12，示出了根据本公开的对系统进行操作的方法200的一个实施例的流程图，所述系统诸如本文中所描述的风力涡轮机电力系统，其包括超导发电机24。一般，本文中所描述的方法200通常适用于操作上面描述的风力涡轮机10。然而，应当领会，所公开的方法200可使用任何其它合适的风力涡轮机和/或超导机器（包括发电机或电动机）来实现。此外，为了说明和讨论的目的，图12描绘了以特定顺序执行的步骤。使用本文中提供的公开，本领域普通技术人员将理解，本文中公开的方法中的任何方法的各种步骤可以以各种方式被适配、省略、重新布置或扩展，而不脱离本公开的范围。
如在（202）所示，方法200包括针对故障而监测风力涡轮机10。如在（204）所示，方法200包括确定是否检测到短路故障。如果这样的话，如在（206）和（208）所示，方法200通过如下步骤而继续：接通电流源转换器组件的消弧电路，以便为来自电流源转换器的DC链路的DC链路电感器的电流提供电流路径，并且关断电流源转换器中的多个开关以便阻塞发电机与DC链路之间的电流路径。如果没有短路故障被检测到，则方法200继续监测故障。
现在参考图13，示出了本文中所描述的控制器130的一个实施例的框图。如所示出的，控制器130可包括配置成执行各种计算机实现的功能（例如，执行方法、步骤、计算等，并且存储如本文中所公开的相关数据）的一个或多个处理器134和相关联的（一个或多个）存储器装置136。另外，控制器130还可包括通信模块138，以促进控制器130和系统100的各种部件之间的通信。此外，通信模块138可包括传感器接口140（例如，一个或多个模拟-到-数字转换器），以准许从位于系统100中任何地方的一个或多个传感器142、144传送的信号被转换成可被处理器134理解和处理的信号。
应当领会，传感器142、144可使用任何合适的手段（means）通信地耦合到通信模块138。例如，如图13中所示，传感器142、144可经由有线连接耦合到传感器接口140。然而，在其它实施例中，传感器142、144可经由无线连接（诸如，通过使用本领域中已知的任何合适的无线通信协议）耦合到传感器接口140。这样，处理器134可被配置成从传感器142、144接收一个或多个信号。因此，这样的传感器142、144可位于系统100各处，例如以用于监测故障，如本文中所述地那样。
如本文中所使用的，术语“处理器”不仅是指本领域中被称为包括在计算机中的集成电路，而且还指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器（PLC）、专用集成电路和其它可编程电路。处理器134还被配置成计算高级控制算法并与各种以太网或基于串行的协议（Modbus、OPC、CAN等）通信。另外，（一个或多个）存储器装置136通常可包括（一个或多个）存储器元件，所述存储器元件包括但不限于计算机可读介质（例如，随机存取存储器（RAM））、计算机可读非易失性介质（例如，闪速存储器）、软盘、紧致盘只读存储器（CD-ROM）、磁光盘（MOD）、数字多功能盘（DVD）和/或其它合适的存储器元件。这样的（一个或多个）存储器装置136通常可被配置成存储合适的计算机可读指令，所述计算机可读指令当由（一个或多个）处理器134实现时，将控制器130配置成执行如本文中所描述的各种功能。
本发明的各个方面和实施例由以下编号的条款限定：
条款1. 一种风力涡轮机，包括：
塔；
机舱，所述机舱安装在所述塔顶上；
转子，所述转子耦合到所述机舱，所述转子包括可旋转的轮毂和固定到所述轮毂的至少一个转子叶片；
低阻抗发电机，所述低阻抗发电机耦合到所述转子，所述发电机包括至少一个电枢绕组集合，所述至少一个电枢绕组集合包括多个单相线圈；以及
电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述发电机的电枢，所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器包括经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器，
所述电流源转换器组件的所述至少一个电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。
条款2. 根据条款1所述的风力涡轮机，其中所述低阻抗发电机是超导发电机。
条款3. 根据条款1-2所述的风力涡轮机，其中所述至少一个电容器进一步包括多个电容器，其中所述多个电容器中的至少一个电容器跨所述多个单相线圈中的每个单相线圈。
条款4. 根据前述条款中任一项所述的风力涡轮机，其中所述DC链路包括至少DC链路电感器，并且其中所述DC链路内的电流受跨所述至少DC链路电感器的电压控制。
条款5. 根据条款4所述的风力涡轮机，其中所述DC链路电感器是刚性电流源，所述刚性电流源包括是负载阻抗100倍的内部阻抗。
条款6. 根据前述条款中任一项所述的风力涡轮机，其中所述电流源整流器和所述电流源逆变器各自包括多个开关。
条款7. 根据条款6所述的风力涡轮机，其中所述电流源转换器组件进一步包括消弧电路。
条款8. 根据条款7所述的风力涡轮机，进一步包括用于控制所述低阻抗发电机和所述电流源转换器组件的操作的控制器。
条款9. 根据条款8所述的风力涡轮机，其中在所述电流源转换器组件中发生短路事件时，所述控制器被配置成接通所述消弧电路以便为来自所述DC链路的电流提供路径，并且配置成关断所述电流源转换器组件中的所述多个开关，从而阻塞所述发电机与所述DC链路之间的电流。
条款10. 根据前述条款中任一项所述的风力涡轮机，其中所述电流源转换器组件进一步包括电耦合到所述低阻抗发电机并且耦合到电网的多个电流源转换器。
条款11. 根据条款10所述的风力涡轮机，其中所述多个电流源转换器并联连接。
条款12. 根据条款11所述的风力涡轮机，其中所述多个电流源转换器中的每个电流源转换器被配置成处理所述风力涡轮机的总功率的一部分。
条款13. 根据条款12所述的风力涡轮机，进一步包括有功功率平衡机构，所述有功功率平衡机构被配置成确保所述总功率在所述电流源转换器之间被均匀地共享。
条款14. 根据前述条款中任一项所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机是离岸风力涡轮机。
条款15. 根据前述条款中任一项所述的风力涡轮机，其中所述风力涡轮机是陆上风力涡轮机。
条款16. 一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有低阻抗发电机和电流源转换器组件，所述低阻抗发电机具有多个单相电枢线圈，所述电流源转换器组件电耦合到所述发电机，所述电流源转换器组件具有至少一个电流源转换器，所述方法包括：
针对故障而监测所述风力涡轮机；以及
响应于检测到所述电流源转换器组件中的短路故障，
经由控制器接通所述电流源转换器组件的消弧电路，以便为来自所述电流源转换器组件的DC链路的DC链路电感器的电流提供电流路径，以及
经由所述控制器关断所述电流源转换器组件中的多个开关，以便阻塞所述发电机与所述DC链路电感器之间的电流路径。
条款17. 根据条款16所述的方法，其中针对限制在瞬态或故障状况期间故障电流的上升的刚性电流确定所述电流源转换器组件的所述DC链路电感器的大小，所述DC链路电感器包括是负载阻抗100倍的内部阻抗。
条款18. 根据条款16-17所述的方法，其中所述低阻抗发电机是超导发电机。
条款19. 根据条款16-18所述的方法，进一步包括通过控制跨至少DC链路电感器的电压来控制所述DC链路内的所述故障电流。
条款20. 根据条款16-19所述的方法，其中所述至少一个电流源转换器组件进一步包括电耦合到所述发电机并且耦合到电网的多个电流源转换器。
条款21. 根据条款20所述的方法，进一步包括并联连接所述多个电流源转换器。
条款22. 一种能量转换系统，包括：
低阻抗电机；以及
电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述电机，所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器包括经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器，
所述电流源转换器组件的所述至少一个电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述电机的电流中的电流纹波最小化。
条款23. 根据条款22所述的系统，其中所述低阻抗电机包括发电机或电动机中的至少一个。
条款24. 根据条款23所述的系统，其中所述发电机包括超导发电机，所述超导发电机包括超导励磁绕组和多个单相电枢线圈。
条款25. 根据条款24所述的系统，其中所述至少一个电容器进一步包括多个电容器，其中所述多个电容器中的至少一个电容器跨所述多个单相电枢线圈中的每个单相电枢线圈。
本书面描述使用示例来公开本发明（包括最佳模式），并且还使本领域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）。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种风力涡轮机，包括：
塔；
机舱，所述机舱安装在所述塔顶上；
转子，所述转子耦合到所述机舱，所述转子包括可旋转的轮毂和固定到所述轮毂的至少一个转子叶片；
低阻抗发电机，所述低阻抗发电机耦合到所述转子，所述发电机包括至少一个电枢绕组集合，所述至少一个电枢绕组集合包括多个单相线圈；以及
电流源转换器组件，所述电流源转换器组件电耦合到所述发电机的电枢，所述电流源转换器组件包括至少一个电流源转换器和跨多个单相电枢线圈的至少一个电容器，所述至少一个电流源转换器包括经由DC链路耦合到电流源逆变器的电流源整流器，
所述电流源转换器组件的所述至少一个电容器被配置成吸收由所述电流源转换器生成的电流脉冲的高频分量，以便使施加到所述多个单相线圈的电流中的电流纹波最小化。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中所述低阻抗发电机是超导发电机。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述至少一个电容器进一步包括多个电容器，其中所述多个电容器中的至少一个电容器跨所述多个单相线圈中的每个单相线圈。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述DC链路包括至少DC链路电感器，并且其中所述DC链路内的电流受跨所述至少DC链路电感器的电压控制。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述DC链路电感器是刚性电流源，所述刚性电流源包括是负载阻抗100倍的内部阻抗。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述电流源整流器和所述电流源逆变器各自包括多个开关。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述电流源转换器组件进一步包括消弧电路。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，进一步包括用于控制所述低阻抗发电机和所述电流源转换器组件的操作的控制器。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中在所述电流源转换器组件中发生短路事件时，所述控制器被配置成接通所述消弧电路以便为来自所述DC链路的电流提供路径，并且配置成关断所述电流源转换器组件中的所述多个开关，从而阻塞所述发电机与所述DC链路之间的电流。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机，其中所述电流源转换器组件进一步包括电耦合到所述低阻抗发电机并且耦合到电网的多个电流源转换器。
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