具体实施方式

如下文将详细描述的，提供了用于生成高频开关信号的系统和方法的各种实施例。本文公开的系统包括控制装置，其能够以较高的开关频率操作发电系统的功率转换器，例如线路侧转换器，以便在功率转换器的输出处生成高电压。这种操作使得能够将功率转换器的功率链路直接耦合到定子侧功率链路，从而消除对发电系统中的三绕组变换器的需要。通过消除对三绕组变换器的需要，发电系统的尺寸和成本可以显著地减小。这种发电系统可以容易地安装在具有空间限制的位置。

除非另有定义，否则本文所使用的技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。如本文中所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、量或重要性，而是用于将一个元素与另一个元素区分开。同样，术语“一”和“一个”不表示量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及附加项。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且可以包括直接或间接的电连接或耦合。此外，术语“电路”和“电路系统”和“控制器”可以包括单个组件或多个组件，它们是有源的和/或无源的并且被连接或以其他方式耦合在一起以提供所描述的功能。

现在转到附图并参考图1，描绘了根据本说明书的方面的发电系统100的框图。发电系统100包括发电机102和耦合到发电机102的功率转换子系统109。在所示实施例中，发电机102是双馈感应发电机(DFIG) 102。可以注意到，术语“发电机”和“DFIG”在本文可以可互换地使用。

如图1中所描绘，DFIG 102包括彼此磁性或感应耦合的定子101和转子103。定子101具有输出端子，并且被配置成在输出端子处提供高交流(AC)电压。在一个示例中，高AC电压可以在从大约1 kV到大约15 kV的范围内。类似地，转子103具有输出端子并且被配置成在输出端子处提供低AC电压。在一个示例中，低AC电压可在从约300V到约800V的范围内。可注意到DFIG 102可用于一个或多个应用中，例如，用于风力涡轮机以生成电功率。在一个示例中，所生成的电功率可以在从大约1 MW到大约5 MW的范围内。为了便于说明，DFIG 102可经由齿轮子系统122可操作地耦合到风力涡轮机120，如图1中描绘的。在一个实施例中，风力涡轮机120和齿轮子系统122可以是可称为风力涡轮机系统的发电系统100的一部分。

在一个实施例中，风力涡轮机120包括塔124和多个叶片126。此外，风力涡轮机120被配置成将风能转换成机械能或旋转能。例如，穿过风力涡轮机120的叶片126的风128的动能被转换成机械能。此所转换的机械能用于旋转齿轮子系统122和DFIG 102之间耦合的轴，以通过DFIG 102生成电能或电功率。

此外，功率转换子系统109包括经由直流(DC)链路108背对背连接的转子侧转换单元104和线路侧转换单元106。转子侧转换单元104和线路侧转换单元106中的每个包括AC-DC转换器、DC-AC转换器、DC-DC转换器或其组合。可以注意到，线路侧转换单元106可以包括一个或多个功率转换器。在一个实施例中，DC链路108包括至少一个电容器。转子侧转换单元104耦合到DFIG 102的转子103的输出端子。转子侧转换单元104从定子101接收低AC电压，并将低AC电压转换为低DC电压。在一个示例中，低DC电压可以在从大约300V到大约1 kV的范围内。此外，线路侧转换单元106耦合到DC链路108，以从转子侧转换单元104接收低DC电压，并且将低AC电压转换为高AC电压。在一个示例中，高AC电压可以在从大约1 kV到大约20 kV的范围内。

此外，转子侧转换单元104和线路侧转换单元106中的每个包括多个半导体开关(未示出)。在一个示例中，半导体开关包括氮化镓开关、碳化硅开关、砷化镓开关、硅开关等。以期望的频率来操作半导体开关，以在转子侧转换单元104和线路侧转换单元106中的每个的输出端子处生成对应的电压。特别地，半导体开关中的每个通过施加到对应开关的端子的开关信号而被激活或去激活。开关信号可以被称为具有多个开关脉冲的脉宽调制(PWM)信号。可以注意到，术语“开关信号”和“PWM信号”在本文可以可互换地使用。

在常规的发电系统中，诸如PWM生成器之类的信号生成器用于向线路侧转换器中的开关提供开关信号，以将从转子侧转换器接收的DC电压转换为AC电压。然而，PWM生成器仅能生成低频开关信号，这又限制了线路侧转换器生成等于定子提供的电压的高电压。因此，需要三绕组变换器将从线路侧转换器接收的低AC电压与从定子接收的高AC电压组合，从而导致常规发电系统的尺寸和成本的增加。

为了克服与常规发电系统相关联的上述缺点/问题，示例性发电系统100包括耦合到PWM生成器116和转子侧转换单元104和线路侧转换单元106的示例性控制装置110。特别地，控制装置110从PWM生成器116接收低频开关信号，并将低频开关信号转换为高频开关信号。控制装置110将高频开关信号传输到线路侧转换单元106，其又生成高AC电压。在一个示例中，PWM生成器116可以是正弦三角PWM生成器。在一个示例中，低频开关信号在从大约100Hz到大约10 kHz的范围内，并且高频开关信号在从大约500 kHz到大约10 MHz的范围内。可以注意到，术语“线路侧转换单元”和“功率转换器”在本文中可以可互换地使用。此外，可以注意到，术语“低频开关信号”和“具有第一开关频率的第一PWM信号”在本文可以可互换地使用。类似地，术语“高频开关信号”和“具有第二开关频率的第二PWM信号” 在本文可以可互换地使用。将第一PWM信号转换为第二PWM信号的方面参考图2来更详细地解释。

此外，控制装置110控制功率转换子系统109的操作。特别地，控制装置110控制转子侧转换单元104和线路侧转换单元106的半导体开关的开关，以调节从DFIG 102的转子103接收的有功功率和无功功率。

此外，由于线路侧转换单元106能够生成高电压，因此线路侧转换单元106的输出端子107直接耦合到定子101的输出端子109，如图1所描绘。输出端子107、109经由双绕组变换器112耦合到输出装置114。双绕组变换器112用于将定子101和线路侧转换单元106的组合电压传递到输出装置114。在一个示例中，输出装置114可以是诸如功耗装置之类的负载。在另一个示例中，输出装置114可以是电网，其表示发电站、高压传输线、需求中心和用于从供应商向消费者输送电力的配电线路的互连网络。在另一个实施例中，定子101的输出端子109和线路侧转换单元106的输出端子107相应地可直接耦合到输出装置114，而无需使用变换器112。在这样的实施例中，由于避免了变换器112的使用，所以与具有双绕组变换器112的发电系统110的实施例相比，发电系统的尺寸可以进一步减小。

因此，使用示例性控制装置110和双绕组变换器112代替常规的三绕组变换器，有助于减小发电系统100的尺寸和成本。此外，控制装置110与具有半导体开关的线路侧转换单元106一起使用，有助于提高发电系统100的效率。

图2是根据本说明书的方面图1的控制装置110的框图。控制装置110包括第一复用单元202、积分器单元204、调制器单元206、生成器单元208和控制器210。第一复用单元202可操作地耦合到积分器单元204。此外，积分器单元204可操作地耦合到调制器单元206，其又耦合到生成器单元208。控制器210可操作地耦合到第一复用单元202、积分器单元204和调制器单元206。

控制器210耦合到PWM生成器116(见图1)并且被配置成接收具有第一开关频率的第一PWM信号212。可以注意到，具有第一开关频率的第一PWM信号212表示低频开关信号。在一个示例中，第一开关频率可以在从大约100Hz到大约10kHz的范围内。控制器210基于第一PWM信号212来生成第一选择器信号(S1)214、第一重置信号(R1)216和第二重置信号(R2)218。特别地，控制器210基于第一PWM信号212的开关频率和脉宽持续时间，来生成第一选择器信号(S1)214、第一重置信号(R1)216、和第二重置信号(R2)218。在一个实施例中，控制器210可以包括：处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、规格特定的集成电路、规格特定的处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)，诸如计算机中采用的集成电路之类的集成电路和/或任何其他可编程电路。在一个实施例中，控制器210可以被预编程以基于第一PWM信号212的第一开关频率来生成第一选择器信号(S1)214、第一重置信号(R1)216和第二重置信号(R2)218。此外，控制器210将第一选择器信号(S1)214传输到第一复用单元202。另外，控制器210将第一重置信号(R1)216和第二重置信号(R2)218相应地传输到积分器单元204和调制器单元206。

在所示的实施例中，第一复用单元202也可操作地耦合到PWM生成器116，以接收具有第一开关频率的第一PWM信号212。此外，第一复用单元202被配置成将第一PWM信号212分离成具有第二开关频率的第二PWM信号222和具有第三开关频率的第三PWM信号220。在一个示例中，第二开关频率和第三开关频率中的每个可以是第一开关频率的一半。如果第一开关频率是大约200Hz，则第二开关频率和第三开关频率中的每个可以是大约100Hz。如前所述，第一复用单元202从控制器210接收第一选择器信号(S1)214。在一个示例中，第一选择器信号(S1)214可以包括具有预定占空比的多个开关脉冲。可以注意到，第一选择器信号(S1)214的预定占空比用于确定第二PWM信号220的第二开关频率和第三PWM信号222的第三开关频率。此外，如果第一选择器信号(S1)214的开关脉冲为高或“1”，则第一复用单元202生成第二PWM信号220。类似地，如果第一选择器信号(S1)214的开关脉冲为低或“0”，则第一复用单元202生成第三PWM信号222。在一个实施例中，基于第一选择器信号(S1)214对第一PWM信号212的开关脉冲进行滤波以生成第二PWM信号220和第三PWM信号222。

此外，第一复用单元202将第二PWM信号220和第三PWM信号222传输到积分器单元204。积分器单元204被配置成接收第二PWM信号220和第三PWM信号222并且基于第二PWM信号220和第三PWM信号222来生成第一积分信号224和第二积分信号226。

积分器单元204包括第一积分器228和第二积分器230。第一积分器228被配置成从第一复用单元202接收具有第二开关频率的第二PWM信号220。第一积分器228还从控制器210接收第一重置信号(R1)216。此外，第一积分器228被配置成在预定义时间段期间对第二PWM信号220进行积分以生成第一积分信号224。在一个示例中，基于从控制器210接收的第一重置信号(R1)216来确定预定义时间段。在一个示例中，基于第一重置信号(R1)216在每个预定义时间段重置第一积分器228。此外，第一积分器228可以在每个预定义时间段重复地对第二PWM信号220的幅度进行积分，以生成第一积分信号224。可以注意到，采用使得第二PWM信号220的幅度正在增加或处于峰值时第一积分器228对第二PWM信号220的幅度进行积分的这种方式来选择预定义时间段。此外，如果第二PWM信号220的幅度正在减小，则第一积分器228将第二PWM信号220的幅度保持在峰值，直到重置第一积分器228以在随后的预定义时间段重复进行第二PWM信号220的幅度的积分。

第二积分器230被配置成从第一复用单元202接收具有第三开关频率的第三PWM信号222。第二积分器230还从控制器210接收第二重置信号(R2)218。在一个示例中，基于第二重置信号(R2)218在每个预定义时间段重置第二积分器230。在一个示例中，基于从控制器210接收的第二重置信号(R2)218确定来预定义时间段。此外，第二积分器230可以在每个预定义时间段重复地对第二PWM信号222的幅度进行积分以生成第二积分信号226。可以注意到，采用使得第三PWM信号222的幅度正在增加或处于峰值时第二积分器230对第三PWM信号222的幅度进行积分的这种方式来选择预定义时间段。此外，如果第三PWM信号222的幅度正在减小，则第二积分器230将第三PWM信号222的幅度保持在峰值，直到重置第二积分器230以在随后的预定义时间段重复进行第三PWM信号222的幅度的积分。

积分器单元204将第一积分信号224和第二积分信号226传输到调制器单元206。调制器单元206被配置成接收第一积分信号224和第二积分信号226并且基于第一积分信号224和第二积分信号226来生成调制信号232。在所示的实施例中，调制器单元206包括逻辑电路234和第二复用单元236。逻辑电路234可操作地耦合到控制器210以接收第一重置信号(R1)216和第二重置信号(R2)218。此外，逻辑电路234被配置成基于第一重置信号216和第二重置信号218来生成第二选择器信号(S2)240。在一个示例中，如果接收到第一重置信号(R1)216，则逻辑电路234生成第二选择器信号(S2)240的高开关脉冲“1”。类似地，如果接收到第二重置信号(R2)218，则逻辑电路234生成第二选择器信号(S2)240的低开关脉冲“0”。可以注意到，采用仅组合第一积分信号224和第二积分信号226的峰值幅度的这种方式来选择240第二选择器信号(S2)240的开关脉冲的脉宽持续时间。

此外，第二复用单元236可操作地耦合到逻辑电路234，并且被配置成从逻辑电路234接收第二选择器信号(S2)。第二复用单元236还被配置成从积分器单元204接收第一积分信号224和第二积分信号226。第二复用单元236基于第二选择器信号(S2)240，组合第一积分信号224的峰值幅度和第二积分信号226的峰值幅度，以生成调制信号232。如果第二选择器信号(S2)240正具有高开关脉冲“1”，则第二复用单元236确定第一积分信号224的峰值幅度。以类似的方式，如果第二选择器信号(S2)240正具有低开关脉冲“0”，则第二复用单元236确定第二积分信号226的峰值幅度。此外，第二复用单元236组合第一积分信号224的峰值幅度和第二积分信号226的峰值幅度，以生成调制信号232。

此外，生成器单元208耦合到调制器单元206，并被配置成接收调制信号232，并基于调制信号232生成具有第四开关频率的第四PWM信号242。第四开关频率不同于第一开关频率。在一个示例中，第四开关频率在从大约500kHz到大约10MHz的范围内。可以注意到，可以基于线路侧转换单元106(见图1)生成以与定子101(见图1)的电压匹配的电压来选择第四开关频率。在一个实施例中，生成器单元208被配置成基于调制信号232来调制三角载波235，以生成具有第四开关频率的第四PWM信号242。如果三角形载波235的频率大于第一开关频率，则第四开关频率大于第一开关频率。类似地，如果三角形载波235的频率小于第一开关频率，则第四开关频率小于第一开关频率。在一个示例中，生成器单元208包括正弦三角PWM生成器。为了易于理解本发明的实施例，第四开关频率被认为大于第一开关频率。可以注意到，生成器单元208可以包括任何类型的生成器，并且不限于正弦三角PWM生成器。此后，生成器单元208将具有第四开关频率的第四PWM信号242传输到功率转换子系统109的线路侧转换单元106，以便将低DC电压转换为高AC电压。可以注意到，由线路侧转换单元106接收的低DC电压也可以被称为具有第一幅度的第一电压信号。类似地，由线路侧转换单元106生成的高AC电压可以被称为具有第二幅度的第二电压信号。在本文中应注意，第二幅度大于第一幅度。

因此，通过采用示例性控制装置110，将低频开关信号或第一PWM信号212转换为高频开关信号或第四PWM信号242。具体而言，高频开关信号242以高开关频率来操作线路侧转换单元106以便生成与定子101提供的电压相同的高电压。因此，不需要体积大的三绕组变换器。

图3描绘了绘制的不同PWM信号的图形表示，其中Y轴302表示不同PWM信号的幅度，并且X轴304表示时间。参考标号212表示第一PWM信号。参考标号220表示第二PWM信号，并且参考标号222表示第三PWM信号。参考标号224表示第一积分信号，并且参考标号226表示第二积分信号。参考标号232表示调制信号。参考标号242表示具有第四开关频率的第四PWM信号。

参考图4，描绘了根据本说明书的方面的发电系统400的示意图。发电系统400包括DFIG 402和耦合到DFIG 402的功率转换子系统404。可以注意到，DFIG 402可以类似于图1的DFIG 102。DFIG 402包括彼此磁耦合的转子403和定子401。此外，转子403包括被配置成向功率转换子系统404提供低AC电压的转子绕组。在一个示例中，低AC电压可以在从大约300V到大约800V的范围内。类似地，定子401包括定子绕组，该定子绕组被配置成向诸如电网或负载之类的输出装置407提供高AC电压。在一个示例中，高AC电压可以在从大约1kV到大约20kV的范围内。

在所示的实施例中，功率转换子系统404包括转子侧转换单元406和多个线路侧转换单元408、410、412。多个线路侧转换单元408、410、412经由DC链路409耦合到转子侧转换单元406。转子侧转换单元406可操作地耦合到转子403的转子绕组。在一个示例中，转子侧转换单元406可以是AC-DC转换器，其被配置成将从转子403的转子绕组接收的低AC电压转换为DC电压。在一个示例中，低DC电压可以在从大约300V到大约1kV的范围内。此外，线路侧转换单元408、410、412可操作地耦合到定子401的定子绕组。此外，线路侧转换单元408、410、412和DFIG 402的定子401可操作地耦合到输出装置407。

此外，线路侧转换单元408、410、412彼此串联耦合以形成模块化布置。在一个示例中，线路侧转换单元408、410、412以堆叠配置来布置。虽然在图4的实施例中仅示出了3个线路侧转换单元408、410、412，在备选实施例中，可以使用超过4个线路侧转换单元来提高由线路侧转换单元的组合生成的输出电压。

线路侧转换单元408、410、412中的每个是模块化单元，其可以被移除或被功率转换子系统404中的另一个模块化单元替换。有利地，使用功率转换子系统404中的多个线路侧转换单元408-412使得能够增加功率转换子系统404的输出电压。

如图4所描绘，线路侧转换单元408-412中的每个包括彼此可操作地耦合的多个转换器414、414、416和多个逆变器420、422、424。转换器414-416与DC链路409并联耦合。转换器414-416中的每个可以是DC-DC转换器，其被配置成斜升或增加经由DC链路409从转子侧转换单元406接收的DC电压。此外，每个转换器414-416将斜升的或高的DC电压传输到对应的逆变器420-424。在一个示例中，高DC电压可以在从大约1kV到20kV的范围内。此外，转换器414-416可用于将与转子侧转换单元406相关联的DC电压与逆变器420-424隔离。

逆变器420-424中的每个耦合到对应的转换器414-418，并且被配置成将从转换器414-418接收的高DC电压转换为高AC电压。高AC电压可以等于由定子401的定子绕组提供的AC电压。在一个示例中，高AC电压可以在从大约1kV到大约20kV的范围内。

此外，发电系统400包括控制装置430，该控制装置430可操作地耦合到功率转换子系统404，以控制功率转换子系统404的操作。控制装置430可以类似于图2的控制装置110。特别地，控制装置430被配置成控制转子侧转换单元406和线路侧转换单元408-412的开关432的操作频率或开关频率。更具体地，在发电系统400的操作期间，控制装置430在接通(ON)和断开(OFF)状态之间操作转子侧转换单元406和线路侧转换单元408-412的开关432，以生成期望的输出电压。术语“激活状态”或“接通状态”是指开关处于导电状态时的状况。术语“去激活状态”或“断开状态”是指开关处于不导电状态时的状况。

在一个实施例中，控制装置430被配置成使一个线路侧转换单元408的转换器414-418的开关432的开关与另一个线路侧单元410的转换器414-418的相应开关432的开关同步。此外，控制装置430被配置成使一个线路侧转换单元408的逆变器420-424的开关432的开关与另一个线路侧转换单元410的逆变器420-424的对应开关432的开关同步。

此外，示例性控制装置430被配置成操作线路侧转换单元408-412的开关432以提高(step-up)或增加由转子403的转子绕组提供的电压。 具体而言，控制装置430可操作地耦合到PWM生成器440，并且被配置成从PWM生成器440接收具有第一开关频率的第一PWM信号436。此外，控制装置430被配置成将具有第一开关频率的第一PWM信号436转换为具有与第一开关频率不同的第二开关频率的第二PWM信号438。此外，控制装置430被配置成将具有第二开关频率的第二PWM信号438传输到线路侧转换单元408-412的开关432来以第二开关频率操作开关432。通过以第二开关频率操作开关，将从转子侧转换单元406接收的低DC电压转换为与由定子401生成的电压相等的高AC电压。高AC电压与定子401提供的电压组合，并且此后将组合的电压提供给输出装置407。在一个实施例中，控制装置430还可以将具有第二开关频率的第二PWM信号438发送到转子侧转换单元406，以将从转子403的转子绕组接收到的低AC电压转换并增加为DC电压。此外，转子侧转换单元406向线路侧转换单元408-412提供对应增加的DC电压。

因此，通过采用示例性控制装置，将低频开关信号或第一PWM信号转换为高频开关信号或第四PWM信号。高频开关信号可以用于以高开关频率来操作线路侧转换单元，以便生成与定子提供的电压相同的高电压。

此外，可以通过基于处理器的系统(例如，通用计算机或专用计算机)上的适当代码来实现诸如可以由系统执行的那些的前述示例、说明和过程步骤。还应注意，本技术的不同实现可以采用不同顺序或基本同时(即，并行)执行本文所述的一些或全部步骤。此外，可以采用各种编程语言来实现功能，编程语言包括但不限于C ++或Java。这样的代码可以被存储或适合于存储在一个或多个有形机器可读介质上，例如在数据存储库芯片、本地或远程硬盘、光盘(即，CD或DVD)、存储器或其他介质上，所述其他介质可由基于处理器的系统访问以执行存储的代码。注意，有形介质可以包括纸或另一种适当介质，在其上打印指令。例如，可以经由对纸或其他介质进行光学扫描来电子捕获指令，然后在必要的情况下以适当的方式对指令进行编译、解释或其他处理，然后将指令存储在数据存储库或存储器装置中。

公开了用于生成高频开关信号的系统和方法的各种实施例。本文公开的系统和方法采用示例性的控制装置，该控制装置有助于以高开关频率来操作功率转换器，以便在线路侧转换单元的输出处生成高电压。这样的布置有助于将线路侧转换单元的功率链路直接耦合到DFIG的定子，从而消除了发电系统中体积大的三绕组变换器的使用。这样的发电系统可以容易地安装在具有空间限制的位置。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物代替其元素。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适合于本发明的教导。