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CN102160277A - 用于多级发生器的功率转换系统 - Google Patents

用于多级发生器的功率转换系统 Download PDF

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CN102160277A
CN102160277A CN2009801344846A CN200980134484A CN102160277A CN 102160277 A CN102160277 A CN 102160277A CN 2009801344846 A CN2009801344846 A CN 2009801344846A CN 200980134484 A CN200980134484 A CN 200980134484A CN 102160277 A CN102160277 A CN 102160277A
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Application number
CN2009801344846A
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乔纳森·里奇
埃德温·诺维茨基
瑞查德·陈
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Exro Technologies Inc
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Exro Technologies Inc
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Abstract

提供了电功率产生系统，包括具有多个级的功率发生器，所述多个级与原动机接合；以及多个用于将所述级连接到电负载的多个分支，每个所述分支具有使所述分支与所述级连接或者断开连接的开关。通过控制器将来自诸如例如涡轮机的原动机的功率发送到一个或多个分支，所述分支作为适于处理所产生的功率水平。

Description

用于多级发生器的功率转换系统
技术领域
本申请涉及将用于通过电磁设备产生的功率转换成可用功率的电路拓扑以及相关联的控制过程，更具体地，用于将从多级电发生器产生的功率转换成供电负载(例如但不限于，电力公司电网)消耗的可用形式的功率。
背景技术
对于传统的流体流动发电涡轮机系统(例如风力涡轮机系统)，其能量源是可变的(即流体速度和流体的流率随时间变化)，从能量源捕获的能量的量可能只是在该时间上可捕获的能量总量的一部分。例如，在典型风力发电场，所述一部分可能只是一半，甚至更少。
由于系统内使用的发生器、功率转换器(如果存在)、输出变压器的限制，所以通过可变速常规涡轮机/发生器/变压器系统的功率流被限制在其能够输出的功率范围内，即从最小输出功率到额定输出功率。由于传统的电磁发生器在较低功率水平具有降低了的效率，功率转换器(如果存在)以及尤其是将功率耦接到电负载的变压器也一样，所以出现了这种限制。因此，对于常规可变速涡轮机/发生器/变压器系统，工程设计决策通常是限制发生器(和任何相关联的功率转换器、功率调节器或功率过滤器，如果存在)以及相关联的输出变压器的额定功率，以便在限定的功率范围内优化效率。因此，在正常工作流速的极端，即在低流速以及尤其是在高流速，比可能从流体能量源中提取的功率更低的功率被耦接进涡轮机。对于涡轮机直径(和可能的轴向长度)的特定设计，随着时间的推移，这转化成的捕获能量可能比涡轮机能够传递给发生器的能量更少。
为了在能量源具有驱动涡轮机的可变流速且涡轮机可具有可变转速的情况下增加能量捕获，多级发生器可用于涡轮系统中。多级发生器是作为电发生器而工作的电磁机器，该电发生器是从原动机获得机械能并产生通常是交流电形式的电能。在美国专利第7081696号和美国专利申请第2008088200号中公开了这种多级发生器，它们都以引用方式并入本文。相比于常规发生器，多级发生器的优点是多级发生器可以根据涡轮机的功率输出动态地确定尺寸。常规发生器在有限的流速范围内能从能量源有效捕获能量，而由于分级的功率特性，多级发生器可以在能量源的扩展的流速范围内捕获能量。
从多级发生器产生的电功率本质上是可变的，这意味着产生的输出功率波形可能会不时改变，例如：电压幅值；电流幅值；相位；和/或频率。另外，多级发生器可能包括多个感应元件，每个感应元件产生它们自己的功率波形，这些功率波形可能在电压幅值、电流幅值、相位和/或频率上不同于由发生器内其他感应元件产生的功率波形。电负载(例如，电力公司电网)可能不能直接地消耗多级发生器产生的电功率，因为所产生的功率可能不是电负载所要求的正确的形式，例如关于时间函数的波形形状、电压幅值、电流幅值、相位和/或频率。电负载(例如，电力公司电网)通常期望从涡轮机电发生系统获得单相或分相或3相电压或电流波形，该波形通常是正弦波且相对稳定，但多级发生器产生变化的波形。
功率转换器电路可用于将电功率波形从一种形式转换为另一种形式。转换器可设计为具体额定的输入电压范围(例如，1000VAC-rms至2000VAC-rms)和额定输入电流范围(例如，100A-rms至5000A-rms)，但是如果输入电压或输入电流(以及由此功率水平)不满足或超过该转换器设计的水平，那么转换器可能不能够工作，或转换器可能会以一种低效的方式工作。对于多级发生器，单一功率转换器不可能适应于广泛地变化的电压波形和产生的功率范围。而且，将功率传递到连接到一个或多个转换器的电负载的单一功率变压器不可能以合理效率来适应可能由多级发生器产生的宽功率范围。
发明内容
为利用由多级发生器产生的电能的优势，期望提供功率转换系统，该功率转换系统将由多级发生器产生的一部分或全部电功率波形组合并且转换成电负载可消耗的可用形式。转换系统应保持高水平的效率，并且便于多级发生器在发生器能够产生的功率范围内有效率地且有效地工作；这意味着功率转换过程不应该限制可以由多级发生器所产生的功率的范围(从最低水平到最高水平)。
包括相关联的控制过程的适当的功率转换系统期望利用在涡轮发电系统内使用多级发生器的益处，导致相比于常规涡轮发电系统，在更大的流速范围上(或者在更大的流体流率范围上)从能量源捕获更高的能量。
而且，对于运行接近最优的多级发生器(例如在涡轮机/发生器/变压器系统中以接近最小的损耗将接近最大的功率传递到电负载)，在更大的流速范围上或者在更大的流体流率范围上，利用现有涡轮机，控制器可以用于控制处理发生器输出功率波形的功率转换电子器件。在需要时，控制器还可以允许系统通过寻求使涡轮机参数(例如叶片螺距和涡轮偏航)最优化来寻求使从能量源捕获的能量的量最大化，响应能量源的与时间相关的特征(如流速和流动方向)。基于这些和其他输入，系统的电功率转换过程将选择接近最优的转换策略来向电负载传递功率。
提供了电功率产生系统，包括具有多种机器配置的功率发生器，所述配置可选择地能够与原动机接合；以及多个分支，用于将所述配置连接到电负载，每个所述分支具有用于使所述分支与所述配置连接或者断开的开关。
提供了将包括多个级的功率发生器连接到电负载的方法，通过具有转换器的相应分支，每个所述级被连接到所述负载，每个所述转换器具有不同的功率范围，所述方法包括步骤：(a)确定所述发生器的功率输出；(b)选择所述分支中的一个，其中，所述选择的分支的功率输出具有能够接收所述功率输出的转换器；以及(c)沿着所述选择的分支将所述功率输出传递到所述电负载。
提供了将包括多个级的功率发生器连接到电负载的方法，通过具有转换器和并串联选择器的相应分支，每个所述级连接到所述负载，每个所述转换器具有相同的功率范围，所述方法包括步骤：(a)确定所述发生器的功率输出；(b)为所述功率输出配置至少一个所述并串联选择器；(c)选择与所述配置的并串联选择器相对应的所述分支中的一个或多个；以及(d)沿着所述选择的分支将所述功率输出传递到所述电负载。
提供了一种电功率产生电系统，该系统包括具有多个级的功率发生器，每个所述级至少具有感应元件，所述感应元件与涡轮机接合；多个分支，用于将所述级连接到电负载，每个所述分支具有用于使所述分支与所述级连接或者断开连接的开关；涡轮机；以及系统控制器。
附图说明
以下附图阐明本发明的实施方式，其中相同标号表示相同部件。本发明的实施方式通过实施例来说明，并且没有通过附图来限制。
图1是涡轮机/发生器/变压器(TGC)系统的实施方式的框图；
图2是多级发生器的实施方式的框图；
图3是示出控制过程的实施例的流程图，通过该控制过程，一系列转换器将电功率转换为可用形式；
图4是包括解析器转换拓扑的涡轮机/发生器/变压器系统的可选实施方式的框图；
图5是多级发生器的可选实施方式的框图，该图示出了不需要硬连线以接合到解析器转换拓扑的感应元件；
图6是示出控制过程的实施例的流程图，通过该控制过程，解析器转换系统将电功率转换为可用形式；
图7是涡轮机/发生器/变压器系统的实施方式的框图，其中，接口包括混合转换拓扑；
图8是多级发生器的实施方式的框图，该图示出了可以硬连线以便于接合到混合转换拓扑的感应元件；
图9是示出控制过程的实施例的流程图，通过该控制过程混合转换系统将电功率转换为可用形式；
图10示出了具有分叉以允许选择转换器的分支实施方式的框图；
图11是分支的可选实施方式的框图，其中，分支具有分叉以允许选择变压器；以及
图12是涡轮机/发生器/变压器系统的进一步可选实施方式的框图，其中，接口包括采用分叉分支的混合转换拓扑。
具体实施方式
定义
在本文中，以下术语将具有以下含义：
“能量源”是指流体介质，例如，由于迁移运动而具有动能的流动的空气、水或蒸汽。
“原动机”是指例如涡轮机或驱动电动机等设备，由功率源(如能量源)作用以产生机械能。
“涡轮机”是指通常包括连接到轴的叶片或肋片的设备，其通过能量源作用来产生轴的旋转运动形式的机械能。其包括利用来自风力、潮汐、河流运动和太阳能以及其他可再生能量源的能量的涡轮机。
“多级发生器”是指将来自涡轮机的机械能转换成电能的电磁机器。电功率可通过多级发生器由从多个感应元件产生，每个感应元件可产生电压。某些感应元件可以要么硬连线到多级发生器外壳内，要么硬连线到外壳外部(虽然不需要存在外壳)。多级发生器可以是以产生模式工作的发动机。
“感应元件”是指绝缘金属导线的线圈，其当导线穿过磁场时跨过线圈端部产生电压。
“级”是指感应元件的逻辑分组。级内的感应元件可能具有几乎相同的电压波形频率。级可以具有全部同相工作的感应元件，或者在级中可能存在多相传感元件。级可能具有或者可能不具有与其他级相等的相位。
“机器配置”是指感应元件的定径和配置，并且可以包括感应元件的分级。
“并串联选择器”或“解析器”是指电子或机械或机电开关设备，该设备以多种可配置的并联和/或串联组合布置将感应元件连接在一起。解析器也可以称为“配置器”。
“功率转换器”或“转换器”是指改变电功率波形的形式(例如作为时间函数的波形形状、电压幅值、电流幅值、相位和/或频率)的电子电路。转换器可以包括整流档。
“涡轮机/发生器/转换器系统”或“TGC系统”是指包括涡轮机、电发生器(例如多级发生器)和功率转换器的系统。TGC系统可以任选地进一步包括以下部分或全部组件：环形齿轮或齿轮箱；解析器；变压器；开关；以及控制系统。TGC系统将能量源的部分动能转换成电能。
“电负载”是指电能的消耗者，并且可以是独立的离网应用，例如住宅、商业建筑或工业生产过程中的电气设备；或者可以是为偏远的农村村庄提供电能的微网系统；或大型电力公司电网；或其他应用。
“功率转换拓扑”是指硬件组件(例如一个或多个解析器、功率转换器、变压器和开关)的布置。功率转换拓扑可以用作多级发生器和电负载之间的接口。
“功率转换系统”是指功率转换拓扑及其相关联的控制器。功率转换系统可以是TGC系统的子系统。
“分支”是指包括以下任何但不一定所有要素的布置：解析器、输入开关或多个输入开关、转换器、变压器、输出开关或多个输出开关，所有器件串联连接。分支可以是功率转换拓扑的子系统。
“系列转换器系统”是指包括一系列转换器拓扑和相关联的控制器的功率转换系统。
“解析器转换系统”是指包括解析器转换拓扑和相关联的控制器的功率转换系统。
“混合转换系统”是指包括具有一个或多个分支的混合转换拓扑和相关联的控制器的功率转换系统。
“系统控制器”是指执行监测功能并向不同子系统和/或系统(例如，TGC系统)的组件发出命令的计算机、微控制器、数字信号处理器、嵌入式系统、模拟电路或者其他实现方式。此外，系统控制器还可以监测能量源和/或电负载，并且可以向电负载提供信息(例如，如果电负载是电力公司电网)。
“流体流率”是指每单位时间内流体(例如空气、水或蒸汽)通过涡轮机的数量，该数量以例如立方英尺每分钟、加仑每分钟、升每秒或公斤每秒为单位进行测量。
“平均功率”是指在一个或多个功率传递周期内计算的平均功率，例如，60Hz系统中在16.67毫秒的一段时间内计算的平均功率。
“额定功率”或“铭牌功率”是指设备(如涡轮机、发生器、转换器、功率转换系统、变压器、或TGC系统)指定传递的最高值连续平均功率。
“机器利用率”是指当机器以额定功率(即机器的最大连续平均功率能力)工作时，激活并且传递功率的、不包括机器外壳的多级发生器的电磁机器(例如多级发生器)的比例。这个比例可以以多种方式来指定，包括机器的激活部分的重量(例如公斤)与不包括机器外壳的机器重量的比率，或激活的感应元件的数量与机器内感应元件的总数的比率。
“最大能量捕获模式”是指TGC系统的工作模式，其中，对于通过涡轮机的给定流体流率，系统控制器从能量源向电负载传递尽可能多的功率(即，在该流体流率处所设计的最大连续平均功率)，直至并且包括TGC系统的额定功率。最大能量捕获模式也被称为“最大功率点追踪”(MPPT)。
“节流”是指TGC系统的工作模式，其中，系统控制器将传递到电负载的平均功率限制并调节为比通过涡轮机的流体的给定流率可以传递的功率更小的值。在实践中，TGC系统的节流有时是必要的；然而，这种工作模式的长期使用可大大减少给定TGC系统随时间推移的能量捕获。应注意的是，在最大能量捕获模式下，当系统以额定功率工作时，TGC系统进入节流模式。
“功能性”是指能够执行它的预定功能的系统的部件。
简介
系统控制器可用于在多级发生器涡轮机/发生器/转换器系统工作期间自动地保持有效的功率转换。系统控制器可以作为单一控制器而存在，该单一控制器控制涡轮机/发生器/转换器系统的所有功能，或者系统控制器可以分成多个具有各自功能的子控制器。
在一些实施方式中，系统控制器的主要功能是控制涡轮机，例如监测并调整涡轮机的叶片螺距和偏航。系统控制器的第二主要功能可以是监测和控制功率转换电子设备以在多级发生器的输出和电负载之间提供有效的和可控的功率转移。
系统控制器可以用于方便系统组件之间的通信；例如，在一些实施方式中，系统控制器监视传感器和/或接收与系统组件有关的信息和/或与电负载有关的信息；系统控制器提供了具有必要信息的相关组件以近似最优化地和正确地工作；系统控制器通过提供调整和/或命令信号来指示子系统和组件。对于系统控制器的输入可以包括但不限于：流体速度；流体方向；流体的统计信息；外壳或支撑结构元件的位置信息和/或位置信息的衍生物；涡轮机位置和/或速度和/或加速度；叶片螺距角；涡轮机螺距和/或偏航；在系统内或电负载各点处的电流、电压、功率、无功功率、失真、测量；关于电负载特性的感测或数据信息。系统控制器通常接收传感器和/或数据信息并且向涡轮机和功率转换系统的组件发出命令，以确保将功率安全且有效地从涡轮机转移到电负载。为了控制多级发生器涡轮机/发生器/转换器系统的功率转换过程，系统控制器可以启动并激活由级所产生的功率，包括通过任意给定级的功率的接合、转移和分离。系统控制器优选地在多级之间提供功率的流畅转移并且为电负载提供不间断的功率流，并且期望时，可以以这种方式执行，以增加或最大化从流过涡轮机的流体中捕获的能量。
系列转换器系统
在本文中，字母i、j、k、x、y和z将用作参考标记以指代附图中引用的特定组件。没有下标的参考标记可以适用于共用相同参考标记的任意具有下标的组件。
图1中所示的是TGC系统，该系统包括功率转换拓扑(这里被称为系列转换器拓扑10x)的一个实施方式。系列转换器拓扑10x在不同的分支30中具有一个或多个转换器20，不同的分支30每个都连接到多级发生器40x内的感应元件的级。
图2所示的是可以与系列转换器拓扑10x相接的多级发生器40x的图示。在多级发生器40(例如40x)内存在多个感应元件50，多个感应元件50可以分成两个或多个不同的被称为级60(例如，图2中的60i、60j、60k)的逻辑分组。逻辑分组是指在组60(例如，级60i)内的感应元件共有一组共同的特点(主要是空间位置)，从而使单一感应元件50产生的电压幅度和相位与分组60内其他感应元件50产生的电压幅度和相位相匹配。在多级发生器40的一个级内，存在感应元件50的单相、分相、3相、4相、6相或其他多相布置的可能性。
如图2所示，级60内的感应元件50可以是硬连线的并且是一起连接为并联和/或串联的结合。感应元件终端70可以是硬连线在多级发生器40的外壳内，或者感应元件终端70可以硬连线到多级发生器40的外壳外部。可选地，不需要外壳，并且终端70可以硬连线在多级发生器40内或者硬连线到多级发生器40的外部。一般地，在级60内可以存在任何实际数量的感应元件50，可能以多相布置，并且可能是各种串联、并联或混合串并联连接；还可能不存在硬接线的感应元件50。
来自每个级60的输出端块80可以连接到分支30，分支30可以包括输入开关90、转换器20、可选的变压器100、以及输出开关110，上述所有器件串联连接。每个分支30的输出可以连接到电负载120。每个输入开关90(例如90i)包括开关的几个极，几个极可以同时关闭或开启，以便使多级发生器40的给定级60(例如60i)适应端块80(例如80i)的终端。每个输出开关110(例如110i)包括开关的几个极，几个极可以同时关闭或开启，以便适应电负载120的终端。
对于系列转换器拓扑10x，转换器20和/或变压器100的额定功率从一个级到下一个级可以以几何级数增长，使得如果在第一级60i需要相对较低的功率转换器20i，那么下一级60j可能需要明显较高的功率转换器20j等。对于多级发生器40x，这允许级60j比级60i包含多得多的感应元件50，类似地，级60k可以具有比级60j多得多的感应元件，等等。
作为原动机的涡轮机130可以直接连接到多级发生器40，或者可能存在将涡轮机130耦接到多级发生器40的环形齿轮或齿轮箱140。作为原动机的涡轮机130接合多级发生器40，从而产生横跨感应元件50的电压。
TGC系统的组件和/或子系统可以连接到系统控制器150(例如150x)，包括但不限于以下组件：涡轮机130、感应元件50、分支30、输入开关90、转换器20、变压器100、输出开关110和电负载120。在其他有关涡轮机的任务中，系统控制器150可以提供命令来控制涡轮机叶片的螺距。系统控制器150也可以监测流体介质，例如在涡轮机中和涡轮机周围不同位置处感测流体的速度。系统控制器150也可以监测涡轮机130和/或多级发生器40的转速。系统控制器150也可以监测在TGC监测系统中的不同位置处的功率变化。系统控制器150也可以监测电负载120的各种电流、电压、相位角、功率或电负载120的其他变量，并且也可以向电负载120提供信息。系统控制器150，或者专用子控制器(未显示)也可以使分支30的输出电压或电流与电负载120的电压波形同步，该电负载120可以是电力公司电网。
为了适应多级发生器40能够产生的输出功率的整个范围或者接近整个范围，多个转换器20和/或变压器100可以用于TGC系统。对于系列转换器拓扑10x，这些多转换器20和/或变压器100被布置使得功率以相当高的效率流过与给定功率水平范围相对应的一个分支30，该功率水平范围可通过多级发生器40x的给定级60产生，(除了在当功率从一个分支转移到另一个分支(例如从30i到30j)时的过渡期期间)。对于多级发生器40x级60，功率水平范围可能存在轻微的重叠。例如，级60i的功率范围的最高值可能比级60j的功率范围的最低值高较小的比例。同样地，与此相适应，对于系列转换器10x的分支30，功率水平范围内可能存在轻微的重叠。例如，分支30i的功率范围的最高值可能比分支30j的功率范围的最低值高较小的比例。由于原动机(即，涡轮机)的功率水平随着时间变化，功率范围的重叠有助于系统控制器150实现功率流从一个级(分支)流畅转移到下一个级(分支)。
输入开关90(例如90i)可以连接到相应的转换器20(例如20i)，并且由系统控制器150使用以选择分支30(例如30i)，分支30然后可以通过系统控制器150激活，然后变换来自多级发生器40的功率(可选地，转换器20内的功率开关装置可用作类似目的，从而不需要输入开关90)。可以打开输出开关110(例如110i)以防止未激活的分支(例如30i)内的变压器110(例如110i)的激活。输出开关110也用作故障保险以防止功率从未激活的转换器分支30被传递到电负载120，并且可以有利于功率从一个分支30向另一个分支30转移，并且出于维护目的而提供额外的隔离(具有手动操作断路器)。
参照图3的流程图，系统控制器150和/或代表的子控制器可以执行变量的监测，例如但不限于，来自多级发生器40的功率流的监测(也可以通过测量功率转换拓扑10的输入功率来获得多级发生器40的功率输出)。系统控制器150也可以使用如图3所示的流程图中概括的控制过程来进行决策并执行任务。对于给定的流体流率，当期望从能量源向电负载120传递尽可能多的功率(直至并包括TGC系统的额定功率)时，所使用的控制过程一般寻求使能量捕获模式最大化。工作的最大能量捕获模式的变体是节流模式，其中系统控制器150是由操作者(操作者可能是人或另一个控制器，例如管理风场工作的控制器)发出指令，以便将可能低于TGC系统的额定功率的有限的和/或调节的平均功率传递给电负载120。即使在最大能量捕获模式下，一旦获得TGC系统的额定功率传递，那么系统控制器150可以进入节流模式，其中TGC系统的平均输出功率被调节为TGC系统的额定功率，并且多级发生器40在其额定功率水平工作。
图3是示出了控制过程的实施方式的流程图，通过该控制过程，系统控制器150x可以控制系列转换器拓扑10x以便将通过多级发生器10x产生的电功率变换为电负载120可用的形式。当从多级发生器40x没有功率输出时，系列转换器系统可以处于待机模式(步骤300)。在待机模式下，所有分支30可以与电负载120断开连接，即输入开关90可以全部打开并且输出开关110可以全部打开。
在系统控制器150的控制下，如果在涡轮机130中能量源具有足够的流体流来使多级发生器40的轴旋转，那么在感应元件50中可以产生电压。功率转换拓扑10(例如系列转换器拓扑10x)仍然是未激活的并且处于待机模式(步骤300)，直到多级发生器40产生超过预先定义的阈值水平的功率(这里定义为“P1+”)(步骤305)，其中P1+通常超过功率转换拓扑10的最小工作输入功率(这里定义为“P1-”)较小的比例。此时，涉及系列转换器系统和转换拓扑10x，可以闭合连接到最低水平级60i的开关90i，并且在系统控制器150x的控制下，分支30i(包括转换器20i和/或变压器100i)被激活，但是仍然没有功率流入电负载120。此时可能期望的是控制转换器20i的输出处的电压或变压器100i的输出电压，使得电压处于对于电负载120正确的形式，此时可以闭合输出开关110i(步骤310)(也有可能在闭合开关110i后闭合开关90i)，从而将变压器110i连接到电负载120，然后在系统控制器150x的控制下，通过分支30i的最低功率范围转换器20i将功率从多级发生器40x的级60i传递到电负载120(步骤315)。此时单一转换器分支30i是激活的并且变换功率，这意味着转换器20i和变压器100i具有流过它们的功率。
总的来说，对于所说明的系列转换器系统的实施方式，如果当前激活的转换器分支30的功率水平减少一定的水平(其中，涉及到符号“-”，其可能比该分支开始功率流所需要的阈值略低)，那么功率流被转移到前面的分支。如果没有前面的分支，那么系列转换器拓扑10x和系统控制器150x返回到待机模式。同样地，如果当前激活的转换器分支30的功率水平增加一定的水平(其中，涉及到符号“+”)，那么功率流被转移到具有更高额定功率的下一分支(例如分支30j可能能够变换比分支30i更高水平的功率)。如果没有下一分支，那么TGC系统在其额定功率水平工作，并且多级发生器40(例如40x)传递其在本文定义为“P最大”的额定功率，其中，P最大是多级发生器40(例如40x)的额定功率，对应于TGC系统的额定功率并且由于功率转换拓扑10的损耗而稍稍大于TGC系统的额定功率。
例如，再次参照图3，随着功率流过分支30i(步骤315)，系统控制器150x监测多级发生器40x的输出功率水平(步骤320)，并且如果功率水平降至低于P1-，那么系统将返回待机模式(步骤300)，这意味着通过系统控制器150x使分支30i中的功率流减少到零，然后打开开关110i和90i，优选地是按照该顺序。应注意的是，系统控制器150x可以使系统从其他步骤(例如但不限于步骤345或382)返回到待机。
如果(在步骤320)功率水平在P1-和P2+之间，那么系统控制器150x保持功率流过分支30i(步骤315)。如果(在步骤320)功率水平超过P2+，那么闭合下一个分支30(30j)的开关(开关90j和110j)，优选地但不是必须地，按照该顺序(步骤325)闭合。然后通过系统控制器150x将功率流转移到分支30j(步骤330)，并且打开开关110i和90i中的至少一个(步骤335)，并且功率只流过分支30j(步骤340)。
随着功率流过分支30j(步骤340)，系统控制器150x监测多级发生器40x的输出功率水平(步骤345)，如果功率水平在P2-和P3+之间，那么系统控制器150x保持功率流过分支30j(步骤340)。
如果(在步骤345)功率水平降至低于P2-，那么系统控制器150x可能使用以下顺序的步骤使系列转换器拓扑10x中的功率流返回到分支30i。闭合开关90i和110i(步骤350)，然后系统控制器150x促使功率流转移到分支30i(步骤355)，在此之后打开开关110j和90j(步骤360)。
如果(在步骤345)功率水平超过P3+，那么闭合开关90k和110k(步骤365)，并且通过系统控制器150x将功率从分支30j转移到分支30k(步骤370)，在此之后打开开关110j和90j(步骤375)，从而完成功率从分支30j到分支30k的转移，并且功率只流过分支30k(步骤380)。
随着功率流通过分支30k(步骤380)，系统控制器150x监测多级发生器40x的输出功率水平(步骤382)，如果功率水平在P3-和P最大之间，那么系统控制器150x保持功率流过分支30k(步骤380)。应注意的是，当得到功率水平P最大时，系统控制器150x可以进入节流模式(还是步骤380)。
如果(在步骤382)功率水平降至低于P3-，系统控制器150x可能使用以下顺序的步骤使系列转换器拓扑10x中的功率流返回到分支30j。闭合开关90j和110j(步骤384)，然后系统控制器150x促使功率流转移到分支30j(步骤386)，在此之后打开开关110k和90k(步骤388)。
如果(在步骤382)，或者在其他步骤(包括但不限于步骤320和345)出现紧急情况(例如风力涡轮机遭受风暴或飓风)，那么可能需要系统控制器150x通过将流过TGC系统的功率设置为零来关闭TGC系统的工作，并且优选地停止涡轮机130的旋转(步骤390)。
如果涡轮机130中的流体流率超过与额定功率P最大相对应的、并且可能还与在涡轮机中或周围的某些点处流体的特定速度相对应的阈值(本文中指定为“f最大”)，那么系统控制器150进入节流模式并且将流过TGC系统的功率控制在P最大的最大水平(因此，对于图3的检测和确定步骤382中条件“≤”，其中流体流速大于f最大，可以期望的是系统控制器150利用来自多级发生器40的功率以P＝P最大的恒定平均功率来运行TGC系统；除了在功率转换拓扑10中无效以外，在这种情况下接近P最大的功率将被传输到电负载120，如步骤382到步骤380的环路所说明的那样)。如果流体流率继续增加到或超过第二阈值(本文中指定为“f超过”)(该值可能对应于任何通过系统控制器150可以测量的、在涡轮机中或周围的某些点处流体的特定速度，或者可能对应于通过系统控制器150可以测量的、涡轮机130的特定转速或多级发生器40的特定轴速)，那么对于涡轮机130维持其机械完整性来说，流体流速可能过高。这种情况是紧急情况的一个示例，其中可能需要系统控制器150x通过设置流过TGC系统的功率为零来关闭TGC系统的工作，并且优选地停止涡轮机130的旋转(步骤390)。
对于转换器系列的实施方式，以及对于其他实施方式，当超过功率阈值时，可以启动分支30的激活或去激活(例如对于系列转换器功率转换系统，当多级发生器40x的输出功率超过P2+时，可以启动从分支30i到分支30j的功率流的转移)。然而，系统控制器150(例如150x)可能使用除来自多级发生器40的功率以外的其他系统变量(例如但不限于，在涡轮机130中或围绕涡轮机130流动的流体的速度；涡轮机130的转速；多级发生器40的转速；在终端块80处所测量的级60的输出电压或直接跨过多级发生器40的一个或多个感应元件50的输出电压；和/或功率转换拓扑10的输入电压)来启动分支30的激活或去激活。例如，在功率节流模式下，当期望控制通过TGC系统传递到电负载120的功率以达到比对于给定流体流率的可能最大值小的水平时，当从给定级输出的电压超过(或降至低于)电压阈值时可以激活从一个分支30到下一分支30(或者，对于下面讨论的实施方式来说，分支30的增加或移除)的功率转移(例如对于系列转换器功率转换系统，当级60i的输出电压超过本文中限定为“V2+”的电压阈值时，可以从分支30i向分支30j转移功率流，在此之后级60i可以去激活)。由系统控制器150执行的这种操作将在特定范围内维持对每个转换器的电压输入，从而避免对功率转换拓扑10的转换器20和变压器100的损坏，或者保持功率转换拓扑10的转换器20和变压器100的高效率运转。
在多于(或少于)三个分支30的情况下，上面讨论的系列转换器系统的工作原理可以扩展(或简化)。一般地，在功率转换拓扑10(如系列转换器拓扑10x)内可以存在任意实际数量的分支30。
解析器转换系统
上面讨论的功率转换系统、系列转换器系统的实施方式具有精确的处理控制，因为除了当功率从一个分支30转移到另一分支30的时期以外，在给定时间只有一个级60和一个相应的分支30被激活。然而，在最高功率水平P最大处，在多级发生器40内存在未使用的未激活级60。对于上述系列转换器的实施方式，最高功率级60(可以是如图2中的级60k)可以包含与其他级相比最大数量的感应元件50，在TGC系统的额定功率(对应于由多级发生器40x传递的功率P最大)，多级发生器40x的设备利用率可能低于100％，例如在大约一兆瓦到十兆瓦的额定功率处大约为75％，这意味着当TGC系统工作在其额定功率水平(当多级发生器40x是在其额定功率水平P最大工作)工作时，在多级发生器40x内，75％的感应元件50被激活，25％的感应元件50处于未激活状态。
可以具有高达100％的多级发生器40的设备利用率的功率转换系统的另一实施方式在本文中被称为解析器转换系统，并且如图4所示，该系统包括解析器转换拓扑10y及其相关联的控制器(系统控制器150y)。在图5中示出了可以与解析器转换拓扑10y接合的多级发生器40y的图示。对于这个实施方式，多级发生器40y可能不需要感应元件50的硬连线，即如图5所示，级60(例如60i)内的所有感应元件终端70连接到终端块80(例如80i)。在图6中示出了可以通过由解析器转换拓扑10y控制的系统控制器150y实施的相应处理控制的流程图。
如图4所示，解析器转换拓扑10y包括一个或多个分支30。在图4中，虽然可以存在任何实际数量的分支，但是示出了三个分支i、j和k。每个分支30可以包括解析器170、输入开关90、转换器20、可选变压器100、和输出开关110，上述所有器件是串联连接的。每个分支30的输出开关110连接到电负载120，该电负载120可以是电力公司电网。解析器转换拓扑10y的关键概念是模块化设计，因为每个分支30在形式上与其他分支基本上相同，即所有解析器170i、170j、170k(如图4所示)可以基本上相同，输入开关90i、90j、90k，转换器20i、20j、20k，变压器100i、100j、100k以及输出开关110i、110j、110k也一样。
图5示出了可以具有任意实际数量的级60的多级发生器40y，其中包括多个感应元件50的每个级60可以基本上相同。因此，多级发生器40y也可以具有模块化设计。解析器转换拓扑10y和多级发生器40y的模块化使得一个级-分支对能够在第二个级-分支对损坏后代替其发挥作用。例如，如果级60i已损坏(且多级发生器40y仍是完整的)，或者如果分支30i损坏，那么在执行诊断测试以确定级60和分支30的功能之后，根据由系统控制器150y的决定，级60j和分支30j可以代替级60i和分支30i向电负载120提供功率流。利用输入开关90和输出开关110，便于损坏的级60和/或分支30的更换，这允许正常的TGC系统工作或在修复前减少TGC系统工作受到的影响。在上述实施例中，输入开关90i和输出开关110i都可以保持打开以使损坏元件与电负载120隔离，或者在受损的级60的具体情况下，将级60与解析器转换拓扑10y的分支30隔离。
对于所说明的解析器转换系统实施方式，假设没有损坏的级60或分支30，随着涡轮机130的功率水平的增加，更多级-分支对可以被激活，直到得到额定功率条件，并且多级发生器40y的功率输出可以是P最大，并且多级发生器40y的所有级60可以是激活的，并且相应地解析器转换拓扑10y的所有分支30被激活，从而实现多级发生器40y的100％利用率。
来自多级发生器40y的每个级60的输出通过终端块80连接到解析器170的输入。解析器170用于配置感应元件50的终端70，使得解析器170的电压输出对于分支30中的相应转换器20处于可接受的水平内。例如，在低功率水平范围(例如从P1-到P2+)，在激活的级60(例如60i)内可能有一组或多组感应元件50通过解析器170串联连接。在下一个更高的功率水平范围(例如从P2-到P3+)，当跨过每个独立的感应元件50的电压响应于涡轮机130的转速的增加而增加时，通过解析器170可以布置感应元件50的混合串联和并联。这个过程一直持续到多级发生器40y以最大连续平均功率P最大工作，在这种情况下，在所有级60内可存在一组或多组并联连接的感应元件50。通过这样做，可能使转换器20的输入电压的变化保持在合理的范围内，并且允许转换器20及其相关联的变压器100(例如转换器20i及其相关联的变压器100i)的工作更具效率。
解析器170可以用于在级60内布置感应元件50，以根据需要满足相应转换器20的电压要求。如果转换器20需要更高电压水平，那么解析器170以更为类似串联的方式布置感应元件50；同样地，如果需要更低电压水平，那么以更为类似并联的方式布置感应元件50。每个解析器170的配置是系统控制器150y的功能，其响应于变化的变量(例如流速或涡轮机40的转速或发生器40的转速、或在终端块80处直接测量的电压)。
图6是示出控制过程的实施方式的流程图，通过该控制过程系统控制器150可以控制解析器转换拓扑10y以将由多级发生器10y产生的电功率变换成电负载120可用的形式。系统控制器150y或代表的子控制器进行决策并执行如图6所示的流程图中概括的任务。当多级发生器40y将它的额定功率P最大传递到解析器转换拓扑10y时，所示出的控制过程一般寻求最大能量捕获模式并且包括解析器转换拓扑10y的节流。
如图6所示，当多级发生器40y没有输出功率时，解析器转换系统可能处于待机模式(步骤600)。在待机模式下，解析器转换拓扑10y的所有分支30与电负载120断开连接，即输入开关90和输出开关110是打开的，并且解析器170可以预先配置为感应元件50的并联状配置(这是故障保险配置，在输入开关90意外闭合的情况下防止过量电压施加到转换器20)。
通过系统控制器150(例如150y)可以执行内部诊断系统检查，以确定TGC系统中的任意感应元件50或分支30是否出现故障(步骤603)。如果发现感应元件50或分支30出现故障，那么将其通过一直保持打开相关联的输入开关90和输出开关110来禁用(直到发现用于修复故障部件的合适时间)。
在系统控制器150(例如150y)的控制下，如果在涡轮机130中存在足够的流体流动来使多级发生器40的轴旋转，那么在感应元件50中可以产生电压。系统控制器150y使所有分支输出开关110维持在打开状态(步骤600和603)，直到多级发生器40(例如40y)能够产生超过预先定义的阈值水平P1+的功率(步骤606)，当可以通过系统控制器150y来选择功能性分支30(例如分支30i)(步骤609)时，相应的解析器170i被配置为最低功率水平P1，即解析器170i被配置为功率水平范围P1-至P2+(步骤612)。这通常是指解析器170i可以在级60i内以串联状布置连接一组或多组感应元件50，因为在低功率处很可能的是跨过独立的感应元件的电压相对较低，并且串联放置的元件50提高了施加到转换器的电压20i。然后可以闭合相应的输入和输出开关90i和110i，优选地以该顺序(步骤615)并且功率开始通过级60i和分支30i从多级发生器40y流向电负载120(步骤618)。
随着功率流过分支30i(步骤618)，系统控制器150y监测多级发生器40y的输出功率水平(步骤621)，并且如果功率水平在P1-和P2+之间，那么系统控制器150y保持功率流过分支30i(步骤618)。
如果(在步骤621)功率水平降至低于P1-，那么系统将返回待机模式(步骤600)，这意味着分支30i中的功率流可能减少到零，并且可以打开开关110i和90i，优选地是按照该顺序。应注意的是，总的来说，系统控制器150y可能使系统从其他步骤(例如但不限于步骤648或679)返回到待机。
如果(在步骤621)功率水平超过P2+，那么当前未激活的另一功能分支(例如分支30j)被选择(步骤624)并且它的解析器170j被配置为功率水平范围P2-到P3+(步骤627)。然后可以闭合开关90j和110j(步骤630)。通过系统控制器150y可以将功率流暂时地从分支30i转移出而到达分支30j(步骤633)，使得在必要情况下可以打开开关110i和90i(步骤636)，并且此时系统控制器150y可以为解析器170i配置下一个更高的功率范围P2-到P3+(步骤639)。然后可以闭合输入和输出开关90j和110j(步骤642)，并且通过系统控制器150y来控制功率流过两个分支30i和30j(步骤645)。上述步骤(以及下面讨论的步骤)可以通过系统控制器150(例如150y)以这种使得功率不中断地传递到电负载120的方式来执行。
随着功率流过分支30i和30j(步骤645)，系统控制器150y监测多级发生器40y的输出功率水平(步骤648)，并且如果功率水平在P2-和P3+之间，那么系统控制器150y保留功率流过分支30i和30j(步骤645)。
如果(在步骤648)功率水平降至低于P2-，那么控制器可能使用以下顺序的步骤将解析器转换拓扑10y中的功率流返回到分支30i。所有功率暂时从分支30i转移到30j(步骤651)。打开开关110i和90i(步骤653)。解析器170i重新配置为功率水平范围P1-至P2+(步骤655)。闭合开关90i和110i(步骤657)。所有功率从分支30j转移到30i(步骤659)。打开开关110j和90j(步骤661)，此时功率流过分支30i(步骤618)。
如果(在步骤648)功率水平超过P3+，那么可以选择另一功能分支(例如分支30k)(步骤663)并且解析器170k被配置为功率范围P3-至P最大(步骤665)。然后闭合开关90k和110k(步骤667)。分支30i中的所有功率流从分支30i中转移出去并且暂时转移到分支30j(步骤669)，使得在必要情况下可以打开开关110i和90i(步骤671)，并且此时系统控制器150y可以为解析器170i配置下一个更高的功率范围P3-至P最大(步骤671)。然后闭合输入和输出开关90i和110i(步骤671)，并且此时分支30j中的功率流暂时从分支30j中转移到分支30i(步骤673)，使得可以打开开关110j和90j(步骤675)，并且此时系统控制器150y可以为解析器170j配置下一个更高的功率范围P3-至P最大(步骤675)。然后可以闭合输入和输出开关90i和110i(步骤675)，在将一些功率(从分支30i和30k中的一个或两个)转移到分支30j之后，通过系统控制器150y来控制功率流过所有分支(例如分支30i、30j和30k)(步骤677)。
随着功率流过分支30i、30j和30k(步骤677)，系统控制器150y监测多级发生器40y的输出功率水平(步骤679)，并且如果功率水平在P3-至P最大之间，那么系统控制器150y保持功率流过所有分支，如分支30i、30j和30k(步骤677)。应注意的是，P最大是多级发生器40y的额定功率，因此当达到这个功率水平时系统控制器150y可以进入节流模式。
如果(在步骤679)功率水平降至低于P3-，那么系统控制器150y可能使用以下顺序的步骤将解析器转换拓扑10y中的功率流返回到分支30i和30j(即，去激活分支30k)。所有功率暂时从分支30i转移到分支30j和30k(优选地在分支30j和30k中具有相等的功率水平)(步骤681)。由于在分支30i中没有功率，所以在必要情况下可以打开开关90i和110i(步骤683)，并且解析器170i重新配置为功率水平范围P2-至P3+(步骤683)。然后闭合开关90i和110i(步骤683)。然后分支30j中的所有功率从分支30j转移到分支30i(步骤685)。由于在分支30j中没有功率，所以在必要情况下可以打开开关90j和110j(步骤687)并且解析器170j重新配置为功率水平范围P2-至P3+(步骤687)。然后闭合开关90j和110j(步骤687)。然后可以从分支30k转移出功率，可能转移到分支30j(步骤689)，使得分支30i和30j中的功率流近似相等，并且可以打开开关110k和90k(步骤691)，此时功率流过分支30i和30j(步骤645)。
如果(在步骤679)或者在其他步骤(包括但不限于步骤621和648)出现紧急情况，那么可能需要系统控制器150y通过将流过TGC系统的功率设置为零来关闭TGC系统的工作，优选地停止涡轮机130的旋转(步骤693)。
对于所说明的解析器转换系统的实施方式，当超过功率阈值时可以启动分支的激活或去激活，然而，系统控制器150y可选地可以使用其他系统变量(例如但不限于：在涡轮机130中或周围流动的流速；涡轮机130的转速；多级发生器40y的转速；在终端块80处可以测量的或者直接跨过多级发生器40的一个或多个感应元件50的级60的输出电压；和/或解析器转换拓扑10y的输入电压)来启动分支30的激活或去激活。
在多于(或少于)三个分支30情况下，上面讨论的解析器转换系统的工作原理可以扩展(或简化)。一般地，在解析器转换拓扑10y内可以存在任意实际数量的分支30。
可选的解析器转换系统及其变体
解析器转换系统存在的问题是，在低功率水平(例如处于或接近P1)，它可能难以维持一个分支30的高效运行。在损失一些模块化的情况下，通过允许一个分支30分叉为两个子分支来解决这个问题，每个子分支具有转换器和/或可选变压器。因此，在低功率(例如达到或接近P1)工作时，已经被设计为在较低功率水平具有高效率的、且具有最低额定功率的子分支可能是唯一激活的分支。在这个实施方式中，一个级(例如级60i)可以具有两个分支，分支30i1和分支30i2，如图10所示，设定分支30i2可以比分支30i1具有更高的额定功率。将分支30i2的额定功率设置为等于其余分支30(例如如图4中所示而配置的分支30j、30k等)可以是合理的。如图10所示，通过将指定的低功率分支分叉成两个或更多的子分支，可能使得其余分支采用较不复杂的解析器，即解析器170j、170k等，可以具有比解析器170i更简单的结构。
这个实施方式的变体是，分支30的分叉可能出现在转换器的输出。例如，如图11所示，分支30i可以具有输入开关90i，开关90i之后是(即，串联有)转换器20i，在转换器20i之后是分叉，该分叉在连接到较低功率变压器100i1的分叉的叉具有可选多极开关180i1，并且在连接到较高功率变压器100i2的另一叉上具有可选多极开关180i2。
分叉实施方式中的另一变体是可能存在三个或更多的分支，例如30i1、30i2、30i3等，或者在分叉出现在转换器之后的情况下，可能存在三个或更多的子变压器，例如100i1、100i2、100i3等。另外，有可能的是，超过一个级60可能采用分叉的分支或者分叉的变压器。
混合转换系统
上面讨论的解析器转换系统的实施方式，及其分叉的分支的变体具有允许设计多级发生器40(例如40y)以使其在额定功率处具有几乎(如果不是全部)100％的设备利用率的优势。然而，用于一些或全部级60的解析器170的设计可能在解析器内需要大量开关，这可能增加解析器转换拓扑10y的构建成本，并且还可能降低解析器转换系统的可靠性。
下面讨论的混合功率转换系统是用于涡轮机驱动的多级电发生器的功率转换系统的实施方式。就这个实施方式，多级发生器40可以实现非常高的设备利用率，并且相比于解析器转换系统的解析器170具有显著简化的解析器190(如图7所示)。
解析器190的复杂性可能显著地小于解析器170的复杂性，因为每个解析器190可能只需要以两个或三个可能布置来布置多组部分硬连线的感应元件50(每个布置对应于多级发生器40z的功率范围)来代替对于在解析器转换系统的解析器170的情况下潜在大得多数量的布置。例如，考虑到可能在级60的一个阶段的一组感应元件中存在N个感应元件50，那么合理的是为解析器转换拓扑10y构造解析器170，对于该组感应元件该解析器转换拓扑10y具有多达3(N-1)个开关。然而，对相同组N个感应元件，混合功率转换拓扑10z的解析器190可能包含少至仅有三个开关。应注意的是，对于解析器170或者解析器190，其中的每个开关可能要求电流能够在任一方向流经开关，这是解析器结构中的开关的物理实现上的要求。
如图7所示，混合转换拓扑10z包括一个或多个分支30。每个分支30可以包括解析器190(如果需要)、输入开关90(如果需要)、转换器20、可选变压器100和输出开关110，上述所有器件串联连接。来自每个分支30的输出开关110连接到可能是电力公司电网的电负载120。混合转换拓扑10z的关键概念是，多级发生器40z的给定级60可以部分地硬连线，使得该级可以在多级发生器40z的一个以上功率范围但不必在整个功率范围上传递功率(例如级60i可以在功率范围P1-到P2+和功率范围P2-到P3+上工作，但是可能不能在功率范围P3-到P最大上工作)，从而两个或更多个级60可以通过混合转换拓扑10z的两个或多个相应分支30同时传递功率。使用这个混合功率转换系统的实施方式的目的是，当TGC系统以其额定功率工作且多级发生器40以其额定功率P最大工作时，多个高功率级60(每个包含大量感应元件50)积极地传递功率，因此多级发生器40实现高设备利用率。
图8是部分硬连线的多级发生器40z的示例。在多级发生器40z的外壳内或者在外壳的外部可以实现部分硬连线的感应元件终端70。可选地，可以不需要外壳并且终端70可以在多级发生器40内或者在多级发生器40z的外部。作为部分硬连线的实施例，在图8中可以看出，在低功率级(例如60i)，很多感应元件50可以以串联状方式硬连线。因此，随着来自多级发生器40z的功率的增加，在系统控制器150z的控制下解析器190i可能完成在较低功率水平处以扩展串联布置的方式来连接两个(或更多)子组的感应元件50(在图8中的级60i内示出了两个子组)的相对简单的任务，或者随着来自多级发生器40z的功率的增加，可以以更多并联状布置来布置感应元件子组。可以进行感应元件的这种重新配置以使到转换器20(例如20i)的电压维持在限定范围内。类似地，对于较高功率级(例如级60j)，可以期望的是感应元件50的子组部分地硬连线(这在图8中通过每个子组内的并联布置示出)并且解析器190j在系统控制器150z的控制下完成以串联布置方式连接两个(或多个)子组的感应元件50(在图8中的级60j内示出了两个子组)的任务，或者随着来自多级发生器40z的功率的增加，子组可以以更多并联状布置来布置，以使到转换器20j的电压维持在限定范围内。应注意的是，如图8所示的硬连线的连接纯粹是说明性的，并且一般地在级60内可能存在任何实际数量的、可能以多相布置的感应元件50，并且可能是各种串联、并联或混合的串并联连接。
对于混合转换拓扑10z，具有与系列转换器拓扑10x相类似的样子，转换器20和/或变压器100的额定功率可以从一个级到下一个级以几何形式增加，使得如果在第一级60i要求相对低的功率转换器20i，那么下一级60j可能要求明显更高的功率转换器20j等。对于多级发生器40z，级60j可能比级60i包含更多感应元件，类似地，级60k可能比级60j包含更多感应元件。混合转换拓扑10z内的转换器20和变压器100的额定功率可能比在系列转换器拓扑10x的情况下的额定功率更高，但是考虑到多级变压器40的特定功率，混合转换拓扑10z中存在更少的分支。解析器190可能不需要最高功率级60(例如60k)；最高功率级60(例如60k)的一组感应元件50可以以硬连线方式连接，例如对于级60k的一个阶段，一组感应元件50内的所有感应元件50可以如图8所示并联地硬连线。
图9是示出控制过程的实施方式的流程图，通过该控制过程系统控制器150z可以控制混合转换拓扑10z以将由多级发生器10z产生的电功率变换成电负载120可用的形式。系统控制器150z或代表的子控制器进行决策并执行如图9所示的流程图中概括的任务。当多级发生器40z将它的额定功率P最大传递到混合转换拓扑10z时，所示出的控制过程一般寻求最大能量捕获模式并且包括混合转换拓扑10z的节流。
如图9所示，当多级发生器40z没有输出功率时，混合转换系统可能处于待机模式(步骤900)。在待机模式下，混合转换拓扑10z的所有分支30都与电负载120断开连接，即输入开关90和输出开关110是全部打开的，并且任意解析器190被预先配置为感应元件50的子组的并联布置(这是故障保险配置，在输入开关90意外闭合的情况下防止过量电压施加到转换器20)。
可以执行内部系统检查以确定TGC系统中的任意感应元件50或分支30是否出现故障。如果发现感应元件50或分支30出现故障，那么通过一直保持打开相关联的输入开关90和输出开关110来禁用故障部件，并且在功率传递期间不使用感应元件50或分支30(直到发现用于修复故障部件的合适时间)。
在系统控制器150z的控制下，如果在涡轮机130中存在足够的流体流动来使多级发生器40z的轴旋转，那么在感应元件50中可以产生电压。系统控制器150z使所有分支输入开关90和/或所有分支输出开关110维持在打开状态(步骤900)，直到多级发生器40z产生超过预先定义的阈值水平P1+的功率(步骤903)，当解析器190i被配置为最低功率水平P1，即解析器190i被配置为功率水平范围P1-至P2+(步骤906)时。因此解析器190i可以在级60i内以串联状布置连接感应元件50的一个或多个子组。然后可以闭合相应的输入和输出开关90i和110i，优选地以该顺序(步骤909)并且功率开始通过级60i和分支30i从多级发生器40z流向电负载120(步骤912)。
随着功率流过分支30i(步骤912)，系统控制器150z监测多级发生器40z的输出功率水平(步骤915)，并且如果功率水平在P1-和P2+之间，那么系统控制器150z保持功率流过分支30i(步骤912)。
如果(在步骤915)功率水平降至低于P1-，那么系统将返回待机模式(步骤900)，这是指分支30i中的功率流可能减少到零，并且可以打开开关110i和90i，优选地是按照该顺序。应注意的是，总的来说，系统控制器150z可能使系统从其他步骤(例如但不限于步骤939或978)返回到待机。
如果(在步骤915)功率水平超过P2+，解析器190j被配置为功率水平范围P2-到P3+(步骤918)。然后可以闭合开关90j和110j(步骤921)。通过系统控制器150z可以将功率流暂时地从分支30i转移出而到达分支30j(步骤924)，使得在必要情况下可以打开开关110i和90i(步骤927)，并且此时系统控制器150z可以为解析器190i配置下一个更高的功率范围P2-到P3+(步骤930)。然后可以闭合输入和输出开关90i和110i(步骤933)，并且通过系统控制器150z来控制功率流过两个分支30i和30j(步骤936)，在每个分支中可能具有近似相等的功率。所有上述步骤(以及下面讨论的步骤)可以通过系统控制器150z来执行，使得功率不中断地传递到电负载120。
随着功率流过分支30i和30j(步骤936)，系统控制器150z监测多级发生器40z的输出功率水平(步骤939)，并且如果功率水平在P2-和P3+之间，那么系统控制器150z保留功率流过分支30i和30j(步骤936)。
如果(在步骤939)功率水平降至低于P2-，那么系统控制器150z可能使用以下顺序的步骤将混合转换拓扑10z中的功率流返回到分支30i。所有功率暂时从分支30i转移到30j(步骤942)。打开开关110i和90i(步骤945)。解析器190i重新配置为功率水平范围P1-至P2+(步骤948)。闭合开关90i和110i(步骤951)。所有功率从分支30j转移到30i(步骤954)。打开开关110j和90j(步骤957)，此时功率流过分支30i(步骤912)。
如果(在步骤939)功率水平超过P3+，那么闭合开关90j和110j(步骤960)。通过系统控制器150z可以将功率流暂时从分支30i和30j中转移出去并到达分支30k(步骤963)，使得在必要情况下可以打开开关110j和90j(步骤966)，并且此时系统控制器150z可以为解析器190i配置下一个更高的功率范围P3-至P最大(步骤969)。然后闭合输入和输出开关90j和110j(步骤972)，并且通过系统控制器150z控制功率流过分支30j和30k(步骤975)，在每个分支中可能具有近似相等的功率。
随着功率流过分支30j和30k(步骤975)，系统控制器150z监测多级发生器40z的输出功率水平(步骤978)，并且如果功率水平在P3-和P最大之间，那么系统控制器150z保留功率流过分支30j和30k(步骤975)。应注意的是，P最大是多级发生器40z的额定功率，因此当达到这个功率水平时系统控制器150z可以进入节流模式。
如果(在步骤978)功率水平降至低于P3-，那么控制器可能使用以下顺序的步骤将混合转换拓扑10z中的功率流返回到分支30i和30j。所有功率暂时从分支30j转移到分支30k(步骤981)。打开开关110j和90j(步骤984)。解析器190j和190i重新配置为功率水平范围P2-至P3+(步骤987)。闭合开关90j和110j(如果需要，同时可以开始将一些功率转移到分支30j)并且还闭合开关90i和110i(步骤990)。所有功率从分支30k转移到分支30j和30i(步骤993)。打开开关110k和90k(步骤996)并且此时功率流过分支30i和30j(步骤936)。应注意的是，在系统控制器如何完成功率到分支30i和30j的这种转移方面可能存在变化，例如可以首先发生从分支30k到分支30i的功率转移，随后发生从分支30k到分支30j的功率转移。
如果(在步骤978)或者在其他步骤(包括但不限于步骤915和939)出现紧急情况，那么可能需要系统控制器150z通过将流过TGC系统的功率设置为零来关闭TGC系统的工作，优选地停止涡轮机130的旋转(步骤998)。
对于所说明的混合转换系统的实施方式，当超过功率阈值时可以启动分支的激活或去激活，然而，系统控制器150z可以可选地使用其他系统变量(例如但不限于：在涡轮机130中或周围流动的流速；涡轮机130的转速；多级发生器40z的转速；在终端块80处可以测量的或者直接跨过多级发生器40的一个或多个感应元件50的级60的输出电压；和/或解析器转换拓扑10z的输入电压)来启动分支30的激活或去激活。
在多于(或少于)三个分支的情况下，上面讨论的混合转换系统的工作原理可以扩展(或简化)。一般地，在混合转换拓扑10z内可以存在任意数量的分支30。应注意的是，对于混合转换系统，对多级机器40z的级60的数量没有理论上的限制，并且对可以激活或者去激活功率的混合转换拓扑10z的分支30的数量也没有理论上的限制。作为一个实施例，考虑图7中所示的情况，如果希望当多级发生器40z以P2-至P最大之间的功率工作时，分支30i、30j、30k全部向电负载120传递功率，并且解析器190配置为如上所述的功率范围，但是除此以外，解析器190i可以在级60i内使感应元件50的布置重新配置为P2-至P最大。这意味着级60i的部分硬连线和解析器190i的设计共同适应这种可能性。
混合转换系统的变体
混合转换系统存在的问题是，为低功率范围设计的级60和分支30(例如级60i和分支30i)与更高功率的级和分支相比在功率变换方面各自都具有固有的更低效率。因此，使用解析器190i的优势来扩展级60i和分支30i的功率范围是折衷办法，特别是在最低功率水平，如P1-或P1+。例如，在上述讨论的混合功率转换系统中，参照图9，可以设计级60i和分支30i以使其在功率范围P1-至P2+和范围P2-至P3+上工作，因此在功率水平P1-处，级60i和/或分支30i的效率可能很低。
为了克服在低功率水平处的效率下降，混合转换系统的变体可以在混合转换拓扑的最低功率分支30内不使用解析器。例如，可以构造包括三个分支的混合转换拓扑，使得可以如图1所示构造分支30i并且如图7所示构造分支30j和30k。因此，这种混合转换系统的级60i和分支30i可以只工作在功率范围P1-至P2+上，并且将可能比图7的被设计为在功率范围P1-至P3+上工作的级60i和分支30i对更加有效。使用混合转换系统的这个变体，对于级的数量或分支的数量仍然没有理论上的限制。
混合功率转换系统的另一变体是对一个或多个级60使用分叉的分支。例如，实施方式可以使混合转换系统具有四个分支：30h、30i、30j、和30k。最低功率分支30h可以构建为没有解析器。分支30i可以分叉为具有两个子分支：子分支30i1和子分支30i2。分支30j和30k可以如图7所构建。在图12中示出混合功率转换系统的这个变体的实施例。在这个实施方式中，当多级发生器40在它的最高功率范围(直至并且包括额定功率P最大)内工作时，子分支30i2、分支30j和分支30k可能都被激活并且向电负载120传递功率。在混合功率转换系统的这个变体中，对于级的数量或分支的数量仍然没有理论上的限制。
本文已经示出并描述了具体实施方式。然而，本领域技术人员可以进行修改和改变。所有这些修改和改变被认为在本发明的范围和领域内。

Claims (22)

1.电功率产生系统，包括：
(a)功率发生器，具有多个机器配置，所述配置可选择地与原动机可接合；
(b)多个分支，用于将所述配置连接到电负载，每个所述分支具有使所述分支与所述配置连接或者断开连接的开关。
2.如权利要求1所述的电功率系统，其中，所述多个分支中的至少一个包括转换器。
3.如权利要求2所述的电功率系统，其中，每个所述多个分支都包括转换器。
4.如权利要求3所述的电功率系统，其中，所述分支中的至少一个进一步包括串联地连接到所述分支的所述转换器的变压器。
5.如权利要求4所述的电功率系统，其中，所述分支中的一个基于所述转换器的能力和由所述发生器产生的功率而连接到所述发生器。
6.如权利要求5所述的电功率系统，其中，所述转换器具有不同的功率范围，并且当通过所述发生器产生的所述功率改变到新的功率水平时，并且如果所述新的功率水平在与将所述发生器连接到所述电负载的所述分支相关联的所述转换器的所述范围以外，那么断开所述分支的连接，并且将第二分支连接到所述发生器，所述第二转换器与具有在所述新的功率水平内的功率输入范围的所述第二分支相关联。
7.如权利要求3所述的电功率系统，进一步包括在所述分支中的至少一个上的并串联选择器，所述并串联选择器选择所述配置的至少一个来连接到多个分支，或者选择多个配置来连接到所述分支中的至少一个。
8.如权利要求7所述的电功率系统，其中，所述转换器具有基本上相同的功率范围。
9.如权利要求3所述的电功率系统，其中，所述分支中的至少一个具有并串联选择器，并且所述分支中的至少一个没有并串联选择器。
10.如权利要求2所述的电功率系统，其中，所述电负载是电网。
11.如权利要求2所述的电功率系统，其中，所述机器配置包括以以下任意方式可配置的级：串联、并联或者串联与并联相组合。
12.将包括多个级的功率发生器连接到电负载的方法，每个所述级通过具有转换器的相应分支连接到所述负载，每个所述转换器具有不同的功率范围，所述方法包括：
(a)确定所述发生器的功率输出；
(b)选择所述分支中的一个，其中，所述功率输出所述选择的分支具有能够接收所述功率输出的转换器；以及
(c)沿着所述选择的分支将所述功率输出传递到所述电负载。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述分支进一步包括变压器。
14.如权利要求13所述的方法，其中，使用开关选择所述选择的分支。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述电负载是电网。
16.将包括多个级的功率发生器连接到电负载的方法，每个所述级通过具有转换器和并串联选择器的相应分支连接到所述负载，每个所述转换器具有相同的功率范围，所述方法包括：
(a)确定所述发生器的功率输出；
(b)为所述功率输出配置至少一个所述并串联选择器；
(c)选择与所述配置的并串联选择器相对应的所述分支中的一个或多个；以及
(d)沿着所述选择的分支将所述功率输出传递到所述电负载。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述分支进一步包括变压器。
18.如权利要求17所述的方法，其中，使用开关选择所述选择的分支。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述电负载是电网。
20.一种电功率产生系统，包括：
(a)功率发生器，具有多个级，每个所述级至少具有感应元件，所述感应元件与涡轮机接合；
(b)多个分支，用于将所述级连接到电负载，每个所述分支具有使所述分支与所述级连接或者断开连接的开关；
(c)涡轮机；以及
(d)系统控制器。
21.如权利要求20所述的系统，其中，所述系统控制器基于观测到的参数和条件来监测和控制所述涡轮机。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述系统控制器连接到每个所述分支和所述涡轮机，并且包括：
(a)从所述分支选择和转移功率的装置；以及
(b)对连接到所述分支之一的解析器进行配置的装置。
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