旁路級聯單元變換器的制造方法
【專利摘要】在將能量從發電機變換至電力網的變換器中，其中變換器包括多個功率模塊，其中每個功率模塊包含至少兩個功率單元和將功率單元連接至電力網的變壓器，其中每個功率單元包含相輸入、相輸出、連接至變壓器的變壓器輸出、整流器電路以及逆變器，功率模塊(4.1、...、4.n)的變壓器(T)包含與功率單元(5)的每個針對的一個發電機側繞組(10)和正好一個共用電網側繞組(9)用于對流經功率模塊(4.1、...、4.n)的功率單元(5)的能量進行均衡。
【專利說明】旁路級聯單元變換器【技術領域】
[0001]本發明涉及用于將能量從發電機變換到電網的變換器，其中發電機的相數至少為二，變換器包括多個功率模塊，每個功率模塊包含至少兩個功率單元和用于將功率單元連接至電網的變壓器，每個功率單元包含相輸入、相輸出、連接至變壓器的變壓器輸出、整流器和逆變器。此外，本發明涉及操作這樣的變換器的方法。
【背景技術】
[0002]特別是由于風電應用領域中快速的技術發展，當前非常需要先進的變換器應用。具體而言，需要這樣的功率變換器:其能夠以高效、可靠的方式將電能從具有可變頻率和可變輸出電壓的發電機傳輸至具有準恒定頻率和電壓的中壓電網。為了達到這些目標，可以使用被稱作多電平變換器的具有多個功率電平的變換器。
[0003]US6，301，130描述了具有并聯連接的有源輸入(active input)的模塊化多電平可調電源。該拓撲被設計用來將能量從電網傳輸至電機。

【發明內容】

[0004]本發明的一個目的是創建與開始提到的【技術領域】有關的變換器，其提供電壓可調節性、相對地重量輕并且可靠性高、特別是在風電應用中導致變換器高可用性、提供簡單維護性并且相對地成本低。
[0005]本發明的解決方案由權利要求1的特征所限定。根據本發明，在根據上述技術領
域的變換器中，為了均衡流經功率模塊(4.1.....4.η)的功率單元(5)的能量，功率模塊的
變壓器包括與該功率模塊的功率單兀的每個針對的一個發電機側繞組和正好一個共用電網側繞組。
[0006]通過為每個功率單元提供一個發電機側繞組，但是為功率模塊的全部功率單元提供僅一個共用電網側繞組，通過功率模塊的全部功率單元的能量傳輸經由該電網側繞組進行均衡。由此，沒有一個功率單元需要承受發電機在零與最大能量之間的整個能量變動。該能量變動甚至可以是零，從而實際上消除了對DC鏈路電容的需要。盡管在實際實施中DC鏈路電容通常沒有完全消除，但是其可顯著減小。這非常重要，這是因為這些DC鏈路電容電容量越低就變得越便宜、體積越小。因此，根據本發明的均衡導致了更便宜和更小的變換器。[0007]發電機優選為中壓發電機，這表示其輸出電壓通常在中壓范圍中。為了本發明的目的，術語中壓應被理解為電功率輸送和分配系統中的中壓，其通常表示約1000伏特到約100000伏特范圍中的電壓。
[0008]變換器優選為具有固定額定頻率和固定電壓的頻率變換器，在優選實施例中功率模塊實質上相同。逆變器優選為具有具備IGBT的Β6拓撲，并優選具有制動斬波器。
[0009]優選地，整流器為無源整流器，以便變換器適于只將能量從發電機傳輸至電力網，即，發電機被限定為2Q運行，其中能量不可從電力網傳輸至發電機。[0010]如上所述，變換器包括串聯連接至發電機的兩個或更多功率模塊。兩個或更多串聯連接的功率單元因此被提供用于每個發電機相。由此，發電機所輸送的電壓被分配給串聯連接的功率單元，從而每個功率單元僅僅必須承受一部分發電機電壓。每相的功率單元數量優選被選擇為使得每個功率單元僅需承受約50伏特到1000伏特范圍中的電壓。根據電功率輸送和分配系統中常用的術語，該電壓范圍被指定為本發明中的低壓。
[0011]該配置具有這樣的優點:可使用標準化的低壓部件而非大多為定制并因而昂貴得多的中壓部件。
[0012]一般而言，可以按任何適當的方式來配置變壓器，這意味著繞組可例如纏繞在磁芯上以實現發電機側繞組的共同磁通。功率模塊的每個功率單元的每個或一些繞組通常可纏繞在變壓器磁芯的不同部分。但是，為了增強對流經功率單元的能量的均衡，變壓器優選為適于發電機側繞組之間的高度磁耦合。
[0013]發電機側繞組之間的高度磁耦合優選由于下述方式實現:即功率模塊的每個功率單元的對應相繞組集體纏繞在變壓器磁芯的公共部分。在例如三個發電機相以及每個功率單元三個發電機側繞組的情況下，第一功率單元的第一相、第二功率單元的第一相和第三功率單元的第一相放置在一起并共同纏繞在變壓器芯上。由此，功率模塊的功率單元的對應相彼此緊鄰并纏繞在磁芯的相同部分上。
[0014]從而可在繞制之前將功率單元的對應相繞組并排(堆疊)放置在一起。但是，當將繞組扭曲在一起時，可以達到更好的磁I禹合結果，其中術語扭曲繞組(twisted winding)還應包括混合繞組。
[0015]典型地，每個變壓器包括所有發電機側繞組之間的發電機最大相電壓的電絕緣和/或電網側繞組與 發電機側繞組之間的電網最大相電壓的電絕緣。在一優選實施例中，每個變壓器適于發電機側繞組間的高度磁耦合。這樣的變壓器設計具有(特別是在低發電機頻率下)能夠更好地均衡在變壓器芯磁路中通過一個功率模塊的功率單元的能量傳輸的優點。
[0016]然而，實際中能量變化不會為零，即使是在發電機側變壓器繞組高度耦合的情況下。因此優選在各功率單元中提供一個DC鏈路電容來處理剩余的能量變化。但是該DC鏈路電容可以很小，優選為小于2000微法，或者甚至是小于100微法。
[0017]在本發明的優選實施例中，逆變器是開關型，其中使用IGBT作為可控開關。DC鏈路電容的值取決于IGBT的開關頻率，但不取決于發電機頻率。因此，依據IGBT的開關頻率，DC鏈路電容的值還可選擇為更大。
[0018]優選地，最小的必要DC鏈路電容Cmin根據下式確定:
[。。19] c--F^ir:A:⑴
[0020]其中AUmax為由逆變器的開關脈沖所引起的DC鏈路電容兩端電壓的電壓上升，F為值在約0.1到0.5之間、優選為在0.12到0.2之間的因子，P為功率單元傳遞的功率，fp
為逆變器的開關頻率，以及^為在變壓器輸出處的相電壓的振幅。
[0021]如上文所述，發電機和電力網具有至少兩相的多相，例如，四相、五相或甚至更多相。但是變壓器繞組的相數不一定要與其相等，有利的且因而優選的是電力網的相數、電網側繞組的相數和發電機側繞組的相數等于發電機的相數。[0022]對于多相設備和網的相數，廣泛使用的標準為三相。因此，在本發明的優選實施例中，發電機的相數為三相。
[0023]在優選實施方式中，每個變壓器包括星形連接(也稱作Y型連接)或三角型連接(也稱作delta連接)中的三相電網側繞組和星形連接或三角型連接中的三個發電機側繞組。電網側和發電機側繞組也可以鋸齒形連接(也稱作Z型或曲折連接)方式連接。
[0024]在本發明的另一優選實施例中，每個功率單元包括一個切斷機構，其適于使得功率單元的相輸入和相輸出之間能夠直接電連接。換句話說，切斷機構允許通過將功率單元短路來對其進行旁路。切斷機構優選包括雙向旁路開關。旁路開關例如為故障安全開關并包括至少一個反并聯壓裝晶閘管(ant1-parallel press-pack thyristor)和/或至少一個常接通機械接觸器，用于使得功率單元的相輸入和相輸出之間能夠直接電氣連接。通過最小化電容量的DC鏈路電容，每個功率模塊優選地被優化用于2Q發電機用途。無源整流器電路典型的具有優選地由代替旁路開關的四個晶閘管或兩個晶閘管和兩個有源開關實現的B4配置。
[0025]使用這樣的切斷機構(特別是這樣的旁路開關)的優點是，一個或更多功率單元可以暫時被短路以使發電機的功率輸出與電力網的功率需求相匹配和/或在最佳負載區域中驅動各功率單元。
[0026]如前所述，發電機的每一相包括串聯連接的多個功率單元。這種串聯連接的優點是，通過改變工作的串聯連接的功率單元的數量，例如通過短路并從而禁止一定數量的功率單元，能夠實現對變換器的電壓調節。在典型實施例中，發電機的每一相包括多于滿載情況下技術上所必須的功率單元，因此在變換器的正常運行期間，一定數量的功率單元例如通過閉合其旁路開關而被禁用。然而，在本發明的優選實施例中，這些備用功率單元或冗余功率單元被配置為在工作功率單元故障的情況下例如通過斷開其旁路開關而瞬時被啟動。或者換句話說，禁用的功率單元在工作的功率單元故障時自動開始工作。這具有的優點是變換器的可靠性和可用性得以改善。在另一優選方法中，某些完好的功率單元在部分負載情況下關斷以使得工作的剩余功率單元運行在其各自的最佳負載區域。
[0027]在優選實施例中，變換器優選包括控制系統。該控制系統例如用于控制功率單元，即，用于啟用或禁用功率單元。因此，該控制系統用于控制功率單元的切斷機構。然而，該控制系統還可完成如通信和測量任務的進一步的任務。
[0028]在另一優選實施例中，一個或更多功率單元包括用于控制各自功率單元的本地單元控制系統。在更優選的實施例中，所有功率單元都包括這樣的本地單元控制系統。控制功率單元意味著控制可控設備，該可控設備當前例如包括逆變器的開關和切斷機構。本地單元控制系統例如包括用于控制逆變器開關和/或切斷機構的多個門驅動。
[0029]控制系統包括這些本地單元控制系統。在每個功率單元中使用這樣的本地單元控制系統所具有的優點是，各功率單元高度自主，并且例如用于開啟和關閉晶體管的命令的單元控制命令可直接在功率單元中生成。但是，也可以不是每個功率單元都具有其自己的本地單元控制系統，可以是例如一個或多個外部控制系統來完成變換器的控制職責。還可以是功率單元的本地單元控制系統不僅控制該功率單元，還控制一個或更多其它功率單元。也可以是每個功率單元具有其自己的本地控制系統且控制系統額外包括作為變換器一部分的一個或多個控制單元來控制功率單元和/或變換器的其它部件。在本發明的另一優選實施例中，本地單元控制系統適于從某相的一個功率單元切換至該相的另一功率單元，該切換通過禁用該一個功率單元并瞬間同時啟用該另一功率單元來實現。這允許提供系統的真正冗余。當某相的一個工作功率單元故障時，還未工作的另一功率單元可以立即啟用。此外，即使沒有功率單元發生故障，在正常運行期間同一相的功率單元之間也可以進行切換。通過提供多于最大負載所必須的功率單元并在其間不斷進行切換，可在變換器的運行期間實現各功率單元的相等運行時間。該功率單元的切換是可能的，這是因為所選擇的旁路開關非常快速，從而旁路開關可以優選為實時進行切換。
[0030]控制系統的另一任務可以是確定在特定情形下需要多少功率單元工作。相比較于發電機產生高輸出電壓，如果發電機產生低輸出電壓，則需要工作的功率單元較少。由此，術語工作的功率單元表示這樣一個功率單元:其中相輸入和相輸出之間的直接電連接被禁止，即旁路開關斷開。
[0031]用于確定相中工作的功率單元的最低數量的主要參數是發電機電壓。發電機電壓通常不是恒定的，而是隨著發電機的轉速變化。工作的功率單元的最低數量隨之可確定為當前發電機電壓除以功率單元的電壓降。當下文使用術語功率單元的“阻斷電壓”時也意味著該電壓降。該電壓降有時還被表示為功率單元的“耐受電壓”。該比值通常得到的不是自然數，因此通過對該比值的絕對值(absolute value)加I來計算該最低數量。
[0032]由此，控制系統優選為適于根據發電機電壓和功率單元的每個的兩端的電壓降來確定工作功率單元的最低數量。
[0033]為了適當地控制功率單元，本地單元控制系統了解由功率單元所傳輸的能量是有利的。該能量主要對應于流經該功率單元的電流。因此，可在功率單元之前或之后的某處放置電流測量設備以測量引向該功率單元或從該功率單元引出的線路中的電流。然而，在該情況下，功率單元可能還需要另外的輸入用于接收該電流值。在本發明的優選實施例中，各功率單元的本地單元控制系統因而包含用于感測流經功率單元的電流的傳感器設備。在特別優選的實施例中，該傳感器設備適于感測功率單元的輸出電流。該傳感器設備優選包括至少一個傳感器，通常該傳感器設備對于功率單元的每個輸出相包括至少一個傳感器。且由于各功率單元的電壓通常不超過低壓范圍，因此所使用的一個或更多傳感器優選為對低壓范圍絕緣。
[0034]在優選實施例中，每個功率單元包括電源,這是因為每個單元都需要能量來例如操作控制系統和開關。該電源優選為由DC鏈路電容兩端的電壓降和/或旁路開關兩端的電壓降來供電。
[0035]與外部電源相比，該解決方案所具有的優點是不需對外部電源單元進行單獨的電絕緣。然而，當然也可以使用外部電源單元來向功率單元供電。這樣的位于功率單元外部的電源單元必須連接至功率單元并可例如由發電機或電力網供電。在上述兩種情況下都可使用輔助的變壓器來向外部電源單元供電。
[0036]在優選實施例中，每個功率單元包括一個在變換器的啟動階段給功率單元的DC鏈路電容預充電的充電設備。這具有進一步改善各功率單元的自主性以確保其電源的優點。該充電設備可以作為獨立的單元來實現。但是優選地，本地單元控制系統和電源適于對DC鏈路電容預充電，其中預充電控制例如由控制系統的存儲器中存儲的軟件來實現。隨之變換器啟動階段期間的預充電通過以適當方式控制開關來執行。[0037]然而，也可以安裝用于變換器所有功率單元的中央充電電路或者用于每個功率模塊中的所有功率單元的一個中央充電電路。
[0038]在優選實施例中，各功率模塊的所有功率單元的相輸入直接連接至之前功率模塊的功率單元各自的相輸出，或者在該功率模塊為第一功率模塊的情況下連接至發電機。這具有變換器設計相對簡單并且對不同功率單元的控制簡易的優點。然而，也可以安排不同功率單元的不同互連策略。術語“第一功率模塊”應理解為“從發電機看來，在發電機與終端節點之間的功率模塊的串聯連接線路中的第一功率模塊”。
[0039]因此，第一功率模塊的功率單元的相輸入以三角型連接方式連接至發電機。然而，該相輸入也可以星型連接方式連接至發電機。
[0040]在優選實施例中，各功率模塊所有功率單元的相輸出直接連接至之后功率模塊的功率單元的各自的相輸入，或者在功率模塊為最后一個功率模塊時直接連接至公共終端節點。這具有變換器設計相對簡單并且對不同功率單元的控制簡易的優點。然而，也可以安排多個功率單元的不同互連策略。術語“最后一個功率模塊”應理解為“從發電機看來，在發電機與終端節點之間的功率模塊的串聯連接線路中的最后一個功率模塊”。
[0041]因此，最后一個功率模塊的功率單元的相輸出以三角型連接方式連接至公共終端節點。
[0042]在典型實施例中，變換器包括具有優選為光纖網的通信鏈路或通信總線的控制結構，其中通信鏈路將至少一個功率單元的本地單元控制系統連接至至少一個其它功率單元的本地單元控制系統。優選地，所有本地單元控制系統經由通信鏈路互連。這樣的具有通信鏈路的控制結構的優點是不同功率單元之間的通信容易并且簡單。通信鏈路也可省略和/或由無線網絡等替代。
[0043]在優選實施例中，控制結構包括中央監控單元，其中該中央監控單元優選為經由通信鏈路連接至至少一個功率單元的本地單元控制系統。尤其優選的是，中央監控單元、本地單元控制系統和通信鏈路一起構成該控制結構。當然還可以的是，控制結構進一步包括例如傳感器和/或連接點的其他部件。中央監控單元通常配置為在各功率單元的最佳電流共享、最佳交織和最佳運行時間方面對各本地單元控制系統進行控制。為了實現該目標，中央監控單元通常包括配置為對變換器所有功率單元和/或功率模塊的狀態進行監測的軟件，并且該軟件包括適于優選通過發送切換命令給功率單元和/或功率模塊來對發電機的整體性能進行優化的控制算法。
[0044]在優選實施例中，至少一個變壓器的至少一個發電機側繞組被配置為用作各功率單元的逆變器的變壓器輸出處的電感濾波元件。這導致變換器的總體重量、功率損耗和成本降低。然而，也可安排與變壓器分開的電感濾波元件。
[0045]在優選實施例中，至少一個功率單元包括額外的能量存儲器，優選為電池，其可以是可再充電或非可再充電電池。這樣的額外能量存儲器具有的優點是允許電網緩沖并且還允許及時的能量的解耦產生和饋入。分散式低中級能量緩沖有益于電網的穩定性。在典型實施例中，額外的能量包括用于將電池連接至其余功率單元的DC-DC變換器。額外的能量存儲器優選為并聯連接至功率單元的DC鏈路電容。
[0046]本發明關于變換器操作方法的方案由權利要求18的特征進行限定。
[0047]在用于將能量從發電機變換至電力網的變換器中，根據本發明的方法包括通過為功率模塊的變壓器提供與該功率模塊的每個功率單元針對的一個發電機側繞組以及正好一個共用電網側繞組并且均衡流經該共用電網側繞組的能量來均衡流經功率模塊的功率單元的能量的步驟，其中變換器包括多個功率模塊，其中每個功率模塊包含至少兩個功率單元和用于將功率單元連接至電力網的變壓器，以及其中功率單元的每個包含相輸入、相輸出、連接至變壓器的變壓器輸出、整流器和逆變器。
[0048]在本發明的優選實施例中，切斷機構受控用于啟用或禁用功率單元。控制切斷機構由此包括實現或禁止功率單元的相輸入和相輸出之間直接的電氣連接。通過實現或禁止該直接的電氣連接，可以以可控方式啟用或禁用功率單元。
[0049]如前所述，相輸入和相輸出之間直接的電氣連接優選通過旁路開關實現或禁止。
[0050]在根據本發明的另一優選方法中，根據本發明的變換器的至少一個功率單元的旁路開關由前述中央監控單元和/或功率模塊的至少一個本地單元控制系統進行控制。在這樣的方法中，取決于變換器的實際系統需求，單個或多個功率模塊和/或功率單元典型地被連續實現和/或禁止——換句話說接通和關斷。這種取決于實際系統需求的受控切換具有多個優點。例如，適當的切換可用來保證至少在一個功率單元中獲得足夠的DC鏈路電壓以饋入能量，通過短路所選功率單元使得在部分負載期間能夠獲得更高的效率(假定旁路開關的導通損耗低于功率單元的總體運行損耗)以及允許對應單元的逆變器部分進行交織操作從而減少電網中的諧波。在典型的方法中，對于功率單元持續更新并存儲運行時間信息。這具有的優點是可使得所有功率單元中的老化效應相似并且從而變換器的整體壽命可被最大化。旁路開關的控制切換的另一優點在于其可用來確保在變換器運行期間經由所有工作功率單元傳遞的功率相等。
[0051]實現或禁止功率單元的一個主要判據是發電機電壓或與其緊密相關的發電機轉速。因此進一步優選的是，根據發電機電壓或發電機轉速來執行切斷機構的控制。
[0052]發電機電壓或發電機轉速例如由中央監控單元和/或至少一個本地單元控制系統所確定。基于發電機電壓或發電機轉速，可以確定哪個旁路開關應該在哪個時刻閉合或者斷開。這具有的優點是，旁路開關的切換可至少在一定程度上可與發電機的實際功率產出相匹配。然而，為此也可以考慮其它參數，例如一相或者多相中的實際發電機輸出電流。
[0053]從下文的詳細描述和權利要求書全文可以得出其它有利的實施例和特征的組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0054]用于解釋實施例的附圖示出:
[0055]圖1:根據本發明的變換器的示意性接線圖，
[0056]圖2:根據本發明的功率單元的示意性接線圖，
[0057]圖3:可視化示出本發明工作原理的電流圖(低發電機頻率)，
[0058]圖4:可視化示出本發明工作原理的電流圖(高發電機頻率)，
[0059]圖5:對功率模塊變壓器的更詳細的示意性描述，
[0060]圖6:圖5所示變壓器的示意性繞組圖，
[0061]圖7:DC鏈路電容與由功率單元的逆變器的切換引起的電壓紋波之間關系的示意圖，以及
[0062]圖8:對于DC鏈路電容的特定值的DC鏈路電容兩端電壓的示意圖。[0063]圖中，相同的附圖標記表不相同的部件。
【具體實施方式】
[0064]圖1示出了根據本發明的變換器C的示意性接線圖。變換器C連接在三相發電機I和電力網2之間。變換器C包括三相3.1、3.2和3.3，每一相連接至發電機I的對應相
連接。變換器C包括η個功率模塊4.1.....4.η，其中僅第一個和最后一個在圖1中示出。
每個功率模塊典型地被配置為作用于純2Q-發電機用途。每個功率模塊4.1.....4.η包括
三個功率單元5，其中功率單元5的每個電連接相3.1,3.2和3.3中的一相。每一相3.1、
3.2,3.3在對應功率單元5的相輸入6進入對應功率單元5并從對應功率單元5的相輸出7輸出。
[0065]每個功率單元5包括變壓器輸出8，各功率單元5經由變壓器輸出8連接至變壓
器T的對應發電機側繞組10。每個功率模塊4.1.....4.η包括一個變壓器Τ。每個變壓器
T包括一個電網側繞組9和三個發電機側繞組10。圖1所示的本發明的實施例具有三相配置，需要三個發電機側繞組，每相3.1,3.2和3.3對應一個繞組。由此，在具有超過三相或者僅有兩相的多相配置中，發電機側繞組的數量必須據此進行選擇。
[0066]最后一個功率模塊4.η的三個功率單元5的相輸出7在公共端節點11處連接在 一起。所有其它功率單元5的相輸出7連接至后續功率模塊4.1.....4.η的對應功率單元
5的相輸入。通過這種方式，每相3.1,3.2,3.3實現了 η個功率單元5的串聯連接。
[0067]變換器C的拓撲從而由功率模塊4.1.....4.η的串聯連接構成。三個功率單元
5和一個多繞組變壓器T構成每個功率模塊4.1.....4.η。所有變壓器T的電網側并聯連
接。每個發電機相3.1、3.2、3.3由串聯的多個相同的功率單元5操作。串聯的功率模塊
4.1.....4.η的數量的變化導致模塊化電壓可調節性。串聯功率模塊4.1.....4.η的最小
數量ns?—min由發電機I的最大相電壓Vph _和功率單元5的最大阻斷電壓Vm11 _根據等式I進行限定:
[0068]nser min = abs (Vph max / Vcell max 等式 I
[0069]在三相系統中，功率模塊4.1、...、4.η的總數量由等式2給定:
[0070]ntotal=3*nser—min 等式 2
[0071]圖2不出了根據本發明的功率單兀5的不意性接線圖。圖2不出了相輸入6和相輸出7，通過相輸入6和相輸出7，功率單元5可經相3.1,3.2和3.3鏈接至其它功率模塊
4.1.....4.η的功率單元5。此外，圖2示出了變壓器輸出8，其用于將功率單元鏈接至對
應的發電機側繞組10.[0072]功率單元5包括具有六個逆變器開關13的逆變器12。功率單元5還包括并聯連接的DC鏈路電容14和制動15。制動15包括串聯連接的制動電阻器16和制動斬波器17。此外，功率單元5包括整流器18。整流器18包括四個整流器開關19和雙向旁路開關20。旁路開關20可以是例如反并聯晶閘管(可控硅)的半導體，或者是機械接觸器。旁路開關20將相輸入6和相輸出7彼此電隔尚。當功率單兀5工作時,芳路開關20斷開，即，在相輸入6和相輸出7之間沒有建立電連接。為了禁用功率單元5，旁路開關20閉合，即，在相輸入6和相輸出7之間建立電連接，從而功率單元5被短路或旁路。整流器18被設計用于來自發電機I的可變輸入頻率(通常為8-70ΗΖ)。在圖2所示的本發明的具體實施例中，整流器開關19為晶閘管。在正常操作期間，整流器18的晶閘管作為二極管來操作。這表示，它
們在整個電周期期間處于導通狀態。在變換器C和/或功率模塊4.1.....4.η和/或功率
單元5的啟動順序中，整流器18對DC鏈路電容14充電。這通過對晶閘管進行相控制調制平滑完成。
[0073]此外，圖2中描述的功率單元5包括用于控制逆變器12、制動15、整流器18——特別是其開關13、19和制動斬波器17—以及旁路開關20的本地單元控制系統21。另外，功率單元5包括電源22。每個功率單元5都需要這樣的單獨的低壓電源22，電源22為單元控制以及為例如逆變器開關13和制動斬波器17的切換提供能量，逆變器開關13和制動斬波器17通常為晶體管，優選為IGBT。尤其是，電源隨之為IGBT驅動器所需。優選的，所有使用的IGBT為低壓類型(如，1700V)，其在相對導通損耗和價格方面具有優勢。電源22通常從DC鏈路電容14和/或旁路開關20的正向壓降汲取其輸入功率。在任何情況下，電源22都被配置為保證為功率單元5提供不間斷電源，特別是在所有故障模式期間。
[0074]對于具有400千瓦功率的功率單元而言，圖2中所示元件例如可按如下方式進行選擇:
[0075]逆變器開關13:1GBT (如 Infineon FF450R17ME4)
[0076]DC鏈路電容14:1250微法
[0077]制動電阻器16:1歐姆，I秒1000安培
[0078]整流器開關19:晶閘管(如Infineon TT150N)
[0079]旁路開關20:2個反并聯晶閘管
[0080]圖3和4示出了對低發電機頻率(圖3)和高發電機頻率(圖4)可視化出了本發明工作原理的電流圖。每個功率單元5 (見圖1和2)對具有來自發電機1(如8-70Hz，見圖1)的可變輸入頻率的電網(如50或60Hz)或電力網2(見圖1)的恒定頻率進行調制。依據發電機頻率fgm和電網頻率f#id之間的頻率比，由功率單元產生的流到變壓器對應繞組的結果電流顯得不同。圖3和圖4示范性的示出了對于50Hz的電網頻率以及IOHz (圖3)和70Hz (圖4)的發電機頻率的一個功率單元5所產生的輸出電流I dU)hl、I clljh2和I ε11ph3。每個電流都沒有DC分量，這主要是DC鏈路電容造成的結果，并且全部三個電流的總和在各個時間為零。
[0081]應當理解，圖3和4中的電流圖示出了 η個功率模塊4.1.....4.η之一的三個功率
單元5中的一個的變壓器輸出8 (見圖1和2)處的輸出電流。每個特定功率模塊4.1.....4.η的其它兩個功率單元5的電流各自移相120°。發電機I發出的連續功率相等地但是120°移位時間地分布在三個發電機相上。所產生的低頻高功率環在每個多繞組變壓器T的磁路中閉合。在每個時刻，一個功率單元5的瞬時輸出功率精確對應于在其輸入接線夾、即其相輸入6和其相輸出7處傳遞的功率。因此，DC鏈路電容14僅對不對稱電網電壓和分量容差(tolerance of component)進行緩沖。該過程能夠確保連續的能量流入電力網2，而在DC鏈路電容14中不緩沖低頻能量。各功率單元5的所需DC鏈路電容14的相對較小的體積構成了該拓撲的主要優點之一。
[0082]上述解釋清楚表明，變換器C的各個功率單元5(見圖1和2)能夠被單獨旁路，這意味著通過閉合旁路開關20在每個功率單元5的相輸入6和相輸出7之間建立了直接的電連接。一個功率模塊4.1.....4.η的所有三個旁路開關20通常同時閉合和斷開。可通過兩種方式使用該旁路:
[0083]1.通過增加冗余度來增大可靠性和可用性
[0084]特別是在風電應用——根據本發明的變換器C的一個主要目標領域——中，從岸上到海上應用對可靠性和可用性的需求顯著增長。在此，本發明提供了大范圍調節價格和可靠性之間的比值而不需額外進行開發的機會。當功率單元5內部發生故障時，該功率單
元5和同一功率模塊4.1.....4.η中所有功率單元5通常被旁路。如果旁路開關20自身
發生故障，該旁路開關20的設計(例如，反并聯緊壓包裝晶閘管或常接通機械接觸器)能夠確保其進入短路。通過使用該方法，如果功率單元5不能工作，則變換器C能夠以更少的功率運行。額外的功率單元5的引入能夠提供冗余度并跳出該功率限制。在正常工作期間，
某些功率模塊4.1.....4.η被旁路。這些功率模塊4.1.....4.η，特別是其功率單元5，在
發生故障時被啟動，變換器C仍然能夠工作在額定功率下。如果插入X個額外的功率模塊
4.1、...、4.η,則η+χ的冗余度變成可能,從而導致nSOT—min+x個功率模塊4.1、...、4.η和總共3* (nSOT—min+x)個功率單元5。
[0085]2.在部分負載運行時增大效率
[0086]假設發電機I為永磁或恒定勵磁同步機器，則輸出電壓取決于轉速。因此，所需的變換器C的阻斷電壓在部分負載運行期間降低。該事實被用來關斷某些功率單元5。旁路選項的動態使用能夠降低變換器C在該工作點的總體損耗。為了能夠進行這樣的系統管理，旁路開關20的導通損耗顯著低于工作功率單元5的累積損耗。
[0087]圖5更詳細的示出了一個功率模塊的變壓器T。變壓器T包括連接至電力網2的共用電網側繞組9、磁芯30和連接至功率模塊的功率單元的發電機側繞組10。
[0088]再者，功率模塊包括三個功率單元Cl、C2、C3，其中功率單元Cl、C2、C3的每個在其變壓器輸出處提供有三個相。第一單元Cl的各相連接至繞組C1_U、C1_V和C1_W，繞組C1_U、C1_V和Cl-W纏繞在磁芯30上并且以Y型連接連接至中性點Yl。類似的，第二單元C2的各相連接至繞組C2_U、C2_V和C2_W，繞組C2_U、C2_V和C2_W纏繞在磁芯30上并且以Y型連接連接至中性點Y2，第三單元C3的各相連接至繞組C3_U、C3_V和C3_W，繞組C3_U、C3_V和C3_W纏繞在磁芯30上并且以Y型連接連接至中性點Y3。
[0089]電網側繞組9同樣包括三個相繞組Grid_U、Grid_V、Grid_ff,其纏繞在磁芯30上并連接至電力網2的對應相。而且繞組Grid_U、Grid_V、Grid_W同樣被示出為以Y型連接方式連接至中性點Y4，它們同樣可以以三角型(也稱作delta)連接方式連接。
[0090]現在，圖6示出了變壓器T的初級和次級繞組是怎樣纏繞在磁芯30上來實現上文所述的高度磁耦合。
[0091]磁芯30為“8”形狀的芯，其可由E型、I型或U型鐵芯部件或者其它任何適合的芯部件組裝而成。三個功率單元Cl、C2、C3中每一個的第一相繞組C1_U、C2_U和C3_U扭曲并集體纏繞在磁芯30的第一芯柱31上。由于在圖6中組合為纏繞在芯柱31上的單根線，擰在一起的相繞組C1_U、C2_U和C3_U被示意性地示出。
[0092]類似的，第二相繞組C1_V、C2_V和C3_V扭曲并集體纏繞在第二芯柱32上，第三相繞組C1_W、C2_ff和C3_W扭曲并集體纏繞在磁芯30的第三芯柱33上。
[0093]相繞組C1_U、C2_U、C3_U、C1_V、C2_V、C3_V、C1_W、C2_W 和 C3_W 的另一端按圖 5 所示連接至中性點Y1、Y2和Y3。然而，為了清楚起見，圖6中僅示出了一個點Υ1、Υ2、Υ3來代表上述三個中性點。
[0094]在變壓器的電網側，第一相繞組Grid_U纏繞在磁芯30的第一芯柱31上，第二相繞組Grid_V纏繞在第二芯柱32上，第三相繞組Grid_W纏繞在第三芯柱33上。所有三個相繞組都連接至中性點Y4。
[0095]將功率模塊的單元的對應相繞組集體纏繞或扭曲不會對絕緣造成任何問題,這是因為其全部具有相似的電壓電平。然而，如同上文已經提及的，絕緣是變壓器初級和次級繞組之間的問題，這是因為該絕緣應當阻斷發電機電壓。由此，通過中壓絕緣將單元相繞組與電網側相繞組進行絕緣。
[0096]DC鏈路電容兩端的電壓紋波取決于不同的因素，但是，除了被發電機的低頻分量所影響外，其主要是由變換器開關的開關頻率所引起的。由此，必須選擇DC鏈路電容的電容值以使得其可應對其兩端所產生的電壓紋波，但是如上文所述，通常應當將其選擇的越小越好。
[0097]圖7示出了通過仿真得到的對于特定示例的特定工作點的DC鏈路電容值與電壓諧波之間關系的示意圖。在該示例中，功率單元的輸出功率為250kW，功率單元的IGBT的開關頻率為5kHz，發電機頻率為IOHz，電網頻率為50Hz，發電機電流(RMS=均方根)為190A。
[0098]下表示出了在DC鏈路電容的DC鏈路電容值(Cdc)的不同值下，由開關頻率所引起的最終電壓紋波(Al):
[0099]
【權利要求】
1.一種用于將能量從發電機(I)變換至電力網(2)的變換器(C)，特別是頻率變換器，其中， a)所述發電機的相數至少為二， b)所述變換器包含多個功率模塊(4.1.....4.η), c)每個功率模塊(4.1.....4.η)包括至少兩個功率單元(5)和用于將所述功率單元(5)連接至所述電力網(2)的變壓器(T)， d)每個功率單元(5)包括相輸入(6)、相輸出(7)、連接至所述變壓器(T)的變壓器輸出(8)、整流器(18)和逆變器(12)， 其特征在于， e)為了均衡流經功率模塊(4.1.....4.η)的所述功率單元(5)的能量，所述功率模塊(4.1.....4.η)的所述變壓器(T)包括與該功率模塊(4.1.....4.η)的所述功率單元(5)的每個針對的一個發電機側繞組(10)以及正好一個共用電網側繞組(9)。
2.根據權利要求1所述的變換器，其特征在于，由于功率模塊(4.1、...，、4.η)的每個功率單元(5)的對應相繞組(C1_U、C2_U、C3_U)集體纏繞在所述變壓器(T)的磁芯(30)的公共部分(31)上，所述變壓器(T) 適于所述發電機側繞組(10)之間的高度磁耦合，其中所述對應相繞組(C1_U、C2_U、C3_U)優選被扭曲。
3.根據權利要求1至2中任一項所述的變換器，其特征在于，包括DC鏈路電容(14)。
4.根據權利要求3所述的變換器，其中，所述逆變器為開關型，并且其中所述DC鏈路電容(14)的電容量Cmin優選為根據下列公式確定
P I C -F* * _.J.Λ
UJp Atzmax 其中AUmax為由所述逆變器(12)的開關脈沖所引起的所述DC鏈路電容(14)兩端電壓的電壓上升，F為值在約0.1到0.5之間、優選為在0.12到0.2之間的因子，P為功率單元傳遞的功率，fP為所述逆變器(12)的開關頻率，以及O1為所述變壓器輸出⑶處的相電壓的振幅。
5.根據權利要求1或3中任一項所述的變換器，其特征在于，所述電網側繞組的相數和所述發電機側繞組的相數等于所述發電機(I)的相數。
6.根據權利要求5所述的變換器，其特征在于，所述電網側繞組(9)的相數和所述發電機側繞組(10)的相數為三，以及在于所述電網側繞組(9)和所述發電機側繞組(10)的所述相以星形連接方式或三角型連接方式連接。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的變換器，其特征在于，每個功率單元(5)包括切斷機構，優選為旁路開關(20)，用于使得所述功率單元(5)的所述相輸入(6)和所述相輸出(7)之間能夠直接電氣連接。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的變換器，其特征在于，所述變換器包括控制系統，其中一個或多個功率單元(5)包括用于控制所述各自功率單元(5)的本地單元控制系統(21)，以及其中所述控制系統包括所述本地單元控制系統(21)。
9.根據權利要求8所述的變換器，其特征在于，所述控制系統適于依據發電機電壓和所述功率單元(5)的每個的兩端的電壓降來確定工作功率單元(5)的最低數量。
10.根據權利要求8所述的變換器，其特征在于，所述本地單元控制系統(21)包括用于感測所述功率單元(5)的輸出電流的傳感器設備。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的變換器，其特征在于，每個功率單元(5)包括電源(22)，所述電源(22)由下述中的一個或多個供電: a)所述DC鏈路電容(14)兩端的電壓降， b)所述旁路開關(20)兩端的電壓降， c)或者位于所述功率單元(5)外部并連接至所述功率單元(5)的額外的電源設備，其中所述額外的電源設備特別是由所述發電機⑴或所述電力網⑵供電。
12.根據權利要求8和11所述的變換器，其特征在于，所述本地單元控制系統(21)和所述電源(22)適于在所述變換器(C)的啟動階段期間對所述功率單元(5)的所述DC鏈路電容(14)進行預充電。
13.根據前述權利要求中任一項所述的變換器，其特征在于，每個功率模塊(4.1.....4.η)的所有功率單元(5)的所述相輸入(6)直接連接至之前功率模塊(4.1.....4.η)的所述功率單元(5)的各自的相輸出(7)，或者在所述功率模塊(4.1.....4.η)為第一功率模塊的情況下直接連接至所述發電機(I)。
14.根據前述權利要求中任一項所述的變換器，其特征在于，每個功率模塊(4.1.....4.η)的所有功率單元(5)的所述相輸出(7)直接連接至之后功率模塊(4.1.....4.η)的所述功率單元(5)的各自的相輸入(6)，或者在所述功率模塊(4.1.....4.η)為最后一個功率模塊的情況下直接連接至公共終端節點(11)。
15.根據權利要求8所述的變換器，其特征在于，所述變換器(C)包括具有通信鏈路的控制結構，其中所述通信鏈路將至少一個功率單元(5)的所述本地單元控制系統(21)連接至至少一個其它功率單元(5)的所述本地單元控制系統(21)。
16.根據權利要求15所述的變換器，其特征在于，所述控制結構包括中央監控單元，其中所述中央監控單元優選為通過所述通信鏈路連接至至少一個功率單元(5)的所述本地單元控制系統(21)。
17.根據前述權利要求中任一項所述的變換器，其特征在于，所述變壓器(T)中的至少一個的所述發電機側繞組(10)中的至少一個被配置為用作所述各自功率單元(5)的所述逆變器(12)的所述變壓器輸出(8)處的電感濾波元件。
18.根據前述權利要求中任一項所述的變換器，其特征在于，所述功率單元(5)中的至少一個包括額外的能量存儲器，優選為蓄電池。
19.一種用于將能量從發電機(I)變換至電力網(2)的變換器的操作方法，所述變換器包括 a)多個功率模塊(4.1.....4.η), b)其中每個功率模塊(4.1.....4.η)包括至少兩個功率單元(5)和用于將所述功率單元(5)連接至所述電力網(2)的變壓器(T)， c)以及其中每個功率單元(5)包括相輸入(6)、相輸出(7)、連接至所述變壓器⑴的變壓器輸出(8)、整流器(18)和逆變器(12)， 其特征在于， d)通過為所述功率模塊(4.1，...，4.n)的所述變壓器⑴提供與所述功率模塊(4.1.....4.η)的所述功率單元(5)的每個針對的一個發電機側繞組(10)以及正好一個共用電網側繞組(9)并且均衡流經所述電網側繞組(9)的能量來均衡流經功率模塊(4.1.....4.η)的所述功率單元(5)的能量的步驟。
20.根據權利要求19所述的方法，進一步包括控制用于啟用或禁用功率單元的切斷機構的步驟，其中控制所述切斷機構包括實現或禁止所述功率單元(5)的所述相輸入(6)和所述相輸出(7)之間的直接電氣連接。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，控制所述切斷機構的所述步驟依據發電機電壓或所述發電機(I)的轉速。
22.根據權利要求20到21中任一項所述的方法，其特征在于，禁用的功率單元(5)在工作的功率單元(5)發生故障時自動啟用，或者在于工作的功率單元(5)在禁用的功率單元(5)啟用的瞬間被 禁用。
【文檔編號】H02M5/10GK103997231SQ201410097672
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2013年1月24日
【發明者】K·內措爾德, M·布拉加德, K·芬克, R·格里斯爾, R·韋格納 申請人:Det國際控股有限公司