旁路級(jí)聯(lián)單元變換器的制造方法
【專利摘要】在將能量從發(fā)電機(jī)變換至電力網(wǎng)的變換器中，其中變換器包括多個(gè)功率模塊，其中每個(gè)功率模塊包含至少兩個(gè)功率單元和將功率單元連接至電力網(wǎng)的變壓器，其中每個(gè)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(gè)針對(duì)的一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組(10)和正好一個(gè)共用電網(wǎng)側(cè)繞組(9)用于對(duì)流經(jīng)功率模塊(4.1、...、4.n)的功率單元(5)的能量進(jìn)行均衡。
【專利說(shuō)明】旁路級(jí)聯(lián)單元變換器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于將能量從發(fā)電機(jī)變換到電網(wǎng)的變換器，其中發(fā)電機(jī)的相數(shù)至少為二，變換器包括多個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊包含至少兩個(gè)功率單元和用于將功率單元連接至電網(wǎng)的變壓器，每個(gè)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(fā)明涉及操作這樣的變換器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]特別是由于風(fēng)電應(yīng)用領(lǐng)域中快速的技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前非常需要先進(jìn)的變換器應(yīng)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(fā)電機(jī)傳輸至具有準(zhǔn)恒定頻率和電壓的中壓電網(wǎng)。為了達(dá)到這些目標(biāo)，可以使用被稱作多電平變換器的具有多個(gè)功率電平的變換器。
[0003]US6，301，130描述了具有并聯(lián)連接的有源輸入(active input)的模塊化多電平可調(diào)電源。該拓?fù)浔辉O(shè)計(jì)用來(lái)將能量從電網(wǎng)傳輸至電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的是創(chuàng)建與開(kāi)始提到的【技術(shù)領(lǐng)域】有關(guān)的變換器，其提供電壓可調(diào)節(jié)性、相對(duì)地重量輕并且可靠性高、特別是在風(fēng)電應(yīng)用中導(dǎo)致變換器高可用性、提供簡(jiǎn)單維護(hù)性并且相對(duì)地成本低。
[0005]本發(fā)明的解決方案由權(quán)利要求1的特征所限定。根據(jù)本發(fā)明，在根據(jù)上述技術(shù)領(lǐng)
域的變換器中，為了均衡流經(jīng)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(gè)針對(duì)的一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組和正好一個(gè)共用電網(wǎng)側(cè)繞組。
[0006]通過(guò)為每個(gè)功率單元提供一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組，但是為功率模塊的全部功率單元提供僅一個(gè)共用電網(wǎng)側(cè)繞組，通過(guò)功率模塊的全部功率單元的能量傳輸經(jīng)由該電網(wǎng)側(cè)繞組進(jìn)行均衡。由此，沒(méi)有一個(gè)功率單元需要承受發(fā)電機(jī)在零與最大能量之間的整個(gè)能量變動(dòng)。該能量變動(dòng)甚至可以是零，從而實(shí)際上消除了對(duì)DC鏈路電容的需要。盡管在實(shí)際實(shí)施中DC鏈路電容通常沒(méi)有完全消除，但是其可顯著減小。這非常重要，這是因?yàn)檫@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(jù)本發(fā)明的均衡導(dǎo)致了更便宜和更小的變換器。[0007]發(fā)電機(jī)優(yōu)選為中壓發(fā)電機(jī)，這表示其輸出電壓通常在中壓范圍中。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)中壓應(yīng)被理解為電功率輸送和分配系統(tǒng)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(yōu)選為具有固定額定頻率和固定電壓的頻率變換器，在優(yōu)選實(shí)施例中功率模塊實(shí)質(zhì)上相同。逆變器優(yōu)選為具有具備IGBT的Β6拓?fù)洌?yōu)選具有制動(dòng)斬波器。
[0009]優(yōu)選地，整流器為無(wú)源整流器，以便變換器適于只將能量從發(fā)電機(jī)傳輸至電力網(wǎng)，即，發(fā)電機(jī)被限定為2Q運(yùn)行，其中能量不可從電力網(wǎng)傳輸至發(fā)電機(jī)。[0010]如上所述，變換器包括串聯(lián)連接至發(fā)電機(jī)的兩個(gè)或更多功率模塊。兩個(gè)或更多串聯(lián)連接的功率單元因此被提供用于每個(gè)發(fā)電機(jī)相。由此，發(fā)電機(jī)所輸送的電壓被分配給串聯(lián)連接的功率單元，從而每個(gè)功率單元僅僅必須承受一部分發(fā)電機(jī)電壓。每相的功率單元數(shù)量?jī)?yōu)選被選擇為使得每個(gè)功率單元僅需承受約50伏特到1000伏特范圍中的電壓。根據(jù)電功率輸送和分配系統(tǒng)中常用的術(shù)語(yǔ)，該電壓范圍被指定為本發(fā)明中的低壓。
[0011]該配置具有這樣的優(yōu)點(diǎn):可使用標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)?shù)姆绞絹?lái)配置變壓器，這意味著繞組可例如纏繞在磁芯上以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組的共同磁通。功率模塊的每個(gè)功率單元的每個(gè)或一些繞組通?？衫p繞在變壓器磁芯的不同部分。但是，為了增強(qiáng)對(duì)流經(jīng)功率單元的能量的均衡，變壓器優(yōu)選為適于發(fā)電機(jī)側(cè)繞組之間的高度磁耦合。
[0013]發(fā)電機(jī)側(cè)繞組之間的高度磁耦合優(yōu)選由于下述方式實(shí)現(xiàn):即功率模塊的每個(gè)功率單元的對(duì)應(yīng)相繞組集體纏繞在變壓器磁芯的公共部分。在例如三個(gè)發(fā)電機(jī)相以及每個(gè)功率單元三個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)相繞組并排(堆疊)放置在一起。但是，當(dāng)將繞組扭曲在一起時(shí)，可以達(dá)到更好的磁I禹合結(jié)果，其中術(shù)語(yǔ)扭曲繞組(twisted winding)還應(yīng)包括混合繞組。
[0015]典型地，每個(gè)變壓器包括所有發(fā)電機(jī)側(cè)繞組之間的發(fā)電機(jī)最大相電壓的電絕緣和/或電網(wǎng)側(cè)繞組與 發(fā)電機(jī)側(cè)繞組之間的電網(wǎng)最大相電壓的電絕緣。在一優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)變壓器適于發(fā)電機(jī)側(cè)繞組間的高度磁耦合。這樣的變壓器設(shè)計(jì)具有(特別是在低發(fā)電機(jī)頻率下)能夠更好地均衡在變壓器芯磁路中通過(guò)一個(gè)功率模塊的功率單元的能量傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)。
[0016]然而，實(shí)際中能量變化不會(huì)為零，即使是在發(fā)電機(jī)側(cè)變壓器繞組高度耦合的情況下。因此優(yōu)選在各功率單元中提供一個(gè)DC鏈路電容來(lái)處理剩余的能量變化。但是該DC鏈路電容可以很小，優(yōu)選為小于2000微法，或者甚至是小于100微法。
[0017]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，逆變器是開(kāi)關(guān)型，其中使用IGBT作為可控開(kāi)關(guān)。DC鏈路電容的值取決于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，但不取決于發(fā)電機(jī)頻率。因此，依據(jù)IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，DC鏈路電容的值還可選擇為更大。
[0018]優(yōu)選地，最小的必要DC鏈路電容Cmin根據(jù)下式確定:
[。。19] c--F^ir:A:⑴
[0020]其中AUmax為由逆變器的開(kāi)關(guān)脈沖所引起的DC鏈路電容兩端電壓的電壓上升，F(xiàn)為值在約0.1到0.5之間、優(yōu)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(kāi)關(guān)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(fā)電機(jī)和電力網(wǎng)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(shù)不一定要與其相等，有利的且因而優(yōu)選的是電力網(wǎng)的相數(shù)、電網(wǎng)側(cè)繞組的相數(shù)和發(fā)電機(jī)側(cè)繞組的相數(shù)等于發(fā)電機(jī)的相數(shù)。[0022]對(duì)于多相設(shè)備和網(wǎng)的相數(shù)，廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)為三相。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)的相數(shù)為三相。
[0023]在優(yōu)選實(shí)施方式中，每個(gè)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(wǎng)側(cè)繞組和星形連接或三角型連接中的三個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組。電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)側(cè)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(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)功率單元包括一個(gè)切斷機(jī)構(gòu)，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(shuō)，切斷機(jī)構(gòu)允許通過(guò)將功率單元短路來(lái)對(duì)其進(jìn)行旁路。切斷機(jī)構(gòu)優(yōu)選包括雙向旁路開(kāi)關(guān)。旁路開(kāi)關(guān)例如為故障安全開(kāi)關(guān)并包括至少一個(gè)反并聯(lián)壓裝晶閘管(ant1-parallel press-pack thyristor)和/或至少一個(gè)常接通機(jī)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(guò)最小化電容量的DC鏈路電容，每個(gè)功率模塊優(yōu)選地被優(yōu)化用于2Q發(fā)電機(jī)用途。無(wú)源整流器電路典型的具有優(yōu)選地由代替旁路開(kāi)關(guān)的四個(gè)晶閘管或兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)有源開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的B4配置。
[0025]使用這樣的切斷機(jī)構(gòu)(特別是這樣的旁路開(kāi)關(guān))的優(yōu)點(diǎn)是，一個(gè)或更多功率單元可以暫時(shí)被短路以使發(fā)電機(jī)的功率輸出與電力網(wǎng)的功率需求相匹配和/或在最佳負(fù)載區(qū)域中驅(qū)動(dòng)各功率單元。
[0026]如前所述，發(fā)電機(jī)的每一相包括串聯(lián)連接的多個(gè)功率單元。這種串聯(lián)連接的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)改變工作的串聯(lián)連接的功率單元的數(shù)量，例如通過(guò)短路并從而禁止一定數(shù)量的功率單元，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變換器的電壓調(diào)節(jié)。在典型實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)的每一相包括多于滿載情況下技術(shù)上所必須的功率單元，因此在變換器的正常運(yùn)行期間，一定數(shù)量的功率單元例如通過(guò)閉合其旁路開(kāi)關(guān)而被禁用。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)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(guò)斷開(kāi)其旁路開(kāi)關(guān)而瞬時(shí)被啟動(dòng)?；蛘邠Q句話說(shuō)，禁用的功率單元在工作的功率單元故障時(shí)自動(dòng)開(kāi)始工作。這具有的優(yōu)點(diǎn)是變換器的可靠性和可用性得以改善。在另一優(yōu)選方法中，某些完好的功率單元在部分負(fù)載情況下關(guān)斷以使得工作的剩余功率單元運(yùn)行在其各自的最佳負(fù)載區(qū)域。
[0027]在優(yōu)選實(shí)施例中，變換器優(yōu)選包括控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)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(tǒng)用于控制功率單元的切斷機(jī)構(gòu)。然而，該控制系統(tǒng)還可完成如通信和測(cè)量任務(wù)的進(jìn)一步的任務(wù)。
[0028]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)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(tǒng)。在更優(yōu)選的實(shí)施例中，所有功率單元都包括這樣的本地單元控制系統(tǒng)。控制功率單元意味著控制可控設(shè)備，該可控設(shè)備當(dāng)前例如包括逆變器的開(kāi)關(guān)和切斷機(jī)構(gòu)。本地單元控制系統(tǒng)例如包括用于控制逆變器開(kāi)關(guān)和/或切斷機(jī)構(gòu)的多個(gè)門驅(qū)動(dòng)。
[0029]控制系統(tǒng)包括這些本地單元控制系統(tǒng)。在每個(gè)功率單元中使用這樣的本地單元控制系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)是，各功率單元高度自主，并且例如用于開(kāi)啟和關(guān)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(gè)功率單元都具有其自己的本地單元控制系統(tǒng)，可以是例如一個(gè)或多個(gè)外部控制系統(tǒng)來(lái)完成變換器的控制職責(zé)。還可以是功率單元的本地單元控制系統(tǒng)不僅控制該功率單元，還控制一個(gè)或更多其它功率單元。也可以是每個(gè)功率單元具有其自己的本地控制系統(tǒng)且控制系統(tǒng)額外包括作為變換器一部分的一個(gè)或多個(gè)控制單元來(lái)控制功率單元和/或變換器的其它部件。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，本地單元控制系統(tǒng)適于從某相的一個(gè)功率單元切換至該相的另一功率單元，該切換通過(guò)禁用該一個(gè)功率單元并瞬間同時(shí)啟用該另一功率單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。這允許提供系統(tǒng)的真正冗余。當(dāng)某相的一個(gè)工作功率單元故障時(shí)，還未工作的另一功率單元可以立即啟用。此外，即使沒(méi)有功率單元發(fā)生故障，在正常運(yùn)行期間同一相的功率單元之間也可以進(jìn)行切換。通過(guò)提供多于最大負(fù)載所必須的功率單元并在其間不斷進(jìn)行切換，可在變換器的運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)各功率單元的相等運(yùn)行時(shí)間。該功率單元的切換是可能的，這是因?yàn)樗x擇的旁路開(kāi)關(guān)非?？焖?，從而旁路開(kāi)關(guān)可以優(yōu)選為實(shí)時(shí)進(jìn)行切換。
[0030]控制系統(tǒng)的另一任務(wù)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(fā)電機(jī)產(chǎn)生高輸出電壓，如果發(fā)電機(jī)產(chǎn)生低輸出電壓，則需要工作的功率單元較少。由此，術(shù)語(yǔ)工作的功率單元表示這樣一個(gè)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)。
[0031]用于確定相中工作的功率單元的最低數(shù)量的主要參數(shù)是發(fā)電機(jī)電壓。發(fā)電機(jī)電壓通常不是恒定的，而是隨著發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化。工作的功率單元的最低數(shù)量隨之可確定為當(dāng)前發(fā)電機(jī)電壓除以功率單元的電壓降。當(dāng)下文使用術(shù)語(yǔ)功率單元的“阻斷電壓”時(shí)也意味著該電壓降。該電壓降有時(shí)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(shù)，因此通過(guò)對(duì)該比值的絕對(duì)值(absolute value)加I來(lái)計(jì)算該最低數(shù)量。
[0032]由此，控制系統(tǒng)優(yōu)選為適于根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓和功率單元的每個(gè)的兩端的電壓降來(lái)確定工作功率單元的最低數(shù)量。
[0033]為了適當(dāng)?shù)乜刂乒β蕟卧?，本地單元控制系統(tǒng)了解由功率單元所傳輸?shù)哪芰渴怯欣?。該能量主要?duì)應(yīng)于流經(jīng)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(cè)量設(shè)備以測(cè)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(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，各功率單元的本地單元控制系統(tǒng)因而包含用于感測(cè)流經(jīng)功率單元的電流的傳感器設(shè)備。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，該傳感器設(shè)備適于感測(cè)功率單元的輸出電流。該傳感器設(shè)備優(yōu)選包括至少一個(gè)傳感器，通常該傳感器設(shè)備對(duì)于功率單元的每個(gè)輸出相包括至少一個(gè)傳感器。且由于各功率單元的電壓通常不超過(guò)低壓范圍，因此所使用的一個(gè)或更多傳感器優(yōu)選為對(duì)低壓范圍絕緣。
[0034]在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)功率單元包括電源,這是因?yàn)槊總€(gè)單元都需要能量來(lái)例如操作控制系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)。該電源優(yōu)選為由DC鏈路電容兩端的電壓降和/或旁路開(kāi)關(guān)兩端的電壓降來(lái)供電。
[0035]與外部電源相比，該解決方案所具有的優(yōu)點(diǎn)是不需對(duì)外部電源單元進(jìn)行單獨(dú)的電絕緣。然而，當(dāng)然也可以使用外部電源單元來(lái)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(fā)電機(jī)或電力網(wǎng)供電。在上述兩種情況下都可使用輔助的變壓器來(lái)向外部電源單元供電。
[0036]在優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)功率單元包括一個(gè)在變換器的啟動(dòng)階段給功率單元的DC鏈路電容預(yù)充電的充電設(shè)備。這具有進(jìn)一步改善各功率單元的自主性以確保其電源的優(yōu)點(diǎn)。該充電設(shè)備可以作為獨(dú)立的單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是優(yōu)選地，本地單元控制系統(tǒng)和電源適于對(duì)DC鏈路電容預(yù)充電，其中預(yù)充電控制例如由控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。隨之變換器啟動(dòng)階段期間的預(yù)充電通過(guò)以適當(dāng)方式控制開(kāi)關(guān)來(lái)執(zhí)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(gè)功率模塊中的所有功率單元的一個(gè)中央充電電路。
[0038]在優(yōu)選實(shí)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(fā)電機(jī)。這具有變換器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單并且對(duì)不同功率單元的控制簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)。然而，也可以安排不同功率單元的不同互連策略。術(shù)語(yǔ)“第一功率模塊”應(yīng)理解為“從發(fā)電機(jī)看來(lái)，在發(fā)電機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)之間的功率模塊的串聯(lián)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(fā)電機(jī)。然而，該相輸入也可以星型連接方式連接至發(fā)電機(jī)。
[0040]在優(yōu)選實(shí)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(gè)功率模塊時(shí)直接連接至公共終端節(jié)點(diǎn)。這具有變換器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單并且對(duì)不同功率單元的控制簡(jiǎn)易的優(yōu)點(diǎn)。然而，也可以安排多個(gè)功率單元的不同互連策略。術(shù)語(yǔ)“最后一個(gè)功率模塊”應(yīng)理解為“從發(fā)電機(jī)看來(lái)，在發(fā)電機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)之間的功率模塊的串聯(lián)連接線路中的最后一個(gè)功率模塊”。
[0041]因此，最后一個(gè)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(jié)點(diǎn)。
[0042]在典型實(shí)施例中，變換器包括具有優(yōu)選為光纖網(wǎng)的通信鏈路或通信總線的控制結(jié)構(gòu)，其中通信鏈路將至少一個(gè)功率單元的本地單元控制系統(tǒng)連接至至少一個(gè)其它功率單元的本地單元控制系統(tǒng)。優(yōu)選地，所有本地單元控制系統(tǒng)經(jīng)由通信鏈路互連。這樣的具有通信鏈路的控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不同功率單元之間的通信容易并且簡(jiǎn)單。通信鏈路也可省略和/或由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等替代。
[0043]在優(yōu)選實(shí)施例中，控制結(jié)構(gòu)包括中央監(jiān)控單元，其中該中央監(jiān)控單元優(yōu)選為經(jīng)由通信鏈路連接至至少一個(gè)功率單元的本地單元控制系統(tǒng)。尤其優(yōu)選的是，中央監(jiān)控單元、本地單元控制系統(tǒng)和通信鏈路一起構(gòu)成該控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)然還可以的是，控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括例如傳感器和/或連接點(diǎn)的其他部件。中央監(jiān)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(yùn)行時(shí)間方面對(duì)各本地單元控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，中央監(jiān)控單元通常包括配置為對(duì)變換器所有功率單元和/或功率模塊的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的軟件，并且該軟件包括適于優(yōu)選通過(guò)發(fā)送切換命令給功率單元和/或功率模塊來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)的整體性能進(jìn)行優(yōu)化的控制算法。
[0044]在優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)變壓器的至少一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)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(dǎo)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(kāi)的電感濾波元件。
[0045]在優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)功率單元包括額外的能量存儲(chǔ)器，優(yōu)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(chǔ)器具有的優(yōu)點(diǎn)是允許電網(wǎng)緩沖并且還允許及時(shí)的能量的解耦產(chǎn)生和饋入。分散式低中級(jí)能量緩沖有益于電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在典型實(shí)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(chǔ)器優(yōu)選為并聯(lián)連接至功率單元的DC鏈路電容。
[0046]本發(fā)明關(guān)于變換器操作方法的方案由權(quán)利要求18的特征進(jìn)行限定。
[0047]在用于將能量從發(fā)電機(jī)變換至電力網(wǎng)的變換器中，根據(jù)本發(fā)明的方法包括通過(guò)為功率模塊的變壓器提供與該功率模塊的每個(gè)功率單元針對(duì)的一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組以及正好一個(gè)共用電網(wǎng)側(cè)繞組并且均衡流經(jīng)該共用電網(wǎng)側(cè)繞組的能量來(lái)均衡流經(jīng)功率模塊的功率單元的能量的步驟，其中變換器包括多個(gè)功率模塊，其中每個(gè)功率模塊包含至少兩個(gè)功率單元和用于將功率單元連接至電力網(wǎng)的變壓器，以及其中功率單元的每個(gè)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(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，切斷機(jī)構(gòu)受控用于啟用或禁用功率單元?？刂魄袛鄼C(jī)構(gòu)由此包括實(shí)現(xiàn)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(guò)實(shí)現(xiàn)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(yōu)選通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)或禁止。
[0050]在根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方法中，根據(jù)本發(fā)明的變換器的至少一個(gè)功率單元的旁路開(kāi)關(guān)由前述中央監(jiān)控單元和/或功率模塊的至少一個(gè)本地單元控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。在這樣的方法中，取決于變換器的實(shí)際系統(tǒng)需求，單個(gè)或多個(gè)功率模塊和/或功率單元典型地被連續(xù)實(shí)現(xiàn)和/或禁止——換句話說(shuō)接通和關(guān)斷。這種取決于實(shí)際系統(tǒng)需求的受控切換具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，適當(dāng)?shù)那袚Q可用來(lái)保證至少在一個(gè)功率單元中獲得足夠的DC鏈路電壓以饋入能量，通過(guò)短路所選功率單元使得在部分負(fù)載期間能夠獲得更高的效率(假定旁路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗低于功率單元的總體運(yùn)行損耗)以及允許對(duì)應(yīng)單元的逆變器部分進(jìn)行交織操作從而減少電網(wǎng)中的諧波。在典型的方法中，對(duì)于功率單元持續(xù)更新并存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)間信息。這具有的優(yōu)點(diǎn)是可使得所有功率單元中的老化效應(yīng)相似并且從而變換器的整體壽命可被最大化。旁路開(kāi)關(guān)的控制切換的另一優(yōu)點(diǎn)在于其可用來(lái)確保在變換器運(yùn)行期間經(jīng)由所有工作功率單元傳遞的功率相等。
[0051]實(shí)現(xiàn)或禁止功率單元的一個(gè)主要判據(jù)是發(fā)電機(jī)電壓或與其緊密相關(guān)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此進(jìn)一步優(yōu)選的是，根據(jù)發(fā)電機(jī)電壓或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)執(zhí)行切斷機(jī)構(gòu)的控制。
[0052]發(fā)電機(jī)電壓或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速例如由中央監(jiān)控單元和/或至少一個(gè)本地單元控制系統(tǒng)所確定。基于發(fā)電機(jī)電壓或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以確定哪個(gè)旁路開(kāi)關(guān)應(yīng)該在哪個(gè)時(shí)刻閉合或者斷開(kāi)。這具有的優(yōu)點(diǎn)是，旁路開(kāi)關(guān)的切換可至少在一定程度上可與發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率產(chǎn)出相匹配。然而，為此也可以考慮其它參數(shù)，例如一相或者多相中的實(shí)際發(fā)電機(jī)輸出電流。
[0053]從下文的詳細(xì)描述和權(quán)利要求書(shū)全文可以得出其它有利的實(shí)施例和特征的組合。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0054]用于解釋實(shí)施例的附圖示出:
[0055]圖1:根據(jù)本發(fā)明的變換器的示意性接線圖，
[0056]圖2:根據(jù)本發(fā)明的功率單元的示意性接線圖，
[0057]圖3:可視化示出本發(fā)明工作原理的電流圖(低發(fā)電機(jī)頻率)，
[0058]圖4:可視化示出本發(fā)明工作原理的電流圖(高發(fā)電機(jī)頻率)，
[0059]圖5:對(duì)功率模塊變壓器的更詳細(xì)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(guān)系的示意圖，以及
[0062]圖8:對(duì)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(biāo)記表不相同的部件。
【具體實(shí)施方式】
[0064]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的變換器C的示意性接線圖。變換器C連接在三相發(fā)電機(jī)I和電力網(wǎng)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(fā)電機(jī)I的對(duì)應(yīng)相
連接。變換器C包括η個(gè)功率模塊4.1.....4.η，其中僅第一個(gè)和最后一個(gè)在圖1中示出。
每個(gè)功率模塊典型地被配置為作用于純2Q-發(fā)電機(jī)用途。每個(gè)功率模塊4.1.....4.η包括
三個(gè)功率單元5，其中功率單元5的每個(gè)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(duì)應(yīng)功率單元5的相輸入6進(jìn)入對(duì)應(yīng)功率單元5并從對(duì)應(yīng)功率單元5的相輸出7輸出。
[0065]每個(gè)功率單元5包括變壓器輸出8，各功率單元5經(jīng)由變壓器輸出8連接至變壓
器T的對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組10。每個(gè)功率模塊4.1.....4.η包括一個(gè)變壓器Τ。每個(gè)變壓器
T包括一個(gè)電網(wǎng)側(cè)繞組9和三個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組10。圖1所示的本發(fā)明的實(shí)施例具有三相配置，需要三個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組，每相3.1,3.2和3.3對(duì)應(yīng)一個(gè)繞組。由此，在具有超過(guò)三相或者僅有兩相的多相配置中，發(fā)電機(jī)側(cè)繞組的數(shù)量必須據(jù)此進(jìn)行選擇。
[0066]最后一個(gè)功率模塊4.η的三個(gè)功率單元5的相輸出7在公共端節(jié)點(diǎn)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(xù)功率模塊4.1.....4.η的對(duì)應(yīng)功率單元
5的相輸入。通過(guò)這種方式，每相3.1,3.2,3.3實(shí)現(xiàn)了 η個(gè)功率單元5的串聯(lián)連接。
[0067]變換器C的拓?fù)鋸亩晒β誓K4.1.....4.η的串聯(lián)連接構(gòu)成。三個(gè)功率單元
5和一個(gè)多繞組變壓器T構(gòu)成每個(gè)功率模塊4.1.....4.η。所有變壓器T的電網(wǎng)側(cè)并聯(lián)連
接。每個(gè)發(fā)電機(jī)相3.1、3.2、3.3由串聯(lián)的多個(gè)相同的功率單元5操作。串聯(lián)的功率模塊
4.1.....4.η的數(shù)量的變化導(dǎo)致模塊化電壓可調(diào)節(jié)性。串聯(lián)功率模塊4.1.....4.η的最小
數(shù)量ns?—min由發(fā)電機(jī)I的最大相電壓Vph _和功率單元5的最大阻斷電壓Vm11 _根據(jù)等式I進(jìn)行限定:
[0068]nser min = abs (Vph max / Vcell max 等式 I
[0069]在三相系統(tǒng)中，功率模塊4.1、...、4.η的總數(shù)量由等式2給定:
[0070]ntotal=3*nser—min 等式 2
[0071]圖2不出了根據(jù)本發(fā)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(guò)相輸入6和相輸出7，功率單元5可經(jīng)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(duì)
應(yīng)的發(fā)電機(jī)側(cè)繞組10.[0072]功率單元5包括具有六個(gè)逆變器開(kāi)關(guān)13的逆變器12。功率單元5還包括并聯(lián)連接的DC鏈路電容14和制動(dòng)15。制動(dòng)15包括串聯(lián)連接的制動(dòng)電阻器16和制動(dòng)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(gè)整流器開(kāi)關(guān)19和雙向旁路開(kāi)關(guān)20。旁路開(kāi)關(guān)20可以是例如反并聯(lián)晶閘管(可控硅)的半導(dǎo)體，或者是機(jī)械接觸器。旁路開(kāi)關(guān)20將相輸入6和相輸出7彼此電隔尚。當(dāng)功率單兀5工作時(shí),芳路開(kāi)關(guān)20斷開(kāi)，即，在相輸入6和相輸出7之間沒(méi)有建立電連接。為了禁用功率單元5，旁路開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)用于來(lái)自發(fā)電機(jī)I的可變輸入頻率(通常為8-70ΗΖ)。在圖2所示的本發(fā)明的具體實(shí)施例中，整流器開(kāi)關(guān)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(lái)操作。這表示，它
們?cè)谡麄€(gè)電周期期間處于導(dǎo)通狀態(tài)。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(dòng)順序中，整流器18對(duì)DC鏈路電容14充電。這通過(guò)對(duì)晶閘管進(jìn)行相控制調(diào)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(dòng)15、整流器18——特別是其開(kāi)關(guān)13、19和制動(dòng)斬波器17—以及旁路開(kāi)關(guān)20的本地單元控制系統(tǒng)21。另外，功率單元5包括電源22。每個(gè)功率單元5都需要這樣的單獨(dú)的低壓電源22，電源22為單元控制以及為例如逆變器開(kāi)關(guān)13和制動(dòng)斬波器17的切換提供能量，逆變器開(kāi)關(guān)13和制動(dòng)斬波器17通常為晶體管，優(yōu)選為IGBT。尤其是，電源隨之為IGBT驅(qū)動(dòng)器所需。優(yōu)選的，所有使用的IGBT為低壓類型(如，1700V)，其在相對(duì)導(dǎo)通損耗和價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)。電源22通常從DC鏈路電容14和/或旁路開(kāi)關(guān)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(duì)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(jìn)行選擇:
[0075]逆變器開(kāi)關(guān)13:1GBT (如 Infineon FF450R17ME4)
[0076]DC鏈路電容14:1250微法
[0077]制動(dòng)電阻器16:1歐姆，I秒1000安培
[0078]整流器開(kāi)關(guān)19:晶閘管(如Infineon TT150N)
[0079]旁路開(kāi)關(guān)20:2個(gè)反并聯(lián)晶閘管
[0080]圖3和4示出了對(duì)低發(fā)電機(jī)頻率(圖3)和高發(fā)電機(jī)頻率(圖4)可視化出了本發(fā)明工作原理的電流圖。每個(gè)功率單元5 (見(jiàn)圖1和2)對(duì)具有來(lái)自發(fā)電機(jī)1(如8-70Hz，見(jiàn)圖1)的可變輸入頻率的電網(wǎng)(如50或60Hz)或電力網(wǎng)2(見(jiàn)圖1)的恒定頻率進(jìn)行調(diào)制。依據(jù)發(fā)電機(jī)頻率fgm和電網(wǎng)頻率f#id之間的頻率比，由功率單元產(chǎn)生的流到變壓器對(duì)應(yīng)繞組的結(jié)果電流顯得不同。圖3和圖4示范性的示出了對(duì)于50Hz的電網(wǎng)頻率以及IOHz (圖3)和70Hz (圖4)的發(fā)電機(jī)頻率的一個(gè)功率單元5所產(chǎn)生的輸出電流I dU)hl、I clljh2和I ε11ph3。每個(gè)電流都沒(méi)有DC分量，這主要是DC鏈路電容造成的結(jié)果，并且全部三個(gè)電流的總和在各個(gè)時(shí)間為零。
[0081]應(yīng)當(dāng)理解，圖3和4中的電流圖示出了 η個(gè)功率模塊4.1.....4.η之一的三個(gè)功率
單元5中的一個(gè)的變壓器輸出8 (見(jiàn)圖1和2)處的輸出電流。每個(gè)特定功率模塊4.1.....4.η的其它兩個(gè)功率單元5的電流各自移相120°。發(fā)電機(jī)I發(fā)出的連續(xù)功率相等地但是120°移位時(shí)間地分布在三個(gè)發(fā)電機(jī)相上。所產(chǎn)生的低頻高功率環(huán)在每個(gè)多繞組變壓器T的磁路中閉合。在每個(gè)時(shí)刻，一個(gè)功率單元5的瞬時(shí)輸出功率精確對(duì)應(yīng)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(duì)不對(duì)稱電網(wǎng)電壓和分量容差(tolerance of component)進(jìn)行緩沖。該過(guò)程能夠確保連續(xù)的能量流入電力網(wǎng)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(duì)較小的體積構(gòu)成了該拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)之一。
[0082]上述解釋清楚表明，變換器C的各個(gè)功率單元5(見(jiàn)圖1和2)能夠被單獨(dú)旁路，這意味著通過(guò)閉合旁路開(kāi)關(guān)20在每個(gè)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(gè)功率模塊4.1.....4.η的所有三個(gè)旁路開(kāi)關(guān)20通常同時(shí)閉合和斷開(kāi)?？赏ㄟ^(guò)兩種方式使用該旁路:
[0083]1.通過(guò)增加冗余度來(lái)增大可靠性和可用性
[0084]特別是在風(fēng)電應(yīng)用——根據(jù)本發(fā)明的變換器C的一個(gè)主要目標(biāo)領(lǐng)域——中，從岸上到海上應(yīng)用對(duì)可靠性和可用性的需求顯著增長(zhǎng)。在此，本發(fā)明提供了大范圍調(diào)節(jié)價(jià)格和可靠性之間的比值而不需額外進(jìn)行開(kāi)發(fā)的機(jī)會(huì)。當(dāng)功率單元5內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，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(kāi)關(guān)20自身
發(fā)生故障，該旁路開(kāi)關(guān)20的設(shè)計(jì)(例如，反并聯(lián)緊壓包裝晶閘管或常接通機(jī)械接觸器)能夠確保其進(jìn)入短路。通過(guò)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(yùn)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(fā)生故障時(shí)被啟動(dòng)，變換器C仍然能夠工作在額定功率下。如果插入X個(gè)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(dǎo)致nSOT—min+x個(gè)功率模塊4.1、...、4.η和總共3* (nSOT—min+x)個(gè)功率單元5。
[0085]2.在部分負(fù)載運(yùn)行時(shí)增大效率
[0086]假設(shè)發(fā)電機(jī)I為永磁或恒定勵(lì)磁同步機(jī)器，則輸出電壓取決于轉(zhuǎn)速。因此，所需的變換器C的阻斷電壓在部分負(fù)載運(yùn)行期間降低。該事實(shí)被用來(lái)關(guān)斷某些功率單元5。旁路選項(xiàng)的動(dòng)態(tài)使用能夠降低變換器C在該工作點(diǎn)的總體損耗。為了能夠進(jìn)行這樣的系統(tǒng)管理，旁路開(kāi)關(guān)20的導(dǎo)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(xì)的示出了一個(gè)功率模塊的變壓器T。變壓器T包括連接至電力網(wǎng)2的共用電網(wǎng)側(cè)繞組9、磁芯30和連接至功率模塊的功率單元的發(fā)電機(jī)側(cè)繞組10。
[0088]再者，功率模塊包括三個(gè)功率單元Cl、C2、C3，其中功率單元Cl、C2、C3的每個(gè)在其變壓器輸出處提供有三個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)Y3。
[0089]電網(wǎng)側(cè)繞組9同樣包括三個(gè)相繞組Grid_U、Grid_V、Grid_ff,其纏繞在磁芯30上并連接至電力網(wǎng)2的對(duì)應(yīng)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(diǎn)Y4，它們同樣可以以三角型(也稱作delta)連接方式連接。
[0090]現(xiàn)在，圖6示出了變壓器T的初級(jí)和次級(jí)繞組是怎樣纏繞在磁芯30上來(lái)實(shí)現(xiàn)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(gè)功率單元Cl、C2、C3中每一個(gè)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(diǎn)Y1、Y2和Y3。然而，為了清楚起見(jiàn)，圖6中僅示出了一個(gè)點(diǎn)Υ1、Υ2、Υ3來(lái)代表上述三個(gè)中性點(diǎn)。
[0094]在變壓器的電網(wǎng)側(cè)，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(gè)相繞組都連接至中性點(diǎn)Y4。
[0095]將功率模塊的單元的對(duì)應(yīng)相繞組集體纏繞或扭曲不會(huì)對(duì)絕緣造成任何問(wèn)題,這是因?yàn)槠淙烤哂邢嗨频碾妷弘娖?。然而，如同上文已?jīng)提及的，絕緣是變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組之間的問(wèn)題，這是因?yàn)樵摻^緣應(yīng)當(dāng)阻斷發(fā)電機(jī)電壓。由此，通過(guò)中壓絕緣將單元相繞組與電網(wǎng)側(cè)相繞組進(jìn)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(fā)電機(jī)的低頻分量所影響外，其主要是由變換器開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)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(yīng)對(duì)其兩端所產(chǎn)生的電壓紋波，但是如上文所述，通常應(yīng)當(dāng)將其選擇的越小越好。
[0097]圖7示出了通過(guò)仿真得到的對(duì)于特定示例的特定工作點(diǎn)的DC鏈路電容值與電壓諧波之間關(guān)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(kāi)關(guān)頻率為5kHz，發(fā)電機(jī)頻率為IOHz，電網(wǎng)頻率為50Hz，發(fā)電機(jī)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(kāi)關(guān)頻率所引起的最終電壓紋波(Al):
[0099]
【權(quán)利要求】
1.一種用于將能量從發(fā)電機(jī)(I)變換至電力網(wǎng)(2)的變換器(C)，特別是頻率變換器，其中， a)所述發(fā)電機(jī)的相數(shù)至少為二， b)所述變換器包含多個(gè)功率模塊(4.1.....4.η), c)每個(gè)功率模塊(4.1.....4.η)包括至少兩個(gè)功率單元(5)和用于將所述功率單元(5)連接至所述電力網(wǎng)(2)的變壓器(T)， d)每個(gè)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(jīng)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(gè)針對(duì)的一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組(10)以及正好一個(gè)共用電網(wǎng)側(cè)繞組(9)。
2.根據(jù)權(quán)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(gè)功率單元(5)的對(duì)應(yīng)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(fā)電機(jī)側(cè)繞組(10)之間的高度磁耦合，其中所述對(duì)應(yīng)相繞組(C1_U、C2_U、C3_U)優(yōu)選被扭曲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，包括DC鏈路電容(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述逆變器為開(kāi)關(guān)型，并且其中所述DC鏈路電容(14)的電容量Cmin優(yōu)選為根據(jù)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(kāi)關(guān)脈沖所引起的所述DC鏈路電容(14)兩端電壓的電壓上升，F(xiàn)為值在約0.1到0.5之間、優(yōu)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(kāi)關(guān)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(jù)權(quán)利要求1或3中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，所述電網(wǎng)側(cè)繞組的相數(shù)和所述發(fā)電機(jī)側(cè)繞組的相數(shù)等于所述發(fā)電機(jī)(I)的相數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于，所述電網(wǎng)側(cè)繞組(9)的相數(shù)和所述發(fā)電機(jī)側(cè)繞組(10)的相數(shù)為三，以及在于所述電網(wǎng)側(cè)繞組(9)和所述發(fā)電機(jī)側(cè)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(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，每個(gè)功率單元(5)包括切斷機(jī)構(gòu)，優(yōu)選為旁路開(kāi)關(guān)(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(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，所述變換器包括控制系統(tǒng)，其中一個(gè)或多個(gè)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(tǒng)(21)，以及其中所述控制系統(tǒng)包括所述本地單元控制系統(tǒng)(21)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的變換器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)適于依據(jù)發(fā)電機(jī)電壓和所述功率單元(5)的每個(gè)的兩端的電壓降來(lái)確定工作功率單元(5)的最低數(shù)量。
10.根據(jù)權(quán)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(tǒng)(21)包括用于感測(cè)所述功率單元(5)的輸出電流的傳感器設(shè)備。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，每個(gè)功率單元(5)包括電源(22)，所述電源(22)由下述中的一個(gè)或多個(gè)供電: a)所述DC鏈路電容(14)兩端的電壓降， b)所述旁路開(kāi)關(guān)(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(shè)備，其中所述額外的電源設(shè)備特別是由所述發(fā)電機(jī)⑴或所述電力網(wǎng)⑵供電。
12.根據(jù)權(quán)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(tǒng)(21)和所述電源(22)適于在所述變換器(C)的啟動(dòng)階段期間對(duì)所述功率單元(5)的所述DC鏈路電容(14)進(jìn)行預(yù)充電。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，每個(gè)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(fā)電機(jī)(I)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，每個(gè)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(gè)功率模塊的情況下直接連接至公共終端節(jié)點(diǎn)(11)。
15.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，其中所述通信鏈路將至少一個(gè)功率單元(5)的所述本地單元控制系統(tǒng)(21)連接至至少一個(gè)其它功率單元(5)的所述本地單元控制系統(tǒng)(21)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的變換器，其特征在于，所述控制結(jié)構(gòu)包括中央監(jiān)控單元，其中所述中央監(jiān)控單元優(yōu)選為通過(guò)所述通信鏈路連接至至少一個(gè)功率單元(5)的所述本地單元控制系統(tǒng)(21)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，所述變壓器(T)中的至少一個(gè)的所述發(fā)電機(jī)側(cè)繞組(10)中的至少一個(gè)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(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，所述功率單元(5)中的至少一個(gè)包括額外的能量存儲(chǔ)器，優(yōu)選為蓄電池。
19.一種用于將能量從發(fā)電機(jī)(I)變換至電力網(wǎng)(2)的變換器的操作方法，所述變換器包括 a)多個(gè)功率模塊(4.1.....4.η), b)其中每個(gè)功率模塊(4.1.....4.η)包括至少兩個(gè)功率單元(5)和用于將所述功率單元(5)連接至所述電力網(wǎng)(2)的變壓器(T)， c)以及其中每個(gè)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(guò)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(gè)針對(duì)的一個(gè)發(fā)電機(jī)側(cè)繞組(10)以及正好一個(gè)共用電網(wǎng)側(cè)繞組(9)并且均衡流經(jīng)所述電網(wǎng)側(cè)繞組(9)的能量來(lái)均衡流經(jīng)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(jù)權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括控制用于啟用或禁用功率單元的切斷機(jī)構(gòu)的步驟，其中控制所述切斷機(jī)構(gòu)包括實(shí)現(xiàn)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(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，控制所述切斷機(jī)構(gòu)的所述步驟依據(jù)發(fā)電機(jī)電壓或所述發(fā)電機(jī)(I)的轉(zhuǎn)速。
22.根據(jù)權(quán)利要求20到21中任一項(xiàng)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(fā)生故障時(shí)自動(dòng)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(hào)】H02M5/10GK103997231SQ201410097672
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月24日
【發(fā)明者】K·內(nèi)措爾德, M·布拉加德, K·芬克, R·格里斯?fàn)? R·韋格納 申請(qǐng)人:Det國(guó)際控股有限公司