CN101102085A - 用于高压直流电压连接的变流电路装置 - Google Patents

用于高压直流电压连接的变流电路装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于将至少一个第一多相交流电压转换为高压直流电压并将高压直流电压转换为第二多相交流电压的变流器电路装置。该变流器电路包括变流器单元的第一和第二级联，每个变流器单元分别具有变压器侧的第一端子以及直流电压侧的第二端子。第一级联由第一变流器单元的串联排列形成，第二级联由第二变流器的串联排列形成。第二变流器单元被构造为具有通过第一端子与变压器连接的三相桥电路、具有中间电路，其中中间电路在至少一个支路中设置第二电流阀并且与三相桥电路并联地设置第一电流阀。第一变流器单元被构造为与第二变流器单元相同，或者被构造为三相整流器电路。

Description

用于高压直流电压连接的变流电路装置
技术领域
本发明介绍了一种用于将来自多个源的第一三相交流电压转换为高压直流电压(Hochvoltgleichspannung)以在高压直流电压连接中传输、并用于进一步转换为其它三相交流电压的变流电路装置。这种高压直流电压连接例如用于风能发电设备，其中发电机的输出功率以及输出电压都动态变化。在将多个风能发电设备排列为所谓的风电场时，按照现有技术，各个风能发电设备通过高压直流电压连接与一个公共逆变器(Wechselrichter)连接，其中逆变器用于向电网馈送电流。
背景技术
按照现有技术，在此为了产生电流，优选采用中压级的发电机。该发电机的输出的三相都与变压器连接，该变压器将中压转换为数量级为100000伏特的高压。所产生的交流电压随后通过高压二极管整流器被整流，并被馈入高压直流电压连接。
在高压直流电压连接的接头处，借助逆变器将直流电压转换为合适的交流电压并馈入电网。这种高压直流电压连接作为ABB的“HVDC”或“HVDC光”技术公知。
该现有技术的缺点具体来说是输入滤波器的费用太大。在此公知逆变器被实施为多个双极晶体管以特定构造和连接技术的串联结构。所述现有技术的缺点在于，在这种逆变器的实施方式中，所有晶体管同时接通，并且在此，每个时间单位都会在导线中出现很高的电压变化。为了控制这种电压变化，需要相应大尺寸的滤波器以及特别复杂和昂贵的中间电路电容器。在此，例如高压电容器形式的电路技术花费以及所有晶体管同时接通都是缺点。
DE 101 14 075 B4公开了一种变流器电路，其包括用于将交流电发电机中所产生的交变电流转换为直流的整流电路装置、从整流电路装置到级联的逆变器的直流连接、连接在后的用于对高压电网馈电的中压变压器，以及上级的控制装置。逆变器包括多个逆变器单元的级联、串联的排列，它们的输入端串联，其中每个逆变器单元可以由上级控制装置主动接通，或者通过桥接其输入端而被动地接通。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种变流器电路装置，用于将第一交流电压转换为高压直流电压，并在相应的传输之后转换为第二交流电压，其中变流器电路装置相对于单个半导体开关的故障应该是容错的，同样相对于现有技术应当明显减少每个时间单位的电压变化，此外还可以实现具有标准功率半导体模块的结构。
该技术问题通过具有权利要求1的特征的变流器电路装置来解决。优选扩展方案在从属权利要求中提出。
本发明的变流器电路装置用于将至少一个第一多相交流电压转换为高压直流电压。该多相交流电压在分散能量供应的范畴内或在风电场中例如可以通过多个发电机产生。变流器电路装置还用于将该高压直流电压转换为第二多相交流电压以馈入电网，例如中压电网。
本发明的变流器电路装置包括变流器单元的第一和第二级联，其中第一级联由第一变流器单元的串行排列形成，第二级联由第二变流器单元的串行排列形成。
每个第二变流器单元都具有变压器侧的第一端子以及直流电压侧的第二端子。第一端子用于将变压器的相应绕组与三相桥电路的相应中点连接。三相桥电路在其一侧与中间电路连接，该中间电路在至少一个支路中具有第二电流阀(Stromventil)以及与三相桥电路并联的第一电流阀。该电流阀与变流器单元的第一端子连接。
第一变流器单元被构成为与第二变流器单元相同，或者其具有三相整流电路，其中三相整流电路的各中点与变压器的相应绕组连接。直流电压侧的第二端子同样电路正确地与三相整流电路连接。
所述级联被构造为相邻变流器单元的第二端子的串行连接。
附图说明
下面借助图1和图2示例性解释本发明的思想。
图1示出按照本发明的变流器电路装置的第一实施方式。
图2示出按照本发明的变流器电路装置的第二实施方式。
具体实施方式
图1示出本发明变流器电路装置1的第一示例实施方式。在此示出完全对称的结构，其中未示出的变压器的结构在此不予考虑。
每个变流器单元20、30包括三相桥电路22、32，其中三相桥电路在其一侧被构造为分别在每个相位具有上功率开关220、320和下功率开关230、330。每个功率开关220、230、320、330在其一侧由多个双极晶体管224、234、324、334的并联电路组成，其中仅分别显示一个。这些晶体管224、234、324、334与多个自振荡二极管222、232、322、332反向并联，还是仅分别示出一个。晶体管和二极管在此例如是电压级别为1700V的半导体元件，如其在标准功率半导体模块中通用地使用的那样。三相桥电路22、32的直流电压侧与具有至少一个电容器240、340的中间电路24、34连接。三相桥电路22、32的交流电压侧分别在中间与变压器的相应绕组连接。
第一电流阀26、36与三相桥电路22、32并且与电容器240、340并联。该第一电流阀在变流器电路装置1的这种实施方式中被构造为至少一个双极晶体管260与至少一个二极管262的反向并联电路。该电流阀26、36用于桥接相应变流器单元20、30。由此，一方面可以以冗余数量的变流器单元20、30来构成级联2、3，同样，还可以桥接有故障的变流器单元，并因此即使在个别故障时也能使整个变流器电路装置1保持工作。
中间电路24、34还在一个支路中具有第二电流阀28、38，该第二电流阀同样被构造为至少一个双极晶体管280、380与至少一个二极管282、382的反向并联电路。
在变流器电路装置1的所示实施方式中，级联2、3分别由6个变流器单元20、30构成，其中仅示意性示出。高压直流传输装置例如以100kV的电压工作，为此根据所采用的半导体元件的电压级别，串联连接的变流器单元20、30的数量在100的数量级内。
在变流器电路装置1的这种实施方式中，出于绝缘原因，优选地将每个级联2、3在其中点与地电势12、14连接。由此，电压例如为100kV的高压直流传输装置10优选在其中点与地电势连接，由此各个导线相对于地的电势的绝对值分别只有50kV，并因此简化了它们的绝缘。
变流器电路装置1的该实施方式的另一个优点在于，与现有技术相比，通过交错地(versetzt)对各个变流器单元20、30提供时钟(Taktung)，每个时间单位的电压变化明显减小。由此还导致，其他需要的输入滤波器明显更小花费地被构造。
同样有利的是，在本发明的变流器电路装置1的实施方式中，与现有技术相比，通过交错地向各个变流器单元20、30提供时钟，电网电流波动减小了对应于变流器单元20、30个数的系数。当时钟频率例如为1kHz并错开0.1ms时，电网电流波动等于10kHz的虚拟开关频率。
在变流器电路装置1的这种对称结构中，能量可以在两个方向上、即从第一级联2向第二级联3以及从第二级联3向第一级联2传输。在从第一级联2向第二级联3传输时，第一电流阀26的所有晶体管260都不导通，因此只有经过二极管262的电流路径是导通的。应当连接的那些变流器单元的第二电流阀28的各晶体管280在该情况下是导通的。通过变流器单元20的这种连接，提高了所产生的第一级联2的直流电压，以及在断开时减小了所产生的第一级联2的直流电压。
第二级联3的第二电流阀38的晶体管380在此都不导通，由此只有经过二极管282的电流路径才是导通的。根据所传输的直流电压，第一电流阀36的晶体管360导通。通过这些晶体管360的周期性导通，可以对所有变流器单元30相同程度地施加负载。同样，原则上可以断开各个有故障的单元。为此，还可以采用附加的未示出的机械开关。
此外，断开的能工作的单元可以为连接的交流电网提供必要的无功功率，其中该无功功率可以具有任意电容或电感分量。
本发明的变流器电路装置1由于其包括变流器单元20、30与标准部件的级联2、3的级联结构而具有以下优点：即也可以经济地为例如从1MW开始的小功率进行高压直流传输。因此，可缩放的结构具有优点，即与功率近似线性地变化成本和费用。由此，例如还可以在异步独立网路之间经济地采用高压直流传输。
图2示出本发明变流器电路装置的第二示例性实施方式。在此示出非对称结构，包括被构造为整流器的第一变流器单元和其基本构造对应于按照图1的变流器单元的构造的第二变流器单元。
每个第一变流器单元20由三相整流电路21组成，三相整流电路在每一相分别具有上电流阀210和下电流阀212，其中每个电流阀210、212被构造为二极管，或优选被构造为电压级别例如为1700V的多个并联连接的二极管，由此级联2作为部件可以用于标准功率半导体模块。
三相整流电路21的直流电压侧形成直流电压侧的第二端子，而交流电压侧分别在中间与变压器40的相应绕组42连接。
在此，特别有利的是，两个相邻第一变流器单元20的变压器侧第一端子与变压器40的相应绕组42连接。
第二变流器单元30在两个不同实施方式中被构造。在每个实施方式中，第二变流器单元30由三相桥电路32构成，三相桥电路在其一侧被构造为每一相分别具有上功率开关320和下功率开关330。每个功率开关320、330在其一侧由多个双极晶体管324、334的并联电路组成，其中仅分别显示了一个。这些晶体管与多个自振荡二极管322、332反向并联，还是仅分别示出一个。晶体管和二极管在此例如是电压级别为1700V的半导体元件，如其在标准功率半导体模块中通常使用的那样。三相桥电路32的直流电压侧与具有至少一个电容器340的中间电路34连接。三相桥电路32的交流电压侧分别在中间与未示出的变压器的相应绕组连接。
第一电流阀36与三相桥电路32并与电容器340并联。第一电流阀在第二变流器单元30的第一实施方式中被构造为至少一个双极晶体管360与至少一个二极管362的反向并联电路。该电流阀36用于桥接相应变流器单元30。由此，一方面可以用冗余数量的变流器单元30构成级联3。同样，还可以桥接有故障的变流器单元，并因此即使在个别故障时也能使整个变流器电路装置1保持工作。
中间电路34还在一个支路中具有第二电流阀38，第二电流阀同样被构造为至少一个双极晶体管380与至少一个二极管382的反向并联电路。
在第二变流器单元30的第二实施方式中，第二电流阀38被构造为至少一个二极管384。如果是多个二极管，则这些二极管当然是相互并联。第一电流阀36被构造为半导体闸流管364。
在变流器电路装置1的所示实施方式中，级联2、3还分别由6个变流器单元20、30构成，其中这些变流器单元同样是示例性的并仅用作概览。准确的个数由高压直流传输装置10的电压、所采用的功率半导体元件的电压级别以及变流器单元20、30的期望冗余来确定。
在变流器电路装置1的所示实施方式中，出于绝缘原因，优选将每个级联在其中点与地电势12、14连接。
在变流器电路装置1的非对称结构中，能量只能从第一级联2传向第二级联3。
例如，在两个第一变流器单元20上示出了与相应变压器40的端子。尤其有利的是，两个相邻变压器单元20的变压器侧的第一端子分别与变压器40的相应绕组42连接。

Claims (8)

1.一种用于将至少一个第一多相交流电压转换为高压直流电压、并将所述高压直流电压转换为第二多相交流电压的变流器电路装置(1)，包括变流器单元(20，30)的第一级联(2)和第二级联(3)，其中每个变流器单元分别具有变压器侧的第一端子和直流电压侧的第二端子，
其中第一级联(2)由第一变流器单元(20)的串联排列构成，第二级联(3)由第二变流器(30)的串联排列构成，
其中第二变流器单元(30)被构造为具有通过第一端子与变压器(40)连接的三相桥电路(32)、具有中间电路(34)，其中在中间电路(34)的至少一个支路中设置第二电流阀(38)，并且与三相桥电路(32)并联地设置第一电流阀(36)，
其中第一变流器单元(20)被构造为与第二变流器单元(30)相同，或被构造为三相整流电路(21)。
2.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中级联(2，3)中变流器单元(20，30)的每个第一电流阀(26，36)被构造为至少一个双极晶体管(260，360)与至少一个二极管(262，362)的反向并联电路。
3.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中至少一个第一电流阀(26，36)被构造为半导体闸流管(264，364)或被构造为机械开关。
4.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中变流器单元(20，30)的第二电流阀(28，38)被构造为至少一个双极晶体管(280，380)与至少一个二极管(282，382)的反向并联电路，或只被构造为至少一个二极管(282，382)。
5.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中所述中间电路(24)具有至少一个电容器(240)。
6.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中两个相邻的第一变流器单元(20)和/或第二变流器单元(30)的变压器侧的第一端子分别与变压器(40)的相应绕组(42)连接。
7.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中第一变流器单元(20)和/或第二变流器单元(30)的变压器侧的所有第一端子分别与变压器的相应绕组连接。
8.根据权利要求1所述的变流器电路装置，其中至少一个级联(2，3)在其中点与地电势(12，14)连接。
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