CN102611320B - 电力传输设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于在电网(UP)和多相电机(M2、M3)之间传输电力的设备，所述电网(UP)以交流电工作，所述设备包括根据级联原理工作的低压电池(CS、C11…CN6)和至少一个变压器(TA、T1…TN)，所述低压电池包括单相输出连接端(OUT)，对于连接至所述至少一个变压器的每个电池，所述至少一个变压器包括对于特定电池专用的单相或多相绕组，其特征在于，所述变压器包括至少一个附加绕组(WA、WB1…WBN)，为了至少一个辅助设备电路，所述至少一个附加绕组与其他绕组连接至同一磁路，所述至少一个辅助设备电路能够连接至所述附加绕组。

Description

电力传输设备
技术领域
本发明涉及电力传输设备，用于在两个电网之间或者电网和多相电机之间传输电力，该设备包括低压电池及一个或多个变压器，所述电池连接至所述变压器。
背景技术
中压供电网是指1kV以上的配电网，其用于电能传输，例如高压(36kV以上)主网和低压(1kV以下)用户网之间的电能传输。配电网通常以50/60Hz的交流电工作。
本领域已知的是，由于较小的电流及由此带来的较小的功率损耗，在大功率(例如1MW以上)电力设备中使用中压供电网是有利的。由于不同的频率、不同的电压水平或者对绝缘的需要，在电力设备(例如电机)和配电网之间通常需要某种调节器。本领域已知的是，可以通过变压器和电力转换器(例如频率转换器)有利地安排所需的调节。
由于制造工艺的原因，通常用于频率转换器的开关型功率半导体器件的耐压很小，以致对于中压，必须把一些开关型功率半导体器件串联连接。本领域已知的是，要避免与器件的串联相关的问题，可以通过借助于所谓的级联电路来使用低压频率转换器技术，其中适当数量的低压电池串联连接，以获得足够的总耐压。该电路还包括变压器，变压器包括其自身的、对于属于电力转换器的每个电池的绕组。级联电路的示例可见于，例如专利US5,625,545和专利公布US2010/0327793，在前者的解决方案中，变压器工作在供电网的频率并且其所有绕组均是三相的，在后者的解决方案中，变压器工作在1kHz以上的高频并且其所有绕组均是单相的。
在配电网中有时会发生扰动，例如瞬时的电压断供。靠电力工作的过程在此类情形中将失去其可控性，由此，通常需要尽可能快地中止该过程。例如，在以频率转换器向电动机供电的情况下，这意味着将转速控制为，在电动机的工作点可以转到发电机侧的时候变为零(即其开始向频率转换器供电)。为了防止这种情况中的内部过压，频率转换器通常设有所谓的制动断路器，通过制动断路器，发电机的电力能够提供给电阻器。在级联型频率转换器中，出于绝缘等方面的原因，动态制动的实施是难以操作且昂贵的，因为根据现有技术，每个电池均必须设有其自身的电阻制动器。
已知的是，包含在级联电路中的电池根据所谓的脉宽调制(PWM)原理工作，据此，这些电池包括设有高电容值的滤波电容器的直流(DC)中间电路。为了防止大的开关电流电涌，这些类型的电容器必须在将设备连接至供电网之前充电至几乎满电压。根据现有技术，为了达到此目的，使用例如与主断路器并联连接的第二断路器和充电电阻器，而这提高了成本。在根据专利公布US2010/0327793的所谓的双级联电路中，通过电阻器，可以仅对布置在变压器初级侧的电池充电。
发明内容
本发明的目标是获得一种新型装置，凭借这种装置可以避免上述缺点，而且凭借这种装置能够有利地实现动态制动和电池的滤波电容器的初始充电。此外，本发明使得测试装置成为可能，在该测试装置中，中压电路的可操作性能够在不与中压供电网直接连接的情况下进行检验，这在例如起动装置时是有用的。
凭借本发明的设备，可以在第一多相电力电路(例如，连接至多相变压器的级联的电力转换器的电力电路)和第二单相或多相电力电路(辅助设备电路)之间传输电力，所述第二单相或多相电力电路通过独立的附加绕组连接至同一变压器。更特别地，根据本发明目标的设备适于在级联的电力转换器(工作在中压环境中)和电力电路(辅助设备电路)(工作在低压环境中)之间使用。
本发明适于在任意两个通过级联转换器结合在一起的电网之间使用，例如：
●在交流电网或直流电网和以交流电工作的电机之间，
●在两个具有不同电压和/或不同频率的交流电网之间，
●在交流电网和直流电网之间。
在根据本发明的解决方案中，级联型转换器中的变压器包括附加绕组，所述附加绕组可以处于低压并且其尺寸适于较低的功率，该功率小于转换器中包含的实际主绕组的功率。在变压器工作在供电网的频率的解决方案(US5,625,545)中，附加绕组可以是单相或三相的，而在高频变压器的解决方案(US2010/0327793)中，附加绕组总是单相的。附加绕组与连接至级联转换器的电池的绕组处于同一磁路中，从而其与绕组匝数有关的电压与其他绕组的电压成比例。
根据本发明的一个实施例，制动电路连接至所述附加绕组，该制动电路包括例如，整流器、用于直流电压的滤波电容器，以及制动断路器和制动电阻器。当供电网终止或降压时，级联转换器的电池能够在这种情况下经由附加绕组将其制动力提供给制动电路，该制动电路对于所有的电池是公共的。制动电路优选地在低压环境中工作，在这种情况下，能够对其使用廉价的元件，并且相对于中压，更加易于实现与用电安全有关的绝缘。
根据本发明的一个实施例，供电电路连接至附加绕组，该供电电路包括例如，连接至单相或三相低压网的整流器、用于直流电压的过滤电容器，以及由可控的功率半导体器件开关实现的逆变桥。在这种情况下，供电电路能够在转换器连接至中压供电网之前，将级联转换器的电池的滤波电容器充电至所需电压。可以通过根据PWM原理控制由转换(change-over)开关形成的电压的幅度而进行充电，以从零增加至最终的满电压，随着该电压的上升，电池的DC中间电路也几乎充好电。供电电路和制动电路可以连接至公共的直流电压。
根据本发明的一个实施例，布置在变压器的初级侧的电路连接至变压器次级侧的电路(例如经由滤波器)。在上述供电电路已经将电池的DC中间电路电压充电至正常工作水平之后，例如布置在变压器的次级侧的级联转换器可以开始向布置在初级侧的电路提供电力。在这种情况下，供电电路保持向系统提供形成于其中的总的耗损功率，例如在这种情况下，中压的初级电路和次级电路可以在最高为满功率时进行测试，而没有与供电网直接的连接。
根据本发明的解决方案的性能特征在下文的权利要求书中进行了详细的描述。
附图说明
下面参照附图，借助于实现方式的某些实施例，对本发明进行更加详细的描述，其中
图1示出了电机和中压供电网之间的现有技术的级联电路，
图2A和2B示出了现有技术的级联电路的电池，
图3示出了现有技术的级联电路的动态制动器，
图4示出了现有技术的级联电路的充电装置，
图5A和5B示出了本发明的级联电路的动态制动器，
图5C和5D示出了本发明的级联电路的第二动态制动器，
图6示出了现有技术的级联电路的电池，
图7A和7B示出了本发明的级联电路的充电装置，
图8示出了本发明的级联电路的测试情形。
具体实施方式
图1示出了本领域已知的所谓级联的频率转换器的基本电路，该类型电路的工作可以从例如专利US5,625,545中了解。其通常包括中压且三相的供电电压UP(频率通常是50Hz或60Hz)以及频率和幅度可调节的、用于给电机M1供电的三相输出电压U、V、W。频率转换器包括相似的低压电池CS1...CS9，多个低压电池在每个输出相位中串联连接。这些电池连接至公共的变压器TP，变压器TP的三相初级线圈WP连接至中压供电网UP，并且该变压器包括对于每个电池的独立的三相低压次级线圈WS。与该图的实施例不同，次级绕组还可以是单相的。正如所知，串联连接的电池的数量取决于输出电压，在图1的实施例中存在串联的3个电池，在这种情况下，存在对应的9个次级绕组。所使用的串联连接的组越多，输出电压的脉冲图形能够包括的阶数就越多，这对于输出电压的谐波含量具有有益效果。
图2A示出了电池CS的电路的示例，已知的是，可以在电力流向为仅从供电网朝向电机时使用此类型的电池CSQ2。变压器的三相次级绕组WS对电池供电，该次级绕组连接至供电连接端IN2。电池包括三相整流桥REC(包含二极管)、直流电压DCQ2的滤波电容器CQ2以及单相逆变桥HS，单相逆变桥HS包括两个所谓的相位开关，相位开关包括可控的功率半导体器件开关(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT))和二极管，该相位开关可以连接至任一直流电压极的输出连接端OUT2的任意一极。
当电力能够在任一方向流动时，已知的是可以使用图2B所示的CSQ4。在图2B中使用有源网桥AFE代替所谓的无源网桥REC，该有源网桥在该实施例中包括3个相似的相位开关，这些相位开关也用于逆变桥HS。滤波单元LFU可以连接在待供电的次级绕组WS和AFE桥之间，用于衰减电流的谐波。本领域已知的是，通过使用AFE桥，除了能够对网络提供制动力，还可以获得几乎是正弦形式的网络电流的波形。
图3示出了根据现有技术安排动态制动的可能，例如，在供电网的电压由于扰动而断开并且需要尽可能快地停止过程时，需要动态制动。该电路包括可控的电力开关VB(例如IGBT)和电阻器RB，它们与电池CSQ2、CSQ4的直流电压滤波电容器CQ并联连接。在制动情形中，将电力开关VB控制为导通，在这种情况下，根据直流电压DCQ和电力开关的控制，在电阻器中形成对电机制动的耗损功率。每个电池中均需要动态制动电路，这从成本和电阻器的电绝缘的角度看都是问题。
已知的是，包含在级联电路中的电池包括DC中间电路，DC中间电路设有高电容值的滤波电容器。为了防止大的开关电流电涌，这些类型的电容器必须在将设备连接至供电网之前充电至几乎满电压。图4包含现有技术的充电装置的示例，其包括连接至变压器初级电路的充电接触器K1和充电电阻器R1、R2。首先，当电池的电容器CQ断电时，接触器K1的触点断开。当供电电压UP连接至输入连接端L1、L2、L3并且向前通向接触器时，经由电阻器R1和R2、变压器TP以及电池CS的网桥REC、AFE的二极管提供的电流对滤波电容器CQ充电。当电容器已经充电至几乎满电压时，接触器K1的触点可以闭合，在这种情况下可以开始正常的操作。接触器的充电电路K1、R1、R2和控制电路是中压电路，这从成本和电绝缘的角度看都是问题。
图5A示出了根据本发明的解决方案，用于安排根据图1的级联转换器中的动态制动。电池连接至公共的变压器TA，其三相初级绕组WPA连接至待供电的中压供电网UP，并且该变压器包括对于每个电池的独立的三相低压次级绕组WSA。根据本发明的级联变压器TA包括附加绕组WA，制动单元BRA连接至该附加绕组WA。根据该图，附加绕组WA优选地是三相的，但是其可以是单相的。
图5B包含制动单元BRA更加详细的示例，其中所述附加绕组的电压在二极管桥RECA1中整流为直流电压DCA1，直流电压DCA1由电容器CA1滤波。实际的制动电路包括电阻器RBA和可控的电力开关VBA，以与参照图3所描述的相同方式对电力开关VBA进行控制。在根据本发明的装置中，所有的电池能够将它们的制动能量供给相同的公共制动单元。制动电路优选地是低压的，在这种情况下可以相应地在制动电路中以及在电池中使用廉价的器件，并且相对于中压，更加易于实现与用电安全有关的绝缘。
图5C示出了根据本发明的解决方案，用于安排所谓的双级联电路中的动态制动，一种类型的双级联电路展示在专利公布US2010/0327793及其他文献中。双级联电路包括串联连接的组G1...GN，每个组均包括其自身的、工作在1kHz以上频率的变压器T1...TN，以及在这些变压器两侧级联的相似的电池C11...CN6。图6示出了电池C11的内部电路的一个示例。根据本发明，每个特定组的变压器T1...TN包括单相附加绕组WB1...WBN，它们可以连接至对于所有的组公共的制动单元BRB(根据图中的优选实施例)，或者连接至对于各个组特定的制动单元。
根据图5D的实施例，制动单元包括对于每个特定组的附加绕组自身的整流桥RECB1...RECBN、直流电压DCB1的滤波电容器CB1，以及制动电阻器RBB和电力开关VBB，以与参照图3所描述的相同方式对电力开关VBB进行控制。根据优选的配置，附加绕组和制动单元是低压的。
图6包含双级联电路的电池C11的示例。其包括待连接至变压器的单相桥电路H1、DC中间电路DC1的滤波电容器C1以及单相逆变桥H2。所谓的H桥电路H1和H2二者包括相似的相位开关，这些开关参照图2A在上文进行了描述。对于本领域技术人员显而易见的是，图6所示的电池能够在任一方向传输电力，从输入连接端IN11到输出连接端OUT11，反之亦然。
图7A示出了根据本发明的解决方案，用于安排根据图1的级联转换器中的初始充电。根据本发明的级联变压器TA包括附加绕组WA，供电单元PSA连接至所述附加绕组WA。根据该图，附加绕组WA优选地是三相的，但是其可以是单相的。供电单元PSA的供电电压ULV(优选地是低压的50/60Hz配电电压)在二极管桥RECAL中整流为直流电压DCA2，直流电压DCA2可以由电容器CA2滤波。根据该图的实施例，该单元还包括三相逆变桥INUA，三相逆变桥INUA包括三相开关，所述三相开关包括可控的功率半导体器件开关和二极管。相位开关的输出连接端INA可以直接地，或者经由滤波器(例如图2B中的LFU)连接至附加绕组WA。级联转换器的电池(例如CS1)的滤波电容器的初始充电的发生，使得桥INUA根据现有技术的PWM原理形成三相升压(risingvoltage)，经由变压器TA并且由电池CS的网桥(图2A、2B中的REC或AFE)的二极管整流，所述三相升压对滤波电容器充电。
图7B示出了如何能够在双级联转换器中安排根据本发明的初始充电。根据本发明，每个特定组的变压器T1...TN包括单相附加绕组WB1...WBN，这些单相附加绕组WB1...WBN可以连接至对于所有的组公共的供电单元PSB(根据该图的优选实施例)，或者连接至对于各个组特定的供电单元。供电单元PSB的供电电压ULV(优选地是低压的50/60Hz配电电压)在二极管桥RECBL中整流为直流电压DCB2，直流电压DCB2可以由电容器CB2滤波。在该图的实施例中，供电单元包括对于每个特定组的附加绕组自身的逆变桥HB1...HBN，各个逆变桥HB1...HBN包括两个转换开关。级联转换器的电池(例如C11)的滤波电容器的初始充电的发生，使得逆变桥HB根据现有技术的PWM原理形成对于每个组特定的单相升压，经由变压器T1...TN并且由电池的网桥(例如图6的实施例中的H1)的二极管整流，所述单相升压对滤波电容器充电。
图8示出了本发明如何能够应用于双级联转换器的测试。根据该图，转换器的输入连接端L1、L2、L3经由滤波单元FILT与输出连接端U2、V2、W2连接。当假设电池C11...CN6的内部DC电路充满电时，级联的电池可以根据PWM原理形成对于输入侧和输出侧的标称电压。通过调节电压之间的相移，可以调节流经滤波单元的电流(即转换器的负载电流)的幅度。这样，转换器甚至可以在最高为额定电流时进行测试，而并不连接至实际的供电网。根据本发明，经由这种类型的测试装置中特定组的变压器T1...TN的附加绕组WB1...WBN，只有系统消耗的耗损功率提供至该系统(通过上文参照图7B描述的电池单元的行为)。本发明的效果是，中压电力转换器可以以满电压和电流进行测试，而并不与中压电网直接连接，这在野外条件等情况下是很有利的。
本领域技术人员将会注意到，当控制逆变桥INUA、HB的功率半导体器件开关失去控制，并且图3所示的动态制动电路连接至它们的DC中间电路DCA2、DCB2时，图7A和7B所示的供电单元PSA、PSB也可以实施动态制动所需的整流功能RECA1、RECB。本领域技术人员还将注意到，图7A的电路图示出了普通的PWM频率转换器，这种类型的频率转换器可以根据本发明进行使用，连接至附加绕组，以实施动态制动功能和电源功能。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的不同实现方式并不仅限于上述实施例，而是这些实现方式可以在下面的权利要求书的范围内有所变化。

Claims (18)

1.一种用于在电网(UP)和多相电机(M2、M3)之间传输电力的设备，所述电网(UP)以交流电工作，
所述设备包括根据级联原理工作的低压电池(CS、C11…CN6)和至少一个变压器(TA、T1…TN)，所述低压电池包括单相输出连接端(OUT)，对于连接至所述至少一个变压器的每个电池，所述至少一个变压器包括特定电池专用的单相或多相绕组，
其特征在于，所述变压器包括至少一个附加绕组(WA、WB1…WBN)，所述至少一个附加绕组(WA、WB1…WBN)与所述变压器的其他绕组连接至同一磁路，并且所述设备包括连接至所述附加绕组(WA、WB1…WBN)的至少一个辅助设备电路；
其中，所述辅助设备电路包括一个或多个可控的功率开关；所述辅助设备电路是制动电路，对所述制动电路设置操作，使得当供电网终止时，所述低压电池(CS、C11…CN6)能够经由所述附加绕组将其制动力提供给一个或多个制动电路，其中所述制动电路包括对所述附加绕组的电压进行整流的整流器(RECA1、RECB1…RECBN)、直流电压的滤波电容器(CA1、CB1)，以及制动断路器和制动电阻器(VB、RB)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述辅助设备电路还包括供电电路，所述供电电路被配置为根据PWM原理形成升压，以对所述低压电池(CS、C11…CN6)的滤波电容器进行充电。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述附加绕组处于低压。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述变压器工作在供电网的频率，而所述附加绕组是单相或三相的。
5.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述变压器工作在1kHz以上的频率，而所述附加绕组是单相的。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，对所述供电电路设置操作，使其在转换器连接至中压供电网之前，经由所述附加绕组将级联转换器的电池的滤波电容器(CQ2、CQ4、C1)充电至所需电压。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，对所述供电电路设置操作，使其在转换器连接至中压供电网之前，经由所述附加绕组将级联转换器的电池的滤波电容器(CQ2、CQ4、C1)充电至所需电压。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述供电电路包括直流中间电路(DCA2、DCB2)以及至少一个根据PWM原理工作的逆变桥(INUA、HB1…HBN)，由该逆变桥形成的电压设置为，从零增加至最终的满电压，并且本质上随着该电压的上升，所述电池的直流中间电路也进行充电。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述供电电路包括直流中间电路(DCA2、DCB2)以及至少一个根据PWM原理工作的逆变桥(INUA、HB1…HBN)，由该逆变桥形成的电压设置为，从零增加至最终的满电压，并且本质上随着该电压的上升，所述电池的直流中间电路也进行充电。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述供电电路从单相或三相低压网(ULV)接收其电力供应。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述供电电路从单相或三相低压网(ULV)接收其电力供应。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述供电电路设置为，经由所述附加绕组在测试电路中提供系统的耗损功率，在测试电路中，布置在双级联转换器的变压器的初级侧的电路经由滤波器或相应设备，连接至布置在变压器的次级侧的电路。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述供电电路设置为，经由所述附加绕组在测试电路中提供系统的耗损功率，在测试电路中，布置在双级联转换器的变压器的初级侧的电路经由滤波器或相应设备，连接至布置在变压器的次级侧的电路。
14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述供电电路和所述制动电路连接至公共的直流电压。
15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述供电电路和所述制动电路连接至公共的直流电压。
16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在双级联电路中布置动态制动电路，所述双级联电路包括串联连接的组(G1…GN)，每个组均包括其自身的变压器(T1…TN)以及在这些变压器两侧级联的电池(C11…CN6)，其中每个特定组的变压器(T1…TN)包括单相附加绕组(WB1…WBN)，所述单相附加绕组连接至对于所有的组公共的制动单元(BRB)，或者连接至对于各个组特定的制动单元。
17.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，在双级联电路中布置供电电路，其中每个特定组的变压器(T1…TN)包括单相附加绕组(WB1…WBN)，所述单相附加绕组能够连接至对于所有的组公共的供电单元(PSB)，或者连接至对于各个组特定的供电单元。
18.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，在双级联电路中布置供电电路，其中每个特定组的变压器(T1…TN)包括单相附加绕组(WB1…WBN)，所述单相附加绕组能够连接至对于所有的组公共的供电单元(PSB)，或者连接至对于各个组特定的供电单元。
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