CN103997231A

CN103997231A - 旁路级联单元变换器

Info

Publication number: CN103997231A
Application number: CN201410097672.9A
Authority: CN
Inventors: K·内措尔德; M·布拉加德; K·芬克; R·格里斯尔; R·韦格纳
Original assignee: DET International Holding Ltd
Current assignee: DET International Holding Ltd
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-08-20
Also published as: EP2760123A3; TW201444265A; HK1198399A1; EP2760123A2; US9553526B2; EP2760122A1; US20140204632A1; TWI612763B

Abstract

在将能量从发电机变换至电力网的变换器中，其中变换器包括多个功率模块，其中每个功率模块包含至少两个功率单元和将功率单元连接至电力网的变压器，其中每个功率单元包含相输入、相输出、连接至变压器的变压器输出、整流器电路以及逆变器，功率模块(4.1、...、4.n)的变压器(T)包含与功率单元(5)的每个针对的一个发电机侧绕组(10)和正好一个共用电网侧绕组(9)用于对流经功率模块(4.1、...、4.n)的功率单元(5)的能量进行均衡。

Description

旁路级联单元变换器

技术领域

本发明涉及用于将能量从发电机变换到电网的变换器，其中发电机的相数至少为二，变换器包括多个功率模块，每个功率模块包含至少两个功率单元和用于将功率单元连接至电网的变压器，每个功率单元包含相输入、相输出、连接至变压器的变压器输出、整流器和逆变器。此外，本发明涉及操作这样的变换器的方法。

背景技术

特别是由于风电应用领域中快速的技术发展，当前非常需要先进的变换器应用。具体而言，需要这样的功率变换器：其能够以高效、可靠的方式将电能从具有可变频率和可变输出电压的发电机传输至具有准恒定频率和电压的中压电网。为了达到这些目标，可以使用被称作多电平变换器的具有多个功率电平的变换器。

US6,301,130描述了具有并联连接的有源输入(active input)的模块化多电平可调电源。该拓扑被设计用来将能量从电网传输至电机。

发明内容

本发明的一个目的是创建与开始提到的技术领域有关的变换器，其提供电压可调节性、相对地重量轻并且可靠性高、特别是在风电应用中导致变换器高可用性、提供简单维护性并且相对地成本低。

本发明的解决方案由权利要求1的特征所限定。根据本发明，在根据上述技术领域的变换器中，为了均衡流经功率模块(4.1、...、4.n)的功率单元(5)的能量，功率模块的变压器包括与该功率模块的功率单元的每个针对的一个发电机侧绕组和正好一个共用电网侧绕组。

通过为每个功率单元提供一个发电机侧绕组，但是为功率模块的全部功率单元提供仅一个共用电网侧绕组，通过功率模块的全部功率单元的能量传输经由该电网侧绕组进行均衡。由此，没有一个功率单元需要承受发电机在零与最大能量之间的整个能量变动。该能量变动甚至可以是零，从而实际上消除了对DC链路电容的需要。尽管在实际实施中DC链路电容通常没有完全消除，但是其可显著减小。这非常重要，这是因为这些DC链路电容电容量越低就变得越便宜、体积越小。因此，根据本发明的均衡导致了更便宜和更小的变换器。

发电机优选为中压发电机，这表示其输出电压通常在中压范围中。为了本发明的目的，术语中压应被理解为电功率输送和分配系统中的中压，其通常表示约1000伏特到约100000伏特范围中的电压。

变换器优选为具有固定额定频率和固定电压的频率变换器，在优选实施例中功率模块实质上相同。逆变器优选为具有具备IGBT的B6拓扑，并优选具有制动斩波器。

优选地，整流器为无源整流器，以便变换器适于只将能量从发电机传输至电力网，即，发电机被限定为2Q运行，其中能量不可从电力网传输至发电机。

如上所述，变换器包括串联连接至发电机的两个或更多功率模块。两个或更多串联连接的功率单元因此被提供用于每个发电机相。由此，发电机所输送的电压被分配给串联连接的功率单元，从而每个功率单元仅仅必须承受一部分发电机电压。每相的功率单元数量优选被选择为使得每个功率单元仅需承受约50伏特到1000伏特范围中的电压。根据电功率输送和分配系统中常用的术语，该电压范围被指定为本发明中的低压。

该配置具有这样的优点：可使用标准化的低压部件而非大多为定制并因而昂贵得多的中压部件。

一般而言，可以按任何适当的方式来配置变压器，这意味着绕组可例如缠绕在磁芯上以实现发电机侧绕组的共同磁通。功率模块的每个功率单元的每个或一些绕组通常可缠绕在变压器磁芯的不同部分。但是，为了增强对流经功率单元的能量的均衡，变压器优选为适于发电机侧绕组之间的高度磁耦合。

发电机侧绕组之间的高度磁耦合优选由于下述方式实现：即功率模块的每个功率单元的对应相绕组集体缠绕在变压器磁芯的公共部分。在例如三个发电机相以及每个功率单元三个发电机侧绕组的情况下，第一功率单元的第一相、第二功率单元的第一相和第三功率单元的第一相放置在一起并共同缠绕在变压器芯上。由此，功率模块的功率单元的对应相彼此紧邻并缠绕在磁芯的相同部分上。

从而可在绕制之前将功率单元的对应相绕组并排(堆叠)放置在一起。但是，当将绕组扭曲在一起时，可以达到更好的磁耦合结果，其中术语扭曲绕组(twisted winding)还应包括混合绕组。

典型地，每个变压器包括所有发电机侧绕组之间的发电机最大相电压的电绝缘和／或电网侧绕组与发电机侧绕组之间的电网最大相电压的电绝缘。在一优选实施例中，每个变压器适于发电机侧绕组间的高度磁耦合。这样的变压器设计具有(特别是在低发电机频率下)能够更好地均衡在变压器芯磁路中通过一个功率模块的功率单元的能量传输的优点。

然而，实际中能量变化不会为零，即使是在发电机侧变压器绕组高度耦合的情况下。因此优选在各功率单元中提供一个DC链路电容来处理剩余的能量变化。但是该DC链路电容可以很小，优选为小于2000微法，或者甚至是小于100微法。

在本发明的优选实施例中，逆变器是开关型，其中使用IGBT作为可控开关。DC链路电容的值取决于IGBT的开关频率，但不取决于发电机频率。因此，依据IGBT的开关频率，DC链路电容的值还可选择为更大。

优选地，最小的必要DC链路电容C_min根据下式确定：

C_{\min} = F * \frac{P}{{\hat{U}}_{1} f_{P}} * \frac{1}{Δ U_{\max}} - - - (I)

其中ΔU_max为由逆变器的开关脉冲所引起的DC链路电容两端电压的电压上升，F为值在约0.1到0.5之间、优选为在0.12到0.2之间的因子，P为功率单元传递的功率，f_P为逆变器的开关频率，以及为在变压器输出处的相电压的振幅。

如上文所述，发电机和电力网具有至少两相的多相，例如，四相、五相或甚至更多相。但是变压器绕组的相数不一定要与其相等，有利的且因而优选的是电力网的相数、电网侧绕组的相数和发电机侧绕组的相数等于发电机的相数。

对于多相设备和网的相数，广泛使用的标准为三相。因此，在本发明的优选实施例中，发电机的相数为三相。

在优选实施方式中，每个变压器包括星形连接(也称作Y型连接)或三角型连接(也称作delta连接)中的三相电网侧绕组和星形连接或三角型连接中的三个发电机侧绕组。电网侧和发电机侧绕组也可以锯齿形连接(也称作Z型或曲折连接)方式连接。

在本发明的另一优选实施例中，每个功率单元包括一个切断机构，其适于使得功率单元的相输入和相输出之间能够直接电连接。换句话说，切断机构允许通过将功率单元短路来对其进行旁路。切断机构优选包括双向旁路开关。旁路开关例如为故障安全开关并包括至少一个反并联压装晶闸管(anti-parallelpress-pack thyristor)和／或至少一个常接通机械接触器，用于使得功率单元的相输入和相输出之间能够直接电气连接。通过最小化电容量的DC链路电容，每个功率模块优选地被优化用于2Q发电机用途。无源整流器电路典型的具有优选地由代替旁路开关的四个晶闸管或两个晶闸管和两个有源开关实现的B4配置。

使用这样的切断机构(特别是这样的旁路开关)的优点是，一个或更多功率单元可以暂时被短路以使发电机的功率输出与电力网的功率需求相匹配和／或在最佳负载区域中驱动各功率单元。

如前所述，发电机的每一相包括串联连接的多个功率单元。这种串联连接的优点是，通过改变工作的串联连接的功率单元的数量，例如通过短路并从而禁止一定数量的功率单元，能够实现对变换器的电压调节。在典型实施例中，发电机的每一相包括多于满载情况下技术上所必须的功率单元，因此在变换器的正常运行期间，一定数量的功率单元例如通过闭合其旁路开关而被禁用。然而，在本发明的优选实施例中，这些备用功率单元或冗余功率单元被配置为在工作功率单元故障的情况下例如通过断开其旁路开关而瞬时被启动。或者换句话说，禁用的功率单元在工作的功率单元故障时自动开始工作。这具有的优点是变换器的可靠性和可用性得以改善。在另一优选方法中，某些完好的功率单元在部分负载情况下关断以使得工作的剩余功率单元运行在其各自的最佳负载区域。

在优选实施例中，变换器优选包括控制系统。该控制系统例如用于控制功率单元，即，用于启用或禁用功率单元。因此，该控制系统用于控制功率单元的切断机构。然而，该控制系统还可完成如通信和测量任务的进一步的任务。

在另一优选实施例中，一个或更多功率单元包括用于控制各自功率单元的本地单元控制系统。在更优选的实施例中，所有功率单元都包括这样的本地单元控制系统。控制功率单元意味着控制可控设备，该可控设备当前例如包括逆变器的开关和切断机构。本地单元控制系统例如包括用于控制逆变器开关和／或切断机构的多个门驱动。

控制系统包括这些本地单元控制系统。在每个功率单元中使用这样的本地单元控制系统所具有的优点是，各功率单元高度自主，并且例如用于开启和关闭晶体管的命令的单元控制命令可直接在功率单元中生成。但是，也可以不是每个功率单元都具有其自己的本地单元控制系统，可以是例如一个或多个外部控制系统来完成变换器的控制职责。还可以是功率单元的本地单元控制系统不仅控制该功率单元，还控制一个或更多其它功率单元。也可以是每个功率单元具有其自己的本地控制系统且控制系统额外包括作为变换器一部分的一个或多个控制单元来控制功率单元和／或变换器的其它部件。在本发明的另一优选实施例中，本地单元控制系统适于从某相的一个功率单元切换至该相的另一功率单元，该切换通过禁用该一个功率单元并瞬间同时启用该另一功率单元来实现。这允许提供系统的真正冗余。当某相的一个工作功率单元故障时，还未工作的另一功率单元可以立即启用。此外，即使没有功率单元发生故障，在正常运行期间同一相的功率单元之间也可以进行切换。通过提供多于最大负载所必须的功率单元并在其间不断进行切换，可在变换器的运行期间实现各功率单元的相等运行时间。该功率单元的切换是可能的，这是因为所选择的旁路开关非常快速，从而旁路开关可以优选为实时进行切换。

控制系统的另一任务可以是确定在特定情形下需要多少功率单元工作。相比较于发电机产生高输出电压，如果发电机产生低输出电压，则需要工作的功率单元较少。由此，术语工作的功率单元表示这样一个功率单元：其中相输入和相输出之间的直接电连接被禁止，即旁路开关断开。

用于确定相中工作的功率单元的最低数量的主要参数是发电机电压。发电机电压通常不是恒定的，而是随着发电机的转速变化。工作的功率单元的最低数量随之可确定为当前发电机电压除以功率单元的电压降。当下文使用术语功率单元的“阻断电压”时也意味着该电压降。该电压降有时还被表示为功率单元的“耐受电压”。该比值通常得到的不是自然数，因此通过对该比值的绝对值(absolute value)加1来计算该最低数量。

由此，控制系统优选为适于根据发电机电压和功率单元的每个的两端的电压降来确定工作功率单元的最低数量。

为了适当地控制功率单元，本地单元控制系统了解由功率单元所传输的能量是有利的。该能量主要对应于流经该功率单元的电流。因此，可在功率单元之前或之后的某处放置电流测量设备以测量引向该功率单元或从该功率单元引出的线路中的电流。然而，在该情况下，功率单元可能还需要另外的输入用于接收该电流值。在本发明的优选实施例中，各功率单元的本地单元控制系统因而包含用于感测流经功率单元的电流的传感器设备。在特别优选的实施例中，该传感器设备适于感测功率单元的输出电流。该传感器设备优选包括至少一个传感器，通常该传感器设备对于功率单元的每个输出相包括至少一个传感器。且由于各功率单元的电压通常不超过低压范围，因此所使用的一个或更多传感器优选为对低压范围绝缘。

在优选实施例中，每个功率单元包括电源，这是因为每个单元都需要能量来例如操作控制系统和开关。该电源优选为由DC链路电容两端的电压降和／或旁路开关两端的电压降来供电。

与外部电源相比，该解决方案所具有的优点是不需对外部电源单元进行单独的电绝缘。然而，当然也可以使用外部电源单元来向功率单元供电。这样的位于功率单元外部的电源单元必须连接至功率单元并可例如由发电机或电力网供电。在上述两种情况下都可使用辅助的变压器来向外部电源单元供电。

在优选实施例中，每个功率单元包括一个在变换器的启动阶段给功率单元的DC链路电容预充电的充电设备。这具有进一步改善各功率单元的自主性以确保其电源的优点。该充电设备可以作为独立的单元来实现。但是优选地，本地单元控制系统和电源适于对DC链路电容预充电，其中预充电控制例如由控制系统的存储器中存储的软件来实现。随之变换器启动阶段期间的预充电通过以适当方式控制开关来执行。

然而，也可以安装用于变换器所有功率单元的中央充电电路或者用于每个功率模块中的所有功率单元的一个中央充电电路。

在优选实施例中，各功率模块的所有功率单元的相输入直接连接至之前功率模块的功率单元各自的相输出，或者在该功率模块为第一功率模块的情况下连接至发电机。这具有变换器设计相对简单并且对不同功率单元的控制简易的优点。然而，也可以安排不同功率单元的不同互连策略。术语“第一功率模块”应理解为“从发电机看来，在发电机与终端节点之间的功率模块的串联连接线路中的第一功率模块”。

因此，第一功率模块的功率单元的相输入以三角型连接方式连接至发电机。然而，该相输入也可以星型连接方式连接至发电机。

在优选实施例中，各功率模块所有功率单元的相输出直接连接至之后功率模块的功率单元的各自的相输入，或者在功率模块为最后一个功率模块时直接连接至公共终端节点。这具有变换器设计相对简单并且对不同功率单元的控制简易的优点。然而，也可以安排多个功率单元的不同互连策略。术语“最后一个功率模块”应理解为“从发电机看来，在发电机与终端节点之间的功率模块的串联连接线路中的最后一个功率模块”。

因此，最后一个功率模块的功率单元的相输出以三角型连接方式连接至公共终端节点。

在典型实施例中，变换器包括具有优选为光纤网的通信链路或通信总线的控制结构，其中通信链路将至少一个功率单元的本地单元控制系统连接至至少一个其它功率单元的本地单元控制系统。优选地，所有本地单元控制系统经由通信链路互连。这样的具有通信链路的控制结构的优点是不同功率单元之间的通信容易并且简单。通信链路也可省略和／或由无线网络等替代。

在优选实施例中，控制结构包括中央监控单元，其中该中央监控单元优选为经由通信链路连接至至少一个功率单元的本地单元控制系统。尤其优选的是，中央监控单元、本地单元控制系统和通信链路一起构成该控制结构。当然还可以的是，控制结构进一步包括例如传感器和／或连接点的其他部件。中央监控单元通常配置为在各功率单元的最佳电流共享、最佳交织和最佳运行时间方面对各本地单元控制系统进行控制。为了实现该目标，中央监控单元通常包括配置为对变换器所有功率单元和／或功率模块的状态进行监测的软件，并且该软件包括适于优选通过发送切换命令给功率单元和／或功率模块来对发电机的整体性能进行优化的控制算法。

在优选实施例中，至少一个变压器的至少一个发电机侧绕组被配置为用作各功率单元的逆变器的变压器输出处的电感滤波元件。这导致变换器的总体重量、功率损耗和成本降低。然而，也可安排与变压器分开的电感滤波元件。

在优选实施例中，至少一个功率单元包括额外的能量存储器，优选为电池，其可以是可再充电或非可再充电电池。这样的额外能量存储器具有的优点是允许电网缓冲并且还允许及时的能量的解耦产生和馈入。分散式低中级能量缓冲有益于电网的稳定性。在典型实施例中，额外的能量包括用于将电池连接至其余功率单元的DC-DC变换器。额外的能量存储器优选为并联连接至功率单元的DC链路电容。

本发明关于变换器操作方法的方案由权利要求18的特征进行限定。

在用于将能量从发电机变换至电力网的变换器中，根据本发明的方法包括通过为功率模块的变压器提供与该功率模块的每个功率单元针对的一个发电机侧绕组以及正好一个共用电网侧绕组并且均衡流经该共用电网侧绕组的能量来均衡流经功率模块的功率单元的能量的步骤，其中变换器包括多个功率模块，其中每个功率模块包含至少两个功率单元和用于将功率单元连接至电力网的变压器，以及其中功率单元的每个包含相输入、相输出、连接至变压器的变压器输出、整流器和逆变器。

在本发明的优选实施例中，切断机构受控用于启用或禁用功率单元。控制切断机构由此包括实现或禁止功率单元的相输入和相输出之间直接的电气连接。通过实现或禁止该直接的电气连接，可以以可控方式启用或禁用功率单元。

如前所述，相输入和相输出之间直接的电气连接优选通过旁路开关实现或禁止。

在根据本发明的另一优选方法中，根据本发明的变换器的至少一个功率单元的旁路开关由前述中央监控单元和／或功率模块的至少一个本地单元控制系统进行控制。在这样的方法中，取决于变换器的实际系统需求，单个或多个功率模块和／或功率单元典型地被连续实现和／或禁止——换句话说接通和关断。这种取决于实际系统需求的受控切换具有多个优点。例如，适当的切换可用来保证至少在一个功率单元中获得足够的DC链路电压以馈入能量，通过短路所选功率单元使得在部分负载期间能够获得更高的效率(假定旁路开关的导通损耗低于功率单元的总体运行损耗)以及允许对应单元的逆变器部分进行交织操作从而减少电网中的谐波。在典型的方法中，对于功率单元持续更新并存储运行时间信息。这具有的优点是可使得所有功率单元中的老化效应相似并且从而变换器的整体寿命可被最大化。旁路开关的控制切换的另一优点在于其可用来确保在变换器运行期间经由所有工作功率单元传递的功率相等。

实现或禁止功率单元的一个主要判据是发电机电压或与其紧密相关的发电机转速。因此进一步优选的是，根据发电机电压或发电机转速来执行切断机构的控制。

发电机电压或发电机转速例如由中央监控单元和／或至少一个本地单元控制系统所确定。基于发电机电压或发电机转速，可以确定哪个旁路开关应该在哪个时刻闭合或者断开。这具有的优点是，旁路开关的切换可至少在一定程度上可与发电机的实际功率产出相匹配。然而，为此也可以考虑其它参数，例如一相或者多相中的实际发电机输出电流。

从下文的详细描述和权利要求书全文可以得出其它有利的实施例和特征的组合。

附图说明

用于解释实施例的附图示出：

图1：根据本发明的变换器的示意性接线图，

图2：根据本发明的功率单元的示意性接线图，

图3：可视化示出本发明工作原理的电流图(低发电机频率)，

图4：可视化示出本发明工作原理的电流图(高发电机频率)，

图5：对功率模块变压器的更详细的示意性描述，

图6：图5所示变压器的示意性绕组图，

图7：DC链路电容与由功率单元的逆变器的切换引起的电压纹波之间关系的示意图，以及

图8：对于DC链路电容的特定值的DC链路电容两端电压的示意图。

图中，相同的附图标记表示相同的部件。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的变换器C的示意性接线图。变换器C连接在三相发电机1和电力网2之间。变换器C包括三相3.1、3.2和3.3，每一相连接至发电机1的对应相连接。变换器C包括n个功率模块4.1、...、4.n，其中仅第一个和最后一个在图1中示出。每个功率模块典型地被配置为作用于纯2Q-发电机用途。每个功率模块4.1、...、4.n包括三个功率单元5，其中功率单元5的每个电连接相3.1、3.2和3.3中的一相。每一相3.1、3.2、3.3在对应功率单元5的相输入6进入对应功率单元5并从对应功率单元5的相输出7输出。

每个功率单元5包括变压器输出8，各功率单元5经由变压器输出8连接至变压器T的对应发电机侧绕组10。每个功率模块4.1、...、4.n包括一个变压器T。每个变压器T包括一个电网侧绕组9和三个发电机侧绕组10。图1所示的本发明的实施例具有三相配置，需要三个发电机侧绕组，每相3.1、3.2和3.3对应一个绕组。由此，在具有超过三相或者仅有两相的多相配置中，发电机侧绕组的数量必须据此进行选择。

最后一个功率模块4.n的三个功率单元5的相输出7在公共端节点11处连接在一起。所有其它功率单元5的相输出7连接至后续功率模块4.1、...、4.n的对应功率单元5的相输入。通过这种方式，每相3.1、3.2、3.3实现了n个功率单元5的串联连接。

变换器C的拓扑从而由功率模块4.1、...、4.n的串联连接构成。三个功率单元5和一个多绕组变压器T构成每个功率模块4.1、...、4.n。所有变压器T的电网侧并联连接。每个发电机相3.1、3.2、3.3由串联的多个相同的功率单元5操作。串联的功率模块4.1、...、4.n的数量的变化导致模块化电压可调节性。串联功率模块4.1、...、4.n的最小数量n_{ser_min}由发电机1的最大相电压V_{ph_max}和功率单元5的最大阻断电压V_{cell_max}根据等式1进行限定：

n_{ser_min}＝abs(V_{ph_max}／V_{cell_max} 等式1

在三相系统中，功率模块4.1、...、4.n的总数量由等式2给定：

ntotal=3*n_{ser_min} 等式2

图2示出了根据本发明的功率单元5的示意性接线图。图2示出了相输入6和相输出7，通过相输入6和相输出7，功率单元5可经相3.1、3.2和3.3链接至其它功率模块4.1、...、4.n的功率单元5。此外，图2示出了变压器输出8，其用于将功率单元链接至对应的发电机侧绕组10.

功率单元5包括具有六个逆变器开关13的逆变器12。功率单元5还包括并联连接的DC链路电容14和制动15。制动15包括串联连接的制动电阻器16和制动斩波器17。此外，功率单元5包括整流器18。整流器18包括四个整流器开关19和双向旁路开关20。旁路开关20可以是例如反并联晶闸管(可控硅)的半导体，或者是机械接触器。旁路开关20将相输入6和相输出7彼此电隔离。当功率单元5工作时，旁路开关20断开，即，在相输入6和相输出7之间没有建立电连接。为了禁用功率单元5，旁路开关20闭合，即，在相输入6和相输出7之间建立电连接，从而功率单元5被短路或旁路。整流器18被设计用于来自发电机1的可变输入频率(通常为8-70Hz)。在图2所示的本发明的具体实施例中，整流器开关19为晶闸管。在正常操作期间，整流器18的晶闸管作为二极管来操作。这表示，它们在整个电周期期间处于导通状态。在变换器C和／或功率模块4.1、...、4.n和／或功率单元5的启动顺序中，整流器18对DC链路电容14充电。这通过对晶闸管进行相控制调制平滑完成。

此外，图2中描述的功率单元5包括用于控制逆变器12、制动15、整流器18——特别是其开关13、19和制动斩波器17——以及旁路开关20的本地单元控制系统21。另外，功率单元5包括电源22。每个功率单元5都需要这样的单独的低压电源22，电源22为单元控制以及为例如逆变器开关13和制动斩波器17的切换提供能量，逆变器开关13和制动斩波器17通常为晶体管，优选为IGBT。尤其是，电源随之为IGBT驱动器所需。优选的，所有使用的IGBT为低压类型(如，1700V)，其在相对导通损耗和价格方面具有优势。电源22通常从DC链路电容14和／或旁路开关20的正向压降汲取其输入功率。在任何情况下，电源22都被配置为保证为功率单元5提供不间断电源，特别是在所有故障模式期间。

对于具有400千瓦功率的功率单元而言，图2中所示元件例如可按如下方式进行选择：

逆变器开关13：IGBT(如Infineon FF450R17ME4)

DC链路电容14：1250微法

制动电阻器16：1欧姆，1秒1000安培

整流器开关19：晶闸管(如Infineon TT150N)

旁路开关20：2个反并联晶闸管

图3和4示出了对低发电机频率(图3)和高发电机频率(图4)可视化出了本发明工作原理的电流图。每个功率单元5(见图1和2)对具有来自发电机1(如8-70Hz，见图1)的可变输入频率的电网(如50或60Hz)或电力网2(见图1)的恒定频率进行调制。依据发电机频率f_gen和电网频率f_grid之间的频率比，由功率单元产生的流到变压器对应绕组的结果电流显得不同。图3和图4示范性的示出了对于50Hz的电网频率以及10Hz(图3)和70Hz(图4)的发电机频率的一个功率单元5所产生的输出电流I_{_cl1_ph1}、I_{_cl1_ph2}和I_{_cl1_ph3}。每个电流都没有DC分量，这主要是DC链路电容造成的结果，并且全部三个电流的总和在各个时间为零。

应当理解，图3和4中的电流图示出了n个功率模块4.1、...、4.n之一的三个功率单元5中的一个的变压器输出8(见图1和2)处的输出电流。每个特定功率模块4.1、...、4.n的其它两个功率单元5的电流各自移相120°。发电机1发出的连续功率相等地但是120°移位时间地分布在三个发电机相上。所产生的低频高功率环在每个多绕组变压器T的磁路中闭合。在每个时刻，一个功率单元5的瞬时输出功率精确对应于在其输入接线夹、即其相输入6和其相输出7处传递的功率。因此，DC链路电容14仅对不对称电网电压和分量容差(toleranceof component)进行缓冲。该过程能够确保连续的能量流入电力网2，而在DC链路电容14中不缓冲低频能量。各功率单元5的所需DC链路电容14的相对较小的体积构成了该拓扑的主要优点之一。

上述解释清楚表明，变换器C的各个功率单元5(见图1和2)能够被单独旁路，这意味着通过闭合旁路开关20在每个功率单元5的相输入6和相输出7之间建立了直接的电连接。一个功率模块4.1、...、4.n的所有三个旁路开关20通常同时闭合和断开。可通过两种方式使用该旁路：

1.通过增加冗余度来增大可靠性和可用性

特别是在风电应用——根据本发明的变换器C的一个主要目标领域——中，从岸上到海上应用对可靠性和可用性的需求显著增长。在此，本发明提供了大范围调节价格和可靠性之间的比值而不需额外进行开发的机会。当功率单元5内部发生故障时，该功率单元5和同一功率模块4.1、...、4.n中所有功率单元5通常被旁路。如果旁路开关20自身发生故障，该旁路开关20的设计(例如，反并联紧压包装晶闸管或常接通机械接触器)能够确保其进入短路。通过使用该方法，如果功率单元5不能工作，则变换器C能够以更少的功率运行。额外的功率单元5的引入能够提供冗余度并跳出该功率限制。在正常工作期间，某些功率模块4.1、...、4.n被旁路。这些功率模块4.1、...、4.n，特别是其功率单元5，在发生故障时被启动，变换器C仍然能够工作在额定功率下。如果插入x个额外的功率模块4.1、...、4.n，则n+x的冗余度变成可能，从而导致n_{ser_min}+x个功率模块4.1、...、4.n和总共3*(n_{ser_min}+x)个功率单元5。

2.在部分负载运行时增大效率

假设发电机1为永磁或恒定励磁同步机器，则输出电压取决于转速。因此，所需的变换器C的阻断电压在部分负载运行期间降低。该事实被用来关断某些功率单元5。旁路选项的动态使用能够降低变换器C在该工作点的总体损耗。为了能够进行这样的系统管理，旁路开关20的导通损耗显著低于工作功率单元5的累积损耗。

图5更详细的示出了一个功率模块的变压器T。变压器T包括连接至电力网2的共用电网侧绕组9、磁芯30和连接至功率模块的功率单元的发电机侧绕组10。

再者，功率模块包括三个功率单元C1、C2、C3，其中功率单元C1、C2、C3的每个在其变压器输出处提供有三个相。第一单元C1的各相连接至绕组C1_U、C1_V和C1_W，绕组C1_U、C1_V和C1-W缠绕在磁芯30上并且以Y型连接连接至中性点Y1。类似的，第二单元C2的各相连接至绕组C2_U、C2_V和C2_W，绕组C2_U、C2_V和C2_W缠绕在磁芯30上并且以Y型连接连接至中性点Y2，第三单元C3的各相连接至绕组C3_U、C3_V和C3_W，绕组C3_U、C3_V和C3_W缠绕在磁芯30上并且以Y型连接连接至中性点Y3。

电网侧绕组9同样包括三个相绕组Grid_U、Grid_V、Grid_W，其缠绕在磁芯30上并连接至电力网2的对应相。而且绕组Grid_U、Grid_V、Grid_W同样被示出为以Y型连接方式连接至中性点Y4，它们同样可以以三角型(也称作delta)连接方式连接。

现在，图6示出了变压器T的初级和次级绕组是怎样缠绕在磁芯30上来实现上文所述的高度磁耦合。

磁芯30为“8”形状的芯，其可由E型、I型或U型铁芯部件或者其它任何适合的芯部件组装而成。三个功率单元C1、C2、C3中每一个的第一相绕组C1_U、C2_U和C3_U扭曲并集体缠绕在磁芯30的第一芯柱31上。由于在图6中组合为缠绕在芯柱31上的单根线，拧在一起的相绕组C1_U、C2_U和C3_U被示意性地示出。

类似的，第二相绕组C1_V、C2_V和C3_V扭曲并集体缠绕在第二芯柱32上，第三相绕组C1_W、C2_W和C3_W扭曲并集体缠绕在磁芯30的第三芯柱33上。

相绕组C1_U、C2_U、C3_U、C1_V、C2_V、C3_V、C1_W、C2_W和C3_W的另一端按图5所示连接至中性点Y1、Y2和Y3。然而，为了清楚起见，图6中仅示出了一个点Y1、Y2、Y3来代表上述三个中性点。

在变压器的电网侧，第一相绕组Grid_U缠绕在磁芯30的第一芯柱31上，第二相绕组Grid_V缠绕在第二芯柱32上，第三相绕组Grid_W缠绕在第三芯柱33上。所有三个相绕组都连接至中性点Y4。

将功率模块的单元的对应相绕组集体缠绕或扭曲不会对绝缘造成任何问题，这是因为其全部具有相似的电压电平。然而，如同上文已经提及的，绝缘是变压器初级和次级绕组之间的问题，这是因为该绝缘应当阻断发电机电压。由此，通过中压绝缘将单元相绕组与电网侧相绕组进行绝缘。

DC链路电容两端的电压纹波取决于不同的因素，但是，除了被发电机的低频分量所影响外，其主要是由变换器开关的开关频率所引起的。由此，必须选择DC链路电容的电容值以使得其可应对其两端所产生的电压纹波，但是如上文所述，通常应当将其选择的越小越好。

图7示出了通过仿真得到的对于特定示例的特定工作点的DC链路电容值与电压谐波之间关系的示意图。在该示例中，功率单元的输出功率为250kW，功率单元的IGBT的开关频率为5kHz，发电机频率为10Hz，电网频率为50Hz，发电机电流(RMS=均方根)为190A。

下表示出了在DC链路电容的DC链路电容值(C_DC)的不同值下，由开关频率所引起的最终电压纹波(ΔV)：

C _DC (单位μF)	ΔV(单位V)
		25	876
50	353
		100	156
200	83
		400	35

可以看出，对于较大的电容值，当电容值大幅减小时，所产生的纹波仅缓慢增大，然而，对于较小的就电容值，当电容值仅略微减小时，纹波就大幅增加。

对于给定配置，根据上述公式(I)确定取决于逆变器开关频率的最小DC链路容量可以得到与图7中图形相似的图形。为了确定最小DC链路容量，首先要确定可以规定的由开关脉冲所引起的DC链路电压的接受的和／或最大的上升电压ΔU_max。随后基于ΔU_max和有关上述公式(I)中所述的其它参数确定C_min。由此，P为功率单元所传递的功率，f_P为变压器侧逆变器的开关频率，以及为与发电机侧变压器电压相等的单元输出相电压的振幅。对于400V_rms的线-线电压，为例如325V。

因子F已由理论推导得出并具有下述值

F = \frac{4 \sqrt{3} - 3}{24}

其约为0.16。然而，由于该值为理论值，因此对于实际确定C_min的值还可被选择为不同于该值。为了安全的方面，因子F的值应被选择为大于该理论值。

对于100微法的DC链路电容来说，通过模拟得到的所导致的电压V随时间t的变化如图8中所示。可以看出，电容两端的电压在约150V与850V之间振荡，与开关频率相关的纹波电压约为156V(如图7中已经示出)。

应当注意，在上述实施方式中，描述了三相发电机和三相电网应用中的本发明(如图1中所示)。从技术的观点来看，该限制不是必须的。可对电网和发电机相的数量进行独立调节(如，相数多于或少于三相的多相发电机)。

附图标记说明

Claims

1.一种用于将能量从发电机(1)变换至电力网(2)的变换器(C)，特别是频率变换器，其中，

a)所述发电机的相数至少为二，

b)所述变换器包含多个功率模块(4.1、...、4.n)，

c)每个功率模块(4.1、...、4.n)包括至少两个功率单元(5)和用于将所述功率单元(5)连接至所述电力网(2)的变压器(T)，

d)每个功率单元(5)包括相输入(6)、相输出(7)、连接至所述变压器(T)的变压器输出(8)、整流器(18)和逆变器(12)，

其特征在于，

e)为了均衡流经功率模块(4.1、...、4.n)的所述功率单元(5)的能量，所述功率模块(4.1、...、4.n)的所述变压器(T)包括与该功率模块(4.1、...、4.n)的所述功率单元(5)的每个针对的一个发电机侧绕组(10)以及正好一个共用电网侧绕组(9)。

2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于，由于功率模块(4.1、...，、4.n)的每个功率单元(5)的对应相绕组(C1_U、C2_U、C3_U)集体缠绕在所述变压器(T)的磁芯(30)的公共部分(31)上，所述变压器(T)适于所述发电机侧绕组(10)之间的高度磁耦合，其中所述对应相绕组(C1_U、C2_U、C3_U)优选被扭曲。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的变换器，其特征在于，包括DC链路电容(14)。

4.根据权利要求3所述的变换器，其中，所述逆变器为开关型，并且其中所述DC链路电容(14)的电容量C_min优选为根据下列公式确定

C_{\min} = F * \frac{P}{{\hat{U}}_{1} f_{P}} * \frac{1}{Δ U_{\max}}

其中ΔU_max为由所述逆变器(12)的开关脉冲所引起的所述DC链路电容(14)两端电压的电压上升，F为值在约0.1到0.5之间、优选为在0.12到0.2之间的因子，P为功率单元传递的功率，f_P为所述逆变器(12)的开关频率，以及为所述变压器输出(8)处的相电压的振幅。

5.根据权利要求1或3中任一项所述的变换器，其特征在于，所述电网侧绕组的相数和所述发电机侧绕组的相数等于所述发电机(1)的相数。

6.根据权利要求5所述的变换器，其特征在于，所述电网侧绕组(9)的相数和所述发电机侧绕组(10)的相数为三，以及在于所述电网侧绕组(9)和所述发电机侧绕组(10)的所述相以星形连接方式或三角型连接方式连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的变换器，其特征在于，每个功率单元(5)包括切断机构，优选为旁路开关(20)，用于使得所述功率单元(5)的所述相输入(6)和所述相输出(7)之间能够直接电气连接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的变换器，其特征在于，所述变换器包括控制系统，其中一个或多个功率单元(5)包括用于控制所述各自功率单元(5)的本地单元控制系统(21)，以及其中所述控制系统包括所述本地单元控制系统(21)。

9.根据权利要求8所述的变换器，其特征在于，所述控制系统适于依据发电机电压和所述功率单元(5)的每个的两端的电压降来确定工作功率单元(5)的最低数量。

10.根据权利要求8所述的变换器，其特征在于，所述本地单元控制系统(21)包括用于感测所述功率单元(5)的输出电流的传感器设备。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的变换器，其特征在于，每个功率单元(5)包括电源(22)，所述电源(22)由下述中的一个或多个供电：

a)所述DC链路电容(14)两端的电压降，

b)所述旁路开关(20)两端的电压降，

c)或者位于所述功率单元(5)外部并连接至所述功率单元(5)的额外的电源设备，其中所述额外的电源设备特别是由所述发电机(1)或所述电力网(2)供电。

12.根据权利要求8和11所述的变换器，其特征在于，所述本地单元控制系统(21)和所述电源(22)适于在所述变换器(C)的启动阶段期间对所述功率单元(5)的所述DC链路电容(14)进行预充电。

13.根据前述权利要求中任一项所述的变换器，其特征在于，每个功率模块(4.1、...、4.n)的所有功率单元(5)的所述相输入(6)直接连接至之前功率模块(4.1、...、4.n)的所述功率单元(5)的各自的相输出(7)，或者在所述功率模块(4.1、...、4.n)为第一功率模块的情况下直接连接至所述发电机(1)。

14.根据前述权利要求中任一项所述的变换器，其特征在于，每个功率模块(4.1、...、4.n)的所有功率单元(5)的所述相输出(7)直接连接至之后功率模块(4.1、...、4.n)的所述功率单元(5)的各自的相输入(6)，或者在所述功率模块(4.1、...、4.n)为最后一个功率模块的情况下直接连接至公共终端节点(11)。

15.根据权利要求8所述的变换器，其特征在于，所述变换器(C)包括具有通信链路的控制结构，其中所述通信链路将至少一个功率单元(5)的所述本地单元控制系统(21)连接至至少一个其它功率单元(5)的所述本地单元控制系统(21)。

16.根据权利要求15所述的变换器，其特征在于，所述控制结构包括中央监控单元，其中所述中央监控单元优选为通过所述通信链路连接至至少一个功率单元(5)的所述本地单元控制系统(21)。

17.根据前述权利要求中任一项所述的变换器，其特征在于，所述变压器(T)中的至少一个的所述发电机侧绕组(10)中的至少一个被配置为用作所述各自功率单元(5)的所述逆变器(12)的所述变压器输出(8)处的电感滤波元件。

18.根据前述权利要求中任一项所述的变换器，其特征在于，所述功率单元(5)中的至少一个包括额外的能量存储器，优选为蓄电池。

19.一种用于将能量从发电机(1)变换至电力网(2)的变换器的操作方法，所述变换器包括

a)多个功率模块(4.1、...、4.n)，

b)其中每个功率模块(4.1、...、4.n)包括至少两个功率单元(5)和用于将所述功率单元(5)连接至所述电力网(2)的变压器(T)，

c)以及其中每个功率单元(5)包括相输入(6)、相输出(7)、连接至所述变压器(T)的变压器输出(8)、整流器(18)和逆变器(12)，

其特征在于，

d)通过为所述功率模块(4.1，...，4.n)的所述变压器(T)提供与所述功率模块(4.1、...、4.n)的所述功率单元(5)的每个针对的一个发电机侧绕组(10)以及正好一个共用电网侧绕组(9)并且均衡流经所述电网侧绕组(9)的能量来均衡流经功率模块(4.1、...、4.n)的所述功率单元(5)的能量的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括控制用于启用或禁用功率单元的切断机构的步骤，其中控制所述切断机构包括实现或禁止所述功率单元(5)的所述相输入(6)和所述相输出(7)之间的直接电气连接。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，控制所述切断机构的所述步骤依据发电机电压或所述发电机(1)的转速。

22.根据权利要求20到21中任一项所述的方法，其特征在于，禁用的功率单元(5)在工作的功率单元(5)发生故障时自动启用，或者在于工作的功率单元(5)在禁用的功率单元(5)启用的瞬间被禁用。