CN105162379A - 一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抽水蓄能发电领域，特别涉及一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，包括转子侧并网开关模块、多绕组变压器模块和三相级联式背靠背H桥模块；所述转子侧并网开关模块与多绕组变压器模块相连，所述多绕组变压器模块与三相级联式背靠背H桥模块相连。本发明优点在于具有变频运行能力，能够满足抽水蓄能发电机组运行变速运行的励磁要求；具有双向能量流动能力，能够同时满足抽水蓄能发电机组在发电工况和电动工况运行的励磁要求。

Description

一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置

技术领域

本发明涉及抽水蓄能发电领域，特别涉及一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置。

背景技术

抽水蓄能电站具有启动快、运行灵活的特点，在系统中可承担填谷、调峰、调频、调相和紧急备用等任务。传统的电动－发电机组采用直流励磁的传统同步发电机，调速比较困难且运行特性差，此外这类机组作电动状态运行时，起动比较困难。而采用交流励磁装置供电的交流励磁发电机取代传统的电动－发电机组，即可有效解决传统抽水蓄能机组所存在的调速或水轮发电机的变速运行等问题。

运行于可变速抽蓄电站的交流励磁发电机转子侧额定电压一般在几千伏左右等级，交流励磁装置并网端一般通过降压变压器接入定子端，降压变压器副边电压一般也接近交流励磁发电机转子侧额定电压等级。目前，国内外许多公司都推出各自的交流励磁装置，这些产品采用不同的整流器和逆变器而组成不同的拓扑结构设计和控制方案。比较典型的是采用IGCT和IEGT等高压全控型开关器件，虽然可以减小器件的用量，但是成本昂贵，且器件受制于少数外企，电压等级的扩展也受限。

级联H桥拓扑技术可以用传统的低压开关器件满足高压场合的应用需求，目前广泛应用于高压同步电机或鼠笼感应电机变频调试场合。这种应用场合一般要求能量单向流动，即实现电机拖动，不能实现能量的回馈，从而决定了目前的级联H桥拓扑在并网端多采用不控整流的拓扑结构。而给交流励磁发电机供电的交流励磁装置，必须要求能量的双向流动，故需要提出新的级联H桥拓扑结构和控制策略，以满足交流励磁发电机的励磁需求。

现有相关专利有专利申请号为：CN201410471319.2，申请日为：2014-9-16，名称为“发电机三相交流励磁系统的拓扑结构及装置”的发明专利，以及专利申请号为CN201410472111.2，申请日为：2006-10-26，名称为“三级式无刷起动/发电机交、直流混合励磁系统的拓扑结构及装置”的发明专利。

上述专利虽然从电网侧看是一种交流励磁装置，但它们都是用于传统的转子直流励磁同步发电机组。尽管采用了励磁机与副励磁机，但从发电机组侧来看，其本质上还是一种直流励磁装置。

发明内容

本发明将提供一种在避免使用高耐压半导体开关器件的情况下实现交流励磁变流器输出电压等级的提升、同时还满足励磁变流器双向能量流动的要求的用于可变速抽水蓄能发电系统的新型级联式交流励磁装置。

为实现上述技术效果，本发明技术方案如下：

一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：包括转子侧并网开关模块、多绕组变压器模块和三相级联式背靠背H桥模块；所述转子侧并网开关模块与多绕组变压器模块相连，所述多绕组变压器模块与三相级联式背靠背H桥模块相连。

所述转子侧并网开关模块包括一组三相输入侧端子和一组三相输出侧端子；

所述多绕组变压器模块包括一个原边绕组以及n个属于A相的副边绕组、n个属于B相的副边绕组和n个属于C相的副边绕组，其中n为自然数，所有副边绕组均为单相绕组，彼此电气隔离，且额定电压相同；

所述三相级联式背靠背H桥模块包括结构相同的A相，B相和C相；

所述三相级联式背靠背H桥模块的A相、B相和C相均包括n对输入端子、一个输出端子和一个中性点端子，其中n为自然数；

所述转子侧并网开关模块的三相输入侧端子与三相电网相连，所述三相输出侧端子与所述多绕组变压器模块的原边绕组相连；

所述多绕组变压器模块的原边绕组与所述转子侧并网开关模块相连，所述多绕组变压器模块的n个A相的副边绕组与所述三相级联式背靠背H桥模块的A相上的n对输入端子对应相连；所述多绕组变压器模块的副边的n个B相的副边绕组与所述三相级联式背靠背H桥模块的B相上的n对输入端子对应相连；所述多绕组变压器模块的副边的n个C相的副边绕组与所述三相级联式背靠背H桥模块的C相上的n对输入端子对应相连，其中n为自然数；

所述三相级联式背靠背H桥模块的A相的输出端子连接至交流励磁发电机转子的A相绕组，所述三相级联式背靠背H桥模块的B相输出端子连接至交流励磁发电机转子的B相绕组，所述三相级联式背靠背H桥模块的C相输出端子连接至交流励磁发电机转子的C相绕组，所述三相级联式背靠背H桥模块的A相、B相和C相的中性点端子均连接至中性点N。

所述三相级联式背靠背H桥模块的A相、B相和C相中的各组均包括n个相同的背靠背H桥单元，其中n为自然数；

所述三相级联式背靠背H桥模块的A相中各背靠背H桥单元的整流侧H桥输入端子与所述多绕组变压器模块副边的A相各副边绕组对应相连；

所述三相级联式背靠背H桥模块的A相中各背靠背H桥单元逆变侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子以及一个中性点端子，其中输出端子连接至交流励磁发电机转子A相绕组，中性点端子连接至中性点N。

所述背靠背H桥单元包括整流侧H桥、直流母线电容以及逆变侧H桥，形成并联背靠背结构；

整流侧H桥的整流侧直流正端子与直流母线电容正极以及逆变侧H桥的逆变侧直流正端子相连；整流侧H桥的整流侧直流负端子与直流母线电容负极以及所述逆变侧H桥的逆变侧直流负端子相连。

一对整流侧H桥的整流侧交流端子引出形成所述背靠背H桥单元的输入端子；一对逆变侧H桥的逆变侧交流端子引出形成所述背靠背H桥单元的输出端子。

所述整流侧H桥包括两个相互并联、且相同结构的开关桥臂。

每个所述开关桥臂包括上下串联的两个强迫换向开关器件，分别为上开关器件和下开关器件，其中上开关器件的发射极与下开关器件的集电极为串联公共点，所述公共点引出作为开关桥臂的交流端子；

上开关器件的集电极引出作为开关桥臂的直流正端子，下开关器件的发射极引出作为开关桥臂的直流负端子，两个开关桥臂的直流正端子连接到一起，直流负端子也连接到一起；

两个开关桥臂的两个交流端子均引出作为整流侧H桥输入端子。

所述逆变侧H桥结构与连接方式与所述整流侧H桥相同，逆变侧H桥的两个开关桥臂的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥输出端子。

所述用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置按照以下方式工作：

正常工作时，交流励磁发电机的定子侧并网开关处于闭合状态，所述转子侧并网开关模块处于闭合状态，所述多绕组变压器模块原边接入电网，副边各个绕组则为各个背靠背H桥模块的整流侧提供彼此电气隔离的独立单相电压；

通过控制使所述三相级联式背靠背H桥模块的A相，B相，C相在输出端子和中性点N之间产生三相对称交变励磁电压，若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率f为正；若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值f为负，要求该交变励磁电压的基波频率值f与交流励磁发电机的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值，以保证交流励磁发电机达到期望的发电功率或者电动功率。

为在A相，B相，C相在输出端子和中性点N之间产生三相对称交变励磁电压，所述三相级联式背靠背H桥模块的A，B，C相分组中的各个背靠背H桥模块按如下方式工作：

通过控制各个背靠背H桥模块中整流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得背靠背H桥模块的直流母线电压稳定在一个统一的额定值上，并要求该额定值略高于背靠背H桥模块整流侧在不控整流状态下的直流母线电压值；

通过控制各个背靠背H桥模块中逆流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得同一相分组中的n个背靠背H桥模块的逆变侧输出端之间产生n个基波相位相同的脉宽调制波，其基波频率与所述三相级联式背靠背H桥模块产生的总励磁电压基波频率f相等，而其基波幅值则为所述三相级联式背靠背H桥模块产生的总励磁电压基波幅值的1/n。

本发明优点在于：

1、具有变频运行能力，能够满足抽水蓄能发电机组运行变速运行的励磁要求；

2、具有双向能量流动能力，能够同时满足抽水蓄能发电机组在发电工况和电动工况运行的励磁要求。

3、具有级联特性，在避免使用特殊高耐压半导体开关器件的情况下实现交流励磁变流器高电压等级的接入；

4、具有模块化特性，扩展后能后适用于多种电压等级的交流励磁发电机。

附图说明

图1是本发明的级联式交流励磁装置总体示意图。

图2是本发明的级联式交流励磁装置单相组成示意图。

图3是本发明的级联式交流励磁装置背靠背H桥模块组成示意图。

图4是本发明的具体实施例的背靠背H桥模块细节示意图。

图5是本发明实施例5的级联式交流励磁装置示意图。

附图中：转子侧并网开关模块1，多绕组变压器模块2，三相级联式背靠背H桥模块3，交流励磁发电机4，三相电网5，水泵水轮机6。

转子侧并网开关模块1的三相输入侧端子11，三相输出侧端子12；

多绕组变压器模块2的原边绕组21、副边绕组22；

三相级联式背靠背H桥模块3的A相31，B相32，C相33，输入端子34，输出端子35，中性点端子36，中性点N37，背靠背H桥单元38；

交流励磁发电机4的转子A相绕组41，B相绕组42，C相绕组43；

背靠背H桥单元38的一对输入端子44、一对输出端子45、整流侧H桥381、直流母线电容382，逆变侧H桥383，

背靠背H桥单元38的整流侧直流正端子384，逆变侧直流正端子385，整流侧直流负端子386，逆变侧直流负端子387，整流侧交流端子388，逆变侧交流端子389，开关桥臂390，上开关器件391，下开关器件392。

具体实施方式

实施例1

一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、多绕组变压器模块2和三相级联式背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与多绕组变压器模块2相连，所述多绕组变压器模块2与三相级联式背靠背H桥模块3相连。

实施例2

一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、多绕组变压器模块2和三相级联式背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与多绕组变压器模块2相连，所述多绕组变压器模块2与三相级联式背靠背H桥模块3相连。所述转子侧并网开关模块1包括一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12。所述多绕组变压器模块2包括一个原边绕组21以及n个属于A相31的副边绕组22，n个属于B相32的副边绕组22和n个属于C相33的副边绕组22，其中n为自然数，所有副边绕组22均为单相绕组，彼此电气隔离，且额定电压相同。所述三相级联式背靠背H桥模块3包括结构相同的A相31，B相32和C相33。

实施例3

一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、多绕组变压器模块2和三相级联式背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与多绕组变压器模块2相连，所述多绕组变压器模块2与三相级联式背靠背H桥模块3相连。所述转子侧并网开关模块1包括一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12。所述多绕组变压器模块2包括一个原边绕组21以及n个属于A相31的副边绕组22，n个属于B相32的副边绕组22和n个属于C相33的副边绕组22，其中n为自然数，所有副边绕组22均为单相绕组，彼此电气隔离，且额定电压相同。所述三相级联式背靠背H桥模块3包括结构相同的A相31，B相32和C相33。

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33均包括n对输入端子34、一个输出端子35和一个中性点端子36，其中n为自然数。

所述转子侧并网开关模块1的三相输入侧端子11与三相电网5相连，所述三相输出侧端子12与所述多绕组变压器模块2的原边绕组21相连。

所述多绕组变压器模块2的原边绕组21与所述转子侧并网开关模块1相连，所述多绕组变压器模块2的n个A相31的副边绕组22与所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31上的n对输入端子34对应相连；所述多绕组变压器模块2的副边的n个B相32的副边绕组22与所述三相级联式背靠背H桥模块3的B相32上的n对输入端子34对应相连；所述多绕组变压器模块2的副边的n个C相33的副边绕组22与所述三相级联式背靠背H桥模块3的C相33上的n对输入端子34对应相连，其中n为自然数。

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31的输出端子35连接至交流励磁发电机4转子的A相绕组41，所述三相级联式背靠背H桥模块3的B相32输出端子35连接至交流励磁发电机4转子的B相绕组42，所述三相级联式背靠背H桥模块3的C相33输出端子35连接至交流励磁发电机4转子的C相绕组43，所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的中性点端子36均连接至中性点N37。

实施例4

一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、多绕组变压器模块2和三相级联式背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与多绕组变压器模块2相连，所述多绕组变压器模块2与三相级联式背靠背H桥模块3相连。

所述转子侧并网开关模块1包括一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12；

所述多绕组变压器模块2包括一个原边绕组21以及n个属于A相31的副边绕组22，n个属于B相32的副边绕组22和n个属于C相33的副边绕组22，其中n为自然数，所有副边绕组22均为单相绕组，彼此电气隔离，且额定电压相同；

所述三相级联式背靠背H桥模块3包括结构相同的A相31，B相32和C相33；

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33均包括n对输入端子34、一个输出端子35和一个中性点端子36，其中n为自然数；

所述转子侧并网开关模块1的三相输入侧端子11与三相电网5相连，所述三相输出侧端子12与所述多绕组变压器模块2的原边绕组21相连；

所述多绕组变压器模块2的原边绕组21与所述转子侧并网开关模块1相连，所述多绕组变压器模块2的n个A相31的副边绕组22与所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31上的n对输入端子34对应相连；所述多绕组变压器模块2的副边的n个B相32的副边绕组22与所述三相级联式背靠背H桥模块3的B相32上的n对输入端子34对应相连；所述多绕组变压器模块2的副边的n个C相33的副边绕组22与所述三相级联式背靠背H桥模块3的C相33上的n对输入端子34对应相连，其中n为自然数；

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31的输出端子35连接至交流励磁发电机4转子的A相绕组41，所述三相级联式背靠背H桥模块3的B相32输出端子35连接至交流励磁发电机4转子的B相绕组42，所述三相级联式背靠背H桥模块3的C相33输出端子35连接至交流励磁发电机4转子的C相绕组43，所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的中性点端子36均连接至中性点N37。

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33中的各组均包括n个相同的背靠背H桥单元38，其中n为自然数；

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31中各背靠背H桥单元38的整流侧H桥381输入端子34与所述多绕组变压器模块2副边的A相31各副边绕组22对应相连；

所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31中各背靠背H桥单元38逆变侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子35以及一个中性点端子36，其中输出端子35连接至交流励磁发电机4转子A相绕组41，中性点端子36连接至中性点N37。

所述背靠背H桥单元38包括一对输入端子44、一对输出端子45、整流侧H桥381、直流母线电容382以及逆变侧H桥383，形成并联背靠背结构；

整流侧H桥381的整流侧直流正端子384与直流母线电容382正极以及逆变侧H桥383的逆变侧直流正端子385相连；整流侧H桥381的整流侧直流负端子386与直流母线电容382负极以及所述逆变侧H桥383的逆变侧直流负端子387相连。

整流侧H桥381的一对交流端子388引出形成所述背靠背H桥单元38的输入端子44；逆变侧H桥383的一对交流端子389引出形成所述背靠背H桥单元38的输出端子45。

所述整流侧H桥381包括两个相互并联、且相同结构的开关桥臂390。

每个所述开关桥臂390包括上下串联的两个强迫换向开关器件，分别为上开关器件391和下开关器件392，其中上开关器件391的发射极与下开关器件392的集电极为串联公共点，所述公共点引出作为开关桥臂390的交流端子；

上开关器件391的集电极引出作为开关桥臂390的直流正端子，下开关器件392的发射极引出作为开关桥臂390的直流负端子，两个开关桥臂390的直流正端子连接到一起，直流负端子也连接到一起；

两个开关桥臂390的两个交流端子均引出作为整流侧H桥381的输入端子388。

所述逆变侧H桥383结构与连接方式与所述整流侧H桥381相同，逆变侧H桥383的两个开关桥臂的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥383输出端子389。

所述用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置按照以下方式工作：

正常工作时，交流励磁发电机4的定子侧并网开关处于闭合状态，所述转子侧并网开关模块1处于闭合状态，所述多绕组变压器模块2原边接入电网，副边各个绕组则为各个背靠背H桥模块的整流侧提供彼此电气隔离的独立单相电压；

通过控制使所述三相级联式背靠背H桥模块3的A相31，B相32，C相33在输出端子35和中性点N37之间产生三相对称交变励磁电压，若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率f为正；若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值f为负，要求该交变励磁电压的基波频率值f与交流励磁发电机4的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值，以保证交流励磁发电机4达到期望的发电功率或者电动功率。

为在A相31，B相32，C相33在输出端子35和中性点N37之间产生三相对称交变励磁电压，所述三相级联式背靠背H桥模块3的A，B，C相33分组中的各个背靠背H桥模块按如下方式工作：

通过控制各个背靠背H桥模块中整流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得背靠背H桥模块的直流母线电压稳定在一个统一的额定值上，并要求该额定值略高于背靠背H桥模块整流侧在不控整流状态下的直流母线电压值；

通过控制各个背靠背H桥模块中逆流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得同一相分组中的n个背靠背H桥模块的逆变侧输出端之间产生n个基波相位相同的脉宽调制波，其基波频率与所述三相级联式背靠背H桥模块3产生的总励磁电压基波频率f相等，而其基波幅值则为所述三相级联式背靠背H桥模块3产生的总励磁电压基波幅值的1/n。

实施例5

图5为本发明的一个具体实施例，该用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置具体实施方式如下：

该用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，包括转子侧并网开关模块1、多绕组变压器模块2、以及三相级联式背靠背H桥模块3。所述转子侧并网开关模块1与多绕组变压器模块2相连，所述多绕组变压器模块2与三相级联式背靠背H桥模块3相连。水泵水轮机6连接有交流励磁发电机4，交流励磁发电机4与三相级联式背靠背H桥模块3相连。

1.

a)转子侧并网开关模块1包括一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12。

b)多绕组变压器模块2由一个原边绕组21以及5个属于A相31的副边绕组22，5个属于B相32的副边绕组22和5个属于C相33的副边绕组22组成。所有副边绕组22均为单相绕组，彼此电气隔离，且额定电压相同。

c)三相级联式背靠背H桥模块3分为结构完全相同的A相31，B相32和C相33。

d)三相级联式背靠背H桥模块3的A相31包括5对输入端子34，一个输出端子35和一个中性点端子36。三相级联式背靠背H桥模块3的B相32和C相33情况类似。

e)转子侧并网开关模块1的三相输入侧端子11与三相电网5相连，三相输出侧端子12与多绕组变压器模块2的原边绕组21相连。

f)多绕组变压器模块2原边绕组21与转子侧并网开关模块1相连，多绕组变压器模块2副边的A相315个绕组与三相级联式背靠背H桥模块3的A相315对输入端子34对应相连。多绕组变压器模块2的原边绕组21与转子侧并网开关模块1相连，多绕组变压器模块2副边的B相325个绕组与三相级联式背靠背H桥模块3的B相325对输入端子34对应相连。C相33连接情况与A、B相32类似。

g)三相级联式背靠背H桥模块3的A相31输出端子35连接至交流励磁发电机4转子A相绕组41，中性点端子36连接至中性点N37。三相级联式背靠背H桥模块3的B相32输出端子35连接至交流励磁发电机4转子B相绕组42，中性点端子36连接至中性点N37。C相33连接情况与A、B相32类似。

2.三相级联式背靠背H桥模块3分为A相31，B相32，C相33三组，每组包括5个相同的背靠背H桥单元38。

a)三相级联式背靠背H桥模块3的A相31中各背靠背H桥单元38整流侧H桥381输入端子34与多绕组变压器模块2副边的A相31各副边绕组22对应相连。

b)三相级联式背靠背H桥模块3的A相31中各背靠背H桥单元38逆变侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子35以及一个中性点端子36，其中输出端子35连接至交流励磁发电机4转子A相绕组41，中性点端子36连接至中性点N37。

c)三相级联式背靠背H桥模块3的B、C相33连接情况与A相31类似。

3.背靠背H桥单元38由一对输入端子44、一对输出端子45、整流侧H桥381、直流母线电容382以及逆变侧H桥383组成，形成并联背靠背结构。

a)整流侧H桥381的整流侧直流正端子384与直流母线电容382正极以及逆变侧H桥383的逆变侧直流正端子385相连。整流侧H桥381的直流负端子与直流母线电容382负极以及逆变侧H桥383的逆变侧直流负端子387相连。

b)整流侧H桥381的一对交流端子388引出形成所述背靠背H桥单元38的输入端子44；逆变侧H桥383的一对交流端子389引出形成所述背靠背H桥单元38的输出端子45。

4.整流侧H桥381由两个相同结构的开关桥臂390并联组成。

a)每个开关桥臂390由上下串联的两个IGBT开关器件组成，其中上IGBT开关器件的发射极与下IGBT开关器件的集电极为串联公共点，该公共点引出作为开关桥臂390的交流端子。

b)上IGBT开关器件的集电极引出作为桥臂的直流正端子，下IGBT开关器件的发射极引出作为桥臂的直流负端子。两个开关桥臂390的直流正端子连接到一起，直流负端子也连接到一起。

c)两个开关桥臂390的两个交流端子均引出作为整流侧H桥381的输入端子388。

5.逆变侧H桥383同样由两个相同结构的开关桥臂390并联组成，连接方式与整流桥完全相同。两个开关桥臂的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥383输出端子389。

6.该用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置按照以下方式工作：

a)正常工作时，交流励磁发电机4的定子侧并网开关处于闭合状态。转子侧并网开关模块1处于闭合状态。多绕组变压器模块2原边接入电网，副边各个绕组则为各个背靠背H桥模块的整流侧提供彼此电气隔离的独立单相电压。

b)通过控制使三相级联式背靠背H桥模块3的A相31，B相32，C相33在输出端子35和中性点N37之间产生三相对称交变励磁电压。若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率f为正；若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值f为负。要求该交变励磁电压的基波频率值f与交流励磁发电机4的转子电频率的代数和等于电网电压的频率。同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值，以保证交流励磁发电机4达到期望的发电功率或者电动功率。

7.为在A相31，B相32，C相33在输出端子35和中性点N37之间产生三相对称交变励磁电压，三相级联式背靠背H桥模块3的A，B，C相33分组中的各个背靠背H桥模块按如下方式工作：

a)通过控制各个背靠背H桥模块中整流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得背靠背H桥模块的直流母线电压稳定在一个统一的额定值上，并要求该额定值略高于背靠背H桥模块整流侧在不控整流状态下的直流母线电压值。

b)通过控制各个背靠背H桥模块中逆流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得同一相分组中的5个背靠背H桥模块的逆变侧输出端之间产生5个基波相位相同的脉宽调制波，其基波频率与三相级联式背靠背H桥模块3产生的总励磁电压基波频率f相等，而其基波幅值则为三相级联式背靠背H桥模块3产生的总励磁电压基波幅值的1/5。

Claims (10)

1.一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：包括转子侧并网开关模块（1）、多绕组变压器模块（2）和三相级联式背靠背H桥模块（3）；所述转子侧并网开关模块（1）与多绕组变压器模块（2）相连，所述多绕组变压器模块（2）与三相级联式背靠背H桥模块（3）相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：所述转子侧并网开关模块（1）包括一组三相输入侧端子（11）和一组三相输出侧端子（12）；

所述多绕组变压器模块（2）包括一个原边绕组（21）以及n个属于A相（31）的副边绕组（22）、n个属于B相（32）的副边绕组（22）和n个属于C相（33）的副边绕组（22），其中n为自然数，所有副边绕组（22）均为单相绕组，彼此电气隔离，且额定电压相同；

所述三相级联式背靠背H桥模块（3）包括结构相同的A相（31），B相（32）和C相（33）。

3.根据权利要求2所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：

所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）、B相（32）和C相（33）均包括n对输入端子（34）、一个输出端子（35）和一个中性点端子（36），其中n为自然数；

所述转子侧并网开关模块（1）的三相输入侧端子（11）与三相电网（5）相连，所述三相输出侧端子（12）与所述多绕组变压器模块（2）的原边绕组（21）相连；

所述多绕组变压器模块（2）的原边绕组（21）与所述转子侧并网开关模块（1）相连，所述多绕组变压器模块（2）的n个A相（31）的副边绕组（22）与所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）上的n对输入端子（34）对应相连；所述多绕组变压器模块（2）的副边的n个B相（32）的副边绕组（22）与所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的B相（32）上的n对输入端子（34）对应相连；所述多绕组变压器模块（2）的副边的n个C相（33）的副边绕组（22）与所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的C相（33）上的n对输入端子（34）对应相连，其中n为自然数；

所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）的输出端子（35）连接至交流励磁发电机（4）转子的A相绕组（41），所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的B相（32）输出端子（35）连接至交流励磁发电机（4）转子的B相绕组（42），所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的C相（33）输出端子（35）连接至交流励磁发电机（4）转子的C相绕组（43），所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）、B相（32）和C相（33）的中性点端子（36）均连接至中性点N（37）。

4.根据权利要求3所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）、B相（32）和C相（33）中的各组均包括n个相同的背靠背H桥单元（38），其中n为自然数；

所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）中各背靠背H桥单元（38）的整流侧H桥（381）输入端子（34）与所述多绕组变压器模块（2）副边的A相（31）各副边绕组（22）对应相连；

所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31）中各背靠背H桥单元（38）逆变侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子（35）以及一个中性点端子（36），其中输出端子（35）连接至交流励磁发电机（4）转子A相绕组（41），中性点端子（36）连接至中性点N（37）。

5.根据权利要求4所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：所述背靠背H桥单元（38）包括一对输入端子（44）、一对输出端子（45）、整流侧H桥（381）、直流母线电容（382）以及逆变侧H桥（383），形成并联背靠背结构；

整流侧H桥（381）的整流侧直流正端子（384）与直流母线电容（382）正极以及逆变侧H桥（383）的逆变侧直流正端子（385）相连；整流侧H桥（381）的整流侧直流负端子（386）与直流母线电容（382）负极以及所述逆变侧H桥（383）的逆变侧直流负端子（387）相连；

整流侧H桥（381）的一对交流端子（388）引出形成所述背靠背H桥单元（38）的输入端子（44）；逆变侧H桥（383）的一对交流端子（389）引出形成所述背靠背H桥单元（38）的输出端子（45）。

6.根据权利要求5所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：所述整流侧H桥（381）包括两个相互并联、且相同结构的开关桥臂（390）。

7.根据权利要求6所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：每个所述开关桥臂（390）包括上下串联的两个强迫换向开关器件，分别为上开关器件（391）和下开关器件（392），其中上开关器件（391）的发射极与下开关器件（392）的集电极为串联公共点，所述公共点引出作为开关桥臂（390）的交流端子；

上开关器件（391）的集电极引出作为开关桥臂（390）的直流正端子，下开关器件（392）的发射极引出作为开关桥臂（390）的直流负端子，两个开关桥臂（390）的直流正端子连接到一起，直流负端子也连接到一起；

两个开关桥臂（390）的两个交流端子均引出作为整流侧H桥（381）输入端子（388）。

8.根据权利要求7所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：所述逆变侧H桥（383）结构与连接方式与所述整流侧H桥（381）相同，逆变侧H桥（383）的两个开关桥臂的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥（383）输出端子（389）。

9.根据权利要求8所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：正常工作时，交流励磁发电机（4）的定子侧并网开关处于闭合状态，所述转子侧并网开关模块（1）处于闭合状态，所述多绕组变压器模块（2）原边接入电网，副边各个绕组则为各个背靠背H桥模块的整流侧提供彼此电气隔离的独立单相电压；

通过控制使所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A相（31），B相（32），C相（33）在输出端子（35）和中性点N（37）之间产生三相对称交变励磁电压，若该交变励磁电压的基波为正相序，则其基波频率f为正；若该交变励磁电压的基波为负相序，则其基波频率值f为负，要求该交变励磁电压的基波频率值f与交流励磁发电机（4）的转子电频率的代数和等于电网电压的频率;同时要求该交变励磁电压具有适当的幅值，以保证交流励磁发电机（4）达到期望的发电功率或者电动功率。

10.根据权利要求9所述的一种用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，其特征在于：

为在A相（31），B相（32），C相（33）在输出端子（35）和中性点N（37）之间产生三相对称交变励磁电压，所述三相级联式背靠背H桥模块（3）的A，B，C相（33）分组中的各个背靠背H桥模块按如下方式工作：

通过控制各个背靠背H桥模块中整流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得背靠背H桥模块的直流母线电压稳定在一个统一的额定值上，并要求该额定值略高于背靠背H桥模块整流侧在不控整流状态下的直流母线电压值；

通过控制各个背靠背H桥模块中逆流侧强迫换向开关器件的导通情况，使得同一相分组中的n个背靠背H桥模块的逆变侧输出端之间产生n个基波相位相同的脉宽调制波，其基波频率与所述三相级联式背靠背H桥模块（3）产生的总励磁电压基波频率f相等，而其基波幅值则为所述三相级联式背靠背H桥模块（3）产生的总励磁电压基波幅值的1/n。