CN105186954A - 可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及抽水蓄能发电领域，特别涉及一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，包括转子侧并网开关模块、变压器模块和三相级联式隔离双背靠背H桥模块；所述转子侧并网开关模块与变压器模块相连，所述变压器模块与三相级联式隔离双背靠背H桥模块相连。本发明具有变频运行能力，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。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。

Description

可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置

技术领域

本发明涉及抽水蓄能发电领域，特别涉及一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置。

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速场合。传统级联H桥拓扑中，多采用特殊的多绕组工频变压器以实现母线隔离及环流拟制，但是大容量的多绕组工频变压器成本较高、体积庞大，是这种方案的不足。另外，传统变频调速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，故需要提出新的基于高频隔离级联式交流励磁装置，以满足可变速抽水蓄能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

本发明将提供一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，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，既满足交流励磁变流器双向能量流动的要求，又省去了体积庞大的多绕组工频变压器。

为实现上述技术效果，本发明技术方案如下：

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：包括转子侧并网开关模块、变压器模块和三相级联式隔离双背靠背H桥模块；所述转子侧并网开关模块与变压器模块相连，所述变压器模块与三相级联式隔离双背靠背H桥模块相连。

所述转子侧并网开关模块包含一组三相输入侧端子和一组三相输出侧端子；

所述变压器模块包括一个原边绕组以及一个副边绕组；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块分为结构完全相同的A相，B相和C相；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相包含一个输入端子，一个输入中性点端子、一个输出端子以及一个输出中性点端子；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的B相和C相均与A相结构相同；

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，三相输出侧端子与所述变压器模块的原边绕组相连；

所述变压器模块原边绕组与所述转子侧并网开关模块相连，变压器模块副边绕组的A相端子与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相的输入端子相连；变压器模块副边绕组的B相端子与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的B相的输入端子相连；变压器模块副边绕组的C相端子与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的C相的输入端子相连。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相、B相和C相的输入中性点端子连接到一起，形成中性点N₂。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相的输出端子连接至交流励磁电机转子A相绕组，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的B相输出端子连接至交流励磁电机转子B相绕组，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的C相输出端子连接至交流励磁电机转子C相绕组。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相、B相和C相的输出中性点端子连接到一起，形成中性点N₁。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块分为A相，B相，C相，每组包含n个相同的隔离双背靠背H桥单元，其中n为自然数；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相中各隔离双背靠背H桥单元输入侧包含两个输入类型端子，输出侧包含两个输出类型端子；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相中各隔离双背靠背H桥单元输入侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输入端子以及一个输入中性点端子，其中输入端子连接至所述变压器的A相端子，输入中性点端子连接至中性点N₂；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相中各隔离双背靠背H桥单元输出侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子以及一个输出中性点端子，其中输出端子连接至交流励磁电机转子A相绕组，输出中性点端子连接至中性点N₁；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的B相、C相连接情况与A相相同。

所述隔离双背靠背H桥单元包括两个输入端子、两个输出端子、网侧背靠背H桥单元、机侧背靠背H桥单元以及隔离变压器单元；所述网侧背靠背H桥单元、机侧背靠背H桥单元以及所述隔离变压器单元各自包含两个输入类型端子以及两个输出类型端子；

所述隔离双背靠背H桥单元的两个输入端子与所述网侧背靠背H桥单元的两个输入类型端子相连；所述网侧背靠背H桥单元的两个输出类型端子与隔离变压器单元的两个输入类型端子相连；所述隔离变压器单元的两个输出类型端子与所述机侧背靠背H桥单元的两个输入类型端子相连；所述机侧背靠背H桥单元的两个输出类型端子与所述隔离双背靠背H桥单元的两个输出端子相连；

所述网侧背靠背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；

所述整流侧H桥的整流侧直流正端子与直流母线电容正极以及所述逆变侧H桥的逆变侧直流正端子相连；所述整流侧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桥交流端子引出形成所述背靠背H桥单元的输出端子；

所述机侧背靠背H桥单元结构与所述网侧背靠背H桥单元结构相同。

所述隔离变压器单元包括高频隔离变压器、网侧辅助电感以及机侧辅助电感。

所述高频隔离变压器的原边绕组与所述网侧辅助电感串联后，与所述隔离变压器单元的输入端子连接在一起；

所述高频隔离变压器的副边绕组与所述机侧辅助电感串联后，与所述隔离变压器单元的输出端子连接在一起；

所述整流侧H桥由两个相同结构的开关桥臂并联组成。

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，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，该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桥臂的直流正端子，下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桥同样由两个相同结构的开关桥臂并联组成，连接方式与整流侧H桥相同，两个开关桥臂的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥输出端子。

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置的工作原理如下：

正常工作时，交流励磁发电机的定自测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。所述变压器模块原边接入电网，副边则为三相级联式隔离双背靠背H桥模块提供三相工作电压。

通过控制使所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相，B相，C相在输出端子和中性点N₁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和相位，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相和C相在输出端子和中性点N₁之间产生三相对称交变励磁电压，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块的A相、B相和C相分组中的各个隔离双背靠背隔离H桥单元按如下方式工作：

通过控制所述网侧背靠背H桥单元，使其输出占空比一定的高频电压脉冲。

通过控制所述机侧背靠背H桥单元，使其输出占空比变化的脉宽调制波，且该脉宽调制波的基波电压频率与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块输出的励磁电压基波频率f相等，其基波幅值则为所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块产生的总励磁电压基波幅值的1/n。

级联式隔离双背靠背H桥单元的A，B，C相分组中，相同分组的各个机侧背靠背H桥单元产生的脉宽调制波的基波电压相位相同，而不同分组的基波电压相位相差120度。

为使各个隔离双背靠背隔离H桥单元按所述方式工作，各个隔离双背靠背隔离H桥单元中的所述网侧背靠背H桥单元和所述机侧背靠背H桥单元以及所述隔离变压器单元按如下方式工作：

通过控制所述网侧背靠背H桥单元中所述整流侧H桥的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述网侧背靠背H桥单元的直流母线电压稳定在一个额定值上。

通过控制所述网侧背靠背H桥单元中所述逆变侧H桥的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述网侧背靠背H桥单元输出占空比一定的高频电压脉冲。

通过控制所述机侧背靠背H桥单元中所述整流侧H桥的强迫换向开关器件的导通情况，使所述机侧背靠背H桥单元输入具有如下特征的高频电压脉冲：其频率与网侧背靠背H桥单元输出高频电压脉冲频率相同，但相差一个相位，控制该相位差使得机侧背靠背H桥单元的直流母线电压稳定在一个额定值上。

通过控制所述机侧背靠背H桥单元中所述逆变侧H桥的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述机侧背靠背H桥单元输出占空比变化的脉宽调制波，并使得其基波满足所述频率、幅值和相位要求。

本发明的优点在于：

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。

5、采用隔离高频变压器后，电网侧只需使用普通的三相变压器，从而省去了体积庞大，造价昂贵的多绕组工频变压器。

附图说明

图1是本发明的高频隔离级联式交流励磁装置总体示意图。

图2是本发明的高频隔离级联式交流励磁装置单相组成示意图。

图3是本发明的高频隔离级联式交流励磁装置的隔离双背靠背H桥单元组成示意图。

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是本发明的具体实施例的隔离变压器单元细节示意图。

图6是本发明的具体实施例的高频隔离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，变压器模块2，三相级联式隔离双背靠背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；

变压器模块2的原边绕组21，副边绕组22，副边绕组22的A相端子23，B相端子24，C相端子25；

三相级联式隔离双背靠背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，输入中性点端子36，输出中性点端子37，中性点N₂38，中性点N₁39，隔离双背靠背H桥单元40。

交流励磁发电机4的A相绕组41，B相绕组42，C相绕组43。

隔离双背靠背H桥单元3的两个输入端子44，两个输出端子45，网侧背靠背H桥单元401，机侧背靠背H桥单元402，隔离变压器单元403；整流侧H桥404，直流母线电容405，逆变侧H桥406，整流侧直流正端子407，逆变侧直流正端子408，整流侧直流负端子409，逆变侧直流负端子410，整流侧H桥交流端子411，逆变侧H桥交流端子412，高频隔离变压器413，网侧辅助电感414，机侧辅助电感415，开关桥臂416，上开关器件417，下开关器件418。

具体实施方式

实施例1

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、变压器模块2和三相级联式隔离双背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与变压器模块2相连，所述变压器模块2与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3相连。

实施例2

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、变压器模块2和三相级联式隔离双背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与变压器模块2相连，所述变压器模块2与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3相连。所述转子侧并网开关模块1包含一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12；所述变压器模块2包括一个原边绕组21以及一个副边绕组22；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3分为结构完全相同的A相31，B相32和C相33。

实施例3

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、变压器模块2和三相级联式隔离双背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与变压器模块2相连，所述变压器模块2与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3相连。所述转子侧并网开关模块1包含一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12；所述变压器模块2包括一个原边绕组21以及一个副边绕组22；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3分为结构完全相同的A相31，B相32和C相33。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31包含一个输入端子34，一个输入中性点端子36、一个输出端子35以及一个输出中性点端子37；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32和C相33均与A相31结构相同。

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，三相输出侧端子12与所述变压器模块2的原边绕组21相连。

所述变压器模块2的原边绕组21与所述转子侧并网开关模块1相连，变压器模块2的副边绕组22的A相端子23与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31的输入端子34相连；变压器模块2的副边绕组22的B相端子24与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32的输入端子34相连；变压器模块2的副边绕组22的C相端子25与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的C相33的输入端子34相连。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的输入中性点端子36连接到一起，形成中性点N₂38。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31的输出端子35连接至交流励磁电机转子A相绕组41，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32输出端子35连接至交流励磁电机转子B相绕组42，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的C相33输出端子35连接至交流励磁电机转子C相绕组43。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的输出中性点端子37连接到一起，形成中性点N₁39。

实施例3

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置包括转子侧并网开关模块1、变压器模块2和三相级联式隔离双背靠背H桥模块3；所述转子侧并网开关模块1与变压器模块2相连，所述变压器模块2与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3相连。

所述转子侧并网开关模块1包含一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12；所述变压器模块2包括一个原边绕组21以及一个副边绕组22；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3分为结构完全相同的A相31，B相32和C相33。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31包含一个输入端子34，一个输入中性点端子36、一个输出端子35以及一个输出中性点端子37；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32和C相33均与A相31结构相同。

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，三相输出侧端子12与所述变压器模块2的原边绕组21相连。

所述变压器模块2的原边绕组21与所述转子侧并网开关模块1相连，变压器模块2的副边绕组22的A相端子23与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31的输入端子34相连；变压器模块2的副边绕组22的B相端子24与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32的输入端子34相连；变压器模块2的副边绕组22的C相端子25与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的C相33的输入端子34相连。

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的输入中性点端子36连接到一起，形成中性点N₂38。所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31的输出端子35连接至交流励磁电机转子A相绕组41，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32输出端子35连接至交流励磁电机转子B相绕组42，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的C相33输出端子35连接至交流励磁电机转子C相绕组43。所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的输出中性点端子37连接到一起，形成中性点N₁39。

三相级联式隔离双背靠背H桥模块3分为A相31，B相32，C相33，每组包含n个相同的隔离双背靠背H桥单元40，其中n为自然数；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31中各隔离双背靠背H桥单元40输入侧包含两个输入类型端子，输出侧包含两个输出类型端子；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31中各隔离双背靠背H桥单元40输入侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输入端子34以及一个输入中性点端子36，其中输入端子34连接至所述变压器的A相端子23，输入中性点端子36连接至中性点N₂38；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31中各隔离双背靠背H桥单元40输出侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子35以及一个输出中性点端子37，其中输出端子35连接至交流励磁电机转子A相绕组41，输出中性点端子37连接至中性点N₁39；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32、C相33连接情况与A相31相同。

隔离双背靠背H桥单元40包括两个输入端子44、两个输出端子45、网侧背靠背H桥单元401、机侧背靠背H桥单元402以及隔离变压器单元403；所述网侧背靠背H桥单元401、机侧背靠背H桥单元402以及所述隔离变压器单元403各自包含两个输入类型端子以及两个输出类型端子；

所述隔离双背靠背H桥单元40的两个输入端子44与所述网侧背靠背H桥单元401的两个输入类型端子相连；所述网侧背靠背H桥单元401的两个输出类型端子与隔离变压器单元403的两个输入类型端子相连；所述隔离变压器单元403的两个输出类型端子与机侧背靠背H桥单元402的两个输入类型端子相连；所述机侧背靠背H桥单元402的两个输出类型端子与所述隔离双背靠背H桥单元40的两个输出端子45相连；

所述网侧背靠背H桥单元401包括整流侧H桥404、直流母线电容405以及逆变侧H桥406，形成并联背靠背结构；所述整流侧H桥404的整流侧直流正端子407与直流母线电容405正极以及所述逆变侧H桥406的逆变侧直流正端子408相连；所述整流侧H桥404的整流侧直流负端子409与直流母线电容405负极以及所述逆变侧H桥406的逆变侧直流负端子410相连；一对整流侧H桥交流端子411引出形成所述网侧背靠背H桥单元401的输入类型端子；一对逆变侧H桥交流端子412引出形成所述网侧背靠背H桥单元401的输出类型端子；所述机侧背靠背H桥单元402结构与所述网侧背靠背H桥单元401结构相同。

隔离变压器单元403包括高频隔离变压器413、网侧辅助电感414以及机侧辅助电感415。

高频隔离变压器413的原边绕组与所述网侧辅助电感414串联后，与所述隔离变压器单元403的两个输入类型端子连接在一起；高频隔离变压器413的副边绕组与所述机侧辅助电感415串联后，与所述隔离变压器单元403的两个输出类型端子连接在一起。

所述整流侧H桥404由两个相同结构的开关桥臂416并联组成。

每个所述开关桥臂416包括上下串联的两个强迫换向开关器件，其中上开关器件417的发射极与下开关器件418的集电极为串联公共点，该公共点引出作为开关桥臂416的交流端子；上开关器件417的集电极引出作为桥臂的直流正端子，下开关器件418的发射极引出作为桥臂的直流负端子；两个开关桥臂416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416的两个交流端子均引出作为整流侧H桥404输入端子411。

所述逆变侧H桥406同样由两个相同结构的开关桥臂416并联组成，连接方式与整流侧H桥404相同，两个开关桥臂416的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥406输出端子412。

一种可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置的工作原理如下：

正常工作时，交流励磁发电机4的定自测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。所述变压器模块2原边接入电网，副边则为三相级联式隔离双背靠背H桥模块3提供三相工作电压。

通过控制使所述三相级联式隔离双背靠背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N₁39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和相位，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和C相33在输出端子35和中性点N₁39之间产生三相对称交变励磁电压，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33分组中的各个隔离双背靠背隔离H桥单元按如下方式工作：

通过控制所述网侧背靠背H桥单元401，使其输出占空比一定的高频电压脉冲。

通过控制所述机侧背靠背H桥单元402，使其输出占空比变化的脉宽调制波，且该脉宽调制波的基波电压频率与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3输出的励磁电压基波频率f相等，其基波幅值则为所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块3产生的总励磁电压基波幅值的1/n。

级联式隔离双背靠背H桥单元40的A相31，B相32，C相33分组中，相同分组的各个机侧背靠背H桥单元402产生的脉宽调制波的基波电压相位相同，而不同分组的基波电压相位相差120度。

为使各个隔离双背靠背隔离H桥单元按所述方式工作，各个隔离双背靠背隔离H桥单元中的所述网侧背靠背H桥单元401和所述机侧背靠背H桥单元402以及所述隔离变压器单元403按如下方式工作：

通过控制所述网侧背靠背H桥单元401中所述整流侧H桥404的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述网侧背靠背H桥单元401的直流母线电压稳定在一个额定值上。

通过控制所述网侧背靠背H桥单元401中所述逆变侧H桥406的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述网侧背靠背H桥单元401输出占空比一定的高频电压脉冲。

通过控制所述机侧背靠背H桥单元402中所述整流侧H桥404的强迫换向开关器件的导通情况，使所述机侧背靠背H桥单元402输入具有如下特征的高频电压脉冲：其频率与网侧背靠背H桥单元401输出高频电压脉冲频率相同，但相差一个相位，控制该相位差使得机侧背靠背H桥单元402的直流母线电压稳定在一个额定值上。

通过控制所述机侧背靠背H桥单元402中所述逆变侧H桥406的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述机侧背靠背H桥单元402输出占空比变化的脉宽调制波，并使得其基波满足所述频率、幅值和相位要求。

本发明具有变频运行能力，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。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。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4。采用隔离高频变压器后，电网侧只需使用普通的三相变压器，从而省去了体积庞大，造价昂贵的多绕组工频变压器。

实施例4

图6为本发明的一个具体实施例，该可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置具体实施方式如下：

1.该用于可变速抽水蓄能发电系统的级联式交流励磁装置，包含转子侧并网开关模块1、变压器模块2、以及三相级联式隔离双背靠背H桥模块3。水泵水轮机6连接有交流励磁发电机4。

a)转子侧并网开关模块1包含一组三相输入侧端子11和一组三相输出侧端子12。

b)变压器模块2由一个原边绕组21以及一个副边绕组22组成。

c)三相级联式隔离双背靠背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)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31包含一个输入端子34，一个输入中性点端子36以及一个输出端子35，一个输出中性点端子37。三相级联式隔离双背靠背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与变压器模块2的原边绕组21相连。

f)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，变压器模块2的副边绕组22的A相端子23与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31的输入端子34相连。变压器模块2的副边绕组22的B相端子24与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32的输入端子34相连。变压器模块2的副边绕组22的C相33连接情况与A相31、B相32类似。

g)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的输入中性点端子36连接到一起，形成中性点N₂38。

h)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31的输出端子35连接至交流励磁电机转子A相绕组41，三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B相32输出端子35连接至交流励磁电机转子B相绕组42，三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的C相33连接情况与A相31、B相32类似。

i)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31、B相32和C相33的输出中性点端子37连接到一起，形成中性点N₁39。

2.三相级联式隔离双背靠背H桥模块3分为A相31，B相32，C相33三组，每组包含5个相同的隔离双背靠背H桥单元40。

a)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31中各隔离双背靠背H桥单元40输入侧包含两个输入类型端子，输出侧包含两个输出类型端子；

b)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31中各隔离双背靠背H桥单元40输入侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输入端子34以及一个输入中性点端子36，其中输入端子34连接至变压器的A相端子23，输入中性点端子36连接至中性点N₂38。

c)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31中各隔离双背靠背H桥单元40输出侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子35以及一个输出中性点端子37，其中输出端子35连接至交流励磁电机转子A相绕组41，输出中性点端子37连接至中性点N₁39。

d)三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的B、C相33连接情况与A相31类似。

3.双背靠背H桥模块由两个输入端子44、两个输出端子45、网侧背靠背H桥单元401、机侧背靠背H桥单元402以及隔离变压器单元403组成。

a)网侧背靠背H桥单元401，机侧背靠背H桥单元402，以及隔离变压器单元403，各自包含两个输入类型端子以及两个输出类型端子；

b)隔离双背靠背H桥单元40的两个输入端子44与网侧背靠背H桥单元401的两个输入类型端子相连；

c)网侧背靠背H桥单元401的两个输出类型端子与隔离变压器单元403的两个输入类型端子相连；

d)隔离变压器单元403的两个输出类型端子与机侧背靠背H桥单元402的两个输入类型端子相连；

e)机侧背靠背H桥单元402的两个输出类型端子与隔离双背靠背H桥单元40的两个输出端子45相连；

4.网侧背靠背H桥单元401由整流侧H桥404、直流母线电容405以及逆变侧H桥406组成，形成并联背靠背结构。

a)整流侧H桥404的整流侧直流正端子407与直流母线电容405正极以及逆变侧H桥406的逆变侧直流正端子408相连。整流侧H桥404的整流侧直流负端子409与直流母线电容405负极以及逆变侧H桥406的逆变侧直流负端子410相连。

b)整流侧H桥404的一对交流端子引出形成网侧背靠背H桥单元401的输入端子；逆变侧H桥406的一对交流端子引出形成网侧背靠背H桥单元401的输出端子。

5.机侧背靠背H桥单元402结构与网侧背靠背H桥单元401结构相同。

6.隔离变压器单元403由高频隔离变压器413和网侧辅助电感414以及机侧辅助电感415组成。

a)高频隔离变压器413的原边绕组与所述网侧辅助电感414串联后，与所述隔离变压器单元403的两个输入类型端子连接在一起；

b)高频隔离变压器413的副边绕组与所述机侧辅助电感415串联后，与所述隔离变压器单元403的两个输出类型端子连接在一起；

7.整流侧H桥404由两个相同结构的开关桥臂416并联组成。

a)每个开关桥臂416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416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416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416的两个交流端子均引出作为整流侧H桥404输入端子411。

8.逆变侧H桥406同样由两个相同结构的开关桥臂416并联组成，连接方式与整流桥完全相同。两个开关桥臂416的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥406输出端子412。

9.该可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，按照以下方式工作：

a)正常工作时，交流励磁发电机4的定自测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。变压器模块2原边接入电网，副边则为三相级联式隔离双背靠背H桥模块3提供三相工作电压。

b)通过控制使三相级联式隔离双背靠背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N₁39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和相位，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.为在A相31，B相32，C相33在输出端子35和中性点N₁39之间产生三相对称交变励磁电压，三相级联式隔离双背靠背H桥模块3的A相31，B相32，C相33分组中的各个隔离双背靠背隔离H桥单元按如下方式工作：

a)通过控制网侧背靠背H桥单元401，使其输出占空比一定的高频电压脉冲。

b)通过控制机侧背靠背H桥单元402，使其输出占空比变化的脉宽调制波，且该脉宽调制波的基波电压频率与三相级联式隔离双背靠背H桥模块3输出的励磁电压基波频率f相等，其基波幅值则为三相级联式隔离双背靠背H桥模块3产生的总励磁电压基波幅值的1/5。

c)级联式隔离双背靠背H桥单元40的A相31，B相32，C相33分组中，相同分组的各个机侧背靠背H桥单元402产生的脉宽调制波的基波电压相位相同，而不同分组的基波电压相位相差120度。

11.为使各个隔离双背靠背隔离H桥单元按方式工作，各个隔离双背靠背隔离H桥单元中的网侧背靠背H桥单元401和机侧背靠背H桥单元402以及隔离变压器单元403按如下方式工作：

a)通过控制网侧背靠背H桥单元401中整流侧H桥404的强迫换向开关器件的导通情况，使得网侧背靠背H桥单元401的直流母线电压稳定在一个额定值上。

b)通过控制网侧背靠背H桥单元401中逆变侧H桥406的强迫换向开关器件的导通情况，使得网侧背靠背H桥单元401输出占空比一定的高频电压脉冲。

c)通过控制机侧背靠背H桥单元402中整流侧H桥404的强迫换向开关器件的导通情况，使机侧背靠背H桥单元402输入具有如下特征的高频电压脉冲：其频率与网侧背靠背H桥单元401输出高频电压脉冲频率相同，但相差一个相位，控制该相位差使得机侧背靠背H桥单元402的直流母线电压稳定在一个额定值上。

d)通过控制机侧背靠背H桥单元402中逆变侧H桥406的强迫换向开关器件的导通情况，使得机侧背靠背H桥单元402输出占空比变化的脉宽调制波，并使得其基波满足频率、幅值和相位要求。

Claims (10)

1.可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：包括转子侧并网开关模块（1）、变压器模块（2）和三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）；所述转子侧并网开关模块（1）与变压器模块（2）相连，所述变压器模块（2）与三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）相连。

2.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述转子侧并网开关模块（1）包含一组三相输入侧端子（11）和一组三相输出侧端子（12）；所述变压器模块（2）包括一个原边绕组（21）以及一个副边绕组（22）；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）分为结构完全相同的A相（31），B相（32）和C相（33）。

3.根据权利要求2所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）包含一个输入端子（34），一个输入中性点端子（36）、一个输出端子（35）以及一个输出中性点端子（37）；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的B相（32）和C相（33）均与A相（31）结构相同；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，三相输出侧端子（12）与所述变压器模块（2）的原边绕组（21）相连；所述变压器模块（2）的原边绕组（21）与所述转子侧并网开关模块（1）相连，变压器模块（2）的副边绕组（22）的A相端子（23）与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）的输入端子（34）相连；变压器模块（2）的副边绕组（22）的A相端子（24）与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的B相（32）的输入端子（34）相连；变压器模块（2）的副边绕组（22）的A相端子（25）与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的C相（33）的输入端子（34）相连；

所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）、B相（32）和C相（33）的输入中性点端子（36）连接到一起，形成中性点N₂（38）；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）的输出端子（35）连接至交流励磁电机转子A相绕组（41），所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的B相（32）输出端子（35）连接至交流励磁电机转子B相绕组（42），所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的C相（33）输出端子（35）连接至交流励磁电机转子C相绕组（43）；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）、B相（32）和C相（33）的输出中性点端子（37）连接到一起，形成中性点N₁（39）。

4.根据权利要求3所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）分为A相（31），B相（32），C相（33），每组包含n个相同的隔离双背靠背H桥单元（40），其中n为自然数；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）中各隔离双背靠背H桥单元（40）输入侧包含两个输入类型端子，输出侧包含两个输出类型端子；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）中各隔离双背靠背H桥单元（40）输入侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输入端子（34）以及一个输入中性点端子（36），其中输入端子（34）连接至所述变压器的A相端子（23），输入中性点端子（36）连接至中性点N₂（38）；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）中各隔离双背靠背H桥单元（40）输出侧按菊花链方式级联，级联后形成一个输出端子（35）以及一个输出中性点端子（37），其中输出端子（35）连接至交流励磁电机转子A相绕组（41），输出中性点端子（37）连接至中性点N₁（39）；所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的B相（32）、C相（33）连接情况与A相（31）相同。

5.根据权利要求4所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述隔离双背靠背H桥单元（40）包括两个输入端子（44）、两个输出端子（45）、网侧背靠背H桥单元（401）、机侧背靠背H桥单元（402）以及隔离变压器单元（403）；所述网侧背靠背H桥单元（401）、机侧背靠背H桥单元（402）以及所述隔离变压器单元（403）各自包含两个输入类型端子以及两个输出类型端子；所述隔离双背靠背H桥单元（40）的两个输入端子（44）与所述网侧背靠背H桥单元（401）的两个输入类型端子相连；所述网侧背靠背H桥单元（401）的两个输出类型端子与隔离变压器单元（403）的两个输入类型端子相连；所述隔离变压器单元（403）的两个输出类型端子与机侧背靠背H桥单元（402）的两个输入类型端子相连；所述机侧背靠背H桥单元（402）的两个输出类型端子与所述隔离双背靠背H桥单元（40）的两个输出端子（45）相连。

6.根据权利要求5所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述网侧背靠背H桥单元（401）包括整流侧H桥（404）、直流母线电容（405）以及逆变侧H桥（406），形成并联背靠背结构；所述整流侧H桥（404）的整流侧直流正端子（407）与直流母线电容（405）正极以及所述逆变侧H桥（406）的逆变侧直流正端子（408）相连；所述整流侧H桥（404）的整流侧直流负端子（409）与直流母线电容（405）负极以及所述逆变侧H桥（406）的逆变侧直流负端子（410）相连；一对整流侧H桥交流端子（411）引出形成所述网侧背靠背H桥单元（401）的输入端子；一对逆变侧H桥交流端子（412）引出形成所述网侧背靠背H桥单元（401）的输出端子；所述机侧背靠背H桥单元（402）结构与所述网侧背靠背H桥单元（401）结构相同。

7.根据权利要求6所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述隔离变压器单元（403）包括高频隔离变压器（413）、网侧辅助电感（414）以及机侧辅助电感（415）；所述高频隔离变压器（413）的原边绕组与所述网侧辅助电感（414）串联后，与所述隔离变压器单元（403）的两个输入类型端子连接在一起；所述高频隔离变压器（413）的副边绕组与所述机侧辅助电感（415）串联后，与所述隔离变压器单元（403）的两个输出端子连接在一起。

8.根据权利要求7所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：所述整流侧H桥（404）由两个相同结构的开关桥臂（416）并联组成；每个所述开关桥臂（416）包括上下串联的两个强迫换向开关器件，其中上开关器件（417）的发射极与下开关器件（418）的集电极为串联公共点，该公共点引出作为开关桥臂（416）的交流端子；上开关器件（417）的集电极引出作为桥臂的直流正端子，下开关器件（418）的发射极引出作为桥臂的直流负端子；两个开关桥臂（416）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（416）的两个交流端子均引出作为整流侧H桥（404）输入端子（411）；所述逆变侧H桥（406）同样由两个相同结构的开关桥臂（416）并联组成，连接方式与整流侧H桥（404）相同，两个开关桥臂（416）的两个交流端子均引出作为逆变侧H桥（406）输出端子（412）。

9.根据权利要求8所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：正常工作时，交流励磁发电机（4）的定自测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；所述变压器模块（2）原边接入电网，副边则为三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）提供三相工作电压；通过控制使所述三相级联式隔离双背靠背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N₁（39）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和相位，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所述的可变速抽水蓄能发电系统的高频隔离级联交流励磁装置，其特征在于：为在A相（31）、B相（32）和C相（33）在输出端子（35）和中性点N₁（39）之间产生三相对称交变励磁电压，所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）的A相（31）、B相（32）和C相（33）分组中的各个隔离双背靠背隔离H桥单元按如下方式工作：

通过控制所述网侧背靠背H桥单元（401），使其输出占空比一定的高频电压脉冲；

通过控制所述机侧背靠背H桥单元（402），使其输出占空比变化的脉宽调制波，且该脉宽调制波的基波电压频率与所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）输出的励磁电压基波频率f相等，其基波幅值则为所述三相级联式隔离双背靠背H桥模块（3）产生的总励磁电压基波幅值的1/n；

级联式隔离双背靠背H桥单元（40）的A，B，C相（33）分组中，相同分组的各个机侧背靠背H桥单元（402）产生的脉宽调制波的基波电压相位相同，而不同分组的基波电压相位相差120度；

为使各个隔离双背靠背隔离H桥单元按所述方式工作，各个隔离双背靠背隔离H桥单元中的所述网侧背靠背H桥单元（401）和所述机侧背靠背H桥单元（402）以及所述隔离变压器单元（403）按如下方式工作：

通过控制所述网侧背靠背H桥单元（401）中所述整流侧H桥（404）的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述网侧背靠背H桥单元（401）的直流母线电压稳定在一个额定值上；

通过控制所述网侧背靠背H桥单元（401）中所述逆变侧H桥（406）的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述网侧背靠背H桥单元（401）输出占空比一定的高频电压脉冲；

通过控制所述机侧背靠背H桥单元（402）中所述整流侧H桥（404）的强迫换向开关器件的导通情况，使所述机侧背靠背H桥单元（402）输入具有如下特征的高频电压脉冲：其频率与网侧背靠背H桥单元（401）输出高频电压脉冲频率相同，但相差一个相位，控制该相位差使得机侧背靠背H桥单元（402）的直流母线电压稳定在一个额定值上；

通过控制所述机侧背靠背H桥单元（402）中所述逆变侧H桥（406）的强迫换向开关器件的导通情况，使得所述机侧背靠背H桥单元（402）输出占空比变化的脉宽调制波，并使得其基波满足所述频率、幅值和相位要求。