CN110383656A - 用于具有碳化硅mosfet的功率转换器的滤波器装置 - Google Patents

用于具有碳化硅mosfet的功率转换器的滤波器装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110383656A
CN110383656A CN201780088031.9A CN201780088031A CN110383656A CN 110383656 A CN110383656 A CN 110383656A CN 201780088031 A CN201780088031 A CN 201780088031A CN 110383656 A CN110383656 A CN 110383656A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power
converter
filter apparatus
converted
core element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780088031.9A
Other languages
English (en)
Inventor
R.G.瓦戈纳
W.M.布卢伊特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN110383656A publication Critical patent/CN110383656A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H02M1/126—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output using passive filters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/28—The renewable source being wind energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/327—Means for protecting converters other than automatic disconnection against abnormal temperatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/337—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration
    • H02M3/3376—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in push-pull configuration with automatic control of output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4807—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode having a high frequency intermediate AC stage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

提供了用于在利用碳化硅MOSFET的功率转换系统中使用的滤波器装置。功率转换系统可包括功率转换器，该功率转换器配置成使功率从第一功率转换成第二功率。第二功率可具有与第一功率不同的至少一个特性。功率转换器可包括一个或多个碳化硅MOSFET。功率转换系统可进一步包括滤波器装置，该滤波器装置配置成从由功率转换器转换的功率中滤去一个或多个开关谐波的至少部分。

Description

用于具有碳化硅MOSFET的功率转换器的滤波器装置
技术领域
本主题大体上涉及功率系统，并且更特别地涉及用于在包括利用碳化硅开关装置的功率转换器的功率系统中使用的滤波装置。
背景技术
功率转换器可用于多种能量存储和输送系统(诸如，风力涡轮功率系统、太阳能功率系统、能量存储系统和不间断电源系统)中。功率转换器通常用于使功率从第一形式的功率转换成第二形式的功率，诸如DC至DC、DC至AC或AC至DC的功率转换。在典型的功率转换器中，多个开关装置(诸如，绝缘栅双极型晶体管(“IGBT”)或金属氧化物半导体场效应晶体管(“MOSFET”))可用于电子电路(诸如，半桥或全桥式电路)中以转换功率。
开关装置技术上的最新发展已允许在功率转换器中使用碳化硅(“SiC”)开关装置，诸如SiC MOSFET。与常规的IGBT相比，使用SiC MOSFET允许在高得多的开关频率下操作功率转换器。在许多应用中，由于来自功率转换器的开关谐波，故可期望包括滤波器以对来自功率转换器的功率进行滤波。然而，当在高频下操作时或当高频成分叠加在低频的基频上时，与功率转换器一起使用的典型滤波器(诸如，电感器滤波器)可具有高损耗，这是当利用开关装置时功率转换过程的固有结果。此外，当在高频下操作时，典型的滤波器可过热。
发明内容
本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而认识到，或可通过实践实施例而认识到。
本公开的一个示例性方面涉及一种功率转换系统。功率转换系统可包括功率转换器，该功率转换器配置成使功率从第一功率转换成第二功率。第二功率可具有与第一功率不同的至少一个特性。功率转换器可包括一个或多个碳化硅开关装置。功率转换系统可进一步包括滤波器装置，该滤波器装置配置成从由功率转换器转换的第二功率中滤去一个或多个开关谐波的至少部分。
本公开的另一示例性方面涉及一种用于提供功率的方法。该方法可包括将来自功率源的功率提供给功率转换器。功率转换器可配置成使功率从第一功率转换成第二功率。第二功率可具有与第一功率不同的至少一个特性。功率转换器可包括一个或多个碳化硅开关装置。该方法可进一步包括利用功率转换器来使功率转换成经转换的功率。该方法可进一步包括利用滤波器装置来将经转换的功率滤波成经滤波的功率。滤波器装置可配置成从经转换的功率中滤去一个或多个开关谐波的至少部分。该方法可进一步包括将经滤波的功率提供给功率输送点。
本公开的另一示例性方面涉及一种风力涡轮系统。风力涡轮系统可包括风驱动式发电机，其配置成生成AC功率。风力涡轮系统可进一步包括耦合到发电机的功率转换器。功率转换器可包括：第一转换器，其配置成使AC功率转换成DC功率；以及第二转换器，其配置成使DC功率转换成AC功率。第二转换器可包括一个或多个碳化硅开关装置。风力涡轮系统可进一步包括滤波器装置，该滤波器装置配置成从由功率转换器转换的功率中滤去一个或多个开关谐波的至少部分。滤波器装置可包括电感器。电感器可包括芯体元件和线圈元件。芯体元件可包括磁性材料。线圈元件可包括围绕芯体元件的至少部分而盘绕的导线。
可对本公开的这些示例性方面作出变型和修改。
参考以下描述和所附权利要求书，多种实施例的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其部分的附图示出了本公开的实施例，并与描述一起用于阐释相关的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了实施例的针对本领域普通技术人员的详细讨论，在附图中：
图1描绘了示例性风力涡轮系统；
图2描绘了根据本公开的示例性方面的示例性功率转换器；
图3描绘了根据本公开的示例性方面的用于在功率转换器中使用的示例性元件；
图4描绘了根据本公开的示例性方面的功率转换器；
图5描绘了根据本公开的示例性方面的示例性功率系统；
图6描绘了根据本公开的示例性方面的示例性滤波器装置；
图7描绘了根据本公开的示例性方面的示例性滤波器装置；
图8描绘了根据本公开的示例性方面的示例性滤波器装置的部分；
图9描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；
图10描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；
图11描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；
图12描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；
图13描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；
图14描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；
图15描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统；以及
图16描绘了根据本公开的示例性方面的方法。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各示例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中作出多种修改和变型。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起用于产生另外的其它实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。
本公开的示例性方面涉及用于在具有SiC MOSFET的转换功率的转换器中使用的功率系统。特别地，本公开的示例性方面涉及能够使功率从第一功率转换成第二功率的功率转换器。第二功率可具有与第一功率不同的至少一个特性。例如，第一功率可从第一电压转换成第二电压，从第一AC功率转换成第二AC功率，从AC功率转换成DC功率，从DC功率转换成AC功率，或从第一DC功率转换成第二DC功率。功率转换器可包括一个或多个SiC MOSFET。例如，功率转换器可为用于在风力涡轮系统中使用的低压DC-中压AC转换器，其可包括多个隔离的DC-DC-AC逆变器构建单元(block)。各隔离的DC-DC-AC逆变器构建单元可包括一个或多个SiC MOSFET。SiC MOSFET可配置成在比常规的IGBT更高的开关频率下开关。功率系统可进一步包括滤波器装置，该滤波器装置配置成滤去来自功率转换器的开关谐波。
例如，滤波器装置可包括电感器。电感器可包括芯体元件和线圈元件。芯体元件可包括磁性材料，诸如低损耗的磁性芯体材料。芯体元件可在芯体中包括多个分布式空气间隙，或可包括精细研磨的磁性材料，其中磁性颗粒涂覆有非导电且非磁性的层。例如，芯体元件的芯体材料可为铁粉和铁氧体。芯体元件还可包括多个腿部。例如，芯体元件可为切割的C形芯体或E形芯体，其可包括多个腿部。此外，芯体元件的腿部可包括空气间隙。在实施例中，芯体元件可包括多个空气间隙。此外，芯体元件可为包括多个层压层的层压式芯体。例如，各层压层可包括涂覆有非磁性且非导电的材料的磁性材料。芯体元件可包括多个层压层。例如，芯体元件可包括具有多个空气间隙的多个层压层，并且可包括卷绕型层压式单芯体。
滤波器装置的线圈元件可为载流导线，其可围绕芯体元件的至少部分而盘绕。线圈元件可为载流导线的低损耗导线或构造。线圈元件可被选择成在高频下减小电感器的电阻。在多种实施例中，线圈元件可包括小平行线(parallel wire)、连续换位的平行导线、利兹(Litz)线或薄箔层。滤波器装置可用于需要减少谐波电流发射但在期望频率下的电流不会显著衰减的应用中。
根据本公开的示例性方面，滤波器装置可进一步包括电容器。例如，滤波器装置可包括在第一节点处耦合到功率转换器的输出的电感器，其中电容器耦合到电感器的第二节点。在实施例中，电容器可进一步接地。电感器的第二节点可耦合到功率输送点，诸如电网。滤波器装置可接收具有高压谐波成分的来自功率转换器的功率输出，并且可通过在最小衰减的情况下使基频通过来处理功率，同时更加显著地减小谐波频率的幅度。
根据本公开的示例性方面，功率系统可进一步包括冷却装置，其配置成冷却滤波器装置。例如，在实施例中，可以以对流的方式来冷却滤波器装置，其中来自滤波器装置的热经由对流来耗散。在其它实施例中，可通过风扇来冷却滤波器装置，该风扇可将空气流引导至滤波器装置上，可通过液体来冷却滤波器装置，这可将冷却液体引导至滤波器装置上，或可通过将相变流体提供给滤波器装置来对滤波器装置进行蒸发冷却，这可在相变流体发生相变(诸如，通过蒸发)时提供冷却。
功率系统的滤波器装置可进一步包括多个电感器。例如，滤波器装置可包括两个或更多个电感器，诸如串联耦合的两个或更多个电感器。在实施例中，滤波器装置可包括并联耦合的两个或更多个电感器。在又一实施例中，功率系统可包括多个滤波器装置，诸如耦合在功率转换器与功率源之间的第一滤波器装置和耦合在功率转换器与功率输送点之间的第二滤波器装置。
功率系统中的功率转换器可为适合于在多种应用中使用的功率转换器。例如，功率转换器可包括两级式功率转换器。另外和/或备选地，功率转换器可为多级式功率转换器，诸如三级、四级、五级或其它多级式转换器。在实施例中，功率转换器可为配置成用于在风力涡轮应用中使用的功率转换器。例如，功率转换器可包括耦合到DC-AC转换器的AC-DC转换器。在实施例中，功率转换器可为配置成用于在太阳能应用、电池存储应用或不间断电源应用中使用的功率转换器。例如，功率转换器可为DC-AC转换器，其耦合到DC功率源，并且配置成使DC功率转换成AC功率以用于输送到AC电网。在另一实施例中，功率转换器可为DC-DC功率转换器，其耦合到DC功率源并且配置成调节或转换DC功率以用于输送到DC功率源。在一个或多个实施例中，滤波器装置可耦合在功率源与功率转换器之间，且/或耦合在转换器与功率输送点之间。
以此方式，根据本公开的示例性方面的系统和方法可具有在对来自利用SiCMOSFET的功率转换器的功率进行滤波时允许减少滤波器损耗的技术效果。此外，这可允许利用SiC MOSFET的功率转换器在比利用常规IGBT的常规功率转换器更高的开关频率下操作，同时仍允许对功率输出进行滤波以减少来自功率转换器的谐波频率。此外，根据本公开的示例性方面的系统和方法可减小滤波器装置(诸如，滤波器电感器)在对来自利用SiCMOSFET的高频功率转换器的功率进行滤波时将会过热的可能性。这可允许提高操作可靠性并降低维护需求。
现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例性方面。图1描绘了根据本公开的示例性方面的DFIG系统100。出于说明和讨论的目的，将参考图1的示例性DFIG 100来讨论本公开。使用本文中提供的公开的本领域普通技术人员应当理解，如将参考图9-15来更详细地讨论的那样，本公开的方面也可适用于其它系统(诸如太阳能功率系统、能量存储系统和不间断电源系统)中。
在示例性系统100中，转子包括多个转子叶片108，这些转子叶片108联接到旋转毂110，并且一起限定螺旋桨。螺旋桨联接到任选的齿轮箱118，齿轮箱118继而联接到发电机120。根据本公开的方面，发电机120是双馈感应发电机(DFIG)120。
DFIG 120典型地耦合到定子总线154，并且经由转子总线156来耦合到功率转换器162。定子总线提供来自DFIG 120的定子的输出多相功率(例如，三相功率)，并且转子总线156提供DFIG 120的输出多相功率(例如，三相功率)。功率转换器162可为配置成将输出功率提供给电网184和/或从电网184接收功率的双向功率转换器。如显示的那样，DFIG 120经由转子总线156来耦合到转子侧转换器166。转子侧转换器166耦合到线路侧转换器168，线路侧转换器168继而耦合到线路侧总线188。
在示例性配置中，转子侧转换器166和/或线路侧转换器168配置成用于将SiCMOSFET用作开关装置的三相脉冲宽度调制(PWM)布置中的正常操作模式。与常规的IGBT相比，SiC MOSFET可在非常高的频率下开关。例如，SiC MOSFET可在从大致0.01 Hz至10 MHz的频率下开关，其中典型的开关频率为1 KHz至400 KHz，而IGBT可在从大致0.01 Hz至200KHz的频率下开关，其中典型的开关频率为1 KHz至20 KHz。另外，当在一些电压范围中操作时，SiC MOSFET可提供相对于普通MOSFET的优点。例如，在在LV侧上在1200V-1700V下操作的功率转换器中，SiC MOSFET具有比普通的MOSFET更低的开关损耗。
在一些实施方式中，如将关于图3而更详细地讨论的那样，转子侧转换器166和/或线路侧转换器168可包括多个转换模块，其各自与多相功率的输出相相关联。转子侧转换器166和线路侧转换器168可经由DC链路136来耦合，DC链路电容器138可横跨DC链路136。
功率转换器162可耦合到控制器174，以控制转子侧转换器166和线路侧转换器168的操作。应当注意的是，在典型的实施例中，控制器174配置为功率转换器162与控制系统176之间的接口。
在操作中，在DFIG 120处通过使转子106旋转而生成的功率经由双路径来提供给电网184。双路径由定子总线154和转子总线156限定。在定子总线侧154上，将正弦多相(例如，三相)提供给电网。特别地，经由定子总线154来提供的AC功率可为MV AC功率。在转子总线侧156上，将正弦多相(例如，三相)AC功率提供给功率转换器162。特别地，经由转子总线156来提供给功率转换器162的AC功率可为LV AC功率。转子侧功率转换器166使从转子总线156提供的LV AC功率转换成DC功率，并且将DC功率提供给DC链路136。在转子侧功率转换器166的并联桥式电路中使用的开关装置(例如，SiC MOSFET和/或IGBT)可被调制，以使从转子总线156提供的AC功率转换成适合于DC链路136的DC功率。这样的DC功率可为LV DC功率。
一些DFIG系统100可包括用以使DFIG系统100耦合到电网184的三绕组式变压器282。三绕组式变压器282可具有耦合到电网184的中压(例如，大于12 KVAC)初级绕组254、耦合到定子总线158的中压(例如，6 KVAC)次级绕组254，以及耦合到线路总线188的低压(例如，575VAC、690VAC等)辅助绕组264。三绕组式变压器282布置在输出功率增加的系统(例如，3 MW系统)中可为优选的，这是因为其减小了定子总线256和DFIG 120的定子侧上的其它构件(诸如，定子同步开关)中的电流。
这样的变压器可用于将由功率转换器162经由线路总线188来提供的低压提高到适合于输出到电网184的中压。
一些DFIG系统100可包括用以使LV功率转换成MV AC功率的功率转换器162。例如，线路侧转换器168使DC链路136上的LV DC功率转换成适合于电网184的MV AC功率。特别地，在线路侧功率转换器168的桥式电路中使用的开关装置(例如，SiC MOSFET)可被调制，以使DC链路136上的DC功率转换成线路侧总线188上的AC功率。另外，耦合到桥式电路中的一个或多个的一个或多个隔离变压器可配置成如需要的那样使电压升高或降低。多个逆变器单元可串联连接以构建适合于在MV AC电网上使用的MV AC电压。来自功率转换器162的MV AC功率可与来自DFIG 120的定子的MV功率组合，以提供具有基本上维持于电网184的频率(例如，50 Hz/60 Hz)下的频率的多相功率(例如，三相功率)。以此方式，MV线路侧总线188可耦合到MV定子总线154以提供这样的多相功率。在实施例中，线路侧转换器168可包括一个或多个SiC MOSFET，其可在比常规的IGBT更高的开关频率下操作。
滤波器装置170可被包括在DFIG系统100中。例如，滤波器装置170可耦合在功率转换器162与电网184之间。例如，如图2中所描绘的那样，滤波器装置170在电网184与线路侧转换器168之间耦合到线路侧总线188。另外，滤波器装置170可被包括在功率转换器162中。滤波器装置170可为多相滤波器装置，且/或来自线路侧转换器168的多相功率的各相可具有滤波器装置170。如将关于图5-8而更详细地讨论的那样，滤波器装置170可配置成滤除与功率转换器162中的碳化硅MOSFET相关联的高频开关谐波的至少部分。
多种电路断路器和开关(诸如，电网断路器182、定子同步开关158等)可被包括在系统100中，以用于在连接到电网184和从电网184断开的期间如对于DFIG 120的正常操作而言必要的那样使多种构件隔离。以此方式，这样的构件可配置成例如当电流过大并且可对风力涡轮系统100的构件造成损伤时或出于其它操作考虑而使对应的总线连接或断开。额外的保护构件也可被包括在风力涡轮系统100中。
功率转换器162可经由控制器174来从例如控制系统176接收控制信号。控制信号可尤其基于风力涡轮系统100的所感测到的状况或操作特性。典型地，控制信号提供对功率转换器162的操作的控制。例如，呈DFIG 120的所感测到的速度的形式的反馈可用于控制来自转子总线156的输出功率的转换，以维持适当并且平衡的多相(例如，三相)功率供应。来自其它传感器的其它反馈(包括例如定子和转子总线电压和电流反馈)也可被控制器174用于控制功率转换器162。可使用多种形式的反馈信息来生成开关控制信号(例如，针对开关装置的栅极定时命令)、定子同步控制信号以及电路断路器信号。
现在参考图2，描绘了根据本公开的示例性方面的功率转换器300的示例性拓扑结构。该2级拓扑结构能够实现双向功率流。功率转换器300是2级DC-AC转换器，并且可包括多个SiC MOSFET。例如，功率转换器300可包括3个桥式电路，对于三相功率输出的各相而言均有一个桥式电路，其中各桥式电路包括两个SiC MOSFET。如图2中所描绘的那样，第一桥式电路可包括用于三相输出的A相306的第一SiC MOSFET 302和第二SiC MOSFET 304，第二桥式电路可包括用于三相输出的B相316的第三SiC MOSFET 312和第四SiC MOSFET 314，并且第三桥式电路可包括用于三相输出的C相326的第五SiC MOSFET 322和第六SiC MOSFET324。功率转换器300可进一步包括电容器330。开关命令可由控制系统(诸如控制系统176)提供，以控制SiC MOSFET的开关来使DC功率转换成三相AC功率。与常规的IGBT相比，SiCMOSFET可在非常高的频率下开关。此外，其它适合的拓扑结构可用于功率转换系统中的功率转换器，诸如图3和图4中所描绘的功率转换器和功率转换器构件。
现在参考图3，描绘了DC-DC-AC转换器中的构件的拓扑结构。图3描绘了示例性DC-DC-AC构建单元206，如图4中所描绘的那样，DC-DC-AC构建单元206可被包括在线路侧转换器168的转换模块200中。各构建单元206可包括多个转换实体。例如，构建单元206可包括转换实体212、转换实体214和转换实体216。各转换实体212-216可包括并联耦合的多个桥式电路。例如，转换实体216包括桥式电路218和桥式电路220。如指示的那样，各桥式电路可包括串联耦合的多个开关装置。例如，桥式电路220包括上部开关装置222和下部开关装置224。开关装置可为SiC MOSFET开关装置，其可在比常规的IGBT更高的开关频率下操作。如显示的那样，构建单元206进一步包括隔离变压器226。隔离变压器226可耦合到转换实体212和转换实体214。如显示的那样，转换分支可进一步包括电容器228和230。
第一转换实体212、隔离变压器226和第二转换实体214可一起限定内部转换器240。可操作内部转换器240以使来自DC链路126的LV DC功率转换成MV DC功率。在实施例中，内部转换器240可为高频谐振转换器。在谐振转换器配置中，谐振电容器232可被包括在内部转换器240中。在多种实施例中，谐振电容器232可被包括在隔离变压器226的LV侧上(如图2中所描绘的那样)、在隔离变压器226的MV侧上(未描绘)，或在隔离变压器226的LV侧和MV侧二者上(未描绘)。在另一实施例中，通过移除谐振电容器232，内部转换器240可为硬开关型转换器。第三转换实体216也可被称为外部转换器216。外部转换器216可使来自内部转换器的MV DC功率转换成适合于在电网184上使用的MV AC功率。在典型的应用中，外部转换器216可为硬开关型转换器，并因此不包括谐振电容器。
图4描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性线路侧转换器168。如显示的那样，线路侧转换器168包括转换模块200、转换模块202和转换模块204。转换模块200-204可配置成从转子侧转换器166接收LV DC功率并且使LV DC功率转换成MV AC功率以用于馈送到电网184。各转换模块200-204与三相输出AC功率的单相相关联。特别地，转换模块200与三相输出功率的A相输出相关联，转换模块202与三相输出功率的B相输出相关联，并且转换模块204与三相输出功率的C相输出相关联。
各转换模块200-204包括多个构建单元206-210。例如，如显示的那样，转换模块200包括构建单元206、构建单元208和构建单元210。在实施例中，各转换模块200-204可包括任何数量的构建单元206-210。线路侧转换器168可为双向功率转换器。线路侧转换器168可配置成使LV DC功率转换成MV AC功率以及反过来。例如，当将功率提供给电网184时，线路侧转换器168可配置成在线路侧转换器168的LV侧上从DC链路136接收LV DC功率并且在线路侧转换器168的MV侧上输出MV AC功率。模块分支206-210可在LV侧上并联耦合在一起，并且可在MV侧上串联耦合在一起。
在一个特定的示例性实施方式中，当将功率提供给电网184时，转换实体212可配置成使DC链路136上的LV DC转换成LV AC功率。隔离变压器226可配置成提供隔离。转换实体214可配置成使LV AC功率转换成LV DC功率。转换实体216可配置成使LV DC功率转换成适合于提供给电网184的LV AC功率。多个逆变器单元可串联连接以构建适合于在MV AC电网上使用的MV AC电压。
构建单元206-210可配置成促成由转换模块200提供的总体MV AC功率。以此方式，任何适合的数量的构建单元都可被包括在构建单元206-210内。如指示的那样，各转换模块200-204与输出功率的单相相关联。以此方式，可使用适合的栅极定时命令(例如，其由一个或多个适合的驱动器电路提供)来控制转换模块200-204的开关装置，以生成将提供给电网的输出功率的适当的相。例如，控制器174可将适合的栅极定时命令提供给桥式电路的开关装置的栅极。栅极定时命令可控制SiC MOSFET和/或IGBT的脉冲宽度调制，以提供期望的输出。
将认识到，尽管图4仅描绘了线路侧转换器168，但图2中所描绘的发电机侧转换器166可包括与图4中所描绘的拓扑结构相同或类似的拓扑结构。特别地，发电机侧转换器166可包括如参考线路侧转换器168而描述的具有一个或多个模块分支的多个转换模块。此外，将认识到，线路侧转换器168和发电机侧转换器166可包括SiC MOSFET开关装置、IGBT开关装置和/或其它适合的开关装置。例如，线路侧发电机168和/或发电机侧转换器166可包括一个或多个SiC MOSFET开关装置和/或一个或多个IGBT开关装置。在其中使用SiC MOSFET开关装置来实施发电机侧转换器166的实施方式中，发电机侧转换器166可耦合到撬棒(crowbar)电路(例如，多相撬棒电路)，以在某些故障状况期间保护SiC MOSFET开关装置免受高转子电流的影响。
图5描绘了根据本公开的示例性方面的示例性功率转换系统190。利用相同的参考数字来指代与图2中的元件相同或类似的元件。如图5中显示的那样，滤波器装置170可耦合在功率转换器162与线路侧总线188之间。图5中所描绘的功率转换器162可包括线路侧转换器168和转子侧转换器166。其它类型的功率转换器162可与如本文中描述的滤波器装置170一起使用。功率转换器162可利用基频相对低的电流(诸如，50-60 Hz的AC电流，下至DC电流)来操作，并且还包括由于功率转换器162中的SiC MOSFET的高频开关而引起的高频谐波电流。SiC MOSFET可提供具有由基频调制的载波频率以及成组的谐波频率的输出功率。
如图5中所描绘的那样，滤波器装置170可包括电感器171。电感器171可配置成滤去和/或减少来自功率转换器162的谐波电流发射。电感器171可包括电感器171的芯体元件中的低损耗磁性材料。例如，芯体材料可为分布式间隙材料，诸如铁粉和铁氧体。此外，芯体材料可在芯体元件中具有多个分布式空气间隙。电感器可进一步包括低损耗线圈元件，其可设计成在高频下减小导线的电阻。电感器可形成L滤波器，其可用于需要减少来自功率转换器162的谐波电流发射的应用中。
滤波器装置170可进一步包括电容器。例如，电感器171的第一节点可耦合到功率转换器162。电感器171的第二节点可耦合到电容器172，电容器172可进一步接地。然后，如图5中所描绘的那样，电感器171的第二节点可连接到线路侧总线188。虽然图5仅描绘了单个滤波器装置170，但本领域普通技术人员将认识到，多相AC功率转换器的各相可包括配置成针对各相而滤去来自功率转换器162的高频谐波的滤波器装置170。例如，第一滤波器装置170可对第一相A进行滤波，第二滤波器装置170可对第二相B进行滤波，并且第三滤波器装置170可对第三相C进行滤波。电感器171和电容器172可一起形成LC滤波器。LC滤波器可接收具有高压谐波成分的来自功率转换器162的功率输出，并且通过在最小衰减的情况下使基频通过来处理功率，同时减小谐波频率的幅度。LC滤波器可用于需要比L滤波器所提供的谐波电流衰减更显著的谐波电流衰减的应用中。
在实施例中，滤波器装置170可包括多个电感器170。例如，滤波器装置170可包括串联耦合的多个电感器171。另外和/或备选地，滤波器装置170可包括并联耦合的多个电感器171。在实施例中，功率转换系统190可包括多个滤波器装置170，诸如耦合在功率转换器162的各侧上的滤波器装置170。
功率转换系统190可进一步包括冷却系统173。冷却系统173可配置成冷却滤波器装置170的电感器171。例如，在实施例中，冷却系统173可配置成通过对流来冷却滤波器装置170的电感器171和/或电容器172。冷却系统可包括例如耦合到电感器171的一个或多个散热器或其它对流冷却装置。对流冷却装置可配置成通过对流来使电感器171中的热耗散。在另一实施例中，冷却系统173可包括风扇冷却系统(诸如，一个或多个电风扇)，其配置成在电感器171的上方引导空气流，以允许空气流向电感器171提供冷却。在另一实施例中，冷却系统173可包括液体冷却系统(诸如，水基液体冷却系统)，其配置成使冷却液体在电感器171的上方循环，以允许进行从电感器171到冷却液体中的热传递，然后冷却液体可被导送至吸热器，该吸热器可从冷却液体移除热，从而允许冷却液体再循环到电感器171以提供进一步的冷却。在又一实施例中，冷却系统173可为蒸发冷却系统，其中蒸发冷却系统配置成向电感器171提供相变流体。当相变流体发生相变(诸如从液体到气体)时，相变流体可从电感器171移除热，从而提供冷却。本领域普通技术人员将认识到，任何数量的冷却系统173都可类似地用于冷却滤波器装置170的电感器171和/或电容器172。
现在参考图6，显示了根据本公开的示例性方面的电感器171。如图6中显示的那样，电感器171可以以切割的E形芯体构造来构造。例如，电感器171可包括芯体元件600，其可包括两个芯体半部602和604。第一芯体半部602和第二芯体半部604可布置成使得两个芯体半部602和604形成第一腿部610、第二腿部620和第三腿部630。在第一芯体半部602与第二芯体半部604之间可为使第一腿部610、第二腿部620和第三腿部630的两个半部分开的多个空气间隙640。
芯体元件600可由低损耗的磁性芯体材料制成。芯体元件600可在芯体中包括多个分布式空气间隙，诸如空气间隙640。空气间隙640可以以任何数量的构造来布置。例如，第一腿部610可包括具有第一尺寸的空气间隙640，第二腿部620可根本没有空气间隙，并且第三腿部630可包括具有第二尺寸的第二空气间隙640。本领域普通技术人员将认识到，可使用任何数量的空气间隙构造来调节电感器171的磁阻。芯体元件600也可由在芯体材料本身中具有分布式间隙的芯体材料制成。例如，芯体元件600可由铁粉和铁氧体制成。在实施例中，芯体元件600可由精细研磨的磁性材料制成，其中磁性颗粒涂覆有非导电且非磁性的层。
电感器171可进一步包括线圈元件650。例如，如图6中显示的那样，线圈元件650围绕芯体元件600的部分(其为第二腿部620)而盘绕。本领域普通技术人员将认识到，线圈元件650可围绕芯体元件600的诸如第一腿部610或第三腿部630的部分而盘绕。线圈元件650可为载流导线的低损耗导线或构造，并且可设计成在高频下减小电感器171的电阻(其通常被称为RAC/RDC)。例如，线圈元件650可由薄箔层、小平行线、连续换位的平行导线(“CTC”)或利兹线制成。例如，利兹线可由多条细绞合线制成，其中各条单独的绞合线是绝缘的，并且多条单独的绞合线捻合或编织在一起。
电感器171可用于接收来自功率转换器162的功率输出，并通过在最小衰减的情况下使基频通过来处理功率，同时减小来自功率转换器162的谐波频率的幅度。
现在参考图7，描绘了根据本公开的额外的方面的另一电感器171。如图7中显示的那样，电感器171可以以切割的C形芯体构造来构造。例如，电感器171可包括芯体元件600，其可包括两个芯体半部602和604。第一芯体半部602和第二芯体半部604可布置成使得两个芯体半部602和604形成第一腿部610和第二腿部620。在第一芯体半部602与第二芯体半部604之间可为使第一腿部610和第二腿部620的两个半部分开的多个空气间隙640。
与图6中所描绘的电感器171类似，图7中所描绘的电感器171可利用低损耗的磁性芯体材料，其中在芯体元件600中具有多个分布式空气间隙。此外，芯体元件600的芯体材料可在芯体材料本身中包括分布式间隙。例如，芯体元件600可包括精细研磨的磁性材料，其中磁性颗粒涂覆有非导电且非磁性的层。另外，线圈元件650可由载流导线的低损耗导线或构造制成，该载流导线的低损耗导线或构造可设计成在高频下减小线圈元件的电阻。例如，线圈元件650可由薄箔层、小平行线、CTC或利兹线制成。如图7中显示的那样，线圈元件650可围绕芯体元件600的部分(诸如第二腿部620)而盘绕。
现在参考图8，描绘了根据本公开的额外的方面的芯体元件800。芯体元件800可为例如芯体元件600的部分，诸如如图7中所描绘的切割的C形芯体的第一芯体半部602。本领域普通技术人员将认识到，芯体元件800可类似地以任何数量的芯体元件构造(诸如，切割的E形芯体、卷绕型层压式单芯体或任何其它层压式电感器芯体元件)来构造。此外，层压层802可布置有多个空气间隙，诸如交错的空气间隙，其中单独层压层802的空气间隙不一定与芯体元件800中的其它层压层802的空气间隙对齐。如图8中显示的那样，芯体元件800可包括多个层压层802。例如，如描绘的那样，芯体元件800包括八个层压层802。本领域普通技术人员将认识到，任何数量的层压层802可被包括在芯体元件800中。各层压层802可由涂覆有非磁性且非导电的材料的磁性材料制成。多个层压层802可一起构成用于在电感器171中使用的芯体元件或其部分。
大体上参考图5-8，本文中所描绘的任何滤波器和/或滤波器构件可配置成滤除与功率转换器(诸如功率转换器162)中的一个或多个碳化硅MOSFET相关联的一个或多个开关谐波的至少部分。
现在参考图9，描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统900。功率系统900可包括电动机/发电机910。例如，电动机/发电机910可为配置成接收AC功率并使用AC功率来提供机械输出的电动机驱动器。另外和/或备选地，电动机/发电机910可为配置成使用机械功率输入来生成AC功率的发电机，诸如DFIG。功率系统900可进一步包括功率转换系统920。例如，功率转换系统920可包括功率转换器930和滤波器装置940。功率转换器930可包括第一转换器932和第二转换器934，第一转换器932可为AC-DC转换器，第二转换器934可为DC-AC转换器。例如，第一转换器932可为两级或多级式功率转换器，并且可对应于发电机侧转换器166。第二转换器934可为例如DC-DC-AC转换器，诸如图4中所描绘的线路侧转换器168。第一转换器932和第二转换器934可为其它类型的AC-DC转换器和DC-AC转换器。功率转换器930可包括多个SiC MOSFET。功率转换器930可对应于如本文中所描述的功率转换器162。滤波器装置940可为高频滤波器，其配置成滤去来自功率转换器930的高频谐波。例如，滤波器装置940可为如本文中所描述的滤波器装置170。功率系统900可进一步包括配电网络950，诸如AC网络。例如，配电网络950可对应于如本文中所讨论的电网184。
在实施例中，电动机/发电机910可将AC功率提供给功率转换系统920。滤波器装置940可从由电动机/发电机910提供的AC功率中滤去高频谐波，并将经滤波的AC功率提供给第一转换器932。第一转换器932可使经滤波的AC功率转换成DC功率并将DC功率提供给第二转换器934。第二转换器934可使DC功率转换成AC功率并且将AC功率提供给AC网络950。以此方式，可在将功率提供给配电网络950之前滤去来自电动机/发电机910的谐波。
在实施例中，配电网络950可将AC功率提供给功率转换系统920。例如，AC功率可由AC网络952提供给第二转换器934，第二转换器934可使AC功率转换成DC功率。可将DC功率提供给第一转换器932，第一转换器932可使DC功率转换成AC功率。然后可将AC功率提供给滤波器装置940，滤波器装置940可从AC功率中滤去高频谐波。然后可将经滤波的AC功率提供给功率电动机/发电机910。以此方式，可将经滤波的功率提供给电动机/发电机910。
现在参考图10，描绘了根据本公开的额外的方面的功率系统1000。利用相同的参考数字来指代与图9中的元件相同的元件。如显示的那样，功率系统1000与功率系统900非常类似，其中唯一的区别在于滤波器装置940现在位于功率转换系统920的配电网络950侧上，这与如图9中所描绘的那样位于电动机/发电机910侧上形成对照。因此，由配电网络950提供的AC功率可首先由滤波器装置950滤波，之后由功率转换器930转换并且提供给电动机/发电机910。另外，可首先将由电动机/发电机910提供的功率提供给功率转换器930，功率转换器930可转换功率并将经转换的功率提供给滤波器装置940，然后滤波器装置940可对经转换的功率进行滤波并将经滤波的功率提供给配电网络950。
现在参考图11，描绘了根据本公开的额外的方面的功率系统1100。利用相同的参考数字来指代与图9-10中的元件相同的元件。如显示的那样，功率系统1100与功率系统900和1000非常类似，其中唯一的区别在于功率转换系统920包括功率转换器930与电动机/发电机910之间的第一滤波器装置940A和位于功率转换器930与配电网络950之间的第二滤波器装置940B。因此，提供给配电网络950或从配电网络950提供的功率可由滤波器装置940B滤波，并且提供给电动机/发电机910或从电动机/发电机910提供的功率可由滤波器装置940A滤波。
现在参考图12，描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统1200。功率系统1200可包括DC功率源1210。例如，DC功率源1210可为太阳能装置(诸如，光伏电池或光伏电池阵列)、能量存储装置(诸如，电池、电容器或超级电容器)或不间断电源。功率系统1200可进一步包括功率转换系统1220。DC功率源1210可配置成将DC功率提供给功率转换系统1220，功率转换系统1220可转换DC功率。例如，功率转换系统1220可包括功率转换器1230和滤波器装置1240。功率转换器1230可包括第一转换器1232，其可为DC-AC转换器。例如，第一转换器1232可为两级或多级式功率转换器，并且可对应于发电机侧转换器166。第一转换器1232还可为例如DC-DC-AC转换器，诸如图4中所描绘的线路侧转换器168。第一转换器1232也可为其它类型的AC-DC/DC-AC转换器。功率转换器1230可包括多个SiC MOSFET。功率转换器1230可对应于如本文中所描述的功率转换器162的部分。滤波器装置1240可为高频滤波器，其配置成滤去来自功率转换器1230的高频谐波。例如，滤波器装置1240可为如本文中所描述的滤波器装置170。功率系统1200可进一步包括配电网络1250，诸如AC网络。例如，配电网络1250可对应于如本文中所讨论的电网184。
在实施例中，DC功率源1210可将DC功率提供给功率转换系统1220。功率转换器1230的第一转换器1232可使DC功率转换成AC功率并且将AC功率提供给滤波器装置1240。然后，滤波器装置1240可对AC功率进行滤波，并将经滤波的AC功率提供给配电网络1250。以此方式，可在将AC功率提供给配电网络1250之前滤去来自功率转换器1230的谐波。
在实施例中，配电网络1250可将AC功率提供给功率转换系统1220。例如，AC功率可由配电网络1250提供给滤波器装置1240，滤波器装置1240可在将功率提供给功率转换器1230之前从AC功率中滤去谐波。然后，功率转换器1230可使经滤波的AC功率转换成DC功率，并将经转换的DC功率提供给DC功率源1210，DC功率源1210可存储DC功率。以此方式，可在将AC功率提供给功率转换器1230之前滤去来自配电网络1250的AC谐波。
现在参考图13，描绘了根据本公开的额外的方面的功率系统1300。利用相同的参考数字来指代与图12中的元件相同的元件。如显示的那样，功率系统1300与功率系统1200非常类似，其中唯一的区别在于功率转换系统1220包括功率转换器1230与DC功率源1210之间的第一滤波器装置1240A和位于功率转换器1230与配电网络1250之间的第二滤波器装置1240B。因此，提供给配电网络1250或从配电网络1250提供的功率可由滤波器装置1240B滤波，并且提供给DC功率源1210或从DC功率源1210提供的功率可由滤波器装置1240A滤波。
现在参考图14，描绘了根据本公开的示例性方面的功率系统1400。功率系统1400可包括第一DC功率源1410。例如，第一DC功率源1410可为太阳能装置、能量存储装置(诸如电池、电容器或超级电容器)或不间断电源。功率系统1400可进一步包括功率转换系统1420。第一DC功率源1410可配置成将DC功率提供给功率转换系统1420，功率转换系统1420可转换DC功率。例如，功率转换系统1420可包括功率转换器1430和滤波器装置1440。功率转换器1430可包括第一转换器1432，其可为配置成转换DC功率的电压的DC-DC转换器，诸如功率调节器或DC-DC转换器。功率转换器1430可包括多个SiC MOSFET。功率转换器1430可对应于如本文中所描述的功率转换器162的部分。滤波器装置1440可为高频滤波器，其配置成滤去来自功率转换器1430的高频谐波。例如，滤波器装置1440可为如本文中所描述的滤波器装置170。功率系统1400可进一步包括第二DC功率源1450。例如，第二DC功率源1450可为太阳能装置、能量存储装置(诸如电池、电容器或超级电容器)或不间断电源。
在实施例中，DC功率源1410可将DC功率提供给功率转换系统1420。功率转换器1430的第一转换器1432可使DC功率转换成DC功率并将经转换的DC功率提供给滤波器装置1440。然后，滤波器装置1440可对经转换的DC功率进行滤波，并将经滤波的DC功率提供给第二DC功率源1450。以此方式，可在将DC功率提供给第二DC功率源1450之前滤去来自功率转换器1430的谐波。
在实施例中，第二功率源1450可将DC功率提供给功率转换系统1220。例如，DC功率可由第二DC功率源1450提供给滤波器装置1440，滤波器装置1440可在将功率提供给功率转换器1430之前从DC功率中滤去谐波。然后，功率转换器1430可使经滤波的DC功率转换成经转换的DC功率，并且将经转换的DC功率提供给DC功率源1210，DC功率源1210可存储DC功率。以此方式，可在将DC功率提供给功率转换器1430之前滤去来自第二DC功率源1450的谐波。
现在参考图15，描绘了根据本公开的额外的方面的功率系统1500。利用相同的参考数字来指代与图14中的元件相同的元件。如显示的那样，功率系统1500与功率系统1400非常类似，其中唯一的区别在于功率转换系统1420包括功率转换器1430与第一DC功率源1210之间的第一滤波器装置1440A和位于功率转换器1430与第二DC功率源1450之间的第二滤波器装置1440B。因此，提供给第二DC功率源1450或从第二DC功率源1450提供的功率可由滤波器装置1440B滤波，并且提供给第一DC功率源1410或从第一DC功率源1410提供的功率可由滤波器装置1440A滤波。
现在参考图16，描绘了根据本公开的示例性方面的用于提供功率的方法(1600)。在(1602)处，方法(1600)可包括将来自功率源的功率提供给包括一个或多个碳化硅开关元件的功率转换器。例如，功率源可为AC功率源(诸如DFIG或AC网络)或DC功率源(诸如太阳能装置、能量存储系统(诸如电池、电容器或超级电容器)或不间断电源)。功率转换器可为例如如本文中所描述的AC-AC功率转换器、DC-DC功率转换器、AC-DC功率转换器、DC-AC功率转换器或DC-DC-AC功率转换器。功率转换器可包括一个或多个碳化硅开关元件，诸如SiCMOSFET。例如，功率转换器可为利用在相对低的基频(诸如，50-60 Hz，下至DC)下操作的SiCMOSFET的高频功率转换器。功率转换器的SiC MOSFET可提供具有由基频调制的载波频率和成组的谐波频率的输出功率。可类似地使用其它功率转换器。此外，如本文中所描述的那样，功率转换器可包括多个转换器，诸如第一转换器和第二转换器。
在(1604)处，方法(1600)可包括利用功率转换器来使功率转换成经转换的功率。例如，功率转换器可使用DC-DC-AC功率转换器来使DC功率转换成AC功率。经转换的功率可具有由基频调制的载波频率和成组的谐波频率。
在(1606)处，方法(1600)可包括利用滤波器装置来将经转换的功率滤波成经滤波的功率。例如，滤波器装置可为滤波器装置170，其可包括电感器171和电容器172。滤波器装置170可配置成从经转换的功率中滤去高频谐波。例如，滤波器装置170可包括具有低损耗的磁性芯体和低损耗的线圈元件的电感器，低损耗的线圈元件设计成在高频下减小电感器的电阻，这可滤去谐波频率。
在(1608)处，方法(1600)可包括将经滤波的功率提供给功率输送点。例如，功率输送点可为AC电网184。经转换且经滤波的功率可由滤波器装置(诸如，滤波器装置170)提供给AC电网184。可类似地使用其它功率输送点，诸如能量存储装置、电动机或其它功率输送点。以此方式，方法(1600)可用于将经滤波、经转换的功率提供给功率输送点。
出于说明和讨论的目的，参考用于在包括利用SiC MOSFET的功率转换器的功率系统中使用的滤波器装置来讨论本公开。使用本文中所提供的公开的本领域普通技术人员将理解，根据本公开的方面的滤波器装置可与许多类型的功率系统和/或拓扑结构一起使用。例如，滤波器装置可用于风力涡轮、太阳能涡轮、燃气涡轮或其它适合的发电系统中。此外，本领域普通技术人员将认识到，根据本公开的示例性方面的滤波器装置(诸如，图5-8中所描绘的滤波器装置)可用于滤去与功率转换器中的碳化硅MOSFET相关联的高频开关谐波。尽管多种实施例的具体特征可在一些附图中显示而不在其它附图中显示，但这仅是为了方便起见。根据本公开的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性区别的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种功率转换系统，包括：
功率转换器，其配置成使功率从第一功率转换成第二功率，其中所述第二功率具有与所述第一功率不同的至少一个特性，所述功率转换器包括一个或多个碳化硅MOSFET；以及
滤波器装置，其配置成从由所述功率转换器转换的所述第二功率中滤除与所述一个或多个碳化硅MOSFET相关联的一个或多个开关谐波的至少部分。
2.根据权利要求1所述的功率转换系统，其特征在于，所述滤波器装置包括电感器，其中所述电感器包括芯体元件和线圈元件，其中所述芯体元件包括磁性材料，其中所述线圈元件包括围绕所述芯体元件的至少部分而盘绕的导线。
3.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述电感器的所述芯体元件包括分布式间隙材料。
4.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述电感器的所述芯体元件包括多个腿部，其中所述多个腿部中的至少一个包括空气间隙。
5.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述芯体元件包括层压式芯体，所述层压式芯体包括多个层压层，其中各层压层包括涂覆有非磁性且非导电的材料的磁性材料。
6.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述线圈元件包括平行线、连续换位的平行导线、利兹线或箔层中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换系统进一步包括配置成冷却所述滤波器装置的冷却系统。
8.根据权利要求7所述的功率转换系统，其特征在于，所述冷却系统包括对流冷却系统、风扇冷却系统、液体冷却系统或蒸发冷却系统中的一种。
9.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述滤波器装置包括多个电感器，各电感器包括芯体元件和线圈元件，其中所述芯体元件包括磁性材料，其中所述线圈元件包括围绕所述芯体元件的至少部分而盘绕的导线。
10.根据权利要求9所述的功率转换系统，其特征在于，所述滤波器装置包括串联耦合的多个电感器。
11.根据权利要求9所述的功率转换系统，其特征在于，所述滤波器装置包括并联耦合的多个电感器。
12.根据权利要求2所述的功率转换系统，其特征在于，所述滤波器装置进一步包括电容器。
13.根据权利要求1所述的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换器包括两级或多级式功率转换器。
14.根据权利要求1所述的功率转换系统，其特征在于，所述功率转换器包括用于风力涡轮、电动机驱动器、太阳能、能量存储或不间断电源应用的功率转换器。
15.根据权利要求1所述的功率转换系统，其特征在于，所述第二功率的所述不同的至少一个特性包括下者中的至少一个：电压差、从第一交流功率到第二交流功率的转换、从第一直流功率到第二直流功率的转换、从交流功率到直流功率的转换，或从直流功率到交流功率的转换。
16.一种用于提供功率的方法，包括：
将来自功率源的功率提供给功率转换器，所述功率转换器配置成使功率从第一功率转换成第二功率，所述第二功率具有与所述第一功率不同的至少一个特性，所述功率转换器包括一个或多个碳化硅MOSFET；
利用所述功率转换器来使所述功率转换成经转换的功率；
利用滤波器装置来将所述经转换的功率滤波成经滤波的功率，所述滤波器装置配置成从所述经转换的功率中滤去一个或多个开关谐波的至少部分；以及
将所述经滤波的功率提供给功率输送点。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述滤波器装置包括电感器，所述电感器包括芯体元件和线圈元件，其中所述芯体元件包括磁性材料，其中所述线圈元件包括围绕所述芯体元件的至少部分而盘绕的导线。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述滤波器装置进一步包括电容器。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述功率源包括风力涡轮、太阳能功率源、配电网络、能量存储装置或不间断电源中的一种。
20.一种风力涡轮功率系统，包括：
风驱动式发电机，其配置成生成AC功率；
功率转换器，其耦合到所述发电机，所述功率转换器包括配置成使AC功率转换成DC功率的第一转换器和配置成使DC功率转换成AC功率的第二转换器，所述第二转换器包括一个或多个碳化硅MOSFET；以及
滤波器装置，其配置成从由所述功率转换器转换的功率中滤去一个或多个开关谐波的至少部分，所述滤波器装置包括电感器，所述电感器包括芯体元件和线圈元件，所述芯体元件包括磁性材料，所述线圈元件包括围绕所述芯体元件的至少部分而盘绕的导线。
CN201780088031.9A 2017-01-05 2017-12-21 用于具有碳化硅mosfet的功率转换器的滤波器装置 Pending CN110383656A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/398,866 US20180191236A1 (en) 2017-01-05 2017-01-05 Filter Device for Power Converters with Silicon Carbide Mosfets
US15/398866 2017-01-05
PCT/US2017/067784 WO2018128833A1 (en) 2017-01-05 2017-12-21 Filter device for power converters with silicon carbide mosfets

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110383656A true CN110383656A (zh) 2019-10-25

Family

ID=62711239

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780088031.9A Pending CN110383656A (zh) 2017-01-05 2017-12-21 用于具有碳化硅mosfet的功率转换器的滤波器装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20180191236A1 (zh)
EP (1) EP3566291A4 (zh)
CN (1) CN110383656A (zh)
WO (1) WO2018128833A1 (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180187652A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-05 General Electric Company Power Converter for Full Conversion Wind Turbine Systems
JP7130946B2 (ja) * 2017-11-29 2022-09-06 オムロン株式会社 蓄電パワーコンディショナー
WO2019155109A1 (es) * 2018-02-12 2019-08-15 Ingeteam Power Technology, S.A. Sistema de conversión de energía eléctrica, y método asociado
US10998760B2 (en) * 2018-09-27 2021-05-04 General Electric Company System and method for controlling uninterruptible power supply of electrical power systems
US11143620B2 (en) * 2019-06-12 2021-10-12 Mitsubishi Power Americas, Inc. Electromagnetic probe testing of bond coat
US20220384080A1 (en) * 2021-05-26 2022-12-01 Eaton Intelligent Power Limited Current balancing apparatus and methods for parallel connected circuit breakers

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102859620A (zh) * 2010-04-23 2013-01-02 住友电装株式会社 电抗器
CN103684002A (zh) * 2012-09-24 2014-03-26 通用电气公司 能量转换系统
US20160204689A1 (en) * 2004-06-17 2016-07-14 Ctm Magnetics, Inc. High frequency inverter/distributed gap inductor-capacitor filter apparatus and method of use thereof
US20160294274A1 (en) * 2004-06-17 2016-10-06 Ctm Magnetics, Inc. Distributed gap inductor, notch filter apparatus and method of use thereof

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9300197B2 (en) * 2004-06-17 2016-03-29 Grant A. MacLennan High frequency inductor filter apparatus and method of use thereof
EP2164159B1 (en) * 2008-09-12 2019-02-20 Vestas Wind Systems A/S Low-voltage harmonic filter for full-scale converter systems
WO2012097825A1 (en) * 2011-01-21 2012-07-26 Vestas Wind Systems A/S A wind turbine fault detection circuit and method
US9065321B2 (en) * 2011-12-22 2015-06-23 Varentec, Inc. Isolated dynamic current converters
CN103312184B (zh) * 2012-03-09 2015-09-16 台达电子工业股份有限公司 一种功率电路、变流器结构及其风力发电系统
US9270198B2 (en) * 2013-03-12 2016-02-23 University Of Tennessee Research Foundation Control of parallel-connected current source rectifiers
US9461547B2 (en) * 2014-03-07 2016-10-04 Cree, Inc. Converter circuitry

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160204689A1 (en) * 2004-06-17 2016-07-14 Ctm Magnetics, Inc. High frequency inverter/distributed gap inductor-capacitor filter apparatus and method of use thereof
US20160294274A1 (en) * 2004-06-17 2016-10-06 Ctm Magnetics, Inc. Distributed gap inductor, notch filter apparatus and method of use thereof
CN102859620A (zh) * 2010-04-23 2013-01-02 住友电装株式会社 电抗器
CN103684002A (zh) * 2012-09-24 2014-03-26 通用电气公司 能量转换系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3566291A1 (en) 2019-11-13
WO2018128833A1 (en) 2018-07-12
EP3566291A4 (en) 2020-07-15
US20180191236A1 (en) 2018-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110383656A (zh) 用于具有碳化硅mosfet的功率转换器的滤波器装置
US7724549B2 (en) Integrated power conditioning system and housing for delivering operational power to a motor
US11539302B2 (en) Direct electrical heating arrangement with a power electronic converter
US20150123402A1 (en) Magnetic structure combining normal mode and common mode inductance
Lagier et al. A comparison of insulated DC-DC converters for HVDC off-shore wind farms
Mogstad et al. A power conversion system for offshore wind parks
CN101621208A (zh) 具有利用多个隔离的发电机绕组的并联变换器的风力涡轮
TW200919936A (en) Common mode & differential mode filter for variable speed drive
CA2842498A1 (en) Transformerless multilevel converter
CN105024575B (zh) 一种地铁能量回馈装置
CN101710717A (zh) 用于满标度变换器系统的低压谐波滤波器
Anurag et al. Design of a medium voltage mobile utilities support equipment based solid state transformer (MUSE-SST) with 10 kV SiC MOSFETs for grid interconnection
CN104882912B (zh) 直流输电系统和组装该系统的方法
CN110352553A (zh) 用于隔离型逆变器组块的冗余的保护
CN110366815A (zh) 用于全转换式风力涡轮系统的功率转换器
Dekka et al. Retrofitting of harmonic power filters in onshore oil drilling rigs: Challenges and solutions
Bendien et al. High-efficiency on-board battery charger with transformer isolation, sinusoidal input current and maximum power factor
CN110679072B (zh) 用于提高功率转换器的效率的开关策略
Mogstad et al. Power collection and integration on the electric grid from offshore wind parks
CN110352552A (zh) 用于双馈感应发电机式风力涡轮系统的功率转换器
Escobar-Mejia et al. New power electronic interface combining DC transmission, a medium-frequency bus and an AC-AC converter to integrate deep-sea facilities with the AC grid
CN110352549A (zh) 具有碳化硅mosfet的功率转换器的接地故障隔离
Holtsmark et al. High frequency wind energy conversion system for offshore DC collection grid—Part II: Efficiency improvements
CN207559584U (zh) 风力发电机组的发电输电系统和风力发电机组
US20180351491A1 (en) Direct-drive wind turbine circuit topology with single-stage boost inverter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20191025