CN112217383A - Dc链路充电设备和用于对dc链路电容器充电的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种DC链路充电设备，该DC链路充电设备具有DC链路电容器(C4)、整流器装置(S17‑S22)、以及接触器装置，该接触器装置被布置在电源电压端口(U、V、W)和该整流器装置(S17‑S22)之间并且具有至少一个接触器(13‑15)。这种充电设备应该以简单的方式以低损耗实现DC链路电容器的充电。为此，布置充电电容器(Cch1‑Cch3)以桥接所述至少一个接触器(13‑15)。

Description

DC链路充电设备和用于对DC链路电容器充电的方法
技术领域
本发明涉及DC链路充电设备，该DC链路充电设备具有DC链路电容器、整流器装置、以及接触器装置，所述接触器装置被布置在电源电压端口和整流器装置之间并且具有至少一个接触器。
背景技术
DC链路用于平滑由整流器装置产生的电压。换言之，DC链路电容器用于保持尽可能恒定的电压。
当DC链路电容器未被充电时，电容器中没有用于产生电压的电荷。换言之，DC链路电容器上的电压为零或几乎为零。如果DC链路直接连接到电网，则这会产生大电流，从而使其余组件过载。
因此，已知通过充电电阻来限制充电电流。然而，电阻器充电效率很差。大量的充电能量作为热量消散在充电电阻中。
发明内容
本发明所基于的目的是以简单的方式以低损耗实现DC链路电容器的充电。
该目的通过如开头所述的DC链路充电设备来解决，在该DC链路充电设备中布置充电电容器，以桥接至少一个接触器。
充电电容器与接触器并联布置。术语“接触器”以“开关”的一般含义使用。如果电源电压端口被连接到具有单相或多相(例如，一相、两相或三相)的电网，则针对每相或多相中的至少一相布置相应的接触器，例如，在两相系统中，并且至少一个接触器与充电电容器、或具有一个、两个、三个或更多个充电电容器的充电电容器装置并联连接。因此，当接触器断开时，充电电流可以通过充电电容器装置。充电电容器限制电流并向整流器装置的输入端提供必要的电能。整流器装置具体可以是有源整流器装置。
在本发明的实施例中，在接触器和整流器装置——特别是有源整流器装置之间布置滤波器装置，该滤波器装置在相与至少两相的中点(mid-point)之间具有至少一个滤波器电容器。滤波器装置可以是例如LCL滤波器装置，对于每相，该LCL滤波器装置通常具有串联连接的两个电感和被连接到上述中点(该中点也被称为“星点”)的电容器。LCL滤波器装置用于对整流器进行衰减(dampening)、滤波或开关(switching)。
在本发明的实施例中，充电电容器具有滤波器电容器的电容值的至少25％的电容值。充电电容器和滤波器电容器形成分压器。当将主电压施加到充电电容器的输入侧时，充电电容器将限制电流，但会将DC链路充电至由充电电容器和滤波器电容器之比所确定的电平。
在本发明的实施例中，整流器装置是具有由控制装置控制的多个开关的有源整流器，该控制装置被配置为，将电源端口的电压和在有源整流器端口处的充电电压之间的功率角调整到接近90°。实际上，几乎不可能达到90°的功率角。然而，功率角应尽可能接近90°，优选地大于85°。此外，控制装置可以调整电压幅度。这可以通过以尽可能高的调制系数来调制有源整流器并将角度变成90°或接近90°来实现。当功率角接近90°时，它将最大化DC母线的充电功率。有源整流器可以被连接到LC滤波器或LCL滤波器。
在本发明的实施例中，控制装置被配置为，在接触器被闭合之前将功率角减小到零并且使电压幅度与电网电压相同。当DC电压达到其标称值(或略高于该值，例如10％)时，有源整流器将与电网同步。为此，电网电压和有源整流器的电压之间的功率角变为零，并且电压幅度适合于电网电压的幅度，使得接触器上的电压差为零。然后，接触器将被闭合，在其两端没有电压，实际上没有电流流过充电电容器。然后，有源整流器准备运行。
在本发明的实施例中，辅助电源单元被连接到充电电容器和被连接到该充电电容器的电源电压端口之间的点。根据对DC链路上电的需要，可以使用类似的电容器连接来为辅助电源单元上电。
在本发明的实施例中，附加的接触器与充电电容器串联布置。以这种方式可以将充电设备与电网完全分离。
在本发明的实施例中，充电电容器被布置在LCL滤波器装置之中。因此，并非绝对需要将充电电容器布置在LCL滤波器的电网侧。
在本发明的实施例中，充电电容器被布置在滤波器电感器和滤波器电容器之间。充电电容器可以位于LCL滤波器中的电网侧电感器的电网侧或逆变器侧。
本发明涉及对被连接到整流器装置的DC链路电容器进行充电的方法。
上面提到的目的是这样解决的，通过桥接断开的接触器的充电电容器从电压端口对整流器装置进行供电。
充电电容器与接触器并联布置。即使接触器断开，也可以通过充电电容器向整流器或逆变器提供电能。
在本发明的实施例中，通过LCL滤波器对被提供给整流器装置的电压进行滤波。这在充电电容器和整流器之间增加了额外的电容器。因此，形成分压器，其限制被提供给整流器装置的电压。
在本发明的实施例中，控制整流器装置，以将在电源电压端口处的电压和充电电压之间的功率角调整到接近90°。因此，DC链路电容器的充电功率被最大化。
在本发明的实施例中，控制整流器装置以在接触器被闭合之前将功率角减小到零。当电网电压和有源整流器电压之间的功率角变为零时，主接触器可以被闭合，其两端没有电压，并且实际上没有电流流过充电电容器。
附图说明
现在参考附图更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了DC链路充电设备的电路图，
图2示出了充电和同步期间的电压向量，
图3示出了DC链路电压和滤波相电压，
图4示出了充电期间和充电结束阶段的充电电容器上的电压，
图5示出了不同配置的一些示例。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有要被连接到三相电网的三个电源电压端口U、V、W的电路1。为了简化以下说明，电路1内的三相也被表示为U、V、W。此外，电路1包括有源整流器，该有源整流器具有六个受控开关S17、S18、S19、S20、S21、S22的桥式布置，其中每个开关与二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6并联连接。
开关S17-S22由控制装置10控制。控制装置10和开关S17-S22之间的连接由箭头表示。
LCL滤波器被布置在电源端口装置U、V、W和整流器装置之间。LCL滤波器包括在U相中串联连接的两个电感器L1、L7。电容器C5将两个电感器L1、L7之间的连接点和中点11(也被称为“星点”)进行连接。中点11通过电容器C10被连接到接地12。
V相以相同的方式包括串联连接的两个电感器L2、L8，这两个电感器的连接点通过电容器C6被连接到中点11。W相包括串联连接的两个电感器L3、L9，这两个电感器的连接点通过电容器C7被连接到中点11。
整流器装置的布置有LCL滤波器的一侧也被称为“电网侧”。
在整流器装置的另一侧，并联连接的电阻R和DC链路电容器C4被连接到整流器装置，更确切地说，被连接到二极管D6的阴极和二极管D1的阳极。
第一接触器13在U相中被布置在电压电源端口U和电感器L7之间。第二接触器14在V相中被布置在电压电源端口V和电感器L8之间。第三接触器15在W相中被布置在电源电压端口W和电感器L9之间。
将所有接触器13-15示出为处于断开状态，这将在后面进行说明。
第一充电电容器Cch1与第一接触器13并联布置。第二充电电容器Cch2与第二接触器14并联布置。第三充电电容器Cch3与第三接触器15并联布置。
优选地，充电电容器Cch1、Cch2、Cch3的电容值在滤波器电容器C5、C6、C7的电容值的25％至50％的范围内。然而，在某些设计中，上限值甚至可超过100％。
当将电网电压提供给电源电压端口U、V、W时，充电电容器Cch1、Cch2、Cch3将限制电流，但会将DC链路充电至由充电电容器与滤波器电容器之比所确定的电平。因此，到达整流器装置的电压受到限制。
整流器装置需要某个电压才能工作，例如，当开关S17-S22为IGBT形式时。
当在滤波器电容器C5-C7处的电压达到足够的电平时，例如，为标称DC链路电压的约1/10至1/5时，开关S17-S22开始在控制装置10的控制下以尽可能高的调制比进行调制。
在此操作阶段中，将调制电压和电网电压的功率角调整到接近90°。这在图2中示出。
左图示出了电网电压Ug和到达整流器装置的电压Ua。整流器装置的电压从Ua_start增加到Ua_charg。使用接近90°的功率角最大化了对DC链路电容器C4的充电功率。这将导致电力通过充电电容器Cch1-Cch3从电网流到DC链路电容器C4或更常见的大型公共DC母线或DC配电部的总电容。充电电容器Cch1-Cch3的大小给出了充电的功率极限。
这种充电与电阻器充电的不同之处在于，DC链路电压几乎呈线性上升，如图3中利用线16所示出的。
当DC链路电压达到其标称值时，它仍然可以略微高于该值即10％，以使有源整流器与电网同步。
当DC链路电压为例如标称电压的110％时，电网电压Ug和有源整流器电压Ua之间的功率角变为零，如图2的右图所示。当功率角已经达到其最小值时，接触器13-15被闭合，其两端没有电压，并且实际上没有电流通过充电电容器Cch1-Cch3。然后，电路1准备运行。
图3示出了U相、V相、W相上的电压17。箭头18指示了调制的开始。箭头19指示了同步点。
图4示出了当接触器13-15上的相电压达到零值时的充电的末尾。
图5示出了几种不同的电路配置。为了简单起见，仅示出一相，但是在三相或多相电网的每相中可以使用相同的结构。
图5的a示出了已经结合图1所描述的配置。
图5的b还示出了辅助电源单元APU，其被连接到充电电容器Cch1和接触器13的电网侧。
根据对电路上电的需要，可以使用类似的电容器连接来为辅助电源单元上电。
图5的c示出了通过附加的接触器20将充电电容器Cch1的电网侧连接到接触器13的电网侧的配置。附加的接触器20使将电路1与电网完全分离成为可能。
图5的d是图5的b和图5的c的组合，例如，辅助电源单元APU被连接到充电电容器Cch1的电网侧，并且辅助接触器20被布置在接触器13的电网侧与附加接触器20的电网侧之间。
图5的e再次示出了图1中所示的配置，即，第一接触器13与第一充电电容器Cch1的并联连接部21被布置在LCL滤波器的电网侧，更确切地说，在串联连接的两个电感器L7、L1的电网侧。
然而，也可以在LCL滤波器的两个电感器L1、L7之间布置接触器13与充电电容器Cch1的并联连接部21。因此，优选地将并联连接部21布置在电感器L7和滤波器电容器C5之间。换言之，并联连接可以位于LCL滤波器中的电网侧导体L7的电网侧或整流器侧。
在上面的描述中，已经结合有源整流器描述了电路1。然而，本领域技术人员清楚的是，这种有源整流器也可以用作逆变器。
已经使用三相电网作为示例示出了本发明。然而，本发明也可以用于仅具有一相和接地的单相电网，或者用于两相电网。其他相数也是可以的。
所示的实施例包括被并联连接到接触器13、接触器14、接触器15中的每个接触器的充电电容器。
然而，当使用单相电网或两相电网时，仅使用一个接触器就足够了，因此仅使用与该接触器并联的一个充电电容器就足够了。还可以使用两个接触器，每相中一个，或者只有一相中一个且接地连接中一个，并且布置与这些接触器中的一个接触器并联的唯一一个充电电容器。
即使在诸如三相电网的多相电网中，也不必布置与所有接触器13-15并联的充电电容器。
例如，可以布置仅与两个接触器13、14或仅与一个接触器13并联的充电电容器。如果需要，可以以适当的方式控制电网，即，仅使用以下电流路径：其中布置有至少一个接触器，并且其中至少一个接触器通过充电电容器被桥接。
同样可以将接触器和至少一个充电电容器布置在滤波器和整流器之间。

Claims (13)

1.一种DC链路充电设备，所述DC链路充电设备具有DC链路电容器(C4)、整流器装置、以及接触器装置，所述接触器装置被布置在电源电压端口(U、V、W)和所述整流器装置之间并且具有至少一个接触器(13-15)，其特征在于，布置充电电容器(Cch1-Cch3)以桥接所述至少一个接触器(13-15)。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述接触器(13-15)和所述整流器装置之间布置滤波器设备，所述滤波器设备具有至少一个滤波器电容器(C5-C7)，所述至少一个滤波器电容器(C5-C7)在相与至少两相的中点(11)之间。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述充电电容器(Cch1-Cch3)具有所述滤波器电容器(C5-C7)的电容值的至少25％的电容值。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述整流器装置是具有多个开关(S17-S21)的有源整流器，所述多个开关(S17-S21)由控制装置(10)进行控制，所述控制装置(10)被配置为，将在所述电源电压端口处的电压(Ug)和在有源整流器端口处的充电电压(Ua)之间的功率角调整到接近90°。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述控制装置(10)被配置为，在所述接触器(13-15)被闭合之前将所述功率角减小到零并且使电压幅度与电网电压相同。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，辅助电源单元(APU)连接到所述充电电容器(Cch1)与连接到所述充电电容器(Cch1)的电源电压端口(U)之间的点。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，附加接触器(20)与所述充电电容器(Cch1)串联布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述充电电容器(Cch1)被布置在LCL滤波器设备(L1、L7、C5)中。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述充电电容器(Cch1)被布置在滤波器电感器(L7)和所述滤波器电容器(C5)之间。
10.一种用于对连接到整流器装置的DC链路电容器充电的方法，其特征在于，所述整流器装置通过桥接断开的接触器(13-15)的充电电容器(Cch1-Cch3)来从电压端口(U、V、W)供电。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过LCL滤波器对提供给所述整流器装置的电压进行滤波。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，控制所述整流器装置，以将在所述电源电压端口(U、V、W)处的电压(Ug)和充电电压(Ua)之间的功率角调整到接近90°。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，控制所述整流器装置，以在所述接触器(13-15)被闭合之前使所述功率角减小到零。
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