PL210280B1 - Układ wielopoziomowegowielofazowego falownika zasilanego z wielu źródeł, zwłaszcza źródeł o różnym napięciu i niepołączonych między sobą bezpośrednio - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ wielopoziomowego wielofazowego falownika zasilanego z wielu źródeł, zwłaszcza o różnym napięciu i niepołączonych ze sobą bezpośrednio. Znajduje zastosowanie w elektrowniach i farmach wiatrowych dużej mocy i średniego napięcia, zwłaszcza zawierających generatory synchroniczne z magnesami trwałymi wyposażone w prostowniki, a także do przekształcania energii ze źródeł niskiego napięcia, zwłaszcza ogniw paliwowych i fotowoltaicznych.

W elektrowniach wiatrowych z generatorami pracującymi ze zmienną prędkością obrotową przekształtniki energoelektroniczne pełnia rolę interfejsu pomiędzy zmiennością wiatru a niezmiennością parametrów sieci energetycznej. Elektrownie wiatrowe są produkowane na moce rzędu nawet kilku MW. Zastosowanie generatorów synchronicznych z magnesami trwałymi o dużej liczbie biegunów pozwala na wyeliminowanie przekładni, które są źródłem wielu problemów mechanicznych.

W przekształtnikach energoelektronicznych dużej mocy i ś redniego napięcia, w których stosuje się modulację szerokości impulsów napięcia wyjściowego, zastosowanie popularnego dwupoziomowego falownika zasilanego z pojedynczego źródła napięcia, bądź ze źródeł napięcia połączonych ze sobą bezpośrednio, nie jest korzystnym rozwiązaniem. Wadą jest duża zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach wyjściowych. Niezbyt duża dopuszczalna częstotliwość łączeń przyrządów energoelektronicznych dużej mocy wiąże się z koniecznością stosowania dużych i kosztownych filtrów dla uzyskania dobrej jakości przebiegów wyjściowych prądów i napięć falownika.

Występujące w falownikach dwupoziomowych znaczące narażenia napięciowe, znaczący poziom przewodzonych zakłóceń wspólnych oraz niewystarczająca wartość napięcia szczytowego przyrządów energoelektronicznych spowodowały wzrost zainteresowania wielopoziomowymi przekształtnikami z modulacją szerokości impulsów.

Do zalet falowników wielopoziomowych zasilanych z wielu źródeł należy zaliczyć to, że narażenia napięciowe przyrządów przełączających maleją proporcjonalnie ze wzrostem liczby poziomów kształtowania napięcia wyjściowego falownika wielopoziomowego. Ze wzrostem liczby poziomów maleją wartości szczytowe napięć wyjściowych - co na przykład w przypadku zastosowań napędowych pozwala na zmniejszenie wymagań stawianych odnośnie izolacji silników.

Znany jest z publikacji J. Iwaszkiewicz: „Modele matematyczne energoelektronicznych przekształtników wielopoziomowych. Analiza właściwości i zastosowanie”. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 226, Warszawa, 2006 układ wielopoziomowego falownika z diodami poziomującymi. Falownik jest zasilany z pojedynczego źródła napięcia stałego doprowadzonego do obwodu pośredniczącego falownika. Obwód pośredniczący falownika składa się z szeregowo połączonych kondensatorów tworzących dzielnik napięcia. Zaciski węzłowe poszczególnych wyjść dzielnika połączone są z zaciskami węzłowymi diod poziomujących połączonych w grupy. Działanie poziomujące diod poziomujących polega na ograniczeniu napięcia na poszczególnych łącznikach półprzewodnikowych do poziomu napięcia źródła podzielonego przez liczbę stopni dzielnika napięcia. Trójfazowy wielopoziomowy falownik składa się z trzech gałęzi przypisanych poszczególnym fazom. Wybrana gałąź falownik składa się z liczby łączników półprzewodnikowych dwukrotnie większej od liczby kondensatorów dzielnika napięcia w obwodzie pośredniczącym. Niedogodnością powyższego układu jest, że nie może być zastosowany do przekształcenia energii wielu źródeł napięcia stałego, co ma miejsce w przypadku baterii ogniw fotowoltaicznych bądź baterii ogniw paliwowych bądź farmy wiatrowej. Występująca na farmie wiatrowej grupa generatorów, w połączeniu z prostownikami napięcia, może być rozpatrywana, jako grupa źródeł napięcia stałego niepołączonych ze sobą bezpośrednio.

Układ wielopoziomowego wielofazowego falownika zasilanego z wielu źródeł, zwłaszcza źródeł o różnym napięciu i niepołączonych między sobą bezpośrednio składający się z identycznych gałęzi fazowych o liczbie odpowiadającą liczbie faz, przy czym liczba faz jest większa od dwóch, a każda gałąź fazowa składa się z zacisków węzłowych w liczbie równej liczbie poziomów falownika oraz diod poziomujących a także łączników półprzewodnikowych w liczbie dwukrotnie większej od liczby źródeł zasilających, przy czym skrajne zaciski łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach gałęzi fazowych połączone są bezpośrednio z zaciskami węzłowymi a wewnętrzne zaciski łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach gałęzi fazowych oraz zaciski pozostałych łączników półprzewodnikowych gałęzi fazowej połączone są z zaciskami węzłowymi za pośrednictwem diod poziomujących a diody poziomujące połączone są ze sobą szeregowo parami, przy czym każda para diod poziomujących ma punkt połączenia w zacisku węzłowym, charakteryzuje się według wynalazku tym, że składa się z n czwórników impedancyjnych, gdzie n - jest liczbą całkowitą o jeden mniejszą

PL 210 280 B1 od liczby poziomów falownika, włączonych pomiędzy p zacisków węzłowych a 2n zacisków n źródeł napięcia, gdzie p - liczba całkowita równa liczbie poziomów wielopoziomowego falownika. Czwórniki impedancyjne składają się, z co najmniej dwóch kondensatorów włączonych równolegle między zaciski górne i dolne czwórnika oraz co najmniej dwóch induktorów włączonych szeregowo między zaciski odpowiednio dolne i górne czwórnika.

Wykorzystanie układu według wynalazku pozwala na stabilizację, symetryzację i podwyższanie napięcia wyjściowego zespołu generatorów synchronicznych w farmie wiatrowej składającej się z kilku elektrowni wiatrowych. Pozwala na połączenie z siecią energetyczną grupy generatorów synchronicznych wyposażonych w prostowniki napięcia za pomocą jednego przekształtnika wielopoziomowego. Pozwala to znacząco ograniczyć koszty układu energoelektronicznego jak tez urządzeń sterujących. Zastosowane czwórniki impedancyjne umożliwiają współpracę grupy generatorów synchronicznych z siecią w przypadku, gdy na prostownikach dołączonych do generatorów występują różne napięcia. Wykorzystanie układu według wynalazku pozwala ponadto na przekształcanie energii z różnych ogniw fotowoltaicznych oraz ogniw paliwowych za pomocą jednego falownika wielopoziomowego.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w sposób schematyczny fragment układu falownika p - poziomowego w ilustrujący połączenia n źródeł napięcia z n czwórnikami impedancyjnymi oraz p zaciskami węzłowymi falownika p - poziomowego, fig. 2 przedstawia w sposób schematyczny ukł ad wielopoziomowego falownika zasilanego z wielu źródeł przy liczbie poziomów falownika równej cztery natomiast fig. 3 przedstawia w sposób schematyczny czwórnik impedancyjny.

Wielopoziomowy wielofazowy falownik o liczbie faz równej 3 i liczbie poziomów równej 4 zasilany z trzech ź ródeł napię cia stał ego składa się trzech ź ródeł napięcia NZ1, NZ2, NZ3, trzech czwórników impedancyjnych CI1, CI2, CI3, czterech zacisków węzłowych ZW1, ZW2, ZW3, ZW4, przy czym tylko zaciski węzłowe ZW2, ZW3 są połączone z diodami poziomującymi, trzech zacisków fazowych ZL1, ZL2, ZL3, osiemnastu łączników półprzewodnikowych S11, S12, S13, S14, S15, S16, S21, S22, S23, S24, S25, S26, S31, S32, S33, S34, S35, S36, dwunastu diod poziomujących D11, D12, D13, D21, D22, D23, DN11, DN12, DN13, DN21, DN22, DN23 przy czym diody D11, D12, D13, D21, D22, D23 przewodzą w kierunku od zacisków węzłowych ZW2, ZW3. Czwórnik impedancyjny CI1 jest włączony pomiędzy zaciski źródła napięcia NZ1 a zaciski węzłowe ZW1, ZW2. Czwórnik impedancyjny CI2 jest włączony pomiędzy zaciski źródła napięcia NZ2 a zaciski węzłowe ZW2, ZW3. Czwórnik impedancyjny CI3 jest włączony pomiędzy zaciski źródła napięcia NZ3 a zaciski węzłowe ZW3, ZW4. Łączniki półprzewodnikowe S11, S14, S21, S24, S31, S34 są połączone szeregowo tworząc pierwszą gałąź fazową. Pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S21, S24 włączony jest pierwszy zacisk fazowy ZL1.

Łączniki półprzewodnikowe S13, S16, S23, S26, S33, S36 są połączone szeregowo tworząc trzecią gałąź fazową. Pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S23, S26 włączony jest trzeci zacisk fazowy ZL3. Dioda poziomująca D11 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW2 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S11, S14. Dioda poziomująca D12 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węz łowym ZW2 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S12, S15. Dioda poziomująca D13 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW2 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S13, S16. Dioda poziomująca D21 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW3 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S14, S21. Dioda poziomująca D22 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW3 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S15, S22. Dioda poziomująca D23 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW3 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S16, S23. Dioda poziomująca DN11 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW2 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S24, S31. Dioda poziomująca DN12 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węz łowym ZW2 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S25, S32. Dioda poziomująca DN13 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW2 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S26, S33. Dioda poziomująca DN21 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW3 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S31, S34. Dioda poziomująca DN22 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW3 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S32, S35. Dioda poziomująca DN23 jest z jednej strony połączona z zaciskiem węzłowym ZW3 a drugiej strony włączona między parę łączników półprzewodnikowych S33, S36.

Claims (1)

1. Układ wielopoziomowego wielofazowego falownika zasilanego z wielu źródeł, zwłaszcza źródeł o róż nym napię ciu i niepołączonych mię dzy sobą bezpoś rednio składają cy się z identycznych gałęzi fazowych o liczbie odpowiadającą liczbie faz, przy czym liczba faz jest większa od dwóch, a każda gałąź fazowa składa się z zacisków węzłowych w liczbie równej liczbie poziomów falownika oraz diod poziomujących a także łączników półprzewodnikowych w liczbie dwukrotnie większej od liczby źródeł zasilających, przy czym skrajne zaciski łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach gałęzi fazowych połączone są bezpośrednio z zaciskami węzłowymi a wewnętrzne zaciski łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach gałęzi fazowych oraz zaciski pozostałych łączników półprzewodnikowych gałęzi fazowej połączone są z zaciskami węzłowymi za pośrednictwem diod poziomujących a diody poziomujące połączone są ze sobą szeregowo parami, przy czym każda para diod poziomujących ma punkt podłączenia w zacisku węzłowym, znamienny tym, że składa się z n czwórników impedancyjnych (CI1, CI2, ...,CIk, Cil, ...,CIm, CIn), gdzie n - jest liczbą całkowitą o jeden mniejszą od liczby poziomów falownika, włączonych pomiędzy p zacisków węzłowych (ZW1, ZW2, ZW3, ZWl, ZWm, ZWn, ZWp) a 2n zacisków n źródeł napięcia (NZ1, NZ2, NZk, NZl, NZn), gdzie p - liczba poziomów wielopoziomowego falownika, przy czym czwórniki impedancyjne (CI1, CI2, ...,CIk, Cil, ...,CIm, CIn) składają się z co najmniej dwóch kondensatorów włączonych równolegle między zaciski górne czwórnika (ZG1, ZG2) i dolne czwórnika (ZD1, ZD2) oraz co najmniej dwóch induktorów włączonych szeregowo między odpowiednio zaciski czwórnika (ZD1, ZD2) i zaciski górne czwórnika (ZG1, ZG2).