TWI612763B

TWI612763B - 轉換器以及轉換器的操作方法

Info

Publication number: TWI612763B
Application number: TW103102874A
Authority: TW
Inventors: Kilian Noetzold; 基蘭諾佐德; Michael Bragard; 麥克布雷葛德; Karsten Fink; 卡斯坦芬克; Richard Griessel; 理查葛雷塞爾; Ralf Wegener; 拉爾夫偉格納
Original assignee: Delta Electronics (Thailand) Public Co., Ltd.; 泰國商泰達電子公司
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2018-01-21
Also published as: EP2760123A3; TW201444265A; CN103997231A; HK1198399A1; EP2760123A2; US9553526B2; EP2760122A1; US20140204632A1

Abstract

在將能量從發電機變換至電力網路的轉換器，其中轉換器包括多個功率模組，其中每個功率模組包含至少兩個功率單元和將功率單元連接至電力網路的變壓器，其中每個功率單元包含相輸入、相輸出、連接至變壓器的變壓器輸出、整流器電路以及換流器，功率模組(4.1、...、4.n)的變壓器(T)包含用於功率單元(5)之每一者的一個發電機側繞組(10)和正好一個共用電網側繞組(9)用於平衡流經功率模組(4.1、...、4.n)的功率單元(5)的能量。

Description

轉換器以及轉換器的操作方法

本發明有關於一種用於將能量從發電機變換到電力網路的轉換器，其中發電機的相數至少為二，轉換器包括多個功率模組，每個功率模組包含至少兩個功率單元和用於將功率單元連接至電力網路的變壓器，每個功率單元包含相輸入、相輸出、連接至變壓器的變壓器輸出、整流器和換流器。此外，本發明有關於一種操作這樣的轉換器的方法。

特別是由於風力電力應用領域中快速的技術發展，當前對於先進的轉換器應用有高需求。具體而言，需要這樣的功率轉換器：其能夠以高效率、可靠的方式將電能從具有可變頻率和可變輸出電壓的發電機傳輸至具有半恒定頻率和電壓的中電壓電網。為了達到這些目標，可以使用被稱作多位準轉換器的具有多個功率位準的轉換器。

US 6,301,130描述具有並聯連接的主動輸入(active input)的模組化多位準可調電源。該拓撲被設計用來將能量從電力網路傳輸至電氣機構。

本發明的目的是建立與最初提到的技術領域有關的轉換器，其提供電壓可調節性、相對地重量輕並且可靠性高、特別是在風力電力應用中導致轉換器高可用性、提供簡單維護性並且相對地成本低。

本發明的解決方案由申請專利範圍第1項的特徵所限定。根據本發明，在根據上述技術領域的轉換器中，為了平衡流經功率模組(4.1、...、4.n)的功率單元(5)的能量，功率模組的變壓器包括用於該功率模組的功率單元的每個的一個發電機側繞組和正好一個共用電網側繞組。

藉由為每個功率單元提供一發電機側繞組，但是為功率模組的全部功率單元提供僅一個共用電網側繞組，經由該電網側繞組平衡通過功率模組的全部功率單元所傳輸的能量。由此，沒有一個功率單元需要承受發電機在零與最大能量之間的整個能量變動。該能量變動甚至可以是零，從而實際上消除對DC鏈路電容器的需要。儘管在實際實施中DC鏈路電容器通常沒有完全消除，但是其可顯著減小。這非常重要，這是因為這些DC鏈路電容器之電容量越低就變得越便宜、體積越小。因此，根據本發明的平衡導致更便宜和更小的轉換器。

發電機較佳為中電壓發電機，這表示其輸出電壓通常在中電壓範圍中。為了本發明的目的，術語中電壓應被理解為電功率輸送和分配系統中的中電壓，其通常表示約1000伏特到約100000伏特範圍中的電壓。

轉換器較佳為具有固定額定頻率和固定電壓的頻率轉換器，在較佳實施例中功率模組基本上相同。換流器較佳為具有具備IGBT的B6拓撲，並較佳具有制動截波器。

較佳地，整流器為被動式整流器，以便轉換器適於只將能量從發電機傳輸至電力網路，即，發電機被限定為2Q運行，其中能量不可從電力網路傳輸至發電機。

如上所述，轉換器包括串聯連接至發電機的兩個或更多功率模組。兩個或更多串聯連接的功率單元因此被提供用於每個發電機相。由此，發電機所輸送的電壓被分配給串聯連接的功率單元，從而每個功率單元僅僅必須承受一部分發電機電壓。每相的功率單元數量較佳被選擇為使得每個功率單元僅需承受約50伏特到1000伏特範圍中的電壓。根據電功率輸送和分配系統中常用的術語，該電壓範圍被指定為關於本發明中的低電壓。

該配置具有這樣的優點：可使用標準化的低電壓組件以取代大多為客製並因而更昂貴的中電壓組件。

一般而言，可以按任何適當的方式來配置變壓器，這意味著繞組可例如纏繞在磁芯上以實現發電機側繞組的共同磁通。功率模組的每個功率單元的每個或一些繞組通常可纏繞在變壓器之磁芯的不同區段。但是，為了增強流經功率單元的能量的平衡，變壓器較佳為適於發電機側繞組之間的高磁耦合。

發電機側繞組之間的高磁耦合較佳由下述方式實現：功率模組的每個功率單元的對應相繞組集體纏繞在變壓器磁芯的共用區段。在例如三個發電機相以及每個功率單元之三個發電機側繞組的情況下，第一功率單元的第一相、第二功率單元的第一相和第三功率單元的第一相放置在一起並共同纏繞在變壓器芯上。由此，功率模組的功率單元的對應相彼此緊鄰並纏繞在磁芯的相同區段上。

從而可在其繞制之前將功率單元的對應相繞組並排 (堆疊)放置在一起。但是，當將繞組扭曲在一起時，可以達到更好的磁耦合結果，其中術語扭曲繞組(twisted winding)還應包括編織繞組。

典型地，每個變壓器包括所有發電機側繞組之間的發電機之最大相電壓的電絕緣和/或電網側繞組與發電機側繞組之間的電網之最大相電壓的電絕緣。在一較佳實施例中，每個變壓器適於發電機側繞組之間的高磁耦合。這樣的變壓器設計具有(特別是在低發電機頻率下)能夠更好地平衡在變壓器芯之磁路中經由一個功率模組的功率單元所傳輸的能量的優點。

然而，實際中能量變化不會為零，即使是在發電機側變壓器繞組之高耦合的情況下。因此優選在各功率單元中提供一個DC鏈路電容器來處理剩餘的能量變化。然而該DC鏈路電容器可以很小，較佳為小於2000微法，或者甚至是小於100微法。

在本發明的較佳實施例中，換流器是開關型，其中使用IGBT作為可控開關。DC鏈路電容器的數值取決於IGBT的切換頻率，但不取決於發電機頻率。因此，依據IGBT的切換頻率，DC鏈路電容器的數值還可選擇為更高。

較佳地，最小的必要DC鏈路電容器C_min根據下式確定：

其中ΔU_max為由換流器的切換脈衝所引起的在DC鏈路電容器兩端電壓的電壓上升，F為數值在約0.1到0.5之間、較佳為在0.12到0.2之間的因數，P為功率單元傳遞的功率，f_P為換流器的切換頻率，以及

為在變壓器輸出處的相電壓的振幅。

如上文所述，發電機和電力網路具有至少兩相的多相，例如，四相、五相或甚至更多相。但是變壓器繞組的相數不一定要與其相等，有利的且因而較佳的是電力網路的相數、電網側繞組的相數和發電機側繞組的相數等於發電機的相數。

對於多相裝置和網路的相數，廣泛使用的標準為三相。因此，在本發明的較佳實施例中，發電機的相數為三相。

在較佳實施方式中，每個變壓器包括星形連接(也稱作Y型連接)或三角型連接(也稱作dclta連接)中的三相電網側繞組和星形連接或三角型連接中的三個發電機側繞組。電網側和發電機側繞組也可以鋸齒形連接(也稱作Z型或曲折連接)方式連接。

在本發明的另一較佳實施例中，每個功率單元包括一個切斷機構，其適用於使得功率單元的相輸入和相輸出之間能夠直接電連接。換句話說，切斷機構允許藉由將功率單元短路來對其進行旁路。切斷機構較佳包括雙向旁路開關。旁路開關例如為故障安全開關並包括至少一個反並聯壓裝閘流體(anti-parallcl press-pack thyristor)和/或至少一個常導通(normally-on)機械接觸器，用於使得功率單元的相輸入和相輸出之間能夠直接電氣連接。經由最小化電容量的DC鏈路電容器，每個功率模組較佳地被最佳化用於2Q發電機用途。被動式整流器電路典型的具有較佳地由代替旁路開關的四個閘流體或兩個閘流體和兩個主動式開關實現的B4配置。

使用這樣的切斷機構(特別是這樣的旁路開關)的優點是，一個或更多功率單元可以暫時被短路以使發電機的功率輸出與電力網路的功率需求相匹配和/或在最佳負載區域中驅動各功率單元。

如前所述，發電機的每一相包括串聯連接的多個功率單元。這種串聯連接的優點是，藉由改變啟用的串聯連接的功率單元的數量，例如藉由短路並從而禁止一定數量的功率單元，能夠實現對轉換器的電壓調節。在典型實施例中，發電機的每一相包括多於滿載情況下技術上所必須的功率單元，因此在轉換器的正常操作期間，一定數量的功率單元例如藉由閉合其旁路開關而被禁用。然而，在本發明的較佳實施例中，這些備用功率單元或冗餘功率單元被配置為在起用功率單元故障的情況下例如藉由斷開其旁路開關而暫態被啟動。或者換句話說，禁用的功率單元在工作的功率單元的故障時自動開始啟用。這具有的優點是轉換器的可靠性和可用性得以改善。在另一較佳方法中，某些完好的功率單元在部分負載情況下關斷以使得啟用的剩餘功率單元操作在其各自的最佳負載區域。

在較佳實施例中，轉換器較佳包括控制系統。此控制系統例如用於控制功率單元，即，用於啟用或禁用功率單元。因此，該控制系統用於控制功率單元的切斷機構。然而，該控制系統還可完成如通信和測量任務的進一步的任務。

在另一較佳實施例中，一個或更多功率單元包括用於控制各自功率單元的本地單元控制系統。在更較佳的實施例中，所有功率單元包括這樣的本地單元控制系統。控制功率單元意味著控制可控裝置，該可控設備當前例如包括換流器的開關和切斷機構。本地單元控制系統例如包括用於控制換流器之開關和/或切斷機構的多個閘驅動裝置。

控制系統包括這些本地單元控制系統。在每個功率單元中使用這樣的本地單元控制系統所具有的優點是，每個功率單元係高度自主，並且例如用於打開和閉合電晶體的命令的單元控制命令可直接在功率單元中產生。但是，也可以不是每個功率單元都具有其自己的本地單元控制系統，可以是例如一個或多個外部控制系統來完成轉換器的控制職責。還可以是功率單元的本地單元控制系統不僅控制該功率單元，還控制一個或更多其它功率單元。也可以是每個功率單元具有其自己的本地控制系統且控制系統額外包括作為轉換器一部分的一個或多個控制單元來控制功率單元和/或轉換器的其它組件。在本發明的另一較佳實施例中，本地單元控制系統適用於從某相的一個功率單元切換至該相的另一功率單元，該切換藉由禁用該一個功率單元並瞬間同時啟用該另一功率單元來實現。這允許該系統的實際冗餘之提供。當某相的啟用功率單元中之一者故障時，還未啟用的另一功率單元可以立即啟動。此外，即使沒有功率單元發生故障，在正常操作期間同一相的功率單元之間也可以進行切換。藉由提供多於最大負載所必須的功率單元並在其間不斷地進行切換，可在轉換器的操作期間實現每個功率單元的相等操作時間。此功率單元的切換是可能的，這是因為所選擇的旁路開關非常快速，從而旁路開關可以較佳為即時進行切換。

控制系統的另一任務可以是確定在特定情形下需要多少欲啟用的功率單元。相比較於發電機產生高輸出電壓，如果發電機產生低輸出電壓，則需要較少欲啟用的功率單元。由此，術語啟用的功率單元表示這樣一個功率單元：其中相輸入和相輸出之間的直接電連接係失能，即旁路開關打開。

用於確定在相中啟用的功率單元的最低數量的主要參數是發電機電壓。發電機電壓通常不是恒定的，而是隨著發電機的轉速而變化。啟用的功率單元的最低數量隨之可確定為當前發電機電壓除以功率單元的電壓降。當下文使用術語功率單元的“阻斷電壓”時也意味著該電壓降。該電壓降有時還被表示為功率單元的“耐受電壓”。該比值通常得到的不是自然數，因此藉由對該比值的絕對值(absolute value)加1來計算該最低數量。

由此，控制系統較佳為適用於根據發電機電壓和橫跨功率單元的每個的電壓降來確定啟用功率單元的最低數量。

為了適當地控制功率單元，本地單元控制系統瞭解由功率單元所傳輸的能量是有利的。此能量大都對應於流經該功率單元的電流。因此，可在功率單元之前或之後的某處放置電流測量裝置以測量引向該功率單元或從該功率單元引出的線路中的電流。然而，在該情況下，功率單元可能還需要另外的輸入用於接收該電流值。在本發明的較佳實施例中，每個功率單元的本地單元控制系統因而包含用於感測流經功率單元的電流的感測器裝置。在特別較佳的實施例中，該感測器裝置適用於感測功率單元的輸出電流。該感測器裝置較佳包括至少一個感測器，通常該感測器裝置對於功率單元的每個輸出相包括至少一個感測器。且由於每個功率單元的電壓通常不超過低電壓範圍，因此所使用的一個或更多感測器較佳為對低電壓範圍絕緣。

在較佳實施例中，每個功率單元包括電源，這是因為每個單元都需要能量來例如操作控制系統和開關。該電源較佳為由在DC鏈路電容器兩端的電壓降和/或在旁路開關兩端的電壓降來供電。

與外部電源相比，該解決方案所具有的優點是不需對外部電源單元進行單獨的電絕緣。然而，當然也可以使用外部電源單元來供電給功率單元。這樣的位於功率單元外部的電源單元必須連接至功率單元並可例如由發電機或電力網路供電。在上述兩種情況下都可使用輔助的變壓器來供電給外部電源單元。

在較佳實施例中，每個功率單元包括一個在轉換器的啟動階段期間預充電功率單元的DC鏈路電容器的充電裝置。這具有進一步改善每個功率單元的自主性以及確保其電源的優點。該充電裝置可以作為獨立的單元來實現。但是較佳地，本地單元控制系統和電源適用於預充電DC鏈路電容器，其中預充電控制例如由控制系統的記憶體中所儲存的軟體來實施。轉換器之啟動階段期間的預充電藉由以適當方式控制開關來執行。

然而，也可以安裝用於轉換器之所有功率單元的中央充電電路或者用於每個功率模組中的所有功率單元的一個中央充電電路。

在較佳實施例中，每個功率模組的所有功率單元的相輸入直接連接至前一功率模組的功率單元各自的相輸出，或者在該功率模組為第一功率模組的情況下連接至發電機。這具有轉換器之設計相對簡單並且對不同功率單元的控制簡易的優點。然而，也可以安排不同功率單元的不同互連策略。術語“第一功率模組”應理解為“從發電機看來，在發電機與終端節點之間的功率模組的串聯連接之線路中的第一功率模組”。

因此，第一功率模組的功率單元的相輸入以三角型連接方式連接至發電機。然而，該相輸入也可以星型連接方式連接至發電機。

在較佳實施例中，每個功率模組之所有功率單元的相輸出直接連接至下一功率模組的功率單元的各自的相輸入，或者在功率模組為最後一個功率模組的情況下直接連接至共用終端節點。這具有轉換器之設計相對簡單並且對不同功率單元的控制簡易的優點。然而，也可以安排多個功率單元的不同互連策略。術語“最後一個功率模組”應理解為“從發電機看來，在發電機與終端節點之間的功率模組的串聯連接之線路中的最後一個功率模組”。

因此，最後一個功率模組的功率單元的相輸出以三角型連接方式連接至共用終端節點。

在典型實施例中，轉換器包括具有較佳為光纖網路的通信鏈路或通信匯流排的控制結構，其中通信鏈路將至少一個功率單元的本地單元控制系統連接至至少一個其它功率單元的本地單元控制系統。較佳地，所有本地單元控制系統經由通信鏈路互連。這樣的具有通信鏈路的控制結構的優點是不同功率單元之間的通信容易並且簡單。通信鏈路也可省略和/或由無線網路等替代。

在較佳實施例中，控制結構包括中央監控單元，其中該中央監控單元較佳為經由通信鏈路連接至至少一個功率單元的本地單元控制系統。尤其較佳的是，中央監控單元、本地單元控制系統和通信鏈路一起構成該控制結構。當然還可以的是，控制結構進一步包括例如感測器和/或連接點的其他組件。中央監控單元通常配置為在每個功率單元的最佳電流共用、最佳交錯和最佳執行時間方面以控制本地單元控制系統。為了實現該目的，中央監控單元通常包括配置為對轉換器之所有功率單元和/或功率模組的狀態進行監測的軟體，並且該軟體包括適用於較佳藉由發送切換命令給功率單元和/或功率模組來對發電機的整體性能進行最佳化的控制演算法。

在較佳實施例中，至少一個變壓器的至少一個發電機側繞組被配置為用作各功率單元的換流器的變壓器輸出處的電感濾波元件。這導致轉換器的總體重量、功率損耗和成本降低。然而，也可安排成與變壓器分開的電感濾波元件。

在較佳實施例中，至少一個功率單元包括額外的能量儲存器，較佳為電池，其可以是可再充電或非可再充電電池。這樣的額外能量儲存器具有的優點是允許電網緩衝並且還允許及時的能量的解耦產生和饋入。分散式低中級能量緩衝有益於電網的穩定性。在典型實施例中，額外的能量包括用於將電池連接至其餘功率單元的DC-DC轉換器。額外的能量儲存器較佳為並聯連接至功率單元的DC鏈路電容器。

本發明關於轉換器之操作方法的方案由申請專利範圍第18項的特徵進行限定。

在用於將能量從發電機變換至電力網路的轉換器中，根據本發明的方法包括藉由提供具有功率模組的功率單元的每一個的一個發電機側繞組以及正好一個共用電網側繞組之該功率模組的變壓器並且平衡流經該共用電網側繞組的能量來平衡流經功率模組的功率單元的能量的步驟，其中轉換器包括多個功率模組，其中每個功率模組包含至少兩個功率單元和用於將功率單元連接至電力網路的變壓器，以及其中每個功率單元包含相輸入、相輸出、連接至變壓器的變壓器輸出、整流器和換流器。

在本發明的較佳實施例中，切斷機構受控用於啟用或禁用功率單元。控制切斷機構由此包括致能或失能功率單元的相輸入和相輸出之間直接的電氣連接。藉由致能或失能此直接的電氣連接，可以以可控方式啟用或禁用功率單元。

如前所述，相輸入和相輸出之間直接的電氣連接較佳藉由旁路開關來致能或失能。

在根據本發明的另一較佳方法中，根據本發明的轉換器的至少一個功率單元的旁路開關由前述中央監控單元和/或功率模組的至少一個本地單元控制系統進行控制。在這樣的方法中，取決於轉換器的實際系統需求，單個或多個功率模組和/或功率單元典型地被連續致能或失能--換句話說導通和關斷。這種取決於實際系統需求的受控切換具有多個優點。例如，適當的切換可用來保證至少在一個功率單元中獲得足夠的DC鏈路電壓以饋入能量，藉由短路所選功率單元使得在部分負載期間能夠獲得更高的效率(假定旁路開關的導通損耗低於功率單元的總體操作損耗)以及允許對應單元的換流器部進行交錯操作從而減少電網中的諧波。在典型的方法中，對於每個功率單元持續更新並儲存執行時間資訊。這具有的優點是可使得所有功率單元中的老化效應相似並且從而轉換器的整體壽命可被最大化。旁路開關的控制切換的另一優點在於其可用來確保在轉換器操作期間經由所有啟用功率單元傳遞的功率相等。

致能或失能功率單元的一個主要準則是發電機電壓或與其緊密相關的發電機之轉速。因此進一步較佳的是，根據發電機電壓或發電機之轉速來實施切斷機構的控制。

發電機電壓或發電機之轉速例如由中央監控單元和/ 或至少一個本地單元控制系統所確定。基於發電機電壓或發電機之轉速，可以確定哪個旁路開關應該在哪個時刻閉合或者打開。這具有的優點是，旁路開關的切換可至少在一定程度上可與發電機的實際功率產生相匹配。然而，為此也可以考慮其它參數，例如一相或者多相中的實際發電機輸出電流。

從下文的詳細描述和申請專利範圍全文可以得出其它有利的實施例和特徵的組合。

1‧‧‧發電機

2‧‧‧電力網路

3.1、3.2、3.3‧‧‧相

4.1、...、4.n‧‧‧功率模組

5‧‧‧功率單元

6‧‧‧相輸入

7‧‧‧相輸出

8‧‧‧變壓器輸出

9‧‧‧電網側繞組

10‧‧‧發電機側繞組

11‧‧‧共用終端節點

12‧‧‧換流器

13‧‧‧換流器開關

14‧‧‧DC鏈路電容器

15‧‧‧制動器

16‧‧‧制動電阻器

17‧‧‧制動截波器

18‧‧‧整流器

19‧‧‧整流器開關

20‧‧‧旁路開關

21‧‧‧本地單元控制系統

22‧‧‧電源

23‧‧‧I/O連接

30‧‧‧磁芯

31、32、33‧‧‧芯柱

C‧‧‧轉換器

C_DC‧‧‧電容量

C1、C2、C3‧‧‧單元

C1_U、C1_V、C1_W‧‧‧繞組

C2_U、C2_V、C2_W‧‧‧繞組

C3_U、C3_V、C3_W‧‧‧繞組

Grid_U、Grid_V、Grid_W‧‧‧繞組

T‧‧‧變壓器

t‧‧‧時間

V‧‧‧電壓

Y1、Y2、Y3、Y4‧‧‧中性點

ΔV‧‧‧漣波

用於解釋實施例的附圖示出：圖1：根據本發明的轉換器的示意性接線圖，圖2：根據本發明的功率單元的示意性接線圖，圖3：視覺化示出本發明工作原理的電流圖(低發電機頻率)，圖4：視覺化示出本發明工作原理的電流圖(高發電機頻率)，圖5：對功率模組的變壓器的更詳細的示意性描述，圖6：圖5所示變壓器的示意性繞組圖，圖7：DC鏈路電容器與由功率單元的換流器的切換引起的電壓漣波之間關係的示意圖，以及圖8：對於DC鏈路電容器的特定數值的DC鏈路電容器兩端的電壓的示意圖。

圖中，相同的附圖標記表示相同的組件。

圖1示出根據本發明的轉換器C的示意性接線圖。轉換器C連接在三相發電機1和電力網路2之間。轉換器C包括三相 3.1、3.2和3.3，每一相連接至發電機1的對應相連接。轉換器C包括n個功率模組4.1、...、4.n，其中僅第一個和最後一個在圖1中示出。每個功率模組典型地被配置為作用於純2Q-發電機用途。每個功率模組4.1、...、4.n包括三個功率單元5，其中功率單元5的每一個電連接相3.1、3.2和3.3中的一相。每一相3.1、3.2、3.3在對應功率單元5的相輸入6進入對應功率單元5並從對應功率單元5的相輸出7出去。

每個功率單元5包括變壓器輸出8，每個功率單元5經由變壓器輸出8連接至變壓器T的對應發電機側繞組10。每個功率模組4.1、...、4.n包括一個變壓器T。每個變壓器T包括一個電網側繞組9和三個發電機側繞組10。圖1所示的本發明的實施例具有三相配置，需要三個發電機側繞組，每相3.1、3.2和3.3對應一個繞組。由此，在具有超過三相或者僅有兩相的多相配置中，發電機側繞組的數量必須據此進行選擇。

最後一個功率模組4.n的三個功率單元5的相輸出7在共用終端節點11處連接在一起。所有其它功率單元5的相輸出7連接至後續功率模組4.1、...、4.n的對應功率單元5的相輸入。在這種方式中，每相3.1、3.2、3.3實現n個功率單元5的串聯連接。

轉換器C的拓撲從而由功率模組4.1、...、4.n的串聯連接構成。三個功率單元5和一個多繞組變壓器T構成每個功率模組4.1、...、4.n。所有變壓器T的電網側並聯連接。每個發電機相3.1、3.2、3.3由串聯的多個相同的功率單元5操作。串聯的功率模組4.1、...、4.n的數量的變化導致模組化電壓可調節性。串聯的功率模組4.1、...、4.n的最小數量n_{ser_min}由發電機1的最大相電壓 V_{ph_max}和功率單元5的最大阻斷電壓V_{cell_max}根據等式1進行限定：n_{ser_min}=abs(V_{ph_max}/V_{cell_max}) 等式1

在三相系統中，功率模組4.1、...、4.n的總數量由等式2給定：ntotal=3*n_{ser_min} 等式2

圖2示出根據本發明的功率單元5的示意性接線圖。圖2示出相輸入6和相輸出7，經由相輸入6和相輸出7，功率單元5可經由相3.1、3.2和3.3連結至其它功率模組4.1、...、4.n的功率單元5。此外，圖2示出變壓器輸出8，其用於將功率單元連結至對應的發電機側繞組10。

功率單元5包括具有六個換流器開關13的換流器12。功率單元5還包括並聯連接的DC鏈路電容器14和制動器15。制動器15包括串聯連接的制動電阻器16和制動截波器17。此外，功率單元5包括整流器18。整流器18包括四個整流器開關19和雙向旁路開關20。旁路開關20可以是例如反並聯閘流體(雙向性三極閘流體)的半導體，或者是機械接觸器。旁路開關20將相輸入6和相輸出7彼此電隔離。當功率單元5啟用時，旁路開關20打開，即，在相輸入6和相輸出7之間沒有建立電連接。為了禁用功率單元5，旁路開關20閉合，即，在相輸入6和相輸出7之間建立電連接，以及從而功率單元5被短路或旁路。整流器18被設計用於來自發電機1的可變輸入頻率(通常為8-70Hz)。在圖2所示的本發明的具體實施例中，整流器開關19為閘流體。在正常操作期間，整流器18的閘流體作為二極體來操作。這表示，它們在整個電週期期間處於導通狀態。在轉換器C和/或功率模組4.1、...、4.n和/或功率單元5的啟動順序期間，整流器18對DC鏈路電容器14充電。這對閘流體進行相控制調變之平滑完成。

此外，圖2中描述的功率單元5包括用於控制換流器12、制動器15、整流器18--特別是其開關13、19和制動截波器17--以及旁路開關20的本地單元控制系統21。另外，功率單元5包括電源22。每個功率單元5都需要這樣的單獨的低電壓電源22，電源22對單元控制以及對例如換流器開關13和制動截波器17的切換提供能量，換流器開關13和制動截波器17通常為電晶體，較佳為IGBT。尤其是，電源是需要用於IGBT驅動器。較佳的，所有使用的IGBT為低電壓類型(如，1700V)，其在相對導通損耗和價格方面具有優勢。電源22通常從DC鏈路電容器14和/或旁路開關20的順向電壓降汲取其輸入功率。在任何情況下，電源22都被配置為保證對功率單元5提供不斷電供應系統，特別是在所有故障模式期間。

對於具有400千瓦功率的功率單元而言，圖2中所示元件例如可按如下方式進行選擇：換流器開關13：IGBT(如Infineon FF450R17ME4)

DC鏈路電容器14：1250微法

制動電阻器16：1歐姆，1秒1000安培

整流器開關19：閘流體(如Infineon TT150N)

旁路開關20：2個反並聯閘流體

圖3和4示出了對低發電機頻率(圖3)和高發電機頻率(圖4)視覺化本發明工作原理的電流圖。每個功率單元5(見圖1和2)調變具有來自發電機1(如8-70Hz，見圖1)的可變輸入頻率的電力網路2(見圖1)或電網(如50或60Hz)的恒定頻率。依據發電機頻率f_gen和電網頻率f_grid之間的頻率比，從功率單元產生到變壓器之對應繞組的結果電流看起來不同。圖3和圖4示範性的示出對於50Hz的電網頻率以及10Hz(圖3)和70Hz(圖4)的發電機頻率的一個功率單元5所產生的輸出電流I_{_cl1_ph1}、I_{_cl1_ph2}和I_{_cl1_ph3}。每個電流都沒有DC分量，這主要是DC鏈路電容器造成的結果，並且全部三個電流的總和在各個時間為零。

應當理解，圖3和4中的電流圖示出n個功率模組4.1、...、4.n之一的三個功率單元5中的一個的變壓器輸出8(見圖1和2)處的輸出電流。每個特定功率模組4.1、...、4.n的其它兩個功率單元5的電流各自相位移120°。發電機1發出的連續功率相等地但是120°時間位移地分佈在三個發電機相上。所產生的低頻高功率回路在每個多繞組變壓器T的磁路中閉合。在每個時刻，一個功率單元5的暫態輸出功率精確對應於在其輸入箝位器(即其相輸入6和其相輸出7)處傳遞的功率。因此，DC鏈路電容器14僅對不對稱電網電壓和分量容差(tolerance of component)進行緩衝。該過程能夠確保連續的能量流入電力網路2，而在DC鏈路電容器14中不緩衝低頻能量。每個功率單元5的所需DC鏈路電容器14的相對較小的體積構成此拓撲的主要優點之一。

上述解釋清楚表明，轉換器C的每個功率單元5(見圖1和2)能夠被單獨旁路，這意味著藉由閉合旁路開關20在每個功率單元5的相輸入6和相輸出7之間直接的電連接。一個功率模組4.1、...、4.n的所有三個旁路開關20通常同時閉合和打開。此旁路可使用兩種方式：

1.藉由加入冗餘度來增加可靠性和可用性特別是在風力電力應用中--根據本發明的轉換器C的一個主要目標領域--，從岸上到海上應用對可靠性和可用性的需求顯著增長。在此，本發明提供了大範圍調整在價格和可靠性之間的比值而不需額外開發。當功率單元5內部發生故障時，該功率單元5和同一功率模組4.1、...、4.n中所有功率單元5通常被旁路。如果旁路開關20自身發生故障，此旁路開關20的設計(例如，反並聯緊壓包裝閘流體或常接通機械接觸器)確保其進入短路。使用此方法，如果功率單元5不能操作，則轉換器C能夠以更少的功率進行操作。額外的功率單元5的引入能夠提供冗餘度並跳出此功率限制。在正常操作期間，某些功率模組4.1、...、4.n被旁路。這些功率模組4.1、...、4.n(特別是其功率單元5)在發生故障情況被啟動，以及轉換器C仍然能夠操作在額定功率下。如果插入x個額外的功率模組4.1、...、4.n，則n+x的冗餘度變成可能，從而導致n_{ser_min}+x個功率模組4.1、...、4.n和總共3*(n_{ser_min}+x)個功率單元5。

2.在部分負載操作時增加效率假設發電機1為永磁或恒定激磁同步機器，則輸出電壓取決於轉速。因此，所需的轉換器C的阻斷電壓在部分負載操作期間降低。此事實被用來關斷某些功率單元5。旁路選項的動態使用能夠降低轉換器C在此操作點的總體損耗。為了能夠進行這樣的系統管理，旁路開關20的導通損耗顯著低於啟用功率單元5的累積損耗。

圖5更詳細的示出一個功率模組的變壓器T。變壓器T包括連接至電力網路2的共用電網側繞組9、磁芯30和連接至功率模組的功率單元的發電機側繞組10。

再者，功率模組包括三個功率單元C1、C2、C3，其中功率單元C1、C2、C3的每個在其變壓器輸出處提供有三個相。第一單元C1的每個相連接至繞組C1_U、C1_V和C1_W，繞組C1_U、C1_V和C1_W纏繞在磁芯30上並且以Y型連接方式連接至中性點Y1。類似的，第二單元C2的每個相連接至繞組C2_U、C2_V和C2_W，繞組C2_U、C2_V和C2_W纏繞在磁芯30上並且以Y型連接方式連接至中性點Y2，以及第三單元C3的每個相連接至繞組C3_U、C3_V和C3_W，繞組C3_U、C3_V和C3_W纏繞在磁芯30上並且以Y型連接方式連接至中性點Y3。

電網側繞組9同樣包括三個相繞組Grid_U、Grid_V、Grid_W，其纏繞在磁芯30上並連接至電力網路2的對應相。而且繞組Grid_U、Grid_V、Grid_W同樣被示出為以Y型連接方式連接至中性點Y4，它們同樣可以以三角型(也稱作delta)連接方式連接。

現在，圖6示出變壓器T的初級和次級繞組是如何纏繞在磁芯30上來實現上文所述的高度磁耦合。

所示之磁芯30為“8”形狀的芯，其可由E型、I型或U型鐵芯零件或者其它任何適合的芯零件組裝而成。三個功率單元C1、C2、C3中每一個的第一相繞組C1_U、C2_U和C3_U係扭曲並集體纏繞在磁芯30的第一芯柱31上。由於在圖6中組合為纏繞在芯柱31上的單線，該扭曲相繞組C1_U、C2_U和C3_U被示意性地示出。

類似的，第二相繞組C1_V、C2_V和C3_V扭曲並集體纏繞在第二芯柱32上，第三相繞組C1_W、C2_W和C3_W扭曲並集體纏繞在磁芯30的第三芯柱33上。

相繞組C1_U、C2_U、C3_U、C1_V、C2_V、C3_V、C1_W、C2_W和C3_W的另一端如圖5所示連接至中性點Y1、Y2和Y3。然而，為了清楚起見，圖6中僅示出一個點Y1、Y2、Y3來代表上述三個中性點。

在變壓器的電網側，第一相繞組Grid_U纏繞在磁芯30的第一芯柱31上，第二相繞組Grid_V纏繞在第二芯柱32上，第三相繞組Grid_W纏繞在第三芯柱33上。所有三個相繞組都連接至中性點Y4。

將功率模組的單元的對應相繞組集體纏繞或扭曲不會出現關於絕緣之任何問題，這是因為其全部具有相似的電壓位準。然而，如同上文已經提及的，絕緣是變壓器初級和次級繞組之間的問題，這是因為該絕緣應當阻斷發電機電壓。由此，藉由中電壓絕緣將單元相繞組與電網側相繞組進行絕緣。

在DC鏈路電容器兩端的電壓漣波取決於不同的因素，但是，除了被發電機的低頻分量所影響外，其主要是由轉換器開關的切換頻率所引起的。由此，必須選擇DC鏈路電容器的電容量以使得其可處理其兩端所產生的電壓漣波，但是如上文所述，通常應當將其選擇的越小越好。

圖7示出藉由模擬得到對於特定示例的特定操作點的DC鏈路電容量與電壓漣波之間關係的示意圖。在該示例中，功率單元的輸出功率為250kW，功率單元的IGBT的切換頻率為5kHz，發電機頻率為10Hz，電網頻率為50Hz，發電機電流(RMS=均方根)為190A。

下表示出了在DC鏈路電容器的DC鏈路電容量(C_DC) 的不同數值下，由切換頻率所引起的最終電壓漣波(ΔV)：

可以看出，對於較高的電容量值，當電容量大幅減小時，所產生的漣波僅緩慢增加，然而，對於較小的就電容量值，當電容量僅略微減小時，漣波就大幅增加。

對於給定配置，根據上述公式(I)確定取決於換流器切換頻率的最小DC鏈路容量可以得到與圖7中圖形相似的圖形。為了確定最小DC鏈路容量，首先要確定由切換脈衝所引起的DC鏈路電壓的接受的和/或最大的上升電壓ΔU_max。隨後基於ΔU_max和有關上述公式(I)中所述的其它參數來確定C_min。由此，P為功率單元所傳遞的功率，f_P為變壓器側換流器的切換頻率，以及

為與發電機側變壓器電壓相等的單元輸出相電壓的振幅。對於400V_rms的線-線電壓，

為例如325V。

因數F已理論推導得出並具有下述數值

其約為0.16。然而，由於該數值為理論值，因此對於實際確定C_min的數值還可被選擇為不同於該數值。為了安全的方面，因數F的數值應被選擇為大於該理論值。

對於100微法的DC鏈路電容器來說，藉由模擬得到的所導致的電壓V隨時間t的變化如圖8中所示。可以看出，在電容器兩端的電壓在約150V與850V之間振盪，與切換頻率相關的漣波電壓約為156V(如圖7中已經示出)。

應當注意，在上述實施方式中，描述了三相發電機和三相電網應用中的本發明(如圖1中所示)。從技術的觀點來看，該限制不是必須的。可對電網和發電機相的數量進行獨立調整(如，相數多於或少於三相的多相發電機)。