專利名稱：電力傳輸方法及電力傳輸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在以交流電(AC)運行的多相電氣設(shè)備(電動機或發(fā)電 機)與電力傳輸網(wǎng)絡(luò)之間傳輸電力的方法和設(shè)備，所述電力傳輸網(wǎng)絡(luò)可以是多相交流電 (AC)網(wǎng)絡(luò)或直流電(DC)網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明也可以被應(yīng)用到不同網(wǎng)絡(luò)之間的電力傳輸中，例如 從DC網(wǎng)絡(luò)到多相AC網(wǎng)絡(luò)，或者在不同電壓的AC網(wǎng)絡(luò)之間。更具體地，本發(fā)明涉及中壓 (medium-voltage)環(huán)境中的電力傳輸，在所述中壓環(huán)境中電氣設(shè)備和電力傳輸網(wǎng)絡(luò)兩者都 是中等電壓。
背景技術(shù)：
中壓網(wǎng)絡(luò)是指在電氣能源的傳輸中使用大于IkV電壓的配電網(wǎng)絡(luò)，例如介于高壓 (超過36kV)主電網(wǎng)與低壓(低于IkV)的用戶網(wǎng)絡(luò)之間。配電網(wǎng)絡(luò)通常以50/60HZ的交流 電力工作，但是同樣也會使用很多中壓或高壓直流電網(wǎng)絡(luò)，特別是對于長傳輸距離以及連 接到彼此具有不同頻率的網(wǎng)絡(luò)時。本領(lǐng)域眾所周知的是，在重載中，例如超過1MW，使用比中壓更小的電流是有利的， 由于電氣設(shè)備具有更小的功率損失。通常，在電氣設(shè)備與配電網(wǎng)絡(luò)之間由于不同頻率、不同 電壓等級或者需要電流隔離而需要使用某種調(diào)節(jié)器。這種需要的調(diào)節(jié)可以以變頻器或變壓 器的形式而被有利地設(shè)置。由于制造技術(shù)的原因，在變頻器中使用的開關(guān)型功率半導(dǎo)體組件的耐壓很小，以 致需要串聯(lián)具有中壓的多個開關(guān)型功率半導(dǎo)體組件。例如，美國公開專利US 7，471，532公 開了一種解決方案，其中至少四個串聯(lián)的功率半導(dǎo)體開關(guān)被用于每相。串聯(lián)的另外一個好 處是輸出電壓的脈沖圖形在極限正值和極限負值之間包括多個階梯，這降低了由于發(fā)生在 長電纜中的公知的反射現(xiàn)象所產(chǎn)生的在電動機的隔離中的任何危險的電壓超出值(參見 例如 1992 年 9 月 /10 月由 E. Persson 在 IEEE Transactions oflndustry Applications 的第 28 卷第 5 期發(fā)表的"Transient Effects inApplication of PWM Inverters to Induction Motors，，)。串聯(lián)電路還附加帶來一些問題，例如模塊型低壓功率半導(dǎo)體開關(guān)的絕緣強度(例 如1700V的耐壓)不足以用于中壓，因此需要那些增加成本的笨拙機械結(jié)構(gòu)以用于設(shè)置足 夠的絕緣。對于本領(lǐng)域來說，用于實現(xiàn)中壓變頻器的所謂NPC (中性點鉗位)電路的使用也是 眾所周知的(參見例如R. Sommer等人在1999年工業(yè)應(yīng)用會議、第34次IAS年會、1999IEEE 會議記錄中提出的 New MediumVoltage Drive Systems using Three-Level Neutral Point Clamped Inverterwith High Voltage IGBT)。在這類型電路中，使用具有高耐壓 (例如4.5kV)的功率組件。此外，這些類型的組件通常由于制造工藝的要求高和很少的產(chǎn) 量的原因而非常昂貴，這同樣增加了利用這一原理制造的設(shè)備的成本。通常使用的解決方案是使用低壓(例如690V)變頻器和在其兩側(cè)的變壓器來將電 壓等級調(diào)整到中壓電動機/發(fā)電機和中壓網(wǎng)絡(luò)。在這種常用方式中，可以利用具有成本效
5益的并且技術(shù)上可靠的低壓變頻器技術(shù)，但是這種方案的缺點是昂貴的變壓器以及中壓側(cè) 的高幅電壓脈沖，該高幅電壓脈沖會增加施加在電動機的線圈上的壓力。所謂的用于利用低壓變頻器技術(shù)的具有中壓的級聯(lián)電路對于本領(lǐng)域來說是公知 的，這樣的電路在例如公開專利US 5，625，545中有提及。在級聯(lián)電路中，可以使用低壓功 率單元，其中對于每個相位來說功率單元被串聯(lián)，此外，利用該功率單元得到模擬正弦波的 多級電壓模式，從電壓反射現(xiàn)象和形成濾波的角度來看所述多級電壓模式是有利的，所述 多級電壓模式的頻率和其基波的幅值可以調(diào)節(jié)。此外，能夠使電力在雙方向流動的該電路 的很多變化也是對于本領(lǐng)域公知的。這些電路共有特點的是它們都連接到具有變壓器的中 壓網(wǎng)絡(luò)，該變壓器包括特定單元的次級線圈。由于該變壓器以所述網(wǎng)絡(luò)的頻率工作，因此該 變壓器的尺寸較大、成本較高，這也是這類系統(tǒng)中通常存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于得到一種能夠避免前述缺點的新方法，該方法能夠使得在連接 電氣設(shè)備與AC網(wǎng)絡(luò)(電力傳輸網(wǎng)絡(luò))時能夠得到技術(shù)上較為先進的多級電壓模式。由于 這種多級特性，例如網(wǎng)絡(luò)接口中的電壓的任何必要的濾波需要更少且更小的組件，并且因 此相對于現(xiàn)有技術(shù)的解決方案來說經(jīng)濟上更具優(yōu)勢。另外，這樣的系統(tǒng)能夠連接到以DC電 壓工作的電氣線路，諸如電力傳輸線或供電線。本發(fā)明適用于無論何種電氣設(shè)備或者電壓網(wǎng)絡(luò)的任何電壓等級，但是特別有益于 當(dāng)電氣設(shè)備或電壓網(wǎng)絡(luò)中的一者或兩者為中壓的情況。本發(fā)明可以應(yīng)用到多種類型的電力 傳輸，諸如交流電網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備之間、兩個交流電網(wǎng)絡(luò)之間、交流電網(wǎng)絡(luò)與直流電網(wǎng)絡(luò)之 間、或者直流電網(wǎng)絡(luò)與電氣設(shè)備之間。根據(jù)本發(fā)明的基本概念，利用根據(jù)級聯(lián)原理設(shè)置的低壓單相功率單元，在三相電 氣設(shè)備電路和的三相交流電網(wǎng)絡(luò)之間建立連接，其中功率單元連接到構(gòu)成電流隔離的特定 組變壓器。來自電氣設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的每相的至少一個單元屬于每個功率單元組。本領(lǐng)域眾所 周知的是，三相系統(tǒng)中的三相的總功率能夠保持恒定，即使特定相位的功率呈正弦變化，正 因如此，在所有組中經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的變壓器傳輸?shù)墓β时３只旧舷嗤姆?。連 接到所述變壓器的電路以高頻工作，例如1kHz，所以這些變壓器尺寸很小并且就其成本而 言也不昂貴?？梢源?lián)任意數(shù)量的由功率單元和變壓器構(gòu)成的組，從而獲得足夠總電壓等級。 該串聯(lián)電路也使得該系統(tǒng)的容錯性得以改善，例如，如果一些功率單元損壞，該損壞的功率 單元所屬的所有組被短路，在這種情況下，剩余組可以繼續(xù)它們各自的工作。當(dāng)電氣設(shè)備或 電力傳輸網(wǎng)絡(luò)為低壓時，還可以將這些類型的組的初級側(cè)或次級側(cè)的功率單元并聯(lián)在低壓 側(cè)。本發(fā)明還適用于電壓等級具有不同幅值的網(wǎng)絡(luò)之間，例如在以中壓工作的交流電 網(wǎng)絡(luò)與低壓太陽能發(fā)電廠之間。在這種情況中，所有連接到特定組變壓器的初級電路的功 率單元可以使用級聯(lián)原理被連接到電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，并且連接到所述變壓器的次級電路的所 有的功率單元可以被并聯(lián)到由太陽能電池供電的DC線上。所述功率單元可以根據(jù)它們要連接的網(wǎng)絡(luò)的類型而不同。連接到AC網(wǎng)絡(luò)和連接 到電氣設(shè)備的單元的功率處理優(yōu)選包括兩個單相橋接電路和DC電壓濾波電容，但是例如在向DC中壓網(wǎng)絡(luò)傳送的單相電力傳輸中只需要整流和DC電壓濾波電容就足夠了。本發(fā)明使得技術(shù)先進的交流電壓模式的形成成為可能，該模式模擬正弦波，并且 頻率可調(diào)，例如使用中壓電氣設(shè)備和中壓交流電網(wǎng)絡(luò)側(cè)的低壓功率單元。這些類型的功率 單元都是基于相同的技術(shù)，即通常在廣泛使用并且因此成本低廉、技術(shù)可靠的低壓變頻器 中使用的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的高頻變壓器的芯可以被有利地制造，例如使用新式粉芯材料 或者使用非常薄的變壓器片。變壓器的線圈，對于它們的部分來說，可以依據(jù)匝數(shù)實施，例 如基于銅箔技術(shù)、鋁箔技術(shù)或者所謂的絞合線(litz wire)技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的解決方案的特性特征將在后附的權(quán)利要求中詳細描述。


下面，將借助一些實施方式并參考附圖更詳細地描述本發(fā)明，其中圖1示出了電氣設(shè)備與中壓網(wǎng)絡(luò)之間的現(xiàn)有技術(shù)的級聯(lián)電路；圖2A示出了當(dāng)電力方向是從網(wǎng)絡(luò)到電動機時的現(xiàn)有技術(shù)的功率單元的電路；圖2B示出了當(dāng)電力方向自由時的現(xiàn)有技術(shù)的功率單元的電路；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的在電氣設(shè)備與中壓網(wǎng)絡(luò)之間的級聯(lián)電路；圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的功率單元的電路；圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明的功率單元的第二電路；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的特定組的變壓器的電路；圖6A示出了根據(jù)本發(fā)明的變壓器的一個線圈的線圈電壓和電流的特性；圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明的變壓器的三相的線圈電壓與電流幅度的特性；圖7A示出了根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)使用DC電力傳輸時的功率單元的電路；圖7B示出了根據(jù)本發(fā)明的當(dāng)使用DC電力傳輸時的功率單元的第二電路；圖8示出了當(dāng)電力經(jīng)由DC電力傳輸鏈路傳輸時，根據(jù)本發(fā)明的在電氣設(shè)備與中壓 網(wǎng)絡(luò)之間的級聯(lián)電路；以及圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的在太陽能電池電力發(fā)電廠與中壓網(wǎng)絡(luò)之間的級聯(lián)電路。
具體實施例方式圖1描述了現(xiàn)有技術(shù)的中壓的所謂的級聯(lián)變頻器的基本電路，這種類型的電路的 工作可以從例如公開專利US 5，625，545中得到。該電路包括中壓供電電壓MV以及電氣設(shè) 備M/G的中壓連接電壓兩者，其中中壓供電電壓MV的頻率通常為50Hz或60Hz，電氣設(shè)備 M/G的中壓連接電壓頻率可調(diào)。所述變頻器包括低壓功率單元，其中多個低壓功率單元被 串聯(lián)在每相U、V、W中。所述功率單元被連接到公共變壓器T1，該變壓器T1的三相初級線圈 Wp被連接到供電中壓網(wǎng)絡(luò)MV，并且該變壓器包括對于每個功率單元的單獨的三相低壓次級 線圈Weiu-We,為了降低供電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的諧波，所述次級電壓可以相對于彼此被相移，例 如使得為第一功率單元組G/ (包含功率單元Ciu-Ciw)供電的線圈組Weiu-Weiw的電壓相對于 為第二功率單元組G2’(包含功率單元C2u-C2w)供電的線圈組We2u-We2wW電壓而相移，等等。 任意數(shù)量的功率單元組G/ -Gn'可以屬于變頻器。越多個串聯(lián)的組被使用，輸出電壓的脈 沖模式就可以包含更多個階梯，這對輸出電壓的諧波內(nèi)容具有很有利的影響。圖2A示出了當(dāng)電力的傳輸方向是從供電網(wǎng)絡(luò)向電動機時，本領(lǐng)域公知的類型的功率單元C2q的一種可能的內(nèi)部電路。該變壓器的三相線圈We為功率單元供電，該三相線圈 其線圈被連接到供電連接端IN。所述功率單元包括由二極管D1-D6組成的三相整流橋REC、 DC濾波電容Cdc以及單相逆變單元INU，該單相逆變單元包括兩個所謂的相位開關(guān)，該相位 開關(guān)可以被連接到連接的輸出端OUT的任一極或者直流極DC+、DC-。第一相位開關(guān)包括可 控功率半導(dǎo)體開關(guān)，例如IGBT V11、V13、以及與IGBT并聯(lián)的所謂的零二極管(zero diode) D11、D13，并且連接到第二相位開關(guān)V12、V14和D12、D14。當(dāng)電力可以在任一方向流動時，現(xiàn)有技術(shù)使用根據(jù)圖2B的功率單元的電路C4Q。其 中在整流橋REC的位置使用有源橋AFE 3，該有源橋包括三個相似的相位開關(guān)，所述相位開 關(guān)同樣被用于逆變單元INU中。濾波單元LFU可以被連接在待供電的次級線圈We與AFE 3 橋路之間，用于減小電流的諧波。對于本領(lǐng)域人員公知的是，通過使用AFE 3，除了能夠?qū)λ?述網(wǎng)絡(luò)提供制動功率，并且還可以獲得基本上為正弦波形的網(wǎng)絡(luò)電流，從而變壓器的次級 線圈之間的相移可以是不必要的。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的中壓變頻器的基本電路。該基本電路包括在兩側(cè)級聯(lián)連 接中壓網(wǎng)絡(luò)MV(頻率50/60HZ，相位L1、L2、L3)和中壓電氣設(shè)備M/G(頻率可調(diào)節(jié)，相位U、V、 W)的低壓功率單元以及連接所述功率單元的高頻變壓器。所述功率單元和變壓器被分組， 每組包括來自每相的至少一個功率單元。例如，根據(jù)該圖的組G1包括位于供電網(wǎng)絡(luò)側(cè)的功 率單元Cpil-Cpi3、變壓器T1、以及位于電氣設(shè)備側(cè)的功率單元CS1U-CS1W。所述變壓器包括對于 每個功率單元其自己的單相線圈，在這種情況下初級線圈Wreil-Wrei3和次級線圈Wseiu-Wseiwtl 有至少兩個這樣串聯(lián)的組G1-Gn(但是典型地更多)，根據(jù)匹配電壓等級的需要或者優(yōu)化輸 入電壓和輸出電壓的脈沖模式的需要，變壓器可以包括任一數(shù)量的上述組。因此該圖的實 施方式中的同一組包括至少6個功率單元，變壓器的兩側(cè)來自每個相位的各有一個，但是 可以根據(jù)適合變壓器的線圈的情況而有更多個。但是，根據(jù)本發(fā)明的基本概念，來自每個輸 入相位的至少例如2個單元與來自每個輸出相位的例如1個單元必須屬于一組，在這種情 況下，在本實施方式中該組包括總計9個單元。當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)MV和電氣設(shè)備M/G的額定電壓等級具有不同幅值時，也可能應(yīng)用本發(fā) 明。當(dāng)希望在變壓器兩側(cè)保持相同的多級電壓模式時，電壓等級的調(diào)節(jié)可以例如借助所述 變壓器的初級線圈和次級線圈的匝數(shù)來控制。更特別地，當(dāng)其中一側(cè)為低壓時，也可以并聯(lián) 在低壓側(cè)的涉及的屬于同一相位但是不同組的所有功率單元。也可以將具有不同數(shù)量的初 級線圈和次級線圈的電壓等級相匹配，從而相對于圖3的實施方式來說，線圈和功率單元 的數(shù)量是雙倍的，在這種情況下，初級側(cè)的電壓等級可以適用于使用相同電壓的功率單元 的次級側(cè)的電壓等級的兩倍的情況。在圖3的實施方式中，所述功率單元被以星形連接的方式安排在交流電網(wǎng)絡(luò)和星 點(star point)之間。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很顯然的是，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，也可 以將功率單元以三角形連接(delta connection)的方式連接，其中例如功率單元Csiu-Csnu 被連接在相位U和V之間，功率單元Csiv-Csnv被連接在相位V和W之間，而功率單元Csiw-Csnw 被連接在相位W和U之間。圖3的實施方式和后面的實施方式描述了常規(guī)的三相網(wǎng)絡(luò)和電氣設(shè)備，但是本發(fā) 明并不對所述變壓器兩側(cè)的交流電網(wǎng)絡(luò)的相位的數(shù)量作任何限定。根據(jù)本發(fā)明的基本概 念，兩個AC網(wǎng)絡(luò)均連接到特定組的具有至少與網(wǎng)絡(luò)中的相位數(shù)量同樣多的功率單元的變壓器。由于根據(jù)本發(fā)明的變頻器所形成的電壓是類似脈沖的，因此可以在該變頻器與電力 傳輸網(wǎng)絡(luò)MV之間連接濾波器FILT，從而限制網(wǎng)絡(luò)電流的諧波。圖4A示出了根據(jù)本發(fā)明的單相功率單元C的基本電路。該電路包括連接到變壓 器的單相橋接電路AFE 11、DC中間電路的濾波電容CDe以及單相逆變橋INU。AFE 11和INU 兩者都包括由相似的功率半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的相位開關(guān)，其詳細構(gòu)造結(jié)合圖2示出。根據(jù)本 發(fā)明，AFE 11持續(xù)地以50%的脈沖比工作，從而連接到同一變壓器的所有功率單元的AFE 橋同相地工作。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很顯然圖4A示出的功率單元可以在任何一個方 向傳輸電力，從輸入連接端IN到輸出連接端OUT，反之亦然。由于AFE橋接電路以50 %的脈沖比工作，因此在圖4B的橋接電路AFE 12所給出 的方式將該橋接電路的第二相位開關(guān)替換成兩個電容Cp C2對于本領(lǐng)域來說是公知的可選 擇的方式。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，所述電容CpC2可以根據(jù)負載電流和需要的電壓范 圍來設(shè)計其大小。以下對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是明顯的當(dāng)電力的流向是從變壓器到功率單元 時，電流基本僅流經(jīng)所述零二極管，從而對AFE橋接電路的可控半導(dǎo)體的控制并不是必須 的，或者所述可控半導(dǎo)體這些組件可以完全從圖4A和4B的AFE橋接電路中省略。當(dāng)單獨的功率單元故障時，例如在IGBT的短路中，將連接到損壞的功率單元的組 與該設(shè)備的工作隔離是必須的。這可以通過將該組的所有功率單元的輸出連接端(OUT)短 路來設(shè)置，例如利用接觸器。該組的電壓當(dāng)然不符合整個設(shè)備的電壓模式，但是在具有足夠 多的電壓等級的系統(tǒng)中，這并不一定是缺陷，這種情況下該設(shè)備可以繼續(xù)它的工作。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的特定組變壓器T1的基本電路，該變壓器包括輸入相的3 個線圈Wpi-Wp3和輸出相的3個線圈WS1-WS3。所有線圈的線圈繞向是相同的，在線圈的一端 顯示有小點。所有線圈的匝數(shù)是相同的，由于同一公共芯的通量穿越所有線圈，因此線圈的 電壓也是基本上相同的幅度和相同的相位。當(dāng)然在初級側(cè)和次級側(cè)也可能使用不同數(shù)量的 匝數(shù)，例如當(dāng)電動機/發(fā)電機的額定電壓等級與供電網(wǎng)絡(luò)的額定電壓等級是不同幅值時。根據(jù)本發(fā)明的連接到同一變壓器的所有功率單元CP1-CP3、CS1_CS3的極IN的電壓被 控制成相同相位。在這種情況中，如果由于供應(yīng)到所涉及的單元的電力增大的原因某一功 率單元的DC中間電路的濾波器電容Q3c的電壓試圖高于其他單元的中間電路的電壓，則在 所涉及的功率單元的IN連接端中的極電壓也高于其他，在這種情況中，當(dāng)然，供應(yīng)到變壓 器的電流也增加(由于功率開關(guān)的控制脈沖的可能的定時不精確而導(dǎo)致的電路限定電流 脈沖的雜散電感，出于這個目的在變壓器和功率單元之間可以使用額外的扼流圈)。因此， 一組中的所有功率單元的中間電路的電壓基本保持同一幅度，即使供應(yīng)到變壓器的電力或 者從變壓器輸出的電力變化。同樣，經(jīng)由變壓器傳輸?shù)碾娏竞愣ú⑶遗c電動機/發(fā)電 機的總功率成比例，因為來自每相的相同個數(shù)的功率單元被連接到同一變壓器，并且三相 系統(tǒng)的總和功率是已知的基本恒定的，盡管根據(jù)正弦波特定相位的功率會變化。對于這種 等級的功率規(guī)則，可能的短暫的異常可以通過功率單元的中間電路的用作貯能的濾波器電 容而均衡，其中異?？梢杂衫鏘NU模塊的工作而產(chǎn)生。圖6A和6B示出了連接到為時間t的函數(shù)的電力傳輸?shù)幕静ㄐ?。該波Uw描述 了所述變壓器的線圈的電壓，當(dāng)使用根據(jù)圖4B的電路時該波的波動范圍與功率單元的中 間電路濾波器電容的電壓Udc以及根據(jù)圖4A的電路中的電壓2XUDC相同。電壓模式的基本
9形式為方波，其脈沖比為50%，并且其頻率fK優(yōu)選為很高，例如IOkHz。波iw描述了變壓器 的線圈的電流，該波的波動范圍Δ iw與待傳輸?shù)墓β食杀壤?，即與INU模塊的輸出電流iOTT 成比例。圖6B顯示了連接到三個并列相位(例如Li、L2和L3)的功率單元的線圈電流的 波動范圍Ai 、AiW2、AiW3。這些線圈電流與待傳輸?shù)墓β室曰旧鲜钦业?、兩倍于電?設(shè)備或供電網(wǎng)絡(luò)的頻率2 X fM成比例地變化，。除根據(jù)圖3的電氣設(shè)備與AC網(wǎng)絡(luò)之間的直接變頻器之外，本發(fā)明還可以被應(yīng)用在 當(dāng)電力經(jīng)由DC鏈路傳輸?shù)那闆r中。圖8示出了這種類型的解決方案的圖。該方案包括連 接到由被設(shè)置成級聯(lián)電路的功率單元組Gpi-Gpni構(gòu)成的中壓網(wǎng)絡(luò)MV的電壓模式，由該功率 單元組形成的多級電壓模式可以使用濾波器FILT濾波。前面在圖4A和4B中描述的解決 方案可以被用于功率單元CP，并且根據(jù)本發(fā)明的基本概念，功率單元Cp被連接到特定組變 -ETp「TpNi。相應(yīng)地，連接到電氣設(shè)備M/G的電壓模式利用根據(jù)本發(fā)明的功率單元組Gsi-Gsn2而 形成，所述功率單元組包括功率單元Cs (可以根據(jù)圖4A或4B)以及變壓器TS1_TSN2。這些組 的數(shù)量m和N2可以彼此不同。在供電網(wǎng)絡(luò)側(cè)和電氣設(shè)備側(cè)的所述變壓器的次級線圈被連接到包括多個串聯(lián)的 功率單元的功率單元組G/’和G2”，其中所述功率單元組為根據(jù)圖7A或圖7B的電路。功率 單元組G1 ”和G2”兩者均被直接連接到DC鏈路HVDC。在所述DC鏈路側(cè)的連接到所述變壓 器的功率單元的數(shù)量并不需要與連接在交流電側(cè)的功率單元的數(shù)量相同，因為這些功率單 元被直接串聯(lián)的原因，所以相同的電力流過DC鏈路側(cè)的所有功率單元。圖7A示出了在DC鏈路側(cè)設(shè)置的功率單元Ckec的可能的電路。這種類型的電路可 以在電力僅單向流動時使用，例如在組G/中電力從網(wǎng)絡(luò)流向電動機時，或者在組G2'中電 力從發(fā)電機流向網(wǎng)絡(luò)時。在這種情況中，所述功率單元CKE。可以僅是整流橋，由單相二極管 和濾波電容CDe組成。當(dāng)電力在雙向傳輸時，以及在前述電力從DC鏈路傳出的單向電力傳輸?shù)那闆r中 時，可以使用圖7B中的功率單元的電路CINV。所述功率單元由兩個相位開關(guān)和DC電壓濾波 電容構(gòu)成。在電力傳輸以如圖5的描述中那樣工作的情況下，所述相位開關(guān)被利用50%的 脈沖比控制。圖9示出了本發(fā)明在太陽能發(fā)電廠的應(yīng)用的實施方式。其中，所述太陽能電池或 太陽能電池組PV1-PVnp將電力提供給同一個低壓DC鏈路(DC+、DC-極)，根據(jù)本發(fā)明設(shè)置的 包括功率單元和變壓器的組Gl”’ -GN"'也連接到該鏈路。由于它們的低壓特性，連接到所 述DC鏈路的所有功率單元CS11-CSn2可以被并聯(lián)，對于連接到同一變壓器的功率單元的個數(shù) 沒有任何限定。在圖9的實施方式中，涉及的個數(shù)為2，但是如果該功率單元的部件尺寸允 許的話，甚至一個也是足夠的。由于在該實施方式中電力僅在從太陽能電池到交流電網(wǎng)絡(luò) MV—個方向上傳輸，圖7B的簡單電路可以用在連接到所述DC鏈路的功率單元Csii-Csn2中， 并且在連接到交流電網(wǎng)絡(luò)的功率單元CP11-CPN3(根據(jù)圖4A和圖4B)的AFE橋接電路中并不 需要可控功率半導(dǎo)體開關(guān)，或者它們可以被完全省略。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本發(fā)明的不同實施方式并不僅限于上述實例，而是可 以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。在權(quán)利要求中，直流電網(wǎng)絡(luò)可以被理解為單相電力網(wǎng)絡(luò)。
權(quán)利要求
一種用于控制設(shè)備在兩個電力網(wǎng)絡(luò)之間或者電力網(wǎng)絡(luò)與多相電氣設(shè)備(M/G)之間傳輸電力的方法，所述電力網(wǎng)絡(luò)為多相交流電網(wǎng)絡(luò)或者所述電力網(wǎng)絡(luò)中的一個為單相直流電網(wǎng)絡(luò)，所述設(shè)備包括低壓功率單元(C)，該低壓功率單元包括單相輸出連接端(OUT)，其特征在于，所述功率單元還包括單相輸入連接端(IN)，所述功率單元被分成多個組(G1 GN，GP1 GPN1，GS1 GSN1，G1”’ GN”’)，從而使得所述電力網(wǎng)絡(luò)或電氣設(shè)備的每一相的至少一個功率單元屬于每個組，并且屬于同一組的所有功率單元的所述輸入連接端(IN)被連接到公共變壓器，該變壓器包括與用于連接到該變壓器的功率單元的其他線圈電流隔離的其自身的單獨線圈；并且連接到向同一變壓器供電的所有功率單元的輸入連接端(IN)的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)以50％的脈沖比被基本同相地控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，連接到所述輸入連接端(IN)的所述可控 功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制頻率超過IkHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，連接到從所述變壓器接收電力的所述 功率單元的輸入連接端(IN)的所述可控功率半導(dǎo)體開關(guān)被控制為與連接到向所述變壓器 提供電力的所述功率單元的輸入連接端(IN)的所述可控功率半導(dǎo)體開關(guān)基本同相。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的方法，其特征在于，連接到與所述交流電網(wǎng)絡(luò)連接的功率單元的輸出連接端(OUT)的所述可控功率半導(dǎo) 體開關(guān)被控制為形成的電壓模式為多級，所述電壓模式模擬正弦波并且所述電壓模式具 有與所述交流電網(wǎng)絡(luò)相同的頻率，以及連接到與所述電氣設(shè)備連接的功率單元的輸出連接端(OUT)的所述可控功率半導(dǎo)體 開關(guān)被控制成形成的電壓模式為多級，所述電壓模式模擬正弦波并且所述電壓模式的基 波電壓的頻率和幅度是可調(diào)節(jié)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于，為了改善系統(tǒng)的容錯性，當(dāng)某一功率單元損壞時，該整個組的所有功率單元的輸出連 接端(OUT)被短路，而其他組可以繼續(xù)它們的工作。
6.一種用于在兩個電力網(wǎng)絡(luò)之間或者電力網(wǎng)絡(luò)與多相電氣設(shè)備(M/G)之間傳輸電力 的設(shè)備，所述電力網(wǎng)絡(luò)為多相交流電網(wǎng)絡(luò)或者所述電力網(wǎng)絡(luò)中的一個為單相直流電網(wǎng)絡(luò)， 所述設(shè)備包括低壓功率單元(C)，該低壓功率單元包括單相輸出連接端(OUT)， 其特征在于，所述功率單元還包括單相輸入連接端(IN)，所述功率單元被分成多個組(G1-Gn, Gpi-Gpni, Gsi-Gsn2，G/” _GN”’)，從而使得所述電力網(wǎng) 絡(luò)或電氣設(shè)備的每一相的至少一個功率單元屬于每個組，并且屬于同一組的所有功率單元的所述輸入連接端(IN)被連接到公共變壓器， 該變壓器包括與用于連接到該變壓器的功率單元的其他線圈電流隔離的其自身的單 獨線圈；并且連接到向同一變壓器供電的所有功率單元的輸入連接端(IN)的可控功率半導(dǎo)體開關(guān) 以50%的脈沖比被基本同相地控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，連接到所述輸入連接端(IN)的所述可控 功率半導(dǎo)體開關(guān)被設(shè)置成以超過IkHz的頻率被控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其特征在于，所述功率單元包括由二極管組成的單相整流橋電路連接到所述輸入連接端(IN)，與二極管并聯(lián)有例如 IGBT (AFE 11，AFE 12)的可控功率半導(dǎo)體，DC電壓的濾波電容Cdc;由二極管組成的單相整流橋電路被連接到所述輸出連接端(OUT)，與二極管并聯(lián)有例 如IGBT(INU)的可控功率半導(dǎo)體。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，連接到從所述變壓器接收電力的所述功率單元的輸入連接端(IN)的所述可控功率半 導(dǎo)體開關(guān)被控制為與連接到向變壓器提供電力的所述功率單元的輸入連接端(IN)的所述 可控功率半導(dǎo)體開關(guān)基本同相。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，僅有由非控制的功率半導(dǎo)體組成的整流橋被連接到從所述變壓器接收電力的功率單 元的輸入連接端(IN)。
11.根據(jù)權(quán)利要求6-10中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，連接到所述電氣設(shè)備或交流電網(wǎng)絡(luò)的功率單元被連接成星型連接，從而所述功率單元 的輸出連接端(OUT)被相位特定地串聯(lián)在電氣設(shè)備或交流電網(wǎng)絡(luò)或連接到該功率單元的 濾波器的相位連接端與連接所述相位的星點之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求6-10中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，連接到所述電氣設(shè)備或所述交流電網(wǎng)絡(luò)的功率單元被連接成三角型連接，從而所述功 率單元的輸出連接端(OUT)被相位特定地串聯(lián)在所述電氣設(shè)備或所述交流電網(wǎng)絡(luò)或連接 到該功率單元的濾波器的兩個相位連接端之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求6-10中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，連接到DC電路的功率單元通過所述輸出連接端(OUT)串聯(lián)或并聯(lián)。
14.根據(jù)權(quán)利要求6-13中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，分在組(G/’-Gn”)中的多個功率單元被串聯(lián)以使得所述功率單元的共同耐壓足夠用于 連接到中壓或高壓DC鏈路。
15.根據(jù)權(quán)利要求6-14中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，連接到與所述交流電網(wǎng)絡(luò)連接的功率單元的輸出連接端(OUT)的所述可控功率半導(dǎo) 體開關(guān)被控制為形成的電壓模式為多級，所述電壓模式模擬正弦波并且所述電壓模式具 有與所述交流電網(wǎng)絡(luò)相同的頻率，以及連接到與所述電氣設(shè)備連接的功率單元的輸出連接端(OUT)的所述可控功率半導(dǎo)體 開關(guān)被控制為形成的電壓模式為多級，所述電壓模式模擬正弦波并且所述電壓模式的基 波電壓的頻率和幅度是可調(diào)節(jié)的。
16.根據(jù)權(quán)利要求6-15中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，由功率單元設(shè)置的多個組(G1-Gn, Gpi-Gpni, Gsi-Gsn2，G/” -G/")被串聯(lián)以使得所述組形成的交流電壓為中壓等級。
17.根據(jù)權(quán)利要求6-16中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，借助于特定組變壓器的初級線圈和次級線圈的匝數(shù)的不同，該設(shè)備適于以具有不同幅 值的電力網(wǎng)絡(luò)或者電氣設(shè)備(M/G)的額定電壓等級工作。
18.根據(jù)權(quán)利要求6-16中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，借助于特定組變壓器的初級線圈和次級線圈的數(shù)量與連接到變壓器的功率單元的數(shù) 量的不同，該設(shè)備適于以具有不同幅值的電力網(wǎng)絡(luò)或者電氣設(shè)備(M/G)的額定電壓等級工 作。
19.根據(jù)權(quán)利要求6-18中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，為了改善系統(tǒng)的容錯性，當(dāng)某一功率單元損壞時，該整個組的所有功率單元的輸出連 接端(OUT)適于被短路，而其他組繼續(xù)它們的工作。
全文摘要
一種用于控制設(shè)備在兩個電力網(wǎng)絡(luò)之間或者電力網(wǎng)絡(luò)與多相電氣設(shè)備(M/G)之間傳輸電力的方法及所述設(shè)備，所述電力網(wǎng)絡(luò)為多相交流電網(wǎng)絡(luò)或者其中一個為單相直流電網(wǎng)絡(luò)，所述設(shè)備包括低壓功率單元(C)，該低壓功率單元包括單相輸出連接端(OUT)。所述功率單元還包括單相輸入連接端(IN)，所述功率單元被分成多個組(G1-GN，GP1-GPN1，GS1-GSN2，G1”’-GN”’)，從而使得所述電力網(wǎng)絡(luò)或電氣設(shè)備中的每相的至少一個功率單元屬于每個組，并且屬于同一組的所有功率單元的所述輸入連接端(IN)被連接到公共變壓器，該變壓器包括與用于連接到該變壓器的功率單元的其他線圈絕緣隔離的單獨的線圈。連接到向同一變壓器供電的所有功率單元的輸入連接端(IN)的可控功率半導(dǎo)體開關(guān)以50％的脈沖比被基本同相地控制。
文檔編號H02M7/217GK101938216SQ20101021621
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
發(fā)明者漢努·薩倫, 里斯托·科穆萊寧 申請人:瓦孔厄伊公司