專利名稱：用于高壓直流電壓連接的變流電路裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹了一種用于將來自多個(gè)源的第一三相交流電壓轉(zhuǎn)換
為高壓直流電壓(Hochvoltgleichspannung)以在高壓直流電壓連接 中傳輸、并用于進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為其它三相交流電壓的變流電路裝置。這 種高壓直流電壓連接例如用于風(fēng)能發(fā)電設(shè)備，其中發(fā)電機(jī)的輸出功率 以及輸出電壓都動(dòng)態(tài)變化。在將多個(gè)風(fēng)能發(fā)電設(shè)備排列為所謂的風(fēng)電 場時(shí)，按照現(xiàn)有技術(shù)，各個(gè)風(fēng)能發(fā)電設(shè)備通過高壓直流電壓連接與一 個(gè)公共逆變器(Wechselrichter )連接，其中逆變器用于向電網(wǎng)饋送 電流。
背景技術(shù)：
按照現(xiàn)有技術(shù)，在此為了產(chǎn)生電流，優(yōu)選采用中壓級(jí)的發(fā)電機(jī)。 該發(fā)電機(jī)的輸出的三相都與變壓器連接，該變壓器將中壓轉(zhuǎn)換為數(shù)量 級(jí)為100000伏特的高壓。所產(chǎn)生的交流電壓隨后通過高壓二極管整
流器被整流，并被饋入高壓直流電壓連接。
在高壓直流電壓連接的接頭處，借助逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為合
適的交流電壓并饋入電網(wǎng)。這種高壓直流電壓連接作為ABB的 "HVDC"或"HVDC光"技術(shù)乂>知。
該現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)具體來說是輸入濾波器的費(fèi)用太大。在此公知 逆變器被實(shí)施為多個(gè)雙極晶體管以特定構(gòu)造和連接技術(shù)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。 所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于，在這種逆變器的實(shí)施方式中，所有晶體管 同時(shí)接通，并且在此，每個(gè)時(shí)間單位都會(huì)在導(dǎo)線中出現(xiàn)很高的電壓變 化。為了控制這種電壓變化，需要相應(yīng)大尺寸的濾波器以及特別復(fù)雜 和昂貴的中間電路電容器。在此，例如高壓電容器形式的電路技術(shù)花 費(fèi)以及所有晶體管同時(shí)接通都是缺點(diǎn)。 DE 101 14075 B4公開了一種變流器電路，其包括用于將交流電 發(fā)電機(jī)中所產(chǎn)生的交變電流轉(zhuǎn)換為直流的整流電路裝置、從整流電路 裝置到級(jí)聯(lián)的逆變器的直流連接、連接在后的用于對高壓電網(wǎng)饋電的 中壓變壓器，以及上級(jí)的控制裝置。逆變器包括多個(gè)逆變器單元的級(jí) 聯(lián)、串聯(lián)的排列，它們的輸入端串聯(lián)，其中每個(gè)逆變器單元可以由上 級(jí)控制裝置主動(dòng)接通，或者通過橋接其輸入端而被動(dòng)地接通。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種變流器電路裝置，用于將 第一交流電壓轉(zhuǎn)換為高壓直流電壓，并在相應(yīng)的傳輸之后轉(zhuǎn)換為第二 交流電壓，其中變流器電路裝置相對于單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的故障應(yīng)該是 容錯(cuò)的，同樣相對于現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)當(dāng)明顯減少每個(gè)時(shí)間單位的電壓變 化，此外還可以實(shí)現(xiàn)具有標(biāo)準(zhǔn)功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)問題通過具有權(quán)利要求1的特征的變流器電路裝置來解 決。優(yōu)選擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中提出。
本發(fā)明的變流器電路裝置用于將至少一個(gè)第一多相交流電壓轉(zhuǎn) 換為高壓直流電壓。該多相交流電壓在分散能量供應(yīng)的范疇內(nèi)或在風(fēng) 電場中例如可以通過多個(gè)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。變流器電路裝置還用于將該高 壓直流電壓轉(zhuǎn)換為第二多相交流電壓以饋入電網(wǎng)，例如中壓電網(wǎng)。
本發(fā)明的變流器電路裝置包括變流器單元的第一和第二級(jí)聯(lián)，其 中笫一級(jí)聯(lián)由第一變流器單元的串行排列形成，第二級(jí)聯(lián)由第二變流 器單元的串行排列形成。
每個(gè)第二變流器單元都具有變壓器側(cè)的第一端子以及直流電壓 側(cè)的第二端子。第一端子用于將變壓器的相應(yīng)繞組與三相橋電路的相 應(yīng)中點(diǎn)連接。三相橋電路在其一側(cè)與中間電路連接，該中間電路在至 少一個(gè)支路中具有第二電流閥(Stromventil)以及與三相橋電路并聯(lián) 的第一電流閥。該電流閥與變流器單元的第一端子連接。
第一變流器單元被構(gòu)成為與第二變流器單元相同，或者其具有三 相整流電路，其中三相整流電路的各中點(diǎn)與變壓器的相應(yīng)繞組連接。
直流電壓側(cè)的第二端子同樣電路正確地與三相整流電路連接。
所述級(jí)聯(lián)被構(gòu)造為相鄰變流器單元的第二端子的串行連接。
下面借助圖1和圖2示例性解釋本發(fā)明的思想。
圖1示出按照本發(fā)明的變流器電路裝置的第一實(shí)施方式。
圖2示出按照本發(fā)明的變流器電路裝置的第二實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式
圖1示出本發(fā)明變流器電路裝置1的第一示例實(shí)施方式。在此示 出完全對稱的結(jié)構(gòu)，其中未示出的變壓器的結(jié)構(gòu)在此不予考慮。
每個(gè)變流器單元20、 30包括三相橋電路22、 32，其中三相橋電 路在其一側(cè)被構(gòu)造為分別在每個(gè)相位具有上功率開關(guān)220、 320和下 功率開關(guān)230、 330。每個(gè)功率開關(guān)220、 230、 320、 330在其一側(cè)由 多個(gè)雙極晶體管224、 234、 324、 334的并聯(lián)電路組成，其中僅分別 顯示一個(gè)。這些晶體管224、 234、 324、 334與多個(gè)自振蕩二極管222、 232、 322、 332反向并聯(lián)，還是僅分別示出一個(gè)。晶體管和二極管在 此例如是電壓級(jí)別為1700V的半導(dǎo)體元件，如其在標(biāo)準(zhǔn)功率半導(dǎo)體模 塊中通用地使用的那樣。三相橋電路22、 32的直流電壓側(cè)與具有至 少一個(gè)電容器240、 340的中間電路24、 34連接。三相橋電路22、 32 的交流電壓側(cè)分別在中間與變壓器的相應(yīng)繞組連接。
第一電流閥26、 36與三相橋電路22、 32并且與電容器240、 340 并聯(lián)。該第一電流閥在變流器電路裝置1的這種實(shí)施方式中被構(gòu)造為 至少一個(gè)雙極晶體管260與至少一個(gè)二極管262的反向并聯(lián)電路。該 電流閥26、 36用于橋接相應(yīng)變流器單元20、 30。由此， 一方面可以 以冗余數(shù)量的變流器單元20、 30來構(gòu)成級(jí)聯(lián)2、 3，同樣，還可以橋 接有故障的變流器單元，并因此即使在個(gè)別故障時(shí)也能使整個(gè)變流器 電路裝置l保持工作。
中間電路24、 34還在一個(gè)支路中具有第二電流閥28、 38，該第
二電流閥同樣被構(gòu)造為至少一個(gè)雙極晶體管280、 380與至少一個(gè)二 極管282、 382的反向并聯(lián)電路。
在變流器電路裝置1的所示實(shí)施方式中，級(jí)聯(lián)2、 3分別由6個(gè) 變流器單元20、 30構(gòu)成，其中僅示意性示出。高壓直流傳輸裝置例 如以100kV的電壓工作，為此根據(jù)所采用的半導(dǎo)體元件的電壓級(jí)別， 串聯(lián)連接的變流器單元20、 30的數(shù)量在100的數(shù)量級(jí)內(nèi)。
在變流器電路裝置1的這種實(shí)施方式中，出于絕緣原因，優(yōu)選地 將每個(gè)級(jí)聯(lián)2、 3在其中點(diǎn)與地電勢12、 14連接。由此，電壓例如為 100kV的高壓直流傳輸裝置10優(yōu)選在其中點(diǎn)與地電勢連接，由此各 個(gè)導(dǎo)線相對于地的電勢的絕對值分別只有50kV，并因此簡化了它們 的絕緣。
變流器電路裝置1的該實(shí)施方式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，與現(xiàn)有技術(shù) 相比，通過交錯(cuò)地(versetzt)對各個(gè)變流器單元20、 30提供時(shí)鐘 (Taktung)，每個(gè)時(shí)間單位的電壓變化明顯減小。由此還導(dǎo)致，其 他需要的輸入濾波器明顯更小花費(fèi)地被構(gòu)造。
同樣有利的是，在本發(fā)明的變流器電路裝置l的實(shí)施方式中，與 現(xiàn)有技術(shù)相比，通過交錯(cuò)地向各個(gè)變流器單元20、 30提供時(shí)鐘，電 網(wǎng)電流波動(dòng)減小了對應(yīng)于變流器單元20、 30個(gè)數(shù)的系數(shù)。當(dāng)時(shí)鐘頻 率例如為lkHz并錯(cuò)開0.1ms時(shí)，電網(wǎng)電流波動(dòng)等于10kHz的虛擬開 關(guān)頻率。
在變流器電路裝置1的這種對稱結(jié)構(gòu)中，能量可以在兩個(gè)方向 上、即從第一級(jí)聯(lián)2向第二級(jí)聯(lián)3以及從第二級(jí)聯(lián)3向第一級(jí)聯(lián)2傳 輸。在從第一級(jí)聯(lián)2向第二級(jí)聯(lián)3傳輸時(shí)，第一電流閥26的所有晶 體管260都不導(dǎo)通，因此只有經(jīng)過二極管262的電流路徑是導(dǎo)通的。 應(yīng)當(dāng)連接的那些變流器單元的第二電流閥28的各晶體管280在該情 況下是導(dǎo)通的。通過變流器單元20的這種連接，提高了所產(chǎn)生的第 一級(jí)聯(lián)2的直流電壓，以及在斷開時(shí)減小了所產(chǎn)生的第一級(jí)聯(lián)2的直 流電壓。
第二級(jí)聯(lián)3的第二電流閥38的晶體管380在此都不導(dǎo)通，由此
只有經(jīng)過二極管282的電流路徑才是導(dǎo)通的。根據(jù)所傳輸?shù)闹绷麟妷海?第一電流閥36的晶體管360導(dǎo)通。通過這些晶體管360的周期性導(dǎo) 通，可以對所有變流器單元30相同程度地施加負(fù)載。同樣，原則上 可以斷開各個(gè)有故障的單元。為此，還可以采用附加的未示出的機(jī)械 開關(guān)。
此外，斷開的能工作的單元可以為連接的交流電網(wǎng)提供必要的無 功功率，其中該無功功率可以具有任意電容或電感分量。
本發(fā)明的變流器電路裝置1由于其包括變流器單元20、 30與標(biāo) 準(zhǔn)部件的級(jí)聯(lián)2、 3的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)而具有以下優(yōu)點(diǎn)即也可以經(jīng)濟(jì)地為 例如從1MW開始的小功率進(jìn)行高壓直流傳輸。因此，可縮放的結(jié)構(gòu) 具有優(yōu)點(diǎn)，即與功率近似線性地變化成本和費(fèi)用。由此，例如還可以 在異步獨(dú)立網(wǎng)路之間經(jīng)濟(jì)地采用高壓直流傳輸。
圖2示出本發(fā)明變流器電路裝置的第二示例性實(shí)施方式。在此示 出非對稱結(jié)構(gòu)，包括被構(gòu)造為整流器的第一變流器單元和其基本構(gòu)造 對應(yīng)于按照圖1的變流器單元的構(gòu)造的第二變流器單元。
每個(gè)第一變流器單元20由三相整流電路21組成，三相整流電路 在每一相分別具有上電流閥210和下電流閥212，其中每個(gè)電流閥 210、 212被構(gòu)造為二極管，或優(yōu)選被構(gòu)造為電壓級(jí)別例如為1700V 的多個(gè)并聯(lián)連接的二極管，由此級(jí)聯(lián)2作為部件可以用于標(biāo)準(zhǔn)功率半 導(dǎo)體模塊。
三相整流電路21的直流電壓側(cè)形成直流電壓側(cè)的第二端子，而 交流電壓側(cè)分別在中間與變壓器40的相應(yīng)繞組42連接。
在此，特別有利的是，兩個(gè)相鄰第一變流器單元20的變壓器側(cè) 第一端子與變壓器40的相應(yīng)繞組42連接。
第二變流器單元30在兩個(gè)不同實(shí)施方式中被構(gòu)造。在每個(gè)實(shí)施 方式中，第二變流器單元30由三相橋電路32構(gòu)成，三相橋電路在其 一側(cè)被構(gòu)造為每一相分別具有上功率開關(guān)320和下功率開關(guān)330。每 個(gè)功率開關(guān)320、 330在其一側(cè)由多個(gè)雙極晶體管324、 334的并聯(lián)電 路組成，其中僅分別顯示了一個(gè)。這些晶體管與多個(gè)自振蕩二極管322、 332反向并聯(lián)，還是僅分別示出一個(gè)。晶體管和二極管在此例如 是電壓級(jí)別為1700V的半導(dǎo)體元件，如其在標(biāo)準(zhǔn)功率半導(dǎo)體模塊中通 常使用的那樣。三相橋電路32的直流電壓側(cè)與具有至少一個(gè)電容器 340的中間電路34連接。三相橋電路32的交流電壓側(cè)分別在中間與 未示出的變壓器的相應(yīng)繞組連接。
第一電流閥36與三相橋電路32并與電容器340并聯(lián)。第一電流 閥在第二變流器單元30的第一實(shí)施方式中被構(gòu)造為至少一個(gè)雙極晶 體管360與至少一個(gè)二極管362的反向并聯(lián)電路。該電流閥36用于 橋接相應(yīng)變流器單元30。由此， 一方面可以用冗余數(shù)量的變流器單元 30構(gòu)成級(jí)聯(lián)3。同樣，還可以橋接有故障的變流器單元，并因此即使 在個(gè)別故障時(shí)也能使整個(gè)變流器電路裝置1保持工作。
中間電路34還在一個(gè)支路中具有第二電流閥38，第二電流閥同 樣被構(gòu)造為至少一個(gè)雙極晶體管380與至少一個(gè)二極管382的反向并 聯(lián)電路。
在第二變流器單元30的第二實(shí)施方式中，第二電流閥38被構(gòu)造 為至少一個(gè)二極管384。如果是多個(gè)二極管，則這些二極管當(dāng)然是相 互并聯(lián)。第一電流閥36被構(gòu)造為半導(dǎo)體閘流管364。
在變流器電路裝置1的所示實(shí)施方式中，級(jí)聯(lián)2、 3還分別由6 個(gè)變流器單元20、 30構(gòu)成，其中這些變流器單元同樣是示例性的并 僅用作概覽，準(zhǔn)確的個(gè)數(shù)由高壓直流傳輸裝置10的電壓、所采用的 功率半導(dǎo)體元件的電壓級(jí)別以及變流器單元20、 30的期望冗余來確定。
在變流器電路裝置l的所示實(shí)施方式中，出于絕緣原因，優(yōu)選將 每個(gè)級(jí)聯(lián)在其中點(diǎn)與地電勢12、 14連接。
在變流器電路裝置1的非對稱結(jié)構(gòu)中，能量只能從第一級(jí)聯(lián)2 傳向第二級(jí)聯(lián)3。
例如，在兩個(gè)第一變流器單元20上示出了與相應(yīng)變壓器40的端 子。尤其有利的是，兩個(gè)相鄰變壓器單元20的變壓器側(cè)的第一端子 分別與變壓器40的相應(yīng)繞組42連接。
權(quán)利要求
1.一種用于將至少一個(gè)第一多相交流電壓轉(zhuǎn)換為高壓直流電壓、并將所述高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為第二多相交流電壓的變流器電路裝置(1)，包括變流器單元(20，30)的第一級(jí)聯(lián)(2)和第二級(jí)聯(lián)(3)，其中每個(gè)變流器單元分別具有變壓器側(cè)的第一端子和直流電壓側(cè)的第二端子，其中第一級(jí)聯(lián)(2)由第一變流器單元(20)的串聯(lián)排列構(gòu)成，第二級(jí)聯(lián)(3)由第二變流器(30)的串聯(lián)排列構(gòu)成，其中第二變流器單元(30)被構(gòu)造為具有通過第一端子與變壓器(40)連接的三相橋電路(32)、具有中間電路(34)，其中在中間電路(34)的至少一個(gè)支路中設(shè)置第二電流閥(38)，并且與三相橋電路(32)并聯(lián)地設(shè)置第一電流閥(36)，其中第一變流器單元(20)被構(gòu)造為與第二變流器單元(30)相同，或被構(gòu)造為三相整流電路(21)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中級(jí)聯(lián)(2， 3) 中變流器單元(20， 30)的每個(gè)第一電流閥(26， 36)被構(gòu)造為至少 一個(gè)雙極晶體管(260， 360)與至少一個(gè)二極管(262， 362)的反向 并聯(lián)電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中至少一個(gè)第一 電流閥(26， 36)被構(gòu)造為半導(dǎo)體閘流管(264， 364)或被構(gòu)造為機(jī) 械開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中變流器單元(20， 30)的第二電流閥(28， 38)被構(gòu)造為至少一個(gè)雙極晶體管(280， 380)與至少一個(gè)二極管(282， 382)的反向并聯(lián)電路，或只被構(gòu)造 為至少一個(gè)二極管(282， 382)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中所述中間電路 (24 )具有至少一個(gè)電容器(240 )。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中兩個(gè)相鄰的第 一變流器單元(20)和/或第二變流器單元(30)的變壓器側(cè)的第一端 子分別與變壓器(40)的相應(yīng)繞組(42)連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中第一變流器單 元(20)和/或第二變流器單元(30)的變壓器側(cè)的所有第一端子分別 與變壓器的相應(yīng)繞組連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變流器電路裝置，其中至少一個(gè)級(jí)聯(lián) (2， 3)在其中點(diǎn)與地電勢(12， 14)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將至少一個(gè)第一多相交流電壓轉(zhuǎn)換為高壓直流電壓并將高壓直流電壓轉(zhuǎn)換為第二多相交流電壓的變流器電路裝置。該變流器電路包括變流器單元的第一和第二級(jí)聯(lián)，每個(gè)變流器單元分別具有變壓器側(cè)的第一端子以及直流電壓側(cè)的第二端子。第一級(jí)聯(lián)由第一變流器單元的串聯(lián)排列形成，第二級(jí)聯(lián)由第二變流器的串聯(lián)排列形成。第二變流器單元被構(gòu)造為具有通過第一端子與變壓器連接的三相橋電路、具有中間電路，其中中間電路在至少一個(gè)支路中設(shè)置第二電流閥并且與三相橋電路并聯(lián)地設(shè)置第一電流閥。第一變流器單元被構(gòu)造為與第二變流器單元相同，或者被構(gòu)造為三相整流器電路。
文檔編號(hào)H02M5/458GK101102085SQ20071012798
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月8日
發(fā)明者德簡·施賴伯 申請人:塞米克朗電子有限及兩合公司