[发明专利]调节交流电网中功率的静态转换方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用静态转换系统调节交流电网中的功率的方法。

背景技术

作为对诸如产生可再生能源的新应用的潜力，以及对诸如现有安装中电动车辆供给的传统应用的改进转换和兼容性的日益增加要求的响应，国际社会正致力于在中高功率静态转换至中压电平的创新方面增加资源。

所有这些活动中的共同因素可以总结为：通过强制切换来替换受控二极管类型的自然切换的更有限的特性，使得对脉冲宽度调制(PWM)的调节特性的应用成为可能，同时对现有PWM结构所引起的兼容性和效率问题提供彻底的解决办法。

特别地，现有技术的“二电平”强制切换是用简单的电路结构来表示的，在这种电路结构中，电量由划定调节范围的、处于二个值或二个电平的脉冲产生和调节。这些极值或电平之间的强制切换产生了一定量的耗散能量，这种耗散能量在PWM方法所需的高切换频率下，从能量角度来讲对总效率具有主导影响。

切换次数的减少以及因此造成的能量损失的减少是不能实现的，原因在于半导体或物理布局限制因素的动态极限，导致电磁干扰的辐射，这使得转换器变得不兼容，除非转换器设有复杂的部分耗散滤波器来确保电磁兼容性，但这会使转换器变得过于庞大。

切换性能与电磁兼容性之间的折中，是普遍采用工业电驱动的基础，也基于使用新的发电机或在特定基础上重新设计的传统机器的机会，能够抵抗切换的动态应力以便利用感应无功特性作为转换的功能部分。

在这个背景下，显然，电网中的发电应用不能等同于工业驱动应用。对于发电应用，有必要在发电应用到达转换的电路之前，通过提供对完整的PWM转换器的体积、重量、效率和成本有主要影响的滤波器(或无源偶极子滤波器)来减弱PWM切换的不连续性。

现有技术

目前，大多数国际研究似乎致力于证明新的并且更复杂的转换结构的功能，这些结构的共同点在于所谓的“多电平”方法，其能够提供在应用所需的极值之间的多种不同的瞬时电压电平。这种电平的多重性是通过多个基本子结构的串联而实现的，其中多个基本子结构能够切换作为值的总范围的一部分的振幅。这些基本子结构的多相成分也导致产生的向量分量的独特特性和冗余。

术语“多电平”概述了这些系统与现有的“二电平”之间的差异。

多电平分裂增加了分辨率并且使得可以降低遍及整个指定的调节范围的平均值调节所需的单个间断点的振幅。单个间断点的减少降低了切换损耗并且改善了兼容性；换言之，需要成本更低的(无源)滤波器与单个间断点的振幅相称。然而，这种多电平多重性是借助一连串的复式开关来实现的，由于同一电流分量的传导，这大大增加了半导体中的损耗。

然而，多电平结构也可能是不可或缺的，例如在中压应用的情况下，生产初级开关来抵抗全电压或是不方便的或是不可能的。从这种意义上讲，多电平结构的开发遵从必然性强加的进程，这用于证明可能被考虑为不可接受的复杂程度、成本、以及操作不稳定性。在这里将对与级联子结构相关的这些缺点中的一些进行描述：

-多个独立电源，其成本昂贵并且难以设计，原因在于每个子结构的高度间歇操作；

-“漂浮”子结构，需要变压器类型的电隔离电源；

-再生电源，形成对于体积庞大的一组电容器的替代物，并且能够储存和提供功率峰值从而能够设计用于适当的平均功率电平的电源。

综上所述，多电平转换要求在快速电容器组中存在多个变压器电源和/或能量存储室，这些器件的数量随着电平数量而增加。

鉴于每个子结构的要求和成本以及需要保护整个转换系统防止其发生故障或个别服务丢失，“电源”的重量解释了多电平转换的有限占用，这与降低输入滤波器和输出滤波器成本的期望相反。

然而，因传导而导致的功率损失的增加以更加直接的方式证明了多电平转换器的竞争力的问题，其中传导与必须传导相同的电流以提供多电平性能的串联或级联结构中的元件的数量有关。

发明内容

本发明的一个目的是，基于对作为交流电量特性的分量的性质的认识，提出静态转换的创新方法，为了支持这个目的，暗含具有“多电平”性能的转换结构被定义为具有单一类型，原因在于它们针对于转换的AC系统。

另一目的是提出静态转换方法，该方法要求非常简单的、经济的、以及高效的电路结构，原因在于数量较少的级联部件或结构相对于多电平调节的分辨度。