[发明专利]采用H桥的多电平功率转换器或逆变器装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于发电机的多电平功率转换器拓扑结构和装置，优选地用于风力轮机应用中。

背景技术

已知有多种电压源转换器采用H桥拓扑结构。H桥被用于获得多电平波形。H桥由多个不同的开关元件来驱动。所述开关的打开和闭合状态决定了连接到其上的负载绕组的输出电压。然而，它们的使用仅限于DC/DC转换器系统应用或者单相AC应用中。

对于串联有源滤波器、动态电压恢复器和静态同步补偿器(statcom)相关的应用场合，已知的具有H桥拓扑结构和架构的三相应用采用AC侧绝缘变压器应用结构。

这些应用已经在多篇公开文献中有所描述。串联有源滤波器可在F.Z.Peng，H.Agaki，A.Nabase的公开文章“A new approach to harmonic compensation in powersystems-a combined system of shunt passive and series active filters”中找到，该文章发表于IEEE Trans.on Ind.Applications，第26卷，第6期，第983-990页，1990年11月/12月。

动态电压恢复器已在H.Kim，S.K.Sul的公开文章“Compensation voltagecontrol in dynamic restorers by use of feed forward and state feedback scheme”中有所描述，该文章发表于IEEE Trans.on power electronics，第20卷，第5期，第1169-1177页，2005年9月。

现有技术中的例子给出了电压型多电平转换器的拓扑结构，这种结构需要采用大量的元件，并且难以实现和控制。此外，所述装置还要求具有高直流电压值的共用DC链路之间的相互作用。

现有技术中采用的两电平拓扑结构表现出过度的谐波特性。其中的总谐波畸变(THD)达不到这种系统的最佳要求。本发明的一个目的是，提供一种用于发电机的功率转换器拓扑结构和装置，优选地用于风力轮机应用场合，其表现出最佳的谐波减小特性，并且它还具有简单的结构和拓扑构造。

本发明的另一个目的是，提供一种多电平转换器和逆变器拓扑结构，其可采用独立于所选择电平数目的控制算法、方法和硬件。因此，进一步的优点是，现有的控制系统可重新用于这种新的拓扑结构。

此外，本发明的另一个目的是，提供一种多电平装置，其需要较少数目的DC母线。理想状态下，设置为共用DC链路的单DC母线就足以满足要求。

发明内容

本发明设计一种具有变压器和功率转换器或逆变器的多电平(level)电压装置，该功率转换器或逆变器包括连接到电源的一个或多个共用DC链路，其中所述装置包括至少一组连接到所述共用DC链路的H桥。每个所述H桥包括至少一个第一节点和第二节点，以及至少一个变压器包括初级侧，该初级侧具有至少一个绕组，该绕组具有设计为开口端结构并且可从变压器的外部接触到的第一端和第二端。该装置进一步具有连接到所述H桥的第一节点的所述绕组的第一端，以及具有连接到所述第二输出节点的所述绕组的第二端。还设置一种控制装置，该控制装置适于控制这些H桥，以在所述H桥的第一节点和第二节点之间获得多电平电压信号。

术语功率转换器应当被广义地理解为包括功率逆变器。一般地，DC和AC系统之间的任何转换都应落在本术语的定义范围内，而不管相应的功率输入或功率输出具有何种频率或波形。

该功率装置还可包括适于在所述H桥的第一节点和第二节点之间实现三电平电压输出的控制装置。进一步的，系统的功率装置可被构建为单DC母线。进一步的，共用DC链路可具有适于连接到DC电源的输入端，该DC电源优选地被构建为一个或多个太阳能电池。

在所述第一组H桥的第一和第二节点与所述变压器绕组的第一和第二端之间，可以设置电感滤波器。所述滤波器减小瞬态、尖峰以及不希望的谐波特性或THD。

背靠背拓扑结构具有特有的优点。它们具有第二组H桥，该H桥具有可连接到绕组对应于发电机的第一和第二端的第一和第二节点，其中所述第二组H桥连接到所述共用DC链路，以与所述第一组H桥实现背靠背结构。

变压器一般具有次级侧，该次级侧优选地包括三角形或星形结构的绕组，它们可直接地连接到输电线或输电网。