[发明专利]旁路级联单元变换器

说明书

技术领域

本发明涉及用于将能量从发电机变换到电网的变换器，其中发电机的相数至少为二，变换器包括多个功率模块，每个功率模块包含至少两个功率单元和用于将功率单元连接至电网的变压器，每个功率单元包含相输入、相输出、连接至变压器的变压器输出、整流器和逆变器。此外，本发明涉及操作这样的变换器的方法。

背景技术

特别是由于风电应用领域中快速的技术发展，当前非常需要先进的变换器应用。具体而言，需要这样的功率变换器：其能够以高效、可靠的方式将电能从具有可变频率和可变输出电压的发电机传输至具有准恒定频率和电压的中压电网。为了达到这些目标，可以使用被称作多电平变换器的具有多个功率电平的变换器。

US6,301,130描述了具有并联连接的有源输入(active input)的模块化多电平可调电源。该拓扑被设计用来将能量从电网传输至电机。

发明内容

本发明的一个目的是创建与开始提到的技术领域有关的变换器，其提供电压可调节性、相对地重量轻并且可靠性高、特别是在风电应用中导致变换器高可用性、提供简单维护性并且相对地成本低。

本发明的解决方案由权利要求1的特征所限定。根据本发明，在根据上述技术领域的变换器中，为了均衡流经功率模块(4.1、...、4.n)的功率单元(5)的能量，功率模块的变压器包括与该功率模块的功率单元的每个针对的一个发电机侧绕组和正好一个共用电网侧绕组。

通过为每个功率单元提供一个发电机侧绕组，但是为功率模块的全部功率单元提供仅一个共用电网侧绕组，通过功率模块的全部功率单元的能量传输经由该电网侧绕组进行均衡。由此，没有一个功率单元需要承受发电机在零与最大能量之间的整个能量变动。该能量变动甚至可以是零，从而实际上消除了对DC链路电容的需要。尽管在实际实施中DC链路电容通常没有完全消除，但是其可显著减小。这非常重要，这是因为这些DC链路电容电容量越低就变得越便宜、体积越小。因此，根据本发明的均衡导致了更便宜和更小的变换器。

发电机优选为中压发电机，这表示其输出电压通常在中压范围中。为了本发明的目的，术语中压应被理解为电功率输送和分配系统中的中压，其通常表示约1000伏特到约100000伏特范围中的电压。

变换器优选为具有固定额定频率和固定电压的频率变换器，在优选实施例中功率模块实质上相同。逆变器优选为具有具备IGBT的B6拓扑，并优选具有制动斩波器。

优选地，整流器为无源整流器，以便变换器适于只将能量从发电机传输至电力网，即，发电机被限定为2Q运行，其中能量不可从电力网传输至发电机。

如上所述，变换器包括串联连接至发电机的两个或更多功率模块。两个或更多串联连接的功率单元因此被提供用于每个发电机相。由此，发电机所输送的电压被分配给串联连接的功率单元，从而每个功率单元仅仅必须承受一部分发电机电压。每相的功率单元数量优选被选择为使得每个功率单元仅需承受约50伏特到1000伏特范围中的电压。根据电功率输送和分配系统中常用的术语，该电压范围被指定为本发明中的低压。

该配置具有这样的优点：可使用标准化的低压部件而非大多为定制并因而昂贵得多的中压部件。

一般而言，可以按任何适当的方式来配置变压器，这意味着绕组可例如缠绕在磁芯上以实现发电机侧绕组的共同磁通。功率模块的每个功率单元的每个或一些绕组通常可缠绕在变压器磁芯的不同部分。但是，为了增强对流经功率单元的能量的均衡，变压器优选为适于发电机侧绕组之间的高度磁耦合。

发电机侧绕组之间的高度磁耦合优选由于下述方式实现：即功率模块的每个功率单元的对应相绕组集体缠绕在变压器磁芯的公共部分。在例如三个发电机相以及每个功率单元三个发电机侧绕组的情况下，第一功率单元的第一相、第二功率单元的第一相和第三功率单元的第一相放置在一起并共同缠绕在变压器芯上。由此，功率模块的功率单元的对应相彼此紧邻并缠绕在磁芯的相同部分上。

从而可在绕制之前将功率单元的对应相绕组并排(堆叠)放置在一起。但是，当将绕组扭曲在一起时，可以达到更好的磁耦合结果，其中术语扭曲绕组(twisted winding)还应包括混合绕组。

典型地，每个变压器包括所有发电机侧绕组之间的发电机最大相电压的电绝缘和／或电网侧绕组与发电机侧绕组之间的电网最大相电压的电绝缘。在一优选实施例中，每个变压器适于发电机侧绕组间的高度磁耦合。这样的变压器设计具有(特别是在低发电机频率下)能够更好地均衡在变压器芯磁路中通过一个功率模块的功率单元的能量传输的优点。