無變壓器式電能變換系統(tǒng)以及相關(guān)方法
【專利摘要】本發(fā)明揭示一種至少電網(wǎng)側(cè)無變壓器式電能變換系統(tǒng)。該無變壓器式電能變換系統(tǒng)包括第一變換器裝置，第二變換器裝置和第一濾波裝置。第一濾波裝置電連接在電網(wǎng)和第一變換器裝置之間，第二變換器裝置與第一變換器裝置電連接。第一變換器裝置至少包括形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊。由于第一變換器裝置采用嵌套式中點導(dǎo)向的拓?fù)浼軜?gòu)，并且通過第一濾波裝置與電網(wǎng)連接，可以完全省去傳統(tǒng)使用的變壓器，這樣不僅可以降低成本，提高功率密度，也可以實現(xiàn)電能的雙向流動。
【專利說明】無變壓器式電能變換系統(tǒng)以及相關(guān)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電能變換系統(tǒng)，特別涉及一種無變壓器式電能變換系統(tǒng)以及相關(guān)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電能變換系統(tǒng)通常使用變換器(Converter)進(jìn)行能量變換，以將一種形式的能量變換成另一種形式的能量。特別地，多電平變換器，例如，三電平、五電平以及更高電平等級的變換器等，由于其較好的輸出波形品質(zhì)以及較高的耐壓能力，在很多工業(yè)領(lǐng)域取得逐漸廣泛的應(yīng)用。例如，多電平逆變器已經(jīng)被應(yīng)用在石化、造紙、礦山、冶金、電廠、水處理廠等領(lǐng)域，以給特定的負(fù)載，例如，交流電機(jī)等提供交流輸出電壓。
[0003]在傳統(tǒng)的中高壓電能變換系統(tǒng)中，其整流側(cè)通常使用多脈沖整流器來獲得直流電壓，并且，通過對與電網(wǎng)連接的變壓器的副邊進(jìn)行移相控制，可以消除特定的次諧波，以改善電流的質(zhì)量。然而，使用變壓器的缺點是其比較笨重，成本相對較高，損耗也比較大，另夕卜，由于多脈沖整流器一般采用不可控整流電路，因而其電能只能從電網(wǎng)流向負(fù)載，無法實現(xiàn)四象限運行。因此，有必要對現(xiàn)有的變換器裝置的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以解決上述提及的至少一種技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于上文提及的至少一種技術(shù)問題，本發(fā)明的一個方面在于提供一種至少電網(wǎng)側(cè)無變壓器式電能變換系統(tǒng)。該無變壓器式電能變換系統(tǒng)包括第一變換器裝置，第二變換器裝置和第一濾波裝置。該第一濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間，該第一變換器裝置用于將該電網(wǎng)提供的第一種交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能。該第二變換器裝置與該第一變換器裝置電連接，該第二變換器裝置用于將該直流電能轉(zhuǎn)換成第二種交流電能，并將該第二種交流電能提供給該負(fù)載。其中，該第一變換器裝置至少包括形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊。
[0005]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該第一濾波裝置為差模濾波器。
[0006]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該差模濾波器包括連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的網(wǎng)側(cè)濾波電感，該差模濾波器還包括至少一個由電容器形成的支路。
[0007]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該差模濾波器包括第一網(wǎng)側(cè)濾波電感，第二網(wǎng)側(cè)濾波電感和至少由一個電容器形成的支路，該第一網(wǎng)側(cè)濾波電感和該第二網(wǎng)側(cè)濾波電感串聯(lián)連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間。
[0008]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該差模濾波器包括至少一個由電感和電容串聯(lián)形成的陷波濾波支路。
[0009]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該差模濾波器為三相差模濾波器，該三相差模濾波器包括第一相第一電感，第二相第一電感，第三相第一電感，該第一相第一電感連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的第一相線路上，該第二相第一電感連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的第二相線路上，該第三相第一電感連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的第三相線路上；該三相差模濾波器還包括第一相支路，第二相支路和第三相支路，該第一相支路的一端和該第一相線路電連接，該第二相支路的一端和該第二相線路電連接，該第三相支路的一端和該第三相電路電連接，該第一相支路的另一端，該第二相支路的另一端和該第三相支路的另一端共同電連接，該第一相支路至少包括第一電容器，該第二相支路至少包括第二電容器，該第三相支路至少包括第三電容器。
[0010]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該第一相支路，該第二相支路和該第三相支路之間的共同連接點選擇性的接地連接。
[0011]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該三相差模濾波器還包括第一相第二電感，第二相第二電感和第三相第二電感，該第一相第二電感和該第一相第一電感串聯(lián)連接，該第二相第二電感和該第二相第一電感串聯(lián)連接，該第三相第二電感和該第三相第一電感串聯(lián)連接。
[0012]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該電能變換系統(tǒng)包括第二濾波裝置，該第二濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間，該第二濾波裝置為共模濾波器。
[0013]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該電能變換系統(tǒng)包括第二濾波裝置，該第二濾波裝置電連接在該第一變換器裝置和該第二變換器裝置之間，該第二濾波裝置為共模濾波器。
[0014]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該電能變換系統(tǒng)包括負(fù)載側(cè)濾波裝置，該負(fù)載側(cè)濾波裝置電連接在該第二變換器裝置和負(fù)載之間。
[0015]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該負(fù)載側(cè)濾波裝置為三相濾波裝置，該三相濾波裝置包括第一相濾波電感，第二相濾波電感，第三相濾波電感。該第一相濾波電感電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間的第一相線路上，該第二相濾波電感電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間的第二相線路上，該第三相濾波電感電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間的第三相線路上。
[0016]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該第一變換器模塊和該第二變換器模塊每一者包括多個開關(guān)單元，在進(jìn)行電能變換時，該多個開關(guān)單元中的至少二者通過互補方式進(jìn)行開關(guān)操作并且通過非互補方式進(jìn)行開關(guān)操作。
[0017]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該第一變換器模塊和該第二變換器模塊每一者包括多個開關(guān)單元，該多個開關(guān)單元中的至少一者或者為單一的開關(guān)器件，或者包括至少兩個串聯(lián)連接的開關(guān)器件。
[0018]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該第一變換器裝置至少包括串聯(lián)連接的第一飛跨電容器和第二飛跨電容器，在一個或者多個基波周期內(nèi)，該第一飛跨電容器和該第二飛跨電容器的電壓通過選擇性地利用該多個開關(guān)單元所存在的冗余開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行平衡。
[0019]在一些實施方式中，在提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)中，該第一變換器模塊和該第二變換器模塊每一者包括多個開關(guān)單元，在一個基波周期的至少一部分時間間隔，施加至該多個開關(guān)單元中的至少一者之開關(guān)驅(qū)動信號被封閉，以減少開關(guān)單元的開關(guān)次數(shù)。
[0020]本發(fā)明的另一個方面在于提供一種至少電網(wǎng)側(cè)無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其用于在電網(wǎng)和負(fù)載之間執(zhí)行電能變換操作。該無變壓器式電能變換系統(tǒng)包括第一變換器裝置，第二變換器裝置，差模濾波裝置和共模濾波裝置。該差模濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間。該共模濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間或者電連接在該第一變換器裝置和該第二變換器裝置之間。該第一變換器裝置用于將該電網(wǎng)提供的第一種交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能。該第二變換器裝置與該第一變換器裝置電連接，該第二變換器裝置用于將該直流電能轉(zhuǎn)換成第二種交流電能，并將該第二種交流電能提供給該負(fù)載。其中，該第一變換器裝置至少包括相互之間進(jìn)行級聯(lián)而形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊。
[0021]本發(fā)明的另一個方面在于提供一種使用變換器裝置在電網(wǎng)和三相交流負(fù)載之間執(zhí)行電能變換的方法。該變換器裝置包括交流-直流變換器和直流-交流變換器，該交流-直流變換器和直流-交流變換器中的至少一者包括相互之間進(jìn)行級聯(lián)而形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊，該變換器裝置通過網(wǎng)側(cè)濾波裝置與該電網(wǎng)進(jìn)行連接。該方法至少包括如下步驟:接收經(jīng)網(wǎng)側(cè)濾波裝置濾波后的第一種交流電壓，其中，該第一種交流電不經(jīng)過電網(wǎng)側(cè)變壓器裝置的處理；使用該交流-直流變換器將該接收的第一種交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓；使用該直流-交流變換器將該直流電壓轉(zhuǎn)換成第二種交流電壓；以及將該第二種交流電壓提供給該三相交流負(fù)載。
[0022]在一些實施方式中，在提供的電能變換的方法中，使用網(wǎng)側(cè)差模濾波裝置對該第一種交流電壓進(jìn)行濾波。
[0023]在一些實施方式中，在提供的電能變換的方法中，選擇性地將該網(wǎng)側(cè)差模濾波裝置接地。
[0024]在本發(fā)明提供的無變壓器式電能變換系統(tǒng)以及相關(guān)的電能變換方法中，由于電源側(cè)變換器裝置采用嵌套式中點導(dǎo)向的拓?fù)浼軜?gòu)，并且通過電源側(cè)濾波裝置與電源連接，可以完全省去傳統(tǒng)使用的變壓器，這樣不僅可以降低成本，提高功率密度，也可以實現(xiàn)電能的雙向流動。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]通過結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0026]圖1所示為本發(fā)明提出的系統(tǒng)的一種實施方式的模塊示意圖；
[0027]圖2所示為圖1所示的系統(tǒng)中變換器裝置的一種實施方式的詳細(xì)拓?fù)浼軜?gòu)示意圖；
[0028]圖3所示為圖2所示的變換器裝置具有模塊式級聯(lián)架構(gòu)的一相橋臂的一種實施方式示意圖；
[0029]圖4所示為提供給圖3所示的一相橋臂中的多個開關(guān)單元的一種實施方式的驅(qū)動信號波形示意圖以及輸出電壓和輸出電流的波形示意圖；
[0030]圖5所示為新拓?fù)浼軜?gòu)的變換器裝置的一種實施方式的輸出波形示意圖；
[0031]圖6所示為新拓?fù)浼軜?gòu)的變換器裝置中的第一種開關(guān)單元的一種實施方式的詳細(xì)電路不意圖；
[0032]圖7所示為新拓?fù)浼軜?gòu)的變換器裝置中的第一種開關(guān)單元的另一種實施方式的詳細(xì)電路示意圖；
[0033]圖8所示為新拓?fù)浼軜?gòu)的變換器裝置中的第二種開關(guān)單元的一種實施方式的詳細(xì)豐旲塊不意圖；
[0034]圖9所示為新拓?fù)浼軜?gòu)的變換器裝置中的第二種開關(guān)單元的另一種實施方式的詳細(xì)模塊示意圖；
[0035]圖10所示為新拓?fù)浼軜?gòu)的變換器裝置中的一相輸入/輸出臂的一種實施方式的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖11所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之電網(wǎng)側(cè)或者整流側(cè)的至少一部分電路的一種實施方式的不意圖；
[0037]圖12所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之電網(wǎng)側(cè)或者整流側(cè)的至少一部分電路的另一種實施方式的示意圖；
[0038]圖13所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之電網(wǎng)側(cè)或者整流側(cè)的至少一部分電路的另一種實施方式的示意圖；
[0039]圖14所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之電網(wǎng)側(cè)或者整流側(cè)的至少一部分電路的另一種實施方式的示意圖；
[0040]圖15所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之電網(wǎng)側(cè)或者整流側(cè)的至少一部分電路的另一種實施方式的示意圖；
[0041]圖16所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之電網(wǎng)側(cè)或者整流側(cè)的至少一部分電路的另一種實施方式的示意圖；
[0042]圖17所示為圖1所示的電能變換系統(tǒng)之負(fù)載側(cè)或者逆變側(cè)的至少一部分電路的一種實施方式的示意圖；以及
[0043]圖18所示為電能變換方法的一種實施方式的流程圖。
【具體實施方式】
[0044]以下將描述本發(fā)明的一個或者多個【具體實施方式】。首先要指出的是，在這些實施方式的具體描述過程中，為了進(jìn)行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的所有特征均作詳盡的描述。應(yīng)當(dāng)可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正如在任意一個工程項目或者設(shè)計項目的過程中，為了實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標(biāo)，或者為了滿足系統(tǒng)相關(guān)的或者商業(yè)相關(guān)的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實施方式到另一種實施方式之間發(fā)生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發(fā)過程中所作出的努力可能是復(fù)雜并且冗長的，然而對于與本發(fā)明公開的內(nèi)容相關(guān)的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本公開揭露的技術(shù)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一些設(shè)計，制造或者生產(chǎn)等變更只是常規(guī)的技術(shù)手段，不應(yīng)當(dāng)理解為本公開的內(nèi)容不充分。
[0045]除非另作定義，在本說明書和權(quán)利要求書中使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中使用的“第一”或者“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分?！耙粋€”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個?！盎蛘摺卑ㄋ信e的項目中的任意一者或者全部?！鞍ā被蛘摺鞍钡阮愃频脑~語意指出現(xiàn)在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“包含”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。此外，“電路”或者“電路系統(tǒng)”以及“控制器”等可以包括單一組件或者由多個主動元件或者被動元件直接或者間接相連的集合，例如一個或者多個集成電路芯片，以提供所對應(yīng)描述的功能。
[0046]首先，在下文將詳細(xì)描述的本發(fā)明的實施方式涉及變換器(Converter，或者也稱作變流器以及變頻器等，以下統(tǒng)稱作變換器)，該變換器一般用于執(zhí)行能量變換操作，以單向地或者雙向地將一種形式的能量(例如直流電或者交流電)轉(zhuǎn)換成另一種形式的能量(例如，直流電或者交流電)。特別地，在一些實施方式中，本發(fā)明的發(fā)明人集體一起經(jīng)潛心研究提出一種新的拓?fù)浼軜?gòu)的變換器，或者也可以稱為改進(jìn)的嵌套式(Nested)中點導(dǎo)向(Neutral Point Piloted，NPP)拓?fù)浼軜?gòu)的變換器，通過該新拓?fù)浼軜?gòu)或者改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的變換器，可以獲得更好的輸出波形，或者有效地減小輸出電壓紋波，從而可以減小濾波器的體積，以及提高變換器的功率等級等。
[0047]在此所謂的“嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)”是指通過多個飛跨電容器(flyingcapacitor)至少將兩個具有相同或者不相同多電平等級階數(shù)的變換器模塊以從內(nèi)到外或者從外到內(nèi)的方式(或者也可以看作從左到右或者從右到左，或者類似于剝洋蔥皮的方式)進(jìn)行級聯(lián)，以實現(xiàn)更高電平等級階數(shù)的輸出，例如，一種嵌套方式可以為將兩個同樣為三電平的變換器模塊進(jìn)行內(nèi)外級聯(lián)，以獲得具有五電平的變換器；或者另外一種嵌套方式也可以為將一個三電平的變換器模塊和另一個為五電平的變換器模塊進(jìn)行內(nèi)外級聯(lián)，以獲得具有七電平的變換器，當(dāng)然，該七電平的變換器也可以由三個同樣為三電平的變換器模塊依次級聯(lián)而成。此外，也可以根據(jù)需要將多個變換器模塊進(jìn)行嵌套式級聯(lián)，以擴(kuò)展到更高輸出電平等級的變換器。
[0048]應(yīng)當(dāng)可以為本領(lǐng)域具有一般知識和技能的技術(shù)人員所理解的是，該具有新拓?fù)浼軜?gòu)或者改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的變換器可以被具體實現(xiàn)成交流-直流變換器(rectifier，或者也稱作整流器或者整流裝置)，以將單相、三相或者多相的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。此外，該具有新拓?fù)浼軜?gòu)或者改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的變換器可以被具體實現(xiàn)成直流-交流變換器(inverter，或者也稱作逆變器或者逆變裝置)，以將直流電壓轉(zhuǎn)換成單相、三相或者多相的交流電壓，從而可以用來驅(qū)動特定的負(fù)載，例如三相交流電機(jī)等。
[0049]其次，在本發(fā)明提供的改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)變換器中，其進(jìn)行嵌套式級聯(lián)的變換器模塊一般包括多個開關(guān)單元，例如，其提供三電平輸出的變換器模塊可以包括在縱向橋臂設(shè)置的至少兩個開關(guān)單元和在橫向橋臂設(shè)置的至少兩個開關(guān)單元，在一些實施方式中，這些開關(guān)單元可以被控制成既進(jìn)行互補式開關(guān)操作(也即，一個開關(guān)單元開通而另一個開關(guān)單元關(guān)斷)也可以進(jìn)行非互補式開關(guān)操作(例如，兩個開關(guān)單元同時關(guān)斷)。
[0050]接著，在本發(fā)明提供的改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)變換器中，在一個或者多個基波周期內(nèi)，可以選擇性地利用開關(guān)單元所存在的冗余開關(guān)狀態(tài)來平衡飛跨電容器電壓。[0051]接著，在本發(fā)明提供的改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)變換器中，在一個基波周期的至少一部分時間間隔，在不改變開關(guān)狀態(tài)及不影響電壓電流輸出狀態(tài)的情況下，可以封閉施加至多個開關(guān)單元中的至少一者之開關(guān)驅(qū)動信號，以減少開關(guān)單元的開關(guān)次數(shù)。
[0052]接著，在本發(fā)明提供的改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)變換器中，其進(jìn)行嵌套式級聯(lián)的變換器模塊一般包括多個開關(guān)單元，該多個開關(guān)單元中的至少一者可以進(jìn)一步設(shè)置為多開關(guān)器件串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在一些特定的實施方式中，這些多開關(guān)器件可以采用低耐壓的開關(guān)器件，并且根據(jù)該變換器運作時相關(guān)的工作條件(例如直流母線電壓等)，以及低耐壓開關(guān)器件的耐壓值，可以選擇合適數(shù)量的開關(guān)器件進(jìn)行串聯(lián)連接。
[0053]再次，在本發(fā)明提供的改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)變換器可以被特別配置在電能變換系統(tǒng)的電源側(cè)或者整流側(cè)，并且該具有嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的整流側(cè)變換器可以通過輸入濾波器與電源(例如電網(wǎng))連接，從而可以完全將傳統(tǒng)的電能變換系統(tǒng)中使用的變壓器省去；并且在該整流側(cè)設(shè)置的改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的變換器既可以將電源提供的交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，也可以將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，以反饋給電網(wǎng)，從而可以實現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運行，以及電能的雙向流動。
[0054]圖1所示為本發(fā)明提供的系統(tǒng)100的一種實施方式的模塊示意圖?；径?，圖示的系統(tǒng)100可以為任何以變換器為主要部件的電能變換系統(tǒng)，并且該變換器可以實施本發(fā)明提出的新拓?fù)浼軜?gòu)或者改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)。特別地，在一些實施方式中，該系統(tǒng)100可以為基于多電平變換器的系統(tǒng)，并可以適用于中高功率和中高電壓等應(yīng)用場合。舉例而言，該系統(tǒng)100可以應(yīng)用到以下領(lǐng)域，包括但不限于:石化、造紙、礦山、冶金、發(fā)電廠、水處理廠等領(lǐng)域，以驅(qū)動特定的負(fù)載，例如泵，風(fēng)機(jī)，傳送裝置等。
[0055]如圖1所示，該系統(tǒng)100大致包括變換器裝置120和控制器140，該變換器裝置120和控制器140可以進(jìn)行通信連接。在一種實施方式中，該控制器140可以與變換器裝置120進(jìn)行電連接，以通過一個或者多個電連接線路，例如導(dǎo)電線，傳送控制信號106給變換器裝置120。在另外一種實施方式中，該控制器140也可以與變換器裝置120進(jìn)行光連接，以通過光通信線路，例如，一個或者多個光纖，傳送控制信號106給變換器裝置120。該控制器140可以包括任何合適的可編程電路或者裝置，包括數(shù)字信號處理器(DigitalSignal Processor, DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)、可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)以及專用集成電路(ApplicationSpecific Integrated Circuit,ASIC)等。該變換器裝置120響應(yīng)從該控制器140傳送而來的控制信號106，以在第一功率裝置110和第二功率裝置130之間執(zhí)行單向或者雙向的電能變換操作。
[0056]在一種實施方式中，該變換器裝置120包括第一變換器122，直流環(huán)節(jié)124和第二變換器126。在一種實施方式中，該第一變換器122可以為交流-直流變換器，其被配置成將該第一功率裝置110 (例如，電網(wǎng))提供的第一電能102 (例如，第一交流電壓)轉(zhuǎn)換成直流電能123 (例如，直流電壓)。在一種實施方式中，該直流環(huán)節(jié)124可以包括多個電容器，其對該第一變換器122提供的第一直流電壓123進(jìn)行濾波，以提供第二直流電壓125給該第二變換器126。在一種實施方式中，該第二變換器126為直流-交流變換器，其被配置成將該第二直流電壓125轉(zhuǎn)換成第二交流電壓104，并將該第二交流電壓104傳送到第二功率裝置130 (例如，交流電機(jī))。雖然未作圖示，但是該系統(tǒng)100也可能包括其他的部件或者裝置，例如，在第一功率裝置Iio和該變換器裝置120之間可以設(shè)置濾波裝置以及斷路器等，并且，在該變換器裝置120和該第二功率裝置130之間，也可以設(shè)置濾波裝置以及斷路
翌坐
[0057]在其他實施方式中，該系統(tǒng)100也可以應(yīng)用到發(fā)電領(lǐng)域，包括但不限于風(fēng)力發(fā)電裝置，光伏發(fā)電裝置，以及水力發(fā)電裝置等。該系統(tǒng)100內(nèi)的變換器裝置120也可以實施在此提及的新的拓?fù)浼軜?gòu)或者改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)。在一種實施方式中，該第一功率裝置10可以包括一個或者多個風(fēng)力發(fā)電裝置，該風(fēng)力發(fā)電裝置可以將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成變化頻率的電能。該第一變換器122可以為交流-直流變換器，該第二變換器126可以為直流-交流變換器，其可以將變化頻率的第一電能102轉(zhuǎn)換成固定頻率的第二電能104，例如，頻率為50Hz或者60Hz的交流電能。該固定頻率的第二交流電能104可以被提供給第二功率裝置130，例如，電網(wǎng)，以供電網(wǎng)進(jìn)行傳輸和配送。在一些實施方式中，該第二功率裝置130也可以包括負(fù)載，例如在機(jī)車或者泵等裝置中使用的電機(jī)，該電機(jī)在該第二電能104的作用下而工作。在一些實施方式中，當(dāng)該系統(tǒng)100為光伏發(fā)電裝置時，該第一變換器122也可以為直流-直流變換器，或者也可以將該第一變換器省去，而僅使用直流-交流變換器126，以將該第一功率裝置110，例如光伏面板所提供的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能104。
[0058]在其他實施方式中，該系統(tǒng)100也可以應(yīng)用到需要使用不間斷電源系統(tǒng)(UninterruptibIe/UninterruptedPower System, UPS)進(jìn)行供電的領(lǐng)域。在此情形下，該系統(tǒng)100內(nèi)的變換器裝置120也可以實施在此提及的新的拓?fù)浼軜?gòu)或者改進(jìn)的嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)。在一種實施方式中，該第一變換器122可以為交流-直流變換器,其可以被設(shè)置成將第一功率裝置110 (例如，電網(wǎng))提供的第一交流電能轉(zhuǎn)換或者整流成直流電能。該系統(tǒng)100還可以包括能量存儲裝置127，以接收該第一變換器122所轉(zhuǎn)換得到的直流電能。在一種實施方式中，該第二變換器126可以為直流-交流變換器，其可以被設(shè)置成將該第一變換器122轉(zhuǎn)換得到的直流電能或者將該能量存儲裝置127提供的直流電能轉(zhuǎn)換成第二交流電能，并將該第二交流電能提供給該第二功率裝置130 (例如，負(fù)載)。
[0059]圖2所不為變換器200的一種實施方式的詳細(xì)拓?fù)浼軜?gòu)不意圖。在一種實施方式中，該變換器200可以為圖1所示的第二變換器126，或者更具體地，為一種直流-交流變換器。在一種實施方式中，該變換器200包括第一端口 202和第二端口 204，該第一端口 202和第二端口 204用于接收直流電壓，例如，由如圖1所示的第一變換器122提供的直流電壓123。該第一端口 202與第一直流線路206電連接，該第二端口 204與第二直流線路208電連接，并且，在該第一端口 202和該第二端口 204之間電連接有直流環(huán)節(jié)210，該直流環(huán)節(jié)210用于對接收的直流電壓進(jìn)行濾波，以及維持恒定的電壓輸出給與之相連的開關(guān)器件。在一種實施方式中，該直流環(huán)節(jié)210包括第一電容器212和第二電容器214,并且該第一電容器212和第二電容器之間定義一個直流中點216。在其他實施方式中，該直流環(huán)節(jié)210也可以包括多于兩個的電容器，并且至少部分電容器也可以并聯(lián)連接。
[0060]請進(jìn)一步參閱圖2，該變換器200還包括第一相橋臂220，第二相橋臂250，第三相橋臂280。該第一相橋臂220，第二相橋臂250和第三相橋臂280電連接在第一直流線路206和第二直流線路208之間，以接收直流環(huán)節(jié)210提供的直流電壓，并從各自對應(yīng)的端口輸出電壓。在一種實施方式中，該第一相橋臂220通過第三端口 235提供第一相交流輸出電壓，該第二相橋臂250通過第四端口 265提供第二相交流輸出電壓，該第三相橋臂280通過第五端口 295提供第三相交流輸出電壓，并且該三相交流輸出電壓在相位上彼此相差120度。當(dāng)然，在該變換器200實施為交流-直流變換器時，該三個交流傳輸端口 235，265，295也可以輸入交流電壓，該第一端口 202和第二端口 204也可以輸出直流電壓。
[0061]請一并參閱圖2和圖3,在一種實施方式中，該第一相橋臂220包括至少兩個變換器模塊，并且該至少兩個變換器模塊具有基本相同的結(jié)構(gòu)，從而可以通過低輸出電平階數(shù)的模塊與模塊之間的級聯(lián)，靈活方便地組合得到具有高輸出電平階數(shù)的變換器橋臂。具體而言，該第一相橋臂220包括嵌套式級聯(lián)的第一變換器模塊222和第二變換器模塊224。在一種實施方式中，該第一變換器模塊222提供2n1+l個等級的輸出電平，該第二變換器模塊224提供2n2+l個等級的輸出電平,其中Ii1和n2均大于等于一，并且Ii1等于n2。在另外一種實施方式中，Ii1也可以不等于n2。在圖不的實施方式中，該第一變換器模塊222和第二變換器模塊224均提供五個等級的輸出電平，并且，每一者均包括六個端口，以進(jìn)行級聯(lián)，下文將這些用作模塊之間級聯(lián)的端口簡稱為“級聯(lián)端”。
[0062]更具體而言，該第一變換器模塊222包括第一縱向橋臂201，第二縱向橋臂203和橫向橋臂205。需要注意的是，在此所述的“縱向”和“橫向”主要與讀者在觀察附圖2和附圖3所看到的物理方向相對應(yīng)，其目的是方便描述本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)用來將本發(fā)明的保護(hù)范圍限制在該特定的物理方向，本發(fā)明實際的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求中限定的元件和元件之間的電路連接關(guān)系為準(zhǔn)。該第一縱向橋臂201包括第一開關(guān)單元228，該第一開關(guān)單元228的一端形成該第一縱向橋臂第一級聯(lián)端237，另一端形成該第一縱向橋臂的第二級聯(lián)端225。該第二縱向橋臂203包括第二開關(guān)單元232，該第二開關(guān)單元232與該第一開關(guān)單元228同向設(shè)置，該第二開關(guān)單元232的一端形成該第二縱向橋臂第一級聯(lián)端241，另一端形成該第一縱向橋臂的第二級聯(lián)端229。該橫向橋臂205包括串聯(lián)連接的第三開關(guān)單元234和第四開關(guān)單元236，并且該第三開關(guān)單元234和該第四開關(guān)單元236反向設(shè)置，該第三開關(guān)單元234的一端形成該橫向橋臂205的第一級聯(lián)端227，該第四開關(guān)單元236的一端形成該橫向橋臂205的第二級聯(lián)端239。并且，該第二級聯(lián)端239還與定義在第一電容器225和第二電容器227之間(該第一電容器225和第二電容器227也稱作飛跨電容)的電容中點相連接，以形成連接點223。此外，該第一電容器225的兩端還分別與兩個級聯(lián)端237和239相連接，該第二電容器227的兩端還分別與兩個級聯(lián)端241和239相連接。
[0063]類似地，該第二變換器模塊224也包括第一縱向橋臂207，第二縱向橋臂209和橫向橋臂271。該第一縱向橋臂207包括第五開關(guān)單元238，該第五開關(guān)單元238的一端形成該第一縱向橋臂第一級聯(lián)端237，另一端形成該第一縱向橋臂的第二級聯(lián)端211。該第二縱向橋臂209包括第六開關(guān)單元242，該第六開關(guān)單元242與該第五開關(guān)單元238同向設(shè)置，該第六開關(guān)單元242的一端形成該第二縱向橋臂第一級聯(lián)端221，另一端形成該第一縱向橋臂的第二級聯(lián)端215。該橫向橋臂271包括串聯(lián)連接的第七開關(guān)單元244和第八開關(guān)單元246，并且該第七開關(guān)單元244和該第八開關(guān)單元246反向設(shè)置，該第七開關(guān)單元244的一端形成該橫向橋臂271的第一級聯(lián)端219,該第八開關(guān)單兀236的一端形成該橫向橋臂271的第二級聯(lián)端213。并且，該第二級聯(lián)端216還與定義在直流環(huán)節(jié)210的第一電容器212和第二電容器214之間的直流母線中點相連接，以形成連接點216。此外，該第一電容器212的兩端還分別與兩個級聯(lián)端211和213相連接，該第二電容器214的兩端還分別與兩個級聯(lián)端213和215相連接。[0064]在圖示的實施方式中，通過將相對應(yīng)的級聯(lián)端235和237電連接在一起；將相對應(yīng)的級聯(lián)端219和239電連接在一起，以及將相對應(yīng)的級聯(lián)端241和221電連接在一起，即可以得到該變換器橋臂220的嵌套式級聯(lián)結(jié)構(gòu)?？梢岳斫獾氖牵谄渌麑嵤┓绞街?，可以將三個或者三個以上的六級聯(lián)端模塊進(jìn)行類似方式的級聯(lián)，可以擴(kuò)展得到更高輸出電平階數(shù)的變換器裝置。在圖示的實施方式中，由于該第一變換器模塊222被設(shè)置為最內(nèi)層，其三個級聯(lián)端225，227，229共同連接在一起，并且與交流傳輸端口 235相連接，以接收或者輸出交流電。此外，由于該第二變換器模塊224被設(shè)置為最外層，其第一縱向橋臂第二級聯(lián)端211通過第一直流線路206連接到直流環(huán)節(jié)210的第一直流傳輸端口 202，而其第二縱向橋臂第二級聯(lián)端215通過第二直流線路208連接到直流環(huán)節(jié)210的第二直流傳輸端口 204，以用于輸入或者輸出直流電。
[0065]請繼續(xù)參閱圖2，該第二相橋臂250具有與第一相橋臂220相類似的結(jié)構(gòu)。舉例而言，該第二相橋臂250也包括以嵌套式方式進(jìn)行級聯(lián)的第一變換器模塊252和第二變換器模塊254，并且二者均具有六個級聯(lián)端以進(jìn)行模塊之間的級聯(lián)連接。該第一變換器模塊252包括四個開關(guān)單元258，262，264，266，該第二變換器模塊254包括另外四個開關(guān)單元268，272，274，276。其中該四個開關(guān)單元258，262，264，266串聯(lián)連接形成縱向橋臂，該另外四個開關(guān)單元268，272，274，276串聯(lián)連接形成橫向橋臂。該縱向橋臂的兩端分別與第一直流線路206和第二直流線路208電連接。該橫向橋臂的一端與直流環(huán)節(jié)的中點216電連接，該橫向橋臂的另一端電連接于開關(guān)單元258，262之間的連接點263。該第二相橋臂250還包括兩個飛跨電容器255，257，該兩個飛跨電容器255，257串聯(lián)連接形成電容器臂，該兩個飛跨電容器255，257的一端共同連接形成連接點253，該連接點253電連接在兩個開關(guān)單元266和274之間，該第一飛跨電容器255的另一端電連接在兩個開關(guān)單元268和258之間，該第二飛跨電容器257的另一端電連接在兩個開關(guān)單元262和272之間。
[0066]請繼續(xù)參閱圖2，該第三相橋臂280也具有與第一相橋臂220相類似的結(jié)構(gòu)。舉例而言，該第三相橋臂280也包括以嵌套式方式進(jìn)行級聯(lián)的第一變換器模塊282和第二變換器模塊284，并且二者均具有六個級聯(lián)端以進(jìn)行模塊之間的級聯(lián)連接。該第一變換器模塊282包括四個開關(guān)單元288，292，294，296，該第二變換器模塊284包括另外四個開關(guān)單元298，302，304，306。其中該四個開關(guān)單元288，298，292，302串聯(lián)連接形成縱向橋臂，該另外四個開關(guān)單元294，296，304，306串聯(lián)連接形成橫向橋臂。該縱向橋臂的兩端分別與第一直流線路206和第二直流線路208電連接。該橫向橋臂的一端與直流環(huán)節(jié)的中點216電連接，該橫向橋臂的另一端電連接于開關(guān)單元288，292之間的連接點293。該第三相橋臂280還包括兩個飛跨電容285，287，該兩個飛跨電容285，287串聯(lián)連接形成電容器臂，該兩個飛跨電容器285，287的一端共同連接形成連接點283，該連接點283電連接在兩個開關(guān)單元296和304之間，該第一飛跨電容器285的另一端電連接在兩個開關(guān)單元298和288之間，該第二飛跨電容器287的另一端電連接在兩個開關(guān)單元292和302之間。
[0067]在一種實施方式中，該第一相橋臂220，該第二相橋臂250，該第三相橋臂280均提供五電平輸出電壓。在一種實施方式中，該第一相橋臂220中各個開關(guān)單兀的開關(guān)狀態(tài)可以如下表I所示:
[0068]表I變換器第一相橋臂輸出電壓與橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)關(guān)系
[0069][0070]
【權(quán)利要求】
1.一種至少電網(wǎng)側(cè)無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其用于在電網(wǎng)和負(fù)載之間執(zhí)行電能變換操作，其特征在于:該無變壓器式電能變換系統(tǒng)包括第一變換器裝置，第二變換器裝置和第一濾波裝置；該第一濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間，該第一變換器裝置用于將該電網(wǎng)提供的第一種交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，該第二變換器裝置與該第一變換器裝置電連接，該第二變換器裝置用于將該直流電能轉(zhuǎn)換成第二種交流電能，并將該第二種交流電能提供給該負(fù)載；其中，該第一變換器裝置至少包括形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該第一濾波裝置為差模濾波器。
3.如權(quán)利要求2所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該差模濾波器包括連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的網(wǎng)側(cè)濾波電感，該差模濾波器還包括至少一個由電容器形成的支路。
4.如權(quán)利要求2所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該差模濾波器包括第一網(wǎng)側(cè)濾波電感，第二網(wǎng)側(cè)濾波電感和至少由一個電容器形成的支路，該第一網(wǎng)側(cè)濾波電感和該第二網(wǎng)側(cè)濾波電感串聯(lián)連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的線路上。
5.如權(quán)利要求2所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該差模濾波器包括至少一個由電感和電容串聯(lián)形成的陷波濾波支路。
6.如權(quán)利要求2所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該差模濾波器為三相差模濾波器，該三相差模濾波器包括第一相第一電感，第二相第一電感，第三相第一電感；該第一相第一電感連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的第一相線路上，該第二相第一電感連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的第二相線路上，該第三相第一電感連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間的第三相線路上；該三相差模濾波器還包括第一相支路，第二相支路和第三相支路，該第一相支路的一端和該第一相線路電連接，該第二相支路的一端和該第二相線路電連接，該第三相支路的一端和該第三相電路電連接，該第一相支路的另一端，該第二相支路的另一端和該第三相支路的另一端共同電連接，該第一相支路至少包括第一電容器，該第二相支路至少包括第二電容器，該第三相支路至少包括第三電容器。
7.如權(quán)利要求6所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該第一相支路，該第二相支路和該第三相支路之間的共同連接點選擇性的接地連接。
8.如權(quán)利要求6所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該三相差模濾波器還包括第一相第二電感，第二相第二電感和第三相第二電感，該第一相第二電感和該第一相第一電感串聯(lián)連接，該第二相第二電感和該第二相第一電感串聯(lián)連接，該第三相第二電感和該第三相第一電感串聯(lián)連接。
9.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該電能變換系統(tǒng)包括第二濾波裝置，該第二濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間，該第二濾波裝置為共模濾波器。
10.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該電能變換系統(tǒng)包括第二濾波裝置，該第二濾波裝置電連接在該第一變換器裝置和該第二變換器裝置之間，該第二濾波裝置為共模濾波器。
11.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該電能變換系統(tǒng)包括負(fù)載側(cè)濾波裝置，該負(fù)載側(cè)濾波裝置電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間。
12.如權(quán)利要求11所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該負(fù)載側(cè)濾波裝置為三相濾波裝置，該三相濾波裝置包括第一相濾波電感，第二相濾波電感，第三相濾波電感，該第一相濾波電感電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間的第一相線路上，該第二相濾波電感電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間的第二相線路上，該第三相濾波電感電連接在該第二變換器裝置和該負(fù)載之間的第三相線路上。
13.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該第一變換器模塊和該第二變換器模塊每一者包括多個開關(guān)單元，在進(jìn)行電能變換時，該多個開關(guān)單元中的至少二者通過互補方式進(jìn)行開關(guān)操作并且通過非互補方式進(jìn)行開關(guān)操作。
14.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該第一變換器模塊和該第二變換器模塊每一者包括多個開關(guān)單元，該多個開關(guān)單元中的至少一者或者為單一的開關(guān)器件，或者包括至少兩個串聯(lián)連接的開關(guān)器件。
15.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該第一變換器裝置至少包括串聯(lián)連接的第一飛跨電容器和第二飛跨電容器，在一個或者多個基波周期內(nèi)，該第一飛跨電容器和該第二飛跨電容器的電壓通過選擇性地利用該多個開關(guān)單元所存在的冗余開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行平衡。
16.如權(quán)利要求1所述的無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其特征在于:該第一變換器模塊和該第二變換器模塊每一者包括多個開關(guān)單元，在一個基波周期的至少一部分時間間隔，施加至該多個 開關(guān)單元中的至少一者之開關(guān)驅(qū)動信號被封閉，以減少開關(guān)單元的開關(guān)次數(shù)。
17.—種至少電網(wǎng)側(cè)無變壓器式電能變換系統(tǒng)，其用于在電網(wǎng)和負(fù)載之間執(zhí)行電能變換操作，其特征在于:該無變壓器式電能變換系統(tǒng)包括第一變換器裝置，第二變換器裝置，差模濾波裝置和共模濾波裝置；該差模濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間；該共模濾波裝置電連接在該電網(wǎng)和該第一變換器裝置之間或者電連接在該第一變換器裝置和該第二變換器裝置之間；該第一變換器裝置用于將該電網(wǎng)提供的第一種交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，該第二變換器裝置與該第一變換器裝置電連接，該第二變換器裝置用于將該直流電能轉(zhuǎn)換成第二種交流電能，并將該第二種交流電能提供給該負(fù)載；其中，該第一變換器裝置至少包括相互之間進(jìn)行級聯(lián)而形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊。
18.一種使用變換器裝置在電網(wǎng)和交流負(fù)載之間執(zhí)行電能變換的方法，該變換器裝置包括交流-直流變換器和直流-交流變換器，該交流-直流變換器包括相互之間進(jìn)行級聯(lián)而形成嵌套式中點導(dǎo)向拓?fù)浼軜?gòu)的第一變換器模塊和第二變換器模塊，該變換器裝置通過網(wǎng)側(cè)濾波裝置與該電網(wǎng)進(jìn)行連接，該方法至少包括如下步驟: 接收經(jīng)該網(wǎng)側(cè)濾波裝置濾波后的第一種交流電壓，其中，該第一種交流電不經(jīng)過電網(wǎng)側(cè)變壓器裝置的處理； 使用該交流-直流變換器將該接收的第一種交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓； 使用該直流-交流變換器將該直流電壓轉(zhuǎn)換成第二種交流電壓；以及 將該第二種交流電壓提供給該交流負(fù)載。
19.如權(quán)利要求18所述的電能變換方法，其特征在于:該方法還包括如下步驟:使用網(wǎng)側(cè)差模濾波裝置對該第一種交流電壓進(jìn)行濾波。
20.如權(quán)利要求18所述的電能變換方法，其特征在于:該方法還包括如下步驟:選擇性地使得該網(wǎng)側(cè)差模濾波裝置接地。
【文檔編號】H02M5/458GK103973128SQ201310036511
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月30日
【發(fā)明者】理查德.張, 張帆, 劉艷, 薩米爾.索哈, 沈捷, 斯蒂芬.施勒德 申請人:通用電氣能源電能變換科技有限公司