用于多相ac或dc負載的可縮放電壓電流鏈路功率電子系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本公開的主題一般涉及功率電子系統(tǒng)，并且更具體地涉及可縮放電壓電流鏈路功率電子系統(tǒng)，適合在位于油氣海上平臺的高電壓兆瓦驅(qū)動器、基于電流鏈路的高壓DC(HVDC)抽頭、用于海底油氣的兆瓦驅(qū)動器、以及HVDC輸配電(HVTD)中使用。
[0002]對于示范性電流鏈路系統(tǒng)，源(三相60Hz電網(wǎng))和負載(例如，許多壓縮機驅(qū)動器，每個P > 10MW)之間的距離可大于100km。源側(cè)的三相電網(wǎng)電壓被有源(actively)整流，并且轉(zhuǎn)換成恒定電流源。負荷側(cè)的電流源逆變器(CSI)可用于在負載端子(terminal)上生成三相電壓。因此，通過基于類似于經(jīng)典HVDC的基于電流鏈路的DC輸電系統(tǒng)供給功率。電流源的值受兩個因素限制:1)傳輸線的額定電流容量以及2)傳輸線損失。用于多兆瓦輸配電系統(tǒng)的典型值為400A。
[0003]在圖1中示出使用用于上述電流饋電系統(tǒng)的本領(lǐng)域現(xiàn)狀(state-of-the-art)技術(shù)的三相壓縮機驅(qū)動器10的一個示例。使用三電平的DC-DC電流到電壓轉(zhuǎn)換器14將DC電流源12轉(zhuǎn)換成恒定DC電壓源。隨后與轉(zhuǎn)換器14背靠背連接的三電平DC/AC逆變器16在機器端生成所期望的幅值和頻率的三相電壓。
[0004]由于硅器件(例如，高達6.6kV的IGCT)的閉鎖電壓的限制，DC鏈路電壓限于5.4kV。為了向壓縮機供給12MW功率，驅(qū)動系統(tǒng)輸入端的反射DC電壓(假設(shè)400A電流源)被要求至少為30kV。因此，要求如圖1中示出的六個5.4kV驅(qū)動器模塊。它們的輸入端(電流源側(cè))串聯(lián)連接。模塊的輸出端借助低頻變壓器(transformer) 18串/并聯(lián)連接。要求變壓器將每個5.4kV模塊的輸出電壓相組合，并將機器的隔離電壓保持在低值。
[0005]在圖1中描繪的本領(lǐng)域現(xiàn)狀系統(tǒng)的缺點在于:5.5kV器件的開關(guān)頻率(通常為400-600Hz)由于熱管理要求而被限制。因此，它會導(dǎo)致如下:a)控制環(huán)路的低帶寬，b)選擇性諧波消除(SHM)的應(yīng)用；由于低PWM頻率，空間向量PWM是不可能的，以及c)差的輸入輸出波形。
[0006]另外，六個低頻變壓器18被要求提供隔離，并且將來自每個5.4kV驅(qū)動器模塊的輸出電壓相組合。由于變壓器18的存在，在生成非常低的頻率的三相輸出電壓中存在重大挑戰(zhàn)。常常被要求啟動三相PMAC的DC輸出生成是不可能的。
[0007]本領(lǐng)域現(xiàn)狀技術(shù)的可縮放性可能驅(qū)動具有更高的額定電壓的機器。但是，如果功率密度是例如對于海底油氣應(yīng)用的高級要求，則在上述低頻變壓器數(shù)量上增加的成本可能是不可行的。
[0008]因此，需要用于多相AC或DC負載的可縮放電壓電流饋電功率電子系統(tǒng)，其避免對于電流饋電功率電子系統(tǒng)的本領(lǐng)域現(xiàn)狀技術(shù)的缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本公開的一個方面針對包括多個基本相同的功率電子模塊的電子功率系統(tǒng)。每個功率電子模塊包括中/高頻隔離的DC/DC電流到電壓轉(zhuǎn)換器，其驅(qū)動單相DC/AC逆變器。每個DC/DC轉(zhuǎn)換器及其對應(yīng)的DC/AC逆變器背靠背連接，共享共同的DC鏈路。多個功率電子模塊在輸入側(cè)串聯(lián)或在輸出側(cè)并聯(lián)或串/并聯(lián)地堆疊在一起。
[0010]本公開的另一個方面針對包括多個基本相同的功率電子模塊的電子功率系統(tǒng)。每個功率電子模塊包括中/高頻變壓器隔離的電流到電壓轉(zhuǎn)換器，其驅(qū)動單相DC/AC逆變器。多個基本相同的功率電子模塊在輸入側(cè)串聯(lián)地并且在輸出側(cè)并聯(lián)或串/并聯(lián)地堆疊在一起，以提供可縮放的輸出電壓。
[0011]根據(jù)本公開的又一個方面，電子功率系統(tǒng)包括多個基本相同的功率電子模塊。每個功率電子模塊包括中/高頻隔離的軟開關(guān)基于諧振的DC/DC電流到電壓轉(zhuǎn)換器，其驅(qū)動DC/AC逆變器。每個DC/DC轉(zhuǎn)換器及其對應(yīng)的DC/AC逆變器背靠背連接，共享共同的DC鏈路。多個功率電子模塊在輸入側(cè)串聯(lián)地并且在輸出側(cè)并聯(lián)或串/并聯(lián)地堆疊在一起。
[0012]根據(jù)本公開的再多一個方面，電子功率系統(tǒng)包括多個基本相同的功率電子模塊。每個功率電子模塊包括中/高頻隔離的軟開關(guān)基于諧振的DC/DC電流到電壓折疊轉(zhuǎn)換器(folder converter)，其驅(qū)動 DC/AC 非折疊逆變器(un-folder inverter)。DC/DC 電流到電壓折疊轉(zhuǎn)換器將恒定DC電流轉(zhuǎn)換為雙脈沖或多脈沖DC電壓，所述雙脈沖或多脈沖DC電壓由DC/AC非折疊逆變器展開為正弦波ac電壓。每個DC/DC折疊轉(zhuǎn)換器及其對應(yīng)的DC/AC非折疊逆變器背靠背連接，共享共同的脈動DC鏈路。多個功率電子模塊在輸入側(cè)串聯(lián)地并且在輸出側(cè)并聯(lián)或串/并聯(lián)地堆疊在一起。
[0013]根據(jù)本公開的再多一個方面，電子功率系統(tǒng)包括多個基本相同的功率電子模塊。每個功率電子模塊包括多個中/高頻隔離的軟開關(guān)基于諧振的DC/DC電流到電壓折疊轉(zhuǎn)換器，其驅(qū)動DC/AC非折疊逆變器。以交錯(interleaved)方式控制的多個DC/DC電流到電壓折疊轉(zhuǎn)換器將恒定DC電流轉(zhuǎn)換為固定DC電壓(在dc鏈路中要求非常小的緩沖(snubber)電容器)，其驅(qū)動DC/AC逆變器。包括多個DC/DC轉(zhuǎn)換器和相應(yīng)的DC/AC逆變器的多個功率電子模塊背靠背連接，共享共同的DC鏈路(要求非常小的緩沖電容器)。多個功率電子模塊在輸入側(cè)串聯(lián)地并且在輸出側(cè)并聯(lián)或串/并聯(lián)地堆疊在一起。
[0014]提出的實施例的這些和其它特征、方面和優(yōu)點參照下面的描述和所附權(quán)利要求將變得更好理解。包含在本說明書中且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出本發(fā)明的實施例，并且與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
【附圖說明】
[0015]從與附圖相結(jié)合的以下詳細描述中明顯看出本發(fā)明的前述和其它特征、方面和優(yōu)點，在附圖中相同的符號表示附圖通篇中的相同部件，其中:
[0016]圖1示出使用本領(lǐng)域現(xiàn)狀技術(shù)的示范性多兆瓦驅(qū)動器；
[0017]圖2示出按照一個實施例的模塊化三相驅(qū)動器；
[0018]圖3示出按照一個實施例的模塊化6.6kV，12MV的驅(qū)動器；
[0019]圖4是示出按照一個實施例的功率電子模塊的簡化示意圖；
[0020]圖5示出按照一個實施例的具有諧振回路電路的模塊化功率電子模塊；
[0021]圖6示出按照另一個實施例的具有諧振回路電路的模塊化功率電子模塊；
[0022]圖7示出按照又一個實施例的具有諧振回路電路的模塊化功率電子模塊；
[0023]圖8示出按照一個實施例的I麗、3個單元堆疊功率電子系統(tǒng)，其中多個DC/DC轉(zhuǎn)換器交錯以形成具有非常小的緩沖電容器的DC電壓鏈路；
[0024]圖9示出按照一個實施例的配置成對多相AC/DC負載配電的多個模塊化功率電子豐吳塊；
[0025]圖10示出按照一個實施例的使用多個模塊化功率電子模塊的可縮放電壓功率電子系統(tǒng)；以及
[0026]圖11示出按照一個實施例的使用多個模塊化功率電子模塊的基于電流鏈路的HVDC功率輸配電系統(tǒng)；
[0027]圖12示出按照一個實施例的使用多個模塊化功率電子模塊的用于雙向功率流動的基于電流鏈路的HVDC功率輸配電系統(tǒng)；以及
[0028]圖13示出按照一個實施例的使用包含由DC/AC非折疊逆變器跟隨的DC/DC折疊轉(zhuǎn)換器的多個功率電子模塊的基于電流鏈路的驅(qū)動器系統(tǒng)。
[0029]雖然以上標(biāo)識的附圖陳述備選實施例，但是本發(fā)明的其它實施例也如討論中指出的被考慮。在所有情況中，本公開以表現(xiàn)并且非限制的方式提出本發(fā)明的所示實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠想出落入本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其它修改和實施例。
【具體實施方式】
[0030]參考圖2，示出使用本領(lǐng)域現(xiàn)狀技術(shù)的示范性多兆瓦模塊化三相驅(qū)動器系統(tǒng)2。相同的功率電子模塊22用于在機器端24生成AC電壓。但是，如本文所述，能夠使用多個模塊22生成η相DC或AC輸出。模塊22包括中/高頻隔離的DC/DC電流到電壓轉(zhuǎn)換器26和單相DC/AC轉(zhuǎn)換器28。DC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器26、28背靠背連接，共享相同的dc鏈路29。參考本文圖4-11提出DC/DC轉(zhuǎn)換器26和DC/AC轉(zhuǎn)換器28的更詳細描述。
[0031]變壓器領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，對于特定應(yīng)用，變壓器的較高激勵頻率將允許其大小和重量的減小。因此，預(yù)期每個模塊22具有高功率密度。繼續(xù)參考圖2，采用每輸出相位一個模塊22。但是，如本文所述，能夠采用每相位許多模塊，其適合于期望在機器端上多電平電壓的兆瓦驅(qū)動器。
[0032]圖3示出用于400A DC電流源的模塊化6.6kV，12MV驅(qū)動器系統(tǒng)30。驅(qū)動器系統(tǒng)30采用每相位四個模塊22。輸出相位電壓32具有9個電平。驅(qū)動器系統(tǒng)30的模塊化性質(zhì)允許每相位采用多個模塊，以有利地提供可縮放的輸出電壓。另外，模塊22可以(在輸入和輸出兩端)有利地交錯以生成高質(zhì)量輸入輸出波形。
[0033]圖4是示出按照一個實施例的功率電子模塊40的更詳細視圖的示意圖，所述功率電子模塊40適合于與驅(qū)動器系統(tǒng)20 —起使用。功率電子模塊40包括由單相dc/ac逆變器級44跟隨的dc/dc轉(zhuǎn)換器級42。為了討論通過將dc/ac逆變器級44描繪為電阻器負載&而簡化圖4中示出的模塊40。根據(jù)一個實施例，電流到電壓轉(zhuǎn)換由軟開關(guān)基于諧振的dc/dc轉(zhuǎn)換器42實現(xiàn)。圖4中示出的電流饋電并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器42能夠被視作是雙重的常規(guī)電壓饋電串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器。該諧振轉(zhuǎn)換器42提供相對于負載的相對平坦的功率(efficiency)曲線；并且利用開關(guān)頻率的適當(dāng)調(diào)諧，它能夠為橋式器件46提供軟開關(guān)。另外，更多控制靈活性能夠通過使用多個控制變量(脈沖寬度和頻率)來提供。
[0034]繼續(xù)參考圖4，采用可編程控制器48來控制而非限制:開關(guān)頻率、脈沖寬度和頻率調(diào)制，即定時和交錯。更具體地說，可編程控制器48可控制與橋式器件46關(guān)聯(lián)的開關(guān)頻率。由橋式器件46生成的脈沖寬度還可經(jīng)由可編程控制器48來控制。另外，如本文所述，多個模塊22、42能夠(在輸入和輸出兩端)有利地交錯，以生成高質(zhì)量輸入輸出波形。
[0035]使用脈沖寬度和頻率調(diào)制的組合來調(diào)節(jié)對于不同負載值的輸出電壓有助于減少兩個變量的變化范圍，從而避免在輕負載條件下非常窄的脈沖寬度的應(yīng)用，與使用固定頻率方法相比這能夠幫助在較寬負載范圍上維持軟開關(guān)操作。頻率變化的范圍同樣是窄的(1-1.5倍的諧振頻率)，其沒有使濾波器設(shè)計復(fù)雜化。
[0036]許多諧振拓撲變形(諸如但不限于圖5-7中示出的那些)還能夠根據(jù)本文描述的原理來使用，以提供不同動態(tài)特性和電壓/電流調(diào)諧能力。圖5示出按照一個實施例的具有諧振回路電路82的另一個模塊化功率電子模塊80。圖6示出按照另一個實施例的具有諧振回路電路92的模塊化功率電子模塊90。圖7示出按照又一個實施例的具有諧振回路電路102的模塊化功率電子模塊100。
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