功率變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率變換器，并且更具體地涉及可以用來將電源與直流網(wǎng)絡(luò)相接的功率變換器，諸如升壓或增壓變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]已知使用逆變器-變壓器-整流器升壓變換器裝置與諸如可再生能量發(fā)電機的發(fā)電機相接，所述發(fā)電機向HVDC采集網(wǎng)絡(luò)提供可變的高壓直流(HVDC)輸出電壓。但由于在全發(fā)電機MVA下，每一級都是額定的，所以此裝置具有很大的成本、物理尺寸、質(zhì)量和功率損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種改進的功率變換器(例如升壓或增壓變換器)，其中，只有相對小部分的電源的額定輸出功率通過功率變換器的升壓部分。
[0004]本發(fā)明提供一種功率變換器裝置，包括:
[0005]a.直流鏈路，所述直流鏈路能夠電連接于電源和直流網(wǎng)絡(luò)之間，所述電源在使用時提供輸出電壓；以及
[0006]b.功率變換器(例如升壓或增壓變換器)，所述功率變換器包括:
[0007]1.逆變器，所述逆變器具有:
[0008]1.直流端子，所述直流端子電連接于所述直流鏈路兩端與所述電源并聯(lián)，以及
[0009]2.交流端子；
[0010]i1.變壓器，所述變壓器具有:
[0011]1.初級繞組，所述初級繞組通過初級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)電連接到所述逆變器的所述交流端子，以及
[0012]2.次級繞組；以及
[0013]ii1.整流器，所述整流器具有:
[0014]1.交流端子，所述交流端子通過次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)電連接到所述變壓器的次級繞組，
[0015]2.第一直流端子，所述第一直流端子電連接到所述直流鏈路，以及
[0016]3.第二直流端子，所述第二直流端子能夠電連接到所述直流網(wǎng)絡(luò)，使得所述整流器的所述直流端電壓與所述電源的輸出電壓(其等效于變換器輸入電壓)相加，以提供變換器輸出電壓。
[0017]在一種裝置中，在直流網(wǎng)絡(luò)以期望的網(wǎng)絡(luò)電壓操作時，功率變換器可以被操作以提供基本上等于期望的網(wǎng)絡(luò)電壓的變換器輸出電壓。在電源輸出電壓小于期望的網(wǎng)絡(luò)電壓時，功率變換器的操作一般涉及升高(即提高)電源輸出電壓。
[0018]功率變換器裝置可以與任何適當(dāng)?shù)碾娫匆黄鹗褂?，所述電源具有諸如電動發(fā)電機、磁流體動力(MHD)發(fā)電機或靜態(tài)電源的dc輸出。電動發(fā)電機可以具有任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)造(例如，輸出連接到ac/dc功率變換器的傳統(tǒng)的ac電機，包括功率變換器的無刷dc電機，傳統(tǒng)的dc電機或單極電機)，并且可以被任何適當(dāng)?shù)尿?qū)動源驅(qū)動，驅(qū)動源例如具有一個或多個葉片的風(fēng)力渦輪機組件，海底渦輪機組件，由可選地源于儲存器或其它能量儲存的任何其它流體驅(qū)動的渦輪機組件，或原動機。靜態(tài)電源可以是例如光伏或熱電器件陣列。
[0019]功率變換器使用串聯(lián)注入升壓裝置，使得只有相對小的一部分電源的額定輸出(例如小于大約30% )通過功率變換器的“升壓部分”，功率變換器包括逆變器和隔離抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)變壓器。功率變換器的升壓部分與電源通過逆變器并聯(lián)電連接，并與電源通過提供串聯(lián)模式電壓注入的整流器串聯(lián)電連接。功率調(diào)整主要通過初級和次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)執(zhí)行，逆變器通常被控制以適應(yīng)變壓器抽頭之間的電壓階躍，并提高帶寬。這允許功率變換器的升壓部分被控制以適應(yīng)電源輸出電壓和/或網(wǎng)絡(luò)電壓的變化或改變。
[0020]電源輸出電壓還可以被單獨地調(diào)整，是例如限制輸出故障電流的主要手段。
[0021]使用中，直流鏈路具有電連接到電源的輸入側(cè)和電連接到直流網(wǎng)絡(luò)的輸出側(cè)。一個或多個串聯(lián)連接的濾波電容器可以提供于直流鏈路的輸出側(cè)，使得(若干)電容器兩端的電壓的和是變換器輸出電壓。實際上，一個或多個串聯(lián)連接的濾波電容器可以是功率變換器裝置或直流網(wǎng)絡(luò)的一部分。
[0022]逆變器可以是任何適當(dāng)類型(例如，兩電平、三電平或多電平，諧振單相或多相，電流源或電壓源)，可以包括適用于逆變器拓?fù)涞娜魏伪憷愋偷亩鄠€功率電子開關(guān)器件。逆變器可以被任何適當(dāng)?shù)目刂撇呗钥刂?，例如通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)或者如果逆變器是諧振類型，則通過改變開關(guān)頻率。
[0023]初級和次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)可以具有變壓器抽頭的任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)造(例如靜態(tài)的、固態(tài)的、開關(guān)器件輔助的或機械的)和任何適當(dāng)?shù)难b置。變壓器鐵芯可以是任何適當(dāng)?shù)牟牧希孀兤鞯娜魏芜m當(dāng)?shù)拈_關(guān)頻率可以被使用。
[0024]整流器通常是二極管橋式整流器，但也可以使用其它類型的有源整流器。這種有源整流器可以是任何適當(dāng)?shù)念愋?例如兩電平，三電平或多電平，諧振單相或多相，電流源或電壓流)，并且可以包括適用于有源整流器拓?fù)涞娜魏伪憷愋偷亩鄠€功率電子開關(guān)器件。有源整流器可以由任何適當(dāng)?shù)目刂撇呗?例如PWM)控制。
[0025]本發(fā)明還提供一種操作功率變換器裝置的方法，所述功率變換器裝置包括:
[0026]a.直流鏈路，所述直流鏈路能夠電連接于電源和直流網(wǎng)絡(luò)之間，所述電源在使用時提供輸出電壓；以及
[0027]b.功率變換器，所述功率變換器包括:
[0028]1.逆變器，所述逆變器具有:
[0029]1.直流端子，所述直流端子電連接于所述直流鏈路兩端與所述電源并聯(lián)，以及
[0030]2.交流端子；
[0031]i1.變壓器，所述變壓器具有:
[0032]1.初級繞組，所述初級繞組通過初級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)電連接到所述逆變器的所述交流端子，以及
[0033]2.次級繞組；以及
[0034]ii1.整流器，所述整流器具有:
[0035]1.交流端子，所述交流端子通過次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)電連接到所述變壓器的次級繞組，
[0036]2.第一直流端子，所述第一直流端子電連接到所述直流鏈路，以及
[0037]3.第二直流端子，所述第二直流端子能夠電連接到所述直流網(wǎng)絡(luò)，使得所述整流器的直流端電壓與所述電源的輸出電壓相加，以提供變換器輸出電壓；
[0038]c.所述方法包括步驟:
[0039]d.根據(jù)所述電源的輸出電壓(其等效于變換器輸入電壓)改變所述變壓器的每一匝繞組的初級側(cè)電壓；和/或
[0040]根據(jù)所述電源的輸出電壓和所述變換器輸出電壓，改變所述變壓器的次級側(cè)電壓。
[0041 ] 很容易認(rèn)識到電源對變壓器抽頭強加電壓，每一匝繞組的初級側(cè)電壓可以通過選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩鞒轭^而被控制。有效地控制每一匝繞組的初級側(cè)電壓還控制每一匝繞組的次級側(cè)電壓，因此次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)組件用來控制次級側(cè)電壓。
[0042]變壓器的有效匝數(shù)比和電壓轉(zhuǎn)換比可以通過以協(xié)同方式選擇初級和次級抽頭連接逐步地被調(diào)整。具有抽頭初級和次級繞組的有益結(jié)果是匝數(shù)比和匝數(shù)比的總范圍的這些級的分辨率可以被最大化。具有抽頭初級和次級繞組的次要有益結(jié)果是提供泄露電抗的控制度量，這允許逆變器的控制策略更加靈活；實際情況是這種泄露電抗影響逆變器和整流器的換向過程，這些換向過程本質(zhì)上對功率變換器內(nèi)的電壓調(diào)整有一些影響。選擇初級抽頭連接的能力對由于電源輸出電壓或逆變器控制策略的變化造成初級側(cè)電壓變化時允許每匝繞組的初級側(cè)電壓維持在合理的極限內(nèi)是重要的。很容易認(rèn)識到每一匝的初級側(cè)電壓對變壓器鐵芯內(nèi)的磁通量密度具有直接關(guān)系。不期望磁通量密度過高，原因是這會不利地影響磁化電流(對初級繞組和逆變器電流的額定值產(chǎn)生不利影響)和磁芯功率損失(鐵損不利地影響功率轉(zhuǎn)換效率)。所述方法因此還可以包括步驟:選擇性操作所述初級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)和/或所述次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)，以控制變壓器鐵芯中的通量密度。
[0043]功率變換器的其它特征可以如本文中描述的。
[0044]本發(fā)明還提供一種操作電源-功率變換器裝置的方法，所述電源-功率變換器裝置包括:
[0045]a.電源，所述電源提供輸出電壓；
[0046]b.直流網(wǎng)絡(luò)；
[0047]c.直流鏈路，所述直流鏈路電連接于所述電源和所述直流網(wǎng)絡(luò)之間，以及
[0048]d.功率變換器，所述功率變換器包括:
[0049]1.逆變器，所述逆變器具有:
[0050]1.直流端子，所述直流端子電連接于所述直流鏈路兩端與所述電源并聯(lián)，以及
[0051]2.交流端子；
[0052]i1.變壓器，所述變壓器具有:
[0053]1.初級繞組，所述初級繞組通過初級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)電連接到所述逆變器的所述交流端子，以及
[0054]2.次級繞組；以及
[0055]ii1.整流器，所述整流器具有:
[0056]1.交流端子，所述交流端子通過次級抽頭轉(zhuǎn)換開關(guān)電連接到所述變壓器的次級繞組，
[0057]2.第一直流端子，所述第一直流端子電連接到所述直流鏈路，以及
[0058]3.第二直流端子，所述第二直流端子電連接到所述直流網(wǎng)絡(luò)，使得所述整流器的直流端電壓與所述電源的輸出電壓相加，以提供變換器輸出電壓；
[0059]e.所述方法包括步驟:
[0060]f.在所述電源的輸出電壓小于預(yù)定電壓時(例如，當(dāng)電動發(fā)電