專利名稱：用于高壓直流電壓連接的變流電路裝置的制作方法
技術領域：
本發明介紹了一種用于將來自多個源的第一三相交流電壓轉換
為高壓直流電壓(Hochvoltgleichspannung)以在高壓直流電壓連接 中傳輸、并用于進一步轉換為其它三相交流電壓的變流電路裝置。這 種高壓直流電壓連接例如用于風能發電設備，其中發電機的輸出功率 以及輸出電壓都動態變化。在將多個風能發電設備排列為所謂的風電 場時，按照現有技術，各個風能發電設備通過高壓直流電壓連接與一 個公共逆變器(Wechselrichter )連接，其中逆變器用于向電網饋送 電流。
背景技術：
按照現有技術，在此為了產生電流，優選采用中壓級的發電機。 該發電機的輸出的三相都與變壓器連接，該變壓器將中壓轉換為數量 級為100000伏特的高壓。所產生的交流電壓隨后通過高壓二極管整
流器被整流，并被饋入高壓直流電壓連接。
在高壓直流電壓連接的接頭處，借助逆變器將直流電壓轉換為合
適的交流電壓并饋入電網。這種高壓直流電壓連接作為ABB的 "HVDC"或"HVDC光"技術乂>知。
該現有技術的缺點具體來說是輸入濾波器的費用太大。在此公知 逆變器被實施為多個雙極晶體管以特定構造和連接技術的串聯結構。 所述現有技術的缺點在于，在這種逆變器的實施方式中，所有晶體管 同時接通，并且在此，每個時間單位都會在導線中出現很高的電壓變 化。為了控制這種電壓變化，需要相應大尺寸的濾波器以及特別復雜 和昂貴的中間電路電容器。在此，例如高壓電容器形式的電路技術花 費以及所有晶體管同時接通都是缺點。 DE 101 14075 B4公開了一種變流器電路，其包括用于將交流電 發電機中所產生的交變電流轉換為直流的整流電路裝置、從整流電路 裝置到級聯的逆變器的直流連接、連接在后的用于對高壓電網饋電的 中壓變壓器，以及上級的控制裝置。逆變器包括多個逆變器單元的級 聯、串聯的排列，它們的輸入端串聯，其中每個逆變器單元可以由上 級控制裝置主動接通，或者通過橋接其輸入端而被動地接通。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于提供一種變流器電路裝置，用于將 第一交流電壓轉換為高壓直流電壓，并在相應的傳輸之后轉換為第二 交流電壓，其中變流器電路裝置相對于單個半導體開關的故障應該是 容錯的，同樣相對于現有技術應當明顯減少每個時間單位的電壓變 化，此外還可以實現具有標準功率半導體模塊的結構。
該技術問題通過具有權利要求1的特征的變流器電路裝置來解 決。優選擴展方案在從屬權利要求中提出。
本發明的變流器電路裝置用于將至少一個第一多相交流電壓轉 換為高壓直流電壓。該多相交流電壓在分散能量供應的范疇內或在風 電場中例如可以通過多個發電機產生。變流器電路裝置還用于將該高 壓直流電壓轉換為第二多相交流電壓以饋入電網，例如中壓電網。
本發明的變流器電路裝置包括變流器單元的第一和第二級聯，其 中笫一級聯由第一變流器單元的串行排列形成，第二級聯由第二變流 器單元的串行排列形成。
每個第二變流器單元都具有變壓器側的第一端子以及直流電壓 側的第二端子。第一端子用于將變壓器的相應繞組與三相橋電路的相 應中點連接。三相橋電路在其一側與中間電路連接，該中間電路在至 少一個支路中具有第二電流閥(Stromventil)以及與三相橋電路并聯 的第一電流閥。該電流閥與變流器單元的第一端子連接。
第一變流器單元被構成為與第二變流器單元相同，或者其具有三 相整流電路，其中三相整流電路的各中點與變壓器的相應繞組連接。
直流電壓側的第二端子同樣電路正確地與三相整流電路連接。
所述級聯被構造為相鄰變流器單元的第二端子的串行連接。
下面借助圖1和圖2示例性解釋本發明的思想。
圖1示出按照本發明的變流器電路裝置的第一實施方式。
圖2示出按照本發明的變流器電路裝置的第二實施方式。
具體實施例方式
圖1示出本發明變流器電路裝置1的第一示例實施方式。在此示 出完全對稱的結構，其中未示出的變壓器的結構在此不予考慮。
每個變流器單元20、 30包括三相橋電路22、 32，其中三相橋電 路在其一側被構造為分別在每個相位具有上功率開關220、 320和下 功率開關230、 330。每個功率開關220、 230、 320、 330在其一側由 多個雙極晶體管224、 234、 324、 334的并聯電路組成，其中僅分別 顯示一個。這些晶體管224、 234、 324、 334與多個自振蕩二極管222、 232、 322、 332反向并聯，還是僅分別示出一個。晶體管和二極管在 此例如是電壓級別為1700V的半導體元件，如其在標準功率半導體模 塊中通用地使用的那樣。三相橋電路22、 32的直流電壓側與具有至 少一個電容器240、 340的中間電路24、 34連接。三相橋電路22、 32 的交流電壓側分別在中間與變壓器的相應繞組連接。
第一電流閥26、 36與三相橋電路22、 32并且與電容器240、 340 并聯。該第一電流閥在變流器電路裝置1的這種實施方式中被構造為 至少一個雙極晶體管260與至少一個二極管262的反向并聯電路。該 電流閥26、 36用于橋接相應變流器單元20、 30。由此， 一方面可以 以冗余數量的變流器單元20、 30來構成級聯2、 3，同樣，還可以橋 接有故障的變流器單元，并因此即使在個別故障時也能使整個變流器 電路裝置l保持工作。
中間電路24、 34還在一個支路中具有第二電流閥28、 38，該第
二電流閥同樣被構造為至少一個雙極晶體管280、 380與至少一個二 極管282、 382的反向并聯電路。
在變流器電路裝置1的所示實施方式中，級聯2、 3分別由6個 變流器單元20、 30構成，其中僅示意性示出。高壓直流傳輸裝置例 如以100kV的電壓工作，為此根據所采用的半導體元件的電壓級別， 串聯連接的變流器單元20、 30的數量在100的數量級內。
在變流器電路裝置1的這種實施方式中，出于絕緣原因，優選地 將每個級聯2、 3在其中點與地電勢12、 14連接。由此，電壓例如為 100kV的高壓直流傳輸裝置10優選在其中點與地電勢連接，由此各 個導線相對于地的電勢的絕對值分別只有50kV，并因此簡化了它們 的絕緣。
變流器電路裝置1的該實施方式的另一個優點在于，與現有技術 相比，通過交錯地(versetzt)對各個變流器單元20、 30提供時鐘 (Taktung)，每個時間單位的電壓變化明顯減小。由此還導致，其 他需要的輸入濾波器明顯更小花費地被構造。
同樣有利的是，在本發明的變流器電路裝置l的實施方式中，與 現有技術相比，通過交錯地向各個變流器單元20、 30提供時鐘，電 網電流波動減小了對應于變流器單元20、 30個數的系數。當時鐘頻 率例如為lkHz并錯開0.1ms時，電網電流波動等于10kHz的虛擬開 關頻率。
在變流器電路裝置1的這種對稱結構中，能量可以在兩個方向 上、即從第一級聯2向第二級聯3以及從第二級聯3向第一級聯2傳 輸。在從第一級聯2向第二級聯3傳輸時，第一電流閥26的所有晶 體管260都不導通，因此只有經過二極管262的電流路徑是導通的。 應當連接的那些變流器單元的第二電流閥28的各晶體管280在該情 況下是導通的。通過變流器單元20的這種連接，提高了所產生的第 一級聯2的直流電壓，以及在斷開時減小了所產生的第一級聯2的直 流電壓。
第二級聯3的第二電流閥38的晶體管380在此都不導通，由此
只有經過二極管282的電流路徑才是導通的。根據所傳輸的直流電壓， 第一電流閥36的晶體管360導通。通過這些晶體管360的周期性導 通，可以對所有變流器單元30相同程度地施加負載。同樣，原則上 可以斷開各個有故障的單元。為此，還可以采用附加的未示出的機械 開關。
此外，斷開的能工作的單元可以為連接的交流電網提供必要的無 功功率，其中該無功功率可以具有任意電容或電感分量。
本發明的變流器電路裝置1由于其包括變流器單元20、 30與標 準部件的級聯2、 3的級聯結構而具有以下優點即也可以經濟地為 例如從1MW開始的小功率進行高壓直流傳輸。因此，可縮放的結構 具有優點，即與功率近似線性地變化成本和費用。由此，例如還可以 在異步獨立網路之間經濟地采用高壓直流傳輸。
圖2示出本發明變流器電路裝置的第二示例性實施方式。在此示 出非對稱結構，包括被構造為整流器的第一變流器單元和其基本構造 對應于按照圖1的變流器單元的構造的第二變流器單元。
每個第一變流器單元20由三相整流電路21組成，三相整流電路 在每一相分別具有上電流閥210和下電流閥212，其中每個電流閥 210、 212被構造為二極管，或優選被構造為電壓級別例如為1700V 的多個并聯連接的二極管，由此級聯2作為部件可以用于標準功率半 導體模塊。
三相整流電路21的直流電壓側形成直流電壓側的第二端子，而 交流電壓側分別在中間與變壓器40的相應繞組42連接。
在此，特別有利的是，兩個相鄰第一變流器單元20的變壓器側 第一端子與變壓器40的相應繞組42連接。
第二變流器單元30在兩個不同實施方式中被構造。在每個實施 方式中，第二變流器單元30由三相橋電路32構成，三相橋電路在其 一側被構造為每一相分別具有上功率開關320和下功率開關330。每 個功率開關320、 330在其一側由多個雙極晶體管324、 334的并聯電 路組成，其中僅分別顯示了一個。這些晶體管與多個自振蕩二極管322、 332反向并聯，還是僅分別示出一個。晶體管和二極管在此例如 是電壓級別為1700V的半導體元件，如其在標準功率半導體模塊中通 常使用的那樣。三相橋電路32的直流電壓側與具有至少一個電容器 340的中間電路34連接。三相橋電路32的交流電壓側分別在中間與 未示出的變壓器的相應繞組連接。
第一電流閥36與三相橋電路32并與電容器340并聯。第一電流 閥在第二變流器單元30的第一實施方式中被構造為至少一個雙極晶 體管360與至少一個二極管362的反向并聯電路。該電流閥36用于 橋接相應變流器單元30。由此， 一方面可以用冗余數量的變流器單元 30構成級聯3。同樣，還可以橋接有故障的變流器單元，并因此即使 在個別故障時也能使整個變流器電路裝置1保持工作。
中間電路34還在一個支路中具有第二電流閥38，第二電流閥同 樣被構造為至少一個雙極晶體管380與至少一個二極管382的反向并 聯電路。
在第二變流器單元30的第二實施方式中，第二電流閥38被構造 為至少一個二極管384。如果是多個二極管，則這些二極管當然是相 互并聯。第一電流閥36被構造為半導體閘流管364。
在變流器電路裝置1的所示實施方式中，級聯2、 3還分別由6 個變流器單元20、 30構成，其中這些變流器單元同樣是示例性的并 僅用作概覽，準確的個數由高壓直流傳輸裝置10的電壓、所采用的 功率半導體元件的電壓級別以及變流器單元20、 30的期望冗余來確定。
在變流器電路裝置l的所示實施方式中，出于絕緣原因，優選將 每個級聯在其中點與地電勢12、 14連接。
在變流器電路裝置1的非對稱結構中，能量只能從第一級聯2 傳向第二級聯3。
例如，在兩個第一變流器單元20上示出了與相應變壓器40的端 子。尤其有利的是，兩個相鄰變壓器單元20的變壓器側的第一端子 分別與變壓器40的相應繞組42連接。
權利要求
1.一種用于將至少一個第一多相交流電壓轉換為高壓直流電壓、并將所述高壓直流電壓轉換為第二多相交流電壓的變流器電路裝置(1)，包括變流器單元(20，30)的第一級聯(2)和第二級聯(3)，其中每個變流器單元分別具有變壓器側的第一端子和直流電壓側的第二端子，其中第一級聯(2)由第一變流器單元(20)的串聯排列構成，第二級聯(3)由第二變流器(30)的串聯排列構成，其中第二變流器單元(30)被構造為具有通過第一端子與變壓器(40)連接的三相橋電路(32)、具有中間電路(34)，其中在中間電路(34)的至少一個支路中設置第二電流閥(38)，并且與三相橋電路(32)并聯地設置第一電流閥(36)，其中第一變流器單元(20)被構造為與第二變流器單元(30)相同，或被構造為三相整流電路(21)。
2. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中級聯(2， 3) 中變流器單元(20， 30)的每個第一電流閥(26， 36)被構造為至少 一個雙極晶體管(260， 360)與至少一個二極管(262， 362)的反向 并聯電路。
3. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中至少一個第一 電流閥(26， 36)被構造為半導體閘流管(264， 364)或被構造為機 械開關。
4. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中變流器單元(20， 30)的第二電流閥(28， 38)被構造為至少一個雙極晶體管(280， 380)與至少一個二極管(282， 382)的反向并聯電路，或只被構造 為至少一個二極管(282， 382)。
5. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中所述中間電路 (24 )具有至少一個電容器(240 )。
6. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中兩個相鄰的第 一變流器單元(20)和/或第二變流器單元(30)的變壓器側的第一端 子分別與變壓器(40)的相應繞組(42)連接。
7. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中第一變流器單 元(20)和/或第二變流器單元(30)的變壓器側的所有第一端子分別 與變壓器的相應繞組連接。
8. 根據權利要求1所述的變流器電路裝置，其中至少一個級聯 (2， 3)在其中點與地電勢(12， 14)連接。
全文摘要
本發明涉及一種用于將至少一個第一多相交流電壓轉換為高壓直流電壓并將高壓直流電壓轉換為第二多相交流電壓的變流器電路裝置。該變流器電路包括變流器單元的第一和第二級聯，每個變流器單元分別具有變壓器側的第一端子以及直流電壓側的第二端子。第一級聯由第一變流器單元的串聯排列形成，第二級聯由第二變流器的串聯排列形成。第二變流器單元被構造為具有通過第一端子與變壓器連接的三相橋電路、具有中間電路，其中中間電路在至少一個支路中設置第二電流閥并且與三相橋電路并聯地設置第一電流閥。第一變流器單元被構造為與第二變流器單元相同，或者被構造為三相整流器電路。
文檔編號H02M5/458GK101102085SQ20071012798
公開日2008年1月9日 申請日期2007年7月6日 優先權日2006年7月8日
發明者德簡·施賴伯 申請人:塞米克朗電子有限及兩合公司