具有故障處理能力的雙向功率轉(zhuǎn)換的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及功率轉(zhuǎn)換，尤其涉及雙向功率轉(zhuǎn)換。
【背景技術(shù)】
[0002]在DC母線和DC電網(wǎng)上的能量饋送故障應(yīng)該盡快且盡可能地成本有效地得到控制/限制。討論中的連接到DC母線或DC電網(wǎng)上的所有能量源具有功率電子轉(zhuǎn)換器接口，并且DC母線或DC電網(wǎng)上的DC電壓典型地處于中壓或高壓水平。將通過(guò)使用由控制AC和/或DC側(cè)電壓的基于IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的有源功率濾波器輔助的基于晶閘管或二極管的主整流器來(lái)減小DC故障電流?？商鎿Q地，可以使用基于晶閘管或二極管的主整流器和取自變壓器的分離的繞組的基于IGBT輔助整流器的的DC側(cè)級(jí)聯(lián)，其中輔整流器被用來(lái)控制總電壓并降低DC故障電流。在另一個(gè)例子中，提供了具有主單元和分離的故障處理單元的單個(gè)轉(zhuǎn)換器。
[0003]然而，基于晶閘管和二極管橋的方案僅能用于非直流的功率流。例如用于高壓應(yīng)用的其他方案使用由更小模塊組成的單個(gè)大型轉(zhuǎn)換器，使得轉(zhuǎn)換器控制和模塊信令更加復(fù)雜。中壓和高壓應(yīng)用期望更有成本效益、更簡(jiǎn)單和更穩(wěn)定的故障處理方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]這里描述的實(shí)施例提供了雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其連接AC網(wǎng)絡(luò)和DC網(wǎng)絡(luò)并且具有故障電流限制能力。
[0005]根據(jù)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)包括具有DC端和第一控制器的單極雙向功率轉(zhuǎn)換器，以及具有與所述單極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端串聯(lián)的DC端和第二控制器的雙向功率轉(zhuǎn)換器。第一控制器可操作來(lái)產(chǎn)生跨DC端子的正值DC電壓。第二控制器可操作來(lái)產(chǎn)生跨所述雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端子的正值或負(fù)值DC電壓，使得所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總電壓為跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端子的正值或負(fù)值DC電壓與跨單極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端子的正值DC電壓之和。
[0006]根據(jù)操作所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法的實(shí)施例，該方法包括:在所述第一控制器的控制下，僅輸出跨單極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端的正值DC電壓；以及，在所述第二控制器的控制下，僅輸出跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端的正值或負(fù)值DC電壓，使得所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總電壓為跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端的正值或負(fù)值DC電壓與跨單極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端的正值DC電壓之和。
[0007]第二控制器可以進(jìn)一步響應(yīng)于DC故障情況或其他事件，調(diào)節(jié)跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端的正值或負(fù)值DC電壓來(lái)限制所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的DC輸出電流。例如，第二控制器可以使跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端的電壓的極性反向，使得功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總電壓在極性被反向時(shí)強(qiáng)制趨近于零。
[0008]通過(guò)閱讀下列詳細(xì)說(shuō)明，并通過(guò)觀察附圖，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到額外的特征和優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖中的組件沒(méi)有必要按比例繪制，而是重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的原理。此外，在圖中，相同的附圖標(biāo)記指示對(duì)應(yīng)的部件，在附圖中:
[0010]圖1示出具有故障電流限制能力的雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖。
[0011]圖2示出通過(guò)雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)限制故障電流的方法的實(shí)施例的流程圖。
[0012]圖3示出雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的框圖。
[0013]圖4示出將AC源連接到包括在雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的單極和雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的AC端子的多繞組變壓器的實(shí)施例的示意圖；
[0014]圖5示出將AC源連接到包括在雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的單極和雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的AC端子的多個(gè)變壓器的實(shí)施例的示意圖；
[0015]圖6示出連接到包括在雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的單極和雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的AC端子的多相源的實(shí)施例的示意圖；
[0016]圖7示出包括在雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例的示意圖；
[0017]圖8示出用于構(gòu)成包括在雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器的雙極模塊的實(shí)施例的示意圖；
[0018]圖9示出用于構(gòu)成包括在雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的單極雙向功率轉(zhuǎn)換器的單極模塊的實(shí)施例的示意圖；
[0019]圖10示出單極模塊的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0020]圖11示出單極模塊的再一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0021]圖12示出單極模塊的又一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0022]圖13示出單極模塊的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0023]圖14示出實(shí)施為降壓整流器的單極模塊的實(shí)施例的示意圖；
[0024]圖15示出用作逆變器的雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；
[0025]圖16示出用作整流器的雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；
[0026]圖17示出包括在用作逆變器的雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)或波能發(fā)電場(chǎng)的實(shí)施例的示意圖；
[0027]圖18示出包括在用作整流器或逆變器的雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的船上DC配電系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖；
[0028]圖19示出包括用作將DC電網(wǎng)連接到AC電網(wǎng)中的轉(zhuǎn)換器的雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的DC電網(wǎng)的實(shí)施例的示意圖；
[0029]圖20示出提供具有基于DC電壓信息的信息的單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器控制器的主控制器的實(shí)施例的示意圖；
[0030]圖21示出提供具有用于單獨(dú)的DC電壓的基準(zhǔn)的單獨(dú)的轉(zhuǎn)換器控制器的主控制器的實(shí)施例的不意圖；以及
[0031]圖22示出響應(yīng)于DC短路故障，命令雙極雙向轉(zhuǎn)換器將其極性反向并輸出負(fù)DC電壓的主控制器的實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本文描述的實(shí)施例提供雙向性功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其連接AC網(wǎng)絡(luò)和DC網(wǎng)絡(luò)并具有故障電流限制能力。該雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括單極雙向功率轉(zhuǎn)換器和雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器。兩種功率轉(zhuǎn)換器都是雙向的，從而DC電流可以以任一方向流動(dòng)。同樣地，該雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以被用作整流器或逆變器。主控器可以被提供用于協(xié)調(diào)包括在各個(gè)雙向功率轉(zhuǎn)換器中的控制器。可替換地，包括在該雙向功率轉(zhuǎn)換器中的控制器可以彼此通信來(lái)實(shí)施本文描述的功率轉(zhuǎn)換和故障處理技術(shù)。
[0033]在各個(gè)情形下，響應(yīng)于DC故障情況或其他事件，跨雙向功率轉(zhuǎn)換器的DC端子的正值或負(fù)值DC電壓可以被調(diào)節(jié)來(lái)限制功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的DC輸出電流。例如，包括在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器可以響應(yīng)于DC故障條件，將其DC端處的極性反向。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的DC端被串聯(lián)連接，這反過(guò)來(lái)迫使功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的總電壓趨向于零，從而限制DC故障電流。
[0034]圖1示出雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的實(shí)施例。系統(tǒng)100包括單極雙向功率轉(zhuǎn)換器102和雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104。轉(zhuǎn)換器102、104都分別具有AC端和DC端。S卩，每個(gè)轉(zhuǎn)換器102、104都可以將相應(yīng)AC端處AC源(acl、ac2)轉(zhuǎn)換為DC端處的DC功率，或?qū)⒖鐑山MDC端處的DC源(udc)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的AC端處的AC功率。每個(gè)轉(zhuǎn)換器102、104都具有其專用的控制器106、108用于控制轉(zhuǎn)換器的操作。如在圖1中的虛線中示出的，控制器106、108可以彼此通信，以實(shí)施本文描述的功率轉(zhuǎn)換和故障處理技術(shù)。
[0035]單極雙向功率轉(zhuǎn)換器102具有單極結(jié)構(gòu)。同樣的，單極轉(zhuǎn)換器控制器106僅產(chǎn)生跨單極雙向功率轉(zhuǎn)換器102的DC端處的正值DC電壓(udcl)，而不考慮DC故障電流是否出現(xiàn)在DC側(cè)，例如如圖2的框205示出的那樣。
[0036]相反的，雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104具有雙極結(jié)構(gòu)，意味著雙極轉(zhuǎn)換器104可能產(chǎn)生跨其DC端的正值或負(fù)值電壓(udc2)中的一個(gè)。即，雙極轉(zhuǎn)換器104的輸出可以為正值最大電壓和負(fù)值最大電壓之間的值。當(dāng)沒(méi)有DC故障電流存在于DC側(cè)時(shí)，雙極轉(zhuǎn)換器控制器108產(chǎn)生跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104的DC端的正值DC電壓，例如如圖2的框210和220示出的那樣。如圖1所示出的，雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104的DC端被串聯(lián)連接到單極雙向功率轉(zhuǎn)換器102的DC端。這樣，當(dāng)沒(méi)有DC故障電流存在于DC側(cè)時(shí)，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的總電壓(udc)為跨單極雙向功率轉(zhuǎn)換器102的DC端的正值DC電壓與跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104的DC端的正值DC電壓之和。
[0037]udc = udcl+udc2 (I)
[0038]在正常操作情況下，udc I和udc2的值各近似等于udc/2。如果存在短路DC故障，高電流開(kāi)始流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，雙極轉(zhuǎn)換器控制器108感測(cè)DC故障條件，例如通過(guò)本地測(cè)量雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的電流和/或電壓。如果測(cè)量到的電流超出閾值，雙極轉(zhuǎn)換器控制器108采取校正動(dòng)作。在另一個(gè)實(shí)施例中，外部故障保護(hù)設(shè)備檢測(cè)DC故障情況并將故障情況發(fā)信給包括在雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104中的控制器108。
[0039]在任一種情形下，由雙極轉(zhuǎn)換器控制器108采取的校正動(dòng)作包括響應(yīng)于DC故障條件或其他事件，調(diào)節(jié)跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104的DC端子上的正值或負(fù)值DC電壓來(lái)限制功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的DC輸出電流。在一個(gè)實(shí)施例中，雙極轉(zhuǎn)換器控制器108將跨雙極雙向功率轉(zhuǎn)換器104的DC端子上的電壓的極性反向，使得當(dāng)極性被反向時(shí)，功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的總電壓(udc)強(qiáng)制趨向于零，例如如圖2的框210和230示出的那樣。這進(jìn)而減少了 DC故障電流。
[0040]圖3示出了雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)200的另一個(gè)實(shí)施例。根據(jù)該實(shí)施例，雙向功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)200進(jìn)一步包括主控制器110用于協(xié)調(diào)包括在