《电力传输设备.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力传输设备.pdf（13页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 102611320 A (43)申请公布日 2012.07.25 C N 1 0 2 6 1 1 3 2 0 A *CN102611320A* (21)申请号 201210023228.3 (22)申请日 2012.01.17 20115050 2011.01.19 FI H02M 5/00(2006.01) H02M 1/36(2007.01) H02M 5/45(2006.01) G01R 31/00(2006.01) (71)申请人瓦孔厄伊公司 地址芬兰瓦萨 (72)发明人尼克拉斯斯德 里斯托科穆莱宁 (74)专利代理机构北京邦信阳专利商标代理有 限公司 110。
2、12 代理人黄泽雄 梁栋 (54) 发明名称 电力传输设备 (57) 摘要 本发明公开了一种用于在电网(U P )和多相电 机(M2、M3)之间传输电力的设备，所述电网(U P ) 以交流电工作，所述设备包括根据级联原理工作 的低压电池(C S 、C 11 .C N6 )和至少一个变压器 (T A 、T 1 .T N )，所述低压电池包括单相输出连接端 (OUT)，对于连接至所述至少一个变压器的每个电 池，所述至少一个变压器包括对于特定电池专用 的单相或多相绕组，其特征在于，所述变压器包括 至少一个附加绕组(W A 、W B1 .W BN )，为了至少一个 辅助设备电路，所述至少一个附加绕组与。
3、其他绕 组连接至同一磁路，所述至少一个辅助设备电路 能够连接至所述附加绕组。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 5 页 1/2页 2 1.一种用于在电网(U P )和多相电机(M2、M3)之间传输电力的设备，所述电网(U P )以 交流电工作，所述设备包括根据级联原理工作的低压电池(C S 、C 11 .C N6 )和至少一个变压器 (T A 、T 1 .T N )，所述低压电池包括单相输出连接端(OUT)，对于连接至所述至少一个变压器 的每个电。
4、池，所述至少一个变压器包括特定电池专用的单相或多相绕组，其特征在于，所述 变压器包括至少一个附加绕组(W A 、W B1 .W BN )，针对至少一个辅助设备电路，所述至少一个 附加绕组与其他绕组连接至同一磁路，所述至少一个辅助设备电路能够连接至所述附加绕 组。 2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述附加绕组处于低压。 3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述变压器工作在供电网的频率，而 所述附加绕组是单相或三相的。 4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述变压器工作在1kHz以上的频率， 而所述附加绕组是单相的。 5.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于。
5、，包含在所述设备中的辅助设 备电路是制动电路，对所述制动电路设置操作，使得当供电网终止时，级联转换器的电池能 够经由所述附加绕组将其制动力提供给一个或多个制动电路。 6.根据权利要求5中所述的设备，其特征在于，所述制动电路包括对所述附加绕组的 电压进行整流的整流器(REC A1 、REC B1 .REC BN )、直流电压的滤波电容器(C A1 、C B1 )，以及制动 断路器和制动电阻器(V B 、R B )。 7.根据权利要求1至4中任意一项所述的设备，其特征在于，包含在所述设备中的辅助 设备电路是供电电路，对所述供电电路设置操作，使其在转换器连接至例如中压供电网之 前，经由所述附加绕组将。
6、级联转换器的电池的滤波电容器(C Q2 、C Q4 、C 1 )充电至所需电压。 8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述供电电路包括直流中间电路(DC A2 、 DC B2 )以及至少一个根据PWM原理工作的逆变桥(INU A 、H B1 .H BN )，由该逆变桥形成的电压设 置为，从零增加至最终的满电压，并且本质上随着该电压的上升，所述电池的直流中间电路 也进行充电。 9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述供电电路从单相或三相低压网(U LV ) 接收其电力供应。 10.根据权利要求7至9中任意一项所述的设备，其特征在于，所述供电电路设置为，经 由所述附加绕组在测试电路中提。
7、供系统的耗损功率，在测试电路中，布置在双级联转换器 的变压器的初级侧的电路经由滤波器或相应设备，连接至布置在变压器的次级侧的电路。 11.根据前述任意一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述供电电路和所述制动电 路连接至公共的直流电压。 12.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，在双级联电路中布置动态制动电路，所 述双级联电路包括串联连接的组(G 1 .G N )，每个组均包括其自身的变压器(T 1 .T N )以及 在这些变压器两侧级联的电池(C 11 .C N6 )，其中每个特定组的变压器(T 1 .T N )包括单相附 加绕组(W B1 .W BN )，所述单相附加绕组连接至对于所有的。
8、组公共的制动单元(BR B )，或者连 接至对于各个组特定的制动单元。 13.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，在双级联电路中布置供电电路，其中每 个特定组的变压器(T 1 .T N )包括单相附加绕组(W B1 .W BN )，所述单相附加绕组能够连接至 权 利 要 求 书CN 102611320 A 2/2页 3 对于所有的组公共的供电单元(PS B )，或者连接至对于各个组特定的供电单元。 权 利 要 求 书CN 102611320 A 1/5页 4 电力传输设备 技术领域 0001 本发明涉及电力传输设备，用于在两个电网之间或者电网和多相电机之间传输电 力，该设备包括低压电池及一个。
9、或多个变压器，所述电池连接至所述变压器。 背景技术 0002 中压供电网是指1kV以上的配电网，其用于电能传输，例如高压(36kV以上)主网 和低压(1kV以下)用户网之间的电能传输。配电网通常以50/60Hz的交流电工作。 0003 本领域已知的是，由于较小的电流及由此带来的较小的功率损耗，在大功率(例 如1MW以上)电力设备中使用中压供电网是有利的。由于不同的频率、不同的电压水平或 者对绝缘的需要，在电力设备(例如电机)和配电网之间通常需要某种调节器。本领域已 知的是，可以通过变压器和电力转换器(例如频率转换器)有利地安排所需的调节。 0004 由于制造工艺的原因，通常用于频率转换器的开关。
10、型功率半导体器件的耐压很 小，以致对于中压，必须把一些开关型功率半导体器件串联连接。本领域已知的是，要避免 与器件的串联相关的问题，可以通过借助于所谓的级联电路来使用低压频率转换器技术， 其中适当数量的低压电池串联连接，以获得足够的总耐压。该电路还包括变压器，变压器包 括其自身的、对于属于电力转换器的每个电池的绕组。级联电路的示例可见于，例如专利US 5,625,545和专利公布US 2010/0327793，在前者的解决方案中，变压器工作在供电网的频 率并且其所有绕组均是三相的，在后者的解决方案中，变压器工作在1kHz以上的高频并且 其所有绕组均是单相的。 0005 在配电网中有时会发生扰动。
11、，例如瞬时的电压断供。靠电力工作的过程在此类情 形中将失去其可控性，由此，通常需要尽可能快地中止该过程。例如，在以频率转换器向电 动机供电的情况下，这意味着将转速控制为，在电动机的工作点可以转到发电机侧的时候 变为零(即其开始向频率转换器供电)。为了防止这种情况中的内部过压，频率转换器通常 设有所谓的制动断路器，通过制动断路器，发电机的电力能够提供给电阻器。在级联型频率 转换器中，出于绝缘等方面的原因，动态制动的实施是难以操作且昂贵的，因为根据现有技 术，每个电池均必须设有其自身的电阻制动器。 0006 已知的是，包含在级联电路中的电池根据所谓的脉宽调制(PWM)原理工作，据此， 这些电池包括。
12、设有高电容值的滤波电容器的直流(DC)中间电路。为了防止大的开关电流 电涌，这些类型的电容器必须在将设备连接至供电网之前充电至几乎满电压。根据现有技 术，为了达到此目的，使用例如与主断路器并联连接的第二断路器和充电电阻器，而这提高 了成本。在根据专利公布US 2010/0327793的所谓的双级联电路中，通过电阻器，可以仅对 布置在变压器初级侧的电池充电。 发明内容 0007 本发明的目标是获得一种新型装置，凭借这种装置可以避免上述缺点，而且凭借 这种装置能够有利地实现动态制动和电池的滤波电容器的初始充电。此外，本发明使得测 说 明 书CN 102611320 A 2/5页 5 试装置成为可能。
13、，在该测试装置中，中压电路的可操作性能够在不与中压供电网直接连接 的情况下进行检验，这在例如起动装置时是有用的。 0008 凭借本发明的设备，可以在第一多相电力电路(例如，连接至多相变压器的级联 的电力转换器的电力电路)和第二单相或多相电力电路(辅助设备电路)之间传输电力， 所述第二单相或多相电力电路通过独立的附加绕组连接至同一变压器。更特别地，根据本 发明目标的设备适于在级联的电力转换器(工作在中压环境中)和电力电路(辅助设备电 路)(工作在低压环境中)之间使用。 0009 本发明适于在任意两个通过级联转换器结合在一起的电网之间使用，例如： 0010 在交流电网或直流电网和以交流电工作的电机。
14、之间， 0011 在两个具有不同电压和/或不同频率的交流电网之间， 0012 在交流电网和直流电网之间。 0013 在根据本发明的解决方案中，级联型转换器中的变压器包括附加绕组，所述附加 绕组可以处于低压并且其尺寸适于较低的功率，该功率小于转换器中包含的实际主绕组的 功率。在变压器工作在供电网的频率的解决方案(US 5,625,545)中，附加绕组可以是单相 或三相的，而在高频变压器的解决方案(US 2010/0327793)中，附加绕组总是单相的。附加 绕组与连接至级联转换器的电池的绕组处于同一磁路中，从而其与绕组匝数有关的电压与 其他绕组的电压成比例。 0014 根据本发明的一个实施例，制。
15、动电路连接至所述附加绕组，该制动电路包括例如， 整流器、用于直流电压的滤波电容器，以及制动断路器和制动电阻器。当供电网终止或降压 时，级联转换器的电池能够在这种情况下经由附加绕组将其制动力提供给制动电路，该制 动电路对于所有的电池是公共的。制动电路优选地在低压环境中工作，在这种情况下，能够 对其使用廉价的元件，并且相对于中压，更加易于实现与用电安全有关的绝缘。 0015 根据本发明的一个实施例，供电电路连接至附加绕组，该供电电路包括例如，连 接至单相或三相低压网的整流器、用于直流电压的过滤电容器，以及由可控的功率半导体 器件开关实现的逆变桥。在这种情况下，供电电路能够在转换器连接至中压供电网之。
16、前， 将级联转换器的电池的滤波电容器充电至所需电压。可以通过根据PWM原理控制由转换 (change-over)开关形成的电压的幅度而进行充电，以从零增加至最终的满电压，随着该电 压的上升，电池的DC中间电路也几乎充好电。供电电路和制动电路可以连接至公共的直流 电压。 0016 根据本发明的一个实施例，布置在变压器的初级侧的电路连接至变压器次级侧的 电路(例如经由滤波器)。在上述供电电路已经将电池的DC中间电路电压充电至正常工作 水平之后，例如布置在变压器的次级侧的级联转换器可以开始向布置在初级侧的电路提供 电力。在这种情况下，供电电路保持向系统提供形成于其中的总的耗损功率，例如在这种情 况下。
17、，中压的初级电路和次级电路可以在最高为满功率时进行测试，而没有与供电网直接 的连接。 0017 根据本发明的解决方案的性能特征在下文的权利要求书中进行了详细的描述。 附图说明 0018 下面参照附图，借助于实现方式的某些实施例，对本发明进行更加详细的描述，其 说 明 书CN 102611320 A 3/5页 6 中 0019 图1示出了电机和中压供电网之间的现有技术的级联电路， 0020 图2A和2B示出了现有技术的级联电路的电池， 0021 图3示出了现有技术的级联电路的动态制动器， 0022 图4示出了现有技术的级联电路的充电装置， 0023 图5A和5B示出了本发明的级联电路的动态制动器。
18、， 0024 图5C和5D示出了本发明的级联电路的第二动态制动器， 0025 图6示出了现有技术的级联电路的电池， 0026 图7A和7B示出了本发明的级联电路的充电装置， 0027 图8示出了本发明的级联电路的测试情形。 具体实施方式 0028 图1示出了本领域已知的所谓级联的频率转换器的基本电路，该类型电路的工作 可以从例如专利US 5,625,545中了解。其通常包括中压且三相的供电电压U P (频率通常是 50Hz或60Hz)以及频率和幅度可调节的、用于给电机M1供电的三相输出电压U、V、W。频率 转换器包括相似的低压电池C S1 .C S9 ，多个低压电池在每个输出相位中串联连接。这。
19、些电 池连接至公共的变压器T P ，变压器T P 的三相初级线圈W P 连接至中压供电网U P ，并且该变压 器包括对于每个电池的独立的三相低压次级线圈W S 。与该图的实施例不同，次级绕组还可 以是单相的。正如所知，串联连接的电池的数量取决于输出电压，在图1的实施例中存在串 联的3个电池，在这种情况下，存在对应的9个次级绕组。所使用的串联连接的组越多，输 出电压的脉冲图形能够包括的阶数就越多，这对于输出电压的谐波含量具有有益效果。 0029 图2A示出了电池C S 的电路的示例，已知的是，可以在电力流向为仅从供电网朝向 电机时使用此类型的电池C SQ2 。变压器的三相次级绕组W S 对电池供。
20、电，该次级绕组连接至 供电连接端IN 2 。电池包括三相整流桥REC(包含二极管)、直流电压DC Q2 的滤波电容器C Q2 以及单相逆变桥H S ，单相逆变桥H S 包括两个所谓的相位开关，相位开关包括可控的功率半 导体器件开关(例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管，该相位开关可以连接至任一直 流电压极的输出连接端OUT 2 的任意一极。 0030 当电力能够在任一方向流动时，已知的是可以使用图2B所示的C SQ4 。在图2B中使 用有源网桥AFE代替所谓的无源网桥REC，该有源网桥在该实施例中包括3个相似的相位开 关，这些相位开关也用于逆变桥H S 。滤波单元LFU可以连接在待供电的次。
21、级绕组W S 和AFE 桥之间，用于衰减电流的谐波。本领域已知的是，通过使用AFE桥，除了能够对网络提供制 动力，还可以获得几乎是正弦形式的网络电流的波形。 0031 图3示出了根据现有技术安排动态制动的可能，例如，在供电网的电压由于扰动 而断开并且需要尽可能快地停止过程时，需要动态制动。该电路包括可控的电力开关V B (例 如IGBT)和电阻器R B ，它们与电池C SQ2 、C SQ4 的直流电压滤波电容器C Q 并联连接。在制动情 形中，将电力开关V B 控制为导通，在这种情况下，根据直流电压DC Q 和电力开关的控制，在电 阻器中形成对电机制动的耗损功率。每个电池中均需要动态制动电路，。
22、这从成本和电阻器 的电绝缘的角度看都是问题。 0032 已知的是，包含在级联电路中的电池包括DC中间电路，DC中间电路设有高电容值 说 明 书CN 102611320 A 4/5页 7 的滤波电容器。为了防止大的开关电流电涌，这些类型的电容器必须在将设备连接至供电 网之前充电至几乎满电压。图4包含现有技术的充电装置的示例，其包括连接至变压器初 级电路的充电接触器K1和充电电阻器R1、R2。首先，当电池的电容器C Q 断电时，接触器K1 的触点断开。当供电电压U P 连接至输入连接端L 1 、L 2 、L 3 并且向前通向接触器时，经由电阻 器R1和R2、变压器T P 以及电池C S 的网桥RE。
23、C、AFE的二极管提供的电流对滤波电容器C Q 充 电。当电容器已经充电至几乎满电压时，接触器K1的触点可以闭合，在这种情况下可以开 始正常的操作。接触器的充电电路K1、R1、R2和控制电路是中压电路，这从成本和电绝缘的 角度看都是问题。 0033 图5A示出了根据本发明的解决方案，用于安排根据图1的级联转换器中的动态制 动。电池连接至公共的变压器T A ，其三相初级绕组W PA 连接至待供电的中压供电网U P ，并且 该变压器包括对于每个电池的独立的三相低压次级绕组W SA 。根据本发明的级联变压器T A 包括附加绕组W A ，制动单元BR A 连接至该附加绕组W A 。根据该图，附加绕组W。
24、 A 优选地是三相 的，但是其可以是单相的。 0034 图5B包含制动单元BRA更加详细的示例，其中所述附加绕组的电压在二极管桥 REC A1 中整流为直流电压DC A1 ，直流电压DC A1 由电容器C A1 滤波。实际的制动电路包括电阻 器R BA 和可控的电力开关V BA ，以与参照图3所描述的相同方式对电力开关V BA 进行控制。在 根据本发明的装置中，所有的电池能够将它们的制动能量供给相同的公共制动单元。制动 电路优选地是低压的，在这种情况下可以相应地在制动电路中以及在电池中使用廉价的器 件，并且相对于中压，更加易于实现与用电安全有关的绝缘。 0035 图5C示出了根据本发明的解决方。
25、案，用于安排所谓的双级联电路中的动态制动， 一种类型的双级联电路展示在专利公布US 2010/0327793及其他文献中。双级联电路包括 串联连接的组G 1 .G N ，每个组均包括其自身的、工作在1kHz以上频率的变压器T 1 .T N ，以 及在这些变压器两侧级联的相似的电池C 11 .C N6 。图6示出了电池C 11 的内部电路的一个 示例。根据本发明，每个特定组的变压器T 1 .T N 包括单相附加绕组W B1 .W BN ，它们可以连 接至对于所有的组公共的制动单元BR B (根据图中的优选实施例)，或者连接至对于各个组 特定的制动单元。 0036 根据图5D的实施例，制动单元包括。
26、对于每个特定组的附加绕组自身的整流桥 REC B1 .REC BN 、直流电压DC B1 的滤波电容器C B1 ，以及制动电阻器R BB 和电力开关V BB ，以与参 照图3所描述的相同方式对电力开关V BB 进行控制。根据优选的配置，附加绕组和制动单元 是低压的。 0037 图6包含双级联电路的电池C 11 的示例。其包括待连接至变压器的单相桥电路H 1 、 DC中间电路DC 1 的滤波电容器C 1 以及单相逆变桥H 2 。所谓的H桥电路H 1 和H 2 二者包括相 似的相位开关，这些开关参照图2A在上文进行了描述。对于本领域技术人员显而易见的 是，图6所示的电池能够在任一方向传输电力，从输。
27、入连接端IN 11 到输出连接端OUT 11 ，反之 亦然。 0038 图7A示出了根据本发明的解决方案，用于安排根据图1的级联转换器中的初始充 电。根据本发明的级联变压器T A 包括附加绕组W A ，供电单元PS A 连接至所述附加绕组W A 。 根据该图，附加绕组W A 优选地是三相的，但是其可以是单相的。供电单元PS A 的供电电压 U LV (优选地是低压的50/60Hz配电电压)在二极管桥REC AL 中整流为直流电压DC A2 ，直流电 说 明 书CN 102611320 A 5/5页 8 压DC A2 可以由电容器C A2 滤波。根据该图的实施例，该单元还包括三相逆变桥INU A。
28、 ，三相逆 变桥INU A 包括三相开关，所述三相开关包括可控的功率半导体器件开关和二极管。相位开 关的输出连接端IN A 可以直接地，或者经由滤波器(例如图2B中的LFU)连接至附加绕组 W A 。级联转换器的电池(例如C S1 )的滤波电容器的初始充电的发生，使得桥INU A 根据现有 技术的PWM原理形成三相升压(rising voltage)，经由变压器T A 并且由电池C S 的网桥(图 2A、2B中的REC或AFE)的二极管整流，所述三相升压对滤波电容器充电。 0039 图7B示出了如何能够在双级联转换器中安排根据本发明的初始充电。根据本发 明，每个特定组的变压器T 1 .T N 。
29、包括单相附加绕组W B1 .W BN ，这些单相附加绕组W B1 .W BN 可以连接至对于所有的组公共的供电单元PS B (根据该图的优选实施例)，或者连接至对于 各个组特定的供电单元。供电单元PS B 的供电电压U LV (优选地是低压的50/60Hz配电电压) 在二极管桥REC BL 中整流为直流电压DC B2 ，直流电压DC B2 可以由电容器C B2 滤波。在该图的 实施例中，供电单元包括对于每个特定组的附加绕组自身的逆变桥H B1 .H BN ，各个逆变桥 H B1 .H BN 包括两个转换开关。级联转换器的电池(例如C 11 )的滤波电容器的初始充电的发 生，使得逆变桥H B 根。
30、据现有技术的PWM原理形成对于每个组特定的单相升压，经由变压器 T 1 .T N 并且由电池的网桥(例如图6的实施例中的H 1 )的二极管整流，所述单相升压对滤 波电容器充电。 0040 图8示出了本发明如何能够应用于双级联转换器的测试。根据该图，转换器的输 入连接端L 1 、L 2 、L 3 经由滤波单元FILT与输出连接端U2、V2、W2连接。当假设电池C 11 .C N6 的内部DC电路充满电时，级联的电池可以根据PWM原理形成对于输入侧和输出侧的标称电 压。通过调节电压之间的相移，可以调节流经滤波单元的电流(即转换器的负载电流)的 幅度。这样，转换器甚至可以在最高为额定电流时进行测试，。
31、而并不连接至实际的供电网。 根据本发明，经由这种类型的测试装置中特定组的变压器T 1 .T N 的附加绕组W B1 .W BN ，只 有系统消耗的耗损功率提供至该系统(通过上文参照图7B描述的电池单元的行为)。本发 明的效果是，中压电力转换器可以以满电压和电流进行测试，而并不与中压电网直接连接， 这在野外条件等情况下是很有利的。 0041 本领域技术人员将会注意到，当控制逆变桥INU A 、H B 的功率半导体器件开关失去 控制，并且图3所示的动态制动电路连接至它们的DC中间电路DC A2 、DC B2 时，图7A和7B所 示的供电单元PS A 、PS B 也可以实施动态制动所需的整流功能RE。
32、C A1 、REC B 。本领域技术人员 还将注意到，图7A的电路图示出了普通的PWM频率转换器，这种类型的频率转换器可以根 据本发明进行使用，连接至附加绕组，以实施动态制动功能和电源功能。 0042 对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的不同实现方式并不仅限于上述实施 例，而是这些实现方式可以在下面的权利要求书的范围内有所变化。 说 明 书CN 102611320 A 1/5页 9 图1 图2A 图2B 说 明 书 附 图CN 102611320 A 2/5页 10 图3 图4 图5A 图5B 说 明 书 附 图CN 102611320 A 10 3/5页 11 图5C 图5D 说 明 书 附 图CN 102611320 A 11 4/5页 12 图6 图7A 说 明 书 附 图CN 102611320 A 12 5/5页 13 图7B 图8 说 明 书 附 图CN 102611320 A 13 。