用于多相ac或dc负载的可缩放电压电流链路功率电子系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本公开的主题一般涉及功率电子系统，并且更具体地涉及可缩放电压电流链路功率电子系统，适合在位于油气海上平台的高电压兆瓦驱动器、基于电流链路的高压DC(HVDC)抽头、用于海底油气的兆瓦驱动器、以及HVDC输配电(HVTD)中使用。
[0002]对于示范性电流链路系统，源(三相60Hz电网)和负载(例如，许多压缩机驱动器，每个P > 10MW)之间的距离可大于100km。源侧的三相电网电压被有源(actively)整流，并且转换成恒定电流源。负荷侧的电流源逆变器(CSI)可用于在负载端子(terminal)上生成三相电压。因此，通过基于类似于经典HVDC的基于电流链路的DC输电系统供给功率。电流源的值受两个因素限制:1)传输线的额定电流容量以及2)传输线损失。用于多兆瓦输配电系统的典型值为400A。
[0003]在图1中示出使用用于上述电流馈电系统的本领域现状(state-of-the-art)技术的三相压缩机驱动器10的一个示例。使用三电平的DC-DC电流到电压转换器14将DC电流源12转换成恒定DC电压源。随后与转换器14背靠背连接的三电平DC/AC逆变器16在机器端生成所期望的幅值和频率的三相电压。
[0004]由于硅器件(例如，高达6.6kV的IGCT)的闭锁电压的限制，DC链路电压限于5.4kV。为了向压缩机供给12MW功率，驱动系统输入端的反射DC电压(假设400A电流源)被要求至少为30kV。因此，要求如图1中示出的六个5.4kV驱动器模块。它们的输入端(电流源侧)串联连接。模块的输出端借助低频变压器(transformer) 18串/并联连接。要求变压器将每个5.4kV模块的输出电压相组合，并将机器的隔离电压保持在低值。
[0005]在图1中描绘的本领域现状系统的缺点在于:5.5kV器件的开关频率(通常为400-600Hz)由于热管理要求而被限制。因此，它会导致如下:a)控制环路的低带宽，b)选择性谐波消除(SHM)的应用；由于低PWM频率，空间向量PWM是不可能的，以及c)差的输入输出波形。
[0006]另外，六个低频变压器18被要求提供隔离，并且将来自每个5.4kV驱动器模块的输出电压相组合。由于变压器18的存在，在生成非常低的频率的三相输出电压中存在重大挑战。常常被要求启动三相PMAC的DC输出生成是不可能的。
[0007]本领域现状技术的可缩放性可能驱动具有更高的额定电压的机器。但是，如果功率密度是例如对于海底油气应用的高级要求，则在上述低频变压器数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负载的可缩放电压电流馈电功率电子系统，其避免对于电流馈电功率电子系统的本领域现状技术的缺点。
【发明内容】
[0009]本公开的一个方面针对包括多个基本相同的功率电子模块的电子功率系统。每个功率电子模块包括中/高频隔离的DC/DC电流到电压转换器，其驱动单相DC/AC逆变器。每个DC/DC转换器及其对应的DC/AC逆变器背靠背连接，共享共同的DC链路。多个功率电子模块在输入侧串联或在输出侧并联或串/并联地堆叠在一起。
[0010]本公开的另一个方面针对包括多个基本相同的功率电子模块的电子功率系统。每个功率电子模块包括中/高频变压器隔离的电流到电压转换器，其驱动单相DC/AC逆变器。多个基本相同的功率电子模块在输入侧串联地并且在输出侧并联或串/并联地堆叠在一起，以提供可缩放的输出电压。
[0011]根据本公开的又一个方面，电子功率系统包括多个基本相同的功率电子模块。每个功率电子模块包括中/高频隔离的软开关基于谐振的DC/DC电流到电压转换器，其驱动DC/AC逆变器。每个DC/DC转换器及其对应的DC/AC逆变器背靠背连接，共享共同的DC链路。多个功率电子模块在输入侧串联地并且在输出侧并联或串/并联地堆叠在一起。
[0012]根据本公开的再多一个方面，电子功率系统包括多个基本相同的功率电子模块。每个功率电子模块包括中/高频隔离的软开关基于谐振的DC/DC电流到电压折叠转换器(folder converter)，其驱动 DC/AC 非折叠逆变器(un-folder inverter)。DC/DC 电流到电压折叠转换器将恒定DC电流转换为双脉冲或多脉冲DC电压，所述双脉冲或多脉冲DC电压由DC/AC非折叠逆变器展开为正弦波ac电压。每个DC/DC折叠转换器及其对应的DC/AC非折叠逆变器背靠背连接，共享共同的脉动DC链路。多个功率电子模块在输入侧串联地并且在输出侧并联或串/并联地堆叠在一起。
[0013]根据本公开的再多一个方面，电子功率系统包括多个基本相同的功率电子模块。每个功率电子模块包括多个中/高频隔离的软开关基于谐振的DC/DC电流到电压折叠转换器，其驱动DC/AC非折叠逆变器。以交错(interleaved)方式控制的多个DC/DC电流到电压折叠转换器将恒定DC电流转换为固定DC电压(在dc链路中要求非常小的缓冲(snubber)电容器)，其驱动DC/AC逆变器。包括多个DC/DC转换器和相应的DC/AC逆变器的多个功率电子模块背靠背连接，共享共同的DC链路(要求非常小的缓冲电容器)。多个功率电子模块在输入侧串联地并且在输出侧并联或串/并联地堆叠在一起。
[0014]提出的实施例的这些和其它特征、方面和优点参照下面的描述和所附权利要求将变得更好理解。包含在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
【附图说明】
[0015]从与附图相结合的以下详细描述中明显看出本发明的前述和其它特征、方面和优点，在附图中相同的符号表示附图通篇中的相同部件，其中:
[0016]图1示出使用本领域现状技术的示范性多兆瓦驱动器；
[0017]图2示出按照一个实施例的模块化三相驱动器；
[0018]图3示出按照一个实施例的模块化6.6kV，12MV的驱动器；
[0019]图4是示出按照一个实施例的功率电子模块的简化示意图；
[0020]图5示出按照一个实施例的具有谐振回路电路的模块化功率电子模块；
[0021]图6示出按照另一个实施例的具有谐振回路电路的模块化功率电子模块；
[0022]图7示出按照又一个实施例的具有谐振回路电路的模块化功率电子模块；
[0023]图8示出按照一个实施例的I丽、3个单元堆叠功率电子系统，其中多个DC/DC转换器交错以形成具有非常小的缓冲电容器的DC电压链路；
[0024]图9示出按照一个实施例的配置成对多相AC/DC负载配电的多个模块化功率电子丰吴块；
[0025]图10示出按照一个实施例的使用多个模块化功率电子模块的可缩放电压功率电子系统；以及
[0026]图11示出按照一个实施例的使用多个模块化功率电子模块的基于电流链路的HVDC功率输配电系统；
[0027]图12示出按照一个实施例的使用多个模块化功率电子模块的用于双向功率流动的基于电流链路的HVDC功率输配电系统；以及
[0028]图13示出按照一个实施例的使用包含由DC/AC非折叠逆变器跟随的DC/DC折叠转换器的多个功率电子模块的基于电流链路的驱动器系统。
[0029]虽然以上标识的附图陈述备选实施例，但是本发明的其它实施例也如讨论中指出的被考虑。在所有情况中，本公开以表现并且非限制的方式提出本发明的所示实施例。本领域的技术人员能够想出落入本发明的原理的范围和精神内的许多其它修改和实施例。
【具体实施方式】
[0030]参考图2，示出使用本领域现状技术的示范性多兆瓦模块化三相驱动器系统2。相同的功率电子模块22用于在机器端24生成AC电压。但是，如本文所述，能够使用多个模块22生成η相DC或AC输出。模块22包括中/高频隔离的DC/DC电流到电压转换器26和单相DC/AC转换器28。DC/DC和DC/AC转换器26、28背靠背连接，共享相同的dc链路29。参考本文图4-11提出DC/DC转换器26和DC/AC转换器28的更详细描述。
[0031]变压器领域的技术人员将理解，对于特定应用，变压器的较高激励频率将允许其大小和重量的减小。因此，预期每个模块22具有高功率密度。继续参考图2，采用每输出相位一个模块22。但是，如本文所述，能够采用每相位许多模块，其适合于期望在机器端上多电平电压的兆瓦驱动器。
[0032]图3示出用于400A DC电流源的模块化6.6kV，12MV驱动器系统30。驱动器系统30采用每相位四个模块22。输出相位电压32具有9个电平。驱动器系统30的模块化性质允许每相位采用多个模块，以有利地提供可缩放的输出电压。另外，模块22可以(在输入和输出两端)有利地交错以生成高质量输入输出波形。
[0033]图4是示出按照一个实施例的功率电子模块40的更详细视图的示意图，所述功率电子模块40适合于与驱动器系统20 —起使用。功率电子模块40包括由单相dc/ac逆变器级44跟随的dc/dc转换器级42。为了讨论通过将dc/ac逆变器级44描绘为电阻器负载&而简化图4中示出的模块40。根据一个实施例，电流到电压转换由软开关基于谐振的dc/dc转换器42实现。图4中示出的电流馈电并联谐振转换器42能够被视作是双重的常规电压馈电串联谐振转换器。该谐振转换器42提供相对于负载的相对平坦的功率(efficiency)曲线；并且利用开关频率的适当调谐，它能够为桥式器件46提供软开关。另外，更多控制灵活性能够通过使用多个控制变量(脉冲宽度和频率)来提供。
[0034]继续参考图4，采用可编程控制器48来控制而非限制:开关频率、脉冲宽度和频率调制，即定时和交错。更具体地说，可编程控制器48可控制与桥式器件46关联的开关频率。由桥式器件46生成的脉冲宽度还可经由可编程控制器48来控制。另外，如本文所述，多个模块22、42能够(在输入和输出两端)有利地交错，以生成高质量输入输出波形。
[0035]使用脉冲宽度和频率调制的组合来调节对于不同负载值的输出电压有助于减少两个变量的变化范围，从而避免在轻负载条件下非常窄的脉冲宽度的应用，与使用固定频率方法相比这能够帮助在较宽负载范围上维持软开关操作。频率变化的范围同样是窄的(1-1.5倍的谐振频率)，其没有使滤波器设计复杂化。
[0036]许多谐振拓扑变形(诸如但不限于图5-7中示出的那些)还能够根据本文描述的原理来使用，以提供不同动态特性和电压/电流调谐能力。图5示出按照一个实施例的具有谐振回路电路82的另一个模块化功率电子模块80。图6示出按照另一个实施例的具有谐振回路电路92的模块化功率电子模块90。图7示出按照又一个实施例的具有谐振回路电路102的模块化功率电子模块100。
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