专利名称：功率变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及与电力系统、配电系统、单相交流架空线等系统串联的功率变换器，尤其涉及面对故障也能继续运转的功率变换器。
背景技术：
图8是示出例如美国专利第5646511号公报所示的已有功率变换器的组成的电路图。该功率变换器组合2级初级线圈与电力系统、配电系统或电气地铁等用的单相交流架空线(下文简称为系统)串联的串联变压器和其次级方的多级复接变压器(multiple array transformers)，将交流—直流变换器单元连接到系统。此功率变换器具有系统的功率通量控制装置的功能。图中，在系统的电源方1与系统的电源方(或负载方)2之间连接串联变压器200的初级线圈201。串联变压器200的次级线圈202与多级复接变压器410～440(示出4级复接的情况)的初级线圈411～441串联。多级复接变压器410～440的次级线圈412～442分别连接交流—直流变换器单元510～540的交流方，并将4个交流—直流变换器单元510～540的直流方连接公共的直流电路511。
由于以上那样构成已有的功率变换器，即使多个交流—直流变换器单元510～540中的一个发生故障，也不能维持串联电路511的直流电压，造成全部交流—直流变换器单元不能工作，必须使功率变换器停止。还存在应该使功率变换器一直停止到修理完或定期检修完，从而系统运转率降低的问题。
本发明是为解决此课题而完成的，其目的在于得到一种功率变换器，即使多个交流—直流变换器单元中的1个发生故障，或定期检修中停止工作，功率变换器也能对系统继续运转。
发明内容
本发明的功率变换器，具有初级线圈与系统串联的串联变压器、与该串联变压器的次级线圈串联的多级复接变压器、分别串联在所述多级复接变压器的各初级线圈两端的常闭型开关、并联在所述多级复接变压器各初级线圈与其两端的开关的串联体上的常开型分流设备、交流方分别连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流—直流变换器单元、以及分别连接所述各交流—直流变换器单元的直流方的相互独立的直流电路，通过使特定的所述多级复接变压器的初级线圈的所述分流设备导通，并使该初级线圈两端的所述开关阻断，可将所述特定的多级复接变压器与其连接的所述交流—直流变换器单元隔离。
由此，不仅使整个装置的运转率提高、可靠性提高，而且因扩容方便而能使装置容量增大。
又，本发明的功率变换器，具有初级线圈与系统串联的多级复接变压器、分别串联在所述多级复接变压器的各初级线圈两端的常闭型开关、并联在所述多级复接变压器的各初级线圈与其两端的开关的串联体上的常开型第1分流设备、交流方分别连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流—直流变压器单元、连接所述各交流-直流变压器单元的各直流方的相互独立的直流电路、以及并联在串联的全部所述多级复接变压器上的常开型第2分流设备，通过使特定的所述多级复接变压器的初级线圈的所述第1分流设备导通，并使该初级线圈两端的所述开关阻断，可将所述特定的多级复接变压器与其连接的所述交流—直流变压器单元隔离。
由此，不仅使整个装置的运转率提高、可靠性提高，而且因扩容方便而能使装置容量增大。
图1是示出本发明实施方式1的功率变换器的组成的电路图。
图2是示出实施方式2功率变换器的组成的电路图。
图3是示出普通单相交流—直流变换器的组成的电路图。
图4是示出实施方式3功率变换器的组成的电路图。
图5是示出实施方式4功率变换器的组成的电路图。
图6是示出实施方式5功率变换器的组成的电路图。
图7是示出实施方式6功率变换器的组成的电路图。
图8是示出已有的功率变换器的组成的电路图。
具体实施例方式
实施方式1图1是示出本发明实施方式1的功率变换器的电路图。各图中，相同的标号表示相同或相当的部分，下文也这样。图1中，将串联变压器200的初级线圈201串联在系统的电源方1与系统的电源方、或负载方2之间。串联变压器200的次级线圈202与多级复接变压器410～440(示出4级复接的情况)的初级线圈411～441串联。多级复接变压器410～440的次级线圈412～442分别连接交流—直流变换器单元510～540的交流方，4个交流—直流变换器510～540的直流方连接相互独立的直流电路511～541。
本发明的功率变换器所取的组成使交流—直流变换器单元510～540的各个直流电路相互独立，不连接其它交流—直流变换器单元的直流电路。在多级复接变压器410～440的各初级线圈411～441的两端分别配置(连接)常闭型开关(断流器、断路器或半导体开关)311～341和312～342，将常开型分流设备(断流器、断路器或半导体开关)310～340并联配置(连接)在各个多级复接变压器410～440的初级线圈411～441与其两端的开关311～341和312～342的串联体上。因此，所取组成使特定的多级复接变压器的初级线圈的分流设备导通，并且其初级线圈两端的开关阻断时，将该特定的多级复接变压器从系统隔离开。
又在串联变压器200的初级线圈201的两端分别串联配置(连接)开关(断流器、断路器和半导体开关)101和102，在串联变压器200的初级线圈201的2个开关101和102的串联体上并联配置(连接)分流设备(断流器、断路器和半导体开关)103。
还配置将直流变压器200的次级线圈202短路的短路设备(断流器、断路器和半导体开关)300，在系统发生故障时形成短路电流，从而所取组成能一起保护交流—直流变换器单元510～540和多级复接变压器410～440。由于有分流设备310～340，某些情况也可省略短路设备300。可根据成本、设置空间、冗余性的设计思想选择这些设备。
此外，实施方式1，其串联变压器200的次级线圈202的线圈结构也能按△(三角形)联结、Y(星形)联结或单相联结应用。多级复接变压器410～440的次级线圈412～441的线圈结构也能按△(三角形)联结、Y(星形)联结或单相联结应用。
接着，说明其工作。与系统串联的功率变换器的特征是交流—直流变换器单元510～540本身不能控制单元流通的电流，控制的仅为单元510～540输出的电压的大小和相位。功率变换器能间接控制系统的电流，其原因在于，使交流—直流变换器单元510～540的输出电压矢量和以多级复接变压器410～440为中介，在串联变压器200的初级线圈201产生电压，该注入电压(injectionvoltage)使系统1与系统2之间以某相位产生某大小的电压，从而系统网络上的全部电压源、电流源在一切系统阻抗状态下能改变通过功率变换器的电流。这意味着此功率变换器具有系统的功率通量控制装置的功能。因此，功率变换器的交流—直流变换器单元510～540采用成为电压源的电压型变换器(VoltageSourced Converter)。由于此工作原理，各个交流—直流变换器单元不必产生相同的电压，即使1个交流—直流变换器单元停止，功率变换器也没有问题，可继续运转。
实施方式1的功率变换器在平常的时候，其分流设备103为阻断状态，开关101和102为导通状态，短路设备300为阻断状态，而且分流设备310～340为阻断状态，开关311～341和312～342为导通状态。
现假设交流—直流变换器单元510因发生故障而脱离系统。这时，使分流设备310导通，开关311和312阻断，因而实施方式1中还使直流电路511与其它交流—直流变换器单元的直流电路521～541电隔离。所以，作为功率变换器，能继续运转。以往的功率变换器中，部分交流—直流变换器单元脱离则不能运转，其原因在于，交流—直流变换器单元的交流方和直流方都不独立。
要求交流—直流变换器单元组510～540使串联变压器200的初级线圈201产生其作为整体指定的电压差。本实施方式1中，由于独立构成交流—直流变换器单元组510～540，即使其中的1个或多个交流—直流变换器单元脱离，作为功率变换器也能运转。
按交流—直流变换器单元数(N)满足功率变换器要求的规范时，如果具有增加1个或几个(n)的冗余的(N+n)个交流—直流变换器单元，即使连n个交流—直流变换器单元都发生故障，系统的额定值也不受损，能继续运转。因此，具备作为冗余的交流—直流变换器单元，则脱离掉冗余份额的交流—直流变换器单元，功率变换器也照旧能以100％额定值运转。
在系统出故障等情况下交流—直流变换器单元510～540流过的最大电流大于交流—直流变换器单元510～540的额定电流时，通过所取组成增加多级复接变压器和交流—直流变换器单元的复接级数，能减小交流—直流变换器单元510～540的最大电流。这是根据与系统串联的功率变换器的性质而达到的。将注入到串联变压器200的初级线圈的电压Vs与系统的最大电流Is的乘积定义为功率变换器的额定值，则将功率变换器的额定值(Vs×Is)除以多级复接变压器和交流—直流变换器单元的1级份额的额定电压Vc与额定电流Ic的乘积(Vc×Ic)，可求出级数N。用从平常时的系统的额定电流求出的级数N1，仍旧使系统出故障等情况下交流—直流变换器电压的最大电流超过额定电流，因而可在交流—直流变换器单元的额定电流Ic2中考虑系统出故障时的最大电流Is2，以降低额定值的方式使用交流—直流变换器单元和多级复接变压器在平常时的额定值，使其小于最大额定值。这相当于设计成降低多级复接变压器410～440的初级线圈411～441的电压，因而复接级数N增多。
实施方式1利用上述与系统串联的功率变换器的性质，在设置功率变换器后，对多级复接变压器和交流—直流变换器单元以串联状态进行增设，从而可扩充功率变换器的容量。由于交流—直流变换器单元的直流电路组成独立，才可能形成此特征。
实施方式1中，串联变压器200通常在降低次级线圈电压时，系统出故障等情况下次级线圈202的最大电流变大。实施方式1也可采用在次级线圈202的最大电流超过半导体开关(短路设备)300、断路器(分流设备)310～340和断流器(开关)311～341、312～342的额定电流时，串联变压器200中优化的方法，反之采用将次级线圈升压，使半导体开关300、断路器310～340和断流器311～341、312～342的额定值优化的方法。
实施方式2实施方式1中，所取组成将交流—直流变换器单元510～540逐个隔离，但如图2所示，多级复接变压器450和460的次级线圈452和462连接交流—直流变压器单元550～580各2个。这时，成对的2个直流电路551和552变成共接，但独立于别的直流电路对551和552。这点与实施方式1相同。
交流—直流变压器单元为2×N个时，与实施方式1相比，多级复接变压器的级数为N的一半即可，因而可望多级复接变压器制作成本便宜。然而，实施方式2中，交流—直流变压器单元出故障或定期检修使2个该单元停止，但如果不影响冗余期望的运转率，就能提供没有问题的系统。实施方式2由于同时控制2个交流—直流变压器单元，控制单元(未示出)中共用称为直流电压控制的部分电路，从而能省略1个，降低成本。
图3是示出普通单相交流—直流变压器(单相变换器)的组成的电路图。图中，交流方端子901连接自消弧元件911、912和续流二极管921、922，交流方端子902连接自消弧元件913、914和续流二极管923、924。直流方端子连接电容器930。实施方式2也能用于交流—直流变压器单元构成图3所示的单相桥路的情况。在电气地铁单相交流架空线的系统的情况下，由于不能采用三相桥接交流—直流变压器单元，需要采用图3的单相桥接交流—直流变压器单元。
实施方式3实施方式1中，在系统的电源方1与系统的电源方(或负载方)2之间配置串联变压器200，以构成多级复接变压器410～440和交流—直流变压器单元510～540，但图4所示的实施方式3中，其组成可将多级复接变压器410～440直接串联在系统的电源方1与系统的电源方(或负载方)2之间。对复接器410～440的次级线圈411～441总体并联连接分流设备(断流器、断路器或半导体开关)300，在系统出故障等情况下，将多级复接变压器410～440的初级线圈411～441全部一起旁路。
图4的电路能用于可直接将多级复接变压器连接到系统时、可直接连接半导体开关时和多级复接变压器可用1级使认为较高的系统电压变换(通常为降压)成交流—直流变压器单元的交流电压时等。
实施方式1中，对串联变压器200的次级线圈电压降压时，通常次级线圈202的电流变大。为此，系统出故障等情况下次级线圈202流过最大电流太大时，应该制作额定电流大的半导体开关300。电压高而额定电流小的半导体开关300比电压低而额定电流大的半导体开关300容易制作时，可省略串联变压器200，采用实施方式3的组成结构。
实施方式4实施方式2中，在系统的电源方1与系统的电源方(或负载方)2之间配置串联变压器200，以构成多级复接变压器450～460和交流—直流变压器单元550～580，但图5所示的实施方式4中，其组成可将多级复接变压器450～460直接串联在系统的电源方1与系统的电源方(或负载方)2之间。对复接器450～460的次级线圈451～461总体并联连接分流设备(断流器、断路器或半导体开关)300，在系统出故障等情况下，将多级复接变压器450～460的初级线圈451～461全部一起旁路。
图5的电路能用于可直接将多级复接变压器连接到系统时、可直接连接半导体开关时和多级复接变压器可用1级使认为较高的系统电压变换(通常为降压)成交流—直流变压器单元的交流电压时等。
实施方式2中，对串联变压器200的次级线圈电压降压时，通常次级线圈202的电流变大。为此，系统出故障等情况下次级线圈202流过最大电流太大时，应该制作额定电流大的半导体开关300。电压高而额定电流小的半导体开关300比电压低而额定电流大的半导体开关300容易制作时，可省略串联变压器200，采用实施方式4的组成结构。
实施方式5实施方式1中，每个多级复接变压器构成使多级复接变压器410～440的初级线圈411～441隔离开系统的开关311～341和312～342、以及分流设备310～340各1组，但如图6所示，实施方式5中，由串联的多个变压器810和820构成多级复接变压器801。同样，由串联的多个变压器830和840构成多级复接变压器802。在多个变压器810和820的初级线圈811与821的串联体的两端串联连接常闭型开关311和322。同样，在多个变压器830和840的初级线圈831与841的串联体的两端串联连接常闭型开关331和342。在多个变压器810和820的两端的开关311与322的串联体上并联连接1个常开型分流设备310。同样，在多个变压器830和840的两端的开关331与342的串联体上并联连接1个常开型分流设备330。而且，各变压器810～840的各次级线圈812、822、832、842分别连接交流—直流变换器单元510～540。利用图6的组成结构，能减少成本。
此结构损失多级复接变压器和交流—直流变换器单元的冗余，但只要作为功率变换器的冗余性没有问题，就能采用。
结构从实施方式1改变到实施方式5的方法也可用于实施方式2、实施方式3或实施方式4。
实施方式6实施方式1中，每一交流-直流变换器单元通过不仅连接电容器，而且连接其它储能装置，使功率变换器输出的注入电压以360度的哪个相位都能输出有功分量的电压和无功分量的电压。
作为储能装置的例子，有以蓄电池为代表的二次电池、大容量电容器等储能装置、以兼作发动机的发电机为中介连接飞轮之类的机械式能源的另一种交流—直流变换器电压。
图7所示的实施方式6的结构可理解为DVR(Dynamic Voltage Restorer动态电压恢复器)、UPFC(Unified Power Flow Controller统一功率通量控制器)。通过交流—直流变换器单元510～540的直流电路511～541独立连接别的交流—直流变换器513～543，并从交流—直流变换器513～543通过变压器610～640、断流器611～641、变压器700、断流器701分别连接到系统，从而能得到独立的能源。
工业上的实用性综上所述，本发明的功率变换器适合用于发生部分故障也能继续运转的功率通量控制装置。
权利要求
1.一种功率变换器，其特征在于，包括初级线圈与系统串联的串联变压器、与该串联变压器的次级线圈串联的多级复接变压器、分别串联在所述多级复接变压器的各初级线圈两端的常闭型开关、并联在所述多级复接变压器各初级线圈与其两端的开关形成的串联体上的常开型分流设备、交流方分别连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流—直流变换器单元、以及分别连接所述各交流—直流变换器单元的直流方的、相互独立的直流电路，通过使特定的所述多级复接变压器的初级线圈的所述分流设备关闭，并使该初级线圈两端的所述开关打开，可将所述特定的多级复接变压器和与其相连接的所述交流—直流变换器单元隔离。
2.如权利要求1中所述的功率变换器，其特征在于，交流方连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流—直流变换器单元有多个，所述各多级复接变压器次级线圈的多个交流—直流变换器单元的直流方设置公共直流电路，所述公共直流电路独立于另一所述多级复接变压器各次级线圈的多个交流—直流变换器单元的直流方设置的公共直流电路。
3.如权利要求1中所述的功率变换器，其特征在于，由串联的多个变压器构成各所述多级复接变压器。
4.一种功率变换器，其特征在于，包括初级线圈与系统串联的多级复接变压器、分别串联在所述多级复接变压器的各初级线圈两端的常闭型开关、并联在所述多级复接变压器的各初级线圈与其两端的开关形成的串联体上的常开型第1分流设备、交流方分别连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流—直流变压器单元、连接所述各交流—直流变压器单元的各直流方的、相互独立的直流电路、以及并联在串联的全部所述多级复接变压器上的常开型第2分流设备，通过使特定的所述多级复接变压器的初级线圈的所述第1分流设备关闭，并使该初级线圈两端的所述开关打开，可将所述特定的多级复接变压器和与其相连接的所述交流—直流变压器单元隔离。
5.如权利要求4中所述的功率变换器，其特征在于，交流方连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流—直流变换器单元有多个，所述各多级复接变压器次级线圈的多个交流—直流变换器单元的直流方设置公共直流电路，所述公共直流电路独立于另一所述多级复接变压器各次级线圈的多个交流—直流变换器单元的直流方设置的公共直流电路。
6.如权利要求4中所述的功率变换器，其特征在于，由串联的多个变压器构成各所述多级复接变压器。
全文摘要
本发明的功率变换器具有初级线圈串联在与系统串联的串联变压器的次级线圈上的多级复接变压器、分别串联在所述多级复接变压器的各初级线圈两端的常闭型开关、并联在所述多级复接变压器的各初级线圈与其两端的开关的串联体上的常开型分流设备、交流方分别连接所述多级复接变压器的各次级线圈的交流－直流变压器单元、以及连接所述各交流－直流变压器单元的各直流方的相互独立的直流电路，通过使特定的所述多级复接变压器的初级线圈的所述分流设备关闭，并使该初级线圈两端的所述开关打开，可将所述特定的多级复接变压器与其连接的所述交流－直流变换器单元隔离。因而，即使面对部分故障，该变换器也能继续工作。
文档编号H02M7/08GK1762081SQ20048000727
公开日2006年4月19日 申请日期2004年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者有塚智彦 申请人:三菱电机株式会社