专利名称：电能变换装置与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种电能变换装置与系统。
背景技术：
风力发电、太阳能发电、潮汐发电等可再生能源的发电利用越来越受到人们的关注。这些新能源发电系统的普遍特点是发电设备分散、单机容量小、分布面积广、输出电压电流不稳定，如何将这些可再生能源发电设备产生的电能高效、可靠、低成本地回馈至电网，使发电设备产生的电能转变为可供工业、民用直接使用的三相电，是目前我国及世界范围内急需解决的问题。现有技术的一种风力发电电能回馈设备采用交流励磁线绕式转子双馈电机变速恒频风力发电系统，该系统中采用位于转子侧功率变流器，调节双馈电机的交流励磁电流， 使发电机定子绕组发出电能，并直接回馈入电网。由于双馈发电机系统的特点，一般需要低压并且能够四象限运行的功率变流器，如可四象限运行的交-直-交两电平变频器，图1为现有技术可四象限运行的交-直-交两电平变频器的原理图，如图1所示，该方案变频器仅处理转差功率，一般额定功率为发电机容量的三分之一左右，并且也属于低压变流器，因此变流器的成本、体积大大降低，但该方案所存在的问题是，由于发电机采用线绕式转子，并通过滑环交流励磁，使发电机体积及成本增加，由于滑环的使用，致使发电机故障率高，维护费用高。现有技术的另一种风力发电电能回馈设备采用永磁发电机变速恒频风力发电系统。该方案中，风机叶轮带动永磁发电机旋转，发出的电能经过功率变流器的变频调制后， 变为与电网匹配的三相交流电，并回馈入电网，实现变速恒频发电，图2为现有技术一种永磁发电机变速恒频风力发电系统的原理图，图3为现有技术另一种永磁发电机变速恒频风力发电系统的原理图，如图2、图3所示，该方案解决了上述方案中发电机可靠性的问题，整个系统运行故障率低，但由于该方案中变流器功率与发电机功率相同，并需要使用大量的电解电容器，因此变流器成本很高，变流设备体积大。图4为现有技术采用电流型变流器的变速恒频风力发电系统的原理图，如图4所示，该系统使用了半可控功率半导体器件晶闸管，该方式虽然成本较低，但网侧谐波污染严重，功率因数低，还需要额外增加谐波治理设备，使总造价提高。在相关的技术方案中，包括可再生能源发电设备在内的发电设备向电网回馈电能时存在谐波污染严重、功率因数低的问题，针对该问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供电能变换装置以解决现有技术中发电设备向电网回馈电能时存在谐波污染严重、功率因数低、造价高的问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电能变换装置。本发明的第一种电能变换装置包括多个单相整流桥电路，所述多个整流桥电路的第一输入端用于与交流电源各相输出端一对一连接，第二输入端连接在一起；多个三相全控桥式电路，其中每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别与每个所述整流桥电路的两个输出端连接，或者，每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别通过电感与每个所述整流桥电路的两个输出端连接。进一步地，本发明的这种电能变换装置还包括副边为多路三相绕组的变压器，所述三相全控桥式电路的输入端分别与所述多路三相绕组连接。进一步地，本发明的这种电能变换装置还包括至少一个脉宽调制三相逆变桥电路，其三个输出端分别经由串接电感或分别经由串接电感和电容，与所述三相全控桥式电路的三个输出端连接，或者单独与所述多路三相绕组连接。为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了又一种电能变换装置。本发明的这种电能变换装置包括多组整流电路串，其中，每组整流电路串包括多个整流桥电路，所述多个整流桥电路通过第一输入端和第二输入端依次串联，位于一端的一个整流桥电路的第一输入端作为所述整流电路串的第一输入端，位于另一端的一个整流桥电路的第二输入端作为所述整流电路串的第二输入端；多个整流电路串的多个第一输入端用于与交流电源各相输出端一对一连接，多个第二输入端连接在一起；多组三相全控桥式电路，其中，每组所述三相全控桥式电路的两个输入端分别与每个所述整流桥电路的两个输出端连接，或者，每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别通过电感与每个所述整流桥电路的两个输出端连接。进一步地，本发明的这种电能变换装置还包括副边为多路三相绕组的变压器，所述三相全控桥式电路的输入端分别与所述多路三相绕组连接。进一步地，本发明的这种电能变换装置还包括至少一个脉宽调制三相逆变桥电路，其三个输出端分别经由串接电感或分别经由串接电感和电容，与所述三相全控桥式电路的三个输出端连接，或者单独与所述多路三相绕组连接。应用本发明的技术方案，通过对发电设备产生的三相交流电的各相输出分别进行处理，从而有助于改善发电设备电流的波形系数，降低谐波，提高功率因数和设备的利用率，采用晶闸管作为功率变换单元的主开关器件，成本低、可靠性高，通过不同级的晶闸管三相全控桥式电路串接，可适用于不同等级的发电设备，提高回馈功率因数，隔离变压器副边的多路绕组可使该装置能够与不同电压等级的电网匹配，可提高回馈电网电流的波形系数及功率因数，向电网输送无功功率，发电设备输出端电流及电网侧电流正弦度高，具有转换效率高、工作可靠、寿命长以及易于推广、易于维护的优点。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1为现有技术可四象限运行的交-直-交两电平变频器的原理图；图2为现有技术一种永磁发电机变速恒频风力发电系统的原理图；图3为现有技术另一种永磁发电机变速恒频风力发电系统的原理图；图4为现有技术采用电流型变流器的变速恒频风力发电系统的原理图；图5是根据本发明第一实施例的电能变换装置中多个单相整流桥电路的电路原理图；图6是根据本发明第一实施例的电能变换装置的电路原理图；图7是根据本发明第一实施例中的整流桥电路与三相全控桥式电路之间串联电感的原理图；图8是根据本发明第一实施例中PWM三相逆变桥电路与电感连接的原理图；图9是根据本发明第二实施例中的电能回馈系统将多相输出交流电源产生的电能回馈至电网的连接方式的原理图；图10是根据本发明第三实施例的电能变换装置结构的原理图；图11是根据本发明第三实施例的电能变换装置中的整流电路串结构的原理图；图12为根据本发明各实施例中PWM三相逆变桥电路采用IGBT的原理图；以及图13为根据本发明实施例中的采用分裂式移相绕法的变压器的原理图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。图5是根据本发明第一实施例的电能变换装置中单相整流桥电路的电路原理图。如图5所示，本发明第一实施例中的电能变换装置为图5中的虚线框50中的部分，这种电能变换装置包括三个整流桥电路，每个整流桥电路包括第一输入端和第二输入端，例如虚线框51中的整流桥电路中，第一输入端和第二输入端分别为A点和B点。在图 5中示出的这种电能变换装置中，三个整流桥电路的第二输入端连接在一起，连接点如图中所示的0点。图5中的三个整流桥电路的三个第一输入端用于与交流电源三相输出端一对一连接，图5中示出了交流电源52。该交流电源可以是可再生能源发电系统的发电机。图5中的整流桥电路中的整流元件可以采用晶闸管，也可以采用二极管。图中示出了采用晶闸管的情形。采用图5所示的电能变换装置，能够对交流电源的各相输出分别进行处理，因此在将处理过的各相输出进行逆变处理之后回馈至电网时，有助于降低该交流电源向电网回馈电能时产生谐波污染，并有助于提高该交流电源回馈至电网的电能的功率因数。在图5所示的电能变换装置的基础上可以进一步连接三相全控桥式电路，具体如图6所示，图6是根据本发明第一实施例中的一种电能变换装置的电路原理图。在图6中， 在每个整流桥电路的输出端连接三相全控桥式电路，该三相全控桥式电路可以是晶间管三相全控桥式电路。在连接了三相全控桥式电路后，图6中的电能变换装置可以利用其中的三相全控桥式电路对交流电源52回馈至电网的电能作进一步处理，有助于提高电能质量。图7是根据本发明第一实施例中的整流桥电路与三相全控桥式电路之间串联电感的原理图。对于图6中的互相连接的整流桥电路和三相全控桥式电路，它们之间可以串联电感，如图7中的电感70，这样能够对整流桥电路的输出进行滤波和限流。图6中的电能变换装置可以增加至少一个脉宽调制PWM(PulseWidth Modulation)三相逆变桥电路。如图8所示，图8是根据本发明第一实施例中PWM三相逆变桥电路与电感连接的原理图，PWM三相逆变桥电路可以采用滤波电容及可关断关导体器件组成，其直流侧包含滤波电容，交流侧的三相引出端分别连接三个用于滤波及限流的电感，另外也可以与该电感再串接电容。连接有电感或电感与电容的PWM三相逆变桥电路与图6 中的电能变换装置中的三相全控桥式电路连接，有助于进一步补偿输入到电网的电能的功率因数，并进一步减小该电能带来的谐波污染。在利用图6中的电能变换装置进行电能回馈时，可以先将该电能变换装置与隔离变压器连接，该变压器的副边为多路三相绕组，在连接时，将多路三相绕组中的各路三相绕组与图6中的电能变换装置中的三相全控桥式电路连接。隔离变压器的一路三相绕组可以与一个或多个三相全控桥式电路连接。在采用隔离变压器的情况下，本实施例中的连接有电感或电感与电容的PWM三相逆变桥电路可以与该隔离变压器副边的多路三相绕组一对一连接。采用隔离变压器能够使本实施例中的电能变换装置能够与各种电压等级的电网进行匹配，并有助于进一步提高回馈至电网的电流波形系数及电能的功率因数。通过调节 PWM三相逆变桥电路的交流侧电流，有助于进一步提高隔离变压器原边的功率因数，并减小谐波。以下再对本发明第二实施例中的电能回馈系统的结构作出说明。本发明第二实施例中的电能回馈系统可以用于将多相输出交流电源产生的电能回馈至电网。图9是根据本发明第二实施例中的电能回馈系统将多相输出交流电源产生的电能回馈至电网的连接方式的原理图。在图9中示出了六相交流发电机90，图9中的各个虚线框例如虚线框91表示一个电能回馈单元，其结构可以采用本发明第一实施例中的电能变换装置的结构。各个实线框例如实线框92表示一个本实施例中的整流桥电路，或连接在一起的整流桥电路与三相全控桥式电路。图中示出了六相交流发电机90的一组三相输出端901、902和903，它们与电能变换装置90中的整流桥电路(图中未示出该整流桥具体结构)的三个第一输入端901、902和903 —对一连接。根据图9的接线方式，本实施例中的电能回馈系统也可以用于将更多相的交流发电机产生的电能回馈至电网。以下再对本发明第三实施例的电能变换装置的结构作出说明。图10是根据本发明第三实施例的电能变换装置结构的原理图。如图10所示，电能变换装置包括三个整流串及三相全控桥电路，图10中的虚线框101、102和103分别表示整流电路串和三相全控桥式电路，每个整流电路串的结构如图11中的虚线框111所示，图11是根据本发明第三实施例的电能变换装置中的整流电路串结构的原理图。图11中的整流电路串包含多个整流桥电路，这些整流桥电路通过输入端依次串联，一端的整流电路的第一输入端，即图中的A点， 作为整流电路的第一输入端；另一端的整流电路的第二输入端，即图中的B点，作为整流电路串的第二输入端。图10中相应示出了上述A点和B点的位置。在图10中，三个整流电路串的三个第一输入端用于与三相交流电源三相输出端一对一连接，三个第二输入端连接在一起，即图10中的0点。本发明第三实施例中的电能变换装置中，整流桥电路可以是二极管整流电路或晶闸管整流电路。类似于本发明第一实施例中的电能变换装置，本发明第三实施例中的电能变换装置中，每个整流桥电路的输出端还可以连接三相全控桥式电路，而且在整流桥电路与三相全控桥式电路连接时，二者之间可以串联电感。本发明第三实施例中的电能变换装置可以包括至少一个脉宽调制PWM三相逆变桥电路，连接方式与第一实施例中类似，PWM三相逆变桥电路的输出端串接电感或串接电感和电容后与三相全控桥式电路的输出端连接。如果采用副边为多路三相绕组的变压器将本实施例中的电能变换装置与电网连接，则这些三相绕组与三相全控桥式电路连接，并且PWM 三相逆变桥电路的连接方式可以是在其输出端串接电感或串接电感和电容后与变压器的多路三相绕组一对一连接。隔离变压器的一路三相绕组可以与一个或多个三相全控桥式电路连接。在本发明第四实施例中，采用第三实施例中的电能变换装置作为电能回馈单元来组成电能回馈系统，将这样的多个电能回馈单元按照类似于第二实施例中的连接方式，即每个电能回馈单元中，三个整流电路的三个第一输入端与多相输出交流电源的一组三相输出端一对一连接，对此可以参考图9。在本发明的各个实施例中，PWM三相逆变桥电路中的可关断半导体器件可以采用绝缘栅双极型功率管IGBTansulated GateBipolar Transistor)或集成门极换流晶闸管 IGCT(Intergrated GateCommutated Thyristors)，还可以是其他可关断半导体器件。图12 为根据本发明各实施例中PWM三相逆变桥电路采用IGBT的原理图，如图12所示，该电路采用六个IGBT两两串联，形成三个桥臂，然后将三个桥臂并联，其直流侧的正、负端并联接入滤波电容，通过控制六个IGBT的通、断来控制交流侧电流。在本发明的各个实施例中，用于将电能变换装置与电网进行连接的变压器可以是原边绕组为多个三相绕组并联连接的分裂式变压器，以使其副边绕组短路阻抗分布对称； 该变压器还可以是副边绕组采用移相绕法的移相变压器。如图13所示，图13为根据本发明实施例中的采用分列式移相绕法的变压器的原理图，图13中的变压器包含有多组并联的原边绕组，多路副边绕组可以采用延边三角形绕法或曲折移相绕法，不同的副边绕组可以设计成不同的移相角。采用分列式移相变压器可以提高回馈入电网的电流波形系数，减小谐波。从以上的描述中可以看出，应用本发明实施例的技术方案，通过对发电设备产生的三相或多相交流电的各相输出分别进行处理，从而有助于改善发电设备电流的波形系数，降低谐波，提高功率因数和设备的利用率，采用二极管或晶闸管作为整流元件，以及采用晶闸管作为功率变换单元的主开关器件，成本低、可靠性高，通过不同级的晶闸管三相全控桥式电路串接，可适用于不同等级的发电设备，提高回馈功率因数，隔离变压器副边的多路绕组可使该装置能够与不同电压等级的电网匹配，可提高回馈电网电流的波形系数及功率因数，向电网输送无功功率，发电设备输出端电流及电网侧电流正弦度高，具有转换效率高、工作可靠、寿命长以及易于推广、易于维护的优点。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种电能变换装置，其特征在于，包括多个单相整流桥电路，所述多个整流桥电路的第一输入端用于与交流电源各相输出端一对一连接，第二输入端连接在一起；多个三相全控桥式电路，其中每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别与每个所述整流桥电路的两个输出端连接，或者，每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别通过电感与每个所述整流桥电路的两个输出端连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括副边为多路三相绕组的变压器，所述三相全控桥式电路的输出端分别与所述多路三相绕组连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括至少一个脉宽调制三相逆变桥电路，其三个输出端分别经由串接电感或分别经由串接电感和电容，与所述三相全控桥式电路的三个输出端连接，或者单独与所述多路三相绕组连接。
4.一种电能变换装置，其特征在于，包括多组整流电路串，其中，每组整流电路串包括多个整流桥电路，所述多个整流桥电路通过第一输入端和第二输入端依次串联，位于一端的一个整流桥电路的第一输入端作为所述整流电路串的第一输入端，位于另一端的一个整流桥电路的第二输入端作为所述整流电路串的第二输入端；多组整流电路串的多个第一输入端用于与交流电源各相输出端一对一连接，多个第二输入端连接在一起；多组三相全控桥式电路，其中，每组所述三相全控桥式电路的两个输入端分别与每个所述整流桥电路的两个输出端连接，或者，每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别通过电感与每个所述整流桥电路的两个输出端连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括副边为多路三相绕组的变压器，所述三相全控桥式电路的输出端分别与所述多路三相绕组连接。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，还包括至少一个脉宽调制三相逆变桥电路，其三个输出端分别经由串接电感或分别经由串接电感和电容，与所述三相全控桥式电路的三个输出端连接，或者单独与所述多路三相绕组连接。
全文摘要
本发明公开了电能变换装置与系统，用以解决现有技术中发电设备向电网回馈电能时存在谐波污染严重、功率因数低的问题。本发明公开的一种电能变换装置包括多个单相整流桥电路，所述多个整流桥电路的第一输入端用于与交流电源各相输出端一对一连接，第二输入端连接在一起；以及多个三相全控桥式电路，其中每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别与每个所述整流桥电路的两个输出端连接，或者，每个所述三相全控桥式电路的两个输入端分别通过电感与每个所述整流桥电路的两个输出端连接。应用本发明的技术方案，有助于改善发电设备电流的波形系数，降低谐波，提高功率因数。
文档编号H02J3/18GK102263414SQ20101018999
公开日2011年11月30日 申请日期2010年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者张东胜 申请人:新能动力(北京)电气科技有限公司