无变压器式多电平转换器的制造方法
【专利摘要】中压系统40包括：多电平转换器42，其连接到电网连接46，其中该多电平转换器42适于将在电网连接46处提供的第一多相电流转换成第二电流；和共模滤波器30，其对于第一电流的每个相44包括连接到相应相44的相滤波器54。每个相滤波器54连接到与地18连接的公共滤波器星点32。每个相滤波器54包括电容Cf。
【专利说明】无变压器式多电平转换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子电路的领域。本发明涉及具有多电平转换器(multilevelconverter)的中压系统。
【背景技术】
[0002]具有多电平转换器的中压系统用于将来自电力电网的第一电流转换成第二电流，其可供应给另外的电网或电动马达，或可从发电机供应到电力电网内。 [0003]现今的通用中压系统中的大部分使用隔离变压器，其由于成本和尺寸要求而通常具有非常低的效率(在I MVA低至97%)。
[0004]在US 5，625，545中示出，如果电网电压与供应给电动马达的电压匹配，则甚至情况可能是这样。
[0005]在无变压器式中压系统中，隔离变压器的内在可用的共模阻抗典型地被共模阻抗取代，例如参见 IAS 2001 Bin Wu、S.Rizzo、N.Zargari 和 Y.Xiao “An IntegratedDC Link Choke for Elimination of Motor Common mode Voltage in Medium VoltageDrives (用于消除中压驱动器中的马达共模电压的集成DC链路扼流圈)”和2010 ABB产品手册 “Medium voltage AC drive, ACS 2000 (中压 AC 驱动器，ACS 2000)，，。
【发明内容】
[0006]本发明的目的可以是提供用于具有多电平转换器的无变压器式中压系统的简单的共模接地(common mode grounding)?
[0007]该目的由独立权利要求的主旨实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下面的描述中是清楚的。
[0008]本发明涉及中压系统。必须理解中压系统可以是电气系统，其适于处理在I kV以上和/或50 kV以下(例如在15kV以下)的电压。
[0009]根据本发明的实施例，中压系统包括:多电平转换器，其连接到电网连接，其中该多电平转换器适于将在电网连接处提供的第一多相电流转换成第二电流；和共模滤波器，其对于第一电流的每个相包括连接到相应相的相滤波器。共模滤波器的相滤波器连接到公共滤波器星点，其连接到地。每个相滤波器包括电容，即至少一个电容器。中压系统可仅在电网侧经由公共滤波器星点而连接到地。
[0010]多电平转换器可以是电气转换器，其适于生成超过两个或三个的输出电压电平，例如5、7个，或更多的电压输出电平。也就是说，第二电流可具有超过三个的输出电压电平。
[0011]第一多相电流可以是具有超过两个相的AC电流。例如，第一多相电流可具有两个或三个相。
[0012]特别在没有变压器的情况下，多电平转换器可直接连接到电网连接。多电平系统在电网侧上可以是无变压器的。[0013]电网连接可以是公共耦合点(PCC)，其可定义为这样的点，即在该点处作为本地电力系统的中压系统连接到大型(非本地)电力电网。
[0014]在无变压器式中压系统中，利用共模滤波器，可避免任何共模电感器。通过在中压系统的电网侧上利用在星点处的低阻抗接地连接而引入小的电容式共模滤波器，可实现到地的主共模电压电容式耦合。在低和高阻抗接地系统中，没有明显的共模电压或电流可到达电网。
[0015]当中压系统包括用第二电流供应的电机时，中压机器绕组上额外的共模应力和相关的轴承电流效应可甚至对于标准电机和改装应用很好地在控制之中。
[0016]该技术方案可通过使系统在PCC (公共耦合点)附近共模接地而适用于具有任何多电平拓扑(具有7电平或更高的VSI)的任何多电平转换器。共模阻抗可被消除而不危及电机的绕组隔离或轴承寿命或电网连接的要求。
[0017]在两或三相系统中，共模滤波器(其可提供低阻抗接地)可在电网侧上包括相对小的两相或三相电容式滤波器。电容式滤波器可包括在星点处连接有相等的电容的两个或三个电容器。
[0018]共模滤波器可具有这样的电容，其是任何机器侧电容式接地阻抗的(其可以是机器侧滤波器、机器侧电缆或接地的机器绕组电容)大约10倍。
[0019]此外，电网侧上的小的电容式共模滤波器可以是调谐滤波器并且可包括另外的电感性部件(inductivity)和/或电阻器。
[0020]根据本发明的实施例，每个相滤波器包括与电容串联连接的电感性部件和/或与电容串联连接的电阻器。该电感性部件和电阻器可并联连接。这样的调谐滤波器设计可具有额外优势，即电网侧上所得的差模谐振可变化较少，这可促使转换器的谐波抑制或电网侧谐振的主动阻尼的稳健实现。
[0021 ] 根据本发明的实施例，共模滤波器包括滤波器星点与地之间的阻抗。滤波器星点或公共点到地的实体连接可包括一些额外的阻抗。该阻抗可以具有电阻式、电容式或电感式类型和/或可包括串联或并联的电容器、电感性部件和电阻器。这样的额外阻抗可在较低接地电流或接地故障选择性方面提供一些额外的益处(尤其对于并联连接系统如此)。
[0022]根据本发明的实施例，共模滤波器(对于每个相)包括在电网连接与多电平转换器之间连接的电感性部件。共模滤波器可与电网侧上未接地的其他滤波器组合。
[0023]根据本发明的实施例，相滤波器到相应相的连接点是在电网连接与位于电网连接和多电平转换器之间的电感性部件之间。这些额外的滤波器可以是在基本共模滤波器与多电平转换器之间。共模滤波器的连接可以直接在电网连接处和/或可在公共连接点(PCC)附近。
[0024]共模滤波器可适用于无变压器式中压驱动器、无变压器式风力系统、无变压器式太阳能系统和/或无变压器式联锁电力网(transformerless intertie)。
[0025]根据本发明的实施例，中压系统包括用于接收第二电流的电动马达。中压系统可以是中压驱动器。
[0026]根据本发明的实施例，中压系统包括用于生成第二电流的发电机。例如，中压系统可以是潮汐电站或风电站的一部分。
[0027]根据本发明的实施例，中压系统包括用于提供第二电流的DC源。例如，该DC源可以是DC链路或至少一个太阳能电池板。中压系统可以是太阳能电站。
[0028]根据本发明的实施例，中压系统包括用于变换第二电流的变压器。必须理解中压系统可仅在电网侧处是无变压器的。在机器侧上，中压系统可包括在多电平转换器与连接到第二电流的电机或发电机之间的一个或多个变压器。
[0029]中压系统可包括任何种类的基于VSI的多电平转换器，如例如对于ANPCML转换器、直接和间接MMLC转换器，例如链环(chain link)型STATC0M (具有全桥)。
[0030]根据本发明的实施例，多电平转换器是ANPCML (有源中性点钳位多电平)转换器。
[0031]根据本发明的实施例，多电平转换器是间接MMLC (模块化多电平)转换器。共模滤波器可与二象限(2Q)或四象限(4Q)中压电力转换一起使用，即与包括整流器和逆变器的多电平转换器一起使用，其中该逆变器以及可选地整流器包括MMLC转换器的电力模块。然而，整流器可以是无源整流器或二极管前端。
[0032]根据本发明的实施例，多电平转换器是直接MMLC转换器。
[0033]本发明的这些和其他方面将从在下文描述的实施例显而易见并且参考在下文描述的实施例来说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]本发明的主旨将在下列正文中参考在附图中图示的优选示范性实施例更加详细地说明，其中:
图1示出电网中具有低阻抗接地的电路图。
[0035]图2示出电网中具有高电阻接地的电路图。
[0036]图3示出根据本发明的实施例的中压系统的示意图。
[0037]图4示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0038]图5示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0039]图6示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0040]图7示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0041]图8示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0042]图9示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0043]图10示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0044]图11示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0045]图12示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的共模等效电路。
[0046]图13示出根据本发明的实施例可用于模拟中压系统的电缆模型的电路图。
[0047]图14示出根据本发明的实施例可用于模拟中压系统的电机的模型的电路图。
[0048]图15示出根据本发明的实施例对于中压系统的ANPCML逆变器的电路图。
[0049]图16示出根据本发明的实施例对于中压系统的间接MMLC逆变器的电路图。
[0050]图17示出根据本发明的实施例对于中压系统的直接MMLC转换器的电路图。
[0051]图18示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0052]图19示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0053]图20示出根据本发明的另外的实施例的中压系统的示意图。
[0054]图21示出根据本发明的实施例在低阻抗接地系统的电网侧处具有共模电压的图。
[0055]图22示出根据本发明的实施例在高阻抗接地系统的电网侧处具有共模电压的图。
[0056]图23示出根据本发明的实施例在系统的PCC处具有共模电压的图。
[0057]图24示出根据本发明的实施例在系统的机器星点处具有共模电压的图。
[0058]原则上，相同的部件在图中提供有相同的标号。
【具体实施方式】
[0059]中压电网中的梓地概念
例如，为了减少瞬态过电压，使用实体或阻抗接地。接地系统可具有能够进行接地故障定位这一另外的优势。
[0060]图1示出在电网中具有低阻抗接地的电路图。系统10包括变压器12，其具有在星点14互连的绕组。该星点14经由低阻抗16而连接到地18。在接地故障20的情况下，接地电流Ie可经由低阻抗16而均衡。
[0061]图2示出在电网中具有高电阻(S卩，高阻抗)接地的电路图。在系统10’中，变压器12的星点14经由高阻抗16’而连接到地18。
[0062]系统10’进一步包括共模滤波器30，其具有通过公共滤波器星点32而互连的三个电容器X⑶。由接地故障20生成的共模电流I?可通过共模滤波器30而均衡。
[0063]选择电阻器16’使得通过电阻器的电流Ik、接地电流Ie和共模电流Ιω互相抵消。
[0064]一般，下面的阻抗接地概念典型地在高达15kV的中压分配电网中使用:
一低阻抗接地(用于将接地故障电流Ie限制在100A至1000A之间)，
一高阻抗接地(用于将电阻器电流Ik限制在典型地IOA或更少)，
一电抗接地(如果期望的电流幅度是几千安培)，以及 一谐振接地(接地故障中和器)。
[0065]在下面，对于在下面的图中示出的无变压器式中压系统，研究低和高阻抗接地，因为它们在接地阻抗方面可视为两个极端。
[0066]具有多电平转换器的中压系统
下面的图示出具有多电平转换器42的中压系统40，其全部包括共模滤波器30。
[0067]特别地，图3的系统40包括多电平转换器42，其经由三个相44而连接到电网连接46。该电网连接46可以是使中压系统40与电网48互连的公共耦合点。
[0068]多电平转换器42适于将相44中的第一多相电流转换成要供应给另外的电气连接50的第二电流。
[0069]在电网侧处，系统40包括共模滤波器30，该共模滤波器30包括三个电容器Cf，其在一端处连接到相应的相44并且在另一端处共同连接到星点32。仅系统40的星点32接地。每个电容器Cf可视为对于相应相52的相滤波器54。
[0070]系统40可通过一组中压电缆52而连接到电网连接46。滤波器30可连接到电缆52后的相44。此外，系统40可包括另外的电网侧滤波器56,其包括对于每个相44的电感性部件Lf并且其在共模滤波器30与多电平转换器42之间互连。电感性部件Lf可视为相应相滤波器54的一部分。[0071]图4示出系统40的另外的实施例。共模滤波器30可进一步包括在星点32与地18之间连接的阻抗ZN。
[0072]在该情况下，滤波器星点32或公共点32到地18的实体连接可包括一定额外的阻抗ZN。该阻抗Zn可以是电阻式、电容式或电感式类型或可以是串联或并联的多个这样的元件的组合。
[0073]图5示出系统40的另外的实施例。共模滤波器30可以是电网侧处的调谐滤波器30。共模滤波器30的每个相滤波器54包括并联连接的电感性部件Lf2和电阻器Rf，它们与电容器Cf串联连接。
[0074]可调谐小的电容式共模滤波器30来使电网侧上所得的差模谐振保持变化较少并且促使转换器42的谐波抑制或电网侧谐振的主动阻尼的稳健实现。
[0075]图6示出系统40的另外的实施例。调谐共模滤波器30可与接地连接中的阻抗Zn组合。
[0076]共模滤波器30可适用于无变压器式电力电子系统，例如用于可再生能源的无变压器式电网耦合或无变压器式电网接口。
[0077]图7示出系统40的另外的实施例。该系统40可包括电动马达60，其经由第二连接50而连接到多电平转换器42。该第二连接50可以是多相连接(在当前情况下是三相连接)，其也包括一组中压电缆62。
[0078]图8示出系统40的另外的实施例。该系统40可包括变压器64，其经由第二连接50而连接到多电平转换器42。例如，系统40可以是电网48与电网66之间的联锁电力网。
[0079]图8进一步示出电网48与多电平转换器42之间的连接可以是两相连接。共模滤波器30可仅包括两相滤波器54。
[0080]图8的系统40可视为从三相到一或两相的无变压器式电网耦合。必须注意，系统40仅在具有共模滤波器30的一侧处是无变压器的。
[0081]图9示出系统40的另外的实施例，该系统40可视为从三相到三相的无变压器式电网耦合。
[0082]图10示出具有(旋转)发电机68的系统40的另外的实施例。例如，发电机40可连接到水或潮汐电站的涡轮机或到风力涡轮机。
[0083]图11示出系统40的另外的实施例，其中多电平转换器50连接到太阳能电池板70。连接50可以是DC电流连接。
[0084]无变压器式中压驱动器的接地
图12示出中压系统40的共模等效电路。在共模效应方面，中压系统40自身的接地概念是主要感兴趣的。对于中压系统40的相关共模研究，可以使用如在图12中示出的对应共丰吴等效电路。
[0085]馈电中压电网48的中性接地电阻16、16’和电容式阻抗82可能是重要的，它们将主电路拉至接近接地(高频等效)。相关的电容式阻抗82典型地是电力电缆52、62以及电机60、68的机器绕组中的阻抗。
[0086]图12进一步示出电网侧滤波器56和机器侧滤波器88，其可以是dv/dt滤波器。
[0087]可假设其他差模谐波要求通过多电平转换器42而满足。
[0088]如在图12中示出的，存在使中压系统40接地的三个可能性: —在电网侧(CMl)上，
-在转换器的中性点(CM2 )上，或 一在机器侧(CM3)上。
[0089]过去，因为AC-DC电力转换(整流器)级84或DC-AC电力转换(逆变器)级86的共模等效电压源被分离，并且到地的任何移动局限于一个等效共模电压源的幅值(而不是它的总和)，优选电力转换系统的DC链路中的CM2接地。典型地在主要目的是使任何共模电压移动保持远离电机60、68的情况下优选CM3接地。
[0090]为了实现无变压器式中压驱动器系统40，必须注意，到电网48的电耦合基本上是变化的。到电网48具有高共模阻抗的隔离变压器消失。由转换器42施加给电网48的共模应力(电压、电流)正变得更重要。
[0091]这可通过以下来解决:在CM3或CM2处接地并且通过在转换器42与电网48之间使用额外的共模阻抗以限制到达中压电网的共模电压和/或电流的量。
[0092]然而，利用在图3至11中示出的中压系统40，CMl用作接地点。这可高效地限制到达电网48的任何共模电压或电流应力。另外，该新概念避免了任何共模电抗器，这关于成本和尺寸可是个优势。
[0093]大型机器绕组电容82、机器侧电缆电容82和机器侧(dv/dt)滤波器88可以是到地的主要共模电容式阻抗。它们因此可在机器侧处使公共电压系统(尤其对于较高频率)接地。在这样的情况下，所有共模电压(以及因此生成的共模电流)将在电网侧处出现。
[0094]这通过在CMl处的电网侧处的到地18的主要共模电容式阻抗30而得以避免。利用该措施，共模应力可移到机器侧，这可限制电网侧上的共模应力。该额外的机器侧共模应力是可接受的，甚至对于包括改装应用的标准电机60、68也如此。
[0095]通过在CMl处使中压系统40接地，可以避免任何额外的共模阻抗。如关于图3至11解释的那样，可在电网侧上在小的三相电容式滤波器Cf的星点32处完成(低阻抗)接地。该三相电容式滤波器30形成3 X Cf的到地的共模阻抗。
[0096]安装的电网侧共模电容(=3 X Cf)(其可包括到地18的电网侧电缆电容82)可比到地的机器侧电容82 (其可包括机器60、86绕组的电容、电缆62的电容和/或dv/dt滤波器88的电容)大得多。这可允许在电网侧上实现主要共模接地，其有助于使共模谐波失真保持远离电网48。
[0097]中压电缆
对于中压系统40的研究，因为典型的中压电缆52、62可引入相当大的电容和额外的谐振频率，知道典型的中压电缆52、62的数据，这是有益的。可选择较高的电压设计来代表电缆52、62影响的最坏情况。另一方面，电缆52、62的长度通常在多电平转换器42的两侧上局限于200m。更长的电缆52、62可以是可能的。
[0098]下面的表格示出对于12/20 kV XPLE电缆的中压数据:
【权利要求】
1.一种中压系统(40),其包括: 多电平转换器(42)，其连接到电网连接(46)，其中所述多电平转换器(42)适于将在所述电网连接(46)处提供的第一多相电流转换成第二电流；和 共模滤波器(30)，其对于所述第一电流的每个相(44)包括连接到相应相(44)的相滤波器(54)； 其中每个相滤波器(54)连接到与地(18)连接的公共滤波器星点(32);并且 其中每个相滤波器(54)包括电容(Cf)。
2.如权利要求1所述的中压系统(40)， 其中每个相滤波器(54)包括与所述电容(Cf)串联连接的电感性部件(Lf2)。
3.如权利要求1或2所述的中压系统(40)， 其中每个相滤波器(54)包括与所述电容(Cf)串联连接的电阻器(Rf)。
4.如权利要求1-3中任一项所述的中压系统(40)， 其中所述共模滤波器(30)包括在所述滤波器星点(32)与所述地(18)之间的阻抗(Zn)0
5.如权利要求1-4中任一项所述的中压系统(40)， 其中所述共模滤波器(30 )对于每个相(44 )包括在所述电网连接(46 )与所述多电平转换器(42)之间连接的电感性部件(Lf)。
6.如权利要求6所述的中压系统(40)， 其中相滤波器(54)到相应相(44)的连接点在所述电网连接(46)与位于所述电网连接与所述多电平转换器(42)之间的所述电感性部件(Lf)之间。
7.如权利要求1-6中任一项所述的中压系统(40)，其进一步包括: 电动马达(60)，用于接收所述第二电流。
8.如权利要求1-7中任一项所述的中压系统(40)，其进一步包括: 发电机(68 )，用于生成所述第二电流。
9.如权利要求1-8中任一项所述的中压系统(40)，其进一步包括: DC源(70，120 )，用于提供所述第二电流。
10.如权利要求1-9中任一项所述的中压系统(40)，其进一步包括: 变压器(64 )，用于变换所述第二电流。
11.如权利要求1-10中任一项所述的中压系统(40)， 其中所述第一多相电流具有两个或三个相(44)。
12.如权利要求1-11中任一项所述的中压系统(40)， 其中所述多电平转换器(42)包括ANPCML转换器。
13.如权利要求1-12中任一项所述的中压系统(40)， 其中所述多电平转换器(42)包括间接MMLC转换器。
14.如权利要求1-13中任一项所述的中压系统(40)， 其中所述多电平转换器(42)包括直接MMLC转换器。
【文档编号】H02M7/483GK103718441SQ201280038642
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月2日 优先权日:2011年8月4日
【发明者】P.斯泰梅 申请人:Abb 技术有限公司