功率变换系统的制作方法

本发明通常涉及功率电子电路，更具体地讲，特别涉及一种功率变换系统。

背景技术：

已知的功率变换系统，例如具有变频器(variablefrequencydrive,vfd)的功率变换器可以用于将来自电网的第一电流变换为第二电流。第二电流可以被提供到另一电网或者电机或者可以从发电机提供到电网。

许多功率变换系统可以被设计为包括隔离变压器，隔离变压器因尺寸规格而通常效率非常低。在无变压器式功率变换系统中，可以使用共模阻抗来代替隔离变压器中可用的共模特征阻抗。

另外，因为无变压器式功率变换系统中不存在隔离变压器，所以需要为无变压器式功率变换系统提供接地故障保护。

技术实现要素：

现在归纳本发明的一个或多个方面以便于本发明的基本理解，其中该归纳并不是本发明的扩展性纵览，且并非旨在标识本发明的某些要素，也并非旨在划出其范围。相反，该归纳的主要目的是在下文呈现更详细的描述之前用简化形式呈现本发明的一些概念。

本发明的一个或多个实施例提供一种功率变换系统，其包括：

一个或多个功率变换装置，电耦合到电网连接；其中，每个功率变换装置包括：

功率变换器，用于将由电网连接提供的第一多相电流转换为第二电流；

网侧滤波器，耦合在电网连接与功率变换器的输入之间；及负载侧滤波器，耦合到功率变换器的输出；

其中，网侧滤波器的公共点和负载侧滤波器的公共点连接在一起以 形成第一节点，该第一节点不直接接地。

较佳地，上述功率变换系统为无变压器式功率变换系统。

较佳地，在上述功率变换系统中，该第一节点通过阻抗连接到地。

较佳地，在上述功率变换系统中，上述阻抗为高阻抗。

较佳地，在上述功率变换系统中，该功率变换器的输入不通过变压器连接到电网连接，功率变换器的输出通过变压器连接到负载。

较佳地，在上述功率变换系统中，该功率变换器的输入通过变压器连接到电网连接，功率变换器的输出不通过变压器连接到负载。

较佳地，在上述功率变换系统中，该功率变换器的输入不通过变压器连接到电网连接，功率变换器的输出不通过变压器连接到负载。

较佳地，在上述功率变换系统中，该阻抗包括电感式阻抗、电容式阻抗、电阻式阻抗或者它们的组合。

较佳地，在上述功率变换系统中，该阻抗包括第一电阻、第二电阻和电容；第一电阻和电容串联连接；第二电阻和串联连接的第一电阻和电容并联连接在第一节点和地之间。

较佳地，在上述功率变换系统中，该阻抗包括第一电阻、第二电阻、电容和电感；第一电阻、电容和电感串联连接；第二电阻和串联连接的第一电阻、电容和电感并联连接在在第一节点和地之间。

较佳地，在上述功率变换系统中，每个功率变换装置还包括：

共模滤波器，耦合于网侧滤波器和功率变换器之间或者耦合于功率变换器和负载侧滤波器之间。

较佳地，在上述功率变换系统中，该功率变换器包括耦合到网侧滤波器的网侧变换器、耦合到负载侧滤波器的负载侧变换器和耦合在网侧变换器和负载侧变换器之间的dc链路；

其中，每个功率变换装置还包括：

共模滤波器，耦合于网侧变换器和负载侧变换器之间。

较佳地，在上述功率变换系统中，该共模滤波器包括共模扼流器。

较佳地，在上述功率变换系统中，该功率变换器包括电压源变换器。

较佳地，在上述功率变换系统中，该功率变换器包括多电平变换器。

较佳地，上述功率变换系统还包括：

电动马达，用于接收第二电流。

较佳地，上述功率变换系统还包括：

发电机，用于产生第二电流。

较佳地，上述功率变换系统还包括：

变压器，用于对第二电流进行变压。

较佳地，在上述功率变换系统中，对于功率变换器的输入的每个相，该网侧滤波器包括第一电感器、第二电感器、第一电阻器及第一电容器；第一电感器的一端耦合到功率变换器的输入的相应相，第一电感器的另一端通过第二电感器耦合到电网连接的相应相；串联连接的第一电阻器和第一电容器的一端耦合于第一电感器和第二电感器之间，串联连接的第一电阻器和第一电容器的另一端耦合到第一节点；

其中，对于功率变换器的输出的每个相，该负载侧滤波器包括第三电感器、第二电阻器及第二电容器；第三电感器耦合于功率变换器的输出的相应相和负载的输入的相应相之间；串联连接的第二电阻器和第二电容器的一端耦合于第三电感器和负载的输入的相应相之间，串联连接的第二电阻器和第二电容器的另一端耦合到第一节点。

本发明一个或多个实施例提供的上述功率变换系统，网侧滤波器的公共点和负载侧滤波器的公共点连接在一起以形成第一节点，该第一节点不直接接地，可以满足共模设计要求以及提供接地故障保护。

附图说明

图1是根据本发明一示范性实施例的功率变换系统的示意性框图。

图2是根据本发明第一实施例的功率变换装置的示意性框图。

图3是根据本发明第二实施例的功率变换装置的示意性框图。

图4是根据本发明第三实施例的功率变换装置的示意性框图。

图5是根据本发明第四实施例的功率变换装置的示意性框图。

图6是根据本发明第五实施例的功率变换装置的示意性框图。

图7是根据本发明第六实施例的功率变换装置的示意性框图。

图8是图1所示功率变换系统的单相共模等效电路图，该功率变换系统具有两个功率变换装置。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其它元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。

图1是根据本发明一示范性实施例的功率变换系统100的示意性框图。功率变换系统100包括电耦合至电网连接122的n个功率变换装置102。每个功率变换装置102包括功率变换器104，功率变换器104可被配置成例如变频器(variablefrequencydrive,vfd)。功率变换器104用于驱动耦合到可旋转装置的负载106。负载106以电机作为例子。可旋转装置可以包括但不限于风扇108、泵110、压缩机112或其它负载114。

在本示范性实施例中，功率变换系统100以无变压器式功率变换系统作为例子。即，功率变换器104的输入不通过变压器耦合到电网连接122，功 率变换器104的输出不通过变压器耦合到负载106。

在本示范性实施例中，功率变换系统100

通过被构造为使提供电压从传输电压电平压降到分布电压电平的压降变压器118，功率变换系统100提供有来自电网116的电功率。断路器120允许将功率变换系统100与电网116隔离。通过例如电网连接122向每个功率变换装置102供电。每个功率变换装置102中的断路器124允许相应的功率变换装置102与电网连接122隔离，以进行功率变换装置102的正常开启和关闭。

图2是根据本发明第一实施例的功率变换装置402的示意性框图，功率变换装置402为图1所示功率变换装置102的一个例子。

功率变换装置402包括网侧滤波器101、负载侧滤波器105和功率变换器104。功率变换器104用于将多个相44中的第一多相电流转换为第二电流。第二电流通过负载侧滤波器105提供到负载106。第一多相电流可以具有三个相。

在一个示范性实施例中，功率变换器104可以包括例如电压源变换器。

在一个示范性实施例中，功率变换器104可以包括例如多电平变换器。

在本示范性实施例中，功率变换器104可以被配置成例如变频器(vfd)。功率变换器104包括网侧变换器126、负载侧变换器130和耦合于网侧变换器126与负载侧变换器130之间的dc链路128。网侧变换器126的输入通过网侧滤波器101耦合到电网连接122，负载侧变换器130的输出通过负载侧滤波器105耦合到负载106。

在图2所示实施例中，网侧滤波器101的公共点和负载侧滤波器105的公共点，如在下面所描述的，连接在一起以形成第一节点32。第一节点32不直接接地。

对于功率变换器104的输入的每个相44，网侧滤波器101包括第一电感器l1、第二电感器l2、第一电阻器r1和第一电容器c1。第一电感器l1的一端耦合到功率变换器104的输入的相应相44，第一电感器l1的另一端通过第二电感器l2耦合到电网连接122的相应相。进一步地，第一电阻器r1和第一电容器c1串联连接。串联连接的第一电阻器r1和第一电容器c1的 一端连接在第一电感器l1和第二电感器l2之间，串联连接的第一电阻器r1和第一电容器c1的另一端连接到第一节点32。串联连接的第一电阻器r1和第一电容器c1与第一节点32之间的连接点是网侧滤波器101的公共点。

网侧滤波器101用于基本上减小功率变换器104的ac信号输入内的波动。在一示范性实施例中，网侧滤波器101可以包括例如正弦滤波器，正弦滤波器可以基本上减小电流和电压谐波，并限制过电压。

对于功率变换器104的输出的每个相45，负载侧滤波器105包括第三电感器ldv、第二电阻器r2及第二电容器c2。第三电感器ldv耦合在功率变换器104的输入的相应相45和负载106的输入的相应相之间。进一步地，第二电阻器r2与第二电容器c2串联连接。串联连接的第二电阻器r2和第二电容器c2的一端耦合于第三电感器ldv和负载106的输入的相应相之间，串联连接的第二电阻器r2和第二电容器c2的另一端耦合到第一节点32。串联连接的第二电阻器r2和第二电容器c2与第一节点32之间的连接点是负载侧滤波器105的公共点。

负载侧滤波器105用于基本上减小功率变换器104的ac信号输出内的波动。在一个示范性实施例中，负载侧滤波器105可以包括例如dv/dt滤波器，dv/dt滤波器可以基本上减小电压随时间的变化率(dv/dt)，并限制过电压。

功率变换装置102还包括共模滤波器103。在示范性实施例中，共模滤波器103耦合于网侧滤波器101和功率变换器104之间。在另一示范性实施例中，共模滤波器103耦合于功率变换器104与负载侧滤波器105之间。在本示范性实施例中，共模滤波器103可以包括例如共模扼流器。

功率变换装置102还包括耦合于第一节点32和地之间的阻抗zn。在本示范性实施例中，阻抗zn可以包括例如电感、电容、电阻或者它们之间的组合。在其它的实施例中，第一节点32直接接地，也即，第一节点32不经过阻抗连接到地。

在本示范性实施例中，阻抗zn可以是例如高阻抗。

在本示范性实施例中，负载106可以包括例如电机，电机用于接收第二电流。在其它的示范性实施例中，负载106可以包括例如变压器，变压器用于对第二电流进行变压。

图3是根据本发明第二实施例的功率变换装置502的示意性框图，功率变换装置502可以是图1所示功率变换装置102的示例。图3所示功率变换装置502和图2所示功率变换装置402之间的区别在于功率变换装置502可以包括发电机68，发电机68用于产生第二电流，如在图2中所描述的。例如，发电机68可以连接到水力发电站或潮汐发电站的涡轮机或者连接到风机。

图4是根据本发明第三实施例的功率变换装置602的示意性框图，功率变换装置602作为图1所示功率变换装置102的示例。在图4的实施例中，阻抗zn包括第一电阻r3、第二电阻r4和电容c3；第一电阻r3和电容c3串联连接；第二电阻r4和串联连接的第一电阻r3和电容c3并联耦合于第一节点32与地之间。

图5是根据本发明第四实施例的功率变换装置702的示意性框图，功率变换装置702作为图1所示功率变换装置102的示例。在图5的实施例中，阻抗zn包括第一电阻r3、第二电阻r4、电容c3和电感l3；第一电阻r3、电容c3和电感l3串联连接；第二电阻r4和串联连接的第一电阻r3、电容c3和电感l3并联耦合于第一节点32和地之间。

图6是根据本发明第五实施例的功率变换装置802的示意性框图。功率变换装置802作为图1所示功率变换装置102的示例。图6所示功率变换装置802和图2所示功率变换装置402之间的区别在于第一节点32没有通过阻抗zn连接到地。在其它的实施例中，第一节点32直接接地。在图6的实施例中，功率变换器104的输入通过变压器45耦合到电网连接122，功率变换器104的输出不通过变压器耦合到负载106。在其它的实施例中，第一节点32直接接地。

图7是根据本发明第六实施例的功率变换装置902的示意性框图，功率变换装置902作为图1所示功率变换装置102的示例。图7所示功率变换装置902和图2所示功率变换装置402之间的区别在于第一节点32未通过阻抗zn连接到地。在其它的实施例中，第一节点32直接接地。在图7的实施例中，功率变换器104的输入不通过变压器耦合到电网连接122，功率变换器 104的输出通过变压器45连接到负载106。在其它的实施例中，第一节点32直接接地。

图8为图1所示功率变换系统100的单相共模等效电路图，功率变换系统100具有两个功率变换装置102，例如功率变换装置1和功率变换装置2。在本示范性实施例中，在每个功率变换装置102内，功率变换器104包括交流转直流变换器202、直流链路204、直流转交流变换器206；交流转直流变换器202的输入电耦合至电网连接122，交流转直流变换器202的输出电耦合至直流链路204；直流转交流变换器206的输入电耦合至直流链路204，直流转交流变换器206的输出电耦合至对应的电机106。

功率变换系统100的特征阻抗包括电网感抗228。每个功率变换装置102内的特征阻抗包括网侧滤波器101的阻抗、共模感抗234、负载侧滤波器105的阻抗及负载侧电缆244的容抗242。网侧滤波器101的阻抗包括第一线感抗230、第二线感抗232及输入容抗238。负载侧滤波器105的阻抗包括驱动感抗236及输出容抗240。输入容抗238与输出容抗240之间的连接点通过阻抗zn接地。输入容抗238与输出容抗240之间的连接点可以是图2所示的第一节点32。

在图8所示实施例中，阻抗zn为高阻抗，阻抗zn用于限制接地故障电流，以预防设备损坏及电弧(或电火花)造成的危害。尤其是，对于特殊情况，例如在煤矿的粉尘等易爆炸性环境中，接地故障电流的最大值被严格地限制以防止爆炸。

共模感抗234被设计成能吸收变换器202、206产生的高频共模电压，其阻抗主导/支配着包括滤波容抗238、240的电压环路，这个电压环路不包括高阻抗zn。因此，即使当功率变换系统100被高阻抗接地时，电网侧及电机侧的共模电压压力通常会得到降低并且能够满足相关的合规性要求。共模感抗234以共模扼流器的阻抗作为举例。

共模感抗234以及高阻抗zn被设计成满足所有的共模设计要求以及提供接地故障保护。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可 以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。