具有充油电抗器的功率变换器

摘要

提供一种用于在高电压DC连接和高电压AC连接之间传输功率的功率变换器。功率变换器包括功率变换器组合件(6)，该功率变换器组合件(6)包括：串联地连接在DC连接的正端子(DC+)和负端子(DC‑)之间的第一变换器臂(13a)、第一电抗器(15a)、第二电抗器(15b)和第二变换器臂(13b)。高电压AC连接提供在第一电抗器(15a)和第二电抗器(15b)之间。变换器臂的每一个包括多个变换器单元，并且变换器单元的每一个包括开关元件和能量存储元件。第一电抗器和第二电抗器都是充油电抗器。

权利要求

1.一种用于在高电压DC连接（81）和高电压AC连接（80,80a-c）之间传输功率的功率变换器（1），所述功率变换器（1）包括功率变换器组合件（6,6a-c），所述功率变换器组合件（6,

6a-c）包括：

串联地连接在所述DC连接（81）的正端子和负端子之间的第一变换器臂（13a）、第一电抗器（15a）、第二电抗器（15b）和第二变换器臂（13b）；

其中所述高电压AC连接（80,80a-c）提供在所述第一变换器臂和所述第二变换器臂之间；

所述变换器臂（13a-b）的每一个包括多个变换器单元（32a-d，32），并且所述变换器单元（32a-d，32）的每一个包括开关元件（40,40a-d）和能量存储元件（41）；

所述第一电抗器（15a）和所述第二电抗器（15b）都是放置在所述第一变换器臂（13a）和所述第二变换器臂（13b）之间的充油电抗器，并且配置成充当过滤器以在所述AC连接（80）上提供充分正弦波形；以及所述AC连接（80,80a-c）提供在所述第一电抗器（15a）和所述第二电抗器（15b）之间，并且包括提供在具有开口端（95）的外壳(91)内的导体（90），从而在所述AC连接（80,80a-c）被连接时允许到所述第一电抗器（15a）和所述第二电抗器（15b）二者的充油AC连接（80,80a-c）。

2.如权利要求1所述的功率变换器（1），其中所述开口端（95）形成套管的一部分。

3.如权利要求2所述的功率变换器，其中所述AC连接可连接到对应连接器（85），所述对应连接器（85）包括外壳（51）、导体（50）和开口端（55），所述开口端形成套管的一部分以便允许与所述AC连接（80）的对应开口端（95）连接，由此在所述导体（50，90）被带进彼此电接触以及所述外壳（51,91）被连接时，封闭所述导体（50,90）之间的空间（52,92）。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的功率变换器（1）,进一步包括串联地布置在所述DC连接（81）的所述正端子和负端子（DC＋，DC－）之间的DC侧电容器（12）。

5.如权利要求1-3中的任一项所述的功率变换器（1），其中所述功率变换器单元（32a-d，32）是全桥变换器单元。

6.如权利要求1-3中的任一项所述的功率变换器（1），其中所述变换器单元（32a-d，32）是半桥变换器单元。

7.如权利要求1-3中的任一项所述的功率变换器（1），其中所述第一电抗器（15a）和所述第二电抗器（15b）都提供有铁芯。

8.如权利要求1-3中的任一项所述的功率变换器（1），包括用于在公共高电压DC连接和三相高电压AC连接（80a-c）之间的连接的三个所述功率变换器组合件（6,6a-c）。

说明书

具有充油电抗器的功率变换器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于在高电压DC连接和高电压AC连接之间传输功率的功率变换器。

背景技术

[0002] 在HVDC(高电压直流)应用中，功率变换器用于在AC(交流)电网和DC(直流)之间变换。

[0003] 功率变换器通常在AC侧上提供有电抗器，部分作为功率变换器的组成部分，并且也充当过滤器用于提供适合的AC波形。然而，用于高电压应用的电抗器占据大量空间。而且，尺寸严重限制能够放置电抗器的地方，从而引起不灵活的安装拓扑。

发明内容

[0004] 目的是提供具有小型电抗器的功率变换器。

[0005] 根据第一方面，提供用于在高电压DC连接和高电压AC连接之间传输功率的功率变换器。功率变换器包括功率变换器组合件，该功率变换器组合件包括：串联地连接在DC连接的正端子和负端子之间的第一变换器臂、第一电抗器、第二电抗器和第二变换器臂。高电压AC连接提供在第一变换器臂和第二变换器臂之间。变换器臂的每一个包括多个变换器单元，并且变换器单元的每一个包括开关元件和能量存储元件。第一电抗器和第二电抗器都是充油电抗器。

[0006] 与使单个开关(例如晶闸管)取代相应变换器臂相比，具有变换器单元的变换器臂(也被称为多级变换器)的使用允许变换器单元的每一个的个别控制，因此每个开关导致AC连接上的相对小电压阶跃。降低的电压差使多级变换器结构容许电抗器中的更大的寄生电容。这允许显著小于对应的充气电抗器的充油电抗器的使用。

[0007] 降低的尺寸例如对于其中空间被特别限制的离岸(off-shore)应用非常重要。此外，充油电抗器的小尺寸允许更灵活的安装，因为电抗器能够在各种位置中放置。而且，具有充油电抗器的安装对于操作者更安全，因为空气中的高电压基本上被避免。

[0008] AC连接可包括提供在具有开口端的外壳内的导体，从而在AC连接被连接时允许充油AC连接。开口端可形成套管的一部分。这种实施例允许到诸如开关设备或变压器的充油连接，这进一步增加安全性。

[0009] 功率变换器可进一步包括串联地布置在DC连接的正端子和负端子之间的DC侧电容器。

[0010] 变换器单元可以是全桥变换器单元。

[0011] 变换器单元可以是半桥变换器单元。

[0012] 可选地，变换器单元能够是形成多级桥配置的一部分的任何其他类型的单元。

[0013] 第一电抗器和第二电抗器都可以提供有铁芯。铁芯增加效率并且降低周围磁场。

[0014] 功率变换器可包括用于在公共高电压DC连接和三相高电压AC连接之间的连接的三个功率变换器组合件。这实现三相功率变换器。

[0015] 一般来说，权利要求书中所使用的所有术语要根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确限定。对于“一/一个/该元件、设备、组件、部件、步骤等”的所有参考要公开地解释为指的是元件、设备、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另有明确规定。除非明确规定，本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的精确的顺序来执行。

附图说明

[0016] 现在参考附图通过示例来描述本发明，附图中：

[0017] 图1是用于在DC和AC之间变换功率的单相功率变换器的示意图；

[0018] 图2是用于在DC和AC之间变换功率的三相功率变换器的示意图；

[0019] 图3是图示由单个功率变换器组合件所表示的图1和图2的功率变换器组合件的实施例的示意图；

[0020] 图4是通过图3的AC连接的实施例的示意纵向视图；

[0021] 图5是图3的AC连接的实施例的示意截面；

[0022] 图6是图示图3的变换器臂的可能变换器单元布置的示意图；以及

[0023] 图7A-C是图示图6的变换器臂的变换器单元的实施例的示意图。

具体实施方式

[0024] 现在将在下文参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同形式来体现并且不应解释为限制于本文所阐述的实施例；而是，这些实施例通过示例来提供，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将全面地传达本发明的范围给本领域的技术人员。相似数字在说明书中指的是相似元件。

[0025] 图1是用于在DC和AC之间变换功率的功率变换器1的示意图。功率变换器1在高电压DC连接81和高电压AC连接80之间以任一方向变换功率。DC连接81包括正端子DC+和负端子DC-。AC连接80包括相端子AC。接地端子也可被提供(未示出)。功率能够从DC流到AC，或反之亦然。功率变换器1包括执行实际功率变换的功率变换器组合件6。在功率变换器1和功率变换器组合件6之间这种划分不需要由不同的物理对象来表示，因此功率变换器1和功率变换器组合件6能够实际上是相同装置。

[0026] 关于电压，正的和负的在这里要解释为互相相对的术语并且不是绝对的。换言之，DC连接81的正连接DC+具有比DC连接81的负端子DC-更高的电压。因此，例如，正端子或负端子能够处于接地电位。在这种情况下，DC连接的一个能够使用接地连接来取代，由此提供单级系统。

[0027] 图2是用于在DC和AC之间变换功率的三相功率变换器1的示意图。三相功率变换器1在这里包括三个功率变换器组合件6a-c。以这种方法，AC连接在这里包括三个相端子80a、
80b和80c以能够提供三相连接例如到AC电网、AC功率源或AC功率负载。可选地，AC接地端子也被提供(未示出)。对于除了三相之外，对应的多级功率变换器能够通过将与存在相的相同数量的功率变换器组合件连接来实现。以这种方法，能够提供用于相的任何适合数量(例如两个、四个、五个、六个等)的相的多级功率变换器。

[0028] 图3是图示在这里由单个功率变换器组合件6所表示的图1和图2的功率变换器组合件6，6a-c的实施例的示意图。功率变换器组合件6包括：串联地连接在DC连接81的正端子和负端子DC+、DC-之间的第一变换器臂13a、第一电抗器15a、第二电抗器15b和第二变换器臂13b。尽管电抗器15a-b在这里示为提供在变换器臂13a-b的内侧，但是电抗器能够备选地或另外地提供在变换器13a-b和DC连接81的相应的DC端子DC+、DC-之间。电抗器15a-b充当过滤器以在AC连接80上提供充分正弦(或正方形、锯齿形等)的波形。电抗器15a-b可选地提供有铁芯。铁芯增加效率并且降低任何周围磁场。

[0029] AC连接80提供在第一变换器臂13a和第二变换器臂13b之间。由于如图3所示的在第一变换器臂13a和第二变换器臂13b之间的第一电抗器15a和第二电抗器15b的放置，AC连接80提供在第一电抗器15a和第二电抗器15b之间。

[0030] DC侧电容器12可选地布置在正和负DC端子DC+、DC-以允许AC电流以最小影响来流通。可选地，在使用诸如图2所示的多级功率变换器的多级变换器1时，DC侧电容器12能够被省略，因为AC电流能够在变换器组合件各种相的DC侧之间流通。

[0031] 功率变换器组合件是多级变换器，因此变换器臂13a-b的每一个包括多个变换器单元。变换器单元能够被个别控制以在变换中实现更细粒度，例如以便实现更正弦(或正方形、锯齿形等)的功率变换。而且，与使单个开关(例如晶闸管)取代相应的变换器臂13a-b相比，通过变换器单元每一个的个别控制，每个开关导致AC连接上的相对小的电压差。与单个开关情形相比，因为每个开关导致AC连接上的更小电压差，所以电抗器15a-b中的寄生电容的影响大大降低。对寄生电容的这个降低敏感度通过提供充油的电抗器15a-b在本文所提出的实施例中来利用。充油电抗器15a-b暗示比充气电抗器更高的寄生电感，但这在实现为对于寄生电感不太敏感的多级变换器的一部分时是可接受的。

[0032] 与充气电抗器相比，因为油的介电常数更大，将电抗器15a-b实现为充油电抗器显著降低电抗器15a-b的尺寸。油能够例如是矿物油、硅油、蓖麻油或合成酯油，只要实现足够高的介电常数。备选地，电抗器能够使用另一种适合介电液体或气体例如六氟化硫(SF6)或八氟环丁烷(R-C318)或甚至介电固体例如环氧树脂来填充。

[0033] 这降低的尺寸例如对于其中空间被特别限制的离岸应用非常重要。此外，充油电抗器的小尺寸允许更灵活安装，因为电抗器能够在各种位置中来放置。而且，具有充油电抗器的安装对于操作者更安全，因为空气中的高电压基本上被避免。

[0034] 控制器50控制变换器臂13a-b的操作。控制器50能够是单个控制器或被分为中央控制器和局部控制器用于每个变换器臂13a-b和/或变换器单元。尽管控制器50在这里示出从功率变换器组合件外部提供，但是控制器50的一部分或所有也可提供为功率变换器组合件6的一部分。

[0035] 图3的功率变换器组合件的所示实施例仅是示例并且本文所提出的原则能够使用例如包含于变换器臂的变换器单元应用到任何类型的适合功率变换器组合件。例如，能够使用功率变换器组合件(其中用于各种相的变换器单元串联地连接在DC端子之间)，或者并联和串联混合变换器(包括与变换器单元分离的开关和变换器单元两者)。

[0036] AC连接器80可选地经由开关设备20连接到外部组件，例如变压器21。由于充油电抗器15a-b，开关设备能够例如是气体绝缘开关设备(GIS)。使用充气电抗器，因为存在暴露于空气的高电压，这种连接不那么灵活并且显著地更加难以实现。

[0037] 图4是通过图3的AC连接80的实施例的示意纵向视图。AC连接80包括提供在具有开口端95的外壳91内的导体90。空间92因此提供在导体90和外壳91之间。开口端95能够形成套管的一部分。

[0038] AC连接80能够与对应的连接器85连接，例如以便连接到开关设备或变压器。对应的连接器85包括外壳51、导体50和开口端55。开口端55可形成套管的一部分，开口端55允许与AC连接80的对应开口端95的连接。因此，在AC连接80连接到对应的连接器85，两个导体90，50被带进彼此电接触并且外壳91，51被连接时，封闭空间92，52。以这种方法，在连接时，导体90，50和外壳91，51之间的空间92，52能够使用油或其他适合介电液体或气体来填充。

[0039] 图5是图3的AC连接80的实施例的示意截面。在这里，能够看到壳91如何被提供，使得在导体90周围存在空间92，空间92能够使用诸如油的液体或气体介电来填充。

[0040] 图6是图示图3的变换器臂的可能变换器单元布置的示意图。图6图示在这里由单个变换器臂13所表示的变换器臂13a-b的任何一个的结构。变换器臂13是多级变换器，并且包括多个变换器单元32a-d，其中每个变换器单元32a-d由控制器50来控制。

[0041] 变换器单元32a-d能够串联连接以增加电压额定或并联连接以增加电流额定。串联地连接变换器单元32a-d能够个别控制以在变换中实现更细粒度，例如以便实现更正弦(或正方形、锯齿形等)的功率变换。而且，通过以这种方法控制串联连接变换器单元，每个变换器单元的开关频率相对低，这在与更高开关频率相比时导致低开关频损耗。尽管变换器臂13在这里图示以具有四个变换器单元32a-d，但是变换器单元的任何数量是可能的，包含一个、两个、三个或更多。在一个实施例中，每个变换器臂13中的变换器单元的数量处于从30到1000个变换器单元的范围中。

[0042] 图7A-C是图示图6的变换器臂的变换器单元32a-d的实施例的示意图。要注意，图7A-C的实施例仅是示例，并且能够使用形成多级桥配置的变换器单元的任何适合结构的变换器单元。

[0043] 变换器单元32a-d的任何一个在这里表示为单个变换器单元32。变换器单元32是一个或多个半导体开关元件例如晶体管或晶闸管以及一个或多个能量存储元件41例如电容器、超级电容器、电感器、电池等的组合。可选地，变换器单元32本身能够是多级变换器结构，例如飞跨电容或MPC(多点钳位)或ANPC(有源中性点钳位)多级结构。

[0044] 图7A图示包括开关元件40和以电容器形式的能量存储元件41的变换器单元。开关元件40能够例如使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成门极换向晶闸管(IGCT)、门极关断晶闸管(GTO)或任何其他适合高功率半导体组件来实现。实际上，图7A的变换器单元32能够被认为是图7B中所示的变换器单元(其将接下来在这里描述)的一般表示。

[0045] 图7B图示实现半桥结构的变换器单元32。在这里变换器单元32包括例如以IGBT、IGCT、GTO等的形式的两个串联开关元件40a-b的支线。可选地，存在跨每个开关元件40a-b连接的反并联二极管(未示出)。能量存储元件41也并联提供有开关元件40a-b的支线。由变换器单元32合成的电压因此能够是零或能量存储元件41的电压。

[0046] 图7C图示实现全桥结构的变换器单元32。变换器单元32在这里包括四个开关元件40a-d，例如IGBT、IGCT、GTO等。可选地，存在跨每个开关元件40a-d连接的反并联二极管(未示出)。能量存储元件41也跨两个开关元件40a-b的第一支线和两个开关元件40c-d的第二支线来并联提供。与图7B的半桥相比，全桥结构允许能够采用两个符号的电压的合成，因此变换器单元的电压能够是零、能量存储元件41的电压或能量存储元件41的反向电压。

[0047] 上面已主要地参考一些实施例描述本发明。然而，如由本领域的技术人员容易领会的，除了上面所公开的实施例之外的其他实施例同样可能在如由所附专利权利要求所限定的本发明的范围内。