[發(fā)明專(zhuān)利]用于產(chǎn)生三相電流的方法和設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410058027.6
• 申請(qǐng)日: 2014-02-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104009666B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何藝文;格拉爾多·埃斯科巴爾;弗朗西斯科·卡納萊斯
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: ABB研究有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): H02M7/5387
• 分類(lèi)號(hào): H02M7/5387;H02J3/38
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 杜誠(chéng),賈萌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及三相電壓源逆變器，更具體地涉及通過(guò)使用多電平電流構(gòu)思來(lái)將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相電流。

背景技術(shù)

生成可再生能量的設(shè)施可以被考慮為諸如智能電網(wǎng)和微電網(wǎng)的下一代電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。它們還能夠向諸如石油、煤和天然氣的常規(guī)能源提供替代電源[1]。

用于可再生能量生成處理的共同特性是：在該處理中使用逆變器作為將可得到的直流（DC）電壓形式的可再生能量變換成交流（AC）電壓的接口。從而，DC/AC逆變器技術(shù)在生成可再生能量中會(huì)具有重要作用，在高功率三相電網(wǎng)連接應(yīng)用中尤其如此。

可以以各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變技術(shù)。DC/AC逆變技術(shù)例如相對(duì)于電路拓?fù)洹雽?dǎo)體、存儲(chǔ)器和濾波無(wú)源器件典型地具有多自由度。這些方面可能相互關(guān)聯(lián)，即，改變一個(gè)方面可能影響另一個(gè)方面。改變的影響可以顯現(xiàn)為優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)。不同方面的不同組合可以用于服務(wù)不同目的。

用于將DC電壓逆變成三相AC電壓的常規(guī)方法是使用電壓源逆變器（VSI），這是由于通常能夠?qū)⒖稍偕茉纯醋鱀C電壓源。如果DC電壓源能夠提供充分高的電壓，則對(duì)DC/AC轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，僅一個(gè)功率級(jí)可能就是足夠的。

圖1示出常規(guī)的具有六個(gè)開(kāi)關(guān)S₁至S₆的二電平電壓源逆變器[1]。該逆變器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是與一些其它的拓?fù)湎啾染哂休^小的部件計(jì)數(shù)。然而，該六個(gè)開(kāi)關(guān)S₁至S₆典型地必須是高頻半導(dǎo)體，并且它們的擊穿特性應(yīng)當(dāng)使得開(kāi)關(guān)能夠處理全DC鏈（link）電壓。由于半導(dǎo)體上的高開(kāi)關(guān)損耗，常規(guī)的二電平電壓源逆變器拓?fù)淇赡懿豢偸沁m用于具有高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用。

在80年代提議了多電平電壓源逆變器來(lái)解決二電平電壓源逆變器的高開(kāi)關(guān)損耗[2]。通常，多電平VSI的輸出電感器經(jīng)受較小的瞬變，這是由于會(huì)以較小的步進(jìn)形成輸出電壓/電流。這使得能夠使用具有較小電感的輸出電感器。較小電感使得能夠顯著降低電感器的大小和損耗。圖2a至圖2c示出工業(yè)中已采用的常規(guī)的三電平電壓源逆變器拓?fù)鋄3]-[5]。

圖2a示出中性點(diǎn)鉗位（NPC）電壓源逆變器拓?fù)洹Ｔ谌娖酵負(fù)渲校ㄟ^(guò)使用12個(gè)開(kāi)關(guān)S₁至S₁₂來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)逆變器臂。逆變器臂被鉗位至中性點(diǎn)鉗位溝槽（trough）二極管D₁至D₆。所有的半導(dǎo)體S₁至S₁₂和D₁至D₆的擊穿電壓是DC鏈電壓的一半。從而，半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)低于二電平電壓源逆變器的開(kāi)關(guān)損耗。此外，可以在外部開(kāi)關(guān)S₁至S₃和S₁₀至S₁₂以及NPC二極管D₁至D₆中使用快速半導(dǎo)體。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率可以降低輸出電感器的大小和損耗。該拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是內(nèi)部較慢的切換開(kāi)關(guān)（switching switch）S₄至S₉具有相對(duì)較高的導(dǎo)通損耗。

圖2b示出飛跨電容器（FC,flying capacitor）電壓源逆變器拓?fù)洹Ｔ撊娖酵負(fù)渑c圖2a的逆變器NPC拓?fù)湎啾劝ㄝ^少的半導(dǎo)體。使用了三個(gè)飛跨電容器C₁至C₃來(lái)代替鉗位二極管。與圖2a的拓?fù)湎啾龋械陌雽?dǎo)體必須被定額（rate）為能夠快速開(kāi)關(guān)，從而整體開(kāi)關(guān)損耗會(huì)變得高于NPC拓?fù)涞拈_(kāi)關(guān)損耗。而且，該拓?fù)涞目刂茝?fù)雜度也會(huì)較高，這是由于還需要控制飛跨電容器C₁至C₃的電壓。

圖2c示出T型NPC電壓源逆變器拓?fù)洹Ｍㄟ^(guò)與有源鉗位結(jié)合地使用包括六個(gè)開(kāi)關(guān)S₁至S₆的半橋來(lái)實(shí)現(xiàn)三電平輸出。在圖2c中，通過(guò)使用開(kāi)關(guān)S₇至S₁₂來(lái)實(shí)現(xiàn)有源鉗位。與圖2a的NPC拓?fù)湎啾龋瑘D2c中的慢開(kāi)關(guān)S₇至S₁₂具有較少的導(dǎo)通損耗。另一方面，圖2c中的較快速的切換開(kāi)關(guān)S₁至S₆應(yīng)當(dāng)能夠容許全DC電壓，這會(huì)增大它們的開(kāi)關(guān)損耗。

可以使用諸如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）的寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體來(lái)降低這些開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗。然而，WBG半導(dǎo)體比純硅（Si）器件更貴。圖2c的拓?fù)鋵⒕哂辛鶄€(gè)較貴的WBG開(kāi)關(guān)，這會(huì)被看作該拓?fù)涞娜秉c(diǎn)。