CN101548460B - 借助电容测量监视变流器中电容器的老化 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有交流电压接头(31，32，33)和至少一个直流电压接头(p，n)，其中在每个直流电压接头(p，n)和交流电压接头(31，32，33)之间形成相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，每个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有电容器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)，用该装置可以简单的方式确定电容器的老化，本发明提出用于依赖于时间地确定每个电容器(8)的电容的电容器诊断装置。

Description

借助电容测量监视变流器中电容器的老化
技术领域
本发明涉及一种用于转换电流的装置，具有至少一个相模块，该相模块具有交流电压接头和至少一个直流电压接头，其中在每个直流电压接头和交流电压接头之间形成相模块支路，并且其中每个相模块支路具有由子模块组成的串联电路，这些子模块分别具有电容器和至少一个功率半导体。
本发明还涉及一种用于借助变流器转换电流的方法。
背景技术
这样的装置和方法例如在A.Lesnicar和R.Marquardt在Powertech 2003上发表的文章“An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for aWide Power Range”中已经公开。在那里公开了一种用于连接到交流电网而设置的变流器。该变流器对于要与其相连的交流电网的每一相具有一个相模块，其中每个相模块具有一个交流电压接头以及两个直流电压接头。在每个直流电压接头和交流电压接头之间构成一个相模块支路，从而提供所谓的6脉波桥式电路。模块支路由子模块的串联电路组成，这些子模块分别由两个分别并联连接了反向续流二极管的可关断功率半导体组成。可关断功率半导体和续流二极管串联连接，其中与所说的串联电路并联设置一个电容器。所说的子模块的组件这样互相连接，使得在每个子模块的两极的输出端上降落电容器电压或者零电压。
可关断功率半导体的控制借助所谓的脉宽调制来进行。用于控制功率半导体的调节装置具有用于采集电流以获得电流值的测量传感器。电流值被传输到具有输入接口和输出接口的中央控制单元。在输入接口和输出接口之间设置了调制器，也就是软件例程。调制器除了别的之外还具有选择单元以及脉冲宽度发生器。脉冲宽度发生器产生用于各个子模块的控制信号。可关断功率半导体通过由脉冲宽度发生器产生的控制信号从导通状态(在该导通状态中电流可以流经可关断功率半导体)转换到截止状态(在该截止状态经过该可关断功率半导体的电流中断)。在此每个子模块具有用于采集降落在电容器上的电压的子模块传感器。
用于所谓的多级变流器拓扑结构的控制方法的其它文章在R.Marquardt，A.Lesnicar，J.Hildinger发表于ETG-Fachtagung in Bad Nauenheim，Deutschland 2002的“Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohenSpannungen”，A.Lesnicar，R.Marquarde的“A new modular voltage source invertertopology”，EPE’03 Toulouse，Frankreich 2003，和R.Marquardt，A.Lesnicar的“New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter”，PESC 2004Conference in Aachen，Deutschland中公开。
在目前尚未公布的德国专利申请102005045090.3中公开了一种用于控制具有分布的储能器的多相变流器的方法。公开的装置同样具有带有相模块的多级变流器拓扑结构，这些相模块具有一个在每个相模块的中间对称设置的交流电压接头和两个直流电压接头。每个相模块由两个相模块支路组成，这些相模块支路在交流电压接头和直流电压接头中的一个之间延伸。每个相模块又包括由子模块组成的串联电路，其中每个子模块由可关断功率半导体和与之反并联连接的续流二极管组成。此外每个子模块还具有一个单极电容器。调节装置用于调节功率半导体，这些调节装置也被用来调整在相模块之间流过的支路电流。通过控制支路电流例如可以主动地衰减电流波动并且避免具有较小输出频率的运行点。此外可以均衡所有的可关断半导体开关的负载并使极不对称的电压对称。
储能器，如变流器模块的中间电路中的电容器具有如下特性，其在运行中会老化。在此电容器会损失电容量，由此在特定的电压下由其存储的电荷会越来越少。在中间电路变流器设备的维护中具有优势的是，知道哪个电容器损失了如此多的电容，以至于需要进行交换。由此降低了电容器在变流器运行中的故障率并提高了可用性。在具有大的共同的中间电路电容器的变流器拓扑结构中、例如在两点技术或三点技术中，对电容器电容量降低的监视意义不大，因为该变化仅仅是总电容的一小部分，并且由此在测量技术上几乎不可测量。然而这样的电容降低会导致变流器故障。大的共同的中间电路电容器的另一个缺陷是，该中间电路电容器难以或者根本不能更换或者替换。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头部分提到种类的装置，利用该装置可以简单的方式确定电容器的老化。
本发明的上述技术问题通过用于依赖于时间地确定每个电容器的电容量的电容器诊断装置来解决。
按照本发明，提供持续地确定按照本发明的装置的电容器的电容量的电容器诊断装置。按照本发明的装置优选具有电容量相应小于具有直流电压回路中的中央电容器的装置的电容量的电容器。可知，此时在测量技术上可以采集电容量的变化。在本发明的范围内，了解各个电容器确切地具有多少电容量不是很重要。确切地说，重要的是了解各个电容器的电容量如何随着时间改变。由此可将具有减少了电容量的电容器与无故障的电容器区别开来并对其进行采集。由此按照本发明借助电容器诊断装置根据时间来确定各个电容器的相应电容。
相宜地，电容器诊断装置对于每个相模块具有用于采集流过对应的相模块的相模块支路电流的支路电流传感器，对于每个子模块具有用于采集降落在对应的子模块的电容器上的电容器电压的子模块传感器以及用于采集各个对应的子模块的开关状态的装置，其中分析单元根据各个测得的相模块支路电流Izwg、开关状态和各个电容器电压Uc来确定每个相模块的电容器的电容量。通过对所采集的支路电流在时间间隔中的分块积分，得到所监视的相模块的电容器的电荷变化ΔQ。子模块传感器用于采集降落在各个电容器上的电压。通过将电荷变化ΔQ除以电压变化ΔUc得到每个电容器的电容量，在此分别采集在子模块的接通和断开时刻之间的电压和电荷。如果子模块是接通的则降落在子模块的输出接线柱上的是电容器电压。在断开状态降落在接线柱上的电压为零。
从本文开头提到的方法出发本发明通过借助具有至少一个相模块的变流器解决上述技术问题，该相模块具有交流电压接头和至少一个直流电压接头，其中在每个直流电压接头和交流电压接头之间形成相模块支路，该相模块支路具有由子模块组成的串联电路，这些子模块分别具有电容器和至少一个功率半导体，其中电容器的电容量根据时间来确定。
按照与此相关的合适扩展，根据时间采集每个相模块的相模块支路电流以获得相模块支路电流值，并且测量降落在每个电容器上的电容器电压以获得电容器电压值，并且最后确定电压变化，为了获得在子模块的功率半导体接通和断开之间的电荷变化对相模块支路电流进行积分并且由电荷变化和电压变化来确定各个相模块的电容器的电容量的变化。功率半导体的接通和断开被理解为功率半导体的开关状态，在这些状态下在相应子模块中电流可以流到电容器。
附图说明
本发明的其它合适的实施方式和优点是以下结合附图对本发明的实施例的描述的内容，其中对起相同作用的组件使用相同的附图标记并且其中：
图1示出了按照本发明的装置的一种实施例，以及
图2示出了按照图1的装置的相模块。
具体实施方式
图1示出了由三个相模块2a、2b和2c组成的按照本发明的装置1的实施例。每个相模块2a、2b和2c与正直流电压导线p以及与负直流电压导线n相连，从而每个相模块2a、2b和2c具有两个直流电压接头。此外对于每个相模块2a、2b和2c分别设置了一个交流电压接头31、32和33。交流电压接头31、32和33经过变压器4与三相交流电网5相连。在交流电网5的相上降落相电压U1、U2和U3，在此流过电网电流In1、In2和In3。每个相模块的交流电压侧的相电流用I1、I2和I3表示。直流电流是Id。相模块支路6p1、6p2和6p3在每个交流电压接头31、32和33和正直流电压导线p之间延伸。在每个交流电压接头31、32和33和负直流电压导线n之间形成相模块支路6n1、6n2和6n3。每条相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2和6n3由在图1中未详细示出的子模块的串联电路和在图1中用LKr表示的电感组成。
在图2中通过等效电路图更确切地示出了子模块7的串联电路以及特别是子模块的结构，在此在图2中仅示出相模块支路6p1。但其余的相模块支路是相同构建的。可以看出，每个子模块7具有两个串联连接的可关断功率半导体T1和T2。可关断功率半导体例如是所谓的IGBT、GTO、IGCT等。它们对于专业人员来说本身是公知的，从而在此不需详细示出。与每个可关断功率半导体T1、T2反并联连接一个续流二极管D1、D2。与可关断功率半导体T1、T2或者说续流二极管D1和D2的串联电路并联连接了一个作为储能器的电容器8。每个电容器8是单向地充电。在每个子模块7的二极的接线柱X1和X2上此时可以产生两个电压状态。如果控制单元9例如产生用来将可关断功率半导体T2转换到其导通状态的控制信号，在该导通状态下电流可以流经功率半导体T2，则在子模块7的接线柱X1、X2上降落零电压。在此可关断功率半导体T1处于其截止状态，在该截止状态中经过可关断功率半导体T1的电流中断。这防止了电容器8的放电。如果相反可关断功率半导体T1转换到其导通状态，而可关断功率半导体T2被转换到其截止状态，则在子模块7的接线柱X1、X2上施加全电容器电压Uc。
根据图1和2的按照本发明的装置的实施例也被称为所谓的多级变流器。这样的多级变流器例如适合于驱动电机，例如马达等。此外这样的多级变流器还适用于在能量分配和传输领域中的应用。按照本发明的装置例如用作由两个直流电压侧互相连接的变流器组成的近耦合，其中变流器分别与交流电网相连。这样的近耦合被应用于两个能量分配网之间的能量交换，其中能量分配网例如具有不同的频率、相位、中性点联结等等。此外考虑在无功功率补偿、也就是所谓的FACT(Flexible AC Transmission System，柔性交流传输系统)领域中的应用。也可以考虑用这样的多级变流器进行经过长距离的高压直流传输。
在图2中还可以看出，设置了用于测量支路电流的支路电流传感器10，其采集流经相模块的电流以获得相模块支路电流值，在此支路电流值经过玻璃纤维通信导线被传输到分析单元9。此外还设置了图中未示出的用于每个子模块7的子模块传感器，用该子模块传感器可以采集降落在电容器8上的电压降Uc以获得电容器电压值。电容器电压值同样被传输到分析单元9，在此同时附上各个测量值是关于哪个电容器的信息。分析单元将输入的测量值与一个测量时间相对应。通过对相模块支路电流Izwg的逐段积分得到各个相模块的电容器8的电荷变化ΔQ。逐段积分的概念理解为在特定的时间间隔中的积分。换言之，当各个子模块的功率半导体的开关状态允许到子模块的电容器的电流时才进行积分。通过确定电压变化、也就是在确定的时间段中在电容器8上降落的电压的变化，根据下式得到电容器的电容量：
C ≈ ΔQ ΔUC .

Claims (2)

1.一种在高压直流传输或者柔性交流传输系统领域中用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有交流电压接头(31，32，33)和至少一个直流电压接头(p，n)，其中，在每个直流电压接头(p，n)和该交流电压接头(31，32，33)之间形成相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，并且其中每个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有一个电容器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)，其特征在于，
具有用于依赖于时间地确定每个电容器(8)的电容量的电容器诊断装置，
其中，所述电容器诊断装置对于每个相模块(2a，2b，2c)具有一个用于采集流过对应相模块(2a，2b，2c)的相模块支路电流(Izwg)的支路电流传感器(10)，以及对于每个子模块(7)具有用于采集降落在对应的子模块(7)的电容器(8)上的电容器电压(Uc)的子模块传感器以及用于采集各个对应的子模块的、一个或多个功率半导体的开关状态的装置，其中，分析单元(9)根据各个测得的相模块支路电流(Izwg)、一个或多个功率半导体的开关状态和相应的电容器电压Uc来确定每个相模块(2a，2b，2c)的电容器(8)的电容量。
2.一种在高压直流传输或者柔性交流传输系统领域中用于借助变流器(1)转换电流的方法，该变流器(1)具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有至少一个直流电压接头(p，n)和交流电压接头(31，32，33)，其中，在每个直流电压接头(p，n)和该交流电压接头(31，32，33)之间形成相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，该相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有电容器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)，其中，根据时间确定每个电容器的电容量，其中，采集每个相模块(2a，2b，2c)的支路电流Izwg以获得支路电流值，并且测量降落在每个电容器(8)上的电容器电压Uc以获得电容器电压值，并且最后确定电压变化ΔUc，为了获得在子模块的功率半导体接通和断开之间的电荷变化ΔQ，对相模块支路电流Izwg逐段积分并且由电荷变化ΔQ和电压变化ΔUc来确定相应相模块(2a，2b，2c)的电容器(8)的电容量的变化ΔC。 
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