CN101553977A - 用于转换电流的装置 - Google Patents

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Abstract

为了提供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)，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储能器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)，并且具有用于调节所述装置的调节装置，利用该装置可以有针对地调节回路电流，按照本发明，每个相模块(2a，2b，2c)具有至少一个电感(Lkr)，其中，将该调节装置设置用于调节经过相模块(2a，2b，2c)流过的回路电流。

Description

用于转换电流的装置
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储能器和至少一个功率半导体，并且具有用于调节所述装置的调节装置。
背景技术
这样的装置例如在A.Lesnicar和R.Marquardt在Powertech 2003上发表的文章“An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a WidePower 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。相模块支路在每个直流电压接头和交流电压接头之间延伸，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空程二极管的可关断功率半导体组成。可关断功率半导体和空程二极管串联连接，其中与所述串联电路并联设置一个电容器。子模块的所述组件这样互相连接，使得在每个子模块的二极的输出端上降落或者电容器电压或者零电压。
借助所谓的脉宽调制来进行对可关断功率半导体的控制。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。电流值被提供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，也就是软件程序。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单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(在该截止状态流经过可关断功率半导体的电流被中断)。在此，每个子模块具有用于采集在电容器上降落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，Deutschland2002的“Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohenSpannungen”，A.Lesnicar，R.Marquarde的“A new modular voltage sourceinverter topology”，EPE’03 Toulouse，Frankreich 2003，以及R.Marquardt，A.Lesnicar的“New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter”，PESC2004 Conference 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。每个相模块由两个在所述交流电压接头和所述直流电压接头中的一个之间延伸的相模块支路组成。每个相模块支路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空程二极管组成。此外每个子模块还具有一个单极的电容器。调节装置用于调节功率半导体，该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以及使得很不对称的电压对称。
相模块的子模块分别产生离散的输出电压，从而在相模块之间不相同的电压比例情况下会引起单个相模块之间的回路电流。该回路电流除了取决于接通频率(功率半导体以该接通频率接通)之外，还取决于施加的电压相对于电流路径内部的电感的比。在低于200Hz的低的接通频率情况下回路电流在小的电感情况下在调节技术上几乎是不可控制的并且不能避免。
发明内容
因此，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，利用该装置可以有针对地控制并且减少回路电流。
上述技术问题按照本发明如下地解决：每个相模块具有至少一个电感，其中将调节装置设置用于调节经过相模块流过的回路电流。
按照本发明每个相模块具有至少一个电感。如下设置这些电感，使得可以通过调节装置有针对地调节回路电流。换言之，这些电感与各个出现的条件，如施加的直流电压、施加的交流电压等等匹配。所述调节预先给出期望的回路电压额定值，该回路电压额定值作为额定值、例如所涉及的相模块支路的其它额定电压被应用于关联的相模块支路的调节中，并且提供期望的回路电流。在此，所述调节优选地具有电流调节单元和对于每个相模块支路具有关联的控制单元。电流调节单元仅仅经过控制单元而不是直接地与各个相模块支路的子模块相连。在此，电流调节单元例如产生提供给控制单元的支路电压额定值。控制单元提供控制信号，这些控制信号被提供到子模块的可关断功率半导体，从而在关联的相模块支路的子模块上降落尽可能精确地对应于支路额定电压的总电压。通过电流调节单元(该电流调节单元将所述额定值线性地、也就是通过求和和/或求差互相组合)，将回路电压额定值应用于各个相模块支路的其它额定电压。该线性组合的结果是分别对应于相模块支路的支路电压额定值。
因为每个相模块支路具有相同的电感，所以提供了对于调节技术上必要的对称。
每个相模块支路优选地经过电感与交流电压接头相连。按照该合适的扩展，交流电压接头设置在两个电感之间。
按照与此相关的合适的扩展，相模块的电感互相耦合。通过耦合提高了总电感，从而可以相应地减小单个电感的尺寸，也就是电感。按照这种方式节省了成本。换言之，在相模块中可以采用较小的扼流圈或线圈。此外，通过耦合达到的总电感仅对回路电流并且最多对相模块支路电流的直流分量起作用。相反，通过电感的耦合降低了用于交流侧的相电流的电感。
电感的耦合可以经由空气、经由铁芯等进行。
附图说明
其它优点和实施方式是以下结合附图对本发明的实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记指示起相同作用的组件，并且其中：
图1以示意图示出了按照本发明的装置的一种实施例，
图2示出了按照图1的装置的子模块的等效电路图，
图3示出了具有耦合的电感的按照图1的装置，
图4示出了电感的耦合的放大图，
图5示出了按照图1的装置的调节装置的结构，以及
图6示出了回路电压额定值应用于调节装置的其它额定值。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的装置1的一种实施例，其由三个相模块2a、2b和2c组成。每个相模块2a、2b和2c与正的直流电压导线p以及与负的直流电压导线n相连，从而每个相模块2a、2b、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，其中流过电网电流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。在每个交流电压接头31、32和33和正的直流电压导线p之间延伸相模块支路6p1、6p2和6p3。在每个交流电压接头31、32和33和负的直流电压导线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中通过等效电路图详细示出了子模块7的串联电路以及特别是子模块的结构，其中在图2中仅选取出了相模块支路6p1。但是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。对于专业人员来说它们本身是公知的，从而对此不需详细示出。与每个可关断功率半导体T1、T2反并联连接一个空程二极管D1、D2。与可关断功率半导体T1、T2或者说空程二极管D1和D2的串联电路并联连接了一个电容器8作为储能器。每个电容器8是单极地充电。在每个子模块7的二极的接线端子X1和X2上此时可以产生两个电压状态。例如，如果控制单元9产生控制信号，用该控制信号将可关断功率半导体T2转换到其导通状态，在该导通状态中电流可以经过功率半导体T2流过，则在子模块7的端子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的电流被中断。这防止了电容器8的放电。如果相反可关断功率半导体T1被转换到其导通状态，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的接线端子X1、X2上施加全电容电压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短连接，其中变流器分别与交流电网相连。这样的短连接被应用于在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。也可以考虑利用这样的多级变流器经过长距离的高压直流传输。
电感Lkr用于限制经过各个相模块流过的电流并且由此用于子模块7的可关断功率半导体T1、T2和空程二极管D1和D2的过电流保护。但是在本发明的范围内选择各个电感为这样大，使得可以主动调节在相模块之间流过的回路电流。在本发明的范围内由此需要比足够用于功率半导体的纯保护更大的电感。此外，就调节来说在相模块支路上的电感的对称分布是具有优势的。
图3示出了按照图1的装置，但是其中相模块的电感Lkr互相耦合。由于该耦合，在相同的额定电压情况下并且在相同的使用条件下这些电感可以比在按照图1的实施例中的更小。换言之，该耦合产生就其结构大小和其它的实施方式来说减小为构建所需要的扼流圈或线圈的可能性。假定用于磁耦合的耦合系数为K，对于回路电流方向上的相模块支路的有效电感LK得出：
LK＝LL(1+K)，
其中LL对应于不互相耦合的单个电感的总和的电感。相模块支路电流除了包括回路电流，还包括直流分量和在交流电压接头31、32和33和所连接的交流电网之间流过的相电流I1、I2和I3。仅仅对于直流分量和回路电流产生提高的电感。但是，通过所述耦合按照下式可以降低对于相电流I1、I2和I3的电感LCONV：
LCONV＝LL(1-K)。
按照这种方式可以降低回路电流并且将其提供到主动的调节。该耦合可以经由空气、但是也可以经由铁芯等进行。在空心线圈情况下产生直至20％的耦合系数。除了对回路电流的衰减之外，耦合的电感还保证相电流在相同的相模块的相模块支路上以相同的分量的改进的分布。
图5示出了调节装置的结构。该调节装置包括电流调节单元10以及控制单元9p1、9p2、9p3、9n1、9n2和9n3。每个控制单元对应于相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2以及6n3。控制单元9p1例如与相模块支路6p1的每个子模块7相连并且产生用于可关断功率半导体T1、T2的控制信号。在每个子模块7中设置一个未图形示出的子模块电压传感器。子模块电压传感器用于采集在作为子模块7的作为能量存储器的电容器8上降落的电容器电压以获得电容器电压值Uc。电容器电压值Uc提供给各自的控制单元，此处为9p1。控制单元9p1由此包含与其关联的相模块支路6p1的所有子模块7的电容器电压值并且将其相加以获得支路能量实际值(Zweigenergieistwerte)或者此处是支路电压实际值Uc∑p1，其同样对应于相模块支路6p1。该支路电压实际值Uc∑p1被提供到电流调节单元10。
此外，电流调节单元10与不同的未图形示出的测量传感器相连。在相模块2a、2b、2c的交流电压侧设置的电流互感器用于产生和提供相电流测量值I1、I2、I3，在每个相模块上设置的电流互感器用于产生和提供相模块支路电流Izwg，以及在变流器的直流电压回路中设置的电流互感器用于提供直流电流测量值Id。交流电网的电压互感器提供电网电压测量值U1、U2、U3，直流电压互感器提供正的直流电压测量值Udp以及负的直流电压测量值Udn，其中，正的直流电压测量值Udp对应于在正的直流电压接头p和地之间降落的直流电压，负的直流电压测量值Udn对应于在负的直流电压接头p和地之间降落的电压。
此外，还将额定值提供到电流调节单元10。在图5中示出的实施例中有功电流额定值Ipref以及无功电流额定值Iqref被提供到调节单元10。此外，直流电压额定值Udref施加在电流调节单元10的输入端上。替代直流电压额定值Udref，在本发明的范围内还可以使用直流电流额定值Idref。
额定值Ipref、Iqref和Udref以及所述测量值在采用不同的调节器的条件下互相影响，其中，对于每个控制单元9p1、9p2、9p3、9n1、9n2和9n3产生一个支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。每个控制单元9产生用于与其关联的子模块7的控制信号，从而在子模块的串联电路上降落的电压Up1、Up2、Up3、Un1、Un2、Un3尽可能对应于各个支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。
电流调节单元10从其输入值中形成合适的支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。
图6示出了，例如通过电网相电压额定值Unetzl、支路电压中间额定值Uzwgp1、直流电压额定值Udc、对称电压额定值Uasym以及平衡电压额定值Ubalp1的线性组合来计算支路电压额定值Upref。这点对于每一个相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2、6n3互相独立地进行。利用支路电压中间额定值Uzwg可以结合被调整的支路电感有针对地调整回路电流。平衡电压额定值Ubal也用于平衡在相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2、6n3中存储的能量的不对称。

Claims (5)

1.一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)和所述交流电压接头(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储能器(8)和至少一个功率半导体(T1，T2)，并且具有用于调节所述装置的调节装置，
其特征在于，
每个相模块(2a，2b，2c)具有至少一个电感(Lkr)，其中，将所述调节装置设置用于调节经过所述相模块(2a，2b，2c)流过的回路电流。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，每个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)经过电感(Lkr)与所述交流电压接头(31，32，33)相连。
3.根据权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于，相模块(2a，2b，2c)的电感(Lkr)互相耦合。
4.根据权利要求3所述的装置(1)，其特征在于，所述电感(Lkr)经由空气互相耦合。
5.根据权利要求4所述的装置(1)，其特征在于，所述电感(Lkr)经由铁芯互相耦合。
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