CN101584109B - 多级变流器的相模块的控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对多级变流器的储能器充电和/或放电的方法，该多级变流器具有至少一个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，该相模块支路具有子模块(7)组成的串联电路，这些子模块各具有至少一个用于接通或断开与功率半导体电路并联的储能器(8)的功率半导体电路(T1、T2)，和用于采集储能器实际值Uc的子模块传感器，其中：确定是否可以对相模块支路的接通的储能器充电或放电，以获得能量改变状态，并且借助预先给出的逻辑根据所述能量改变状态选择每个相模块支路的下一个要转换的储能器，用该方法使存储在子模块的储能器中的能量保持在大约相同的水平，同时避免在接通和断开所选择的储能器时的高的时钟频率。

Description

多级变流器的相模块的控制

技术领域

本发明涉及一种用于对多级变流器的储能器充电和/或放电的方法，该多级变流器具有至少一个相模块支路，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至少一个用于接通或断开与功率半导体电路并联的储能器的功率半导体电路，和用于采集储能器实际值的子模块传感器，其中确定相模块支路的接通的储能器可以被充电还是放电，以获得能量改变状态，并且根据能量改变状态借助预先给出的逻辑来选择每个相模块支路的下一个要转换的储能器。

背景技术

这样的装置和方法例如在A.Lesnicar和R.Marquardt的“New ModularVoltage Source Inverter Topology”中已经公开。在那里公开了一种所谓的多级变流器和用于其控制的方法。多级变流器例如可以用于驱动电机或者应用于能量分配和传输领域中。描述了多级变流器在高压直流传输中的应用，其中至少两个多级变流器在直流电压侧互相连接。每个多级变流器在交流电压侧连接到交流电网，从而可以在交流电网之间进行功率传输。在此多级变流器分别具有相模块，其数量相应于相关交流电网的相数。每个相模块具有一个交流接头和至少一个直流接头。在交流接头和每个直流接头之间形成相模块支路，这些相模块支路分别由子模块的串联电路组成。每个子模块具有一个功率半导体电路，该功率半导体电路并联于储能器、例如电容器设置。根据功率半导体电路的开关位置，在子模块的二极的接头上降落的是储能器电压或者是零电压。由此降落在相模块支路上的电压取决于接通的子模块的数量。在所谓的“柔性AC传输系统”中也可以考虑前面提到种类的相模块支路，其中这些相模块支路用作与线圈或者电容器例如与柔性无功功率补偿串联的快速开关。

按照Lesnicar和Marquardt的所述文章，每个功率半导体电路具有两个互相串联连接的可关断功率半导体，它们分别反并联连接一个续流二极管。为了合适地控制这些可关断功率半导体设置控制单元。所述控制的任务是，使降落在子模块的电容器上的电压保持在大约相同的水平。以这种方式，避免子模块的或者还有相模块支路的不相同的电压负载。为了对称化电压分布，以千兆赫兹时钟采集降落在相模块支路的电容器上的电压以获得储能器实际值。然后将储能器实际值按照其大小分类。如果正的电流流过相模块支路，则可以对储能器充电。在这种情况下，对应于最小的储能器实际值的储能器被接通并且由此被充电。但是如果在相关相模块支路中流过的电流是负的，则接通储能器实际值为最大的那个储能器，从而在接通之后可以对其放电。首先选择要接通的和要断开的电容器。然后所谓的脉宽调制接管所选择的储能器的实际的接通和断开。以千兆赫兹时钟接通和断开储能器，使得降落在接通的子模块的总和之上的电压在时间上的平均相应于预先给出的额定值。公知的方法具有如下缺陷：以高的时钟频率转换所选择的电容器的功率半导体。这导致功率半导体电路的高负载，结果是频繁的故障和高开销的维护工作。

发明内容

由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方法，该方法使存储在子模块的储能器中的能量保持在大约相同的水平，同时避免在接通和断开所选择的储能器时的高的时钟频率。

本发明通过如下解决上述技术问题：形成相模块支路的所有接通的储能器实际值之和以获得储能器和实际值，确定在预先给出的相模块支路能量额定值和储能器和实际值之间的差以获得能量差值，并且当能量差值的绝对值或者由能量差值导出的参数的绝对值超过转换阈值的绝对值时，确定转换时刻(Schaltzeitpunkt)，在该转换时刻转换所选择的储能器。

按照本发明，根据第二逻辑来确定所选择的储能器的转换时刻。该第二逻辑基于由控制或控制单元预先给出的相模块支路能量额定值与储能器和实际值的比较，其中储能器和实际值是接通的子模块的储能器实际值之和。在此从如下出发：即只有接通的子模块可以对于例如总共降落在相模块支路上的电压作出贡献。相反断开的子模块对所说的电压不提供份额。按照本发明，子模块的转换还取决于能量改变状态。能量改变状态例如通过采集流过相模块支路的电流来确定。如果采集的电流是正的，则可以使接通的储能器充电。相反断开的储能器的储能器实际值不变。在流过相模块支路的电流(也称为支路电流)是负的情况下，相反可以使接通的储能器放电。与刚才示出的支路电流采集不同的是，还可以通过在两个不同的时刻互相比较接通的储能器的储能器实际值来确定能量改变状态。如果时间上后测量的储能器实际值大于先测量的储能器实际值，则可以使相模块支路的储能器充电。在相反情况下，只能使接通的储能器放电。能量改变状态的确定按照本发明是任意的。

通过借助分立的逻辑来确定时刻避免了如在脉宽调制情况下那样的频繁地接通和断开所选择的储能器。在本发明的范围内，仅选择下一个要转换的储能器并且在确定的转换时刻进行转换。按照本发明，为保持合适的时间上的平均值而频繁地接通和断开是多余的。由此按照本发明的方法使得可关断功率半导体的负载更小。

下一个要转换的储能器优选是这样的储能器，其储能器实际值按照能量改变状态的不同在相同相模块的所有储能器实际值中是最小的或者最大的。按照本发明的该优选实施方式，在其中可以对相模块支路的储能器充电的能量改变状态中，选择其储能器实际值为最小的那个断开的储能器用于接通。按照本发明储能器实际值例如相应于降落在储能器上的电压或者该电压的平方。在本发明的范围内储能器实际值最终用作在各个对应的储能器中存储的能量的度量。如果选择在断开的储能器中具有最小的储能器实际值的储能器，这意味着，选择在其中存储了最少能量的那个储能器。

在选择储能器之后，在转换时刻将其接通并且由此充电。在其中相模块支路的接通的储能器可以被放电的能量改变状态中，选择在断开的储能器中具有最大的储能器实际值的储能器来接通。只要在转换时刻接通该储能器，则其被放电，从而该储能器实际值和由此存储在该储能器中的能量减小。在断开时在正的支路电流情况下选择在接通的储能器中具有最大储能器实际值的储能器。在负的支路电流情况下选择具有最小储能器实际值的储能器用以断开。

按照本发明的一种优选实施方式，通过将下一个要转换的储能器的储能器实际值Uc乘以预先给出的系数来确定转换阈值，其中当能量差值的绝对值大于转换阈值的绝对值时确定转换时刻。按照该优选扩展，将能量差值与下一个待转换的储能器的储能器实际值比较。能量差值可以是正的或负的。如果储能器实际值例如超过所说的储能器实际值的一半时，将所说的储能器通过合适的控制信号与功率半导体电路的可关断功率半导体接通或断开。如果能量差值是负的，则作为下一个要断开的储能器在转换时刻被断开。如果储能器差值是正的，则下一个要接通的储能器在转换时刻被接通。在接通或断开之后选择下一个要转换的储能器。

优选对能量差值在时间上积分以获得能量差积分值，其中将转换时刻确定为这样的时刻：在该时刻能量差积分值的绝对值超过转换阈值的绝对值。按照该优选扩展通过积分确定转换阈值。这虽然要求较高的计算开销，然而提供使得在储能器和实际值与半导体整流器能量额定值之间的差较小的转换时刻。

优选确定相模块支路的具有最大储能器值的储能器以获得最大能量实际值，以及确定相模块支路的具有最小储能器实际值的储能器以获得最小实际值，形成在最大能量实际值和最小能量实际值之间的差以获得最大能量偏差实际值，将最大能量偏差实际值与最大能量偏差阈值进行比较，并且当最大能量偏差实际值超过最大能量偏差阈值时，确定附加转换时刻，其中在附加转换时刻根据能量改变状态断开一个储能器并且接通另一个储能器。以这种方式保证，在相模块支路内在极限储能器实际值之间的差可以始终仅取预先给出的值。在此不再一定需要提高转换时钟或者转换频率。

在与此相关的扩展中，在其中可以对相模块支路的储能器充电的能量改变状态中，在附加转换时刻断开在相模块支路的储能器中具有最大储能器实际值的储能器，其中同时接通在相同的相模块支路的储能器中具有最小储能器实际值的储能器。

按照另一个合适的扩展，在其中相模块支路的储能器可以被放电的能量改变状态中，在附加转换时刻断开在相模块支路的储能器中具有最小储能器实际值的储能器，其中同时接通在相同的相模块支路的储能器中具有最大储能器实际值的储能器。

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以示意图示出了用于实施按照本发明的方法的多级变流器的实施例，

图2示出了按照图1的多级变流器的子模块和相模块支路的等效电路图，以及

图3示出了用于解释按照本发明的方法的实施例的示意图。

具体实施方式

图1举例示出了由三个相模块2a、2b和2c组成的多级变流器1。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。相电压U1、U2和U3分别降落在交流电网5的各相上，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I_d。在每个交流电压接头3₁、3₂和3₃和正的直流电压导线p之间形成相模块支路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。每个相模块支路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L_Kr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的串联电路和特别是子模块的结构，在图2中仅示出相模块支路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。它们对于专业人员来说本身是公知的，从而对此不需详细示出。续流二极管D1、D2分别与每个可关断功率半导体T1、T2反并联连接。与可关断功率半导体T1、T2以及续流二极管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经过功率半导体T2流过，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的接线柱X1、X2上施加全电容器电压Uc。此外电容器8可以根据支路电流的方向也就是根据能量改变状态来充电或放电。

此外每个子模块还具有未图形示出的、用于采集降落在各个电容器8上的电容器电压Uc的子模块传感器，在此，将相应于电容器电压Uc的电容器电压值作为储能器实际值提供给设置在上级的任意调节单元9。调节单元9提供对于功率半导体TI和T2的转换所必须的控制信号，在此应用后面将详细解释的按照本发明的方法的实施例。

根据图1和2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。多级变流器例如用作由两个直流电压侧互相连接的多级变流器组成的近耦合的组成部分，在此这些多级变流器如图1中所示分别与交流电网相连。这样的近耦合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、中性点处理方式等等。此外考虑在无功功率补偿、也就是所谓的FACT(Flexible ACTransmission 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。根据不同的应用可能性的满足，产生许多不同的运行电压，按照本发明的装置可分别与这些运行电压匹配。由于这个原因，子模块的数量可以从几个直到数百个子模块7不等。

图3借助线图解释了按照本发明的方法的实施例，其中所说的方法例如由按照图1和2的多级变流器1实施。在图3中示出的线图中横坐标标出时间，而在纵坐标的下面区域用1、2、3、4标出总共四个要计数的储能器的数目。要指出的是，每个子模块7具有一个储能器，此处是电容器，在此一般地用附图标记8表示这些电容器。由此下面的曲线10表示根据时间接通的电容器8的数目p。

在曲线10的上方绘出了作为时间函数的、分别降落在四个电容器8上的电压Uc。直到用tw表示的时刻，流过相模块支路的电流Izwgp1大于零。这意味着，直到时刻tw子模块7的电容器8可以分别充电。而当各个电容器8借助与其并联连接的功率半导体电路被接通时，在紧接着时刻tw的时间段中则相反，这些电容器8仅放电。

在图3中示例性地标出相模块支路6p1的四个电容器11、12、13和14的电容器电压Uc与时间t的关系。在时刻tw按照曲线10接通两个电容器，即电容器11和12。因为流过相模块支路6p1的电流I大于零，所以降落在它上面的电压Uc以及由此的由子模块传感器采集的储能器实际值线性上升。作为下一个要断开的电容器选择电容器12，因为降落在它上面的电压大于降落在电容器11上的电压。电容器13和14已经断开并且由此可以不作为下一个要断开的电容器被选择。调节单元9具有相模块支路能量额定值，该相模块支路能量额定值随时间改变。在t0和t1之间的时间间隔中相模块支路能量额定值持续变小。在时刻t1相模块支路能量额定值和由电容器11和12的电容器电压Uc的和形成的储能器和实际值之间的差的绝对值小于下一个要断开的电容器12的电容器电压的一半，从而确定转换时刻，在该转换时刻断开电容器12。现在，只有电容器11接通。电容器12、13和14的电压变化具有零上升。电容器12、13和14不再被充电。

相模块支路额定值的时间上的变化是正弦形的。在t1和t2之间的时间间隔中半导体能量额定值达到其最小值并且然后又上升。为了遵循该预先给出的曲线变化，必须由调节单元接通到目前为止断开的电容器。支路电流Izwg1是正的。由此作为下一个要接通的电容器选择降落在其上的电压最小的电容器13，从而可以使该电容器充电并达到其它电容器的电压水平。在转换时刻t2相模块支路能量额定值与在这种情况下等于唯一接通的电容器11的电容器电压Uc的储能器和实际值之间的差的绝对值大于转换阈值的绝对值，该转换阈值又是由待转换的电容器、此处是电容器13的电容器电压与系数1/2的乘积形成的。此时对电容器11和13充电。

最后电容器13的电容器电压超过电容器12的电容器电压，从而选择电容器12作为下一个要接通的电容器。此时电容器11和13的电容器电压的和就是储能器和实际值。在转换时刻t3，相模块支路能量额定值与储能器和实际值、也就是电容器11和13的电容器电压的和之间的差的绝对值大于降落在电容器12上的电容器电压的一半，从而此时也接通电容器12。

在附加转换时刻tz在最小的电容器电压、即降落在电容器14上的电压和最大的电容器电压、即降落在电容器11上的电压之间的电压差ΔU大于由控制单元预先给出的最大能量偏差阈值。由于这个原因调节单元9将在其上降落最大电容器电压Uc的电容器11断开，并且在相同的时刻将在其上在时刻tz降落最小电容器电压的电容器14接通。通过该措施确保，相模块支路的电容器的电容器电压Uc不会取非常不同的值。非常不同的值会产生不均衡的电压负载并且由此会损坏子模块7。

在时刻tw在图3中由于清楚性原因仅用I表示的流过相模块支路的支路电流是负的。接通的电容器12、13和14由此被放电。作为下一个要接通的电容器只能选择唯一的断开了的电容器11。在时刻t4在半导体能量额定值与由降落在电容器12、13和14上的电容器电压的和形成的储能器和实际值之间的差大于电容器11的电容器电压Uc的一半，从而接通电容器11。此时所有的电容器被放电。

在t4和t5之间的时间间隔中预先给出的相模块支路能量额定值达到最大值并且然后又变小，从而必须断开来自相模块支路6p1的子模块7的串联电路的电容器8。选择电容器14作为下一个要断开的电容器，因为在该电容器上降落最小的电压并且由此在其中存储了最少的能量。此时控制使得半导体能量额定值减小。在时刻t5在半导体能量额定值与储能器和值之间的差是负的并且小于负的能量差值。断开电容器14。对转换时刻t6和t7也相应地进行。

Claims (7)

1.一种用于对多级变流器的储能器充电和/或放电的方法，该多级变流器具有至少一个相模块支路，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至少一个用于接通或断开与功率半导体电路并联的储能器的功率半导体电路，和用于采集储能器实际值Uc的子模块传感器，其中

在获得能量改变状态的条件下，确定是否可以对相模块支路的接通的储能器充电或放电，

并且借助预先给出的逻辑根据所述能量改变状态选择每个相模块支路的下一个要转换的储能器，

其特征在于，

形成所有接通的储能器实际值之和以获得储能器和实际值，确定预先给出的相模块支路能量额定值和该储能器和实际值之间的差以获得能量差值，并且当该能量差值的绝对值或者由该能量差值导出的参数的绝对值超过转换阈值的绝对值时，确定转换所选择的储能器的转换时刻。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，下一个要转换的储能器是这样的储能器，其储能器实际值根据所述能量改变状态的不同，在同一相模块支路的所有储能器实际值中是最小的或者最大的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转换阈值通过将下一个要转换的储能器的储能器实际值Uc乘以预先给出的系数来确定，其中，当能量差值的绝对值大于该转换阈值的绝对值时，确定转换时刻。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述能量差值在时间上积分以获得能量差积分值，其中将所述转换时刻确定为这样的时刻：在该时刻所述能量差积分值根据能量改变状态的不同超过正的转换阈值D或者负的转换阈值-D。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定相模块支路的具有最大储能器实际值的储能器以获得最大能量实际值，确定相模块支路的具有最小储能器实际值的储能器以获得最小能量实际值，形成该最大能量实际值和该最小能量实际值之间的差以获得最大能量偏差实际值，将该最大能量偏差实际值与最大能量偏差阈值相比较，当最大能量偏差实际值超过该最大能量偏差阈值时，确定附加转换时刻，在该附加转换时刻根据能量改变状态断开一个储能器并接通另一个储能器。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在其中可以对相模块支路的储能器充电的能量改变状态中，在附加转换时刻断开在相模块支路的储能器中具有最大储能器实际值的储能器，同时接通在同一相模块支路的储能器中具有最小储能器实际值的储能器。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在其中可以对相模块支路的储能器放电的能量改变状态中，在附加转换时刻断开在相模块支路的储能器中具有最小储能器实际值的储能器，同时接通在同一相模块支路的储能器中具有最大储能器实际值的储能器。

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