CN101919152B - 具有分布式元件控制的电力换流器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将直流电压变换成交流电压并且反之亦然的设备，包括用于控制电压变换的控制系统以及至少一个相腿(1)，该相腿具有在第一直流端子(4)和第一交流端子(6)之间串联连接的第一电压源(Uvp1)以及在第一交流端子(6)和第二直流端子(5)之间串联连接的第二电压源(Uvn1)。每个电压源至少包括串联连接的第一和第二子模块(15)，其中每个子模块(15)包括与至少一个电容器(17)并联连接的至少两个电力电子开关(16)。控制系统包括中央控制单元(19)和至少两个子单元(20)，其中，中央控制单元(19)将参考交流电压(ua_ref)和开关载波信号(s_sw)传送给每个子单元(20)，并且其中每个子单元(20)根据PWM图案来控制一个子模块(15)的电力电子开关(16)的开关，使得每当开关载波信号(s_sw)越过参考交流电压(ua_ref)时，电容器(17)两端的电压或零电压被施加到相应子模块(15)的输出端子(26，27)。

Description

具有分布式元件控制的电力换流器
技术领域
本发明涉及具有多级电压输出的电力换流器，即用于将直流(DC)电压变换成交流(AC)电压并且反之亦然的设备，包括用于控制电压变换的控制系统，并包括至少一个相腿，该相腿具有在第一直流端子和第一交流端子之间串联连接的第一电压源，以及在第一交流端子和第二直流端子之间串联连接的第二电压源，其中每个电压源包括串联连接的第一和第二子模块，每个子模块包括与至少一个电容器并联连接的至少两个电力电子开关。 
 背景技术
在本领域中，已知使用多级换流器以减少电压源换流器的输出中的谐波失真。多级换流器是输出电压(或在多相换流器情况下的各相电压)能够呈现若干离散等级的换流器。 
在本领域中，已知用于控制多级电力换流器的电压变换的不同系统和方法。DE 10103031和WO 2008/067784均公开一种用于多级换流器的控制系统，其基本拓扑在图1中示出。该换流器是三相换流器，具有三个相腿1、2和3。每个相腿包括两个所谓的串联连接的臂：在正电压级连接到第一DC端子4的正的上臂，以及在零或负电压级连接到第二DC端子5的负的下臂。每个正臂分别包括上部电压源Uvpi和第一电感器9、11或13的串联连接，每个负臂分别包括第二电感器10、12或14以及下部电压源Uvni，其中i代表相应的相腿数量。每个相腿的第一和第二电感器之间的中点或连接点是分别连接到AC端子6、7或8的点。所有相腿彼此并联连接，并且与两个DC端子4和5并联连接。通过在时间上适当控制相腿的电压源Uvpi和Uvni来进行AC到DC的变换。一般而言，这种换流器可以具有任何数量P的相腿，这取决于AC电压具有的相数。在M.Glinka和R.Marquardt的“A new ac/ac multilevel converter family，”IEEE Transactions on Industrial Electronics，vol.52，no.3，June 2005，pp.662-669中可以看到单相多级换流器的例子。 
如在以上提及的技术中已知的每个臂的电压源Uvpi和Uvni各自的总体设置在图2中描述。每个电压源由串联连接的子模块15的串构成，其中至少两个子模块15被包括在一个这样的串中。下面将利用N来给出每个臂的串联连接的子模块15的总数量，其中N大于1，并且可以高达几百。 
根据图3，可以看到从DE 10103031中得知的子模块15的两个不同的实施例15a和15b。在每个电压源中可以实现子模块的任何组合。子模块具有整流元件的形式，每个元件包括两个串联连接的半导体阀以及大的DC电容器17，DC电容器17保持用于能量存储的直流电压。两个阀均配备有续流二极管28，续流二极管28与具有可控的开启和关闭能力的电力电子开关16反并联连接，电力电子开关16例如是晶体管、可关断晶闸管(GTO)或它们的串联和/或并联连接。根据两个电力电子开关16中的哪个导通，相应子模块15可以呈现两种开关状态中的一种，其中，状态一中零电压或状态二中电容器两端的瞬时电压uc_k被施加到输出端26和27。字母k代表相腿的相应臂中的子模块15的数量，其中1≤k≤N。结果，每个子模块15的两个阀的功能是对电容器17进行切换以使其进入或退出相应臂的电路，使得提供AC电压和DC电压之间的希望的变换，并且因此可以影响电容器17两端的电压uc_k的平均值。 
关于已知多级换流器的控制，Glinka等人提出：对于某一臂中的所有子模块以集中方式控制电力电子开关的开关。当控制系统确定应该执行开关事件时，假设电流方向使得可以减小该偏离，要被切换的子模块被选作电容器电压偏离参考电压最多的子模块。因此，防止了子模块的所有电容器电压背离参考电压。 
WO 2008/067784A1公开了一种用于根据图1的多级换流器的控制系统，包括中央控制单元18和臂控制单元29，其中，臂控制单元29的数量等于换流器的臂的总数，即，2·P＝6。中央控制单元18通过根据不同测量结果(如换流器电流和电压)来确定每个臂控制单元29的参考值以控制换流器的输出电流。响应于臂参考值，臂控制单元29执行各个控制功能，以便进行相应臂中的每个子模块15的切换。 
Hirofumi Akagi等人在题为“Control and Performance of a Transformerless Cascade PWM STATCOM With Star Configuration”的文章中(见，IEEE Trans.On Industry Applications，Vol.43，No.4，2007年7/8月)公开了一种使用三相多级逆变器的静止同步补偿器(STATCOM)， 在每相中具有级联的单相H桥。STATCOM的控制系统由基于单DSP和三个FPGA的全数字控制电路形成。三个载波信号彼此相移2π/3，以便将相移的PWM施加到每相中的H桥。DSP有规律地发送一对电压参考至三个FPGA中的一个。 
发明内容
本发明的目的是提出具有简化的控制系统的上述种类的电力换流器。 
该目的通过一种用于将DC电压变换成AC电压和将AC电压变换成DC电压的设备来实现，该设备包括用于控制电压变换的控制系统，并包括至少一个相腿，该相腿具有在第一直流端子和第一交流端子之间串联连接的第一电压源以及在第一交流端子和第二直流端子之间串联连接的第二电压源，其中每个电压源至少包括串联连接的第一和第二子模块，每个子模块包括与至少一个电容器并联连接的至少两个电力电子开关，其特征在于： 
控制系统包括中央控制单元和与子模块一样多的子单元，其中，中央控制单元将参考交流电压和开关载波信号传送给每个子单元，并且其中每个子单元根据PWM图案来控制一个子模块的电力电子开关的开关操作，使得每当开关载波信号越过参考交流电压时，开始相应子模块的从状态一到状态二或者是从状态二到状态一的状态改变，其中在状态二中在电容器上的电压被施加到相应子模块的输出端子，而在状态一中零电压被施加到相应子模块的输出端子；其中中央控制单元将同一参考交流电压和同一开关载波信号传送给属于同一电压源的所有子单元。 
本发明基于对以下事实的认识，即带有中央控制单元和臂控制单元的已知的控制系统具有以下缺点：每个臂控制单元需要控制其所有相应子模块的开关，这需要单独完成，即，每个子模块需要通过臂控制单元产生其自身的输入或参考值。因此，对于每个子模块，需要在臂控制单元中建立和执行各个控制功能，当安装控制系统时，需要注意将每个子模块连接到臂控制单元上的相关联的接口。 
与之相对，可以基于如在专利申请PCT/EP2008/050120(这里要求其优先权)中描述的控制方法来对控制系统进行模块化。该控制方法的基本原理是，以分布方式而不是以集中方式根据脉宽调制(PWM)来执行子模块的开关操作，其中两个PWM相关信号(参考AC电压或开关载波信 号)中的一个随时间分布。 
参考AC电压是用于每个电压源因此是用于每个臂的参考值。开关载波信号对于每个臂的所有子模块来说形状相同。中央控制单元产生用于每个臂的参考AC电压以及开关载波信号，并将它们传送给子控制单元或子单元，其中每个子单元与臂的一个子模块相关联。子单元对开关载波信号和AC参考电压进行比较，并且每当开关载波信号越过参考AC电压时，开始开关操作，因此相应子模块从状态一改变到状态二并且反之亦然。 
可以在中央控制单元或者每个子单元中执行两个PWM相关信号中的一个的必要分布。除了可能产生单独的时间延迟之外，要通过子单元执行的所有控制和开关产生功能对于彼此来说相同，这是因为每个子单元仅与和所有其它子模块均相同的一个子模块通信。因此，不仅建立了电力电子硬件的真正模块化还建立了控制系统的真正模块化，这有助于控制功能的发展并且简化多级电力换流器的安装，特别是布线以及服务与维护。 
如上所述，需要随时间来分布两个PWM相关信号中的一个。完成该操作，使得子模块中的阀的开关事件按每个臂中的子模块的连续顺序发生。这样做的目的是要防止两个或多个元件的阀被同时切换。可以通过中央控制单元来产生用于一个臂的每个子单元的进行了必要的时间延迟的开关载波信号或参考AC电压，这意味着中央控制单元必须向每个子单元发送单个参考信号，由此削弱了模块化的一般优势。 
反之，优选的是，中央控制单元将相同的开关载波信号和参考AC电压发送给一个臂的所有子单元，由此将通过中央控制单元发送的数据量保持得尽可能低。低的数据速率具有通信可靠性和成本方面的优势。 
如果通过中央控制单元向一个臂传送相同的开关载波信号和参考AC电压，则可以在对两个PWM相关信号彼此进行比较之前由每个子单元单独地将必要的时间延迟应用于两个PWM相关信号中的一个。 
在优选实施例中，对于每个子单元预先确定时间延迟，使得所有子单元的延迟的开关载波信号或参考AC电压分别在时间上关于彼此均匀分布。两个信号中的一个的均匀时间分布显示在电力换流器的AC端子产生光滑的AC电压曲线，具有对于来自连接到该AC端子的AC电压网络的谐波和其它干扰的低敏感度。 
对于均匀时间分布，时间延迟优选地被选择为相邻子单元之间的2π/(pM)的相移，其中p是被定义为将参考交流电压的时间周期除以开关载波信号的时间周期而得到的脉冲数，并且其中M是每个相腿的子模块的数量，M＝2·N。 
优选地，锯齿形信号被用作开关载波信号。 
在本发明的另一个实施例中，每个子单元在执行PWM之前，尤其在执行两个PWM相关信号的比较之前，将校正值加到参考AC电压的幅度上。校正值被选择成与电容器的瞬时电压uc_k和参考电容器电压uc_ref之间的差成比例。这样，防止了子模块的所有电容器电压uc_k偏离它们对应的参考值uc_ref。结果，电容器电压的平均值基本保持在相同的预定水平，这导致对于电力换流器的健壮且快速的控制，以及由此导致AC端子处的甚至更加平滑的AC电压曲线。 
在每个子单元将电容器的瞬时电压uc_k和参考电容器电压uc_ref之间的差加到参考AC电压的幅度上之前对其进行低通滤波时，可以实现AC端子处的AC电压曲线的质量的另一改进。 
在特定实施例中，参考电容器电压uc_ref通过中央控制单元传送给每个子单元，其中，为了简化，优选地为一个臂的所有子单元发送同一值。 
还建议，每个子单元将其对应电容器的瞬时电压uc_k传送到中央控制单元。中央控制单元可以处理所有电容器电压值并产生表示电力换流器的整体能量存储状态的信息。具体来说，中央控制单元于是能够基于该信息产生用于每个臂的合适的参考电容器电压uc_ref和参考AC电压。 
在其它实施例中，中央控制单元和子单元还彼此交换信号。在一种设置中，中央控制单元将指令信号BLK传送给子单元，该指令信号是判断是否允许相应子模块或该子模块中的某些阀的开关的逻辑信号。或者，指令信号BLK可以是同时用于所有子单元的广播信号，即，其导致换流器的所有电力电子开关立刻封塞。在这种情况下并且结合以上提及的实施例中的一个，中央控制单元可以将相同的数据传送到换流器的一个臂的所有子单元，即用于该臂的参考AC电压和开关载波信号以及相同的参考电容器电压uc_ref和相同的指令信号BLK。这导致用于实现和维护电力换流器的工作量和成本最小化。 
在另一个实施例中，子单元可以将状态信息传送给中央控制单元。在每个电力电子开关包括半导体设备(如晶体管、GTO晶闸管)的串联连接的情况下，一个这种状态信息可以是数量nh_k，其标识在仍然可控(即正常)的相关电力半导体开关中半导体设备的数量。中央控制单元可以使用该信号来产生关于电力换流器的剩余电压变换能力的信息，以及相应调整参考电容器电压uc_ref和参考AC电压的值。 
另一种建议的状态信息是子模块故障指示信号FAIL_k，其是指示相应子模块中的故障的逻辑信号。该信号FAIL_k可以用在中央控制单元中，用于状态监视和保护的目的，例如进行决定何时应该禁止某些子模块的开关操作以及由此何时应当激活相应的指令信号BLK。 
关于控制系统的物理实现，可以进行不同的设置。子单元例如可以是与子模块集成的硬件，而它们也可以被放置在离相应子模块远的地方并通过光纤线缆或其它合适的通信连接与连接。子模块可以包括用于数据处理的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其组合。中央控制单元可以使用电子电路和/或光纤线缆与2·N·P个子单元通信。通常利用串联和/或并联通信来使用数字信令。 
附图说明
根据以下结合附图的详细描述，本发明的其它特征和优点对于本领域技 术人员来说变得明显，其中： 
图1示出了根据本领域已知的换流器拓扑； 
图2示出了根据本领域已知的图1的换流器的相腿中的电压源的设置； 
图3示出了图1和图2的换流器中的子模块的两个不同的实施例； 
图4示出了根据本发明的具有分布式控制系统的换流器的一个相腿； 
图5示出了图4的分布式控制系统中的通信原理； 
图6示出了图4中的一个子单元的详细图； 
图7示出了图4的相腿的十六个电力电子开关中的六个的单独开关载波信号； 
图8示意性地示出了一个电力电子开关的开关载波信号以及针对该电力电子开关的校正后的参考AC电压。 
具体实施方式
以上关于根据本领域已知的多级电力换流器及其控制系统的结构对图1至图3进行了说明。 
根据本发明，用于将DC电压变换成AC电压以及反之亦然的设备可以包含一个单独的相腿或多个相腿，这取决于AC电压具有的相数。图4中示出了根据本发明的换流器的一个相腿1，其中，相同的附图标记应用与参考图1至图3所描述的相同部件。在第一DC端子4和第一电感器9之间的上臂的上部电压源中，四个15b类型(参见图3)的子模块15串联连接，并且四个15b类型的子模块15的类似的串联连接被设置成第二电感器10和第二DC端子5之间的下臂的下部电压源。从而，所示的相腿1的数量N为4，且数量M为8。上部和下部电压源分别通过第一和第二电感器连接到第一AC端子6。这里，变压器21和滤波装置22在相腿1的AC侧被示出，即直接连接到第一AC端子6。 
用以控制换流器的电压变换(从AC到DC或反之亦然)的控制系统显示包括中央控制单元19和8个子单元20，其中，每个子单元与八个子模块15中的每个关联及连接。在图4中，利用虚线示意性地指示出子单元20具体与相应子模块15的电容器17以及电力电子开关16交互。在中央控制单元19和子单元15之间，点划通信线25指示出数据从中央控制单元19发送 到子单元15并且反之亦然。 
图5示出了属于图4中所示的相腿1的上臂的控制系统的通信的一般原理。中央控制单元19通过第一数据总线24将参考数据REF传送给子单元20，子单元20通过第二数据总线23将子模块信息数据CELL_k(N＝4且1≤k≤N)返回到中央控制单元19。使用串联或并联通信协议，第一和第二数据总线23和24可以被实现成独立的单向总线或公共双向总线。对于它们的物理实现，可以使用电子电路和/或光纤线缆。 
在本发明的特定实施例中，用于相腿1的上臂的参考数据REF中具体包括参考AC电压ua_ref和开关载波信号s_sw，其对于该臂的所有四个子单元20均相同。该实施例的开关载波信号s_sw是锯齿形信号。每个子单元20对接收的开关载波信号s_sw应用时间延迟，其中时间延迟是相邻子单元20之间的2π/pM的相移，其中p是被定义为将参考交流电压的时间周期除以开关载波信号的时间周期而得到的脉冲数，并且其中对于该特定实例，M为8。 
除了ua_ref和s_sw之外，参考数据REF还包括用于每个子模块15的电容器17的参考电容器电压uc_ref，以及指令信号BLK，其指示是否允许对相应子模块15进行切换，其中，在该特定实施例中，公共参考电容器电压uc_ref和公共指令信号BLK被传送到该臂的所有子单元20。这意味着相同的参考数据REF被发送出去，即，仅一个数据包REF＝[ua_ref；s_sw；uc_ref；BLK]需要被置于第一数据总线24上。 
每个子模块信息数据CELL_k包括相应电容器17的瞬时电压uc_k，该瞬时电压uc_k通过传感器来测量并通过相关联的子单元20来处理。子单元20使用接收到的参考电容器电压uc_ref以及所测量的因此是瞬时电压uc_k，以便于确定与电容器17的瞬时电压uc_k和参考电容器电压uc_ref之间的差成比例的校正值。每个子单元20将校正值加到参考AC电压ua_ref的幅度上。然后，每个子单元20根据PWM图案、使用延迟的开关载波信号和校正的参考AC电压来控制相应子模块15的电力电子开关16的开关操作，使得每当延迟的开关载波信号越过校正的参考AC电压时，电容器17两端的电压或零电压被施加到子模块15的输出端子26和27。 
子模块信息数据CELL_k还包括：状态信息，即数量nh1_k和nh2_k，其指示在子模块15的两个电力半导体开关16中正常的半导体设备的数量；以及子模块故障指示信号FAIL_k。因此，用于图5的每个子单元20的数据包具有以下形式：CELL_k＝[uc_k，nh1_k，nh2_k，FAIL_k]。 
执行上述控制功能的每个子单元20的不同器件在图6中详细示出。子单元20包括第一装置29，其被配置成传递单独的时间延迟的锯齿形电压35，以用于控制子模块15的电力电子开关16。图4中所示的相腿1的所有子模块15的锯齿形电压相同，只是在时间上关于彼此均匀分布，在相邻子模块15之间具有上述相移2π/pM。当按照从直接连接到第一DC端子4的最上部的子模块开始到直接连接到第二DC端子5的最下部的子模块为止的子模块15的顺序来看锯齿形电压时，平均时间分布变得明显。为了简化说明，图7中示出了相腿1的八个子模块15的最上部的六个子模块的锯齿形电压30到35。 
图6中示出的子单元20还包括第二装置36，其被配置成产生用于相应子模块15的、具有与其它子模块15的频率和相位相同的频率和相位的校正的参考AC电压37。因此，参考交流电压ua_ref具有与换流器的AC电压侧的电压的频率相等的频率，如50Hz或60Hz。子单元20还包括控制装置38，其被配置成根据PWM图案来控制相应的子模块15，使得每当时间延迟的锯齿形电压35越过校正的参考AC电压37时，电力电子开关16被切换，以将开关状态从状态一改变为状态二以及反向地将开关状态从状态二改变为状态一，如图7所示。因此，作为实例，在交叉点39，子模块15的上部电力电子开关16可以被接通，下部电力电子开关16可以被断开，用以在端子26、27之间传递零电压直到下一个交叉点39，在下一个交叉点上部电力电子开关16被断开，下部电力电子开关16被接通，以便将电压uc_k施加到两个端子26、27之间的电容器17的两端直到下一个交叉点40，等等。 
子单元20从传感器41接收所测量的电容器17两端的电压uc_k。子单元20的第三装置42用于将作为直流电压的电压uc_k与从中央控制单元19接收的作为参考信号REF中的一个的参考电容器电压uc_ref进行比较。第二装置36被配置成根据第三装置42的比较结果来计算偏移量或校正值，以及将该校正值加到也是从中央控制单元19接收到的参考AC电压ua_ref上。这实际上意味着，在属于单个子模块15的电容器17两端的电压偏离相腿1的所有子模块电容器的平均电压时，用于该子模块的参考AC电压ua_ref的幅度上升或下降。 
图8示出了如何在图6的子单元20中大大减小参考AC电压ua_ref的幅度而产生校正的参考AC电压37’。此外，在图8中仅示出用于相应子模块15的单独的锯齿形电压35’。这样，图6的子模块15的PWM图案通过图8的曲线35’和37’的交叉点来确定，这与图7中相应的交叉点大大不同。 已经证明，这种单独调整每个子模块的参考AC电压的方式对于子模块的电容器两端的直流电压具有平衡作用，因此，如果子模块的电容器两端的电压降低到所有电容器的平均直流电压之下，则对于参考AC电压的幅度的调整倾向于增加该电容器两端的电压。相反，如果电容器的电压高于平均值，则作为校正幅度ua_ref的结果，电压将被降低。 

Claims (14)

1.一种用于将DC电压变换成AC电压和将AC电压变换成DC电压的设备，包括用于控制电压变换的控制系统，并包括至少一个相腿(1)，该相腿具有在第一直流端子(4)和第一交流端子(6)之间串联连接的第一电压源(Uvp1)以及在第一交流端子(6)和第二直流端子(5)之间串联连接的第二电压源(Uvn1)，其中每个电压源至少包括串联连接的第一和第二子模块(15)，每个子模块(15)包括与至少一个电容器(17)并联连接的至少两个电力电子开关(16)，其特征在于：
控制系统包括中央控制单元(19)和与子模块(15)一样多的子单元(20)，其中，中央控制单元(19)将参考交流电压(ua_ref)和开关载波信号(s_sw)传送给每个子单元(20)，并且其中每个子单元(20)根据PWM图案来控制一个子模块(15)的电力电子开关(16)的开关操作，使得每当开关载波信号(s_sw)越过参考交流电压(ua_ref)时，开始相应子模块(15)的从状态一到状态二或者是从状态二到状态一的状态改变，其中在状态二中在电容器(17)上的电压被施加到相应子模块(15)的输出端子(26，27)，而在状态一中零电压被施加到相应子模块(15)的输出端子(26，27)；其中中央控制单元(19)将同一参考交流电压(ua_ref)和同一开关载波信号(s_sw)传送给属于同一电压源(Uvp1，Uvn1)的所有子单元(20)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中每个子单元(20)在执行PWM控制之前将单独的时间延迟应用到开关载波信号(s_sw)。
3.根据权利要求1所述的设备，其中每个子单元(20)在执行PWM控制之前将单独的时间延迟应用到参考交流电压(ua_ref)。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中对于每个子单元(20)预先确定时间延迟，使得所有子单元(20)的延迟的开关载波信号或参考交流电压分别在时间上关于彼此均匀分布。
5.根据权利要求4所述的设备，其中时间延迟是相邻子单元(20)之间的2π/(pM)的相移，其中p是被定义为将参考交流电压(ua_ref)的时间周期除以开关载波信号(s_sw)的时间周期而得到的脉冲数，并且其中M是每个相腿(1)的子模块(15)的数量。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中开关载波信号(s_sw)是锯齿形信号。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中每个子单元(20)在执行PWM控制之前将校正值加到参考交流电压(ua_ref)的幅度上，其中校正值与电容器(17)的瞬时电压(uc_k)和参考电容器电压(uc_ref)之间的差成比例。
8.根据权利要求7所述的设备，其中每个子单元(20)在将电容器(17)的瞬时电压(uc_k)和参考电容器电压(uc_ref)之间的差加到参考交流电压(ua_ref)的幅度上之前对其进行低通滤波。
9.根据权利要求8所述的设备，其中中央控制单元(19)将参考电容器电压(uc_ref)传送给每个子单元(20)。
10.根据权利要求7所述的设备，其中每个子单元(20)将其对应电容器(17)的瞬时电压(uc_k)传送给中央控制单元(19)。
11.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中中央控制单元(19)将指令信号(BLK)传送给子单元(20)，判断是否允许对电力电子开关(16)中的至少一个进行开关。
12.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中子单元(20)将状态信息(nh_k，FAIL_k)传送给中央控制单元(19)。
13.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中每个子单元(20)通过光纤线缆连接到相应子模块(15)。
14.根据权利要求1-3中的任一项所述的设备，其中中央控制单元(19)和子单元(20)通过串联或并联数据总线或通过无线连接彼此通信。
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