CN102067430B - 电压源转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电压源转换器，该电压源转换器具有至少一个相臂，该至少一个相臂连接到该转换器的直流电压侧的彼此相反的极，该至少一个相臂包括开关单元的串联连接；该电压源转换器具有电感装置，该电感装置包括多个电感器(23)，该多个电感器(23)内置在开关单元(7’)的所述串联连接中、并通过连接到这些单元的端子(14、15)来与这些单元串联连接。

Description

电压源转换器
技术领域和背景技术
本发明涉及一种电压源转换器，该电压源转换器具有至少一个相臂(phase leg)，该至少一个相臂连接到该转换器的直流电压侧的彼此相反的极，该至少一个相臂包括开关单元的串联连接，每个所述开关单元一方面具有串联连接的至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管(free-wheeling diode)，每个所述开关单元另一方面具有至少一个储能电容器以及将该单元连接到开关单元的所述串联连接中的相邻单元的两个端子，开关单元的所述串联连接的中点形成相输出，该相输出被配置成连接到该转换器的交流电压侧，每个所述开关单元被配置成通过对每个开关单元的所述半导体器件的控制来获得两个开关状态，即，第一开关状态和第二开关状态，其中所述至少一个储能电容器上的电压和零电压被分别提供在该开关单元的所述两个端子之间，以便在所述相输出上获得确定的交流电压，其中开关单元的所述串联连接包括电感装置。
这种具有任何数目的所述相臂的转换器被包括在内，但是其通常具有三个这种相臂，以使其交流电压侧有三相交流电压。
该类型的电压源转换器可用于如下各种情况，即，其中要将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压，其中这种应用的例子是在HVDC(高压直流电流)电厂的电站中，其中通常将直流电压转换成三相交流电压或者将三相交流电压转换成直流电压，或者在所谓背对背电站中，其中首先将交流电压转换成直流电压、然后将该直流电压转换成交流电压，以及在SVC(静态无功补偿器)中，其中直流电压侧由一个或多个自由悬挂(hanging freely)的电容器构成。然而，本发明不限于这些应用，而是还可考虑其它应用，比如应用于机器、车辆等的不同类型的驱动系统。
通过例如DE 101 03 031 A1和WO 2007/023064 A1了解该类型的电压源转换器。如这些文献中所公开的，该类型的电压源转换器通常被称为多单元转换器或M2LC。参考这些文献来获知该类型的转换器的功能。该转换器的所述开关单元可具有与所述文献中所示外观不同的外观，例如，每个开关单元可以具有多于一个的所述储能电容器，只要可以控制该开关单元在引言中提到的两个状态之间切换即可。
通过US 5 642 275了解用在静态无功补偿器中的该类型的另一个电压源转换器，其中开关单元具有呈所谓全桥形式的不同外观。
本发明主要但非排他地涉及这种被配置成传输高功率的电压源转换器，因此下文中将主要讨论传输高功率的情形来说明本发明、但不以任何方式将本发明局限于此。当使用这种电压源转换器来传输高功率时，这也意味着处理高电压，且转换器的直流电压侧的电压由开关单元的所述储能电容器上的电压决定。这意味着相对大数目的这种开关单元将被串联连接，因为大数目的半导体器件(即，所述半导体组件)将串联连接在每个所述开关单元中，且当所述相臂中的开关单元数目相对大时，该类型的电压源转换器特别引人关注。串联连接的大数目的这种开关单元意味着可以控制这些开关单元在所述第一和第二开关状态之间改变并由此已经在所述相输出获得非常接近正弦电压的交流电压。这已经可以利用比DE 10103 031 A1中的图1中所示的类型的已知电压源转换器中典型使用的开关频率低很多的开关频率来获得，该已知电压源转换器具有至少一个关断型半导体器件和与之反并联连接的至少一个续流二极管。这使得可以实现低很多的损耗并且还可以显著减少无线电干扰以及滤波和谐波电流的问题，从而用于其的设备的成本可以降低。
因而，本发明涉及具有所谓级联式半桥或全桥的转换器。
正在尝试例如通过减小转换器的复杂性和/或尺寸来改进这种已知的转换器。
发明内容
本发明的目的是提供在引言中定义的类型的电压源转换器，该转换器相对于这种已知的转换器至少在某个方面得以改进。
根据本发明，该目的是通过提供在引言中定义的类型的电压源转换器来实现的，其中电感装置包括多个电感器，该多个电感器内置在开关单元的所述串联连接中、并通过连接到这些单元的所述端子来与这些单元串联连接。
该类型的转换器中必须存在电感装置的原因有多个，比如为了获得具有期望波形的交流电压、从而可能避免开关单元的串联连接的位于其所述中点的彼此相对的侧的分支的短路等。在已知的该类型的转换器中，这些电感装置是通过布置单个分立电感来提供的，该单个分立电感将开关单元的所述串联连接的每一半连接到相输出。本发明人已理解：当要针对不同应用定制若干该类型的电压源转换器时，可通过修改所述电感装置的构思并由此获得转换器设计的全模块化的可能性来实现对这种电压源转换器的所述改进。发明者已认识到：这种相电抗器的总电感与所述开关单元的电压的总和成比例，并因此可模块化成具有所述开关单元的梯级。因此，通过将电感器内置在开关单元的串联连接中、并使电感器通过连接到这些单元的所述端子来与这些单元串联连接、并因此整合所考虑的相臂所需的电感，相电抗器不再是需要的，从而尤其对于较高的电压和额定功率，可减小转换器的尺寸和复杂性并由此减小其所属的转换站的尺寸和复杂性。因此，这样内置多个电感器的主要节约和益处包括：由于更加模块化的设计，生产流程和材料处理更容易，并且转换站的占地面积减小。
根据本发明的一个实施例，基本上相同数目的所述电感器被布置在开关单元的所述串联连接上、该串联连接的所述中点的两侧。这样促进了模块化，于是相应转换器所需的总电感可以在理解总电感与转换器总电压(其取决于各个开关单元的电压及其数目)成比例的基础上获得。
根据本发明的另一个实施例，所述电感器基本上均匀地分布在开关单元的所述串联连接中，这愈发促进了所述模块化。
根据本发明的另一个实施例，开关单元的所述串联连接由串联连接的两个或更多开关单元的模块形成，并且每个这种模块设有至少一个所述电感器。由此可确保每个这种模块具有与待施加在所述模块上的电压相适应的电感，使得这种模块可用于实现针对不同应用定制的不同转换器。
根据本发明的另一个实施例，开关单元的所述串联连接中的仅一些所述开关单元具有连接到其端子的电感器。因此，不必每个所述开关单元都具有连接到其端子的电感器；尤其是在转换器由所述模块制成的情形下，可能适合于在两个、三个或更多开关单元的模块中设有例如仅一个这种电感器。
根据本发明的另一个实施例，开关单元的所述串联连接中的每个所述开关单元具有连接到该开关单元的端子的所述电感器，这意味着：用于内置针对不同应用定制的转换器的模块于是可以由这种关联有电感器的开关单元形成。
根据本发明的另一个实施例，转换器包括所述电感器，所述电感器是由将开关单元的所述串联连接中的相邻开关单元电互连的细长形导体在通过使至少基本上一匝(turn)围绕所述开关单元的至少多个部分来包围所述至少多个部分、以便围绕这种开关单元产生介电屏蔽的同时形成的。这意味着：用于控制所述开关单元的区域内的电场的介电屏蔽则是通过将所述电感器内置在开关单元的该串联连接中而自动形成的。使用这种集成式屏蔽/电感可降低转换器的成本。
根据本发明的另一个实施例，所述电感器在将所述相邻开关单元电互连的同时使多个匝围绕开关单元的多个部分。这样，可通过选择适当数目的匝来调整所添加的电感。由这些匝形成的介电屏蔽还可能受到其数目和外观的影响。应指出：不必所有的将相邻开关单元互连的导体都形成电感器，但是这种形成介电屏蔽电感器的线圈可沿着开关单元的所述串联连接分隔开，以使得更容易触及开关单元以便进行其维护、替换和/或其它工作。
根据本发明的另一个实施例，每个开关单元具有串联连接的多于两个的所述半导体组件。
根据本发明的另一个实施例，所述相臂中的开关单元的数目≥4、≥12、≥30或≥50。如上面所提到的，当所述串联连接中的开关单元数目相当大从而导致在相输出上递送的电压脉冲具有大数目的可能电平时，该类型的转换器特别引人关注。
根据本发明的另一个实施例，开关单元组件的所述半导体器件是IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成栅换向晶闸管)或GTO(栅关断晶闸管)。它们是适合于这种转换器的半导体器件，尽管还可以考虑其它关断型半导体器件。
根据本发明的另一个实施例，所述转换器被配置成使所述直流电压侧连接到用于传输高压直流电流(HVDC)的直流电压网络，并使交流电压侧连接到属于交流电压网络的交流电压相线。这是因为该类型的转换器的特别引人关注的应用需要大数目的半导体组件。
根据本发明的另一个实施例，转换器是SVC(静态无功补偿器)的一部分，该SVC的直流电压侧由开关单元的所述储能电容器形成，且该SVC的交流电压相输出连接到交流电压网络。
根据本发明的另一个实施例，转换器被配置成使所述两极之间的直流电压为1kV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。所述直流电压越高，本发明越引人关注。
本发明还涉及根据这里所附权利要求所述的用于传输电力的电厂。这种电厂的电站可被赋予吸引人的尺度和高的性价比。
本发明的更多优点和有利特征将体现在以下描述中。
附图说明
下面参考附图描述作为例子引用的本发明的多个实施例。
在附图中：
图1是根据本发明的类型的电压源转换器的简图；
图2和图3示出了两种不同的已知开关单元，它们可以是根据本发明的电压源转换器的一部分；
图4是示意性地示出了根据本发明的类型的已知电压源转换器的简图；
图5是对应于图4的、根据本发明第一实施例的电压源转换器的示意图；
图6是对应于图5的、根据本发明第二实施例的电压源转换器的视图；
图7是根据本发明第三实施例的转换器中的开关单元的所述串联连接的一半(所谓阀分支)的简化的端视图；
图8是图7中所示的阀分支的一部分的俯视图；
图9是图7中所示的阀分支的一部分的侧视图；
图10是示出了根据本发明第四实施例的转换器中的阀分支的一部分的简图；以及
图11是对应于图10的、根据本发明第五实施例的转换器的视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了本发明所涉及类型的电压源转换器1的总体构造。该转换器具有三个相臂2-4，相臂2-4连接到该转换器的直流电压侧的彼此相反的极5、6，比如用于传输高压直流电流的直流电压网络。每个相臂包括由方框表示的开关单元7的串联连接(在本情形下开关单元7的数目为16)，且该串联连接被划分成两个相等部分即上阀分支8和下阀分支9，这两个分支由中点10-12分开，中点10-12形成相输出，相输出被配置成连接到该转换器的交流电压侧。相输出10-12可以通过变压器连接到三相交流电压网络、负载等。在所述交流电压侧还设置滤波设备，以改善所述交流电压侧的交流电压的形状。
控制装置13被设置用于控制开关单元7并由此控制转换器将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压。
电压源转换器具有具有如下类型的开关单元7：该开关单元一方面具有至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管；该开关单元另一方面具有至少一个储能电容器，图2和图3中示出了这种开关单元的两个例子。开关单元的端子14、15适于连接到形成相臂的开关单元的串联连接中的相邻开关单元。在本情形下，半导体器件16、17是与二极管18、19并列连接的IGBT。尽管每个组件仅示出了一个半导体器件和一个二极管，但是它们可分别代表并联连接以便共享流过该组件的电流的多个半导体器件和二极管。储能电容器20与二极管和半导体器件的相应串联连接并联连接。一个端子14连接到两个半导体器件之间的中点以及两个二极管之间的中点。另一个端子15连接到储能电容器20，在图2的实施例中连接到其一侧，在根据图3的实施例中连接到其另一侧。应指出：图2和图3中所示的每个半导体器件和每个二极管可以是串联连接以便能够处理待处理的电压的多于一个的半导体器件和二极管，如此串联连接的半导体器件于是可被同时控制，以便担当单个半导体器件。
图2和图3中所示的开关单元可被控制为获得a)第一开关状态和b)第二开关状态二者之一，其中对于a)电容器20上的电压和对于b)零电压施加在端子14、15之间。为了在图2中获得第一状态，半导体器件16接通而半导体器件17关断，而在根据图3的实施例中，半导体器件17接通而半导体器件16关断。通过改变半导体器件的状态，开关单元被切换到第二状态，从而在根据图2的实施例中，半导体器件16关断而半导体器件17接通，而在图3中，半导体器件17关断而半导体器件16接通。
图4更详细地示出了如何由图3中所示类型的开关单元构成根据图1的转换器的相臂，其中为了使图简化，省去了总共10个开关单元。控制装置13适于通过控制开关单元的半导体器件来控制开关单元，使得它们将递送零电压或者电容器上的电压来与所述串联连接中的其它开关单元的电压相加。在此还示出了变压器21和滤波设备22。示出了如何将每个阀分支通过相电抗器50、51连接到相输出10，这种相电抗器也应存在于图1中用于相输出10、11和12，但为了使图简化而将其省去。
图5示意性地示出了本发明可如何通过用内置在开关单元7’的所述串联连接中的电感器23替换图4中所示转换器相臂的相电抗器来实现，在本实施例中每个开关单元7’具有连接到该开关单元的端子的电感器。一个这种开关单元和一个电感器的模块30可由此在所述相臂中形成并组合成串联连接的不同数目的这种模块，以便针对想要用于的特定应用定制转换器。
图6示出了在本发明的另一个实施例中可如何将电感器23内置在开关单元的所述串联连接中，其中电感器形成每个第二开关单元与下一个开关单元的连接，而每个第二这种连接由无任何明显电感的简单导体制成。应指出：本发明覆盖了内置在所述串联连接中的电感器的数目与其中的开关单元的数目之间的关系的任何适当的组合。于是优选的是：所述电感器基本上均匀地分布在所述串联连接中，且基本上相同数目的所述电感器被布置在开关单元的所述串联连接中、其中点10的两侧。
图7-9更详细地示出了可如何将这种电感器内置在开关单元的所述串联连接中，其中该串联连接的所述半导体组件由方框24表示，而其电容器由更大的方框25表示。示出了如何由将开关单元的所述串联连接中的相邻开关单元电互连的细长形导体26在通过使至少基本上一匝27围绕所述开关单元的至少多个部分来包围所述至少多个部分、以便围绕这种开关单元产生介电屏蔽的同时形成所述导体。应指出：为了获得目标电感，示出匝27的实线同样可以代表导体的大数目的匝，例如300匝。可根据如下公式计算电感L：
L = μ 0 N 2 A I
其中N是匝的数目，A是由所述匝包围的面积，I是导体的长度。例如在N＝300、A＝3m2且I＝15m的情形下，这将得出电感L＝23mH。
相应地，这样内置的电感器于是也将围绕开关单元的至少多个部分产生介电屏蔽，并由此被用于控制该区域中的电场以及防止电击穿。
图10示意性地示出了可如何通过图7-9中所示类型的电感器23来将根据本发明的电压源转换器中的开关单元的串联连接中的每个第二开关单元互连，这使得可以容易得到所述串联连接中的不同部件。然而，完全可以如图7-9中所示那样使这种电感器处于每个开关单元之间，或者扩展由形成电感器的每个导体制成的匝使之遍布该串联连接的延伸范围的更长或更短部分，以便调整其介电屏蔽特性。
图11示出了一个实施例，其中电压源转换器中的开关单元的串联连接中的每个开关单元具有串联连接的四个半导体组件24，在该情形下，每个开关单元具有连接到该开关单元的端子的所述电感器23。归功于每个开关单元的半导体组件的更大数目，仍获得相邻的这种电感器23之间可能希望的距离。
本发明当然不以任何方式局限于上述实施例，本领域的普通技术人员容易明白，在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的基本观点的情况下，可以对本发明进行很多修改。

Claims (14)

1.一种多单元电压源转换器，所述电压源转换器具有至少一个相臂(2-4)，所述至少一个相臂(2-4)连接到所述转换器的直流电压侧的彼此相反的极(5、6)，所述至少一个相臂(2-4)包括开关单元(7、7’)的串联连接，每个所述开关单元具有串联连接的至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件(16、17)和与之并联连接的续流二极管(18、19)，每个所述开关单元具有至少一个储能电容器(20)以及将所述开关单元连接到开关单元的所述串联连接中的相邻开关单元的两个端子(14、15)，开关单元的所述串联连接的中点(10-12)形成相输出，所述相输出被配置成连接到所述转换器的交流电压侧，每个所述开关单元被配置成通过对每个开关单元的所述半导体器件的控制来获得两个开关状态，即，第一开关状态和第二开关状态，其中所述至少一个储能电容器上的电压或零电压被提供在所述开关单元的所述两个端子之间，以便在所述相输出上获得确定的交流电压，其中开关单元的所述串联连接包括呈多个电感器(23)的形式的电感装置，所述多个电感器(23)内置在开关单元(7、7’)的所述串联连接中、并通过连接到所述开关单元的所述端子来与所述开关单元串联连接，
其特征在于，所述电感器(23)是由将开关单元的所述串联连接中的相邻开关单元(7、7’)电互连的细长形导体(26)在通过使至少一匝(27)围绕所述相邻开关单元(7、7’)的至少多个部分来包围所述至少多个部分、以便围绕所述相邻开关单元(7、7’)产生介电屏蔽的同时形成的。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，相同数目的所述电感器(23)被布置在开关单元(7、7’)的所述串联连接中、并且在所述串联连接的所述中点(10-12)的两侧。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的转换器，其特征在于，所述电感器(23)均匀地分布在开关单元(7、7’)的所述串联连接中。
4.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，开关单元(7、7’)的所述串联连接由串联连接的两个或更多开关单元(7、7’)的模块(30)形成，且每个这种模块设有至少一个所述电感器(23)。
5.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，开关单元的所述串联连接中的仅一些所述开关单元具有连接到其端子的电感器(23)。
6.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，开关单元的所述串联连接中的每个所述开关单元(7、7’)具有连接到该开关单元的端子的所述电感器(23)。
7.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述导体(26)在将所述相邻开关单元电互连的同时使多个匝(27)围绕开关单元(7、7’)的多个部分。
8.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，每个开关单元(7、7’)具有串联连接的多于两个的所述半导体组件(24)。
9.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述相臂中的所述开关单元(7、7’)的数目≥4、≥12、≥30或≥50。
10.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述半导体组件的所述半导体器件(16、17)是绝缘栅双极晶体管、集成栅换向晶闸管或栅关断晶闸管。
11.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述转换器被配置成使所述直流电压侧连接到用于传输高压直流电流的直流电压网络(5、6)，并使所述交流电压侧(10-12)连接到属于交流电压网络的交流电压相线。
12.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述转换器是静态无功补偿器的一部分，所述静态无功补偿器的直流电压侧由所述开关单元的所述储能电容器(20)形成，且所述静态无功补偿器的交流电压相输出(10-12)连接到交流电压网络。
13.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述转换器被配置成使所述彼此相反的极(5、6)之间的直流电压为1kV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。
14.一种用于传输电力的电厂，包括直流电压网络和通过电站与其相连的至少一个交流电压网络，所述电站适于在所述直流电压网络和所述交流电压网络之间进行电力传输，所述电站包括适于将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压的至少一个电压源转换器，其特征在于，所述电厂的所述电站包括根据权利要求1-13中的任一项所述的电压源转换器。
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