CN104081649B - 对于双端子hvdc连接的ac/dc多单元功率转换器 - Google Patents
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Abstract
提出用于在第一高压直流（DC）连接、第二高压DC连接与高压交流（AC）连接之间转换功率的功率转换器。该功率转换器包括：第一相布置，其包括第一转换器臂、第二转换器臂、第三转换器臂、第四转换器臂、第五转换器臂和第六转换器臂。该第一、第二、第三和第四转换器臂按提到的顺序在第一高压DC连接的两个端子之间串联连接。高压AC连接在第二转换器臂与第三转换器臂之间连接。
Description
技术领域
本发明涉及高压功率转换。
背景技术
对于多种不同的应用需要DC（直流）与DC之间的高压功率转换。一个这样的应用是对于与HVDC（高压DC）相关的链路。
WO
2011/060812提出一种高压DC转换器，其包括在第一与第二DC端子之间连接的至少一个感应器和至少一个链式连接转换器，所述或每个链式连接转换器包括串联模块链，每个模块包括一个或多个半导体开关和一个或多个能量存储装置。这些半导体开关能控制成提供持续可变电压源，其中在DC网络在使用中连接到第一和第二DC端子来控制模块的开关以选择性地使一个DC网络能够对该或每个感应器充电或使该或每个感应器能够向其他DC网络放电时，所述或每个链式连接转换器是可操作的。
然而，需要在对于高压应用的功率转换器中提供更大的灵活性。
发明内容
本发明的目标是减轻上文论述的现有技术的问题。
在第一方面中，提出用于在第一高压直流（DC）连接、第二高压DC连接与高压交流（AC）连接之间转换功率的功率转换器。该功率转换器包括：第一相布置，其包括第一转换器臂、第二转换器臂、第三转换器臂、第四转换器臂、第五转换器臂和第六转换器臂。该第一、第二、第三和第四转换器臂按提到的顺序在第一高压DC连接的两个端子之间串联连接，并且第一、第二、第三和第四转换器臂中的每一个包括多个转换器单元。第五转换器臂布置在第二高压DC连接的第一端子与第一连接点（是第一转换器臂与第二转换器臂之间的点）之间。第六转换器臂布置在第二高压DC连接的第二端子与第二连接点（是第三转换器臂与第四转换器臂之间的点）之间。高压AC连接在第二转换器臂与第三转换器臂之间连接。
使用该功率转换器，在两个高压DC连接与高压AC连接之间提供高压三向转换器。与DC与DC或DC与AC之间的双向转换器相比，这大大改进灵活性并且需要很少的附加部件。功率转换器还允许功率在三个端口中的任一个中在任一方向上流动，只要存在至少一个电源和一个功率负载即可。
功率转换器可进一步包括布置在第一高压DC连接的两个端子之间的第一对电容器和布置在第二高压DC连接的第一端子与第二高压DC连接的第二端子之间的第二对电容器。这使第一和第二高压连接上的电压纹波减少。
第一相布置可进一步包括在第二转换器臂与第三转换器臂之间串联连接的第七转换器臂和第八转换器臂，其中高压AC连接在第三连接点与第四连接点之间连接，该第三连接点是第二转换器臂与第七转换器臂之间的点，并且该第四连接点是第三转换器臂与第八转换器臂之间的点。使用该布置，在第二高压DC连接上提供双极连接。该双极连接可以是双向的。
功率转换器可进一步包括高压AC连接与第三连接点之间的第一变压器和高压AC连接与第四连接点之间的第二变压器。该变压器允许电压转换并且还将提供电气绝缘。
转换器臂的单元中的每一个可包括至少一个无源部件和至少一个有源部件。
第五和第六转换器臂中的每一个可布置成与第一、第二、第三和第四转换器臂一致地被控制。也就是说，到（或从）第二高压DC连接的转换与到高压AC连接的转换协调。
第五和第六转换器臂中的每一个可布置成分别检测第一连接点与第二连接点的AC分量，并且根据检测的AC分量来操作。利用这样的布置，第五和第六转换器臂适应于第一和第二连接点处的波形并且从而需要更少或不需要外部操作控制，例如来自外部控制器。
功率转换器可进一步包括具有与第一相布置相同的结构的第二相布置和具有与第一相布置相同的结构的第三相布置。多个相彼此互补来使第一和第二高压DC连接上的任何纹波减少，这由此使对于高压DC连接上的任何电容器的需要减少。可包括更少或更多的相布置来支持更少或更多的相。更多的相使第一和第二高压DC连接上的任何纹波甚至进一步减少。
大体上，在权利要求中使用的所有术语要根据它们在技术领域内的普通含义来解释，除非在本文另外明确定义。对“一（a）/一（an）/该元件、设备、部件、工具、步骤等”的所有引用要开放地解释为指元件、设备、部件、工具、步骤等中的至少一个实例，除非另外明确规定。本文公开的任何方法的步骤不必按所公开的确切顺序执行，除非明确规定。
附图说明
现在通过示例的方式参考附图描述本发明，其中：
图1是图示功率转换器的一个实施例的示意图；
图2A-C是图示图1的功率转换器的各种点处的电压的示意曲线图；
图3A-B是图示图1的功率转换器的转换器臂的实施例的示意图；
图4A-C是图示图3A-B的转换器臂的转换器单元的实施例的示意图；
图5是图示功率转换器的备选实施例的示意图；以及
图6是图示连接来提供三个相的图1的三相布置的示意图。
具体实施方式
本发明现在将在下文参考附图（其中示出本发明的某些实施例）更充分地描述。然而，本发明可采用许多不同形式实施并且不应解释为受到本文阐述的实施例的限制；相反，这些实施例通过示例的方式提供使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。类似的数字指整个说明中类似的元件。
图1是图示功率转换器1的一个实施例的示意图。该功率转换器具有带两个端子11、12的第一高压DC连接10和带两个端子18、19的第二高压连接17。此外，存在高压AC连接15。
功率转换器布置成只要存在至少一个电源和至少一个功率负载就可采用任何适合的方式转换到或来自这些连接10、17、15中的任一个的功率。例如，第一高压DC连接10可以连接到电源并且第二高压DC连接17可以连接到功率负载，同时高压AC连接15连接到功率负载。在另一个示例中，第一高压DC连接10可以连接到功率负载并且第二高压DC连接17可以连接到电源，同时高压AC连接15连接到电源。在第三示例中，第一高压DC连接10可以连接到电源并且第二高压DC连接17也可以连接到电源，同时高压AC连接15连接到功率负载。功率流配置之间的改变可以动态地发生。
功率组件1包括第一相布置6，其包括第一转换器臂2a、第二转换器臂2b、第三转换器臂2c、第四转换器臂2d、第五转换器臂4a和第六转换器臂4b。此外，功率组件1包括控制器5，其在第一相布置6内部或外部。
第一、第二、第三和第四转换器臂2a-d按提到的顺序在第一高压DC连接10的两个端子11、12之间串联连接。此外，如将在下文更详细示出的，第一、第二、第三和第四转换器臂2a-d中的每一个包括多个转换器单元。
第五转换器臂4a布置在第二高压DC连接17的第一端子18与第一连接点3a（是第一转换器臂2a与第二转换器臂2b之间的点）之间。类似地，第六转换器臂4b布置在第二高压DC连接17的第二端子19与第二连接点3b（是第三转换器臂2c与第四转换器臂2d之间的点）之间。第五和第六转换器臂4a-b两者都由控制器5控制。
第五和第六转换器臂4a-b操作（在将功率传递到第二高压DC连接17时的示例中）以例如通过抵消而去除相应连接点3a-b处的任何AC分量。对于这些连接点3a-b处的电压参考图2A-B。因此，右手边上的电压简单地是相应连接点3a-b处的电压的DC偏置，即对于第一端子18是v1并且对于第二高压DC连接17的第二端子19是v2。当从第二高压DC连接17出现功率传递时，第五和第六转换器臂4a-b将适合的AC分量添加到在第二高压连接17的端子18、19上提供的DC偏置。第五和第六转换器臂4a-b的控制可以是来自控制器15的集中控制，或基于相应AC/DC转换器4a-b的任一侧上的传感器的自适应控制。
可选地，可以在第一高压DC连接10的任一个或两个端子11、12之间提供感应器或其他滤波器（未示出）。
高压AC连接15经由可选的变压器13而连接到AC连接点3e（在转换器臂2a-2d的串行线中间，即第二转换器臂2b与第三转换器臂2c之间）。
电容器14a-b在第一DC连接10的两个端子11、12之间串联提供，在这两个电容器14a-b之间有接地连接。电容器14a-b起到减少第一DC连接10上的电压纹波以及实现通过电容器14a-b和转换器臂2a-d的完整AC电路的作用。这实现通过转换器臂2a、2d、4a和4b的有功功率传递并且平衡这些中的功率。类似地，电容器15a-b可选地在第二DC连接17的两个端子18、19之间串联提供，在这两个电容器15a-b之间有接地连接，以便减少第二DC连接17上的电压纹波。
控制器5可以是中央处理单元（CPU）、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或能够控制转换器2a-d、4a-b来实现期望转换的任何其他类型的控制器。
图2A-C是图示图1的功率转换器的各种点处的电压的示意曲线图。结合参考图1，图2A是第一连接点3a处的电压的示意曲线图，图2B是第二连接点3b处的电压的示意曲线图并且图2C是AC连接点3e处的电压的示意曲线图。
如可以看到的，图2A-C的所有电压同相。也就是说，串联连接的转换器臂2a-d在控制器15的控制下一致地工作。因为在转换器臂2a-d之间存在分压，在第一连接点3a处存在电压的正DC偏置V1，如在图2A中看到的。类似地，在第二连接点3b处存在电压的负DC偏置V2，如在图2C中看到的。AC连接点3e处（在中间）的电压没有DC偏置，如在图2C中看到的。
图3A-B是图示图1的功率转换器的转换器臂的实施例的示意图。图3A图示转换器臂2a-d中的任何一个（在这里由单个转换器臂2表示）的结构。转换器臂包括多个转换器单元7a-c，其中每个转换器单元7a-c由控制器15控制。转换器单元7a-c串联连接来增加额定电压或并联连接来增加额定电流。串联连接的转换器单元7a-c可以可选地被单独控制以在AC侧上实现更接近正弦的功率转换。尽管转换器臂在这里图示为具有三个转换器单元7a-c，任何数量的单元是可能的，其包括一个、两个、三个或以上。在一个实施例中，每个转换器臂中的单元的数量在30至150个转换器单元的范围内。
图3B图示转换器臂4a-b中的任何一个（在这里由单个转换器臂4表示）的结构。该转换器臂4的转换器单元具有与图3A的转换器臂2相同的可能配置，但可以具有与图3A的转换器臂2不同的实际配置。
图4A-C是图示图3A-B的转换器臂的转换器单元7a-c的实施例的示意图。单元中的任一个在这里表示为单个转换器单元7。转换器单元7是例如晶体管等半导体开关与能量存储元件（例如电容器、超级电容器、感应器、电池等）的组合。可选地，单元可以是多级转换器结构，例如飞跨电容器或NPC（中性点钳位）多级结构。
图4A图示转换器单元，其包括采用开关31的形式的有源部件和采用电容器30的形式的无源部件。开关31可以例如使用绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成栅极换向晶闸管（IGCT）、栅极可关断晶闸管（GTO）或任何其他适合的高功率半导体部件来实现。
图4B图示实现半桥结构的转换器单元7。该转换器单元7在这里包括采用开关31a-b（例如IGBT、IGCT、GTO等）形式的串联连接的两个有源部件。两个二极管32a-b每个与串联连接的两个开关31a-b串联、并联连接。电容器30也跨两个晶体管31a-b和两个二极管32a-b并联提供。
图4C图示实现全桥结构的转换器单元7。该转换器单元7在这里包括串联连接的四个开关31a-d，例如IGBT、IGCT、GTO等。电容器30也跨两个晶体管31a-b的第一相臂和两个晶体管31c-d的第二相臂并联提供。与图4B的半桥相比，全桥结构允许跨它的电压反向。
图5是图示功率转换器的备选实施例的示意图，其中第二高压DC连接17是双极连接，其提供有中性端子16。为了实现此，第一相布置6进一步包括在第二转换器臂2b与第三转换器臂2c之间串联连接的第七转换器臂2e和第八转换器臂2f。第七转换器臂2e和第八转换器臂2f被控制使得两个中央转换器2e-f之间的中间点的电压基本上是0。
因此，中间点无法用于高压AC连接15。相反，AC连接15连接到第三连接点3c和第四连接点3d。该第三连接点3c是第二转换器臂2b与第七转换器臂2e之间的点，并且第四连接点3d是第三转换器臂2c与第八转换器臂2f之间的点。可选地，两个相应的变压器13a-b在第三连接点3c与高压AC连接点15以及第四连接点3d与高压AC连接点15之间提供。
图6是图示连接来提供三个相的图1的三相布置的示意图。提供第二相布置6’，其具有与第一相布置6相同的结构，并且提供第三相布置6’’，其也具有与第一相布置6相同的结构。这样，全部三相高压AC连接使用三个AC端子15’、15’’、15’’’来提供。通过多个相的补偿性质，该布置还使高压DC连接10、17上的纹波减少。此外，多个相提供完整的AC电路，从而使对高压DC连接10、17上的任何电容器的需要减少。
图6的实施例可以通过包括更少或更多的相布置来支持更少或更多的相而调整。更多的相使DC连接10、17上的任何纹波甚至进一步减少。
类似地，图5中相布置（实现单极到双极连接）可以扩展到若干相。
本发明在上文主要参照几个实施例描述。然而，如容易被本领域内技术人员意识到的，除上文公开的那些之外的其他实施例在本发明的范围内同样是可能的，如由附上的专利权利要求限定的。
Claims (7)
1.一种功率转换器（1），用于在第一高压直流DC连接（10）、第二高压DC连接（17）与高压交流AC连接（15）之间转换功率，所述功率转换器包括：
第一相布置（6），其包括第一转换器臂（2a）、第二转换器臂（2b）、第三转换器臂（2c）、第四转换器臂（2d）、第五转换器臂（4a）和第六转换器臂（4b）；
其中所述第一、第二、第三和第四转换器臂按提到的顺序在所述第一高压直流DC连接（10）的两个端子（11，12）之间串联连接，并且所述第一、第二、第三和第四转换器臂中的每个包括多个转换器单元（7a-c），其中单元是半导体开关和能量存储元件的组合；
所述第五转换器臂（4a）布置在所述第二高压DC连接（17）的第一端子（18）与第一连接点（3a）之间，所述第一连接点（3a）是所述第一转换器臂（2a）与所述第二转换器臂（2b）之间的点；
所述第六转换器臂（4b）布置在所述第二高压DC连接（17）的第二端子（19）与第二连接点（3b）之间，所述第二连接点（3b）是所述第三转换器臂（2c）与所述第四转换器臂（2d）之间的点；以及
所述高压交流AC连接（15）在所述第二转换器臂（2b）与所述第三转换器臂（2c）之间连接，
其中所述第五和第六转换器臂（4a-b）中的每一个布置成分别检测所述第一连接点（3a）与第二连接点（3b）的AC分量，并且根据检测的AC分量来操作以取决于所述第二高压DC连接处的功率传递的方向来去除相应连接点处的任何AC分量或添加适合的AC分量。
2.如权利要求1所述的功率转换器，进一步包括布置在所述第一高压直流DC连接（10）的两个端子（11，12）之间的第一对电容器（14a-b）和布置在所述第二高压DC连接（17）的第一端子（18）与所述第二高压DC连接（17）的第二端子（19）之间的第二对电容器（15a-b）。
3.如权利要求1或2所述的功率转换器，其中所述AC连接连接到转换器臂（2a-2d）的串行线中间的AC连接点（3e）。
4.如权利要求1或2所述的功率转换器，其中所述第一相布置（6）进一步包括在所述第二转换器臂（2b）与所述第三转换器臂（2c）之间串联连接的第七转换器臂（2e）和第八转换器臂（2f），并且所述高压交流AC连接（15）在第三连接点（3c）与第四连接点（3d）之间连接，所述第三连接点（3c）是所述第二转换器臂（2b）与所述第七转换器臂（2e）之间的点，并且所述第四连接点（3d）是第三转换器臂（2c）与所述第八转换器臂（2f）之间的点，
并且进一步包括所述高压交流AC连接（15）与所述第三连接点（3c）之间的第一变压器（13a）和所述高压交流AC连接（15）与所述第四连接点（3d）之间的第二变压器（13b）。
5.如权利要求1或2所述的功率转换器，其中所述转换器臂的单元（7）中的每一个包括至少一个无源部件（30）和至少一个有源部件（31）。
6.如权利要求1或2所述的功率转换器，其中所述第五和第六转换器臂（4a-b）中的每一个布置成与所述第一、第二、第三和第四转换器臂（2a-d）一致地被控制。
7.如权利要求1或2所述的功率转换器，进一步包括具有与所述第一相布置（6）相同的结构的第二相布置（6’）和具有与所述第一相布置（6）相同的结构的第三相布置（6’’）。
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