CN104205607A

CN104205607A - 模块化电压源转换器

Info

Publication number: CN104205607A
Application number: CN201180076027.3A
Authority: CN
Inventors: F.霍斯尼; D.吉安诺卡罗; G.尼克希尔; V.卡苏奈杜
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: EP2798732B1; US20150055385A1; WO2013097906A1; US9013901B2; EP2798732A1

Abstract

一种模块化电压源转换器（100）包括与基本单元设计共形的多个单元，该基本单元设计包括第一和第二端子、电容器和采用半桥或全桥配置而布置的至少两个开关。在转换器中，第一组由在它们的端子处串联连接的数量n个单元（101-k，k=1、…n）形成，并且第二组由在它们的端子处串联连接的相等的数量n个单元（102-k，k=1、…n）形成。所述第一组中单元（101-k）的端子经由电阻或感应连接元件（110-k）而连接到所述第二组中的对应单元（102-k）的端子。

Description

模块化电压源转换器

技术领域

本文公开的发明大体上涉及功率半导体装置的领域。更准确地，它涉及模块化电压源转换器（VSC），其包括串联和/或并联布置的开关单元，其中这些开关单元的数量和配置可变化以便更改VSC来满足不同的开关任务。

背景技术

VSC是可控电压源，其中输入连接到至少一个电容器，其起到DC电压源的作用。在输出处，转换器能操作成形成可变AC电压。这通过使用VSC中的开关使电容器或多个电容器的电压直接连接到转换器输出中的任一个而实现。在利用脉宽调制（PWM）的转换器中，输入DC电压在形成输出电压波形（其平均是正弦）时通常保持恒定。AC电压的幅度、频率和相位可以通过改变开关模式来控制。

如在WO 2010/102666 A1中论述的，VSC可由串联连接的转换器单元形成。这提高在给定开关频率和对于给定滤波的AC输出的平滑。单元可以是单相全桥转换器，典型地称为链节单元。基于链节的转换器包括多个串联连接的单元模块，每个单元除开关外还包括电容器。每个相中串联的单元的数量与系统的AC额定电压成比例并且可因此对于高AC电压系统可包括大量单元。

为了使该一般类型的VSC适应于给定AC额定电流，本领域内已知两个主要方法。一个选项是并联地布置串联连接的单元序列，其中每个序列在不超出它自身的额定电流的情况下提供总电流份额。由于相应序列的复杂动态，需要高级控制以便避免并行序列之间的不平衡。另一个选项是设计链节单元，其关键部件承受需要的开关电流，其中单元的副本要根据需要的开关电压而布置到单个序列内。为了所得的VSC满足合理的质量预期（特别关于能量效率），该方法使设计者脱离关于提供电池类型的范围大小的进退两难的局面。在小的范围内，存在一些单元将安装在它们未被充分利用的应用中但仍占据大的占用空间的统计确定性。因此，对于根据该方法的VSC的成本可意外地关于经受开关的电功率而变化。另一方面，大的电池类型范围将必需大量开发投入、高制造成本（例如，共同部件的数量可是小的）和与库存管理有关的困难。

发明内容

鉴于上文的现有技术的限制而做出本发明。本发明的目标是提出新颖且有利的VSC设计。特定目标是提供基本VSC设计，其容易能适应于由例如额定电流和/或额定电压规定的给定开关任务。另外的特定目标是提供能适应的VSC设计，其具有稳定的成本-功率关系。

因此，本发明提供如由独立权利要求限定的模块化VSC和提供这样的模块化VSC的方法。

在根据本发明的模块化VSC中，单元串联和并联地布置在单元矩阵中。单元端子之间的串联连接实现为连接线，即低阻抗传导元件。并联连接通过使动态或静态地限制不同组中的对应元件的对应输出之间流动的电流的元件连接而实现。所述连接元件可以是感应的或电阻的。每个连接元件可具有电阻和感应特征和/或不同类型的连接元件可部署在一个单个VSC中。

VSC中的单元在所有方面不必完全相同，但对于基本单元设计是共形的。尽管串联布置的单元可不是相同的，并联布置的单元优选地具有相同或几乎相同的数量性质，例如表征部件的数值。基本单元设计尤其规定单元包括第一和第二端子。不同组中的两个单元如果它们布置在相应组中的对应位置中则在权利要求的意义上是“对应的”。也就是说，单元关于单元矩阵的并联方向是邻居。两个端子如果在它们相应单元中都是第一端子或都是第二端子则是“对应的”。在对称单元中，作为“第一”和“第二”端子的状态可关于环绕电路而确定；按惯例，可考虑在具有给定序列号的单元中，连接到相邻单元的具有下一个较低序列号的端子是“第一”，或最接近地连接到给定电流轨的端子是“第一”。

凭借并联的对应单元之间的电阻或感应连接，可以设计对于需要的开关任务的额定VSC并且其轻而易举地从单元（模块）组装。VSC关于额定电压和电压两者都是能适应的。并联单元（即，并联的对应单元）的数量与VSC的额定电流有关，而每组串联连接的单元的长度与开关电压有关。因此，如果单元的额定电压是C_U V并且额定电流是C_I A，则包括m个并联组的n个串联单元的VSC原则上的额定开关电压将是n×C_U V并且额定开关电流将是m×C_I A。这是关于分辨率问题，即，从额定值方面基本单元设计的小巧：组装的VSC将有多么紧密地与设计要求匹配。如果连接元件和非电阻互连被忽视，总VSC成本将近似与需要的单元数量成比例并且因此与需要的额定电压和电流的乘积成比例。因此，本发明满足它的目标中的至少一个。

强调由连接元件互连的若干并联单元的存在自身不代表比单个单元更大的安全风险。确实，不同单元的电容器将在缺乏连接元件的情况下电并联地定位。在这样的情况下，单元中的一个中的电故障将释放对应于并联电容器的电容和的累积电能。具有这些特性的VSC将需要在结构上健壮的。配备有根据本发明的电阻或感应互连元件的VSC无法经受该失效情景。因此，单个电容器失效确实变成结构上的量度负载，并且关于结构健壮性的要求可以放松。这提供VSC的重量、成本和尺寸的潜在减少。这代表本发明的另一个优势。

此外，因为连接元件甚至帮助对应单元之间的电流，每个单元将对VSC的总输出电流贡献具有稳定幅度的电流。这对于单元寿命时间是有益的并且可扩展VSC的服务间隔。

基本单元设计可包括额外的开关。例如，它可包括采用全桥配置布置的四个开关，其中单元能在两个传导状态中用相反极性来操作。

基本单元设计的开关可包括本身已知的半导体开关部件，即绝缘栅双极晶体管IGBT，其可能配备有续流二极管来形成逆导绝缘栅双极晶体管RC-IGBT、双模式绝缘栅晶体管BIGT、栅极可关断晶闸管GTO、集成栅极换向晶闸管IGCT或金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。不同类型的开关可在单元设计内组合。同样，部件（从其实现单元的开关）上有差异的单元可在模块化VSC中组合（假设它们与基本单元设计共形）。然而，经济上最有利的选项可仍是相同地重复整个VSC中的相同基本单元设计。

有利地，n个单元的并联组通过n+1个连接元件而互连，使得每个端子经由连接元件连接到不同组中的至少一个对应单元的端子。也就是说，单元的第一和第二端子两者都连接（可能，根据连接元件的确切位置，经由相邻单元的端子段）到其他单元的端子。

在一个实施例中，VSC包括超过两个并联组，并且不同组中的所有对应单元的第一端子通过共同连接元件而互连。例如，在具有六个并联组的VSC（每个组包括十个单元）中，存在十一个连接元件，在其之外的每个非外部元件与十二个单元直接电接触。备选地，可布置采用成队方式连接端子的若干连接元件。

作为前面的实施例（其包括共同连接元件）的进一步发展，共同连接元件可被设计和安装以便在结构上加固VSC中的单元的布置。首先，可选择每个连接元件的材料、形状、制造方法和尺寸来获得可取的机械性质。作为示例，每个连接元件可以是直的、有角度的或弯曲的实心杆，其材料是高电阻的以便有效限制电流，即使杆具有相对大的横截面面积也如此。其次，可选择使共同连接元件连接的端子的尺寸以便限制单元的相对移动。第三，端子可刚性地（或不可旋转地）附连到共同连接元件，例如通过焊钎、焊接或通过使用适合的插头。作为第四选项，可选择单元的电布局以便使在超过一个维度上延伸的元件连接，例如起到使结构变硬的十字杆的作用。

在使用中，根据本发明的VSC中的单元优选地以属于不同组的对应单元一直输出相同的端子电压为目的来操作。例如，如果每个单元包含配置用于接受表达要由单元提供的电压的高级命令和用于控制开关和可能地其他子单元部件以便实现此的逻辑，则这可被实现。因此，在正常操作中，由于部件公差和类似物，仅弱电流能够流过每个连接元件，并且能量耗散是小的。连接元件主要在出现不平衡或异常状况时开始起作用。

作为对其中输出电压是控制的数量的该情况的备选，向对应单元内的对应开关供应相同或对应的控制信号，这是可能的。也就是说，要施加于一个单元的开关的一组控制信号的副本可转发到它在其他组中的对应单元。因为仅生成数量减少的独立控制信号，这简化VSC的控制。

如已经指出的，当VSC正常操作时，仅小的电流在每个连接元件中流动。可利用该事实以便采用简单的方式检测异常状况。有利地，VSC配备有检测是否不可忽略的电流在连接元件中流动的电流传感器。该电流传感器可以是串联连接的分路器、在连接元件上的两个点处连接的分压器、布置成检测跨元件的电压的比较器或感应仪器。电流传感器可配置成响应于检测的具有超出预定阈值的强度的电流而发出失效信号。在包括超过两个单元组的VSC中，若干电流传感器可布置在相同组内的对应单元之间的连接元件处。因为给定电流的起始和结束点可使用该设置以更大的准确性来确定，使有故障的单元的可能位置的数量减少，这是可能的。

异常单元可通过监视在单元所连接的连接元件中的电流流动或通过依靠其他诊断度量（例如，由单元自身发出的失效信号）而定位。在该状况中，对应的单元采用零电压模式来操作。回想起对应的单元是在与有故障的单元相同的两个连续连接元件之间连接的任何单元。如在WO 2010/102666 A1中更详细描述的，这样的零电压模式可包括通过维持它的端子上的零电势差而绕过有故障的单元。然而，VSC的正常开关操作在最大可能程度上继续。随着时间推移，除非零电压模式控制理想地实现它的预期结构，否则有故障的单元可发展成完全的电中断，在该点处不必再继续零电压模式。

本发明的方法方面可实现为计算机可读指令，其存储或分布在计算机可读介质上来形成计算机程序产品。

注意本发明涉及特征的所有组合，即使在互不相同的权利要求中列举也如此。

附图说明

本发明的实施例现在将参考附图描述，其中：

图1、3和5示出根据本发明的实施例的模块化VSC；

图2解释在图1、3和5中使用的单元符号；以及

图4是图示本发明的预期应用的简化电路图。

所有图是示意性的并且一般仅示出为了阐述本发明所必需的部分，而其他部分可被省略或只被建议。除非另外指示，类似的标号指代不同图中的类似部件。

具体实施方式

图1是根据本发明的第一实施例的模块化VSC 100的电路图。该VSC 100包括第一组n个单元101-1、101-2、101-3、…101-n、第二组n个单元102-1、102-2、102-3、…102-n、第三组n个单元103-1、103-2、103-3、…103-n和第四组n个单元104-1、104-2、104-3、…104-n。在该实施例中，提供有左转换器输出端子（或轨）181、182、183、184和右转换器输出端子（或轨）191、192、193、194。因此，这些组在一个意义上彼此电并联，但仅经由限流连接元件。在每个单元组内，单元的端子串联连接。此外，组通过n+1个连接元件110-1、110-2、…110-（n+1）而互连。在图1中描绘的第一实施例中，每个连接元件110-k示出为多个部分电阻器，其携有相同的标号并且使属于不同的组的对应单元的端子对连接。使用上文引入的术语，存在n组对应单元，即101-k、102-k、103-k和104-k，任意整数k在区间[1，n]中。

如果单元额定电压具有大约1至5kV的数量级，每个连接元件的电阻（或阻抗的电阻部件）不应大于近似1Ω，并且优选地不大于几百m Ω。具有更高额定电压的单元可使用具有相对更低电阻的连接元件而互连，并且反之亦然。另外的设计规则可以作为上文的补充或备选而制定，即，每个连接元件的电阻要通过常数因子而与由对应单元中的公差产生的电阻差有关。例如，如果两个对应单元的电阻经受±5m Ω的公差，则电阻可至多相差10m Ω，并且这些单元之间的一个或多个连接元件的电阻可设置成是该电阻差的10或100倍的值，即100m Ω或1 Ω。

图2例示在图1中使用的单元符号的三个可能的含义，即，根据基本单元设计200示意绘制的单元。首先，参考图的顶部，单元可实施为半桥（或CTL），其中电容器240经由开关221、222而连接到第一和第二端子201、202。在这里，开关221、222实现为RC-IGBT，其的传导状态可通过在栅极端子231、232处施加适合的栅电压而控制。典型地，栅电压由栅单元产生，该栅单元（或栅控制器）已经为了简单起见而从图省略。

其次，图2示出这样的单元，其包括采用全桥（或H桥或链节）配置而连接的四个开关221、222、223、224。全桥电路包括电容器240。

第三，参考图2的底部，单元可包括一个或多个BIGT，其起到开关221、222的作用。除该差异外，在图2中示出的上和下半桥单元从电的角度可不能区分。

整体上参考图2，注意具有符号的端子201、202与实际电路200的那些一致。在组装的VSC中，它遵从此：给定单元101-(k+1)的第一端子201可与相同组中相邻单元101-k的第二端子202一致，如在图1中示出的。备选地，在共同连接元件在对应单元之间提供的情况下，相邻单元的第一和第二端子也可以是布置在连接元件的每侧上的结构独立的元件，如在图5中图示的。

现在参考图3，与图1相似，根据本发明的第二实施例的模块化VSC包括两组101-k、102-k（k=1、….n）n个单元和转换器输出端子181、182、191、192。与电流传感器130-k（k=1、….n+1）串联布置的电阻连接110-k从第一组中的相邻单元之间的每个连接点扩展到第二组中的对应连接点。作为串联连接的电表130-k的备选，大的电流可有利地通过监视跨每个电阻连接110-k的电压而间接测量。控制器120负责促使单元在合适的时间点开关，以便在转换器输出端子181、182、191、192处获得期望的输出波形。如由图上的虚线指示的，控制器120一方面通过向单元供应控制信号并且另一方面通过从电流传感器130-k中的每个接收测量而通信地连接到单元中的每个。这允许控制器120检测有故障的单元并且采取合适的动作，如上文描述的。注意一个或多个有故障的单元的操作将耗散输入功率中的一些。因此，为了满足给定输出功率要求而不损害临时故障状况期间的安全，在VSC的输入侧上为了某一功率冗余而布置，这是明智的。

根据本发明的VSC可适应于用作AC配电网的部分或连同其一起使用。特别地，VSC可用于将来自小和中型工厂的电力馈送到商业电网内。因此，即使适应性是本发明的突出优势，主要预期对在1kV至几百kV范围内的开关电压提供VSC。为了仅例示目的，图4示出三相VSC布置，其中三个VSC单元100的转换器输出端子181、191与相应感应元件串联地在采用delta配置的相位L1、L2、L3之间连接。

根据在图5中示出的第三实施例的VSC 100图示由本发明提供的潜在结构益处。在该实施例中，单元的4×4布置凭借采用刚性传导杆形式提供的五个插入连接元件110-1、110-2、110-3、110-4、110-5而形成。连接元件在横向延伸到传导元件的绝缘棒171、172之间延伸。六个不可旋转接头在棒171、172与连接元件110-1、110-2、110-3、110-4、110-5之间形成。

作为在图5中示出的结构的可能备选，不可旋转接头可被可旋转接头取代，从而能够传送压缩和/或张力但大致上不是转矩。然而，为了在图的平面中给予结构足够的剪切刚度，添加跨结构偏斜延伸的一个或多个支柱或系带（未示出），这是可能的。如果添加的元件电绝缘或由绝缘材料制成，它们可直接在连接元件上的点处连接。

每个杆110-k的尺寸可主要关于期望的机械性质（例如需要的结构刚度和/或延展性）而选择，以便经受预期在短路事件中出现的机械应力。一旦杆的横截面面积已被确定，选择它的材料以便所得的电阻具有被认为适合目的的值。更准确地，单元布置的动态电性质可通过计算和模拟而访问并且可形成用于找到这样的电阻的基础，在该电阻处互连允许电不平衡在它们适当地限制在对应元件之间流动的任何电流时用适合的时间常数而均等。如果使用高电阻率合金（例如，Nichrome™、Kanthal™、Chromel™或块状陶瓷材料），则可满足该设计要求。适应于在高压电阻器中使用的其他金属或非金属高电阻率材料大体上可以预期适合于制造根据本发明的连接元件。

即使本发明已经参考其特定例示实施例来描述，许多不同的更改和修改在研究该描述后将对于本领域内技术人员变得明显。描述的实施例因此不意在限制本发明的范围，其仅由附上的权利要求限定。例如，VSC可在不离开本发明的范围的情况下通过采用16×1、8×2、4×3、4×4配置来布置单元而形成。

Claims

1.一种模块化电压源转换器（100），包括：

多个单元，其与基本单元设计（200）共形，所述基本单元设计（200）包括第一和第二端子（201，202）、电容器（240）和采用半桥配置而布置的至少两个开关（221，222，223，224），其中：

第一组由在它们的端子处串联连接的数量n个所述单元（101-k，k=1、…n）形成；以及

第二组由在它们的端子处串联连接的相等的数量n个所述单元（102-k，k=1、…n）形成，

其中所述第一组中所述单元（101-k）的端子经由连接元件（110-k，110-(k+1)）而连接到所述第二组中的对应单元（102-k）的端子。

2.如权利要求1所述的模块化电压源转换器，其中所述基本单元设计包括采用全桥配置而布置的四个开关。

3.如权利要求1或2所述的模块化电压源转换器，其中所述连接元件中的至少一个是电阻元件。

4.如权利要求1或2所述的模块化电压源转换器，其中所述连接元件中的至少一个是感应元件。

5.如前述权利要求中任一项所述的模块化电压源转换器，其中所述连接元件适应于在结构上加固所述转换器。

6.如权利要求4所述的模块化电压源转换器，其中所述连接元件是具有高电阻率材料的杆。

7.如前述权利要求中任一项所述的模块化电压源转换器，其中属于不同组的对应单元采用提供相同的瞬间端子电压这样的方式操作。

8.如权利要求1至6中任一项所述的模块化电压源转换器，进一步包括用于控制所述单元中的开关的传导状态的控制器（120），其中所述控制器配置成将属于不同组的对应单元的对应开关设置成共同传导状态。

9.如前述权利要求中任一项所述的模块化电压源转换器，进一步包括布置成感测在所述连接元件中流动的电流的至少一个电流传感器（130-k，k=1、…n-1）。

10.如前述权利要求中任一项所述的模块化电压源转换器，其中：

至少一个另外的组（103，104）由在它们的端子处串联连接的相等的数量n个单元（103-k，104-k，k=1、…n）形成；以及

所述连接元件（110-k）使所述第一、第二和至少一个另外的组中的对应单元（101-k，102-k，103-k，104-k）的第一端子连接。

11.如前述权利要求中任一项所述的模块化电压源转换器，其中所述基本单元设计中的开关是以下中的一个：

绝缘栅双极晶体管IGBT；

逆导绝缘栅双极晶体管RC-IGBT；

双模式绝缘栅晶体管BIGT；

栅极可关断晶闸管GTO；

集成栅极换向晶闸管IGCT；

金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。

12.一种模块化电压源转换器（100）中的方法，包括以下步骤：

重复基本单元设计（200），其包括第一和第二端子（201，202）、电容器（240）和采用半桥或全桥配置而布置的至少两个开关（221，222，223，224），来提供多个单元；

使数量n个所述单元（101-k，k=1、…n）在它们的端子处串联连接来形成第一组（101）；

使相等的数量n个单元（102-k，k=1、…n）在它们的端子处串联连接来形成第二组（102）；以及

使所述第一组中所述单元（101-k）的端子使用连接元件（110-k）而连接到对应单元（102-k）的端子，

其中每个组中的数量n个单元根据额定开关电压来选择。

13.如权利要求12所述的方法，进一步包括以下步骤：

i）使相等的数量n个单元（103-k，104-k，k=1、…n）连接来形成另外的组（103，104）；

ii）使用所述连接元件使属于不同组的对应单元的端子连接；以及

重复步骤i）和ii）直到提供数量m个并联组，其中所述数量m个并联组根据额定开关电流来选择。

14.如权利要求12或13所述的方法，进一步包括以下步骤：

采用在所述单元中的每个的端子处提供相同的瞬间端子电压这样方式操作属于不同组的对应单元，其中所述单元的端子经由所述连接元件而互连；

感测流过所述连接元件的电流并且响应于超过阈值的电流来检测异常状况。

15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，进一步包括响应于已经确定的异常状况的以下步骤：

定位至少一个有故障的单元；以及

采用零电压模式操作对应于所述有故障的单元并且属于不同组的那些单元。