CN105393423B - 用于功率补偿的变换器装置以及用于控制功率变换器的方法 - Google Patents

用于功率补偿的变换器装置以及用于控制功率变换器的方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种变换器装置(1)和一种控制连接到输电网的三相变换器装置。变换器装置(1)包括三个相腿(10、20、30)和能量传输电路(40)。方法包括通过选择(206)相腿(10、20、30)和能量传输电路(40)的能量存储元件(12A‑n、21A‑n、31A‑n、44)提供变化的相应的输出相(A、B、C)电压至输电网，以及将所选择的能量存储元件(12A‑n、21A‑n、31A‑n、44)连接至输电网输出(15、25、35)。方法进一步包括选择(208)在控制周期期间用于执行能量存储元件(12A‑n、21A‑n、31A‑n、44)之间的能量传输的能量存储元件(12A‑n、21A‑n、31A‑n、44)。

Description

用于功率补偿的变换器装置以及用于控制功率变换器的方法
技术领域
本发明涉及在电力系统中使用的功率变换器，该功率变换器包括串联连接的具有半导体开关和能量存储元件(诸如电容)的开关单元。特别地，本发明涉及用于三相交流传输网络中功率补偿的功率变换器。
背景技术
本发明涉及电压源变换器领域，诸如多电平变换器。电压源变换器(VSC)具有变化的功率传输和分配，并使用包含可以关断的半导体开关元件的电力电子技术，诸如被发现对于DC传输、无功功率补偿、有功及无功功率控制是很有用的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，能够通过开关控制从DC电压产生AC电压，并用于转换AC为DC等等。
多电平变换器技术，采用具有相应的能量存储元件的开关单元，用于提供许多电压电平，其中独立切换的每个电压电平可以用于补偿，例如，AC传输网络的无功功率。通常，所使用的能量存储元件由电容器组成但也可以是电池。
H桥链环是市场上非常成功的拓扑，并且其由多个制造商提供。H桥单元可以是比较简单的并适用于作为模块提供，其有助于降低制造成本。由于模块或者开关单元的数量是与AC电压成比例的，该系统是很容易缩放的。存在链环拓扑的多个变形，诸如y-或三角形-连接的H桥，以及Y连接的M2LC。
图9是根据现有技术的多电平H桥变换器的简化示例，该变换器是Y连接的。多电平变换器装置包括三个相腿10、20、30，每个具有连接15、25、35，分别适用于连接变换器装置至三相交流功率输电网的各个相A、B、C，该输电网连接15、25、35设置在每个相腿10、20、30的第一端。线圈13、23、33布置在输电网连接处以平滑变换器产生的波形。在每个相腿10、20、30的第二端，相腿10、20、30以Y连接的方式相互连接。每个相腿10、20、30包括许多串联连接的开关单元11A-n、21A-n和31A-n。每个开关单元11A-n、21A-n和31A-n包括形式为电容器的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n。相腿10、20、30的每个开关单元11A-n、21A-n和31A-n被设置为与每个其它开关单元11A-n、21A-n、31A-n相同类型的模块；具有相同的桥式拓扑，相同类型的电容器和相同类型的半导体开关。多电平变换器还包括被布置为监测电流和电压并控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n的开关的控制器50。控制器50被设置为控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n以调整输电线或网的有功和无功功率。控制器50以大体高于输电网频率的开关频率的控制周期控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n。每个相电压在每个控制周期内调整，其中相电压根据变换器从设置在输电网中的外部控制器接收的作为输入的电压参考信号调整。相腿10、20、30可能会变得不平衡，使得电容器(能量存储元件12A-n、21A-n和31A-n)中的一些或者所有的电压偏离期望的标称单元电压。
这种变换器及类似变换器的成本和损耗是与变换器中使用的总的硅面积相关的。硅面积是取决于额定电压和额定电流的。可能会引起各个能量存储元件上的电压变得过高或者过低的问题。并且，例如，在相腿的单元中可得到的总电压可能会变得过低。对于工业应用的变换器的正常操作，设计者应考虑到三相负载的不平衡。不平衡的负载产生了需要通过变换器补偿的负序电流。为了抵消这些电流的影响，串联连接的单元的总数需要足够大以补偿因为需要注入零序电压而出现的不平衡状态。这产生了对超额变换器的需求，其中许多额外的开关单元需要被包含在相腿中用作冗余。
使用更多的开关单元是不利的，因为额外的开关单元增加了变换器的成本并且增加了变换器使用期间的损耗。
发明内容
一般地，权利要求中使用的所有术语根据其在本技术领域中的普通意义解释，除非本文中另有明确定义。对“一/一个/该元件、装置、组件、装置、步骤等”的所有引用被开放性地解释为指代元件、装置、组件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另有明确说明。本文所公开的任何方法的步骤不一定要以公开的精确顺序执行，除非明确说明。
本发明的一个目的是克服现有技术的缺点。
针对该目的，本发明提供了用于控制连接到输电网的三相变换器装置的方法。变换器装置包括三个相腿和一个能量传输电路。每个相腿包括串联布置的多个开关单元，并且每个开关单元包括选择性地可连接到各个相腿的能量存储元件。能量传输电路包括选择性地可连接到相腿的每一个的至少一个能量存储元件。方法包括基于电压参考信号针对大量连续控制周期通过选择能量存储元件并连接所选择的能量存储元件至输出端来提供变化的各个输出相电压至输电网，其中对于每个控制周期执行选择以提供用于每个控制周期的输出相电压调整，并且在相应的相腿的能量存储元件和能量存储电路的至少一个能量存储元件之间作出每个相电压的选择。方法进一步包括选择能量存储元件，用于在控制周期期间，在能量存储元件之间的每个相腿中执行能量传输，其中在相腿和能量传输电路的能量存储元件之间作出用于执行针对每个相腿的能量传输的选择。特别地，在那些未选择的能量存储元件之间作出用于在特定相腿中能量传输的能量存储元件的选择，用于提供输出相电压。
优选地，每个相腿在一端具有连接到输电网的输出，并且优选地，每个相腿在另一端具有到能量传输电路的连接。
优选地，开关单元被串联布置在第一和第二端之间。
在一个实施例中，方法进一步包括监测每个能量存储元件的电压电平并基于其电压电平针对能量传输选择能量存储元件。
在一个实施例中，用于提供输出相电压的选择是基于监测的电压电平的。
在一个实施例中，用于在每个相腿中的能量传输的能量存储元件的选择包括基于其电压电平匹配能量存储元件，以在控制周期期间提供零电压贡献至来自针对能量传输的所选择的能量存储元件的输出相电压。
在一个实施例中，所述匹配包括针对所选择的能量存储元件的至少一个的连接选择控制周期的部分，使得电压电平是相等的。在一个实施例中，控制周期的部分等于与所选择的能量存储元件的至少一个的电压电平相关的期望的电压电平的部分。因此，例如，如果能量存储元件(例如，电容器)的电压的95％是期望的(即，用于提供零总贡献至相电压所需要的)，电容的连接周期选择为控制周期的95％。
在一个实施例中，在未选择的那些能量存储元件之间作出用于执行能量传输的选择，以在控制周期期间提供相应的输出相电压。
在一个实施例中，方法进一步包括接收指示每个控制周期的每相的输出电压电平的电压参考信号，用于基于电压参考信号提供输出相电压的。
在一个实施例中，变换器装置包括含有多个能量存储元件的能量存储电路，并且该方法进一步包括在控制周期期间，在选择能量存储元件用于提供每个输出相电压时以及选择用于能量传输的能量传输元件时，限制选择用于至少一个相的能量存储的至少一个能量存储元件的可能性。优选地，针对每个相应的相腿执行以下选择，该选择为在控制周期期间应当可用的能量传输电路的能量存储元件的选择。进一步优选地，在限制一个或多个能量存储元件的使用时，在控制周期期间，具有最低的相电压即具有控制周期的电压参考信号提供的最低相电压的相腿被限制为使用比其它相腿的能量传输电路的更少的能量存储元件。因此，相腿的有用能量存储元件的数量改变。
这种限制使其可能在能量传输电路中提供具有有限的能量存储元件的变换器，并因此与定尺寸以在每个控制周期对每相提供最大相电压的电路相比，提供经济优势。
本发明还提供包括三个相腿的三相输电网的变换器装置。每个相腿包括串联连接的多个开关单元，每个开关单元包括能量存储元件以及被布置为选择性地连接能量存储元件至交流输电网的各相的半导体开关。该变换器适用于以连续控制周期的各个参考电压电平提供电压至输电网的每相，其中在每个控制周期期间，通过组合大量能量存储元件提供应用电压，以在相应的参考电压电平合成每个相电压。电压参考具体指定在每个控制周期期间用于每相的单个电压电平。特别地，变换器装置进一步包括含有至少一个能量存储元件并含有第一、第二和第三相连接的能量传输电路，每个连接到三个相腿的相应的一个。能量传输电路被布置为在三个相腿的每一个和能量存储之间选择性地传输电能。对于每相，变换器适用于在能量传输电路的能量存储元件和提供相电压时的那些相腿之间选择。
变换器进一步适用于在选择的控制周期期间在每个相腿的能量存储元件和能量传输电路的至少一个能量存储元件之间传输能量，该能量存储元件是在选择能量存储元件以提供相应相电压之后剩余的那些能量存储元件之间选择的。该传输包括在剩余的能量存储元件之间执行匹配，并在选择的方向连接能量存储元件，使得选择用于能量传输的能量存储元件以针对选择的控制周期的在实质上零电压电平来提供总电压输出至每相。
优选地，每个开关单元包括能量存储元件，优选为电容器，和开关一起被布置在桥式结构中，诸如H桥或者半H桥。
在一个实施例中，每个相腿包括第一端和第二端，第二端与第一端相反，并包括在第一端的网络连接和在第二端的到能量传输电路的连接。
在一个实施例中，能量传输电路包括一个电容器和三组双开关，每组开关连接到电容器和相应的相腿，并被布置为选择性地将相应的相腿连接至电容。
在一个实施例中，能量传输电路包括三个H桥开关单元，每个连接到相腿的相应的一个，并且其中三个H桥开关单元的电容器是通过在其两侧的直流链相互连接的。特别地，一个DC链互联电容器的低压侧，以及一个DC链互联电容器的高压侧。
在一个实施例中，每个开关单元的每一侧的电容器连接到其它开关单元的电容器的相应侧。
在一个实施例中，能量传输电路布置为三角形配置，该三角形配置包括每对相腿之间的三个三角形连接。
在一个实施例中，每个三角形连接包括至少一个能量存储元件和用于选择性的将能量存储元件连接至三角形连接的开关装置。特别地，每个三角形连接包括能量存储元件和布置为H桥的开关装置。
在一个实施例中，能量传输电路包括M2LC变换器拓扑。在一个实施例中，每个相腿的相连接点包括变压器，每个相腿直接连接到变压器的第一绕组，每个相腿在其另一端通过能量传输电路连接到变压器的第一绕组，变压器的第二绕组被布置为用于连接至输电网。
在一个实施例中，每个相腿由第一和第二分腿组成，其中能量传输电路分别连接到第二分腿的一个相应端，变换器装置进一步包括分别连接到第一分腿的相应端的第二能量传输电路，每个分腿通过相应的能量传输电路连接到提供每个分腿的相连接点的相应的变压器的第一绕组，每个相腿的第二分腿变压器的第二绕组串联连接并形成输电网的相应相的连接。
附图说明
现以示例的方式通过参考附图描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的变换器装置；
图2示出了控制本发明的变换器装置的方法；
图3示出了根据本发明的变换器拓扑的一个实施例；
图4示出了根据本发明的变换器拓扑的一个实施例；
图5示出了根据本发明的变换器拓扑的一个实施例；
图6示出了根据本发明的变换器拓扑的一个实施例；
图7示出了根据本发明的变换器拓扑的一个实施例；
图8示出了根据本发明的变换器拓扑的一个实施例；
图9示出了根据现有技术的变换器装置。
具体实施方式
现将在下文中参考附图更完整地描述本发明，其中显示了本发明的某些实施例。但是，本发明可以实施为许多不同的形式，并且不应该被解释为限制为本文所提出的实施例；相反，这些实施例是以示例的方式提供的，使得本公开彻底地和完整地，并且将全面地向本领域技术人员传达本发明的范围。在整个描述中相同的数字指代相同的元件。
图1示出了包括三个相腿10、20、30的多电平变换器装置1，每个具有连接15、25、35，分别适用于将变换器装置1连接至三相AC功率输电网的相应相A、B、C，输电网连接15、25、35设置在每个相腿10、20、30的第一端。每个相腿10、20、30分别地包括大量串联连接的开关单元11A-n、21A-n和31A-n。所有的相腿10、20、30中具有相同数量的开关单元11A-n、21A-n和31A-n。每个开关单元11A-n、21A-n和31A-n包括形式为电容器12A-n、22A-n和32A-n的能量存储元件。优选地，电容器12A-n、22A-n和32A-n的每一个具有相同的电容值，并设置用于相同的电压电平。
虽然相同类型的电容器具有相同的电容值是优选的实施例。可以预见并提供与本发明一致的其它优选的实施例。在一个其它优选实施例中，使用了具有不同电容的电容器。在一个其它优选实施例中，使用电池单元代替电容器。在一个优选实施例中，一些开关单元包括电池单元，其它开关单元包括电容器。
每个电容器12A-n、22A-n和32A-n优选地，但是没有在图1中示出，布置为四个半导体开关(诸如IGBT)的H桥结构，每个半导体开关与二极管反并联连接，见图3-8。可替换地，每个电容器优选地布置为半桥结构。每个相腿10、20、30的每个开关单元11A-n、21A-n和31A-n被设置为与每个其它开关单元11A-n、21A-n和31A-n相同类型的模块；具有相同的桥式拓扑，相同类型的电容器和相同类型的半导体开关。
在与网络连接15、25和35相对的每个相腿10、20、30的第二端，每个相腿10、20、30连接到被布置用于在相腿之间交换能量的能量传输电路40。每个相腿10、20、30包括，在第二端的到能量传输电路30的相应的连接16、26、26，能量传输电路40具有到相腿10、20、30的每一个的相应的连接端子41、42、43。能量传输电路40包括至少一个能量存储元件，诸如电容器44，和开关或者开关装置(未示出)，至少一个能量存储元件通过其电连接到每个相腿10、20、30。能量传输电路40被布置为选择性地电连接三个相腿10、20、30以传输电能至每相10、20、30并且传输来自每相10、20、30的电能。可以注意到能量传输电路40包括相腿10、20、30共用的至少一个能量存储元件44，而每个相腿10、20、30包括仅仅专用于各个相的能量存储元件12A-n、22A-n和32A-n。相腿10、20、30是沿串联连接的开关单元11A-n、21A-n、31A-n的线是相互电隔离的，并且每个相腿10、20、30在相应的第二端具有到公用的能量传输电路的连接，以提供相腿10、20、30之间的能量传输。
变换器装置1还包括可操作地连接到每个相腿10、20、30和能量传输电路40的控制器50，如虚线所示。控制器50适用于通过布置在每个相腿10、20、30中位于每个相应的接地连接15、25和35处的电流测量装置18、28、38获得每个相腿10、20、30中的电流测量值。以电流变压器的方式提供电流测量装置18、28、38是合适的。控制器50适用于获得开关单元11A-n、21A-n、31A-n的每个能量存储元件、电容器12A-n、22A-n和32A-n的电压测量，以及获得能量传输电路40的能量存储元件44的电压测量，例如，通过电压计或者电压变压器(未示出)的方式，并且控制器50进一步可操作地连接到每个相腿10、20、30的每个开关单元11A-n、21A-n、31A-n以及能量传输电路40的每个开关，并且适用于控制开关每个开关单元11A-n、21A-n、31A-n和能量传输电路40的开关，使得每个相腿10、20、30和能量传输电路的能量存储元件44一起提供期望的相电压至输电网。控制器50被配置为采用脉冲宽度调制以控制每个相腿10、20、30的开关单元的开关以及能量传输电路40的开关。例如，控制器50被设置为控制开关单元以调整输电线或网中的有功和/或无功功率，并适用于接收电压参考信号以提供这种补偿。电压参考信号由控制变换器装置1的外部控制环路的外部控制器提供，并且电压参考信号是基于网络测量的，诸如来自布置在输电线上的电流和电压测量装置的输电线的相电压和电流的测量。在一个控制周期内，电压参考信号为将被提供的每相提供单个电压电平。
控制器50进一步适用于通过控制开关单元11A-n、21A-n、31A-n和能量传输电路40的开关提供期望的能量传输，使得在相腿10、20、30中不平衡的电容电压重新平衡。控制器50适用于完成这种能量传输而不影响提供给输电网的相电压。
这样，控制器50适用于控制相电压和相腿10、20、30之间的能量传输。对于每个控制周期，使用针对每个相位的单个参考电压，并且采用能量传输的单个过程。
对于每相A、B、C，控制器50适用于对于每个控制周期来选择相腿10、20、30的能量存储元件44或者电容12A-n、22A-n和32A-n和能量传输电路40，并通过控制单元和能量传输电路的相应的开关提供期望的相电压，使得期望的相电压是根据电压参考信号提供的。控制器50适用于控制某些能量存储元件或者第一组能量存储元件的连接，第一组能量存储元件是从每个相腿的能量存储元件(例如，电容器12A-n、22A-n和33A-n)和能量传输电路40的至少一个能量存储元件44选择的，以对每相A、B、C提供期望的电压。
控制器50还适用于对于每个以及每一个控制周期，控制一些其它能量存储元件或者从每个相腿剩余的能量存储元件12A-n、22A-n和33A-n以及能量传输电路40的能量存储元件44而选择的第二组能量存储元件的连接，以在每个相腿10、20、30内完成功率传输并完成每个相腿10、20、30和能量传输电路40的开关单元之间的能量传输，即特别地完成每个相腿10、20、30的电容器12A-n、21A-n和31A-n和未选择的能量存储电路40的一个或多个电容器44之间的能量传输，用于提供控制周期的相应的相电压电平。
图2示出了通过用于提供相电压至输电网并在变换器的至少一个相腿10、20、30和连接到相腿10、20、30的能量传输电路40之间传输能量的变换器执行的方法。控制器50适用于控制变换器装置以执行该方法。对于该目的，控制器50设置有用于执行该方法步骤的装置，装置51-55可以实现为软件和硬件的组合，特别是计算机程序、存储器和处理器，计算器程序通过处理器和存储器执行时执行该方法步骤。因此，控制器50设置有用于监测电压的装置51，用于监测相电流的装置52，用于选择能量存储元件以提供相电压的装置53，用于选择能量存储元件以提供能量传输的装置54和用于执行开关单元的开关和能量传输电路的开关的装置55。
以足够高的开关频率提供开关以提供电网频率的变化电压，多数为50Hz或60Hz的输电网。例如，有效开关可以是2.5kHz，并且对于每个控制周期，开关通过针对控制或者开关周期所选择的开关单元在每个相应的参考电压电平提供输出相电压。
该方法起始于通过每个相应的相腿10、20、30的开关单元11A-n、21A-n、31A-n，以及能量传输电路40的至少一个共用能量存储元件电容器44，从每个相应的相腿10、20、30接收被提供给每个相A、B、C的电压参考电平201。
该方法继续建立每个开关单元11A-n、21A-n、31A-n的电压电平203的步骤。
在步骤204中，控制器建立用于能量传输电路40的至少一个能量存储元件44的每一个的电压电平。
适当地，在步骤203和204中建立每个能量存储元件11A-n、21A-n、31A-n、44的相应的电压电平。
该方法继续监测每个相腿10、20、30的电流205，并确定在每个相腿10、20、30的控制周期期间的功率流的方法。因此，相电流的方向用于选择开关单元11A-n、21A-n、31A-n的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n和传输电路40的一个或多个能量存储元件44应该连接的方向，使得如果电容器电压低于标称电压，功率可以加到电容器上，反之亦然，如果电容电压高于标称电压使得功率从电容移除。因此，通过步骤205的监测，每个能量存储元件在控制周期期间应当连接的方向可以基于相电流的方向确定。
该方法进一步包括在步骤206从每个相腿10、20、30和从能量传输电路40选择能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44，以提供相A、B、C的参考电压电平。适当地，选择了最小数量的开关单元，即，最小数量的单元以提供电压参考电平。该选择是优选基于步骤203和204中建立的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44的电压电平，以及步骤201中获得的电压电平的。并且优选地，能量存储元件是基于在控制周期期间在相腿中的功率流向选择的，使得选择具有最高电压电平的能量存储元件用于从相应的相腿10、20、30提供功率至输电网的控制周期，并且选择具有最低电压电平的能量存储元件用于在相应的相腿10、20、30从输电网接收功率的控制周期。
并且，为了获得期望的相电压，仅仅适当地选择在控制周期的部分连接的能量存储元件中的一个，这部分对应于能量存储元件的期望电压分配和能量存储元件的实际电压电平的部分。
为了示例说明开关策略，170V的参考电压可以通过用于整个开关周期在具有100V电容器电压的第一单元中的开关以及用于70％的开关周期的在具有100V电容器电压的第二单元中的开关提供。如果电压电平偏移100V的标称电压，调整该开关。因此，为了提供170V的电压，具有98V的电容器电压的第一开关单元可以在整个开关周期开关内具有97.5V的电容器电压电平的单元的开关一起在74％的开关周期开关，以增大到期望的170V(因为98*1+97.5*0.74大约等于170V)。因此，根据测得的开关单元的电容器电压，选择每个相腿的大量开关单元以合成每个相的参考电压。
该方法继续在步骤208选择用于在每个相腿10、20、30和能量存储电路40之间的能量传输的开关单元11A-n、21A-n、31A-n。选择208是基于至少一个能量存储元件44的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n建立的电压电平和相电流或者相功率流的方向的。在步骤208中，从剩余的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44作出选择，即在未选择的那些能量存储元件中，在步骤206中，用于提供相电压。优选地，每个相腿10、20、30剩余的开关单元11A-n、21A-n、31A-n和能量传输电路40的开关，应当选择用于具有偏离标称电压电平最多的电压电平的剩余的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44的那些开关单元。在一个实施例中，控制器50适用于选择本来具有最大偏移的那些能量存储元件，使得这些存储元件具有经受能量传输的最大可能性。
在选择用于能量传输的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44的步骤208中，控制器50匹配包括反向确定一个或多个的连接的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44，使得用于能量传输所选择的能量存储元件的总电压输出提供了零电压输出。这样，相比于具有低于标称电压电平的电压电平的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44，具有高于标称电压的电压电平的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44被选择为反向连接，使得用于这些能量存储元件组12A-n、22A-n、32A-n、44的标称电压电平的偏移减少。为了提供零电压输出，用于一个或多个能量存储元件的连接时间周期适当地调整为控制周期的部分。控制周期的部分被选择为等于期望电压的相对于测得的一个或多个电压电平的部分。因此，例如，如果具有105V的电压电平的存储元件与具有97V的电压电平的存储元件相匹配，即一个以相反方向连接，使得105V与-97V匹配，则-97V可以在整个控制周期期间应用，而在控制周期的97/105部分期间应用105V，使得电压贡献相互相等。
在一个实施例中，针对能量传输选择每个相腿的开关单元11A-n、21A-n、31A-n和具有偏移某个阈值的电压的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n、44的能量传输电路40的开关，用于。例如，阈值可以是3％、4％或者5％。从对于每相有用的能量存储元件作出选择，使得从特定的相A，在讨论的控制周期期间，从相腿10的能量存储元件12A-n和对于能量传输电路40中的该相有用的一个或多个能量存储元件44作出选择。注意到，可以选择能量传输电路的相同能量存储元件44，用于在所讨论的控制周期期间连接到多于一个相A、B、C。例如，能量传输电路40的能量存储元件44可以被选择为在控制周期期间正向连接至一个相(例如，A)，并在相同的控制周期期间反向连接到另一个相(例如，B)。电压被组合用于能量传输，使得输电网的净效应变成0V，因此使得相电压不被能量传输影响。
还在讨论的控制周期期间，从对每个特定相A、B、C有用的每个相应的相腿10、20、30的能量存储元件12A-n、22A-n、32A-n和能量传输电路40的能量存储元件中选择在步骤206中选择的用于提供相电压所组合的电压，并且因此，对于特定控制周期的能量传输电路40的一个或多个能量存储元件44可以连接到多于一个相A、B、C，并且可以在控制周期期间以相反的方向连接到两个不同相A、B、C。
最后的步骤210包括根据用于提供相电压和传输能量作出的选择执行开关每相的开关单元11A-n、21A-n、31A-n和能量传输电路40的开关，其中相电流的确定的方向用作建立能量存储元件12A-n、21A-n、31A-n、44的连接方向的基础。
包括大量能量存储元件或者电容器的能量传输电路40可以用于，例如能量传输电路40，其中能量存储元件可以串联连接以提供更高的电压电平。能量传输电路40可以被配置为选择性地允许用于各个相腿10、20、30的变化数量的能量存储元件的串联连接。三个相A、B、C的电压改变并且对于控制周期，具有更高的电压的一个相可能比一个相得到更多数量串联连接的能量存储元件，其中在相同的控制周期期间电压更低。这个实施例将在图7中更详细描述。改变用于不同相腿的控制周期之间串联互联的能量存储元件的数量是有利的，使其可能限制能量传输电路40中的能量存储元件的总数。该方法可以包括在控制周期期间选择对每个相腿应当有用的能量传输电路中的存储元件的步骤202。步骤202可以在步骤201和203之间执行。在该步骤中，可以执行在控制周期期间执行对相腿10、20、30共用的存储元件的选择，以及在控制周期期间专用于特定相腿10、20、30的能量存储元件。
图3-8示出了适用于实现本发明的变换器装置的拓扑的实施例。为了清楚起见，限制了图中标号的数量并且在图3-8的每一个中描述了主要的一个相。作为元件之间的连接的“虚”线指示元件的数量可以改变。如图1所示，开关单元11B和11n之间的虚线表明大量开关单元11A-n可以加入每个相腿10中。对于所示的所有相腿，开关单元的数量大于1。并且，能量传输电路40的电容器(或者能量存储元件)的数量可以大于1，并且图7的能量传输电路40的H桥开关单元的数量可以大于在每个三角形连接中所示的一个。
图3示出了一个实施例，其中每个相腿10、20、30的每个串联连接的开关单元11A是包括电容器、能量存储元件12A和四个开关14A的全H-桥单元。为了清楚起见，如上所述，在图中仅仅指示第一相腿10的一个开关单元11A，每个相腿10、20、30是一致的。能量传输电路40包括一个电容器44和相应的双开关元件组61A、61B、61C，用于选择性地以正向方向或者相反方向连接相腿10、20、30中的一个至电容器44。在一个第一端，端口2，每个相腿10、20、30包括含有适用于连接到输电网的相应相的线圈13的相连接。在相反的第二端，端口3，每个相腿10、20、30设置有到能量传输电路40的连接。“端口2”指示到该相的连接，以及“端口3”指示到能量传输电路40的能量传输连接。能量传输电路40包括作为能量存储元件44的单个电容器，通过DC链对62A、62B、62C连接每组开关61A、61B、61C，每对中的一个DC链至能量存储元件44的相应侧。每对DC链提供了用于每个相应的相和其它相以及能量存储元件44之间能量传输的电气连接，其被表示为“端口1”。
图4示出了与图3的拓扑相似的拓扑。每个相腿10、20、30存在的差异具有在端口2处形式为变压器17绕组的相连接，变压器17绕组的另一侧通过在能量传输电路40中相应的开关装置63A、63B、63C连接到相腿10、20、30。如图3所示，相腿的每个开关单元11A是包括作为能量存储元件的电容器12A的全H桥单元。能量传输电路40包括三个全H桥存储单元65A、65B、65C，每个包括用于具有其自身的电容器66A、66B、66C的每个相应的相腿63A、63B、63C的开关装置。连接到相应的电容器66A、66B、66C的两侧能量传输电路40的存储单元65A、65B、65C和其它电容66A、66B、66C通过提供电气连接的DC链64A、64B，用于传输在能量传输电路40的电容器66A、66B、66C之间以及相腿10、20、30之间的能量。每一个全H桥存储单元65A、65B、65C连接到相应相腿10、20、30的第一侧和用于该相的相应的变压器17的绕组的另一侧，使得相腿和变压器绕组可以通过H桥存储单元65A-C的开关63A-C选择性地连接到能量存储元件66A-C的任一侧。
图5示出了包括由图4所示类型的两个变换器，子变换器1A和1B组成的拓扑的实施例。每个相腿10、20、30具有两个串联连接的分腿10A、10B，每个分腿10A、10B属于相应的子变换器1A、1B。每对分腿10A、10B通过变压器串联连接并形成复合相腿10。每个子变换器1A、1B包括分别被布置为使得第一子变换器1A的相腿10A、20A、30A之间和第二子变换器1B的相腿10B、20B、30B之间的能量传输的能量传输电路40A、40B。因此，每个分腿10A-B、20A-B、30A-B沿分腿从其它的分腿分离，并且包括在一端的连接到各个能量传输电路40A、40B的连接，其提供端口3分别用于到子变换器1A和1B的其它相A、B、C的分腿的能量传输。如图4所示，每个能量传输电路40A、40B包括通过DC链互联的H桥单元。变换器可以用与图1、3和4中的变换器1相同的方式控制，其中通过选择第一和第二分腿10A、10B(例如，相A)的能量存储元件和能量传输电路40A、40B的存储元件提供用于每个相的电压，因为能量传输电路40A、40B的所有能量存储元件对所有相腿10、20、30是共用的。每个相连接包括分别在端口2A和端口2B处的两个互联的变压器。
在图3-4和6-7中描述的实施例中，相腿10、20、30沿每个腿相互分离，但是被配置为通过能量传输电路40互联用于能量传输。在图5的实施例中，相腿10、20、30也相互分离，但是被配置为通过分隔每个相腿10、20、30为第一10A、20A、30A和第二10B、20B、30B的分腿的中间能量传输电路40A用于能量传输。在第二分腿10A、20A、30A的端处，相腿通过能量传输电路40B交换能量。两个子变换器1A、1B可以视为模块，并且可以添加第三、第四或者第五(等)子变换器的其它模块以提供更高的电压，所有的子变换器模块1A、1B通过变压器17A1、17B1、17C1、17A2、17B2、17C2串联连接到输电网。
图6示出了具有与图3中的相同类型的相腿10、20、30的变换器。因此，每个相腿10、20、30包括串联连接的开关单元11A，其中每个开关单元11A是具有作为能量存储元件的电容器的全H桥单元。每个相腿10、20、30还具有包括线圈13、23、33的相连接点。
但是，图6的能量传输电路40具有相比图3的能量传输电路的拓扑不同的拓扑。能量传输电路40包括三组双开关，一组开关61A用于每个相腿(为了清楚起见，仅仅指示一个相10)，通过其相腿10可以连接到能量传输电路40的能量存储元件66A、66B、66C的相应的一个。这些相应的能量存储元件66A、66B、66C的每一个通过布置在相腿10、20、30的各个输入专用于相腿10、20、30的相应的一个，并且通过第一组开关61A可连接到相腿10、20、30。能量传输电路40还包括布置为三角形拓扑中的三角形连接67AB、67BC、67AC，以连接相腿10、20、30的任何一个和另一个相腿10、20、30的专用能量存储元件66A、66B、66C。对于每个相腿10，能量传输电路40包括两组开关68AB、68AC，用于通过三角形连接相应的一个67AB、67AC选择性地连接相腿10至其它相腿20、30的第一个20和第二个30的各个专用能量存储元件。通过这些三角形连接67AB、67AC，以及相应的开关68AB、68AC，第一相腿10适用于选择性地连接到专用于其它相腿20、30的能量存储元件。因此，每个相腿10、20、30具有专用能量存储元件66A、66B、66C，通过相腿10的第一组开关61A(用于相腿10)可以直接连接到专用能量存储元件66A、66B、66C。专用于其它相腿B、C的能量存储元件66B、66C可以通过能量传输电路40的一组开关61A与三角形连接67AB、67AC的相应开关68AB、68AC连接至第一相腿10，一组开关61A将相腿10连接至其专用的能量存储元件66A，三角形连接67AB、67AC连接相腿10至专用于其它相腿20、30的每一个的能量存储元件66B、66C。
图6的变换器是以与图1、3、4、5的变换器不同的方式控制的，其中能量传输电路40的有用能量存储元件的数量改变，即对相应相腿是有用的。特别地，对于选择相应相腿10、20、30是有用的能量传输电路40的能量存储元件针对每个控制周期确定。优选地，选择在控制周期中参考电压电平最低的相A、B、C并且用于相应的相腿10、20、30的专用能量存储元件被选择为对该控制周期的所有相是共用的。因此，在优选的实施例中，用于控制具有图6所示拓扑的变换器，如果第三相C在控制周期期间具有最低的参考电压电平，相应的相腿30的专用能量存储元件66C，即专用于被控制以提供用于第三相C的电压电平的第三相腿30的能量存储元件被选择为对该控制周期对于所有相腿10、20、30是共用的。当能量存储元件66C被选择是共用的，其它两个相腿之间的三角形连接68AB，即第一相腿10和第二相腿20在该控制周期是断开连接的。当选择用于提供相电压和能量传输的能量存储元件时，针对第三相腿30的选择包括用于该相腿30的开关单元的能量存储元件(图2的32A-n)以及专用于相腿30的能量存储元件66C。反之，对于第一相腿10和第二相腿20，对于该相的每个相腿10、20的能量存储元件可选择为与专用于讨论中的相10、20的能量传输电路40的各个能量存储元件66A、66B以及第三相30的共用的能量存储元件66C一起用于该相。当控制图6的变换器时，选择能量传输电路的共用的能量存储元件的步骤，该能量存储元件在控制周期期间对所有相是共用的，包含在图2的方法中的步骤201和203之间。该步骤202(步骤201和203之间)还包括确定用于每相的能量存储元件，即在控制周期期间是可用的，该确定是根据共用的能量存储元件的选择作出的。具有最低参考电压电平的相被选择为在三角形连接的能量传输电路中具有共用的能量存储元件，因为该相可用的电压电平时低于其它相腿的，其在图6所示拓扑中表示电压电平降低了一个电容器的电压电平。
图7示出了图6的拓扑的进一步实施例。除了图6的拓扑，图7的能量传输电路40的三角形连接每一个包括H桥开关单元69AB、69BC、69AC，每个开关单元包括作为能量存储元件的电容器。因此，在图6的拓扑中的一个相腿中选择共用的能量存储元件时，其它相腿具有接近高于单个电容电压电平的电压电平，图7拓扑中共用能量存储元件的选择提供了，其它相腿具有接近增高对应于H桥开关单元的数量加1的电压的电压电平。因此，如果每个三角形链接中的H桥的数量是k，最大电压电平的差异是k+1电容器电压。因此，在三角形连接67AB、67BC、67AC中包含具有电容器的H桥开关单元为能量传输电路40增加了电压电平和能量传输能力。
图8示出了具有如之前在图3中描述的H桥开关单元的三个相腿10、20、30的变换器。能量传输电路40由M2LC变换器48组成。
因此，参考图1-8，描述了变换器装置1和控制连接到输电网的三相变换器装置的方法。变换器装置1包括三个相腿10、20、30和能量传输电路40。该方法包括通过选择206相腿10、20、30和能量传输电路40的能量存储元件12A-n、21A-n、31A-n、44，以及连接210选择的能量存储元件12A-n、21A-n、31A-n、44至输电网输出15、25、35，以提供变化的各个输出相A、B、C电压至输电网。该方法进一步包括选择208能量存储元件12A-n、21A-n、31A-n、44，用于在控制周期期间执行能量存储元件12A-n、21A-n、31A-n、44之间的能量传输。
本发明在上面主要通过参考少量实施例描述。然而，如本领域技术人员容易理解的是，除了上面所公开的那些，由所附本发明的权利要求所定义的本发明范围内的其它实施例同样是可能的。

Claims (19)

1.一种用于控制连接到输电网的三相变换器装置(1)的方法，所述变换器装置(1)包括三个相腿(10、20、30)和能量传输电路(40)，每个相腿包括串联布置的多个开关单元(11A-n、21A-n、31A-n)，每个开关单元(11A-n、21A-n、31A-n)包括能够选择性地连接到相应相腿(10、20、30)的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n)，所述能量传输电路(40)包括能够选择性地连接到所述相腿(10、20、30)的每一个的至少一个能量存储元件(44)，所述方法包括基于电压参考信号，针对多个连续的控制周期，通过对能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)进行选择(206)并连接(210)所选择的所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)至输出(15、25、35)，来提供变化的相应输出相(A、B、C)电压至所述输电网，其中
针对每个控制周期来执行对能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)的选择(206)，以针对每个控制周期提供所述输出相(A、B、C)电压的调整，以及在相应的相腿(10、20、30)的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n)和所述能量传输电路(40)的所述至少一个能量存储元件(44)之间，作出针对每个相(A、B、C)电压的对所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)的选择(206)，所述方法进一步包括：
在所述控制周期期间选择(208)在每个相腿(10、20、30)中在所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)之间用于执行能量传输的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)，在所述相腿(10、20、30)和所述能量传输电路(40)的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)之间，针对每个相腿(10、20、30)作出对用于执行所述能量传输的能量存储元件的选择(208)，将所选择(206)的用于提供所述输出相(A、B、C)电压的调整的所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)，以及所选择(208)的用于执行所述能量传输的所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)连接(210)至所述输出(15、25、35)。
2.根据权利要求1所述的用于控制变换器装置的方法，进一步包括监测(203、204)每个能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)的电压电平，其中用于所述能量传输的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)的所述选择(208)是基于所述能量存储元件的电压电平的。
3.根据权利要求2所述的用于控制变换器装置的方法，其中用于提供所述输出相电压的所述选择(206)是基于监测的所述电压电平的。
4.根据权利要求2所述的用于控制变换器装置的方法，其中用于在每个相腿(10、20、30)中的能量传输的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)的所述选择(208)包括基于所述能量存储元件的电压电平来匹配所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)，以针对所述控制周期提供零电压贡献至来自被选择用于所述能量传输的所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)的所述输出相电压。
5.根据权利要求4所述的用于控制变换器装置的方法，其中所述匹配包括选择所述控制周期的部分用于所选择的所述能量存储元件的至少一个能量存储元件的连接，使得所述能量存储元件的所述电压贡献是相等的。
6.根据权利要求5所述的用于控制变换器装置的方法，其中所述控制周期的所述部分等于与所选择的所述能量存储元件的所述至少一个能量存储元件的所述电压电平有关的期望的电压电平的部分。
7.根据权利要求1-6的任一项所述的用于控制变换器装置的方法，其中在那些未被选择的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)之中作出用于执行所述能量传输的所述选择(208)，以在所述控制周期期间提供相应的输出相(A、B、C)电压。
8.根据权利要求1-6的任一项所述的用于控制变换器装置的方法，进一步包括接收指示对于每个所述控制周期用于每相(A、B、C)的输出电压电平的电压参考信号，用于提供所述输出相电压的所述选择(206)是基于所述电压参考信号的。
9.根据权利要求8所述的用于控制变换器装置的方法，所述变换器装置(1)包括含有多个能量存储元件(44)的能量存储电路，所述方法进一步包括在选择(206)用于提供每个输出相电压的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)和在选择(208)用于能量传输的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)时，限制(202)在所述控制周期期间选择用于至少一个相(A、B、C)的所述能量存储电路的所述能量存储元件(44)的至少一个的可能性。
10.一种用于三相(A、B、C)输电网的变换器装置(1)，所述变换器装置(1)包括三个相腿(10、20、30)，每个相腿(10、20、30)包括串联连接的多个开关单元(11A-n、21A-n、31A-n)，每个开关单元(11A-n、21A-n、31A-n)包括能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n)和半导体开关(14A-n)，所述半导体开关(14A-n)被布置为选择性地连接所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n)至AC输电网的相应相(A、B、C)，
所述变换器装置(1)适用于在针对连续的控制周期以相应的参考电压电平提供电压至所述输电网的每相(A、B、C)，其中所应用的所述电压在每个控制周期期间通过组合多个能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)而被提供，以合成在所述相应的参考电压电平处的每个相电压，
所述参考电压电平指定在所述控制周期的每个控制周期期间用于每相的单个电压电平，
所述变换器装置(1)进一步包括能量传输电路(40)，所述能量传输电路(40)包括至少一个能量存储元件(44)并且包括第一相连接(41)、第二相连接(42)和第三相连接(43)，每一个相连接被连接到所述三个相腿(10、20、30)的相应的一个相腿，并且所述变换器装置(1)被配置为选择性地将所述三个相腿(10、20、30)的每一个相腿连接至所述能量传输电路(40)，
对于每相(A、B、C)，所述变换器装置(1)适用于当提供所述相电压时，在所述能量传输电路(40)和所述相腿(10、20、30)的所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)之间进行选择，其特征在于，
所述变换器装置(1)进一步适用于在所述控制周期期间，在每个相腿(10、20、30)的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n)和所述能量传输电路(40)的所述至少一个能量存储元件(44)之间传输能量，所述能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)是在用以提供所述相电压的选择之后剩余的能量存储元件(12A-n、22A-n、32A-n、44)，所述传输包括执行在所述剩余的能量存储元件之间的匹配，并以选择的方向连接所述能量存储元件，使得所述能量传输针对所选择的控制周期以实质上零电压电平提供总电压输出至每相(A、B、C)。
11.根据权利要求10所述的变换器装置(1)，其中每个相腿(10、20、30)包括第一端和第二端，所述第二端与所述第一端相对，并且包括在所述第一端处的网络连接(15、25、35)和在所述第二端处的到所述能量传输电路(40)的连接(16、26、36)。
12.根据权利要求10或11所述的变换器装置(1)，其中所述能量传输电路(40)包括一个电容器(44)和三组双开关(61A、61B、61C)，每组开关连接到所述电容器(44)和相应的相腿(10、20、30)并被布置为选择性地将所述相应的相腿连接至所述电容器。
13.根据权利要求10或11所述的变换器装置(1)，其中所述能量传输电路(40)包括三个H桥开关单元(65A、65B、65C)，每一个H桥开关单元连接到所述相腿(10、20、30)的相应的一个相腿，并且其中所述三个H桥开关单元(65A、65B、65C)的电容器(66A、66B、66C)是通过所述电容器(66A、66B、66C)两侧的DC链(64A、64B)互联的。
14.根据权利要求10或11所述的变换器装置(1)，所述能量传输电路(40)被布置在三角形配置中，所述三角形配置包括所述相腿(10、20、30)之间的三个三角形连接(67AB、67BC、67AC)。
15.根据权利要求14所述的变换器装置(1)，每个三角形连接(67AB、67BC、67AC)包括至少一个能量存储元件和用于选择性地将所述能量存储元件连接至所述三角形连接的开关装置。
16.根据权利要求15所述的变换器装置(1)，每个三角形连接(67AB、67BC、67AC)包括能量存储元件和被布置在H桥(69AB、69BC、69AC)中的所述开关装置。
17.根据权利要求10或11所述的变换器装置(1)，其中所述能量存储元件和所述能量传输电路(40)的开关装置被布置在M2LC变换器拓扑(48)中。
18.根据权利要求10或11所述的变换器装置(1)，每个相腿(10、20、30)的所述相连接包括变压器(17)，每个相腿(10、20、30)直接连接到所述变压器(17)的第一绕组，每个相腿在所述每个相腿的另一端通过所述能量传输电路(40)连接到所述变压器(17)的所述第一绕组，所述变压器的第二绕组被布置用于连接到所述输电网。
19.根据权利要求10或11所述的变换器装置(1)，其中每个相腿(10、20、30)由第一分腿(10A、20A、30A)和第二分腿(10B、20B、30B)组成，其中所述能量传输电路连接到所述第二分腿(10B、20B、30B)的一个相应端，所述变换器装置进一步包括连接到所述第一分腿(10A、20A、30A)的相应端的第二能量传输电路(40A)，每个分腿(10A、20A、30A、10B、20B、30B)通过相应的所述能量传输电路(40、40A、40B)连接到为每个分腿(10A、20A、30A、10B、20B、30B)提供相连接的相应的变压器(17A1、17B1、17C1、17A2、17B2、17C2)的第一绕组，每个相腿(10、20、30)的两个分腿变压器(17A1、17B1、17C1、17A2、17B2、17C2)的第二绕组串联连接并形成用于所述输电网的相应相(A、B、C)的连接。
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