CN107408898A - 用于多电平能量变换器的变换器模块 - Google Patents

用于多电平能量变换器的变换器模块 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于多电平能量变换器(10)的变换器模块(1)，其具有两个变换器模块端口(11，12)、一个开关单元(13)和一个用于控制开关单元(13)的开关状态的控制端口，其中，开关单元(13)提供变换器模块(1)的两个变换器模块端口(11，12)和控制端口，其中，变换器模块(1)具有两个串联连接的变换器模块电容(8，9)，所述变换器模块电容连接至开关单元(13)，其中，变换器模块电容(8，9)中的每一个分别提供变换器模块电容电压，其中，开关单元(13)被布置，使得依赖于开关单元(13)的各自开关状态来将变换器模块电容(8，9)之一的变换器模块电容电压或串联连接的变换器模块电容(8，9)的总电压接通到变换器模块端口(11，12)。

Description

用于多电平能量变换器的变换器模块
技术领域
本发明涉及一种用于多电平能量变换器的变换器模块，其具有两个变换器模块端口、一个开关单元和一个用于控制开关单元的开关状态的控制端口，其中，开关单元提供变换器模块的两个变换器模块端口和控制端口。本发明还涉及一种用于变换电能的多电平能量变换器，其具有用于供给待变换的电能的一个端口和用于送出经变换的电能的另一端口，其中，多电平能量变换器具有变换器电路，其连接至多电平能量变换器的两个端口的第一个并且其包含多个串联连接的变换器模块并且其提供与所述端口中的第二个相耦合的中间端口，其中，变换器电路内的变换器模块连接至控制单元以便控制，所述控制单元控制变换器模块以便变换电能。此外，本申请涉及一种运行多电平能量变换器的变换器模块的方法，其中，借助控制单元通过控制端口来对提供变换器模块的两个变换器端口和控制端口的开关单元的开关状态进行控制。此外，本发明涉及一种运行借助变换器电路变换电能的多电平能量变换器的方法，其中，在一个端口供给待变换的电能并且在另一端口送出经变换的电能，其中，所述变换器电路连接至多电平能量变换器的两个端口的第一个并且包含多个串联连接的变换器模块并且提供与端口中的第二个相耦合的中间端口，其中，借助控制单元来控制变换器电路的变换器模块以便变换电能。最后，本发明还涉及一种运行借助变换器电路变换电能的多电平能量变换器的方法，其中，在一个端口处供给待变换的电能并且在另一端口处送出经变换的电能，其中，变换器电路连接至多电平能量变换器的两个端口的第一个并且包含多个串联连接的变换器模块并且提供与端口中的第二个相耦合的中间端口，其中，变换器电路的变换器模块分别具有变换器模块电容并且通过控制单元来被控制以便变换电能。
背景技术
多电平能量变换器以及其运行方法实质上是公知的，所以对此并不需要特别的书面证据。用于构造多电平能量变换器的变换器模块也是同样的情况。多电平能量变换器是脉冲激发(getaktet)能量变换器的特殊构造形式。这样的多电平能量变换器经常被使用在高压直流电压传输的范围内，其中设置几百kV范围的直流电压以及1GW范围的功率。优选双向地使用这样的多电平能量变换器，使得既可以从交流电压侧向直流电压侧变换电能，也可以反过来进行。通常在不明显改变电压电平的情况下进行变换，也就是说，交流电压的最大幅值的电平基本上等于直流电压中间电路(Glechspannungszwischenkreis)的电平。
多电平能量变换器通常具有由多个变换器模块组成的串联电路，其自身包含变换器模块电容和与其并联连接的由两个串联的半导体开关组成的串联电路。由于电路结构，相对于替换的电路概念而言，变换器模块的控制是较为运行可靠的，因此，多电平能量变换器尤其适用于范围内的应用。此外，在中间电路处具有按照此类型的构造的多电平能量变换器不需要中间电路电容，此外，所述中间电路电容在领域内的应用中非常高成本和昂贵被摒弃。通过变换器模块电容，实现直流电压中间电路的相应的支持。
按照此类型的多电平能量变换器在英文文献中也被称为Modular Multi LevelConverter或MMC或者也被称为M2C。
由于电子元件领域的日益增强的成本降低，复杂的拓扑或电路结构越来越成为功率电子大宗市场的焦点。由于主要针对中压或高压范围研发了复杂的电路方式，所以基于在此占优势的边界条件，很多需求被相对麻烦地或高成本地解决。在将这样的拓扑或电路结构转化到低压范围内时得到的结果是，可以更简单并且更高效地实现一些需求。
按照此类型方式的多电平能量变换器在将上述类型使用在能源技术中时经受住了考验。本质上，这种类型的多电平能量变换器也可以使用在低电压中。借此，相对于其他能量变换器而言，能够使用非常高的效率、低开关损耗或高可靠性的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，这样改进多电平能量变换器的变换器模块，使得可以降低电路开销或成本。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于运行变换器模块的方法。最后，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于运行多电平能量变换器的方法。
作为解决方案，本发明提出一种根据独立权利要求1所述的变换器模块。此外，另一独立权利要求8提出一种根据本发明的多电平能量变换器。另外，独立权利要求9提供一种用于运行变换器模块的方法。此外，另一独立权利要求17和18提供一种用于运行多电平能量变换器的方法。
对于变换器模块而言，尤其提出的是，变换器模块具有两个串联连接的变换器模块电容，所述变换器模块电容连接至开关单元，其中，变换器模块电容中的每一个分别提供变换器模块电容电压，其中，开关单元被布置，使得依赖于开关单元的各自开关状态来将变换器模块电容之一的变换器模块电容电压或串联连接的变换器模块电容的总电压切换到变换器模块端口。
对于多电平能量变换器而言，提出的是，多电平能量变换器具有根据本发明的变换器模块。
对于方法而言，在用于运行变换器模块的方法中尤其提出的是，通过两个串联连接的并且连接至开关单元的变换器模块电容来分别提供变换器模块电容电压，其中，借助开关单元依赖于开关单元的各自开关状态来将变换器模块电容之一的变压器模块电容电压或串联连接的转换器模块电容的总电压切换到变换器模块端口。
关于用于运行具有按照本发明的变换器模块的多电平能量变换器的方法，尤其提出的是，根据用于运行变换器模块的根据本发明的方法来运行变换器模块。借此，可以以简单的方式实现，变换器模块的变换器模块电容的变换器模块电容电压能够被调整、尤其是能够被保持为基本上相同。此外，本方法可以以简单的方式与已经可用的用于调整不同变换器模块的变换器模块电容的电压的方法进行组合，使得可以以较小的开销实现多电平能量变换器的控制。
最后，关于用于运行多电平能量变换器的方法，尤其提出的是，分别根据按照本发明的用于运行变换器模块的方法来成对地运行变换器电路的两个彼此相邻连接的变换器模块，所述变换器模块分别具有变换器模块电容。在本发明的该构造中，可以借助按照本发明的方法来改进多电平能量变换器。为此目的，共同地控制每两个相邻的串联连接的分别具有变换器模块电容的变换器模块。通过以应用于变换器电路的分别构造的变换器模块对的方式，应用按照本发明的运行变换器模块的方法，可以简化和/或加速多电平能量变换器的运行。
在本发明意义下，作为低压，尤其要被理解为根据2006年12月12日欧洲议会和参议会的用于调整成员国法规的2006/95/EG条例的定义，即电气设备(elektrischerBetriebsmittel)要应用在特定电压极限之内。但是本发明并不局限在该电压范围内，而是也可以使用在中压的范围内，所述中压范围可以包含大于1kV直到包含52kV之间的电压范围。本质上，本发明自然也可以使用在高压范围内。
借助按照本发明的变换器模块或按照本发明的多电平能量变换器或按照本发明的用于运行变换器模块的方法，可以从交变电压端口向直流电压端口传输电能，或者反过来也可以。多电平能量变换器进行相应的变换。为此目的，在多电平能量变换器的直流电压中间电路处，变换器电路与串联电路相连接，所述串联电路包含多个串联连接的变换器模块。当然，在直流电压中间电路处，也可以优选并联地连接两个或三个或更多个这样的变换器电路。借助变换器电路来实施电能的变换。
例如，可以在串联电路的变换器电路其中的两个之间中间连接另一个由两个串联电感组成的串联电路，所述串联电感的连接或连接端口提供交变电压端口。既然在中间电路处连接多个变换器电路，那么此外存在这样的可能性，即，关于直流电压端口和交变电压端口而言，变换器电路至少部分是并联连接的。此外，在多个变换器电路中可以设置的是，可以提供相移的交变电压，以便例如提供三相交变电网。
每个变换器模块自身分别具有至少一个由两个半导体开关组成的串联电路，串联连接的变换器模块电容与所述两个半导体开关并联连接。借助半导体开关，可以以可预先规定的方式在变换过程中引入变换器模块电容。为此目的，半导体开关的控制电极连接至以适宜的方式对半导体开关进行控制的变换器模块控制部件。对于本领域技术人员来说，关于借助多电平能量变换器变换能量的基础控制方法是公知的，因此，此处不再详细描述变换过程。此外，与此相关地，请参考Lesnicar,A.和Marquardt R.的公开出版物，在2003年6月意大利博洛尼亚的IEEE Power Tech Conference上公开的题目为“An innovativemodular multi-level converter topology for wide power range”。
在该公开物的意义中，半导体开关优选是可控制的电子开关元件，例如晶体管、由晶体管组成的优选具有并联连接空载二极管的组合开关电路、控制极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、由其组成的组合等等。本质上，也可以通过金属氧化物半导体场效应晶体管来构造半导体开关。优选地，可以通过变换器模块控制部件来控制半导体开关。
多电平能量变换器的控制单元优选确定这样的条件，其引起变换器模块相应部分的激活或不活动。为此目的，控制单元可以通过传感器采集例如半导体开关、变换器模块电容、变换器电路和/或类似的相关参数。参数可以是例如电流、电压、电功率、电压和相关电流之间的相移、从中的组合或者类似。
可以通过金属箔电容、陶瓷电容、但是也可以通过适合于频率应用的电解质电容或者类似物来构造变换器模块电容。当然，也可以通过多个尤其如前所述的不同类型的单电容的组合来构造变换器模块电容。
总体上，借助本发明实现：相对于现有技术的变换器模块而言，使用根据本发明的变换器模块，可以通过在变换器模块端口处的开关单元来提供更多不同的电压电平。因此，涉及到多电平能量变换器总体上可以减少变换器模块的数量，尤其是考虑到与此相关联的电路消耗。借此简化了电路结构并且能够节省开支。
开关单元是变换器模块的集合，其具有半导体开关，开关单元借助所述半导体开关可以实现期望的开关状态。因此，可以设置的是，借助开关单元可以将串联连接的变换器模块电容中的经选择的其中一个的电压切换到变换器模块端口。可以设置的是，开关单元被构造，使得可选地两个串联连接的变换器模块电容器中经选择的其中一个的电压切换到变换器模块端口。此外，开关单元被构造，使得也可以将串联连接的变换器模块电容的总电压切换到变换器模块端口。为此目的，开关单元具有合适构造的具有多个半导体开关的电路结构。
在本公开的意义中，在开关模式运行中，半导体开关作为开关元件运行。半导体开关的开关模式运行是指，在接通状态下，在半导体开关的形成开关路径的端口之间提供非常微小的电阻，使得在非常小的剩余电压的情况下大电流仍然是可以的。在切断状态下，半导体开关的开关路径是高阻的，也就是说，其提供非常高的电阻，使得即使在开关路径上存在高电压的情况下也基本上不存在电流或者非常微小的尤其可以忽略的电流。线性运行与此不同，但是其并不应用于根据此类型的多电平能量变换器。
优选地，开关单元被构造，以便根据开关单元的各自开关状态来改变连接至变换器模块端口的电压的极性。借此，通过变换器模块可以进一步增加可提供的电压电平的数目。例如通过开关单元可以这样实现所述改变，即，通过相应的半导体开关提供转换功能，使得由一个或多个变换器模块电容所提供的电压的极性能够被改变。
可以这样实现可提供的电压电平的数目增加的可能性，即，变换器模块电容具有不同的电压。借助切换单元，然后以近乎任意的方式来对其进行彼此组合。
尤其有利地，串联连接的变换器模块电容却具有几乎相同的电压。借此形成尤其简单的控制可能性。
本发明的扩展方式这样设计，即，设置开关单元，以便依赖于开关单元的各自开关状态来电短接变换器模块端口。借此能够实现变换器模块的电压状态零位。在这种情况下，串联连接的电容在多电平能量变换器侧被解耦合。
本发明的另一扩展方式这样设计，即，开关单元具有四个半导体开关，其中分别两个被串联并且形成串联电路，其中，两个串联电路被并联连接并且串联电路的各自中间端口分别提供变换器模块端口之一。借助该构造，能够一方面实现，简单地提供变换器模块端口，并且另一方面同时以简单的方式实现极性的改变。电路结构基本上对应于H桥。其也被称为全桥电路。
根据另一构造形式提出的是，开关单元具有两个另外的半导体开关，其一个端口分别连接至在两个串联电路的一个连接点处，其中，两个串联电路的另一连接点连接至串联连接的变换器模块电容，其中，两个另外的半导体开关之一的另一端口连接至串联连接的变换器模块电容的无串联电路的连接点并且两个另外的半导体开关中的另一个的另一端口连接至通过串联连接的变换器模块电容所形成的中间端口。该构造允许以简单的方式将串联连接的变换器模块电容中的仅一个连接至变换器模块端口或者将串联电路整体连接至变换器模块端口。因此，可以以简单的方式生成多个可通过变换器模块提供的电压电平。因此，借助该构造可以提供这样的变换器模块，其只要两个变换器模块电容基本上具有相同的电压就能够在变换器模块端口处提供五个电压电平。而在通常的基于H桥电路的变换器模块中，在变换器模块端口处仅仅可以提供三个电压电平。上文所述的按照本发明的变换器模块因此能够在多电平能量变换器中代替现有技术的两个串联连接的变换器模块。总体上说，在这种构造中存在的优点是，可以节省两个半导体开关。也就是说，本发明的变换器模块为其功能仅仅需要六个半导体开关，与之相对地，现有技术的两个相应的变换器模块分别需要四个半导体开关，加起来需要八个。借此，存在同样反映在整体花销降低的电路技术的优点，原因在于，在多电平能量变换器中通常半导体开关的控制相对高成本并且复杂。
但是替换地也可以设置的是，开关单元具有两个半导体开关，所述两个半导体开关串联连接并且形成串联电路，其中，串联电路的中间端口提供变换器模块端口之一，并且其中，串联电路与串联连接的变换器模块电容之间的连接点提供变换器模块端口中的另一个。该构造涉及半桥电路的电路结构，其中可以类似地应用本发明的基础思想。在此，尽管关于该具体构造并没有减少半导体开关，但是整体上能够实现多电平变换器的电路技术上的优点。
关于半桥电路，尤其可以设置的是，开关单元具有两个另外的半导体开关，其分别将其一个端口连接至在串联电路的无变换器模块端口的连接点处，并且其中，两个另外的半导体开关之一的另一端口连接至串联连接的变换器模块电容的无变换器模块端口的连接点并且两个另外的半导体开关的另一个的另一个端口连接至通过串联连接的变换器模块电容所形成的中间端口。该构造允许本发明在基于半桥电路的变换器模块中使用。本发明的原理可以近似以重复的方式转移至半桥电路。
提出在多电平能量变换器的变换器模块电路中确定这样的变换器模块，其中串联连接的变换器模块电容的电压差最大或者最小。借此可以确定，优选选择哪个变换器模块用于对其变换器模块电容的电压进行调整的调整过程。如果电压差具有最大的正值，那么电压差是最大的。如果电压差具有最小的负值，那么电压差是最小的。使用最大的还是最小的电压差，可以取决于在变换器模块电容的后续约定运行中是充电还是放电。
此外提出的是，在通过需要对变换器电路的变换器模块的奇数数目的变换器模块电容进行激活的变换器电路提供电压时，根据进行变换器模块电容的充电还是放电，来选择具有最大还是最小的电压差的变换器模块以便激活其变换器模块电容中的单个。优选根据在具有充电还是放电的后续约定运行中可以实现电压差的降低，来进行所述选择。
根据扩展形式建议的是，在变换器电路的另外的变换器模块中或者激活两个变换器模块电容或者不激活变换器模块电容。这以一目了然的开销实现了变换器模块的简单控制。
此外也可以设置的是，确定变换器电路的变换器模块，所述变换器模块的电压差数值超过预给定的对比值。借此可以在考虑其与变换器模块电容电压有关的电压差的情况下同时优化两个或多个变换器模块。该构造优选取决于要由多电平能量变换器提供的当前电压是多大。
如果依据要由变换器电路提供的电压，选择多个这样的变换器模块，在所述变换器模块中仅仅激活两个变换器模块电容之一，那么，在这种关联中可以表明是有利的。借此，可以以简单的方式实现每个变换器模块的变换器模块电容电压的调整。
根据另一构造形式可以设置，在所选择的变换器模块中分别激活变换器模块电容，使得在多电平能量变换器的后续约定运行中降低电压差的数值。例如可以设置，根据电压差的极性来分别选择变换器模块的要激活的变换器模块电容。如果例如电压差的极性改变，那么可以设置的是，在电压差数值超过预先给定的对比值的情况下，切换各个变换器模块的变换器模块电容。为此目的可以设置的是，解除激活变换器模块电容中的一个，但是激活变换器模块电容中的另一个。
根据扩展形式提出的是，对至少一个变换器模块施加在变换器模块内循环的电流，所述电流基于变换器模块电流的二次谐波。变换器模块电流是流过变换器模块端口的电流。借此，可以实现，加速变换器模块电容电压的调整。尤其有利的是，该循环电流并不需要作用在变换器模块电流上。在此情况下其限制于各自的变换器模块。
附图说明
从下文依据附图描述的实施例描述中可以获得更多优点和特征。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件和功能。
图1在示意性电路框图示图中示出按照本发明的基于H桥电路的变换器模块，
图2至6在示意性电路框图示图中示出五个不同电压电平的描绘性的电流曲线，借助开关单元基于根据图1的电路结构将所述电压电平提供在变换器模块端口处，
图7在示意性电路框图示图中示出具有根据图1的用于三相运行的多电平能量变换器，
图8在示意性方框电路示图中示出来自控制单元中的截面图，所述控制单元用于调节在变换器模块内以及在包含这样的变换器模块的多电平能量变换器内串联连接的变换器模块电容的电容电压，
图9至11在示意性图表示图中示出在根据图7的多电平能量变换器的交变电压端口处的电压和电流特性曲线，
图12至15在示意性图表示图中示出在根据图7的多电平能量变换器的A相上臂中的变换器模块电容处的电压特性曲线，
图16至19在示意性图标示图中示出在根据图7的多电平能量变换器的A相下臂中的变换器模块的变换器模块电容处的电压，
图20示出根据图7的多电平能量变换器的截面图连同根据图1的变换器模块和根据图9至19的相对应的图表组成的示意性概要示图。
具体实施方式
多电平能量变换器被证明尤其适合用于高压直流电流传输。除了这样的高压应用外，多电平能量变换器同样也越来越受欢迎。多电平能量变换器在英文专业文献中也被称为multi level converter(M2C,MMC)，其与具有较少数量的电压电平的逆变器相比需要更多数量的装置或单元。在使用大量半导体开关时显示出一些优点，但是开销和结构尺寸一直是重要的发展领域以便使多电平能量变换器对于中压和/或低压范围而言具有吸引力。随着数量增多的半导体开关，与辅助的诸如驱动电路之类的电路装置、输出开关信号和/或等等相关的开销也变大。多电平能量变换器的基本原则是，在输出端获得大数目的电压电平。这允许输出端电流非常接近于正弦形状并且降低用于输出端滤波器的开销。因此，本发明尤其要解决的技术问题是，减少半导体开关的数目，而不必同样减少可提供的电压电平的数目。本发明借助具有如图1所示的电路结构的变换器模块来解决所述技术问题。
本质上可以这样理解根据图1的电路结构，即，将用于变换器模块的公知全桥电路与半桥电路结构相结合。该结合可以这样实现，图1中示出的以这种方式构造的变换器模块可以提供五个电压电平，这在现有技术中只能通过两个全桥模块的串联电路来实现。借此，可以减少半导体开关的数目，而不必同时减少多电平能量变换器的输出端电压电平的数目。
图1在根据本发明的用于多电平能量变换器10(图7)的变换器模块1的示意性示图中详细地示出电路结构。变换器模块1具有两个变换器模块端口11、12以及开关单元13。没有示出控制端口，所述控制端口用于借助多电平能量变换器10的同样未示出的控制单元对开关单元13的开关状态进行控制。开关单元13提供变换器模块1的两个变换器模块端口11、12以及控制端口。
变换器模块1具有两个串联连接的变换器模块电容8、9，所述变换器模块电容连接至开关单元13。与开关单元13相连接的是总共三个通过串联的变换器模块电容8、9所构造的端口，尤其也有中间端口18。每个变换器模块电容8、9分别提供一个变换器模块电容电压。当前，变换器模块电容8、9的变换器模块电容电压关于其电压值而言基本上是相同的。
开关单元13被设置，以便根据开关单元13的各个开关状态来将变换器模块电容8的变换器模块电容电压或串联连接的变换器模块电容8、9的总电压接通至变换器模块端口11、12。下文中还会结合其他附图对此进行阐述。
从图1中可以看出，半导体开关2至5以通常的全桥电路进行连接，也就是说，这些半导体开关中的每两个被串联连接并且形成串联电路14、15。半导体开关2、3、4、5的两个串联电路14、15又被并联连接。串联电路14、15中的每一个分别提供一个变换器模块端口11、12。通过该电路结构，开关单元13可以依赖于开关单元13的各自开关状态来改变与变换器模块端口11、12相连接的电压的极性。为此目的，分别共同接通半导体开关2和3或者半导体开关3和4。通过改变所接通的半导体开关，可以改变在变换器模块端口11、12上所提供的电压的极性。
从图1中还可以清楚的看出，开关单元13具有两个另外的半导体开关6和7，其分别以其端口之一连接至在两个串联电路14、15的连接点16处。两个串联电路14、15的另一连接点连接至串联连接的变换器模块电容8、9。两个另外的半导体开关中的一个7的另一端口连接至串联连接的变换器模块电容8、9的无串联电路的连接点17。两个另外的半导体开关中的另一个6的另一端口连接至通过串联连接的变换器模块电容8、9所形成的中间端口18。
通过半导体开关6、7以及变换器模块电容9，本发明的变换器模块1与现有技术的常规变换器模块相区分，所述常规变换器模块基于也被称为H桥电路的全桥电路并且仅仅具有唯一的变换器模块电容。现在，通过这些补充的元件能够实现的是，可以在变换器模块端口11、12处提供五个不同的电压电平，也就是说，就像依据下面的表格1所描述的那样。
表格1：
在当前构造中设置，变换器模块电容8、9基本上具有相同的电压。在表格1中该电压用“V”来表示。因此，两个变换器模块电容8、9的串联电路的总电压表示为“2V”。在表格1中此外设置如下对应关系：
S1对应于半导体开关2，
S2对应于半导体开关3，
S3对应于半导体开关4，
S4对应于半导体开关5，
S5对应于半导体开关7，和
S6对应于半导体开关6。
在表格1中，1表示各个半导体开关的接通状态，反之，0表示各个半导体开关的断开状态。
与表格1相应地，图2至5现在示出以根据图1的电路结构为基础的相应的开关状态。在图2至6中，使用示意性电流参考箭头来表示与开关单元13的各个开关状态相对应的相应电流路径。电路结构对应于图1的电路结构，因此，与图1相关的实施也可以应用于这些图上。
简单的计算显示本发明的优点。对于适合能够在一个臂上生成2n个电压电平的多电平能量变换器而言，在现有技术中由2n个全桥模块构成。如果半导体开关是IGBT，那么在一个臂上的该数目是2n×4＝8n。在这种类型的三相逆变器中，因此需要2×8n×3＝48n个半导体开关或IGBT。
与之不同的是，以本发明的变换器模块1为基础的多电平能量变换器在一个臂上仅仅需要n个变换器模块。因此，所需的半导体开关或IGBT的数目为6n。在三相逆变器中，相应地需要2×6n×3＝36n个半导体开关。具有基于全桥的变换器模块的多电平能量变换器具有额外的故障抑制能力(Fehlerunterdrückungseigenschaft)，该能力作为STATCOM或类似的起作用，与之相对的，具有基于半桥电路的多电平能量变换器并不实现该附加的特征。具有基于全桥电路的变换器模块的多电平能量变换器实现这些附加特性的原因在于，这些变换器模块可以生成负的电压电平。图1示出的变换器模块1提供这样的附加功能。
要说明的是，半导体开关2至5必须具有耐压强度，所述耐压强度对应于串联连接的变换器模块电容8、9的总电压。在半导体开关6、7中，仅仅需要和简单的变换器模块电容电压有关的耐压强度。
有利地，就像根据图7的多电平能量变换器那样，在多电平能量变换器中以差分控制方法来运行变换器模块1。优选特别注意的是，保持变换器模块电容电压基本上相同。在图2和3中示出的开关单元13的开关状态中，多电平能量变换器10的臂电流流经变换器模块电容8。但是，在图2中，臂电流还流经变换器模块电容9。因此，无需特别的措施，该运行在电压差中结束。由于该原因，控制单元优选获得和变换器模块1的总模块电压有关的信息，并且也获得和两个变换器模块电容8、9之间的电压差有关的信息。下文中，说明用于平衡变换器模块电容电压的可能性。
如果变换器模块1关于在多电平能量变换器10中的电压生成来说是激活的，那么臂电流流过变换器模块电容8或9。依赖于流经变换器模块电容8、9的电流方向，变换器模块电容被充电或放电。充电量或放电量对于臂电流流经的所有参与电容而言是相同的。
在变换器模块电容上由臂电流生成的电压是：
其中i是臂电流。
因此，控制单元可以确保对于一个臂上的两个变换器模块电容而言充电和放电周期的平均数目是相同的。在根据图7的多电平能量变换器10中，可以使用一个臂中的n个数目的变换器模块1来描述输出端直流电压VDC或Vnarm_avg：
VDC＝V1+V2+…+Vn＝Vn+1+…+V2n-1+V2n＝Vnarm_avg，
其中，V1、V2、…、V2n是变换器模块1的模块电压。
模块电压V1是两个模块电容电压VC1和VC2的和。也就是存在这样的方程式：
V1＝VC1+VC2。
控制单元的任务是实现如下：
V1＝V2＝…＝Vn＝Vn+1+…+V2n-1+V2n，
也就是说，使变换器模块1内部的电压保持相同并且也保持电压V＝VC1＝VC2，也就是说，使变换器模块1内部的变换器模块电容电压保持相同。
优选地，多电平能量变换器10检测变换器模块电压并且依据当前模块电压来选择变换器模块1。在目前情况下，模块电压等于变换器模块电容8、9(C1和C2)的两个变换器模块电容电压的总和。但是，总电压的检测并不确保它们是相同的。因此，在这种情况下，就像下面那样补充地向控制单元传输：
(VC1+VC2)+VC2＝VC1+2VC2。
控制单元获得生成0至“n”电平的电压电平的指令。控制单元在低电平期间具有多种可能性来选择变换器模块1。为了生成电压电平“n”，控制单元没有选择，原因在于，变换器模块1应当生成电压电平2V。为了生成电压电平“n-1”，控制单元具有这样的选择，让一个模块生成电压电平V并且让剩余的变换器模块生成电压电平2V。控制单元具有用于所有变换器模块1的信息VC1+2VC2。提供电压电平V的变换器模块具有使变换器模块电容8(C2)充电或放电的可能性。因此，如果存在用于充电的电流方向，那么优选选择具有最大电压差(VC1-VC2)的变换器模块1，以便提供电压电平V。如果存在用于放电的电流方向，那么选择具有最大电压差(VC2-VC1)的变换器模块1，以便提供电压电平V。现在，具有最大电压差(VC1-VC2)的变换器模块具有VC1+2VC2的最低值，其中假定VC1+VC2对于所有变换器模块1而言是恒定的。补充地，具有最大电压差(VC2-VC1)的变换器模块1具有VC1+2VC2的最大值，其中假定VC1+VC2对于所有变换器模块1而言是不变的。
这如下进行数学表达：
VC1+VC2＝M， 等式(1)
其中，“M”等于2V并且对于所有变换器模块1而言是恒定的。
对于最大正值(VC2-VC1)的情况，假定
VC2-VC1＝k， 等式(2)
其中，“k”对于所有变换器模块1而言是可变数，并且可以从0至2V进行变化。通过两个等式相加，可以借助M和k来表达VC2的值：
从变换器模块1到控制单元的输入值是：
VC1+2VC2＝(VC1+VC2)+VC2. 等式(4)
在考虑等式(1)的情况下得到：
(VC1+VC2)+VC2＝M+VC2. 等式(5)
通过借助等式(3)在等式(5)中替代VC2，得到个体的变换器模块信息：
因此，具有最大k值的变换器模块1在多电平能量变换器10的臂上具有(VC1+2VC2)最大值。具有(VC2-VC1)最大值的变换器模块1应当对变换器模块电容8放电，从而选择在臂上具有(VC1+2VC2)最大值的变换器模块1，以便在放电期间基于臂电流来提供电压电平V。如果臂电流用于充电，以类似的方式呈现这种情形，其中，选择在臂上具有(VC1+2VC2)最低值的变换器模块1，以便提供电压电平V。
为了提高变换器模块电容电压调整的速度，二次谐波被触发作为变换器模块1内部的循环电流。该二次谐波在多电平能量变换器10的输出端是不可见的，却帮助多电平能量变换器通过关于其变换器模块电容电压而言增加充电/放电循环来快速地平衡变换器模块1的变换器模块电容8、9。
图8在示意性方框电路示图中示出控制单元实施前述方法的程序流程。方法流程设置加法器25，所述加法器被供应调制参考23。同时，加法器25被供应二次谐波24。加法器25由此生成电平控制信号26，所述电平控制信号被供应至分类器27。关于变换器模块电容电压，分类器27如下所示对变换器模块1进行分类：
第一变换器模块1的变换器模块电容电压：(C1+2＊C2)1，
第二变换器模块1的变换器模块电容电压：(C1+2＊C2)2，
…
第n变换器模块1的变换器模块电容电压：(C1+2＊C2)n。
分类器27将模块序列28传输至计算器30，所述计算器同时还被输送臂电流的当前值31。计算器30实施下文中示意性描述的程序段：
在阶梯n的情况下，不能进行选择，原因在于，在此所有变换器模块1提供电压电平2V。
在阶梯(n-1)的情况下，借助变换器模块1提供电压电平V并且借助剩余的变换器模块1来提供电压电平2V。如果臂电流31对变换器模块1进行充电，那么带有最小充电量的变换器模块1具有充电量≤V并且其余变换器模块1具有充电量≤2V。如果臂电流31对变换器模块31进行放电，那么带有最大充电量的变换器模块1具有充电量≤V并且其余变换器模块1具有充电量≤V。
在阶梯(n-2)的情况下，变换器模块之一具有电压电平0，并且其余变换器模块1具有电压电平2V。如果臂电流31对变换器模块2进行充电，那么带有最小充电量的变换器模块1具有电压电平≤0并且其余变换器模块具有电压电平≤2V。如果臂电流31对变换器模块1进行放电，那么，带有最大充电量的变换器模块1具有电压电平≤0并且其余变换器模块1具有电压电平≤V。
相应地针对其他阶梯来持续进行程序段。
作为结果，计算器30传输模块选择信号29，借助所述模块选择信号来选择相应的变换器模块1。
下面的说明涉及依据图9至20对本发明运行模式进行说明的仿真。借助SIMULINK来验证本发明。就像依据图7已经阐述的那样，多电平能量变换器10的基础在于，其包含分别具有根据图1的四个变换器模块1的变换器电路21。臂电流流经变换器电路21的每一个。与此相关的，请参照相应的上文中的说明。变换器模块1中的每一个可以生成最大电压电平2V。因此，生成最大的与臂有关的电压电平8V。在此，要注意的是，每两个串联连接的变换器电路构成一个臂电流流经的臂。在下面的表格2中针对每个臂电压电平示出变换器模块电压：
表格2：
作为基础的是下面的仿真参数：
表格3
电感 10mH
变换器模块电容 7.5mF
臂电感 50μH
DC电压 750伏特
平均电容电压 93.75伏特
总模块电压 187.5伏特
AC频率 50Hz
AC电压 230伏特
负载 56.25kW
在图9至11中示出仿真结果。图9至11的示意性图表都以相同的时间坐标作为横坐标，也就是说以秒为时间刻度。在图9中，纵坐标被分配以伏特为单位的逆变器电压。在图10中，纵坐标被分配以安培为单位的逆变器电流，与之相对的，在图11中共同示出一个逆变器相的电压和电流。从图11中可以看出，相移近似于0。在图9中彼此重叠地示出逆变器的三个相电压。在图10中示出逆变器的相应的相电流。
在图12至14中示意性地示出这样的图表，其具有相同的以秒为单位的时间坐标作为横坐标。纵坐标被分配以伏特为单位的电压。在图12至15中示出的电压对应于各个变换器模块电容电压，就像其在图7的相应的变换器模块中、也就是在相应臂的上方变换器电路21中出现的那样。图16至19示出根据图7的下方变换器电路21的变换器模块1的变换器模块电容电压。图20再一次示出图1、7以及9至19的重叠示图，以便进一步说明事实。
实施例仅仅用于解释本发明但是并不限制本发明。当然，也可以任意地构造与多电平能量变换器或变换器模块相关的构造，而不脱离本发明的主旨。
最后要说明的是，针对按照本发明的装置所描述的优点和特征以及实施方式同样也可应用于相应的方法上。因此，相应的方法特征可以设置用于装置特征，或者反过来也可以。

Claims (18)

1.一种用于多电平能量变换器(10)的变换器模块(1)，其具有两个变换器模块端口(11，12)、一个开关单元(13)和一个用于控制开关单元(13)的开关状态的控制端口，其中，开关单元(13)提供变换器模块(1)的两个变换器模块端口(11，12)和控制端口，
其特征在于，
两个串联连接的变换器模块电容(8，9)，所述变换器模块电容连接至开关单元(13)，其中，变换器模块电容(8，9)中的每一个分别提供变换器模块电容电压，其中，开关单元(13)被布置，使得依赖于开关单元(13)的各自开关状态来将变换器模块电容(8，9)之一的变换器模块电容电压或串联连接的变换器模块电容(8，9)的总电压接通到变换器模块端口(11，12)。
2.根据权利要求1所述的变换器模块，其特征在于，开关单元(13)被构造，以便根据开关单元(13)的各自开关状态来改变接通到变换器模块端口(11，12)的电压的极性。
3.根据权利要求1或2所述的变换器模块，其特征在于，设置开关单元(13)，以便依赖于开关单元(13)的各自开关状态来电短接变换器模块端口(11，12)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器模块，其特征在于，开关单元(13)具有四个半导体开关(2，3，4，5)，其中分别两个被串联并且形成串联电路(14，15)，其中，两个串联电路(14，15)被并联连接并且串联电路(14，15)之一的各自中间端口分别提供变换器模块端口(11，12)之一。
5.根据权利要求4所述的变换器模块，其特征在于，开关单元(13)具有两个另外的半导体开关(6，7)，其一个端口分别连接至在两个串联电路(14，15)的一个连接点(16)处，其中，两个串联电路(14，15)的另一连接点连接至串联连接的变换器模块电容(8，9)，其中，两个另外的半导体开关之一(7)的另一端口连接至串联连接的变换器模块电容(8，9)的无串联电路的连接点(17)并且两个另外的半导体开关中的另一个(6)的另一端口连接至通过串联连接的变换器模块电容(8，9)所形成的中间端口(18)。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器模块，其特征在于，开关单元具有两个半导体开关，所述两个半导体开关串联连接并且形成串联电路，其中，串联电路的中间端口提供变换器模块端口之一，并且其中，串联电路与串联连接的变换器模块电容的连接点提供变换器模块端口中的另一个。
7.根据权利要求6所述的变换器模块，其特征在于，开关单元具有两个另外的半导体开关，其分别将其一个端口连接至在串联电路的无变换器模块端口的连接点处，并且其中，两个另外的半导体开关之一的另一端口连接至串联连接的变换器模块电容的无变换器模块端口的连接点并且两个另外的半导体开关的另一个的另一个端口连接至通过串联连接的变换器模块电容所形成的中间端口。
8.一种用于变换电能的多电平能量变换器(10)，具有用于供给待变换的电能的一个端口(19)和用于送出经变换的电能的另一端口(20)，其中，多电平能量变换器(10)具有变换器电路(21)，其连接至多电平能量变换器(10)的两个端口的第一个(19)并且其包含多个串联连接的变换器模块(1)并且其提供与所述端口中的第二个相耦合的中间端口(22)，其中，变换器电路(21)的变换器模块(1)连接至控制单元以便控制，所述控制单元控制变换器模块(1)以便变换电能，
其特征在于，
根据上述权利要求中的任一项来构造变换器模块(1)。
9.一种用于运行用于多电平能量变换器(10)的变换器模块(1)的方法，其中，借助控制单元通过控制端口来对提供变换器模块(1)的两个变换器端口(11，12)和控制端口的开关单元(13)的开关状态进行控制，
其特征在于，
通过两个串联连接的并且连接至开关单元(13)的变换器模块电容(8，9)来分别提供变换器模块电容电压，其中，借助开关单元(13)依赖于开关单元(13)的各自开关状态来将变换器模块电容(8，9)之一的变压器模块电容电压或串联连接的转换器模块电容(8，9)的总电压接通至变换器模块端口(11，12)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在多电平能量变换器(10)的变换器模块电路(21)中确定这样的变换器模块(1)，其中串联连接的变换器模块电容(8，9)的电压差最大或者最小。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在通过需要对变换器模块电路(21)的变换器模块(1)的奇数数目的变换器模块电容(8，9)进行激活的变换器电路(21)提供电压时，根据进行变换器模块电容(8，9)的充电还是放电，来选择具有最大还是最小的电压差的变换器模块(1)以便激活其变换器模块电容(8，9)中的单个。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在变换器电路(21)的另外的变换器模块(1)中或者激活两个变换器模块电容(8，9)或者不激活变换器模块电容(8，9)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，确定变换器电路(21)的变换器模块(1)，所述变换器模块的电压差数值超过预给定的对比值。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，依据要由变换器电路(21)提供的电压，选择多个变换器模块(1)，在所述变换器模块中仅仅激活两个变换器模块电容(8，9)之一。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，在所选择的变换器模块(1)中分别激活变换器模块电容(8，9)，使得在多电平能量变换器(10)的后续约定运行中降低电压差的数值。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的方法，其特征在于，对至少一个变换器模块(1)施加在变换器模块内循环的电流，所述电流基于变换器模块电流的二次谐波。
17.一种运行借助变换器电路(21)变换电能的多电平能量变换器(10)的方法，其中，在一个端口(19)供给待变换的电能并且在另一端口(20)送出经变换的电能，其中，所述变换器电路(21)连接至多电平能量变换器(10)的两个端口(19)的第一个并且包含多个串联连接的变换器模块(1)并且提供与端口中的第二个相耦合的中间端口(22)，其中，借助控制单元来控制变换器电路(21)的变换器模块(1)以便变换电能，
其特征在于，
所述变换器电路(21)具有根据权利要求1至7中任一项所述的变换器模块(1)，根据权利要求9至16中任一项所述的方法来运行所述变换器模块。
18.一种运行借助变换器电路(21)变换电能的多电平能量变换器(10)的方法，其中，在一个端口(19)处供给待变换的电能并且在另一端口(20)处送出经变换的电能，其中，变换器电路(21)连接至多电平能量变换器(10)的两个端口的第一个(19)并且包含多个串联连接的变换器模块(1)并且提供与端口中的第二个相耦合的中间端口(22)，其中，变换器电路(21)的变换器模块(1)分别具有变换器模块电容并且通过控制单元来被控制以便变换电能，
其特征在于，
根据权利要求9至16中任一项所述的方法来成对地运行变换器电路(21)的两个彼此相邻连接的变换器模块(1)。
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