CN108604797B - 多电平功率变流器及用于控制多电平功率变流器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于一个或多个相的多电平功率变流器。该变流器包括一个或多个变流器臂(3)，该变流器臂(3)包括多个串联连接的开关单元(20)。每个开关单元(20)包括多个开关器件(40a，40b，40c，40d)、主能量存储器(50)、次能量存储器(52)和第一电感器(54)。开关器件被布置成选择性地提供到主能量存储器的连接，其中每个开关单元包括桥式电路(60)、电池电路(62)和臂电路(64)，桥式电路包括开关器件和主能量存储器，电池电路连接到桥式电路并包括次能量存储器，臂电路提供在两个相邻开关单元之间的连接。每个开关单元的第一电感器被布置在臂电路中。

Description

多电平功率变流器及用于控制多电平功率变流器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于一个或多个相的多电平功率变流器。该变流器包括一个或多个变流器臂，该变流器臂包括多个串联连接的开关单元。每个开关单元包括多个开关器件、主能量存储器、次能量存储器和第一电感器。开关器件被布置成选择性地提供到主能量存储器的连接。每个开关单元包括桥式电路、电池电路和臂电路，桥式电路包括开关器件和主能量存储器，电池电路连接到桥式电路并包括次能量存储器，臂电路提供在两个相邻开关单元之间的连接。
本发明还涉及一种用于控制多电平功率变流器的方法。
背景技术
多电平变流器用于将DC电力转换到AC电力或者将AC电力转换到DC电力。多电平变流器可用于许多高功率应用，其中系统中存在中电压到高电压等级。
当从DC电压形成AC电压时，多电平变流器通过在开关单元的桥式电路中准确地控制开关器件，以小的电压阶跃形成AC电压。由此，控制主能量存储器的充电和放电以使得变流器输出期望的AC电压。
开关单元的开关器件例如是集成门极换向晶闸管(IGCT)、门极可关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。开关单元的主能量存储器通常是电容器，但是也可以使用电池。
为了使得多电平变流器能够用于将来自可再生能源的涉及发电功率中的骤升和骤降的能量进行转换，功率变流器可以设置有次能量存储器，诸如一个或多个电池或超级电容器。功率变流器的每个开关单元需要电感，以便有助于实现到次能量存储器的平滑电流和来自次能量存储器的平滑电流。
WO2010/124706A1公开了一种模块化多电平变流器，其包括多个变流器臂，每个变流器臂包括串联连接的多个开关单元。每个单元包括电容器单元、桥式装置中的功率半导体以及由包括电感的斩波器装置所控制的能量存储装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的多电平变流器，其设置有用于将来自再生能源的能量进行转换的次能量存储器。特别地，本发明的第一个目的是提供一种配置有备选操作模式的多电平变流器。本发明的第二个目的是提供一种在故障情况下能够将次能量存储器隔离的多电平变流器。本发明的第三个目的是提供一种多电平变流器，该多电平变流器使每个开关单元减少电感来提供次能量存储器的平滑电流。
该目的通过多电平功率变流器获得，该变流器包括一个或多个变流器臂，该变流器臂包括多个串联连接的开关单元，每个开关单元包括多个开关器件、主能量存储器、次能量存储器和第一电感器，开关器件被布置成选择性地提供到主能量存储器的连接，其中每个开关单元包括桥式电路、电池电路和臂电路，桥式电路包括开关器件和主能量存储器，电池电路连接到桥式电路并包括次能量存储器，臂电路提供在两个相邻开关单元之间的连接。该变流器的特征在于，每个开关单元的电感器被布置在臂电路中。
通过将电感器布置在臂电路中，与现有技术的多电平变流器相臂，电感器可以具有明显更低的电感。
另一个优点是，本发明的多电平变流器通过控制开关器件使得其能够实现操作的备选方式。特别地，在故障的情况下多电平变流器能够实现次能量存储器的隔离。
然而，本发明的多电平变流器具有缺点，即与现有技术的多电平变流器相比，单元电感器的额定电流更高。
次能量存储器的电路被表示为“电池电路”。然而，次能量存储器不限于诸如电化学电池的电池。还可以使用其他类型的能量存储器，诸如一个或多个超级电容器的布置。
根据本发明的实施例，桥式电路包括在主能量存储器的第一端子与第二端子之间串联连接的第一开关器件和第二开关器件，以及在主能量存储器的第一端子与第二端子之间串联连接的第三开关器件和第四开关器件。
多电平变流器的桥式电路包括全H桥布置，该布置包括第一、第二、第三和第四开关器件。
根据本发明的实施例，桥式电路的开关器件包括集成门极换向晶闸管、门极可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管中的一个。
根据本发明的实施例，电池电路并联连接到桥式电路和臂电路。
根据本发明的实施例，变流器臂包括被布置成与开关单元串联连接的第二电感器。第二电感器具有减少在不同变流器臂之间的暂态电流流动的功能。
根据本发明的实施例，第二电感器的自感大于第一电感器的自感。
根据本发明的实施例，变流器每相包括第一臂部分和第二臂部分。
根据本发明的实施例，第一臂部分和第二臂部分中的每个均都包括第二电感器。
根据本发明的实施例，主能量存储器是电容器。
根据本发明的实施例，次能量存储器包括一个或多个电池、或者一个或多个超级电容器。
本发明的目的还通过用于操作根据权利要求1至9中任一项所述的多电平功率变流器的方法而获得。该方法包括通过闭合第一开关器件并断开第二开关器件，将主能量存储器与臂电路连接。
根据本发明的实施例，该方法包括通过断开第一开关器件并闭合第二开关器件，将主能量存储器从臂电路断开连接。
根据本发明的实施例，该方法包括通过闭合第三开关器件并断开第四开关器件，将主能量存储器与电池电路连接。
根据本发明的实施例，该方法包括通过断开第三开关器件并闭合第四开关器件，将主能量存储器从电池电路断开连接。
根据本发明的实施例，该方法包括通过断开第三开关器件和第四开关器件，将次能量存储器隔离。
根据本发明的实施例，该方法包括以比第一开关器件和第二开关器件的开关频率更高的频率，来开关第三开关器件和第四开关器件。
附图说明
现在将通过本发明不同实施例的描述并参考附图，更详细地解释本发明。
图1公开了现有技术的三相多电平功率变流器的示例。
图2公开了图1中变流器的开关单元的示例。
图3公开了包括N个开关单元的变流器的一个相的示意图的示例。
图4公开了根据本发明实施例的用于操作多电平功率变流器的方法。
具体实施方式
图1示出用于现有技术的将DC电力转换到AC电力的三相多电平功率变流器1的示例。变流器1包括每相的臂3。每个臂3包括第一臂部分5和第二臂部分10,第一臂部分5连接到具有DC功率的第一电势的输入端子7，第二臂部分10连接到具有DC功率的第二电势的输入端子12。第一臂部分5和第二臂部分10被连接到各相的AC功率的输出端子15。
每个臂3包括串联连接的多个开关单元20。在图1中，第一臂部分5和第二臂部分10各自包括六个开关单元20。第一臂部分5和第二臂部分10中的每一个还包括用于减少臂3之间暂态电流流动的第二电感器17。在所公开的示例中，电容器24与三个臂3并联连接。
图2中示出了开关单元20的示例。开关单元20包括四个开关器件40a，40b，40c，40d、主能量存储器50、次能量存储器52和第一电感器54。
开关单元20被布置成，包括桥式电路60、电池电路62和臂电路64。
桥式电路60包括被布置为全H桥布置的四个开关器件40a，40b，40c，40d以及主能量存储器50。桥式电路60被布置为，包括在主能量存储器50的第一端子与第二端子之间串联连接的第一开关器件40a和第二开关器件40b，以及在主能量存储器50的第一端子与第二端子之间串联连接的第三开关器件40c和第四开关器件40d。
第一开关器件40a和第二开关器件40b的开关操作适于被控制器34控制，以使得开关单元20的主能量存储器50被放电或充电，其中形成期望的AC功率。
电池电路62包括次能量存储器52，该次能量存储器62适于在变流器1的操作期间被充电和放电，以便平滑由变流器1转换的供电功率(诸如来自可再生能源的供电功率)中的不规则性。
主能量存储器50优选为电容器。然而，可以使用诸如电池的其他类型的能量存储装置。次能量存储器52优选为电池，诸如电化学电池。然而，可以使用诸如多个超级电容器的其他类型的能量存储装置。
第三开关器件40c和第四开关器件40d的开关操作适于被控制器34控制，以使得在能量源供电低的情况下，开关单元20的次能量存储器52被放电或充电，以便促进功率的转换。
第一电感器54具有向次能量存储器52和从次能量存储器52提供平滑电流的功能，该次能量存储器52被布置成与桥式电路60和臂电路64并联连接。臂电路64被布置成提供在两个相邻开关单元20之间的连接。
将第一电感器54布置在臂电路64中而不是电池电路62中的优点是，这允许第一电感器54的自感显著减少。然而，在不涉及变流器1的功能的情况下，自感被减少但不能被完全消除。
参考图2和图3，将更加详细讨论变流器的功能。图3公开了变流器臂3的示例，其中第一臂部分5包括N个开关单元20并且其中第二臂部分10包括N个开关单元20。
图2中的电路示出第i个开关单元20的电路图。字母v表示在由相邻点处标记的点的电位。假设所有的开关单元20都具有相等的电感Lc和电容Cc。电阻被忽略。
除了臂电流ia之外的所有变量对于每个开关单元20是唯一的，并且用下标i表示。通过将电感器两侧上的点处的电势相减，建立以下关系式：
Figure BDA0001504307450000061
期望ibi应当是平滑的，即dibi/dt＝0。因此，右侧开关的插入指数在理想情况下应当被选为
Figure BDA0001504307450000062
然而，应当注意到，这只是平均插入指数，并且因此没有考虑到开关谐波。跨单元的压降Δvi由下式给出
Δvi＝Ei+(ni-si)vci. (3)
将(2)代入(3)中，得到
Figure BDA0001504307450000063
并且对于第一臂部分5，将臂中的全部N个单元的电压相加得到
Figure BDA0001504307450000071
这表明，只要不考虑开关谐波，当在变流器5中级联开关单元20时，本发明给出La+NLc的总等效臂电感。然而，这不考虑谐波。必须适当选择两对开关器件40a，40b，40c，40d的电感La和开关频率，以给出ia的可接受的低的谐波含量。
图4公开了用于操作根据权利要求1至9中任一项所述的多电平功率变流器1的方法。该方法包括控制桥式电路60的开关器件40a，40b，40c，40d。
该方法包括步骤110，包括通过闭合第一开关器件40a并断开第二开关器件40b，将主能量存储器50与臂电路64连接。该方法步骤导致从开关单元20输出正电压。
该方法包括步骤120，包括通过断开第一开关器件40a并闭合第二开关器件40b，将主能量存储器50从臂电路64断开连接。该方法步骤导致从开关单元20输出零电压。主能量存储器50被充电直到其被完全充电为止。
应当理解的是，方法的步骤110和步骤120涉及开关单元的独立状态，因此该方法的步骤不以任何特定的顺序执行。相反，控制器34通过根据特定的开关算法随着时间施加步骤110和步骤120，来控制多个开关单元20以使得形成期望的电流。
该方法包括步骤130，包括通过闭合第三开关器件40c并断开第四开关器件40d，将主能量存储器50与电池电路62连接。该方法步骤导致来自开关单元20的输出电压升高。
该方法包括步骤140，包括通过断开第三开关器件40c并闭合第四开关器件40d，将主能量存储器50从电池电路62断开连接。该方法步骤导致次能量存储器52不涉及将转换后功率的输出电压升高。相反，次能量存储器52被充电直到其被完全充电为止。
该方法包括步骤150，包括通过断开第三开关器件40c和第四开关器件40d，将次能量存储器52隔离。该方法步骤可以用于故障情况，以将次能量存储器52从开关单元20断开连接。
还应当理解的是，该方法的步骤110和步骤120在变流器1的操作期间交替进行。类似地，该方法的步骤130和步骤140交替进行。因此，在主能量存储器50的控制之间和次能量存储器52的控制之间的交替过程同时发生。在正常状况下，以比第一开关器件40a和第二开关器件40b的开关频率更高的频率，来执行第三开关器件40c和第四开关器件40d的开关操作的开关频率。
本发明不限于所公开的实施例，而是可以在权利要求的框架内进行修改。

Claims (13)

1.一种用于一个或多个相的多电平功率变流器(1)，所述变流器(1)包括一个或多个变流器臂(3)，所述变流器臂(3)包括多个串联连接的开关单元(20)，每个开关单元(20)包括多个开关器件(40a，40b，40c，40d)、主能量存储器(50)、次能量存储器(52)和第一电感器(54)，所述开关器件(40a，40b，40c，40d)被布置成选择性地提供到所述主能量存储器(50)的连接，其中每个开关单元(20)包括桥式电路(60)、电池电路(62)和臂电路(64)，所述桥式电路(60)包括所述开关器件(40a，40b，40c，40d)和所述主能量存储器(50)，所述电池电路(62)连接到所述桥式电路(60)并包括所述次能量存储器(52)，所述臂电路(64)提供在两个相邻所述开关单元(20)之间的连接，其中所述桥式电路(60)包括在所述主能量存储器(50)的第一端子与第二端子之间串联连接的第一开关器件(40a)和第二开关器件(40b)，以及在所述主能量存储器(50)的所述第一端子与所述第二端子之间串联连接的第三开关器件(40c)和第四开关器件(40d)
其特征在于，
每个开关单元(20)的所述第一电感器(54)被布置在所述臂电路(64)中，所述臂电路(64)被连接在所述主能量存储器(50)的所述第二端子和与相邻开关单元(20)的连接点之间，所述电池电路(62)连接在所述相邻单元(20)的连接点和所述桥式电路(60)之间，其中所述电池电路(62)在所述主能量存储器(50)的所述第三开关器件(40c)和所述第四开关器件(40d)之间被连接至所述桥式电路(60)。
2.根据权利要求1所述的多电平功率变流器(1)，其中所述桥式电路(60)的所述开关器件(40a，40b，40c，40d)包括集成门极换向晶闸管、门极可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管中的一个。
3.根据权利要求1所述的多电平功率变流器(1)，其中所述变流器(1)的所述臂(3)包括被布置成与所述开关单元(20)串联连接的第二电感器(17)。
4.根据权利要求3所述的多电平功率变流器(1)，其中所述变流器(1)每相包括第一臂部分(5)和第二臂部分(10)。
5.根据权利要求4所述的多电平功率变流器(1)，其中所述第一臂部分(5)和所述第二臂部分(10)每个均包括所述第二电感器(17)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的多电平功率变流器(1)，其中所述主能量存储器(50)是电容器。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的多电平功率变流器(1)，其中所述次能量存储器(52)包括一个或多个电池、或者一个或多个超级电容器。
8.一种用于操作根据权利要求1至7中任一项所述的多电平功率变流器(1)的方法，所述方法包括通过闭合所述第一开关器件(40a)并断开所述第二开关器件(40b)，将所述主能量存储器(50)与所述臂电路(64)连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法包括通过断开所述第一开关器件(40a)并闭合所述第二开关器件(40b)，将所述主能量存储器(50)从所述臂电路(64)断开连接。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述方法包括通过闭合所述第三开关器件(40c)并断开所述第四开关器件(40d)，将所述主能量存储器(50)与所述电池电路(62)连接。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述方法包括通过断开所述第三开关器件(40c)并闭合所述第四开关器件(40d)，将所述主能量存储器(50)从所述电池电路(62)断开连接。
12.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述方法包括通过断开所述第三开关器件(40c)和所述第四开关器件(40d)，将所述次能量存储器(52)隔离。
13.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述方法包括以比所述第一开关器件(40a)和所述第二开关器件(40b)的开关频率更高的频率，来开关所述第三开关器件(40c)和所述第四开关器件(40d)。
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