CN108702105B - 用于模块化多电平换流器的双子模块和包括该双子模块的模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

一种双子模块(18)形成用于模块化多电平换流器(8)的，其中，所述双子模块(18)具有两个互连子模块(19，21)，其中，每个子模块具有：非对称半桥电路(22，32)，所述非对称半桥电路(22，32)具有连接在所述子模块(19，21)的第一和第二端子连接(27，28；37，38)之间的两个并联桥支路(24，26；34，36)，其中，每个桥支路由电力半导体开关(T1，T4；T6，T7)和二极管(D2，D3；D5，D8)的串联电路形成，其中，所述电力半导体开关被分配给反并联续流二极管(D1，D4；D6，D7)，并且具有电容器(23；33)，所述电容器与所述非对称半桥电路(22；32)并联连接在所述模块的所述第一和所述第二端子连接之间。子模块(19，21)通过其AC端子(29，31；39，41)相互连接，形成双子模块(18)。此外，模块化多电平换流器(8)形成包括在其每一个换流器支路(9a‑9f)中的多个这种双子模块(18)。

Description

用于模块化多电平换流器的双子模块和包括该双子模块的模 块化多电平换流器
本发明涉及用于模块化多电平换流器的双子模块和具有串联连接的这种双子模块的模块化多电平换流器。
用于将直流转换成交流及将交流转换成直流的换流器用于许多应用中，例如，用于将电力网络与变速驱动耦连等等，用于两个电力网络之间的能量交换。为此目的，在各种电路拓扑和配置中已知有换流器。对于较小和中等大小的功率，已知有常规的两相换流器，其提供简单和鲁棒的解决方案，并被广泛使用。
随着电力半导体开关的持续发展和电力电子技术的应用的可能性，正寻求开发用于更高功率和电压范围的更新的换流器拓扑。在中高压范围中，所称的多电平换流器经常被用来生成许多电压级，将电压提高到较高电平达到高压直流(HVDC)传输的范围，在这种情况下，可实现许多级的足够的电压质量。
模块化多电平换流器(MMC和M2C)代表日益普遍的换流器拓扑。这种换流器具有由两个串联连接的换流器支路组成的相支路或模块，其中，每个换流器支路由许多相似的单元(子模块)构成。每个子模块由桥电路构成，桥电路具有可控电力半导体开关和用于暂时存储电能的内部电容器。桥电路可以是具有两个可控串联连接的电力半导体开关的半桥，或者是具有两个并联桥支路的H桥或全桥，在每一个桥支路中，两个电力半导体开关相互串联设置。续流二极管(free-wheeling diode)与每个可控开关反并联连接。由于模块化设计，针对不同的功率和应用，换流器可个别地扩展。可以高动态方式控制和调节在交流(AC)和直流(DC)侧上的电压和电流，并使该电压和电流在很大程度上相互解耦。
例如在DE 101 03 031 A1中描述了这种模块化多电平换流器，其中，以半桥方式设计了子模块。每个子模块因此只具有两个串联连接的电力半导体开关，对于相应的子模块，这两个开关以这样的方式连接至作为能量储存的电容器：单极电压，正电容器电压或零电压落在子模块的两个连接端子之间。此电路成本相对较低，特征为低线路损耗。
具有形式为全桥或半桥的子模块的模块化多电平换流器也是已知的。全桥或半桥的使用允许在子模块端子处的电容器两端的电压降的反转。然而，这是用较多数目的电力半导体开关实现的，因此，总体上提高电路复杂性，提高了换流器的成本。此外，在这种基于全桥子模块的情况下，两个开关总是传导电流的，结果相比基于半桥的子模块，线路损耗明显提高。对于中高压范围的应用，这些线路损耗可能是不可接受的。
一个重要方面也是在DC电压中间电路的短路情况下换流器的鲁棒性。如果在DC电压中间电路中出现短路，该DC电压中间电路由交流电压网络馈送，非常高的短路电路可流过换流器支路。当将半桥用作子模块时，这些短路电流流过与相应的电力半导体开关反并联连接的续流二极管。结果，续流二极管必须有相对较大的尺寸，以便在暂态短路电流被检测到，并通过打开交流侧上的电力开关或者通过断开DC开关将换流器从DC电压中间电路上断开之前承受此电流。在这种情况下，相对较高的极限负载积分要求也必须强加在使用的二极管上。极限负载积分也称作i2t值，其为例如二极管的半导体元件的短期过载能力的标准。它指示在不超过可允许结温因而破坏元件下，在某个时段内可以施加的的可允许最大值。极限负载积分通过在指定的时段对电流的平方值随时间积分来确定。所使用的二极管的极限负载积分必须超过用来在短路情况下关断换流器的熔丝的对应的极限负载积分。
已知为模块化多电平换流器的子模块中的二极管或续流二极管提供特殊的短路保护装置。例如，WO 2008/110129 A1提供了设置成与子模块中的半桥的续流二极管并联的晶闸管，并在短路情况下被点燃，以便传递流过相应的自由运行的二极管的短路电流的一部分。然而，这增加了子模块电路和其操作的复杂性和成本。
鉴于不同的可能的应用和需求，一直针对模块化多电平换流器开发子模块的更新的配置，目的是减少单元的数目，电力半导体开关的数目和线路损耗，并提高短路情况下换流器的鲁棒性。
具有不同子模块配置(包括全桥、交叉配置、混合单元、非对称单元等)的模块化多电平换流器的概述可在例如Alireza Nami等人的：“Modular Multilevel Converters forHVDC Applications：Review on Converter Cells and Functionalities”，in IEEETransactions on Power Electronics(IEEE电力电子学会刊)，Vol 30，No.1，January2015，pages18-36(2015年1月第1期第30卷18-36页)中找到。全桥的使用导致相对较高数目的电力半导体开关，并增大操作中的线路损耗。
Kalle Ilves等人所著的发表在《电力电子和应用(EPE)》2013年第15届欧洲会议第1-10页上“的A Submodule Implementation for Parallel Connection of Capacitorsin Modular Multilevel Converters”，Power Electronics and Applications(EPE)，2013 15th European Conference on，pages 1-10描述了具有两个并联连接的全桥的双子模块。两个全桥电路通过其相应的交流电压连接相互连接，第一全桥的第一DC电压连接和第二全桥的第二DC电压连接建立双子模块的两个DC电压端子。双子模块可有利地用于直接的AC-AC转换。然而，其具有为两个串联连接的基于半桥的子模块数目的两倍的电力半导体开关。在双子模块的情况下，由于特定开关状态，其使得两个中间电路电容器并联连接，电容器的不同电压可导致局部大的补偿电流，因此在子模块内有较高的损耗。
对于模块化多电平换流器也需要提供基于半桥的子模块优点的新的子模块配置，包括低数目的电力半导体开关和低线路损耗，同时提供高的短路强度。另外，有利的是对于许多子模块形式，能够使用机械基本构造。为目前为止，基于半桥的子模块需要与基于全桥的子模块不同的机械基本结构。本发明因此旨在提供一种用在模块化多电平换流器中的子模块，其具有与基于半桥的子模块相似的电压和电流特性，相对不昂贵，不复杂，特别是需要小数目的电力半导体开关，在操作中具有低线路损耗。优选地，子模块可用于由其它存在的子模块类型组成的机械基本结构。
本发明的另一目的是提供具有简单设计的许多个这种子模块的模块化多电平换流器，其可以相对较低的成本实施和操作。
此目的是通过具有独立权利要求1的特征的双子模块并通过具有独立权利要求10的特征的模块化多电平换流器实现的。根据本发明，从属权利要求的目的是特别有利的实施例。
根据本发明的一方面，提供了一种用于模块化多电平换流器的双子模块，其中，所述双子模块具有两个互连的子模块。每个子模块具有非对称H-桥电路和电容器，非对称H-桥电路具有连接在子模块的第一和第二端子连接之间的两个并联桥支路。每个桥支路由串联电路形成，所述串联电路包括电力半导体开关和二极管，其中，反并联连接的续流二极管与所述电力半导体开关关联。电容器并联连接至在所述子模块的所述第一和所述第二端子连接之间的所述非对称半桥电路。子模块之一的每个桥分支的电力半导体开关和二极管之间的连接点直接连接至另一子模块的桥分支的电力半导体开关和二极管之间的相应连接点，形成双子模块。
因此，根据本发明，两个非对称半桥电路通过其交流(AC)端子相互并联连接，形成双子模块。双子模块具有与两个串联连接的半桥子模块相同数目的电力半导体开关，其可从功能上取代双子模块。双子模块还具有与半桥子模块的电压和电流特性对应的电压和电流特性。其可生成单极输出电压，并传导双极电流。操作中，可以确保双子模块的每个桥中最多一个电力半导体开关包含于线路路径内，以致线路损耗也最多对应于基于半桥的子模块的那些损耗。在电力半导体开关的一些开关状态下还实现了在电流路径的每个子模块的两个半导体并联传导电流，以致在这些开关状态下，与基于半桥的子模块相比线路损耗降低，其中，全部电流流过单个续流二极管，且可有利地被影响。双子模块中的这些开关状态还提高换流器的短路强度，原因是续流二极管的极限负载积分可在并联电流路径之间分担。与基于全桥的双子模块相比，电路中电力半导体开关的数目和线路损耗至少减少2的倍数。双子模块具有简单和成本有效的设计。其配置还为无需对双子模块进行重大修改也可使用例如基于全桥或非对称全桥的子模块使用的现有的机械基本结构提供了基础。
在实施例中，所述子模块之一的第一例如更负(more negative)的端子可形成所述双子模块的第一输入/输出端子，而另一子模块的第二例如更正(more positive)的端子可形成所述双子模块的第二输入/输出端子。
桥电路电容器可以是单极桥电路电容器。一旦对电力半导体开关加电，可在第一输入/输出端子和第二输入/输出端子之间生成或施加电压，其或者为零电压，为与电容器的正电压对应的电压，或者为与电容器的正电压的和对应的电压。
如已经提到的，双子模块可以这样的方式配置：在双子模块的第一输入/输出端子和第二输入/输出端子之间传输电流的情况下，在每个子模块中只有单个电力半导体具有任何期望方向的电流。
优选地，所述双子模块还适于在特定开关状态下在所述双子模块的所述第一和所述第二输入/输出端子之间通过两个并联电流路径传输电流，特别是在所有的电力半导体开关都关断时，其中，每个电流路径包括二极管或自由运行的二极管中的两个，即在第一非对称半桥电路中的一个二极管或自由浮动二极管，在第二非对称半桥电路中的另一个二极管。双子模块的这种开关状态还可用在DC电压中间电路的短路的情况下，其中，电流负载接着在两个并联电流路径和关联的二极管之间分开。每个二极管的瞬时暂态短路电流强度得以降低，每个二极管或自由运行的二极管的极限负载积分(i2t)要求可得以降低。
在优选实施例中，每个子模块的所有二极管和续流二极管在从每个子模块的第二端子连接到第一端子连接的正向方向上对准。换言之，所有的二极管和续流二极管在从双子模块的第一输入/输出端子到第二输入/输出端子的正向方向上对准。
另外，非对称半桥支路优选此这样的方式设计：每个子模块的桥支路中的二极管直接连接至子模块的不同端子。换言之，在每个非对称半桥电路中以这样的方式按对角线布置二极管：一个二极管的阴极连接至子模块的正电极，而另一二极管的阳极连接至子模块的负电极。
另外，在优选实施例中，子模块优选以这样的方式相互电连接：子模块之一的桥分支中的二极管的阳极总是直接连接至另一子模块的桥分支中的二极管的阴极。换言之，在双子模块的可控的电力半导体开关优选由IGBT形成的情况下，在子模块之一的桥分支中电力半导体开关的集电极直接连接至在另一子模块的桥分支中电力半导体开关的发射极。
可理解也可以使用其它类型的可控电力半导体开关，例如，IGCT、MOSFET、GTO等。
根据本发明的另一方面，提供了用于将交流电压转换成直流电压或者将直流电压转换成交流电压的模块化多电平换流器。模块化多电平换流器具有：至少一个相逆变器，其具有交流电压端子；和连接至DC电压中间电路的至少一个DC电压连接，其中，在每个DC电压端子和每个交流电压端子之间形成换流器支路，并且其中，所述换流器支路的每一个具有根据本发明基于在前述权利要求中描述的实施例的任何一个的至少一个双子模块。双子模块的优点还是模块化多电平换流器的优点，这些优点具体讲有其简单和成本有效的设计，使用基于全桥或非对称半桥的子模块的现有的机械基本结构还用于双子模块的可能性，电路中低数目的电力半导体开关，操作中在传导路径中低数目的串联连接的截流电力半导体开关和关联的低线路损耗，通过具有相应的二极管或续流二极管的两个并联电流路径传导电流特别是短路电流的可能性，因此提高双子模块在其短路强度方面的鲁棒性或者降低对于二极管和续流二极管的i2t要求。
模块化多电平换流器可具有与期望的相位数目对应的任何数目的相支路。通常，提供三相。取决于应用，单相支路可能足够，或者可能需要两相或超过三相。模块化多电平换流器优选具有：第一DC电压端子，其可连接至DC电压中间电路的第一例如正端子；和第二电压端子，其可连接至DC电压中间电路的第二例如负或更负的端子。优选地，在换流器的每个换流器支路中，设置相同数目的双子模块，优选在每种情况下，有两个或更多串联连接的双子模块。然而，原则上，在双子模块的数目方面，换流器支路可不同。
可提供用于控制模块化多电平换流器的操作的控制装置，其适于根据预定模式以这样的方式驱动电力半导体开关：在换流器的交流电压端子处将单相或多相交流电压转换成在DC电压中间电路处的DC电压，或者将在DC电压中间电路处的DC电压转换成在换流器的交流电压端子处的单相或多相交流电压。具体地，控制装置可以这样的方式控制电力半导体开关：在双子模块两端单极端子电压总是降低，可通过每个换流器支路传输双极电流。模块化多电平换流器因此适于许多不同应用，例如，高压直流(HVDC)输电，大功率驱动，例如，抽水蓄能电站，中压驱动，用于铁路供电的换流器系统，和中压DC电力传输(MDT)，例如，光伏和风力发电厂等。根据本发明，双子模块可取代模块化多电平换流器中常规使用的基于半桥的子模块，进一步减少线路损耗，提高短路强度，减少半导体元件的i2t要求。有利的是，例如基于全桥的子模块使用的模块化机械基础结构还可在原则上相对容易地用于双子模块。
在优选实施例中，所述控制装置可布置成检测所述DC电压中间电路中的短路，接着关断短路路径中所有双子模块的所有电力半导体开关，以便通过每个双子模块中的并联电流路径传导短路电流，其中，每个电流路径具有所述双子模块的两个串联连接的二极管。通过短路电流二极管上的负载减少2的倍数，二极管的i2t设计可在理想情况下相应减少四分之一。因为本发明中描述的拓扑，所以不需要用于二极管或续流二极管的短路保护装置。
本发明的实施例的另外的优点详情从从属权利要求、图式和关联描述中得到。在下面参照图式更详细地描述本发明，图式示出本发明的示范性的非限制性实施例，其中，相同的附图标记在所有图式中用来指相同的部件。具体实施方式
图1以简化的框图形式示出具有模块化多电平换流器的示范性系统，模块化多电平换流器用于将电力供应网络、电机或另一替代性电压源与另一网络或负载耦连以图示本发明的示范性应用；
图2是基于非对称半桥电路的双子模块的电路图，其可用在如本发明中描述的图1的模块化多电平换流器中；
图3是说明图2所示的双子模块的优选开关状态及产生的输出电压的表；
图4示出对于图2的双子模块基于最大可达到输出电压标准化的输出电压特征Ua[pU]；
图5是如图2所示的双子模块的电路图，图示在双子模块的特定开关状态中第一方向的电流；
图6是如图2所示的双子模块的电路图，图示电流方向与图5的相反的开关状态；
图7是如图2所示的双子模块的电路图，图示双子模块的另一开关状态和产生的电流路径；以及
图8是用在如图2所示的双子模块的电路布置中的二极管通带的示范性电流-电压特性，图示通过提供并联电流路径减少线路损耗。
现将参考本发明的实施例，在图中说明本发明的实施例。应当理解图中图示的实施例只是示例性的，不照此限制本发明的范围。而是，实施例只是旨在解释可能的实施例，使本领域技术人员执行本发明。还必须了解，为了提供对可能实施例的简要描述，由本发明的范围覆盖的细节并非都可全部给出。
图1示出了系统1的高度简化的图示，系统1可代表用于以高或中DC电压的电能传输的高压或中压DC配电系统。此系统可用于例如将DC电压应用耦连到交流网络，例如，具有DC电压或DC电压网络的光伏或母线系统。此外，此系统还可被设计成所称的背靠背系统，其中，DC电压侧6可直接连接至与逆变器4类似的电力换流器。这种布置可优选地用于应用或电力网络与交流电压网络的交流电压的耦连，例如，用于使用发电机的抽水蓄能电站，风力发电厂或用于驱动电机，例如，泵和压缩机，并用于耦连交流电压网络。对于电能的传输，DC电压侧6上的换流器还可通过DC电压传输装置间接地连接。系统1包括三相交流源2，其可以是例如电力供应网、交流(AC)电机、AC发电机、风力发电设备等。电力逆变器4连接至交流电压源2，交流电压源2的交流电压侧3、DC电压侧6可通过这里未示出的直流传输装置连接至与逆变器4类似的不同的电力供应网或电力换流器。逆变器4与交流电源2的连接可以可选地通过变压器7进行。另外，同样可想到，具有不同电压的两个或更多个DC电压网络可通过变压器7由与逆变器6类似的换流器耦连，变压器7在中频范围内操作。此实施例允许从电流上单独耦连DC电压网络，由此变压器7通过在中频范围的操作，可设计成使得其具有相当小的结构体积或尺寸减小很多。逆变器4具有至少一个第一换流器8，其在这里可作为整流器操作以便将交流电压源2的交流电压Uac转换成输出侧DC电压Udc。可选地，逆变器4可具有另一换流器，这里未示出，其将电压Udc转换成适当的交流电压。换流器8可相反地用作逆变器，以便将直流电压Udc转换成交流电压，以馈送到交流电压网络2中。要了解，当出现到供电网络或电压汇(voltage sink)2的能量流时，换流器的功能反转。
如图1所示，换流器包括六个换流器支路9a-9f，其中的两个，一个在上面、一个在下面9a，9b，9c，9d和9e，9f相应地形成相应的相支路11a，11b和11c。每个相支路11a，11b，11c在电力换流器8的正电力总线和正DC电压端子(“+”)12及负电力总线和负DC电压端子(“-”)13之间延伸。
还如图1所示，这里的每个换流器支路具有串联电路，其包括许多串联连接的换流器子模块或模块化开关14。通过个别的换流器子模块14的开关状态可动态地改变换流器8的DC电压连接12、13处的可控DC电压Udc。换流器子模块14的数目确定了换流器开关状态的可用数目，这实现精细的电压升压和高质量和高电压电平的电压形式，达到高压直流(HVDC)传输的范围。换流器8因此是模块化多电平换流器，其也称作MMC或M2C。
子模块14的各种配置是本领域已知的，其适合不同的应用。例如，主要使用所称的半桥，其基本上是两个电力半导体开关的串联电路，每个具有反并联连接的续流二极管，由此电容器与串联电路并联连接作为能量源。形式为全桥或半桥电路、非对称半桥电路或混合配置的子模块配置也是已知的。在下面结合图2更详细地解释用在换流器8中的子模块14的本发明兼容的配置。
在换流器支路9a-9f中，可提供电路电流限制电感16，其支持换流器支路相互之间的解耦。换流器8的相应的交流电压端子17a，17b，17c连接至交流电压源2，这些端子在关联的供电单元9a，9b或9c，9d或9e，9f之间的连接点被引出。在换流器8的第一最上面子模块14的DC侧上的连接被相互连接，并连接至正电流杆12。类似地，最后一个最下面的子模块14的DC侧端子相互连接，并连接至负DC电压端子13。在电流杆12、13之间，DC电压中间电路的DC电压Udc被施加，其可以是例如超过100kV的高压。
图2以简化的电路图的形式示出如本发明描述的双子模块或模块化开关18的拓扑，其可用在图1所示的模块化多电平换流器8中。应当注意，双子模块18可代替两个串联连接的半桥、全桥或H桥或另两个子模块使用。在这种情形，与常规子模块14的数目相比，对于每个换流器支路9a-f，根据本发明可以只需要双子模块18的数目的一半。
参照图2，双子模块18基本上具有两个子模块19、21的并联电路。具体地，图2中的第一下面的子模块19具有桥电路22和并联连接至桥电路22的电容器C1，23。这里，桥电路22布置为所称的非对称半桥，两个并联桥支路24、26相互并联连接在第一和第二直流电压节点或端连接27、28之间。第一桥支路24具有第一电力半导体开关T1和二极管D2的串联电路，第一电力半导体开关T1分配给反并联或反向并联连接的续流二极管D1。续流二极管D1用来在电力半导体开关T1打开时传导操作电流，并保护关联的电力半导体开关不受到不允许的过电压或者阻止电压的影响。续流二极管D1和与其串联连接的二极管D2在从图2中第二下面的端连接28到第一子模块19的第一上面的端连接27的流动方向上对准。此外，二极管D2的阳极连接至第二端子连接28，其阴极连接至电力半导体开关T1的发射极并连接至续流二极管D1的阳极，电力半导体开关T1在这里体现为IGBT(具有隔离栅电极的双极晶体管)。电力半导体开关T1和续流二极管D1的单元和二极管D2之间的连接点在这里指定为29。
类似地，第二桥支路26具有串联电路，该串联电路包括二极管D3和电力半导体开关T4，反并联续流二极管D4被分配至该电力半导体开关T4。相应地，二极管D3和续流二极管D4在从子模块19的第二端子连接28到第一端子连接27的流动方向上定向。然而，二极管D3的阴极连接至第一端子连接27，其阳极连接至电力半导体开关T4的集电极并连接至续流二极管D4的阳极，电力半导体开关T4在这里体现为IGBT。二极管D3和电力半导体开关T4和续流二极管D4的单元之间的连接点在这里指定为31。在桥电路22中，二极管D2、D3因此相互呈对角线设置，电力半导体元件单元T1、D1和T4、D4也呈对角线设置。
作为下面子模块19的能量储存的电容器C1连接在端子连接至27、28之间。具体地，电容器C1，23优选是单极电容器，其用作子模块19的DC电压中间电路电容器。
电力半导体开关T1、T4是可控开关，如已经提到的，优选由IGBT形成。然而，原则上，也可使用其它可开关晶体管，例如，场效应晶体管、门极可关断晶闸管(GTO)或其它相似的电子元件。
图2中的第二上面的子模块21类似地具有桥电路32和并联连接至桥电路32的电容器C2，33。这里，桥电路32也布置为非对称半桥开关，两个并联桥支路34、36相互并联连接在图2中的第一上DC电压节点或端子连接37和子模块21的第二下面直流电压节点或端子连接38之间。第一桥支路34具有串联电路，该串联电路包括二极管D5和电力半导体开关T6，电力半导体开关T6分配给反并联或反向并联连接的续流二极管D6。二极管D5和续流二极管D6在从子模块21的第二端子连接38到第一端子连接37的正向方向上对准。此外，二极管D5的阴极连接至第一上端子连接37，而二极管D5的阳极连接至续流二极管D6的阴极，并连接至IGBT的集电极，这里IGBT也优选设计为电力半导体开关T6。二极管D5和电力半导体开关T6和关联的续流二极管D6的单元之间的连接点在图2中指定为39。
类似地，第二子模块21的第二桥支路36具有串联电路，该串联电路包括同样优选以IGBT形成的电力半导体开关T7以及二极管D8，续流二极管D7与电力半导体开关T7反并联连接。二极管D8和续流二极管D7在从子模块21的第二端子连接38到第一端子连接37的正向方向上对准。二极管D8的阳极连接至第二端子连接38，阴极连接至电力半导体开关T7的发射极并连接至续流二极管D7的阳极。二极管D8和电力半导体开关T7和续流二极管D7的单元之间的连接点在这里指定为41。
电容器C2，33并联连接至端子连接37，38之间的两个桥支路34，36。优选单极电容器用作子模块21的直流电压中间电路电容器。
如图2还示出的，两个子模块19、21通过其连接点29，31和39，41相互并联连接，以形成双子模块18，所述连接点通常代表这些非对称半桥22、32的AC端子。更具体地，第一子模块19的第一桥支路24的连接点29直接电连接至第二子模块21的第一桥支路34的连接点39。类似地，第一子模块19的第二桥支路26的连接点31直接电连接至第二子模块21的第二桥支路36的连接点41。
另外，第一子模块19的第二更负的端子连接28形成双子模块18的第一输入/输出端子42，而第二双子模块21的第一更正的端子连接37形成双子模块18的第二输入/输出端子43。通过输入/输出端子42、43，图2图示的实施例的双子模块18可串联连接，形成具有任何数目的电平的图1所示的类型的模块化多电平换流器8。
如已经提到的，第一子模块19的电容器C1，23和第二子模块21的C2，33两者作为DC电压中间电路电容器提供。由于二极管D2，D3，D5，D8和续流二极管D1，D4，D6，D7的电路，电容器C1，23和C2，33上的DC电压UC1和UC2总是正的，且可根据例如设计和应用共计在几百伏和几kV之间。第二输入/输出端子43和第一输入/输出端子42之间的端子电压Ua可基本上呈现0、UC1，UC2或UC1+UC2的值。每个电容器C1，23和C2，33两端的电压UC1和UC2可以更大或更小。电流Ia可在双方向上通过双子模块18流动，即从第二输入/输出端子43到第一输入/输出端子42或者从第一输入/输出端子42到第二输入/输出端子43。这里按惯例，电流Ia从第一输入/输出端子42通过双子模块18流到第二输入/输出端子43并从其出来，这称作正电流，而反向电流从第二输入/输出端子43通过双子模块18一直流到第一输入/输出端子42并从此向外流，这称作负电流。
再次参照图1，可以看到控制装置44，其被提供以基于当前的操作条件适当地控制换流器8的操作。为了简洁，只在图1中由虚线箭头46指示控制路径，箭头46从控制装置44出来。具体地，控制装置44控制所有的换流器支路9a-f的双子模块18的电力半导体开关T1，T4，T6和T7，以便从主电压Uac或交流电压端子17a-c上的转换的电压生成换流器8的DC电压端子12、13之间的期望的DC电压Udc，或者反之亦然。控制装置根据当前操作条件或参数确定出于此目的的适当的开关信号，当前操作条件或参数由操作中的监测装置测量和连续地确定，在这里没有详细图示。在图1中，测量路径由进入控制装置47的虚线箭头47指示。可以直接地检测或测量例如交流电压端子17a-c的相电压和/或相电流，在换流器支路9a-f中的支路电流和/或DC电压中间电路中的中间电路电流，用于检测DC电压中间电路电压Udc的DC端子12、13处的电势和/或其它幅度。可从检测的变量，用对于电流和电压通常已知的关系，确定一些幅度。
为了进一步理解根据本发明的模块化多电平换流器8和双子模块8的操作和有利效果，现在参照图3到图8进行描述。图3示出一个表，其图示双子模块18的不同的开关状态，这取决于对于通过双子模块18的电流I的正和负方向对电力半导体开关T1、T4、T6和T7的控制。相应开关T1，T4，T6或T7中的“0”表示电力半导体开关被关断或被控制为不导通，而“1”指示电力半导体开关被接通或被控制导通。
还列出了输出电压Ua，其在相应的开关状态下在双子模块18的第二输入/输出端子43和第一输入/输出端子42之间产生。如已经提到的，电压Ua可呈现值0，UC1，UC2和UC1+UC2。
对于双子模块18的可能的输出电压以归一化(每个单位，pU)为最大可达到输出电压的简化特性Ua[pU]的形式示于图4中。结果是单极电压，其类似于在基于半桥的子模块中的，但具有三个电压电平。此外，双极电流，即在任何方向上流动的电流可通过双子模块18。
根据图3的表还列出，标题为WC1和WC2的两列，其图示流入和流出每个电容器C1，23和C2，33的能量流。“+1”指示相应的电容器通过被充电吸收能量。“1”指示相应的电容器正被放电，释放能量。“0”指示电容器基本上保持其能量，借此电流通过其被引导。如可看出，通过使用适当的开关状态调节并使电容器C1、C2的电压与相应的参考值或平均值相等，可达到双子模块的电容器C1，C2的能量含量的所称的“平衡”。有利的是，有足够的开关状态，从而在双子模块18的期望的端子电压Ua，可达到电容器电压或其能量含量的这样的“平衡”。
附带地，双子模块18还提供冗余的开关状态，借此可获得相应的期望的端子电压Ua。例如，在图3中还可看出，当所有的电力半导体开关T1，T4，T6，T7都关断时，获得正电流的零电压，由此开关T4和/或开关T7也可以接通。对于双电容器电压或最大电容器电压UC1+UC2，所有的电力半导体开关T1，T4，T6，T7可以负电流切换，或者开关T1和/或开关T6也可以接通。还类似地确定与单个电容器电压对应的端子电压Ua。
图5和图6示出如图2所示的双子模块18的电路配置，图示当等于UC1+UC2的最大端子电压Ua施加在端子43、42之间时电流流过双子模块18。在图5中，电流Ia是负的，所以电流从第二端子43流入双子模块中。电力半导体开关T7、T4被关断，而电力半导体开关T6和T1或者被接通或者被关断。电流从第二输入/输出端子43通过电容器C2，33流动，接着分成两个电流路径，其中一个通过续流二极管D6、连接点39，29，续流二极管D1直到电容器C1，23，另一个通过二极管D8延伸到连接点41，31、二极管D3直到电容器C1，23。电流然后通过电容器C1并在第一输入/输出端子42上流动。有利的是，电流以这样的方式分成两个电流路径：二极管的电流负载降低，并且如果需要其具有较小的尺寸，或者根据通带中的电流-电压特性的其传导损耗可以更小，并具有较低的冷却需求。传导损耗由此被更进一步减少，甚至比基于半桥的子模块更低，其中，在对应的开关状态，只有单个半导体，即单个续流二极管的一个电流路径传导全部电流，如关于图8在下面更详细地示出的。
图6示出电力半导体开关T1和T6接通而电力半导体开关T4、T7可接通或关断的情况，在正方向的电流情况下，在端子42、43之间有最大端子电压Ua。电流Ia从第一输出端子42通过电容器C1，23、通过接通的电力半导体开关T1，通过连接点29、39之间的连接，通过电力半导体开关T6，通过电容器C2，33流动从第二输入/输出端子43流出双子模块18。有利的是这里，在每个子模块19、21中只有一个电力半导体开关T1或T6是导电的，其对应于基于半桥的子模块。线路损耗类似于或者甚至低于基于半桥的子模块，在任何情况下，大大低于基于全桥的子模块，在基于全桥的子模块中，对于每个子模块，在操作中，两个电力半导体开关接通导电。
图7示出所称的旁路操作模式，正电流从双子模块18的第一输入/输出端子42通过双子模块18流动，同时绕过所有的电力半导体开关T1，T4，T6和T7到达第二输入/输出端子43并从其向外流动。当电力半导体开关T1和T6被关断时，此操作模式出现。电力半导体开关T7和T4可被接通或者被关断。如所示的，电流再次分成两个并联电流路径，其中一个从第一端子42通过二极管D2经由连接29、39通过二极管D5流到第二端子43，而第二电流路径通过续流二极管D4经由连接31、41并通过续流二极管D7流到第二端子43。在忽略半导体元件的正向电压之后，端子电压Ua基本上为零。
图5和图7所示的开关状态的并联电流路径导致操作中线路损耗的进一步降低。参照图8，其示出用在双子模块中的示范性二极管的电流-电压特性，可看出，在二极管的导通状态，例如800A的电流和关联的正向电压为2.1V，产生1x 800 Ax2.1V＝1,680W的功率损耗。由于电流分成两个并联电流路径和两个半导体元件，例如在根据图5和图7的开关状态中就是这种情况，只有一半的电流400A流过每个二极管，而正向电压近似为1.6V。对于两个二极管，这产生的功耗为2x 400 Ax1.6V＝1,280W。结果，功耗可降低大约400W或25％。在这方面，根据本发明，与基于半桥的子模块相比，双子模块18允许显著降低线路损耗。
根据本发明，双子模块18的另一优点是在DC中间电路短路的情况下，提高短路电流强度。当控制装置44检测到DC中间电路或换流器8的DC侧上的短路时，其控制所有子模块的所有电力半导体开关T1，T4，T6和T7使其关断。由AC电力供应供电的短路电流接着通过相应的换流器支路9a-f通过双子模块18流动。在双子模块18的电力半导体开关关断的情况下，图7图示的电流路径在DC电压端子的一侧上产生(取决于能量流方向)，其中，电流分成两个并联电流路径。因此，在每个子模块19，21中加载两个电力半导体元件D2、D4和D5、D7，只有一半的短路电流。可针对较小的短路电路设计二极管。另外，有时候可忽略并联保护元件。具体讲，与基于半桥的子模块相比，关于使用的二极管和续流二极管的极限负载积分(i2t)可降低要求。以一半的短路电流，在理论上二极管的对应的极限负载积分可明显降低四分之一。
因此，产生具有简单和成本有效的结构的双子模块18，其还允许对于基本结构，例如基于全桥的子模块，使用现有的机械构造为基础，从而允许获得基于半桥子模块的有利的电流和电压特性。因此，对于各种应用，模块化多电平换流器的简单的成本有效的实施也是可行的。与基于半桥的子模块和基于全桥的子模块两者相比，线路损耗可得以降低。所使用的电力半导体开关的数目有利地对应于基于半桥的子模块的数目，只是基于全桥的子模块的一半。通过在双子模块18的非对称桥电路22、32中使用附加二极管，不同开关状态的传导损耗可被进一步降低，短路强度可得以提高。有利的是，根据本发明在使用基于全桥的子模块的模块化多电平换流器的现有的硬件环境中，可通过较小的努力对双子模块18进行改造。产生用于模块化多电平换流器8的双子模块18，其中，双子模块18具有两个互连子模块19，21，其中，每个子模块具有带两个并联桥支路24，26；34，36的非对称半桥电路22，32，两个并联桥支路24，26；34，36连接在子模块19，21的第一和第二端子连接27，28；37，38之间，其中，每个桥支路由电力半导体开关T1，T4；T6，T7和二极管D2，D3；D5，D8的串联电路形成，其中，电力半导体开关被分配给反并联续流二极管D1，D4；D6，D7；每个子模块具有电容器23；33，所述电容器23；33与非对称半桥电路22；32并联连接在模块的第一和第二端子连接之间。
子模块19、21通过其AC端子29，31；39，41相互连接，以形成双子模块18。此外，产生的模块化多电平换流器8包括在其每个换流器支路9a-9f中的许多个这种双子模块18。

Claims (13)

1.用于模块化多电平换流器的双子模块，其中，所述双子模块（18）具有两个互连子模块（19，21），其中，每个子模块（19，21）具有：
非对称半桥电路（22; 32），所述非对称半桥电路（22; 32）具有连接在所述子模块（19,21）的第一端子连接和第二端子连接（27, 28; 37, 38）之间的两个并联桥支路（24, 26;34, 36），其中，每个桥支路（24, 26; 34, 36）由电力半导体开关（T1, T4; T6, T7）和二极管（D5, D8; D2, D3）的串联电路形成，其中，反并联续流二极管（D1, D4; D6, D7）被分配给所述电力半导体开关（T1, T4, T6, T7），所述两个并联桥支路中的一个（24；34）的二极管（D5; D2）与所述两个并联桥支路中的另一个（26；36）的电力半导体开关（T4; T7）连接至第一或第二输入/输出端子（42；43）；以及
电容器（C1, 23; C2, 33）并联连接至在所述子模块（19, 21）的所述第一端子连接和所述第二端子连接（27, 28; 37, 38）之间的所述非对称半桥电路（22; 32）；
其中，所述两个互连子模块（19,21）之一的每个桥支路（24,26）的所述电力半导体开关（T1, T4）和所述二极管（D2, D3）之间的连接点（29, 31）直接连接至所述两个互连子模块（19, 21）中另一个的对应桥支路（34, 36）的所述电力半导体开关（T6, T7）和所述二极管（D5, D8）之间的相应连接点（39, 41），以形成所述双子模块（18）。
2.根据权利要求1所述的双子模块，其中，所述子模块（19, 21）之一（19）的第一更负的端子连接（28）形成所述双子模块（18）的所述第一输入/输出端子（42），而另一子模块（21）的第二更正的端子连接（37）形成所述双子模块（18）的所述第二输入/输出端子（43）。
3.根据权利要求2所述的双子模块，其中，所述双子模块（18）以这样的方式布置：当控制所述电力半导体开关（T1, T4, T6, T7）时，总是生成单极输出电压（Ua），并且在所述双子模块（18）的所述第一输入/输出端子和所述第二输入/输出端子（42, 43）之间传导双极电流（Ia）。
4.根据权利要求2所述的双子模块，其中，所述双子模块（18）以这样的方式布置：当控制所述电力半导体开关（T1, T4, T6, T7）时，生成零端子电压、与所述电容器（C1, 23;C2, 33）之一的正电压（UC1, UC2）对应的端子电压（Ua）、或者与所述电容器（C1, 23; C2,33）的正电压的和（Uc1+Uc2）对应的电压。
5.根据权利要求2-4中的任一项所述的双子模块，其中，所述双子模块（18）以这样的方式布置：当在每个子模块（19, 21）中在每个方向上在所述双子模块（18）的所述第一输入/输出端子和所述第二输入/输出端子（42, 43）之间传导电流时，最多只有一个电力半导体开关（T1, T4, T6, T7）是传导电流的。
6.根据权利要求2-4中的一项所述的双子模块，其中，所述双子模块（18）以这样的方式以特定开关状态设置：电流在所述双子模块（18）的所述第一输入/输出端子和所述第二输入/输出端子（42, 43）之间通过所述双子模块（18）内的两个并联电流路径流动，所述两个并联电流路径中的每一个包含所述二极管或续流二极管（D1-D8）中的两个。
7.根据权利要求1-4中的任一项所述的双子模块，其中，所有的二极管（D2, D3; D5,D8）和续流二极管（D1, D4; D6, D7）在从每个子模块（19, 21）的所述第二端子连接（28;38）到所述第一端子连接（27; 37）的正向方向上对准。
8.根据权利要求1-4中的任一项所述的双子模块，其中，每个子模块（19, 21）的所述桥支路（24, 26; 34, 36）中的二极管（D2, D3; D5, D8）直接连接至所述子模块（19, 21）的不同端子。
9.根据权利要求1-4中的任一项所述的双子模块，其中，所述子模块（19, 21）以这样的方式相互电连接：所述子模块（19, 21）之一的桥支路（34; 26）中的一个二极管（D5; D3）的阳极总是直接连接至另一子模块（19, 21）的桥支路（24; 36）中的二极管（D2; D8）的阴极。
10.一种用于将AC电压转换成DC电压或者将DC电压转换成AC电压的模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器具有至少一个相支路（11a-c），所述相支路（11a-c）具有AC电压连接（17a-c）和连接至DC电压中间电路的至少一个DC电压连接（12, 13），其中，在每个DC电压连接（12, 13）和每个AC电压连接（17a-c）之间形成换流器支路（9a-f）；
其中，在所述换流器支路（9a-f）的每一个中，布置有至少一个根据权利要求1-9中的任一项中所述的双子模块（18）。
11.根据权利要求10所述的模块化多电平换流器，其具有与多个相对应的多个相支路（11a-c），优选有两个或三个相支路（11a-c），第一DC电压端子（12）连接至所述DC电压中间电路的第一端子，第二DC电压端子（13）连接至所述DC电压中间电路的第二端子，并且在所有的换流器支路（9a-f）中，优选有相同数目的双子模块（18），优选在每种情况下有两个或更多个串联连接的双子模块（18）。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的模块化多电平换流器，还具有用于控制所述模块化多电平换流器（8）的操作的控制装置（44），其中，所述控制装置（44）布置成以这样的方式控制所述电力半导体开关：总是发射单极输出电压（Ua），并且能够在所述双子模块（18）的输入/输出端子（42, 43）之间传输双极电流。
13.根据权利要求12所述的模块化多电平换流器，其中，所述控制装置（44）布置成检测所述DC电压中间电路中的短路，并且接着关断双子模块（18）的所有电力半导体开关（T1,T4, T6, T7），以便通过所述双子模块（18）中的并联电流路径传导短路电流，其中，每个电流路径具有所述双子模块（18）的两个串联连接的二极管（D2, D5）或续流二极管（D4, D7）。
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