CN108781040A - 模块化多级转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个支路的多级转换器，支路连接在正母线与负母线之间，其中，支路具有至少两个串联连接的臂，其中，臂分别包括由多个两极的子模块构成的串联电路，子模块具有能量存储器和与多级转换器的控制装置的通信连接，借助通信连接可以传输关于能量存储器的充电状态的至少一个信息以及用于子模块的开关的开关指示，其特征在于，对于至少一部分子模块，通信连接被构建为共同的通信连接并且具有多个绝缘段，绝缘段具有最高5kV的绝缘能力。

Description

模块化多级转换器
技术领域
本发明涉及一种具有多个模块的串联电路的模块化多级转换器。
背景技术
模块化多级转换器、也称为模块化多电平转换器或简称为MMC或M2C(根据英语“modular multilevel converter”)是用于将一个电压转换为另一个电压的转换器。模块化多级转换器例如可以将直流电压转换为交流电压，即其用作逆变器。此外，模块化多级转换器例如可以将交流电压转换为直流电压，即其用作整流器。此外，模块化多级转换器可以将交流电压转换为频率和幅值不同的交流电压，而不首先产生直流电压，即其用作直接转换器。
模块化多级转换器主要在大功率范围内使用。模块化多级转换器作为逆变器的可能的应用领域位于光伏发电厂中，其中，必须将通过发电厂产生的直流电压转换为交流电压，以便可以将交流电压馈入交流电网中。
例如在高压直流输电(或英语HVDC)中需要作为整流器的模块化多级转换器。在此，从交流电压产生直流电压，使用直流电压在很远的传输路线上损耗小地进行传输。在传输之后，又利用作为逆变器的模块化多级转换器将直流电压转换为交流电压，以便将其馈入交流电网中。
模块化多级转换器在其结构中包括至少一个具有多个串联连接的模块的串联电路。EP 2677653 A1公开了一种模块化多级转换器，其在这种情况下包括三个具有2N个模块的串联电路。每个串联电路通过交流电压线路分为两个臂。每个臂又通过扼流元件与交流电压线路连接。此外，每个模块具有能量存储器和开关设备。相应的能量存储器被配置为用于存储电能。在每个模块中，能量存储器可以至少部分地以电能充电。借助开关设备可以控制是否要对相应的模块的能量存储器充电或放电，或者能量存储器是否要被跨接。
模块的开关设备通过多级转换器的控制装置来控制。为此并且为了反馈对相应的能量存储器充电的测量值，在模块与控制装置之间需要双向通信连接。其在中压和高压范围内一般作为点对点光波导体连接来实现。然而，其是昂贵的，尤其是由于所需的控制装置与每个模块之间的连接的量而是昂贵的。替换地，已知总线电连接。其中，在总线与各个模块之间提供合适的电绝缘，这同样是复杂并且昂贵的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有用于通信连接的改进的架构的高性能并且成本低廉的模块化多级转换器。
上述技术问题通过具有权利要求1的特征的多级转换器来解决。
根据本发明的多级转换器包括至少一个支路，其连接在正母线与负母线之间，其中，支路具有至少两个串联连接的臂，并且其中，臂分别包括由多个两极的子模块构成的串联电路。子模块分别包括能量存储器和与多级转换器的控制装置的通信连接，其中，借助通信连接可以传输关于能量存储器的充电状态的至少一个信息以及用于子模块的开关的开关指示。
多级转换器的特征在于，对于至少一部分子模块，通信连接被构建为共同的通信连接并且具有多个绝缘段，绝缘段具有最高5kV的绝缘能力。
换言之，多级转换器至少对于其模块中的一部分包括共同的通信连接，其通过绝缘段划分为彼此电绝缘的部分区域。
通过根据本发明的设计方案，实现了可以取消并且通过共同的通信连接代替控制装置与模块之间的复杂并且昂贵的点对点连接。在此，划分为部分区域的设计方案使得绝缘段上的电压降为最高5kV。由此，作为绝缘段，可以有利地使用适当的、低绝缘的简化元件，其最大绝缘能力远在使用MMC/M2C换流器时经常出现的运行电压以下。绝缘段优选包括变换器，但是替换地也可以使用电容器或者容性或感性耦合器。尤其在控制系统形成总成本的较大的份额的小功率和中间功率系统中，由此实现结构成本的明显下降和结构空间的节约。
根据本发明的装置的有利设计方案从权利要求1的从属权利要求中得到。在此，根据权利要求1的实施方式可以与一个从属权利要求的特征或优选也可以与多个从属权利要求的特征组合。因此，对于电力转换器，还可以附加地设置以下特征：
-可以将共同的通信连接划分为部分区域，使得两个部分区域之间的绝缘段的至少一部分上的电压降分别为最高3.3kV、2kV。在另外的设计方案中，作为电压降的上边界，可以实现1.2kV、1kV或还有600V。划分在此适宜地通过所使用的绝缘段的数量来调节。尤其是，这是至少10个绝缘段，或者在另一个设计方案中为至少20个绝缘段，其中，数量涉及多级转换器的一个臂或一个支路。
-共同的通信连接优选针对一个支路的至少一个臂，尤其是针对多级转换器的所有臂，或针对多级转换器的一个或多个或所有支路单独实现。在此优选一个臂或一个支路的所有子模块的通信连接被构建为共同的通信连接。
-可以针对每个臂分别设置共同的通信连接。替换地，对于每个支路，也可以分别存在共同的通信连接。
-特别有利的是，通信连接构造为至少一个总线连接，其中，每个子模块的信号可以直接由控制装置接收，反之亦然。也就是说，换言之，不使用点对点连接。由此，以特别的方式节省结构空间和结构的复杂性，因为在具大量子模块的多级转换器中节约了大量光缆或电缆。
-替换地，共同的通信连接可以构建为从一个子模块到下一个子模块的连接。换言之，也就是说，多级转换器的控制装置与第一子模块连接，并且其又与第二子模块连接，等等。但是，在此不出现共同的通信连接的各个部分区域的直接的直通连接。因此，对于子模块与控制装置的通信和相反的通信，在这种设计方案中，必须从子模块向子模块转发数据包。也就是说，在这种设计方案中，同样不使用具有与在总线连接中相同的优点的星形连接。
-绝缘段的数量可以是子模块的数量的至少一半，尤其是子模块的数量的至少90％。适宜地，这是至少10个绝缘段，尤其是至少20个绝缘段。优选共同的通信连接在臂的串联电路中相应的两个相邻的子模块的连接位置之间分别具有绝缘段中的，从而绝缘段的数量基本上相应于子模块的数量。
-子模块连接至共同的通信连接的顺序适宜地相应于子模块在多级转换器的相应的臂中的布置顺序。由此，子模块至通信连接的连接位置之间的电压降被限制为子模块通过其能量存储器可以提供的电压差。
-共同的通信连接可以利用两个彼此并联连接的支线构造为环形的，其在第一子模块的连接位置处和在第二子模块的连接位置处相互连接。环形设计方案不仅在总线连接中，而且也在支线类型的连接中是可能的。在这两种情况下，环形设计方案提高了可靠性，因为在与子模块的通信中提供冗余。
-可以仅支线中的第一支线与子模块具有直接连接，而第二支线仅在提到的两个连接位置处与第一支线连接，由此与子模块间接连接。由此有利地在同时总是很简单的结构中提供通信的冗余，因为在第二支线中，不需要与子模块的许多连接位置。
-替换地，两个支线也可以与子模块具有直接连接。由此，通信连接的可靠性进一步提高，因为在这种结构中，甚至在每个支线中的多个部分发生故障的情况下，在某些情况下仍然可以控制所有子模块。
-在这两种情况下，即当两个支线与子模块具有直接连接时，或者当仅一个支线与子模块具有直接连接时，优选在环形总线的两个平行的支线中使用基本上相同数量的绝缘段。由此，在两个支线中产生所需的绝缘能力。
-如果一个支线与子模块没有直接连接，则在该支线中，连接位置之间的绝缘能力替换地可以通过具有更高绝缘能力的单个或几个绝缘段产生，以节约结构空间。
-第一支路的第一臂的子模块可以与支线中的第一支线连接，并且第二支路的第一臂的子模块可以与支线中的第二支线连接。由此实现环形的通信连接，其中，一起控制两个支路、即例如两个相的子模块。布置在直流电压轨附近的子模块，即尤其是每个支路的第一模块和最后一个模块在支路上具有彼此最接近的电压水平，而位于支路中间的模块在用作逆变器时具有强烈变化并且彼此不同的电压水平。因此，支路之间的通信连接的横向连接优选在每个参与的支路的第一和/或最后一个模块的区域中进行。由此，可以进行横向连接，而在此不需要使用高度绝缘的绝缘段。横向连接可以直接、即在没有绝缘的情况下进行，或者可以在使用具有3.3kV或2kV的最大绝缘能力的一个或多个绝缘段的情况下进行。
-控制装置与通信连接的连接优选在电压水平接近控制装置的电压水平的通信连接的部分区域中进行。替换地或附加地，控制装置可以通过高度绝缘的绝缘段与通信连接进行连接。
附图说明
多级转换器的其它有利的设计方案从前面未提到的从属权利要求中得到。下面，借助优选实施例参考附图进一步阐述本发明。在此分别以示意性的形式：
图1示出了具有用于一个支路的通信总线的第一多级转换器的一个片段；
图2示出了具有用于一个支路的臂的环形总线的第二多级转换器的一个片段；
图3示出了具有用于两个支路的环形总线的第三多级转换器的一个片段；
图4示出了所使用的通信电报的一个设计方案；
图5示出了所使用的通信电报的另一个设计方案。
具体实施方式
图1示出了示例性的第一多级转换器10的通信连接的示例性的第一结构。在此，仅示出了第一多级转换器10的一个片段。第一多级转换器10设计为用于将在正直流电压轨131与负直流电压轨132之间施加的直流电压转换为三相交流电压。为此，第一多级转换器10针对三个相中的每一个具有支路11，但是为了更清楚，仅示出了其中的第一支路11。该支路具有两个串联连接的臂，其中，每个臂又包括多个串联连接的模块。第一多级转换器的第一支路11在上方的臂中具有四个模块110…113。在此，该模块的数量仅仅是示例性的。多级转换器也可以在每个臂或每个支路中具有30、50或100个模块。第一支路13的下方的臂同样具有四个模块114…117。
在根据图1的示例中，多级转换器10的控制器包括两个单独的部分：第一部分17，其例如包括人机接口和其它外部接口。第一部分17布置在地电势上。第一部分17通过具有高绝缘能力的绝缘段18与控制器的第二部分12连接。控制器的第二部分12设计为用于对模块110…117进行控制，因此控制第一多级转换器10的实际功能。
控制器的第二部分12与模块110…117的连接通过电通信总线15进行。通信总线15通过例如变换器()16形式的第一绝缘段与控制器的第二部分12连接。因为控制器的第二部分12通过具有高绝缘能力的绝缘段18与地电势解耦，所以第二部分12本身可以在基本上对应于一个或多个模块110…117的电压水平的电压水平工作。因此，变换器16可以设计为具有例如3kV、2.5kv、2kv或仅1kv的最大绝缘能力。换言之，在控制器的第二部分12与通信总线15之间不需要高的绝缘能力。此外，直接耦合至直流电压轨的模块110…117的电压水平最好通过直流电压轨的电压来确定，从而适合将第二部分12连接在这些模块110、117处。但是通过绝缘段18，也可以在通信总线15的另外的位置处耦合第二部分12，在该另外的位置处存在随时间变化的电压水平。
除了通过变换器16、150…156的感性耦合之外，部分区域的耦合也可以容性地或光学地进行，其中，在每一种情况下，所需的绝缘能力被限制为已经提到的值。
各个模块110…117是双线的(zweiadrig)，并且直接、即在没有另外的绝缘的情况下与通信总线15连接。在通信总线15与各个模块110…117的连接之间，通信总线15本身又被另外的变换器150…156划分为彼此电绝缘的双线区段。各个变换器150…156的绝缘能力在此处于模块110…117中的一个产生的最大电压的范围内。这种绝缘能力就足够了，因为通信总线15被划分为区段并且其与模块110…117的连接跟随模块110…117本身的布置，因此区段之间的电压差相应于单个模块电压，即模块110…117可产生的电压差。因此，虽然多级转换器10设计为用于明显更高的运行电压，但是例如可以使用具有2kV的最大绝缘能力的变换器150…156。
因此，在本示例中，如图1所示，对于模块110…117中的每一个，在通信总线15中存在自己的与通信总线15的其余部分绝缘的区段。在替换设计方案中，绝缘段、即变换器150…156的数量也可以相对于模块110…117的数量减少，从而例如每两个模块110…117分享通信总线15的一个区段。在这样的设计方案中，保证变换器能够隔离两倍的模块电压。
因此，与模块110…117的例如以光学方式的点对点连接相比，代替复杂的、在大量模块的情况下在结构空间技术上不利并且昂贵的八个高度绝缘的光学连接，有利地仅使用一个高度绝缘的连接以及在给出的示例中八个简单的具有例如2kV的绝缘能力的变换器16、150…156。
即使使用如从现有技术中已知的连续的总线连接，其电压水平也与大多数模块110…117的电压水平明显不同，并且需要与相应的模块的高度绝缘的连接，即在本示例中最后同样需要具有已经提到的相同的由本发明克服的缺点的八个高度绝缘的、例如光学的连接。
图2作为第二实施例示出了第二多级转换器20的一个片段，其在模块和连接方面与第一多级转换器10类似地构建。然而，对模块的控制在该实施例中与在根据图1的第一实施例中不同地构建。
在第二实施例中，具有第一和第二部分17、12的控制器完全布置在地电势上。因此，在第二实施例中，第二部分12和通信总线15之间的连接通过具有高绝缘能力的绝缘段18、例如高度绝缘的光学连接来进行。
在第二实施例中，通信总线15本身被划分为两个平行的支线21、22，其形成环形总线。在第二实施例中，与第一实施例不同，仅针对一个支路的一个臂的模块110…113实现通信总线15，而针对支路11和其它支路的其它的臂的其它模块构造附加的、彼此独立的通信总线。通过划分为多个通信总线，对各个模块110…113的控制的频度提高，由此改善多级转换器20的运行。
在第二实施例中，两个支线中的第一支线21在此与第一实施例中的通信总线15类似地实现。模块150…153直接与第一支线21的相应的区段连接。在模块150…153的连接位置之间分别布置变换器150…152形式的绝缘段，其将第一支线21划分为绝缘的部分区域。
然而，与第一实施例中的通信总线15不同，设置第二支线22，其设计为与第一支线21平行的、第一模块110和第三模块113的连接点的连接。与第一支线21类似，第二支线22在此同样被三个变换器210…212以相同的方式划分为部分区域，由此在第二支线22的两个连接位置之间实现整体上相同的绝缘能力。
与第一支线21不同，没有模块连接在第二支线22上。因此，作为变换器210…212的替换，也可以通过不划分为部分区域的另外的高度绝缘的绝缘段来建立第二支线22的绝缘能力。
总的来说，通过两个支线21、22实现模块的冗余连接。由此，多级转换器20的可靠性有利地提高。
图3作为第三实施例示出了第三多级转换器30的一个片段，其在模块和连接方面与第一和第二多级转换器10、20类似地构建。然而，在第三实施例中，对模块的控制又与在根据图1的第一实施例中不同地构建。如已经描述的，每个支路8个的模块的数量仅仅是示例性的，真实的转换器可以包括每个支路明显更多的模块。
在第三实施例中，像在第二实施例中一样，具有第一和第二部分17、12的控制器完全布置在地电势上。因此，在第二实施例中，第二部分12与通信总线15之间的连接通过具有高绝缘能力的绝缘段18、例如高度绝缘的光学连接来进行。
与第二实施例类似，在第三实施例中，通信总线15包括第一和第二支线32、33，其彼此并联连接。然而，与第二实施例不同，第二支线33不作为单纯的冗余存在，而是用于控制模块210…217。与迄今为止的实施例类似，第一和第二支线32、33为此被变压器150…156、330…336形式的绝缘段划分为部分区域。与迄今为止的实施例不同，在模块110…117、210…217中的每一个的连接端中，同样存在变压器1101…2171形式的绝缘段。其是可选的，但是有利地允许模块电子设备的更简单的设计。
通信总线15在支线32、33之间具有两个横向连接，通过横向连接使支线32、33闭合为环。为了在这些横向连接中不需要强的绝缘，将该横向连接布置在模块的电压水平在运行中在两个支路之间保持类似的位置。在靠近直流电压轨的模块中是这种情况，因此横向连接一方面布置在支路11、31的前两个模块110、210处，并且布置在支路11、31的最后两个模块117、217处。
三个实施例示出了元件、例如通过相应地自己的绝缘段的模块的连接的不同的组合、多个支路上的共同的通信总线、每个臂自己的总线和环形总线。在此，这些实施例绝不是元件的强制组成，相反，元件也可以以与在这些实施例中所给出的不同的组成组合。在这些实施例中未示出的实施变型方案是：在环形总线的情况下，一部分模块或每个模块与环形总线的两个支线连接，由此环形总线的可靠性再次提高。
图4和5示出了如何能够在根据本发明的多级转换器中构建和使用数据包或通信电报的可能性。如果使用允许与每个子模块直接通信以进行控制的通信总线，则不需要根据图4和5的数据包的形式。然而，如果以支线形式实现共同的通信连接来作为子模块与子模块的连接，则这种数据包的形式是有利的。
作为控制数据包41构建和发送控制器的控制指令。这种控制数据包41包括用于各个子模块的控制指令411…415。第一子模块从控制数据包41中提取第一控制指令411，并且将数据包转送至接下来的第二子模块。其从控制数据包41中提取第二控制指令412，以此类推。
子模块的反馈以测量数据包42…45的形式进行。测量数据包从最后一个子模块出发分别发送至布置在前面的子模块。在该示例中，测量数据包42包括第四和第五子模块的测量数据424、425，并且可能还包括其它子模块的其它测量数据。第四子模块将数据包转送至第三子模块。第三子模块向测量数据包42添加自己的测量数据423。这可以通过如下方式进行：将测量数据423放置到测量数据包42的开头或者代替由进一步位于后面的子模块一起发送的处于测量数据423的位置的占位符。因此，第三子模块将现在改变了的测量数据包43转发至第二子模块。然后，其进行同样的处理。
具有所有子模块的测量数据的完整的测量数据包45最终由与控制器具有唯一的直接连接的第一子模块传输至控制器。控制数据包41和完整的测量数据包45由此具有类似的结构。
图5示出了可以在没有子模块与控制器的直接连接的环形结构中使用的数据包的构建和转发的形式。
在这种情况下，也作为控制数据包41构建并发送控制器的控制指令。这种控制数据包41又包括针对各个子模块的控制指令411…415。第一子模块从控制数据包41中提取第一控制指令411，并且将数据包转送至接下来的第二子模块。其从控制数据包41中提取第二控制指令412，以此类推。
然而，与根据图4的方式不同，在这种情况下，第一子模块用自己的测量数据421代替第一控制指令411，测量数据421被放置在数据包中相同的位置，因此在该示例中位于改变后的数据包51的前端。第二子模块因此从第一子模块得到改变后的数据包51，其包括测量数据421和控制指令412…415。第二子模块用自己的测量数据422代替第二控制指令412，测量数据422被放置在数据包中相同的位置，因此在该示例中紧接在第一子模块的测量数据421之后。然后，第二子模块将进一步改变的数据包52转发至第三子模块，其进行同样的处理。
这种子模块序列的最后一个子模块与控制器直接连接，然后将测量数据包45转发至控制器，在测量数据包45中，所有控制指令411…415被测量数据421…425代替。

Claims (13)

1.一种具有至少一个支路(11、31)的多级转换器(10、20、30)，支路连接在正母线(131)与负母线(132)之间，其中，支路(11、31)具有至少两个串联连接的臂，其中，臂分别包括由多个两极的子模块(110…117、210…217)构成的串联电路，子模块具有能量存储器和与多级转换器(10、20、30)的控制装置(12、17)的通信连接，借助通信连接能够传输关于能量存储器的充电状态的至少一个信息(421…425)以及用于子模块(110…117、210…217)的开关的开关指示(411…414)，其特征在于，对于至少一部分子模块(110…117、210…217)，通信连接被构建为共同的通信连接并且具有多个绝缘段(150…156、210…212、330…336)，绝缘段分别具有最高5kV的绝缘能力。
2.根据权利要求1所述的多级转换器(10、20、30)，其中，绝缘段(150…156、210…212、330…336)分别具有最高3.3kV、2kV、尤其是最高1.5kV或600V的绝缘能力。
3.根据权利要求1或2所述的多级转换器(10、20、30)，其中，一个臂或一个支路的所有子模块(110…117、210…217)的通信连接被构建为共同的通信连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其对于每个臂分别具有共同的通信连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其对于每个支路(11、31)分别具有共同的通信连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其中，通信连接形成至少一个总线连接，其中，每个子模块(110…117、210…217)的信号能够直接由控制装置(12、17)接收，反之亦然。
7.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其中，共同的通信连接被构建为从一个子模块(110…117、210…217)到下一个子模块(110…117、210…217)的连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其中，共同的通信连接在臂的串联电路中的两个相邻的子模块(110…117、210…217)的连接位置之间，具有绝缘段(150…156、210…212、330…336)中的一个。
9.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其中，绝缘段的数量是子模块(110…117、210…217)的数量的至少一半，尤其是子模块(110…117、210…217)的数量的至少90％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其中，子模块(110…117、210…217)连接至共同的通信连接的顺序对应于在多级转换器(10、20、30)的相应的臂中的布置顺序。
11.根据前述权利要求中任一项所述的多级转换器(10、20、30)，其中，共同的通信连接利用两个彼此并联连接的支线(32、33)被构造为环形的，所述支线在第一子模块(110…117、210…217)的连接位置处和在第二子模块(110…117、210…217)的连接位置处相互连接。
12.根据权利要求11所述的多级转换器(10、20、30)，其中，两个支线(32、33)具有相同数量的绝缘段(150…156、210…212、330…336)。
13.根据权利要求11或12所述的多级转换器(10、20、30)，其中，第一支路(11、31)的第一臂的子模块(110…117、210…217)与支线(32、33)中的第一支线连接，并且第二支路(11、31)的第一臂的子模块(110…117、210…217)与支线(32、33)中的第二支线连接。
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