CN109672353A - 变换器、电力多相系统和用于高效功率交换的方法 - Google Patents

变换器、电力多相系统和用于高效功率交换的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有多个单独模块(12)的模块化多电平变换器(10)，这些单独模块分别具有多个开关元件和至少一个电能存储器，其中第一多个单独模块(12)彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点(14)分别安排在该环的两个相邻的单独模块(12)之间，其中在两个相邻的分接点(14)之间安排有该环的至少一个单独模块(12)，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点处各自设置第二多个单独模块，该第二多个单独模块作为从该环组件(11)中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块(12)形成的相位模块(20)，该相位模块以一端连接在相应的分接点(14)处并且在另一端构成相位端子，其中该多个开关元件能够实现相邻单独模块(12)的能量存储器的连接，由此在两个相邻的相位端子(14)之间能够提供电压差，该电压差能够由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节。此外，本发明涉及一种多相系统和一种用于在模块之间的高效功率交换的方法。

Description

变换器、电力多相系统和用于高效功率交换的方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平变换器、一种电力多相系统和一种用于在运行电力多相系统时的高效功率交换的方法。
背景技术
常见的电池可以是由独立部件、例如独立电池单元或子电池构成的固定布线的单元。这种电池在输出端基本提供直流电压。而许多耗电器例如需要有一定频率、振幅和/或相位的交流电压。此外，直流电压随着充电状态并非恒定。为了能在峰值电压及在充电终止电压的情况下驱动连接至电池的耗电器并能取用所需功率，耗电器须具有复杂的供电电路。
替代于此，为了提供耗电器所需要的输出电压而设置变换器，该变换器允许对应的电池的连接的动态切换，其中开关元件被如此切换，使得电池的能量存储器以并联电路和/或串联电路存在。这样的电池被称为连接的电池。不同于迄今的变换器，在此可以使所设置的调制指数、即相应的频率调制的特征值在所有振幅下保持最大。此外，损耗在低电压时降低，这是因为有效内电阻由于连接的电池的电池部件的并联电路而降低。此外，一个所连接的电池(其中这些能量存储器能够在一个并联电路和串联电路之间来回切换)产生几乎不失真的输出电压，因为在两个构型的电压之间的阶梯能够保持为十分小。此外，在此类电压之间能够通过开关调制进行调制，以便进一步平滑化。
电变换器、即子类型的电流变换器将直流电压转换为交流电压。电力变换器的拓扑例如从DE 10 2010 052 934 A1、DE 10 2011 108 920B4、DE 102 17 889、US 7,269,037、DE 101 03 031和DE 10 2015 112 512A1中已知。
在DE 10 2010 052 934 A1中描述了一种电力变换器系统，其具有至少两个同类的、彼此前后连接的单独模块。这些单独模块具有至少四个内部开关元件、至少一个储能元件和至少四个接线端，其中的每两个接线端形成第一和第二端子对。每个单独模块的内部开关元件如下设计：它们能够选择性地将每个端子对的一个或两个接线端与储能元件相连接。至少两个单独模块的彼此前后连接的电路中的相应单独模块的开关元件将其相应储能元件与彼此前后连接的电路的接线端子相连，从而选择性地存在储能元件的串联电路或并联电路。
DE 10 2011 108 920 B4延续了这种方案并且同样描述了一种由至少两个同类的、彼此前后连接的模块构成的电力变换器系统，其中彼此前后连接的模块构成了桥接支路。这些模块具有至少一个模块电容器和多个开关元件。至少在这些彼此前后连接的模块中的一个模块与下一个模块之间连接有中间模块，该中间模块具有至少一个用于储能的电感器。
DE 10 2015 112 512 A1描述了一种电池模块，其电连接可以动态变化，也就是说单独的电池单元不是彼此牢固接线的。为此提出使用同类的电池零件，其分别包括一个或多个电池单元以及多个低电压开关器、尤其MOSFET。由此，单独的电池单元能够在并联电路、串联电路、跨接和切断单独或多个电池零件之间转换。因为用于切换电池零件之间的电连接所需的所有低电压开关器都位于相同的电池零件中，所以不需要特殊的电压供应，并且可以保证准确的定时(也就是说控制的同时性)。
例如对于功率电子电路，模块化的多电平变换器M2C，如在上文提及的US 7,269,037和DE 101 03 031中所描述的，或者模块化多电平并-串联变换器M2SPC，例如在DE 102010 052 934和DE 10 2011 108920中描述的。此类模块化多电平变换器的电路概念(无论M2C或MMC还是M2SPC或MMSPC)大多数情况下划分成微观拓扑(即在模块之内的连接)和宏观拓扑(即多个模块组合成系统，例如变换器)。一般而言，由包括电能存储器的模块的电能存储器的电串联电路形成的模块化多电平变换器M2C或MMC允许这些单独的电能存储器在串联电路中的主动运行与通过电流的旁通而从串联电路中脱离之间切换。MMC拓扑例如在US2015/0288287 A1、US 2016/0020628 A1和US2016/0105020 A1中描述。多电平变换器M2SPC或MMSPC对于这些模块的由多电平变换器所包含的单独电能存储器设置了并联状态和串联状态。
已知在其间有许多具有不同连接状态和功能性的模块类型，但是已知的宏观拓扑受限于少量已知的模块组合。
已知的宏观拓扑例如包括模块串，然而只要能量取出和能量回馈在时间上是平衡的或者例如可以通过暂时的充电而平衡，则该模块串仅可用于单相系统。例如将供应电流的组合系统(例如STATCOM)或者还有单相AC电池源用于此。此外已知一种具有针对于充电端子分离的端子的、用于产生高动态电流脉冲的脉冲技术，例如在S.M.；Peterchev,A.V.；Weyh,T.，“Modular Multilevel Converter with Series and Parallel ModuleConnectivity:Topology and Control(具有串联和并联模块连接性的模块化多电平变换器：拓扑和控制)”，Power Electronics,IEEE,Transactions on，第30卷，第1期，第203，215页，2015.doi:10.1109/TPEL.2014.2310225中描述的。另外，已知用于双向AC/AC和AC/DC系统的所谓马夸特拓扑，例如在Lesnicar,A.；Marquardt,R.，“An innovative modularmultilevel converter topology suitable for a wide power range(适合用于宽功率范围的创造性模块化多电平变换器拓扑)”，Power Tech Conference Proceedings,2003IEEE Bologna，第3卷，no.，第6页，pp.第3期，23-26，2003,doi:10.1109/PTC.2003.1304403中描述的。
然而，目前为止尚不了解任何系统性规则，即，宏观拓扑必须满足哪些特性才能使通过将单独模块连接到一起而产生的变换器起作用。一般而言，当不同的模块可以分别形成至少两个彼此兼容的状态从而可以实现在不同的连接状态之间切换时，在宏观拓扑中也可以组合这些不同的模块。
发明内容
模块化多电平转换器或多电平变换器(尤其经典MMC和经典MMSPC)按照如下方案工作：与通过少量的功率开关器在较少的级别之间切换输入或输出电压的传统功率电子器件相反，为了在平均值上达到所希望的大小，使用位于模块中的电力或电子开关器以及非常细的级别中的特定状态，通过在模块中安排的经充电的能量存储器(例如电容器或电池)的可动态交换的电力配置来控制电压。
如上文已经解说的，模块化多电平变换器一般由两个部分形成，即模块类型(所谓微观拓扑)和模块的连接(所谓的宏观拓扑)。在本公开的范围内，尤其考察宏观拓扑，其中本发明的构思可以应用于所有模块类型。
MMSPC模块总体上与常规MMC模块的差异在于存在另外的并联状态。由此，MMSPC可以在串中产生模块整合式能量存储器的几乎任意的电串联-并联连接配置并且动态改变该连接配置。另外，大多数情况下还可以使用绕过状态或旁通，以便绕过模块的能量存储器。依据模块类型，可以实现模块整合式能量存储器在仅一个极性或两个极性中的暂时的串联连接。
一般而言，模块化多电平转换器的原理是基于通过模块中能量存储器的电连接以及用于构成任意中间状态的开关状态之间的开关调制的配置而在(例如一个能量网的)两个终端或连接位置之间产生电压差。如果例如在两个连接位置之间通过模块产生了比这些连接位置自身具有的电压略低的电压，则电流流动并且因此电荷流入模块的相应的能量存储器中。如果与之相对地串联连接了多个模块，则电流从这个模块的能量存储器流入终端。控制器在此可以通过适当选择每个模块的开关状态来决定在多电平转换器的包括多个模块的臂中流动的电流中从哪个模块清空、填充或完全没有影响相应的包含在该模块中的能量存储器。所希望的是，在模块化多电平转换器的工作中，所有能量存储器保持类似地被充电或者至少避免单独的模块或其能量存储器过充电或欠充电。
由此得出第一充电平衡机制。该多个模块的相应的能量存储器的相应的能量含量能够以如下方式控制和影响：针对性地将模块以充电方式连接到电流中，相当于保持在水流中的桶，或者以放电方式连接到电流中，相当于向已经在流动的水流束中额外注水的桶。通过测量或估计该多个模块的每个能量存储器的充电状态或电压，可以针对性地通过控制器来进行平衡性干预。
以此方式，可以另外将电荷和能量从一个模块传输到另一个模块，其方式为例如将一个模块正串联连接而将另一个模块负串联连接，或者在这些模块之一为交流电的情况下优选在正半轴上插入(也就是说串联连接)，但在负半轴上优选或持续更长时间地以旁通工作方式或类型方式连接，而另一个模块关于第一模块正好相反地连接。在由模块形成的闭环中可以产生循环的环电流，该环电流同样能够在没有外部载荷电流的情况下实现电荷交换。
在具有模块并联可能性的模块化多电平转换器(例如像在先前提及的MMSPC)的情况下还可以使用电荷和能量传输的第二过程，其方式为将具有差异很小地充电的能量存储器的两个或更多个模块暂时并联连接。从满到空的能量存储器的平衡电流对应地平衡了电荷、电压和/或能量。
在用模块化多电平转换器产生交流电压时，通过模块在每个时间点的对应的协调来产生交流电压。例如沿着多电平转换器的一个串或臂的交流电压对应地为基本上正弦形的并且包围负半轴。在多电平转换器的有效功率输出或还仅在对应的臂的有效功率输出下，在没有相位偏移的情况下电流跟随电压。作为电流和电压乘积的电功率因此大致与sin2(ωt)≥0成正比。因为模块配置(即模块的连接配置)跟随电压，所以相应模块的能量存储器总是被电子开关器翻转极性，使得能量流动为正。由于这种极性翻转，至少从相应模块的能量存储器的角度来看，电流表现为具有|sin(ωt)|分量。这意味着，电流随时间不是恒定的。这几乎适用于暴露于相同的总电压和相同的电流的所有模块。基于此，不可能通过适当的调度或者通过对模块状态或一个串的模块的连接状态的适当的连接协调实现相邻模块之间的平衡。
由此产生的电流波动在很多方面具有缺点。一方面，模块中的许多损耗机制几乎都不是线性的，例如对应于欧姆损耗，正比于电流的平方。因此脉冲化电流的损耗，如上所述，高于恒定电流的情况。能量存储器还必须提供用于时间补偿的电荷。一方面由此持续地将若干能量存储器放电和充电，这与对应的老化和升温相关。另一方面除了实际所需的容量之外，还必须在模块存储器中提供为此所需的容量。
模块化多电平转换器的技术尤其应用于将迄今为止牢固接线的在开篇简短描述的电池包如此分隔成子电池或模块，使得在运行中可以动态改变单独部分的电连接。优选可以在并联电路、串联电路、跨接(也就是旁通)和切断单独或多个子电池之间切换子电池，例如在S.M.；Peterchev,A.V.；Weyh,T.，“Modular Multilevel Converter withSeries and Parallel Module Connectivity:Topology and Control(具有串联和并联模块连接性的模块化多电平变换器：拓扑和控制)”，Power Electronics,IEEE,Transactionson，第30卷，第1期，第203，215页，2015.doi:10.1109/TPEL.2014.2310225中描述的。电池零件或单独模块的连接的动态重配置使得能够将三个功能统一。一方面能够实现电池零件之间的电荷交换，以便执行例如常规的电池管理。另一方面可以跨接有故障的电池零件，而不损失整体功能。再者，在不要求另外的功率电子变换器的情况下，直接通过电池可以产生任意的输出电压和时间上的电流或电压曲线。
在此所有开关器可以是低电压开关器(例如MOSFET)，这意味着，相应开关器必须被设计用于的最大电压明显低于系统的总电压，而是例如在电池零件的由相关联的开关器直接施加的最大电压下。电池零件在此可以是单独的电池单元，但也可以是多个单元，例如自身为小型电池包。以下本公开内容中，电池是指例如只采用直流电压的原电池、二次电池、各种电容器或能量源或能量存储器。
通过动态重配置电池连接，可以直接产生用于一个或多个耗电器的交流电压和多相位电压。与迄今为止的变换器不同，如开篇已经提及的，可以在所有幅值下最大程度保持所设置的调制指数。此外，损耗在低电压时甚至降低，这是因为有效内电阻由于电池零件的并联连接而降低。另外，如此连接的电池产生了几乎无失真的输出电压，因为两种配置的电压之间的级别可以保持得非常小。此外，在此类电压之间能够通过开关调制进行调制，以便进一步平滑化。然而，必须以此方式产生多相位电压，这意味着没有或仅很少的额外耗费。
在使用开篇提及的模块时，这些模块可以不同方式连接到一起以产生不同的电压。用于产生多相电压(例如三相或多相交流电压)的可能性(例如用于驱动多个多相系统或一般地用于在多个电端子之间进行转换)在于串或臂之间的星形连接，该串或臂进而由单独的模块组成。在使用前文提及的MMSPC模块的情况下，当每个模块串分别有至少两个电端子成对彼此相连时，模块的连接可以在星形点中进行以便实现模块的跨越串边界的并联连接。跨越串的并联连接允许在包含相应串的模块的这些串或在这些能量存储器之间的能量交换。
除了星形电路之外，还可以将模块连接到一起形成环或形成n角形配置，其中在相同的驱动功率下，包含在环中的模块的电流载荷在一级近似中保持为常数。同时，电动机器的每个相位的平均的电流强度随着所提供的相位数目而逆向线性地下降。通过在环之内分布两个模块之间设置的端子可以连接相应的耗电器，其中例如从三相系统出发，用于产生相应相位的耗费仅仅在于在模块的环形电路处引入另外的分接点。
常见的问题在于，尽管在运行中可以存在相应模块的能量存储器的在时间上不同的载荷(尤其当对于分别不同的驱动机器使用不同的分接点时)，在模块之间或在模块的能量存储器之间只能交换非常有限的能量。这在多机器配置中涉及例如如下常见的情况：在不同的工作点上操作单独的机器，但是由于交流电压，模块的载荷还可能随着交流电压的频率或其谐波(尤其交流电压的双倍频率)而波动。
然而，这些波动由于这些不同相位的时间上的偏移而不是在时间上同步的，并且因此当在不同分接点或臂的模块之间可能实现明显的高效的功率交换时可能补偿为几乎恒定的载荷。
据此，本发明的目的是提出一种可能性，将多电平变换器或转换器的模块在基础的宏观拓扑中如下地彼此相连，使得能够实现在不同的分接点或变换器臂的模块之间显著的高效的功率交换。
为了实现这个目的，提供了具有相应如下项1、11和13的特征的一种多电平变换器和一种多相系统以及一种方法。
其他的优点和设计可以从说明书和相应的如下项2-10、12和14-19中得出。
1.一种具有多个单独模块的模块化多电平变换器，这些单独模块分别具有多个开关元件和至少一个电能存储器，其中第一多个单独模块彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点分别安排在该环的两个相邻的单独模块之间，其中在两个相邻的分接点之间安排有该环的至少一个单独模块，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点处各自设置第二多个单独模块，该第二多个单独模块作为从该环组件中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块形成的相位模块，该相位模块以一端连接在相应的分接点处并且在另一端构成相位端子，其中该多个开关元件能够将相邻单独模块的能量存储器连接，由此在两个相邻的相位端子之间能够提供电压差，该电压差能够由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在该多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且能够由第二控制单元控制。
2.根据以上项1所述的模块化多电平变换器，其中这些单独模块中的多个单独模块具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
3.根据以上项2所述的模块化多电平变换器，其中该第一多个单独模块分别用两个电导体彼此电连接。
4.根据以上项3所述的模块化多电平变换器，其中该至少两个分接点中的每一个或至少一个在这两个电导体处各自提供一个端子，以便相应地连接从该环组件分支出来的相位模块。
5.根据以上项3所述的模块化多电平变换器，其中该至少两个分接点中的每一个或至少一个在这两个电导体之一处提供一个端子，以便相应地连接从该环形组件分支出来的相位模块。
6.根据以上项之一所述的模块化多电平变换器，其中在该环的两个相邻单独模块之间安排有至少一个另外的分接点，该另外的分接点构成相位端子，该相位端子用于直接连接电载荷或该环处的电网。
7.根据以上项1-5之一所述的模块化多电平变换器，其中在该环的两个相邻的分接点之间安排有该环的至少两个单独模块，该至少两个单独模块构成相位模块。
8.根据以上项1-5之一所述的模块化多电平变换器，其中该多个单独模块的这些开关元件的至少一部分是低电压半导体开关元件。
9.根据以上项1-5之一所述的模块化多电平变换器，其中该至少两个分接点将这些单独模块的环对称划分，以便相应连接从该环组件分支出来的相位模块。
10.根据以上项1-5之一所述的模块化多电平变换器，其中该第一多个单独模块由MMC模块组成并且相应的第二多个单独模块由MMSPC模块组成。
11.一种电力多相系统，具有
-至少一个电机，该电机具有多个绕组，该绕组具有第一端子和第二端子，其中存在至少一个节点，该多个绕组中的相应的一个绕组的第一或第二端子与该节点电连接并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一和第二端子中对应的另一个端子与相位端子电连接，以及
-根据以上权利要求之一所述的模块化多电平变换器，
其中该模块化多电平变换器的相位端子的数量等于该至少一个电机的绕组的数量，并且
其中该模块化多电平变换器的这些单独模块各自具有一个能量存储器和多个开关元件，这些开关元件能够将相邻单独模块的能量存储器连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供电压差，该电压差能够由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且能够由第二控制单元控制。
12.根据以上项11所述的电力多相系统，其中该至少一个电机作为发电机或电动机工作。
13.一种用于驱动电力多相系统的方法，其中使用电机和模块化多电平变换器，其中该电机具有多个绕组，该绕组具有第一端子和第二端子，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一或第二端子与节点连接，该多个绕组中的每个绕组都与该节点相连，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一和第二端子中对应的另一个端子与该模块化多电平变换器的相位端子连接，并且其中该模块化多电平变换器具有多个单独模块，其中第一多个单独模块彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点分别安排在该环的两个相邻的单独模块之间，其中在两个相邻的分接点之间安排有该环的至少一个单独模块，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点处各自设置第二多个单独模块，该第二多个单独模块作为从该环组件中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块形成的相位模块，该相位模块以一端连接在相应的分接点处并且在另一端构成相位端子，该电机的多个绕组中的一个绕组的第一或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平变换器的这些单独模块各自具有一个能量存储器和多个开关元件，这些开关元件能够将相邻单独模块的能量存储器连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间提供电压差，该电压差由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且由第二控制单元控制。
14.根据以上项13所述的方法，其中使用具有第一侧和第二侧的单独模块作为单独模块，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
15.根据以上项14所述的方法，其中，这些单独模块相应地用两个电导体彼此电连接。
16.根据以上项15所述的方法，其中在该至少两个分接点中的每一个或至少一个处安排有端子，以便在这两个电导体之一处相应地连接从该环形组件分支出来的相位模块。
17.根据以上项15所述的方法，其中在该至少两个分接点中的每一个或至少一个处各自安排有一个端子，以便在这两个电导体处相应地连接从该环组件分支出来的相位模块。
18.根据以上项13至17之一所述的方法，其中使用低电压半导体开关元件用于该多个单独模块的这些开关元件的至少一部分。
19.根据以上项13至17之一所述的方法，其中，该电机作为发电机或电动机工作。
建议了一种具有多个单独模块的模块化多电平变换器，这些单独模块分别具有多个开关元件和至少一个电能存储器，其中第一多个单独模块彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点分别安排在该环的两个相邻的单独模块之间，其中在两个相邻的分接点之间安排有该环的至少一个单独模块，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点处各自设置第二多个单独模块，该第二多个单独模块作为从该环组件中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块形成的相位模块，该相位模块以一端连接在相应的分接点处并且在另一端构成相位端子，其中该多个开关元件能够实现相邻单独模块的能量存储器的连接，由此在两个相邻的相位端子之间能够提供电压差，该电压差能够由第一控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且能够由第二控制单元控制。
第一和第二控制单元可以在上级的控制单元处结合到一起。
在一构型中，可以实现和控制从属于不同星形串的模块的能量存储器之间和/或星形串的模块与环形组件的模块的能量存储器之间和/或环形组件之内的模块的能量存储器之间的功率交换。
根据本发明建议一种拓扑，其中组合了环状拓扑的优点与星形拓扑的优点，使得在总拓扑中模块或其能量存储器之间的能量交换是可能的。因为开篇提及的MMC模块仅仅能够实现相应的模块之间的串联连接状态和旁通连接状态，所以通过本发明的模块拓扑存在如下可能性，即，在模块之间、尤其在不同串的模块之间交换能量。
在一构型中，单独模块具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子并且该第二侧具有两个端子。
根据本发明多电平转换器的可能的实施方式，该第一多个单独模块中的单独模块分别用两个电导体彼此电连接。在此优选设置MMSPC模块作为单独模块。
在此，在一构型中，该至少两个分接点中的每个或至少一个在这两个电导体处各自提供一个端子用于相应地连接从该环形组件分支出来的相位模块。
在替代的构型中，该至少两个分接点中的每个或至少一个在这两个电导体之一处提供一个端子用于相应地连接从该环形组件分支出来的相位模块。
在仍另外的一构型中，这两个电导体在该至少两个分接点中的每个或至少一个处结合到一起，用于连接从该环形组件分支出来的相位模块。
在设置另外允许临时可用的并联连接状态的MMSPC模块时，跨越中央环以及串或星形串在模块之间的能量交换可以通过模块的暂时的并联电路来进行，由此具有较高电压的那些模块的电流例如由于嵌入的能量存储器的较高的充电状态而流向并联连接的模块中具有较低电压的那些模块并且由此实现模块之间的能量交换。
替代地，能量交换还可以通过对在总拓扑中的每个单独模块的能量流入和流出的控制并且对应于相应模块的模块状态的针对性选择来进行。
根据本发明，建议了一种具有中央环和连接在该中央环上的臂或星形串的拓扑，这些臂或星形串由多个模块构成。在每个子串中相应的模块数量可以不同。模块的子串在此定义为在两个端子(在这两个端子处例如各自连接一个模块臂，也就是一个星形串)之间的环区段、也就是该环的部段，或者定义为从环分支出来的构成星形串的由至少两个模块形成的相位模块。此外还可以将不同的模块类型组合。例如可以在中央环中主要使用MMC模块，在臂或星形串中主要使用MMSPC模块。
在三相系统中，即在提供三个相位端子时，对于同类模块、即具有对称模块连接方式的同样模块类型的情况，在相应的臂末端或星形串末端处相位端子处可达到的电压通过下式给出：
其中nr给出环中所有模块的数量，ns给出在这三个臂或星形串中总共的模块数量，并且Vm给出相应的模块的模块电压。
最优的设计(即在中央环和相应的臂或星形串中的模块数量的选择)产生了优化问题。这个优化问题尤其以两个目标为基础，即尽可能小的总模块数量和最小的损耗。此类的优化问题可以通过数值模拟来解决。
本发明的一个优点在于，在整个系统之内跨越串或子串的模块之间的总电荷交换不再必须仅仅通过在单独模块的具有小电压(即模块电压)的共用星形串中的并联电路(并且因此以大电流)来进行。替代于此，可以通过中央环，通过在中央环中运行的环形电流而在相对较高的电压水平下交换电荷并因此交换能量。不仅在臂或星形串中，而且在中央环中，都可以通过并联电路以及通过对每个单独模块状态的选择进行控制或调节而在模块之间进行能量交换。一般，在此提出的中央环包括比在开篇提及的纯环形拓扑的情况下更少的模块，使得环电流的路径明显更短。在相同的平衡的环电流幅值下，中央环中的环电流因而产生了比在纯环形拓扑的情况下更低的损耗。
根据本发明的模块化多电平变换器的另一个设计，在该环的两个相邻的单独模块之间安排有至少一个另外的分接点，该另外的分接点构成用于直接连接电机的相位端子。
在仍另外的设计中，在该环的两个相邻的分接点之间安排有该环的构成环区段的至少两个单独模块。
根据本发明多电平变换器的一个可行的实施方式，该多个单独模块的这些开关元件是低电压半导体开关元件、尤其MOSFET。
优选该至少两个分接点将该单独模块的环对称地划分以相应地连接从该环组件分支出来的相位模块或侧向串，也就是由此构成的环区段全都包含相同数量的单独模块。
在可行的设计中，可以将多于三个星形串或臂连接到中央环。尤其可以例如将六个星形串连接到该中央环，其中例如通过所连接的星形串限定的环区段仅包括一个模块。为了提供例如六相系统，中央环尤其仅包括六个模块，其中每个模块限定一个环区段，该环区段在两侧被相连的星形串限制。由此，在该环处连接有六个星形串或臂，这些星形串或臂进而相应地具有多个模块，例如四个模块。每个星形串包括两个端子，其中分别有一个端子连接到中央环并且另一个端子可以用作自由端子或相位端子，以便在其上连接电机。如果由拓扑提供例如六个端子，则这产生了以下可能性，即可以为两个可以独立驱动的电机(相应地以三相方式驱动)供电。例如此类拓扑可以用于具有用于前桥的机器和用于后桥的机器或者用于左轮的机器和用于右轮的机器的全轮电驱动器。通过根据本发明设置的拓扑可以通过六个分接点来供应这些电机，其中不同子串的模块之间的能量交换能够以可接收的损耗来实现，该子串占对应的驱动机器的电功率的显著比例，例如20％、尤其>50％。在最简单的情况下，电机(例如像发动机)的连接可以对于第一机器在三个相邻的端子处进行，并且对于第二机器同样在三个相邻的端子处进行。此类的安排允许相对简单地调节和相组合的机器的互相关联的相之间的最大能量交换，以便平衡由于交流电载荷产生的在末端模块中的电流谐波。
替代地，可以限制机器彼此的连接方式，在上述六个相位端子的例子中，其方式为将这六个端子或相位端子在环中环绕地例如交替地与一个和另一个机器相关联。在此同样产生了若干优点。由于直接的“电学相邻性”，在一台机器的串的模块与另一台机器的串的模块之间能够实现高功率流量，以便例如在加速、减速和转弯行驶时通过不同串的模块之间的能量流动来平衡机器的不同的行驶动力学载荷。此外，在电机以相同频率和适当的相位同时运行的情况下，相邻端子或相位端子之间所需的电压减小，由此减少了要由模块提供的幅值。
替代于电机，同样可以连接其他载荷或电网，以便例如实现所连接的网络之间的能量转换并且能够使具有相应适合的储能元件的多电平变换器作为网络存储器或补偿系统(所谓的STATCOM或UPFC)来工作。在此，所连接的网络不需要具有相同的频率或幅值或同步性。因此，例如可以在德国连接铁路电力网并在北美或日本连接不同的集成电网。
通过本发明变换器的对应更大的相位数量，更大数量的相连的机器也是可能的。
本发明建议了一种电力多相系统，具有
-至少一个电机，该电机具有多个绕组，该绕组具有第一端子和第二端子，其中存在至少一个节点，该多个绕组中的相应的一个绕组的第一或第二端子与该节点电连接并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子电连接，以及
-上文所述的本发明的模块化多电平变换器，
其中，该模块化多电平变换器的相位端子的数量等于该至少一个电机的绕组的数量，并且
其中该模块化多电平变换器的单独模块各自具有一个能量存储器和多个开关元件，该多个开关元件能够实现相邻单独模块的能量存储器(312)的连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间能够提供电压差，该电压差能够由第一控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且能够由第二控制单元控制。
在可能的设计中，该至少一个电机作为发电机或作为电动机工作。
此外，提供了一种用于驱动电力多相系统的方法，其中使用电机和模块化多电平变换器，其中该电机具有多个绕组，该绕组具有第一端子和第二端子，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一或第二端子与节点连接，该多个绕组中的每个绕组都与该节点相连，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一和第二端子中对应的另一个端子与一个相位端子连接，并且其中该模块化多电平变换器具有多个单独模块，其中第一多个单独模块彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点分别安排在该环的两个相邻的单独模块之间，其中在两个相邻的分接点之间安排有该环的至少一个单独模块，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点处各自设置第二多个单独模块，该第二多个单独模块作为从该环组件中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块形成的相位模块，该相位模块以一端连接在相应的分接点处并且在另一端构成相位端子，该电机的多个绕组中的一个绕组的第一或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平变换器的单独模块各自具有一个能量存储器和多个开关元件，该多个开关元件能够实现相邻单独模块的能量存储器的连接，由此在两个相邻的相位端子或两个相邻的绕组之间提供电压差，该电压差由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且由第二控制单元控制。
附图说明
本发明的其他优点和设计从说明书和附图得出。
显然，上述的且还将在下文中说明的特征不仅按照相应给出的组合来使用，也可以按照其他组合或单独地使用，而不背离本发明的范围。
本发明借助于在附图中示意性展示的多个实施方式并且参照附图进行示意性及详细说明。
图1示出根据本发明的并且根据本发明待使用的模块化多电平变换器的一个示例性宏观拓扑结构的示意图。
图2示出根据本发明的并且根据本发明待使用的模块化多电平变换器的另一个示例性宏观拓扑结构的示意图。
图3示出一个示例性的单独模块的多个实施方式以用于在来自图1或图2的一个模块化多电平变换器中使用。
图4示出一个单独模块的其他实施方式，以在本发明的模块化多电平变换器的另一个实施方式中使用。
图5示出一个单独模块的又一个实施方式，以在本发明的模块化多电平变换器的又一个实施方式中使用。
图6示出在本发明模块化多电平变换器中的环形组件与星形束之间的各种可能的连接。
将概括并一般性地描述附图，相同的部件与相同的附图标记相关联。
具体实施方式
现有技术的电动车辆为了提供交流电压(该交流电压对于运行该电机是必要的)使用逆变器或变流器，这些逆变器或变流器将由一个直流电压源提供的直流电压转换成所需的交流电压。电力发动机通常需要三相交流电，即电力发动机具有三个绕组，其中当绕组以均匀的间距安排在圆上时，在单独绕组中的相应电压的曲线相位偏移120°。
通过增加该电动机器的绕组的数目来提高电动机器的相位数。根据该电动机器应该具有多少相位，该电动机器对应地具有多少绕组。即每个绕组与一个相位相关。该多个绕组一般应该均匀地分布在一个圆的圆周上，由此设定在这些单独绕组的电压曲线之间的均匀的相位角。
这些绕组能够以不同的方式彼此连接。所谓的星形电路形成一种可能性。在星形电路的情况下，这些单独的绕组的相应的端子在所有绕组的一个共用的节点(所谓的星形点)处彼此电连接。如果这些绕组规则地分布在该圆上，则在该星形点中的电压为零，由此一个零线或中性导线能够连接到该星形点处。一个绕组的对应的另一个端子与一个相位端子连接并且具有电压，该电压相对于该星形点提高。
该相位端子由变换器提供。图1展示了根据本发明的变换器10(所谓的模块化多电平变换器10)的示意性框图。根据本发明的模块化多电平变换器10具有多个单独模块12。这些单独模块12本身能够具有任意的拓扑结构，即所谓的微观拓扑，该拓扑通常由多个开关元件和各自至少一个电能存储器(例如电容器或电池单元)组成。
示例性的单独模块300、320和330在图3a、3b和3c中展示。
来自图3a的示例性的单独模块300具有两侧，这两侧分别具有两个端子。在第一侧上安排端子314a和314b。在第二侧上安排端子318a和318b。在所示出的实施方式中，示例性的单独模块300具有八个开关元件316-1、316-2、316-3、316-4、316-5，316-6、316-7、316-8。由此，对于这些端子314a、314b与端子318a、318b的电连接，对于每个连接，即314a-318a、314a-318b、314b-318a和314b-318b，相应地提供两个载荷路径。这使得这些开关元件316-1至316-8能够设计用于更低的载流能力。由此，对于这些开关元件也能够使用低电压开关元件或低电压半导体开关元件，因为最大电压(必须将这些开关元件316-1至316-8设计为用于该最大电压)明显低于该系统的总电压，即例如仅在一个单独模块300(这些开关元件316-1至316-8与该单独模块相关)的电能存储器312的最大电压下。该电能存储器312可以是任何类型的电容器或单独的电池单元或多个电池单元(例如小型电池包)。应理解，能够使用例如仅提供直流电压的原电池、二次电池或能量源和能量存储器作为电池。
对于在该能量存储器312与相邻的同类单独模块的对应的能量存储器之间的几乎所有连接，图3a所示的这些开关元件允许两个并联路径。这些开关元件被相应并行使用。然而能够取消这些开关元件，以便降低复杂性。然而，如果使用半导体开关元件，这些剩余的开关元件然后应用对应的更大的半导体来实现，以便实现相同的载流能力。通过对应地选择半导体，某些开关状态能够相对于其他开关状态在其损耗方面得到优化。
这些开关元件316-1和316-7以此方式形成一个路径，该路径与通过这些开关元件316-2和316-8形成的路径并联并且引导至相同的目标，即根据方向引导至端子314a或引导至端子318a。这些开关元件316-6和316-4形成一个路径，该路径引导至与通过这些开关元件316-5和316-3形成的路径相同的目标，即根据方向引导至端子314b或引导至端子318b。这些开关元件316-1和316-5形成一个路径，该路径引导至与通过这些开关元件316-2和316-6形成的路径相同的目标。此外，这些开关元件316-4和316-8形成一个路径，该路径与通过这些开关元件316-7和316-3形成的路径并联并且引导至同一个目标，即根据方向引导至该端子314b或318a。
在取消时，可以去除任何一个开关元件。但应该如此选择待取消的第二开关元件：使得仍然总是能够通过这些剩余的开关元件产生从每个接线端到每个其他接线端的连接。由此得出一系列减少的电路。
来自图3b的示例性的单独模块320同样具有两侧，这两侧分别具有两个端子。在第一侧上安排端子324a和324b。在第二侧上安排端子328a和328b。在所示实施方式中，示例性单独模块320现在具有四个开关元件326-1、326-2、326-3和326-4。这些开关元件326-1至326-4仍然能够被设计用于相对低的载流能力，因为最大电压(必须将这些开关元件326-1至326-4设计为用于该最大电压)明显低于该系统的总电压，即例如仅在一个单独模块320(这些开关元件326-1至326-4与该单独模块相关)的电能存储器322的最大电压下。因此对于这些开关元件还可以使用低电压开关元件或低电压半导体开关元件。该电能存储器322可以是任何类型的电容器或单独的电池单元或多个电池单元(例如小型电池包)。应理解，能够使用例如仅提供直流电压的原电池、二次电池或能量源和能量存储器作为电池。
图3b所示的这些开关元件允许在能量存储器322与相邻的同类单独模块的对应的能量存储器之间的并联连接。这些开关元件被相应并行使用。
于是，开关元件326-1形成一个路径，该路径根据方向引导至端子324a或端子328a。这些开关元件326-1和326-3形成一个路径，该路径根据方向引导至端子324b或端子328a。这些开关元件326-2和326-1形成一个路径，该路径根据方向引导至端子328b或端子324a。此外，这些开关元件326-1和326-3形成一个路径，该路径根据方向引导至端子328a或端子324b。
来自图3c的示例性的单独模块330同样具有两侧，这两侧分别具有两个端子。在第一侧上安排端子334a和334b。在第二侧上安排端子338a和338b。在所示实施方式中，示例性单独模块330现在具有四个开关元件336-1、336-2、336-3、336-4。该电能存储器332可以是任何类型的电容器或单独的电池单元或多个电池单元(例如小型电池包)。应理解，能够使用例如仅提供直流电压的原电池、二次电池或能量源和能量存储器作为电池。
图3c所示的这些开关元件允许在能量存储器332与相邻的同类单独模块的对应的能量存储器之间的并联连接。这些开关元件被相应并行使用。
这些开关元件336-1和336-4形成一个路径，该路径根据方向引导至端子334a或端子338b。开关元件336-2形成一个路径，该路径根据方向引导至端子334b或端子338b。这些开关元件336-3和336-4形成一个路径，该路径根据方向引导至端子334a或端子338a。
图4示出各种模块拓扑或单独模块400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、40，分别可以用作单独模块12。与在图3中所示的单独模块300、320、330相反，在此所示的单独模块400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、40不允许同与之耦合的相邻模块的并联电路。
模块400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、40全都分别具有仅两个端子404、408；414、418；424、428；434、438；444、448；454、458；464、468；474、478；484、488；494、498；44、48。模块400和410分别具有一个能量存储器402或412，模块430、440、450、460、470、480、490和40分别具有两个能量存储器432a、432b；442a、442b；452a、452b；462a、462b；472a、472b；482a、482b；492a、492b；40a、40b。模块420具有三个能量存储器422a、422b和422c。模块430、460和470仍然具有单独的二极管437-1、437-2；467；477-1、477-2。模块450还具有中央连接的整流器模块457。
图5示出单独模块500，该单独模块具有四个端子504a、504b、508a、508b、八个开关元件506-1、506-2、506-3、506-4、506-5、506-6、506-7、506-8和一个电池管理系统507。这八个开关元件506-1、506-2、506-3、506-4、506-5、506-6、506-7、506-8的连接可能性是与对来自图3a的单独模块300的连接可能性相同的。由此，对于这些端子504a、504b与端子508a、508b的电连接，对于每个连接，即504a-508a、504a-508b、504b-508a和504b-508b，相应地提供两个载荷路径。作为分别并联连接地与电阻503-1、503-2、503-3、...、503-n相关联的电能存储器502-1、502-2、502-3、...、502-n，可以选择电池单元或双层电容器。在此类能量存储器的串联电路中有利的是，电池管理507呈以下形式：单独的电池单元可以很大程度上独立于其他电池单元而放电，这例如可以通过在此示出的电阻503-1、503-2、503-3、...、503-n或者通过可控的放电路径来进行。在对应的单独的电池单元比其他单独的电池单元充电更多的情况下，通过电池管理系统507可以将单独的电池单元502-1、502-2、502-3、...、502-n单独地放电。
应理解，对于模块化多电平变换器10不仅能够使用所示出的示例性单独模块300、320、330、400、410、420、430、440、450、460、470、480、490、40、500作为单独模块12，这些单独模块12也能够具有现有技术的任意已知的拓扑结构。
用配备有单独模块12的一种此类的模块化多电平变换器10能够将迄今为止牢固接线的电池包以如下方式划分成多个单独部件或单独模块12，使得能够在运行中动态地改变这些单个部件12(即相邻的单独模块的能量存储器)的电连接。相邻的单独模块的这些能量存储器能够在并联电路、串联电路、跨接电路和切断单独或多个单独模块之间转换。这使得通过在这些单独模块或能量存储器之间的电荷交换，例如能够实施常规的电池管理，以便使这些能量存储器均匀地承受负载。此外，在不失去整体功能的情况下能够跨接有故障的单独模块12。在图3a的情况下，在这些端子(例如314a、314b、318a、318b)处的任意的输出电压和随时间的电流曲线或电压曲线尤其能够直接通过这些单独模块产生，而不需要额外的功率电子变换器。
如在图1中可以看出，这些单独模块12通过其端子(例如图3a的单独模块300的这些端子314a、314b、318a、318b)与相邻的单独模块12通过两个电导体16和18电连接。根据本发明，在圆或环中安排了第一多个单独模块12，使得第n个单独模块12与第一个单独模块12电连接。为了能够将由这些单独模块12产生的电流或电压曲线分接，此处在两个相邻的单独模块12之间安排有三个分接点14，在这些分接点处分别连接有一个从该环组件分支出来的相位模块20，其中每个相位模块20在此包括四个单独模块12并且其中相位模块20的背向该环的末端21各自形成用于连接电机的一个相位的相位端子21。在此处展示的例子中，分接点14在环上均匀分布并且通过分别从环组件分支出来的相位模块或星形串20形成三个相位端子21。相位模块20中的每一个在此包括四个单独模块12，它们各自形成一个星形串。在两个相邻的分接点14之间在此各自安排两个构成相位模块或环区段的单独模块12。一般而言，星形串20和环区段包括任意的且数量彼此不同的单独模块12。此外，环区段中和星形串20中的单独模块12可以是不同类型的。例如，环区段中的单独模块12可以主要是MMC模块，并且星形串中的单独模块可以主要是MMSPC模块。此外，星形串20之内和/或环组件11之内的单独模块12可以也是不同类型的。根据单独模块12的设计，单独模块12之间和到分接点14的连接(以相应地连接星形串20)可以不同地进行限定，这在此通过分接点14相应地改变范围而变得明显，即，通过两个或仅仅通过一个电导体16、18或者通过两个电导体16、18的组合来分离。首先在图1中示出三个此类的分接点14。通过简单地添加一个另外的分接点14*可以提供直接在环组件11处形成的另外的相位端子。带有多个安排在圆或环中的单独模块12的一种此类变换器或模块化多电平变换器10现在能够以简单的方式配备任意多个、尤其可以通过相应的星形串20提供的相位端子21(但是根据存在多少个单独模块12，也能够任意增加其数量)。这些分接点14能够以不同的类型实现。例如可以在分接点14处提供两个电导体16、18，用于连接星形串20的单独模块12的对应的两个导体。此外，还可以在分接点14处将这两个电导体16、18组合。然而，由此这些单独模块的相邻能量存储器的并联电路是不可行的。替代地，可以实现分接点14，该分接点仅在电导体16或18处提供连接，如对于另外的分接点14*所展示的。然而，由此用于这些开关元件的、操作相应的电导线的电流载荷更大。这些对应的单独模块在两个分接点14之间形成环区段。
通过这些单独模块12在该模块化多电平变换器10中的此类安排，能够通过动态的重配置直接产生用于一个或多个耗电器(例如作为电动机工作的电机)的交流电压和多相电压。与现有技术的变换器不同，调制指数，即对应的频率调制的特征值，能够在所有幅值的情况下保持为最大。此外，在低电压的情况下损耗甚至降低，因为通过所连接的电池的电池零件(即这些相应的能量存储器)的并联电路降低了有效的内部电阻。此外，所连接的电池(其中这些能量存储器能够在并联电路和串联电路之间来回切换)产生几乎不失真的输出电压，因为在两种配置的电压之间的级别可以保持得非常小。此外，在此类电压之间能够通过开关调制进行调制，以便进一步平滑化。
通过彼此连接的单独模块12的根据本发明的宏观拓扑，还可以实现和控制在多个单独模块12(无论它们是星形串20的一部分还是环区段的一部分)的能量存储器之间的简单且高效的功率平衡。
根据本发明，能够用根据本发明的多相系统以简单的方式增加相位数目。在此，该电机的这些绕组连接成所谓的星形电路并且该模块化多电平变换器10作为n角电路或环形电路运行，该电路具有与相位数量相对应的从该环形电路分支出来的星形串20的数量。在此，该电机的这些绕组的一个端子相应地与该多电平变换器10的一个相位端子21电连接。
用根据本发明的多相系统，尤其通过使用带有本发明的单独模块12的宏观拓扑的模块化多电平变换器10，现在能够直接形成且提供在一个或多个电机的两个相邻的相位串或绕组之间的电压差。如果增大相位的数量，则在相应电机的绕组处的电压保持不变，但是可由变换器提供的相位电压线性降低。在常规的功率电子电路的情况下，这种联系是无关紧要的，因为现有技术的变换器始终针对一个参考电位(例如一个中间电路电容器的接线端)产生相应的相位电压并且不能在两个绕组之间形成电压差。然而，这些电压差能够直接通过该模块化多电平变换器10产生。通过使用n相系统，即带有高的(大于3)相位数目的系统(尤其在电机的情况下)，其中载荷(电机)和源(模块化多电平变换器)不同地进行连接(电机呈星形电路，模块化多电平变换器呈n角或环形电路)，能够产生带有十分低的电压的额外相位。能够用一个相位模块20中的少数的单独模块12产生十分低的电压。一个相位模块20一般具有至少两个单独模块12。
如果该模块化多电平变换器10具有例如三个相位端子21，则该变换器在已知的三角电路中工作。用于添加一个另外的相位的耗费仅在于添加一个额外的分接点14和从其中分支出来的星形串20。在此，在相同的驱动功率的情况下，这些单独模块12的电流载荷在一级近似中保持为常数。然而同时，该电机的每个相位的平均电流强度随着相位数量而逆向线性地下降。因为在这些绕组之间的电压差现在直接由该变换器10提供，在该绕组处的电压现在不再是相对于该星形点，而是相对相邻的绕组。由此，星形点是调节算法中的自由度，并且能够作为该变换器的调节算法中的约束条件来实现。
通过增加相位数目，正如已经提到的，降低了该变换器中的相位电压。
图2示出模块化多电平变换器100的另一个实施方式以用于在根据本发明的多相系统中使用。在此，模块化多电平变换器100具有三个另外的相位模块20。这些另外的相位模块20分别具有至少两个、在此为四个单独模块12。这些另外的相位模块20各自连接在分接点14处。
此外，在图2中示出的模块化多电平变换器100的实施方式具有多个单独模块12，这些单独模块彼此连接成一个环11。在此，这些单独模块12通过两个电导体16、18彼此连接。在每两个相邻的单独模块12之间安排分接点14。在此，能够结合两个电导体16、18以便形成一个端子。或者一个端子仅安排在一个电导体16、18处。或者一个相应的星形串20通过两个电导体与这两个电导体16、18相连，如在此展示的。
对于本发明的多电平变换器10、100之内的能量交换存在两种优选的机制。这是，一方面，如通过环组件11之内的弯曲箭头所指示的，在环组件11中的环电流，另一方面，如通过星形串20处的箭头所指示的，在星形串20中和环组件11相对于相应星形串20的并联电路。通过星形串20中和/或环组件11相对于星形串20的并联电路，可以实现在被其包含的模块12之间的电荷平衡。通过环组件11中的环电流同样可以实现在被环组件11包含的模块12之间的电荷平衡。虽然这些机制也可以反转，即在相应的另外的区域中使用，但是这些机制的上述用法仍然是有利的。
图6示出在分接点或星形点14处本发明的多电平转换器的环组件11与单独的星形串20之间的不同连接可能性。连接601总体上形成星形串20向环组件11的连接或接合，并且作为特定设计的接合602、603、604、605、607、609的占位物(Platzhalter)。在结合点602、603和604处分别将环组件11的两个模块与星形串20的一个模块相连。结合点605、607和609同样分别允许环组件11的两个模块与星形串20的一个模块之间的相连。另外，它们通过额外设置的端子606、608和610分别允许独立于环组件11与星形串20之间的连接来接合另外的模块和/或耗电器。结合可能性602和605是特别有利的，因为它们分别在连接MMSPC模块时作为单独模块而允许跨越星形点14的暂时的并联连接。

Claims (19)

1.一种具有多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)的模块化多电平变换器(10，100)，这些单独模块分别具有多个开关元件(316-1至316-8；406-1，406-2；416-1至416-4；426-1至426-4；436-1至436-4；446-1至446-4；456-1，456-1，457；466-1，466-2，466-3；476-1至476-4；486-1至486-4；496-1至486-6；496-1至496-6；46-1至46-4；502-1至506-8)和至少一个电能存储器(312；402；412；422a，422b，422c；432a，432b；442a，442b；452a，452b；462a，462b；472a，472b；482a，482b；492a，492b；42a，42b；502-1，502-2，502-3，…502-n)，其中第一多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点(14)分别安排在该环的两个相邻的单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)之间，其中在两个相邻的分接点(14)之间安排有该环的至少一个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点处各自设置第二多个单独模块，该第二多个单独模块作为从该环组件(11)中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)形成的相位模块(22)，该相位模块以一端连接在相应的分接点(14)处并且在另一端构成相位端子(21)，其中该多个开关元件(316-1至316-8；406-1，406-2；416-1至416-4；426-1至426-4；436-1至436-4；446-1至446-4；456-1，456-1，457；466-1，466-2，466-3；476-1至476-4；486-1至486-4；496-1至486-6；496-1至496-6；46-1至46-4；502-1至506-8)能够将相邻单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)的能量存储器(312；402；412；422a，422b，422c；432a，432b；442a，442b；452a，452b；462a，462b；472a，472b；482a，482b；492a，492b；42a，42b；502-1，502-2，502-3，…502-n)连接，由此在两个相邻的相位端子(21)之间能够提供电压差，该电压差能够由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在该多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且能够由第二控制单元控制。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中这些单独模块(12，300，320，330，500)中的多个单独模块具有第一侧和第二侧，其中该第一侧具有两个端子(314a，314b；324a，324b；334a，334b；504a，504b)并且该第二侧具有两个端子(318a，318b；328a，328b；338a，338b；508a，508b)。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中该第一多个单独模块(12，300，320，330，500)分别用两个电导体(16，18)彼此电连接。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中该至少两个分接点(14)中的每一个或至少一个在这两个电导体(16，18)处各自提供一个端子，以便相应地连接从该环组件(11)分支出来的相位模块(20)。
5.根据权利要求3所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中该至少两个分接点(14)中的每一个或至少一个在这两个电导体(16，18)之一处提供一个端子，以便相应地连接从该环形组件(11)分支出来的相位模块(20)。
6.根据以上权利要求之一所述的模块化多电平变换器(100)，其中在该环的两个相邻单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)之间安排有至少一个另外的分接点(14*)，该另外的分接点构成相位端子，该相位端子用于直接连接电载荷或该环处的电网。
7.根据以上权利要求1-5之一所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中在该环的两个相邻的分接点(14)之间安排有该环的至少两个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)，该至少两个单独模块构成相位模块(20)。
8.根据以上权利要求1-5之一所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中该多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)的这些开关元件(316-1至316-8；406-1，406-2；416-1至416-4；426-1至426-4；436-1至436-4；446-1至446-4；456-1，456-1，457；466-1，466-2，466-3；476-1至476-4；486-1至486-4；496-1至486-6；496-1至496-6；46-1至46-4；502-1至506-8)的至少一部分是低电压半导体开关元件。
9.根据以上权利要求1-5之一所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中该至少两个分接点(14)将这些单独模块(12)的环对称划分，以便相应连接从该环组件(11)分支出来的相位模块(20)。
10.根据以上权利要求1-5之一所述的模块化多电平变换器(10，100)，其中该第一多个单独模块(12)由MMC模块组成并且相应的第二多个单独模块由MMSPC模块组成。
11.一种电力多相系统，具有
-至少一个电机，该电机具有多个绕组，该绕组具有第一端子和第二端子，其中存在至少一个节点，该多个绕组中的相应的一个绕组的第一或第二端子与该节点电连接并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一和第二端子中对应的另一个端子与相位端子(14)电连接，以及
-根据以上权利要求之一所述的模块化多电平变换器(10，100)，
其中该模块化多电平变换器(10，100)的相位端子(14)的数量等于该至少一个电机的绕组的数量，并且
其中该模块化多电平变换器(10，100)的这些单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)各自具有一个能量存储器(312)和多个开关元件(316-1至316-8；406-1，406-2；416-1至416-4；426-1至426-4；436-1至436-4；446-1至446-4；456-1，456-1，457；466-1，466-2，466-3；476-1至476-4；486-1至486-4；496-1至486-6；496-1至496-6；46-1至46-4；502-1至506-8)，这些开关元件能够将相邻单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)的能量存储器(312；402；412；422a，422b，422c；432a，432b；442a，442b；452a，452b；462a，462b；472a，472b；482a，482b；492a，492b；42a，42b；502-1，502-2，502-3，…502-n)连接，由此在两个相邻的相位端子(21)或两个相邻的绕组之间能够提供电压差，该电压差能够由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且能够由第二控制单元控制。
12.根据权利要求11所述的电力多相系统，其中该至少一个电机作为发电机或电动机工作。
13.一种用于驱动电力多相系统的方法，其中使用电机和模块化多电平变换器(10，100)，其中该电机具有多个绕组，该绕组具有第一端子和第二端子，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一或第二端子与节点连接，该多个绕组中的每个绕组都与该节点相连，并且该多个绕组中的相应的一个绕组的第一和第二端子中对应的另一个端子与该模块化多电平变换器(10，100)的相位端子(21)连接，并且其中该模块化多电平变换器(10，100)具有多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)，其中第一多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)彼此前后连接成闭环，并且至少两个分接点(14)分别安排在该环的两个相邻的单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)之间，其中在两个相邻的分接点(14)之间安排有该环的至少一个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)，该单独模块形成环区段，并且其中在至少两个分接点(14)处各自设置第二多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)，该第二多个单独模块作为从该环组件(11)中分支出来的并且构成星形串的由至少两个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)形成的相位模块(20)，该相位模块以一端连接在相应的分接点(14)处并且在另一端构成相位端子(21)，该电机的多个绕组中的一个绕组的第一或第二端子与该相位端子电连接，其中该模块化多电平变换器(10，100)的这些单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)各自具有一个能量存储器(312；402；412；422a，422b，422c；432a，432b；442a，442b；452a，452b；462a，462b；472a，472b；482a，482b；492a，492b；42a，42b；502-1，502-2，502-3，…502-n)和多个开关元件(316-1至316-8；406-1，406-2；416-1至416-4；426-1至426-4；436-1至436-4；446-1至446-4；456-1，456-1，457；466-1，466-2，466-3；476-1至476-4；486-1至486-4；496-1至486-6；496-1至496-6；46-1至46-4；502-1至506-8)，这些开关元件能够将相邻单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)的能量存储器连接，由此在两个相邻的相位端子(21)或两个相邻的绕组之间提供电压差，该电压差由控制单元对应于多相旋转场的曲线来调节，并且由此在多个单独模块中的单独模块的能量存储器之间能够实现功率交换并且由第二控制单元控制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中使用具有第一侧和第二侧的单独模块(12，300，320，330，500)作为单独模块(12)，其中该第一侧具有两个端子(314a，314b；324a，324b；334a，334b；504a，504b)并且该第二侧具有两个端子(318a，318b；328a，328b；338a，338b；508a，508b)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，这些单独模块(12)相应地用两个电导体(16，18)彼此电连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其中在该至少两个分接点(14)中的每一个或至少一个处安排有端子，以便在这两个电导体(16，18)之一处相应地连接从该环形组件(11)分支出来的相位模块(20)。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在该至少两个分接点(14)中的每一个或至少一个处各自安排有一个端子，以便在这两个电导体(16，18)处相应地连接从该环组件(11)分支出来的相位模块(20)。
18.根据权利要求13至17之一所述的方法，其中使用低电压半导体开关元件用于该多个单独模块(12，300，320，330，400，410，420，430，440，450，460，470，480，490，40，500)的这些开关元件(316-1至316-8；406-1，406-2；416-1至416-4；426-1至426-4；436-1至436-4；446-1至446-4；456-1，456-1，457；466-1，466-2，466-3；476-1至476-4；486-1至486-4；496-1至486-6；496-1至496-6；46-1至46-4；502-1至506-8)的至少一部分。
19.根据权利要求13至17之一所述的方法，其中，该电机作为发电机或电动机工作。
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