CN111164876A - 多级变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个相模块(400)的多级变流器(800)，该相模块布置在多级变流器的第一直流电压接头(16)与第二直流电压接头(17)之间，并且该相模块具有多个模块(1_1...1_n；2_1...2_n)，其中，相模块(400)具有与第一直流电压接头(16)连接的第一相模块支路(11)，以及具有与第二直流电压接头(17)连接的第二相模块支路(13)。模块分别具有至少两个电子开关元件(902，906)和电气能量存储器(910)。此外，多级变流器具有第三相模块支路(404)和开关装置(420)，该第三相模块支路将第一相模块支路(11)与第二相模块支路(13)连接，该开关装置在第一开关位置中将多级变流器的交流电压接头(5)与在第一相模块支路(11)和第三相模块支路(404)之间的第一连接点(412)连接，并且在第二开关位置中将交流电压接头(5)与在第三相模块支路(404)和第二相模块支路(13)之间的第二连接点(416)连接。

Description

多级变流器
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个相模块的多级变流器，该相模块布置在多级变流器的第一直流电压接头和第二直流电压接头之间，并且该相模块具有多个模块，其中，相模块具有与第一直流电压接头连接的第一相模块支路，和具有与第二直流电压接头连接的第二相模块支路，并且其中模块分别具有至少两个电子开关元件和电气能量存储器。此外，本发明涉及一种用于运行多级变流器的方法。
背景技术
多级变流器(也称为模块化多级变流器)是用于转换电气能量的电力电子电路。利用多级变流器例如可以将交流电转换为直流电，或者将直流电转换为交流电。多级变流器具有多个相同类型的模块，其电气串联连接。通过模块的电气串联电路可实现高的输出电压。多级变流器可简单地与不同的电压匹配(缩放)，并且可以相对准确地产生所期望的输出电压。多级变流器可以有利地在高压范围内使用，例如作为高压直流输电设备中的变流器或者作为无功功率补偿设备。
可以选择电气串联电路中的模块的数量，使得多级变流器可以产生所需的输出电压。然而此外，串联电路中的模块的数量也还必须足够大，使得在多级变流器的所有运行状态下，施加在模块上的电压不超过最大允许的模块电压。因此，在串联电路中必须存在比为了产生预定的输出电压所需的模块更多的模块。这导致了高成本、高损耗功率以及多级变流器的大的结构形式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种多级变流器和一种方法，在该多级变流器和方法中可以减少模块的数量。
根据本发明，该技术问题通过根据独立专利权利要求所述的多级变流器和方法来解决。在从属权利要求中说明了多级变流器和方法的有利的设计方案。
公开了一种具有至少一个相模块的多级变流器，该相模块布置在多级变流器的第一直流电压接头和第二直流电压接头之间，并且该相模块具有多个模块，其中，相模块具有与第一直流电压接头连接的第一相模块支路，以及具有与第二直流电压接头连接的第二相模块支路，并且其中模块分别具有至少两个电子开关元件和电气能量存储器。多级变流器具有第三相模块支路和开关装置，该第三相模块支路将第一相模块支路与第二相模块支路连接，该开关装置在第一开关位置中将多级变流器的交流电压接头与在第一相模块支路和第三相模块支路之间的第一连接点(电气)连接，并且在第二开关位置中将交流电压接头与在第三相模块支路和第二相模块支路之间的第二连接点(电气)连接。换言之，开关装置被配置为用于在第一开关位置中将多级变流器的交流电压接头与在第一相模块支路和第三相模块支路之间的第一连接点(电气)连接，以及用于在第二开关位置中将交流电压接头与在第三相模块支路和第二相模块支路之间的第二连接点(电气)连接。第一连接点是第一相模块支路和第三相模块支路的(公共)连接点。因此，第一连接点是在其处第一相模块支路与第三相模块支路电气连接的点。第二连接点是第三相模块支路和第二相模块支路的(公共)连接点。因此，第二连接点是在其处第三相模块支路与第二相模块支路电气连接的点。
在此，特别有利的是：开关装置将多级变流器的交流电压接头要么与第一连接点要么与第二连接点电气连接。由此，可以按照需要将交流电压接头与第一直流电压接头之间的模块的数量增加或减小了第三相模块支路中的模块的数量。同样地，可以将交流电压接头与第二直流电压接头之间的模块的数量增加或减小了第三相模块支路中的模块的数量。换言之，即，可以根据需要将第三相模块支路中的模块分配给第一相模块支路或第二相模块支路。因此，第三相模块支路中的这些模块具有双重功能。根据开关装置的开关位置，将这些模块连接在多级变流器的交流电压接头与第一直流电压接头之间或连接在交流电压接头与第二直流电压接头之间。因此，第三相模块支路中的模块用于生成多级变流器的不同的电压。通过在第一开关位置与第二开关位置之间的换接的可能性，第三相模块支路中的模块仅需要存在一次。(在迄今已知的多级变流器中，模块必须存在两次，即，在第一(正侧的)相模块支路中存在一次，在第二(负侧的)相模块中存在一次。)由此，可以显著地减少每个相模块的所需的模块的数量。这也导致了多级变流器的尺寸、变流器损耗和成本的显著的减小。可以实现节省25％的所需的模块。此外，借助开关装置，可以实现快速的故障排除。尽管使用了术语“开关位置”，但这并不一定意味着开关装置必须是机械的开关装置。更确切地说，以有利的方式规定，开关装置可以是电力电子开关装置，见下文。
多级变流器可以被设计为使得开关装置在第二开关位置中将多级变流器的交流电压接头与第一连接点(电气)分离，并且在第一开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)分离。一般而言，开关装置将交流电压接头在每个开关位置分别仅最多与一个(与开关位置相关联的)连接点连接(并且将交流电压接头与相应的另外的连接点分离)。因此，开关装置(在该开关装置的开关位置中)将交流电压接头分别仅与一个(与开关位置相关联的)连接点连接。当然，还可以给出开关位置，在该开关位置中交流电压接头与所有的连接点分离。
多级变流器也可以被设计为使得第一相模块支路、第二相模块支路和第三相模块支路分别具有在串联电路中的模块中的至少两个、特别是分别具有模块中的至少五个。
多级变流器也可以被设计为使得开关装置具有晶闸管(作为开关元件)。借助晶闸管，可以特别快速地执行第一连接点与第二连接点之间的换接。
多级变流器也可以被设计为：
-开关装置具有第一电力电子开关，该第一电力电子开关在开关装置的第一开关位置中将交流电压接头与第一连接点(电气)连接，并且在开关装置的第二开关位置中将交流电压接头与第一连接点(电气)分离；以及
-开关装置具有第二电力电子开关，该第二电力电子开关在开关装置的第二开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)连接，并且在开关装置的第一开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)分离。利用开关装置的两个电力电子开关，可以特别简单且快速地执行第一连接点与第二连接点之间的换接。
多级变流器可以被设计为使得第一电力电子开关和第二电力电子开关分别具有晶闸管。
多级变流器也可以被设计为使得第一电力电子开关和第二电力电子开关分别具有反并联连接的晶闸管。由此，电力电子开关可以以两种极性切换流过交流电压接头的交流电流。
多级变流器也可以被设计为使得第三相模块支路中的至少一个模块被设计为使得能够输出具有正或负的极性的电压。这特别有利地支持晶闸管的关断过程。在此，特别有利的是，至少一个模块能够产生并且输出负电压和正电压。借助该电压，可以安全且可靠地实现将经由交流电压接头流动的电流从第一连接点换向到第二连接点。这例如可以如下地实现：借助模块产生与原始的电流流动相反取向的电压作为换向电压。
多级变流器可以被设计为使得第三相模块支路中的至少一个模块具有全桥电路。在此，特别有利的是，至少一个具有全桥电路的模块能够产生并且输出负电压和正电压。如上面所说明地，这支持换向。
多级变流器可以被设计为使得全桥电路具有四个电子开关元件和电气能量存储器。
多级变流器可以被设计为使得第三相模块支路具有多个电气串联连接的子支路，并且开关装置具有第三开关位置，在该第三开关位置中交流电压接头与两个子支路的第三连接点连接(并且在该第三开关位置中交流电压接头与第一连接点以及第二连接点(电气)分离)。该多级变流器具有另外的连接点(电位点)，可以借助开关装置将交流电压接头与该另外的连接点连接。
多级变流器可以被设计为使得开关装置依据施加在交流电压接头上的电压(交流电压)的瞬时值来采取开关位置(特别是第一开关位置和第二开关位置)。有利地，可以控制开关装置，使得该开关装置依据施加在交流电压接头上的电压(交流电压)的瞬时值来采取开关位置。由此，产生了特别简单的控制开关装置的方式。仅需要分析交流电压的瞬时值，并且依据瞬时值的大小，开关装置采取相应的开关位置(特别是第一开关位置和第二开关位置)。
多级变流器也可以被设计为
-如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值大于(或等于)零，则开关装置采取第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值小于零，则开关装置采取第二开关位置；或者
-如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则开关装置采取第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第二预选电压范围内，则开关装置采取第二开关位置。第一替换方案有利地规定了开关装置何时采取第一开关位置以及该开关装置何时采取第二开关位置的特别简单的可能性：如果交流电压的瞬时值大于(或等于)零，则采取第一开关位置；如果交流电压的瞬时值小于零，则采取第二开关位置。第二替换方案说明，如果交流电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则采取第一开关位置。如果瞬时值位于第二预选电压范围内，则采取第二开关位置。该变形方案能够实现还更灵活地切换开关装置。
此外，公开了一种具有根据上述变形方案的变流器的高压直流输电设备。
此外，公开了一种用于运行具有至少一个相模块的多级变流器的方法，该相模块布置在多级变流器的第一直流电压接头与第二直流电压接头之间，并且该相模块具有多个模块，其中，相模块具有与第一直流电压接头连接的第一相模块支路，具有与第二直流电压接头连接的第二相模块支路，以及具有将第一相模块支路与第二相模块支路连接的第三相模块支路，其中在该方法中
-测量施加在多级变流器的交流电压接头上的电压的瞬时值；以及
-依据所测量的瞬时值，将交流电压接头与在第一相模块支路与第三相模块支路之间的第一连接点(电气)连接，或与在第三相模块支路与第二相模块支路之间的第二连接点(电气)连接。
该方法可以进行为
-借助具有至少一个电力电子开关的开关装置将交流电压接头与第一连接点或第二连接点(电气)连接。
该方法还可以进行为
-借助开关装置，在该开关装置的第一开关位置中将交流电压接头与第一连接点(电气)连接，并且将交流电压接头与第二连接点(电气)分离；以及
-借助开关装置，在该开关装置的第二开关位置中将交流电压接头与第二连接点(电气)连接，并且将交流电压接头与第一连接点(电气)分离。
该方法可以进行为
-如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值大于(或等于)零，则将交流电压接头与第一连接点(电气)连接，并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值小于零，则将交流电压接头与第二连接点(电气)连接，或者
-如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则将交流电压接头与第一连接点(电气)连接，并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第二预选电压范围内，则将交流电压接头与第二连接点(电气)连接。
该方法还可以进行为
-第三相模块支路具有多个电气串联连接的子支路，在这些子支路之间存在至少一个另外的连接点，其中依据所测量的(施加在多级变流器的交流电压接头上的电压的)瞬时值将交流电压接头与第一连接点、与第二连接点或与另外的连接点(电气)连接。
该方法还可以进行为
-在发生故障时、特别是在发生(直流电压侧的)短路时，借助开关装置(在该开关装置的故障开关位置中)将交流电压接头与相模块(特别是与相模块的连接点)电气分离。
所描述的多级变流器和所描述的方法具有相同或类似的优点。
附图说明
在下文中，根据实施例更详细地解释本发明。在此，相同的附图标记指示相同或相同作用的元件。
附图中：
图1示出了从现有技术中已知的多级变流器的实施例；
图2示出了已知的多级变流器的相模块；
图3示出了根据图2的相模块中的示例性的电压曲线；
图4示出了根据本发明的多级变流器的相模块的实施例；
图5示出了根据图4的相模块上的示例性的电压曲线；
图6示出了根据图4的相模块的替换的图示；
图7示出了多级变流器的相模块的另外的实施例；
图8示出了具有三个相模块的多级变流器的实施例；
图9示出了多级变流器的模块的实施例；
图10示出了多级变流器的模块的另外的实施例；以及
图11示出了高压直流输电设备的实施例。
具体实施方式
图1中示出了从现有技术中已知的多级变流器1(modular multilevelconverter,MMC)。该多级变流器1具有第一交流电压接头5、第二交流电压接头7和第三交流电压接头9。第一交流电压接头5与第一相模块支路11和第二相模块支路13电气连接。第一相模块支路11和第二相模块支路13形成变流器1的第一相模块15。第一相模块支路11的背离第一交流电压接头5的端部与第一直流电压接头16电气连接；第二相模块支路13的背离第一交流电压接头5的端部与第二直流电压接头17电气连接。第一直流电压接头16为正直流电压接头；第二直流电压接头17为负直流电压接头。
第二交流电压接头7与第三相模块支路18的端部和与第四相模块支路21的端部电气连接。第三相模块支路18和第四相模块支路21形成第二相模块24。第三交流电压接头9与第五相模块支路27的端部和与第六相模块支路29的端部电气连接。第五相模块支路27和第六相模块支路29形成第三相模块31。
第三相模块支路18的背离第二交流电压接头7的端部和第五相模块支路27的背离第三交流电压接头9的端部与第一直流电压接头16电气连接。第四相模块支路21的背离第二交流电压接头7的端部和第六相模块支路29的背离第三交流电压接头9的端部与第二直流电压接头17电气连接。第一相模块支路11、第三相模块支路18和第五相模块支路27形成正侧的变流器部分32；第二相模块支路13、第四相模块支路21和第六相模块支路29形成负侧的变流器部分33。
第一交流电压接头5、第二交流电压接头7和第三交流电压接头9可以与交流输电网(未示出)电气连接。
每个相模块支路具有多个模块(1_1…1_n；2_1…2_n等)，这些模块(借助这些模块的电气电流接头)电气串联连接。这种模块也被称为子模块。在图1的实施例中，每个相模块支路具有n个模块。借助这些模块的电气电流接头电气串联连接的模块的数量可以非常不同，至少可以将两个模块串联连接，但也例如可以将5个、50个、100个或更多个模块电气串联连接。在该实施例中，n＝36：即，第一相模块支路11具有36个模块1_1、1_2、1_3，…1_36。另外的相模块支路13、18、21、27和29以类似的方式构造。
从变流器1的未示出的控制装置经由光学通信连接(例如，经由光纤)将光学消息或光学信号传输到各个模块1_1至6_n。例如，控制装置将针对相应的模块应当提供的输出电压的大小的额定值分别发送到各个模块。
图2中示出了多级变流器1的第一相模块15。在该第一相模块15上示出了不同的电压。在第一相模块支路11上施加第一电压UP,在第二相模块支路13上施加第二电压Un。在第一交流电压接头5与接地接头202之间施加交流电压Uac。在第一直流电压连接16与接地连接头202之间施加电压1/2Udc，其中，Udc是施加在第一直流电压接头16与第二直流电压接头17之间的总直流电压。在接地接头202与第二直流电压接头17之间同样施加1/2Udc的电压。
图3中示例性地在图形上关于时间t示出了该电压。在此，示出了在交流电压接头5上出现的交流电压Uac的一个周期。在时刻t＝T/4(与交流电压的四分之一周期持续时间相对应)，出现交流电压Uac的正最大值(正最大瞬时值)，而在时刻t＝3/4T出现交流电压的负最大值。在时刻t＝T/4，几乎整个直流电压Udc作为电压Un施加在第二相模块支路13上。在时刻t＝3/4T，几乎整个直流电压Udc作为电压Up施加在第一相模块支路11上。这意味着，第一相模块支路11和第二相模块支路13都必须被设计为使得能够分别向其施加完全的直流电压Udc。换言之，在相模块支路11、13中需要对应大量的模块1_1…1_n，2_1…2_n，因为每个模块仅适用于预定的最大电压施加。
图4中示出了根据本发明的相模块400的实施例。该相模块400除了具有第一(正侧的)相模块支路11和第二(负侧的)相模块支路13之外，还具有第三(中间的)相模块支路404。在第三相模块支路404上，出现第三电压US。相模块400布置在第一直流电压接头16与第二直流电压接头17之间，其中第一相模块支路11与第一直流电压接头16连接。第二相模块支路13与第二直流电压接头17连接。每个相模块支路具有多个模块。在该实施例中，第一相模块支路11具有n个模块1_1...1_n，可以将这些模块分别设计为半桥电路(半桥模块)或全桥电路(全桥模块)。示例性地，模块1_1作为全桥模块示出，并且模块1_n作为半桥模块示出。同样地，第二相模块支路13具有n个模块2_1...2_n，可以将这些模块分别设计为半桥电路(半桥模块)或全桥电路(全桥模块)。因此，第一相模块支路11和第二相模块支路13例如还可以分别仅具有半桥模块(或分别仅具有全桥模块)。
第三相模块支路404具有至少一个带有全桥电路的模块408_1(全桥模块408_1)以及另外的模块408_2至408_n，可以这些模块分别设计为半桥电路(半桥模块)或全桥电路(全桥模块)。
在第一相模块支路11与第三相模块支路404之间构造第一连接点412的情况下以及在第三相模块支路404与第二相模块支路13之间构造第二连接点416的情况下，第三相模块支路404将第一相模块支路11与第二相模块支路13连接。为此，开关装置420被配置为用于在第一开关位置421将第一交流电压接头5与第一连接点412电气连接，并且在第二开关位置422将第一交流电压接头5与第二连接点416电气连接。此外，开关装置420被配置为用于在第二开关位置422将交流电压接头5与第一连接点412电气分离，并且在第一开关位置421将第一交流电压接头5与第二连接点416电气分离。
开关装置420具有第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4作为开关元件。更准确地说，开关装置具有第一电力电子开关424和第二电力电子开关428。在此，第一电力电子开关424具有第一晶闸管T1和第二晶闸管T2；在此，第二电力电子开关428具有第三晶闸管T3和第四晶闸管T4。因此，第一电力电子开关424具有反并联连接的晶闸管T1和T2；第二电力电子开关428具有反并联连接的晶闸管T3和T4。
在此，具有各个晶闸管T1、T2、T3和T4的图示应当仅理解为象征性的。实际上，例如可以串联和/或并联连接更大数量的晶闸管，以实现所需的电压值和电流值。
在开关装置420的第一开关位置中，第一电力电子开关424将第一交流电压接头5与第一连接点412电气连接；在开关装置420的第二开关位置中，第一电力电子开关424将第一交流电压接头5与第一连接点412电气分离。在开关装置420的第二开关位置中，第二电力电子开关428将第一交流电压接头5与第二连接点416电气连接；在开关装置420的第一开关位置中，第二电力电子开关428将第一交流电压接头5与第二连接点416电气分离。
开关装置420依据施加在交流电压接头5上的交流电压的瞬时值来采取该开关装置的开关位置(即，第一开关位置和第二开关位置)。更准确地说，由(未示出的)控制装置控制开关装置420，使得该开关装置依据施加在交流电压接头5上的交流电压的瞬时值来采取该开关装置的开关位置(即，第一开关位置和第二开关位置)。在此，如果交流电压的瞬时值大于(或等于)零，则开关装置420因此采取第一开关位置。然后，第一交流电压接头5与第一连接点412电气连接。如果施加在交流电压接头5上的交流电压的瞬时值小于零，则开关装置420采取第二开关位置。然后，第一交流电压接头5与第二连接点416电气连接。
多级变流器还可以被配置为，如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则开关装置采取第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值位于第二预选电压范围内，则开关装置采取第二开关位置。第一预选电压范围例如可以是0和+1/2Udc之间的电压范围；第二预选电压范围例如可以是-1/2Udc和0之间的电压范围。
图5中示出了在相模块400中产生的电压的实施例。在t＝0和t＝1/2T之间的时间间隔期间(即，在交流电压Uac的瞬时值大于零的时间段期间)，只有相对较低的电压Up施加在第一相模块支路11上。较大的电压(Udc-Up)分布在第二相模块支路13上(作为电压Un)以及在第三相模块支路404上(作为电压US)。由此，在第一相模块支路11、第二相模块支路13和第三相模块支路404上分别最大施加电压1/2Udc。因此，每个相模块支路11、13和404仅需要分别针对最大直流电压的一半1/2Udc来设计。与图2的迄今已知的相模块15相比，因此需要更少的模块。可以节省25％的模块，因为可以说已将第三相模块支路404的模块可选地分配给第一相模块支路11或第三相模块支路404(这假设在每个相模块支路中存在相同数量的模块)。在第二周期持续时间期间(即，在t＝1/2T和t＝T之间的范围内)，在第二相模块支路13上仅施加有相对低的电压Un，而较大的电压(Udc-Un)分布在第一相模块支路11和第二相模块支路404上。与交流电压周期前半部分的过程类似，在每个相模块支路上再次最大出现1/2Udc的电压。
图6中再次以简化的图示示出了图4的相模块400。为此，第一相模块支路11、第二相模块支路13和第三相模块支路404分别象征性地表示为具有对角线的正方形。第一电力电子开关424和第二电力电子开关428分别表示为具有两个对角线的较小的正方形。此外，图6中借助电压箭头表示，在第一交流电压接头5处相对于接地接头202出现的交流电压Uac在交流电压的第一半周期(Uac>0)期间在第一连接点412与接地接头202之间如何出现。在第二半周期(Uac<0)期间，在第二连接点416和接地接头202之间出现交流电压UaC(该图示假设，第一电力电子开关424和第二电力电子开关428表现为理想的开关，即，在接通状态下在该开关424和428上未出现电压降)。
图7中示出了相模块700的另外的实施例。与图6的相模块不同，在该相模块700中，第三相模块支路被分为三个子支路：第一子支路704、第二子支路708和第三子支路712。在构造第一连接点412的情况下，第一相模块支路11与第一子支路704电气连接。在构造第三连接点716的情况下，第一子支路704与第二子支路708电气连接。在构造第四连接点720的情况下，第二子支路708与第三子支路712电气连接，并且在构造第二连接点416的情况下，第三子支路712与第二相模块支路13电气连接。
第三电力电子开关724将第三连接点716与第一交流电压接头5电气连接(或分离)。第四电力电子开关728将第四连接点720与第一交流电压接头5电气连接(或分离)。开关装置732除了具有从图6中已知的第一开关位置和第二开关位置之外，还附加地具有第三开关位置和第四开关位置。在第三开关位置中，第一交流电压接头5借助第三电力电子开关724与第三连接点716电气连接(并且借助另外的电力电子开关424、728和428与连接点412、720和416电气分离)。在开关装置732的第四开关位置中，第一交流电压接头5借助第四电力电子开关728与第四连接点720电气连接(并且借助电力电子开关424、724和428与连接点412、716和416电气分离)。在此，给每个电力电子开关424、724、728和428分配交流电压的电压范围。这些电压范围是不重叠的电压范围。如果施加在交流电压接头5上的电压的瞬时值位于电压范围中的一个中时，则闭合相关的电力电子开关并且将第一交流电压接头5与相应的连接点连接。然后，交流电压接头5与另外的连接点电气分离。
第一预选电压范围例如可以是+1/4UDC与+1/2UDC之间的电压范围；第二预选电压范围例如可以是0与+1/4UDC之间的电压范围；第三预选电压范围例如可以是-1/4UDc与0之间的电压范围；第四预选电压范围例如可以是-1/2Udc与-1/4Udc之间的电压范围。
相模块700能够实现将各个子支路的模块更加灵活地分配给第一相模块支路11或第二相模块支路13。由此，可以更加区分地将这些模块要么连接到第一相模块支路11要么连接到第二相模块支路13。
图8中示出了多级变流器800的实施例。该三相的多级变流器800具有三个根据图6的相模块。
图9中示出了多级变流器的模块900的实施例。在此，该模块例如可以是图4或图7中示出的相模块的模块中的一个。
模块900被设计为半桥模块900。模块900具有带有第一反并联连接的二极管904的第一(可关断的)电子开关元件902(第一可关断的半导体阀902)。此外，模块900具有带有第二反并联连接的二极管908以及以电容器910形式的电气能量存储器910的第二(可关断的)电子开关元件906(第二可关断的半导体阀906)。第一电子开关元件902和第二电子开关元件906被分别设计为IGBT(绝缘栅双极晶体管，insulated-gate bipolar transistor)。第一电子开关元件902与第二电子开关元件906电气串联连接。在两个电子开关元件902与906之间的连接点处布置了第一电气模块接头912。在第二电子开关元件906的与连接点对置的接头处布置了第二电气模块接头915。此外，第二模块接头915与能量存储器910的第一接头电气连接；能量存储器910的第二接头与第一电子开关元件902的与连接点对置的接头电气连接。
因此，能量存储器910与由第一电子开关元件902和第二电子开关元件906构成的串联电路电气并联连接。通过由变流器的(未示出的)电子控制装置相应地控制第一电子开关元件902和第二电子开关元件906，可以实现在第一模块接头912与第二模块接头915之间要么输出能量存储器910的电压要么不输出电压(即，输出零电压)。因此，可以通过各个相模块支路的模块的共同作用来产生变流器的分别期望的输出电压。
图10中示出了多级变流器的模块1000的另外的实施例。该模块301例如可以是图4中示出的相模块400的模块408_1(或者还是多级变流器的另外的模块中的一个)。除了从图9中已知的第一电子开关元件902、第二电子开关元件906、第一续流二极管904、第二续流二极管908和能量存储器910之外，图10中示出的模块1000具有带有反并联连接的第三续流二极管1004的第三电子开关元件1002以及带有第四反并联连接的续流二极管1008的第四电子开关元件1006。第三电子开关元件1002和第四电子开关元件1006被分别设计为IGBT。与图9中的电路不同，第二模块接头1015不是与第二电子开关元件906电气连接，而是与由第三电子开关元件1002和第四电子开关元件1006构成的电气串联电路的中点电气连接。
图10中的模块1000是所谓的全桥模块1000。该全桥模块1000的特征在于，在相应地控制在第一(电气)模块接头912与第二(电气)模块接头1015之间的四个电力电子开关元件的情况下，能够可选地输出能量存储器910的正电压、能量存储器910的负电压或值为零的电压(零电压)。由此，借助全桥模块1000可以使输出电压的极性反转。多级变流器可以仅具有半桥模块900、仅具有全桥模块1000或者具有半桥模块900和全桥模块1000。
图11中示意性地示出了高压直流输电设备1100的实施例。该高压直流输电设备1100具有两个变流器800，如其在图8中所示的那样。这两个变流器800在直流电压侧经由高压直流连接1105彼此电气连接。在此，变流器800的两个正直流电压接头16借助第一高压直流导线1105a彼此电气连接；两个变流器800的两个负直流电压接头17借助第二高压直流导线1105b彼此电气连接。借助这种高压直流输电设备1100，可以在远距离上传输电能；高压直流连接1105则具有对应的长度。图11中示例性地示出了设计为对称单极的高压直流输电设备1100。然而，当然地，变流器也可以用于另外的高压直流输电设备中、例如在双极设备中。
为了运行根据图8的多级变流器，测量施加在多级变流器的交流电压接头5上的电压的瞬时值。然后，依据所测量的瞬时值，将交流电压接头5与第一连接点412或第二连接点416(或者必要时与另外的连接点中的一个、例如与第三连接点716或第四连接点720)电气连接。在此，交流电压接头5分别仅与连接点中的一个电气连接；交流电压接头5借助另外的电力电子导体与另外的连接点电气分离。
在具有根据图6的相模块的多级变流器的情况下，如果施加在交流电压接头5上的电压的瞬时值大于(或等于)零，则交流电压接头5与第一连接点412电气连接。如果施加在交流电压接头上的电压的瞬时值小于零，则交流电压接头5与第二连接点416电气连接。
在具有根据图7的相模块(即，在相模块中，其中第三相模块支路具有多个子支路)的多级变流器的情况下，借助开关装置732将交流电压接头5分别与连接点电气连接，(施加在交流电压接头5上的)交流电压Uac的瞬时值位于该连接点的相关的预选电压范围内。交流电压接头5与另外的连接点电气分离。
在发生故障时，也可以将开关装置420、732特别有利地用于故障排除。如果例如在具有根据图4的相模块400的多级变流器中在直流电压侧上发生短路，则可以将开关装置420带入到特殊的开关位置中(其在此应当称为故障开关位置)，在该特殊的开关位置中开关装置将第一交流电压接头5与相模块的所有连接点412、416电气分离。由此，来自与变流器的交流电压接头连接的交流电网的能量流在直流电压侧的故障的位置处被中断。该电气中断/分离可以非常迅速地进行。特别地，如果开关装置以晶闸管构建，则可以如下简单地转换到故障开关位置：关断用于晶闸管的控制信号，对此晶闸管在交流电压的紧接的过零时转入到该晶闸管的截止位置。由此，可以非常迅速地关断交流电流。
已经描述了一种多级变流器和一种用于运行所述多级变流器的方法，其中与传统的多级变流器相比，较少数量的模块就足够了。由此，可以节省成本和结构空间，以及可以减少在模块的开关元件中出现的损耗功率。
已经描述了将多级变流器与晶闸管阀/晶闸管开关组合的可能性。该新型的变流器拓扑结构能够实现减少相模块中的模块的串联数量。在此，使用了反并联的晶闸管阀，以便减少分别出现在各个相模块支路上的最大电压。例如，在使用第三相模块支路时可以实现将电压从200％Udc减少到150％Udc。
与相模块的已知实施方案(该相模块仅具有第一正侧的相模块支路和第二负侧的相模块支路)相比，在新型的相模块中，将相模块分为三个相模块支路：在此，第一相模块支路形成正侧的相模块支路，第二相模块支路形成负侧的相模块支路，并且第三相模块支路形成中间的相模块支路。在此，反并联的晶闸管阀能够实现将由一个相模块支路传递的电压从100％Udc限制到50％Udc。由此，所需的变流器功率从100％的两倍减少到50％的三倍。这对应于节省了25％的所需功率。这可以导致节省了25％的所需模块。
由此产生附加的优点：与利用布置在多级变流器的交流电压侧的断路器的故障排除相比，通过晶闸管阀/晶闸管开关可以更快地排除故障。由此可以减少多级变流器在故障情况下的负载。
在触发用于故障排除的保护命令之后，关断晶闸管的触发脉冲。据此，晶闸管截止，使得流动的交流电流快速向零移动。这在几毫秒内进行。与此不同，传统的交流电流侧的断路器在50Hz的交流电流频率下需要在大约2.5至3个周期持续时间之间(即，在大约50ms至60ms之间)的开关时间。因此，与通过传统的交流电流侧的交流断路器相比，借助所描述的开关装置可以显著更快地排除故障。
此外，与具有IGBT开关元件的模块相比，晶闸管具有显著更低的正向损耗(每个组件更低的损耗)、更高的截止电压(需要更少的串联开关数量来实现相同的电压)并且由此具有更低的成本。也就是，通过模块中的节省来更多地补偿针对附加的晶闸管阀的额外费用。
所描述的多级变流器和所描述的方法可用于最不同的设备类型中，例如用于借助地下电缆或借助架空线的高压直流输电。

Claims (20)

1.一种具有至少一个相模块(400)的多级变流器(800)，所述相模块布置在多级变流器的第一直流电压接头(16)与第二直流电压接头(17)之间，并且所述相模块具有多个模块(1_1...1_n；2_1...2_n)，其中，所述相模块(400)具有与第一直流电压接头(16)连接的第一相模块支路(11)，以及具有与第二直流电压接头(17)连接的第二相模块支路(13)，并且其中所述模块(1_1...1_n；2_1...2_n)分别具有至少两个电子开关元件(902，906)和电气能量存储器(910)，
其特征在于
第三相模块支路(404)和开关装置(420)，所述第三相模块支路将第一相模块支路(11)与第二相模块支路(13)连接，所述开关装置在第一开关位置中将多级变流器的交流电压接头(5)与在所述第一相模块支路(11)和所述第三相模块支路(404)之间的第一连接点(412)连接，并且在第二开关位置中将所述交流电压接头(5)与在所述第三相模块支路(404)和所述第二相模块支路(13)之间的第二连接点(416)连接。
2.根据权利要求1所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述开关装置(420)在所述第二开关位置中将多级变流器的交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)分离，并且在所述第一开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)分离。
3.根据权利要求1或2所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述第一相模块支路(11)、所述第二相模块支路(13)和所述第三相模块支路(404)分别具有在串联电路中的模块(1_1...1_n；2_1...2_n；408_1...408_n)中的至少两个、特别是分别具有模块中的至少五个。
4.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述开关装置(420)具有晶闸管(T1，T2，T3，T4)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述开关装置(420)具有第一电力电子开关(424)，所述电力电子开关在开关装置(420)的第一开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)连接，并且在开关装置(420)的第二开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)分离；以及
-所述开关装置(420)具有第二电力电子开关(428)，所述电力电子开关在开关装置(420)的第二开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)连接，并且在开关装置(420)的第一开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)分离。
6.根据权利要求5所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述第一电力电子开关(424)和所述第二电力电子开关(428)分别具有晶闸管(T1，T2，T3，T4)。
7.根据权利要求5或6所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述第一电力电子开关(424)和所述第二电力电子开关(428)分别具有反并联连接的晶闸管(T1，T2；T3，T4)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-第三相模块支路中的至少一个模块被设计为使得能够输出具有正或负的极性的电压。
9.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-第三相模块支路(404)中的至少一个模块(408_1)具有全桥电路。
10.根据权利要求9所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述全桥电路具有四个电子开关元件(902，906，1002，1006)和电气能量存储器(910)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述第三相模块支路(404)具有多个电气串联连接的子支路(704，708，712)，并且所述开关装置(732)具有第三开关位置，在所述第三开关位置中所述交流电压接头(5)与两个子支路(704，708)的第三连接点(716)连接。
12.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-所述开关装置(420，732)依据施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值来采取所述开关位置。
13.根据上述权利要求中任一项所述的多级变流器，
其特征在于，
-如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值大于零，则所述开关装置(420)采取所述第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值小于零，则所述开关装置(420)采取所述第二开关位置；或者
-如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则所述开关装置(420)采取所述第一开关位置；并且如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值位于第二预选电压范围内，则所述开关装置(420)采取所述第二开关位置。
14.一种高压直流输电设备(1100)，其具有根据权利要求1至13中任一项所述的变流器(800)。
15.一种用于运行具有至少一个相模块(400)的多级变流器(800)的方法，所述相模块布置在多级变流器的第一直流电压接头(16)与第二直流电压接头(17)之间，并且所述相模块具有多个模块(1_1...1_n；2_1...2_n)，其中，所述相模块(400)具有与第一直流电压接头(16)连接的第一相模块支路(11)，具有与第二直流电压接头(17)连接的第二相模块支路(13)，以及具有将第一相模块支路(11)与第二相模块支路(13)连接的第三相模块支路(404)，其中在所述方法中
-测量施加在多级变流器(800)的交流电压接头(5)上的电压的瞬时值；以及
-依据所测量的瞬时值，将所述交流电压接头(5)与在第一相模块支路(11)和第三相模块支路(404)之间的第一连接点(412)连接，或与在第三相模块支路(404)和第二相模块支路(13)之间的第二连接点连接。
16.根据权利要求15所述的方法，
其特征在于，
-借助具有至少一个电力电子开关(424，428)的开关装置(420)将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)或所述第二连接点(416)连接。
17.根据权利要求15或16所述的方法，
其特征在于，
-借助开关装置(420)，在开关装置的第一开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)连接，并且将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)分离；以及
-借助所述开关装置(420)，在开关装置的第二开关位置中将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)连接，并且将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)分离。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，
其特征在于，
-如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值大于零，则将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)连接，并且如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值小于零，则将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)连接，或者
-如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值位于第一预选电压范围内，则将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(412)连接，并且如果施加在交流电压接头(5)上的电压的瞬时值位于第二预选电压范围内，则将所述交流电压接头(5)与所述第二连接点(416)连接。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，
其特征在于，
-所述第三相模块支路(404)具有多个电气串联连接的子支路(704，708，712)，在所述子支路之间存在至少一个另外的连接点(716)，其中依据所测量的瞬时值将所述交流电压接头(5)与所述第一连接点(11)、与所述第二连接点(13)或与所述另外的连接点(716)连接。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，
其特征在于，
-在发生故障时、特别是在发生短路时，借助所述开关装置(420)将所述交流电压接头(5)与所述相模块(400)分离。
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