CN111656670A - 模块化多电平转换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于在直流电压和交流电压之间进行转换的模块化多电平转换器，该模块化多电平转换器包括：至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元，每个相位单元包括上转换器臂和下转换器臂，每个转换器臂具有串联布置的一个或多个元素，其中每个元素包括能量存储元件和适于将能量存储元件切换进或切换出串联元素的开关布置；控制单元，该控制单元适于控制元素的开关布置；在上转换器臂和下转换器臂之间串联布置的中间转换器臂，该中间转换器臂具有串联布置的一个或多个元素；在所述上转换器臂和中间转换器臂之间的上节点和在所述下转换器臂和中间转换器臂之间的下节点；布置在所述上节点和交流端子之间的上桥接元件；布置在所述下节点与所述交流端子之间的下桥接元件。

Description

模块化多电平转换器
本发明涉及模块化多电平转换器。本发明还涉及用于模块化多电平转换器的操作方法。
模块化多电平转换器(MMC)是一种较新的且有吸引力的解决方案，无需变压器即可进行功率转换。它们的一些优点是可扩展性高，较少或不需要交流(AC)滤波器以及在直流(DC)总线上较少或不需要DC链路电容器。
MMC的缺点是其复杂度高，这是由于数量众多的各个转换器元素(cell)及相关联的开关控制和电容器电荷平衡引起的。
本发明的目的是提供一种具有降低的复杂度的改进的模块化多电平转换器。
根据本发明的用于在DC电压与AC电压之间转换的模块化多电平转换器包括至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元，每个相位单元包括上转换器臂和下转换器臂，每个转换器臂具有串联布置的一个或多个元素，其中每个元素包括能量存储元件和适于将能量存储元件切换进或切换出串联元素的开关布置。
另外，模块化多电平转换器包括适于控制元素的开关布置的控制单元，
模块化多电平转换器包括串联布置在上转换器臂与下转换器臂之间的中间转换器臂，该中间转换器臂具有串联布置的一个或多个元素，所述上转换器臂与中间转换器臂之间的上节点以及所述下转换器臂与中间转换器臂之间的下节点，布置在所述上节点与AC端子之间的上桥接元件，以及布置在所述下节点与所述AC端子之间的下桥接电流控制器。
本发明基于这样的思想，取决于AC电压，中间转换器臂可以用于支持下转换器臂或上转换器臂。这样，给定DC链路电压所需的元素数量可以减少25％。
电容器尺寸还有其他益处。中间转换器臂支持上转换器臂和下转换器臂两者，并且所产生的电流纹波的频率是上转换器臂和下转换器臂中的电流纹波频率的两倍。由于频率的增加，可以减小中间转换器臂的元素电容器的尺寸，而不会影响纹波电流。
在本发明的示例性实施例中可以单独添加或一起添加的其他特征包括：
-控制构件可以采用微控制器的形式，诸如FPGA。它可以适于控制所述上桥接元件和下桥接元件。
-每个桥接元件的额定电压可以等于或高于中间转换器臂的额定电压。
-中间转换器臂中的元素的电容器可以比下转换器臂或上转换器臂的电容器具有更小的容量。在另一个实施例中，中间转换器臂中的元素的电容器可以具有下转换器臂或上转换器臂的电容器的一半的容量。较小的容量导致中间转换器臂的元素的尺寸较小。
-中间转换器臂、上转换器臂和下转换器臂的额定电压可以相等。
-替代地，中间转换器臂的额定电压可以低于上转换器臂和/或下转换器臂的额定电压。
-每个桥接元件包括一个或多个针对低传导损耗而优化的开关。在另一个实施例中，开关可以是IGCT(集成门极换流晶闸管)。由于桥接元件仅必须以供电网络频率的数量级的相对较低的频率(50Hz或60Hz)进行切换，因此这将有利地减少总损耗。桥接元件可以以两倍的网络频率进行切换。
-每个桥接元件可以包括一个或多个二极管。尤其是当模块化多电平转换器用作整流器时，使用二极管使模块化多电平转换器的设置和操作更便宜且更简单。
-桥接元件可以包括一个或多个具有反向二极管的晶闸管。有利地，这些具有低传导损耗。
-上转换器臂、下转换器臂和中间转换器臂中的一个或多个可以包括多个元素。
-在一个实施例中，上转换器臂和下转换器臂的元素是全桥型元素，而中间转换器臂的元素是半桥型元素。这可以通过控制具有全桥的元素之间的相间电压(phase-to-phase voltage)来控制从AC侧到DC侧的电流，从而允许DC故障阻止。
-模块化多电平转换器可以包括并联布置的三个或更多个所述相位单元。这允许模块化多电平转换器的三相位操作。
-模块化多电平转换器可以包括：布置在所述上节点与AC端子之间的第二上桥接元件；以及布置在所述下节点与所述AC端子之间的第二下桥接电流控制。这些第二桥接元件允许旁路桥接元件，并且因此增强了模块化多电平转换器的可靠性。另外，并联的第二桥接元件将传导损耗降低了一半。
-模块化多电平转换器可以还包括在上桥接元件和下桥接元件的中间点与AC端子之间的第一桥开关，以及在第二上桥接元件和下桥接元件的中间点与AC端子之间的第二桥开关。这些桥开关允许分别断开桥接元件和第二桥接元件。因此，可以通过断开该特定桥接元件来控制上桥接元件或下桥接元件中的短路。这增强了模块化多电平转换器的可靠性。在没有桥开关的情况下实现相同的可靠性将需要串联更多的开关，从而产生更高的损耗。
本发明提供了一种用于操作模块化多电平转换器的方法，其中，相位单元连接到DC网络，并且相位单元的AC端子连接到AC网络，控制单元控制上转换器臂和下转换器臂的元素的开关布置以使上转换器臂和下转换器臂的电压适应AC电压电平，并且控制单元通过当下转换器臂电压高于上转换器臂电压时接通上桥接元件，以及当下转换器臂电压低于上转换器臂电压时接通下桥接元件来控制桥接元件。
-优选地，上桥接元件和下桥接元件中的另一个被关闭。
-所述网络可以是负载网络或供电网络或任何其他种类的电气网络。
-优选地，控制单元以两倍于AC电压频率的频率来切换桥接元件。
-控制单元可以控制中间转换器臂的元素的开关布置，使得当各个开关的电压为零时，各个开关被接通和/或关闭，从而减小了开关损耗。
附图说明
现在参考附图描述本发明的实施例，但本发明不限于此。
图1图示了根据现有技术的模块化多电平转换器；
图2和图3图示了转换器元素的示例；
图4图示了根据实施例的模块化多电平转换器的相位单元；
图5图示了根据实施例的模块化多电平转换器的第二相位单元‘
图6图示了根据实施例的单相位模块化多电平转换器。
图7图示了根据实施例的三相位模块化多电平转换器；
图8-10图示了图4和5的相位单元和图6和7的模块化多电平转换器的桥接元件的示例。
附图的图示是示意性形式。注意，在不同的图中，相似或相同的元件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1图示了根据现有技术的用于将DC电压转换为AC电压或反之亦然的模块化多电平转换器M的基本设置。图1仅示出了模块化多电平转换器M的单相位单元A。相位单元A连接到具有DC端子E1、E2的DC线，并且具有AC端子A1。在这种模块化多电平转换器M的实际实施例中使用的相位单元A的数量可以是一个、两个、三个或更多。如果模块化多电平转换器M包括多个相位单元A，则这些相位单元通常并联布置，即，相位单元A每个都连接到相同的DC线，而它们的各个AC端子A1形成AC相位端子。
每个相位单元A包括上转换器臂Z1和下转换器臂Z2，每个转换器臂Z1、Z2具有串联布置的多个双端子元素C。另外，每个转换器臂Z、Z2包括以线圈L1、L2的形式与串联的元素C串联的电感元件。转换器臂Z1、Z2依次串联连接在DC端子E1、E2之间。在其最基本的形式中，元素C包括能量存储元件和开关布置。能量存储元件通常是电容器。开关布置使元素C能够短路其两个端子，从而旁路能量存储，或者将能量存储元件放置在其两个端子之间。
模块化多电平转换器M还包括控制单元，该控制单元适于控制相位单元A的元素C以在DC端子E1、E2与AC端子A1之间转换。为此，每个元素C适于通过使用相应的输入电压或从外部电源对其能量存储充电来产生电压阶跃(voltage step)。控制单元适于接通一个相位单元的部分元素，并旁路相位单元A的其余元素，以使得相位单元中的激活元素的电压之和等于直流电压。上转换器臂Z1与下转换器臂Z2之间的激活元素C的比率设定相位单元的AC端子A1处的电压。以正弦方式改变比率可以在AC端子A1处产生相对平滑的AC电压。
图2示出了示例性元素CH。元素CH是半桥元素。它包括两个串联连接的开关H1a、H1b的半桥HI。开关H1a、H1b可以是IGBT或其他种类的半导体开关。电容器CP与半桥HI并联布置。半桥元素CH的第一端子CT1由半桥HI的开关H1a、H1b之间的节点形成。半桥元素CH的第二端子CT2由半桥HI的外部节点之一形成，在图2中由开关H1a的下节点形成。半桥元素CH是模块化多电平转换器M的元素C的最简单形式，并且它能够通过激活开关H1a来旁路电容器CP，并且它能够通过关闭开关H1a并接通开关H1b来将电容器CP放置在其端子CT1、CT2之间的单极性中。
图3示出了示例性元素CF。元素CF是全桥元素。它包括两个半桥H1、H2，分别是两个串联连接的开关H1a、H1b的半桥H1，两个串联连接的H2a、H2b的半桥H2。电容器CP与半桥H1、H2并联布置。与半桥元素CH一样，全桥元素CF的第一端子CT1由半桥HI的开关H1a、H1b之间的节点形成。与半桥元素CH相反，全桥元素CF的第二端子CT2由第二半桥H2的开关H2a、H2b之间的节点形成。通过激活每个半桥H1、H2的一个开关，全桥元素CF能够旁路电容器CP。另外，它能够将电容器CP放置在其端子CT1、CT2之间的两个极性中。因此，它是具有扩展能力但开关数量增加的元素C。
图4示出了根据本发明示例性实施例的模块化多电平转换器100的相位单元102。相位单元102包括用于连接到DC电压(诸如DC链路的)的第一DC端子104和第二DC端子105。包括第一电感器106、上转换器臂108、中间转换器臂110、下转换器臂112和第二电感器114在DC端子104、105之间被串联布置。上转换器臂108与中间转换器臂110之间的节点116连接到上桥接元件118，并经过上桥接元件118到达AC端子120。下转换器臂112与中间转换器臂110之间的节点122连接到下桥接元件124，并经过下桥接元件124到达AC端子120。
与图1的模块化多电平转换器M一样，上转换器臂108、下转换器臂112各自包括至少一个元素C，但通常是串联的元素C，元素C可以是任何元素类型，诸如半桥元素CH或全桥元素CF。上转换器臂108和下转换器臂112还可以包含元素C的并联连接。中间转换器臂110还包括至少一个元素C，但通常是串联的元素C，元素C可以是任何元素类型，诸如半桥元素CH或全桥元素CF。元素C或中间转换器臂110的数量通常等于上转换器臂108和下转换器臂112中的每一个中的元素C的数量，但是在一些实施例中，中间转换器臂110的元素C的数量小于上转换器臂108和下转换器臂112中的每一个中的元素C的数量。
转换器臂108、110、112的额定电压与每个转换器臂108、110、112中存在的元素C的数量以及元素C中的开关H1a、H1b、H2a、H2b的额定电压相关。虽然在图1的模块化多电平转换器M中，上转换器臂Z1、下转换器臂Z2的额定电压应该各自至少等于预期的DC电压值，但是图4的模块化多电平转换器的转换器臂108、110、112的额定电压可以是不同的。在有利的实施例中，每个转换器臂108、110、112的额定电压等于DC电压值的一半。如果需要冗余，则某些或所有转换器臂的额定电压可以增加到高于此值。
相反，转换器臂108、110、112的额定电压也可以不同地分配。例如，上转换器臂108和下转换器臂112中的每一个的额定电压可以等于DC电压的2/3，而中间转换器臂的额定电压则必须是DC电压的1/3。同样，为了冗余，某些或所有额定电压值可以增加到高于所需的值。在每个实施例中，上转换器臂108和中间转换器臂110的额定电压的总和与下转换器臂108和中间转换器臂110的额定电压的总和必须至少等于DC电压。进一步的限制是，上转换器臂108和下转换器臂112中的每一个的额定电压必须至少是DC电压的一半。
可以看出，当每个转换器臂108、110、112的额定电压等于DC电压值的一半时，所有被合并的元素C的总额定电压等于DC电压的1.5倍。在根据现有技术的模块化多电平转换器M中，其中上转换器臂Z1和下转换器臂Z2具有DC电压的额定电压，元素C的数量是DC电压的两倍。
因此，图4的相位单元102仅需要标准模块化多电平转换器的可比相位单元的75％的元素。这减少了必需的电容器的数量，并且因此减少了模块化多电平转换器100的尺寸和重量。
桥接元件118、124的额定电压应至少等于中间转换器臂110的额定电压。
模块化多电平转换器100的控制单元控制元素C以及桥接元件118、124，以调整端子104、105、120处的DC和AC电压。在DC到AC电压转换的示例性情况下，这意味着所需数量的元素C被切换到激活状态，在该激活状态下电容器CP不被旁路以产生所需AC电压的瞬时值。由于单独的上转换器臂108或下转换器臂112不能阻止整个DC电压，因此，通过将中间转换器臂110添加到上转换器臂108或下转换器臂112(取决于必须在何处阻止电压)来产生绝对高于上转换器臂108或下转换器臂112的额定电压的任何瞬时AC电压。通过接通上桥接元件118并断开下桥接元件124来完成将中间转换器臂110添加到下转换器臂112。通过断开上桥接元件118并接通下桥接元件124来完成将中间转换器臂110添加到上转换器臂108。可以看出，桥接元件118、124的状态仅需要在瞬时AC电压值的峰值之间的某个点处改变，例如当AC值过零点时。因此，桥接元件118、124的状态仅需要每AC频率的全波改变两次，即以AC电压频率的两倍改变。此频率可以例如是100Hz或120Hz，并且与元素C的状态改变的频率相比较低。因此，桥接元件118、124可以有利地使用针对低传导损耗而优化的开关来构造。桥接元件118、124可以例如使用IGCT来构造。
当控制单元已经设置桥接元件118、124的状态使得中间转换器臂110被添加到下转换器臂112时，控制单元可以将中间转换器臂110和下转换器臂112的元素C视为它们是单个转换器臂的一部分。中间转换器臂110和下转换器臂112的额定电压的总和至少等于DC电压，因此激活组合的转换器臂110、112的元素C以设置AC电压值可以通过对于模块化多电平转换器已知的方法完成。当控制单元已经设置桥接元件118、124的状态使得中间转换器臂110被添加到上转换器臂108时，即当瞬时AC电压值更接近第二DC端子105处的较低DC电压值时的情况，对于组合的上转换器臂108和中间转换器臂110来说同样如此。
当AC电压的绝对值低于可以仅由上转换器臂108或下转换器臂112支持的值时，则中间转换器臂110无需添加到其他转换器臂108、112中的任何一个。相反，控制单元可以通过接通两个桥接元件118、124来旁路中间转换器臂110。替代地，中间转换器臂110然后可以用来帮助上转换器臂108或下转换器臂112中的电容器的电荷平衡。
图5示出了模块化多电平转换器100的相位单元202的第二示例性实施例。相位单元202包括图4的相位单元102的元件以及附加元件。
上桥接元件118和下桥接元件124在节点204处连接。在图5的相位单元202中，节点204不直接连接到AC端子120，而是通过切断开关206连接。
另外，相位单元202包括第二上桥接元件218和第二下桥接元件224。第二桥接元件218、224类似于桥接元件118、124布置，即，上转换器臂108和中间转换器臂110之间的节点116连接到第二上桥接元件218。中间转换器臂110和下转换器臂112之间的节点122连接到第二下桥接元件224。第二桥接元件218、224的其他端子在节点208处连接。节点208通过切断开关210连接到AC端子120。
相位单元202因此增加了通过桥接元件118、124、218、224的次级电流路径。此次级电流路径减少了正常情况下发生的传导损耗。在正常操作期间，切断开关206、210通常处于闭合状态，即导电的。
另外，次级电流路径减少了相位单元202发生故障的机会。通常构建模块化多电平转换器的元素C，使得开关的单个故障将仅使个别元素C失效，而使模块化多电平转换器的性能降低很小。如果模块化多电平转换器构建有冗余元素C(即，具有多于正常操作所需的元素C)，则单个故障根本不会改变其性能。然而，在图4的相位单元102中，桥接元件118、124的故障可能使相位单元102的性能严重降低或不起作用。然而，图5的相位单元202中的桥接元件118、124、218、224的故障将不会使相位单元202不起作用。如果桥接元件118、124、218、224的故障使桥接元件118、124、218、224不导电，则相应的并联桥接元件118、124、218、224可以将全电流带到相应的节点116、122。在这种情况下，仅传导损耗增加，而相位单元202的功能不变。如果故障使桥接元件118、124、218、224短路，则可以接通相应的切断开关206、210以断开特定的桥接元件118、124、218、224。这使相应的上桥接元件118、218和下桥接元件124、224都断开，这再次增加了传导损耗，但是使相位单元202在其他情况下完全起作用。
图6示出了由图4的相位单元102构建的单相位模块化多电平转换器300。单相位模块化多电平转换器300以并联布置使用两个这样的相位单元102。相位单元102连接到DC链路线302、304，并且相位单元的AC端子120形成单相位模块化多电平转换器300的AC端子306、308。除了使用图4的相位单元102之外，图5的相位单元202可以用在单相位模块化多电平转换器300中。
图7示出了再次由图4的相位单元102构建的三相位模块化多电平转换器400。三相位模块化多电平转换器400使用并联布置的三相位单元102。相位单元102连接到DC链路线302、304，并且相位单元的AC端子120形成三相位模块化多电平转换器400的AC端子406、408、410。除了使用图4的相位单元102之外，图5的相位单元202可以用在三相位模块化多电平转换器400中。
单相位模块化多电平转换器300或三相位模块化多电平转换器400的具体实施例可以在外部即靠近图4至图7所示的DC端子104、105处使用电感元件L1、L2。替代地，电感元件L1、L2可以不同地布置，诸如靠近AC端子120或作为元素C内或元素C之间的较小的电感元件。
单相位模块化多电平转换器300或三相位模块化多电平转换器400的一些实施例可以对所有转换器臂108、110、112使用相同类型的元素C，例如半桥元素CH或全桥元素CF。在其他的实施例中，可以使用不同类型的元素C。在有利的实施例中，上转换器臂108和下转换器臂112使用全桥元素CH，该全桥元素CH能够通过控制具有全桥元素CF的元素C之间的相间电压来控制从AC侧到DC侧的电流，从而DC故障阻止。DC故障阻止不需要的中间转换器臂110仅使用半桥元素CH，以实现更简单的控制和更少的开关。
图8至图10示出了桥接元件118、124、218、224的不同实施例。当DC电压在单个开关的额定电压之内时，例如，当DC电压为400V时，单个开关802(例如IGBT)可以用作如图8所示的桥接元件118、124、218、224中的每一个。在这种情况下，相位单元102、202可能仅在每个转换器臂108、110、112中使用单个元素C。
当DC电压超出单个设备的限制时，串联开关902(例如IGBT)可以用作如图9所示的桥接元件118、124、218、224中的每一个。
图10示出了第三种可能性，其中串联二极管1002用于桥接元件118、124、218、224中的每一个。当模块化多电平转换器用作整流器时，即在AC到DC操作中，可以使用单个二极管或串联二极管1002。

Claims (14)

1.一种用于在直流电压和交流电压之间转换的模块化多电平转换器(300、400)，所述模块化多电平转换器(300、400)包括
至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元(102、202)，每个相位单元(102、202)包括上转换器臂(108)和下转换器臂(112)，每个转换器臂(108、112)具有串联布置的一个或多个元素(C、CF、CH)，其中每个元素(C、CF、CH)包括能量存储元件(CP)和适于将所述能量存储元件(CP)切换进或切换出元素的串联(C、CF、CH)的开关布置；
控制单元，所述控制单元适于控制所述元素(C、CF、CH)的开关布置；
在所述上转换器臂和下转换器臂(108、112)之间串联布置的中间转换器臂(110)，所述中间转换器臂(110)具有串联布置的一个或多个元素(C、CF、CH)；
在所述上转换器臂和中间转换器臂(108、110)之间的上节点(116)和在所述下转换器臂和中间转换器臂(112、110)之间的下节点(122)；
布置在所述上节点(116)和交流端子(120)之间的上桥接元件(118)；
布置在所述下节点(122)与所述交流端子(120)之间的下桥接元件(124)。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，每个桥接元件(118、124)具有的额定电压等于或高于所述中间转换器臂(110)的额定电压。
3.根据权利要求1或2所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述能量存储元件(CP)是电容器(CP)，并且所述中间转换器臂(110)中的电容器(CP)的容量小于所述下转换器臂或上转换器臂(108、112)的电容器(CP)的容量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述中间转换器臂、上转换器臂和下转换器臂(108、110、112)的额定电压是相等的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述中间转换器臂(110)的额定电压低于所述上转换器臂和/或下转换器臂(108、112)的额定电压。
6.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，每个所述桥接元件(118、124)包括针对低传导损耗而优化的一个或多个开关(802)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，每个所述桥接元件(118、124)包括一个或多个具有反向二极管的晶闸管。
8.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述上转换器臂和下转换器臂(108、112)的元素(C，CF，CH)是全桥型元素(CF)，而所述中间转换器臂(110)的元素是半桥型元素(CH)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，包括并联布置的三个或更多个所述相位单元(102、202)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，包括
布置在所述上节点(116)和交流端子(120)之间的第二上桥接元件(218)，
布置在所述下节点(122)和所述交流端子(120)之间的第二下桥接元件(224)。
11.根据权利要求10所述的模块化多电平转换器(300、400)，包括在所述上桥接元件和下桥接元件(118、124)的中间点(204)与交流端子(120)之间的第一切断器(206)，以及在所述第二上桥接元件和下桥接元件(218、224)的中间点(208)与所述交流端子(120)之间的第二切断器(210)。
12.一种用于操作前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)的方法，其中，所述相位单元(102、202)连接到直流网络，并且所述相位单元的交流端子(120)连接到交流网络，所述控制单元控制所述上转换器臂和下转换器臂(108、112)的元素(C、CF、CH)的开关布置以使所述上转换器臂和下转换器臂(108、112)的电压适应交流电压电平，并且所述控制单元通过以下方式控制所述桥接元件(118、124)：
当下转换器臂(112)电压高于上转换器臂(108)电压时，接通所述上桥接元件(118)，以及
当下转换器臂(112)电压低于上转换器臂(108)电压时，接通所述下桥接元件(124)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述控制单元以两倍于所述交流电压频率的频率来切换所述桥接元件(118、124)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述控制单元控制所述中间转换器臂(110)的元素(C、CF、CH)的开关布置，使得当各个开关(H1a、H1b、H2a、H2b)的电压为零时，各个开关(H1a、H1b、H2a、H2b)被接通和/或关闭。
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