CN1396700A - 传输有功功率的功率电子电路装置和方法 - Google Patents

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Abstract

把有功功率从直流电压侧传输到交流电压侧终端的电路装置具有一个带有负载终端的第一变流器，在该负载终端上分别串联具有较小耦合回路电容电压的第二变流器。由此在交流电压侧终端上能够达到总和电压的较细电压分级。根据本发明第二变流器没有用于馈给有效能量的单元。由此取消了目前应用的、用于第二变流器馈电的整流器。在根据本发明的方法中借助于公共的调整装置调整变流器的耦合回路电容的电压和该电路装置的交流电压侧终端的共态电压。虽然第二变流器与负载和与第一变流器交换有效能量，可是耦合回路电容电压特别基本上保持恒定。为此根据换流器模型预先计算耦合回路电容电压的变化并且如此选择共态电压，使耦合回路电容电压与各自理论值的偏差的平方的加权和最小。

Description

传输有功功率的功率电子电路装置和方法
                      技术领域
本发明涉及功率电子领域。本发明涉及根据权利要求1的前序部分的传输有功功率的功率电子电路装置并涉及根据权利要求7的前序部分的运行该功率电子电路装置的方法。
                      现有技术
如此的电路装置例如公开于DE-A-196 15 855。该电路装置具有一个第一变流器，其连接在具有第一耦合回路电容直流电压源上并具有三个负载终端，以及具有第二变流器，其布置在负载终端和负载的交流电压侧的终端之间。以第二变流器中的一个至少一个第二耦合回路电容电压或可能零伏可以同各自负载终端的电压相加或相减。对此第二耦合回路电容电压小于第一耦合回路电容电压。由此在交流电压侧的终端上或者在负载上达到电压的与第一耦合回路电压相比较细的电压级。通过第一变流器在预定电压附近粗调整到一个电压值，并且第二变流器通过脉宽调制调整到同预定电压的剩余差值，在交流电压侧终端上调整预定的平均电压。对此第二变流器比第一变流器快计时。分别借助于特有的换流器和公共的馈电变压器对第二变流器馈电。在DE-A 197 20 787中指出一个方法，该方法避免能量从第二变流器的反馈，如此用于第二变流器馈电的相应换流器可以是纯整流器，也就是不需要反馈并因此是成本低的。可是在二个引用的情况下第二变流器的馈电费用是必不可少的。
                        本发明的描述
本发明的任务是，建立开始所述形式的传输有功功率的功率电子电路装置，其具有简化的结构，以及建立运行该电路装置的方法。
具有权利要求1的特征的传输有功功率的功率电子电路装置和具有权利要求7的特征的运行该功率电子电路装置的方法解决该任务。
传输有功功率的根据本发明的电路装置具有第一变流器和至少一个第二变流器，其中这个至少一个第二变流器不具有特有的供给能量的单元。因此这个至少一个第二变流器除了到第一变流器的各自负载终端和到各自交流电压侧的终端的连接外不具有另外的终端或把有功功率或者有效能量传输到第二直流电压级间耦合电路或从第二直流电压级间耦合电路传输的单元。
由此取消了第二变流器馈电的开始提到的整流器，因此该电路装置显著简化，变得成本更低并且更可靠。
在一个优选实施形式中根据本发明的电路装置具有调整装置用于公共调整至少一个第二变流器的至少一个耦合回路电容电压和该电路装置的交流电压侧终端的共态电压以及按照这个调整装置的输出量控制第一变器和这个至少一个第二变流器的半导体开关的单元。
由此，虽然第二变流器与负载和与第一变流器交换有功功率，可是这个至少一个第二变流器和也许第一变流器的耦合回路电容的电压的时间平均值能够基本上保持恒定。
在本发明的一个另外的实施形式中在第一变流器的负载终端和分配的交流电压侧终端之间分别串联一个第二变流器，其中该第二变流器分别二个二点逆整流器桥。第一变流器和第二变流器的耦合回路电容的额定电压比例主要为2∶1或3∶1。因此可以以5至9级的分级调整在交流电压侧终端上的电压，正如下面的表指出的：
  第一变流器   第二变流器     电压比     级数
    2点     2点     2∶1     5
    2点     2点     3∶1     6
    3点     2点     3∶1     7
    3点     2点     3∶1     9
在本发明的一个另外优选的实施形式中在第一变流器的负载终端和分配的交流电压侧终端之间分别串联一个第二变流器，其中这个第二变流器分别具有一个二点逆整流器桥和一个三点逆整流器桥。第一变流器和第二第二变流器的耦合回路电容的额定电压比例主要为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。因此可以以7至15级的分级调整在交流电压侧终端上的电压，正如下面的表指出的：
  第一变流器   第二变流器     电压比     级数
    2点     2/3点     2∶1     7
    2点     2/3点     3∶1     8
    2点     2/3点     4∶1     9
    2点     2/3点     5∶1     10
    3点     2/3点     2∶1     9
    3点     2/3点     3∶1     11
    3点     2/3点     4∶1     13
    3点     2/3点     5∶1     15
在本发明的一个另外优选的实施形式中在第一变流器的负载终端和分配的交流电压侧终端之间分别串联二个第二变流器，其中这些第二变流器分别具有二个二点逆整流器桥。因此能够以7至最大27级的分级调整在交流电压侧终端上的电压。第一变流器和第二变流器的耦合回路电容的额定电压比例主要为4∶1∶1、5∶1∶1、6∶2∶1、7∶2∶1、8∶3∶1或9∶3∶1。
在根据本发明的方法中借助于一个公共调整装置调整至少一个第二变流器的至少一个耦合回路电容的电压和该电路装置的交流电压侧终端的共态或共模电压。在本发明的优选变体中公共调整也考虑第一变流器的耦合回路的电压，特别是耦合回路的中性点电压。公共调整在考虑到公共最优化判据的情况下影响已调整的电压。
在本发明的一个优选变体中使已调整电压与各自理论值的偏差的平方的加权和最小。
从属权利要求中得出本发明的有益实施形式。
                      图的简短说明
下面根据优选的、在附图中描述的实施例阐述本发明目标。
图1与负载和馈电连接的根据本发明的电路装置的电路图；
图2在第二实施形式中的第一变流器；
图3在第二实施形式中的第二变流器；
图4根据本发明的另外实施形式的每负载终端的二个第二变流器的串联电路；
图5与根据本发明电路装置连接的根据本发明的调整装置的调整示意图；
图6与根据本发明电路装置的另外实施形式连接的根据本发明调整装置的调整示意图；
图7按照根据本发明的电路装置的相位的等效电路图；
图8换流器电压的曲线；
图9换流器桥的调制度的曲线。
在图中应用的参考符号及其含义在参考符号表中概括列表。原则上在图中相同部分具备相同的参考符号。
                     实施本发明的途径
图1指出了与负载和馈电连接的根据本发明的电路装置。该电路装置用于把有功功率从直流电压侧传输到至少二个交流电压侧终端10或反向传输。直流电压侧例如是第一直流电压耦合回路3。其具有第一耦合回路电容电压，第一正极32和第一负极33，并且通过整流器2、通常经过电源变压器12、从电供网对这个直流电压耦合回路馈电。整流器2主要是一个能够反馈的换流器，也就是说其能够把能量从第一整流电压耦合回路3传输到供电网1中。在本发明的另外实施形式中整流器2是二极管整流器，也就是没有反馈能力。
根据本发明的电路装置包含一个第一变流器4，其连接在直流电压源或者第一直流电压耦合回路3上。第一变流器4是一个三点逆整流器、正如在图1中指出的，或是一个二点逆整流器，比如在图2中指出的。第一变流器4至少具有二个负载终端5。每负载终端第一变流器4主要具有一个总电流整流器桥41。如果第一变流器4是三点逆整流器，则第一直流电压耦合回路3具有一个第一中性点31。借助于总电流整流器桥41有选择地至少正的第一耦合回路电容电压、负的第一耦合回路电容电压与第一变流器4连接，或在三点逆整流器的情况下零伏置于每一个负载终端5上。
根据本发明的电路装置包含至少一个第二变流器7，其具有一个带有第二耦合回路电容电压的第二直流电压耦合回路71，其并联于第一和第二换流器桥72、73。至少一个第二变流器7经过第一换流器桥72的第一桥终端6连接负载终端5中的一个上并且经过第二换流器桥73的第二桥终端8与交流电压侧终端10连接。
在本发明的有选实施形式中在第二桥终端8和分配的交流电压侧终端10之间分别连接一个正弦滤波器或滤波器9用于负载电流或者负载电压的滤波。在交流电压侧终端10上连接一个负载11、例如一个电机。变流器或者其总电流整流器桥41、第一换流器桥72和第二换流器桥73具有半导体开关，例如IGCTs(集成栅极整流晶闸管)或IGBTs(绝缘栅极双极晶体管)。
图2指出在第二实施形式中的第一变流器4和第一直流电压耦合回路3。对此第一变流器4是二点变流器并且耦合回路3是由一部分组成的。
图3指出了在第二实施形式中的第二变流器7。在该实施形式中第二直流电压耦合回路71是由二部分组成的，具有一个第二中性点74，第二换流器73作为三点逆整流器形成。第二变流器7的这个实施形式称作2/3点变流器。因此有选择地单一或加倍的第二耦合回路电容电压或零伏可以同相应负载终端5的电压相加或者相减。在一个另外的变体中第一换流器桥72也作为三点逆整流器形成。原则上二点和三点逆整流器的任意组合是可能的，特别是在DE-A-196 15 855中描述并要求的组合。
图4根据本发明的另一个优选实施形式指出了每终端负载的二个第二变流器7a、7b的串联电路。第二变流器7经过其第一桥终端6和第二桥终端8串联。也就是第一个第二变流器7a的第一桥终端6与负载终端5连接，第一个第二变流器7a的的第二桥终端8与第二个第二变流器7b的第一桥终端6连接，第二个第二变流器7b的第二桥终端8与滤波器9或者交流电压侧终端10连接。原则上第二变流器7a、7b的不同上面描述的实施形式可以任意组合在一起，也就是说第一个第二变流器和第二个第二变流器是2点和/或3点和/或2/3点变流器。
借助于至少一个第二变流器(7)一个或多个：
·正的第二耦合回路电容电压，
·负的第二耦合回路电容电压或
·零伏
可以同第一变流器(4)连接在其负载终端(5)上的电压值可以相加。通过三点逆整流器加倍的第二耦合回路电容电压附加也可以相加或者相减，相加的电压位于第二桥终端8上或者位于相应的交流电压终端10上。第二耦合回路电容电压主要不同于第一耦合回路电容电压，以便在交流电压侧终端10上允许一个较细的电压分级作为第一变流器4的电压分级。细分电压分级的原理在开始提到的DE-A-196 15855或DE-A 197 20 787中阐述。通过第一变流器4形成输出电压的最大部分，也就是说在交流电压侧终端10上的电压，该第一变流器缓慢计时钟并且主要装备IGCTs(集成栅极整流晶闸管)。第一变流器4的开关频率总计至少大约50至300Hz，第二变流器7的开关频率总计至少大约300至1000Hz。输出电压的基频总计为例如0至60或300Hz。
在根据图1的布置的第一直流电压耦合回路3的示范配置中，该配置具有2kV的第一变流器4的额定耦合回路电容电压和1kV的第二变流器7的额定耦合回路电容电压，根据下面的表在一个交流电压侧终端10上得出关于第一中性点31的合成电压。“额定耦合回路电容电压”的概念表示在耦合回路电容上的电压，并且为附属换流器设计的。在二点逆整流器的情况下这是在耦合回路上的整个电压，在三点逆整流器或者具有二个电容和一个中性点的耦合回路的情况下这是在耦合回路上整个电压的一半。
    第一变流器在负载终端上        第二变流器，在第一桥终端6和第二桥终端8之间   在第二桥终端8上或者在交流电压侧终端上的合成电压
    +2kV     +1kV     +3kV
    +2kV     0kV     +2kV
    +2kV0kV     -1kV+1kV +1kV
    0kV     0kV     0kV
    0kV-2kV     -1kV+1kV -1kV
    -2kV     0kV     -2kV
    -2kV     -1kV     -3kV
对此在第一直流电压耦合回路3和第二直流电压耦合回路71的额定电压之间的电压比为2∶1。因此合成的电压可以支配7级。该设计是冗余的，因为一方面不同的开关组合导致同样的合成电压。下面具有3∶1电压比的布置没有冗余并且具有新的转换级：
    第一变流器     第二变流器     合成的电压
    +3kV     +1kV     +4kV
    +3kV     0kV     +3kV
    +3kV     -1kV     +2kV
    0kV     +1kV     +2kV
    0kV     0kV     0kV
    0kV     -1kV     -1kV
    -3kV     +1kV     -2kV
    -3kV     0kV     -3kV
    -3kV     -1kV     -4kV
由于较高数目的开关级或者较细的电压分级优选不冗余的布置。
在根据本发明的电路装置的运行中，第二变流器7不仅与负载11而且也与第一变流器4交换有功功率。根据本发明第二变流器7不具有用于给第二变流器7供应能量或者用于从第二变流器7取电能的单元。也就是除了第一桥终端6和第二桥终端8外第二变流器不具有另外终端或用于传输有功功率到第二直流电压耦合回路71或从第二直流电压耦合回路71传输有功功率的单元。可是如果第二变流器7总共输出较多的能量或者有功功率给负载11和/或第一变流器4，则其第二耦合回路电容电压下降。相反如果第二变流器7从负载11和/或第一变流器4吸收全部能量，则第二耦合回路电容电压上升。
根据本发明在第一变流器4和第二变流器7之间如此调整有功功率的交换，即已调整的电压、也就是说耦合回路的电容的电压、几乎保持恒定。公共的调整、也就是说所有变流器4、7的公共调整对此检测已调整的电压并且协调一致地控制变流器4、7，如此满足叠加变流器4、7的最佳化判据。因此根据本发明改变或者调整交流电压侧终端10的共态电压是可能的。
如果第一变流器4是三点变流器，则第一直流电压耦合回路3具有第一中性点31。例如通过整流器2调整第一直流电压耦合回路3的总电压或在应用二极管整流器的情况下没有调整基本上保持恒定。可是第一中性点31的中性点电压也必须几乎保持恒定。在根据本发明的变体中因此也以同样的方式调整第一耦合回路的中性点电压，也就说作为已调整的电压包含在公共的调整中。
“耦合回路电容电压”的概念表示在运行中在耦合回路电容上存在电压的实际值。该值或者与耦合回路的一半或者与整个耦合回路一致。具有中性点的耦合回路的中性点电压和总电压二者同样称作耦合回路电容电压。“已调整的电压的概念”包含已调整的耦合回路电容电压和已调整的共态电压。
下面的表指出具有根据图3的2/3点变流器可支配的电压级：
    第一变流器     第二变流器     合成的电压
    +2.5kV     +1kV     +3.5kV
    +2.5kV     +0.5kV     +3kV
    +2.5kV     0kV     +2.5kV
    +2.5kV     -0.5kV     +2kV
    +2.5kV     -1kV     +1.5kV
    0kV     +1kV     +1kV
    0kV     +0.5kV     +0.5kV
    0kV     0kV     0kV
    0kV     -0.5kV     -0.5kV
    0kV     -1kV     -1kV
    -2.5kV     +1kV     -1.5kV
    -2.5kV     +0.5kV     -2kV
    -2.5kV     0kV     -2.5kV
    -2.5kV     -0.5kV     -3kV
    -2.5kV     -1kV     -3.5kV
对此在第一直流电压耦合回路3和第二直流电压耦合回路71的额定电压之间的电压比为5∶1。表指出了15个转换级并且没有冗余。在4∶1的电压比的情况下存在13个不同级(2个冗余级)并且在3∶1的电压比的情况下存在11个不同的级(4个冗余级)。
如果串联的第二变流器7具有同样的额定耦合回路电容电压，则在每负载终端5二个第二变流器7串联的情况下可以转换象具有一个单独的根据图3的2/3点变流器一样相同的电压级。
如果串联的第二变流器7的额定耦合回路电容电压不同，则直到27个转换级是可能。下面的表对于本发明的优选实施形式依赖于第一变流器4(Ucm)、第一个串联的第二变流器7(Ucs2)和第二个串联的第二变流器7(Ucs2)的额定耦合回路电容电压的电压比给出了转换级数目：
    Ucm∶Ucs1∶Ucs2     转换级数目
    4∶1∶1     13
    5∶1∶1     15
    6∶2∶1     19
    7∶2∶1     21
    8∶3∶1     25
    9∶3∶1     27
不仅在第二变流器7中三点逆整流器的应用而且多个第二变流器7的串联电路允许在交流电压侧终端10上与第一变流器的电压分级相比更细的电压分级。在任何情况下通过公共调整装置调整第二变流器7的各个电容。
概括起来公共调整装置调整已调整的电压，也就是说第二变流器7以及也许第一变流器4的耦合回路电容的电压，特别是中性点电压。为此通过适当的电压测量仪器确定已调整电压的测量值。
图5指出了与根据图1的根据本发明的电路装置连接的根据本发明的调整装置的调整示意图。根据本发明的公共调整装置功能如下：布置在上面的负载调整装置52检测第一直流电压耦合回路3的耦合电容的一个或多个耦合回路电压值56以及在交流电压侧终端10上的输出电压值53。布置在上面的负载调整装置52为耦合回路电压调节器51预先确定负载电压理论值55，这些值有联系地相互必需处于交流电压侧终端10上，以便以所希望的方式控制负载11、其特别是一个传动马达。通过预先确定在交流电压侧终端10上的输出电压在根据本发明电路装置的非冗余设计的情况下明确给出变流器的开关的控制或者第二变流器7的脉宽调制的调制度。
根据本发明在耦合回路电压调节器51中对于每个相位一个公共的、所谓共态电压同负载电压理论值55相加，以便影响在换流器之间的有功功率流或者影响耦合回路电容的已调整电压。负载电压理论值55和共态电压的和叫做修改的负载电压理论值。根据修改的负载电压理论值在耦合回路电压调节器51中确定第一变流器4的调制度并且确定第二变流器7的调制度57，如此在交流电压侧终端10上出现修改的负载电压理论值。为此测量第一变流器4和第二变流器7的所有耦合回路电容电压并且在耦合回路电压调节器51中共同进行处理。
应用下面的概念：最大换流器输出电压等于串联的第一和第二变流器的耦合回路电容电压的和。调节系数对于整个换流器的稳定工作点等于在实际换流器输出电压和最大换流器输出电压之间的比，其中输出电压基波幅度看作实际的换流器输出电压。以0至100％的百分比给出调节系数。调制度是在瞬时换流器输出电压和最大换流器输出电压之间的比。对于相电压的瞬时值、对于完整换流器或对于部分换流器定义调制度并且具有在-1和+1之间的值。
共态电压基本上不影响负载11。可是共态电压应当是尽可能小的并且非常缓慢地改变，以便此外降低与地电位相比电机饶组的电压负荷。对于负载11的特性仅仅在交流电压侧终端10上的电压差是有决定性，也称作“差动模式”。
由于这个原因共态电压提供在负载11的控制中的自由度。根据本发明利用这个自由度，以便影响在换流器和耦合回路电容电压之间的负载流。对此不可以控制耦合回路电容电压的瞬时值，而是能够仅仅调整在输出电压的基波周期内每个耦合回路电容电压的时间平均值。也不可能达到100％的满调节系数，因为为此串联的第一和第二变流器4、7必须输出持续的能量。作为最大的调节系数可以达到大约82％的值(输出电压的幅度与串联的第一和第二变流器4、7的耦合回路电容电压的和的比)。
共态电压依赖于该电路装置的各自工作点影响耦合回路电容的已调整的电压。公共调整装置、其主要是取样控制、因此具有第一和第二变流器4、7的数学换流器模型。该模型依赖于共态电压和另外的设备量、也就是说预定的负载电压和每相位主要测量的负载电流、表明耦合回路电容电压的改变： U · ^ j [ k ] = - I ^ j ( u h [ k ] , u → mot , ref [ k ] , i → mol [ k ] ) C j j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(1) U ^ j [ k + 1 ] = U j [ k ] + U · ^ j [ k ] · Δt j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(2)
其中[k]表示在取样控制的第k个时刻的量的值。估算或者计算的值与测量的或预先确定的值相比以同例如 中一样的屋脊符号标记。j∈{Cnp，Ca、Cb、Cc}是关于具有已调整的耦合回路电容电压的考虑的容量的索引，Cnp特别涉及在第一中性点31上的电压，并且Ca、Cb、Cc涉及以a、b、c表示的相位的第二直流电压耦合回路71的电容的电压。Cnp等于第一直流电压耦合回路3的二个电容的和。
◆uh         一个变量，其覆盖共态电压的所有可能的值 uh、min...uh，max」，
  预先确定的负载电压的矢量，
Figure A0211843100143
      负载电流的矢量，
Figure A0211843100144
        在考虑的电容中估算的电流的矢量，
◆Cj        考虑的电容的矢量，
◆Uj        考虑的电容的电压的矢量，
Figure A0211843100145
        Uj的估算值，
       Uj的已估算的时间导数
◆△t        取样时间步骤的持续时间。
从uh[k]和
Figure A0211843100147
[k]和 [k]中 的确定包含换流器模型的主要部分。以下面的方式根据换流器理想化考虑获得该模型：
图7对于根据图1的电路装置指出了整流器2、第一直流电压耦合回路3、第一变流器4和第二变流器7中一个第二变流器的理想化等效电路图。在等效电路中换流器桥作为开关或选择开关模型化，第一直流电压耦合回路3的二个耦合回路电容组合为第一中性点31的等效电容cnp。第一直流电压耦合回路3的正的或者负的耦合回路电压为+uCm或者-uCm，第一中性点31的电压为+uCnp。以具有调制度Sm的脉宽调制控制总电流整流器桥41的开关。调制度Sm采用在+1和-1之间的值，其中在第一变流器4的考虑的负载终端5上的电压对于Sm＝+1等于+uCm，对于Sm＝-1等于-uCm。对于位于中间的Sm的值线性插入um的相应值。
以调制度Ss控制具有耦合回路电容电压uCs的第二变流器7。调制Ss采用在+1和-1之间的值，其中在第二变流器7的第一桥终端6和第二桥终端8之间的电压us对于Ss＝+1等于+uCs，对于Ss＝-1等于-uCs。调制度S；由第一换流器桥72的调制度Ssn和第二换流器桥73的调制度Ssp组成，其中
Ss＝(Ssp-Ssn)/2原则上在给出的调制度Ss的情况下对于Ssp和Ssn可以选择任意值，其满足上面的等式。可是主要选择Ssn＝-Ssp。由此有规律地分配反向和正向损耗。
脉宽调制的载频显著大于该电路装置的输出电压的基频，如此换流器可以作为连续装置模型化，正如在IEEE，2000，功率电子专家会议的记录汇编的M.Veenstra和A.Rufer的文章“多电平电压源变换器的PWM-控制”第三卷1387-1393页中描述。
图8指出了对于第一变流器4和相应第二变流器7的变化的调制度单个相位的换流器电压曲线。其中uph是在相应第二桥终端8上的电压，也就是第一变流器4的电压值um，ph和第二变流器7的电压值us，ph的和。上述电压的附加的下标ph表明，涉及确定相位的值。给出的电压与从上述具有电压比为3∶1、具有新转换级的布置的表中形成的这样一个电压，其按4kV的最大合成电压标准化。用正方形标记第一变流器4的电压的表值，用圆形标记第二变流器的电压的表值并且用叉标记总和电压的表值。通过线性插值确定在表值之间的电压曲线。
图9指出了用于产生根据图8的换流器电压的换流器桥的调制度曲线。其中也描述了第一中性点31的调制度Snp的曲线。Snp定义为相对时间的频率，以该频率第一中性点31连接在负载终端5上。因此Snp直接依赖于Sm。不同相位的Snp的值结合为一个矢量
图8和9的曲线明确体现了这种关系，给在第二桥终端8上或者在交流电压测终端10上电压的每个值uph分配一对第一和第二变流器4、7的电压值um，ph、us，ph以及三个调制度Sm、Ss、Snp。根据这些调制度在第k个考虑的时刻在考虑的耦合回路电容中的已估算电流Ij被确定为 i ^ C np [ k ] = - i → mot [ k ] · S → np [ k ] - - - ( 3 ) i ^ C S , ph [ k ] = - i ph [ k ] S s , ph [ k ] ∀ ph ∈ { a , b , c } - - - ( 4 )
等式(3)表明，等效电容的电流等于负载电流关于各自负载电流的相位分别与第一中向点31的调制度Snp相乘的和。等式(4)表明，对于三相系统的每个相位a、b、c从相位的负载电流iph与该相位的第二变流器7的调制度相乘Ss，ph中确定相关相位的第二变流器7的耦合回路电容的电流。
在等式2和5中应用k+1，因为对此涉及下一个取样时刻的电容电压的语言。在等式3和4中应用k，因为涉及在这个取样时刻测量并计算的电流和要调节的调制度。可是等式3和4中的这个值在直到下一个取样时刻的时间间隔内不或不显著改变。类似地适合于等式6-9。
已调整耦合回路电容电压与预先确定、主要恒定的理想值Uj，ref的偏差为 ϵ U ^ j = U ^ j [ k + 1 ] - U j , ref j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(5)
通过调整尽可能小地保持这个电压偏差。同样应当尽可能小地保持共态电压和共态电压的时间变化uh。uh＝uh[k]                                   (6) u · h = ( u h [ k ] - u h [ k - 1 ] ) / Δt - - - ( 7 )
为此通过上述偏差的平方和形成费用函数： K ( u h [ k ] ) = k uh ( u h ) 2 + k duh ( u · h ) 2 + Σ j ( ϵ U ^ j ) 2 j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(8)
加权系数kuh和kduh改变共态电压的偏差或者与已调整的电压的偏差相比其改变的权。选择这样的共态电压，其使费用函数最小 u h [ k ] = u h [ k ] | K ( u h [ k ] ) = min ( K ) - - - ( 9 )
为了使费用函数最小应用已知的最小化方法。如此的方法例如在The Mathworks等等的数学软件包MATLABTM的最佳化“工具箱”中实现。
在最佳化中选择这样的共态电压，其使已调整电压与各自理论值的偏差的平方的加权和最小。加权系数kuh和kduh是这样的，耦合回路电容电压在时间平均值内被调整到主要恒定的值并且允许例如最大接近30％的最大换流器电压的共态电压的改变。
在实际运行中电容电压的瞬时值的波动为直到接近10％的各自电容的额定电压。
根据本发明的方法具有下面的步骤：
a)通过布置在上面的调整装置52、59预选确定
Figure A0211843100165
[k]。
b)测量 [k]，
c)依赖于共态电压和另外设备量通过在第一取样时刻取样调整的换流器模型预言已调整的耦合回路电容电压的改变。为此通过等式(1)确定
1.通过最佳化方法预先确定uh[k]，
2.
Figure A0211843100172
[k]和
Figure A0211843100173
[k]相加，对于每个相位从中得出仿真输出电压uph，
3.对于每个相位按照根据图8和9的关系是确定调制度Sm、Ss、Snp，
4.根据等式(3)和(4)确定在考虑的耦合回路电容中已估算的电流
5.根据等式(1)确定Uj的已估算的时间导数
Figure A0211843100175
6.根据等式(2)确定Uj和新估算的值 [k+1]的改变
Figure A0211843100177
[k]·Δt。
d)借助于最佳化确定共态电压，其在至少一个最近的取样时刻使根据等式(5-8)的费用函数最小。对此重复执行步骤c)，其中通过最佳化方法改变uh[k]。
e)在步骤d)中确定的最佳共态电压同交流电压测终端10的预先规定用于负载控制的负载电压理论值55、58相加，由此得出各自交流电压测终端10的修改的负载电压理论值，
f)根据这个修改的负载电压理论值控制或者调整第一变流器4和至少一个第二变流器7。
如果该电路装置不具有冗余开关状态，则通过根据本发明的调整装置已调整的电压在理论值周围波动。对此调整装置在基波周期中使电压的平均值稳定并且使电压波动的幅度最小，这对于该电路装置的运行是足够的。波动的幅度依赖于各自电容的值和传输的有功功率。例如在一个具有1.4MVA、3或者1kV电容电压、电压比为3∶1和新转换级的换流器的情况下，其中第一直流电压耦合回路3的电容总共为775微法并且各个第二变流器7的电容每个为4650微法，得出中性点电压和第二变流器7的耦合回路电容电压的波动分别最大为其额定值的10％。对此第一直流电压耦合路3的储能器容量总共为5Ws/kVA，并且所有第二变流器7的储能器容量总共同样为5Ws/kVA。共态电压的变化最大为大约30％的最大换流器输出电压。
根据本发明的电路装置适合于新的设备，可是也适合于现存传动装置的补充。为了使传动装置避免较高的共态电压例如通过喷涂电晕屏蔽改善饶组顶部绝缘。
在负载的频率低于额定频率的情况下以已知的方式在电极的馈电中负载电压的幅度也下降。当在交流电压侧终端10上的这种较低电压的情况下耦合回路电容电压的调整变得较难。在这种情况下考虑调整的最佳化或者通过而或多和取样步骤预言换流器特性。对此费用函数包含在每个取样步骤中考虑的偏差的平方和。从模型预测调整(“模式预测控制”)领域已知相应的最佳化方法。
在本发明的一个优选变体中费用函数也具有至少一个考虑的电压偏差之一的时间积分的项。因此消除了相应电压与其理论值的固定偏差。
对于该电路装置的另外变体按意义匹配根据本发明的方法。例如如果第一变流器4是一个二点变流器，则取消费用函数的项
在本发明的另外实施形式中，在电供网1和第一直流电压耦合回路3之间布置根据本发明的电路装置，并且主要用作为能反馈的整流器用于第一直流电压耦合回路3的馈电。在这种应用中公共调整装置调整第一耦合回路的总电压代替负载工作点。负载电流 相当于其网络电流，代替在布置在上面的负载调整装置52使用网络方面的调整装置59。
图6指出了结合这个另外实施形式的根据本发明的调整装置的调整示意图。用另一个第一变流器4′和另一个第二变流器7′代替整流器2和网络变压器12。这个另外的第二变流器7′的交流电压侧终端10连接在没有变压器的电供网1上。借助于这个另外的第一变流器4′的一个另外的调制度54′或者这个另外的第二变流器7′的调制度57′控制这个另外的第一和第二变流器4′、7′。通过一个另外的耦合回路电压调节器51′根据网络方面的输出电压理论值58产生这些调制度，还是通过网络方面的调整装置59产生这些调制度。网络方面的调整装置59根据测量的耦合回路电压值56和网络电压值60确定网络方面的输出电压理论值58。网络方面的调整装置可以不影响网络电压而是控制在第一直流电压耦合回路3中的功率流，如此其总电压基本上保持恒定。
电供网1具有恒定的电压和频率，二者与结合另外的第二变流器7′的另外第一变流器4′的额定工作点一致。也就是二者始终至少接近于该工作点运行，其中通过另外的耦合回路电压调节器51′网络方面的共态电压可以保持为非常小，例如保持在最大5％的最大换流器输出电压。
测量另外的第一变流器4′和另外的第二变流器7′的主要所有耦合回路电容的电压并且在另外的耦合回路电压调节器51′中共同进行处理。
如果在电供网1和第一直流电压耦合回路3之间布置该电路装置，则交流电压侧终端10的电压的频率与一个恒定的网络频率一致。在这种情况下共态电压是非常小的，也就是说最大接近5％的最大换流器控制。
概括起来耦合回路电压调节器51调整第一直流电压耦合回路3的中性点电压、第二变流器7的耦合回路电容电压和在负载11上的共态电压，另外的耦合回路电压调节器51′调整第一直流电压耦合回路3的中性点电压、另外的第二变流器7′的耦合回路电容电压和关于网络1的共态电压。
对于第一直流电压耦合回路3的中性点电压的调整存在不同的可能性：
1.  第一直流电压耦合回路3具有二个独立的、也就是说非连接的中性点，其中一个中性点在网络侧上，一个在负载侧上。正如在二极管整流器中一样仅仅经过第一正极32和第一负极33传输功率。每一侧调整其特有的中性点电压。
2.  仅仅二侧中的一侧调整公共的中性点电压，另一侧不在最佳化时考虑该电压。
3.  二侧考虑中性点电压并且尝试该电压不能偏离其理论值太远。例如在具有降低权的二个最佳化中考虑中性点电压，因此不显著调整中性点电压。例如对于二侧权是不同的。
4.  该电路装置具有一个总的耦合回路电压调节器，其在把所有耦合回路电压和图5的完整电路装置的二个共态电压考虑进去的情况下使费用函数最小。
以根据图5的本发明的另外实施形式能够使用没有网络变压器的电路装置，这表明较大的简化。理所当然根据本发明的电路装置也用作仅仅具有直流负载和没有负载方面的电路装置4、7的网络方面的电路装置7′、4′、3。
如果第二变流器7含有三点逆整流器和/或如果每相位多个第二变流器7串联，则对于每个附加电容或者每个已调整的电压费用函数相应包含至少一个附加项。
如果该电路装置具有冗余，则最佳化也考虑冗余的开关状态。因为对此换流器的唯一控制不明确对应于预先确定的共态电压，所以进行多维优化。也就是说优化不仅改变共态电压而且也改变冗余的开关状态。对此优化不仅降低共态电压而且也降低开关过程的次数，也就是半导体开关的闭合或断开过程。原则上对此由于冗余的开关状态可以显著降低共态电压和/或降低考官过程的辞书。为了使开关损耗最小，在本发明的一个优选变体中使开关过程的次数最小并且能够改变共态电压。
参考符号表
1  电供网
2  整流器
3  第一直流电压耦合回路
4  第一变流器
4′另一个第一变流器
5  第一变流器的负载终端
6  第一桥终端
7  第二变流器
7′另一个第二变流器
7a 第一个第二变流器
7b 第二个第二变流器
8  第二桥终端
9  滤波器
10 交流电压侧终端
11 负载
12 网络变压器
31 第一中性点
32 第一正极
33  第一负极
41  总电流整流器桥
51  耦合回路电压调节器
51′另一个耦合回路电压调节器
52  布置在其上面的负载调整装置
53  输出电压值
54  第一变流器的调制度
54′另一个第一变流器的另外的调制度
55  负载电压理论值
56  耦合回路电压值
57  第二变流器的调制度
57′另一个第二变流器的另外的调制度
58  网络方面的输出电压理论值
59  网络方面的调整装置
60  网络电压值
71  第二直流电压耦合回路
72  第一换流器桥
73  第二换流器桥
74  第二中性点

Claims (11)

1.  把有功功率从直流电压侧传输到至少二个交流电压侧终端(10)或反向传输的功率电子电路装置，包含一个第一变流器(4)，其连接在具有第一耦合回路电容电压的直流电压源上，并且具有至少二个负载终端(5)，并且至少包含一个第二变流器(7)，其连接在负载终端(5)的一个上并且与交流电压侧终端(10)连接，其具有一个第二耦合回路电容电压，其中借助于第二变流器(7)一个或多个：正的第二耦合回路电容电压、负的第二耦合回路电容电压或零伏可以同第一变流器(4)在其负载终端(5)上连接的电压值相加，其特征在于，至少一个第二变流器(7)不具有特有的单元用于馈给能量。
2.  按照权利要求1的电路装置，其特征在于，该电路装置具有一个调整装置(51、51′)用于公共调整至少一个第二变流器(7)的至少一个耦合回路电容电压和该电路装置的交流电压侧终端(10)的共态电压以及具有用于按照这个调整装置(51、51′)的输出值控制第一变流器(4)和至少一个第二变流器(7)的半导体开关的单元。
3.  按照权利要求2的电路装置，其特征在于，形成调整装置(51、51′)用于调整第一变流器(4)的耦合回路电容电压。
4.  按照权利要求2或3的电路装置，其特征在于，形成调整装置(51、51′)用于使已调整的耦合回路电容电压、共态电压和共态电压的时间改变与各自理论值的偏差的平方的加权和最小化。
5.  按照权利要求2或3的电路装置，其特征在于，调整装置具有一个换流器模型用于依赖于共态电压和另外的设备量预言已调整的耦合回路电容电压。
6.  按照权利要求1的电路装置，其特征在于，在负载终端(5)和交流电压侧终端(10)之间分别串联二个第二变流器(7)，其中每个第二变流器(7)经过第一换流器桥(72)的第一桥终端(6)和经过第二换流器桥(73)的第二桥终端(8)连接并且具有一个带有第二耦合回路电容电压的第二直流电压耦合回路(71)，其并联于第一和第二换流器桥(72、73)。
7.  借助于功率电子电路装置把有功功率从直流电压侧传输到该电路装置的至少二个交流电压侧终端(10)或反向传输的方法，其中
a)借助于第一变流器(4)、其连接在具有第一耦合回路电容电压的直流电压源上、在第一变流器(4)的至少二个负载终端(5)的每一个上连接一个分配的电压值，
b)借助于至少一个第二变流器(7)、其连接在一个负载(5)上、与一个交流电压侧终端(10)连接并且具有一个第二耦合回路电容电压、一个或多个：正的第二耦合回路电容电压、负的第二耦合回路电容电压或零伏同负载终端(5)的电压值相加，
其特征在于，
c)借助于公共调整装置调整至少一个第二变流器(7)的至少一个耦合回路电容电压和该电路装置的交流电压侧终端(10)的共态电压，和
d)按照该调整装置(51、51′)的输出值控制第一变流器(4)和至少一个第二变流器(7)的半导体开关。
8.  根据权利要求7的方法，其特征在于，公共调整装置调整第一变流器的耦合回路电容电压。
9.  根据权利要求7或8的方法，其特征在于，使费用函数最小，该费用函数是已调整的电压与各自理论值的偏差的平方的加权和，如此已调整的耦合回路电容电压在时间平均值内基本上调整到恒定的值，并且允许共态电压的改变。
10.  根据权利要求7或8的方法，其特征在于，使费用函数最小，该费用函数是已调整电压与各自理论值的偏差的平方的加权和，如此已调整的耦合回路电容电压在时间平均值内基本上调整到恒定值并且使共态电压的改变最小。
11.  根据权利要求9的方法，其特征在于，执行下面的步骤：
a)依赖于共态电压和另外设备量通过在第一取样时刻的取样调整的换流器模型预言已调整的耦合回路电容电压的变化，
b)借助于最佳化确定共态电压，其在至少一个最近的取样时刻使费用函数最小，
c)共态电压同交流电压测终端(10)的预先规定用于负载控制的负载电压理论值(55)相加，由此得出各自交流电压侧终端(10)的修改的负载电压理论值，
d)根据这个修改的负载电压理论值控制或者调整第一变流器(4)和至少一个第二变流器(7)。
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