CN205657581U - 具有并联连接的多级变流器的变流器装置 - Google Patents

具有并联连接的多级变流器的变流器装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种具有并联连接的多级变流器的变流器装置(1)，所述多级变流器在其交流电压端子(21)并联连接并且分别具有由双极的子模块(7)组成的串联电路，其中，每个子模块(7)包括至少两个可控的电子开关(71，711，712)和储能器(72)，其中，所述可控的电子开关(71，711，712)被串联连接以形成串联电路，并且所述串联电路与储能器(72)并联布置，其中，在每个交流电压端子(21)上能够产生阶梯形的电压曲线，所述变流器装置包括用于使至少一个多级变流器(2)的交流电压曲线相对于另一个多级变流器(2)的交流电压曲线在时间上延迟的部件。

Description

具有并联连接的多级变流器的变流器装置
技术领域
本实用新型涉及一种具有多个多级变流器的变流器装置，所述多级变流器分别具有由双极型子模块组成的串联电路，其中，每个多级变流器具有交流电压端子，在该交流电压端子上能够产生阶梯形的电压曲线，并且多级变流器通过其交流电压端子并联连接。
背景技术
在DE 101 03 031 B4中公开了一种开头提到类型的模块化的多级变流器，其中多级变流器通过其交流电压端子与交流电网的三相连接。多级变流器的三个交流电压端子的每一个都对应按照串联连接的双极型子模块的两个支路。每个子模块包括可控的电子开关以及储能器。可控的电子开关被串联连接以形成串联电路，其中，所述串联电路与储能器并联连接。通过合适控制子模块，多级变流器能够产生具有预设频率和幅度的阶梯形周期交流电压。在支路中串联连接的子模块的数目N被定义为等于在相应的多级变流器的交流电压输出端上能够产生的(正或负)电压级别的数目N。在使用这种多级变流器时的缺点在于总是有由于产生的交流输出电压的阶梯形而形成的高次谐波(电网扰动)。高次谐波在个别情况下会导致电网共振，并由此导致电流和/或电压过冲，从而可能会损坏用电器。
对于一些应用，例如在高压直流传输设备(设备)或用于无功功率补偿的设备中，其优点在于并行运行多个这样的多级变流器，其中，并联连接的多级变流器被连接到多相的母线。
因此，长期以来存在对于具有并行运行的多级变流器的变流器装置以及其控制方法的高需求，其中能够降低在交流输出电压中的高次谐波部分。
已知在二极管钳位电压源转换器(VSC)、飞电容VSC、级联H桥VSC或模块化多级变流器(MMC)中，通过提高开关频率能够降低高次谐波的程度。然而，这导致额外的电损耗，这增加了运行多级变流器的费用。
另一种用于避免高次谐波的方法是使用无源滤波器。然而，这需要额外 的存放面积，这增加了变压器装置需要的总存放面积。无源滤波器还造成热损耗。另外，滤波器的效率取决于电网条件，该电网条件可能会随时间变化、不完全了解和/或取决于组件的老化效应。
J.Salmon,A.M.Knight,J.Ewanchuk在其著作“Single-Phase Multilevel PWMInverter Topologies Using Coupled Inductors”，IEEE Transactions on PowerElectronics，Vol.24，2009年5月，描述了特殊耦合电感的应用。
在DE 42 32 356 A1中描述了对变流器并联电路的控制，其中，通过将一个变流器的电压相对于另一变流器的电压相移高次谐波的半个周期来抑制所选择的高次谐波。但是，关于开头提到类型的多级变流器的控制以抑制总的高次谐波部分在DE 42 32 356 A1中没有涉及。
实用新型内容
因此，本实用新型要解决的技术问题是，提供一种上述类型的变流器装置，其能够控制多级变流器，其中，能够降低变量器装置的交流输出电压的高次谐波部分。
该技术问题通过所述变流器装置包括用于使至少一个多级变流器的交流电压曲线相对于另一个多级变流器的交流电压曲线在时间上延迟的部件来解决。
如果变流器装置包括多于两个多级变流器，则优选除了第一多级变流器之外延迟地控制所有多级变流器。如果以所述时间差来延迟向第二多级变流器传输控制信号，则例如可以两倍的时间差延迟向第三多级变流器传输控制信号，以三倍的时间差延迟向第四多级变流器传输控制信号等。
按照本实用新型，变流器装置包括用于使至少一个多级变流器的阶梯形交流电压曲线相对于另一个多级变流器的交流电压曲线在时间上延迟的部件。
有利地，多级变流器分别包括控制单元，其例如可以构造为模块管理系统(MMS)的形式。变流器装置还优选具有用于向控制单元提供控制信号的中央控制单元。中央控制单元配备有一个或多个延迟器，从而能够借助延迟器使控制信号在时间上延迟。
如果由中央控制单元预设要转换的电压，则优选每个控制单元负责通过控制多级变流器来转换在变流器端子上的预设电压。
合适地，多级变流器经过耦合电感与母线连接。耦合电感可以构造为扼流圈以降低高频电流。
按照本实用新型的一种实施方式，母线被连接到交流电压网。交流电压网优选是三相电网。在此，每个多级变流器连接到三条母线，其中，每条母线对应电网的一相。
有利地，双极型子模块被构造为半桥电路或全桥电路。
附图说明
以下结合图1至9继续解释本实用新型。
图1示出了根据本实用新型的变流器装置的示意结构；
图2在示意图中示出了根据本实用新型的控制信号的时间延迟；
图3和4在示意图中示出了根据本实用新型的变流器装置的多级变流器的实施例；
图5和6在示意图中分别示出了子模块的实施例；
图7在示意图中示出了根据本实用新型的变流器装置的模拟的例子；
图8在示意图中示出了根据图5的模拟的受控对象；
图9在示意图中示出了根据图5和6的模拟的用于控制多级变流器的装置。
具体实施方式
图1在示意图中详细示出了根据本实用新型的变流器装置1的实施例的基本结构。所示变流器装置1包括多个并联连接的多级变流器2。每个多级变流器2具有交流电压端子21。多级变流器2通过其交流电压端子21并通过耦合电感4连接到母线5。母线5与交流电压网6、例如三相电网的一相连接。
每个多级变流器2包括控制单元22，其用于将中央控制单元3的电压预设值转换成对多级变流器2的控制。中央控制单元3具有用于产生电压预设值的部件31以及用于产生控制信号的单元32。
每个多级变流器2从中央控制单元3获得预设电流额定值以及控制信号，该控制信号被构造为周期的时钟载波信号。在此，第一多级变流器的控制信号不被延迟，而其它多级变流器的控制信号相对于无延迟的控制信号在 时间上偏移。优选除了第一多级变流器的控制信号之外，所有多级变流器的控制信号分别延迟一时间差，其中所有时间差彼此不同。
借助控制单元22将相应的控制信号和预设电流额定值转换成对多级变流器2的半导体开关71(参见图5、6)的控制。通过延迟控制信号，使得在多级变流器2的交流电压端子21上得到的交流电压曲线彼此时间偏移。
如果多级变流器装置被用作设备的一部分，则每个多级变流器2具有直流电压端子23，用于分别连接到负电压极和正电压极或者接地。
多级变流器2优选可以设置为模块化的多级变流器(MMC)(参见图3、4)。
结合图2借助示例结构解释控制信号的时间延迟的形成。
用于产生控制信号的单元32(参见图1)包括时钟生成器321。由时钟生成器321生成的控制信号被无延迟地传输到第一多级变流器的控制单元22A。同时向第一延迟器33A传输无延迟的控制信号，借助第一延迟器对控制信号进行时间延迟。因此，控制单元22B获得由延迟器33A延迟的控制信号。另外，向延迟器33B继续传输由延迟器33A延迟的控制信号。最后，控制单元22C获得借助两个延迟器33A和33B总共两次延迟的控制信号。
在图3和4中示意性示出了按照两种实施方式的多级变流器2的结构。根据现有技术已知的多级变流器优选可以用于根据本实用新型的变流器装置1。然而，本实用新型不只是限于使用所示出的多级变流器。
图3的多级变流器2包括三个交流电压端子L1、L2、L3。借助交流电压端子L1、L2、L3使多级变流器2与三相电网(未示出)连接。图3示出的多级变流器可以用作整流器或逆变器。多级变流器2还包括六个支路Z，其分别具有由N个相同构造的双极型子模块7以及电感24组成的串联电路。每个支路Z或者与正的母线SP或者与负的母线SN连接。每个双极型子模块7的两个端子73之间的电势差被称为子模块端电压。每个子模块7可以取第一开关状态，在该状态中对应的子模块端电压等于零，或者取第二开关状态，在该状态中子模块端电压等于非零的值。通过合适地控制多级变流器2的子模块7，例如可以将k个在正母线SP与负母线SN之间串联连接的子模块按照第二开关状态连接，剩下的N-k个子模块按照第一开关状态连接。由此在母线SP与SN之间产生电势差UPN，其相当于处于第二开关状态的子模块7的数目k。如果子模块的储能器例如被预充电到统一的电压UC，则对 于电势差有UPN＝k*UC。端子L1上的电势(该电势例如被定义为与母线SN的电势差)于是正比于在L1与SN之间的支路Z中处于第二开关状态的子系统的数目。因此，在L1与SN(或SP)之间最大可产生的(正或负)电压级别的数目等于在对应支路Z中串联连接的子模块7的数目N。相应地适用于端子L2和L3。
图4示出了多级变流器2的另一种实施方式。图4的多级变流器2具有三条由串联连接的子模块7组成的支路Z。在此，三个交流电压端子L1、L2、L3经过按照三角形电路的三个支路Z互相连接。图4的多级变流器2优选用于三相交流电网的无功功率补偿。
结合图5和6描述根据本实用新型的变流器装置的子模块7的两种实施例。
图5的子模块7以半桥电路实现，并且具有两个端子73、两个可控电子开关711、712以及储能器72。
两个可控电子开关711、712串联连接形成串联电路。电子开关711、712的串联电路在此与储能器72并联连接。可控电子开关711、712由半导体例如IGBT或MOS-FET实现。每个可控电子开关711、712反并联连接一个二极管74。反并联的二极管74可以是分立元件或者集成在可控电子开关711、712的半导体结构中。储能器72被实现为储存电容器或由多个储存电容器组成的电容器组。
子模块7的第一开关状态的特征在于，电子开关712接通，而电子开关711关断。如果电子开关711接通而电子开关712关断，则子模块7处于第二开关状态，其中在子模块端子73上主要降落储能器72的电压。如果两个电子开关711、712都关断，则确保在外部故障情况下(例如端短路)释放不希望的能量。
在图6示出的实施例中，具有两个端子73的双极型子模块7以全桥实现。图6的子模块7包括两个由电子开关71组成的串联电路，所述电子开关71分别配备反向并联的二极管74。以储存电容器或电容器组形式的储能器72与两个串联电路并联连接。类似于图5，在图6的全桥中也能够通过接通或关断电子开关74产生子模块7的第一和第二开关状态。另外，以全桥实现的子模块7还可以产生负的开关状态。
当然，图3至6并不排除，多级变流器2以及子模块7不包括其它组件， 例如在图中未示出的测量装置。
在图7中示意性示出了用于控制变流器装置1的试验结构。在该实施例中，变流器装置1包括三个多级变流器2A、2B、2C。多级变流器2A、2B、2C通过其交流电压端子21并联连接。
通过在节点K处的分支向并联连接的多级变流器2A、2B、2C传输预设电流额定值31。根据预设电流额定值，在每个交流电压端子21产生阶梯形的电压曲线，其中电压曲线互相时间偏移。然后，三个电压曲线在加法器8中相加，并且与单个的电压曲线进行比较，其中所述比较在显示部件中可视化。通过采集和图形显示电压曲线，能够看到由本实用新型结果抑制后的电压曲线中的高次谐波部分，在个别情况下必要时被量化。
在图8中示出了在节点K与多级变流器2A、2B、2C的交流电压端子21(参见图7)之间的受控对象的基本进程。该示图同样适用于其余的多级变流器。
向受控对象的输入端10提供预设电流额定值，其具有正弦形的时间曲线，并且传输到电流控制器11。在图8的实施例中，电流控制器11被实现为PI控制器。在此，PI控制器的特征在于U(s)＝(s+200/(100*pi))/s形式的传递函数，其中pi表示圆周率。当然在此也可以考虑使用具有不同传递函数的其它控制器。由PI控制器将预设电流额定值转换成变流器电压预设值。多级变流器2的控制单元处理变流器电压预设值并且借助相移的脉宽调制(相移PMW)将其转换成用于子模块的电子开关的开关命令。所得到的电压被输出到受控对象的输出端12，其中借助耦合电感4进一步调整电压，所述耦合电感在本例中的电感为636.7μH并且电阻为大约1mΩ。耦合电感4通常除了电感部分还具有电阻部分。因此，在图8的实施例中，耦合电感4对应的传递函数的形式为U(s)＝1000/((200/100*pi)*s+1)。在此同样可以考虑其它传递函数。
图9示出了图7和8的模拟实施例的相移的脉宽调制的示意图。在此，对三个多级变流器2A、2B、2C的每一个都相应进行相移的脉宽调制。
在该实施例中，多级变流器2A、2B、2C在每个支路Z中包括两个子模块。然而，所述控制能够相应扩展到任意更大数目的子模块。
借助锯齿波生成器产生用于控制的时钟载波信号，并且传输到第一延迟器15。第一延迟器15按照以下规则延迟时钟载波信号：用于多级变流器2A 的时钟信号不被延迟；用于多级变流器2B的时钟载波信号被延迟一时间差；用于多级变流器2C的时钟载波信号被延迟两倍的时间差。在此，锯齿形的时钟载波信号具有1kHz的频率。时间差是83.3μs。
然后，没有进一步延迟地向第一子模块传输时钟载波信号，在图9中通过第一支路Z1表示。至第二子模块的时钟载波信号通过第二支路Z2被传输到第二延迟器16，从而使第二子模块配备额外延迟的时钟载波信号。额外延迟(通常称为相对于周期的时钟载波信号的相移)在图9示出的实施例中是90°。通常对于m个子模块的情况，相移应当是180°/m，在例如在S.Kouro等的文章“Multicarrier PWM With DC-Link Ripple Feedforward forMultilevel Inverters”,Power Electronics,IEEE Transactions on(Volume:23,Issue:1),2008中描述。
由电流控制器11确定的预设电压额定值被提供给控制的输入端13。在考虑由测量装置17提供的子模块电压下，借助乘法器18将其标准化。
于是借助比较器19将两个子模块的时钟载波信号与以标准化的电压额定值比较，从中分别为两个子模块的每一个确定开关状态。借助加法器20将根据开关状态而在子模块的端子上降落的电压相加。最后，借助乘法器30形成得到的变流器电压并且传输到输出端40。
附图标记列表
1 变流器装置
2，2A，2B，2C 多级变流器
21 交流电压端子
22，22A，22B，22C 控制单元
23 直流电压端子
3 中央控制单元
31 预设电流额定值
32 控制信号生成器
33A，33B 延迟器
4 耦合电感
5 母线
6 交流电压网
7 子模块
71，711，712 电子开关
72 储能器
73 子模块端子
74 二极管
8 加法器
9 显示部件
10 受控对象输入端
11 电流控制器
12 受控对象输出端
13 控制输入端
14 锯齿波生成器
15 第一延迟器
16 第二延迟器
17 测量装置
18 乘法器
19 比较器
20 加法器
30 乘法器
40 控制输出端
K 节点
L1，L2，L3 三相交流电网的交流电压端子
SN 负的母线
SP 正的母线
Z 支路
Z1 第一支路
Z2 第二支路

Claims (6)

1.一种具有多个在其交流电压端子(21)并联连接的多级变流器(2，2A，2B，2C)的变流器装置，所述多级变流器分别具有由双极的子模块(7)组成的串联电路，其中，每个子模块(7)包括至少两个可控的电子开关(71，711，712)和储能器(72)，其中，所述可控的电子开关(71，711，712)被串联连接以形成串联电路，并且所述串联电路与储能器(72)并联布置，其中，在每个交流电压端子(21)上能够产生阶梯形的电压曲线，
其特征在于，
所述变流器装置包括用于使至少一个多级变流器(2，2A，2B，2C)的交流电压曲线相对于另一个多级变流器(2，2A，2B，2C)的交流电压曲线在时间上延迟的部件。
2.按照权利要求1所述的变流器装置，
其特征在于，
所述多级变流器(2，2A，2B，2C)分别包括控制单元(22，22A，22B，22C)，并且所述变流器装置还具有用于向所述控制单元(22，22A，22B，22C)提供控制信号的中央控制单元，其中，所述中央控制单元(3)配备有延迟器(33A，33B，15)，并且借助所述延迟器(33A，33B，15)能够使所述控制信号在时间上延迟。
3.按照权利要求2所述的变流器装置，
其特征在于，
所述多级变流器(2，2A，2B，2C)经过耦合电感(4)与母线(5)连接。
4.按照权利要求3所述的变流器装置，
其特征在于，
所述母线(5)连接到交流电压网(6)。
5.按照权利要求2至4中任一项所述的变流器装置，
其特征在于，
所述控制单元(22，22A，22B，22C)被设置为，借助相移的脉宽调制控制所述多级变流器(2)的单个子模块(7)。
6.按照权利要求1至4中任一项所述的变流器装置， 其特征在于，
所述子模块(7)被构造为半桥电路或全桥电路。
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