JP5511947B2 - Power converter with multi-level voltage output and harmonic compensator - Google Patents
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Description
本発明は、DC電圧をAC電圧に、およびAC電圧をDC電圧に変換するように適合されたマルチレベル電圧出力を有する電力変換器(マルチレベル変換器と呼ぶ)に関する。このマルチレベル電圧変換器は、第1の制御ユニットと、第1のDC端子と第2のDC端子の間の少なくとも1つの位相レッグとを備え、位相レッグが、第1のDC端子と第1のAC端子の間の第1の電圧源と、第1のAC端子と第2のDC端子の間の第2の電圧源とを備え、第1の制御ユニットが、第1および第2の電圧源を制御する。 The present invention relates to a power converter (referred to as a multi-level converter) having a multi-level voltage output adapted to convert a DC voltage to an AC voltage and an AC voltage to a DC voltage. The multi-level voltage converter comprises a first control unit and at least one phase leg between a first DC terminal and a second DC terminal, the phase leg being connected to the first DC terminal and the first DC terminal. A first voltage source between the first AC terminal and a second voltage source between the first AC terminal and the second DC terminal, wherein the first control unit includes the first and second voltages. Control the source.
当技術分野において、電圧源変換器の出力の高調波歪を減少させるためにマルチレベル変換器を使用することが知られている。例えばドイツ特許第10103031号(特許文献1)で見ることができるように、マルチレベル変換器は、各位相レッグにパワー半導体スイッチを備える変換器であり、これらのスイッチは、出力電圧(多相変換器の場合には複数ある)が複数の離散レベルを取ることができるように切り換えられる。ドイツ特許第10103031号(特許文献1)に記載されているマルチレベル変換器では、第1および第2の電圧源がそれぞれ、少なくとも第1のサブモジュールと第2のサブモジュールを直列接続で備え、各サブモジュールが、ハーフブリッジの形態でコンデンサに並列接続された2つのパワー電子スイッチを備える。 It is known in the art to use multi-level converters to reduce harmonic distortion in the output of voltage source converters. For example, as can be seen in German Patent No. 10103031, the multilevel converter is a converter with a power semiconductor switch in each phase leg, and these switches are connected to the output voltage (multiphase conversion). Are switched so that multiple discrete levels can be taken. In the multilevel converter described in German Patent No. 10103031, the first and second voltage sources each include at least a first submodule and a second submodule in series connection, Each sub-module comprises two power electronic switches connected in parallel to a capacitor in the form of a half bridge.
国際公開第2008/067785A1号(特許文献2)では、ドイツ特許第10103031号(特許文献1)によるマルチレベル変換器であって、さらに少なくとも1つのインダクタを各位相レッグに備えるマルチレベル変換器が開示されている。さらに、通常はパワー電子スイッチを介してマルチレベル変換器を制御する変換器調整手段が、位相レッグを通って流れる循環電流を調整する。循環電流は、位相レッグ間で閉じているが、AC端子を通ってACグリッドには入らない電流である。 WO 2008 / 067785A1 (Patent Document 2) discloses a multilevel converter according to German Patent No. 10103031 (Patent Document 1), further comprising at least one inductor in each phase leg. Has been. In addition, converter adjustment means, usually controlling the multi-level converter via a power electronic switch, adjust the circulating current flowing through the phase leg. The circulating current is the current that is closed between the phase legs but does not enter the AC grid through the AC terminal.
国際公開第2008/067785A1号(特許文献2)に記載されているように循環電流が通常の変換器調整手段によって制御される場合、変換器のパワー電子スイッチの定格電圧は、望み通りに循環電流を調整するのに必要なさらなる電圧を考慮に入れなければならない。 When the circulating current is controlled by normal converter adjusting means as described in WO 2008 / 067785A1, the rated voltage of the converter's power electronic switch is as desired. The additional voltage required to adjust the voltage must be taken into account.
したがって、本発明の目的は、望み通りに循環電流の調整を可能にする電力変換器であって、パワー半導体スイッチの必要な定格電圧に及ぼされる影響ができるだけ小さい電力変換器を提案することである。 Accordingly, an object of the present invention is to propose a power converter that makes it possible to adjust the circulating current as desired and that has as little influence on the required rated voltage of the power semiconductor switch as possible. .
この目的は、請求項1に記載のデバイスによって実現される。 This object is achieved by a device according to claim 1.
本発明によれば、DC電圧をAC電圧に、およびAC電圧をDC電圧に変換するための上述したデバイスが、少なくとも1つの位相レッグに直列結合された少なくとも1つの結合インダクタと、少なくとも1つの結合インダクタに接続された能動制御型の高調波補償器と、高調波補償器の出力を制御するように適合された第2の制御ユニットとを備えて、少なくとも1つの位相レッグを通って流れる循環電流中の高調波を減少させる。 According to the present invention, a device as described above for converting a DC voltage to an AC voltage and an AC voltage to a DC voltage comprises at least one coupled inductor coupled in series with at least one phase leg and at least one coupled A circulating current flowing through the at least one phase leg, comprising an actively controlled harmonic compensator connected to the inductor and a second control unit adapted to control the output of the harmonic compensator Reduce the harmonics in it.
循環電流を最良に調整できる望ましい方法は、循環電流を全般的に減少させることではなく、循環電流の特定の周波数で生じる高調波を減少させることであるという事実の認識に本発明は基づいている。本発明者が気付いたのは、変換器のパワー電子スイッチでの各スイッチング事象で、循環電流に高調波が現れて損失を増加させることである。最悪の場合には、循環電流中の顕著に高い振幅を有する高調波のいくつかがシステムを不安定にする可能性さえある。国際公開第2008/067785A1号(特許文献2)に記載されている追加の位相インダクタの導入は、変換器回路内での全般的な電流制限を達成する助けとはなるが、顕著な高調波そのものを防止するものではない。 The present invention is based on the recognition of the fact that the preferred way in which the circulating current can best be adjusted is not to reduce the circulating current in general, but to reduce the harmonics occurring at a particular frequency of the circulating current. . The inventor has noticed that at each switching event in the power electronic switch of the converter, harmonics appear in the circulating current and increase the loss. In the worst case, some of the harmonics with significantly higher amplitude in the circulating current can even destabilize the system. The introduction of the additional phase inductor described in WO 2008 / 067785A1 helps to achieve general current limiting in the converter circuit, but the significant harmonics themselves It does not prevent.
最大振幅を有する高調波を減少させる、または最善の場合には完全に遮断する能動制御型の高調波補償器を導入することによって、マルチレベル変換器のパワー半導体スイッチを制御する第1の制御ユニットが最も妨害性の高い循環電流成分を感知して考慮に含めることを防止し、それにより、パワー半導体スイッチの定格電圧に対する要件を低減させることができるようにする。 First control unit for controlling a power semiconductor switch of a multi-level converter by introducing an actively controlled harmonic compensator that reduces or at best cuts off the harmonics having the maximum amplitude Prevents the most disturbing circulating current component from being sensed and taken into account, thereby reducing the requirements on the rated voltage of the power semiconductor switch.
ドイツ特許第10103031号(特許文献1)よるマルチレベル変換器の循環電流中の高調波のより詳細な観察から、1つの位相レッグにおける両方の電圧源のサブモジュールでの電圧リップルの和が、その周波数スペクトルでAC電圧の基本周波数の2倍である主成分を示すことが判明した。この主周波数成分は、やはり基本周波数の2倍である循環電流の寄生高調波成分を生成する。この成分が何らかの形で制限されない限り、損失の増加が生じる。場合によっては、システムの安定性が失われることさえある。 From a more detailed observation of harmonics in the circulating current of the multilevel converter according to DE 10103031, the sum of the voltage ripples in the sub-modules of both voltage sources in one phase leg is It was found that the frequency spectrum shows a main component that is twice the fundamental frequency of the AC voltage. This main frequency component produces a parasitic harmonic component of the circulating current that is also twice the fundamental frequency. Unless this component is limited in any way, an increase in loss occurs. In some cases, system stability may even be lost.
したがって、本発明の好ましい実施形態によれば、高調波補償器の制御は、AC電圧の基本周波数の2倍である循環電流中の高調波が減少するように構成される。 Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, the harmonic compensator control is configured such that the harmonics in the circulating current, which is twice the fundamental frequency of the AC voltage, are reduced.
本発明の他の特徴および利点は、添付図面に関連付けた以下の詳細な説明から当業者にはより明瞭になろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings.
DC電圧をAC電圧に、およびAC電圧をDC電圧に変換するための本発明によるマルチレベル電力変換器は、AC電圧が有する相の数に応じてただ1つの位相レッグまたは複数の位相レッグを含むことができる。図1は、当技術分野で知られている3相変換器を示す。図1のデバイスの3つの位相レッグ1、2、および3はそれぞれ、2つのいわゆるアームを直列接続で備える。これら2つのアームは、正の電圧レベルの第1のDC端子4と3つのAC端子6、7、または8の1つとの間にそれぞれ接続された正の上側アームと、ゼロまたは負の電圧レベルの第2のDC端子5と3つのAC端子6、7、または8の1つとの間にそれぞれ接続された負の下側アームとである。正のアームはそれぞれ、第1の電圧源Uvpiと第1の位相インダクタ9の直列接続を備え、負のアームはそれぞれ、第2の位相インダクタ10と第2の電圧源Uvniを備え、ここでiは、対応する位相レッグの数を表し、すなわちi=1、2、または3である。各位相レッグの第1の位相インダクタと第2の位相インダクタの間の各中点または各接続点が、AC端子6、7、または8の1つにそれぞれ接続される。すべての位相レッグが互いに並列に接続されて、2つのDC端子4および5に接続される。第1の制御ユニット30によって、位相レッグの電圧源を時間にわたって適切に制御することにより、ACからDCへの変換が行われる。
A multi-level power converter according to the invention for converting a DC voltage into an AC voltage and an AC voltage into a DC voltage comprises only one phase leg or a plurality of phase legs depending on the number of phases that the AC voltage has. be able to. FIG. 1 shows a three-phase converter known in the art. The three
図2に示されるように、各電圧源は、サブモジュール15の直列接続ストリングから形成され、1つのそのようなストリングに少なくとも2つのサブモジュール15が含まれる。
As shown in FIG. 2, each voltage source is formed from a series connected string of
図3で、当技術分野で知られているサブモジュール15の2つの異なる実施形態15aおよび15bを見ることができる。サブモジュールは、整流セルの形態を有し、各セルが、2つの弁と、直流電圧を保持する大きなDCコンデンサとを備える。弁は、ターンオフ機能を備えるパワー電子スイッチ16と、スイッチに逆並列接続されたフリーホイールダイオードとを備える。2つのパワー電子スイッチ16のどちらが導通しているかに応じて、対応するサブモジュールは2つのスイッチング状態の一方を取ることができ、状態1ではゼロ電圧が出力に印加され、状態2ではコンデンサ電圧が出力に印加される。これらのサブモジュールまたは洗練されたサブモジュールの任意の組合せが各電圧源15において可能である。本発明の用途では、各サブモジュールが、変換器の出力電圧における複数の離散レベルの1ステップを生成することができることのみが重要である。
In FIG. 3, two
本発明の一実施形態によれば、位相レッグ1に関して図4に示されるように、図1〜図3の変換器はさらに、各位相レッグに能動制御型の高調波補償器21を備えられる。高調波補償器21は、パワー電子変換器22と、パワー電子変換器22を制御するための第2の制御ユニット23とを備える。パワー電子変換器22は、結合インダクタ18に接続される。以下で、用語「接続される」は、特に「電気化学的に結合される」という意味である。結合インダクタ18は、結合手段19を介して第1のインダクタ9に結合され、結合手段20を介して第2のインダクタ10に結合される。結合インダクタ18の等しい大きさの部分がそれぞれ正の位相アームと負の位相アームの一部になるように、AC端子6が結合インダクタ18に対称的に接続される。結合手段19および20は電気化学的および/または磁気的手段でよく、磁気結合は、空気によって、または結合インダクタとそれぞれ第1または第2の位相インダクタとの間の磁性材料、例えば鉄によって実現することができる。
According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4 for phase leg 1, the converter of FIGS. 1-3 is further provided with an active control
図4における符号は以下のものを表す。
uvp/n それぞれ正または負のアームでの電圧源の電圧
ivp/n 正/負の位相アームでの電流
iv AC端子での出力電流
uf AC端子での電圧(AC電圧)
im 結合インダクタを通る電流
Lh 第1および第2のインダクタのインダクタンス
Lm 結合インダクタのインダクタンス
The symbols in FIG. 4 represent the following.
u vp / n voltage source voltage at positive or negative arm respectively i vp / n current at positive / negative phase arm i v output current at AC terminal u f voltage at AC terminal (AC voltage)
i Current through m coupled inductor L h Inductance of first and second inductor L Inductance of m m coupled inductor
本発明者が行った、図示の位相1での循環電流の挙動の分析を以下に簡単に説明する。 An analysis of the behavior of the circulating current in the illustrated phase 1 performed by the inventor will be briefly described below.
循環電流ic=(ivp+ivn)/2に関する支配方程式は、uvpからuvnへの直流経路にキルヒホッフの電圧則を適用することによって得ることができ、以下の式を与える。 The governing equation for the circulating current i c = (i vp + i vn ) / 2 can be obtained by applying Kirchhoff's voltage law in the DC path from u vp to u vn , giving:
差分電圧uvc=(uvp−uvn)/2を導入することで、式(1)を以下のように単純化することができる。 By introducing the differential voltage u vc = (u vp −u vn ) / 2, equation (1) can be simplified as follows.
uvcが循環電流に関する駆動電圧であることが分かる。当技術分野から知られているように、この電圧は、サブモジュール15のスイッチングを適切に制御することによって制御可能である。したがって、電圧uvcは、基準電圧
に従うように発生させることができるが、さらに寄生項Δuvcも含む。
It can be seen that u vc is the drive voltage for the circulating current. As is known from the art, this voltage can be controlled by appropriately controlling the switching of the
In addition to the parasitic term Δu vc .
式(2)および(3)によってそのモデルが記述される系の現実の周波数依存挙動の分析から、寄生項Δuvcは以下の3つの高調波成分からなることが示される。
1)AC電圧の基本周波数の2倍である第1の成分。この成分の振幅は、通常は定格AC電圧の数パーセントである。
2)基本周波数の4倍である第2の成分。この成分の振幅は、1)の数分の1である。
3)スイッチング高調波を含む第3の成分。
Analysis of the actual frequency dependent behavior of the system whose model is described by equations (2) and (3) shows that the parasitic term Δu vc consists of the following three harmonic components:
1) A first component that is twice the fundamental frequency of the AC voltage. The amplitude of this component is usually a few percent of the rated AC voltage.
2) A second component that is four times the fundamental frequency. The amplitude of this component is a fraction of 1).
3) A third component including switching harmonics.
第1の成分が、3つの成分のうち最大の振幅を有するので、この成分が、最大ピークを有する循環電流の高調波をもたらす。 Since the first component has the largest amplitude of the three components, this component provides the harmonic of the circulating current with the largest peak.
したがって、これらのピークにより生じる損失を減少させるために、第1の成分を減少させることが望ましい。 Therefore, it is desirable to reduce the first component to reduce the losses caused by these peaks.
図4による高調波補償器21を用いて、成分1)の補償が可能になる。好ましくは、制御ユニット23は、結合インダクタ18を通る所望の電流imが発生されるようにパワー電子変換器22を制御する。所望の電流imは、結合インダクタ18と位相レッグの間の結合の種類を考慮することにより制御ユニット23によって決定されて、位相レッグ、ここでは特に第1および第2の位相インダクタで所望の補償電流を発生し、それによりAC電圧Ufの基本周波数の2倍である循環電流ic中の高調波が減少する。
Using the
高調波補償器21が循環電流ic中の高調波を処理するので、それによりパワー半導体スイッチ16の定格電圧を減少させることができ、したがって図1に示される電力変換器に関する全体のコストが減少する。当然、これは、高調波補償器の導入によって発生する追加のコストを相殺するものでなければならない。これらの追加のコストを上記のコスト節約よりも低く保つために、本発明の特別な実施形態では、結合インダクタ18での電圧が第1および第2のインダクタでの電圧よりもかなり低くなるように、第1および第2の位相インダクタ9および10のインダクタンスLhに対して結合インダクタ18のインダクタンスLmを選択することが提案されている。すべてのインダクタがコイルである場合、結合インダクタ18のコイルの巻数が第1および第2の位相インダクタ9および10の巻数に比べて適切に少なくなるように選択される。
Since the
図5、6、7、9、および11に3相マルチレベル変換器の実施形態が示されており、各実施形態で、結合インダクタ18がそれぞれの位相レッグに電気化学的に結合される。しかし、位相インダクタ9、10、32それぞれの配置、および高調波補償器21がそれに対応する結合インダクタ18に接続される様式は異なる。
5, 6, 7, 9, and 11 illustrate three-phase multi-level converter embodiments, where in each embodiment, a coupled
図5に示される変換器は、図4による3つの位相レッグから構成される。 The converter shown in FIG. 5 consists of three phase legs according to FIG.
図6の変換器は、3つの正の位相アームの3つの第1の位相インダクタ9のデルタ結線と、3つの負の位相アームの3つの第2の位相インダクタ10の同様のデルタ結線とを示す。デルタ結線された第1の位相インダクタ9または第2の位相インダクタ10の中点が、対応する第1のDC端子4または第2のDC端子5にそれぞれ接続される。各位相インダクタ9または10は、ただ1つのインダクタ要素、または2つ以上のインダクタ要素の直列接続を備えることができる。
The converter of FIG. 6 shows a delta connection of three first phase inductors 9 of three positive phase arms and a similar delta connection of three
図7では、第1および第2の位相インダクタが、各位相ごとに1つのAC位相インダクタ32によって置き換えられる。AC位相インダクタ32は、位相レッグから3つの対応するAC位相線に配置を変えられ、ここでそれぞれAC端子6、7、および8に直列接続される。
In FIG. 7, the first and second phase inductors are replaced by one
図8aおよび図8bは、図5、6、および7の高調波補償器21の一実施形態を示す。対応する結合インダクタ18に並列接続された図8aに示される高調波補償器21は、AC/DCパワー電子変換器22を備え、このAC/DCパワー電子変換器22は、上述したように第2の制御ユニット23によって制御される。第2の制御ユニット23は高調波補償器21に組み込まれる。あるいは、第2の制御ユニットは、別個に設置することができる。パワー電子変換器22は電流型電力変換器の形態で構成され、DC電圧源36と、DC電圧源36に直列接続された補助インダクタ34とによって形成されるDC電流源を介してDC電流が変換器に注入される。AC/DCパワー電子変換器22を構成することができる方法の一例が、原理的に図8bに概略図で示されており、ここで、AC/DCパワー電子変換器22は、理想的なパワー電子切替スイッチ38を備える3レベル変換器であり、切替スイッチ38のスイッチングは第2の制御ユニット23によって制御される。
FIGS. 8a and 8b show one embodiment of the
図9は、図7と同じ位相インダクタ32の構成での3相マルチレベル変換器の一実施形態を示す。しかし、各位相レッグは、ただ1つの結合インダクタ18と、それに対応する1つの高調波補償器21とを備え、結合インダクタ18と高調波補償器21は、互いに直列に配置され、また対応する負の位相アームにある第2の電圧源Uvniとも直列に配置される。代替形態では、結合インダクタ18と高調波補償器21は、対応する正の位相アームとも直列に配置される。
FIG. 9 shows one embodiment of a three-phase multilevel converter with the
図11における実施形態は、3つの位相レッグの各位相アームにおいて、結合インダクタ18およびそれに対応する直列接続された高調波補償器21の対称的な構成を示す点で図9とは異なる。
The embodiment in FIG. 11 differs from FIG. 9 in that it shows a symmetrical configuration of the coupled
図9および図11の高調波補償器21の一実施形態が図10aおよび図10bに示される。対応する結合インダクタ18に直列接続された高調波補償器21は、ここでも上述したのと同様に、AC/DCパワー電子変換器22と、パワー電子変換器22を制御するための第2の制御ユニット23とを備える。この実施形態では、パワー電子変換器22は、DC電圧源36によって電力供給される電圧型変換器として構成される。AC/DCパワー電子変換器22を構成することができる方法の一例が、原理的に図10bに概略図で示されており、ここで、AC/DCパワー電子変換器22は、理想的なパワー電子切替スイッチ38を備える3レベル変換器であり、切替スイッチ38のスイッチングは第2の制御ユニット23によって制御される。代替解決策では、図9および図11の高調波補償器21を図8aおよび図8bによる電流型変換器として構成することもできる。
One embodiment of the
図9および図11では、それぞれ正および/または負の位相アームの3つの高調波補償器21がすべて同じ電位にY結線で接続される。これにより、代替実施形態では、3つの高調波補償器21のパワー電子変換器を組み合わせて、ただ1つの第2の制御ユニットによって制御される3相パワー電子変換器とすることができるようになる。
In FIG. 9 and FIG. 11, the three
Claims (7)
前記変換器がさらに、前記少なくとも1つの位相レッグ(1)に電気化学的に直列結合された少なくとも1つの結合インダクタ(18)と、出力側が前記少なくとも1つの結合インダクタ(18)に並列接続されることによって前記結合インダクタ(18)に直接接続されているパワー電子変換器(22)を含む能動制御型の高調波補償器(21)と、前記高調波補償器(21)の出力を制御するように適合された第2の制御ユニット(23)とを備えており、前記少なくとも1つの位相レッグ(1)を通って流れる循環電流(ic)中の高調波を減少させる
ことを特徴とするマルチレベル電圧変換器。 A multi-level voltage converter for converting a DC voltage into an AC voltage and an AC voltage into a DC voltage, the first control unit (30), a first DC terminal (4) and a second DC At least one phase leg (1) between the terminals (5), said at least one phase leg (1) between the first DC terminal (4) and the first AC terminal (6) A first voltage source (Uvp1); a second voltage source (Uvn1) between the first AC terminal (6) and the second DC terminal (5); and the first control unit (30 In the multi-level voltage converter for controlling the first and second voltage sources (Uvp1, Uvn1),
The converter is further connected in parallel to at least one coupled inductor (18) electrochemically coupled in series to the at least one phase leg (1) and to the at least one coupled inductor (18). Thus, an active control type harmonic compensator (21) including a power electronic converter (22) directly connected to the coupled inductor (18) and an output of the harmonic compensator (21) are controlled. And a second control unit (23) adapted to reduce the harmonics in the circulating current (i c ) flowing through the at least one phase leg (1). Level voltage converter.
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