KR101292991B1 - Power converter with multi-level voltage output and harmonics compensator - Google Patents
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Abstract
DC 전압을 AC 전압으로 및 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 멀티레벨 전압 변환기는 제 1 제어 유닛 (30) 및 제 1 DC 단자 (4) 와 제 2 DC 단자 (5) 사이의 적어도 하나의 위상 레그 (1) 를 포함하고, 상기 적어도 하나의 위상 레그 (1) 는 상기 제 1 DC 단자 (4) 와 제 1 AC 단자 (6) 사이의 제 1 전압원 (Uvp1) 및 상기 제 1 AC 단자 (6) 와 상기 제 2 DC 단자 (5) 사이의 제 2 전압원 (Uvn1) 을 포함하고, 상기 제 1 제어 유닛 (30) 은 상기 제 1 및 제 2 전압원들 (Uvp1, Uvn1) 을 제어한다. 상기 변환기는, 상기 적어도 하나의 위상 레그 (1) 와 직렬로 결합된 적어도 하나의 커플링 인덕터 (18), 상기 적어도 하나의 커플링 인덕터 (18) 에 연결된 능동 제어 고조파 보상기 (21), 및 상기 고조파 보상기 (21) 의 출력을 제어하도록 적응되는 제 2 제어 유닛 (23) 을 더 포함하여, 상기 적어도 하나의 위상 레그 (1) 를 통하여 흐르는 순환 전류 (ic) 에서의 고조파들을 감소시키도록 한다.A multilevel voltage converter which converts a DC voltage to an AC voltage and an AC voltage to a DC voltage has at least one phase leg between the first control unit 30 and the first DC terminal 4 and the second DC terminal 5. (1), wherein the at least one phase leg (1) comprises a first voltage source Uvp1 and the first AC terminal 6 between the first DC terminal 4 and the first AC terminal 6; And a second voltage source Uvn1 between the second DC terminal 5, wherein the first control unit 30 controls the first and second voltage sources Uvp1, Uvn1. The transducer comprises at least one coupling inductor 18 coupled in series with the at least one phase leg 1, an active controlled harmonic compensator 21 connected to the at least one coupling inductor 18, and the And further comprising a second control unit 23 adapted to control the output of the harmonic compensator 21 to reduce the harmonics in the circulating current i c flowing through the at least one phase leg 1. .
Description
본 발명은 멀티레벨 변환기 (multi-level converter) 라고 불리는 멀티레벨 전압 출력을 갖는 전력 변환기에 관한 것으로, DC 전압을 AC 전압으로 및 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는데 적용된다. 멀티레벨 변환기는 제 1 제어 유닛과, 제 1 DC 단자와 제 2 DC 단자 사이의 적어도 하나의 위상 레그 (phase leg) 를 포함하며, 위상 레그는 제1 DC 단자와 제 1 AC 단자 사이의 제 1 전압원과, 제 1 AC 단자와 제 2 DC 단자 사이의 제 2 전압원을 포함하며, 제 1 제어 유닛은 제 1 및 제 2 전압원들을 제어한다.The present invention relates to a power converter having a multilevel voltage output, called a multi-level converter, and is applied to converting a DC voltage into an AC voltage and an AC voltage into a DC voltage. The multilevel converter comprises a first control unit and at least one phase leg between the first DC terminal and the second DC terminal, the phase leg being the first between the first DC terminal and the first AC terminal. A voltage source, and a second voltage source between the first AC terminal and the second DC terminal, wherein the first control unit controls the first and second voltage sources.
본 기술분야에서는, 멀티레벨 변환기들은 전압원 변환기들의 출력에서 고조파 왜곡을 감소시키는데 사용되는 것으로 알려져 있다. 멀티레벨 변환기는, 예를 들어 DE10103031에서 보여질 수 있는 바와 같이, 출력전압 (또는 다위상 (multi-phase) 변환기의 경우 출력전압들) 이 몇 개의 개별 레벨들을 띌 수 있는 방식으로 스위칭되는 각 위상 레그에서의 전력 반도체 스위치들을 갖는 변환기이다. DE10103031에서 기술된 멀티레벨 변환기에서는, 각 제 1 및 제 2 전압원들은 적어도 직렬 연결의 제 1 및 제 2 서브모듈들을 포함하며, 각 서브모듈은 하프 브리지 (half-bridge) 형태로 캐패시터와 병렬 연결된 2 개의 전력 전자 스위치들을 포함한다.In the art, multilevel converters are known to be used to reduce harmonic distortion at the output of voltage source converters. Multilevel converters each phase in which the output voltage (or output voltages in the case of a multi-phase converter) is switched in such a way that it can take several individual levels, as can be seen, for example, in DE10103031. It is a converter with power semiconductor switches in the leg. In the multilevel converter described in DE10103031, each of the first and second voltage sources comprises at least first and second submodules in series, each submodule being connected in parallel with a capacitor in the form of a half-bridge. Power electronic switches.
WO 2008/067785 A1에서는, 추가적으로 각 위상 레그에서 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 DE10103031에 따른 멀티레벨 변환기가 개시된다. 일반적으로 전력전자 스위치들을 통해 멀티레벨 변환기를 제어하는 변환기 조정 수단은 위상 레그를 통하여 흐르는 순환전류를 추가적으로 조정한다. 순환전류는, 위상 레그들 사이에서는 폐쇄 (close) 되지만 AC 단자를 통하여 AC 그리드 (grid) 에는 진입하지 않는 전류이다.In WO 2008/067785 A1 a multilevel converter according to DE10103031 is disclosed which additionally comprises at least one inductor in each phase leg. In general, converter adjustment means for controlling a multilevel converter via power electronic switches further adjusts the circulating current flowing through the phase leg. The circulating current is a current which is closed between the phase legs but does not enter the AC grid through the AC terminal.
순환전류가 WO 2008/067785 A1에 기술된 바와 같이 보통의 변환기 조정 수단을 통해 제어된다면, 변환기의 전력 전자 스위치들의 전압 정격은 순환전류들을 바람직한 방식으로 조정하는데 필요로 되는 여분의 전압을 고려해야 한다.If the circulating current is controlled via ordinary converter adjusting means as described in WO 2008/067785 A1, the voltage rating of the power electronic switches of the converter must take into account the extra voltage required to adjust the circulating currents in the desired manner.
따라서, 본 발명의 목적은 전력 반도체 스위치들의 필요 전압 정격이 가능한 적게 영향을 받는 바람직한 방식으로 순환전류들의 조정을 고려하는 전력 변환기를 제안하는 데 있다.It is therefore an object of the present invention to propose a power converter which takes into account the adjustment of the circulating currents in a preferred manner in which the required voltage rating of the power semiconductor switches is affected as little as possible.
이 목적은 청구항 1에 따른 디바이스에 의해 달성된다.This object is achieved by the device according to
상술한 바와 같이, DC 전압을 AC 전압으로 및 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 디바이스는, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 위상 레그와 직렬로 결합된 적어도 하나의 커플링 인덕터 (coupling inductor), 적어도 하나의 커플링 인덕터에 연결된 능동 제어 고조파 보상기, 및 고조파 보상기의 출력을 제어하도록 적응되는 제 2 제어 유닛를 포함하여, 적어도 하나의 위상 레그를 통하여 흐르는 순환전류에서의 고조파들을 감소시키도록 한다.As mentioned above, a device for converting a DC voltage to an AC voltage and an AC voltage to a DC voltage comprises, according to the invention, at least one coupling inductor coupled in series with at least one phase leg, at least An active controlled harmonic compensator coupled to one coupling inductor and a second control unit adapted to control the output of the harmonic compensator to reduce harmonics in the circulating current flowing through the at least one phase leg.
본 발명은, 순환전류들이 최상으로 조정되는 바람직한 방식은 일반적으로 순환전류들을 감소시키는데 있다기 보다는 순환전류에서의 특정 주파수들에서 발생하는 고조파들을 감소시키는 것에 있다는 사실의 인식에 기초한다. 본 발명자들은, 변환기의 전력 전자 스위치들에서의 각 스위칭 이벤트에서, 고조파들이 순환전류에 나타나 증가된 손실들을 초래한다는 것을 깨달았다. 최악의 경우, 순환전류들에서의 두드러지게 높은 크기의 고조파들의 일부가 시스템 불안정에 이르게 조차 할 수 있을 것 이었다. WO 2008/067785 A1에서 기술된 바와 같이, 추가적인 위상 인덕터들의 도입은 변환기 회로에서 일반적인 전류 제한을 얻는데 도움이 되지만, 그와 같은 두드러진 고조파들을 회피하는 데에는 도움이 되지 않는다.The present invention is based on the recognition that the preferred way in which the circulating currents are best adjusted is to reduce the harmonics occurring at certain frequencies in the circulating current rather than to generally reduce the circulating currents. The inventors have realized that at each switching event in the power electronic switches of the converter, harmonics appear in the circulating current resulting in increased losses. In the worst case, some of the significantly higher magnitude harmonics in the circulating currents could even lead to system instability. As described in WO 2008/067785 A1, the introduction of additional phase inductors helps to obtain a general current limit in the converter circuit, but does not help to avoid such pronounced harmonics.
최고 크기를 갖는 고조파들을 감소시키거나, 최상의 경우에는 완전히 차단시키는 능동 제어 고조파 보상기를 도입함으로써, 멀티레벨 변환기의 전력 반도체 스위치들을 제어하는 제 1 제어 유닛이 순환전류들의 최고 방해 컴포넌트들을 알거나 고려하는 것이 회피되고, 그 결과 전력 반도체 스위치들의 전압 정격 상의 요건들이 이에 의해 감소될 수 있다.By introducing an active controlled harmonic compensator that reduces the harmonics with the highest magnitude or, in the best case, completely shuts off, the first control unit that controls the power semiconductor switches of the multilevel converter knows or considers the highest disturbing components of the circulating currents. Is avoided, and as a result the requirements on the voltage rating of the power semiconductor switches can be reduced thereby.
DE10103031에 따른 멀티레벨 변환기의 순환전류들에서의 고조파들을 자세히 살펴 볼 때 하기와 같이 드러났다: 하나의 위상 레그에서 양쪽 전압원들의 서브모듈들에 대한 전압 리플 (ripple)의 합은 그 주파수 스펙트럼에서 AC 전압의 기본 주파수의 두 배인 주요 컴포넌트를 나타낸다. 이 주요 주파수 컴포넌트는 또한 기본 주파수의 두배인 순환전류에서의 기생 고조파 컴포넌트를 생성한다. 이 컴포넌트가 어떻게 해서든 제한되지 않는다면, 손실들이 증가하는 결과가 될 것이고, 어쩌면 시스템 안정도의 손실 조차로도 되는 결과가 될 것이다.A closer look at the harmonics in the circulating currents of a multilevel converter according to DE10103031 reveals the following: The sum of the voltage ripples for the submodules of both voltage sources in one phase leg is the AC voltage in its frequency spectrum. It represents the main component that is twice the fundamental frequency of. This major frequency component also produces parasitic harmonic components at circulating currents that are twice the fundamental frequency. If this component is not limited in any way, the losses will result in an increase, perhaps even a loss of system stability.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 고조파 보상기의 제어는 AC 전압의 기본 주파수의 두배인 순환전류에서의 고조파들이 감소되록 처리된다.Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, the control of the harmonic compensator is processed such that harmonics in the circulating current which is twice the fundamental frequency of the AC voltage are reduced.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 다음에서의 첨부 도면들과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 당업자에게 더욱 자명할 것이다:
도 1은 본 기술분야로부터 알려진 바와 같은 멀티레벨 변환기 토폴로지 (topology)를 나타내고,
도 2는 본 기술분야에서 알려진 바와 같은 도 1의 변환기의 위상 레그들에서 전압원들의 구조 (setup) 를 나타내고,
도 3은 도 1 및 도 2의 변환기에서 서브모듈들의 두 개의 다른 실시형태들을 나타내며,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고조파 보상기와 제 2 제어 유닛을 갖는 멀티레벨 변환기의 하나의 위상 레그를 나타내며,
도 5, 도 6 및 도 7 각각은 각 위상 레그와 직렬인 위상 인덕터들을 갖는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 3상 멀티레벨 변환기를 나타내며,
도 8a 및 도 8b는 전류 강성 (current-stiff) 전력 변환기를 갖는 고조파 보상기의 일 실시형태를 나타내며,
도 9는 AC 단자들에 연결된 위상 인덕터들을 갖는 본 발명의 또 하나의 실시 형태에 따른 3상 멀티레벨 변환기를 나타내며,
도 10a 및 도 10b는 전압 강성 (voltage-stiff) 전력 변환기를 갖는 고조파 보상기의 일실시 형태를 나타내며,
도 11은 AC 단자들에 연결된 위상 인덕터들을 갖는 본 발명의 또 하나의 실시형태에 따른 3상 멀티레벨 변환기를 나타낸다.Other features and advantages of the present invention will become more apparent to those skilled in the art from the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings in which:
1 illustrates a multilevel converter topology as known from the art,
FIG. 2 shows the setup of voltage sources in the phase legs of the converter of FIG. 1 as known in the art;
3 shows two different embodiments of submodules in the converter of FIGS. 1 and 2;
4 shows one phase leg of a multilevel converter having a harmonic compensator and a second control unit according to an embodiment of the invention,
5, 6 and 7 each show a three phase multilevel converter according to another embodiment of the invention with phase inductors in series with each phase leg,
8A and 8B show one embodiment of a harmonic compensator having a current-stiff power converter,
9 shows a three phase multilevel converter according to another embodiment of the present invention having phase inductors connected to AC terminals,
10A and 10B show one embodiment of a harmonic compensator having a voltage-stiff power converter,
11 shows a three phase multilevel converter according to another embodiment of the present invention with phase inductors connected to AC terminals.
본 발명에 따른 DC 전압을 AC 전압으로 및 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 멀티레벨 전력 변환기는, AC 전압이 얼마나 많은 위상들을 갖는지에 따라 하나의 위상 레그나 다수의 위상 레그들을 내포할 수 있다. 도 1은 본 기술분야에서 알려진 3상 변환기를 나타낸다. 도 1의 디바이스의 3개의 위상 레그들 (1, 2 및 3) 각각은 직렬 연결의 두개의 소위 (so-called) 아암 (arm) 들을 포함한다: 즉, 포지티브 (positive) 전압 레벨의 제 1 DC 단자 (4) 와 3 개의 AC 단자 (6, 7 또는 8) 중에 하나 사이에 각각 연결된 포지티브 상부 아암 및 영 (zero) 또는 네가티브 (negative) 전압 레벨의 제 2 DC 단자 (5) 와 3개의 AC 단자들 (6, 7, 또는 8) 중 하나 사이에 각각 연결된 네가티브 하부 아암. 각 포지티브 아암은 직렬 연결의 제 1 전압원 (Uvpi) 과 제 1 위상 인덕터 (9) 를 포함하고, 각 네가티브 아암은 제 2 위상 인덕터 (10) 와 제 2 전압원 (Uvni) 을 포함하며, 여기서 i는 대응하는 위상 레그의 수 (number), 예를 들어 i = 1, 2 또는 3을 의미한다. 각 위상 레그의 제 1 및 제 2 위상 인덕터들 사이의 중간 지점 또는 연결 지점은 AC 단자들 (6, 7 또는 8) 중의 하나에 각각 연결되어 있다. 모든 위상 레그들은 서로에 및 2개의 DC 단자들 (4 및 5) 과 병렬로 연결되어 있다. 제 1 제어 유닛 (30) 을 통해 시간상에서 위상 레그들의 전압원들을 적절히 제어함으로써, AC 대 DC (AC to DC) 변환이 이루어진다.A multilevel power converter for converting a DC voltage to an AC voltage and an AC voltage to a DC voltage according to the present invention may contain one phase leg or multiple phase legs depending on how many phases the AC voltage has. 1 shows a three phase transducer known in the art. Each of the three
도 2에서 나타내듯이, 각 전압원은 직렬 연결된 하나의 열 (string) 상태의 서브모듈들 (15) 로 이루어져 있고, 여기서 하나의 그러한 열에서는 적어도 2개의 서브 모듈들 (15) 이 포함된다.As shown in Fig. 2, each voltage source consists of
도 3으로부터 본 기술분야에서 알려진, 서브모듈들 (15) 의 2개의 다른 실시형태들 (15a 및 15b) 이 보여질 수 있다. 서브모듈들은 정류 셀들의 형태를 갖으며, 각 셀은 2개의 밸브들과 직류 전압을 수용하는 대용량 DC 캐패시터를 포함하고 있다. 밸브들은 턴-오프 (turn-off) 능력을 갖는 전력 전자 스위치 (16) 및 스위치에 역병렬 연결된 프리휠링 (free-wheeling) 다이오드가 설치되어 있다. 2개의 전력 전자 스위치들 (16) 중 어느 것이 통하는지에 따라, 대응하는 서브모듈은 2개의 스위칭 상태들 중 하나를 띌 수 있고, 상태 1에서는 영 (zero) 전압이 또는 상태 2에서는 캐패시터 전압이 출력에 인가된다. 이러한 또는 개선된 서브모듈들의 몇 개라도의 조합이 각 전압원 (15) 내에서 가능하다. 본 발명의 응용에 있어서, 필수적으로 서브모듈들 각각은 변환기의 출력전압의 다수 개별 레벨들의 단계를 발생시킬 수 있다.Two
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 도 1 내지 도 3의 변환기에는 위상 레그 (1) 에 대하여 도 4에서 묘사되듯이 각 위상 레그에 능동 제어 고조파 보상기 (21) 가 추가적으로 설치된다. 고조파 보상기 (21) 는 전력 전자 변환기 (22) 및 전력 전자 변환기 (22) 를 제어하기 위한 제 2 제어 유닛 (23) 을 포함한다. 전력 전자 변환기 (22) 는 커플링 인덕터 (18) 에 연결된다. 이하에서는, "연결된 (connected)" 이라는 용어는 명백히 "갈바닉하게 결합된 (galvanically coupled)"을 의미한다. 커플링 인덕터 (18) 는 결합 수단 (19) 을 통해 제 1 인덕터 (9) 에, 결합수단 (20) 을 통해 제 2 인덕터 (10) 에 결합 되어 있다. AC 단자 (6) 는, 커플링 인덕터 (18) 의 동일한 크기의 부분들이 각각 포지티브 위상 아암 및 네가티브 위상 아암의 일부가 되도록, 커플링 인덕터 (18)에 대칭적으로 연결되어 있다. 결합수단 (19 및 20) 은 갈바닉 (galvanic) 및/또는 자기적 (magnetic) 일 수 있으며, 자기적 결합은 공기 (air) 를 통해 또는 철과 같은 자기적 재료를 통해 커플링 인덕터와 각각의 제 1 또는 제 2 위상 인덕터들 사이에서 실현될 수 있다.According to one embodiment of the invention, the converter of FIGS. 1 to 3 is additionally provided with an active control
도 4에서의 기호들은 하기의 의미를 갖는다:The symbols in FIG. 4 have the following meanings:
u vp / n 포지티브 또는 네가티브 아암 각각에서의 전압원의 전압; u vp / n The voltage of the voltage source at each of the positive or negative arms;
i vp / n 포지티브/네가티브 위상 아암에서의 전류; i vp / n current in positive / negative phase arms;
i v AC 단자에서의 출력 전류; i v Output current at the AC terminal;
u f AC 단자에서의 전압 (AC 전압);u f the voltage at the AC terminal (AC voltage);
i m 커플링 인덕터를 통하는 전류; current through i m coupling inductor;
L h 제 1 및 제 2 인덕터의 인덕턴스; L h Inductance of the first and second inductors;
L m 커플링 인덕터의 인덕턴스.Inductance of the L m coupling inductor.
하기에서는, 묘사된 위상 레그 (1) 에서의 순환전류의 작용에 관해 발명자들에 의해 수행된 분석을 간략하게 기술한다.In the following, the analysis performed by the inventors on the action of the circulating current in the depicted
순환전류용 지배 방정식 i c = (i vp + i vn )/2 는 키르히호프 (Kirchhoff) 전압 법칙을 u vp 로 부터 u vn 까지의 직 경로에 적용함으로써 얻어질 수 있으며, 이 때 By applying a controlled electric current cycle for equation c = i (i vp vn + i) / 2 is Kirchhoff (Kirchhoff) voltage law to the straight path from u to u vp vn can be obtained, where
이 주어진다. Is given.
차동 전압 u vc = (u vp -u vn )/2 을 도입하면 방정식 (1) 을 다음과 같이 단순화 할 수 있다. By introducing the differential voltage u vc = ( u vp - u vn ) / 2, the equation (1) can be simplified as:
u vc 는 순환전류용 구동 전압이라는 것이 보여진다. 본 기술분야로부터 알려져 있듯이, 서브모듈들 (15) 의 스위칭을 적절히 제어함으로써 이 전압은 제어 가능하다. 따라서 전압 u vc 는 기준 을 따르도록 할 수 있지만, 추가적으로 전압 u vc 는 또한 다음과 같이 기생 항 Δu vc 를 포함할 수 있다. It is shown that u vc is the driving voltage for the circulating current. As is known from the art, this voltage is controllable by appropriately controlling the switching of the
시스템의 모델이 방정식 (2) 및 방정식 (3) 에 의해 기술된 그 시스템의 실 주파수 의존 작용 (real frequency dependent behaviour)을 분석하면 기생 항 Δu vc 가 하기의 세가지 고조파 컴포넌트들로 구성되어 있다는 것이 나타난다:If the model of the system analyzes the real frequency dependent behavior of the system described by equations (2) and (3), then the parasitic term Δ u vc consists of the following three harmonic components: appear:
1) 그 크기가 일반적으로 정격 AC 전압의 수 (a few) 퍼센트인 AC 전압의 기본 주파수의 2배인 제 1 컴포넌트;1) a first component whose magnitude is twice the fundamental frequency of the AC voltage, which is generally a few percent of the rated AC voltage;
2) 그 크기가 1)의 일부 (fraction) 인 기본 주파수의 4배인 제 2 컴포넌트;2) a second component whose magnitude is four times the fundamental frequency, fraction of 1);
3) 스위칭 고조파들을 포함하는 제 3 컴포넌트.3) a third component comprising switching harmonics.
제 1 컴포넌트는 3개의 컴포넌트들 중 최고 크기를 갖기 때문에, 이 컴포넌트는 최고 피크들을 갖는 순환전류의 고조파들인 결과가 될 것이다. 따라서, 이 피크들로부터 기인하는 손실들을 감소시키기 위하여, 제 1 컴포넌트를 줄이는 것이 바람직하다.Since the first component has the highest magnitude of the three components, this component will result in harmonics of circulating current with the highest peaks. Thus, to reduce the losses resulting from these peaks, it is desirable to reduce the first component.
도 4에 따른 고조파 보상기 (21) 를 가지고서, 컴포넌트 1)의 보상이 가능하게 된다. 바람직하게는, 커플링 인덕터 (18) 를 통하는 원하는 전류 흐름 (im) 이 발생 되도록 제어 유닛 (23) 은 전력 전자 변환기 (22) 를 제어한다. AC 전압 (Uf) 의 기본 주파수의 2배인 순환전류 (ic) 에서의 고조파들이 감소 되도록, 위상 레그에서, 여기서 특히 제 1 및 제 2 위상 인덕터들에서 원하는 보상 전류를 발생시키기 위해 커플링 인덕터 (18) 와 위상 레그 사이의 결합의 종류를 고려함으로써 원하는 전류 흐름 (im) 은 제어 유닛 (23) 에 의해 결정된다.With the
고조파 보상기 (21) 는 순환전류 (ic) 에서의 고조파들을 처리하기 때문에, 전력 반도체 스위치들 (16) 의 전압 정격은 이에 의해 감소 될 수 있으며, 그리하여 도 1에 나타난 전력 변환기에 대한 전체 비용들이 감소되는 결과가 된다. 이것은 물론 고조파 보상기의 도입에 의해 유도된 추가 비용들에 대한 상쇄 (offset) 일 것이다. 이러한 추가 비용들을 위에서 언급된 비용 절감들 이하로 유지하기 위해, 커플링 인덕터 (18) 에 걸리는 전압이 제 1 및 제 2 인덕터들에 걸리는 전압 보다 상당히 낮게 하는 방식으로, 제 1 및 제 2 위상 인덕터들 (9 및 10) 의 인덕턴스 (Lh) 에 대하여 커플링 인덕터 (18)의 인덕턴스 (Lm) 를 선택하는 것이 본 발명의 특별 실시형태에서 제안된다. 모든 인덕터들이 코일들인 경우, 커플링 인덕터 (18) 의 코일의 회전 수는 제 1 및 제 2 위상 인덕터들 (9 및 10) 의 회전 수와 비교하여 적절하게 적도록 선택되어 질 것이다. The
도 5, 도 6, 도 7, 도 9 및 도 11에서는, 3상 멀티레벨 변환기의 실시형태들이 나타나며, 각 실시형태에서는 커플링 인덕터들 (18) 이 그들 각각의 위상 레그에 갈바닉하게 (galvanically) 결합되어 있다. 그러나, 고조파 보상기 (21) 가 대응하는 커플링 인덕터 (18) 에 연결되어 있는 방식뿐만 아니라, 위상 인덕터들 (9, 10, 32) 의 배치도 각각 변화한다. 5, 6, 7, 9 and 11, embodiments of a three phase multilevel converter are shown, in which each coupling inductors 18 are galvanically galvanized to their respective phase legs. Are combined. However, not only the manner in which the
도 5에 나타난 변환기는 도 4에 따른 3개의 위상 레그들로 만들어진다.The transducer shown in FIG. 5 is made of three phase legs according to FIG. 4.
도 6의 변환기는 3개의 포지티브 위상 아암들의 3개의 제 1 위상 인덕터들 (9) 의 델타연결 및 3개의 네가티브 위상 아암들의 3개의 제 2 위상 인덕터들 (10) 의 유사한 델타연결을 나타낸다. 델타연결된 제 1 및 제 2 위상 인턱터들 (9 및 10) 중간지점은 대응하는 제 1 또는 제 2 DC 단자 (4 또는 5) 에 각각 연결되어 있다. 각 위상 인덕터 (9 또는 10) 는 단지 하나의 인덕터 엘리먼트 또는 직렬 연결의 2 개 이상의 인덕터 엘리먼트들을 포함할 수도 있다.The converter of FIG. 6 shows a delta connection of three
도 7에서는, 제 1 및 제 2 위상 인덕터들이 각 위상에 대해 하나의 AC 위상 인덕터 (32) 로 대체된다. AC 위상 인덕터 (32) 는 위상 레그들로부터 3개의 대응 AC 위상들로 이동되어 있고, 그것은 AC 단자들 (6, 7 및 8) 각각에 직렬로 연결되어 있다.In Fig. 7, the first and second phase inductors are replaced with one
도 8a 및 도 8b는 도 5, 도 6 및 도 7의 고조파 보상기들 (21) 의 일 실시형태를 나타낸다. 대응 커플링 인덕터 (18) 와 병렬로 연결된, 도 8a에 나타낸 고조파 보상기 (21) 는 위에서 기술된 바와 같이 제 2 제어 유닛 (23) 에 의해 제어되는 AC/DC 전력 전자 변환기 (22) 를 포함한다. 제 2 제어 유닛 (23)은 고조파 보상기 (21) 에 집적되어 있다. 대안으로, 제 2 제어 유닛은 별개로 설치되어 있을 수 있다. 전력 전자 변환기 (22) 는 전류 강성 (current-stiff) 전력 변환기 형태로 배열되고, DC 전류는 DC 전압원 (36) 및 DC 전압원 (36) 과 직렬로 연결된 보조 인덕터 (34) 에 의해 형성된 DC 전류원을 통해 변환기로 인가된다. AC/DC 전력 전자 변환기 (22) 가 배열되는 방법에 대한 예는 도 8b에 원칙적이고 개략적으로 나타나 있고, 여기서 AC/DC 전력 전자 변환기 (22) 는 이상적인 전력 전자 전환 스위치들 (38) 을 가진 3-레벨 변환기이며, 전환 스위치들 (38) 의 스위칭은 제 2 제어 유닛 (23) 에 의해 제어된다.8A and 8B show one embodiment of the
도 9는 도 7과 같이 위상 인덕터들 (32) 의 동일한 배열을 갖는 3 상 멀티레벨 변환기의 일 실시형태를 나타낸다. 그러나, 각 위상 레그는 단지 하나의 커플링 인덕터 (18) 및 하나의 대응 고조파 보상기 (21) 를 포함하고, 그 둘은 서로 직렬로 배열 및 대응 네가티브 위상 아암에서 제 2 전압원 (Uvni) 과 직렬로 배열된다. 대안으로, 커플링 인덕터들 (18) 및 고조파 보상기들 (21) 은 또한 대응 포지티브 위상 아암과 직렬로 배치될 수도 있다.9 shows one embodiment of a three phase multilevel converter having the same arrangement of
도 11의 실시형태는 3개의 위상 레그들의 각 위상 아암에서 커플링 인덕터 (18) 및 대응 직렬연결된 고조파 보상기 (21) 의 대칭적 배열을 묘사한다는 점에서 도 9와 다르다.The embodiment of FIG. 11 differs from FIG. 9 in that it depicts a symmetrical arrangement of
도 9 및 도 11의 고조파 보상기들 (21) 의 일 실시형태는 도 10a 및 도 10b에 나타난다. 대응 커플링 인덕터 (18) 과 직렬로 연결된 고조파 보상기 (21) 는 AC/DC 전력 전자 변환기 (22) 및 위에서 기술된 방식으로 전력 전자 변환기 (22) 를 제어하기 위한 제 2 제어 유닛 (23) 을 다시 포함한다. 이 실시형태에서는, 전력 전자 변환기 (22) 는 DC 전압원 (36) 에 의해 공급되는 전압 강성 (voltage-stiff) 변환기로서 배열된다. AC/DC 전력 전자 변환기 (22) 가 배열되는 방법에 대한 예는 도 10b에 원칙적이고 대략적으로 나타나 있으며, 여기서 AC/DC 전력 전자 변환기 (22) 는 이상적인 전력 전자 전환 스위치들 (38) 을 갖는 3-레벨 변환기이며, 전환 스위치들 (38) 의 스위칭은 제 2 제어 유닛 (23) 에 의해 제어된다. 대안책으로는, 도 9 및 도 11의 고조파 보상기들 (21) 이 도 8a 및 도 8b에 따른 전류 강성 (current-stiff) 변환기들로서 또한 배열될 수도 있다.One embodiment of the
도 9 및 도 11에서, 포지티브 및/또는 네가티브 위상 아암들의 3개의 고조파 보상기들 (21) 은 각각 동일한 전위 (potential) 에 와이 연결로 모두 연결된다. 이는 대안의 실시형태에서 3개의 고조파 보상기들 (21) 의 전력 전자 변환기들을 하나의 제 2 제어 유닛에 의해 제어되는 3상 전력 전자 변환기에 결합하는 것을 가능하게 한다.In FIGS. 9 and 11, the three
Claims (13)
상기 적어도 하나의 위상 레그 (1) 는 상기 제 1 DC 단자 (4) 와 제 1 AC 단자 (6) 사이의 제 1 전압원 (Uvp1) 및 상기 제 1 AC 단자 (6) 와 상기 제 2 DC 단자 (5) 사이의 제 2 전압원 (Uvn1) 을 포함하고,
상기 제 1 제어 유닛 (30) 은 상기 제 1 및 제 2 전압원들 (Uvp1, Uvn1) 을 제어하며,
상기 변환기는, 상기 적어도 하나의 위상 레그 (1) 와 직렬로 갈바닉하게 (galvanically) 결합된 적어도 하나의 커플링 인덕터 (18), 상기 적어도 하나의 커플링 인덕터 (18) 와 병렬로 연결됨으로써 그 출력측이 상기 커플링 인덕터 (18) 에 직접 연결된 전력 전자 변환기 (22) 를 포함하는 능동 제어 고조파 보상기 (21), 및 상기 고조파 보상기 (21) 의 출력을 제어하도록 적응되는 제 2 제어 유닛 (23) 을 더 포함하여, 상기 적어도 하나의 위상 레그 (1) 를 통하여 흐르는 순환 전류 (ic) 에서의 고조파들을 감소시키기는 것을 특징으로 하는, 멀티레벨 전압 변환기.A DC voltage to an AC voltage and an AC voltage to a DC voltage, comprising a first control unit 30 and at least one phase leg 1 between the first DC terminal 4 and the second DC terminal 5. A multilevel voltage converter to convert,
The at least one phase leg 1 comprises a first voltage source Uvp1 between the first DC terminal 4 and the first AC terminal 6 and the first AC terminal 6 and the second DC terminal ( 5) a second voltage source Uvn1 between,
The first control unit 30 controls the first and second voltage sources Uvp1, Uvn1,
The converter is connected to at least one coupling inductor 18 galvanically coupled in series with the at least one phase leg 1, the output side of which is connected in parallel with the at least one coupling inductor 18. An active control harmonic compensator 21 comprising a power electronic converter 22 directly connected to the coupling inductor 18, and a second control unit 23 adapted to control the output of the harmonic compensator 21. Further comprising, reducing harmonics in a circulating current (i c ) flowing through the at least one phase leg (1).
상기 AC 전압 (Uf) 의 기본 주파수의 2배인 순환전류 (ic) 에서의 고조파들이 감소되도록, 상기 제 2 제어 유닛 (23) 이 상기 고조파 보상기 (21) 의 출력을 제어하는, 멀티레벨 전압 변환기.The method of claim 1,
A multilevel voltage, in which the second control unit 23 controls the output of the harmonic compensator 21 so that harmonics in the circulating current i c which is twice the fundamental frequency of the AC voltage U f are reduced. converter.
상기 고조파 보상기 (21) 가 상기 커플링 인덕터 (18) 를 통하여 원하는 전류 흐름 (im) 을 발생시키도록, 상기 제 2 제어 유닛 (23) 이 상기 고조파 보상기 (21) 의 출력을 제어하는, 멀티레벨 전압 변환기.3. The method according to claim 1 or 2,
The harmonic compensator (21) by the second control unit 23, to generate a flow of current (i m), the desired through the coupled inductor (18) which controls the output of the harmonic compensator (21), a multi- Level voltage converter.
상기 제 2 제어 유닛 (23) 은 폐루프 제어를 통해 상기 고조파 보상기 (21) 의 출력을 제어하는, 멀티레벨 전압 변환기.3. The method according to claim 1 or 2,
The second control unit (23) controls the output of the harmonic compensator (21) via closed loop control.
상기 전력 전자 변환기 (22) 는 전류 강성 (current-stiff) 변환기인, 멀티레벨 전압 변환기.The method of claim 1,
The power electronic converter (22) is a current-stiff converter.
적어도 하나의 위상 인덕터 (9) 는 상기 위상 레그 (1) 와 직렬로 연결되는, 멀티레벨 전압 변환기.The method according to any one of claims 1, 2 or 5,
At least one phase inductor (9) is connected in series with said phase leg (1).
적어도 하나의 위상 인덕터 (9) 는 상기 제 1 AC 단자 (6) 와 직렬로 연결되는, 멀티레벨 전압 변환기.
The method according to any one of claims 1, 2 or 5,
At least one phase inductor (9) is connected in series with said first AC terminal (6).
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