RU2629005C2 - Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им - Google Patents

Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им Download PDF

Info

Publication number
RU2629005C2
RU2629005C2 RU2016102320A RU2016102320A RU2629005C2 RU 2629005 C2 RU2629005 C2 RU 2629005C2 RU 2016102320 A RU2016102320 A RU 2016102320A RU 2016102320 A RU2016102320 A RU 2016102320A RU 2629005 C2 RU2629005 C2 RU 2629005C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
voltage
semiconductor
converters
multistage
Prior art date
Application number
RU2016102320A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2016102320A (ru
Inventor
Мартин ПИШЕЛЬ
Вольфганг ХЕРГЕР
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2016102320A publication Critical patent/RU2016102320A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2629005C2 publication Critical patent/RU2629005C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/493—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode the static converters being arranged for operation in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использован многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями. Техническим результатом является уменьшение доли верхних гармоник выходного переменного напряжения. Осуществляется способ управления несколькими включенными параллельно своими контактными выводами (21) переменного напряжения многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями (2), содержащими каждый последовательную схему из двухполюсных подмодулей. При этом каждый из подмодулей содержит по меньшей мере два управляемых электронных переключателя и накопитель энергии, при этом управляемые электронные переключатели включены последовательно с образованием последовательной схемы. Последовательная схема расположена параллельно накопителю энергии. В способе на соответствующем контактном выводе (21) переменного напряжения многоступенчатых полупроводниковых преобразователей (2) создается ступенчатое изменение напряжения. При этом изменение напряжения второго многоступенчатого полупроводникового преобразователя смещается во времени относительно изменения напряжения первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя. Преобразовательный узел (1) содержит средства для задержки во времени изменения переменного напряжения по меньшей мере одного многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2) относительно изменения переменного напряжения другого многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2). 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к преобразовательному узлу, содержащему несколько многоступенчатых полупроводниковых преобразователей, содержащими каждый последовательную схему из двухполюсных подмодулей, при этом каждый многоступенчатый полупроводниковый преобразователь имеет контактный вывод переменного напряжения, на котором предусмотрена возможность создания ступенчатого изменения напряжения, и многоступенчатые полупроводниковые преобразователи включены параллельно своими контактными выводами переменного напряжения.
Кроме того, изобретение относится к способу управления преобразовательным узлом.
В DE 10103031 В4 раскрыт модульный многоступенчатый полупроводниковый преобразователь указанного в начале вида, при этом многоступенчатый полупроводниковый преобразователь через свои контактные выводы переменного напряжения соединен с тремя фазами сети переменного тока. С каждым из трех контактных выводов переменного напряжения многоступенчатого полупроводникового преобразователя согласованы две ветви включенных последовательно двухполюсных подмодулей. Каждый подмодуль содержит управляемые электронные переключатели, а также накопитель энергии. Управляемые электронные переключатели включены последовательно с образованием последовательной схемы, при этом последовательная схема включена параллельно накопителю энергии. За счет подходящего управления подмодулями, многоступенчатый полупроводниковый преобразователь может создавать ступенчатое периодическое переменное напряжение с заданной частотой и амплитудой. Количество N включенных последовательно подмодулей задает одновременно количество N создаваемых (положительных, соответственно, отрицательных) ступеней напряжения на выходе переменного напряжения соответствующего многоступенчатого полупроводникового преобразователя. Недостатком применения таких многоступенчатых полупроводниковых преобразователей являются всегда возникающие за счет ступенчатой формы создаваемого выходного переменного напряжения верхние гармоники (обратное воздействие на сеть). Верхние гармоники могут в отдельных случаях приводить к резонансам в сети и тем самым к увеличениям тока и/или напряжения, что может приносить вред потребителям.
Для некоторых применений, например, в установках для передачи постоянного тока высокого напряжения или в устройствах для компенсации реактивной мощности, предпочтительно использовать параллельно несколько таких многоступенчатых полупроводниковых преобразователей, при этом параллельно включенные многоступенчатые полупроводниковые преобразователи подключены к многофазной сборной шине.
Поэтому давно существует большая потребность в преобразовательных узлах с параллельно работающими многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также в способе управления ими, в которых может быть уменьшена доля верхних гармоник в выходном переменном напряжении.
Известно, что в служащем в качестве источника напряжения полупроводниковом преобразователе (VSC) с демпфирующим диодом (Diode-Clamped Voltage Source Converter), в VSC с бегущей емкостью (Flying-Capacitor VSC), в каскадном мостиковом VSC (Cascaded H-Bridge VSC) или в модульном многоступенчатом полупроводниковом преобразователе (MMC) можно уменьшать долю верхних гармоник за счет увеличения частоты переключения. Однако это приводит к дополнительным электрическим потерям, которые приводят к удорожанию работы многоступенчатого полупроводникового преобразователя.
Другой способ уменьшения верхних гармоник состоит в использовании пассивных фильтров. Однако для них требуется дополнительное место для установки, что приводит к увеличению общей поверхности установки преобразовательного узла. Дополнительно к этому, пассивные фильтры вызывают тепловые потери. Кроме того, эффективность фильтров зависит от условий сети, которые могут изменяться со временем, не полностью известны и/или зависят от эффектов старения конструктивных элементов.
В статье J. Salmon, A.M. Knight, J. Evanchuk “Single-Phase Multilevel PWM Inverter Topologies Using Coupled Inductors”; IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 24, май 2009, приведено описание специальных соединительных индуктивностей.
В DE 4232356 А1 приведено описания управления параллельной схемой полупроводниковых преобразователей, в которой выбранная верхняя гармоника подавляется посредством сдвига фазы напряжения одного полупроводникового преобразователя относительно напряжения другого полупроводникового преобразователя на половину длительности периода верхней гармоники. Однако в DE 4232356 А1 не рассматривается управление многоступенчатым полупроводниковым преобразователем указанного в начале типа для подавления всей доли верхних гармоник.
Поэтому задачей данного изобретения является создание способа управления преобразовательным узлом с несколькими многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, в котором уменьшается доля верхних гармоник выходного переменного напряжения.
Задача решена тем, что изменение напряжения на контактном выводе переменного напряжения второго многоступенчатого полупроводникового преобразователя смещается во времени относительно изменения напряжения на контактном выводе переменного напряжения первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя.
Кроме того, задачей данного изобретения является создание преобразовательного узла указанного вида, который обеспечивает возможность управления многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, в котором обеспечивается возможность уменьшения доли верхних гармоник выходного переменного напряжения преобразовательного узла.
Задача решена тем, что преобразовательный узел содержит средства для задержки во времени изменения переменного напряжения по меньшей мере одного многоступенчатого полупроводникового преобразователя относительно изменения переменного напряжения другого многоступенчатого полупроводникового преобразователя.
Смещение во времени изменений напряжения приводит в способе, согласно изобретению, к тому, что верхние гармоники, которые возникают вследствие ступенчатой формы создаваемого с помощью многоступенчатых полупроводниковых преобразователей переменного напряжения, накладываются друг на друга так, что они по меньшей мере частично гасятся.
При подходящих условиях может достигаться демпфирование верхних гармоник на коэффициент 1/М, где М является количеством включенных параллельно многоступенчатых полупроводниковых преобразователей. Сильно ослабленные таким образом верхние гармоники имеют в М раз большую частоту, чем частота отдельного управляемого многоступенчатого полупроводникового преобразователя и обычно больше не оказывают мешающего воздействия на сеть.
Предпочтительно, дополнительно к этому частота переключения многоступенчатых полупроводниковых преобразователей, которая соответствует обратной величине длительности периода тактового сигнала, может быть уменьшена так, что возникающие верхние гармоники лежат ниже заданного порогового значения. За счет этого уменьшаются рабочие потери отдельных многоступенчатых полупроводниковых преобразователей.
Способ, согласно изобретению, пригоден для использования как в установках для передачи постоянного тока высокого напряжения, так и в устройствах для компенсации реактивной мощности в сетях переменного напряжения.
Предпочтительно, предусмотренный для этого центральный управляющий блок направляет сигналы управления в многоступенчатые полупроводниковые преобразователи. При этом центральный управляющий блок направляет в первый многоступенчатый полупроводниковый преобразователь управляющий сигнал без задержки, а во второй многоступенчатый полупроводниковый преобразователь - с задержкой на разностное время.
Согласно одному предпочтительному варианту выполнения изобретения, разностное время задается в зависимости от количества N создаваемых ступеней напряжения, а также от интервала времени ТА между двумя следующими друг за другом управляющими сигналами.
Особенно предпочтительно, разностное время выбирается пропорционально ТА и обратно пропорционально N. Например, разностное время может определяться по формуле t = c·TA/N, при этом t означает разностное время и с - постоянную величину, которая может лежать в диапазоне значений между 0 и 2, предпочтительно между 0,2 и 0,8.
Согласно другому варианту выполнения изобретения, центральный управляющий блок задает как управляющий такт, так и подлежащее установке напряжение каждому из многоступенчатых полупроводниковых преобразователей. Заданное напряжение преобразователя можно преобразовывать, например, с помощью сдвинутой по фазе широтно-импульсной модуляции, в соответствующее управление многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями. Заданный такт управления может иметь вид периодического несущего сигнала. Широтно-импульсная модуляция для управления отдельными подмодулями многоступенчатых полупроводниковых преобразователей содержит в этом случае подходящий сдвиг несущего сигнала на заданный фазовый угол.
Однако для управления многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями можно применять также другие подходящие способы, такие как, например, указанные в WO 2008/086760 А1.
Если преобразовательный узел содержит более двух многоступенчатых полупроводниковых преобразователей, то предпочтительно все многоступенчатые полупроводниковые преобразователи, за исключением первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя, управляются с задержкой. Если управляющий сигнал для второго многоступенчатого полупроводникового преобразователя задерживается на разностное время, то, например, управляющий сигнал для третьего многоступенчатого полупроводникового преобразователя задерживается на двойное разностное время, для четвертого многоступенчатого полупроводникового преобразователя - на тройное разностное время и т.д.
Согласно изобретению, преобразовательный узел содержит средства для задержки во времени ступенчатого изменения переменного напряжения по меньшей мере одного многоступенчатого полупроводникового преобразователя относительно изменения переменного напряжения другого многоступенчатого полупроводникового преобразователя.
Предпочтительно, многоступенчатые полупроводниковые преобразователи содержат каждый управляющий блок, который, например, выполнен в виде модуля системы управления (MMS). Преобразовательный узел предпочтительно имеет дополнительно центральный управляющий блок для обеспечения управляющих сигналов для управляющих блоков. Центральный управляющий блок снабжен одним или несколькими звеньями задержки, так что с помощью звеньев задержки обеспечивается возможность задержки во времени управляющих сигналов.
Если с помощью центрального управляющего блока задается подлежащее преобразованию напряжение, то предпочтительно каждый управляющий блок предназначен для преобразования заданного напряжения на клеммах преобразователя посредством управления многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями.
Целесообразно, многоступенчатые полупроводниковые преобразователи соединены через соединительную индуктивность со сборной шиной. Соединительная индуктивность может быть выполнена в виде дросселя для уменьшения высокочастотных токов.
Согласно одному варианту выполнения изобретения, сборная шина соединена с сетью переменного напряжения. Предпочтительно, сеть переменного напряжения является трехфазной сетью. При этом каждый многоступенчатый полупроводниковый преобразователь соединен с тремя сборными шинами, причем каждая сборная шина соответствует одной фазе сети.
Предпочтительно, двухполюсные подмодули выполнены в виде полумостовых схем или полностью мостовых схем.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг. 1 - блок-схема преобразовательного узла, согласно изобретению;
фиг. 2 - блок-схема задержки во времени управляющих сигналов, согласно изобретению;
фиг. 3 и 4 - примеры выполнения многоступенчатых полупроводниковых преобразователей преобразовательного узла, согласно изобретению;
фиг. 5 и 6 - пример выполнения подмодуля;
фиг. 7 - пример моделирования преобразовательного узла, согласно изобретению;
фиг. 8 - участок регулирования при моделировании, согласно фиг. 5;
фиг. 9 - система управления многоступенчатым полупроводниковым преобразователем при моделировании, согласно фиг. 5 и 6.
На фиг. 1 показана принципиальная схема примера выполнения преобразовательного узла 1, согласно изобретению. Показанный преобразовательный узел 1 содержит несколько включенных параллельно многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2. Каждый из многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2 имеет контактный вывод 21 переменного напряжения. Многоступенчатые полупроводниковые преобразователи 2 соединены своим контактным выводом 21 переменного напряжения и через соединительную индуктивность 4 со сборной шиной 5. Сборная шина 5 в свою очередь соединена с сетью 6 переменного напряжения, например, с одной фазой трехфазной сети.
Каждый из многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2 содержит управляющий блок 22, который предусмотрен для преобразования задания постоянного напряжения центрального управляющего блока 3 в управление многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями. Центральный управляющий блок 3 имеет средства 31 для создания задания напряжения, а также блок 32 для создания управляющего сигнала.
Каждый из многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2 получает от центрального управляющего блока 3 задание номинального значения тока, а также управляющий сигнал, который выполнен в виде периодического тактового несущего сигнала. При этом управляющий сигнал первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя не задерживается, а управляющий сигнал другого многоступенчатого полупроводникового преобразователя сдвинут во времени относительно не задержанного управляющего сигнала. Предпочтительно, управляющие сигналы всех многоступенчатых полупроводниковых преобразователей, за исключением первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя, задерживаются на разностное время, при этом все значения разностного времени являются различными.
С помощью управляющих блоков 22 соответствующий управляющий сигнал и задание номинального значения тока преобразуются в управление полупроводниковыми переключателями 71 (см. фиг. 5, 6) многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2. За счет задержки управляющих сигналов смещаются во времени относительно друг друга получающиеся изменения переменного напряжения на контактных выводах 21 многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2.
Если многоступенчатый преобразовательный узел используется в качестве части установки для передачи тока высокого напряжения, то каждый многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2 имеет контактные выводы 23 постоянного напряжения для соединения, соответственно, с отрицательным и положительным полюсом напряжения, соответственно, с контактом заземления.
Многоступенчатые полупроводниковые преобразователи 2 могут быть предпочтительно выполнены в виде модульных многоступенчатых полупроводниковых преобразователей (ММС) (см. фиг. 3, 4).
Ниже поясняется смещение во времени управляющих сигналов на основе примера выполнения со ссылками на фиг. 2.
Блок 32 для генерирования управляющего сигнала (см. фиг. 1) содержит тактовый генератор 321. Генерируемый тактовым генератором 321 управляющий сигнал направляется без задержки в управляющий блок 22А первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя. Одновременно не задержанный управляющий сигнал направляется в первое звено 33А задержки, с помощью которого управляющий сигнал задерживается во времени. Таким образом, управляющий блок 22В получает задержанный с помощью звена 33А задержки задержанный управляющий сигнал. Кроме того, задержанный с помощью звена 33А задержки задержанный управляющий сигнал направляется дальше в звено 33В задержки. Наконец, управляющий блок 22С получает в целом задержанный дважды с помощью обоих звеньев 33А и 33В задержки управляющий сигнал.
Выполнение многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2 в соответствии с двумя вариантами выполнения схематично показано на фиг. 3 и 4. Эти известные из уровня техники многоступенчатые полупроводниковые преобразователи могут предпочтительно применяться в преобразовательном узле 1, согласно изобретению. Однако изобретение не ограничивается исключительно использованием лишь показанных многоступенчатых полупроводниковых преобразователей.
Многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2 на фиг. 3 содержит три контактных вывода L1, L2, L3 переменного напряжения. С помощью контактных выводов L1, L2, L3 переменного напряжения многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2 соединен с сетью трехфазного тока (не изображена). Показанный на фиг. 3 многоступенчатый полупроводниковый преобразователь можно использовать в качестве выпрямителя или в качестве инвертора. Кроме того, многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2 содержит шесть ветвей Z, которые имеют каждая последовательную схему из N конструктивно одинаковых двухполюсных подмодулей 7, а также индуктивность 24. Каждая из ветвей Z соединена либо с положительной сборной шиной SP, либо с отрицательной сборной шиной SN. Разница потенциалов между обеими клеммами 73 каждого двухполюсного подмодуля 7 называется клеммным напряжением подмодуля. Каждый подмодуль может принимать первое состояние переключения, в котором клеммное напряжение подмодуля равно нулю; и может принимать второе состояние переключения, в котором клеммное напряжение подмодуля имеет отличное от нуля значение. В соответствии с этим, за счет подходящего управления подмодулями 7 многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2 можно переключать k включенных последовательно между положительной сборной шиной SP и отрицательной сборной шиной SN подмодулей 7 во второе состояние переключения; остальные N-k подмодулей переключаются в первое состояние переключения. За счет этого между сборными шинами SP и SN создается разница потенциалов UPN, которая соответствует количеству k подмодулей 7, которые находятся во втором состоянии переключения. Если, например, накопители энергии подмодулей предварительно заряжаются до единого напряжения UC, то для разницы потенциалов справедливо UPN = k UC. Потенциал на контактном выводе L1, который определяется, например, как разница потенциалов относительно сборной шины SN, в этом случае пропорциональна количеству лежащих в ветви между L1 и SN подсистем, которые находятся во втором состоянии переключения. Таким образом, количество максимально создаваемых (положительных, соответственно, отрицательных) ступеней напряжения между L1 и SN (соответственно, SP), равно количеству N включенных последовательно подмодулей 7 в соответствующей ветви Z. То же справедливо для контактных выводов L2 и L3.
На фиг. 4 показан другой вариант выполнения многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2. Показанный на фиг. 4 многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2 имеет три ветви Z включенных последовательно подмодулей 7. При этом три контактных вывода L1, L2, L3 переменного напряжения соединены друг с другом по схеме треугольника с помощью трех ветвей Z. Многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2 на фиг. 4 предпочтительно используется для компенсации реактивной мощности трехфазной сети переменного тока.
Ниже приводится описание двух вариантов выполнения подмодулей 7 преобразовательного узла, согласно изобретению, на основании фиг. 5 и 6.
Подмодуль 7 на фиг. 5 реализован в виде полумостовой схемы и имеет две клеммы 73, два управляемых электронных переключателя 711, 712, а также накопитель 72 энергии.
Оба управляемых электронных переключателя 711, 712 включены последовательно с образованием последовательной схемы. При этом последовательная схема электронных переключателей 711, 712 включена параллельно накопителю 72 энергии. Управляемые электронные переключатели 711, 712 реализованы с помощью полупроводниковых приборов, таких как IGBT или MOS-FET. Антипараллельно каждому управляемому электронному переключателю 711, 712 включен диод 74. Антипараллельные диоды 74 могут быть дискретными конструктивными элементами или могут быть интегрированы в полупроводниковую структуру управляемых электронных переключателей 711, 712. Накопитель 72 энергии реализован в виде накопительного конденсатора или конденсаторной батареи из нескольких накопительных конденсаторов.
Первое состояние переключения подмодуля 7 характеризуется тем, что электронный переключатель 712 включен, в то время как электронный переключатель 711 выключен. Если включен электронный переключатель 711, в то время как электронный переключатель 712 выключен, то подмодуль 7 находится во втором состоянии переключения, в котором на клеммах 72 подмодуля падает по существу напряжение накопителя 72 энергии. Если оба электронных переключателя 711, 712 выключены, то обеспечивается, что в случае внешней неисправности (например, при коротком замыкании клемм) не отдается энергия.
В показанном на фиг. 6 примере выполнения двухполюсный подмодуль 7 реализован с двумя клеммами 73 в виде полного моста. Подмодуль 7 на фиг. 6 содержит две последовательные схемы электронных переключателей 71, с которыми согласованы соответствующие антипараллельные диоды 74. Параллельно обеим последовательным схемам включен накопитель 72 энергии в виде накопительного конденсатора или конденсаторной батареи. Аналогично фиг. 5, также в полном мосте, согласно фиг. 6, предусмотрено создание первого и второго состояния переключения подмодуля 7 посредством включения, соответственно, выключения электронных переключателей 74. Дополнительно к этому, подмодуль 7 в виде полного моста может создавать также отрицательное состояние переключения.
Естественно, что за счет фиг. 3-6 не исключается, что многоступенчатые полупроводниковые преобразователи 2, а также подмодули 7 содержат другие конструктивные элементы, такие как, например, не изображенные на фигурах измерительные устройства.
На фиг. 7 показана испытательная схема для моделирования способа, согласно изобретению, управления преобразовательным узлом 1. В этом примере выполнения преобразовательный узел 1 содержит три многоступенчатых полупроводниковых преобразователя 2А, 2В, 2С. Многоступенчатые полупроводниковые преобразователи 2А, 2В, 2С включены параллельно через свои контактные выводы 21 переменного напряжения.
Задание 31 номинального значения тока направляется через разветвитель в узловой точке К к включенным параллельно многоступенчатым полупроводниковым преобразователям 2А, 2В, 2С. В соответствии с заданием номинального значения тока, на каждом из контактных выводов 21 переменного напряжения создается ступенчатое изменение напряжения, при этом изменения напряжения смещены относительно друг друга во времени. Затем три изменения напряжения суммируются в суммирующем звене 8 и сравниваются с отдельными изменениями напряжения, при этом сравнение отображается в индикаторном средстве. За счет измерения и графического отображения изменений напряжения можно отображать уменьшенную в результате способа долю верхних гармоник в изменении напряжения и, возможно, получать в отдельном случае количественную оценку.
На фиг. 8 показана блок-схема регулировочного участка между узловой точкой К и контактным выводом 21 переменного напряжения (см. фиг. 7) многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2А, 2В, 2С. Эта схема справедлива, соответственно, для остальных многоступенчатых полупроводниковых преобразователей.
На входе 10 регулировочного участка предусмотрено задание номинального значения тока, которое имеет синусоидальное изменение во времени, и направляется на регулятор 11 тока. В показанном на фиг. 8 примере выполнения регулятор 11 тока выполнен в виде пропорционально-интегрального регулятора. При этом пропорционально-интегральный регулятор характеризуется передаточной функцией вида U(s)=(s+200/(100·pi)/s, где pi обозначает коэффициент усиления контура. При этом, естественно, возможно использование других регуляторов с другими передаточными функциями. Задание номинального значения тока преобразуется с помощью пропорционально-интегрального регулятора в задание напряжения полупроводникового преобразователя. Управляющий блок многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2 обрабатывает задание напряжения полупроводникового преобразователя и преобразует его с помощью сдвинутой по фазе широтно-импульсной модуляции (phase-shifted PWM) в команды переключения для электронных переключателей подмодулей. Получаемое напряжение выдается на выходе 12 регулировочного участка, при этом напряжение дополнительно согласовывается с помощью соединительной индуктивности 4, индуктивность которой в данном примере составляет 636,7 мкГн, а активное сопротивление примерно 1 мОм. Соединительная индуктивность 4 имеет обычно, наряду с индуктивной, также активную составляющую. Поэтому на фиг. 8 соединительная индуктивность 4 приводит к передаточной функции в виде U(s)=1000/((200/(100·pi)·s+1). Однако в этой связи возможны также другие передаточные функции.
На фиг. 9 схематично показана сдвинутая по фазе широтно-импульсная модуляция примера выполнения моделирования, согласно фиг. 7 и 8. При этом широтно-импульсная модуляция выполняется, соответственно, для каждого из трех многоступенчатых полупроводниковых преобразователей 2А, 2В, 2С.
В этом примере выполнения многоступенчатый полупроводниковый преобразователь 2А, 2В, 2С содержит два подмодуля в каждой ветви Z. Однако способ управления может быть, соответственно, распространен на любое большее количество подмодулей.
Тактовый несущий сигнал управления создается с помощью генератора пилообразного напряжения и направляется в первое звено 15 задержки. Первое звено 15 задержки задерживает тактовый несущий сигнал в соответствии со следующим правилом: тактовый несущий сигнал для многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2А не задерживается; тактовый несущий сигнал для многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2В задерживается на разностное время; тактовый несущий сигнал для многоступенчатого полупроводникового преобразователя 2С задерживается на двойное разностное время. При этом пилообразный тактовый несущий сигнал имеет частоту 1 кГц. Разностное время составляет 83,3 мкс.
Затем тактовый несущий сигнал направляется в первый подмодуль дальше без дополнительной задержки, что изображено на фиг. 9 с помощью первой ветви Z1. Тактовый несущий сигнал направляется во второй подмодуль через вторую ветвь Z2 во второе звено 16 задержки, так что второй подмодуль получает дополнительно задержанный тактовый несущий сигнал. Дополнительная задержка, которая обычно называется фазовым сдвигом относительно периодического тактового несущего сигнала, составляет в показанном на фиг. 9 примере выполнения 90є. В целом справедливо, что в случае m подмодулей фазовый сдвиг должен составлять 180°/m, как указано, например, в статье S. Kouro et al. ”Multicarier PWM With DC-Link Ripple Feedforward for Multilevel Inverters”; IEEE Transaction on Power Electronics (т. 23, издание 1), 2008.
Определяемое регулятором 11 тока задание номинального значения напряжения подается на вход 13 управления. Оно нормируется с помощью мультипликатора 18 с учетом напряжения подмодуля, которое предоставляется измерительным устройством 17.
Тактовые несущие сигналы обоих подмодулей сравниваются затем с нормированным номинальным значением напряжения с помощью компараторов 19, в результате чего определяется соответствующее состояние переключения для каждого из обоих подмодулей. Падающие на клеммах подмодулей в соответствии с их состояниями переключения напряжения складываются с помощью суммирующего звена 20. Наконец, с помощью мультипликатора 30 образуется результирующееся напряжение полупроводникового преобразователя и направляется на выход 40.
Перечень позиций
1 Преобразовательный узел
2, 2А, 2В, 2С Многоступенчатый полупроводниковый преобразователь
21 Контактный вывод переменного напряжения
22, 22А, 22В, 22С Управляющий блок
23 Контактный вывод постоянного напряжения
3 Центральный управляющий блок
31 Задание номинального значения тока
32 Создание управляющего сигнала
33А, 33В Звено задержки
4 Соединительная индуктивность
5 Сборная шина
6 Сеть переменного напряжения
7 Подмодуль
71, 711, 712 Электронный переключатель
72 Накопитель энергии
73 Клемма подмодуля
74 Диод
8 Суммирующее звено
9 Индикаторное средство
10 Вход регулировочного участка
11 Регулятор тока
12 Выход регулировочного участка
13 Вход управления
14 Генератор пилообразного напряжения
15 Первое звено задержки
16 Второе звено задержки
17 Измерительное устройство
18 Мультипликатор
19 Компаратор
20 Суммирующее звено
30 Мультипликатор
40 Выход управления
К Узловая точка
L1, L2, L3 Контактный вывод переменного напряжения трехфазной
сети
SN Отрицательная сборная шина
SP Положительная сборная шина
Z Ветвь
Z1 Первая ветвь
Z2 Вторая ветвь

Claims (13)

1. Способ управления несколькими включенными параллельно своими контактными выводами (21) переменного напряжения многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями (2, 2А, 2В, 2С), содержащими каждый последовательную схему из двухполюсных подмодулей (7), причем каждый подмодуль (7) содержит по меньшей мере два управляемых электронных переключателя (71, 711, 712) и накопитель (72) энергии, при этом управляемые электронные переключатели (71, 711, 712) включены последовательно с образованием последовательной схемы и последовательная схема расположена параллельно накопителю (72) энергии, в котором на соответствующем контактном выводе (21) переменного напряжения создается ступенчатое изменение напряжения, и изменение напряжения второго многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2, 2А, 2В, 2С) смещается во времени относительно изменения напряжения первого многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2, 2А, 2В, 2С).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что центральный управляющий блок (3) направляет сигналы управления в многоступенчатые полупроводниковые преобразователи (2), при этом центральный управляющий блок (3) направляет в первый многоступенчатый полупроводниковый преобразователь (2) не задержанный управляющий сигнал, а во второй многоступенчатый полупроводниковый преобразователь (2) - задержанный на разностное время управляющий сигнал.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что каждым многоступенчатым полупроводниковым преобразователем (2, 2А, 2В, 2С) создается N ступеней напряжения и каждое разностное время задают в зависимости от N, а также от интервала времени ТА между двумя следующими друг за другом управляющими сигналами.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что разностное время пропорционально ТА и обратно пропорционально N.
5. Способ по любому из пп. 2-4, отличающийся тем, что центральный управляющий блок (3) задает подлежащее установке напряжение полупроводникового преобразователя и задание номинального значения напряжения полупроводникового преобразователя преобразуют с помощью сдвинутой по фазе широтно-импульсной модуляции в соответствующее управление многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями (2).
6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что сдвинутая по фазе широтно-импульсная модуляция содержит подходящий сдвиг фазы периодического несущего сигнала для управления отдельными подмодулями (7) многоступенчатых полупроводниковых преобразователей (2, 2А, 2В, 2С).
7. Преобразовательный узел с несколькими параллельно включенными своими контактными выводами (21) переменного напряжения многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями (2, 2А, 2В, 2С), которые имеют последовательную схему из двухполюсных подмодулей (7), при этом каждый подмодуль (7) содержит по меньшей мере два управляемых электронных переключателя (71, 711, 712) и накопитель (72) энергии, при этом управляемые электронные переключатели (71, 711, 712) включены последовательно с образованием последовательной схемы и последовательная схема расположена параллельно накопителю (72) энергии, при этом предусмотрена возможность создания на каждом контактном выводе (21) переменного напряжения ступенчатого изменения напряжения, отличающийся тем, что преобразовательный узел содержит средства для задержки во времени изменения переменного напряжения по меньшей мере одного многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2, 2А, 2В, 2С) относительно изменения переменного напряжения другого многоступенчатого полупроводникового преобразователя (2, 2А, 2В, 2С).
8. Преобразовательный узел по п. 7, отличающийся тем, что многоступенчатые полупроводниковые преобразователи (2, 2А, 2В, 2С) содержат каждый управляющий блок (22, 22А, 22В, 22С) и преобразовательный узел дополнительно содержит центральный управляющий блок (4) для обеспечения управляющих сигналов на управляющих блоках (22, 22А, 22В, 22С), при этом центральный управляющий блок (3) снабжен звеньями (33А, 33В, 15) задержки и предусмотрена возможность задержки во времени управляющих сигналов с помощью звеньев (33А, 33В, 15) задержки.
9. Преобразовательный узел по п. 8, отличающийся тем, что многоступенчатые полупроводниковые преобразователи (2, 2А, 2В, 2С) соединены через соединительную индуктивность (4) со сборной шиной (5).
10. Преобразовательный узел по п. 9, отличающийся тем, что сборная шина (5) соединена с сетью (6) переменного напряжения.
11. Преобразовательный узел по любому из пп. 8-10, отличающийся тем, что управляющие блоки (22, 22А, 22В, 22С) предназначены для управления отдельными подмодулями (7) многоступенчатых полупроводниковых преобразователей (2) с помощью сдвинутой по фазе широтно-импульсной модуляции.
12. Преобразовательный узел по любому из пп. 7-10, отличающийся тем, что подмодули (7) выполнены в виде полумостовых схем или полномостовых схем.
13. Преобразовательный узел по п. 11, отличающийся тем, что подмодули (7) выполнены в виде полумостовых схем или полномостовых схем.
RU2016102320A 2013-06-27 2014-06-05 Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им RU2629005C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013212426.0 2013-06-27
DE102013212426.0A DE102013212426A1 (de) 2013-06-27 2013-06-27 Umrichteranordnung mit parallel geschalteten Mehrstufen-Umrichtern sowie Verfahren zu deren Steuerung
PCT/EP2014/061703 WO2014206704A1 (de) 2013-06-27 2014-06-05 Umrichteranordnung mit parallel geschalteten mehrstufen-umrichtern sowie verfahren zu deren steuerung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016102320A RU2016102320A (ru) 2017-08-01
RU2629005C2 true RU2629005C2 (ru) 2017-08-24

Family

ID=50942672

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016102320A RU2629005C2 (ru) 2013-06-27 2014-06-05 Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20160380551A1 (ru)
EP (1) EP2992595A1 (ru)
KR (1) KR20160013176A (ru)
CN (1) CN205657581U (ru)
DE (1) DE102013212426A1 (ru)
RU (1) RU2629005C2 (ru)
WO (1) WO2014206704A1 (ru)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105743360B (zh) * 2014-12-11 2018-01-19 南京南瑞继保电气有限公司 一种子模块分布式控制方法、装置和系统
FR3039313B1 (fr) * 2015-07-23 2019-07-26 Blue Solutions Dispositif reconfigurable de stockage d'energie par effet capacitif, systeme d'alimentation et vehicule electrique integrant ce dispositif
EP3136581B1 (de) * 2015-08-26 2020-04-29 GE Energy Power Conversion Technology Ltd Modularer mehrpunktstromrichter und verfahren zum betreiben desselben
CN105896586B (zh) * 2016-05-05 2018-08-17 南京南瑞继保电气有限公司 一种电压源换流站的故障定位及恢复方法和系统
CN106291305B (zh) * 2016-08-04 2018-10-26 同济大学 一种基于开关特性的变流器igbt模块故障预诊断方法
KR102300064B1 (ko) * 2019-08-30 2021-09-09 한국전력공사 모듈형 멀티레벨 컨버터의 서브모듈에 포함되는 커패시터의 전압 균형 제어 장치 및 방법

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4232356A1 (de) * 1992-09-26 1994-03-31 Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset Stromversorgungseinrichtung mit mindestens zwei Stromrichtern, z.B. Windkraftanlage, Photovoltaikanlage, Batteriespeicher sowie Kombinationen hiervon
JPH10337033A (ja) * 1997-05-17 1998-12-18 Asea Brown Boveri Ag パワー電子回路装置の動作方法
EP1253706A1 (de) * 2001-04-25 2002-10-30 ABB Schweiz AG Leistungselektronische Schaltungsanordnung und Verfahren zur Uebertragung von Wirkleistung
RU2269196C1 (ru) * 2004-07-20 2006-01-27 Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Преобразователь напряжения, выполненный по комбинированной схеме
US20060114623A1 (en) * 2003-02-12 2006-06-01 Takuya Domoto Switching type power source device and magnetio resonance imaging device using the same
RU2411627C1 (ru) * 2010-01-11 2011-02-10 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Многоуровневый автономный инвертор напряжения

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5933339A (en) * 1998-03-23 1999-08-03 Electric Boat Corporation Modular static power converter connected in a multi-level, multi-phase, multi-circuit configuration
US6411530B2 (en) * 2000-04-06 2002-06-25 Robicon Corporation Drive and power supply with phase shifted carriers
DE10103031B4 (de) 2001-01-24 2011-12-01 Siemens Ag Stromrichterschaltung mit verteilten Energiespeichern und Verfahren zur Steuerung einer derartigen Stromrichterschaltung
US6900998B2 (en) * 2002-05-31 2005-05-31 Midwest Research Institute Variable-speed wind power system with improved energy capture via multilevel conversion
CN101584109B (zh) 2007-01-17 2012-07-04 西门子公司 多级变流器的相模块的控制
DE102007018343A1 (de) * 2007-04-16 2008-10-30 Siemens Ag Aktivfilter mit einer Multilevel-Topologie
DE102009033515A1 (de) * 2009-07-15 2011-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Statischer Umformer und Verfahren zum Anfahren des Umformers
WO2011110472A1 (de) * 2010-03-10 2011-09-15 Abb Schweiz Ag Verfahren zum betrieb einer umrichterschaltung sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens
WO2011160729A1 (en) * 2010-06-23 2011-12-29 Abb Technology Ag Voltage converting apparatus and method for converting a voltage
US9209693B2 (en) * 2011-11-07 2015-12-08 Alstom Technology Ltd Control circuit for DC network to maintain zero net change in energy level

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4232356A1 (de) * 1992-09-26 1994-03-31 Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset Stromversorgungseinrichtung mit mindestens zwei Stromrichtern, z.B. Windkraftanlage, Photovoltaikanlage, Batteriespeicher sowie Kombinationen hiervon
JPH10337033A (ja) * 1997-05-17 1998-12-18 Asea Brown Boveri Ag パワー電子回路装置の動作方法
EP1253706A1 (de) * 2001-04-25 2002-10-30 ABB Schweiz AG Leistungselektronische Schaltungsanordnung und Verfahren zur Uebertragung von Wirkleistung
US20060114623A1 (en) * 2003-02-12 2006-06-01 Takuya Domoto Switching type power source device and magnetio resonance imaging device using the same
RU2269196C1 (ru) * 2004-07-20 2006-01-27 Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" Преобразователь напряжения, выполненный по комбинированной схеме
RU2411627C1 (ru) * 2010-01-11 2011-02-10 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Многоуровневый автономный инвертор напряжения

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE 4232356 A1, 31.03/1994. *

Also Published As

Publication number Publication date
US20160380551A1 (en) 2016-12-29
EP2992595A1 (de) 2016-03-09
CN205657581U (zh) 2016-10-19
WO2014206704A1 (de) 2014-12-31
RU2016102320A (ru) 2017-08-01
KR20160013176A (ko) 2016-02-03
DE102013212426A1 (de) 2014-12-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9325252B2 (en) Multilevel converter systems and sinusoidal pulse width modulation methods
RU2629005C2 (ru) Преобразовательный узел с параллельно включенными многоступенчатыми полупроводниковыми преобразователями, а также способ управления им
US8462524B2 (en) 3-level pulse width modulation inverter with snubber circuit
US20120163044A1 (en) Multilevel power converter or inverter arrangement using h bridges
Farhadi-Kangarlu et al. Five-level single-dc source inverter with adjustable DC-link voltage
Zhang et al. A hybrid modulation method for single-phase quasi-Z source inverter
Bede et al. Optimal interleaving angle determination in multi paralleled converters considering the DC current ripple and grid Current THD
Bhanuchandar et al. Switched capacitor based 13-level boosting grid connected inverter with LCL filter
US10205407B2 (en) Inverter device, energy storage system and method of controlling an inverter device
Abdel-Rahim et al. T-type three-level neutral point clamped inverter with model predictive control for grid connected photovoltaic applications
Islam et al. Reduced voltage stress and spikes in source current of 7-level switched-capacitor based multilevel inverter
Tran et al. A three-phase cascaded H-bridge quasi switched boost inverter for renewable energy
Roncero-Clemente et al. Interleaved single-phase quasi-Z-source inverter with special modulation technique
US9438132B2 (en) Multilevel AC/DC power converting method and converter device thereof
Matiushkin et al. Component design guidelines for new single-stage buck-boost inverter with unfolding circuit
Kumar et al. A novel pwm technique for mmcs with high frequency link and natural capacitor balancing for grid-interfacing of renewables
Kashif et al. A multilevel inverter topology with reduced number of switches
BANAEI et al. A ladder multilevel inverter topology with reduction of on-state voltage drop
Ziaeinejad et al. A new multilevel converter with granular voltage steps and reduced number of switches
Tran et al. A Single-Phase Common-Ground-Type Boost Inverter for Photovoltaic Applications
Yadav et al. Performance analysis of three-phase split source inverter
Kumar et al. A novel hardware and pwm scheme for modular multilevel converter using wide band gap devices
Romero-Cadaval et al. Carrier based modulation with capacitor balancing for three-level neutral-point-clamped qZS inverter
Farkas et al. Regenerative cascaded cell inverter with active filter
Salih et al. Capacitor voltages balancing method for buck modular DC/DC converter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180606