多电平功率转换器和用于控制多电平功率转换器的方法技术

一种多电平功率转换器(1)包括开关单元(20)，开关单元(20)中的每个包括开关器件(30)和能量存储元件(32)。开关单元包括第一类型的开关单元(20a)和第二类型的开关单元(20b)。转换器包括针对每个相的串联连接的开关单元的第一臂(3a)和串联连接的开关单元的第二臂(3b)，其中第一臂和第二臂被并联连接。第一臂包括比第二类型的开关单元更多的第一类型的开关单元，并且第二臂包括比第一类型的开关单元更多的第二类型的开关单元。第一类型的开关单元具有比第二类型的开关单元更低的传导损耗。转换器被布置为使得与第二臂相比较大的电流流经第一臂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及针对一个或多个相的多电平功率转换器。转换器包括多个开关单元，多个开关单元中的每个包括多个开关器件和能量存储元件。开关器件被布置为选择性地将连接提供到能量存储元件。转换器还包括被配置为控制开关单元中的开关器件的开关的控制器。转换器的开关单元被布置为至少包括第一类型的开关单元和第二类型的开关单元。转换器还包括针对每个相的串联连接的开关单元的第一臂和串联连接的开关单元的第二臂。第一臂和第二臂被并联连接。本专利技术还涉及用于控制多电平功率转换器的方法。
技术介绍
多电平转换器被用于将DC电功率转换为AC电功率或者将AC电功率转换为DC电功率。多电平转换器可见于系统中存在中高电压电平的许多高功率应用中。当从DC电压来形成AC电压时，多电平转换器借助于控制器准确地控制开关单元的开关器件来以小电压阶跃形成AC电压。由此，开关单元的能量存储元件的充电和放电得到控制，使得转换器输出期望的AC电压。开关单元的开关器件例如为集成栅极换向晶闸管(IGCT)、栅极可关断晶闸管(GTO)以及绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。开关器件的另一示例是宽带隙器件，例如碳化硅开关器件、氮化铝开关器件、氮化镓开关器件以及氮化硼开关器件。开关单元的能量存储元件通常是电容器但是也可以使用电池。多电平转换器通常使用商用开关单元来设计以便提供经济有效的转换器。然而，这样的商用开关单元的使用对于诸如高电压应用的特定应用不具有最佳额定功率并且导致比在针对转换器的最佳开关单元将是可用的情况下更高的开关损耗和传导损耗。WO2013097906A1公开了一种多电平转换器，其包括被布置为并联连接的臂中的多个开关单元。臂中的开关单元优选具有相同的或接近相同的定量性质。WO2013053399A1公开了一种多电平转换器，其包括被布置为被并联连接的各臂中的相同类型的多个开关单元。循环电流被引入到各臂中以用于平衡电容器电压。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种多电平转换器，其能够根据商用开关单元来构造并提供与现有技术的多电平转换器相比减少的能量损耗。具体地，本专利技术涉及一种用于其中在现有技术的转换器中的传导损耗和开关损耗显著的中高电压应用的多电平转换器。该目的通过如由权利要求1限定的多电平功率转换器来获得。该转换器的特征在于：第一臂包括比第二类型的开关单元更多的第一类型的开关单元，并且第二臂包括比第一类型的开关单元更多的第二类型的开关单元，第一类型的开关单元具有比第二类型的开关单元更低的传导损耗，其中该转换器被布置为使得与第二臂相比较大的电流流经第一臂。电流的较大部分是在主要使用第一类型的开关单元的转换器的第一臂中被转换的。第一类型的开关单元适用于高电流并提供低传导损耗。由此，转换器中的传导损耗被减少。因此，本专利技术使得能够使用商用开关单元制造具有减少的能量损耗的转换器。在第一类型的开关元件与第二类型的开关元件之间的性质的差别源自于开关元件包括具有不同性质的开关器件。开关单元可以具有相同的或相似的结构。根据本专利技术的实施例，转换器被布置为使得第一臂的经转换的电流和第二臂的经转换的电流被叠加到来自转换器的输出电流中。控制器控制第一臂的开关单元和第二臂的开关单元的开关使得两个臂的经转换的电流当被叠加时与期望的经转换的电流相对应。优选地，控制器被控制使得电流基准以使得优化在每个臂内的电容器电压平衡并且还确保可接受的谐波性能的方式被拆分在两个臂之间。因此，确保两个电流的叠加形成具有低谐波分量的电流。根据本专利技术的实施例，通过第一臂和第二臂的电流由第一臂和第二臂中的开关单元类型和开关单元的数量来设置。根据本专利技术的实施例，第二类型的开关单元具有比第一类型的开关单元更低的开关损耗。需要高开关频率的电流的较小部分主要是使用具有比第一类型的开关单元更低的开关损耗的第二类型的开关单元来转换的。由此，减少转换器的开关损耗。第一臂的经转换的电流和第二臂的经转换的电流被叠加到来自转换器的输出电流。因此，本专利技术使得能够使用商用开关单元制造具有减少的能量损耗的转换器。根据本专利技术的实施例，转换器是由商用开关单元制造的。根据本专利技术的实施例，控制器被配置为控制开关单元中的开关器件的开关，使得第一类型的开关单元中的开关器件以比第二类型的开关单元中的开关器件更低的频率来开关。电流的较小部分主要是使用第二类型的开关单元来转换的，第二类型的开关单元被用于以高频率微调电流的较小部分。第二类型的开关单元适用于高开关频率并提供低开关损耗。由此，减少转换器的开关损耗。第一臂的经转换的电流和第二臂的经转换的电流被叠加到来自转换器的输出电流。因此，本专利技术使得能够使用商用开关单元制造具有减少的能量损耗的转换器。根据本专利技术的实施例，第一臂的多于三分之二的开关单元是第一类型的开关单元。根据本专利技术的实施例，第一臂的所有开关单元是第一类型的开关单元。根据本专利技术的实施例，第二臂的多于三分之二的开关单元是第二类型的开关单元。根据本专利技术的实施例，第二臂的所有开关单元是第二类型的开关单元。根据本专利技术的实施例，到每个相的至少三分之二的电流流经第一臂。根据本专利技术的实施例，第一类型的开关单元包括集成栅极换向晶闸管、栅极可关断晶闸管以及绝缘栅双极性晶体管中的一种的开关器件。利用这些开关器件构造的开关单元提供低传导损耗并且因此适用于在第一臂中使用。根据本专利技术的实施例，第二类型的开关单元包括宽带隙器件，优选为碳化硅开关器件、氮化铝开关器件、氮化镓开关器件、氮化硼开关器件中的一种。利用这些开关器件(尤其是碳化硅开关器件)构造的开关单元提供低开关损耗并且因此适用于在第二臂中使用。根据本专利技术的实施例，开关单元利用全桥、半桥和交叉连接设计中的至少一种来构造。根据本专利技术的实施例，转换器的第一臂和第二臂采用双链链路Y形结构来布置。转换器的结构要求每个臂被定额定值为全电压，这导致与串联连接的开关单元的单个臂相比每个相臂的增加的数量的开关单元。本专利技术的采用双Y形结构的转换器的布置具有的优点在于开关单元的数量相对于标准M2LC将不会增加，因为标准M2LC已经在转换器的每个相中要求两个臂。关于采用双Y形结构来布置转换器的另一优点在于DC循环电流能够被引入以缓解由于负序补偿电流而引起的电压平衡问题。根据本专利技术的实施例，转换器的第一臂和第二臂采用双链链路三角形(delta)结构来布置。采用双链链路三角形结构的转换器的布置具有的优点在于循环电流能够被引入到三角形结构的内部以缓解由于负序补偿电流而引起的电压平衡问题。根据本专利技术的实施例，转换器被配置为对两个或更多个相的电功率进行转换，并且其中两个或更多个相与公共DC链路相连接。利用公共DC链路的转换器的布置具有的优点在于无需引入任何循环电流，因为在各相之间的能量交换由公共DC链路的存在促进。本专利技术的目的通过一种用于控制根据权利要求1-12中的任一项所述的转换器的方法来提供。该方法包括连续地迭代以下步骤：-接收关于转换器的第一臂和第二臂的当前状态和要被转换的功率的性质的信息，-基于转换器的第一臂和第二臂的当前状态和要被转换的功率的性质来确定第一臂和第二臂的新状态，以及-将控制信息发送到第一臂和第二臂的开关单元使得转换器的状态被改变为新状态。根据本专利技术的实施例，该方法还包括：-以比针对第一臂更高的频率确定第二臂的新状态，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种针对一个或多个相的多电平功率转换器(1)，所述转换器(1)包括：多个开关单元(20)，所述多个开关单元(20)中的每个包括多个开关器件(30)和能量存储元件(32)，所述开关器件(30)被布置为选择性地将连接提供到所述能量存储元件(32)；以及控制器(34)，所述控制器(34)被配置为控制所述开关单元(20)中的所述开关器件(30)的开关，所述开关单元(20)至少包括第一类型的开关单元(20a)和第二类型的开关单元(20b)，其中所述转换器(1)包括针对每个相的串联连接的开关单元(20)的第一臂(3a)以及串联连接的开关单元(20)的第二臂(3b)，所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)并联连接，其特征在于,所述第一臂(3a)包括比所述第二类型的开关单元(20b)更多的所述第一类型的开关单元(20a)，并且所述第二臂(3b)包括比所述第一类型的开关单元(20a)更多的所述第二类型的开关单元(20b)，所述第一类型的开关单元(20a)具有比所述第二类型的开关单元(20b)更低的传导损耗，其中所述转换器(1)被布置为使得与所述第二臂(3b)相比，较大的电流流经所述第一臂(3a)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种针对一个或多个相的多电平功率转换器(1)，所述转换器(1)包括：多个开关单元(20)，所述多个开关单元(20)中的每个包括多个开关器件(30)和能量存储元件(32)，所述开关器件(30)被布置为选择性地将连接提供到所述能量存储元件(32)；以及控制器(34)，所述控制器(34)被配置为控制所述开关单元(20)中的所述开关器件(30)的开关，所述开关单元(20)至少包括第一类型的开关单元(20a)和第二类型的开关单元(20b)，其中所述转换器(1)包括针对每个相的串联连接的开关单元(20)的第一臂(3a)以及串联连接的开关单元(20)的第二臂(3b)，所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)并联连接，其特征在于,所述第一臂(3a)包括比所述第二类型的开关单元(20b)更多的所述第一类型的开关单元(20a)，并且所述第二臂(3b)包括比所述第一类型的开关单元(20a)更多的所述第二类型的开关单元(20b)，所述第一类型的开关单元(20a)具有比所述第二类型的开关单元(20b)更低的传导损耗，其中所述转换器(1)被布置为使得与所述第二臂(3b)相比，较大的电流流经所述第一臂(3a)。2.根据权利要求1所述的多电平功率转换器(1)，其中所述第二类型的开关单元(20b)具有比所述第一类型的开关单元(20a)更低的开关损耗。3.根据权利要求1或2中的任一项所述的多电平功率转换器(1)，其中所述转换器(1)是由商用开关单元(20)制造的。4.根据前述权利要求中的任一项所述的多电平功率转换器(1)，所述转换器(1)被布置为使得所述第一臂(3a)的经转换的电流和所述第二臂(3b)的经转换的电流被叠加到来自所述转换器(1)的输出电流中。5.根据前述权利要求中的任一项所述的多电平功率转换器(1)，其中所述控制器(34)被配置为控制所述开关单元(20)中的所述开关器件(30)的开关，使得所述第一类型的开关单元(20a)中的所述开关器件(30)以比所述第二类型的开关单元(20b)中的所述开关器件(30)更低的频率来开关。6.根据前述权利要求中的任一项所述的多电平功率转换器(1)，其中所述第一类型的开关单元(20)包括集成门极换向晶闸管、门极可关断晶闸管以及绝缘栅双极性晶体管中的一种的开关器件(30)。7.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·汤森，H·塞拉亚德拉帕拉，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH