低损耗模块化多电平转换器制造技术

本发明专利技术涉及包括串联连接的多个可控制双极子模块的转换器。上述子模块中的至少一些各自包括第一和第二子模块连接、第一、第二、第三和第四可控制开关、和双极存储器，双极存储器包括第一和第二双极连接、能量存储件和可控制开关器件，其中可控制开关器件具有第一可选开关状态和第二可选开关状态，在第一可选开关状态中，不管第一和第二双极存储器连接之间施加的电压如何，双极存储器不输出能量，在第二可选开关状态中，双极存储器的存储件能够吸收或释放能量。子模块作为整体具有可选的传导状态，在可选的传导状态中，双极存储器的可控制开关器件呈现上述的第一开关状态，并且第一至第四开关被切换使得电流在两个并联支路上流经子模块。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】低损耗模块化多电平转换器
本专利技术涉及用于转换电能的转换器的领域。具体地，本专利技术涉及包括串联连接的多个可控制双极子模块的转换器、相关联的子模块和用于控制这种转换器的方法。
技术介绍
即使对于大功率电平而言，通过合适的电力电子转换器来实现电能的低损耗转换的重要性日益增加。重要的应用领域包括高压直流传输(HVDC)和具有电子速度/扭矩控制的大规模驱动。在电路方面，由于高度合适的可转换功率半导体开关的发展，最广泛地投入使用的是在(英文)文献中被称为电压电源转换器的V转换器。在DE10103031A1中公开了特别有益的变型，并定名为模块化多电平转换器。图1示出了从DE102009057288A1获得的现有技术的模块化多电平转换器1的结构。该转换器1具有在桥接电路中彼此连接的功率半导体阀2或支路。每个功率半导体阀2在交流电压连接L1、L2、L3和直流电压连接31、32、33或41、42、43之间延伸。直流电压连接31、32、33可经由正极连接5连接到直流电压网络(未示出)的正极，并经由负极连接6连接到直流电压网络(未示出)的负极。交流电压连接L1、L2、L3在不同情况下连接到变压器的次级线圈，变压器的初级线圈连接到交流电压网络(也未示出)。对于交流电压网络的每个相位，提供了交流电压连接L1、L2、L3。在指定的现有技术中，转换器1是高压直流传输系统的一部分，并且用于连接交流电压网络，以便在高压直流传输系统和交流电压网络之间传输高的电功率电平。这样的转换器1还可以是所谓FACTS系统的一部分，FACTS系统用于网络稳定化或用于确保期望的电压质量、或可以在驱动技术中使用。单独的子模块7中的开关可以通过控制器件60进行控制。为了清楚起见，控制单元60和单独的子模块之间的控制线未在图1中示出。从图1中还可以看出，多电平转换器1由子模块7以严格地模块化的方式构成，子模块7基本上具有连通外部的两个电源接头或接口。这样的子模块7的内部电路的不同的变型在现有技术中是已知的。最简单的电路变型是由上述专利文献DE10103031A1已知的所谓的半电桥子模块，并在图2中示出。这样的半电桥子模块对于给定功率和类半导体消耗具有最小的功率损耗。大功率范围中的功率损耗的最小化在经济和技术方面具有重大意义。如图3至图5所示的不同的开关状态中，全电桥子模块也可以在模块化多电平转换器中使用以代替半电桥模块。在图3至图5中可以看出，全电桥子模块包括四个半导体开关10、30、10a和30a，每个半导体开关具有并联连接到半导体开关的反向续流二极管。开关10和30形成第一半电桥，且开关10a和30a形成第二半电桥。每个全电桥子模块分别具有第一端子X1和第二端子X2。术语“端子”旨在表示纯粹的功能性意义，并不意味着子模块实际上必然包括可移除的连接或夹具。这意味着即使多个模块永久地连接，本公开中的独立模块的输入和/或输出也可称为“端子”。全电桥子模块还包括作为能量存储器件的电容器。图3示出了第二端子X2和第一端子X1之间的电压UX为零(UX＝0)且正端子电流iX>0(技术上的电流方向)流动的情况。图4示出了已通过正电源电压UX>0激活的相同的子模块的开关状态，除了半导体的小的正向电压之外，正电源电压UX等于电容器的正电压。图5(类似于图3)示出了端子(UX＝0)之间的电压可忽略的状态，但是该状态通过半导体开关的可替代的开关状态实现。在图3的开关状态和在图5的开关状态两者中，电流ix可以在电容器9不吸收(即，不接收)或传递能量的情况下流经子模块。用于该状态的有利的控制方法能够使得根据图3和图5的开关状态被交替激活，以便将产生的传输功率损耗分散至所有四个半导体开关10、10a、30、30a。这必定可以降低平均半导体温度，但是未实现整体子模块的功率损耗的显著降低。每个开关状态中的子模块的传传输压由全部端子电流ix流经的两个半导体的传传输压的总和给定。因此，显而易见的是，在待安装的半导体开关的数量以及功率损耗两个方面上，图3至图5的全电桥子模块均不如图2的半电桥子模块好。然而，这些缺点被具有全电桥子模块的模块化多电平转换器的以下优点抵消：a)转换器的直流端子处的直流电流可以以电子方式断开(例如，在直流短路的情况下)。b)在直流端子处的直流电压能够与交流电压无关地在振幅相等的正最大值和负最大值之间连续地调节。c)由于功率极化固有地较低，子模块中的电容器的电容大小可以明显更小。作为半电桥子模块和全电桥子模块之间的一种折中解决方案，DE102009057288中提出了图6中示出的子模块。图6的子模块还提供了上文(a)中提到的直流电流可以以电子方式断开的优点，并且与具有全电桥子模块的转换器相比，该子模块允许功率损耗的减少达到25％。然而，无法实现上文(b)和(c)中所列的优点。关于负直流电压的最大值存在另一限制：与全电桥子模块的直流电压相比，负直流电压的最大值只能够达到全电桥子模块的直流电压最大值的一半。以下来自瑞典研究所KTH的博士论文中详细说明了通过两个附加的半导体开关对由DE102009057288A1已知且图6中所示的子模块进行的扩展：K.Ilves，“用于网格应用的模块化多电平转换器的建模和设计”，博士论文，KTH皇家理工学院，斯德哥尔摩，瑞典，TRITA-EE2014:045，ISSN1653-5146，urn:nbn；se:kth:diva-153762。在上述论文中被称为“半-全电桥子模块”的版本基本上能够满足标准(b)。但对于负直流电压的可达到的最大值仍存在限制，该最大值仍然仅达到根据DE102009057288A1和图6的值。此外，关于标准(c)存在缺点：因为存在于同一子模块中的两个存储电容器直接并联的开关状态仅在非常有限的范围内被允许。在高压下，如本领域的技术人员已知的，电容器的直接并联将导致类似短路的直流补偿电流和内在的能量损耗。DE102013205562公开了设计成以n相电流和n相电压的形式传递和/或吸收电能的能量存储器件，其中n≥1。能量存储器件包括n个能量供应支路，每个能量供应支路具有串联连接的多个能量存储模块。每个能量存储模块包括具有耦合模块连接器的能量存储单元耦合模块，以及具有耦合元件的耦合器件，上述耦合元件设计成经由耦合模块连接器选择性地将能量存储单元模块切换到相应的能量供应支路或绕开相应的电源支路。每个能量存储单元耦合模块依次具有包括多个串联的能量存储单元分支模块的耦合模块链，能量存储单元分支模块包括具有串联电路的能量存储单元支路和与能量存储单元支路并联连接的旁路支路耦合元件，上述串联电路包括能量存储单元支路耦合元件和至少一个能量存储单元。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供如下一种转换器，与具有全电桥子模块的多电平转换器一样，本专利技术提供的转换器提供了三个给定标准(a)、(b)和(c)中的所有功能，而且还同时允许功率损耗的降低。此目的通过根据权利要求1的转换器、根据权利要求24的相关的子模块和根据权利要求26的相关的控制方法来实现。有益的进一步发展在从属权利要求中详细说明。根据本专利技术的作为多电平转换器已知的转换器包括串联连接的多个可控制双极子模块，其中在每种情况下，所述子模块中的至少一些包括以下结构：第一和第二子模本文档来自技高网...

【技术保护点】
转换器(1)，包括串联连接的多个可控制双极子模块(20)，其中所述子模块(20)中的至少一些各自包括：第一子模块端子和第二子模块端子(X1、X2)，第一可控制开关、第二可控制开关、第三可控制开关和第四可控制开关(10、30、10a、30a)，以及第一双极存储器(50)，包括第一双极端子和第二双极端子(Y1、Y2)，能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件具有‑第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述双极存储器(50)的所述第一双极端子和所述第二双极端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第一双极存储器(50)不传递能量，以及‑第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述第一双极存储器的所述能量存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，其中，所述子模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，所述第一双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及所述第一至所述第四开关(10、30、10a、30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接，其中所述转换器(1)还包括控制单元(60)，所述控制单元(60)配置成控制所述子模块(20)的所述开关(10、30、10a、30a)和所述第一双极存储器(50)的所述开关器件，所述控制单元(60)配置成将选择的子模块(20)有选择地切换为所述可激活传输状态。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.02 DE 102015105159.1;2015.04.22 DE 10201511.转换器(1)，包括串联连接的多个可控制双极子模块(20)，其中所述子模块(20)中的至少一些各自包括：第一子模块端子和第二子模块端子(X1、X2)，第一可控制开关、第二可控制开关、第三可控制开关和第四可控制开关(10、30、10a、30a)，以及第一双极存储器(50)，包括第一双极端子和第二双极端子(Y1、Y2)，能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件具有-第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述双极存储器(50)的所述第一双极端子和所述第二双极端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第一双极存储器(50)不传递能量，以及-第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述第一双极存储器的所述能量存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，其中，所述子模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，所述第一双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第一开关状态，以及所述第一至所述第四开关(10、30、10a、30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接，其中所述转换器(1)还包括控制单元(60)，所述控制单元(60)配置成控制所述子模块(20)的所述开关(10、30、10a、30a)和所述第一双极存储器(50)的所述开关器件，所述控制单元(60)配置成将选择的子模块(20)有选择地切换为所述可激活传输状态。2.根据权利要求1所述的转换器(1)，其中，所述子模块(20)还具有以下四种可激活能量传递或能量吸收状态中的一个或多个，在每个可激活能量传递或能量吸收状态中，所述第一双极存储器(50)的所述可控制开关器件呈现所述第二开关状态，以及所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为正，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被充电，或所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为正，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被放电，或所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为负，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被放电，或所述第二子模块端子和所述第一子模块端子(X2、X1)之间的电压为负，所述第一双极存储器(50)的所述存储件(9、9.1、9.2)被充电。3.根据前述权利要求中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第一和第二开关(10、30)串联连接，所述第三和第四开关(10a、30a)串联连接，并且所述第一和第二开关(10、30)的串联连接、所述第三和第四开关(10a、30a)的串联连接，以及所述第一双极存储器(50)是并联连接的。4.根据权利要求3所述的转换器，其中，所述第一和所述第二开关(10、30)之间的电势点连接到所述第一子模块端子(X1)，并且所述第三和第四开关(10a、30a)之间的电势点连接到所述第二子模块端子(X2)。5.根据权利要求3或4所述的转换器(1)，其中，所述第一和第二开关(10、30)相对于所述第一和第二开关(10、30)的正方向以相同的方向定向，并且所述第三和第四开关(10a、30a)相对于所述第三和第四开关(10a、30a)的正方向以相同的方向定向。6.根据权利要求5所述的转换器(1)，其中，相对于所述第一和第二开关(10、30)的正方向，所述第一和第二开关(10、30)在沿着回路的方向上与所述第三和第四开关(10a、30a)以相反的方向定向。7.根据权利要求1至3、5或6中的任一项所述的转换器(1)，其中所述子模块中的至少一些还包括：第五、第六、第七和第八可控制开关(10L、30L、10aL、30aL)，其中所述第五可控制开关与所述第四开关直接地并联连接，并且所述第五可控制开关能够可选地省略，以及第二双极存储器(50L)，包括第一和第二双极端子(Y1、Y2)、能量存储件(9、9.1、9.2)和可控制开关器件，其中所述可控制开关器件具有-第一可激活开关状态，在所述第一可激活开关状态中，不管所述第二双极存储器(50L)的所述第一和第二端子(Y1、Y2)之间施加的电压如何，所述第二双极存储器(50L)不传递能量，以及-第二可激活开关状态，在所述第二可激活开关状态中，所述第二双极存储器(50L)的所述存储件(9、9.1、9.2)能够吸收或传递能量，其中，所述子模块(20)作为整体具有可激活传输状态，在所述可激活传输状态中，所述第一和第二双极存储器(50R、50L)的所述可控制开关器件呈现所述第一可激活开关状态，以及所述第一至第八开关(10、30，10a和30a)以电流在两个并联支路上流经所述子模块的方式连接。8.根据权利要求7所述的转换器(1)，其中，所述第五和第六开关(10L、30L)串联连接，所述第七和第八开关(10aL、30aL)串联连接，并且所述第五和所述第六开关(10L、30L)的串联连接、所述第七和第八开关(10aL、30aL)的串联连接，以及所述第二双极存储器(50L)是并联连接的。9.根据权利要求7或8所述的转换器(1)，其中，所述第一和所述第二开关(10R、30R)之间的电势点连接到所述第一子模块端子(X1)，所述第三和第四开关(10aR、30aR)之间的电势点(W)连接到所述第二双极存储器(50L)的所述第一双极端子(Y1)，所述第五和所述第六开关(10L、30L)之间的电势点(V)连接到所述第一双极存储器(50R)的所述第二双极端子(Y2)，并且所述第七和第八开关(10aL、30aL)之间的电势点连接到所述第二子模块端子(X2)。10.根据权利要求7至9中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述第五和第六开关(10L、30L)相对于所述第五和第六开关(10L、30L)的正方向以相同的方向定向，并且所述第七和第八开关(10aL、30aL)相对于所述第七和第八开关(10aL、30aL)的正方向以相同的方向定向。11.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷纳·马夸特，
申请(专利权)人：雷纳·马夸特，
类型：发明
国别省市：德国,DE