多电平功率变流器及用于控制多电平功率变流器的方法技术

一种用于一个或多个相的多电平功率变流器。该变流器包括一个或多个变流器臂(3)，该变流器臂(3)包括多个串联连接的开关单元(20)。每个开关单元(20)包括多个开关器件(40a，40b，40c，40d)、主能量存储器(50)、次能量存储器(52)和第一电感器(54)。开关器件被布置成选择性地提供到主能量存储器的连接，其中每个开关单元包括桥式电路(60)、电池电路(62)和臂电路(64)，桥式电路包括开关器件和主能量存储器，电池电路连接到桥式电路并包括次能量存储器，臂电路提供在两个相邻开关单元之间的连接。每个开关单元的第一电感器被布置在臂电路中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多电平功率变流器及用于控制多电平功率变流器的方法
本专利技术涉及一种用于一个或多个相的多电平功率变流器。该变流器包括一个或多个变流器臂，该变流器臂包括多个串联连接的开关单元。每个开关单元包括多个开关器件、主能量存储器、次能量存储器和第一电感器。开关器件被布置成选择性地提供到主能量存储器的连接。每个开关单元包括桥式电路、电池电路和臂电路，桥式电路包括开关器件和主能量存储器，电池电路连接到桥式电路并包括次能量存储器，臂电路提供在两个相邻开关单元之间的连接。本专利技术还涉及一种用于控制多电平功率变流器的方法。
技术介绍
多电平变流器用于将DC电力转换到AC电力或者将AC电力转换到DC电力。多电平变流器可用于许多高功率应用，其中系统中存在中电压到高电压等级。当从DC电压形成AC电压时，多电平变流器通过在开关单元的桥式电路中准确地控制开关器件，以小的电压阶跃形成AC电压。由此，控制主能量存储器的充电和放电以使得变流器输出期望的AC电压。开关单元的开关器件例如是集成门极换向晶闸管(IGCT)、门极可关断晶闸管(GTO)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。开关单元的主能量存储器通常是电容器，但是也可以使用电池。为了使得多电平变流器能够用于将来自可再生能源的涉及发电功率中的骤升和骤降的能量进行转换，功率变流器可以设置有次能量存储器，诸如一个或多个电池或超级电容器。功率变流器的每个开关单元需要电感，以便有助于实现到次能量存储器的平滑电流和来自次能量存储器的平滑电流。WO2010/124706A1公开了一种模块化多电平变流器，其包括多个变流器臂，每个变流器臂包括串联连接的多个开关单元。每个单元包括电容器单元、桥式装置中的功率半导体以及由包括电感的斩波器装置所控制的能量存储装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种改进的多电平变流器，其设置有用于将来自再生能源的能量进行转换的次能量存储器。特别地，本专利技术的第一个目的是提供一种配置有备选操作模式的多电平变流器。本专利技术的第二个目的是提供一种在故障情况下能够将次能量存储器隔离的多电平变流器。本专利技术的第三个目的是提供一种多电平变流器，该多电平变流器使每个开关单元减少电感来提供次能量存储器的平滑电流。该目的通过多电平功率变流器获得，该变流器包括一个或多个变流器臂，该变流器臂包括多个串联连接的开关单元，每个开关单元包括多个开关器件、主能量存储器、次能量存储器和第一电感器，开关器件被布置成选择性地提供到主能量存储器的连接，其中每个开关单元包括桥式电路、电池电路和臂电路，桥式电路包括开关器件和主能量存储器，电池电路连接到桥式电路并包括次能量存储器，臂电路提供在两个相邻开关单元之间的连接。该变流器的特征在于，每个开关单元的电感器被布置在臂电路中。通过将电感器布置在臂电路中，与现有技术的多电平变流器相臂，电感器可以具有明显更低的电感。另一个优点是，本专利技术的多电平变流器通过控制开关器件使得其能够实现操作的备选方式。特别地，在故障的情况下多电平变流器能够实现次能量存储器的隔离。然而，本专利技术的多电平变流器具有缺点，即与现有技术的多电平变流器相比，单元电感器的额定电流更高。次能量存储器的电路被表示为“电池电路”。然而，次能量存储器不限于诸如电化学电池的电池。还可以使用其他类型的能量存储器，诸如一个或多个超级电容器的布置。根据本专利技术的实施例，桥式电路包括在主能量存储器的第一端子与第二端子之间串联连接的第一开关器件和第二开关器件，以及在主能量存储器的第一端子与第二端子之间串联连接的第三开关器件和第四开关器件。多电平变流器的桥式电路包括全H桥布置，该布置包括第一、第二、第三和第四开关器件。根据本专利技术的实施例，桥式电路的开关器件包括集成门极换向晶闸管、门极可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管中的一个。根据本专利技术的实施例，电池电路并联连接到桥式电路和臂电路。根据本专利技术的实施例，变流器臂包括被布置成与开关单元串联连接的第二电感器。第二电感器具有减少在不同变流器臂之间的暂态电流流动的功能。根据本专利技术的实施例，第二电感器的自感大于第一电感器的自感。根据本专利技术的实施例，变流器每相包括第一臂部分和第二臂部分。根据本专利技术的实施例，第一臂部分和第二臂部分中的每个均都包括第二电感器。根据本专利技术的实施例，主能量存储器是电容器。根据本专利技术的实施例，次能量存储器包括一个或多个电池、或者一个或多个超级电容器。本专利技术的目的还通过用于操作根据权利要求1至9中任一项所述的多电平功率变流器的方法而获得。该方法包括通过闭合第一开关器件并断开第二开关器件，将主能量存储器与臂电路连接。根据本专利技术的实施例，该方法包括通过断开第一开关器件并闭合第二开关器件，将主能量存储器从臂电路断开连接。根据本专利技术的实施例，该方法包括通过闭合第三开关器件并断开第四开关器件，将主能量存储器与电池电路连接。根据本专利技术的实施例，该方法包括通过断开第三开关器件并闭合第四开关器件，将主能量存储器从电池电路断开连接。根据本专利技术的实施例，该方法包括通过断开第三开关器件和第四开关器件，将次能量存储器隔离。根据本专利技术的实施例，该方法包括以比第一开关器件和第二开关器件的开关频率更高的频率，来开关第三开关器件和第四开关器件。附图说明现在将通过本专利技术不同实施例的描述并参考附图，更详细地解释本专利技术。图1公开了现有技术的三相多电平功率变流器的示例。图2公开了图1中变流器的开关单元的示例。图3公开了包括N个开关单元的变流器的一个相的示意图的示例。图4公开了根据本专利技术实施例的用于操作多电平功率变流器的方法。具体实施方式图1示出用于现有技术的将DC电力转换到AC电力的三相多电平功率变流器1的示例。变流器1包括每相的臂3。每个臂3包括第一臂部分5和第二臂部分10,第一臂部分5连接到具有DC功率的第一电势的输入端子7，第二臂部分10连接到具有DC功率的第二电势的输入端子12。第一臂部分5和第二臂部分10被连接到各相的AC功率的输出端子15。每个臂3包括串联连接的多个开关单元20。在图1中，第一臂部分5和第二臂部分10各自包括六个开关单元20。第一臂部分5和第二臂部分10中的每一个还包括用于减少臂3之间暂态电流流动的第二电感器17。在所公开的示例中，电容器24与三个臂3并联连接。图2中示出了开关单元20的示例。开关单元20包括四个开关器件40a，40b，40c，40d、主能量存储器50、次能量存储器52和第一电感器54。开关单元20被布置成，包括桥式电路60、电池电路62和臂电路64。桥式电路60包括被布置为全H桥布置的四个开关器件40a，40b，40c，40d以及主能量存储器50。桥式电路60被布置为，包括在主能量存储器50的第一端子与第二端子之间串联连接的第一开关器件40a和第二开关器件40b，以及在主能量存储器50的第一端子与第二端子之间串联连接的第三开关器件40c和第四开关器件40d。第一开关器件40a和第二开关器件40b的开关操作适于被控制器34控制，以使得开关单元20的主能量存储器50被放电或充电，其中形成期望的AC功率。电池电路62包括次能量存储器52，该次能量存储器62适于在变流器1的操作期间被充电和放电，以便平滑由变流器1转换的供电功率(诸如来自可再生能源的供电功率)中的不规则性。主能量存储器5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于一个或多个相的多电平功率变流器(1)，所述变流器(1)包括一个或多个变流器臂(3)，所述变流器臂(3)包括多个串联连接的开关单元(20)，每个开关单元(20)包括多个开关器件(40a，40b，40c，40d)、主能量存储器(50)、次能量存储器(52)和第一电感器(54)，所述开关器件(40a，40b，40c，40d)被布置成选择性地提供到所述主能量存储器(50)的连接，其中每个开关单元(20)包括桥式电路(60)、电池电路(62)和臂电路(64)，所述桥式电路(60)包括所述开关器件(40a，40b，40c，40d)和所述主能量存储器(50)，所述电池电路(62)连接到所述桥式电路(60)并包括所述次能量存储器(52)，所述臂电路(64)提供在两个相邻所述开关单元(20)之间的连接，其特征在于，每个开关单元(20)的所述第一电感器(54)被布置在所述臂电路(64)中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于一个或多个相的多电平功率变流器(1)，所述变流器(1)包括一个或多个变流器臂(3)，所述变流器臂(3)包括多个串联连接的开关单元(20)，每个开关单元(20)包括多个开关器件(40a，40b，40c，40d)、主能量存储器(50)、次能量存储器(52)和第一电感器(54)，所述开关器件(40a，40b，40c，40d)被布置成选择性地提供到所述主能量存储器(50)的连接，其中每个开关单元(20)包括桥式电路(60)、电池电路(62)和臂电路(64)，所述桥式电路(60)包括所述开关器件(40a，40b，40c，40d)和所述主能量存储器(50)，所述电池电路(62)连接到所述桥式电路(60)并包括所述次能量存储器(52)，所述臂电路(64)提供在两个相邻所述开关单元(20)之间的连接，其特征在于，每个开关单元(20)的所述第一电感器(54)被布置在所述臂电路(64)中。2.根据权利要求1所述的多电平变流器(1)，其中所述桥式电路(60)包括在所述主能量存储器(50)的第一端子与第二端子之间串联连接的第一开关器件(40a)和第二开关器件(40b)，以及在所述主能量存储器(50)的所述第一端子与所述第二端子之间串联连接的第三开关器件(40c)和第四开关器件(40d)。3.根据权利要求1或2所述的多电平变流器(1)，其中所述桥式电路(60)的所述开关器件(40a，40b，40c，40d)包括集成门极换向晶闸管、门极可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管中的一个。4.根据前述权利要求中任一项所述的多电平变流器(1)，其中所述电池电路(62)并联连接到所述桥式电路(60)和所述臂电路(64)。5.根据前述权利要求中任一项所述的多电平变流器(1)，其中所述变流器(1)的所述臂(3)包括被布置成与所述开关单元(20)串联连接的第二电感器(17)。6.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：L·哈内弗斯，T·滕纳，
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