模块化多电平转换器制造技术

一种用于在直流电压和交流电压之间进行转换的模块化多电平转换器，该模块化多电平转换器包括：至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元，每个相位单元包括上转换器臂和下转换器臂，每个转换器臂具有串联布置的一个或多个元素，其中每个元素包括能量存储元件和适于将能量存储元件切换进或切换出串联元素的开关布置；控制单元，该控制单元适于控制元素的开关布置；在上转换器臂和下转换器臂之间串联布置的中间转换器臂，该中间转换器臂具有串联布置的一个或多个元素；在所述上转换器臂和中间转换器臂之间的上节点和在所述下转换器臂和中间转换器臂之间的下节点；布置在所述上节点和交流端子之间的上桥接元件；布置在所述下节点与所述交流端子之间的下桥接元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模块化多电平转换器本专利技术涉及模块化多电平转换器。本专利技术还涉及用于模块化多电平转换器的操作方法。模块化多电平转换器(MMC)是一种较新的且有吸引力的解决方案，无需变压器即可进行功率转换。它们的一些优点是可扩展性高，较少或不需要交流(AC)滤波器以及在直流(DC)总线上较少或不需要DC链路电容器。MMC的缺点是其复杂度高，这是由于数量众多的各个转换器元素(cell)及相关联的开关控制和电容器电荷平衡引起的。本专利技术的目的是提供一种具有降低的复杂度的改进的模块化多电平转换器。根据本专利技术的用于在DC电压与AC电压之间转换的模块化多电平转换器包括至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元，每个相位单元包括上转换器臂和下转换器臂，每个转换器臂具有串联布置的一个或多个元素，其中每个元素包括能量存储元件和适于将能量存储元件切换进或切换出串联元素的开关布置。另外，模块化多电平转换器包括适于控制元素的开关布置的控制单元，模块化多电平转换器包括串联布置在上转换器臂与下转换器臂之间的中间转换器臂，该中间转换器臂具有串联布置的一个或多个元素，所述上转换器臂与中间转换器臂之间的上节点以及所述下转换器臂与中间转换器臂之间的下节点，布置在所述上节点与AC端子之间的上桥接元件，以及布置在所述下节点与所述AC端子之间的下桥接电流控制器。本专利技术基于这样的思想，取决于AC电压，中间转换器臂可以用于支持下转换器臂或上转换器臂。这样，给定DC链路电压所需的元素数量可以减少25％。电容器尺寸还有其他益处。中间转换器臂支持上转换器臂和下转换器臂两者，并且所产生的电流纹波的频率是上转换器臂和下转换器臂中的电流纹波频率的两倍。由于频率的增加，可以减小中间转换器臂的元素电容器的尺寸，而不会影响纹波电流。在本专利技术的示例性实施例中可以单独添加或一起添加的其他特征包括：-控制构件可以采用微控制器的形式，诸如FPGA。它可以适于控制所述上桥接元件和下桥接元件。-每个桥接元件的额定电压可以等于或高于中间转换器臂的额定电压。-中间转换器臂中的元素的电容器可以比下转换器臂或上转换器臂的电容器具有更小的容量。在另一个实施例中，中间转换器臂中的元素的电容器可以具有下转换器臂或上转换器臂的电容器的一半的容量。较小的容量导致中间转换器臂的元素的尺寸较小。-中间转换器臂、上转换器臂和下转换器臂的额定电压可以相等。-替代地，中间转换器臂的额定电压可以低于上转换器臂和/或下转换器臂的额定电压。-每个桥接元件包括一个或多个针对低传导损耗而优化的开关。在另一个实施例中，开关可以是IGCT(集成门极换流晶闸管)。由于桥接元件仅必须以供电网络频率的数量级的相对较低的频率(50Hz或60Hz)进行切换，因此这将有利地减少总损耗。桥接元件可以以两倍的网络频率进行切换。-每个桥接元件可以包括一个或多个二极管。尤其是当模块化多电平转换器用作整流器时，使用二极管使模块化多电平转换器的设置和操作更便宜且更简单。-桥接元件可以包括一个或多个具有反向二极管的晶闸管。有利地，这些具有低传导损耗。-上转换器臂、下转换器臂和中间转换器臂中的一个或多个可以包括多个元素。-在一个实施例中，上转换器臂和下转换器臂的元素是全桥型元素，而中间转换器臂的元素是半桥型元素。这可以通过控制具有全桥的元素之间的相间电压(phase-to-phasevoltage)来控制从AC侧到DC侧的电流，从而允许DC故障阻止。-模块化多电平转换器可以包括并联布置的三个或更多个所述相位单元。这允许模块化多电平转换器的三相位操作。-模块化多电平转换器可以包括：布置在所述上节点与AC端子之间的第二上桥接元件；以及布置在所述下节点与所述AC端子之间的第二下桥接电流控制。这些第二桥接元件允许旁路桥接元件，并且因此增强了模块化多电平转换器的可靠性。另外，并联的第二桥接元件将传导损耗降低了一半。-模块化多电平转换器可以还包括在上桥接元件和下桥接元件的中间点与AC端子之间的第一桥开关，以及在第二上桥接元件和下桥接元件的中间点与AC端子之间的第二桥开关。这些桥开关允许分别断开桥接元件和第二桥接元件。因此，可以通过断开该特定桥接元件来控制上桥接元件或下桥接元件中的短路。这增强了模块化多电平转换器的可靠性。在没有桥开关的情况下实现相同的可靠性将需要串联更多的开关，从而产生更高的损耗。本专利技术提供了一种用于操作模块化多电平转换器的方法，其中，相位单元连接到DC网络，并且相位单元的AC端子连接到AC网络，控制单元控制上转换器臂和下转换器臂的元素的开关布置以使上转换器臂和下转换器臂的电压适应AC电压电平，并且控制单元通过当下转换器臂电压高于上转换器臂电压时接通上桥接元件，以及当下转换器臂电压低于上转换器臂电压时接通下桥接元件来控制桥接元件。-优选地，上桥接元件和下桥接元件中的另一个被关闭。-所述网络可以是负载网络或供电网络或任何其他种类的电气网络。-优选地，控制单元以两倍于AC电压频率的频率来切换桥接元件。-控制单元可以控制中间转换器臂的元素的开关布置，使得当各个开关的电压为零时，各个开关被接通和/或关闭，从而减小了开关损耗。附图说明现在参考附图描述本专利技术的实施例，但本专利技术不限于此。图1图示了根据现有技术的模块化多电平转换器；图2和图3图示了转换器元素的示例；图4图示了根据实施例的模块化多电平转换器的相位单元；图5图示了根据实施例的模块化多电平转换器的第二相位单元‘图6图示了根据实施例的单相位模块化多电平转换器。图7图示了根据实施例的三相位模块化多电平转换器；图8-10图示了图4和5的相位单元和图6和7的模块化多电平转换器的桥接元件的示例。附图的图示是示意性形式。注意，在不同的图中，相似或相同的元件使用相同的附图标记。具体实施方式图1图示了根据现有技术的用于将DC电压转换为AC电压或反之亦然的模块化多电平转换器M的基本设置。图1仅示出了模块化多电平转换器M的单相位单元A。相位单元A连接到具有DC端子E1、E2的DC线，并且具有AC端子A1。在这种模块化多电平转换器M的实际实施例中使用的相位单元A的数量可以是一个、两个、三个或更多。如果模块化多电平转换器M包括多个相位单元A，则这些相位单元通常并联布置，即，相位单元A每个都连接到相同的DC线，而它们的各个AC端子A1形成AC相位端子。每个相位单元A包括上转换器臂Z1和下转换器臂Z2，每个转换器臂Z1、Z2具有串联布置的多个双端子元素C。另外，每个转换器臂Z、Z2包括以线圈L1、L2的形式与串联的元素C串联的电感元件。转换器臂Z1、Z2依次串联连接在DC端子E1、E2之间。在其最基本的形式中，元素C包括能量存储元件和开关布置。能量存储元件通常是电容器。开关布置使元素C能够短路其两个端子，从而旁路能量存储，或者将能量存储元件放置在其两个端子之间。模块化多电平转换器M还包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在直流电压和交流电压之间转换的模块化多电平转换器(300、400)，所述模块化多电平转换器(300、400)包括/n至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元(102、202)，每个相位单元(102、202)包括上转换器臂(108)和下转换器臂(112)，每个转换器臂(108、112)具有串联布置的一个或多个元素(C、CF、CH)，其中每个元素(C、CF、CH)包括能量存储元件(CP)和适于将所述能量存储元件(CP)切换进或切换出元素的串联(C、CF、CH)的开关布置；/n控制单元，所述控制单元适于控制所述元素(C、CF、CH)的开关布置；/n在所述上转换器臂和下转换器臂(108、112)之间串联布置的中间转换器臂(110)，所述中间转换器臂(110)具有串联布置的一个或多个元素(C、CF、CH)；/n在所述上转换器臂和中间转换器臂(108、110)之间的上节点(116)和在所述下转换器臂和中间转换器臂(112、110)之间的下节点(122)；/n布置在所述上节点(116)和交流端子(120)之间的上桥接元件(118)；/n布置在所述下节点(122)与所述交流端子(120)之间的下桥接元件(124)。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180131 EP 18154369.51.一种用于在直流电压和交流电压之间转换的模块化多电平转换器(300、400)，所述模块化多电平转换器(300、400)包括
至少两个并联连接并且可连接到直流端子的相位单元(102、202)，每个相位单元(102、202)包括上转换器臂(108)和下转换器臂(112)，每个转换器臂(108、112)具有串联布置的一个或多个元素(C、CF、CH)，其中每个元素(C、CF、CH)包括能量存储元件(CP)和适于将所述能量存储元件(CP)切换进或切换出元素的串联(C、CF、CH)的开关布置；
控制单元，所述控制单元适于控制所述元素(C、CF、CH)的开关布置；
在所述上转换器臂和下转换器臂(108、112)之间串联布置的中间转换器臂(110)，所述中间转换器臂(110)具有串联布置的一个或多个元素(C、CF、CH)；
在所述上转换器臂和中间转换器臂(108、110)之间的上节点(116)和在所述下转换器臂和中间转换器臂(112、110)之间的下节点(122)；
布置在所述上节点(116)和交流端子(120)之间的上桥接元件(118)；
布置在所述下节点(122)与所述交流端子(120)之间的下桥接元件(124)。


2.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，每个桥接元件(118、124)具有的额定电压等于或高于所述中间转换器臂(110)的额定电压。


3.根据权利要求1或2所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述能量存储元件(CP)是电容器(CP)，并且所述中间转换器臂(110)中的电容器(CP)的容量小于所述下转换器臂或上转换器臂(108、112)的电容器(CP)的容量。


4.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述中间转换器臂、上转换器臂和下转换器臂(108、110、112)的额定电压是相等的。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，所述中间转换器臂(110)的额定电压低于所述上转换器臂和/或下转换器臂(108、112)的额定电压。


6.根据前述权利要求中任一项所述的模块化多电平转换器(300、400)，其中，每个所述桥接元件(118、124)包括针对低传导损耗而优化的一个或多个开关(802)。


7.根据前...

【专利技术属性】
技术研发人员：J鲁宾逊，
申请(专利权)人：西门子股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE