CN101548458B - 具有分布式储能器的模块化变流器的控制 - Google Patents

具有分布式储能器的模块化变流器的控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于转换电流的装置(1)，具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，其具有交流电压接头(3/1，3/2，3/3)和至少一个直流电压接头(p，n)，在每个直流电压接头和每个交流电压接头之间形成相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，每个相模块支路具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有储能器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)；具有用于提供实际值的测量传感器；具有与测量传感器相连的调节装置(9，10)。调节可以简单地与每个子模块支路中任意数量的子模块匹配。调节装置(9，10)具有电流调节单元(10)和分别与相模块支路对应的控制单元(9)，电流调节单元(10)用于为控制单元(9)提供支路额定值，所述控制单元用于为所述子模块产生控制信号。

Description

具有分布式储能器的模块化变流器的控制
技术领域
本发明涉及一种用于转换电流的装置，具有至少一个相模块，该相模块具有交流电压接头和至少一个直流电压接头，其中在每个直流电压接头和交流电压接头之间形成相模块支路，并且其中每个相模块支路具有由子模块组成的串联电路，这些子模块分别具有储能器和至少一个功率半导体，具有用于提供实际值的测量传感器以及具有与该测量传感器相连并且用于根据实际值和预先给定的额定值来调节该装置的调节装置。
本发明还涉及一种用于转换电流的方法。
背景技术
这样的装置和方法例如在A.Lesnicar和R.Marquardt在Powertech 2003上发表的文章“An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for aWide Power Range”中已经公开。在那里公开了一种用于连接到交流电网而设置的变流器。该变流器对于要与其相连的交流电网的每一相具有一个相模块，其中每个相模块具有一个交流电压接头以及两个直流电压接头。在每个直流电压接头和交流电压接头之间形成一个相模块支路，从而提供所谓的6脉波桥式电路。模块支路由子模块的串联电路组成，这些子模块分别由两个分别并联连接了反向续流二极管的可关断功率半导体组成。可关断功率半导体和续流二极管串联连接，在此与所说的串联电路并联设置一个电容器。所说的子模块的组件这样互相连接，使得在每个子模块的两极的输出端上降落或者电容器电压或者零电压。
可关断功率半导体的控制借助所谓的脉宽调制来进行。用于控制功率半导体的调节装置具有用于采集电流以获得电流值的测量传感器。电流值被传输到具有输入接口和输出接口的中央控制单元。在输入接口和输出接口之间设置了调制器，也就是软件例程。调制器除了别的之外还具有选择单元以及脉冲宽度发生器。脉冲宽度发生器产生用于各个子模块的控制信号。可关断功率半导体通过由脉冲宽度发生器产生的控制信号从导通状态(在该导通状态中电流可以流经可关断功率半导体)转换到截止状态(在该截止状态经过该可关断功率半导体的电流中断)。在此每个子模块具有用于采集降落在电容器上的电压的子模块传感器。
用于所谓的多级变流器拓扑结构的控制方法的其它文章在R.Marquardt，A.Lesnicar，J.Hildinger发表于ETG-Fachtagung in Bad Nauenheim，Deutschland2002的“Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendung bei hohenSpannungen”，A.Lesnicar，R.Marquarde的“A new modular voltage source invertertopology”，EPE’03Toulouse，Frankreich 2003，和R.Marquardt，A.Lesnicar的“New Concept for High Voltage-Modular Multilevel Converter”，PESC 2004Conference in Aachen，Deutschland中公开。
在目前尚未公布的德国专利申请102005045090.3中公开了一种用于控制具有分布的储能器的多相变流器的方法。公开的装置同样具有带有相模块的多级变流器拓扑结构，这些相模块具有一个在每个相模块的中间对称设置的交流电压接头和两个直流电压接头。每个相模块由两个相模块支路组成，它们在交流电压接头和直流电压接头中的一个之间延伸。每个相模块又包括由子模块组成的串联电路，其中每个子模块由可关断功率半导体和与之反并联连接的续流二极管组成。此外每个子模块还具有一个单极的电容器。调节装置用于调节功率半导体，这些调节装置也被用来调整在相模块之间流过的支路电流。通过控制支路电流例如可以主动地衰减电流波动并且避免具有较小输出频率的运行点。此外可以均衡所有的可关断半导体开关的负载并使极不对称的电压对称。
发明内容
由此本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开头部分提到种类的装置，其调节可以简单地与在每个相模块支路中的任意数量的子模块相匹配。
从本文开头提到的类型的装置出发本发明通过如下解决上述技术问题，所述调节装置具有电流调节单元和分别对应于相模块支路的控制单元，其中电流调节单元用于为控制单元提供支路额定值并且控制单元连接在电流调节单元和子模块之间并且用于为所说的子模块产生控制信号。
从本文开头提到的方法出发本发明通过如下解决上述技术问题，所述电流调节单元提供实际值和额定值，电流调节单元根据实际值和额定值借助调节器确定分别对应于相模块支路的支路额定值，支路额定值被传输到与所述相模块支路对应的控制单元并且每个控制单元根据支路额定值产生用于与其对应的子模块的控制信号。
按照本发明的装置具有由中央电流调节单元组成的调节装置。所述电流调节单元与用于测量电气测量参数例如电流或电压的测量传感器相连，其中测量值作为所谓的实际值被传输到调节器。此外实际值要与其匹配的额定值也被传输到电流调节单元。如果额定值例如是预定的额定有功功率，则例如为了达到额定有功功率直流电流的改变也对变流器的交流电压侧的交流电流的改变产生影响。换言之实际值在很大程度上互相耦合。由此电流调节单元主要用于调节参数的去耦。
与现有技术中公知的控制方法不同，按照本发明，用于子模块的控制信号不是由中央电流调节单元产生，而是对于每个相模块支路设置一个独立的控制单元。电流调节单元对每个控制单元产生至少一个支路额定值。然后控制单元基于每个支路额定值确定并且产生用于各个子模块的控制信号。由此按照本发明的装置具有可以简单地与数量可变的子模块匹配的调节装置。电流调节单元仅根据相模块支路的数量设置，该数量独立于每个相模块支路中的子模块的数量。因此随着子模块的数量的提高，按照本发明的装置、也就是按照本发明的变流器与改变的电网电压或者直流电压的匹配，仅对控制单元产生影响。
每个子模块优选具有与对应于该子模块的控制单元相连的并且提供子模块实际值的子模块传感器。子模块实际值被传输到连接的控制单元，该控制单元然后通过将子模块实际值相加形成子模块总实际值，这些子模块实际值来自由控制单元接通或者换言之激活地接通的子模块。只有相模块支路的激活地接通的子模块对相模块支路的相应的子模块总实际值提供份额。在此控制单元产生用于各个子模块的控制信号，使得子模块总实际值尽可能精确等于由电流调节单元提供的支路额定值。
合适地，子模块实际值等于在各个子模块的储能器上降落的电压的储能器电压值Uc。在这种情况下支路额定值是支路电压额定值，也就是对于在相模块支路的激活的或者接通的子模块上总共降落的电压的额定值。
优选每个控制单元与与其对应的相模块支路的所有子模块传感器相连并且用于提供用于电流调节单元的支路能量实际值，在此支路能量实际值是所有子模块、也就是各个相模块支路的接通的激活的子模块和断开的非激活的子模块的子模块实际值的总和。此外支路能量实际值本身用于确定支路额定值并且特别是支路电压额定值。
按照一种优选扩展，电流调节单元用于为每个控制单元提供支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。
合适地，测量值传感器包括用于测量在相模块支路中流过的相模块支路电流Izwg的支路电流传感器。按照该优选扩展，可以调节相模块支路电流。相模块支路电流Izwg包括在相模块的交流侧、也就是例如在用于连接交流电网与按照本发明装置的变压器和相模块的交流电压接头之间流过的相电流。此外相模块支路电流还包括直流电流分量和回路电流。如果已知装置的所有相模块支路电流，则可以计算回路电流。因为回路电流从外部不可见，所以对其的调节可以使相模块支路中存储的能量独立地对称。通过对相模块支路电流以及由此对回路电流的调节，可以有效利用按照本发明的装置的所有自由度。因此回路电流的主动衰减例如显著降低了利用例如支路电流扼流圈的无源元件导致的开销。
由此电流调节单元优选用于调节相模块支路电流Izwg。
按照一种优选扩展，额定值包括无功电流额定值Iqref、有功电流额定值Ipref和/或直流电流额定值Id。以这种方式可以通过用户特别简单地操作按照本发明的装置。用户仅需将待传输的有功和无功功率输入到调节装置。由此用掌握的额定电压的知识确定无功电流额定值。
关于按照本发明的方法，具有优势的是，实际值包括由控制单元传输到电流调节单元的支路能量实际值，其中每个支路能量实际值又是相模块支路的所有子模块的子模块实际值的和，不管这些子模块是接通或没有接通。
支路额定值优选通过电压中间额定值的线性组合形成。电压中间额定值尽可能互相去耦合并且用于构建直观而清楚的调节。
按照与此相关的合适扩展，电压中间额定值包括直流电压额定值Udc，在此直流电压额定值Udc根据预定的参考直流电流Idsoll和通过测量获得的直流电流测量值Id之间的差来确定。
按照与此相关的合适扩展，总电压差通过形成在预定的总电压额定值ucref和通过将在变流器的所有储能器上的电压相加确定的总能量测量值uc之间的差来确定，并且该总电压差被传输到调节器以获得总能量偏差电流值，在此将总能量偏差电流值与直流电流额定值Idref相加以获得参考直流电流值Idsoll。在此采用的调节器例如是简单的比例调节器。然而在本发明的范围内还可以使用其它调节器。根据该优选扩展，在调节中确保，在储能器中存储的能量不会超过预定的度量。由此避免了由于存储太大能量而毁坏按照本发明的装置。对于专业人员来说明显的是，在设置按照本发明的装置、也就是变流器的总能量时，代替将该装置的所有储能器的所测量的电压测量值相加，还可以确定在子模块的储能器中存储的能量以获得能量测量值。于是uc等于装置的所有储能器的能量值的和。用于储能器的能量值的度量例如从降落在所说的储能器上的电压通过所述电压的简单平方来产生。
电压中间额定值优选对于每个控制单元包括电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3。电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3主要这样对装置其作用：使得建立在每个相模块的交流电压侧流过的期望的相电流I1、I2、I3。
按照与此相关的合适扩展，电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3从通过测量相模块的交流电压侧的相电流I1、I2、I3所获得的相电流值中，根据电流额定值借助调节器来确定。按照该合适的扩展，这些相电流在按照本发明的装置的交流电压侧上被测量。这例如可以在紧邻相模块的交流电压接头处进行。为此相应的电流互感器与三相线路互相作用，在此三相线路与交流电压接头相连。然而与此不同的是，还可以测量在经过三相线路和变压器与交流电压接头相连的交流电网的每一相中流过的电网电流In1、In2和In3。
按照与此相关的合适扩展，根据通过测量子模块的交流电压侧的相电压U1、U2、U3而获得的相电压测量值、根据额定值借助调节器来确定电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3。由此电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3的获得也可以基于电网电压的测量来进行。
优选电压中间额定值对于每个相模块支路包括支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2、Uzwgp3、Uzwgn1、Uzwgn2、和Uzwgn3。
按照与此相关的合适扩展，支路电压中间额定值Uzwgp1，...，Uzwgn3根据扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2和In3借助调节器来确定。
优选每个扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2和In3通过形成由通过采集在各个相模块支路中流过的相模块支路电流所获得的相模块支路电流测量值Izwgp1，...，Izwgn3的和、由所确定的回路电流额定值Ikr1、Ikr2、Ikr3以及由所确定的对称电流额定值Ibalp1，...，Ibaln3算出，在此根据支路能量实际值来确定对称电流额定值Ibalp1，...，Ibaln3。在该调节步骤中将预定的额定值、也就是用于确定作为支路电流的分量的回路电流的回路电流额定值Ikr1、Ikr2、Ikr3，和用于确定对称电流的对称电流额定值Ibalp1，...，Ibaln3，与通过测量所确定的相模块支路电流测量值Izwg一起相加，在此其和值等于所说的扩展的支路电流值Ip1，...In3。然后扩展的支路电流值被合适地传输到调节器，该调节器从中产生支路电压中间额定值Uzwg。
支路电压中间额定值优选包括不对称额定电压Uasym。
按照与此相关的合适扩展，通过测量在正的直流电流接头和地之间的电压以获得正的直流电压值Udp和通过测量在负的直流电压接头和地之间的电压以获得负的直流电压值Udn，通过形成正的和负的直流电压值的绝对值的差以获得直流电压差Δud和通过将直流电压差Δud施加在调节器的输入端以在调节器的输出端获得不对称额定电压来确定该不对称额定电压Uasym。
合适地支路电压中间额定值具有平衡电压额定值Ubalp1、Ubalp2、Ubalp3、Ubaln1、Ubaln2、Ubaln3，在此，采集等于降落在储能器上的电压的储能器电压值Uc，将相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2、6n3的储能器电压值Uc相加以获得支路能量实际值Uc∑p1、Uc∑p2、Uc∑p3、Uc∑n1、Uc∑n2、Uc∑n3，将支路能量实际值Uc∑p1、Uc∑p2、Uc∑p3、Uc∑n1、Uc∑n2、Uc∑n3互相比较并且将从比较中得出的值传输到调节器，并在调节器的输出端上量取平衡均衡电压(Balancierungsausgleichsspannung)Ubalp1、Ubalp2、Ubalp3、Ubaln1、Ubaln2、Ubaln3。在形成支路能量实际值时考虑子模块支路的所有子模块，不管这些子模块是否接通。由此支路能量实际值表示在相模块支路中存储的能量的度量。专业人员理解，在此还可以替代降落在储能器上的电压而将这些电压的平方相加并且以这种方式形成支路能量实际值。此外要指出的是，按照本发明的装置的对称还可以用上面描述的对称电流额定值Ibal来进行。
优选为了确定支路电压中间额定值Uzwgp1，...，Uzwgn3，将扩展的支路电流值Ip1，...，In3作为调节的输入参数拆分成电网电流分量和回路电流分量。该拆分使得可以清楚构建由电流调节单元运行的调节步骤。
优选对每个扩展的支路电流值Ip1，...，In3独立于其余的支路电流值Ip1，...，In3来调节。这意味着，每个扩展的支路电流值例如与合适的额定值一起分别被传输到唯一的调节器。在调节器的输出端上可以量取支路电压中间额定值Uzwgp1，...，Uzwgn3。
按照本发明的另一个优选实施方式，通过测量交流电压侧的相电流获得相电流值I1、I2、I3并且通过测量相模块支路的交流电压侧的相电压获得相电压值U1、U2、U3，从相电流值I1、I2、I3和从相电压值U1、U2、U3根据额定值借助调节器确定辅助电流值IHal、IHbe，将辅助电流值IHal、IHbe与扩展的支路电流值Ip1，...，In3相加以获得辅助和或者从扩展的支路电流值Ip1，...，In3中减去辅助电流值IHal、IHbe以获得辅助差，在此将辅助和和辅助差施加到调节器的输入端上并调节器的输出端量取支路电压中间额定值Uzwgp1，...，Uzwgn3。在此调节器例如是比例调节器。
附图说明
本发明的其它合适的实施方式和优点是以下结合附图对本发明的实施例的描述的内容，其中起相同作用的组件使用相同的附图标记并且其中：
图1以示意图示出了按照本发明的装置的一种实施例，
图2示出了按照图1的装置的子模块的等效电路图，
图3示出了按照图1的装置的调节装置的结构，
图4以示意图示出了用于为控制单元确定支路电压额定值的支路电压中间额定值的线性组合，
图5示出了确定电网相电压额定值Unetz的示意图，
图6示出了说明用于从扩展的支路电流值中确定支路电压中间额定值Uzwg的方法步骤的示意图，
图7示出了按照图6确定扩展的支路电流值Ip的示意图，
图8示出了产生回路电流额定值Ikr的一种可能性的示意图，
图9示出了用于确定直流电压额定值Udc的示意图，
图10示出了用于说明对称电压Uasym的确定的概图，
图11示出了用于产生支路电压中间额定值Uzwg的另一种可能性，
图12示出了用于确定支路电压中间额定值Uzwg的另一种可能性，以及
图13示出了用于确定支路电压中间额定值Uzwg的再另一种可能性。
具体实施方式
图1示出了由三个相模块2a、2b和2c组成的按照本发明的装置1的实施例。每个相模块2a、2b和2c与正的直流电压导线p以及与负的直流电压导线n相连，从而每个相模块2a、2b和2c具有两个直流电压接头。此外对于每个相模块2a、2b和2c分别设置一个交流电压接头31、32和33。交流电压接头31、32和33经过变压器4与三相交流电网5相连。相电压U1、U2和U3降落在交流电网5的各相上，在此流过电网电流In1、In2和In3。每个相模块的交流电压侧的相电流用I1、I2和I3表示。直流电流是Id。在每个交流电压接头31、32和33和正的直流电压导线p之间形成相模块支路6p1、6p2和6p3。在每个交流电压接头31、32和33和负的直流电压导线n之间形成相模块支路6n1、6n2和6n3。每个相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2和6n3由在图1中未清楚示出的子模块的串联电路和在图1中用LKr表示的电感组成。
在图2中通过等效电路图详细示出了子模块7的串联电路和特别是子模块的结构，在图2中仅示出相模块支路6p1。但是其余的相模块支路是相同构建的。可以看出，每个子模块7具有两个串联连接的可关断功率半导体T1和T2。可关断功率半导体例如是所谓的IGBT、GTO、IGCT等。它们对于专业人员来说本身是公知的，从而对此不需详细示出。与每个可关断功率半导体T1、T2反并联连接一个续流二极管D1、D2。与可关断功率半导体T1、T2或者说续流二极管D1和D2的串联电路并联连接了一个电容器8作为储能器。每个电容器8是单向地充电。在每个子模块7的二极的接线柱X1和X2上此时可以产生两个电压状态。如果控制单元9例如产生用来将可关断功率半导体T2转换到其导通状态的控制信号，在该导通状态中电流可以经过功率半导体T2流过，则在子模块7的接线柱X1、X2上降落零电压。在此可关断功率半导体T1处于其截止状态，在该截止状态中电流经过可关断功率半导体T1中断。这防止了电容器8的放电。如果相反可关断功率半导体T1被转换到其导通状态，而可关断功率半导体T2被转换到其截止状态，则在子模块7的接线柱X1、X2上施加全电容器电压Uc。
根据图1和2的按照本发明的装置的实施例也被称为所谓的多级变流器。这样的多级变流器例如适合于驱动电机，例如马达等。此外这样的多级变流器还适用于在能量分配和传输领域中的应用。按照本发明的装置例如用作由两个直流电压侧互相连接的变流器组成的近耦合，在此变流器分别与交流电网相连。这样的近耦合被应用于在两个能量分配网之间的能量交换，其中能量分配网例如具有不同的频率、相位、中性点联结等等。此外考虑在无功功率补偿、也就是所谓的FACT(Flexible AC Transmission System，柔***流传输***)领域中的应用。也可以考虑用这样的多级变流器进行经过长距离的高压直流传输。根据不同的应用可能性的满足，产生许多不同的运行电压，按照本发明的装置可分别与这些运行电压匹配。由于这个原因，子模块的数量可以从几个直到数百个子模块7变化。为了能够对这些不同数量的子模块7采用可以简单地与不同数量的子模块7匹配的调节装置，与现有技术相比本发明具有可变的结构。
所说的调节装置的结构在图3中示出。调节装置因此包括电流调节单元10以及控制单元9p1、9p2、9p3和9n1和9n2和9n3。每个控制单元对应于相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2以及6n3。控制单元9p1例如与相模块支路6p1的每个子模块7相连并且产生用于可关断功率半导体T1、T2的控制信号。在每个子模块7中设置一个未图形示出的子模块电压传感器。子模块电压传感器用于采集在作为子模块7的能量存储器的电容器8上降落的电容器电压以获得作为子模块实际值的电容器电压值Uc。电容器电压值Uc被提供给各个控制单元，此处为9p1。控制单元9p1由此获得与其对应的相模块支路6p1的所有子模块7的电容器电压值并且将其相加以获得支路能量实际值(Zweigenergieistwerte)Uc∑p1，其同样对应于相模块支路6p1。此外每个分析单元9p确定一个子模块实际值。子模块实际值从激活的子模块的和中算出，在该激活的子模块的输出端接线柱X1、X2上降落电容器电压Uc。非激活的子模块7(在该非激活的子模块的输出端接线柱X1、X2上降落零电压)在形成子模块实际值时不予考虑。特别地该支路能量实际值Uc∑p1被传输到电流调节单元10。
此外电流调节单元10与不同的未图形示出的测量传感器相连。在相模块2a、2b、2c的交流电压侧设置的电流互感器用于产生和传输相电流测量值I1、I2、I3，在每个相模块上设置的电流互感器用于产生和传输相模块支路电流测量值Izwg以及在变流器的直流电压回路中设置的电流互感器用于提供直流电流测量值Id。交流电网的电压互感器提供相电压的相电压测量值U1、U2、U3，直流电压互感器提供正的直流电压的正直流电压测量值Udp和负的直流电压的负直流电压测量值Udn，在此正直流电压测量值Udp等于在正的直流电压接头p和地之间降落的直流电压，负直流电压测量值Udn等于在负的直流电压接头p和地之间降落的电压。负的直流电压是负的。正的直流电压是正的。
此外还将额定值传输到电流调节单元10。在图3中示出的实施例中有功电流额定值Ipref以及无功电流额定值Iqref被传输到调节单元10。此外直流电压额定值Udref施加在电流调节单元10的输入端上。替代直流电压额定值Udref，在本发明的范围内对于进一步的调节还可以使用直流电流额定值Idref。由此这两个额定值可以互相交换。
额定值Ipref、Iqref和Udref以及所说的测量值在采用不同的调节器的条件下互相影响，其中对于每个控制单元9p1、9p2、9p3和9n1、9n2和9n3产生一个支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。每个控制单元9产生用于与其对应的子模块7的控制信号，从而在子模块的串联电路上降落的电压Up1、Up2、Up3、Un1、Un2、Un3尽可能等于各个支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。电压Up1、Up2、Up3、Un1、Un2、Un3被称为子模块总和实际值。
其余的图示出，电流调节单元10如何从其输入值形成合适的支路电压额定值Up1ref、Up2ref、Up3ref、Un1ref、Un2ref、Un3ref。因此图4示出，例如通过电网相电压额定值Unetz1、支路电压中间额定值Uzwgp1、直流电压额定值Udc、对称电压额定值Uasym和平衡电压额定值Ubalp1的线性组合计算支路电压额定值U1pref。该计算对于每一个相模块支路6p1、6p2、6p3、6n1、6n2、6n3互相独立地进行。
图5解释，如何从相电流测量值I1、I2和I3中以及从相电压测量值U1、U2、U3中确定电网相电压额定值Unetz1、Unetz2和Unetz3。因为相电流测量值之和为零，所以可以将三相的相电流测量值I1、I2、I2投射到一个两相的矢量系α、β。这借助转换单元11来进行。相应地对于相电压测量值U1、U2、U3也是如此，然后将测量值传输到调节器12，该调节器12根据有功电流额定值Ipref以及根据无功电流额定值Iqref产生电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3，转换单元11又用于将二维的电网相电压额定值转换为三维的电网相电压额定值。
图6示出如何形成在图4中第一次提到的支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2和Uzwgp3以及Uzwgn1、Uzwgn2和Uzwgn3。这从扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3(后面将描述其确定)出发来进行。这六个扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3又通过转换单元11如先前描述地转换为四个扩展的二维支路电流值α、β。接着调节器12(此处是简单的比例调节器)与转换单元11一起用于转换为所谓的支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2和Uzwgp3以及Uzwgn1、Uzwgn2和Uzwgn3。
在图7中解释了扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3的确定。扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3对于相模块支路6p1不过是由变流器形成的相模块支路电流测量值Izwgp1、回路电流额定值Ikr1和对称电流额定值Ibal1的总和。回路电流额定值Ikr1、Ikr2和Ikr3可以经过图中未示出的控制台动态地预先给出。对于对称电流额定值Ibal1、Ibal2和Ibal3也相应地如此。由此每个扩展的支路电流值Ip1既包括测量值也包括额定值。通过对称额定值提供了存储在相模块支路中的能量的对称分布。
图8示出了用于产生合适的回路电流额定值Ikr1、Ikr2、Ikr3的优选实施例。首先将电网电压的回路频率ω乘以系数2。然后形成幅角2ω的余弦或者负的正弦并且然后与振幅Amp相乘。接着从这两个参数中在采用转换单元11的条件下对三个相模块的每一个确定各个回路电流额定值Ikr1、Ikr2、Ikr3。
图9解释了直流电压额定值Udc的确定。根据测量的直流电流值Id和参考直流电流值Idsoll来确定Udc，其中参考直流电流值Idsoll的确定将在下面描述。首先由所测量的直流电流值Id和参考直流电流值Idsoll形成差。然后将该差传输到比例调节器或者比例/积分调节器、也就是PI调节器12，在其输出端上可以量取直流电压额定值Udc。
在图9的下部示出，可以如何确定参考直流电流值Idsoll。这首先在形成与按照本发明的装置1的所有电容器电压值Uc的总和相等的总能量测量值uc的条件下进行。由此总能量测量值uc表示对于在相关变流器中存储的能量的度量。这样的度量可以任意的方式导出。为了不让所说的能量变得太大，将总能量测量值uc与总电压额定值ucref比较，在此通过求差器13形成差。所说的差然后被传输到调节器12，在该调节器12的输出端上可以读出总能量偏差电流值，该总能量偏差电流值被传输到求和器14。求和器14从总能量偏差电流值和对于电流调节单元已知的直流电流额定值形成和以获得参考直流电流额定值Idsoll。通过该对直流电压额定值Udc的确定，所述调节由此可以避免在变流器1的电容器8中存储太高的能量。
图10物理地解释了不对称电压Uasym的含义。在图10中以虚线示出了按照本发明的装置1的相模块的交流电压侧的中性点形成器(Sternpunktbildner)15。在直流电压回路p、n中同样可以看出以虚线示出的分压器16，其在电位点NGS的两侧具有相同的电阻。非对称电压Uasym是降落在中性点补偿器15的中性点NTR和电位点NGS之间的电压。该电压首先通过测量降落在正的直流电压p和地之间的电压以形成正的直流电压值Udp和通过测量降落在直流电压的负极和地之间的电压以形成负的直流电压值Udn来确定。接着形成负的直流电压值Udn和正的直流电压值Udp的绝对值的差，从中产生直流电压差ΔUd。直流电压差ΔUd被置于调节器的输入端，在此还预先给定一个直流电压额定差到所述调节器，从而在调节器的输出端上产生一个值，所述调节器用该值最小化在直流电压差和直流电压额定差之间的差。对称额定电压Uasym可以在调节器的输出端上被量取并且按照在图4中解释的线性组合而应用到其它电压中间额定值。
平衡电压额定值Ubalp1、Ubalp2、Ubalp3、Ubaln1、Ubaln2和Ubaln3如下确定：首先通过测量降落在子模块7的电容器上的电压来确定电容器电压值Uc并且相加以获得支路能量实际值Uc∑p1、Uc∑p2、Uc∑p3、Uc∑n1、Uc∑n2、Uc∑n3。在此考虑各个相模块支路的所有子模块并且不管各个子模块是否接通。由此支路能量实际值是在相模块中存储的能量的度量。支路能量实际值由此分别对应于相模块支路9p1、9p2、9p3、9n1、9n2和9n3。将支路能量实际值Uc∑p1、Uc∑p2、Uc∑p3、Uc∑n1、Uc∑n2、Uc∑n3互相比较并且从该比较中导出一个值。该值然后与额定值一起被传输到调节器，在该调节器的输出端上可以量取平衡电压额定值Ubalp1、Ubalp2、Ubalp3、Ubaln1、Ubaln2和Ubaln3。
图11示出了用于从扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3和In1、In2、In3确定支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2和Uzwgp3的另一种可能性。首先将扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3和In1、In2、In3通过转换单元11从三维的矢量空间转换到二维的矢量空间α、β。然后对于电网电流分量和回路电流分量互相独立地执行所述调节。这样通过合适的线性组合形成电网电流分量iNal和电网电流分量iNbe并且与两个未示出的额定值一起传输到调节器12。调节器12在其输出端上为电网电流分量形成α-值uNal以及β-值uNbe。对于回路电流分量所述调节也相应地进行。得到回路电流值ikral和ikrbe，在此在图11中下部示出的调节器12的输出端可以量取电网电压回路分量ukral和ukrbe。通过合适的线性组合和到三相空间的转换得到支路电压中间额定值Uzwgp1至Uzwgn3。
与在图11中提出的方法不同，还可以根据扩展的电流值Ip1、Ip2和Ip3互相独立地确定支路电压中间额定值Uzwgp1至Uzwgn3。为此，如在图12中解释的，对每个扩展的支路电流值Ip1至In3设置单独的调节器12，在此对扩展的支路电流值Ip1至In3如上面解释的那样来确定。
图13示出用于确定支路电压中间额定值Uzwgp1，...，Uzwgn3的另一种方法。首先将相电流测量值I1、I2、I3和相电压测量值U1、U2、U3从三相空间转换到两相空间α、β，并且将各个转换的测量值传输到矢量调节器12。有功电流额定值Ipref以及无功电流额定值Iqref也被传输到调节器12。矢量调节器12根据在有功电流额定值和由测量值确定的有功电流测量值之间的差在其输出端上产生辅助电流值IHal和IHbe，并且同时最小化无功电流测量值和无功电流额定值的差。然后如在图13中示出的，将辅助电流值IHal和IHbe与扩展的支路电流值Ip1，...，Ip3线性地组合。如已经解释的，扩展的支路电流值Ip1至In3包括额定电流值，调节器12利用该额定电流值产生二维的支路电压值α、β，最后转换单元11产生三相的支路电压中间额定值Uzwgp1至Uzwgp3。

Claims (24)

1.一种用于转换电流的装置(1)，具有
至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有交流电压接头(31，32，33)和至少一个直流电压接头(p，n)，其中在每个直流电压接头(p，n)和交流电压接头(31，32，33)之间形成相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，并且其中每个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有储能器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)；
用于提供实际值的测量传感器；和
调节装置(9，10)，其与该测量传感器相连并且用于根据所述实际值和预先给定的额定值调节该用于转换电流的装置(1)；
其特征在于，
所述调节装置(9，10)具有电流调节单元(10)和分别与一个相模块支路对应的控制单元，其中电流调节单元(16)用于为控制单元(9)提供支路额定值以及所述控制单元连接在子模块(7)和电流调节单元(16)之间并用于为子模块产生控制信号。
2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，每个子模块(7)具有子模块传感器，其与对应于该子模块(7)的控制单元(9)相连并且提供子模块实际值。
3.根据权利要求2所述的装置(1)，其特征在于，所述子模块实际值是储能器电压值Uc，其等于降落在相应子模块(7)的储能器(8)上的电压。
4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，每个控制单元(5)与与其对应的相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)的所有子模块传感器相连并且用于为电流调节单元提供总和实际值，其中，所述总和实际值是各个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)的所有子模块实际值的总和。
5.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述电流调节单元(10)用于为每个控制单元(5)提供支路电压额定值Uplref。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述测量传感器包括支路电流传感器，它们用于测量流过相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)的相支路电流Izwg。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述电流调节单元(10)用于调节所述相支路电流Izwg。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述额定值包括无功电流额定值Iqref和有功电流额定值Ipref和/或直流电流额定值Id。
9.一种用于借助变流器(1)转换电流的方法，该变流器(1)具有至少一个相模块(2a，2b，2c)，该相模块具有至少一个直流电压接头(p，n)和交流电压接头(31，32，33)，其中在每个直流电压接头(p，n)和交流电压接头(31，32，33)之间形成相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)，该相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)具有由子模块(7)组成的串联电路，这些子模块分别具有储能器(8)和至少一个功率半导体(T1、T2)，其中，为电流调节单元(10)提供实际值和额定值，该电流调节单元(10)根据该实际值和额定值借助调节器确定分别对应于一个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)的支路额定值，这些支路额定值分别被传输到控制单元(9)，并且每个控制单元(9)根据模块支路额定值为与其对应的子模块(7)产生控制信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述实际值包括由控制单元(9)传输到电流调节单元(10)的支路能量实际值，其中，这些支路能量实际值通过将在子模块中采集的子模块实际值相加来形成。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述支路额定值通过电压中间额定值的线性组合而形成，所述电压中间额定值包括直流电压额定值(Udc)，其中，该直流电压额定值(Udc)根据在预先给定的参考直流电流值Idsoll和通过测量获得的直流电流测量值Id之间的差来确定。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过形成在预先给定的总电压额定值ucref和通过将降落在变流器的所有储能器上的电压相加而确定的总能量测量值uc之间的差来确定总电压差，并将该总电压差传输到调节器(12)以获得总能量偏差电流值，其中，将该总能量偏差电流值与直流电流额定值Idref相加以获得参考直流电流值Idsoll。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述电压中间额定值对于每个控制单元(5)包括电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3由通过测量相模块(2a，2b，2c)的交流电压侧的相电流获得的相电流值I1、I2、I3、根据电流额定值借助调节器(12)来确定。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，根据通过测量相模块(2a，2b，2c)交流电压侧的相电压获得的相电压值U1、U2，U3，根据额定值借助调节器(12)来确定所述电网相电压额定值Unetz1、Unetz2、Unetz3。
16.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述电压中间额定值对于每个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)包括一个支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2、Uzwgp3、Uzwgn1、Uzwgn2和Uzwgn3。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，根据扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3借助调节器(12)来确定所述支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2、Uzwgp3、Uzwgn1、Uzwgn2和Uzwgn3。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，每个扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3通过形成通过采集在各个相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)中流过的相模块支路电流而获得的相模块支路电流测量值Izwgp1、Izwgp2、Izwgp3、Izwgn1、Izwgn2和Izwgn3所确定的回路电流额定值Ikr1、Ikr2、Ikr3和所确定的对称电流额定值Ibalp1、Ibalp2、Ibalp3、Ibaln1、Ibaln2、Ibaln3的和来计算，其中，对称电流额定值Ibalp1、Ibalp2、Ibalp3、Ibaln1、Ibaln2、Ibaln3根据相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)的支路能量实际值来确定。
19.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述支路电压中间额定值具有不对称额定电压Uasym。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，这样确定所述不对称额定电压Uasym：
通过测量在正的直流电流接头(p)和地之间的电压以获得正的直流电压值Udp和通过测量在负的直流电压接头(n)和地之间的电压以获得负的直流电压值Udn，
通过形成正的和负的直流电压值的绝对值的差以获得直流电压差Δud，以及
通过将所述直流电压差Δud施加到调节器的输入端在调节器的输出端获得该不对称额定电压Uasym。
21.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述支路电压中间额定值具有平衡电压额定值Ubalp1、Ubalp2、Ubalp3、Ubaln1、Ubaln2、Ubaln3，其中，采集等于降落在储能器(8)上的电压的储能器电压值Uc，将相模块支路(6p1，6p2，6p3，6n1，6n2，6n3)的储能器电压值Uc相加以获得支路能量实际值Uc∑p1、Uc∑p2、Uc∑p3、Uc∑n1、Uc∑n2、Uc∑n3，将所述支路能量实际值Uc∑p1、Uc∑p2、Uc∑p3、Uc∑n1、Uc∑n2、Uc∑n3互相比较并将从该比较中导出的值传输到调节器，以及在所述调节器的输出端量取平衡均衡电压Ubalp1、Ubalp2、Ubalp3、Ubaln1、Ubaln2、Ubaln3。
22.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，为了确定支路电压中间额定值Uzwgp1，...，Uzwgn3将作为调节器的输入参数的扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3拆分为电网电流分量和回路电流分量。
23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，对每个扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3独立于其余的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3来调节。
24.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，通过测量交流电压侧的相电流获得相电流值I1、I2、I3，通过测量相模块支路的交流电压侧的相电压获得相电压值U1、U2、U3，从相电流值I1、I2、I3和相电压值U1、U2、U3中根据额定值借助调节器确定辅助电流值IHal、IHbe，将该辅助电流值IHal、IHbe与扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3相加以获得辅助和，或者从扩展的支路电流值Ip1、Ip2、Ip3、In1、In2、In3中减去以获得辅助差，将该辅助和和/或辅助差被施加到调节器(12)的输入端上，在该调节器(12)的输出端上量取支路电压中间额定值Uzwgp1、Uzwgp2、Uzwgp3、Uzwgn1、Uzwgn2、Uzwgn3。
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