CN102084586B - 电压源转换器 - Google Patents

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Abstract

一种M2LC型电压源转换器具有开关单元(7)的串联连接，其中每个开关单元一方面具有串联连接的至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管，每个开关单元另一方面具有至少一个储能电容器(20)。开关单元的该串联连接的一个第一端(61)连接到处于高电压电势的直流电压极(5)，开关单元的该串联连接的相对端(62)连接到该转换器的相输出(10)。结构(70)被配置成将相输出(10)连接到该转换器的直流电压侧的处于中性电压电势的另一所述极(6)，并将相对于所述中性电势为正和负的电压脉冲递送到所述相输出。

Description

电压源转换器
技术领域和背景技术
本发明涉及一种电压源转换器，该电压源转换器具有至少一个相臂(phase leg)，该至少一个相臂连接到该转换器的直流电压侧的彼此相反的极，该至少一个相臂包括开关单元的串联连接，每个所述开关单元一方面具有串联连接的至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管(free-wheeling diode)，每个开关单元另一方面具有至少一个储能电容器，该转换器的相输出被配置成连接到沿着开关单元的所述串联连接形成的、该转换器的交流电压侧，每个所述开关单元被配置成通过对每个开关单元的所述半导体器件的控制来获得两个开关状态，即，第一开关状态和第二开关状态，其中所述至少一个储能电容器上的电压和零电压分别施加在开关单元的端子之间，以便在所述相输出上获得确定的交流电压。
这种具有任何数目的所述相臂的转换器在本发明的范围之内，但是其通常具有三个这种相臂，以使其交流电压侧有三相交流电压。
该类型的电压源转换器可用于如下各种情况，即，其中要将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压，其中这种应用的例子是在HVDC(高压直流电流)电厂的电站中，其中通常将直流电压转换成三相交流电压或者将三相交流电压转换成直流电压，或者在所谓背对背电站中，其中首先将交流电压转换成直流电压、然后将该直流电压转换成交流电压，以及在SVC(静态无功补偿器)中，其中直流电压侧由一个或多个自由悬挂(hanging freely)的电容器构成。然而，本发明不限于这些应用，而是还可考虑其它应用，比如应用于机器、车辆等的不同类型的驱动***。
通过例如DE 101 03 031 A1和WO 2007/023064 A1了解该类型的电压源转换器。如这些文献中所公开的，该类型的电压源转换器通常被称为多单元转换器或M2LC。参考这些文献来获知该类型的转换器的功能。该转换器的所述开关单元可具有与所述文献中所示外观不同的外观，例如，每个开关单元可以具有多于一个的所述储能电容器，只要可以控制该开关单元在引言中提到的两个状态之间切换即可。
通过US 5 642 275了解用在静态无功补偿器中的该类型的另一个电压源转换器，其中开关单元具有呈所谓全桥(比如所谓H桥)形式的不同外观。
本发明主要地但非排他地涉及这种被配置成传输高功率的电压源转换器，因此下文中将主要讨论传输高功率的情形来予以说明，但不以任何方式将本发明局限于此。当使用这种电压源转换器来传输高功率时，这也意味着处理高电压，且转换器的直流电压侧的电压由开关单元的所述储能电容器上的电压决定。这意味着相对大数目的这种开关单元将被串联连接，因为大数目的半导体器件(即，所述半导体组件)将串联连接在每个所述开关单元中，且当所述相臂中的开关单元数目相对大时，该类型的电压源转换器特别引人关注。串联连接的大数目的这种开关单元意味着可以控制这些开关单元在所述第一和第二开关状态之间改变并由此已经在所述相输出获得非常接近正弦电压的交流电压。这已经可以利用显著低于DE 101 03 031 A1中的图1中所示的类型的已知电压源转换器中典型使用的开关频率的开关频率来获得，该已知电压源转换器具有至少一个关断型半导体器件和与之反并联连接的至少一个续流二极管。这使得可以获得显著更低的损耗并且还可以显著减少无线电干扰以及滤波和谐波电流的问题，从而可以使用于其的设备的成本更低。
该类型的已知电压源转换器呈现对称态，这意味着其直流电压侧的两个极相对于地具有相同的电压并且其间是AC电压。然而，在某些情形下，在转换器的所述相输出和连接到所述相输出的交流电压网络或线之间无变压器而进行操作可能令人关注，且如果来自转换器的交流电压与所述网络中的交流电压相同，则直接连接到网络通常没有大问题。
然而，M2LC型的已知转换器不允许无任何变压器或仅通过使用自动连接的变压器而进行单极操作，于是不得不使用伴随有相当高成本的变压器，尽管转换器的直流电压侧和交流电压侧的电压电平照此将不需要任何变压器。
发明内容
本发明的目的是提供一种在引言中定义的类型的电压源转换器，其无需变压器就实现了单极操作。
根据本发明，该目的是通过提供这样的转换器实现的，其中所述彼此相反的极中的一个是连接到所述直流电压侧的高电压电势的高电压电势极，而所述彼此相反的极中的另一个是连接到所述直流电压侧的中性电压电势的中性电势极；在开关单元的所述串联连接中，其第一端被配置成连接到所述高电压电势极，而第二端被配置成连接到所述相输出，且该转换器还包括被配置成将所述相输出连接到所述中性电势极并将相对于所述中性电压电势为正和负的电压脉冲递送到所述相输出的结构。
通过将连接在直流电压侧的高电压电势和转换器的相输出之间的转换器部分作为M2LC转换器的所谓阀分支(valve branch)，并通过使将相输出连接到另一极的转换器部分由被配置成连接到中性电势的结构构成，并通过允许由此递送到所述相输出的电压脉冲为正和负的，该类型的转换器的单极操作可以无需变压器而进行，从而可以节省成本。这样，由此可以将电流从所述结构传导到所述相输出以及以相反的方向传导。
应指出，施加在转换器的相输出上的交流电压是通过从高电压电势极施加的一个符号的电压脉冲与由所述结构施加的电压脉冲之间的电势差形成的，其中从高电压电势极施加的电压脉冲仅为正的或仅为负的，而由所述结构施加的电压脉冲可以为正或负的。
此外，应指出，尽管根据本发明的转换器无需变压器就实现了单极操作，但是变压器(比如特别是自动连接的变压器)可以连接在所述相输出和交流电压网络或线之间。
根据本发明的一个实施例，通过将所述结构配置成递送在所述中性电势的正负两侧具有相同的最大幅度的所述电压脉冲，所述结构关于所述中性电势对称。这适合于该转换器的简单可靠的操作。
根据本发明的另一个实施例，所述结构被配置成将所述相输出连接到接地的所述中性电势极。这是规定中性电势的适合方式。
根据本发明的另一个实施例，该转换器包括控制单元，该控制单元适于控制该转换器以便在所述相输出上获得所述确定的交流电压，所述确定的交流电压的峰值电压处于所述高电压电势极上的相对于地的高电压电势的1/3至2/3之间，优选为所述高电压电势的约1/2。已经证明，该峰值交流电压与相对于地的所述高电压电势的电压的约1/2的关系导致这种转换器对于固定的额定功率而言具有最低的可能成本。
根据本发明的另一个实施例，所述结构被配置成将在相对于所述中性电势的最大峰值之间变化的所述电压脉冲递送到所述相输出，所述最大峰值基本上对应于所述相输出上的待由转换器递送的交流电压的峰值。所述结构的这种配置特别是当上面提到的所述关系占优时是优选的，因为这使得适合于通过将来自转换器的两个阀分支的电压脉冲或电势相加以得到用于获得目标交流电压的电压脉冲，在所述相输出上获得目标交流电压。
根据本发明的另一个实施例，所述结构包括至少一个H桥，该H桥包括并联连接的两个开关元件，每个开关元件具有串联连接的至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管，该H桥还具有与所述开关元件并联连接的至少一个储能电容器，所述开关元件中第一个的半导体组件之间的中点连接到所述中性电势，第二个开关元件的半导体组件之间的中点连接到所述相输出。可以通过使用允许由此递送到所述相输出的电压脉冲成为正和负电压脉冲的这种H桥以简单可靠的方式获得具有实现本发明所需的特征的结构。
根据本发明的另一个实施例，该转换器包括串联连接的多个所述H桥，且H桥的所述串联连接的一端的第一开关元件的中点被配置成连接到所述中性电势，H桥的所述串联连接的相对端的第二开关元件的中点被配置成连接到所述相输出。由此可以选择期望数目的这种H桥来实现由此递送到相输出的电压脉冲的电压电平的适当选择，以便降低转换器的损耗并获得具有期望形状的交流电压。
根据本发明的另一个实施例，所述结构包括串联连接的所述开关单元中的至少两个。使用这种开关单元来获得所述电压脉冲的不同电平可能是有利的。
根据本发明的另一个实施例，所述结构中的开关单元的串联连接包括相对于其所述储能电容器提供的电压具有相反的指向的开关单元。这使得可以利用开关单元的这种串联连接来获得允许由此递送的电压脉冲成为正和负电压脉冲的结构。于是，优选地，所述结构具有开关单元的串联连接，其中开关单元中的一半相对于其所述储能电容器提供的电压指向一个方向，开关单元中的另一半相对于其所述储能电容器提供的电压指向相反的方向。
尽管在所述结构中可以只有开关单元的串联连接而没有所述H桥，但是可以组合这种开关单元与H桥，在本发明的另一个实施例中，所述结构包括所述开关单元中的一个或多个以及一个或多个所述H桥的串联连接，且该串联连接的一端被配置成连接到所述中性电势，该串联连接的另一端被配置成连接到所述相输出。
根据本发明的另一个实施例，所述相臂的相输出和高电压电势极之间的开关单元的所述串联连接中的开关单元数目≥4、≥12、≥30或≥50。如上面所提到的，当所述串联连接中的开关单元数目相当大从而导致在相输出上递送的电压脉冲具有大数目的可能电平时，该类型的转换器特别引人关注。
根据本发明的另一个实施例，所述半导体组件中的所述半导体器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成栅换向晶闸管)或GTO(栅关断晶闸管)。它们是适合于这种转换器的半导体器件，尽管还可以考虑其它关断型半导体器件。
根据本发明的另一个实施例，所述转换器被配置成使所述直流电压侧连接到用于传输高压直流电流(HVDC)的直流电压网络，并使交流电压侧连接到属于交流电压网络的交流电压相线。这是因为该类型的转换器的特别引人关注的应用需要大数目的半导体组件。
根据本发明的另一个实施例，该转换器被配置成使所述两个极之间的直流电压处于1kV至1200kV之间、或10kV至1200kV之间、或100kV至1200kV之间。所述直流电压越高，本发明越引人关注。
本发明还涉及一种用于传输电力的电厂。这种电厂的电站可具有吸引人的尺度和较高的性价比。
本发明的更多优点和有利特征将体现在以下描述中。
附图说明
下面参考附图描述作为例子引用的本发明的多个实施例。
在附图中：
图1是根据本发明的类型的电压源转换器的简图，
图2和图3示出了两种不同的已知开关单元，它们可以是根据本发明的电压源转换器的一部分，
图4是示意性示出了根据本发明的类型的已知电压源转换器的简图，
图5是类似于图4的视图，其示出了不具有变压器的根据本发明的类型的已知电压源转换器，
图6是类似于图5的视图，其示出了根据本发明第一实施例的电压源转换器，
图7是在根据图6的转换器的相输出上施加的电压与时间的关系图，
图8和图9是对应于图6的视图，它们分别示出了根据本发明的第二和第三实施例的转换器。
具体实施方式
图1示意性示出了本发明所涉及类型的电压源转换器1的总体构造。该转换器具有三个相臂2-4，相臂2-4连接到该转换器的直流电压侧的彼此相反的极5、6，比如用于传输高压直流电流的直流电压网络。每个相臂包括由方框表示的开关单元7的串联连接(在本情形下开关单元7的数目为16)，且该串联连接被划分成两个相等部分即上阀分支8和下阀分支9，这两个分支由中点10-12分开，中点10-12构成相输出并被配置成连接到该转换器的交流电压侧。相输出10-12可以通过变压器连接到三相交流电压网络、负载等。在所述交流电压侧还设置滤波设备，以改善所述交流电压侧的交流电压的形状。
控制单元13被设置用于控制开关单元7并由此控制转换器将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压。
电压源转换器具有如下类型的开关单元7：该开关单元一方面具有至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管；该开关单元另一方面具有至少一个储能电容器，图2和图3中示出了这种开关单元的两个例子7、7’。开关单元的端子14、15适于连接到构成相臂的开关单元的串联连接中的相邻开关单元。在本情形下，半导体器件16、17是与二极管18、19并列连接的IGBT。尽管每个组件仅示出了一个半导体器件和一个二极管，但是它们可分别代表并联连接以便共享流过该组件的电流的多个半导体器件和二极管。储能电容器20与二极管和半导体器件的相应串联连接并联连接。一个端子14连接到两个半导体器件之间的中点以及两个二极管之间的中点。另一个端子15连接到储能电容器20，在图2的实施例中连接到其一侧，在根据图3的实施例中连接到其另一侧。应指出，图2和图3中所示的每个半导体器件和每个二极管可以是串联连接以便能够处理待处理的电压的多于一个的半导体器件和二极管，如此串联连接的半导体器件于是可被同时控制，以便担当单个半导体器件。
图2和图3中所示的开关单元可被控制为获得a)第一开关状态和b)第二开关状态二者之一，其中对于a)电容器20上的电压和对于b)零电压施加在端子14、15之间。为了在图2中获得第一状态，半导体器件16接通而半导体器件17关断，而在根据图3的实施例中，半导体器件17接通而半导体器件16关断。通过改变半导体器件的状态，开关单元被切换到第二状态，从而在根据图2的实施例中，半导体器件16关断而半导体器件17接通，而在图3中，半导体器件17关断而半导体器件16接通。
图4更详细地示出了如何由图3中所示类型的开关单元构成根据图1的转换器的相臂2，其中为了使图简化，省去了总共10个开关单元。控制单元13适于通过控制开关单元的半导体器件来控制开关单元，使得它们将递送零电压或者电容器上的电压来与所述串联连接中的其它开关单元的电压相加。在此还示出了变压器21和滤波设备22。示出了如何将每个阀分支通过相电抗器50、51连接到相输出10，这种相电抗器也应存在于图1中用于相输出10、11和12，但为了使图简化而将其省去。
图5示意性示出了图1中所示类型的电压源转换器，该转换器被配置成呈现对称态，即，两个极5、6具有相同的电压并且其间是交流电压。该设计无需任何变压器而只要双极操作是可以的就允许将相输出10连接到交流电压网络60。然而，在故障发生时可能必需或期望的单极操作是不可以的。
图6示意性示出了根据本发明第一实施例的电压源转换器，其无需任何变压器来将所述相输出10连接到交流电压网络60就实现了单极操作。该转换器具有图3中所示类型的开关单元7的串联连接，其一个第一端61被配置成连接到该转换器的直流电压侧的处于高电压电势的所述极5，而另一个相对的第二端62被配置成连接到所述相输出10。该转换器还包括结构70，结构70被配置成将所述相输出10连接到该转换器的所述直流电压侧的处于中性电压电势(这里因接地于71而是地电势)的另一所述极6，并将相对于所述中性电势(地)为正和负的电压脉冲递送到所述相输出。结构70在此包括H桥或全桥，该桥包括并联连接的两个开关元件72、73，每个开关元件具有串联连接的两个半导体组件74-77，每个半导体组件具有关断型半导体器件16、17和与之并联连接的续流二极管18、19。该H桥还具有与所述开关元件并联连接的至少一个储能电容器78。
所述开关元件中的第一个72的半导体组件之间的中点79连接到地71，而另一个开关元件的半导体组件之间的中点80连接到相输出10。
现在参考图7。控制单元90(见图6)被配置成控制上阀分支的开关单元7的半导体器件和H桥的半导体器件，以便在所述相输出10上获得目标交流电压。图7示意性示出了由上阀分支递送的电压脉冲A可以如何在0和最大高电压电势(-2 UD)(在此约为相输出10上的并因此交流电压网络60上的峰值交流电压的两倍)之间变化。曲线B示意性示出了从H桥递送到相输出10的电压以及该电压可以如何成为正电压(UD)和负电压(-UD)。这两条曲线之间的差将构成交流电压网络60上的交流电压，并因此在此将对应于曲线B。
因此，根据图6的转换器在它和交流电压网络60之间无需任何变压器就实现了在它的中性电势极6以两个方向传导电流以及单极操作。
已执行了图6中所示的转换器的单极操作的仿真，并证明了其储能电容器在该操作期间将保持稳定。
此外，已计算出：当控制单元90被配置成控制根据图6的转换器以在相输出上获得峰值电压为极5上的高电压电势的约1/2的交流电压时，该转换器对于确定的额定功率而言具有最小的成本。
图8示意性示出了根据本发明第二实施例的电压源转换器，其中所述结构70包括开关单元的串联连接，其中开关单元中的一半7’相对于所述储能电容器提供给其的电压指向一个方向，其另一半7相对于所述储能电容器提供给其的电压指向相反的方向。这种结构还允许将为正和负的电压脉冲提供给相输出10。
图9示意性示出了根据本发明第三实施例的电压源转换器，其中所述结构70包括两个H桥81、82的串联连接，其中该串联连接的一端79被配置成连接到地71，而其另一端80被配置成连接到相输出10。该实施例使得可以获得比图6中所示实施例更多的电压电平并由此在交流电压网络上获得更好形状的交流电压曲线。
应指出，转换器还与滤波器设备及其它与本发明无关的装置(因此在附图中被省去)关联。
本发明当然不以任何方式局限于上述实施例，相反，本领域的技术人员容易明白，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下可以对本发明进行许多修改。
在根据本发明的转换器中的结构中，例如可以使串联连接的H桥或开关单元的数目与图8和图9中所示的数目不同，还可以将一个或多个这种开关单元与一个或多个H桥相组合。
将高电压电势极与相输出互连的阀分支中的串联连接的开关单元的数目也可以是与附图中所示数目不同的任何数目。
根据本发明的一个实施例，所述相输出被配置成直接连接到交流电压网络，根据本发明的另一个实施例，所述相输出被配置成连接到与交流电压网络相连的自动控制变压器。

Claims (12)

1.一种电压源转换器，所述电压源转换器具有至少一个相臂，所述至少一个相臂连接到所述转换器的直流电压侧的彼此相反的极(5、6)，所述至少一个相臂包括M2LC转换器阀分支开关单元(7、7’)的串联连接，每个所述开关单元一方面具有串联连接的至少两个半导体组件，每个半导体组件具有关断型半导体器件(16、17)和与之并联连接的续流二极管(18、19)，每个所述开关单元另一方面具有至少一个储能电容器(20)，所述转换器的相输出(10)被配置成连接到沿着开关单元的所述串联连接形成的、所述转换器的交流电压侧，每个所述开关单元(7、7’)被配置成通过对每个开关单元的所述半导体器件的控制来获得两个开关状态，即，第一开关状态和第二开关状态，其中所述至少一个储能电容器上的电压和零电压分别施加在所述开关单元的端子之间，以便在所述相输出上获得确定的交流电压，其中，所述彼此相反的极中的一个(5)是连接到所述直流电压侧的高电压电势的高电压电势极，所述彼此相反的极中的另一个(6)是连接到所述直流电压侧的中性电压电势的中性电势极(6)，且开关单元的所述串联连接的第一端(61)被配置成连接到所述高电压电势极(5)，开关单元的所述串联连接的第二端(62)被配置成连接到所述相输出(10)，其特征在于，所述转换器还包括：
结构(70)，所述结构(70)被配置成将所述相输出(10)连接到所述中性电势极(6)并将相对于所述中性电压电势为正和负的电压脉冲递送到所述相输出(10)，所述结构(70)包括：
至少一个H桥(81、82)，所述H桥包括并联连接的两个开关元件(72、73)，每个开关元件具有串联连接的至少两个半导体组件(74-77)，每个半导体组件具有关断型半导体器件和与之并联连接的续流二极管，所述H桥还具有与所述开关元件(72、73)并联连接的至少一个储能电容器(78)，所述开关元件中的第一个(72)的半导体组件之间的中点(79)连接到所述中性电势(71)，所述开关元件中的第二个(73)的半导体组件之间的中点(80)连接到所述相输出(10)，
或串联连接的所述开关单元(7、7’)中的至少两个，这些开关单元相对于其所述储能电容器提供的电压具有相反的指向，
并且所述转换器还包括控制单元(90)，所述控制单元(90)被配置成控制所述转换器以便在所述相输出(10)上获得所述确定的交流电压，所述确定的交流电压的峰值电压处于所述高电压电势极(5)上的相对于地的高电压电势的1/3至2/3之间；并且控制所述结构(70)将所述电压脉冲递送到所述相输出(10)，所述电压脉冲在相对于所述中性电势的最大峰值之间变化，所述最大峰值基本上对应于所述相输出上的待由所述转换器递送的交流电压的峰值。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，通过将所述结构(70)配置成递送在所述中性电势(71)的正负两侧具有相同的最大幅度的所述电压脉冲，所述结构(70)关于所述中性电势对称。
3.根据权利要求1或2所述的转换器，其特征在于，所述结构(70)被配置成将所述相输出(10)连接到接地(71)的所述中性电势极(6)。
4.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述结构(70)包括串联连接的多个所述H桥(81、82)，且其特征在于，H桥的所述串联连接的一端的第一开关元件的中点(79)被配置成连接到所述中性电势(71)，H桥的所述串联连接的相对端的第二开关元件的中点(80)被配置成连接到所述相输出(10)。
5.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述结构(70)具有开关单元(7、7’)的串联连接，其中所述开关单元中的一半(7)相对于其所述储能电容器提供的电压指向一个方向，所述开关单元中的另一半(7’)相对于其所述储能电容器提供的电压指向相反的方向。
6.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述结构(70)包括所述开关单元(7、7’)中的一个或多个以及一个或多个所述H桥(81、82)的串联连接，且其特征在于，该串联连接的一端被配置成连接到所述中性电势(71)，该串联连接的另一端被配置成连接到所述相输出(10)。
7.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述相臂的所述相输出(10)和所述高电压电势极(5)之间的开关单元的所述串联连接中的所述开关单元(7)的数目≥4、≥12、≥30或≥50。
8.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述半导体组件中的所述半导体器件(16、17)是绝缘栅双极晶体管、集成栅换向晶闸管或栅关断晶闸管。
9.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述转换器被配置成使所述直流电压侧连接到用于传输高压直流电流的直流电压网络，并使所述交流电压侧连接到属于交流电压网络(60)的交流电压相线。
10.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述转换器被配置成使所述两个极之间的直流电压处于1kV至1200kV之间、或10kV至1200kV之间、或100kV至1200kV之间。
11.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述确定的交流电压的峰值电压处于所述高电压电势极(5)上的相对于地的高电压电势的1/2。
12.一种用于传输电力的电厂，包括直流电压网络(5、6)和通过电站与其相连的至少一个交流电压网络(60)，所述电站适于在所述直流电压网络和所述交流电压网络之间进行电力传输，且所述电站包括适于将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压的至少一个电压源转换器，其特征在于，所述电厂的所述电站包括根据权利要求1-11中的任一项所述的电压源转换器。
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