CN102290793B - 用于关断具有分散的能量存储器的整流器的方法 - Google Patents

用于关断具有分散的能量存储器的整流器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于关断带有分散的能量存储器(Csm)的整流器(2)的方法，该整流器具有至少两个分别具有上阀支路和下阀支路(P1，N1，P2，N2，P3，N3)的相位模块(41，42，43)，该阀支路分别具有大量电串联的双极子模块(SM1，SM2，...，SMn)，这些双极子模块分别具有一个单极储能电容器(CSM)，该单极储能电容器利用反并联的二极管(D1，D2)分别与两个可切断的半导体开关(S1，S2)的串联电路电并联。根据本发明，时间分级地将整流器(2)的每个相位模块(41，42，43)的上阀支路和下阀支路(P1，N1，P2，N2，P3，N3)的子模块(SM1，SM2，...，SMn)调节到开关状态III中。由此，整流器(2)的电压负荷和所连接的交流电机(6)或所连接的电网的电压负荷显著降低。

Description

用于关断具有分散的能量存储器的整流器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于关断具有分散的能量存储器的整流器的方法，该整流器具有至少两个分别具有上阀支路和下阀支路的相位模块，该阀支路分别具有大量电串联的双极子模块，这些双极子模块分别具有一个单极储能电容器，该单极储能电容器利用反并联的二极管分别与两个可切断的半导体开关的串联电路电并联。
背景技术
由DE 101 03 031 A1公布并在FIG 1中示意性描述了一种具有分散的能量存储器的整流器。根据该描述，整流器2具有三个相位模块41，42和43，这些相位模块分别具有上阀支路和下阀支路P1和N1或P2和N2或P3和N3。每个相位模块41，42或43的两个阀支路P1，N1或P2，N2或P3，N3连接成电桥支路。上阀支路和下阀支路P1和N1或P2和N2或P3和N3的连接点作为相位模块41，42和43交流电方面的端口L1，L2和L3引出。在这些交流电方面的端口L1，L2和L3上连接了交流电机6或电网。相位模块41，42和43相互并联并与未详细示出的直流电压馈送装置接通，该直流电压馈送装置连接在具有分散的能量存储器CSM的整流器2的直流电压端口P0和N0上。直流电压端口P0和N0之间存在产生的直流电压Udc。
同理可知具有分散的能量存储器CSM的描述，即每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3和N3具有大量电串联的双极子模块SM1，SM2，...，SMn。根据子模块SM 1的描述每个双极子模块SM1，SM2，...，SMn具有一个单极储能电容器CSM、两个可切断的半导体开关S1和S2以及两个二极管D1和D2。这两个可切断半导体开关S1和S2电串联，且该串联电路与单极储能电容器CSM并联。二极管D1或D2分别反并联于可切断半导体开关S1和S2。该二极管D1或D2因此分别构成一个空载二极管。两个可切断的半导体开关S1和S2的连接点作为模块端口X2引出。单极储能电容器CSM的负极端口构成第二模块端口X1。如果单极储能电容器CSM充电，则电容电压USM在储能电容器上下降。
每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3和N3的双极子***SM1，SM2，...，SMn的电容电压USM1，USM2，...，USMn分别相加成为阀电压UZP1，UZN1，UZP2，UZN2，UZP3和UZN3。每个相位模块41，42或43的各两个阀电压UZP1，UZN1或UZP2和UZN2或UZP3和UZN3分别相加得出直流电压端口P0和N0之间存在的直流电压Udc。
通过设计具有分散的能量存储器CSM的整流器2的每个双极子***SM，可以分别在三种开关状态，即开关状态I，II和III中控制每个子模块SM。在开关状态I中，可切断的半导体开关S1处于接通-状态并且可切断的半导体开关S2处于关断-状态。由此在子模块SM的模块端口X2和X1处存在作为端电压UX2X1的电容电压USM，与流过的支路电流iZ的方向无关。在开关状态II中，可切断的半导体开关S1处于关断-状态并且可切断的半导体开关S2处于接通-状态，由此在子模块SM的模块端口X2和X1处存在为零的端电压UX2X1，其同样与流过的支路电流iZ的方向无关。在开关状态III中两个可切断的半导体开关S1和S2均处于关断-状态。每个子模块SM的端电压UX2X1的振幅在开关状态III中取决于流过的支路电流iZ的方向。若支路电流大于零，则子模块SM的端电压UX2X1的振幅相应于该子模块SM的电压USM的振幅。相反，若支路电流小于零，则端电压的振幅等于零。若无支路电流iZ并且电流在子模块SM的可切断的半导体开关S1和S2上的电压分布对称，则端电压UX2X1的振幅相应于子模块SM电容电压USM的振幅的一半。
根据DE 101 03 031 A1，在整流器2的日常运行中仅使用具有分散的能量存储器CSM的整流器2的子模块SM的开关状态I和II。仅在例如其直流电压端口P0和N0断路的故障状况中，对于适合的空载运行(中断整流器运转)并且对于开关状态转换时子模块SM的可切断的半导体开关S1和S2可忽略的短暂开关延时而使用开关状态III。
众所周知，激活所谓的脉冲禁止器，以便将在临界运行状态中，例如过流、过压、控制器失灵、调节器失灵、整流器阀与调制器之间通信失灵，这样断开整流器，即开动脉冲禁止以后使整流器处于安全状态。根据DE 102004 043 877 A1由此实现该脉冲禁止器，即关断自动换向的整流器(逆变器)的全部整流器阀。这优选地通过中断来源于外部电压的用于所属的控制电路的光电耦合器的电源电压来实现。
若在具有分散的能量存储器CSM的整流器2中触发脉冲禁止，那么必须根据图1同时阻止具有分散的能量存储器CSM的整流器2的相位模块41，42和43的全部阀支路P1，N1，P2，N2，P3，和N3的所有子模块SM1，SM2，...，SMn的可切断的半导体开关S1和S2的全部控制信号。
基于清楚原因在图2a中由根据图1具有分散的能量存储器CSM的整流器2中仅示出了相位模块41。该相位模块41的上阀支路和下阀支路P1和N1的子模块SM1，...，SM4在整流器2正常工作期间显示开关状态分配。在上阀支路P1的四个子模块SM1，...，SM4中并且子模块SM2至SM4处于开关状态I中，子模块SM1处于开关状态II中。在下阀支路N1的子模块SM1，...，SM4中，子模块SM1至SM3处于开关状态II中并且子模块SM4处于开关状态I中。因此根据振幅，在整流器2的直流电压端口P0和N0处存在的直流电压Udc为Udc＝4·USM。上阀支路P1相对于虚拟中点的电压uZP为uZP＝3·USM，与此相反下阀支路N1的电压uZN为uZN＝1·USM。
触发脉冲禁止之后，上阀支路和下阀支路P1和N1的全部子模块SM1至SM4转换到开关状态III中。在图2b中示出了开关状态III中的具有子模块SM1至SM4的相位模块41。脉冲禁止的设置一方面可以通过未详细示出的整流器2的控制-和调节装置出现的故障(例如过电流)并且另一方面也可以自发地通过子模块SM1至SM4(干扰或废除通信、过压)引起。由于设置脉冲禁止的时间点不可预测，因此电压uZP和uZN或其在相位模块41的阀支路P1和N1上的变化duZP/dt和duZN/dt在设置脉冲禁止时仅通过相应支路电流iZP1和iZN1的方向确定。
假设相位41或42或43的两个支路电压uZP和uZN之和在正常工作状态下平均相应于直流电压Udc，可以在设置脉冲禁止以后得出下表中
  支路电流iZP/iZN的方向   正/正   正/负   负/正   负/负
  uZP   Udc   Udc   0   0
  uZN   Udc   0   Udc   0
  uZP+uZN   2Udc   Udc   Udc   0
  Δ(uZP+uZN)*   +Udc   0   0   -Udc
*假设：脉冲禁止之前的支路电压平均总和(uZP+uZN)＝Udc
提及的电压和电压变化。此外假设，每个子模块SM电容电压USM平均具有的值为USM＝Udc/nsub，其中nsub表示具有分散的能量存储器CSM的整流器2的每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3，和N3的串联子模块SM1，...，SMn的数量。
从表中得出，参照在相位的支路中的电压变化在设置脉冲禁止时出现了两个最坏模式。如果相位模块4的两个支路电流iZP和iZN具有相同符号，则相位模块41，42和43的支路电压uZP与uZN之和的最大电压变化出现并且为Udc。该状态一直持续到其中一个支路电流变换降为零。
如果在设置脉冲禁止之前相位模块41的支路电压uZP与uZN之和平均等于直流电压端口P0和N0之间的直流电压Udc，并且支路电流iZP和iZN具有负号，则通过接通开关状态III在相位模块41的上阀支路P1的子模块SM2，SM3，SM4和下阀支路N1的子模块SM4中出现从可切断半导体开关S1到前述子模块二极管D2上的换向。如果在设置脉冲禁止之前相位模块41的支路电压uZP与uZN之和平均等于直流电压Udc，并且支路电流iZP和iZN具有负号时，则在接通开关状态III时在相位模块41的上阀P1的子模块SM1与下阀支路N1的子模块SM1，SM2，SM3中不出现换向，这是由于在接通开关状态III之前二极管D2已传输相应的支路电流。
相反地，如果在设置脉冲禁止之前相位模块41的支路电压uZP与uZN之和平均等于直流电压端口P0和N0之间的直流电压Udc，并且支路电流iZP和iZN具有正号，则通过接通开关状态III在相位模块41的上阀支路P1的子模块SM1与下阀支路N1的子模块SM1，SM2和SM3中出现从可切断半导体开关S2到前述子模块二极管D1上的换向。如果在设置脉冲禁止之前相位模块41的支路电压uZP与uZN之和平均等于直流电压Udc，并且支路电流iZP和iZN具有负号时，则在接通开关状态III时在相位模块41的上阀支路P1的子模块SM2，SM3，SM4与下阀支路N1的子模块SM4中不出现无换向，这是由于接通开关状态III之前二极管D1已传输了相应的支路电流。
对于换向过程中出现的电压变化而言，为每个子模块SM设定一个可切断的半导体S1或S2的电压变化速度，例如为4kV/μs。然后在相位模块41的两个阀支路P1和N1上得到16kV/μs的电压变化速度，这是因为相位模块41的四个子模块在设置脉冲禁止之前处于开关状态I中。具有分散的能量存储器CSM的整流器2的每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3和N3使用的子模块越多，则每个相位模块41，42和43的电压变化值就越高。
为了在具有分散的能量存储器CSM的整流器2的相位模块41或42或43的输出端L1或L2或L3上得到尽可能正弦形的输出电压uL10，或uL20或uL30，例如每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3，和N3使用十二个或更多个子模块SM。每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3，和N3使用十二个子模块SM时，电压变化速度是48kV/μs。
若假设施加在具有分散的能量存储器CSM的整流器2的直流电压端口P0和N0的直流电压Udc为常数，则前述电压变化速度在直流电路中既对支路扼流圈Lz，也对寄生扼流圈Ldc产生影响。由于使用了增强的绝缘体，该支路扼流圈Lz的电压负荷导致较大的结构尺寸。
参照具有分散的能量存储器CSM的整流器2的输出电压，uL20和uL30与整流器内部电压uZP与uZN相比得出另一个最坏情况。根据图3a和3b参照在根据图1的整流器2的相位模块41中的相位电压uL10的电压变化详细说明一种最坏情况。
根据图1的具有分散的能量存储器CSM的整流器2的相位模块41的阀支路P1和N1的子模块SM1至SM4的开关状态分布，上阀P1的子模块SM1至SM4均处于开关状态II中。于此相反，下阀支路N1的子模块SM1至SM4均处于开关状态I中。等于阀电压uZN与uZP差值一半的相位电压uL10为Udc/2。若现在设置脉冲禁止，那么可得出取决于支路电流iZP和iZN瞬时电流方向的相位电压uL10中的电压变化。在设置脉冲禁止以后，在相位模块4的阀支路P和N上的电压及电压变化总览见下表
*假设：子模块电容电压USM，x＝Udc/nsub
如果在设置脉冲禁止之前存在下列条件，则在设置脉冲禁止之后关于在相位电压uL10或uL20或uL30中的电压变化出现最坏情况：
-相位模块的阀支路、例如阀支路N1的全部子模块处于开关状态I中，
-相位模块对应一致的阀支路、例如阀支路P1的全部子模块处于开关状态II中，
-在具有处于开关状态I中的子模块的阀支路中的支路电流、例如支路电流iZN具有负号，并且
-在具有处于开关状态II中的子模块的阀支路中的支路电流、例如支路电流iZP具有正号。
在该条件下相位电压uL10从Udc/2跃至-Udc/2或从-Udc/2跃至Udc/2。因此该条件下相位电压uL10的变化为±Udc。由此出发，在相位模块41的每个阀支路P1和N1的每个子模块SM1至SM4中由于从可切断的半导体开关S1或S2到二极管D2或D1的换向，设定在相位模块41每个子模块SM上的电压变化速度例如为4kV/μs，对于相位电压uL10/dt或uL20/dt或uL30/dt的电压变化速度得出在每个阀支路P和N四个子模块SM时为16kV/μs，且在相位模块41的每个阀P和N使用十二个子模块SM时为48kV/μs。
这对于线电压uL1L2意味着最坏的情况是，两个相位电压反方向跳跃±Udc，即经过输出阻抗(连接的交流电机6的定子线圈)电压变化为ΔuL1L2＝±2Udc，以及如果相位模块41的每个阀支路P和N应用四个子模块SM，则电压变化速度为32kV/μs，如果相位模块41的每个阀支路P和N应用十二个子模块SM时的电压变化速度96kV/μs。为了使网络方面的电直流电压馈送和荷载方面连接的交流电机6在出现最坏情况时不受到过于严重的损坏，这些部件必须设计用于更高的电压变化速度，因此引起了不可忽略的高额成本。
发明内容
本发明目的现在在于，提出一种用于关断带有分散的能量存储器的整流器的方法，其中在最坏情况下显著减少电压负荷。
该目的根据本发明利用权利要求1的方法步骤来实现。
不是同时而是时间分级地将具有分散的能量存储器的整流器的全部子模块调节到开关状态III中，由此每个时间分级仅仅出现相应的子模块的电压变化速度的电压负荷。时间分级的数量相应于具有分散的能量存储器的阀支路的子模块的数量。这意味着，通过每个时间分级总是只将各个相位模块的上阀支路和/或下阀支路的一个子模块从当前的开关状态I或II调节到开关状态III中。当具有分散的能量存储器的整流器的每个阀支路有四个子模块时，需要四个时间分级完全实现所设置的脉冲禁止。
根据本发明的方法的主要优势在于，电压负荷最大相应于两个子模块的电压变化速度。设置用于具有分散的能量存储器的整流器的每个阀支路的子模块越多，电压负荷降低地越多。为使具有分散的能量存储器的整流器的相位输出电压尽可能应是正弦形(高阶数)，每个阀支路使用的子模块数量必须大于等于十二。
相位模块的子模块是否按照由外而内或由内而外的顺序分别时间分级地调节到开关状态III中，对于实现脉冲禁止来说在电压负荷及时间间隔的减少值方面无任何改变。
在有利的方法中，在两个时间分级之间的最小时间间隔等于子模块的可切断的半导体开关的断开延间(delay time)。由此确保，在经过两个连续的时间分级的最小时间间隔之后，具有分散的能量存储器的整流器的每个相位模块的上阀支路和下阀支路的子模块完成开关状态转换。
附图说明
参照其中形象说明了根据本发明的方法附图进行进一步说明。
图1示出了已知具有分散的能量存储器整流器的等效电路，
图2a，2b示出了根据图1在设置脉冲禁止之前和之后整流器的相位模块的子模块的开关状态分布，
图3a，3b示出了根据图1在设置脉冲禁止之前和之后整流器的相位模块的子模块的开关状态分布，
图4a至4e说明了根据图1整流器的相位模块的子模块的各个开关状态分布，该开关状态分布借助于本发明的方法形成。
具体实施方式
现在依据图4a至4e详细介绍了根据图1的用于关断带有分散的能量存储器CSM的整流器2的方法。依据根据本发明的方法，脉冲禁止设置后，不再同时将整流器2的每个相位模块41，42和43的上阀支路P1和下阀支路N1的子模块SM1至SM4调节到开关状态III中，而是时间分级地调节。通过相位模块41的阀支路P1和N1的子模块SM1至SM4的四个开关状态分布来体现对这种设置的脉冲禁止的处理的时间分段，其中在根据图4b至4e的相位模块41的每两个开关状态之间的箭头分别代表在处理所设置的脉冲禁止的时间分级或分段实施中预定的时间间隔Δt。
在图4a中显示了根据图1的整流器2的相位模块41，该相位模块具有其上阀支路P1和下阀支路N1的子模块SM1至SM4的随机开关状态分布。在相位模块41的阀支路P1和N1的子模块SM1至SM4中，子模块SM1和SM2分别处于开关状态II中，子模块SM3和SM4相反地分别处于开关状态I中。如果现在设置了脉冲禁止，则在时间点t1(图4b)的第一步骤中，分别将上阀支路P1和下阀支路N1的子模块SM1调节到开关状态III中。经过预定的时间间隔Δt后，即在时间点t2(图4c)，分别将相位模块41的上阀支路P1和下阀支路N1的另一个子模块SM2调节到开关状态III中。经过预定的时间间隔Δt后，即在时间点t3(图4d)，分别将控制相位模块41的上阀支路P1和下阀支路N1的另一个子模块SM3调节到开关状态II中。经过另一个预定的时间间隔Δt后将在时间点t4(图4e)，将相位模块41的上阀支路P1和下阀支路N1的另一个子模块SM4调节到在开关状态III。由此，具有分散的能量存储器CSM的整流器2每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3和P3的所有子模块SM1至SM4在时间点t4均处于开关状态III，对此根据本发明分级地实现所设定的脉冲禁止。
在每个方法步骤(图4b至4e)之间分别出现预定的时间间隔Δt作为时间分层，其优选地相应于子模块SM的可切断半导体开关S1或S2的所谓的“延时(delay time)”。子模块SM的可切断半导体开关S1或S2的延时是能实现的最小时间间隔Δt。在分别经过最小时间间隔Δt后，子模块SM的开关状态转换结束。由此可确保，在脉冲禁止分层处理的每个时间阶段中电压负荷最大等于两个子模块SM电压变化速度。
在每个子模块SM的电压变化速度例如是4kV/μs时，每次开关状态转换的最大du/dt-负荷相对于传统脉冲禁止处理下的16kV/μs仅为8kV/μs。也就是说，利用根据本发明的方法使整流器内部的电压和相位输出电压的电压负荷至少减少一半。
在根据本发明对设置的脉冲禁止进行时间分级处理时，无需将上阀支路和下阀支路的每个子模块SM同时调节到开关状态III中，而是也可以仅将对应于每个相位模块41，42和43的一个子模块SM调节到开关状态III中。由相位模块41，42和43的哪个子模块SM开始是无关紧要的。将上阀支路和下阀支路P1，N1，P2，N2，P3和P3的或相位模块41，42和43的子模块SM调节到开关状态III中所依据的顺序对于du/dt-负荷的减少也无关紧要。
重要的是，上阀支路和下阀支路P1，N1，P2，N2，P3和P3的或相位模块41，42和43的每个子模块SM的开关状态转换之间具有时间偏移。
如果仅分别将根据图1具有分散的能量存储器CSM的整流器2的相位模块41，42和43的子模块SM在脉冲时间分级处理时调节到开关状态III中，则替代如图4中所示的四个时间阶段，需要两倍这么多的、即八个时间阶段来实现所设置的脉冲禁止。相应地，所设置的脉冲禁止的实现也需要更多的时间。在对应于根据图1的整流器2的每个阀支路P1，N1，P2，N2，P3和P3的子模块等于和多余十二个时，必须根据整流器使用情况检验，是否能满足利用脉冲禁止来初始化的保护功能。
脉冲禁止设置用于以在临界工作状态下，如过电流、过载或操作失灵时，这样断开具有分散的能量存储器CSM的整流器2，即整流器在脉冲禁止下处于安全状态。由于这种故障情况，因此提高用于断开整流器2的时间并非不受限制。
基于上述原因来使用根据本发明的方法，其中在每个时间分级中将两个子模块、即上阀支路P1，P2，P3的子模块和下阀支路N1，N2，N3的子模块SM同时调节到开关状态III中。

Claims (4)

1.一种用于关断带有分散的能量存储器(Csm)的整流器(2)的方法，所述能量存储器具有至少两个相位模块(41，42，43)，所述相位模块各自具有上阀支路和下阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)，所述阀支路分别具有大量电串联的双极子模块，所述双极子模块分别具有一个单极储能电容器(CSM)，所述单极储能电容器利用一个反并联二极管(D1)与两个可切断的半导体开关(S1,S2)的串联电路中的一个可切断的半导体开关(S1)电并联并且另一个反并联二极管(D)与另一个可切断的半导体开关(S2)电并联，所述方法具有下列方法步骤:
(a)基于在所述整流器(2)运行时出现的故障触发脉冲禁止，
(b)设置脉冲禁止以后将每个阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的双极子模块的开关状态调节到开关状态III中，在所述开关状态III中两个所述可切断的半导体开关均处于关断状态，
(c)在经过预定时间间隔(⊿t)以后将每个阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的另一个双极子模块的开关状态调节到所述开关状态III中，以及
(d)重复所述方法步骤c)直至将每个阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的所有双极子模块调节到所述开关状态III中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具有所述分散的能量存储器的所述整流器(2)的每个阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的所述双极子模块的时间分级的开关状态控制利用每个相位模块(41，42，43)的所述上阀支路和下阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的外部双极子模块开始。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具有所述分散的能量存储器的所述整流器(2)的每个阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的所述双极子模块的时间分级的开关状态控制利用每个相位模块(41，42，43)的所述上阀支路和下阀支路(P1,N1,P2,N2,P3,N3)的内部双极子模块开始。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定时间间隔(⊿t)等于所述双极子模块的所述可切断的半导体开关(S1，S2)的断开延时。
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