CN102474201A - 具有多电平电压输出和谐波补偿器的功率转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于将直流电压转换成交流电压或将交流电压转换成直流电压的多电平电压转换器，包括：第一控制单元(30)和在第一直流端子(4)和第二直流端子(5)之间的至少一个相臂(1)，其中该至少一个相臂(1)包括在第一直流端子(4)与第一交流端子(6)之间的第一电压源(Uvp1)和在第一交流端子(6)与第二直流端子(5)之间的第二电压源(Uvn1)，第一控制单元(30)控制第一电压源(Uvp1)和第二电压源(Uvn1)。该转换器还包括：至少一个耦合电感器(18)，其串联地耦合至该至少一个相臂(1)；有源控制的谐波补偿器(21)，其连接至该至少一个耦合电感器(18)；以及第二控制单元(23)，其适于控制谐波补偿器(21)的输出以减少流过该至少一个相臂(1)的环流(i_c)中的谐波。

Description

具有多电平电压输出和谐波补偿器的功率转换器

技术领域

本发明涉及被称作多电平转换器的、具有多电平电压输出的功率转换器，其适于将直流电压转换成交流电压或将交流电压转换成直流电压。多电平转换器包括第一控制单元和在第一直流端子与第二直流端子之间的至少一个相臂，其中相臂包括在第一直流端子与第一交流端子之间的第一电压源以及在第一交流端子与第二直流端子之间的第二电压源，并且第一控制单元控制第一电压源和第二电压源。

背景技术

在现有技术中，已知为了减少电压源转换器的输出中的谐波失真而使用多电平转换器。多电平转换器是在每个相臂中具有功率半导体开关的转换器，其中切换功率半导体开关，使得输出电压(或者，在多相转换器的情况下为多个输出电压)可以呈现若干离散的电平，如在DE10103031中所看到的。在DE10103031中描述的多电平转换器中，第一电压源和第二电压源中的每个都至少包括串联连接的第一子模块和第二子模块，其中每个子模块包括半桥形式的、与电容器并联连接的两个电力电子开关。

在WO 2008/067785A1中，公开了根据DE10103031的多电平转换器，该多电平转换器在每个相臂中另外包括至少一个电感器。通常经由电力电子开关来控制多电平转换器的转换器调节装置还调节流过相臂的环流(circulating current)。环流是在相臂之间闭合而不通过交流端子进入交流电网的电流。

如果经由如WO 2008/067785A1所述的通常的转换器调节装置控制环流，则转换器的电力电子开关的额定电压必需允许以期望的方式调节环流所需的额外电压。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种允许以期望的方式调节环流的功率转换器，其中尽可能少地影响功率半导体开关所需的额定电压。

通过根据权利要求1的装置来实现该目的。

根据本发明，如上所述的用于将直流电压转换成交流电压或将交流电压转换成直流电压的装置包括：至少一个耦合电感器，其串联地耦合到至少一个相臂；有源控制的谐波补偿器(actively controlled harmonicscompensator)，其连接至所述至少一个耦合电感器；第二控制单元，其适于控制所述谐波补偿器的输出，以减少流过所述至少一个相臂的环流中的谐波。

本发明基于对如下事实的认识：最佳调节环流的期望方式是减少环流中的发生在特定频率的谐波，而不是总体上减少环流。发明人认识到：每次切换转换器的电力电子开关时，环流中出现的谐波造成增加的损耗。在最坏的情况下，环流中具有特别高振幅的一些谐波甚至会导致***不稳定。如WO 2008/067785A1中所述，额外相电感器的引入有助于获得转换器电路中的总体上的电流限制，但是同样无法避免特定的谐波。

通过引入用于减少或在最好的情况下完全阻止最高振幅的谐波的有源控制的谐波补偿器，避免了控制多电平转换器的功率半导体开关的第一控制单元发现并考虑环流中的最大干扰分量，从而能够降低对功率半导体开关的额定电压的需求。

仔细观察根据DE10103031的多电平转换器的环流中的谐波揭示了如下内容：一个相臂中的两个电压源的子模块上的电压纹波之和示出了其频谱中频率为交流电压基频的两倍的主分量。该主频率分量在环流中产生频率同样也是基频的两倍的寄生谐波(parasitic harmonic)分量。除非对该分量以某种方式进行限制，否则会导致增加的损耗，甚至可能会导致***不稳定。

因此，根据本发明的优选实施例，布置谐波补偿器的控制，以减少环流中、频率为交流电压基频的两倍的谐波。

附图说明

通过结合附图的以下详细描述，本发明的其它特征和优点对于本领域的技术人员将变得更加明显，在附图中：

图1示出现有技术中已知的多电平转换器拓扑；

图2示出现有技术中已知的、图1的转换器的相臂中的电压源的设置；

图3示出图1和图2的转换器中的子模块的两个不同实施例；

图4示出根据本发明的一个实施例的、具有谐波补偿器和第二控制单元的多电平转换器的一个相臂；

图5、6和7分别示出根据本发明不同实施例的、每个相臂串联有相电感器的三相多电平转换器；

图8a、图8b示出具有电流型功率转换器(current-stiff powerconverter)的谐波补偿器的实施例；

图9示出根据本发明另一实施例的、相电感器连接至交流端子的三相多电平转换器；

图10a、图10b示出具有电压型功率转换器(voltage-stiff powerconverter)的谐波补偿器的实施例，以及

图11示出根据本发明另一实施例的、相电感器连接至交流端子的三相多电平转换器。

具体实施方式

依据交流电压具有多少相，根据本发明的、用于将直流电压转换成交流电压或将交流电压转换成直流电压的多电平功率转换器可以包括单个相臂或多个相臂。图1示出现有技术中已知的三相转换器。图1中的装置的三个相臂1、2和3每一个都包括串联连接的两个所谓的臂：分别连接在三个交流端子6、7或8中的一个与处于正电压电平的第一直流端子4之间的正上臂，以及分别连接在三个交流端子6、7或8中的一个与处于零或负电压电平的第二直流端子5之间的负下臂。每个正臂包括串联连接的第一电压源Uvpi和第一相电感器9，每个负臂包括第二相电感器10和第二电压源Uvni，其中i表示相应的相臂的编号，即，i＝1，2或3。每个相臂的第一相电感器和第二相电感器之间的中点或连接点分别连接至交流端子6、7或8中的一个。所有相臂都相互并联连接并连接至两个直流端子4和5。通过经由第一控制单元30随时间适当地控制相臂的电压源，实现交流到直流的转换。

如图2中所示，每个电压源由串联连接的子模块15的串构成，其中一个这样的串中包括至少两个子模块15。

从图3可以看到现有技术中已知的子模块15的两个不同的实施例15a和15b。子模块具有整流单元(commutation cell)形式，每个单元包括两个电子管和保持直流电压的大的直流电容器。电子管装配有具有关断能力的电力电子开关16和与开关反向并联的续流二极管。依据两个电力电子开关16中的哪一个正在导通，相应的子模块可以呈现两种开关状态中的一种，其中在状态一中零电压被施加至输出，在状态二中电容器电压被施加至输出。在每个电压源15内可以具有这些子模块或改进的子模块的任意组合。对于本发明的应用，只需每个子模块可以生成转换器的输出电压的多个离散电平中的一级。

根据本发明的实施例，图1～3的转换器在每个相臂中还配备有有源控制的谐波补偿器21，如图4中针对相臂1所示。谐波补偿器21包括电力电子转换器22和用于控制电力电子转换器22的第二控制单元23。电力电子转换器22连接至耦合电感器18。在下文中，术语“连接”特别表示“电耦合”。耦合电感器18经由耦合装置19耦合至第一电感器9，并经由耦合装置20耦合至第二电感器10。交流端子6对称地连接至耦合电感18，使得耦合电感18的同等大小的部分分别成为正相臂和负相臂的一部分。耦合装置19和耦合装置20可以是电的和/或磁的，其中，磁耦合可以经由空气或经由在耦合电感器与相应的第一相电感器或第二相电感器之间的磁性材料(例如铁)实现。

图4中的符号具有以下含义：

u_vp/n分别为正臂或负臂中的电压源的电压；

i_vp/n正/负相臂中的电流；

i_v  交流端子处的输出电流；

u_f 交流端子处的电压(交流电压)；

i_m 通过耦合电感器的电流；

L_h  第一电感器和第二电感器的电感；

L_m耦合电感器的电感。

下面简洁地描述本发明人对所示出的相1中的环流的特性的分析。

通过对从u_vp到u_vn的直接路径应用基尔霍夫(Kirchhoff)电压定律可以获得环流i_c＝(i_vp+i_vn)/2的控制方程，如下给出该控制方程：

$u_{\mathrm{vp}}-L_h\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{vp}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{ri}}_{\mathrm{vp}}-L_h\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{vn}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{di}}_{\mathrm{vn}}=u_{\mathrm{vn}}.---\left(1\right)$

引入差动电压u_vc＝(u_vp-u_vn)/2使得方程(1)简化为：

$L_h\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}=u_{\mathrm{vc}}-{\mathrm{ri}}_c.---\left(2\right)$

可以看出，u_vc是用于环流的驱动电压。如现有技术已知的，通过适当地控制子模块15的切换，该电压是可以控制的。因此，可以使电压u_vc跟随参考电压但是此外电压u_vc还包括寄生项Δu_vc，如

$u_{\mathrm{vc}}=u_{\mathrm{vc}}^{\mathrm{ref}}+{\mathrm{\Δu}}_{\mathrm{vc}}.---\left(3\right)$

对***的真实频率依赖特性的分析(其模型由方程(2)和方程(3)描)示出了包括以下三种谐波分量的寄生项Δu_vc：

1)第一分量，其频率为交流电压的基频的二倍且振幅通常是额定交流电压的几个百分点；

2)第二分量，其频率为基频的四倍且振幅是1)中分量的几分之一；

3)包括开关谐波的第三分量。

因为第一分量具有三个分量中的最大振幅，因此该分量会产生环流的具有最高峰值的谐波。

因此，为了降低这些峰值导致的损耗，理想的是减少该第一分量。

利用根据图4的谐波补偿器21，分量1)的补偿成为可能。优选地，控制单元23控制电力电子转换器22，以便生成流过耦合电感器18的期望电流i_m。为了在相臂中生成期望的补偿电流，此处特别是指在第一相电感器和第二相电感器中生成期望的补偿电流，通过由控制单元23考虑耦合电感器18和相臂之间的耦合类型来确定期望的电流i_m，以便减小环流i_c中的频率为交流电压u_f的基频的两倍的谐波。

由于谐波补偿器21处理环流i_c中的谐波，因此可以降低功率半导体开关16的额定电压，这导致图1所示的功率转换器的整体成本降低。当然，这必须补偿由于谐波补偿器的引入而导致的额外成本。为了保持这些额外成本低于上述所谓的节省成本，建议在本发明的具体实施例中与第一相电感器9和第二相电感器10的电感L_h相关地选择耦合电感器18的电感L_m，使得耦合电感器18两端的电压远低于第一电感器和第二电感器两端的电压。在所有的电感器都是线圈的情况下，与第一相电感器9和第二相电感器10的匝数相比，耦合电感器18的线圈的匝数被选择成适当地小。

在图5、6、7、9和11中，示出了三相多电平转换器的实施例，其中，在每个实施例中，耦合电感器18电耦合至它们各自的相臂。然而，相电感器9、10、32各自的布置以及谐波补偿器21连接至相应的耦合电感器18的方式发生变化。

图5中示出的转换器由根据图4的三个相臂构成。

图6的转换器示出三个正相臂的三个第一相电感器9的三角形连接，以及三个负相臂的三个第二相电感器10的类似的三角形连接。三角形连接的第一相电感器9和第二相电感器10的中点分别连接至相应的第一直流端子4或第二直流端子5。每个相电感器9或10可以只包括一个电感元件或可以包括两个或更多个电感元件的串联连接。

在图7中，对于每个相，使用一个交流相电感器32替换第一相电感器和第二相电感器。交流相电感器32被从相臂移至三个相应的交流相，其中交流相电感器32分别串联连接至交流端子6、7和8。

图8a和图8b示出了图5、6和7的谐波补偿器21的实施例。图8a所示的谐波补偿器21与相应的耦合电感器18并联连接，并包括由如上所述的第二控制单元23控制的交流/直流电力电子转换器22。第二控制单元23集成在谐波补偿器21中。可替换地，第二控制单元可以是独立安装的。电力电子转换器22被设置成电流型功率转换器的形式，其中通过由直流电压源36和与直流电压源36串联连接的辅助电感器34构成的直流电流源将直流电流注入转换器中。在图8b中大体上示意性地示出了如何设置交流/直流电力电子转换器22的示例，其中交流/直流电力电子转换器22是具有理想的电力电子转换开关38的三电平转换器，其中转换开关38的切换由第二控制单元23控制。

图9示出了具有与图7中的相电感器32设置相同的相电感器32设置的三相多电平转换器。然而，每个相臂仅包括一个耦合电感器18和一个相应的谐波补偿器21，并且耦合电感器18和谐波补偿器21两者相互串联布置且与第二电压源Uvni串联布置在相应的负相臂中。在替代实施例中，耦合电感器18和谐波补偿器21也可以串联放置在相应的正相臂中。

图11中的实施例与图9中的实施例的不同之处在于：图11示出了在三个相臂的每个相臂中，对称地布置耦合电感器18和相应的串联连接的谐波补偿器21。

图10a和图10b示出了图9和图11中的谐波补偿器21的实施例。与相应的耦合电感器18串联连接的谐波补偿器21也包括交流/直流电力电子转换器22和以上述方式控制电力电子转换器22的第二控制单元23。在该实施例中，电力电子转换器22被设置成由直流电压源36供给的电压型转换器。图10b大体上示意性地示出了如何设置交流/直流电力电子转换器22的示例，其中交流/直流电力电子转换器22是具有理想的电力电子转换开关38的三电平转换器，其中转换开关38的切换由第二控制单元23控制。在可替换的方案中，图9和图11中的谐波补偿器21也可以被设置成根据图8a和图8b的电流型转换器。

在图9和图11中，正和/或负相臂的三个谐波补偿器21分别以Y形连接的方式连接至相同的电位。这使得在可替换的实施例中可以将三个谐波补偿器21的电力电子转换器合并为由单个第二控制单元控制的三相电力电子转换器。

Claims (13)

1.一种用于将直流电压转换成交流电压或将交流电压转换成直流电压的多电平电压转换器，包括：第一控制单元(30)和在第一直流端子(4)与第二直流端子(5)之间的至少一个相臂(1)，其中所述至少一个相臂(1)包括在所述第一直流端子(4)与第一交流端子(6)之间的第一电压源(Uvp1)和在所述第一交流端子(6)与所述第二直流端子(5)之间的第二电压源(Uvn1)，其中所述第一控制单元(30)控制所述第一电压源(Uvp1)和所述第二电压源(Uvn1)，其特征在于，

所述转换器还包括：至少一个耦合电感器(18)，其串联地耦合至所述至少一个相臂(1)；有源控制的谐波补偿器(21)，其连接至所述至少一个耦合电感器(18)；以及第二控制单元(23)，其适于控制所述谐波补偿器(21)的输出，以减少流过所述至少一个相臂(1)的环流(i_c)中的谐波。

2.根据权利要求1所述的多电平电压转换器，其中所述第二控制单元(23)控制所述谐波补偿器(21)的输出，以使得所述环流(i_c)中的、频率为所述交流电压(u_f)的基频的两倍的谐波减少。

3.根据权利要求1或2所述的多电平电压转换器，其中所述第二控制单元(23)控制所述谐波补偿器(21)的输出，以使得所述谐波补偿器(21)生成通过所述耦合电感器(18)的期望的电流(i_m)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的多电平电压转换器，其中所述第二控制单元(23)通过闭环控制来控制所述谐波补偿器(21)的输出。

5.根据前述权利要求中任一项所述的多电平电压转换器，其中所述耦合电感器(18)电耦合至所述至少一个相臂(1)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的多电平电压转换器，其中所述耦合电感器(18)经由空气或经由磁性材料磁耦合至所述至少一个相臂(1)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的多电平电压转换器，其中所述谐波补偿器(21)包括电力电子转换器(22)，所述电力电子转换器(22)的输出侧直接连接至所述耦合电感器(18)。

8.根据权利要求7所述的多电平电压转换器，其中所述电力电子转换器(22)与所述耦合电感器(18)并联连接。

9.根据权利要求8所述的多电平电压转换器，其中所述电力电子转换器(22)为电流型转换器。

10.根据权利要求7所述的多电平电压转换器，其中所述电力电子转换器(22)与所述耦合电感器(18)串联连接。

11.根据权利要求10所述的多电平电压转换器，其中所述电力电子转换器(22)为电压型转换器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的多电平电压转换器，其中至少一个相电感器(9)与所述相臂(1)串联连接。

13.根据权利要求1至11中任一项所述的多电平电压转换器，其中至少一个相电感器(9)与所述第一交流端子(6)串联连接。

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