CN102484420B - 转换器单元模块、包括该模块的电压源转换器***以及用于控制该***的方法 - Google Patents

转换器单元模块、包括该模块的电压源转换器***以及用于控制该***的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及转换器单元模块以及包括该模块的电压源转换器***。该转换器单元模块包括至少两个开关元件、用于能量存储的装置以及自耦变压器。该自耦变压器被设置为在故障发生在该转换器单元模块中的情况下将该转换器单元模块旁路。

Description

转换器单元模块、包括该模块的电压源转换器***以及用于控制该***的方法
技术领域
本发明涉及转换器单元模块以及包括该模块的电压源转换器***。根据本发明的该转换器单元模块包括至少两个开关元件、用于能量存储的装置以及自耦变压器。该自耦变压器被设置为在故障发生在该转换器单元模块中的情况下将该转换器单元模块旁路。本发明还涉及用于控制该***的方法。
背景技术
链式多级电压源转换器***包括多个串联的转换器单元模块。每个转换器单元模块形成单相电压源转换器(VSC)的一个“链路”(或单元)并且在交流***的基频周期期间被多次开关。链式转换器可以包括多个相，每个相包括一连串彼此串联的该转换器单元模块。
简要地说，转换器单元典型地包括关断型的半导体组件，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)。转换器单元模块的示例包括4个IGBT。将续流二极管(又被表示为反并联二极管)与每个IGBT并联并且在与该IGBT相反的方向进行传导。IGBT在H桥设置中与DC链路电容器组相连。
对于每个相，串联的转换器单元模块的数量与交流***的额定交流电压成正比。因此对于不具有干线变压器的高电压应用，转换器单元模块的数量可能很大，这招致高成本。此外，在高压***中该转换器单元模块上的电流需求也可能为低，导致超额定半导体部件的使用，这再次招致高成本。
另一方面，如果手头的应用需要比半导体可提供的额定电流更高的电流，那么必须将转换器单元或半导体开关并联，从而再次导致高成本。
为了在这些类型的应用中提供灵活性，一个技术方案是使用变压器。然而，干线变压器的成本很高并且干线变压器需要大型封装，这对于所有类型的应用是不可用的。
必要的是串联单元具有允许该单元在故障发生在该单元中的情况下被旁路的特征，以便允许转换器***的连续的操作而不会在例如半导体器件故障时跳闸。即，如果半导体器件(例如IGBT)被损坏，则不能允许该单元变得开路，因为转换器单元模块的串联随后将形成开路。可获得在受损时变得短路的半导体器件，例如压装IGBT(press-pack IGBT)，该压装IGBT如果遭破坏则变得短路，一种被称为短路故障模式(SCFM)的行为。然而，该半导体器件的成本非常高，甚至是标准工业类型的设备的成本的两倍那么高。
标准工业类型的设备的使用需要使用附加部件如用于旁路故障单元或设备的快速旁路开关。这再次招致高成本。
公布号为6,236,580的美国专利公开了具有串联的有源输入的模块化的多级可调电源。
Lieber Power Protection的公布“Series 300TM UPS Three Phase10kVA to 125kVA；60Hz-Installation，Operation & MaintenanceManual”公开了一种包括可以出于维护目的而被开关旁路的背靠背交流转换器的计算机保护***。
Dong-Myung Lee等人在2004年的电力电子专家会议上发表的“A voltage sag supporter utilizing a PMW-switched autotransformer”(Pesc 2004年4月IEEE第35次年会，德国亚琛，2004年6月20-25日，Piscataway，JN，美国，IEEE US vol.6，2004年6月20日)公开了一种配电级电压控制方案，其可以补偿三相电力***中的电压骤降和骤升情况。电压骤降支持是基于脉冲宽度调制(PWM)自耦变压器的。
发明内容
鉴于以上描述，本发明的一个目的在于提供一种改进的拓扑，并且更具体而言提供一种与已知的技术方案相比具有降低的成本的转换器单元模块和转换器***。
通过如独立权利要求中所述的转换器单元模块、包括该转换器单元模块的***以及用于控制该***的方法来实现该目的以及其他目的。
根据本发明，提供了一种用于电压源转换器***的转换器单元模块，该转换器单元模块包括至少两个开关元件、用于能量存储的装置、自耦变压器以及第一端和第二端，其中所述自耦变压器具有第一末端、中间端以及第二末端，其中，所述第一端和所述第二端分别连接到所述中间端和所述第二末端，其中，所述自耦变压器的第二末端是所述转换器单元模块的可连接到另一个转换器单元模块的输出端，并且其中，所述自耦变压器的第一末端是所述转换器单元模块的输入端，从而所述自耦变压器被设置为在故障发生在该转换器单元模块中的情况下将所述转换器单元模块旁路。通过该设置，在转换器单元模块中的任何故障的情况下由该自耦变压器将故障的模块旁路，从而当在电压源转换器***中使用时不会导致任何操作停顿。
在另一个实施方式中，所述至少两个开关元件是并联的。每个开关元件具有至少两个关断型的和串联的半导体组件，并且每个半导体组件与整流元件反并联连接，并且其中所述用于能量存储的装置与所述开关元件并联。
在仍另一个实施方式中，每个半导体组件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
在仍另一个实施方式中，该自耦变压器被设置为向该转换器单元模块提供电感。
在仍另一个实施方式中，该转换器单元模块还包括用于断开该模块的装置。从而可以当在电气***中使用时，该转换器单元模块可以断开与任意其他电气设备的电连接。
在本发明的另一个方面中，提供了一种电压源转换器***。该***包括一个或多个相，每个所述相包括至少两个如任意一个权利要求中所要求的转换器单元模块。在所述***的连续操作期间执行该转换器单元模块在故障的情况下的旁路。
在另一个实施方式中，该***包括三个相(L1，L2，L3)。
在仍另一个实施方式中，该三个相(L1，L2，L3)用三角形(delta)配置来连接。
可选择地，该三个相(L1，L2，L3)可以用Y配置来连接。
在本发明的另一个方面，提供了一种用于控制如权利要求中所要求的电压源转换器***的方法。该***包括一个或多个相，每个相包括至少两个转换器单元模块。该方法包括将其中发生故障的一个或多个转换器单元模块旁路。通过该设置，在例如彼此串联的多个转换器单元模块中的任意一个中发生故障的情况下，由该自耦变压器直接并且自动将全部故障模块旁路，并且电流将直接流经下一个无故障转换器单元模块。显然只要可获得一些冗余单元，即使多个模块出故障也能够提供该转换器***的连续的操作而没有任何操作中断。
在结合附图来阅读下文的详细描述之后，本发明的其他特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1示出了根据本发明的转换器单元模块。
图2示出了根据本发明的电压源转换器***。
图3示出了按照三角形连接设置来设置的***。
具体实施方式
图1示出了包括4个按照H桥配置连接的IGBT(4，5，6，7)的转换器单元模块3，其中每个半导体组件具有反并联连接的整流元件9。转换器单元模块3还包括电容器8。如附图中所见的，自耦变压器2的连接使得在故障发生在该模块中的情况下该转换器单元模块将被自动旁路。在故障发生在任意一个IGBT中的情况下，电流I将如图所示地流动从而将模块3旁路。
图2示出了电压源转换器***1。将多个转换器单元模块3串联。如果在一个或多个转换器单元模块3中发生故障，那么通过一个或多个自耦变压器2的连接来将该模块或者那些模块中的每个模块旁路。在旁路了一个或多个故障模块之后，可以通过断开装置(未显示)从该转换器***的其余部分断开该一个或多个故障模块。每个模块3具有独立的断路器，以允许断开单个模块。由于由自耦变压器2提供的旁路功能，没有电流流经一个或多个故障模块并且可以使用便宜并且鲁棒的标准断路器。
图3示出了按照三角形连接设置来设置的三相转换器***1。对于每个相，多个转换器单元模块3彼此串联。串联的模块3的数量取决于转换器***的电压水平。也可以按照Y配置来连接该***。
以上主要通过参考几个实施方式来描述本发明。但是正如本领域的熟练技术人员所容易意识到的，在由所附专利权利要求所限定的本发明的范围内，与上文所公开的实施方式不同的其他实施方式也等效可行。

Claims (10)

1.一种用于电压源转换器***(1)的转换器单元模块(3)，所述转换器单元模块(3)包括以H桥配置连接的至少两个开关元件、用于能量存储的装置(8)、自耦变压器(2)以及第一端和第二端，其特征在于，所述自耦变压器(2)具有第一末端、中间端以及第二末端，其中所述第一端和所述第二端分别连接到所述中间端和所述第二末端，其中所述自耦变压器(2)的第二末端是所述转换器单元模块(3)的能够连接到另一个转换器单元模块的输出端，并且其中所述自耦变压器(2)的第一末端是所述转换器单元模块(3)的输入端，从而所述自耦变压器(2)在故障发生在所述转换器单元模块(3)中的情况下，将所述转换器单元模块(3)旁路。
2.根据权利要求1所述的转换器单元模块(3)，其中所述至少两个开关元件是并联的并且每个开关元件具有至少两个串联的关断型半导体组件，并且每个半导体组件与整流元件(9)反并联连接，并且其中所述用于能量存储的装置与所述开关元件并联。
3.根据权利要求2所述的转换器单元模块，其中每个所述半导体组件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
4.根据权利要求1-3中的任意一个所述的转换器单元模块，其中所述自耦变压器(2)被设置为向所述转换器单元模块(3)提供电感。
5.根据权利要求1-3中的任意一个所述的转换器单元模块(3)，还包括用于断开所述转换器单元模块的电连接的装置。
6.一种电压源转换器***(1)，包括一个或多个相，所述一个或多个相中的每个相包括至少两个根据权利要求1-5中的任意一个中所述的转换器单元模块(3)，其特征在于，所述转换器单元模块(3)被设置为在所述***的连续操作期间，在故障的情况下被旁路。
7.根据权利要求6所述的转换器***，其中所述***包括三个相(L1，L2，L3)。
8.根据权利要求7所述的转换器***，其中所述三个相(L1，L2，L3)用三角形配置来连接。
9.根据权利要求7所述的转换器***，其中所述三个相(L1，L2，L3)用Y配置来连接。
10.一种用于控制根据权利要求6-9的任意一个中所述的电压源转换器***的方法，所述***包括一个或多个相，所述一个或多个相中的每个相包括至少两个转换器单元模块(3)，所述方法包括如下步骤：
如果在一个或多个所述转换器单元模块中发生故障，则将所述一个或多个转换器单元模块(3)旁路。
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