CN104685775A - 用于hvdc应用的模块化多电平dc/dc转换器 - Google Patents

Abstract

为了提供一种适合于连续运行的用于连接具有不同的电压的高压直流电网的直流电压转换器(15)，包括第一部分变流器(8)和第二部分变流器(11)，其彼此串联连接，以形成变流器串联电路(16)，其中，所述变流器串联电路(16)在直流电压接线端(1)的直流电压端子(2，3)之间延伸，并且第二部分变流器(11)在第二直流电压接线端(4)的直流电压端子(5，6)之间延伸，提出了第一部分变流器(8)和第二部分变流器(11)经由功率交换部件(14)彼此连接，从而使得能够经由功率交换部件(14)在第一部分变流器(8)和第二部分变流器(11)之间交换电功率。

Description

用于HVDC应用的模块化多电平DC/DC转换器

技术领域

本发明涉及一种用于连接具有不同的电压的高压直流电网的直流电压转换器，包括第一部分变流器和第二部分变流器，其彼此串联连接，以形成变流器串联电路，其中，所述变流器串联电路在直流电压接线端的直流电压端子之间延伸，并且第二部分变流器在第二直流电压接线端的直流电压端子之间延伸。

背景技术

这种装置例如从WO 2010/145690 A1中已知。其中公开了彼此串联连接的两个部分变流器，其中，每个部分变流器具有由串联连接的两极子模块构成的单个相模块。该两极子模块配备有功率半导体开关和电容器，其中，根据对功率半导体开关的控制，在每个子模块的输出端处可以产生降落在电容器上的电压或者零电压。串联连接的相模块形成第一直流电压接线端，第一直流电网可与其连接。第二直流电压接线端由第二部分变流器的相模块形成，其中，第一直流电压接线端的负极同时是第二直流电压接线端的负极。先前已知的装置具有以下缺点：存在在连续运行时，部分变流器的子模块的电容器被充电超过允许的量的风险。

根据WO 2010/115452，描述了一种用于对直流电网进行负载流控制的装置。这种装置具有纵向电压源，其串联连接在所述直流电网的直流电压线中。纵向电压源通过两个串联连接的线路换向变流器来实现，从而连续运行时的损耗小。为了能够提高直流电网中的电压，将串联连接在直流电网中的变流器，在交流电压侧经由第一变压器、交流电网和第二变压器，连接到与直流电网并联连接的变流器的交流电压接线端。该与直流电网并联连接的变流器也可以称为横向电压源。横向电压源提供向纵向电压源供电所需的能量。以这种方式，使得能够通过提高直流电网中的电压来进行负载流控制。

作为示例，在图1中示出了用于连接处于不同的电压水平的高压直流电网的其它现有技术。为了连接第一高压直流电网，其中示出的直流电压转换器具有第一直流电压接线端1，其形成正直流电压端子2以及负直流电压端子3。为了连接具有较小的标称直流电压的第二高压直流电网，设置了第二直流电压接线端4，其也具有正直流电压端子5以及负接线端子6。第一部分变流器8的三个相模块7在直流电压接线端1的正直流电压端子2和负接线端子3之间延伸。在此，一个相模块由两个彼此串联连接的变流器臂9以及线圈形式的电感10构成。此外，设置了第二部分变流器11，其同样具有三个相模块7，所述相模块分别由两个串联连接的变流器臂9和电感10组成。每个相模块7形成两个直流电压接线端，其形成第二直流电压接线端4的正接线端子5以及负接线端子6。在变流器臂9之间的电势点形成各自的变流器8或11的交流电压接线端12的交流电压相12。两个交流电压接线端12经由三相变压器14彼此连接。在此，所述变压器14的绕组可以按照任意方式、即例如按照三角形或星形电路彼此连接。

根据该先前已知的装置，首先将第一直流电网的直流电压经由第一部分变流器8转换为交流电压，经由变压器14变换到各自需要的电压水平，随后又通过部分变流器11转换为希望的直流电压。

用于小功率至中功率的直流电压转换器同样充分地已知。关于这一点，应当提及配备有线圈和电容器的升压或降压转换器，其中，功率半导体开关确保电流流动的短时中断。然而，已知升压或降压转换器的功率半导体在高压范围内将被加上如此之大的负载，使得在短时间之后可能已经产生无法修复的损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种也适合于连续运行的开头提及的类型的直流电压转换器。

本发明通过如下来解决上述技术问题，即，第一部分变流器和第二部分变流器经由功率交换部件彼此连接，从而使得能够经由功率交换部件在第一部分变流器和第二部分变流器之间交换电功率。

在本发明的范围内，提供了一种直流电压转换器，其具有两个部分变流器的串联电路。该变流器串联电路形成两个直流电压接线端，其分别与一个直流电压端子连接。该连接例如经由合适的电感进行。直流电压端子共同形成第一直流电压接线端，第一直流电网可以连接到所述第一直流电压接线端。第二直流电网可以与直流电压转换器的第二直流电压接线端相连，从而第二直流电网与单个部分变流器的直流电压接线端相连。因为第二部分变流器的串联电路的耐压强度大于串联电路的单个部分变流器的耐压强度，因此第一直流电网可以具有比第二直流电网的运行电压高的运行电压。因此，也可以将第一直流电压接线端称为高压侧，并且将第二直流电压接线端称为低压侧。在本发明的范围内已知，在部分变流器持续运行时，必须提供或汲取电功率。此外，向每个部分变流器馈送的功率必须平均为零。然而，这实际上是不可能的。根据本发明，因此设置功率交换部件，两个部分变流器同样经由所述功率交换部件彼此连接。由此，部分变流器能够相互交换电功率，从而在本发明的范围内，即使在直流电压转换器连续运行时，也尽可能避免了部件出现错误或故障。根据本发明，降落在第一直流电压接线端的正直流电压端子和第二直流电压接线端的正直流电压端子之间延伸的第一部分变流器上的多余的功率，经由功率交换部件，向低压侧、即向在第二直流电压接线端的直流电压端子之间延伸的第二部分变流器传输。第二部分变流器将该功率馈入连接在第二直流电压接线端处的直流电网。在本发明的范围内，功率流动可以沿两个方向、即从高压侧向低压侧或者相反。在本发明的范围内，还可以实现任意的转换比。

在本发明的范围内，部分变流器的拓扑、即结构和部件原则上是任意的。然而，适宜的是，部分变流器是因此配备有能够主动导通和关断的功率半导体开关的自换向变流器。与此不同，仅第二部分变流器是自换向变流器。有利的是，变流器具有两极子模块的串联电路。在本发明的范围内，子模块的构造原则上是任意的。因此，例如，子模块仅具有一个功率半导体开关、例如晶闸管、GTO、IGBT、IGCT等，在可关断的功率半导体开关的情况下，与其例如反向并联连接续流二极管。替选地，考虑能够反向导通的功率半导体开关。这种子模块的串联电路是必须的，因为单个子模块的耐压强度通常不足以能够可靠地容纳在高压直流输电的范围内降落的电压。由于该原因，在本发明的范围内，每个部分变流器具有串联连接的多个子模块、例如大约100或300个。此外，部分变流器还可以具有用于限制可能流过部分变流器的最大电流的电感元件。当然，在本发明的范围内，当使用不能进行硬开关的功率半导体时，还可以设置缓冲网络(Beschaltungsnetzwerk)。

有利的是，每个部分变流器具有交流电压接线端，其中，第一部分变流器的交流电压接线端经由功率交换部件与第二部分变流器的交流电压接线端相连。通过该有利扩展，将连接到直流电压转换器的直流电网的直流电压转换为交流电压，其中，功率交换部件以已知的方式将交流电压转换到需要的电压水平。

因此，有利的是，功率交换部件被构造为变压器。变压器的结构原则上可以是任意的。因此，可以使用具有以适宜的方式彼此感性耦合的电隔离的绕组的普通变压器。然而，与此不同，还可以使用自耦变压器。在自耦变压器的情况下，省去了绕组的电隔离。代替绕组对，仅使用具有一个抽头的一个绕组。因此，还可以将这种自耦变压器视为电感分压器。有利的是，在自耦变压器和部分变流器的交流电压接线端之间布置用于隔离直流电压电势的部件、例如电容器。

适宜的是，变压器具有与第一部分变流器的交流电压接线端相连的初级绕组和与第二部分变流器的交流电压接线端相连的次级绕组。

通过该变压器，将降落在初级绕组上的交流电压变换为次级侧的较低的交流电压。

根据一个有利扩展，每个部分变流器具有至少一个相模块，其形成两个串联连接的变流器臂，其中，在每个相模块的变流器臂之间的电势点形成交流电压接线端的交流电压相。根据该有利扩展，使用例如形成彼此连接成所谓的格雷兹桥(Graetz-Brücke)的变流器臂或变流器器支路的变流器。在此，每个变流器臂在直流电压接线端和交流电压接线端之间延伸。在变流器臂或者相模块中，例如布置扼流圈形式的电感。这种类型的具有桥式电路的部分变流器在高压直流输电中是已知的，因此可以根据经验按照相应的要求来调整拓扑。

在本发明的一个变形例中，每个部分变流器具有三个相模块，其交流电压接线端经由三相变压器彼此连接。因此，三相变压器具有与三个次级绕组耦合的三个初级绕组。次级绕组或初级绕组可以彼此任意地连接。因此，在本发明的该扩展的范围内，例如可以使用接地的星形结点布置或者三角形连接。

在与此不同的一个变形例中，至少一个部分变流器具有两个相模块，其交流电压接线端经由单相变压器与另一个部分变流器的交流电压接线端耦合。根据该有利扩展，与先前示出的使用三相变压器的变形例相比，可以大大节省成本。因此，这里每个部分变流器仅需要两个相模块。代替三相变压器，使用成本明显更低的单相变压器。所述变压器的初级绕组具有两个接线端子，其中，一个接线端子与第一相模块的交流电压相相连，并且另一个接线端子与第一部分变流器的第二相模块的交流电压相相连。对于第二部分变流器，也可以得到相应的接线端，从而其两个相模块在交流电压侧分别与次级绕组的接线端子相连。

在与此相关的一个扩展中，部分变流器中的每一个或至少一个分别具有一个相模块，其交流电压相与电容器辅助相相关联，所述电容器辅助相经由电容器与第一或第二直流电压接线端的一个极相连，其中，所述交流电压相和与其相关联的电容器辅助相经由单相变压器的绕组彼此连接。根据本发明的该变形例，单相变压器的初级绕组的一个接线端子和次级绕组的一个接线端子，分别连接到第一部分变流器或第二部分变流器的交流电压相。单相变压器的相应的绕组的另一个接线端子连接到电容器辅助相。电容器辅助相经由电容器或者类似的容性部件，与所连接的直流电网的一个极或者直流电压接线端的一个端子相连。由此，通过电容器辅助相可以产生辅助电势，从而各自的部分变流器可以通过其单个相模块在其交流电压相，关于电容器辅助相的电势产生交流电压。

如已经描述的那样，适宜的是，在本发明的范围内，至少一个部分变流器是具有能导通和关断的功率半导体开关的自换向变流器。根据一个优选变形例，不仅第一部分变流器、而且第二部分变流器分别是自换向变流器。与此不同，第一部分变流器是例如具有能导通、但是不能关断的晶闸管的外部换向的变流器。

根据本发明的一个优选构造，不仅第一部分变流器、而且第二部分变流器或者两个部分变流器中的一个被构造为所谓的模块化多级变流器，其包括具有两极子模块的串联电路的变流器臂，其中，每个子模块配备有至少一个储能器和功率半导体开关。功率半导体开关是所谓的能导通和关断的功率半导体开关。在此，适宜的是，对能关断的功率半导体开关中的每一个反向并联连接一个续流二极管。然而，与此不同，也可以使用反向导通的功率半导体开关。

这些子模块例如可以形成所谓的全桥电路和/或半桥电路。

半桥电路具有由两个功率半导体开关构成的串联电路，其与储能器并联连接。子模块的一个接线端子与储能器的一个极相连，并且子模块的另一个接线端子与在功率半导体开关之间的电势点相连。

全桥电路具有两个这样的串联电路，这两个串联电路与子模块的电容器或储能器并联连接。在全桥电路中，第一接线端子与在第一串联电路的功率半导体开关之间的电势点相连，第二接线端子与在第二串联电路的功率半导体开关之间的电势点相连。

此外，子模块还可以形成所谓双模块电路，其例如在WO 2011/067120中公开，并且稍后还要更详细地讨论其结构。具有全桥或双模块电路的子模块是能够双向截止的子模块。

根据本发明的另一个构造，第一部分变流器的每个变流器臂不仅包括能够双向截止的子模块，还包括具有半桥电路的子模块。与按照全桥电路或者双模块电路的子模块相比，按照半桥电路的子模块具有由于功率半导体开关的数量较少(两个相对于四个功率半导体开关)而损耗减小的优点。当然，半桥电路也比全桥电路成本更低。然而，全桥电路和双模块电路具有能够经由各自的子模块控制两个方向上的电流流动的优点。相对地，在半桥电路中，短路电流可以畅通无阻地经由布置在第一和第二接线端子之间的续流二极管流动。如按照全桥电路的子模块那样，按照双模块电路的子模块也能够控制两个方向上的电流流动。全桥和半桥子模块或者双模块和半桥模块的混合使用一方面是在低损耗和成本之间的折中，同时是对例如大的短路电流的保护，通过对全桥子模块进行相应的控制，能够防止短路电流流过直流电压转换器。因此，根据该有利扩展，提供了防止短路电流从一个直流电网流向另一个直流电网的直流电压转换器。

根据一个扩展，第二部分变流器具有仅由半桥电路构成的相模块，其中，转换比ü等于或大于2。这样的直流电压转换器能够可靠地隔离布置在第二直流电压接线端的直流电网中的短路。

附图说明

本发明的其它适宜的构造和优点是下面参考示出的附图对本发明的实施例的描述的内容，其中，相同的附图标记指示具有相同功能的部件，并且其中，

图1示出了根据现有技术的直流电压转换器的等效电路图，

图2示出了根据本发明的直流电压转换器的实施例的等效电路图，

图3至7示出了根据本发明的直流电压转换器的其它实施例，

图8示出了被配置为在第二直流电压接线端处阻断短路电流的根据图2的直流电压转换器，

图9示出了在第一直流电压接线端处被配置为阻断短路电流的根据图2和8的直流电压转换器，

图10至11示出了根据本发明的直流电压转换器的子模块的等效电路图，

图13示出了根据本发明的直流电压转换器的变流器臂的实施例，以及

图14示出了根据本发明的直流电压转换器的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出了开头已经描述的根据现有技术的直流电压转换器的等效电路图。

图2示出了根据本发明的直流电压转换器15的实施例的等效电路图，该直流电压转换器包括具有正直流电压端子2和负直流电压端子3的第一直流电压接线端1。此外，设置有具有正直流电压端子5以及负直流电压端子6的第二直流电压接线端4。直流电压端子6处于与第一直流电压接线端1的直流电压端子3相同的电势。此外，所示出的直流电压转换器15包括第一部分变流器8以及第二部分变流器11，其彼此串联连接并且形成变流器串联电路16，其中，第一部分变流器8在直流电压侧经由电感10与第一直流电压接线端1的正直流电压端子2相连和与第二直流电压接线端4的正直流电压端子5相连。第二部分变流器11同样在直流电压侧经由电感10与第二直流电压接线端4的正直流电压端子5相连和与第一直流电压接线端1的负直流电压端子3相连。变流器串联电路16在第一直流电压接线端1的直流电压端子2、3之间延伸。具有相模块7的第二部分变流器11在第二直流电压接线端4的直流电压端子5、6之间延伸。每个相模块包括两个线圈形式的电感10。

在此，电感10被视为相模块7的部件，因此被视为部分变流器8或11的部件。第一直流电压接线端1用于连接具有标称直流电压U_DC1的第一直流电网。第二直流电压接线端用于连接具有标称电压U_DC2的第二直流电网。这里，第一直流电网的标称直流电压U_DC1是第二直流电网的标称直流电压U_DC2的三倍高(U_DC1＝3×U_DC2)。因此，直流电压转换器15的转换比ü等于3。因此，在直流电压转换器15运行期间，第二直流电网的电压降落在第二部分变流器11上。第二直流电压接线端4的正直流电压端子5处于在第一部分变流器8和第二部分变流器11之间的直流电压电势点17。

第一部分变流器8的拓扑可以基本上与第二部分变流器11的拓扑相对应。然而，为了能够阻断第一直流电网中的短路，同时能够尽可能无损耗地工作，在本发明的一个优选变形中，部分变流器的结构彼此不同。

在图2中，第一部分变流器8和第二部分变流器11分别包括三个相模块7，其中，每个相模块具有变流器臂9的串联电路。在相模块7的变流器臂9之间的电势点对应于第一部分变流器8或第二部分变流器11的交流电压接线端13的交流电压相12。在此，第一部分变流器8的交流电压相12分别与作为功率交换部件的三相变压器14的初级绕组18电相连。相对于此，第二部分变流器11的交流电压接线端13的交流电压相12与变压器14的次级绕组19相连。通过绕组18、19的感性耦合使得能够在第一部分变流器8和第二部分变流器11之间进行功率交换。在此，控制部分变流器8和11，使得调整从第一部分变流器8到第二部分变流器11的功率流，所述第二部分变流器然后将功率引入位于第二直流电压接线端4处的直流电网。

在图2中示出的实施例中，部分变流器8和11分别是具有连接成所谓的格雷兹桥(Graetz-Brücke)的变流器臂9的所谓的模块化多级变流器。在此，每个变流器臂9具有由作为示例在图10至12中示出的两极子模块构成的串联电路。在图13中示出了部分变流器8的变流器臂9。其中可以看到，每个变流器臂9具有在图10或11中示出了其结构的不同的两极子模块20和21的串联电路。为了在根据本发明的直流电压转换器15中使用，图12示出了在本发明的范围内可以是变流器臂9的串联电路的一部分的子模块23的另一种构造。

在图10中示出的子模块21是所谓的半桥电路。可以看到，该子模块21具有单极电容器24形式的储能器24。电容器24与由两个功率半导体开关26、这里是IGBT构成的串联电路25并联连接，其中，每个IGBT 26与续流二极管27反向并联连接。子模块21的第一子模块接线端子28与电容器24的一个极相连，而第二子模块接线端子29与在IGBT 26之间的电势点相连。由此，根据对功率半导体开关26的控制，可以产生降落在电容器24上的电压U_m或者零电压。

图11示出了子模块22的另一个实施例，其同样具有电容器形式的储能器24，单极电压U_m降落在储能器24上。这里，也设置有两个IGBT 26的第一串联电路25，其中，每个IGBT 26也与续流二极管27反向并联连接。然而，此外，还设置有第二串联电路30，其同样与电容器24并联连接。第二串联电路30也具有两个串联连接的IGBT 26，其分别与续流二极管27反向并联连接。第一子模块接线端子29也与第一串联电路25的IGBT 26之间的电势点相连，其中，第二串联电路30的IGBT 26之间的电势点形成第二接线端子28。利用全桥电路，可以在两个接线端子26和28上产生降落在储能器24上的电压U_m、零电压或者反向的电容器电压-U_m。

此外，利用根据图11的全桥电路22，可以在两个方向上针对性地控制接线端子26和28之间的电流流动。换句话说，在发生短路时，可以在两个方向上借助全桥模块22建立可以用于抑制短路电路的反向电势。在因此作为半桥电路实现的根据图10的子模块21中，在相应的极性的情况下，电流可以从子模块接线端子28经过下面的续流二极管27流到子模块接线端子29中，而无法使其主动中断。因此，无法控制该方向上的短路电流。然而，另一方面，半桥电路具有如下优点：其仅需要两个IGBT和两个续流二极管用于其建造，因此与根据图11的全桥电路相比，能够以明显更低的成本制造。此外，半桥电路21的损耗更小。

在图12中示出的子模块23示出了在两种构造、即半桥电路和全桥电流之间的折中，其也作为所谓的双模块电路已知。在WO 2011/067120中详细描述了双模块电路23，其由两个相同的子单元31和32构成，所述子单元的拓扑基于半桥电路的拓扑。子单元31和32分别包括电容器形式的储能器24以及由分别具有反向并联的续流二极管27的两个IGBT 26构成的串联电路25。替选地，考虑反向导通的功率半导体。第一子模块接线端子28与在第一子单元32的IGBT 26之间的电势点相连，而第二子模块接线端子29与在第二子单元31的IGBT 26的电势点相连。两个子单元31和32经由连接部件33彼此连接，其中，连接部件具有电势隔离二极管34以及中间支路35中的另一个IGBT 26，其将下面的电势隔离二极管34的阴极与上面的电势隔离二极管34的阳极相连。该子模块23可以在其子模块接线端子18、19上产生与两个串联连接的根据图10的半桥电路21相同的电压，然而其中，连接部件33确保能够针对两个方向上的短路电流建立反向电势。因此，能够针对性地减小或者甚至抑制将在两个方向上经由接线端子28和29流动的短路电流。以这种方式，稍后还将进一步讨论该特征。

再次参考图2，因此，根据对子模块21、22或23的控制，能够逐级改变降落在各自的直流电压接线端2、5、3和各自的交流电压接线端13之间的电压。因此，可以在每个部分变流器8或11的交流电压接线端13上产生交流电压。

图3示出了具有由两个部分变流器8和11构成的变流器串联电路16的根据本发明的直流电压转换器15的另一个实施例，其中，部分变流器8和11中的每一个具有分别包括两个变流器臂9的串联电路以及两个电感10的两个相模块7。第二部分变流器11布置在第二直流电压接线端4的直流电压端子5、6之间，并且变流器串联电路16布置在第一直流电压接线端1的端子2、3之间。在此，如在图2中那样，第一部分变流器8在第一直流电压接线端1的正直流电压端子2和第二直流电压接线端4的正直流电压端子5之间延伸。变流器臂9在其结构方面对应于结合图2已知的变流器臂9。在根据图3的实施例中，由于相模块7的数量减少，因此仅设置具有唯一的初级绕组18和唯一的次级绕组19的单相变压器14。初级绕组18具有两个变压器接线端子，其中，一个变压器接线端子与第一部分变流器8的第一相模块7的交流电压相12相连，并且另一个变压器接线端子与第一部分变流器8的第二子模块7的交流电压相12相连。对于次级绕组19利用其两个变压器接线端子得到相应的接线，其中，变压器接线端子中的一个与第二部分变流器的第一相模块7的交流电压相12相连，并且另一个变压器接线端子与第二部分变流器11的第二相模块7的交流电压相12相连。由于该两相或单相构造，与图2中的直流电压转换器相比，根据图3的直流电压转换器15的成本明显更低，然而其中，根据图3的直流电压转换器15中的最大功率流降低。

图4示出了根据本发明的直流电压转换器15的另一个实施例，其与在图3中示出的直流电压转换器15的不同之处在于，部分变流器8和11中的每一个仅具有一个相模块7。代替第二相模块，每个部分变流器8或11具有电容器36，其与第二直流电压接线端4的正直流电压端子5相连以及与两个直流电压接线端共同的负直流电压端子3、6相连，其中，各自的电容器36的另一个极形成电容器辅助相37，其在如下意义上固定地与各自的部分变流器8或11的交流电压相12相关联：初级绕组18的变压器接线端子与第一部分变流器8的交流电压相12相连，并且初级绕组18的另一个变压器接线端子与第一部分变流器8的电容器辅助相相连。这相应地适用于第二部分变流器11和单相变压器14的次级绕组19。根据图4的直流电压转换器15的成本能够相对于图3中的直流电压转换器进一步降低。

图5示出了根据本发明的直流电压转换器15的另一个实施例，其与在图4中示出的实施例的不同之处在于，仅第一部分变流器8借助电容器36形成电容器辅助相37，电容器36与第二直流电压接线端4的正直流电压端子5相连。相对地，第二部分变流器11如在图3中示出的第二部分变流器11那样，具有带有两个交流电压相12的两个相模块7，交流电压相12分别与次级绕组的变压器接线端子相连。

图6示出了根据本发明的直流电压转换器15的另一个实施例，其中，第二部分变流器11如在图5中示出的部分变流器11那样，具有带有两个交流电压相12的两个相模块7。然而，第一部分变流器8具有两个电容器36，其彼此串联连接，以形成电容器串联电路38。因此，电容器串联电路38在第一直流电压接线端1的正直流电压端子2和第二直流电压接线端4的正直流电压端子5之间延伸。因此，电容器串联电路38与包括第一部分变流器8的电感10的相模块7并联连接。电容器串联电路38的电容器36之间的电势点也形成电容器辅助相37，其如已经结合图4和5所描述的那样，与变压器14的初级绕组18的变压器接线端子相连。通过使用两个电容器36，能够更稳定地调节电容器辅助相37的电势。

在图7中示出了根据本发明的直流电压转换器的另一个实施例，然而其中，代替第二相模块7，第二部分变流器11如在图6中那样，也具有电容器串联电路38，其与包括电感10的相模块7并联连接。因此，第二部分变流器11也形成电容器辅助相37，其电势通过两个电容器36的串联电路确定。

图8和9示出了根据图2的直流电压转换器的工作方式，其中，其第一部分变流器8具有根据图13的变流器臂9。相对地，第二部分变流器11的变流器臂9仅通过按照根据图10的半桥电路的子模块21来实现。因此，第一部分变流器8与第二部分变流器11的不同之处在于，其变流器臂9不仅具有按照根据图11的全桥电路的子模块22，还具有按照根据图10的半桥电路的子模块21。如已经描述的那样，全桥电路能够双方向截止，也就是说，能够针对性地在两个方向上断开流过其接线端子28和29的电流。

如已经说明的那样，根据本发明，设置第一直流电压接线端1，用于连接具有标称电压U_DC1的第一直流电网。第二直流电压接线端4用于连接具有标称电压U_DC2的第二直流电网。在此，根据本发明，直流电压接线端1形成高压侧，而第二直流电压接线端4也可以称为低压侧。在图8中示出的实施例中，在第二直流电网中，即在低压侧，因此在第二直流电压接线端4处，存在短路39，从而降落在第二直流电压接线端4上的电压U_DC2等于零。当高压侧的电压、即第一直流电压接线端1处的标称电压U_DC1大于或等于第二直流电压接线端4处的直流电压U_DC2的两倍时，直流电压转换器5可以隔离低压侧的短路。这从以下考虑得出：如果降落在第一部分变流器8上的电压是U_up，则该电压根据下式由所连接的电网的标称电压的差得到：

U_up＝U_DC1–U_DC2。

如果将转换比ü定义为则得到：

$U_{\mathrm{up}}=U_{\mathrm{DC}1}(1-\frac{1}{\stackrel{\·\·}{u}})=U_{\mathrm{DC}1}\left(\frac{\stackrel{\·\·}{u}-1}{\stackrel{\·\·}{u}}\right)$

因此，对于ü≥2，第一部分变流器8的每个变流器臂9可以阻断电压U_DC1的一半。因此，串联的两个变流器臂9能够阻断总电压U_DC1。

图9示出了高压侧、即存在于直流电压接线端1的第一直流电网中的短路39。为了能够实现对高压侧的有效隔离，必须在第一部分变流器8中布置足够数量的根据图11或12的双向阻断子模块22或23，以便能够完全吸收低压侧的电压。如果U_m是每个子模块22或23最多能够阻断的电压，则根据下式得到在第一部分变流器8的变流器臂9中需要的双向阻断子模块22或23的数量n_VB：

$n_{\mathrm{VB}}=\frac{U_{\mathrm{DC}2}}{2U_m}$

对于第一部分变流器8的变流器臂9中的半桥模块的数量，得到：

$n_{\mathrm{HB}}=\frac{U_{\mathrm{DC}1}-U_{\mathrm{DC}2}}{U_m}-\frac{D_{\mathrm{DC}2}}{2U_m}=\frac{2U_{\mathrm{DC}1}-3U_{\mathrm{DC}2}}{2U_m}=\frac{U_{\mathrm{DC}1}}{U_m}\left(\frac{2\stackrel{\·\·}{u}-3}{2\stackrel{\·\·}{u}}\right)$

如果满足依据转换比ü给出的条件，则能够可靠地在直流电压转换器的两侧阻断短路电流。

图14示出了本发明的另一个变形例。其中示出的直流电压转换器15也具有两个串联连接的部分变流器8、11，以形成变流器串联电路16。每个部分变流器8、11具有单个相模块7，其具有两个变流器臂9和带有布置在变流器臂9之间的交流电压相12的交流电压接线端13。作为功率交换部件，设置自耦变压器40。自耦变压器40仅具有带有一个抽头41的单个绕组。自耦变压器40的端侧的变压器接线端子与直流电压接线端4的正直流电压接线端子5相连。另一个端侧的变压器接线端子和抽头41分别经由电容器36连接到第一或第二部分变流器11的交流电压接线端13。这里，两个电容器36用作用于隔离部分变流器8和11的直流电压电势的部件。

Claims (16)

1.一种用于连接具有不同的电压的高压直流电网的直流电压转换器(15)，包括第一部分变流器(8)和第二部分变流器(11)，其彼此串联连接，以形成变流器串联电路(16)，其中，所述变流器串联电路(16)在直流电压接线端(1)的直流电压端子(2，3)之间延伸，并且第二部分变流器(11)在第二直流电压接线端(4)的直流电压端子(5，6)之间延伸，

其特征在于，

第一部分变流器(8)和第二部分变流器(11)经由功率交换部件(14)彼此连接，从而使得能够经由功率交换部件(14)在第一部分变流器(8)和第二部分变流器(11)之间交换电功率。

2.根据权利要求1所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

每个部分变流器(8，11)形成交流电压接线端(13)，其中，第一部分变流器(8)的交流电压接线端(13)经由功率交换部件(14)与第二部分变流器(11)的交流电压接线端(13)相连。

3.根据权利要求2所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

所述功率交换部件被构造为变压器(14)。

4.根据权利要求3所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

所述变压器(14)具有与第一部分变流器(8)的交流电压接线端(13)相连的初级绕组(18)和与第二部分变流器(11)的交流电压接线端(12)相连的次级绕组(19)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

每个部分变流器(8，11)具有至少一个相模块(7)，其形成两个串联连接的变流器(9)，其中，在每个相模块(7)的变流器臂(9)之间的电势点形成交流电压接线端(13)的交流电压相(12)。

6.根据权利要求5所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

每个部分变流器(8，11)形成三个相模块(7)，其交流电压接线端(12)经由三相变压器(14)彼此耦合。

7.根据权利要求5所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

至少一个部分变流器(8，11)形成两个相模块(7)，其交流电压接线端(13)经由单相变压器(4)与另一个部分变流器(8，11)的交流电压接线端(13)耦合。

8.根据权利要求5或7所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

所述部分变流器(8，11)中的每一个或至少一个仅具有一个相模块(7)，其交流电压相(12)与电容器辅助相(37)相关联，所述电容器辅助相经由电容器(36)与第一或第二直流电压接线端(1，4)的直流电压端子(2，3，5，6)相连，其中，所述交流电压相(12)和与其相关联的电容器辅助相(37)经由单相变压器(14)的绕组(18，19)彼此连接。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

至少一个部分变流器(8，11)是具有能导通和关断的功率半导体开关(26)的自换向变流器。

10.根据权利要求9所述的直流电压转换器，

其特征在于，

第一部分变流器(8)和/或第二部分变流器(11)分别是模块化多级变流器，其包括具有两极子模块的串联电路的变流器臂(9)，其中，每个子模块(21，22，23)配备有至少一个储能器(24)和功率半导体开关(26)。

11.根据权利要求10所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

每个子模块形成全桥电路、双模块电路和/或半桥电路。

12.根据权利要求10或11所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

在第一部分变流器(8)的每个变流器臂(9)中，不仅设置有具有能够双向截止的子模块(22，23)，还设置有具有半桥电路的子模块。

13.根据权利要求10或11所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

所述第二部分变流器(11)仅包括具有半桥电路的子模块(21)，其中，在第一直流电压接线端(1)和第二直流电压接线端(4)之间的转换比(ü)等于或大于2。

14.根据权利要求11所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

根据下式得到能够双向截止的子模块的数量(n_VB)：

$n_{\mathrm{VB}}=\frac{U_{\mathrm{DC}2}}{2_{\mathrm{Um}}}$

其中，U_DC2是第二直流电网的标称电压，并且Um是降落在能够双向截止的子模块(22，23)的储能器上的电压。

15.根据权利要求14所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

根据下式得到在第一部分变流器(8)的每个变流器臂(9)中的具有半桥电路的子模块(21)的数量(n_HB)：

$n_{\mathrm{HB}}=\frac{U_{\mathrm{DC}1}}{U_m}\left(\frac{2\stackrel{..}{u}-3}{2\stackrel{..}{u}}\right)$

其中，U_DC1是在第一直流电压接线端(1)处存在的直流电网的标称电压，并且ü是直流电压转换器(15)的转换比。

16.根据权利要求1、2或3所述的直流电压转换器(15)，

其特征在于，

所述功率交换部件具有自耦变压器(40)，其经由用于隔离直流电压电势的部件(36)与所述部分变流器(8，11)相连。