CN106031012A - 用于ac***的转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于AC***的转换器装置(1)。转换器装置包括：相臂，包括第一子转换器(2a)、第二子转换器(2b)以及配置用于将第一和第二子转换器与相线A连接的IPT接口(3)；以及连接到第一和第二子转换器的至少一个DC母线(5)。第一子转换器与第二子转换器并联连接在DC母线和IPT接口之间。第一和第二子转换器中的每一个包括：连接到IPT接口并且包括彼此串联连接的多个转换器单元(8)的链式链节转换器(6)、以及连接到DC母线并且与链式链节转换器串联连接的公共DC链路多电平转换器(7)。

Description

用于AC***的转换器
技术领域
本公开涉及用于AC***的转换器装置。转换器装置包括公共DC母线以及用于连接到AC相线的相位间变压器(IPT)接口。
背景技术
多电平转换器在许多高功率应用中被发现，其中在该***中存在中到高电压电平。由于其设计，多电平转换器共享***电压(线间电压或相电压)，消除了对器件的串联连接的需要。这些转换器可以以各种公知的拓扑以三角或Y型连接。这些拓扑(及其变形)可以用于高压直流(HVDC)和灵活交流传输***(FACTS)应用。
由于模块化多电平转换器(也称为链式链节变换器)的高效率、模块化和可扩展性及其产生具有低谐波量的电压波形的能力(这有效地减少了对大的交流(AC)滤波器的需要)，而经常使用模块化多电平转换器(也称为链式链节变换器)。若干模块化多电平转换器拓扑存在，例如M2LC(也称为MMLC和MMC)，特别是在灵活交流传输***(FACTS)应用、高电压直流(HVDC)应用中，而且在电机驱动器中等。
在转换器的各种替代方案之间的选择中的两个主要参数是成本和损耗。两个参数与在转换器中使用的硅的总面积相关，这受到电压和电流额定值的影响。除了转换器的稳态均衡操作，设计者必须考虑到在三相***中的不平衡。这种不平衡产生了需要通过转换器补偿的负序电流和电压。净效应是指由于需要被注入零序电流或电压以补偿不平衡状况，阀的电流额定值(或单元的总数)将增加。这种较高数目的单元的导致较高的成本和较高的损耗。
与负序状况相关联的较高的成本和较高的损耗的问题可以通过针对FACTS应用将一定程度的并联化包括在多电平转换器配置中来减轻。并联连接的子转换器提供促进在转换器中的相位间的能量交换的公共存储元件。这减少了转换器中的总存储能量，并且避免由于零序电压或电流而导致的过额定。
电气和电子工程师协会(IEEE)的Javier Chivite-Zabalza等人的文章“A largepower,low-switching frequency Voltage Source Converter for FACTS application”公开具有并联3电平(3-L)中性点钳位(NPC)逆变器的转换器。该转换器组合共享公共直流(DC)母线的四个三相3-L NPC逆变器。12个得到的转换器极通过相位间变压器(IPT，有时也被称为单元间变压器ICT)组合在并联对中，以获得两组三相***。该拓扑的问题是需要中间变压器获得所需要的电压，并且中间变压器对转换器装置增加了明显的成本，特别是在连接电压通常低得足以避免变压器连接的工业应用中。该拓扑的另一缺点是，其需要级联中间变压器的串联连接，以进一步增加输出电压。
发明内容
本发明的目的是以降低的成本提供改进的转换器拓扑。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于AC***的转换器装置。该转换器装置包括至少一个相臂，该相臂包括：第一子转换器(2a)、第二子转换器、配置用于将第一和第二子转换器与AC***的相线连接的IPT接口、以及连接到第一和第二子转换器的至少一个DC母线。第一子转换器与第二子转换器并联连接在至少一个DC母线和IPT接口之间。第一和第二子转换器中的每一个包括：链式链节转换器，其被连接到IPT接口并且包括彼此串联连接的多个转换器单元，以及连接到至少一个DC母线并且与链式链节转换器串联连接的公共DC链路多电平转换器。
通过使用多个并联子转换器，其中的每一个包括多个模块化转换器单元，例如与仅使用NPC逆变器相比，对IPT的输出电压可以增加，而通过单元开关的电流可以保持下降。另外，经由IPT接口连接子转换器允许具有公共DC链路的相臂之间的电流共享，并且允许叠加每个子转换器的电压波形并且因此组合每个子转换器的谐波性能以实现较高的有效开关频。
通常，权利要求中使用的所有术语将根据其在本技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。对“一/该元件、装置、组件、手段、步骤等”的所有引用都将被开放地解释为指元件、装置、组件、手段、步骤等中的至少一个实例，除非明确说明。本文所公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行，除非明确声明。对于本公开的不同特征/组件使用“第一”、“第二”等仅意在将特征/组件与其他类似地特征/组件相区分，而不是对特征/组件基于任何顺序或层级。
附图说明
将参考附图，通过示例的方式描述实施例，在附图中：
图1是根据本发明的转换器装置的实施例的相臂的示意性电路图。
图2是根据本发明的转换器装置的另一实施例的相臂的示意性电路图。
图3是根据本发明的转换器装置的三相实施例的示意性电路图。
图4是根据本发明的转换器装置的另一三相实施例的示意性电路图。
具体实施方式
现在下文中将参考附图来更全面地描述实施例，在附图中示出的特定实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例是可能的。相反，通过示例的方式提供了以下实施例，使得本公开将是全面和完整的，并且将对本领域技术人员充分传达本公开的范围。在本说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
根据本发明，在消除对中间变压器的需要(或减少级联中间变压器的数目)的同时使用IPT。替代地，各种其他多电平转换器可以用于IPT的输入。
图1是总体上图示本发明的转换器装置1的实施例的示意性框图。转换器装置1包括并联的子转换器2。在图1的实施例中，存在两个子转换器，第一子转换器2a和第二子转换器2b。子转换器2被并联连接在IPT接口3(在本实施例中包括单个IPT)和公共DC母线5之间。DC母线5由DC电源供电，例如能量存储4，诸如包括电容器、电池或超级电容器。公共DC母线被连接到转换器装置1的所有子转换器2。图1的转换器装置1仅被示出有单个相臂(相位A的)，但是转换器装置可以替代地包括多个相臂(每一个都包括并联子转换器)，例如三相AC***的三个相臂。在该情况下，公共DC母线5继续还连接其他相位的子转换器，由图中的DC母线5的虚线(未封闭)端所示。根据本发明，每个子转换器包括与连接到DC母线5的另一多电平转换器7串联连接的链式链节转换器(链式链节)6，本文称为公共DC链路多电平转换器7以将其与链式链节6区分，并且因此其被连接到可以是公共DC链路的DC母线5。链式链节6在IPT接口3和公共DC链路多电平转换器7之间串联连接，并且公共DC链路多电平转换器7在DC母线5和链式链节6之间串联连接。因为在图1的实施例中，相臂具有两个子转换器2a和2b，所以第一子转换器2a包括第一链式链节6a和第一公共DC链路多电平转换器7a，而第二子转换器2b包括第二链式链节6b和第二公共DC链路多电平转换器7b。相臂A可以经由电感器9连接，其可以是如IPT的没有磁耦合的常规电感器。
图2更具体地示意性地图示了本发明的转换器装置1的实施例的相臂。建立通常如关于图1描述的。在图2的实施例中，每个链式链节6包括串联连接的多个模块化全桥(也称为H桥)单元8，在该实施例中3个单元8(其中只有一个在图中所引用)以给出7个电压电平(3个正、3个负和零)，但是任何数目的单元8对于不同的应用是方便的。每个单元8包括电容器和多个开关，每一个典型地具有关联的二极管。开关可以例如包括/是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。然而，应当注意，这些仅仅是单元8的组件的示例。可以替代地使用本领域中已知的其他相应的组件。此外，链式链节6的单元可以替代地是具有两个开关的半桥单元，代替具有4个开关的全桥细单元(H-桥)。在图2的实施例中的公共DC链路多电平转换器7是对于每个子转换器2具有一个NPC的3电平NPC逆变器。在与DC母线5和能量存储4的协作中，NPC臂开关可以在正、负和中性(N)点之间切换。作为替代，公共DC链路多电平转换器7可以是例如飞跨电容器逆变器，而不是NPC臂。
图3示意性图示了具有经由相应电感器9连接的例如FACTS的三相AC***的三个相位A、B和C的三个相臂(每一个如以上参考图1和图2讨论的)的三相转换器装置1的实施例。在图3的实施例中，使用单个公共DC母线5，其连接到每个相臂的子转换器2(特别是NPC臂7)中的每一个。通过将3-L NPC 7与每个子转换器2中的链式链节6组合，可以得到允许较大数目的不同电压被输出的较高电平转换器拓扑。例如根据图3的本发明的拓扑可以而例如给出如下优点：
·转换器装置1中的公共存储元件4吸收或供应在转换器相臂之间的能量变化，这可以消除或减少对零序电压和/或电流的阀(单元8)的需要。
·通过IPT 3的并联子转换器2的连接提供了子转换器的典型串联连接所提供的谐波性能优点。
·IPT3提供在子转换器2之间的固有电流共享。
·每个器件(例如，单元，特别是其中的开关)电流额定是总转换器输出电流的一部分。这具有以下优点：
-需要较低的单元电容来实现10％的电容器电压纹波。这导致每单元8的更少存储能量，这简化和减少每个独立单元的成本。
-对于规定的最大设备电流，转换器装置1可以实现较高的总输出电流。将一定程度的并联化包括在多电平拓扑中提供了灵活性以选择较高电压或较高电流用于构建较高功率转换器。
-半导体损耗的减少。损耗的净减少可以由于在并联子转换器2之间的电流划分来实现。
·其通过零序电压或电流所需要的硅面积的减少来最小化损耗。
·能够设计具有除了1:1之外的匝数比的IPT 3，这意味着子转换器2可以具有不同的电流额定和设备技术。这种程度的混合可以提供损耗和成本的进一步优化。
·具有N个臂的IPT 3(参见例如图4的实施例)可以用于减少每个子转换器2针对其为额定的总输出电流的一部分。这可以促进可以以高电压但是相当低的电流额定实现的前代SiC(碳化硅)的使用。
在图4中示意性地图示了本发明的三相转换器装置1。在本实施例中，每个相臂包括4个并联子转换器2，即第一子转换器2a、第二子转换器2b、第三子转换器2c和第四子转换器2d。如还参考其他附图1-3描述的，子转换器2中的每一个包括链式链节6和公共DC链路多电平转换器7，在这里是NPC逆变器臂7。为了在IPT接口3中组合所有4个并联子转换器2，第一IPT 3a连接第一和第二子转换器2a和2b，第二IPT 3b连接第三和第四子转换器2c和2d，并且第三IPT 3c将第一和第二IPT分别与相线A、B和C连接。因此，通过使用多于一个的IPT，在不同电平处，在IPT接口3中，可以组合任何数目的子转换器2，例如每相臂2个、4个、8个或16个子转换器2。该类型的具有级联IPT的IPT接口以上被称为具有N个臂的IPT。那么图4的IPT接口3可以被称为具有4个臂的IPT。在图4的实施例中图示的本发明的另一可选特征是使用多个DC母线5。如果仅使用单个公共DC母线，则转换器装置可能易受DC母线的任何故障的影响，而如果使用多个DC母线，则转换器装置1仍然可以至少是通过其他DC母线的部分功能。在图4的实施例中，使用两个DC母线，第一DC母线5a和第二DC母线5b。没有示出整个母线线路，但是在具有每个子转换器2的公共DC链路多电平转换器7的每个接口处被引用。第一DC母线5a被连接到每个相臂的第一和第二子转换器2a和2b，而第二DC母线5b被连接到每个相臂的第三和第四子转换器2c和2d。可以想到，使用甚至更多DC母线5来获得甚至更高的冗余性，例如每个相臂的每子转换器2一个DC母线5，在该情况下为4个DC母线，对于图4中的转换器相臂的子转换器2a-d中的每一个一个DC母线。DC母线仍然可以是用于平衡不同相臂之间的功率的公共DC母线，因为第一DC母线5可以连接每个相臂的第一子转换器2等。
存在本发明的拓扑的若干变体，这可以被考虑用于例如现在和未来的FACTS应用。能够利用任何转换器拓扑作为构建块的子转换器2。典型的串联级联变压器装置还可以用于进一步增加转换器的总输出电压。这些变体中的任何一个仍然利用本发明的优点，例如使用IPT3来减少开关损耗，以及转换器装置1内的公共DC母线5。
利用IPT的额外电压电平的产生可以使得可用于利用较高电压阀和/或单元。在其他拓扑中利用较高电压单元的问题在于，较少数目的电压电平可能产生不可接受的谐波性能。然而，使用IPT接口3提供了双倍数目的电压电平，并且因此两倍谐波性能的增加。本发明给出了用于负序电流的补偿的灵活性。这保持级联的多电平结构来处理高电压，并且减少用于较高电压的半导体或用于零序注入的电流的降低额定或尺寸的需要。
示例
示例1-IPT
IPT 3可以有效地是单初级、单次级变压器，其中，两个绕组串联连接。串联连接点可以被当作输出，并且剩余的两个端子作为输入。两个紧密耦合的绕组可以被布置，使得通过相等电流进入输入端子而产生的通量被抵消，在铁芯中留下由两个输入端子之间的电压差而产生的通量。这导致了IPT的电压-安培(VA)额定是转换器装置1的总VA额定的一小部分，并且还确保了相等电流在两个输入极之间共享。
在IPT中的得到的最小通量可能意味着其需要物理上小的铁芯和相对大的绕组。然而，这意味着，调制策略应当被调整以控制每个IPT的输入处的电压差的时间积分。这可能限制每个IPT的铁芯中的最大通量并且减少得到的IPT的成本。
通常，如果转换器极是并联的使得每个极的输出被连接在一起，则每个极必须被切换以在每个时刻产生相同的输出电压。然而，IPT支持在两个极之间的瞬时电压差，并且输出电压然后可以是两个输入处的电压的平均。
示例2-调制
存在可以在该新的转换器装置1中利用的各种调制方法。谐波消除技术可以用于减轻在基频的倍数处发生的谐波，并且因此改善谐波性能。
例如基于载波的技术和空间矢量调制的其他策略还可以/替代地与本发明一起使用。
示例3-容错
利用用于整个转换器装置1的公共DC母线5可以意味着，一个阀/单元8中的故障使整个转换器装置不可操作。这可能不满足FACTS典型可靠性要求。增加冗余的一个方法是使用如图4中的具有较高数目的IPT臂的IPT接口3。因此，不同的子转换器2可以被连接到两个单独公共DC母线5中的一个，意味着一个DC母线的损耗不会消除用于在转换器装置1的相位之间的能量交换的所有机制。
以上主要参考几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的，除上面公开之外的其他实施例在由所附权利要求定义的本公开的范围内同样是可能的。

Claims (9)

1.一种用于AC***的转换器装置(1)，所述转换器装置包括至少一个相臂，所述至少一个相臂包括：
第一子转换器(2a)；
第二子转换器(2b)；
IPT接口(3)，被配置用于将所述第一子转换器和所述第二子转换器与所述AC***的相线(A)连接；以及
至少一个DC母线(5)，被连接到所述第一子转换器和所述第二子转换器；
其中，所述第一子转换器(2a)与所述第二子转换器(2b)并联连接在所述至少一个DC母线(5)和所述IPT(3)接口之间，并且其中，所述第一子转换器和所述第二子转换器中的每一个包括：
链式链节转换器(6)，连接到所述IPT接口并且包括彼此串联连接的多个转换器单元(8)；以及
公共DC链路多电平转换器(7)，连接到所述至少一个DC母线(5)并且与所述链式链节转换器(6)串联连接。
2.根据权利要求1所述的转换器装置，其中，所述公共DC链路多电平转换器(7)是NPC逆变器，例如，有源NPC逆变器或飞跨电容器逆变器。
3.根据权利要求1或2所述的转换器装置，其中，所述转换器单元(8)中的每一个是全桥单元。
4.根据前述权利要求中任一项所述的转换器装置，其中，所述相臂包括至少四个并联的子转换器(2)，所述至少四个并联的子转换器(2)包括所述第一子转换器和所述第二子转换器(2a、2b)以及第三子转换器(2c)和第四子转换器(2d)。
5.根据权利要求4所述的转换器装置，其中，所述IPT接口(3)包括连接所述第一子转换器和所述第二子转换器(2)的第一IPT(3a)、连接所述第三子转换器和所述第四子转换器(2)的第二IPT(3b)、以及配置用于将所述第一IPT和所述第二IPT与所述相线(A)连接的第三IPT(3c)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的转换器装置，其中，所述AC***是三相***，并且其中，所述至少一个相臂包括三个相臂。
7.根据权利要求6所述的转换器装置，其中，所述AC***是FACTS或电机驱动器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转换器装置，其中，所述至少一个DC母线(5)包括第一DC母线(5a)和第二DC母线(5b)，所述第一DC母线(5a)和所述第二DC母线(5b)中的每一个DC母线被连接到所述至少一个相臂中的每一个相臂的至少一个相应的公共DC链路多电平转换器(7)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的转换器装置，其中，所述至少一个DC母线(5)被连接到能量存储(4)，所述能量存储(4)例如包括电容器、电池或超级电容器。
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