CN106105007B - 多电平功率转换器和用于控制多电平功率转换器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种多电平功率转换器(1)包括开关单元(20)，开关单元(20)中的每个包括开关器件(30)和能量存储元件(32)。开关单元包括第一类型的开关单元(20a)和第二类型的开关单元(20b)。转换器包括针对每个相的串联连接的开关单元的第一臂(3a)和串联连接的开关单元的第二臂(3b)，其中第一臂和第二臂被并联连接。第一臂包括比第二类型的开关单元更多的第一类型的开关单元，并且第二臂包括比第一类型的开关单元更多的第二类型的开关单元。第一类型的开关单元具有比第二类型的开关单元更低的传导损耗。转换器被布置为使得与第二臂相比较大的电流流经第一臂。

Description

多电平功率转换器和用于控制多电平功率转换器的方法
技术领域
本发明涉及针对一个或多个相的多电平功率转换器。转换器包括多个开关单元，多个开关单元中的每个包括多个开关器件和能量存储元件。开关器件被布置为选择性地将连接提供到能量存储元件。转换器还包括被配置为控制开关单元中的开关器件的开关的控制器。转换器的开关单元被布置为至少包括第一类型的开关单元和第二类型的开关单元。转换器还包括针对每个相的串联连接的开关单元的第一臂和串联连接的开关单元的第二臂。第一臂和第二臂被并联连接。
本发明还涉及用于控制多电平功率转换器的方法。
背景技术
多电平转换器被用于将DC电功率转换为AC电功率或者将AC电功率转换为DC电功率。多电平转换器可见于***中存在中高电压电平的许多高功率应用中。
当从DC电压来形成AC电压时，多电平转换器借助于控制器准确地控制开关单元的开关器件来以小电压阶跃形成AC电压。由此，开关单元的能量存储元件的充电和放电得到控制，使得转换器输出期望的AC电压。
开关单元的开关器件例如为集成栅极换向晶闸管(IGCT)、栅极可关断晶闸管(GTO)以及绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。开关器件的另一示例是宽带隙器件，例如碳化硅开关器件、氮化铝开关器件、氮化镓开关器件以及氮化硼开关器件。开关单元的能量存储元件通常是电容器但是也可以使用电池。
多电平转换器通常使用商用开关单元来设计以便提供经济有效的转换器。然而，这样的商用开关单元的使用对于诸如高电压应用的特定应用不具有最佳额定功率并且导致比在针对转换器的最佳开关单元将是可用的情况下更高的开关损耗和传导损耗。
WO2013097906A1公开了一种多电平转换器，其包括被布置为并联连接的臂中的多个开关单元。臂中的开关单元优选具有相同的或接近相同的定量性质。
WO2013053399A1公开了一种多电平转换器，其包括被布置为被并联连接的各臂中的相同类型的多个开关单元。循环电流被引入到各臂中以用于平衡电容器电压。
发明内容
本发明的目的是要提供一种多电平转换器，其能够根据商用开关单元来构造并提供与现有技术的多电平转换器相比减少的能量损耗。具体地，本发明涉及一种用于其中在现有技术的转换器中的传导损耗和开关损耗显著的中高电压应用的多电平转换器。
该目的通过如由权利要求1限定的多电平功率转换器来获得。该转换器的特征在于：第一臂包括比第二类型的开关单元更多的第一类型的开关单元，并且第二臂包括比第一类型的开关单元更多的第二类型的开关单元，第一类型的开关单元具有比第二类型的开关单元更低的传导损耗，其中该转换器被布置为使得与第二臂相比较大的电流流经第一臂。
电流的较大部分是在主要使用第一类型的开关单元的转换器的第一臂中被转换的。第一类型的开关单元适用于高电流并提供低传导损耗。由此，转换器中的传导损耗被减少。因此，本发明使得能够使用商用开关单元制造具有减少的能量损耗的转换器。
在第一类型的开关元件与第二类型的开关元件之间的性质的差别源自于开关元件包括具有不同性质的开关器件。开关单元可以具有相同的或相似的结构。
根据本发明的实施例，转换器被布置为使得第一臂的经转换的电流和第二臂的经转换的电流被叠加到来自转换器的输出电流中。
控制器控制第一臂的开关单元和第二臂的开关单元的开关使得两个臂的经转换的电流当被叠加时与期望的经转换的电流相对应。优选地，控制器被控制使得电流基准以使得优化在每个臂内的电容器电压平衡并且还确保可接受的谐波性能的方式被拆分在两个臂之间。因此，确保两个电流的叠加形成具有低谐波分量的电流。
根据本发明的实施例，通过第一臂和第二臂的电流由第一臂和第二臂中的开关单元类型和开关单元的数量来设置。
根据本发明的实施例，第二类型的开关单元具有比第一类型的开关单元更低的开关损耗。
需要高开关频率的电流的较小部分主要是使用具有比第一类型的开关单元更低的开关损耗的第二类型的开关单元来转换的。由此，减少转换器的开关损耗。第一臂的经转换的电流和第二臂的经转换的电流被叠加到来自转换器的输出电流。因此，本发明使得能够使用商用开关单元制造具有减少的能量损耗的转换器。
根据本发明的实施例，转换器是由商用开关单元制造的。
根据本发明的实施例，控制器被配置为控制开关单元中的开关器件的开关，使得第一类型的开关单元中的开关器件以比第二类型的开关单元中的开关器件更低的频率来开关。
电流的较小部分主要是使用第二类型的开关单元来转换的，第二类型的开关单元被用于以高频率微调电流的较小部分。第二类型的开关单元适用于高开关频率并提供低开关损耗。由此，减少转换器的开关损耗。第一臂的经转换的电流和第二臂的经转换的电流被叠加到来自转换器的输出电流。因此，本发明使得能够使用商用开关单元制造具有减少的能量损耗的转换器。
根据本发明的实施例，第一臂的多于三分之二的开关单元是第一类型的开关单元。
根据本发明的实施例，第一臂的所有开关单元是第一类型的开关单元。
根据本发明的实施例，第二臂的多于三分之二的开关单元是第二类型的开关单元。
根据本发明的实施例，第二臂的所有开关单元是第二类型的开关单元。
根据本发明的实施例，到每个相的至少三分之二的电流流经第一臂。
根据本发明的实施例，第一类型的开关单元包括集成栅极换向晶闸管、栅极可关断晶闸管以及绝缘栅双极性晶体管中的一种的开关器件。利用这些开关器件构造的开关单元提供低传导损耗并且因此适用于在第一臂中使用。
根据本发明的实施例，第二类型的开关单元包括宽带隙器件，优选为碳化硅开关器件、氮化铝开关器件、氮化镓开关器件、氮化硼开关器件中的一种。利用这些开关器件(尤其是碳化硅开关器件)构造的开关单元提供低开关损耗并且因此适用于在第二臂中使用。
根据本发明的实施例，开关单元利用全桥、半桥和交叉连接设计中的至少一种来构造。
根据本发明的实施例，转换器的第一臂和第二臂采用双链链路Y形结构来布置。
转换器的结构要求每个臂被定额定值为全电压，这导致与串联连接的开关单元的单个臂相比每个相臂的增加的数量的开关单元。本发明的采用双Y形结构的转换器的布置具有的优点在于开关单元的数量相对于标准M2LC将不会增加，因为标准M2LC已经在转换器的每个相中要求两个臂。关于采用双Y形结构来布置转换器的另一优点在于DC循环电流能够被引入以缓解由于负序补偿电流而引起的电压平衡问题。
根据本发明的实施例，转换器的第一臂和第二臂采用双链链路三角形(delta)结构来布置。
采用双链链路三角形结构的转换器的布置具有的优点在于循环电流能够被引入到三角形结构的内部以缓解由于负序补偿电流而引起的电压平衡问题。
根据本发明的实施例，转换器被配置为对两个或更多个相的电功率进行转换，并且其中两个或更多个相与公共DC链路相连接。
利用公共DC链路的转换器的布置具有的优点在于无需引入任何循环电流，因为在各相之间的能量交换由公共DC链路的存在促进。
本发明的目的通过一种用于控制根据权利要求1-12中的任一项所述的转换器的方法来提供。该方法包括连续地迭代以下步骤：
-接收关于转换器的第一臂和第二臂的当前状态和要被转换的功率的性质的信息，
-基于转换器的第一臂和第二臂的当前状态和要被转换的功率的性质来确定第一臂和第二臂的新状态，以及
-将控制信息发送到第一臂和第二臂的开关单元使得转换器的状态被改变为新状态。
根据本发明的实施例，该方法还包括：
-以比针对第一臂更高的频率确定第二臂的新状态，以及
-以比针对第一臂更高的频率将控制信息发送到第二臂的开关单元。
根据本发明的实施例，该方法还包括：
-确定在第一臂与第二臂的能量存储元件之间的电压差，以及
-通过在第一臂和第二臂内引入循环电流来平衡在能量存储元件之间的电压。
根据本发明的实施例，该方法还包括：
-平衡在每个臂内的电压使得第一臂和第二臂的电流形成具有低谐波分量的叠加电流。
附图说明
现在通过本发明的不同的实施例的描述并且参考附图更密切地解释本发明。
图1a示出了针对三相的现有技术的多电平功率转换器的示例。
图1b示出了针对多电平功率转换器的开关单元的示例。
图2示出了根据本发明的实施例的针对三相的多电平功率转换器。
图3a-c示出了图2中的转换器中的各臂的布置的三个不同的实施例。
图4示出了根据M2LC标准的臂的布置的实施例。
图5示出了具有公共DC链路的臂的布置的实施例。
图6示出了根据本发明的实施例的用于控制多电平功率转换器的方法。
具体实施方式
图1示出了针对三相的用于将DC电功率转换为AC电功率的现有技术的多电平功率转换器1的示例。转换器1包括针对每个相的臂3。每个臂3包括连接到具有第一电位的DC功率的输入端子7的上臂部分5，和连接到具有第二电位的DC功率的输入端子12的下臂部分10。上臂部分5和下臂部分10连接到针对相应的相的AC功率的输出端子15。
每个臂3包括串联连接的多个开关单元20。在图1中，上臂部分5和下臂部分10每个均包括四个开关单元20。上臂部分5和下臂部分10中的每个还包括用于减少在各臂3之间的瞬态电流的流动的电抗器22。在所公开的示例中，电容器24并联连接到三个臂3。
在图1b中示出了开关单元20的示例。开关单元20包括多个开关器件30和能量存储元件32。在图1b中，开关单元20是全桥开关单元，其包括四个开关器件30和采用电容器的形式的能量存储元件32。
转换器1还包括控制器34，控制器34被配置为控制开关单元20中的开关器件30的开关，使得开关单元20的能量存储元件32被放电或被充电，其中形成期望的AC功率。
图2示出了根据本发明的实施例的针对三相的多电平功率转换器1。图2中的转换器1与图1中的转换器1的不同在于，针对每个相，转换器1包括并联连接的第一臂3a和第二臂3b。
本发明的转换器1的不同还在于转换器1包括第一类型的开关单元20a和第二类型的开关单元20b。另外，转换器1被布置为使得第一臂3a包括比第二类型的开关单元20b更多的第一类型的开关单元20a，并且第二臂3b包括比第一类型的开关单元20a更多的第二类型的开关单元20b。在图2中的所公开的实施例中，第一臂3a的所有开关单元20是第一类型的开关单元20a，并且第二臂3b的所有开关单元20是第二类型的开关单元20b。
两种类型的开关单元20a、20b的不同在于第一类型的开关单元20a具有比第二类型的开关单元20b更低的传导损耗。另外，第二类型的开关单元20b具有比第二类型的开关单元20b更低的开关损耗。
本发明的转换器1被布置为使得与第二臂3b相比较大的电流流经第一臂3a。因此，第一臂3a处理对要被转换的电流的较大部分的转换，并且第二臂3b处理对要被转换的电流的较小部分的微调。借助于将电流划分到两个臂3a、3b中，转换器1中的总体转换损耗能够被减少，同时允许转换器1由商用开关单元20来制造。
优选地，第一臂3a中的第一类型的开关单元20a以比第二臂3b中的第二类型的开关单元20b更低的开关频率操作。第一臂3a被布置用于电流的主要部分的较不精确的转换，并且第二臂3b被布置用于电流的较小部分的微调。由此，来自第一臂3a和第二臂3b的叠加的经转换的电流以减少的总体转换损耗而被转换同时维持转换的精确度。
根据实施例，第一类型的开关单元20a包括从集成栅极换向晶闸管、栅极可关断晶闸管以及绝缘栅双极性晶体管的组中选择的开关器件30。这些开关器件适用于第一臂3a，因为它们适于中高电流并且它们导致相对低的传导损耗。
根据实施例，第二类型的开关单元20b的开关器件30是宽带隙器件，优选为碳化硅开关器件。尤其地，碳化硅开关器件具有在操作期间提供低开关损耗的优点并且因此适用于在第二臂3b中使用。
图3a-c示出了图2中的转换器1中的各臂3a、3b的布置的三个不同的实施例。在这三个实施例中，两个不同的开关单元20被使用在两个臂3a、3b中。
在图3a中，第一臂3a和第二臂3b两者都包括四个开关单元20。第一类型的开关单元20a利用大写A来指代，并且第二类型的开关单元20b利用大写B来指代。第一类型的开关单元20a涉及针对中电压、高电流和低频率开关的开关单元20。例如，大于10kV的电压，大于1.5kA的电流以及小于250Hz的开关频率。第二类型的开关单元20b涉及针对中电压、中电流和中频率的开关单元20。例如，大于10kV的电压，在0.5kA与1.5kA之间的电流以及在250Hz与1kHz的开关频率。在图3a中，第一臂3a中的所有开关单元20是第一类型的开关单元20a，并且第二臂3b中的所有开关单元20是第二类型的开关单元20b。
在图3b中示出的实施例中，使用了利用大写A指代的相同的第一类型的开关单元20a。然而，另一第二类型的开关单元20b被使用。第二类型的开关单元20b利用大写C来指代并且涉及针对低电压、中电流和中开关频率的开关单元20。例如，小于1.7kV的电压，在0.5kA与1.5kA之间的电流以及在250Hz与1kHz的开关频率。第一臂3a包括四个开关单元20、三个开关单元A和一个开关单元C。第二臂3b包括五个开关单元20、两个开关单元A和三个开关单元C。
在图3c中示出的实施例中，使用了利用大写A指代的相同的第一类型的开关单元20a。然而，另一第二类型的开关单元20b被使用。第二类型的开关单元20b利用大写D来指代并且涉及针对高电压、低电流和高开关频率的开关单元20。例如，高于10kV的电压，小于0.5kA的电流以及高于1kHz的开关频率。第一臂3a中的所有开关单元20是开关单元A，并且第二臂3b中的所有开关单元20是开关单元D。
图4示出了根据M2LC标准的臂3a、3b的布置的实施例。臂布置被配置用于对三个相进行转换。第一臂3a包括四个第一类型的开关单元20a，其例如为与图3a中的相同的开关单元A，即针对中电压、高电流和低频率开关的开关单元20。第二臂3b包括四个第二类型的开关单元20b，其例如为与图3a中的相同的开关单元B，即针对中电压、高电流和低频率开关的开关单元20。第一臂3a经受比第二臂3b更高的额定功率。图4中示出的臂布置适用于标准M2LC拓扑结构，因为标准M2LC拓扑结构已经在转换器1的每个相中要求两个臂3a、3b。例如，在该实施例中，臂3a、3b中的两者都能够利用半桥来构造。
使用M2LC的优点在于DC循环电流能够被引入以缓解由于负序补偿电流而引起的电压平衡问题。然而，DC循环电流对于转换器的两个臂3a、3b是公共的，并且因此每个臂3a、3b必须被定额定为适应该电流。然而，这样的循环电流将在针对柔性AC传输***(FACTS)的应用中是相当小的。
图5示出了具有公共DC链路40的臂3a、3b的布置的实施例。图5中的布置被配置用于三个相并且包括针对每个相的并联连接的第一臂3a和第二臂3b。公共DC链路的使用具有的优点在于无需引入任何循环电流，因为在各相之间的能量交换由公共DC链路的存在促进。
图6示出了根据本发明的实施例的用于控制多电平功率转换器1的方法。
该方法在步骤110中通过接收关于第一臂3a和第二臂3b的当前状态的信息来启动。关于第一臂3a和第二臂3b的当前状态的信息涉及每个臂3a、3b的电压、开关单元20的能量存储器件32的电压以及开关单元20的开关器件30的状态。该方法还包括在步骤110中接收关于要被转换的功率的信息。
该方法包括在步骤120中确定第一臂3a和第二臂3b的新状态。新状态涉及开关单元20的开关器件30如何要被改变以及开关单元20中的哪个开关器件30要被改变，以便形成来自转换器1的期望的输出。基于在步骤110中接收到的信息来确定新状态。
该方法包括在步骤130中确定在第一臂3a的开关单元20的能量存储装置32与第二臂3b的开关单元20的能量存储装置32之间的电压差，并且在步骤140中，该方法包括通过将循环电流引入到第一臂3a和第二臂3b的并联连接中来平衡电压差。执行对在每个臂3a、3b内的电压的平衡使得第一臂3a和第二臂3b的电流形成具有低谐波分量的叠加电流。
该方法包括在步骤150中将控制信息发送到需要被改变的开关单元20的开关器件32以便获得转换器1的新状态。
本发明不限于所公开的实施例而是可以在权利要求的框架内进行修改。
例如，将理解，本发明不限于对针对臂3a、3b的第一类型的开关单元20a和第二类型的开关单元20b的使用。三个或更多个不同的开关单元20可以被布置在臂3a、3b中。然而，鉴于对转换器1的维护和模块化，对两种不同类型的开关单元20的使用是优选的。
另外，应理解，本发明不限于并联连接的第一臂3a和第二臂3b。转换器1可以由并联连接的三个或更多个臂3构造，臂3处理要被转换的电流的不同的部分。

Claims (15)

1.一种针对一个或多个相的多电平功率转换器(1)，所述转换器(1)包括：多个开关单元(20)，所述多个开关单元(20)中的每个包括多个开关器件(30)和能量存储元件(32)，所述开关器件(30)被布置为选择性地将连接提供到所述能量存储元件(32)；以及控制器(34)，所述控制器(34)被配置为控制所述开关单元(20)中的所述开关器件(30)的开关，所述开关单元(20)至少包括第一类型的开关单元(20a)和第二类型的开关单元(20b)，其中所述转换器(1)包括针对每个相的串联连接的开关单元(20)的第一臂(3a)以及串联连接的开关单元(20)的第二臂(3b)，所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)并联连接，
其特征在于，
所述第一臂(3a)包括比所述第二类型的开关单元(20b)更多的所述第一类型的开关单元(20a)，并且所述第二臂(3b)包括比所述第一类型的开关单元(20a)更多的所述第二类型的开关单元(20b)，所述第一类型的开关单元(20a)具有比所述第二类型的开关单元(20b)更低的传导损耗，其中所述转换器(1)被布置为使得较大的电流流经所述第一臂(3a)并且较小的电流流经所述第二臂(3b)，并且其中所述第二类型的开关单元(20b)具有比所述第一类型的开关单元(20a)更低的开关损耗，所述第二臂(3b)被配置为微调所述较小的电流。
2.根据权利要求1所述的多电平功率转换器(1)，其中所述转换器(1)是由商用开关单元(20)制造的。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的多电平功率转换器(1)，所述转换器(1)被布置为使得所述第一臂(3a)的经转换的电流和所述第二臂(3b)的经转换的电流被叠加到来自所述转换器(1)的输出电流中。
4.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述控制器(34)被配置为控制所述开关单元(20)中的所述开关器件(30)的开关，使得所述第一类型的开关单元(20a)中的所述开关器件(30)以比所述第二类型的开关单元(20b)中的所述开关器件(30)更低的频率来开关。
5.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述第一类型的开关单元(20)包括集成门极换向晶闸管、门极可关断晶闸管以及绝缘栅双极性晶体管中的一种的开关器件(30)。
6.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述第二类型的开关单元(20b)包括宽带隙器件。
7.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述开关单元(20)利用全桥、半桥和交叉连接设计中的至少一种来构造。
8.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述转换器(1)的所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)采用双链链路Y形结构来布置。
9.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述转换器(1)的所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)采用双链链路三角形结构来布置。
10.根据权利要求1或2所述的多电平功率转换器(1)，其中所述转换器(1)被配置为将两个或更多个相的电功率进行转换，并且其中所述两个或更多个相与公共DC链路相连接。
11.根据权利要求6所述的多电平功率转换器(1)，其中所述宽带隙器件是碳化硅开关器件、氮化铝开关器件、氮化镓开关器件以及氮化硼开关器件中的一种。
12.一种用于控制根据权利要求1-11中的任一项所述的转换器(1)的方法，其中所述方法包括连续地迭代以下步骤：
-接收关于所述转换器(1)的至少所述第一臂和所述第二臂(3b)的当前状态和要被转换的功率的性质的信息，
-基于所述转换器(1)的所述第一臂和所述第二臂(3b)的所述当前状态和要被转换的功率的性质来确定所述第一臂和所述第二臂(3b)的新状态，以及
-将控制信息发送到所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)的开关单元(20)，使得所述转换器(1)的状态被改变为所述新状态。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法包括：
-以比针对所述第一臂(3a)更高的频率确定所述第二臂(3b)的新状态，以及
-以比针对所述第一臂(3a)更高的频率将控制信息发送到所述第二臂(3b)的所述开关单元(20)。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述方法包括：
-确定在所述第一臂(3a)与所述第二臂(3b)的所述能量存储元件(32)之间的电压差，以及
-通过在所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)内引入循环电流来平衡所述能量存储元件(32)的电压。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述方法包括：
-平衡在每个臂(3a、3b)内的电压，使得所述第一臂(3a)和所述第二臂(3b)的电流形成具有低谐波含量的叠加电流。
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