CN107223304B - 具有能量存储器的多电平变换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种多电平功率变换器1，包括至少一个相脚。所述相脚包括多个级联链式链路连接的单元2，每个单元包括电容器3和串联的两个半导体开关5，每个半导体开关5具有反并联连接的二极管6。多个级联链式链路连接的单元包括形成镜像单元对的第一单元2a和第二单元2b，使得第一单元和第二单元中的每个单元的两个半导体开关都彼此串联连接。变换器还包括连接在第一单元和第二单元之间的能量存储器4。

Description

具有能量存储器的多电平变换器
技术领域
本公开涉及包括至少一个相脚的多电平功率变换器。相脚包括多个级联的链式链路连接的单元，每个单元包括电容器和串联的两个半导体开关，每个半导体开关具有反并联连接的二极管。
背景技术
模块化多电平变换器由于其高效率、模块化和可扩展性以及产生具有低谐波含量的电压波形的能力而变得流行，这有效地减少了对大型AC滤波器的需求。
存在几种模块化的多电平变换器拓扑结构，其中M2LC(也称为MMLC和MMC)是最流行的拓扑结构之一，特别是在高压直流(HVDC)应用中以及电动机驱动器等。
WO2010/124706和WO2011/060823公开了用于M2LC的传统半桥变换器单元和H桥变换器单元，具有通过DC-DC变换器接口连接的电池。DC-DC变换器可以用于从电池电流中过滤掉交流(AC)分量，并且升高电池电压以匹配直流(DC)链路电容器电压。
M2LC变换器可以用作针对电池能量存储***(BESS)的变换器接口。如在WO 2010/124706和WO 2011/060823中提出的，DC能量存储设备(锂离子、Pb酸或NaS电池、超级电容器或类似物)可以连接到M2LC的高压公共DC链路，或者可以将它们分布在变换器的臂内。
M2LC的公共DC链路的非常高的电压在BESS应用中是有缺陷的，因为构建具有这样高电压的电池***并不容易。高电压增加了绝缘成本，以及故障处理成本和断路器的成本。电池***可以配备有基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的分布式DC断路器。它显著增加了***的成本，并且产生损耗。分布在模块化多电平变换器臂内的低压能量存储设备避免了与高压DC***相关的挑战，并且有降低保护成本的潜力。臂内的分布式能量存储器还提供了更高级别的冗余。
电化学电池和超级电容器将在充放电循环期间改变它们的电压。电池的放电曲线主要取决于电池的化学性质，但也受电池温度、充放电速率、电池老化等因素的影响。任何一种BESS变换器都需要处理电池的可变DC电压，这导致了降级(de-rating)(电压方面)的代价。因此，如果电池与单元电容器并联连接直接接口，则单元电容器将必须相应地改变它们的电压，导致整个变换器显著降级。
M2LC或链式链路变换器中的DC链路电容电压将暴露于基波和二次谐波频率分量。因此，与单元的DC链路电容器直接连接的分布式能量存储设备将共享谐波电流。这将导致存储设备的损耗增加、工作温度升高和寿命缩短。
这种DC-DC变换器可以用于避免主M2LC变换器的降级，并且用于从单元电流过滤掉谐波。
EP1920526公开了一种具有至少一个相模块的变换器电路，该相模块包括上部变换器阀和下部变换器阀，每个变换器阀包括至少一个双端部子***。每个双端部子***包括四个能关断半导体开关、四个二极管、两个单极存储电容器和一个电子电路。二极管与每个能关断的半导体开关反并联电连接。这四个能关断半导体开关串联电连接。两个单极存储电容器串联电连接，该串联连接与能关断半导体开关的串联连接并联电连接。两个能关断半导体开关之间的每个结点形成双端子子***的重新连接端子。串联电连接的两个存储电容器之间的结点电连接到电子电路的基准电势端子。然而，EP1920526并不涉及变换器内的分布式能量存储器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有拓扑结构的功率变换器，减少了分布式能量存储器对DC-DC变换器的需要，这至少缓解了上面提到的现有技术的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种包括至少一个相脚的多电平功率变换器。相脚包括多个级联链式链路连接的单元，每个单元包括电容器和串联的两个半导体开关，每个半导体开关具有反并联连接的二极管。多个级联链式链路连接的单元包括第一单元和第二单元，并且该第一单元和第二单元形成一个镜像的单元对，使得第一单元和第二单元中的每一个单元的两个半导体开关都彼此串联连接。变换器还包括连接在第一单元和第二单元之间的能量存储器。
根据本发明的另一方面，提供了一种镜像单元对，包括第一单元和第二单元，第一单元和第二单元被包括在多电平功率变换器中的多个级联链式链路连接单元的相脚中。每个单元包括电容器和串联的两个半导体开关，每个半导体开关具有反并联连接的二极管。第一单元和第二单元彼此连接，使得第一单元和第二单元中的每一个单元的两个半导体开关都彼此串联连接。第一单元和第二单元被配置用于连接到能量存储器，使得能量存储器连接在第一单元和第二单元之间。
本发明提供了一种降低针对与电池或超级电容器的电压变化相关的主变换器降级成本的解决方案。该解决方案还可以用于从电池电流过滤掉AC分量，这增加了电池的使用寿命和性能。由于电池连接在第一单元和第二单元之间，所以本发明允许能量存储器使用(电力电子)开关连接在一个或两个单元电容器上。这样，可以控制能量存储器上的电压，使得可以在不使用DC-DC变换器的情况下对能量存储器进行充电或放电。
应当注意，任何方面的任何特征可以应用于任何其他合适的方面。同样地，任何方面的任何优点可以适用于任何其他方面。从以下详细公开内容、从所附的从属权利要求以及从附图中，所附实施例的其他目的、特征和优点显而易见。
通常，权利要求书中使用的所有术语均应根据技术领域的普通含义进行解释，除非本文另有明确定义。对“一/一个/元件、装置、部件、方法、步骤等”所有引用，除非另有明确说明，否则将被开放性地解释为指代元件、装置、部件、方法、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。对于本公开的不同特征/部件的“第一”、“第二”等的使用仅旨在将特征/部件与其它类似特征/部件区分开来，而不是赋予特征/部件任何顺序或等级。
附图说明
将通过示例的方式参照附图来描述实施例，其中：
图1是供参考的以标准方式连接的两个链式链路单元的示意性电路图。
图2是彼此连接以形成镜像单元对的两个链式链路单元的示意性电路图。
图3是根据本发明的变换器的一个实施例的两个链式链路连接单元的示意性电路图。
图4是根据本发明的变换器的另一个实施例的两个链式链路连接单元的示意性电路图。
图5是根据本发明的变换器的另一个实施例的两个链式链路连接单元的示意性电路图。
图6是根据本发明的变换器的另一个实施例的两个链式链路连接单元的示意性电路图。
图7是根据本发明的变换器的另一个实施例的两个链式链路连接单元的示意性电路图。
具体实施方式
现在下文将参考附图来更全面地描述实施例，在附图中示出了某些实施例。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以下实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。相同的数字在整个说明书中指代相同的元件。
本发明在具有级联链式链路连接的单元的多电平功率变换器中使用了本文所谓的镜像单元对。现在将参考图1和图2解释镜像单元对的意思。
图1示出了以标准方式连接的用于多电平电力变换器中的级联链式链路连接的单元的两个半桥单元。图1用作图2所示的镜像单元对的电路图的对照。
图2示出了两个半桥单元2，这两个半桥单元2被连接成使得它们形成本公开的含义中的镜像单元对。使用标准符号来示出每个单元2中的部件(半导体开关5、二极管6和DC链路电容器3)。镜像是单元2与其他两个相邻单元(在图中为两个单元中位于上侧的单元和位于下侧单元)相比彼此连接的方式，当将图2中的单元间连接与图1中的单元间连接进行比较时容易看出这些连接是彼此相反的。单元2是常规的半桥单元，据此更详细地描述其典型示例。每个单元包括两个串联连接的半导体开关5，通常为能关断半导体开关(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT))，每个半导体开关5与二极管6反并联连接。具有反并联二极管的每个半导体开关形成开关单元，由此每个半桥单元2因此包括两个这样的开关单元。每个单元2还包括与单元的两个开关单元并联连接的电容器3。单元2彼此连接的方式不是典型的，如图2所示。所有四个半导体开关5(每个单元2中有两个)都串联连接(如果四个半导体开关5都处于导通模式，则使图2中的电流可以经由所有四个串联连接的半导体开关5向下传导)，与四个半导体开关5中只有三个半导体开关串联连接的图1的电路相反。两个电容器3(每个单元2中有一个)也彼此串联连接，而不经由图1中的开关单元中的一个开关单元连接，并且与所有四个串联连接的半导体开关5并联。
图3示出了根据本发明的变换器1的镜像单元对的实施例。这里，变换器是具有半桥单元2的M2LC1，其中示出了变换器1中的任一个臂中的第一单元2a和第二单元2b。每个电容器3的额定平均电压为Uc。单元具有“镜像”配置，如关于图2所讨论的。具有电压Ub的能量存储器4(例如电池或超级电容器)和串联的平滑电感器L使用两个开关(第一开关S1和第二开关S2)连接在两个单元2a和2b之间。第一开关和第二开关可以是任何适当的类型，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或集成栅极换流晶闸管(IGCT)，并且不限于图中由部件符号表示的特定类型。跨能量存储器4和电感器L的平均电压为Us。能量储存器4因此具有在区间Uc和2Uc内的工作电压窗口。
能量存储器4在一端部处经由第一开关S1或经由第二开关S2连接到单元2，使得能量存储器4(在另一端部处也适当地连接到第二单元2b)连接在单元2a和单元2b的电容器3a和电容器3b上，或者仅连接在第二单元2b的电容器3b上。
如从图3的电路图推导出的，通过导通第一开关S1并且关断第二开关S2，Us＝2Uc。此外，通过关断第一开关S1并且导通第二开关S2，Us＝Uc。因此，通过导通第一开关S1并且关断第二开关S2，Us>Ub，能量存储器4正在充电，以及通过关断第一开关S1和第二开关S2，Us<Ub，能量存储器4正在放电。因此，当充满电时，能量存储器4需要具有Ub<2.0Uc的电压额定值，并且在放电时具有Ub>Uc的电压额定值。平均来说，通过让Us>Ub，于是能量存储器4充电，并且通过让Us<Ub，能量存储器4放电。这样，充电和放电可以在没有DC-DC变换器的情况下实现。通过第一开关S1和第二开关S2的脉宽调制(PWM)控制，可以控制能量存储器电流，并且可以从能量存储器电流过滤掉基波分量以及较高频率的AC分量。
因此，在本发明的一些实施例中，能量存储器4经由第一开关S1和第二开关S2连接成使得，当第一开关S1导通并且第二开关S2关断时，能量存储器4连接在第一单元2a和第二单元2b两者的电容器3a和电容器3b上，并且当第一开关S1关断并且第二开关S2导通时，能量存储器4连接在第二单元2b的电容器3b上而不连接在第一单元2a的电容器3a上。
此外，通过关断第一开关S1和第二开关S2两者，能量存储器4与变换器1的其余部分断开连接。这个工作模式可以用于例如故障保护。
根据图3的实施例，由于在镜像单元对的单元2a和单元2b之间连接一个能量存储器4，所以变换器1可以只有一半(与每个臂在臂内存在单元2数目相同)，或者少于一半的能量存储器4。
图4示出了根据本发明的变换器1的镜像单元对的另一个实施例。在本实施例中，在第一单元2a和第二单元2b之间引入电感Lp，与第一和第二单元2a、2b的串联连接的半导体开关5串联。如图4所示，第一单元2a和第二单元2b的所有四个半导体开关5彼此串联连接，并且在该串联内，电感Lp在一侧与该第一单元2a的两个半导体开关5连接，在另一侧与第二单元2b的两个半导体开关5连接。电感Lp可以是变换器1(单元2a和单元2b形成其一部分)的相脚的相电感的一部分，从而使其成为分布式相电感Lp，从而减少每个相脚对较大电感的需要。
因此，在本发明的一些实施例中，变换器1还包括连接在第一单元2a和第二单元2b之间的分布式相电感Lp，使得分布式相电感Lp在第一单元2a的半导体开关5和第二单元2b的半导体开关5之间，与第一单元和第二单元的串联连接的半导体开关5串联。
如图4所示，如果第一开关和第二开关两者都连接到电感Lp的第一单元2a侧，则在第一单元2a和第二单元2b之间使用分布式相电感Lp可以是特别有利的。不管第一开关S1和第二开关S2中的哪一个开关是断开的，能量储存器4都将与相电感Lp串联连接。于是，相电感Lp还可以用于平滑能量存储器4的电流，减少或去除对平滑电感Lb的需要(于是使平滑电感Lb成为可选的)。
图4还公开了对旁路开关7的使用，用于绕过第一单元2a的第一旁路开关和用于绕过第二单元2b的第二旁路开关7b。借助于旁路开关7a和7b，第一单元2a和第二单元2b中的一个或两个可以被绕过，而不绕过相电感Lp。于是，即使需要将单元2a和2b中的一个或两个单元与变换器1断开连接(例如，用于维护)或如果能量存储器4已经断开，相电感Lp也可以继续作为相电感的分布式部分工作。
因此，在本发明的一些实施例中，变换器1还包括与分布相电感Lp串联连接的至少一个旁路开关7a或7b，用于绕过第一单元2a和第二单元2b中的一个。
图5示出了根据本发明的变换器1的镜像单元对的另一个实施例。该实施例类似于图4的实施例，但是第二开关S2连接到相电感Lp的第二单元2b侧，由此(当第二开关S2接通时)，能量存储器4与相电感Lp并联连接。这是图4中的第二开关S2的备选连接，但是在这种情况下，平滑电感Lb可能仍然是需要的。
图6示出了根据本发明的变换器1的镜像单元对的另一个实施例。该实施例示出了通常与第一单元和第二单元的半导体开关5串联的、连接在第一单元2a和第二单元2b之间的AC电网。镜像单元对可以例如是BESS的M2LC变换器1的一部分。
图6的实施例还展示了使用开关来控制能量存储器4的第一端部和第二端部到单元2a和单元2b的连接。参考图3至图5讨论的用于控制能量存储器4的第一端部的第一开关和第二开关在这里称为第一上部开关S1U和第二上部开关S2U，而用于能量存储器的第二端部的附加开关被称为第一下部开关S1L和第二下部开关S2L。这些附加开关对于如何将能量存储器连接在两个单元2a和2b之间进一步引进了灵活性，仅连接在第一单元2a的电容器3a上，仅连接在第二单元2b的电容器3b上，连接在电容器3a和电容器3b两者上，或者不连接在电容器3a和电容器3b上。
此外，图6所示的实施例的拓扑结构允许能量存储器电压Ub低于电容器电压Uc，因为能量存储器4可以不连接在任何电容器3a和3b上(即Us被钳位到零)。
此外，图6示出了单元2a和单元2b与第一上部开关S1U、第二上部开关S2U、第一下部开关S1L和第二下部开关S2L一起可以基本上形成全桥单元。因此，在本发明的一些实施例中，第一单元2a和/或第二单元2b是全桥单元，并且第一开关S1和第二开关S2(或S1L和S2L)形成全桥配置的一部分。然而，能量存储器侧的开关S1U、S2U、S1L和S2L不必与(半)单元2a和2b的开关(例如，M2LC单元开关)的类型相同。
在图6的实施例中，在第一单元2a和第二单元2b之间未示出分布式相电感，但是在相脚的每个臂的端部处示出了第一相电感Lpa和第二相电感Lpb。
图7示出了根据本发明的变换器1的镜像单元对的另一个实施例。在该实施例中，两个单独的能量存储器4a和4b独立地连接在第一单元2a和第二单元2b之间。如图3至图5所示，第一能量存储器4a经由开关S1U和S2U连接成使得，第一能量存储器连接在第一单元2a和第二单元2b两者的电容器3a和电容器3b两者上，或者仅连接在第二单元2b的电容器3b上。类似地，第二能量存储器4b经由开关S1L和S2L连接成使得，第二能量存储器连接在第一单元2a和第二单元2b两者的电容器3a和电容器3b两者上，或者仅连接在第一单元2a的电容器3a上。
因此，在本发明的一些实施例中，变换器还包括连接在第一单元2a和第二单元2b之间的第二能量存储器4b。第二能量存储器4b可以经由第一下部开关S1L和第二下部开关S2L连接成使得，当第一下部开关S1L导通并且第二开关S2L关断时，第二能量存储器4b连接在第一单元2a和第二单元2b两者的电容器3a和电容器3b上，以及当第一开关S1L关断并且第二开关S2L导通时，第二能量存储器4b连接在第一单元2a的电容器3a上，而不连接在第二单元2b的电容器3b上。
以上参照几个实施例主要描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，如所附权利要求所限定的本公开的范围内的、与上述公开的实施例不同的其他实施例同样是可能的。

Claims (9)

1.一种多电平功率变换器(1)，包括至少一个相脚，所述相脚包括多个级联链式链路连接的单元(2)，每个单元包括电容器(3)和串联的两个半导体开关(5)，每个半导体开关(5)具有反并联连接的二极管(6)；
其中所述多个级联链式链路连接的单元(2)包括形成镜像单元对的第一单元(2a)和第二单元(2b)，使得所述第一单元和所述第二单元中的每个单元的两个半导体开关(5)都彼此串联连接；
所述变换器还包括第一能量存储器(4)，所述第一能量存储器(4)被连接成允许所述能量存储器借助开关(S1，S2)而连接到所述第一单元(2a)和所述第二单元(2b)的单元电容器(3)中的任一个或两者。
2.根据权利要求1所述的变换器，其中所述开关(S1，S2)包括第一开关(S1)和第二开关(S2)，并且其中所述能量存储器(4)经由第一开关(S1)和第二开关(S2)连接成使得：当所述第一开关(S1)导通并且所述第二开关(S2)关断时，所述能量存储器(4)连接在所述第一单元(2a)和所述第二单元(2b)两者的所述电容器(3a，3b)上，以及当所述第一开关(S1)关断并且所述第二开关(S2)导通时，所述能量存储器(4)连接在所述第二单元(2b)的所述电容器(3b)上，而不连接在所述第一单元(2a)的所述电容器(3a)上。
3.根据权利要求2所述的变换器，还包括连接在所述第一单元(2a)和所述第二单元(2b)之间的分布式相电感(Lp)，使得所述分布式相电感(Lp)在所述第一单元(2a)的半导体开关(5)和所述第二单元(2b)的半导体开关(5)之间，与所述第一单元和所述第二单元的串联连接的半导体开关(5)串联连接。
4.根据权利要求3所述的变换器，其中所述第二开关(S2)与所述分布式相电感(Lp)串联连接。
5.根据权利要求3或4所述的变换器，还包括与所述分布式相电感(Lp)串联连接的旁路开关(7)，用于绕过所述第一单元(2a)和所述第二单元(2b)中的一个单元。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的变换器，其中所述能量存储器(4)是电池或超级电容器。
7.根据权利要求2至4中的任一项所述的变换器，其中所述第一单元(2a)是全桥单元，并且所述第一开关(S1)和所述第二开关(S2)形成全桥配置的一部分。
8.根据权利要求2至4中的任一项所述的变换器，还包括第二能量存储器(4b)，所述第二能量存储器(4b)被连接成允许所述第二能量存储器连接到所述第一单元(2a)和所述第二单元(2b)的单元电容器(3)中的任一个或两者。
9.根据权利要求8所述的变换器，其中所述第二能量存储器(4b)经由第一下部开关(S1L)和第二下部开关(S2L)连接成使得：当所述第一下部开关(S1L)导通并且所述第二开关(S2L)关断时，所述第二能量存储器(4b)连接在所述第一单元(2a)和所述第二单元(2b)两者的所述电容器(3a，3b)上，以及当所述第一开关(S1L)关断并且所述第二开关(S2L)导通时，所述第二能量存储器(4b)连接在所述第一单元(2a)的所述电容器(3a)上，而不连接在所述第二单元(2b)的所述电容器(3b)上。
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