專利名稱：傳輸有功功率的功率電子電路裝置和方法
技術領域：
本發明涉及功率電子領域。本發明涉及根據權利要求1的前序部分地傳輸有功功率的功率電子電路裝置并涉及根據權利要求7的前序部分的運行該功率電子電路裝置的方法。
現有技術
如此的電路裝置例如公開于DE-A-196 15 855。該電路裝置具有一個第一變流器，其連接在具有第一耦合回路電容直流電壓源上并具有三個負載終端，以及具有第二變流器，其布置在負載終端和負載的交流電壓側的終端之間。以第二變流器中的一個至少一個第二耦合回路電容電壓或可能零伏可以同各自負載終端的電壓相加或相減。對此第二耦合回路電容電壓小于第一耦合回路電容電壓。由此在交流電壓側的終端上或者在負載上達到電壓的與第一耦合回路電壓相比較細的電壓級。通過第一變流器在預定電壓附近粗調整到一個電壓值，并且第二變流器通過脈寬調制調整到同預定電壓的剩余差值，在交流電壓側終端上調整預定的平均電壓。對此第二變流器比第一變流器快計時。分別借助于特有的換流器和公共的饋電變壓器對第二變流器饋電。在DE-A 197 20 787中指出一個方法，該方法避免能量從第二變流器的反饋，如此用于第二變流器饋電的相應換流器可以是純整流器，也就是不需要反饋并因此是成本低的。可是在二個引用的情況下第二變流器的饋電費用是必不可少的。
本發明的描述
本發明的任務是，建立開始所述形式的傳輸有功功率的功率電子電路裝置，其具有簡化的結構，以及建立運行該電路裝置的方法。
具有權利要求1的特征的傳輸有功功率的功率電子電路裝置和具有權利要求7的特征的運行該功率電子電路裝置的方法解決該任務。
傳輸有功功率的根據本發明的電路裝置具有第一變流器和至少一個第二變流器，其中這個至少一個第二變流器不具有特有的供給能量的單元。因此這個至少一個第二變流器除了到第一變流器的各自負載終端和到各自交流電壓側的終端的連接外不具有另外的終端或把有功功率或者有效能量傳輸到第二直流電壓級間耦合電路或從第二直流電壓級間耦合電路傳輸的單元。
由此取消了第二變流器饋電的開始提到的整流器，因此該電路裝置顯著簡化，變得成本更低并且更可靠。
在一個優選實施形式中根據本發明的電路裝置具有調整裝置用于公共調整至少一個第二變流器的至少一個耦合回路電容電壓和該電路裝置的交流電壓側終端的共態電壓以及按照這個調整裝置的輸出量控制第一變器和這個至少一個第二變流器的半導體開關的單元。
由此，雖然第二變流器與負載和與第一變流器交換有功功率，可是這個至少一個第二變流器和也許第一變流器的耦合回路電容的電壓的時間平均值能夠基本上保持恒定。
在本發明的一個另外的實施形式中在第一變流器的負載終端和分配的交流電壓側終端之間分別串聯一個第二變流器，其中該第二變流器分別二個二點逆整流器橋。第一變流器和第二變流器的耦合回路電容的額定電壓比例主要為2∶1或3∶1。因此可以以5至9級的分級調整在交流電壓側終端上的電壓，正如下面的表指出的
在本發明的一個另外優選的實施形式中在第一變流器的負載終端和分配的交流電壓側終端之間分別串聯一個第二變流器，其中這個第二變流器分別具有一個二點逆整流器橋和一個三點逆整流器橋。第一變流器和第二第二變流器的耦合回路電容的額定電壓比例主要為2∶1、3∶1、4∶1、5∶1。因此可以以7至15級的分級調整在交流電壓側終端上的電壓，正如下面的表指出的
在本發明的一個另外優選的實施形式中在第一變流器的負載終端和分配的交流電壓側終端之間分別串聯二個第二變流器，其中這些第二變流器分別具有二個二點逆整流器橋。因此能夠以7至最大27級的分級調整在交流電壓側終端上的電壓。第一變流器和第二變流器的耦合回路電容的額定電壓比例主要為4∶1∶1、5∶1∶1、6∶2∶1、7∶2∶1、8∶3∶1或9∶3∶1。
在根據本發明的方法中借助于一個公共調整裝置調整至少一個第二變流器的至少一個耦合回路電容的電壓和該電路裝置的交流電壓側終端的共態或共模電壓。在本發明的優選變體中公共調整也考慮第一變流器的耦合回路的電壓，特別是耦合回路的中性點電壓。公共調整在考慮到公共最優化判據的情況下影響已調整的電壓。
在本發明的一個優選變體中使已調整電壓與各自理論值的偏差的平方的加權和最小。
從屬權利要求中得出本發明的有益實施形式。
圖的簡短說明
下面根據優選的、在附圖中描述的實施例闡述本發明目標。
圖1與負載和饋電連接的根據本發明的電路裝置的電路圖2在第二實施形式中的第一變流器；
圖3在第二實施形式中的第二變流器；
圖4根據本發明的另外實施形式的每負載終端的二個第二變流器的串聯電路；
圖5與根據本發明電路裝置連接的根據本發明的調整裝置的調整示意圖6與根據本發明電路裝置的另外實施形式連接的根據本發明調整裝置的調整示意圖7按照根據本發明的電路裝置的相位的等效電路圖8換流器電壓的曲線；
圖9換流器橋的調制度的曲線。
在圖中應用的參考符號及其含義在參考符號表中概括列表。原則上在圖中相同部分具備相同的參考符號。
實施本發明的途徑
圖1指出了與負載和饋電連接的根據本發明的電路裝置。該電路裝置用于把有功功率從直流電壓側傳輸到至少二個交流電壓側終端10或反向傳輸。直流電壓側例如是第一直流電壓耦合回路3。其具有第一耦合回路電容電壓，第一正極32和第一負極33，并且通過整流器2、通常經過電源變壓器12、從電供網對這個直流電壓耦合回路饋電。整流器2主要是一個能夠反饋的換流器，也就是說其能夠把能量從第一整流電壓耦合回路3傳輸到供電網1中。在本發明的另外實施形式中整流器2是二極管整流器，也就是沒有反饋能力。
根據本發明的電路裝置包含一個第一變流器4，其連接在直流電壓源或者第一直流電壓耦合回路3上。第一變流器4是一個三點逆整流器、正如在圖1中指出的，或是一個二點逆整流器，比如在圖2中指出的。第一變流器4至少具有二個負載終端5。每負載終端第一變流器4主要具有一個總電流整流器橋41。如果第一變流器4是三點逆整流器，則第一直流電壓耦合回路3具有一個第一中性點31。借助于總電流整流器橋41有選擇地至少正的第一耦合回路電容電壓、負的第一耦合回路電容電壓與第一變流器4連接，或在三點逆整流器的情況下零伏置于每一個負載終端5上。
根據本發明的電路裝置包含至少一個第二變流器7，其具有一個帶有第二耦合回路電容電壓的第二直流電壓耦合回路71，其并聯于第一和第二換流器橋72、73。至少一個第二變流器7經過第一換流器橋72的第一橋終端6連接負載終端5中的一個上并且經過第二換流器橋73的第二橋終端8與交流電壓側終端10連接。
在本發明的有選實施形式中在第二橋終端8和分配的交流電壓側終端10之間分別連接一個正弦濾波器或濾波器9用于負載電流或者負載電壓的濾波。在交流電壓側終端10上連接一個負載11、例如一個電機。變流器或者其總電流整流器橋41、第一換流器橋72和第二換流器橋73具有半導體開關，例如IGCTs(集成柵極整流晶閘管)或IGBTs(絕緣柵極雙極晶體管)。
圖2指出在第二實施形式中的第一變流器4和第一直流電壓耦合回路3。對此第一變流器4是二點變流器并且耦合回路3是由一部分組成的。
圖3指出了在第二實施形式中的第二變流器7。在該實施形式中第二直流電壓耦合回路71是由二部分組成的，具有一個第二中性點74，第二換流器73作為三點逆整流器形成。第二變流器7的這個實施形式稱作2/3點變流器。因此有選擇地單一或加倍的第二耦合回路電容電壓或零伏可以同相應負載終端5的電壓相加或者相減。在一個另外的變體中第一換流器橋72也作為三點逆整流器形成。原則上二點和三點逆整流器的任意組合是可能的，特別是在DE-A-196 15 855中描述并要求的組合。
圖4根據本發明的另一個優選實施形式指出了每終端負載的二個第二變流器7a、7b的串聯電路。第二變流器7經過其第一橋終端6和第二橋終端8串聯。也就是第一個第二變流器7a的第一橋終端6與負載終端5連接，第一個第二變流器7a的的第二橋終端8與第二個第二變流器7b的第一橋終端6連接，第二個第二變流器7b的第二橋終端8與濾波器9或者交流電壓側終端10連接。原則上第二變流器7a、7b的不同上面描述的實施形式可以任意組合在一起，也就是說第一個第二變流器和第二個第二變流器是2點和/或3點和/或2/3點變流器。
借助于至少一個第二變流器(7)一個或多個
·正的第二耦合回路電容電壓，
·負的第二耦合回路電容電壓或
·零伏
可以同第一變流器(4)連接在其負載終端(5)上的電壓值可以相加。通過三點逆整流器加倍的第二耦合回路電容電壓附加也可以相加或者相減，相加的電壓位于第二橋終端8上或者位于相應的交流電壓終端10上。第二耦合回路電容電壓主要不同于第一耦合回路電容電壓，以便在交流電壓側終端10上允許一個較細的電壓分級作為第一變流器4的電壓分級。細分電壓分級的原理在開始提到的DE-A-196 15855或DE-A 197 20 787中闡述。通過第一變流器4形成輸出電壓的最大部分，也就是說在交流電壓側終端10上的電壓，該第一變流器緩慢計時鐘并且主要裝備IGCTs(集成柵極整流晶閘管)。第一變流器4的開關頻率總計至少大約50至300Hz，第二變流器7的開關頻率總計至少大約300至1000Hz。輸出電壓的基頻總計為例如0至60或300Hz。
在根據圖1的布置的第一直流電壓耦合回路3的示范配置中，該配置具有2kV的第一變流器4的額定耦合回路電容電壓和1kV的第二變流器7的額定耦合回路電容電壓，根據下面的表在一個交流電壓側終端10上得出關于第一中性點31的合成電壓。“額定耦合回路電容電壓”的概念表示在耦合回路電容上的電壓，并且為附屬換流器設計的。在二點逆整流器的情況下這是在耦合回路上的整個電壓，在三點逆整流器或者具有二個電容和一個中性點的耦合回路的情況下這是在耦合回路上整個電壓的一半。
對此在第一直流電壓耦合回路3和第二直流電壓耦合回路71的額定電壓之間的電壓比為2∶1。因此合成的電壓可以支配7級。該設計是冗余的，因為一方面不同的開關組合導致同樣的合成電壓。下面具有3∶1電壓比的布置沒有冗余并且具有新的轉換級
由于較高數目的開關級或者較細的電壓分級優選不冗余的布置。
在根據本發明的電路裝置的運行中，第二變流器7不僅與負載11而且也與第一變流器4交換有功功率。根據本發明第二變流器7不具有用于給第二變流器7供應能量或者用于從第二變流器7取電能的單元。也就是除了第一橋終端6和第二橋終端8外第二變流器不具有另外終端或用于傳輸有功功率到第二直流電壓耦合回路71或從第二直流電壓耦合回路71傳輸有功功率的單元。可是如果第二變流器7總共輸出較多的能量或者有功功率給負載11和/或第一變流器4，則其第二耦合回路電容電壓下降。相反如果第二變流器7從負載11和/或第一變流器4吸收全部能量，則第二耦合回路電容電壓上升。
根據本發明在第一變流器4和第二變流器7之間如此調整有功功率的交換，即已調整的電壓、也就是說耦合回路的電容的電壓、幾乎保持恒定。公共的調整、也就是說所有變流器4、7的公共調整對此檢測已調整的電壓并且協調一致地控制變流器4、7，如此滿足疊加變流器4、7的最佳化判據。因此根據本發明改變或者調整交流電壓側終端10的共態電壓是可能的。
如果第一變流器4是三點變流器，則第一直流電壓耦合回路3具有第一中性點31。例如通過整流器2調整第一直流電壓耦合回路3的總電壓或在應用二極管整流器的情況下沒有調整基本上保持恒定。可是第一中性點31的中性點電壓也必須幾乎保持恒定。在根據本發明的變體中因此也以同樣的方式調整第一耦合回路的中性點電壓，也就說作為已調整的電壓包含在公共的調整中。
“耦合回路電容電壓”的概念表示在運行中在耦合回路電容上存在電壓的實際值。該值或者與耦合回路的一半或者與整個耦合回路一致。具有中性點的耦合回路的中性點電壓和總電壓二者同樣稱作耦合回路電容電壓。“已調整的電壓的概念”包含已調整的耦合回路電容電壓和已調整的共態電壓。
下面的表指出具有根據圖3的2/3點變流器可支配的電壓級
對此在第一直流電壓耦合回路3和第二直流電壓耦合回路71的額定電壓之間的電壓比為5∶1。表指出了15個轉換級并且沒有冗余。在4∶1的電壓比的情況下存在13個不同級(2個冗余級)并且在3∶1的電壓比的情況下存在11個不同的級(4個冗余級)。
如果串聯的第二變流器7具有同樣的額定耦合回路電容電壓，則在每負載終端5二個第二變流器7串聯的情況下可以轉換象具有一個單獨的根據圖3的2/3點變流器一樣相同的電壓級。
如果串聯的第二變流器7的額定耦合回路電容電壓不同，則直到27個轉換級是可能。下面的表對于本發明的優選實施形式依賴于第一變流器4(Ucm)、第一個串聯的第二變流器7(Ucs2)和第二個串聯的第二變流器7(Ucs2)的額定耦合回路電容電壓的電壓比給出了轉換級數目
不僅在第二變流器7中三點逆整流器的應用而且多個第二變流器7的串聯電路允許在交流電壓側終端10上與第一變流器的電壓分級相比更細的電壓分級。在任何情況下通過公共調整裝置調整第二變流器7的各個電容。
概括起來公共調整裝置調整已調整的電壓，也就是說第二變流器7以及也許第一變流器4的耦合回路電容的電壓，特別是中性點電壓。為此通過適當的電壓測量儀器確定已調整電壓的測量值。
圖5指出了與根據圖1的根據本發明的電路裝置連接的根據本發明的調整裝置的調整示意圖。根據本發明的公共調整裝置功能如下布置在上面的負載調整裝置52檢測第一直流電壓耦合回路3的耦合電容的一個或多個耦合回路電壓值56以及在交流電壓側終端10上的輸出電壓值53。布置在上面的負載調整裝置52為耦合回路電壓調節器51預先確定負載電壓理論值55，這些值有聯系地相互必需處于交流電壓側終端10上，以便以所希望的方式控制負載11、其特別是一個傳動馬達。通過預先確定在交流電壓側終端10上的輸出電壓在根據本發明電路裝置的非冗余設計的情況下明確給出變流器的開關的控制或者第二變流器7的脈寬調制的調制度。
根據本發明在耦合回路電壓調節器51中對于每個相位一個公共的、所謂共態電壓同負載電壓理論值55相加，以便影響在換流器之間的有功功率流或者影響耦合回路電容的已調整電壓。負載電壓理論值55和共態電壓的和叫做修改的負載電壓理論值。根據修改的負載電壓理論值在耦合回路電壓調節器51中確定第一變流器4的調制度并且確定第二變流器7的調制度57，如此在交流電壓側終端10上出現修改的負載電壓理論值。為此測量第一變流器4和第二變流器7的所有耦合回路電容電壓并且在耦合回路電壓調節器51中共同進行處理。
應用下面的概念最大換流器輸出電壓等于串聯的第一和第二變流器的耦合回路電容電壓的和。調節系數對于整個換流器的穩定工作點等于在實際換流器輸出電壓和最大換流器輸出電壓之間的比，其中輸出電壓基波幅度看作實際的換流器輸出電壓。以0至100％的百分比給出調節系數。調制度是在瞬時換流器輸出電壓和最大換流器輸出電壓之間的比。對于相電壓的瞬時值、對于完整換流器或對于部分換流器定義調制度并且具有在-1和+1之間的值。
共態電壓基本上不影響負載11。可是共態電壓應當是盡可能小的并且非常緩慢地改變，以便此外降低與地電位相比電機饒組的電壓負荷。對于負載11的特性僅僅在交流電壓側終端10上的電壓差是有決定性，也稱作“差動模式”。
由于這個原因共態電壓提供在負載11的控制中的自由度。根據本發明利用這個自由度，以便影響在換流器和耦合回路電容電壓之間的負載流。對此不可以控制耦合回路電容電壓的瞬時值，而是能夠僅僅調整在輸出電壓的基波周期內每個耦合回路電容電壓的時間平均值。也不可能達到100％的滿調節系數，因為為此串聯的第一和第二變流器4、7必須輸出持續的能量。作為最大的調節系數可以達到大約82％的值(輸出電壓的幅度與串聯的第一和第二變流器4、7的耦合回路電容電壓的和的比)。
共態電壓依賴于該電路裝置的各自工作點影響耦合回路電容的已調整的電壓。公共調整裝置、其主要是取樣控制、因此具有第一和第二變流器4、7的數學換流器模型。該模型依賴于共態電壓和另外的設備量、也就是說預定的負載電壓和每相位主要測量的負載電流、表明耦合回路電容電壓的改變j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(1)j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(2)
其中[k]表示在取樣控制的第k個時刻的量的值。估算或者計算的值與測量的或預先確定的值相比以同例如
中一樣的屋脊符號標記。j∈{Cnp，Ca、Cb、Cc}是關于具有已調整的耦合回路電容電壓的考慮的容量的索引，Cnp特別涉及在第一中性點31上的電壓，并且Ca、Cb、Cc涉及以a、b、c表示的相位的第二直流電壓耦合回路71的電容的電壓。Cnp等于第一直流電壓耦合回路3的二個電容的和。
◆uh 一個變量，其覆蓋共態電壓的所有可能的值
uh、min...uh，max」，
預先確定的負載電壓的矢量，
負載電流的矢量，
在考慮的電容中估算的電流的矢量，
◆Cj考慮的電容的矢量，
◆Uj考慮的電容的電壓的矢量，
Uj的估算值，
Uj的已估算的時間導數
◆△t取樣時間步驟的持續時間。
從uh[k]和 和 中
的確定包含換流器模型的主要部分。以下面的方式根據換流器理想化考慮獲得該模型
圖7對于根據圖1的電路裝置指出了整流器2、第一直流電壓耦合回路3、第一變流器4和第二變流器7中一個第二變流器的理想化等效電路圖。在等效電路中換流器橋作為開關或選擇開關模型化，第一直流電壓耦合回路3的二個耦合回路電容組合為第一中性點31的等效電容cnp。第一直流電壓耦合回路3的正的或者負的耦合回路電壓為+uCm或者-uCm，第一中性點31的電壓為+uCnp。以具有調制度Sm的脈寬調制控制總電流整流器橋41的開關。調制度Sm采用在+1和-1之間的值，其中在第一變流器4的考慮的負載終端5上的電壓對于Sm＝+1等于+uCm，對于Sm＝-1等于-uCm。對于位于中間的Sm的值線性插入um的相應值。
以調制度Ss控制具有耦合回路電容電壓uCs的第二變流器7。調制Ss采用在+1和-1之間的值，其中在第二變流器7的第一橋終端6和第二橋終端8之間的電壓us對于Ss＝+1等于+uCs，對于Ss＝-1等于-uCs。調制度S；由第一換流器橋72的調制度Ssn和第二換流器橋73的調制度Ssp組成，其中
Ss＝(Ssp-Ssn)/2原則上在給出的調制度Ss的情況下對于Ssp和Ssn可以選擇任意值，其滿足上面的等式。可是主要選擇Ssn＝-Ssp。由此有規律地分配反向和正向損耗。
脈寬調制的載頻顯著大于該電路裝置的輸出電壓的基頻，如此換流器可以作為連續裝置模型化，正如在IEEE，2000，功率電子專家會議的記錄匯編的M.Veenstra和A.Rufer的文章“多電平電壓源變換器的PWM-控制”第三卷1387-1393頁中描述。
圖8指出了對于第一變流器4和相應第二變流器7的變化的調制度單個相位的換流器電壓曲線。其中uph是在相應第二橋終端8上的電壓，也就是第一變流器4的電壓值um，ph和第二變流器7的電壓值us，ph的和。上述電壓的附加的下標ph表明，涉及確定相位的值。給出的電壓與從上述具有電壓比為3∶1、具有新轉換級的布置的表中形成的這樣一個電壓，其按4kV的最大合成電壓標準化。用正方形標記第一變流器4的電壓的表值，用圓形標記第二變流器的電壓的表值并且用叉標記總和電壓的表值。通過線性插值確定在表值之間的電壓曲線。
圖9指出了用于產生根據圖8的換流器電壓的換流器橋的調制度曲線。其中也描述了第一中性點31的調制度Snp的曲線。Snp定義為相對時間的頻率，以該頻率第一中性點31連接在負載終端5上。因此Snp直接依賴于Sm。不同相位的Snp的值結合為一個矢量
圖8和9的曲線明確體現了這種關系，給在第二橋終端8上或者在交流電壓測終端10上電壓的每個值uph分配一對第一和第二變流器4、7的電壓值um，ph、us，ph以及三個調制度Sm、Ss、Snp。根據這些調制度在第k個考慮的時刻在考慮的耦合回路電容中的已估算電流Ij被確定為
等式(3)表明，等效電容的電流等于負載電流關于各自負載電流的相位分別與第一中向點31的調制度Snp相乘的和。等式(4)表明，對于三相系統的每個相位a、b、c從相位的負載電流iph與該相位的第二變流器7的調制度相乘Ss，ph中確定相關相位的第二變流器7的耦合回路電容的電流。
在等式2和5中應用k+1，因為對此涉及下一個取樣時刻的電容電壓的語言。在等式3和4中應用k，因為涉及在這個取樣時刻測量并計算的電流和要調節的調制度。可是等式3和4中的這個值在直到下一個取樣時刻的時間間隔內不或不顯著改變。類似地適合于等式6-9。
已調整耦合回路電容電壓與預先確定、主要恒定的理想值Uj，ref的偏差為j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(5)
通過調整盡可能小地保持這個電壓偏差。同樣應當盡可能小地保持共態電壓和共態電壓的時間變化uh。uh＝uh[k] (6)
為此通過上述偏差的平方和形成費用函數j∈{Cnp，Ca，Cb，Cc}(8)
加權系數kuh和kduh改變共態電壓的偏差或者與已調整的電壓的偏差相比其改變的權。選擇這樣的共態電壓，其使費用函數最小
為了使費用函數最小應用已知的最小化方法。如此的方法例如在The Mathworks等等的數學軟件包MATLABTM的最佳化“工具箱”中實現。
在最佳化中選擇這樣的共態電壓，其使已調整電壓與各自理論值的偏差的平方的加權和最小。加權系數kuh和kduh是這樣的，耦合回路電容電壓在時間平均值內被調整到主要恒定的值并且允許例如最大接近30％的最大換流器電壓的共態電壓的改變。
在實際運行中電容電壓的瞬時值的波動為直到接近10％的各自電容的額定電壓。
根據本發明的方法具有下面的步驟
a)通過布置在上面的調整裝置52、59預選確定 。
b)測量 ，
c)依賴于共態電壓和另外設備量通過在第一取樣時刻取樣調整的換流器模型預言已調整的耦合回路電容電壓的改變。為此通過等式(1)確定
1.通過最佳化方法預先確定uh[k]，
2. 和 相加，對于每個相位從中得出仿真輸出電壓uph，
3.對于每個相位按照根據圖8和9的關系是確定調制度Sm、Ss、Snp，
4.根據等式(3)和(4)確定在考慮的耦合回路電容中已估算的電流
5.根據等式(1)確定Uj的已估算的時間導數
6.根據等式(2)確定Uj和新估算的值 的改變 ·Δt。
d)借助于最佳化確定共態電壓，其在至少一個最近的取樣時刻使根據等式(5-8)的費用函數最小。對此重復執行步驟c)，其中通過最佳化方法改變uh[k]。
e)在步驟d)中確定的最佳共態電壓同交流電壓測終端10的預先規定用于負載控制的負載電壓理論值55、58相加，由此得出各自交流電壓測終端10的修改的負載電壓理論值，
f)根據這個修改的負載電壓理論值控制或者調整第一變流器4和至少一個第二變流器7。
如果該電路裝置不具有冗余開關狀態，則通過根據本發明的調整裝置已調整的電壓在理論值周圍波動。對此調整裝置在基波周期中使電壓的平均值穩定并且使電壓波動的幅度最小，這對于該電路裝置的運行是足夠的。波動的幅度依賴于各自電容的值和傳輸的有功功率。例如在一個具有1.4MVA、3或者1kV電容電壓、電壓比為3∶1和新轉換級的換流器的情況下，其中第一直流電壓耦合回路3的電容總共為775微法并且各個第二變流器7的電容每個為4650微法，得出中性點電壓和第二變流器7的耦合回路電容電壓的波動分別最大為其額定值的10％。對此第一直流電壓耦合路3的儲能器容量總共為5Ws/kVA，并且所有第二變流器7的儲能器容量總共同樣為5Ws/kVA。共態電壓的變化最大為大約30％的最大換流器輸出電壓。
根據本發明的電路裝置適合于新的設備，可是也適合于現存傳動裝置的補充。為了使傳動裝置避免較高的共態電壓例如通過噴涂電暈屏蔽改善饒組頂部絕緣。
在負載的頻率低于額定頻率的情況下以已知的方式在電極的饋電中負載電壓的幅度也下降。當在交流電壓側終端10上的這種較低電壓的情況下耦合回路電容電壓的調整變得較難。在這種情況下考慮調整的最佳化或者通過而或多和取樣步驟預言換流器特性。對此費用函數包含在每個取樣步驟中考慮的偏差的平方和。從模型預測調整(“模式預測控制”)領域已知相應的最佳化方法。
在本發明的一個優選變體中費用函數也具有至少一個考慮的電壓偏差之一的時間積分的項。因此消除了相應電壓與其理論值的固定偏差。
對于該電路裝置的另外變體按意義匹配根據本發明的方法。例如如果第一變流器4是一個二點變流器，則取消費用函數的項
在本發明的另外實施形式中，在電供網1和第一直流電壓耦合回路3之間布置根據本發明的電路裝置，并且主要用作為能反饋的整流器用于第一直流電壓耦合回路3的饋電。在這種應用中公共調整裝置調整第一耦合回路的總電壓代替負載工作點。負載電流
相當于其網絡電流，代替在布置在上面的負載調整裝置52使用網絡方面的調整裝置59。
圖6指出了結合這個另外實施形式的根據本發明的調整裝置的調整示意圖。用另一個第一變流器4′和另一個第二變流器7′代替整流器2和網絡變壓器12。這個另外的第二變流器7′的交流電壓側終端10連接在沒有變壓器的電供網1上。借助于這個另外的第一變流器4′的一個另外的調制度54′或者這個另外的第二變流器7′的調制度57′控制這個另外的第一和第二變流器4′、7′。通過一個另外的耦合回路電壓調節器51′根據網絡方面的輸出電壓理論值58產生這些調制度，還是通過網絡方面的調整裝置59產生這些調制度。網絡方面的調整裝置59根據測量的耦合回路電壓值56和網絡電壓值60確定網絡方面的輸出電壓理論值58。網絡方面的調整裝置可以不影響網絡電壓而是控制在第一直流電壓耦合回路3中的功率流，如此其總電壓基本上保持恒定。
電供網1具有恒定的電壓和頻率，二者與結合另外的第二變流器7′的另外第一變流器4′的額定工作點一致。也就是二者始終至少接近于該工作點運行，其中通過另外的耦合回路電壓調節器51′網絡方面的共態電壓可以保持為非常小，例如保持在最大5％的最大換流器輸出電壓。
測量另外的第一變流器4′和另外的第二變流器7′的主要所有耦合回路電容的電壓并且在另外的耦合回路電壓調節器51′中共同進行處理。
如果在電供網1和第一直流電壓耦合回路3之間布置該電路裝置，則交流電壓側終端10的電壓的頻率與一個恒定的網絡頻率一致。在這種情況下共態電壓是非常小的，也就是說最大接近5％的最大換流器控制。
概括起來耦合回路電壓調節器51調整第一直流電壓耦合回路3的中性點電壓、第二變流器7的耦合回路電容電壓和在負載11上的共態電壓，另外的耦合回路電壓調節器51′調整第一直流電壓耦合回路3的中性點電壓、另外的第二變流器7′的耦合回路電容電壓和關于網絡1的共態電壓。
對于第一直流電壓耦合回路3的中性點電壓的調整存在不同的可能性
1. 第一直流電壓耦合回路3具有二個獨立的、也就是說非連接的中性點，其中一個中性點在網絡側上，一個在負載側上。正如在二極管整流器中一樣僅僅經過第一正極32和第一負極33傳輸功率。每一側調整其特有的中性點電壓。
2. 僅僅二側中的一側調整公共的中性點電壓，另一側不在最佳化時考慮該電壓。
3. 二側考慮中性點電壓并且嘗試該電壓不能偏離其理論值太遠。例如在具有降低權的二個最佳化中考慮中性點電壓，因此不顯著調整中性點電壓。例如對于二側權是不同的。
4. 該電路裝置具有一個總的耦合回路電壓調節器，其在把所有耦合回路電壓和圖5的完整電路裝置的二個共態電壓考慮進去的情況下使費用函數最小。
以根據圖5的本發明的另外實施形式能夠使用沒有網絡變壓器的電路裝置，這表明較大的簡化。理所當然根據本發明的電路裝置也用作僅僅具有直流負載和沒有負載方面的電路裝置4、7的網絡方面的電路裝置7′、4′、3。
如果第二變流器7含有三點逆整流器和/或如果每相位多個第二變流器7串聯，則對于每個附加電容或者每個已調整的電壓費用函數相應包含至少一個附加項。
如果該電路裝置具有冗余，則最佳化也考慮冗余的開關狀態。因為對此換流器的唯一控制不明確對應于預先確定的共態電壓，所以進行多維優化。也就是說優化不僅改變共態電壓而且也改變冗余的開關狀態。對此優化不僅降低共態電壓而且也降低開關過程的次數，也就是半導體開關的閉合或斷開過程。原則上對此由于冗余的開關狀態可以顯著降低共態電壓和/或降低考官過程的辭書。為了使開關損耗最小，在本發明的一個優選變體中使開關過程的次數最小并且能夠改變共態電壓。參考符號表
1 電供網
2 整流器
3 第一直流電壓耦合回路
4 第一變流器
4′另一個第一變流器
5 第一變流器的負載終端
6 第一橋終端
7 第二變流器
7′另一個第二變流器
7a 第一個第二變流器
7b 第二個第二變流器
8 第二橋終端
9 濾波器
10 交流電壓側終端
11 負載
12 網絡變壓器
31 第一中性點
32 第一正極
33 第一負極
41 總電流整流器橋
51 耦合回路電壓調節器
51′另一個耦合回路電壓調節器
52 布置在其上面的負載調整裝置
53 輸出電壓值
54 第一變流器的調制度
54′另一個第一變流器的另外的調制度
55 負載電壓理論值
56 耦合回路電壓值
57 第二變流器的調制度
57′另一個第二變流器的另外的調制度
58 網絡方面的輸出電壓理論值
59 網絡方面的調整裝置
60 網絡電壓值
71 第二直流電壓耦合回路
72 第一換流器橋
73 第二換流器橋
74 第二中性點
權利要求
1. 把有功功率從直流電壓側傳輸到至少二個交流電壓側終端(10)或反向傳輸的功率電子電路裝置，包含一個第一變流器(4)，其連接在具有第一耦合回路電容電壓的直流電壓源上，并且具有至少二個負載終端(5)，并且至少包含一個第二變流器(7)，其連接在負載終端(5)的一個上并且與交流電壓側終端(10)連接，其具有一個第二耦合回路電容電壓，其中借助于第二變流器(7)一個或多個正的第二耦合回路電容電壓、負的第二耦合回路電容電壓或零伏可以同第一變流器(4)在其負載終端(5)上連接的電壓值相加，其特征在于，至少一個第二變流器(7)不具有特有的單元用于饋給能量。
2. 按照權利要求1的電路裝置，其特征在于，該電路裝置具有一個調整裝置(51、51′)用于公共調整至少一個第二變流器(7)的至少一個耦合回路電容電壓和該電路裝置的交流電壓側終端(10)的共態電壓以及具有用于按照這個調整裝置(51、51′)的輸出值控制第一變流器(4)和至少一個第二變流器(7)的半導體開關的單元。
3. 按照權利要求2的電路裝置，其特征在于，形成調整裝置(51、51′)用于調整第一變流器(4)的耦合回路電容電壓。
4. 按照權利要求2或3的電路裝置，其特征在于，形成調整裝置(51、51′)用于使已調整的耦合回路電容電壓、共態電壓和共態電壓的時間改變與各自理論值的偏差的平方的加權和最小化。
5. 按照權利要求2或3的電路裝置，其特征在于，調整裝置具有一個換流器模型用于依賴于共態電壓和另外的設備量預言已調整的耦合回路電容電壓。
6. 按照權利要求1的電路裝置，其特征在于，在負載終端(5)和交流電壓側終端(10)之間分別串聯二個第二變流器(7)，其中每個第二變流器(7)經過第一換流器橋(72)的第一橋終端(6)和經過第二換流器橋(73)的第二橋終端(8)連接并且具有一個帶有第二耦合回路電容電壓的第二直流電壓耦合回路(71)，其并聯于第一和第二換流器橋(72、73)。
7. 借助于功率電子電路裝置把有功功率從直流電壓側傳輸到該電路裝置的至少二個交流電壓側終端(10)或反向傳輸的方法，其中
a)借助于第一變流器(4)、其連接在具有第一耦合回路電容電壓的直流電壓源上、在第一變流器(4)的至少二個負載終端(5)的每一個上連接一個分配的電壓值，
b)借助于至少一個第二變流器(7)、其連接在一個負載(5)上、與一個交流電壓側終端(10)連接并且具有一個第二耦合回路電容電壓、一個或多個正的第二耦合回路電容電壓、負的第二耦合回路電容電壓或零伏同負載終端(5)的電壓值相加，
其特征在于，
c)借助于公共調整裝置調整至少一個第二變流器(7)的至少一個耦合回路電容電壓和該電路裝置的交流電壓側終端(10)的共態電壓，和
d)按照該調整裝置(51、51′)的輸出值控制第一變流器(4)和至少一個第二變流器(7)的半導體開關。
8. 根據權利要求7的方法，其特征在于，公共調整裝置調整第一變流器的耦合回路電容電壓。
9. 根據權利要求7或8的方法，其特征在于，使費用函數最小，該費用函數是已調整的電壓與各自理論值的偏差的平方的加權和，如此已調整的耦合回路電容電壓在時間平均值內基本上調整到恒定的值，并且允許共態電壓的改變。
10. 根據權利要求7或8的方法，其特征在于，使費用函數最小，該費用函數是已調整電壓與各自理論值的偏差的平方的加權和，如此已調整的耦合回路電容電壓在時間平均值內基本上調整到恒定值并且使共態電壓的改變最小。
11. 根據權利要求9的方法，其特征在于，執行下面的步驟
a)依賴于共態電壓和另外設備量通過在第一取樣時刻的取樣調整的換流器模型預言已調整的耦合回路電容電壓的變化，
b)借助于最佳化確定共態電壓，其在至少一個最近的取樣時刻使費用函數最小，
c)共態電壓同交流電壓測終端(10)的預先規定用于負載控制的負載電壓理論值(55)相加，由此得出各自交流電壓側終端(10)的修改的負載電壓理論值，
d)根據這個修改的負載電壓理論值控制或者調整第一變流器(4)和至少一個第二變流器(7)。
全文摘要
把有功功率從直流電壓側傳輸到交流電壓側終端的電路裝置具有一個帶有負載終端的第一變流器，在該負載終端上分別串聯具有較小耦合回路電容電壓的第二變流器。由此在交流電壓側終端上能夠達到總和電壓的較細電壓分級。根據本發明第二變流器沒有用于饋給有效能量的單元。由此取消了目前應用的、用于第二變流器饋電的整流器。在根據本發明的方法中借助于公共的調整裝置調整變流器的耦合回路電容的電壓和該電路裝置的交流電壓側終端的共態電壓。雖然第二變流器與負載和與第一變流器交換有效能量，可是耦合回路電容電壓特別基本上保持恒定。為此根據換流器模型預先計算耦合回路電容電壓的變化并且如此選擇共態電壓，使耦合回路電容電壓與各自理論值的偏差的平方的加權和最小。
文檔編號H02M7/48GK1396700SQ0211843
公開日2003年2月12日 申請日期2002年4月25日 優先權日2001年4月25日
發明者P·施泰默, M·溫斯特拉 申請人:Abb瑞士有限公司