用于ac系統的轉換器的制造方法

用于ac系統的轉換器的制造方法
【專利摘要】本公開涉及用于AC系統的轉換器裝置(1)。轉換器裝置包括：相臂，包括第一子轉換器(2a)、第二子轉換器(2b)以及配置用于將第一和第二子轉換器與相線A連接的IPT接口(3)；以及連接到第一和第二子轉換器的至少一個DC母線(5)。第一子轉換器與第二子轉換器并聯連接在DC母線和IPT接口之間。第一和第二子轉換器中的每一個包括：連接到IPT接口并且包括彼此串聯連接的多個轉換器單元(8)的鏈式鏈節轉換器(6)、以及連接到DC母線并且與鏈式鏈節轉換器串聯連接的公共DC鏈路多電平轉換器(7)。
【專利說明】
用于AC系統的轉換器
技術領域
[0001]本公開涉及用于AC系統的轉換器裝置。轉換器裝置包括公共DC母線以及用于連接至IJAC相線的相位間變壓器(IPT)接口。
【背景技術】
[0002]多電平轉換器在許多高功率應用中被發現，其中在該系統中存在中到高電壓電平。由于其設計，多電平轉換器共享系統電壓(線間電壓或相電壓)，消除了對器件的串聯連接的需要。這些轉換器可以以各種公知的拓撲以三角或Y型連接。這些拓撲(及其變形)可以用于高壓直流(HVDC)和靈活交流傳輸系統(FACTS)應用。
[0003]由于模塊化多電平轉換器(也稱為鏈式鏈節變換器)的高效率、模塊化和可擴展性及其產生具有低諧波量的電壓波形的能力(這有效地減少了對大的交流(AC)濾波器的需要)，而經常使用模塊化多電平轉換器(也稱為鏈式鏈節變換器)。若干模塊化多電平轉換器拓撲存在，例如M2LC(也稱為MMLC和MMC)，特別是在靈活交流傳輸系統(FACTS)應用、高電壓直流(HVDC)應用中，而且在電機驅動器中等。
[0004]在轉換器的各種替代方案之間的選擇中的兩個主要參數是成本和損耗。兩個參數與在轉換器中使用的硅的總面積相關，這受到電壓和電流額定值的影響。除了轉換器的穩態均衡操作，設計者必須考慮到在三相系統中的不平衡。這種不平衡產生了需要通過轉換器補償的負序電流和電壓。凈效應是指由于需要被注入零序電流或電壓以補償不平衡狀況，閥的電流額定值(或單元的總數)將增加。這種較高數目的單元的導致較高的成本和較尚的損耗。
[0005]與負序狀況相關聯的較高的成本和較高的損耗的問題可以通過針對FACTS應用將一定程度的并聯化包括在多電平轉換器配置中來減輕。并聯連接的子轉換器提供促進在轉換器中的相位間的能量交換的公共存儲元件。這減少了轉換器中的總存儲能量，并且避免由于零序電壓或電流而導致的過額定。
[0006]電氣和電子工程師協會(IEEE)的Javier Chivite-Zabalza等人的文章“A largepower,low-switching frequency Voltage Source Converter for FACTS applicat1n”公開具有并聯3電平(3-L)中性點鉗位(NPC)逆變器的轉換器。該轉換器組合共享公共直流(DC)母線的四個三相3-L NPC逆變器。12個得到的轉換器極通過相位間變壓器(IPT，有時也被稱為單元間變壓器ICT)組合在并聯對中，以獲得兩組三相系統。該拓撲的問題是需要中間變壓器獲得所需要的電壓，并且中間變壓器對轉換器裝置增加了明顯的成本，特別是在連接電壓通常低得足以避免變壓器連接的工業應用中。該拓撲的另一缺點是，其需要級聯中間變壓器的串聯連接，以進一步增加輸出電壓。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是以降低的成本提供改進的轉換器拓撲。
[0008]根據本發明的一個方面，提供了一種用于AC系統的轉換器裝置。該轉換器裝置包括至少一個相臂，該相臂包括:第一子轉換器(2a)、第二子轉換器、配置用于將第一和第二子轉換器與AC系統的相線連接的IPT接口、以及連接到第一和第二子轉換器的至少一個DC母線。第一子轉換器與第二子轉換器并聯連接在至少一個DC母線和IPT接口之間。第一和第二子轉換器中的每一個包括:鏈式鏈節轉換器，其被連接到IPT接口并且包括彼此串聯連接的多個轉換器單元，以及連接到至少一個DC母線并且與鏈式鏈節轉換器串聯連接的公共DC鏈路多電平轉換器。
[0009]通過使用多個并聯子轉換器，其中的每一個包括多個模塊化轉換器單元，例如與僅使用NPC逆變器相比，對IPT的輸出電壓可以增加，而通過單元開關的電流可以保持下降。另外，經由IPT接口連接子轉換器允許具有公共DC鏈路的相臂之間的電流共享，并且允許疊加每個子轉換器的電壓波形并且因此組合每個子轉換器的諧波性能以實現較高的有效開關頻。
[0010]通常，權利要求中使用的所有術語將根據其在本技術領域中的普通含義來解釋，除非本文另有明確定義。對“一 /該元件、裝置、組件、手段、步驟等”的所有引用都將被開放地解釋為指元件、裝置、組件、手段、步驟等中的至少一個實例，除非明確說明。本文所公開的任何方法的步驟不必以所公開的確切順序來執行，除非明確聲明。對于本公開的不同特征/組件使用“第一”、“第二”等僅意在將特征/組件與其他類似地特征/組件相區分，而不是對特征/組件基于任何順序或層級。
【附圖說明】
[0011 ]將參考附圖，通過示例的方式描述實施例，在附圖中:
[0012]圖1是根據本發明的轉換器裝置的實施例的相臂的示意性電路圖。
[0013]圖2是根據本發明的轉換器裝置的另一實施例的相臂的示意性電路圖。
[0014]圖3是根據本發明的轉換器裝置的三相實施例的示意性電路圖。
[0015]圖4是根據本發明的轉換器裝置的另一三相實施例的示意性電路圖。
【具體實施方式】
[0016]現在下文中將參考附圖來更全面地描述實施例，在附圖中示出的特定實施例。然而，在本公開的范圍內，許多不同形式的其他實施例是可能的。相反，通過示例的方式提供了以下實施例，使得本公開將是全面和完整的，并且將對本領域技術人員充分傳達本公開的范圍。在本說明書中，相同的附圖標記指代相同的元件。
[0017]根據本發明，在消除對中間變壓器的需要(或減少級聯中間變壓器的數目)的同時使用IPT。替代地，各種其他多電平轉換器可以用于IPT的輸入。
[0018]圖1是總體上圖示本發明的轉換器裝置I的實施例的示意性框圖。轉換器裝置I包括并聯的子轉換器2。在圖1的實施例中，存在兩個子轉換器，第一子轉換器2a和第二子轉換器2b。子轉換器2被并聯連接在IPT接口 3(在本實施例中包括單個IPT)和公共DC母線5之間。DC母線5由DC電源供電，例如能量存儲4，諸如包括電容器、電池或超級電容器。公共DC母線被連接到轉換器裝置I的所有子轉換器2。圖1的轉換器裝置I僅被示出有單個相臂(相位A的)，但是轉換器裝置可以替代地包括多個相臂(每一個都包括并聯子轉換器)，例如三相AC系統的三個相臂。在該情況下，公共DC母線5繼續還連接其他相位的子轉換器，由圖中的DC母線5的虛線(未封閉)端所示。根據本發明，每個子轉換器包括與連接到DC母線5的另一多電平轉換器7串聯連接的鏈式鏈節轉換器(鏈式鏈節)6，本文稱為公共DC鏈路多電平轉換器7以將其與鏈式鏈節6區分，并且因此其被連接到可以是公共DC鏈路的DC母線5。鏈式鏈節6在IPT接口 3和公共DC鏈路多電平轉換器7之間串聯連接，并且公共DC鏈路多電平轉換器7在DC母線5和鏈式鏈節6之間串聯連接。因為在圖1的實施例中，相臂具有兩個子轉換器2a和2b，所以第一子轉換器2a包括第一鏈式鏈節6a和第一公共DC鏈路多電平轉換器7a，而第二子轉換器2b包括第二鏈式鏈節6b和第二公共DC鏈路多電平轉換器7b。相臂A可以經由電感器9連接，其可以是如IPT的沒有磁耦合的常規電感器。
[0019]圖2更具體地示意性地圖示了本發明的轉換器裝置I的實施例的相臂。建立通常如關于圖1描述的。在圖2的實施例中，每個鏈式鏈節6包括串聯連接的多個模塊化全橋(也稱為H橋)單元8，在該實施例中3個單元8(其中只有一個在圖中所引用)以給出7個電壓電平(3個正、3個負和零)，但是任何數目的單元8對于不同的應用是方便的。每個單元8包括電容器和多個開關，每一個典型地具有關聯的二極管。開關可以例如包括/是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。然而，應當注意，這些僅僅是單元8的組件的示例。可以替代地使用本領域中已知的其他相應的組件。此外，鏈式鏈節6的單元可以替代地是具有兩個開關的半橋單元，代替具有4個開關的全橋細單元(H-橋)。在圖2的實施例中的公共DC鏈路多電平轉換器7是對于每個子轉換器2具有一個NPC的3電平NPC逆變器。在與DC母線5和能量存儲4的協作中，NPC臂開關可以在正、負和中性(N)點之間切換。作為替代，公共DC鏈路多電平轉換器7可以是例如飛跨電容器逆變器，而不是NPC臂。
[0020 ]圖3示意性圖示了具有經由相應電感器9連接的例如FACTS的三相AC系統的三個相位A、B和C的三個相臂(每一個如以上參考圖1和圖2討論的)的三相轉換器裝置I的實施例。在圖3的實施例中，使用單個公共DC母線5，其連接到每個相臂的子轉換器2(特別是NPC臂7)中的每一個。通過將3-L NPC 7與每個子轉換器2中的鏈式鏈節6組合，可以得到允許較大數目的不同電壓被輸出的較高電平轉換器拓撲。例如根據圖3的本發明的拓撲可以而例如給出如下優點:
[0021]?轉換器裝置I中的公共存儲元件4吸收或供應在轉換器相臂之間的能量變化，這可以消除或減少對零序電壓和/或電流的閥(單元8)的需要。
[0022].通過IPT 3的并聯子轉換器2的連接提供了子轉換器的典型串聯連接所提供的諧波性能優點。
[0023].IPT3提供在子轉換器2之間的固有電流共享。
[0024]?每個器件(例如，單元，特別是其中的開關)電流額定是總轉換器輸出電流的一部分。這具有以下優點:
[0025]-需要較低的單元電容來實現10%的電容器電壓紋波。這導致每單元8的更少存儲能量，這簡化和減少每個獨立單元的成本。
[0026]-對于規定的最大設備電流，轉換器裝置I可以實現較高的總輸出電流。將一定程度的并聯化包括在多電平拓撲中提供了靈活性以選擇較高電壓或較高電流用于構建較高功率轉換器。
[0027]-半導體損耗的減少。損耗的凈減少可以由于在并聯子轉換器2之間的電流劃分來實現。
[0028].其通過零序電壓或電流所需要的硅面積的減少來最小化損耗。
[0029].能夠設計具有除了 1:1之外的匝數比的IPT 3，這意味著子轉換器2可以具有不同的電流額定和設備技術。這種程度的混合可以提供損耗和成本的進一步優化。
[0030].具有N個臂的IPT 3(參見例如圖4的實施例)可以用于減少每個子轉換器2針對其為額定的總輸出電流的一部分。這可以促進可以以高電壓但是相當低的電流額定實現的前代SiC(碳化硅)的使用。
[0031]在圖4中示意性地圖示了本發明的三相轉換器裝置I。在本實施例中，每個相臂包括4個并聯子轉換器2，即第一子轉換器2a、第二子轉換器2b、第三子轉換器2c和第四子轉換器2d。如還參考其他附圖1-3描述的，子轉換器2中的每一個包括鏈式鏈節6和公共DC鏈路多電平轉換器7，在這里是NPC逆變器臂7。為了在IPT接口 3中組合所有4個并聯子轉換器2，第一IPT 3a連接第一和第二子轉換器2a和2b，第二IPT 3b連接第三和第四子轉換器2c和2d，并且第三IPT 3c將第一和第二IPT分別與相線A、B和C連接。因此，通過使用多于一個的IPT，在不同電平處，在IPT接口3中，可以組合任何數目的子轉換器2，例如每相臂2個、4個、8個或16個子轉換器2。該類型的具有級聯IPT的IPT接口以上被稱為具有N個臂的IPT。那么圖4的IPT接口 3可以被稱為具有4個臂的IPT。在圖4的實施例中圖示的本發明的另一可選特征是使用多個DC母線5。如果僅使用單個公共DC母線，則轉換器裝置可能易受DC母線的任何故障的影響，而如果使用多個DC母線，則轉換器裝置I仍然可以至少是通過其他DC母線的部分功能。在圖4的實施例中，使用兩個DC母線，第一DC母線5a和第二DC母線5b。沒有示出整個母線線路，但是在具有每個子轉換器2的公共DC鏈路多電平轉換器7的每個接口處被引用。第一DC母線5a被連接到每個相臂的第一和第二子轉換器2a和2b，而第二 DC母線5b被連接到每個相臂的第三和第四子轉換器2c和2d。可以想到，使用甚至更多DC母線5來獲得甚至更高的冗余性，例如每個相臂的每子轉換器2—個DC母線5，在該情況下為4個DC母線，對于圖4中的轉換器相臂的子轉換器2a-d中的每一個一個DC母線。DC母線仍然可以是用于平衡不同相臂之間的功率的公共DC母線，因為第一 DC母線5可以連接每個相臂的第一子轉換器2等。
[0032]存在本發明的拓撲的若干變體，這可以被考慮用于例如現在和未來的FACTS應用。能夠利用任何轉換器拓撲作為構建塊的子轉換器2。典型的串聯級聯變壓器裝置還可以用于進一步增加轉換器的總輸出電壓。這些變體中的任何一個仍然利用本發明的優點，例如使用IPT3來減少開關損耗，以及轉換器裝置I內的公共DC母線5。
[0033]利用IPT的額外電壓電平的產生可以使得可用于利用較高電壓閥和/或單元。在其他拓撲中利用較高電壓單元的問題在于，較少數目的電壓電平可能產生不可接受的諧波性能。然而，使用IPT接口 3提供了雙倍數目的電壓電平，并且因此兩倍諧波性能的增加。本發明給出了用于負序電流的補償的靈活性。這保持級聯的多電平結構來處理高電壓，并且減少用于較高電壓的半導體或用于零序注入的電流的降低額定或尺寸的需要。
[0034]示例
[0035]示例1-1PT
[0036]IPT 3可以有效地是單初級、單次級變壓器，其中，兩個繞組串聯連接。串聯連接點可以被當作輸出，并且剩余的兩個端子作為輸入。兩個緊密耦合的繞組可以被布置，使得通過相等電流進入輸入端子而產生的通量被抵消，在鐵芯中留下由兩個輸入端子之間的電壓差而產生的通量。這導致了 IPT的電壓-安培(VA)額定是轉換器裝置I的總VA額定的一小部分，并且還確保了相等電流在兩個輸入極之間共享。
[0037]在IPT中的得到的最小通量可能意味著其需要物理上小的鐵芯和相對大的繞組。然而，這意味著，調制策略應當被調整以控制每個IPT的輸入處的電壓差的時間積分。這可能限制每個IPT的鐵芯中的最大通量并且減少得到的IPT的成本。
[0038]通常，如果轉換器極是并聯的使得每個極的輸出被連接在一起，則每個極必須被切換以在每個時刻產生相同的輸出電壓。然而，IPT支持在兩個極之間的瞬時電壓差，并且輸出電壓然后可以是兩個輸入處的電壓的平均。
[0039]示例2-調制
[0040]存在可以在該新的轉換器裝置I中利用的各種調制方法。諧波消除技術可以用于減輕在基頻的倍數處發生的諧波，并且因此改善諧波性能。
[0041]例如基于載波的技術和空間矢量調制的其他策略還可以/替代地與本發明一起使用。
[0042]示例3-容錯
[0043]利用用于整個轉換器裝置I的公共DC母線5可以意味著，一個閥/單元8中的故障使整個轉換器裝置不可操作。這可能不滿足FACTS典型可靠性要求。增加冗余的一個方法是使用如圖4中的具有較高數目的IPT臂的IPT接口 3。因此，不同的子轉換器2可以被連接到兩個單獨公共DC母線5中的一個，意味著一個DC母線的損耗不會消除用于在轉換器裝置I的相位之間的能量交換的所有機制。
[0044]以上主要參考幾個實施例描述了本公開。然而，如本領域技術人員容易理解的，除上面公開之外的其他實施例在由所附權利要求定義的本公開的范圍內同樣是可能的。
【主權項】
1.一種用于AC系統的轉換器裝置(I)，所述轉換器裝置包括至少一個相臂，所述至少一個相臂包括: 第一子轉換器(2a)； 第二子轉換器(2b)； IPT接口(3)，被配置用于將所述第一子轉換器和所述第二子轉換器與所述AC系統的相線(A)連接；以及 至少一個DC母線(5)，被連接到所述第一子轉換器和所述第二子轉換器； 其中，所述第一子轉換器(2a)與所述第二子轉換器(2b)并聯連接在所述至少一個DC母線(5)和所述IPT(3)接口之間，并且其中，所述第一子轉換器和所述第二子轉換器中的每一個包括: 鏈式鏈節轉換器(6)，連接到所述IPT接口并且包括彼此串聯連接的多個轉換器單元(8);以及 公共DC鏈路多電平轉換器(7)，連接到所述至少一個DC母線(5)并且與所述鏈式鏈節轉換器(6)串聯連接。2.根據權利要求1所述的轉換器裝置，其中，所述公共DC鏈路多電平轉換器(7)是NPC逆變器，例如，有源NPC逆變器或飛跨電容器逆變器。3.根據權利要求1或2所述的轉換器裝置，其中，所述轉換器單元(8)中的每一個是全橋單元。4.根據前述權利要求中任一項所述的轉換器裝置，其中，所述相臂包括至少四個并聯的子轉換器(2)，所述至少四個并聯的子轉換器(2)包括所述第一子轉換器和所述第二子轉換器(2a、2b)以及第三子轉換器(2c)和第四子轉換器(2d)。5.根據權利要求4所述的轉換器裝置，其中，所述IPT接口(3)包括連接所述第一子轉換器和所述第二子轉換器(2)的第一 IPT(3a)、連接所述第三子轉換器和所述第四子轉換器(2)的第二IPT(3b)、以及配置用于將所述第一IPT和所述第二IPT與所述相線(A)連接的第三IPT(3c)。6.根據前述權利要求中任一項所述的轉換器裝置，其中，所述AC系統是三相系統，并且其中，所述至少一個相臂包括三個相臂。7.根據權利要求6所述的轉換器裝置，其中，所述AC系統是FACTS或電機驅動器。8.根據前述權利要求中任一項所述的轉換器裝置，其中，所述至少一個DC母線(5)包括第一 DC母線(5a)和第二 DC母線(5b)，所述第一 DC母線(5a)和所述第二 DC母線(5b)中的每一個DC母線被連接到所述至少一個相臂中的每一個相臂的至少一個相應的公共DC鏈路多電平轉換器(7)。9.根據前述權利要求中任一項所述的轉換器裝置，其中，所述至少一個DC母線(5)被連接到能量存儲(4 )，所述能量存儲(4)例如包括電容器、電池或超級電容器。
【文檔編號】H02M7/493GK106031012SQ201480075751
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年2月18日
【發明人】C·湯森, H·塞拉亞德拉帕拉
【申請人】Abb瑞士股份有限公司