使用非对称性的模块化多电平变流器的制造方法

使用非对称性的模块化多电平变流器的制造方法
【专利摘要】一种电力电子变流器组件(40)，包括：多电平变流器(41)，包括多个AC端子(46)，多电平变流器(41)可操作以在每个AC端子(46)处产生AC相电压(VA、VB、VC)；多个相位元件(72)，限定了星形连接，每个相位元件的第一端在星形连接中被连接到公共接合点(74)处，每个AC端子(46)与所述星形连接的相应的相位元件(72)的第二端串联连接；以及控制器(80)，用于对多电平变流器(41)进行切换以对多个AC相电压(VA、VB、VC)进行调制以限定非对称电压矢量组，从而在星形连接的公共接合点处(74)合成非零中性点电压，非零中性点电压与每个AC相电压(VA、VB、VC)限定了每个相位元件(72)上的线与中性点间点电压，线与中性点间电压具有彼此相等的幅度并且彼此偏离等距相位角。
【专利说明】使用非对称性的模块化多电平变流器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电子变流器组件。

【背景技术】
[0002] 在电力传输网络中，交流（AC)功率通常被转换为直流（DC)功率以通过架空线和/ 或海底电缆进行传输。该转换不需要对传输线或电缆所施加的AC电容性负载效应进行补 偿，因而降低了每公里的传输线和/或电缆的成本。因此，当需要在很长的距离上传输电力 时，从AC到DC的转换变得具有成本效益。
[0003] 从AC电力到DC电力的转换还被用于需要将工作在不同频率下的AC网络进行互 连的电力传输网络中。
[0004] 在任意这样的电力传输网络中，在AC功率与DC功率之间的每个接口处都需要变 流器以实现所需的转换，并且一个这样形式的变流器为电压源变流器（VSC)。
[0005] 已知的是，如图la和lb中所示，在电压源变流器中使用具有绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 14的六开关（两电平）和三电平变流器拓扑10、12。IGBT器件14被一起串联连接 和切换以使得能够实现10兆瓦至100兆瓦的大额定功率。另外，IGBT器件14在高电压下 AC电源频率的每个周期中多次导通或者断开以对被馈送到AC网络的谐波电流进行控制。
[0006] 同样已知的是，在电压源变流器中使用诸如图lc中所示的多电平变流器配置。该 多电平变流器配置包括串联连接的单元18的各个变流器桥16。每个变流器单元18包括一 对串联连接的绝缘栅双极型晶体管（IGBT) 20,这一对IGBT与电容器22并联。单个变流器 单元18并不被同时切换并且变流器电压阶跃相对较小。每个变流器单元18的电容器22 被配置成具有足够高的电容值以对该多电平变流器配置中的电容器端子处的电压变化进 行限制。每个变流器桥16中还需要DC侧电抗器24以对变流器分支之间的瞬时电流进行 限制，并从而使得变流器分支能够并联连接和工作。


【发明内容】

[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种电力电子变流器组件，包括：
[0008] 多电平变流器，包括多个AC端子，所述多电平变流器可操作以在每个AC端子处产 生AC相电压；
[0009] 多个相位元件，限定一星形连接，每个相位元件的第一端在所述星形连接中被连 接到公共接合点处，每个AC端子与所述星形连接中相应的相位元件的第二端串联连接；以 及
[0010] 控制器，用于切换所述多电平变流器，以使所述多电平变流器对所述多个AC相电 压进行调制以限定非对称电压矢量组，从而在所述星形连接的公共接合点处合成非零中性 点电压，所述非零中性点电压与每个AC相电压限定每个相位元件两端的线与中性点间电 压，所述各个相位元件的线与中性点间电压具有彼此相等的幅度并且彼此偏离等距相位 角。
[0011] 按照惯例，为了使得能够连接到多相AC网络28,电压源变流器30被配置成产生多 个AC相电压V A、VB、V。，从而合成具有相等幅度并且以等距相位角偏移的对称电压矢量组。 图2示出了将对称电压矢量用于星形连接形式排列的多个变压器次级绕组32,这导致在星 形连接的公共接合点34处形成零中性点电压V N。如此合成对称电压矢量组使得能够将电 压源变流器30作为平衡多相负载/电源以用于通过变压器连接到多相AC网络28。
[0012] 然而，本发明公开了，有可能对AC相电压进行调制以合成非对称电压矢量组，从 而形成平衡多相负载/电源以用于通过变压器连接到多相AC网络或者负载。
[0013] 为实现本说明书的目的，非对称电压矢量组被限定为多个电压矢量，其中至少一 个电压矢量相对于至少一个其它电压矢量具有不同的幅度和/或相位角偏移。
[0014] 电力电子变流器组件可以被配置以通过变流器连接到具有多于三个、四个、五个 或者更多AC相位的多相AC网络或者负载。在这样的配置中，电力电子变流器组件中的AC 端子数量和相位元件数量对应于多相AC网络或者负载的AC相位数量，并且星形连接的公 共接合点处的中性点电压等于单个AC相电压的总和除以AC相位的数量。
[0015] 在使用中，使用控制器对根据本发明的电力电子变流器组件中的多电平变流器进 行切换以对每个AC相电压进行调制，比如对每个AC相电压的波形特征进行控制，从而限定 了非对称电压矢量组。对每个非对称电压矢量的幅度和相位角位移进行配置，从而合成星 形连接的公共接合点处的非零中性点电压以及每个相位元件上的线与中性点间电压，每个 线与中性点间电压与其它线与中性点间电压相比具有相等的幅度并且偏离等距相位角。这 产生了对称线与中性点间电压组，该对称线与中性点间电压组可以用于作为平衡多相负载 /电源以用于连接到多相AC网络或者负载。
[0016] 在本发明的实施例中以示例方式对能够以此方式对AC相电压进行调制的电力电 子变流器组件的配置进行说明，其中，所述多电平变流器包括三个AC端子；并且所述控制 器对所述多电平变流器进行切换以对每个AC相电压进行调制以产生：第一正弦AC相电压， 具有每单位（ pu)电压1.732的幅度和零度相位角；第二正弦AC相电压，具有每单位电压 1. 〇的幅度和90度相位角；以及第三正弦AC相电压，具有每单位1. 0的幅度和-90度相位 角。
[0017] 以此方式对多电平变流器的切换产生了具有每单位电压0. 577的幅度和零度相 位角的正弦中性点电压，并因而产生了三个正弦的线与中性点间电压，其中每个都具有每 单位电压1. 155的幅度和120度相位角。对称线与中性点间电压组因而可以用于作为平衡 多相负载/电源以用于连接到多相AC网络或者负载。
[0018] 可以限定其它的非对称电压矢量组以合成非零中性点电压和对称线与中性点间 电压。这通过改变每个非对称电压矢量的幅度和/或相位角位移从而将接地参考点相对于 每个电压矢量移动而实现。
[0019] 使用电力电子变流器组件合成的电压矢量组的非对称性质意味着用于产生各自 AC相电压所需的额定电压与至少两个AC相电压不同，比如说，用于产生AC相电压中的一个 所需的额定电压至少低于用于产生AC相电压中另一个所需的额定电压。这允许对多电平 变流器的结构进行优化以减少多电平变流器中变流器组件的数量，同时获得上述要求的额 定电力。其有益效果为减少了整体尺寸、重量和成本，并且增加了电力电子变流器组件的可 靠性和效率。
[0020] 相比之下，对AC相电压进行调制以限定对称电压矢量组要求相同的用于产生各 自AC相电压的额定电力。因此很难对多电平变流器的结构进行优化以减少多电平变流器 中变流器部件的数量并同时获得上述要求的额定电力。
[0021] 此外，对多电平变流器的配置进行优化的能力在对电力电子变流器组件的设计中 提供了灵活性，该电力电子变流器组件用于具有不同电力和重量要求、空间封套特性的地 方以及用于不同的变流器组件可用性的地方。
[0022] 多电平变流器可以被配置成以不同方式对AC相电压进行调节以合成星形连接的 公共接合点处的非零中性点电压，从而使每个线与中性点间电压与其它线与中性点间电压 相比具有相等的幅度并且偏尚等距相位角。
[0023] 在本发明的实施例中，多电平变流器进一步可以包括：
[0024] 第一 DC端子和第二DC端子，用于连接到DC网络，所述多电平变流器可操作以在 所述第一 DC端子和第二DC端子处产生DC电压；以及
[0025] 多个变流器分支，每个变流器分支在所述第一 DC端子和所述第二DC端子之间延 伸并且包括相应的一个所述AC端子，所述多个变流器分支包括至少一个主变流器分支和 至少一个副变流器分支，每个变流器分支包括由对应的AC端子分离的第一分支部分和第 二分支部分，所述主变流器分支的每个分支部分包括主电压源并且每个副变流器分支的每 个分支部分包括副电压源。
[0026] 在这样的实施例中，所述或每个主变流器分支的每个分支部分还可以包括与所述 对应的主电压源串联连接的主开关区块，并且所述或每个副变流器分支的每个分支部分还 可以包括与对应的电压源串联连接的副开关区块。
[0027] 主电压源和副电压源的使用使得每个分支部分能够提供电压以补偿第一或第二 DC端子处的DC电压，从而在对应的AC端子处提供变化的电压。
[0028] 每个变流器分支独立于其它变流器分支工作并因而仅仅直接影响连接到各自AC 端子处的相位。由此，主变流器分支与副变流器分支中的每个的结构都可以关于对应的AC 端子处的AC相电压分别优化，并且对连接到其它AC端子处的AC相电压造成最小的干扰。
[0029] 开关区块在每个分支部分中的使用使得在零电流和/或零电压处能够将每个分 支部分接入到电路中或者从电路中分离（即，软切换），这在电力电子变流器组件的工作过 程中产生几乎为零的开关损耗。此外，开关区块在每个分支部分中的使用减少了每个电压 源需要产生的电压范围。这反过来使得每个电压源中的部件的数量能够被最少化。
[0030] 在本发明的其它实施例中，多电平变流器还包括：
[0031] 第一和第二DC端子，用于连接到DC网络，所述多电平变流器可操作以在所述第一 和第二DC端子处产生DC电压；以及
[0032] 多个变流器分支，每个变流器分支在所述第一和第二DC端子之间延伸并且包括 相应的一个所述AC端子，所述多个变流器分支包括一个主变流器分支和两个副变流器分 支，所述副变流器分支在所述第一和第二DC端子之间并联连接，每个变流器分支包括由对 应的AC端子分离的第一和第二分支部分，所述主变流器分支的每个分支部分包括主电压 源并且每个副变流器分支的每个分支部分包括副开关区块；以及
[0033] 两个副电压源（64)，每个副电压源在以下两者之间延伸：所述副变流器分支的并 联连接；以及所述第一 DC端子和所述第二DC端子中的相应DC端子。
[0034] 多电平变流器以此方式的配置进一步减少了电压源的总体数量，该数量能够进一 步节约所述电力电子变流器组件的尺寸、重量和成本，而不会对多电平变流器合成非对称 电压矢量组而产生用于三相AC网络的平衡负载/电源的能力造成影响。
[0035] 在本发明的进一步实施例中，多电平变流器进一步可以包括：
[0036] 多个辅助端子，每个辅助端子用于接地；
[0037] 多个变流器分支，每个变流器分支包括相应的一个所述辅助端子以及相应的一个 所述AC端子，每个变流器分支在其辅助端子与AC端子之间延伸，
[0038] 其中，所述多个变流器分支包括一个主变流器分支与两个副变流器分支，每个主 变流器分支包括主电压源并且每个副变流器分支包括副电压源。
[0039] 所述电力电子变流器组件以此方式的配置允许将所述电力电子变流器组件用作 静止同步补偿器。
[0040] 在使用电压源的实施例中，每个主电压源可以是或者可以包括双向子电压源和/ 或每个副电压源可以是或者可以包括双向子电压源。
[0041] 提供双向电压的能力使得对应的分支部分能够对AC相电压进行调制，从而在第 一或者第二DC端子处具有超过DC电压的幅度。这反过来当合成具有与其它的变流器分支 所合成的电压矢量不同的幅度的电压矢量从而产生上述非对称电压矢量组时，向对应的变 流器分支提供了额外的灵活性。
[0042] 此外，在DC网络的故障导致多电平变流器中的大的故障电流的情况下，可以对每 个双向子电压源进行控制以提供与AC网络的驱动电压进行对抗的电压，并因此减小所述 电力电子变流器组件中的故障电流。每个双向子电压源能够提供正或负的对抗电压并由此 适用于对抗AC驱动电压。
[0043] 在使用副电压源的实施例中，每个副电压源可以是或者可以包括单向子电压源。
[0044] 所述多电平变流器可以配置成对AC相电压进行调制以合成非对称电压矢量组， 从而允许一个或者多个单向子电压源的使用相比于诸如双向子电压源具有更小的电压范 围以及减少的组件数量。
[0045] 优选地，每个子电压电源包括至少一个模块，所述或每个模块包括：至少一个能量 存储器件；以及至少一个开关元件，用于选择性地引导电流通过所述或每个能量存储器件 并且使电流绕过所述或每个能量存储器件。
[0046] 每个双向子电压源可以包括至少一个第一模块，所述或每个第一模块包括两对开 关元件，所述两对第一开关元件并联连接，并且与能量存储器件并联连接成全桥式配置，以 限定一可提供负电压、零电压或正电压并且可在两个方向上导电的四象限双极型模块。
[0047] 每个单向子电压源包括至少一个第二模块，所述或每个第二模块包括至少一对第 二元件，所述一对第二开关元件与能量存储器件以半桥式配置并联连接以限定一可提供零 电压或正电压并且可在两个方向上导电的二象限单极型模块。
[0048] 这样的模块提供了一种提供电压源以在每个AC端子处产生AC相电压并且对其进 行调制的方法。
[0049] 特别地，当子电压源包括多个模块时，可以通过每个都提供自身电压的多个模块 的能量存储器件的插入到所述子电压源中来在子电压源上建立组合电压，所述组合电压高 于来自单个模块中的每个的可用电压。这反过来允许所述子电压源提供阶跃可变的子电压 源，该子电压源允许使用逐步近似来在所述子电压源上产生电压。
[0050] 在本发明的其它实施例中，所述多电平变流器可以是或者可以包括中性点二极管 箝位变流器或者飞跨电容器变流器。
[0051] 所述电力电子变流器组件可用于，但不仅限于，高压直流（HVDC)电力输送和无功 电力补偿以及静止同步补偿器等应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0052] 在下文中参照附图以非限定性示例的方式对本发明的优选实施例进行说明，其 中：
[0053] 图la、lb和lc以示意性方式示出了现有技术的电压源变流器；
[0054] 图2示出了常规电压源变流器合成一组对称电压矢量的操作；
[0055] 图3以示意性方式示出了根据本发明的第一实施例的电力电子变流器组件；
[0056] 图4和图5示出了图3中所示的电力电子变流器组件合成一组非对称电压矢量的 操作；
[0057] 图6以示意性方式示出了根据本发明的第二实施例的电力电子变流器组件；
[0058] 图7以示意性方式示出了根据本发明的第三实施例的电力电子变流器组件；
[0059] 图8以示意性方式示出了根据本发明的第四实施例的电力电子变流器组件；
[0060] 图9以示意性方式示出了根据本发明的第五实施例的电力电子变流器组件；以及
[0061] 图10以示意性方式示出了根据本发明的第六实施例的电力电子变流器组件。

【具体实施方式】
[0062] 图3和图4中示出了根据本发明的第一实施例的电力电子变流器组件40。
[0063] 第一电力电子变流器组件40包括多电平变流器41，多电平变流器41包括第一和 第二DC端子42a、42b以及三个AC端子46。
[0064] 在使用中，第一和第二DC端子42a、42b分别被连接到DC网络的正极和负极端 子44a、44b上，其中，正极端子44a为每单位电压+1. 0的电压，负极端子44b为每单位电 压-1.0的电压。
[0065] 多电平变流器41还包括一个主变流器分支48和两个副变流器分支50。每个变流 器分支48、50都在第一和第二DC端子42a、42b之间延伸。每个变流器分支48、50包括各 自的AC端子46以及由对应的AC端子46分开的第一和第二分支部分52、54。
[0066] 主变流器分支48、50的每个分支部分52、54包括双向子电压源形式的主电压源 56 〇
[0067] 每个双向子电压源包括多个第一模块58。每个第一模块58包括与电容器62形式 的能量存储器件并联连接的两对第一开关元件60。两对第一开关元件60与电容器62连接 成全桥式配置以限定一可提供负电压、零电压或者正电压并且可在两个方向上导电的四象 限双极型模块58。
[0068] 每个四象限双极型模块58的电容器62通过改变每个对应的四象限双极型模块58 的第一开关元件60的状态而被选择性地绕过或者插入到每个对应的电压源56中。
[0069] 特别地，当每个四象限双极型模块58中的各对第一开关元件60被配置成在该四 象限双极型模块58中形成短路电路时，每个四象限双极型模块58的电容器62被绕过。这 使得电力电子变流器组件40中的电流流经该短路电路并且绕过电容器62,因此四象限双 极型模块58提供零电压。
[0070] 当每个四象限双极型模块58中的各对第一开关元件60被配置成使得变流器电流 能够流入或者流出电容器62时，每个四象限双极型模块58的电容器62被插入到每个对应 的电压源56中。电容器62随后对其存储的能量进行充电或放电以提供电压。四象限双极 型模块58的双向性质意味着电容器62可被正向或者反向地插入到四象限双极型模块58 中以提供正电压或者负电压。
[0071] 每个副变流器分支50的每个分支部分52、54包括单向子电压源形式的副电压源 64。
[0072] 每个单向子电压源包括多个第二模块66。每个第二模块66包括与电容器62形式 的能量存储器件并联连接的一对第二开关元件68。这对第二开关元件68与电容器62以半 桥式配置的方式连接以限定一可提供零电压或者正电压并且可在两个方向上导电的二象 限单极型模块66。
[0073] 以类似于四象限双极型模块58的方式，每个二象限单极型模块66的电容器62通 过改变每个对应的二象限单极型模块66的第二开关元件的状态而被选择性地绕过或者插 入到每个对应的电压源64中。选择性地引导电流通过对应的电容器62或者使得电流绕过 对应的电容器62,以使得每个二象限单极型模块66提供零电压或者正电压。
[0074] 每个主电压源56被配置成具有每单位电压2. 732的额定电压，而每个副电压源64 被配置成具有每单位电压2. 0的额定电压。
[0075] 第一和第二开关元件60、68中的每一个由绝缘栅双极型晶体管（IGBT)形式的半 导体器件构成。第一和第二开关元件68中的每一个包括并联连接的反向平行二极管70。
[0076] 在本发明的其它实施例中（未示出），可以设想一个或者多个开关元件可以是不 同的半导体器件，比如栅可关断晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅换向晶闸管、注入增强栅晶 体管、集成栅换向晶闸管或者任何其它的自换向半导体器件。在每个实例中，半导体器件优 选地与反向平行的二极管并联连接。
[0077] 可以设想在本发明的其它实施例中（未示出），每个模块中的电容器可被不同的 能量存储器件所代替，比如燃料电池、电池组或者任何其它的能够存储并释放电能以提供 电压的能量存储器件能量存储器件。
[0078] 每个电压源56、64中的多个模块58、66限定了链连接变流器。通过将多个模块 58、66的电容器62插入到每个链连接变流器中有可能在每个链连接变流器上建立组合电 压，该组合电压高于从每个单独模块58、66获得的电压，多个模块58、66中的每一个都提供 自身的电压。
[0079] 以此方式，每个模块58、66的开关元件60、68的切换导致电压源56、64提供阶跃 可变电压源，该阶跃可变电压源允许使用步进式近似在每个电压源56、64上产生电压波 形。
[0080] 如图4所示，电力电子变流器组件40还包括限定了星形连接的三个相位元件72。 每个相位元件72的第一端白连接到星形连接的公共接合点74处，而每个AC端子46与星 形连接的各自相位元件72的第二端串联连接。每个相位元件72具有变压器次级绕组的形 式。
[0081] 在使用中，每个相位元件72被连接到各自的变压器初级绕组（未示出），并且多个 变压器初级绕组以星形配置的形式连接以连接到三相AC网络（未示出）。
[0082] 多电平变流器41还包括一对DC链路电容器76,这一对DC链路电容器76在第一 和第二DC端子42a、42b之间串联连接并且与每个变流器分支48、50并联连接。DC链路电 容器76之间的中间点78限定了在使用中用于接地的接合点。每个DC链路电容器76具有 每单位电压1. 0的额定电压。
[0083] 电力电子变流器组件40还包括控制器80以对多电平变流器41进行切换从而在 每个AC端子46处产生并且调制AC相电压。
[0084] 特别地，在所示的实施例中，控制器80改变每个电压源56、64中的模块58、66的 切换操作的时间以使用步进式近似在每个对应的AC端子46处产生AC相电压V A、VB、V。。
[0085] 此外，电压源56、64如上所述提供电压阶跃的能力使其能够增大或者减小在每个 对应的主AC端子46处所产生的电压。
[0086] 在使用中，控制器80因而能够选择性地对每个电压源56、64中的IGBT 60、68进 行切换以改变每个电压源56、64上的电压，并因此对每个对应的主AC端子46处的AC相电 压V A、VB、V。进行调制。
[0087] 在下文中参照图3至5对第一电力电子变流器组件40的工作进行说明。
[0088] 为了在主变流器分支48的AC端子46处产生第一 AC相电压VA，控制器80对主变 流器分支48的第一分支部分52中的第一模块58进行切换以在第一 DC端子42a处的DC 电压上增加电压阶跃或者从其中减去电压阶跃，即对该第一 DC端子42a处的DC电压进行 "上拉"或者"下拉"，并且选择性地对主变流器分支48的第二分支部分54中的第一模块58 进行切换以在第二DC端子42b处的DC电压上增加电压阶跃或者从其中减去电压阶跃。
[0089] 以此方式对主变流器分支48中的第一模块58进行切换以产生具有每单位电压 1. 732的幅度以及零度相位角的第一正弦AC相电压VA。
[0090] 为了在副变流器分支50的AC端子46处产生第二和第三AC相电压VB，V。，控制器 80对每个副变流器分支50的第一分支部分52中的第二模块66进行切换以从第一 DC端 子42a处的DC电压中减去电压阶跃，即对该第一 DC端子42a处的DC电压进行"下拉"，并 且选择性地对副变流器分支50的第二分支部分54中的第二模块66进行切换以在第二DC 端子42b处的DC电压上增加电压阶跃。
[0091] 以此方式对每个副变流器分支50中的第二模块66进行切换以产生具有每单位电 压1. 〇的幅度以及90度相位角的第二正弦AC相电压VB ;以及具有每单位电压1. 0的幅度 以及-90度相位角的第三正弦AC相电压Vc。
[0092] 三个AC相电压VA、VB、VC限定了一组非对称电压矢量，该组非对称电压矢量使得在 星形连接的公共接合点74处形成非零中性点电压V N。中性点电压VN等于单独的AC相电 压VA、VB、V c的总和除以AC相的数量（即3)。
[0093] 非零中性点电压VN为正弦形状，并且具有每单位电压0. 577的幅度和零度相位 角。非零中性点电压VN和每个相位元件72的任意一侧上的相电压VA、VB、V C限定了每个相 位元件72上的线与中性点间电压VAN、VBN、V CN。
[0094] 图5示出了上述非对称电压矢量VA、VB、VC组与产生的非零中性点电压VN和线与 中性点间电压vAN、VBN、VCN之间的关系。
[0095] 每个线与中性点间电压具有每单位电压1. 155的幅度并且与其他两个 线与中性点间电压间隔120电角度。该对称线与中性点间电压特性因而使得电 力电子变流器组件40能够表现出平衡的负载/电源以用于通过变压器初级绕组连接到三 相AC网络。
[0096] 在使用中，控制器80可以对主、副变流器分支48、50中的模块58、66进行切换以 限定出与上述电压矢量组不同的非对称电压矢量组，上述电压矢量组产生非零中性点电压 和对称的线与中性点间电压。这可以通过改变每个非对称电压矢量的幅度和/或相位角位 移并由此将接地参考点相对于每个电压矢量移动而实现。
[0097] 第一电力电子变流器组件40以此方式工作的优点在于其允许对多电平变流器41 的结构进行优化，从而使得多电平变流器41中的变流器部件的数量最少。
[0098] 特别地，主变流器分支48将第一 AC相电压VA调制为具有超过第一或者第二DC端 子42a、42b处的DC电压的幅度的能力使得副变流器分支50能够依靠单向子电压源的使用 而产生第二和第三AC相电压V B、Vc。相比于每个双向子电压源，每个单向子电压源的更小 的电压范围和减少的部件数量使得第一电力电子变流器组件40的整体尺寸、重量和成本 最小，并且增大了可靠性和效率。
[0099] 相比之下，产生具有每单位电压1. 155的幅度的一组对称电压矢量则要求每个副 变流器分支50中都包含双向子电压源，从而能够产生具有超过第一或第二DC端子42a、42b 处的DC电压的幅度的第二和第三AC相电压。然而在副变流器分支50中使用双向子电压 源将会增加开关元件60和电容器62的总体数量。
[0100] 因此，对于AC网络的给定的额定功率，使得第一电力电子变流器组件40能够产生 上述的非对称电压矢量组的配置允许对多电平变流器41的结构进行优化以使得多电平变 流器41中的变流器部件的数量最少，同时使得电力电子变流器组件40能够被连接到三相 AC网络上。
[0101] 图6中示出了根据本发明的第二实施例的电力电子变流器组件140。图6中的第 二电力电子变流器组件140的结构和工作方式与图3中的第一电力电子变流器组件40类 似，并且相同的结构使用相同的附图标记。
[0102] 第二电力电子变流器组件140与第一电力电子变流器组件40的区别在于，主变流 器分支48的每个分支部分52、54还包括与主电压源56串联连接的主开关区块82,并且每 个副变流器分支50的每个分支部分52、54还包括与副电压源64串联连接的副开关区块 84。
[0103] 每个开关区块82、84包括多个串联连接的辅助开关元件86。每个辅助开关元件 86由绝缘栅双极型晶体管（IGBT)形式的半导体器件构成，并且包括与IGBT并联连接的反 向平行二极管70。
[0104] 每个开关区块82、84中的辅助开关元件86的数量根据所要求的每个分支部分52、 54的额定电压而变化。
[0105] 在本发明的其它实施例中，每个分支部分52、54中的开关区块82、84与电压源56、 64之间的串联连接使得开关区块82、84与电压源56、64能够在对应的AC端子46与各自的 第一或第二DC端子42a、42b之间反向连接。
[0106] 在第二电力电子变流器组件140中，控制器80改变每个电压源56、64中的模块 58、66以及开关区块82、84的切换操作的时间以使用步进式近似在每个对应的AC端子46 处产生AC相电压V A、VB、VC。
[0107] 特别地，在每个变流器分支48、50中，控制器80对第一分支部分52中的模块进行 切换以产生第一 AC相电压分量，并且对第二分支部分54中的模块进行切换以产生第二AC 相电压分量。与此同时，控制器80使每个开关区块82、84导通或者断开，从而决定将每个 分支部分52、54通过对应的AC端子46切换进入电路还是从电路中去除，并因此对第一和 第二相电压分量进行控制以在每个AC端子46处产生AC相电压V A、VB、Vc。
[0108] 当AC端子电流经过零点时，进行将每个分支部分52、54通过对应的AC端子46切 换进入电路或者从电路中去除，这样在第二电力电子变流器组件140的工作过程中产生几 乎为零的开关损耗。另外，可以对每个电压源56、64中的模块58、66进行切换以抵消第一 或者第二DC端子42a、42b处的DC电压。因此，当在状态之间切换时每个开关区块82、84 上存在零电压或者很小的电压。每个开关区块82、84上的零电压或很小的电压产生低的开 关损耗。
[0109] 将每个分支部分52、54通过对应的AC端子46切换进入电路或者从电路中去除 还减小了要求每个电压源56、64所产生的电压范围，同时不会对第二电力电子变流器组件 140产生与第一电力电子变流器组件40所产生的AC相电压相同的AC相电压V A、VB、Vc的 能力产生影响。
[0110] 因此如图6中所示，当每个开关区块82、84被配置成具有每单位电压1. 0的额定 电压时，主变流器分支48中的每个主电压源56被配置成具有每单位电压1. 732的额定电 压，并且副变流器分支50中的每个副电压源64被配置成具有每单位电压1. 0的额定电压。 相比于第一电力电子变流器组件40,这就导致了第二电力电子变流器组件140中模块58、 66数量的减少，这导致进一步节约了开关元件60、68与电容器62的数量。
[0111] 每个分支部分52、54中的开关区块82、84的使用因而不但产生了更高效且可靠的 电力电子变流器组件140,而且产生了更小、更轻且更便宜的电力电子变流器组件140。
[0112] 图7中示出了根据本发明的第三实施例的电力电子变流器组件240。图7中的第 三电力电子变流器组件240的结构和工作方式与图6中的第二电力电子变流器组件140类 似，并且相同的结构使用相同的附图标记。
[0113] 第三电力电子变流器组件240与第二电力电子变流器组件140的区别在于：
[0114] 每个副变流器分支50的每个分支部分52、54包括副开关区块84,但是省略了第二 电压源64 ;
[0115] 副变流器分支50被并联连接在第一和第二DC端子42a、42b之间；以及
[0116] 多电平变流器41还包括两个副电压源64,每个副电压源64在第二变流器分支50 的平行连接与第一和第二DC端子42a、42b中相应的一个之间延伸。
[0117] 每个第二电压源64具有单向子电压源的形式。
[0118] 如同在第二电力电子变流器组件140中一样，控制器80对主变流器分支48中的 第一模块58进行切换并且对主开关区块82进行切换，从而产生具有每单位电压1. 732的 幅度以及零度相位角的第一正弦AC相电压VA。
[0119] 与此同时，控制器80对每个副电压源64中的模块66进行切换并且使副开关区块 84沿对角线成对导通或者断开，从而决定将每个分支部分52、54通过对应的AC端子46切 换进入电路还是从电路中去除。这导致在副变流器分支50的AC端子46上产生AC相电压 νΒ。，因此VB。为具有每单位电压2. 0的幅度并且相对于第一 AC相电压VA被偏移90电角度 的正弦AC相电压。这产生图5中所示的非对称电压矢量组，其中，V B和V。中的每个在每单 位电压+1. 0与-1. 0之间振荡。
[0120] 多电平变流器41以此方式的配置进一步减少了电压源56、64的总体数量，能够进 一步节约尺寸、重量和成本，而不会对多电平变流器41合成非对称电压矢量组的能力造成 影响，该非对称电压矢量组产生用于三相AC网络的平衡负载/电源。
[0121] 图8中示出了根据本发明的第四实施例的电力电子变流器组件340。图8中的第 四电力电子变流器组件340的结构和工作方式与图7中的第三电力电子变流器组件240类 似，并且相同的结构使用相同的附图标记。
[0122] 第四电力电子变流器组件340与第三电力电子变流器组件240的区别在于，在第 四电力电子变流器组件340中，每个副电压源64还包括与对应的单向子电压源串联连接的 双向子电压源。另外，在第四电力电子变流器组件340中，控制器对双向和单向子电压源中 的模块58、66进行切换，并且使副开关区块84导通或者断开以决定将每个分支部分52、54 通过对应的AC端子46切换进入电路还是从电路中去除，从而在副变流器分支50的AC端 子46上产生AC相电压V BC。
[0123] DC网络中的故障或者其它非正常工作条件会导致在DC网络上发生短路88。这导 致第一和第二DC端子42a、42b处的DC电压下降到零伏。当短路发生时，大的故障电流可 由AC网络流过变流器分支48、50和短路88所限定的电流通路。
[0124] 短路88的低阻抗意味着流过电流通路的故障电流可能超过多电平变流器41的额 定电流。
[0125] 通过对抗来自AC网络的AC驱动电压可以使故障电流减到最小。这可以通过将第 四电力电子变流器组件340配置在故障工作模式中来实现，其中，对每个双向子电压源的 第一模块58的第一开关元件60进行切换，使得每个第一模块58提供对抗的电压％并由此 减小驱动电压。每个双向子电压源能够提供正或负的对抗电压I并由此适用于对抗AC驱 动电压。
[0126] 在副电压源64中使用双向子电压源来对抗AC驱动电压允许对这些双向子电压源 的每个第一模块58进行充电，从而将其电容器62恢复到需要的电压电平。
[0127] 相比之下，在第一、第二和第三电力电子变流器组件40、140、240的每个第二电压 源64中使用单向子电压源意味着第二变流器分支50无法对抗AC驱动电压。在DC网络上 的短路88期间，副变流器分支50反而可以保持为二极管导通，这就增加了对第一、第二和 第三电力电子变流器组件40、140、240的变流器部件的损坏风险。
[0128] 在每个副电压源64中使用双向子电压源因而增加了第四电力电子变流器组件 340的可靠性。
[0129] 图9中示出了根据本发明的第五实施例的电力电子变流器组件440。图9中的第 五电力电子变流器组件440的结构和工作方式与图8中的第四电力电子变流器组件340类 似，并且相同的结构使用相同的附图标记。
[0130] 第五电力电子变流器组件440与第四电力电子变流器组件340的区别在于，在第 五电力电子变流器组件440中，每个副电压源64包括双向子电压源而省略了单向子电压 源。另外，在第五电力电子变流器组件440中，控制器对双向子电压源中的第一模块58进 行切换，并且使副开关区块84导通或者断开，以决定将每个分支部分52、54对应的AC端子 46切换进入电路还是从电路中去除，从而在副变流器分支48、50的AC端子46上产生AC相 电压ν Β。。
[0131] 第五电力电子变流器组件440的故障工作模式与第四电力电子变流器组件340的 故障工作模式相似，除了在副电压源64中使用双向子电压源来对抗AC驱动电压并不需要 对这些双向子电压源的第一模块58进行充电。
[0132] 图10中示出了根据本发明的第六实施例的电力电子变流器组件540。
[0133] 第六电力电子变流器组件540包括多电平变流器41，多电平变流器41包括三个辅 助端子100以及三个AC端子46。
[0134] 在使用中，每个辅助端子100都被连接至地102。
[0135] 多电平变流器41还包括一个主变流器分支48和两个副变流器分支50。每个变流 器分支48、50包括AC端子100中的各自一个以及由AC端子46中的各自一个。每个变流 器分支48、50在其辅助端子100与AC端子46之间延伸。
[0136] 主变流器分支48包括第一双向子电压源形式的主电压源56。每个副变流器分支 50包括第二双向子电压源形式的副电压源64。第一和第二双向子电压源中的每个在结构 和工作方式上都与图3中所示的每个双向子电压源相似，但是第一双向子电压源中的第一 模块58的数量大于每个第二双向子电压源中的第一模块58的数量。
[0137] 每个主电压源56被配置成具有每单位电压1. 732的额定电压，而每个副电压源64 被配置成具有每单位电压1. 〇的额定电压。
[0138] 第六电力电子变流器组件540还包括限定了星形连接的三个相位元件72。每个相 位元件72的第一端被连接到星形连接的公共接合点处，而每个副AC端子46与星形连接的 各自相位元件72的第二端串联连接。每个相位元件72具有变压器次级绕组的形式。
[0139] 在使用中，每个相位元件72被连接到各自的变压器初级绕组104,并且多个变压 器初级绕组104以星形配置的形式连接以连接到三相AC网络106。
[0140] 第六电力电子变流器组件540还包括控制器80以对多电平变流器41进行切换从 而在每个AC端子46处产生并且调制AC相电压。
[0141] 特别地，控制器80以与图3中所示的第一电力电子变流器组件40的控制器80的 方式相同的方式来改变每个电压源56、64中的第一模块58的切换操作的时间以使用步进 式近似在每个AC端子46处产生AC相电压。
[0142] 在使用中，控制器80因而能够选择性地对每个电压源56、64中第一模块58的 IGBT 60进行切换以改变每个电压源56、64上的电压，并因此对每个AC端子46处的AC相 电压￥4^、^进行调制。
[0143] 如图5和10中所示，以此方式对主变流器分支48中的第一模块58进行切换以在 对应的AC端子46处产生具有每单位电压1. 732的幅度以及零度相位角的第一正弦AC相 电压VA，并且对每个副变流器分支50中的第一模块58进行切换以在对应的AC端子46处 产生具有每单位电压1. 〇的幅度以及90度相位角的第二正弦AC相电压VB以及具有每单 位电压1.0的幅度以及-90度相位角的第三正弦AC相电压V c。
[0144] 如图5中所示，三个AC相电压Va、Vb、 V。限定了非对称电压矢量组，产生了具有每 单位电压0. 577的幅度和零度相位角的正弦中性点电压VN，以及对称的线与中性点间电压 、、、、^，每个线与中性点间电压具有每单位电压1.155的幅度且与其它两个线与中性点 间电压间隔120电角度。该对称线与中性点间电压特性因而使得第六电力电子变流器组件 540能够表现出平衡的负载/电源以用于通过变压器初级绕组104连接到三相AC网络106。
[0145] 以此方式，第六电力电子变流器组件540能够用作静止同步补偿器。
[0146] 能够想到，在本发明的其它实施例中，电力电子变流器组件的多电平变流器可以 是或者可以包括一中性点二极管箝位变流器或者飞跨电容器变流器。
[0147] 在本发明的其它实施例中，能够想到电力电子变流器组件可以被配置且操作成为 多相AC网络或者具有多于三个相位的负载的平衡负载/电源。这样的电力电子变流器组 件包括多个AC端子和多个相位元件，其中的每一个在数量上与多相AC网络或者负载中的 AC相位的数量对应。
【权利要求】
1. 一种电力电子变流器组件，包括： 多电平变流器（41)，包括多个AC端子（46)，所述多电平变流器（41)可操作以在每个 AC端子（46)处产生AC相电压（VA、VB、Vc); 多个相位元件（72)，限定一星形连接，每个相位元件的第一端在所述星形连接中被连 接到公共接合点（74)处，每个AC端子与所述星形连接中相应的相位元件（72)的第二端串 联连接；以及 控制器（80)，用于切换所述多电平变流器（41)，以使所述多电平变流器（41)对所述多 个AC相电压（VA、VB、VC)进行调制以限定非对称电压矢量组，从而在所述星形连接的公共接 合点处合成非零中性点电压，所述非零中性点电压与每个AC相电压（V A、VB、V。）限定每个相 位元件（72)两端的线与中性点间电压，所述各个相位元件（72)的线与中性点间电压具有 彼此相等的幅度并且彼此偏尚等距相位角。
2. 根据权利要求1所述的电力电子变流器组件，其中，所述多电平变流器（41)包括三 个AC端子（46)，并且所述控制器对所述多电平变流器（41)进行切换以对每个AC相电压进 行调制从而产生：第一正弦AC相电压，具有每单位电压1. 732的幅度以及零度相位角；第 二正弦AC相电压，具有每单位电压1. 0的幅度以及90度相位角；第三正弦AC相电压，具有 每单位电压1. 0的幅度以及-90度相位角。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的电力电子变流器组件，其中，所述多电平变流器 (41)还包括： 第一 DC端子和第二DC端子（42a、42b)，用于连接到DC网络，所述多电平变流器可操作 以在所述第一 DC端子和第二DC端子处产生DC电压；以及 多个变流器分支（48、50)，每个变流器分支在所述第一 DC端子和所述第二DC端子 (42a、42b)之间延伸并且包括相应的一个所述AC端子（46)，所述多个变流器分支包括至少 一个主变流器分支和至少一个副变流器分支，每个变流器分支包括由对应的AC端子分离 的第一分支部分和第二分支部分，所述主变流器分支的每个分支部分包括主电压源并且每 个副变流器分支的每个分支部分包括副电压源。
4. 根据权利要求3所述的电力电子变流器组件，其中，所述或每个主变流器分支（48、 50)的每个分支部分（52、54)还包括与对应的主电压源（56)串联连接的主开关区块（82)， 并且所述或每个副变流器分支（50)的每个分支部分（52、54)还包括与对应的电压源（64) 串联连接的副开关区块（84)。
5. 根据权利要求1或2所述的电力电子变流器组件，其中，所述多电平变流器（41)还 包括： 第一 DC端子和第二DC端子（42a、42b)，用于连接到DC网络，所述多电平变流器可操作 以在所述第一 DC端子和所述第二DC端子处产生DC电压；以及 多个变流器分支（48、50)，每个变流器分支在所述第一 DC端子和所述第二DC端子 (42a、42b)之间延伸并且包括相应的一个所述AC端子（46)，所述多个变流器分支包括一个 主变流器分支和两个副变流器分支，所述两个副变流器分支并联连接在所述第一 DC端子 和所述第二DC端子之间，每个变流器分支包括由对应的AC端子分离的第一分支部分和第 二分支部分，所述主变流器分支的每个分支部分包括主电压源（56)并且每个副变流器分 支的每个分支部分包括副开关区块（84);以及 两个副电压源（64)，每个副电压源在以下两者之间延伸：所述副变流器分支的并联连 接；以及所述第一 DC端子和所述第二DC端子中的相应DC端子。
6. 根据权利要求1或2中所述的电力电子变流器组件，其中，所述多电平变流器（41) 还包括： 多个辅助端子，每个辅助端子用于接地；以及 多个变流器分支（48、50)，每个变流器分支包括相应的一个所述辅助端子以及相应的 一个所述AC端子，每个变流器分支在该变流器分支的辅助端子与AC端子之间延伸， 其中，所述多个变流器分支（48、50)包括一个主变流器分支与两个副变流器分支，每 个主变流器分支包括主电压源（56)并且每个副变流器分支包括副电压源（64)。
7. 根据权利要求3-6中任一项所述的电力电子变流器组件，其中，每个主电压源（56) 是或者包括双向子电压源。
8. 根据权利要求3-7中任一项所述的电力电子变流器组件，其中，每个副电压源（64) 是或者包括双向子电压源。
9. 根据权利要求3-8中任一项所述的电力电子变流器组件，其中，每个副电压源（64) 是或者包括单向子电压源。
10. 根据权利要求6-9中任一项所述的电力电子变流器组件，其中，每个子电压电源包 括至少一个模块，所述或每个模块包括：至少一个能量存储器件；以及至少一个开关元件， 用于选择性地引导电流通过所述或每个能量存储器件和使电流绕过所述或每个能量存储 器件。
11. 根据权利要求6或8以及9所述的电力电子变流器组件，其中，每个双向子电压源 包括至少一个第一模块，所述或每个第一模块包括两对第一开关元件，所述两对第一开关 元件并联连接，并且与能量存储器件并联连接成全桥式配置，以限定一能提供负电压、零电 压或正电压并且能在两个方向上导电的四象限双极型模块。
12. 根据权利要求9以及10或11所述的电力电子变流器组件，其中，每个单向子电压 源包括至少一个第二模块，所述或每个第二模块包括一对第二开关元件，所述一对第二开 关元件与能量存储器件并联连接成半桥式配置，以限定一能提供零电压或正电压并且能在 两个方向上导电的二象限单极型模块。
13. 根据权利要求1或2所述的电力电子变流器组件，其中，所述多电平变流器（41)是 或者包括中性点二极管箝位变流器或者飞跨电容器变流器。
【文档编号】H02M7/49GK104115391SQ201280069937
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年2月16日 优先权日:2012年2月16日
【发明者】戴维·雷金纳德·特雷纳 申请人:阿尔斯通技术有限公司