用于MMC的全桥升降压转换器单元的制作方法

用于mmc的全桥升降压转换器单元
技术领域
1.本公开涉及一种用于模块化多电平转换器(mmc)的全桥转换器单元。


背景技术：

2.具有多个串联(也称为链式链接)转换器单元的一个或多个mmc由于其增强的模块化、可扩展性和出色的谐波性能以及降低的损耗而已经成为中压(mv)和高压(hv)并网转换器的受欢迎选择。趋向占地面积(尺寸)减少和紧凑的发展已是最近的焦点。
3.为了减少单元电容和/或单元内能量存储件的可能的集成，wo2016/150466a1公开了一种半桥(hb)构造，其具有连接到主能量存储件的dc
‑
dc级，该主能量存储件可以是电池、超级电容器或普通电容器。还需要滤波电感器来控制主能量存储件和滤波能量存储件之间的电流/功率流。开关中的一些在基本频率附近切换以插入或旁通单元，而dc
‑
dc级的开关在更高频率(>1khz)下切换以减小滤波元件的尺寸。该单元的缺点包括需要两种不同类型的开关(即，在基本切换频率附近切换的开关以及在高切换频率切换的dc
‑
dc级)，并且需要复杂的控制结构(即，具有用于用基本频率操作开关的中央控制架构以及用于操作dc
‑
dc级开关的本地单元级控制器的分类算法)。


技术实现要素：

4.传统的mmc根据应用由半桥(hb)或全桥(fb，即，双极)单元构成。由于每个hb或fb单元都是所谓的降压转换器，因此单元dc电压必须始终高于产生的输出电压，否则二极管将被正向偏置并且该单元将用作二极管整流器。当然，而随着谐波注入，可以允许过调制而高达例如1.27p.u.。为简单起见，这里仅考虑线性调制。对于高压直流(hvdc)、静态同步补偿器(statcom)和其他mmc应用(例如，静态频率、铁路电源转换器等)，每个基本频率周期中流入单元能量存储件的净dc能量可以为零。然而，可以存在需要存储在单元能量存储件中的波动能量(例如，根据拓扑结构或操作，为50或100hz)。然后，单元电容可以额定设为使得在考虑来自转换器臂的波动能量的情况下确保对所有操作点的线性调制。单元能量存储件(这里是电容器)计算的表达式可以为：
[0005][0006]
其中，
[0007]
·
c
cell
是所需的单元电容，
[0008]
·
e
arm，pk
‑
pk
是根据转换器臂电流和电压波形计算的峰至峰臂波动能量，
[0009]
·
n是每个转换器臂的转换器单元数量，以及
[0010]
·
u
max
和u
min
是在考虑到mmc的所有操作点的情况下在从系统设计获得的最大和最小波动点处的单元电压值。
[0011]
通常，对于传统mmc单元考虑具有10％峰至峰的单元电压波动。因此，90％的单元能量存储量未被使用，从而使得单元不必要地庞大。
[0012]
现在已经认识到，通过本发明的实施例，可以使用更多的能量存储容量(即，单元dc电压)，以处理dc电压波动，由此每个单元的能量存储件的尺寸(物理(占地面积)和容量两者上)可以显著减少。例如，如果90％的单元电容器能量被使用，则可以实现单元电容器高达80％的减少
[0013]
根据本发明，为了在不考虑单元能量存储件上的大电压波动的情况下产生所需的单元输出电压波形，将需要转换器单元中的所谓的升降压(bb)操作。在一些实施例中，所提出的单元结构可以被视为在用作电压源单元的常规fb单元(例如，提供用于实现双极性的h桥拓扑结构)后方的电流源。
[0014]
根据本发明的一方面，提供了一种全桥转换器单元。该单元包括包含多个转换器阀的bb装置，每个阀包括半导体开关以及反并联二极管。该单元还包括设置为单元的bb装置和端子之间的接合件的双极装置。双极装置包括多个转换器阀，每个阀包括半导体开关以及反并联二极管。bb装置被配置成通过其半导体开关的切换而操作，使得当电力流入单元时，电力从端子通过bb装置的电感器移动到bb装置的主能量存储件，从而对所述主能量存储件充电。bb装置还被配置成通过其半导体开关的切换而操作，使得当电力流出单元时，电力从主能量储存件通过电感器移动到端子，从而使所述主能量储存件放电。双极装置被配置为通过其半导体开关的切换使得bb装置能够进行操作，而与单元端子的极性无关。
[0015]
根据本发明的另一方面，提供了一种包括多个转换器臂的mmc，每个臂包括串联连接的多个根据本公开的转换器单元。
[0016]
根据本发明的另一方面，提供了一种由用于控制mmc中的根据本公开的转换器单元的实施例的控制装置执行的方法。该方法包括通过使电力从端子通过电感器移动到所述主能量存储件来对主能量存储件充电，并且通过使电力从所述主能量存储件通过电感器移动到端子来使主能量存储件放电。
[0017]
本发明的实施例提供一种用于mmc拓扑结构(通常称为mmc或链式链接转换器)的全桥升降压(fb
‑
bb)单元。与常规全桥(fb)单元相比，通过所提出的单元的实施例可以实现单元电容高达80％的减少，但可能需要将半导体额定值加倍。由于每个单元的能量可能会显着降低(>5倍)，因此单元直通故障和旁路保护需求可能会放宽。这允许具有较低能量处理能力的开关，即，键合线器件可用于中压和高压并网应用，这使得成本降低。随着fb
‑
bb单元的切换频率增加，所提出的单元变得紧凑。例如对于碳化硅(sic)开关而言，这可能是有利的。每个fb
‑
bb单元可以产生仅具有切换频率谐波分量的请求参考电压，其与通常还存在低阶谐波分量的常规fb单元不同。因此，即使每个转换器臂具有更少单元数量，通常也不存在转换器的低阶谐波的产生，从而使单元适用于例如中压直流(mvdc)、高压直流(hvdc)、静态同步补偿器(statcom)和例如其中每臂的单元数量可以小于10的其他mmc应用(例如，静态频率、铁路电源转换器等)。
[0018]
此外，注意到，所提出的fb
‑
bb单元是电流源单元。因此，可能不需要臂电抗器，或者其值可以被降低，由于每个单元可以有其自身的电抗器来控制单元级处的电流，从而减少占地面积。
[0019]
应注意，任何方面的任何特征可在适当的情况下应用于任何其他方面。同样，任何方面的任何优点都可以应用于任何其他方面。根据以下详细公开、从属权利要求以及附图，
所附实施例的其他目的、特征和优点将变得明显。
[0020]
通常，权利要求中使用的所有术语均应根据其在技术领域中的通常含义来解释，除非本文另有明确定义。所有对“一/一个/元件、设备、部件、装置、步骤等”的引用除非另有明确说明，否则将被开放地解释为指元件、设备、部件、装置、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按照所公开的确切顺序执行。对于本公开的不同特征/部件使用“第一”、“第二”等仅旨在将特征/部件与其他类似的特征/部件区分开来，而不是赋予特征/部件任何顺序或层次。
附图说明
[0021]
实施例将通过示例的方式并参考附图进行描述，在附图中：
[0022]
图1是根据本发明实施例的mmc的示意电路图。
[0023]
图2是根据本发明的fb
‑
bb转换器单元的实施例的示意电路图。
[0024]
图3是根据本发明的fb
‑
bb转换器单元的另一个实施例的示意电路图。
[0025]
图4a是说明图3的实施例的第一级的示意电路图，仅示出在单元操作的正半循环过程中使用的部件。
[0026]
图4b是说明图3的实施例的第二级的示意电路图，仅示出在单元操作的负半循环过程中使用的部件。
具体实施方式
[0027]
现在将在下文中参考其中示出了某些实施例的附图更全面地描述实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其他实施例也是可行的。相反，以下实施例是通过示例的方式提供的，使得本公开将是彻底且完整的并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的数字指代相同的元素。
[0028]
图1示出了mmc 1，其在本文呈采用双星(也称为双y形或双y)拓扑结构的三相交流(ac)至直流(dc)链式链接转换器的形式。注意到，对于本发明的一些实施例，hvdc或mvdc可以是优选的应用，但是对于一些其他实施例(例如statcom(通常采用德尔塔(δ)或y形(y)拓扑结构)、静态频率ac
‑
ac转换器(通常采用三相到单相或三相到三相mmc)应用)，其他应用也可以是优选的。
[0029]
mmc 1包括多个转换器臂3(可替代地称为支腿、分支或链式链路)，这些转换器臂各自包括串联连接的(可替代地称为链式链接或级联的)多个转换器单元4。在图中的hvdc/mvdc示例中，使用双星拓扑结构，其中每个相2具有与dc端子中的一个(此处为正dc端子dc+)连接的上臂3a以及与dc端子中的另一个(此处为负端子dc
‑
)连接的下臂3b。相应的相2中的每个在mmc的相应的ac端子a、b和c处连接到或配置成连接到ac电网的相应的相。应注意，除了图中例示的双星拓扑结构之外(例如，德尔塔拓扑结构、y形拓扑结构或其组合之外)，本发明的fb
‑
bb单元4可以用于任何mmc拓扑结构中。
[0030]
当mmc 1具有dc侧时(例如，对于hvdc或mvdc应用)，如图1所示，dc端子dc+和dc
‑
可以连接到能量存储系统，该能量存储系统例如包括一个或多个电池或超级电容器或其组合，或由一个或多个电池或超级电容器或其组合构成。
[0031]
mmc 1的控制装置10可以包括用于控制mmc操作的中央控制器以及分布式控制器。
[0032]
图2图示了fb
‑
bb单元4的实施例。单元4包括bb装置4b(用作电流源)以及双极装置4a(用作电压源)。
[0033]
双极装置4a用作bb装置与单元4的端子a和b之间的接合件，以确保无论端子a和b的极性如何，bb装置4b都能够使能量在电力流入单元时从端子a和b和/或次级能量存储件c
f
通过电感器l
f
移动到初级能量存储件c
m
，并且使能量在电力流出单元时从初级能量存储件c
m
通过电感器l
f
移动到端子a和b和/或次级能量存储件c
f
。在图2的实施例中，这通过在不论端子a具有正极性且端子b具有负极性或者端子b具有正极性且端子a具有负极性的情况下确保bb装置4b的极性始终相同(即，点b始终具有负极性并且点a始终具有正极性)来实现。为此，图2的实施例的双极装置4a包括形成h桥拓扑结构的四个转换器阀t(t1、t2、t3和t4)，每个转换器阀均包括单向半导体开关s(s1、s2、s3或s4)以及反并联二极管d(d1、d2、d3或d4)。
[0034]
图2的实施例的bb装置4b包括初级能量储存件c
m
，其例如包括包含至少一个电容器或超级电容器的电容器装置或包含至少一个电池的电池装置。初级能量存储件在此被例示为主电容器c
m
。bb装置还包括次级能量储存件c
f
，其例如包括包含至少一个电容器或超级电容器的电容器装置或包含至少一个电池的电池装置。次级能量存储件在此被例示为滤波电容器c
f
。bb装置还包括电感器l
f
(例如，电抗器)，这里也称为滤波电感器l
f
。
[0035]
初级能量存储件c
m
、次级能量存储件c
f
和电感器l
f
彼此均并联连接，即，每个均连接在另外两中的每个上。因此，在bb装置内形成用于电流循环的两条电流路径，即，通过次级能量存储件c
f
、电感器l
f
和第一bb导体阀ty的前端电流路径、以及通过初级能量存储件c
m
、电感器l
f
和第二bb转换器阀tx的后端电流路径。
[0036]
在单元4中，单元电压uo在其两个端子a和b之间形成，并且dc电压udc在初级能量存储件c
m
上形成。图中示意性给出的电流iac、il和idc已被赋予符号方向。然而，注意到，当这里讨论电流流动时，指的是沿其意图的正方向的电流。
[0037]
单元4被配置成使得在电力流入单元时，初级能量存储件c
m
分两步充电。首先，当第一bb半导体开关sy切换为导电(也称为导通或闭合开关)并且第二bb半导体开关sx切换为非导电(也称为截止或打开开关)时，电流(被允许)从次级能量存储件c
f
的正极侧通过第一bb半导体开关sy流动到电感器l
f
(例如，电流在bb装置的前端路径中逆时针循环)，从而对电感器充电。然后，当第一bb半导体开关sy和第二bb半导体开关sx两者都切换到非导电状态时，电流(被允许)从充电的电感器l
f
通过第二反并联bb二极管dx流动到初级能量存储件c
m
的正极侧(例如，电流在bb装置的后端电流路径中顺时针循环)，从而对初级能量存储件充电。
[0038]
类似地，单元4被配置成使得在电力流出单元时，初级能量存储件c
m
分两步放电。首先，当第一bb半导体开关sy切换为非导电并且第二bb半导体开关sx切换为导电时，电流正在或者被允许从初级能量存储件c
m
的正极侧通过第二bb半导体开关sx流动到电感器l
f
(例如，电流在bb装置的后端电流路径中逆时针循环)，从而对电感器充电。然后，当第一bb半导体开关sy和第二bb半导体开关sx两者均切换为非导电时，电流(被允许)从充电的电感器l
f
通过第一反并联bb二极管dy流动到次级能量存储件c
f
的正极侧(例如，电流在bb装置的前端电流路径中顺时针循环)，从而对次级能量存储件充电。
[0039]
第一阀ty包括第一开关sy和第一反并联二极管dy，并且第二阀tx包括第二开关sx
和第二反并联二极管dx。在图2的实施例中，第一和第二转换器阀ty和tx彼此串联连接，其中，第一和第二开关sy和sx具有相同的极性，即，能够在切换为导电时沿串联连接的相同方向传导电流。
[0040]
因此，在实施例中，bb装置包括初级能量存储件c
m
、电感器l
f
和次级能量存储件c
f
、以及第一和第二转换器阀ty和tx。次级能量存储件c
f
与第一转换器阀ty串联连接，并且与所述第一转换器阀一起与电感器l
f
并联连接，并且初级能量存储件c
m
与第二转换器阀tx串联连接，并且与所述第二转换器阀tx一起与电感器l
f
并联连接。
[0041]
在任何mmc(链式链接转换器)l中，单元能量存储件在每个基本周期中与电网交换的净dc能量可以为零。可以设计切换平均模型来理解所提出的单元结构的开关s额定值。单元输出电压(uo)和电流(io)是已知量，从其中可以确定初级能量存储电压(udc)和电流(idc)波形如下：
[0042][0043][0044]
开关电流的切换周期平均值可定义为：
[0045]
i
sy
(t)＝i
dc
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0046]
i
sx
(t)＝i0(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
因此，第一bb开关sy额定设为单元输出电流io的峰值(即，臂电流)，而第二bb开关sx额定设为dc电流idc的峰值。第一和第二bb开关sy和sx各自必须能够阻断uab和udc之和的峰值。假设uab的峰值与udc的峰值相同，则第一和第二bb开关中的每一个均必须能够阻断两倍于标称单元dc电压udc的电压。双极装置4a的开关s1、s2、s3和s4额定设为单元输出电流的峰值(即，臂电流io)，并且必须阻断交流电压uac。
[0048]
对于流入单元的电力(即，对主电容器cm充电)(也就是说，从单元ac侧到主电容器cm)，第一bb开关sy切换为导电且第二bb开关sx不导电。当第一bb开关sy切换为导电时，电感器l
f
由滤波电容器c
f
充电，而当其切换到不导电时，电感器l
f
中存储的能量通过第二bb二极管dx转移到主电容器cm。在转换器稳态操作时，控制第一bb开关sy与电感器电流il的占空比的方程可以定义为：
[0049][0050][0051]
类似地，对于流出单元的电力(即，使主电容器cm放电)(也就是说，从主电容cm到单元的ac侧)，第二bb开关sx切换为导电并且第一bb开关sy保持不导电。当第二bb开关sx变换为导电时，电感器lf由主电容器cm充电，并且当其变换为不导电时，存储在电感器lf中的能量通过第一bb二极管dy转移到滤波电容器cf。在转换器稳态操作时，控制第二bb开关sx与电感器电流il的占空比的方程可以定义为：
[0052]
[0053][0054]
可以注意到，电感器电流il的方向被反转以反转电力流动。
[0055]
在双极装置4a中，分别地，第一和第二开关s1和s4变换为导电(第二和第三开关s2和s3变换为不导电)以产生正参考电压，而第二和第三开关s2和s3变换为导电(第一和第二开关s1和s4变换为不导电)以产生负参考电压。这些开关s1、s2、s3和s4通常在零电压开关(zvs)下操作。
[0056]
图3图示了fb
‑
bb单元4的另一个实施例。以上关于图2的实施例讨论也适用于与图3的实施例相关的部分中。
[0057]
同样，双极装置4a用作bb装置与单元4的端子a和b之间的接合件，以确保无论端子a和b的极性如何，bb装置4b都能够使能量在电力流入单元时从单元端子a和b(或次级能量存储件c
f
)通过电感器l
f
(这里是第一电感器lf1或第二电感器lf2)移动到初级能量存储件c
m
，并且使能量在电力流出单元时从初级能量存储件c
m
移动到单元端子a和b(或次级能量存储件c
f
)。然而，在图3的实施例中，bb装置4b包括共享同一主电容器cm的两个单独bb级(第一bb级4b1和第二bb级4b2)。因此，双极装置4a可以减少到仅两个阀t1和t2，以在两个bb级4b1和4b2之间进行切换。
[0058]
在正半循环过程中，如图4a所示，双极装置的第一开关s1导电(第二开关s2不导电)，由此包括第一bb开关sy1和第二bb开关sx1以及电感器lf1的第一bb级正操作为使电力在初级和次级能量存储件c
m
和c
f
之间(即在初级能量存储件c
m
与单元的端子a和b之间)移动。
[0059]
在负半循环的过程中，如图4b所示，双极装置的第二开关s2导电(第一开关s1不导电)，由此包括第一bb开关sy2和第二bb开关sx2以及电感器lf2的第二bb级正操作为使电力在初级和次级能量存储件c
m
和c
f
之间(即在主能量存储件cm与单元的端子a和b之间)移动。
[0060]
在双向装置4a和bb装置4b两者中，并且对于本发明的任何实施例而言，每个转换器阀t包括单向半导体开关s(其根据mmc 1所用于的应用而例如包括si或sic(其中sic对于本发明的实施例的相对高切换频率而言可以是优选的)绝缘栅双极晶体管(igbt)、集成栅换向晶闸管(igct)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或双模绝缘栅晶体管(bigt))、以及反并联二极管d(连接在开关s上，但通过具有相反极性、即通过能够沿相反方向导电反并联连接)。
[0061]
在本发明的一些实施例中，双极装置4a的多个转换器阀包括形成h桥拓扑结构的四个转换器阀t1、t2、t3和t4，例如在图2的实施例中。
[0062]
在本发明的一些其他实施例中，双极装置4a被配置成交替地激励bb装置4b的第一或第二bb级4b1或4b2，例如在图3的实施例中。
[0063]
在本发明的一些其他实施例中，bb装置4b的多个半导体开关sx和sy中的每个均被配置用于至少1khz(例如，至少5或10khz)的切换频率。
[0064]
在本发明的一些其他实施例中，bb装置4b的多个半导体开关sx和sy中的每个均包括碳化硅(sic)或硅(si)半导体材料、或其组合。在一些实施例中，碳化硅由于其能够处理高切换频率而是优选的。
[0065]
在本发明的一些其他实施例中，bb装置和/或双极装置的多个半导体开关s1、s2、
s3和s4、和/或sx和sy中的每个均包括绝缘栅双极晶体管(igbt)、集成栅极换向晶闸管(igct)、双模绝缘栅极晶体管(bigt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。这些是半导体开关器件的典型示例，但任何其他器件也可用于本发明的实施例中。
[0066]
在本发明的一些其他实施例中，初级能量存储件c
m
和/或次级能量存储件c
f
包括电容器、超级电容器或电池，或者由电容器、超级电容器或电池构成。
[0067]
在本发明的一些其他实施例中，mmc呈y形、双y形、三y形或δ拓扑结构、或其组合。
[0068]
在本发明的一些其他实施例中，mmc被配置成操作为statcom、为hvdc或mvdc转换器、或者为铁路联锁电力网。
[0069]
在本发明的一些其他实施例中，mmc1具有包括正dc端子dc+和负dc端子dc
‑
的dc侧。在一些实施例中，正和负dc端子连接到能量存储系统，该能量存储系统例如包括一个或多个电池或超级电容器或其组合，或者由一个或多个电池或超级电容器或其组合构成。
[0070]
根据本发明的更一般的实施例，提供一种全桥转换器单元4。该单元包括升降压(bb)装置4b，其包括多个半导体开关sx和sy。该单元还包括双极装置4a，其被设置为单元的bb装置与端子a和b之间的接合件。双极装置包括多个半导体开关s1
‑
s4。bb装置被配置成通过其半导体开关的切换来操作，使得当电力流入单元时，使电力从端子(或次级能量储存件cf)通过电感器lf移动到主能量储存件cm，并且当电力流出单元时，使电力从主能量存储件cm通过电感器移动到端子(或次级能量存储件)。双极装置4a被配置成通过其半导体开关的切换使得bb装置4b能够操作成与单元端子的极性无关。
[0071]
以上已经主要参考几个实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，在由所附权利要求限定的本公开的范围内，除了上面公开的实施例之外的其他实施例同样是可行的。