专利名称：用于电压转换的装置的制作方法
用于电压转换的装置技术领域和
背景技术：
本发明涉及一种用于将直流电压转换为交流电压以及相反地将交流电压转换为 直流电压的装置，一方面，所述装置包括电压源转换器，其具有与该转换器的直流电压侧的相对极连接并且包括开关单元 的串联连接的至少一个相臂，每个所述开关单元一方面具有串联连接的至少两个半导体组 件，并且所述至少两个半导体组件的每个均具有关断型半导体器件和与该关断型半导体器 件并联连接的续流二极管，并且每个所述开关单元另一方面具有至少一个储能电容器和在 开关单元的所述串联连接中将该单元连接到相邻单元的两个端子，开关单元的所述串联连 接的中点形成被配置成连接到该转换器的交流电压侧的相输出，每个所述开关单元均被配 置成通过控制每个开关单元的所述半导体器件来获得两个开关状态，即第一开关状态和第 二开关状态，在所述两个开关状态中，所述至少一个储能电容器两端的电压和零电压被分 别提供到该开关单元的所述两个端子之间，以在所述相输出上获得确定的交流电压，其中 对于开关单元的所述串联连接中的每个半部，以相位电抗器的形式的电感装置被布置为将 所述半部连接到所述中点，以及另一方面，对于每个所述相臂，所述装置包括变压器，其被配置成将所述相输出连接到与所述相臂相关联的交流电压相线。这种转换器包括有任意数量的所述相臂，但是它们通常具有三个这种相臂，以使 得在其交流电压侧上具有三相交流电压。具有这种类型的电压源转换器的装置可用在各种情况下，其中直流电压将被 转换为交流电压，并且相反地交流电压将被转换为直流电压，其中这样使用的示例是在 HVDC (高压直流)-设施的站中，其中通常将直流电压转换为三相交流电压或者相反地将三 相交流电压转换为直流电压，或者在所谓的背靠背站中，其中首先将交流电压转换为直流 电压，然后再转换为交流电压。然而，本发明不限于这些应用，而是也可以想到其他应用，诸 如在用于机器、车辆等的不同类型的驱动系统中。通过例如DE 10103031A1和WO 2007/023064A1已知在所述装置中使用的类型的 电压源转换器，并且如公开了通常称为多单元转换器或M2LC。参考这些公布，以实现这种类 型的转换器。转换器的所述开关单元可以具有与所述公布中示出的那些外观不同的外观， 并且例如，只要可以控制开关单元在介绍中所提及的两个状态之间进行切换，每个开关单 元均可以具有多于一个的所述储能电容器。本发明主要、但不专门地针对具有被配置成传输大功率的电压源转换器的这种装 置，因此，在下文中为了阐明将主要讨论传输大功率的情况，但是不以任何方式将本发明 限制于此。当这种电压源转换器用于传输大功率时，这也意味着处理高电压，并且转换器 的直流电压侧的电压是由开关单元的所述储能电容器两端的电压来确定的。这意味着， 由于在每个所述开关单元中要串联连接大量的半导体器件(即，所述半导体组件)，因此， 要串联连接相当大数量的这种开关单元，并且当所述相臂中的开关单元的数量相当大时， 这种类型的电压源转换器特别引起关注。串联连接的大量的这种开关单元意味着，将可 以控制这些开关单元在所述第一开关状态和第二开关状态之间变化，并且由此，已经在所述相输出处获得非常接近于正弦电压的交流电压。该交流电压已经可通过基本上比在DE 10103031A1的图1中所示类型的已知电压源转换器中典型使用的切换频率低的切换频率 来获得，其中，该电压源转换器具有带有至少一个关断型半导体器件和与其反并联连接的 至少一个续流二极管的开关单元。这使得可以获得充分低的损耗，并且也显著地减少了滤 波和谐波电流以及无线电干扰的问题，因此，可以使设备的成本更小。布置将相臂的开关单元的串联连接的每个半部连接到所述中点的所述相位电抗 器来避免这两个半部的短路，并且所述相位电抗器还有助于在转换器的交流电压侧上得到 更好的电压形状。布置将每相的相输出连接到交流电压相线的所述变压器，以在转换器的直流电压 侧和交流电压侧上获得适当电平的电压，并且变压器通常被配置成相对于交流电压侧上的 电压电平提高直流电压侧上的电压电平，但是也可以想到相反的情况。在介绍中所定义类型的装置对空间有相当的要求，并且正在尝试减少该空间要 求，尤其是在空间非常昂贵的地方(诸如海滨)要使用这种装置的情况下。
发明内容
本发明的目的在于提供在介绍中所定义类型的装置，该装置解决了已知的这种装 置的大空间要求的问题。根据本发明，通过提供这种装置来实现该目的，在该装置中，通过形成变压器中每 个均被布置为与所述变压器中连接至所述交流电压相线的次级绕组相互作用的初级绕组， 来将所述相臂的所述相位电抗器安装于所述变压器中，并且两个所述初级绕组相对于彼此 被定位成使得流过所述相输出的电流的直流分量在基本上相反的方向上通过这两个初级 绕组。通过将所述相位电抗器用作每相具有两个初级绕组的变压器的绕组，该相位电抗 器由于成为变压器的一部分而实际上将会消失，从而电压源转换器可直接连接到变压器， 而无需任何中间的相位电抗器。由于这种类型(M2LC)的电压源转换器的相位电抗器需要 非常大的空间，这就导致相当大地节省了空间。因此，当在空间非常昂贵的地方(诸如，海 滨)使用这种装置时，这构成了很大的优势。通过将两个初级绕组布置成使得流过所述相位输出的电流的直流分量在基本上 相反的方向上通过这两个初级绕组，可将这些相位电抗器安装在变压器中，这是因为该布 置意味着接着不会由于电流的所述直流分量而导致变压器的铁心饱和。应当指出，“初级绕组”和“次级绕组”不用于表示电压变换如何发生，但是这些 绕组的匝数的关系可以是任意适当的，并且初级绕组的匝数可低于或者高于次级绕组的匝 数。根据本发明的实施例，两个所述初级绕组被布置为基本上彼此并联。根据本发明的另一实施例，在与所述初级绕组的纵向延伸基本垂直的两个共有平 面之间，两个所述初级绕组在其纵向方向上延伸，这意味着电流的所述直流分量对变压器 铁心的影响将会是最小的。根据本发明的另一实施例，每个变压器的所述次级绕组被布置为与两个初级绕组 并联，并且在这两个初级绕组旁边。
根据本发明的另一实施例，每个变压器的所述次级绕组被布置为在这两个初级绕 组的中间且基本上与两个所述初级绕组并联，从空间要求的观点来看，这在一些应用中可 以是有利的。根据本发明的另一实施例，所述相臂的开关单元的数量为>4、> 12、> 30或 ^ 50。如上所述，当所述相臂的开关单元的数量相当大而导致在所述相输出上传送的大量 可能电平的电压脉冲时，这种类型的电压源转换器的使用是特别引起关注的，并且所述数 量越大，则移除所述相位电抗器将会导致空间增益越大。根据本发明的另一实施例，开关单元组件的所述半导体器件是IGBT (绝缘栅双极 晶体管)、IGCT(集成门极换向晶闸管)或GT0(门极可关断晶闸管)。这些是适合于这种 转换器的半导体器件，但也可以想到其它关断型的半导体器件。根据本发明的另一实施例，所述装置被配置成使得转换器的所述直流电压侧连接 到用于传输高压直流(HVDC)的直流电压网络，并且使得交流电压侧连接到属于交流电压 网络的交流电压相线。这是由于这种类型的转换器特别引起关注的应用所需的大量的半导 体组件而导致的。根据本发明的另一实施例，转换器被配置成使得所述两极之间的直流电压为 lkV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。所述直流电压越高，本发明就越引起关注。因此，本发明还涉及根据附加的权利要求的用于传输电力的设施。可以给予这种 设施的站有吸引力的尺寸和相对于低花费的高可靠性。根据以下描述，本发明的更多优点和有利特征将变得明显。
参照附图，以下是对所引用的作为示例的本发明实施例的描述。在附图中图1是在根据本发明的装置中使用的电压源转换器的非常简化的视图，图2和图3示出了已知的两种不同的开关单元，其可作为在根据本发明的装置中 的电压源转换器的一部分，图4是非常示意性地示出关于一个相臂的、根据本发明的类型的已知装置的简化 视图，图5是图4中所示的装置的另一简化的视图，图6是根据本发明实施例的装置的与图4相对应的视图，图7是根据图6的装置的一部分的示意图，图8示意性地示出对图7中所示的根据本发明的装置的一部分进行修改的方式， 以及图9是图5中所示的根据本发明的装置的与图5相对应的视图。
具体实施例方式图1非常示意性地示出包括在本发明所涉及的装置中的类型的电压源转换器1的 一般构造。该转换器具有与转换器的直流电压侧的相对极5、6(诸如用于传输高压直流的 直流电压网络)连接的三个相臂2-4。每个相臂均包括用方框表示的开关单元7 (在该情况下数量为16个)的串联连接，并且这种串联连接被划分成两个同等的部分，上阀门分支 (ValVebranch)8和下阀门分支9，该两个同等的部分由形成被配置成连接到转换器的交流 电压侧的相输出的中点10-12分离。相输出10-12可能通过变压器连接到三相交流电压网 络、负载等。为了改进在所述交流电压侧上的交流电压的形状，在所述交流电压侧上还布置 了滤波设备。布置控制装置13来控制开关单元7，并且通过该控制装置，转换器将直流电压转 换为交流电压以及相反地将交流电压转换为直流电压。电压源转换器具有如下类型的开关单元7 其一方面具有至少两个半导体组件， 所述至少两个半导体组件的每一个均带有关断型半导体器件以及与该关断型半导体器件 并联连接的续流二极管；并且另一方面具有至少一个储能电容器，而且在图2和图3中示出 了这种开关单元的两个例子。开关单元的端子14、15适用于连接到形成相臂的开关单元的 串联连接中的相邻开关单元。在这种情况下，半导体器件16、17是与二极管18、19并联连 接的IGBT。尽管每个组件仅示出一个半导体器件和一个二极管，但这些可分别代表用于分 摊流过该组件的电流的、并联连接的多个半导体器件和二极管。储能电容器20与二极管以 及半导体器件的相应串联连接并联连接。一个端子14连接到两个半导体器件之间的中点 以及两个二极管之间的中点。另一个端子15连接到储能电容器20，在图2的实施例中，另 一端子15连接到储能电容器20的一侧，而在根据图3的实施例中，另一端子15连接到该 储能电容器的另一侧。需要指出的是，为了能够处理待处理的电压，如图2和图3中所示的 每个半导体器件和每个二极管可以是串联连接的多于一个的半导体器件和二极管，然后， 可以同时控制这样串联连接的半导体器件，以便作为一个单独的半导体器件。可以控制图2和图3中所示的开关单元，以获得a)第一开关状态和b)第二开关 状态中的一个状态，其中，对于a)，电容器20两端的电压被施加到端子14、15之间，而对于 b)，零电压被施加到端子14、15之间。为了在图2中获得第一状态，接通半导体器件16并 且关断半导体器件17，而在根据图3的实施例中，接通半导体器件17并且关断半导体器件 16。通过改变半导体器件的状态，将开关单元切换到第二状态，使得在根据图2的实施例 中，关断半导体器件16并且接通半导体器件17，以及在图3中，关断半导体器件17并且接 通半导体器件16。图4稍微更详细地示出了如何通过图3中所示类型的开关单元来形成根据图1的 转换器的相臂，为了简化该图，在图3中总共省略了十个开关单元。控制装置13适用于通 过控制开关单元的半导体器件来控制开关单元，使得这些开关元件将传送要添加到所述串 联连接中的其他开关单元的电压中的零电压或电容器两端的电压。这里还示出了变压器21 和滤波设备22。示出了每个阀门分支如何通过相位电抗器23J4连接到相输出10，并且对 于相输出10、11和12，在图1中也应该有这种相位电抗器，但是为了简化该示图而省略了这 种相位电抗器。为了避免开关单元的串联连接的上半部25和下半部沈之间的短路，需要 这些相位电抗器。图5中针对三个相臂2-4更示意性地示出根据图4的用于将直流电压转换为交流 电压以及相反地将交流电压转换为直流电压的装置，其中，不同相臂的上阀门分支由8、8’ 和8”表示，而下阀门分支由9、9’和9”表示。形式为容纳由开关单元的串联连接形成的 这些阀门的阀门厅(valve hall)的组合(building)由27表示。需要相当大的空间并且布置在所述组合27外部的相位电抗器由23、23’和23”以及对、24’和24”表示。这些相 位电抗器分别将相应的所述阀门分支连接到通过断路器四、29’、29”连接到交流电压相线 观、28’、28”的变压器21、21’和21”。因此，必须将所述空间要求高的相位电抗器和变压器 布置在所述组合外部，从而在组合外部需要可用于相位电抗器和变压器的相当大的额外空 间。图6针对一个相臂非常示意性地示出根据本发明实施例的装置，该装置没有单独 的相位电抗器，但是作为代替，变压器30在其每相的直流电压侧上具有两个绕组。图7示出如何可实现这样的装置。这里示意性地示出三个变压器，每相一个，但是 也可认为这三个变压器构成一个单独的三相变压器。每个变压器30-32均具有两个初级绕 组33-38，其中每个初级绕组均将开关单元的所述串联连接的一个半部或阀门分支连接到 所述中点10-12。布置了相臂的变压器的两个初级绕组，使得在从直流电压正极流向直流电压负极 时流过所述中点的电流的直流分量在基本上相反的方向上通过这两个初级绕组。对于变压 器30，这以I示出。这意味着该直流分量将不会使变压器铁心的铁饱和，其对于使得能够以 这种方式将相位电抗器安装在变压器中是必要的。每个变压器均具有连接到相应的交流电压相线42-44的次级绕组39_41。每个变压器的两个初级绕组被布置为基本上彼此并联延伸，其中，次级绕组与初 级绕组基本上并联延伸并且布置在初级绕组旁边。图8示出布置图7中所示类型的变压器的绕组的另一可能性，其中，将次级绕组39 布置在两个初级绕组33、34的中间。在图9中示出根据本发明的装置关于地方节省的益处，这是根据本发明的装置的 与图5相对应的视图，因此不具有相位电抗器，而作为代替，具有包括在变压器30-32中的 两个初级绕组。因此，在空间非常昂贵的地方(诸如，海滨)，这种设计的装置将会是有吸引 力的。本发明当然不以任何方式限于上述实施例，而是在不背离如所附权利要求书中定 义的本发明的基本思想的情况下，对于本领域的普通技术人员而言，对其进行修改的很多 可能性将是明显的。
权利要求
1.一种用于将直流电压转换为交流电压以及相反地将交流电压转换为直流电压的装 置，一方面，所述装置包括电压源转换器(1)，其具有至少一个相臂0-4)，所述至少一个相臂与所述转换器的 直流电压侧的相对极(5，6)连接并且包括开关单元(7，7’ )的串联连接，每个所述开关单 元一方面具有串联连接的至少两个半导体组件，并且所述至少两个半导体组件的每一个均 具有关断型半导体器件(16，17)和与所述关断型半导体器件并联连接的续流二极管(18， 19)，并且每个所述开关单元另一方面具有至少一个储能电容器OO)和在开关单元的所述 串联连接中将该单元连接到相邻单元的两个端子(14，15)，开关单元的所述串联连接的中 点(10-1 形成被配置成连接到所述转换器的交流电压侧的相输出，每个所述开关单元被 配置成通过控制每个开关单元的所述半导体器件来获得两个开关状态，即第一开关状态和 第二开关状态，在所述两个开关状态下，所述至少一个储能电容器两端的电压和零电压被 分别提供到所述开关单元的所述两个端子之间，以在所述相输出上获得确定的交流电压， 其中对于开关单元的所述串联连接中的每个半部(8，9)，将为相位电抗器(33-38)的形式 的电感装置布置为将所述半部连接到所述中点，以及另一方面，对于每个所述相臂，所述装 置包括变压器(30，32)，其被配置成将所述相输出连接到与所述相臂相关联的交流电压相线，其特征在于，通过形成所述变压器(30-32)中每个均被布置为与所述变压器中连接至 所述交流电压相线(42-44)的次级绕组(39-41)相互作用的初级绕组(33-38)，来将所述相 臂的所述相位电抗器安装于所述变压器中，并且两个所述初级绕组相对于彼此被定位成使 得流过所述相输出的电流的直流分量在基本上相反的方向上通过这两个初级绕组。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个所述初级绕组(33-38)被布置为基本 上彼此并联。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在与所述初级绕组的纵向延伸基本垂 直的两个共有平面之间，两个所述初级绕组(33-38)在其纵向方向上延伸。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，每个变压器的所述次级 绕组(39-41)被布置为与两个所述初级绕组(33-38)并联，并布置在两个所述初级绕组 (33-38)旁边。
5.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，每个变压器的所述次级 绕组(39-41)被布置为在两个所述初级绕组(33-38)中间且基本上与两个所述初级绕组 (33-38)并联。
6.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述相臂的所述开关单元 (7，7，)的数量为彡4、彡12、彡30或彡50。
7.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，开关单元组件的所述半导 体器件(16，17)是绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换向晶闸管IGCT或者门极可关断晶闸 管 GT0。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置被配置成使得所 述转换器的所述直流电压侧连接到用于传输高压直流HVDC的直流电压网络(5，6)，并且使 得交流电压侧(10-12)连接到属于交流电压网络的交流电压相线。
9.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述电压源转换器被配置成使得所述两极之间的直流电压为lkV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。
10. 一种用于传输电力的设施，包括直流电压网络和通过站连接到所述直流电压网 络的至少一个交流电压网络，所述站适于执行所述直流电压网络与所述交流电压网络之间 的电力传输，并且包括具有电压源转换器的至少一个装置，所述电压源转换器适于将直流 电压转换为交流电压以及相反地将交流电压转换为直流电压，其特征在于，所述设施的所 述站包括根据权利要求1-9中的任一项所述的装置。
全文摘要
一种用于将直流电压转换为交流电压以及相反地将交流电压转换为直流电压的装置具有电压源转换器，该电压源转换器具有与该转换器的直流电压侧的相对极(5，6)连接的至少一个相臂和布置在所述极之间的开关单元的串联连接。该串联连接的每个半部(8，9)通过相位电抗器连接到形成相输出的中点。通过形成变压器中每个均被布置为与变压器中连接至交流电压相线的次级绕组相互作用的初级绕组，将所述相臂的相位电抗器安装于变压器(30)中，其中该变压器(30)被配置成将所述相输出连接至交流电压相线(28)。
文档编号H02M7/49GK102084585SQ200880129676
公开日2011年6月1日 申请日期2008年5月6日 优先权日2008年5月6日
发明者贡纳尔·阿斯普隆德 申请人:Abb技术有限公司