多电平转换器的制作方法

本实用新型涉及一种具有多个子模块的模块化多电平转换器，子模块分别具有至少两个电子开关元件和电能存储器。

背景技术：

转换器是用于转换电能的电力电子电路。利用转换器，可以将交流电流转换为直流电流，将直流电流转换为交流电流，将交流电流转换为其它频率和/或幅值的交流电流，或者将直流电流转换为其它电压的直流电流。转换器可以具有串联电连接的多个同样的模块(所谓的子模块)。这些子模块分别具有至少两个电子开关元件和电能存储器。这种转换器被称为模块化多电平转换器。通过子模块的串联电路，可以实现高的输出电压。转换器可以简单地适应(可缩放)不同的电压，并且可以相对准确地产生期望的输出电压。模块化多电平转换器通常在高压范围内，例如作为高压直流传输设备中的转换器或者作为柔性交流传输系统中的无功补偿器使用。

为了控制包含在子模块中的电子开关元件，并且为了反馈子模块的状态(例如为了反馈子模块的能量存储器的充电状态)，在中央控制设备和子模块之间交换信号。由于能够以简单并且低成本的方式实现的原因，期望将控制设备布置在地电势，而各个子模块可以处于不同的电压电势(尤其还可以处于高压电势)。因此，控制设备和子模块之间的信号传输通常借助光波导进行；使用光信号。

在此可以想到，从中央控制设备到每个子模块铺设光波导(用于将信号从控制设备传输到子模块)，并且从子模块到控制设备铺设另外的光波导(用于将信号从子模块传输到控制设备)。也就是说，在这种解决方案中，每个子模块需要两个光波导，其从子模块延伸到控制设备。因为控制设备可能处于距相应的子模块相当远的距离(例如这些距离可能是100m以及更远)处，所以需要非常长的光波导，这些光波导以及其铺设产生相当大的成本。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种转换器，借助其可以以低成本的方式实现控制设备和子模块之间的信号传输。

根据本实用新型，上述技术问题通过根据本实用新型的转换器来解决。在说明书中给出转换器的有利实施方式。

公开了一种模块化多电平转换器，其具有多个子模块和用于子模块的控制设备，子模块分别具有至少两个电子开关元件和电能存储器，其中，控制设备的光输出端借助第一光波导与光分配器的输入端连接，并且光分配器的多个输出端分别借助第二光波导与子模块中的相应的一个的光输入端连接。

在该模块化多电平转换器中，有利的是，在控制设备和光分配器之间仅需要第一光波导，并且仅在光分配器和子模块之间分别需要自己的光波导(在此称为“第二光波导”)。因此，根据控制设备和光分配器之间的距离，可以节省相当长度的光波导，由此可以以低成本实现多电平转换器。光分配器在此可以是无源光分配器，即，光分配器不需要辅助能量(无辅助能量光分配器)。由此，光分配器可以容易地布置在高压电势上，而不需要用于该光分配器的(由于高压电势而)高成本的辅助电源。光分配器将到达其光输入端的光控制信号分配到其(全部的)光输出端。

多电平转换器可以被设计为，光分配器的输出端(借助相应的第二光波导) 分别与子模块中的另一个连接。在该实施方式中，每个子模块正好与光分配器的一个输出端相关联；每个子模块正好借助第二光波导中的一个与光分配器的相关联的光输出端连接。

多电平转换器可以被设计为，

-控制设备具有多个光输入端，并且子模块的光输出端分别借助第三光波导与控制设备的光输入端中的一个连接，或者

-光汇聚器具有多个光输入端，并且子模块的光输出端分别借助第三光波导与光汇聚器的光输入端中的一个连接，并且光汇聚器的光输出端借助第四光波导与控制设备的光输入端连接。

在第一可选实施方式中，各个子模块的光输出端分别借助第三光波导直接与控制设备的光输入端连接。因此，在该实施变形方案中不需要另外的光学部件 (特别是不需要光汇聚器)。

在第二可选实施方式中，在子模块的输出端和控制设备的输入端之间布置光汇聚器。通过使用该光汇聚器，可以实现所需的光波导的进一步减少：因为在光汇聚器的光输出端和控制设备的光输入端之间仅需要一个光波导(第四光波导)。由此，依据控制设备和光汇聚器之间的空间距离，可以附加地节省相当长度的光波导。光汇聚器在此可以是无源光汇聚器，即，光汇聚器不需要辅助能量 (无辅助能量光汇聚器)。由此，光汇聚器可以容易地布置在高压电势上，而不需要用于光汇聚器的(由于高压电势而)高成本的辅助电源。光汇聚器将(所有) 到达其光输入端的光信号聚集到其光输出端。

模块化多电平转换器可以被设计为，子模块的输出端(借助相应的第三光波导)分别与控制设备的光输入端中的另一个连接。在此，各个子模块的输出端分别与控制设备的一个输入端相关联。各个子模块的输出端借助相应的第三光波导与控制设备的该相关联的输入端光学连接。

但是，多电平转换器也可以被设计为，子模块的输出端(借助相应的第三光波导)分别与光汇聚器的光输入端中的另一个连接。在该实施方式中，各个子模块的输出端分别与光汇聚器的一个输入端相关联。各个子模块的输出端借助相应的第三光波导与光汇聚器的相关联的光输入端光学连接。

多电平转换器也可以被设计为，多电平转换器具有另外的光波导，该另外的光波导将控制设备的另外的光输出端与光分配器的另外的光输入端连接。在此，该另外的光波导与第一光波导光学并联连接。该另外的光波导是冗余的，并且提高了多电平转换器的可靠性。因为在第一光波导中断时，光控制信号可以从控制设备经由该另外的光波导传输到光分配器。

多电平转换器也可以被设计为，多电平转换器具有附加光波导，该附加光波导将光汇聚器的附加光输出端与控制设备的附加光输入端连接。该附加光波导和第四光波导光学并联连接。该附加光波导是冗余的，并且提高了多电平转换器的可靠性。因为在第四光波导发生故障时，来自子模块的光响应信号可以经由该附加光波导传输到控制设备。

模块化多电平转换器可以被设计为，光汇聚器和子模块之间的距离分别小于光汇聚器和控制设备之间的距离。通过这样设计的多电平转换器，可以节省相当大的光波导长度，因此节省相当大的成本。一般来说，光汇聚器和控制设备之间的距离越大，节省就越多。

多电平转换器也可以被设计为，光分配器和子模块之间的距离分别小于光分配器和控制设备之间的距离。通过多电平转换器的这种实施方式，同样可以节省相当大的光波导长度，因此节省相当大的成本。

附图说明

下面，借助实施例更详细地解释本实用新型。在此，相同的附图标记指示相同或者相同地起作用的元素。在此，

在图1中示出了模块化多电平转换器的实施例，

在图2中示出了子模块的实施例，

在图3中示出了子模块的另外的实施例，

在图4中示出了具有光分配器的多电平转换器的实施例，以及

在图5中示出了具有光分配器和光汇聚器的多电平转换器的实施例。

具体实施方式

在图1中示出了模块化多电平转换器1(modular multilevel converter，MMC) 形式的转换器1。该多电平转换器1具有第一交流电压接头5、第二交流电压接头7和第三交流电压接头9。第一交流电压接头5与第一相模块支路11和第二相模块支路13电连接。第一相模块支路11和第二相模块支路13形成转换器1 的第一相模块15。第一相模块支路11的远离第一交流电压接头5的一端与第一直流电压接头16电连接；第二相模块支路13的远离第一交流电压接头5的一端与第二直流电压接头17电连接。第一直流电压接头16是正直流电压接头；第二直流电压接头17是负直流电压接头。

第二交流电压接头7与第三相模块支路18的一端并且与第四相模块支路21 的一端电连接。第三相模块支路18和第四相模块支路21形成第二相模块24。第三交流电压接头9与第五相模块支路27的一端并且与第六相模块支路29的一端电连接。第五相模块支路27和第六相模块支路29形成第三相模块31。

第三相模块支路18的远离第二交流电压接头7的一端和第五相模块支路27 的远离第三交流电压接头9的一端与第一直流电压接头16电连接。第四相模块支路21的远离第二交流电压接头7的一端和第六相模块支路29的远离第三交流电压接头9的一端与第二直流电压接头17电连接。

每个相模块支路具有多个子模块(1_1，1_2，1_3，...1_n；2_1...2_n；等)，其(借助其电流接头)串联电连接。在图1的实施例中，每个相模块支路具有n 个子模块。(借助其电流接头)串联电连接的子模块的数量可以非常不同，至少串联连接两个子模块，但是也可以串联电连接例如50个或100个子模块。在该实施例中，n＝32：第一相模块支路因此具有36个子模块1_1，1_2，1_3，...1_32。

在图1的左侧区域中示意性地示出了用于子模块1_1至6_n的控制设备35。从该中央控制设备35向各个子模块传输光信号。控制设备和子模块之间的信号传输分别象征性地由虚线37示出；信号传输的方向由虚线37上的箭头表示。控制设备35借助光输出端39向子模块发送光信号，并且借助光输入端41从各个子模块接收光信号。这以子模块1_1，1_n和4_n为例示出；以相同的方式向其它子模块发送光信号或从这些子模块接收光信号。也就是说，根据图1的图示，每个子模块需要两个光波导，其分别在子模块和控制设备之间延伸。这是开头描述的所需光波导长度很大的昂贵的解决方案。不同于此，下面描述另一种解决方案，其中，较小的光波导长度就足够了。

在图2中示例性地示出了子模块201的基本结构。在此，其例如可以是第一相模块支路11的子模块1_1(或者也可以是在图1中示出的其它子模块中的一个)。子模块被设计为半桥模块201。子模块201具有带有第一反向并联连接的二极管204的第一可关断半导体阀202。此外，子模块201具有带有第二反向并联连接的二极管208的第二可关断半导体阀206以及电容器210形式的电能存储器210。第一可关断半导体阀202是第一电子开关元件202；第二可关断半导体阀206是第二电子开关元件206。第一可关断半导体阀202和第二可关断半导体阀206分别被设计为IGBT(绝缘栅双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor))。第一可关断半导体阀202与第二可关断半导体阀206串联电连接。在两个半导体阀之间的连接点布置第一子模块电接头212。在第二半导体阀206的与该连接点相对的接头上布置第二子模块电接头215。此外，第二子模块接头215与能量存储器210的第一接头连接；能量存储器210的第二接头与第一半导体阀202的与该连接点相对的接头电连接。

也就是说，能量存储器210与第一半导体阀202和第二半导体阀206的串联电路并联电连接。通过由子模块内部的电子控制电路220相应地控制第一半导体阀202和第二半导体阀206，可以实现在第一子模块电接头212和第二子模块电接头215之间输出能量存储器210的电压或者不输出电压(即，输出零电压)。因此，通过各个相模块支路的子模块的协作，可以产生转换器的相应地期望的输出电压。为了与子模块外部进行通信，子模块201具有光通信输入端222和光通信输出端225。光通信输入端222和光通信输出端225与控制电路220连接。为了与子模块外部进行通信，在光通信输入端222和光通信输出端225上分别连接光波导。此外，控制电路220也可以检测子模块的状态并且向中央控制设备35 报告。在图2中借助虚线示例性地示出了控制电路220检测能量存储器210的充电状态并且可以向中央控制设备35报告。

子模块201的光通信输入端222将到达其的光信号(光消息)转发给控制电路220；控制电路220将(改变或者未改变的)光信号输出到子模块的光通信输出端225。

在图3中示出了另一个实施例的子模块301。该子模块301例如可以是子模块1_n(或者也可以是在图1中示出的其它子模块中的一个)。除了从图2中已经知道的第一半导体阀202、第二半导体阀206、第一二极管204、第二二极管 208、能量存储器210和控制电路220之外，在图3中示出的子模块301具有带有反向并联连接的第三二极管304的第三可关断半导体阀302以及带有反向并联连接的第四二极管308的第四可关断半导体阀306。第三可关断半导体阀302是第三电子开关元件302；第四可关断半导体阀306是第四电子开关元件306。第三可关断半导体阀302和第四可关断半导体阀306分别被设计为IGBT。不同于图2的电路，第二子模块电接头315不与第二半导体阀206连接，而是与第三半导体阀302和第四半导体阀306的串联电路的中点连接。

图3的子模块301是所谓的全桥模块301。该全桥模块301的特征在于，在相应地控制第一子模块电接头212和第二子模块电接头315之间的四个半导体阀时，可以选择性地输出正的能量存储器210的电压、负的能量存储器210的电压或者值为零的电压(零电压)。也就是说，由此可以借助全桥模块301反转输出电压的极性。转换器1可以仅具有半桥模块201、仅具有全桥模块301或者也可以具有半桥模块201和全桥模块301。

图2和图3的图示分别示出了具有第一子模块电接头212和第二子模块电接头215或315的子模块。转换器的大的电流流过第一子模块电接头212和第二子模块电接头215，315。附加地，每个子模块具有控制电路220，其特别是控制开关元件202，206，302和/或306。该控制电路220经由光通信输入端222和光通信输出端225借助光波导电势分离地与子模块外部的单元(在此：例如与光分配器412或者与光汇聚器503，参见图4和图5)通信。下面描述各个子模块的光通信输入端222和光通信输出端225借助光波导的互联/连接。

在图4中，仅示出了从图1中已知的多电平转换器1的控制设备35以及作为例子的三个子模块，即第一子模块1_1、第二子模块1_2和第m子模块6_n。多电平转换器1的所有其它的子模块与这三个示例性地示出的子模块相同地布置。

控制设备35的光输出端403借助第一光波导406与光分配器412的光输入端409光学连接。光分配器412具有多个光输出端，在此示例性地示出了其中的第一光输出端415、第二光输出端418以及第m光输出端421。也就是说，光分配器412具有m个光输出端，其中，适用：m＝多电平转换器的(要控制的) 子模块的数量＝光分配器的输出端的数量，在该实施例中，m＝6*32＝192。在本说明书的范围内，数量m也称为“多个”。在另外的实施例中，数量m当然也可以取其它值。例如，数量m可以位于96和384之间。

光分配器412是无源光分配器。光分配器412将到达其光输入端的光控制信号分配到其所有光输出端上。第一光输出端415借助光波导425与第一子模块 1_1的第一光输入端428光学连接。以相同的方式，光分配器412的第二光输出端418借助光波导431与第二子模块1_2的第二光输入端434光学连接。第m 光输出端421同样借助光波导437与第m子模块6_n的第m光输入端440光学连接。

示例性地提到的三个光波导425、431和437在本说明书的范围内也称为“第二光波导”，其可以说形成第二组光波导，即从光分配器412的输出端延伸到子模块的输入端的光波导。

第一子模块1_1的第一光输出端450借助光波导453与控制设备35的第一光输入端456光学连接。第二子模块1_2的第二光输出端459同样借助光波导 462与控制设备35的第二光输入端465光学连接。以相同的方式，第m子模块 6_n的第m光输出端468借助光波导471与控制设备35的第m光输入端474光学连接。

光波导453、462和471在本说明书的范围内也称为“第三光波导”，该第三光波导形成与各个子模块的光输出端连接的一组光波导。

可选地，多电平转换器1可以具有另外的光波导483：控制设备35的(可选的)另外的光输出端480借助该另外的光波导483与光分配器412的(可选的) 第二光输入端486光学连接。第二光输入端486在下面也称为光分配器412的(可选的)另外的光输入端486。该另外的光波导483是可选的，也就是说，该另外的光波导483在其它实施例中也可以被去除。因此，该另外的光波导483借助点线示出。

该另外的光波导483是冗余的，并且用于在第一光波导406可能发生故障的情况下保证控制设备35和光分配器412之间的光信号传输。也就是说，在第一光波导406发生故障的情况下，经由该另外的光波导483传输先前经由第一光波导406传输的相同的光信号。

在图5中示出了模块化多电平转换器1的另一个实施例。该实施例与图4 的实施例的区别在于，在控制设备和子模块的输出端之间布置光汇聚器503。示例性地示出了该光汇聚器503的第一光输入端506、第二光输入端509以及第m 光输入端512。此外，光汇聚器503具有第一光输出端515。光汇聚器503是无源光汇聚器。光汇聚器503将到达其全部的光输入端的光响应信号聚集到其第一光输出端515。

可选地，光汇聚器503具有第二光输出端518。第二光输出端518在下面也称为(可选的)附加光输出端518。

光波导453将第一子模块1_1的第一光输出端450与光汇聚器503的第一光输入端506光学连接。同样地，光波导462将第二子模块1_2的第二光输出端 459与光汇聚器503的第二光输入端509光学连接。以相同的方式，光波导471 将第m子模块6_n的第m光输出端468与光汇聚器503的第m光输入端512光学连接。

光汇聚器503的第一光输出端515借助第四光波导521与控制设备35的第一光输入端524光学连接。第一光输入端524与图4的实施例的第一光输入端 456不同，因为第一光输入端524被配置为，其可以接收全部子模块的响应信号 (而不像在图4的实施例中那样，仅接收子模块1_1的响应信号)。

光汇聚器503的附加光输出端518借助附加光波导527与控制设备35的(可选的)附加光输入端530光学连接。附加光波导527是可选的，也就是说，其在其它实施例中也可以被去除。因此，附加光波导527借助点线示出。如果第四光波导521中断，则响应信号从光汇聚器503经由附加光波导527传输到控制设备 35。也就是说，在第四光波导521发生故障的情况下，经由附加光波导527传输相同的、否则经由第四光波导521传输的光信号。

如在图4和图5中所示出的，以有利的方式，光分配器412和子模块1_1、 1_2至6_n之间的距离分别小于光分配器412和控制设备35之间的距离。如在图5中所示出的，光汇聚器503和子模块1_1、1_2至6_n之间的距离同样分别小于光汇聚器503和控制设备35之间的距离。由此特别明显地得到节省光波导的结果。

所描述的方法在此具体地如下进行：对每个子模块1_1、1_2至6_n分配自己的地址、特别是唯一的地址。这种地址例如是特殊的数字序列或者字符序列。地址分配(地址分派)在此例如可以借助下面示出的两个变形中的一个来进行：

变形1：

每个子模块具有存储有地址的编码插头(Kodierstecker)。也就是说，当例如24个子模块连接到光分配器412时，则存在具有24个不同的地址的24个不同的编码插头。

变形2：

在每个子模块中，在硬件侧固定地实现地址。在此，地址例如可以是存储在子模块的存储部件中的一种“子模块编号”。

在方法开始时，控制设备35可以询问该地址。这例如可以经由询问消息来进行，询问消息可以与(从因特网通信中已知的)命令“ping”类似地实现。借助该询问，可选地也可以识别哪个子模块安装在转换器的哪个安装位置：在根据图 4的实施例中，可以根据接收相应的地址的控制设备35的光输入端来识别安装位置。

控制设备将光控制信号发送到各个子模块，子模块将光响应信号发送到控制设备。不仅光控制信号、而且光响应信号在此可以被设计为编码的光学电报。光分配器412将光控制信号分配到转换器的所有子模块。在每个控制信号中(或者在每个电报中)，分别给出控制信号针对的子模块的地址。每个子模块根据包含在控制信号中的地址找出针对该子模块的控制信号。该子模块忽略其它控制信号。

作为一个选项，可以将控制信号发送到多电平转换器的所有子模块。为此，可以配置特殊的集体地址，所有子模块都对该集体地址做出反应。

同样对所有光响应信号设置发送相应的响应信号的相应的子模块的地址。这在图5的实施例中特别重要，因为控制设备35可以根据包含在响应信号中的地址来识别响应信号来自哪个子模块。在图4的实施例中，也可以在响应信号中放弃地址，因为控制设备可以根据(响应信号到达的)光输入端来识别该响应信号来自哪个子模块。

此外，在图5的实施例中必须保证各个子模块不同时向控制设备发送响应信号。因为同时发送的响应信号将在光汇聚器35中重叠，然后对于控制设备35 不再可读。例如可以通过子模块仅在从控制设备接收到控制信号之后立即对该控制信号进行响应，来防止子模块同时发送响应信号。通过以延迟的方式针对各个子模块发送控制信号，可以实现子模块也分别以延迟的方式发送响应信号。

对于图4的实施例，控制设备35发送寻址到子模块中的一个、例如寻址到子模块1_2的控制信号。控制信号包含该子模块的地址、例如子模块1_2的地址。

控制信号经由第一光波导406到达光分配器412。光分配器412经由第二光波导425、431、437将控制信号分配到所有(连接到光分配器的)子模块。

所寻址的子模块(在此：子模块1_2)根据包含在控制信号中的地址识别出控制信号针对其，即，其与控制信号相关。

子模块(在此：子模块1_2)(例如通过接通电子开关元件中的一个或更多个)对控制信号做出反应，随后向控制设备35发送响应信号。该响应信号经由相应的第三光波导(在此：经由第三光波导462)传输到控制设备35的相应的光输入端(在此：传输到第二光输入端465)。

对于图5的实施例，子模块(在此：子模块1_2)还(例如通过接通电子开关元件中的一个或更多个)对控制信号做出反应，随后向控制设备35发送响应信号。该响应信号包含子模块的地址(在此：子模块1_2的地址)。该响应信号经由相应的第三光波导(在此：经由第三光波导462)传输到光汇聚器503的相应的光输入端(在此：传输到第二光输入端509)。

所有子模块的响应信号通过光汇聚器聚集到其光输出端。在该实施例中，子模块1_2的响应信号传导到光汇聚器503的第一光输出端515。响应信号从光汇聚器503的该光输出端515经由第四光波导521传导到控制设备35的第一光输入端524。

控制设备35根据包含在响应信号中的地址识别该响应信号来自哪个子模块。在该例子中，控制设备35根据包含在响应信号中的子模块1_2的地址识别出响应信号来自子模块1_2。

描述了一种多电平转换器，利用其可以明显减少光波导的数量，因此也可以明显减小光波导的总长度。由此，一方面得到显著的成本降低，另一方面也获得显著的空间节省(需要铺设更少的光波导)。此外，通过冗余的光波导，可以改善信号传输的可靠性，由此提高多电平转换器的可用性。