CN104348376B - 多电平变流器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力变流器。所述电力变流器包括至少一个臂。电力变流器的至少一个臂包括多个开关单元。多个开关单元以串联方式彼此耦合。此外，在电力变流器中，开关单元被选择为使得电力变流器中的至少两个开关单元具有不同的工作电压。

Description

多电平变流器系统

技术领域

本发明总体上涉及电力变流器(power converter)，更具体而言，涉及多电平配置的变流器。

背景技术

电力变换的实用性和重要性随着在诸如电机驱动、可再生能源系统和高压直流(HVDC)系统等应用中获得的优势已经增长。多电平变流器作为一种用于各种中高压应用的有前途的电力变流技术而兴起。

与传统的两电平变流器相比，多电平变流器(Multilevel converter)提供多种优势。例如，多电平变流器的电源质量和效率优于两电平变流器。此外，多电平变流器是电网和可再生能源(例如光伏(PV)电池、燃料电池和风力涡轮机)之间的理想接口。

已经使用模块化结构设计了无变压器的多电平变流器。这种多电平变流器通常包括在DC总线之间耦合的多个电源模块。变流器的模块化结构允许堆叠这些变流器以提供不同的功率和电压水平。

在一些模块化多电平变流器实施例中，控制电源模块以控制在变流器的输出端子处观察到的电压。通常，每个电源模块促成变流器中电压控制的一个步骤。在对称配置中，考虑变流器的额定电压和电力变流器控制所需的电压阶跃变化，可以计算开发具有理想额定电压的变流器所需的电源模块的数量。

例如，在具有10kV额定电压和1kV电压阶跃的电力变流器的对称配置中，需要至少10个1kV的电源模块，以获得理想结果。这样，设计具有对称配置的理想电力变流器所需的电源模块的数量随着电力变流器额定电压的增大而增加。

电源模块数量的增加导致电力变流器成本的增加。此外，电源模块的增加还导致电力变流器的效率降低。

还可能增大电压阶跃变化。在这种情况下，开发理想额定电压需要较少的模块，但是对于相同的平均开关频率，最终的交流电压谐波将增大。

因此，需要一种模块化多电平电力变流器系统，其提供与对称式变流器相同的额定电压和谐波性能，同时减少使用的电源模块的数量。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供一种电力变流器。所述电力变流器包括至少一个臂(leg)。至少一个臂包括多个开关单元。至少两个开关单元的工作电压彼此不同。

优选地，所述多个开关单元中的至少一些开关单元的每一个包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。

优选地，所述多个完全可控半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、门极可关断晶闸管、绝缘门极换向晶闸管、注入增强栅晶体管或其中任意组合。所述多个完全可控半导体开关包括碳化硅基开关、氮化镓基开关、砷化镓基开关或其其中任意组合。

优选地，多个开关单元限定第一串。所述第一串耦合至第一DC或AC总线，以及第二DC或AC总线。

优选地，还包括第二串，所述第二串包括多个完全可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点。所述第二串耦合至第一DC或AC总线，以及第二DC或AC总线。

优选地，所述第一串通过所述第一连接节点和第二连接节点与所述第二串耦合。

优选地，所述第二串包括第一支路和第二支路，其中所述第二支路通过第三连接节点可操作地耦合至所述第一支路。所述第三连接节点可操作地耦合至第三总线。所述第三总线包括直流或交流总线。

优选地，所述第一串包括第一部分和第二部分。所述第一串的第一部分和第二部分可操作地耦合至第四总线。

优选地，所述第四总线包括交流相。

优选地，所述多个可控半导体开关包括部分可控半导体开关、完全可控半导体开关或其组合。

在本发明的另一个实施例中，提供一种用于电力变流的系统。所述系统包括电源、负载和第一电力变流器。第一电力变流器包括一个或多个臂，其中一个或多个臂中的每一个包括多个开关单元。至少两个开关单元的工作电压彼此不同。此外，所述系统包括配置为控制所述多个开关单元的开关的控制器。

优选地，所述负载包括电网、电器或其组合。所述多个开关单元中的每一个包括半桥变流器、全桥变流器或其组合。

附图说明

通过以下结合附图的优选实施例的更详细描述，本公开的其他特征和优点将变得明显，附图以示例方式显示本公开的特定方面的原理。

图1是用于电力变流的系统的图解表示；

图2是传统的模块化多电平变流器的图解表示；

图3是另一种配置的模块化多电平变流器的一部分的示例性实施例的图解表示；以及

图4是根据本公开的各方面的模块化多电平变流器的一部分的图解表示。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的示例性实施例，其示例显示在附图中。只要可能，各幅附图中使用的相同的附图标记指代相同或相似部件。

如下详述，提供用于多电平电力变流的示例性系统的不同实施例。本文使用的术语多电平变流器用于指代包括连接至一种形式的输入电压/电流的不同相的多电平开关并将输入电压/电流转换为另一种形式的输出电压/电流的变流器。

图1描述用于转换电源的系统100。在一个实施例中，用于转换电源的系统100可包括电源102、电力变流器104和电网/设施/负载106。本文使用的术语电源可包括例如可再生电源、不可再生电源、发电机或电网。在其他可能配置中，电源可包括其他电力变流器。本文使用的术语负载可用于指代例如电网、机器或电器。电力变流器104包括多电平变流器。

系统100还包括控制器108，其配置为控制电力变流器104的操作。例如，控制器108可配置为通过控制电力变流器104的多个半导体开关的开关来控制电力变流器104的操作。此外，在一个实施例中，系统100还可以包括其他电路部件(未显示)，例如但不限于变压器、断路器、电感器、补偿器、电容器、整流器、电抗器和滤波器。

现在参考图2，描述电力变流器200的图解表示。在图2的示例中，电力变流器200是具有三个臂202的模块化多电平变流器。此外，每个臂202包括多个开关单元204，多个开关单元204以串联方式可操作地耦合以限定一串(string)。每个臂202中的多个开关单元204可被分割为第一部分206和第二部分208。第一部分206和第二部分208可通过感应元件210可操作地彼此耦合。在所示实施例中，感应元件210包括电感器。每个感应元件210可操作地耦合至至少一个交流(AC)相(A，B，C)。

每个开关单元204包括完全可控半导体开关和能量存储装置(例如电容性元件)的组合。完全可控半导体开关可包括例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其它类型的场效应晶体管(FET)，门极可关断晶闸管，绝缘门极换向晶闸管(IGCT)，注入增强栅晶体管(IEGT)，或其组合。这些开关的材料可包括例如硅、碳化硅、氮化镓、或砷化镓。

三个臂202的每一个的第一端212可操作地耦合至第一总线214，例如正直流(DC)总线。类似的，三个臂202的每一个的第二端216可操作地耦合至第二总线218，例如负DC总线。在某些实施例中，第一总线214和第二总线216可以是AC总线。第一端子由第一总线214和第二总线218的组合形成，第二端子由AC相A、B和C组合形成。

相对于虚拟接地参考点N，第一总线214处的电压为+V_dc，第二总线218处的电压为-V_dc。此外，在交流相A、B和C处的电压分别由V_a、V_b和V_c表示。

在图2的实施例中，在任意时刻，臂202耦合在第一总线214和第二总线218之间。相应地，支路202必须处理出现在第一总线214和第二总线218之间的全DC电压(2V_dc)。此外，为了控制电力变流器200，臂202的第一部分206和第二部分208均必须承受2V_dc的最大电压。每个第一部分和第二部分中的开关单元204的额定电压还提供电力变流器200能够提供的最小电压阶跃。基于开关单元的选择，电力变流器200可被称为“对称的”或者“非对称的”。在对称配置中，每个开关单元204具有相同的额定电压和工作电压。例如，当臂202所需的额定电压为10kV以及每个开关单元的额定电压为1kV时，对称配置的电力变流器200中的开关单元的数量将需要至少10个开关单元。将结合图4更详细的解释包括非对称配置的电力变流器200的本发明的实施例。

在图3中描述了电力变流器的不同类型臂300的图解表示。电力变流器的臂300可包括第一串302和第二串304。更特别的，第一串302可以可操作地耦合至第二串304，以形成臂300。此外，第二串304可以可操作地耦合在第一总线306和第二总线308之间。在一个实施例中，第一总线306可包括正DC总线，第二总线308可包括负DC总线。在另一个实施例中，第一总线306可包括正AC总线，第二总线308可包括负AC总线。第二串304可以通过第一连接节点310和第二连接节点312可操作地耦合至第一串302。此外，第二串304可包括第一支路314，第一支路314通过第三连接节点318可操作地耦合至第二支路316。类似的，第一串302可包括第一部分320，第一部分320通过AC相324和电感器326可操作地耦合至第二部分322。第三连接节点318可以可操作地耦合至第三总线328。

此外，在图3的本示例中，第三总线328可包括直流总线，更特别的，包括中间或中心DC总线，其相对于第一总线306可为负电势，相对于第二总线308可为正电势。第二串302可包括多个可控半导体开关S₁，S₂，S₃和S₄(330)。在图3的示例中，多个可控半导体开关330可包括部分可控半导体开关。但是，在另一个实施例中，多个可控半导体开关可选地包括完全可控半导体开关。此外，多个可控半导体开关可包括部分可控半导体开关和完全可控半导体开关的组合。作为非限制性示例，第二串302可包括部分可控半导体开关、完全可控半导体开关、或者部分可控半导体开关和完全可控半导体开关的组合。此外，在一个示例中，第二串304的第一支路314可包括两个可控半导体开关S₁和S₂。类似的，第二串304的第二支路316可包括两个可控半导体开关S₃和S₄。可控半导体开关S₁，S₂，S₃和S₄可包括例如功率二极管与晶闸管、可控硅整流器、门极可关断晶闸管或IGBT的组合。

此外，第一串302的第一部分320和第二部分322可包括多个开关单元334。开关单元334可以是多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置的组合。

完全可控半导体开关可包括例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其它类型的场效应晶体管(FET)，门极可关断晶闸管，绝缘门极换向晶闸管(IGCT)，注入增强栅晶体管(IEGT)，或其组合。这些开关的材料可包括例如硅、碳化硅、氮化镓、或砷化镓。第一部分320和第二部分322中的开关单元334被选择为满足臂300的额定电压以及实现电力变流器的最小电压阶跃要求。在对称配置的电力变流器中，所有开关单元334具有相同的额定电压，额定电压被选择以使4每个开关单元334具有等于电力变流器的最小电压阶跃要求的额定电压。结合图4描述本发明的实施例，其包括非对称配置的电力变流器，其中至少两个开关单元334的额定电压彼此不同。

此外，臂300可用于单相电力变流器、两相电力变流器、三相电力变流器、以及其他等效的多相DC-AC、AC-DC或AC-AC电力变流器。第一串302和第二串304中的完全可控半导体开关的开关可以基于输出端子处观察到的输出电压进行控制。

在一些实施例中，具有臂300的电力变流器可以与具有臂300的另一个电力变流器耦合，以形成背靠背的电力变流配置。

图4是可用于代替图2的臂202或图3的第一串302的非对称配置的电力变流器的示例性实施例的图解表示400。在非对称配置中，开关单元418-428被选择以满足电力变流器的额定电压要求以及电力变流器的最小电压阶跃要求。例如，如图4所示，开关单元418和420的至少两个开关单元的工作电压不同。当串400要求的额定电压为10kV以及控制电力变流器所需的最小电压阶跃为1kV时，在一种非对称配置中，可以选择具有1kV额定电压的五(5)个开关单元连同具有5kV额定电压的一(1)个开关单元。在所示实施例中，臂400包括开关单元418、420、422、424、426和428。开关单元418-428通过感应元件彼此耦合。例如，如图4所示，开关单元418和420通过电感器430耦合。类似的，感应元件可与开关单元422-428串联布置。在图4所示的非对称配置中，开关单元418具有5kV的额定电压，开关单元420、422、424、426和428的额定电压是1kV。对于从零到正负5kV的电压范围，使用该支路作为部件的电力变流器仍然可用。与电力变流器耦合的控制器配置为根据输出端子经受的输出电压启动和关闭开关单元418-428。例如，当输出电压在0至5kV之间时，具有1kV额定电压的开关单元420-428中的一些或全部被打开。当输出电压达到5kV时，具有5kV额定电压的开关单元418被启动。当输出电压大于5kV时，具有5kV额定电压的开关单元418以及一个或多个具有1kV额定电压的开关单元420-428被打开。

在目前构思的配置中，开关单元418-428可包括完全可控半导体开关402和404，能量存储装置406，第一连接器408和第二连接器410。完全可控半导体开关402和404中的每一个可包括以上参考图2和3描述的类型的开关，还可以包括可内置的反向平行于完全可控半导体开关402和404的功率二极管412。内置的功率二极管412可提供续流路径。这些功率二极管412还可被称为续流二极管。

此外，在一个非限制性示例中，能量存储装置406可包括电容器。在图4的示例中，完全可控半导体开关402可以操作性与能量存储装置406串联耦合，以形成第一分支(limb)414。此外，另一个完全可控半导体开关404形成第二分支416。第二分支416可以操作性与第一分支414并联耦合。此外，第一分支414和第二分支416可以可操作地耦合在第一连接器408和第二连接器410之间。虽然图4的示例描述半桥变流器配置的开关单元418-428包括两个完全可控半导体开关以及一个能量存储装置，但是可以构思使用其他数量的完全可控半导体开关402、404和能量存储装置406。在一个实施例中，可以设置一些或者所有开关单元形成全桥变流器配置。

此外，在一个非限制性示例中，当完全可控半导体开关402被启动以及完全可控半导体开关404被关闭时，能量存储装置406可出现在第一连接器408和第二连接器410之间。因此，能量存储装置406两端的电荷呈现为第一连接器408和第二连接器410之间的电压。或者，当完全可控半导体开关404被启动以及完全可控半导体开关402被关闭时，第一分支414被旁路，从而在第一连接器408和第二连接器410之间提供零电压。这样，通过控制第一串400上的多个开关单元418-428中的完全可控半导体开关402和404的开关，可以连续调节第一串400两端出现的平均电压。

非对称多电平电力变流器的上述实施例提供了需要较少数量的开关单元的电力变流系统。例如，在具有10kV额定电压和1kV最大阶跃要求的电力变流器的情况下，对称配置中需要的开关单元的数量为10，而在一种包括使用1个5kV单元和5个1kV单元的非对称配置的情况下，所需要的开关单元的数量为6。开关单元数量的减少降低了电力变流系统的成本，还降低了设计系统的复杂性，而不损害所生成的输出电压的质量。此外，在开关单元出现故障的情况下，开关单元数量的减少降低了电力变流系统的维护和修理所用的时间。

应理解，以上描述旨在是示例性的，而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此组合使用。此外，在不背离本发明的范围的前提下，可以采取多种修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。虽然本文描述的材料尺寸和类型旨在限定本发明的参数，但其不以任何方式进行限制，而只是示例性实施例。通过回顾以上描述，许多其他实施例对于本领域技术人员将是明显的。因此，本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所给予的全部等效范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”分别用作术语“包含”和“其中”的简明英语等效词。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”等仅用作符号，并不旨在对其对象强加数字或位置要求。此外，以下权利要求的限制不是以装置加功能的方式撰写的，也不旨在基于美国专利法35U.S.C.第112条第6款进行解释，除非且只有权利要求限制明确使用了短语“用于……的装置”跟上缺少其他特征的功能陈述。

如本文所用，以单数形式列举且前面带有单词“一”的元件或步骤应理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确声明了这种排除。此外，引用本发明的“一个实施例”不应解释为排除也包含了所述特征的其他实施例的存在。此外，除非明确做出相反的声明，实施例“包含”、“包括”或“具有”具有特定特征的一个元件或多个元件可以包括不具有该特征的其他此类元件。

在不背离本文涉及的发明的精神和范围的前提下，可以在上述用于电力变流的系统中进行特定改变，以上描述或附图中显示的全部主题旨在被理解为仅仅作为显示本文的创造性概念的示例，不应被解释为限制本发明。

Claims (6)

1.一种电力变流器，包括：

至少一个臂，所述至少一个臂包括：

第一串，所述第一串包括多个开关单元，所述多个开关单元以串联方式可操作地耦合；

第二串，所述第二串包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点；其中，所述第二串可操作地耦合至第一总线，以及第二总线；

其中，所述多个可控半导体开关中的至少一个可控半导体开关连接在所述第一连接节点/第二连接节点和第一总线/第二总线之间；

其中，所述第一串通过所述第一连接节点和第二连接节点与所述第二串可操作地耦合；

其中至少两个开关单元的工作电压彼此不同。

2.根据权利要求1所述的电力变流器，其特征在于，所述多个开关单元中的至少一些开关单元的每一个包括多个完全可控半导体开关和至少一个能量存储装置。

3.根据权利要求2所述的电力变流器，其特征在于，所述多个完全可控半导体开关包括绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、门极可关断晶闸管、绝缘门极换向晶闸管、注入增强栅晶体管或其中任意组合。

4.根据权利要求2所述的电力变流器，其特征在于，所述多个完全可控半导体开关包括碳化硅基开关、氮化镓基开关、砷化镓基开关或其其中任意组合。

5.根据权利要求 1所述的电力变流器，其特征在于，所述第一串耦合至直流或交流的第一总线以及直流或交流的第二总线。

6.一种用于电力变流的系统，包括：

电源；

负载；

电力变流器，包括：

一个或多个臂，其中所述一个或多个臂中的每一个包括：

第一串，所述第一串包括多个开关单元，所述多个开关单元以串联方式可操作地耦合；

第二串，所述第二串包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点；其中，所述第二串可操作地耦合至第一总线，以及第二总线；

其中，所述多个可控半导体开关中的至少一个可控半导体开关连接在所述第一连接节点/第二连接节点和第一总线/第二总线之间；

其中，所述第一串通过所述第一连接节点和第二连接节点与所述第二串可操作地耦合；

其中至少两个开关单元的工作电压彼此不同；以及

配置为控制所述多个开关单元的开关的控制器。