多電平變換器及用于控制包括平衡單元電壓的多電平變換器的方法
【專利摘要】提供一種多電平變換器以及用于控制多電平變換器的方法。該多電平變換器為具有一個相臂（1）的單相變換器，或具有三個相臂（1A-C）的三相變換器，三相變換器的相臂以星形配置互相連接。該相臂（1）或每一個相臂（1A-C）包含開關(guān)單元（11、21），并且每個開關(guān)單元（11、21）包含被布置為設(shè)置為可選擇地對相對應(yīng)的儲能元件（42、52）提供連接的半導(dǎo)體開關(guān)（41、51）。該變換器還包括控制器（31），其被提供監(jiān)測儲能元件（42、52）的DC電壓（VDC），且該控制器（31）被提供為控制每個開關(guān)單元（11、21）的開關(guān)。單相變換器的相臂（1），或三相變換器的每個相臂（1A-C）包含開關(guān)單元（11、21）的兩個并聯(lián)支路（10、20），該支路（10、20）被配置在閉合電路中。該方法包括監(jiān)測（105）儲能元件中的每個儲能元件的電壓電平，以及平衡（107）儲能元件的電壓，其中該平衡包括在多電平變換器的該（1）或每個（1A-C）相臂的兩條支路中的循環(huán)電流（104、107）。
【專利說明】多電平變換器及用于控制包括平衡單元電壓的多電平變換器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于電力系統(tǒng)中以交換功率的多電平變換器，并且其包括由半導(dǎo)體開關(guān)電路和諸如電容器的儲能元件組成的開關(guān)單元。具體地，本發(fā)明涉及具有單相的多電平逆變器或具有星形或y形連接的三相的多電平逆變器，并且該多電平逆變器與如下設(shè)備裝配在一起，該設(shè)備被配置并適配于消除這類單相或y形連接的三相的多電平變換器中的DC不平衡。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及電壓源變換器領(lǐng)域并且具體地涉及多電平變換器。電壓源變換器(VSC)已經(jīng)改變了電力的輸送和分配并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用包括諸如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)的可以關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力電子器件，對于DC傳輸、無功功率補償、有功及無功功率的控制都具有極大的用途，其能夠通過開關(guān)控制的方式從DC電壓產(chǎn)生出AC電壓，并用于將AC轉(zhuǎn)換為DC等。
[0003]多電平變換器技術(shù)，采用多種電壓電平，其中每個電壓電平獨立地開關(guān)，能夠用于在提供有更加接近正弦曲線的階躍電壓曲線的小電壓階躍中從DC產(chǎn)生出AC電壓，而不是之前所使用的兩電平和三電平的變換器。通常，所使用的儲能裝置由電容器組成但也可以是電池。
[0004]可能出現(xiàn)的問題就是各自儲能裝置的電壓變得太大或太小。
[0005]US 5532575 (Dl)描述了一種帶有用于平衡變換器的電容器電壓的裝置的多電平變換器。Dl描述的多電平變換器初始意圖是作為靜態(tài)VAr補償器使用(第I欄，5-8行)。多電平變換器包括開關(guān)元件(GTO’ s30，參見圖1)的三個引腳，一個引腳用于一個相位，其開關(guān)元件(GTO’ s)連接至電容器20的分接點(第I欄，28-34行)。多電平變換器還包括控制GTO’ s開關(guān)的控制系統(tǒng)60 (第7欄，48-65行)。該控制系統(tǒng)監(jiān)測電容器的電壓(參見第8欄32-64行)并且如果電容器的電壓電平太高或太低時，控制系統(tǒng)(參見摘要)調(diào)節(jié)那些具有太低或太高電壓電平的電容器的開關(guān)時間，但是并不改變那些不偏離的電容器的開關(guān)時間。以這種方式那些不偏離的電容器的電壓不會受到影響(第8欄，39行)，其中偏離的電容器的電壓得以平衡。
[0006]文獻(xiàn)US 6088245 (D2)描述了多電平變換器中用于不同目的相似的拓?fù)浜烷_關(guān)控制。D2描述了用于多電平變換器的開關(guān)控制布置，該多電平變換器通過控制例如GTO’s的開關(guān)設(shè)備的開關(guān)模式(參見摘要)消除了變換器電壓或電流的諧波含量。具體地，開關(guān)模式通過修正開關(guān)設(shè)備的開關(guān)時間來改變(參見第13欄的權(quán)利要求2)。
[0007]因此，文獻(xiàn)Dl和D2描述了分別通過調(diào)節(jié)多電平變換器開關(guān)設(shè)備的開關(guān)時間來實現(xiàn)兩種不同的目的，即平衡電容器電壓和減少諧波。在Dl和D4所描述的多電平變換器中，三相具有共同的儲能元件，即三相共享電容器。
[0008]另一個已知類型的多電平變換器為在具有半橋或全橋配置的開關(guān)單元電路中具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的變換器。例如，在具有DC電容器作為儲能元件的半橋配置中的每個開關(guān)單元中使用兩個IGBT，并且每個IGBT被布置為與其自身的二極管反并聯(lián)。
[0009]在這種每相都具有獨立的儲能元件(例如屬于一個相的電容器)的多電平變換器中，相臂(phase leg)內(nèi)的電容器之間或不同相臂的電容器之間的能量共享在不影響轉(zhuǎn)移至電力網(wǎng)絡(luò)的情況下是很難實現(xiàn)的。
[0010]文獻(xiàn)W02010/145706 (D3)提供了一種用于平衡三角形連接的多電平變換器儲能元件電壓的方法，其具有帶有相應(yīng)儲能元件的串聯(lián)的開關(guān)單元被布置在三個相臂中。更詳細(xì)地，D3描述了具有三角形連接相臂的多電平變換器，并且其中每個相臂的開關(guān)單元的DC電壓通過平衡相臂之間的電流循環(huán)并在相臂的儲能元件之間分配能量的方式得以平衡。D3描述了一種用于在與三相電力網(wǎng)絡(luò)的旁路連接中交換電力的裝置，該裝置包含具有三角形連接的三相臂的電壓源變換器，其中每個臂包含串聯(lián)的開關(guān)單元(參見D3的摘要)。電網(wǎng)和變換器的三個相的電氣狀態(tài)被測量并且控制單元(19)被配置為確定相位是否不平衡?？刂茊卧?19)確定出表示該不平衡的零序電流并使用該確定的零序電流來控制開關(guān)單元將循環(huán)電流添加至相臂的電流中以便消除該不平衡(參見D3的權(quán)利要求1)。循環(huán)電流在變換器臂的三角形的內(nèi)部中被驅(qū)動并且在相臂之間移動三角形內(nèi)部的能量而不會負(fù)面地影響電網(wǎng)，而且避免在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波(參見D3第4頁，24-29行)。
[0011]在這種三角形連接的多電平變換器中，相臂操控相電壓并包含足夠數(shù)量的電平來操控相位之間的電壓電平。具有以星形或y形拓?fù)溥B接的相臂的多電平變換器只需要足夠數(shù)量的電平來操控地與相位之間的線電壓。因此，三角形拓?fù)湎噍^于y形拓?fù)涞娜秉c是用于操控更高電壓差所需的電平數(shù)量會更多。另一方面，制造具有開關(guān)單元以及相應(yīng)儲能元件的多電平變換器中的星形連接的變換器臂的缺點是使用電流來移動儲能元件之間的能量會影響電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，因為三個臂不會提供像三角形連接的多電平變換器中的閉合電路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷并且提供一種帶有星形連接相臂的多電平變換器，其能夠移動相臂的儲能設(shè)備之間的能量以平衡單個儲能元件的電壓電平，而不會通過例如引入諧波而負(fù)面地影響電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。
[0013]還有一個目的是提供一種單相變換器，其中開關(guān)單元的儲能元件的電壓電平能夠被平衡而不會影響電力傳輸。
[0014]因此本發(fā)明的目的是創(chuàng)建一種具有單相臂或三相臂的多電平變換器，其包含串聯(lián)的開關(guān)單元以及附接儲能元件，該三相臂星形或y形連接，其中能夠提供儲能元件中電壓電平的平衡而不會影響多電平變換器與該多電平變換器連接的或被提供以連接的傳輸網(wǎng)絡(luò)之間的能量傳遞。
[0015]為了這些目的，本發(fā)明提供了一種多電平變換器:具有一個相臂的單相變換器，或者具有以星形或y形配置相互連接的三個相臂的三相變換器；其中相臂或每個相臂包含在例如多于三種電平額多種電平中的開關(guān)單元，每個開關(guān)單元包含諸如IGBT的半導(dǎo)體開關(guān)元件，其被布置為對相應(yīng)的儲能元件選擇性地提供連接，優(yōu)選每個開關(guān)單元具有至少一個專用的儲能元件。變換器還包括控制器，其被提供為監(jiān)測儲能元件的DC電壓，并且該控制器通過對單元的半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)送指令的方式來控制開關(guān)。該多電平變換器的特征在于:單相變換器的相臂，或三相變換器的每個相臂包含串聯(lián)連接的開關(guān)單元的兩個并聯(lián)的支路，并且該支路被配置為閉合電路。
[0016]優(yōu)選地，每個相臂包含用于連接至電網(wǎng)的相連接，每個支路在相連接處具有端部，且這些支路在相連接處相互連接。三相變換器的每個相臂還包含中性連接，優(yōu)選地連接至中性浮地或可替代地中性接地，并且這些支路在中性連接處相互連接，以便通過中性、第一支路、相連接和第二支路形成閉合電路。單相臂優(yōu)選地包含接地連接，兩個支路連接此處，提供從地經(jīng)過第一支路、相連接、經(jīng)過第二支路回到地連接形成閉合電路。
[0017]每個相臂具中有平行支路使得通過循環(huán)相臂的兩條支路中電流的方式來平衡儲能設(shè)備的電壓而不會影響施加至電網(wǎng)的電力成為可能。
[0018]在一個優(yōu)選實施例中，變換器被適配為監(jiān)測每個儲能元件的電壓電平并且被適配為通過控制依賴于電壓電平的開關(guān)單元的開關(guān)來轉(zhuǎn)移儲能設(shè)備之間的能量以便補償電壓的不平衡。更優(yōu)選地，控制器被適配為在每個相臂的支路中產(chǎn)生循環(huán)電流(Itl)用于實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。
[0019]在一個實施例中，循環(huán)電流被創(chuàng)建為無功電流并且在不存在不平衡時還保持循環(huán)。通過對開關(guān)單元進(jìn)行開關(guān)的方式產(chǎn)生循環(huán)電流，并且通過單獨地改變開關(guān)單元的開關(guān)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。具體地，控制器被適配為通過單獨地改變開關(guān)單元的開關(guān)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，并且循環(huán)電流同時保持循環(huán)。
[0020]優(yōu)選地，多電平變換器被適配為對電網(wǎng)供電并且被適配為在能量轉(zhuǎn)移時保持供電以補償電壓的不平衡。電網(wǎng)為輸電或配電網(wǎng)絡(luò)。因此，通過支路中的循環(huán)電流，供應(yīng)至電網(wǎng)的電力在執(zhí)行能量平衡時始終不會受到影響。還優(yōu)選地，通過監(jiān)測每個相臂的每個支路的電流或單相臂的每個支路的電流的方式監(jiān)測供應(yīng)至電網(wǎng)的電流以及同時監(jiān)測循環(huán)電流。
[0021]在一個實施例中，變換器為三相變換器，該三相變換器的相臂為星形連接(或y形連接)，并且特別地這三個相具有浮置中性點而不是接地連接。
[0022]可替代地，也在另一個優(yōu)選實施例中，變換器為被適配為鐵路應(yīng)用的單相變換器，特別地其被布置在鐵路上用于鐵路應(yīng)用的電力轉(zhuǎn)換。
[0023]還設(shè)想具有兩個相臂的兩相多電平變換器，每個相臂具有兩個支路，并且每個相臂具有相連接，這兩個相臂在位于每個相臂各自相對端部的中性接地處結(jié)合，并且每個臂的支路在相連接處互連并且在中性接地處提供閉合電路，以便在每個相臂中提供循環(huán)電流用于轉(zhuǎn)移能量并由此平衡了開關(guān)單元的儲能元件。
[0024]在一個實施例中，儲能設(shè)備是電容器，或每個支路大部分的開關(guān)單元的儲能設(shè)備是電容器且至少一個是電池。
[0025]可替代地，儲能設(shè)備是電池，或至少大部分的儲能設(shè)備是電池。
[0026]在一個實施例中，每個開關(guān)單元包含具有四個連接至儲能元件的半導(dǎo)體開關(guān)元件的H型全橋，半導(dǎo)體開關(guān)元件優(yōu)選為IGBT。
[0027]在一個替代實施例中，每個開關(guān)單元包含帶有四個連接至儲能元件(52 )的半導(dǎo)體開關(guān)的半橋，半導(dǎo)體開關(guān)優(yōu)選為IGBT。
[0028]本發(fā)明還提供一種用于控制具有單相或三相的多電平變換器的方法，該多電平變換器包含一個相臂，或星形配置互連的三個相臂。這個或者每個相臂包含處于多于三個電平的開關(guān)單元，每個開關(guān)單元包含半導(dǎo)體開關(guān)，其被布置為選擇性地對相應(yīng)的儲能元件提供連接，每個開關(guān)單元至少一個專用的存儲元件。該方法包括監(jiān)測每個儲能元件的電壓電平，并且該多電平變換器包含相臂或每個相臂中開關(guān)單元的兩個并聯(lián)支路，該支路被配置于閉合電路中，以及該方法的特征在于平衡儲能元件的電壓，并且其中該平衡包括在兩條支路中循環(huán)電流。
[0029]在一個實施例中，該多電平變換器，進(jìn)一步包括將電流(I I)供應(yīng)至電網(wǎng)。優(yōu)選地，供應(yīng)至電網(wǎng)的電流(I1)被保持且在平衡期間不會被影響。基本地，至開關(guān)單元的控制信號被適配使得供應(yīng)電流(I1)和循環(huán)電流(10)疊加。
[0030]在一個實施例中，該方法進(jìn)一步包括在兩個支路中創(chuàng)建循環(huán)電流(10)，并且該平衡包括修正循環(huán)電流(IO)以便在至少兩個開關(guān)單元的存儲元件之間轉(zhuǎn)移能量。特別地，該平衡是基于在至少一個電壓偏離的電壓監(jiān)測期間的檢測來實現(xiàn)的?？焖倨胶饪稍谡＿\行期間循環(huán)電流以及當(dāng)不平衡時發(fā)生時調(diào)節(jié)開關(guān)而實現(xiàn)，由此循環(huán)電流被調(diào)節(jié)以通過將電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)移至偏離元件或從偏離元件轉(zhuǎn)移來平衡儲能元件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]接下來，將參照附圖更加詳細(xì)地描述本發(fā)明，這些附圖示出了本發(fā)明以便于實現(xiàn)發(fā)明并因此是簡化的。這些附圖并不是按比例繪制的。
[0032]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的三相多電平電壓源變換器；
[0033]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的單相多電平電壓源變換器；
[0034]圖3示出了開關(guān)電路，其包括諸如IGBT半導(dǎo)體開關(guān)元件以及電容器形式的儲能設(shè)備;
[0035]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于控制多電平變換器的方法。
【具體實施方式】
[0036]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的多電平變換器的實施例。該實施例的多電平變換器被適配為連接至三相系統(tǒng)且包含三個臂1A，IB, 1C，一個臂用于每一相A、B、C，這些臂以星形(或者I形)配置連接在一起。每個相臂IA-C都具有一個用于連接至電網(wǎng)相應(yīng)相A-C的端部3，并且每個相臂IA-C都具有一個連接至公共中性接地點4的相對端部，即相臂IA-C共享一個公共接地。中性接地點4為浮動接地且沒有連接至地。每個相臂，例如1A，由兩個支路組成，例如10，20。為了清楚起見，僅有A相的相臂IA的附圖標(biāo)記被添加至附圖中，但是相臂IB和IC包括與相臂IA同樣的部分。每個相臂IA-C的兩個支路10，20在其端部、在朝向電網(wǎng)的第一端部3處和朝向中性點4的第二相對端部處互連。每個支路包含串聯(lián)的開關(guān)單元11，21。每個支路10，20從中性點4向相連接3延伸，在相連接處每個相臂IA-C的兩個支路進(jìn)行連接。每個相臂的每個支路還設(shè)置有電抗器12、22，其被布置在朝向相連接3的第一端部處。每個電抗器12，22用作平滑電抗器12、22以平衡來自每個相臂IA-C支路
10、20的電力的電壓階躍。
[0037]變換器還包括控制器31，控制器可操作地連接至相臂、特別地可操作地連接至(由箭頭32，33指示)開關(guān)單元11、21，并且包括從每個開關(guān)單元11，21單獨接收信息的裝置33以及將控制信號單獨發(fā)送至每個開關(guān)單元11，21的裝置32?？刂破?1被適配為監(jiān)測每個開關(guān)單元11、21的電壓(VD。)，并且被適配為控制32每個單元11，21的開關(guān)。該控制器31還被布置為監(jiān)測34電網(wǎng)，特別地監(jiān)測相電壓和相電流。
[0038]控制器31被適配為控制每個相臂以便通過將開關(guān)指令32發(fā)送至開關(guān)單元的方式將電流I1供應(yīng)至電網(wǎng)。控制器還被適配為控制相臂(每個相的)以在相臂中產(chǎn)生循環(huán)電流1j該循環(huán)電流在兩個支路中經(jīng)由中性連接4及相連接3從支路到支路的循環(huán)，而不會影響相電流Ip
[0039]控制器包含硬件和軟件的組合以實現(xiàn)其功能，該功能包括接收和發(fā)送信號，分析信號和確定電壓電平以及電壓電平是否偏離了正常的范圍。為了示出本發(fā)明的主要特性，圖1和2中簡化了控制器31?？刂破?1被示例為包括電流及電壓監(jiān)測部35，分析部36和開關(guān)單元控制部37?？刂破?1通過監(jiān)測部35接收34電網(wǎng)中的相電壓和相電流。控制器31還通過監(jiān)測部35接收33變換器臂的每個支路中的單元電壓和電流。分析器36確定是否需要調(diào)節(jié)，在該情況下，控制器31開始轉(zhuǎn)移儲能元件11，21之間的能量。控制器31通過開關(guān)控制器37來實施開關(guān)單元，并且如果應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)至少一個電壓，那么開關(guān)控制器37調(diào)節(jié)被發(fā)送到至少一個開關(guān)單元11、21的開關(guān)信號。
[0040]監(jiān)測包括測量每個開關(guān)單元11，21的電容器電壓VD。，以及分別在每個相臂支路中產(chǎn)生電流Iltl和12(1。從所測得的電流Iltl和I2。，控制器31被適配為確定提供至每個相應(yīng)相臂10、20的A-C相的電流I1,以及循環(huán)電流Itlt5每個相臂包括用于監(jiān)測電壓和電流的裝置，如用于監(jiān)測每個支路電流11(|、I20的電流互感器14、24，以及用于監(jiān)測每個儲能元件的每個電壓電平Vdc的電壓互感器。通過電壓和電流的測量裝置，例如用于測量每相的相電流I1的電流互感器和用于測量相電壓的電壓傳感器(未示出)，電網(wǎng)的電力交換得以監(jiān)測。
[0041]圖2不出了包含一個單相臂I的單相多電平變換器,其相臂具有與圖1中三相變換器的三個相臂中的每一個相同的拓?fù)洹Ｒ虼?，單相臂包含兩個支路10、20，每個支路包含串聯(lián)設(shè)置的開關(guān)單元11、21。每個開關(guān)單元由控制器31單獨控制，所述控制器設(shè)置有用于監(jiān)測33和控制32變換器的裝置，尤其是控制開關(guān)單元11、21的開關(guān)，以使得產(chǎn)生供應(yīng)至電網(wǎng)的相電流I1并用于產(chǎn)生循環(huán)電流Itl,該循環(huán)電流并不供應(yīng)至電網(wǎng)而是在單相臂I的兩個支路10、20內(nèi)循環(huán)。相臂I的每個支路10，20還分別包括電抗器12和22，其電抗器12，22設(shè)置在相應(yīng)支路的網(wǎng)絡(luò)端部。
[0042]圖2的控制器31對應(yīng)于圖1的控制器并且包含硬件和軟件的組合以實現(xiàn)其功能，該功能包括接收和發(fā)送信號，分析信號和確定電壓電平以及電壓電平是否偏離了正常的范圍?？刂破?1通過監(jiān)測部35接收34電網(wǎng)中的電壓和電流。控制器31還通過監(jiān)測部35接收33變換器臂I的每個支路中的單元電壓(VDC)和電流。分析器36確定是否需要調(diào)節(jié)，在該情況下，控制器31開始在儲能元件11，21之間的轉(zhuǎn)移能量?？刂破?1通過開關(guān)控制器37來實施開關(guān)單元，并且如果應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)至少一個電壓，那么開關(guān)控制器37調(diào)節(jié)被發(fā)送到至少一個開關(guān)單元11，21的開關(guān)信號。
[0043]圖3a和3b示出了開關(guān)單元(11，21)和相應(yīng)儲能元件的兩個實施例，其適用于圖1和2中任意一種多電平變換器布置。
[0044]圖3a示出了 H橋(也稱為全橋)開關(guān)單元。該H型橋開關(guān)單元包括四個IGBT41，其包括與每個相應(yīng)的IGBT分別反向并聯(lián)的續(xù)流二極管。每個單元包括輸入和輸出端子43、44用于開關(guān)單元的串聯(lián)連接以形成串聯(lián)開關(guān)單元的支路。電容器42被設(shè)置為儲能元件，其可選擇地通過IGBT連接至輸入和輸出端子43，44。
[0045]圖3b示出了半橋(也稱為H型半橋)開關(guān)單元。其包括作為儲能元件的電容器52和兩個用于將儲能元件52可選擇地連接至半橋開關(guān)單元端子53，54的IGBT51。圖3a和3b的每個開關(guān)單元都包含其各自的儲能元件42，52，其電壓的偏離被監(jiān)測并且通過改變開關(guān)信號模式來依次調(diào)節(jié)。
[0046]圖4示出了用于控制多電平變換器的方法。該方法主要意在用于平衡圖1所示的三相多電平變換器和圖2的單相多電平變換器的開關(guān)單元的DC電壓。該方法主要包括所示的兩個平行序列的兩個主要功能。該方法包括步驟101-102的第一序列，其包括控制多電平變換器通過將電力供應(yīng)至電網(wǎng)來與電網(wǎng)相互作用，以及步驟103-106中的第二序列，其包括調(diào)節(jié)儲能元件的DC電壓。
[0047]特別地，本發(fā)明的方法包括監(jiān)測105每個儲能元件的電壓，并響應(yīng)監(jiān)測將能量轉(zhuǎn)移107至儲能元件或從儲能元件轉(zhuǎn)移，該儲能元件的電壓電平偏離預(yù)定的電壓電平。以這種方式，每個儲能元件的電壓電平可保持在合適的限制范圍內(nèi)。多電平變換器的主要功能是與電網(wǎng)相互作用；步驟101和102描述了該相互作用。該方法通過監(jiān)測電網(wǎng)與電網(wǎng)之間相互作用，在步驟101中，其包括監(jiān)測每相的電壓和電流且特別地包括監(jiān)測供應(yīng)至電網(wǎng)的電力。同樣，步驟102中的相互作用包括控制從變換器向電網(wǎng)供應(yīng)的電力。
[0048]另一個主要功能包括平衡開關(guān)單元的儲能元件的DC電壓。這個平衡功能通過以下來提供，步驟105中的監(jiān)測儲能元件的電壓電平、步驟106中確定是否電壓電平中的任一個偏離了額定電壓電平、并且確定是否電壓電平中的一個或多個遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離出預(yù)定義閾值，該方法包括步驟107中將能量轉(zhuǎn)移至偏離的儲能元件或從偏離的儲能元件轉(zhuǎn)移的步驟。該平衡不需要與電網(wǎng)相互作用就可實現(xiàn)，因此該平衡的實現(xiàn)不會影響對電網(wǎng)的供應(yīng)。替代該方法中影響與電網(wǎng)相互作用的步驟101、102包括分別地監(jiān)測和控制與電網(wǎng)的相互作用并且保持對電網(wǎng)的供應(yīng)。因此，步驟107中的轉(zhuǎn)移能量僅僅是在每個相臂的支路內(nèi)轉(zhuǎn)移而且并不進(jìn)入到電網(wǎng)各相中的任何一相。圖4中該方法的實施例還包括步驟103的監(jiān)測每個臂支路中的電流，特別地通過支路內(nèi)的電流在每個相臂的兩個支路形成的閉合電路內(nèi)循環(huán)的方式來監(jiān)測能量的轉(zhuǎn)移。步驟104中，該方法包括控制開關(guān)元件以在每個相臂的兩個支路內(nèi)生成并提供循環(huán)電流。該循環(huán)電流可適合作為支路內(nèi)循環(huán)的無功電流，而不用從任何的存儲元件添加或提取能量除非任意存儲元件需要被平衡，即基于儲能元件偏離的檢測，并且響應(yīng)了該檢測到的偏離，平衡發(fā)生該問題的儲能元件。能量轉(zhuǎn)移步驟107通過調(diào)節(jié)已經(jīng)循環(huán)的電流來添加能量或?qū)⒛芰繌钠x開關(guān)單元移除以便儲能元件的電壓電平得以平衡的方式來實現(xiàn)。
[0049]本發(fā)明主要通過單相和三相變換器實施例進(jìn)行了描述，以及單獨儲能裝置的電壓電平如何能被保持在限定范圍內(nèi)而使它們不會變得太大或太小。本發(fā)明可用于調(diào)節(jié)不同多電平變換器的較寬范圍內(nèi)的電壓不平衡，用作控制電網(wǎng)電力的輸送和分配，特別是用在利用具有專用儲能元件的開關(guān)單元的多電平變換器中以控制電力的輸送和分配。這樣的多電平變換器可用于提供包括，但不限于，DC輸送、諸如無功補償?shù)目刂朴泄?或無功功率或用于將AC轉(zhuǎn)換至DC和將DC轉(zhuǎn)換至AC的功能。
【權(quán)利要求】
1.一種多電平變換器為 具有一個相臂(I)的單相變換器， 或具有三個相臂(1A-C)的三相變換器，所述三相變換器的所述相臂以星形配置互相連接， 所述相臂(I)或每一個相臂(1A-C)包括開關(guān)單元(11、21)， 每個開關(guān)單元(11、21)包括被布置為選擇性地提供到相對應(yīng)的儲能元件(42、52)的連接的半導(dǎo)體開關(guān)(41、51), 所述變換器還包括控制器(31)，所述控制器(31)被提供為監(jiān)測所述儲能元件(42、52)的DC電壓(VD。)， 所述控制器(31)被提供為控制每個開關(guān)單元(11、21)的開關(guān)，并且其中所述單相變換器的所述相臂(1)，或所述三相變換器的每個相臂(IA-C)包括開關(guān)單元(11、21)的兩個并聯(lián)支路(10、20 )，所述支路(10，20 )被配置在閉合電路中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平變換器，其中所述控制器(31)被適配為監(jiān)測(33)每個儲能元件的電壓電平(Vdc)并且被適配為通過控制依賴于所述電壓電平(Vdc)的所述開關(guān)單元的開關(guān)來在所述儲能設(shè)備之間轉(zhuǎn)移能量以補償電壓的不平衡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電平變換器，其中所述控制器(31)被適配為在每個相臂(1、1A-C)的所述支路(10、20)中創(chuàng)建循環(huán)電流(Itl)以用于實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多電平變換器，其中所述控制器(31)被適配為通過單獨地改變所述開關(guān)單元的開關(guān)來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。`
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的多電平變換器，被適配為對電力網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)功率(I1)并且被適配為在能量的轉(zhuǎn)移期間保持功率的供應(yīng)以補償電壓的不平衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的多電平變換器，其中所述變換器為相臂(IA-C)為星形連接的三相(A、B、C)變換器，并且包括浮動中性點(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的多電平變換器，其中所述變換器為被適配用于鐵路應(yīng)用的單相變換器，特別地被布置在鐵路上以用于鐵路應(yīng)用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的多電平變換器，其中至少一個開關(guān)單元的所述儲能設(shè)備為電容器(42、52)，特別地每個支路的所述開關(guān)單元的大部分的所述儲能設(shè)備是電容器(42、52)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的多電平變換器，其中每個開關(guān)單元(11、21)包括H (全)橋，所述H (全)橋具有連接至所述儲能元件(42)的四個半導(dǎo)體開關(guān)元件(41)，優(yōu)選為IGBT。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的多電平變換器，其中每個開關(guān)單元(11、21)包含半橋，所述半橋具有連接至所述儲能元件(52)的四個半導(dǎo)體開關(guān)元件(51)，優(yōu)選為IGBT。
11.一種用于控制具有單相或三相的多電平變換器的方法，所述多電平變換器包括 一個相臂(I )，或以星形配置互連的三個相臂(1A-C)， 其中所述相臂(I)或者每個相臂(IA-C)包含開關(guān)單元(11、21)，每個開關(guān)單元(11、21)包含半導(dǎo)體開關(guān)，所述半導(dǎo)體開關(guān)被布置為選擇性地提供到相對應(yīng)的儲能元件的連接，所述方法包括:監(jiān)測(105 )所述儲能元件中的每一個儲能元件的電壓電平， 并且所述多電平變換器的所述相臂(I)或每個相臂(1A-C)包括開關(guān)單元的兩個并聯(lián)支路，并且所述方法進(jìn)一步包括平衡(107)所述儲能元件的電壓，其中所述平衡包括在所述相臂(I)或每個相臂(IA-C)的所述兩條支路中循環(huán)電流(104、107)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于控制多電平變換器的方法，進(jìn)一步包括將電流(I1M*應(yīng)(102)至電力網(wǎng)絡(luò)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于控制多電平變換器的方法，其中在所述平衡(107)期間保持(102)到所述電力網(wǎng)絡(luò)的電流(I1)的供應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的用于控制多電平變換器的方法，進(jìn)一步包括在所述兩個支路中創(chuàng)建(104)循環(huán)電流(Itl),并且其中所述平衡包括特別地基于電壓的監(jiān)測(105)期間至少一個電壓(Vdc)偏離的檢測(106)來修正(107)所述循環(huán)電流(I。)以在至少兩個開關(guān)單元的所述存儲元件之間轉(zhuǎn)`移能量。
【文檔編號】H02J3/26GK103875147SQ201180074063
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月14日
【發(fā)明者】J-P·哈斯勒, M·蒙吉 申請人:Abb技術(shù)有限公司