具有混合全橋單元的多級轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上設(shè)及多級轉(zhuǎn)換器。更特定地，本發(fā)明設(shè)及配置成在交流電與直流電 之間轉(zhuǎn)換的多級轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 關(guān)注多級轉(zhuǎn)換器在許多不同的輸電環(huán)境中使用。它們可例如用作直流輸電系統(tǒng) (例如高壓直流（HVDC))和交流輸電系統(tǒng)(例如柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS))中的電壓源轉(zhuǎn)換 器。它們也可用作無功補(bǔ)償電路，例如靜止VAR補(bǔ)償器。
[0003] 為了減少電力電子轉(zhuǎn)換器的輸出中的諧波失真(其中輸出電壓可W采取若干分立 級別)，已經(jīng)提出所謂的多級轉(zhuǎn)換器。特別地，已經(jīng)提出運(yùn)樣的轉(zhuǎn)換器，其中多個(gè)級聯(lián)轉(zhuǎn)換器 單元每個(gè)包括多個(gè)開關(guān)裝置和采用DC電容器形式的能量存儲單元。
[0004] 運(yùn)樣的轉(zhuǎn)換器的不例可W在IE邸2004的Marquar化的"NewConc巧tfor hi曲voltage-Modularmultilevelconverter(對于高壓模塊化多級轉(zhuǎn)換器的新概念）"、 E陽 2003、WO2010/149200 和WO2011/124260 的A.Lesnicar、R.Marquardt的"Anew modularvoltagesourceinve;rte;rtopology(新的模塊化電壓源逆變器拓?fù)洌?中找到。
[0005] 運(yùn)樣的轉(zhuǎn)換器中的轉(zhuǎn)換器元件可例如具有半橋、全橋或錯(cuò)位雙單元類型。
[0006] 上和下臂中的半橋連接提供單極單元電壓貢獻(xiàn)并且給予最簡單的鏈?zhǔn)芥溌忿D(zhuǎn)換 器結(jié)構(gòu)。該類型由IE邸2004的Marquar化的"化WConc巧tforhi曲voltage-Modular multilevelconverter(對于高壓模塊化多級轉(zhuǎn)換器的新概念)"和EPE2003的A. Lesnicar、R.Marquardt的"Anewmodularvoltagesourceinvertertopology(新的 模塊化電壓源逆變器拓?fù)?"描述。
[0007] 然而，半橋拓?fù)浯嬖谠贒C故障(例如DC極間或DC極接地故障)情況下故障電流阻 斷能力受到限制運(yùn)一問題。
[0008] 解決此的一個(gè)方式是通過使用全橋單元。運(yùn)在WO2011/012174中描述。全橋單 元的串聯(lián)連接給予通過單元電容器的能量存儲元件的四象限功率流W及通過施加反向電 壓給予DC故障電壓阻斷能力。然而，與半橋單元相比，全橋單元的使用使部件數(shù)量加倍。
[0009] 減少部件數(shù)量連同保持故障電流限制能力的一個(gè)方式是通過使半橋和全橋類型 的單元混合。一半的單元?jiǎng)t可W是全橋單元，用于由于級聯(lián)轉(zhuǎn)換器單元的定級來施加反向 電壓。運(yùn)例如在WO2011/042050中描述。單元的混合使部件數(shù)量進(jìn)一步減少，同時(shí)保持良 好的故障電流限制能力。
[0010] 然而，關(guān)于部件減少連同故障電流限制仍然有提高的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明針對減少電壓源轉(zhuǎn)換器中的部件數(shù)量連同提供足夠的故障電流限制。
[0012] 該目標(biāo)根據(jù)第一方面通過多級轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，該多級轉(zhuǎn)換器配置成在交流電與直流 電之間轉(zhuǎn)換并且包括： 至少一個(gè)相臂，其在DC極與AC端子之間具有多個(gè)單元，運(yùn)些單元包括用于故障電流處 理操作的至少一個(gè)混合全橋單元， 所述混合全橋單元包括： 第一單元連接端子，用于禪合于DC極， 第二單元連接端子，用于禪合于AC端子， 能量存儲元件，其具有正和負(fù)端， 第一組串聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置，該組與能量存儲元件并聯(lián)連接并且其中第一組的半導(dǎo) 體裝置包括第一和第二開關(guān)元件，其具有第一和第二反并聯(lián)單向傳導(dǎo)元件，其中第一與第 二半導(dǎo)體裝置之間的結(jié)形成一個(gè)單元連接端子， 第二組串聯(lián)連接的半導(dǎo)體裝置，該組與能量存儲元件W及與第一組并聯(lián)連接并且其中 第二組半導(dǎo)體裝置包括：第=半導(dǎo)體裝置，其具有帶反并聯(lián)單向傳導(dǎo)元件的第=開關(guān)元件， 和由至少一個(gè)單向傳導(dǎo)元件組成的第四半導(dǎo)體裝置，其中第一與第二半導(dǎo)體裝置之間的結(jié) 形成另外的單元連接端子。
[0013] 本發(fā)明具有許多優(yōu)勢。它提供與具有數(shù)量減少的部件的相似常規(guī)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)相等 的故障限制能力。運(yùn)結(jié)合具有低復(fù)雜性和低成本的模塊化單元結(jié)構(gòu)。另一個(gè)優(yōu)勢是用于控 制單元所需要的控制信號的數(shù)量減少。
【附圖說明】
[0014] 本發(fā)明將在下面參考附圖描述，其中 圖1示意地示出在兩個(gè)極之間連接的基于單元的電壓源轉(zhuǎn)換器， 圖2示意地示出第一類型的混合全橋單元的結(jié)構(gòu)， 圖3示意地示出第一類型的半橋單元的結(jié)構(gòu)， 圖4示意地示出第二類型的混合全橋單元的結(jié)構(gòu)， 圖5示意地示出第二類型的全橋單元的結(jié)構(gòu)， 圖6示意地示出采用第一和第二類型的混合全橋單元W及第一和第二類型的半橋單 元的電壓源轉(zhuǎn)換器相腳的第一實(shí)現(xiàn)， 圖7示意地示出在正AC電壓出現(xiàn)第一極接地故障的情況下通過圖6的轉(zhuǎn)換器的上相 臂的故障電流路徑， 圖8示意地示出在負(fù)AC電壓出現(xiàn)第一極接地故障的情況下通過圖6的轉(zhuǎn)換器的上相 臂的故障電流路徑， 圖9示意地示出在負(fù)AC電壓出現(xiàn)第二極接地故障的情況下通過圖6的轉(zhuǎn)換器的下相 臂的故障電流路徑， 圖10示意地示出在正AC電壓出現(xiàn)第二極接地故障的情況下通過圖6的轉(zhuǎn)換器的下相 臂的故障電流路徑， 圖11示意地示出第=類型的混合全橋單元的結(jié)構(gòu)，W及 圖12示意地示出第四類型的混合全橋單元的結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 在下面，將給出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述。
[0016] 圖I示出采用基于單元的電壓源轉(zhuǎn)換器10的形式的多級轉(zhuǎn)換器的一個(gè)變體。轉(zhuǎn) 換器操作成在交流電（AC)與直流電（DC)之間轉(zhuǎn)換。圖1中的轉(zhuǎn)換器10包括=相橋，其由 多個(gè)相腳組成。在該情況下存在=個(gè)相腳。然而應(yīng)認(rèn)識到作為備選可例如僅存在兩個(gè)相腳。 從而存在第一相腳化1、第二相腳PL2和第S相腳化3。相腳通常特定地在兩個(gè)DC極(第一 DC極Pl和第二DC極P2)之間連接并且相腳的中點(diǎn)連接到對應(yīng)的交流端子ACl、AC2、AC3。 相腳的中點(diǎn)在運(yùn)里經(jīng)由電抗器LACULAC2和LAC3連接到對應(yīng)的AC端子。相腳由此分成兩 半：上半和下半，其中運(yùn)樣的半個(gè)也叫作相臂。
[0017] 第一DC極Pl此外具有可能為正的第一電勢+DC，而第二DC極具有可能為負(fù)的第 二電勢-DC。第一極Pl因此也可叫作正極，而第二極P2可叫作負(fù)極。運(yùn)些極此外可W是例 如高壓直流（HVDC)輸電系統(tǒng)等DC輸電系統(tǒng)或柔性交流傳輸系統(tǒng)（FACTS)的部分。
[0018] 如上文提到的，圖1的電壓源轉(zhuǎn)換器僅僅是其中可使用本發(fā)明的多級轉(zhuǎn)換器的一 個(gè)示例。例如可能在兩個(gè)極之間提供彼此串聯(lián)的=個(gè)相腳，其中運(yùn)些則組成第一組相腳。然 后可能提供與該第一組并聯(lián)的第二組串聯(lián)連接的相腳。在該情況下，第一組相腳的中點(diǎn)形 成主AC端子并且第二組相腳的中點(diǎn)形成對于=個(gè)相的輔AC端子。
[0019] 多級轉(zhuǎn)換器的再另一個(gè)實(shí)現(xiàn)是靜止VAR補(bǔ)償器。
[0020] 圖1中的示例中的電壓源轉(zhuǎn)換器10的相臂包括單元。單元是可開關(guān)W用于對對 應(yīng)AC端子上的電壓提供電壓貢獻(xiàn)的裝置。單元?jiǎng)t包括一個(gè)或多個(gè)能量存儲元件，例如采用 電容器的形式，并且單元可開關(guān)W提供對應(yīng)于能量存儲元件的電壓的電壓貢獻(xiàn)或零電壓貢 獻(xiàn)。如果在單元中包括超過一個(gè)能量存儲元件，甚至另外的電壓貢獻(xiàn)是可能的。
[0021] 單元有利地在相臂中串聯(lián)或級聯(lián)連接。
[0022] 在圖1中給出的示例中，在每個(gè)相臂中存在五個(gè)串聯(lián)連接或級聯(lián)單元。從而，第一 相腳化1的上相臂包括五個(gè)單元Clul、C2ul、C3ul、C4ul和C加1，而第一相腳化1的下相臂 包括五個(gè)單元(：111^211八311^411和巧11。采用相似的方式，第二相腳化2的上相臂包 括五個(gè)單元Clu2、C化2、C3u2、C4u2和巧u2,而第二相腳PL2的下相臂包括五個(gè)單元C112、 C212、C312、C412和C512。最后，第S相腳PL3的上相臂包括五個(gè)單元Clu3、C化3、C3u3、 C4u3和C加3,而第S相腳化3的下相臂包括五個(gè)單元C113、C213、C313、C413和巧13。在 圖1中提供的單元的數(shù)量僅僅是示例。因此必須強(qiáng)調(diào)相臂中單元的數(shù)量可變化。在每個(gè)相 臂中具有多得多的單元，尤其在HVDC應(yīng)用中，運(yùn)通常是有利的。相臂可例如包括幾百個(gè)單 元。然而也可存在更少的單元。
[0023] 相臂中每個(gè)單元的控制通常通過對單元提供針對控制該單元的貢獻(xiàn)W滿足參考 電壓的控制信號而進(jìn)行。可提供該參考電壓用于獲得相腳的AC端子上的波形，例如正弦 波。為了控制單元，因此存在控制裝置12。
[0024] 提供控制裝置12用于控制轉(zhuǎn)換器的所有相臂。然而，為了簡化圖，在圖1中僅指 示第一相腳化的上相臂的控制。
[002引采用相似方式控制其他相臂W便在S個(gè)AC端子ACUAC2和AC3上形成輸出波形。
[0026] 存在許多可W在轉(zhuǎn)換器中使用的不