電力電子變換器的制造方法
【專利摘要】一種電力電子變換器(30)，用于連接AC和DC網(wǎng)絡(luò)(46,44)并且轉(zhuǎn)換它們之間的電力，包括：第一DC端子和第二DC端子(32,34)，限定用于連接到DC網(wǎng)絡(luò)(44)的DC環(huán)；其中，在使用中，所述DC環(huán)具有施加在其兩端的可逆DC環(huán)電壓；至少一個變換器臂(36)，在所述第一DC端子與第二DC端子(32,34)之間延伸，并且具有由用于連接到AC網(wǎng)絡(luò)(46)的AC端子(42)隔開的第一臂部和第二臂部(38,40)，每個臂部(38,40)包括至少一個合理化模塊(52)，其具有與至少一個能量存儲裝置(56)并聯(lián)連接的第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件(54)，每組電流流動控制元件(54)包括一次有源開關(guān)元件以選擇性地引導(dǎo)電流通過所述能量存儲裝置(56)、和一次無源電流逆止元件以限制電流在單一方向上流過所述合理化模塊(52)，所述電流流動控制元件(54)和所述或每個能量存儲裝置(56)組合以選擇性地提供電壓源以在所述AC端子(42)處合成AC電壓；以及第一控制器(60)，以選擇性地切換每個臂部(38,40)中的所述或每個合理化模塊(52)以控制相應(yīng)AC端子(42)處的AC電壓的配置，以便在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自所述AC網(wǎng)絡(luò)(46)的電力轉(zhuǎn)換至所述DC網(wǎng)絡(luò)(44)并且在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自所述DC網(wǎng)絡(luò)(44)的電力轉(zhuǎn)換至所述AC網(wǎng)絡(luò)(46)，其中每個臂部(38,40)包括：一個或多個二次無源電流逆止元件(48)，以限制相應(yīng)AC與DC端子(42,32,34)之間的電流在單一方向上流過相應(yīng)臂部(38,40)，所述或每個二次無源電流逆止元件(48)與所述或每個合理化模塊(52)串聯(lián)連接；或者一個或多個二次有源開關(guān)元件，與所述或每個合理化模塊(52)串聯(lián)連接。
【專利說明】電力電子變換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電力電子變換器。

【背景技術(shù)】
[0002]在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，為了經(jīng)由架空線和/或海底電纜進(jìn)行傳輸，交流(AC)電力通常被轉(zhuǎn)換為直流(DC)電力。這種轉(zhuǎn)換免去對由傳輸線或電纜施加的AC電容性載荷效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男枰⑶覐亩鴾p少每公里電線和/或電纜的成本。當(dāng)需要長距離傳輸電力時，從AC到DC的轉(zhuǎn)換因而變得有成本效益。
[0003]這種AC到DC電力的轉(zhuǎn)換還被用于有必要互連運(yùn)行于不同頻率的AC網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中。在任何這種電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在AC和DC電力之間的每個接口處均需要變換器以實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)換，并且一種這樣形式的變換器是電壓源變換器(VSC)。
[0004]圖1示出已知的電壓源變換器，其包括多級變換器布置。多級變換器布置包括各個串聯(lián)變換器單元12的變換器橋10。每個變換器單元12包括與電容器16并聯(lián)連接的一對串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 14。不同時切換單個變換器單元12并且變換器電壓階梯比較小，因此這樣的布置消除了與直接切換串聯(lián)IGBT 14相關(guān)的問題。
[0005]為了限制這種多級變換器布置中電容器端子處的電壓變化，每個變換器單元12的電容器16被配置為具有足夠高的電容值。在每個變換器橋10中還需要DC側(cè)電抗器18以限制在變換器臂20之間的瞬變電流，并且從而使變換器臂20的并聯(lián)連接和運(yùn)行成為可倉泛。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種電力電子變換器，用于連接AC和DC網(wǎng)絡(luò)并且轉(zhuǎn)換它們之間的電力，包括:
[0007]第一 DC端子和第二 DC端子，限定用于連接到DC網(wǎng)絡(luò)的DC環(huán)；其中，在使用中，所述DC環(huán)具有施加在其兩端的可逆DC環(huán)電壓；
[0008]至少一個變換器臂，在所述第一 DC端子與第二 DC端子之間延伸，并且具有由用于連接到AC網(wǎng)絡(luò)的AC端子隔開的第一臂部和第二臂部，每個臂部包括至少一個合理化模塊，所述合理化模塊具有與至少一個能量存儲裝置并聯(lián)連接的第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件，每組電流流動控制元件與至少一個能量存儲裝置并聯(lián)連接，每組電流流動控制元件包括一次有源開關(guān)元件以選擇性地引導(dǎo)電流通過所述能量存儲裝置、和一次無源電流逆止元件以限制電流在單一方向上流過所述合理化模塊，所述電流流動控制元件和所述或每個能量存儲裝置組合以選擇性地提供電壓源以在所述AC端子處合成AC電壓；以及
[0009]第一控制器，以選擇性地切換每個臂部中的所述或每個合理化模塊以控制相應(yīng)AC端子處的AC電壓的配置，以便在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自所述AC網(wǎng)絡(luò)的電力轉(zhuǎn)換至所述DC網(wǎng)絡(luò)并且在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自所述DC網(wǎng)絡(luò)的電力轉(zhuǎn)換至所述AC網(wǎng)絡(luò)，
[0010]其中每個臂部包括:
[0011]一個或多個二次無源電流逆止元件，以限制相應(yīng)AC與DC端子之間的電流在單一方向上流過相應(yīng)臂部，所述或每個二次無源電流逆止元件與所述或每個合理化模塊串聯(lián)連接；或者
[0012]一個或多個二次有源開關(guān)元件，與所述或每個合理化模塊串聯(lián)連接。
[0013]在操作電力電子變換器以轉(zhuǎn)換AC與DC網(wǎng)絡(luò)之間的電力的過程中，在一個占空比上電力電子變換器中的電流在臂部之間交替變化。于是，當(dāng)一個臂部被配置為傳導(dǎo)AC端子與相應(yīng)DC端子之間的電流時(即處于導(dǎo)電狀態(tài))，另一個臂部被配置為從電路斷開(即處于不導(dǎo)電狀態(tài))。
[0014]在不導(dǎo)電狀態(tài)中的臂部兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子處電壓與相應(yīng)DC端子處電壓之間的差值。由不導(dǎo)電狀態(tài)中的臂部經(jīng)受的差分電壓可以在所述或每個二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件與所述或每個合理化模塊之間分壓。換言之，當(dāng)臂部處于不導(dǎo)電狀態(tài)時，所述或每個二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件可以支撐在所述相應(yīng)臂部兩端出現(xiàn)的差分電壓的一部分。這意味著因?yàn)樗龌蛎總€二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件能夠被用來阻擋差分電壓的一部分，所以在每個臂部中的合理化模塊或多個合理化模塊可以不需要能夠阻擋整個差分電壓，從而允許減小每個臂部中的合理化模塊或多個合理化模塊的額定電壓。
[0015]相反地，在操作圖1所示的已知電壓源變換器的過程中，要求串聯(lián)變換器單元12能夠阻擋由相應(yīng)變換器橋10經(jīng)受的整個差分電壓，從而需要串聯(lián)變換器單元12具有對于AC和DC網(wǎng)絡(luò)的給定一組AC和DC電壓的相對較高的組合額定電壓。
[0016]因此，在每個臂部中的所述或每個二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件與所述或每個合理化模塊的串聯(lián)連接能夠大大減少每個臂部中實(shí)施AC與DC的網(wǎng)絡(luò)之間電力轉(zhuǎn)換所要求的合理化模塊的所需數(shù)量。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的電力電子變換器的布置導(dǎo)致用小、重量輕、廉價、高效和可靠的器件連接AC和DC網(wǎng)絡(luò)以及轉(zhuǎn)換它們之間的電力。
[0018]應(yīng)該理解的是，AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式涉及電壓整流并且DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式涉及電壓反轉(zhuǎn)。
[0019]無需修改每個臂部中所述或每個合理化模塊的結(jié)構(gòu)，在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式兩者之一中操作電力電子變換器，以允許電流在相反方向流動。特別地，通過在DC環(huán)兩端施加第一極性的DC環(huán)電壓，電力電子變換器被操作為將來自AC網(wǎng)絡(luò)的電力轉(zhuǎn)換至DC網(wǎng)絡(luò)，并且通過在DC環(huán)兩端施加第二極性的DC環(huán)電壓，將來自DC網(wǎng)絡(luò)的電力轉(zhuǎn)換至AC網(wǎng)絡(luò)，其中第一電極與第二電極相反。換言之，通過反轉(zhuǎn)DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓，在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式兩者之一中操作電力電子變換器。
[0020]每個臂部中的所述或每個二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件與所述或每個合理化模塊的串聯(lián)連接意味著二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件決定哪個臂部處于導(dǎo)電狀態(tài)并且從而被用來合成所述或每個AC端子處的AC電壓。
[0021]在每個臂部中包含所述或每個二次無源電流逆止元件限定臂部電流在單一方向上流動，并且因此與所述或每個合理化模塊的單向性兼容。這意味著每個臂部不需要與所述或每個合理化模塊串聯(lián)連接的二次有源開關(guān)元件來決定哪個臂部處于導(dǎo)電狀態(tài)。由于無源電流逆止元件(例如二極管)比有源開關(guān)元件更輕、更小并且更簡單，所以這導(dǎo)致更具有成本效益和更可靠的電力電子變換器。
[0022]然而，所述或每個二次無源電流逆止元件的單向性意味著在每個臂部中的所述或每個二次無源電流逆止元件只能阻擋反向電壓，并且因此不能阻擋正向電壓。這進(jìn)而意味著雖然在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的一個模式中，不導(dǎo)電狀態(tài)的臂部中的所述或每個二次無源電流逆止元件能夠阻擋差分電壓的一部分，但是DC環(huán)兩端DC環(huán)電壓極性的反轉(zhuǎn)將使所述或每個二次無源電流逆止元件在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的另一個模式中不能阻擋差分電壓的一部分。
[0023]因此，為了使電力電子變換器能夠在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式兩個模式中運(yùn)行，當(dāng)所述或每個二次無源電流逆止元件不能阻擋差分電壓的一部分時，每個臂部中的合理化模塊或多個合理化模塊的額定電壓必須增大至能夠支撐由不導(dǎo)電狀態(tài)的臂部經(jīng)受的整個差分電壓。
[0024]可替代地，對于AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式兩者而言，為了能夠使得當(dāng)相應(yīng)臂部處于不導(dǎo)電狀態(tài)時所述或每個二次無源電流逆止元件能夠阻擋差分電壓的一部分，每個臂部中的所述或每個二次無源電流逆止元件的方向可以被重新布置以匹配電力轉(zhuǎn)換模式。然而，這增加了電力電子變換器的成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。
[0025]另一方面，每個臂部中的所述或每個二次有源開關(guān)元件可以被配置為能夠阻斷正向和反向電壓。這意味著對于AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式兩者，將要求每個臂部中的合理化模塊或多個合理化模塊僅阻擋差分電壓的一部分，因此無需增大每個臂部中的合理化模塊或多個合理化模塊的額定電壓以能夠支撐由AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中不導(dǎo)電狀態(tài)的臂部承受的整個差分電壓。
[0026]優(yōu)選地，第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件以全橋結(jié)構(gòu)與相應(yīng)能量存儲裝置并聯(lián)連接，以形成能夠提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓同時在單一方向上傳導(dǎo)電流的2象限雙極合理化模塊。
[0027]在每個臂部中的所述或每個合理化模塊可以被配置為將AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力設(shè)置為等于AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的另一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力。換言之，每個臂部中的所述或每個合理化模塊可以被配置為能夠使第一控制器切換每個臂部中的所述或每個合理化模塊以產(chǎn)生在AC與DC網(wǎng)絡(luò)之間電力的對稱轉(zhuǎn)換，其中電力電子變換器在兩個方向上提供全電子轉(zhuǎn)換功能。
[0028]每個臂部中的所述或每個合理化模塊可以被配置為將AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力限制為小于AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的另一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力。換言之，每個臂部中的所述或每個合理化模塊可以被配置為能夠使第一控制器切換每個臂部中的所述或每個合理化模塊以產(chǎn)生在AC與DC網(wǎng)絡(luò)之間電力的非對稱轉(zhuǎn)換，其中電力電子變換器在一個方向上提供全電子轉(zhuǎn)換功能并且能夠在另一個方向上提供降低水平的電力轉(zhuǎn)換。
[0029]優(yōu)選地，在每個臂部中的所述或每個合理化模塊被配置為將AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力限制到AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的另一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力的10%到15%的范圍內(nèi)。
[0030]在具有非對稱電力轉(zhuǎn)換要求的某些電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，具有非對稱電力轉(zhuǎn)換功能的電力電子變換器是完全合乎需要的。例如，具有非對稱電力轉(zhuǎn)換功能的電力電子變換器可以被用于朝向至DC網(wǎng)絡(luò)的電力輸出具有較大偏置并對輸入電力具有最小需求的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，諸如出現(xiàn)在可再生風(fēng)力發(fā)電和潮汐發(fā)電中，其中所需的電力轉(zhuǎn)換主要在從源到配電網(wǎng)中。一旦原動力(風(fēng)或潮汐波浪)的可用性足以產(chǎn)生所需的電力，為了在硬件轉(zhuǎn)變到發(fā)電運(yùn)行模式之前啟動或運(yùn)行風(fēng)和潮汐發(fā)電場的硬件，對輸入電力的最小需求可能涉及在相反方向上在降低水平上不頻繁地傳輸電力。
[0031]在每個臂部中用以產(chǎn)生具有非對稱電力轉(zhuǎn)換功能的電力電子變換器的所述或每個合理化模塊的配置導(dǎo)致在損失、效率、大小、重量和成本方面更優(yōu)化的電力電子變換器，用于具有非對稱電力轉(zhuǎn)換需求的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
[0032]控制器可以控制每個臂部中的所述或每個合理化模塊的電流流動控制元件的切換，以在所述或每個AC端子處構(gòu)造具有峰值高于相應(yīng)DC端子處DC電壓27 %的AC電壓。在所述或每個AC端子處構(gòu)造這種AC電壓意味著由每個臂部中合理化模塊或多個合理化模塊提供的電壓和流過每個臂部中合理化模塊或多個合理化模塊的電流的乘積在半個占空比上在每個臂部中的合理化模塊或多個合理化模塊中產(chǎn)生凈零能量交換。另外，合理化模塊的結(jié)構(gòu)允許流過合理化模塊的單向電流在正向或反向方向上流過所述或每個能量存儲裝置。這進(jìn)而允許選擇性地實(shí)時充電和放電，并且從而在操作電力電子變換器的同時，控制每個合理化模塊中所述或每個能量存儲裝置的電壓水平以轉(zhuǎn)換AC與DC網(wǎng)絡(luò)之間的電力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]現(xiàn)在將參照附圖僅通過非限制示例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中:
[0034]圖1以示意圖形式示出現(xiàn)有技術(shù)的電力電子變換器；
[0035]圖2以示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電力電子變換器；
[0036]圖3以示意圖形式示出形成圖2的電力電子變換器的一部分的合理化模塊的結(jié)構(gòu)；
[0037]圖4a以示意圖形式示出在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中圖2的電力電子變換器的變換器臂的操作；
[0038]圖4b以示意圖形式示出在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中圖2的電力電子變換器的變換器臂的操作；
[0039]圖5以示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電力電子變換器。

【具體實(shí)施方式】
[0040]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的第一電力電子變換器30。
[0041]第一電力電子變換器30包括第一 DC端子32和第二 DC端子34和多個變換器臂36。第一 DC端子32和第二 DC端子34限定DC環(huán)(DC link)。每個變換器臂36在第一 DC端子32與第二 DC端子34之間延伸并且具有由AC端子42隔開的第一臂部38和第二臂部40。
[0042]在使用中，第一電力電子變換器30的第一 DC端子32和第二 DC端子34分別連接到DC網(wǎng)絡(luò)44的第一端子和第二端子，可逆DC環(huán)電壓被施加在第一端子和第二端子兩端，并且每個變換器臂36的AC端子42被連接到多相AC網(wǎng)絡(luò)46的各相。以這種方式，在使用中，DC環(huán)具有施加在其兩端的可逆DC環(huán)電壓
[0043]第一臂部38和第二臂部40中的每個包括與鏈環(huán)變換器(chain-linkconverter) 50串聯(lián)連接的二次無源電流逆止元件48。
[0044]每個二次無源電流逆止元件48為二極管形式。在第一臂部38中的二次無源電流逆止元件48被布置使得在第一臂部38中流動的電流僅能夠從AC端子42流向第一 DC端子32。在第二臂部40中的二次無源電流逆止元件48被布置使得在第二臂部40中流動的電流僅能夠從第二 DC端子34流向AC端子42。
[0045]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，二次無源電流逆止元件48可以被多個串聯(lián)二次無源電流逆止元件48取代。
[0046]每個鏈環(huán)變換器50包括多個串聯(lián)合理化模塊52。
[0047]圖3以示意圖形式示出每個合理化模塊52的結(jié)構(gòu)。
[0048]每個合理化模塊52具有第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件54和以電容器56形式的能量存儲裝置。第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件54以全橋結(jié)構(gòu)與電容器56并聯(lián)連接。每組電流流動控制元件54包括與一次無源電流逆止元件串聯(lián)連接的一次有源開關(guān)元件。
[0049]每個一次有源開關(guān)元件由與反平行二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)形式的半導(dǎo)體器件構(gòu)成?？梢栽O(shè)想每個一次有源開關(guān)元件可以被不同的有源開關(guān)元件取代。例如，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，每個IGBT可以被柵極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)晶體管、注入增強(qiáng)柵晶體管、集成門極換流晶閘管或任何其他自換向半導(dǎo)體器件取代。
[0050]每個一次無源電流逆止元件為二極管的形式。
[0051 ] 通過改變電流流動控制元件54的狀態(tài)，每個合理化模塊52的電容器56被選擇性地旁路或插入相應(yīng)的鏈環(huán)變換器50。這選擇性地引導(dǎo)電流58通過電容器56或使得電流58旁路電容器56，使得合理化模塊52提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓。
[0052]當(dāng)合理化模塊52中的電流流動控制元件54被配置為在合理化模塊52中形成短路時，合理化模塊52的電容器56被旁路。這使得在相應(yīng)鏈環(huán)變換器50中的電流58穿過短路電路并且旁路電容器56，因此合理化模塊52提供零電壓，即合理化模塊52被配置為旁路模式。
[0053]當(dāng)在合理化模塊52中的電流流動控制元件54被配置為允許在相應(yīng)的鏈環(huán)變換器50中的電流58流入和流出電容器56時，將合理化模塊52的電容器56插入相應(yīng)的鏈環(huán)50。然后電容器56對其存儲的電能進(jìn)行充電或放電以便提供非零電壓，即合理化模塊52被配置為非旁路模式。合理化模塊52的全橋結(jié)構(gòu)允許合理化模塊52中的電流流動控制元件54的配置使得電流58在任一方向流入和流出電容器56,所以在非旁路模式中合理化模塊52能夠被配置為提供負(fù)電壓或正電壓。
[0054]與此同時，在合理化模塊52中每組電流流動控制元件54的一次無源電流逆止元件和一次有源開關(guān)元件的串聯(lián)連接，限制電流58在單一方向上流過合理化模塊52。于是，每個合理化模塊52被布置為使得在第一臂部38中流動的電流僅能夠從AC端子42流入第一DC端子32，并且在第二臂部40中流動的電流僅能夠從第二 DC端子34流入AC端子42。
[0055]以這種方式，所述第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件54以全橋結(jié)構(gòu)與電容器56并聯(lián)連接，以限定能夠提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓同時在單一方向上傳導(dǎo)電流的2象限雙極合理化模塊。
[0056]經(jīng)由將每個提供自身電壓的多個合理化模塊52的電容器56插入每個鏈環(huán)變換器50，有可能在每個鏈環(huán)變換器50兩端建立高于從每個各個合理化模塊52可得電壓的組合電壓。以這種方式，切換每個合理化模塊52中的電流流動控制元件54，使得每個鏈環(huán)變換器50提供階梯式可變電壓源，其允許使用步進(jìn)式近似方法在每個鏈環(huán)變換器50兩端產(chǎn)生電壓波形。
[0057]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，在每個合理化模塊52中的電容器56可以被能夠存儲和釋放能量的另一類型能量存儲裝置(例如，電池或燃料電池)取代。
[0058]第一電力電子變換器30還包括第一控制器60，以選擇性地切換每個臂部38、40中的每個合理化模塊52 (即控制每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換)，以控制相應(yīng)的AC端子42處AC電壓的配置。
[0059]為了本說明書的目的，參照一個換流器臂36描述第一電力電子變換器30的操作。應(yīng)該理解的是，第一電力電子變換器30的一個變換器臂36的操作稍作變動亦適用于其他兩個變換器臂36的操作。
[0060]在使用中，第一電力電子變換器30可操作為在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自AC網(wǎng)絡(luò)46的電力轉(zhuǎn)換至DC網(wǎng)絡(luò)44。如圖4a所示，DC網(wǎng)絡(luò)44的第一端子帶有+10kV的DC電壓，并且DC網(wǎng)絡(luò)44的第二端子帶有-1OOkV的DC電壓，并且AC網(wǎng)絡(luò)46的AC電壓在-127kV至+127kV之間變化。
[0061]在每個臂部38、40中的鏈環(huán)變換器50被額定為能夠在其兩端提供227kV的最大電壓。
[0062]這使得第一臂部38中的鏈環(huán)變換器50提供必要的可變電壓以在AC端子42處合成在OkV到127kV之間延伸的電壓范圍內(nèi)的AC電壓，并且使得在第二臂部40中的鏈環(huán)變換器50提供必要的可變電壓以在AC端子42處合成在OkV到-127kV之間延伸的電壓范圍內(nèi)的AC電壓。
[0063]在第一臂部38和第二臂部40中的二次無源電流逆止元件48決定哪個臂部處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且從而被用來在AC端子42處合成AC電壓。通過如下方式組合第一 AC電壓組件和第二 AC電壓組件62來控制在AC端子42處AC電壓的配置。
[0064]為了構(gòu)造第一 AC電壓組件62，通過正向偏置其二次無源電流逆止元件48使得第一臂部38處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且第一控制器60控制第一臂部38中每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換，以對第一 DC端子32處的+10kV電壓加上或減去(即“提高”或“降低”)電壓階梯。第一 AC電壓組件62被構(gòu)造為具有+127kV峰值的正半正弦電壓波形的形式，同時正AC電流64流入AC端子42。
[0065]與此同時，通過反向偏置其二次無源電流逆止元件48使得第二臂部40處于不導(dǎo)電狀態(tài)，并且因此第二臂部40兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子42處的電壓與第二DC端子34處的電壓之間的差值。因此，處于不導(dǎo)電狀態(tài)中的第二臂部40所經(jīng)受的差分電壓在10kV與227kV之間變化，并且在被額定為阻擋從OkV至127kV范圍電壓的二次無源電流逆止元件48與被配置為阻擋10kV電壓的鏈環(huán)變換器50之間分壓。
[0066]為了構(gòu)造第二 AC電壓組件，通過正向偏置其二次無源電流逆止元件48使得第二臂部40處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且第一控制器60控制第二臂部40中每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換以對第二 DC端子32處的-1OOkV電壓加上或減去(即“提高”或“降低”)電壓階梯。第二 AC電壓組件被構(gòu)造為具有-127kV峰值的負(fù)半正弦電壓波形的形式，同時負(fù)AC電流流入AC端子42。
[0067]與此同時，通過反向偏置其二次無源電流逆止元件48使得第一臂部38處于不導(dǎo)電狀態(tài)，并且因此第一臂部38兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子42處的電壓與第一 DC端子32處的電壓之間的差值。因此，處于不導(dǎo)電狀態(tài)中的第一臂部38經(jīng)受的差分電壓在10kV與227kV之間變化，并且在被額定為阻擋OkV至127kV范圍電壓的二次無源電流逆止元件48與被配置為阻擋10kV電壓的鏈環(huán)變換器50之間分壓。
[0068]第一 AC電壓組件和第二 AC電壓組件62在占空比上的組合導(dǎo)致在AC端子42處合成具有+127kV和-127kV峰值的正弦AC電壓。以這種方式，第一電力電子變換器30控制AC端子42處AC電壓的配置以在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自AC網(wǎng)絡(luò)46的電力轉(zhuǎn)換至DC網(wǎng)絡(luò)44。
[0069]在使用中，第一電力電子變換器30可操作為在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自DC網(wǎng)絡(luò)44的電力轉(zhuǎn)換至AC網(wǎng)絡(luò)46。如圖4b所示，在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中，DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓的極性被反轉(zhuǎn)。特別地，在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中，DC網(wǎng)絡(luò)44的第一端子帶有-1OOkV的DC電壓，并且DC網(wǎng)絡(luò)44的第二端子帶有+10kV的DC電壓。同時AC網(wǎng)絡(luò)46的AC電壓在-127kV到+127kV之間變化。
[0070]在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中，通過如下方式組合第一 AC電壓組件和第二 AC電壓組件66來控制在AC端子42處AC電壓的配置。
[0071]為了構(gòu)造第一 AC電壓組件66，第二臂部40處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且第一控制器60控制第二臂部40中每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換以對第二 DC端子34處的+10kV電壓加上或減去(即“提高”或“降低”)電壓階梯。第一 AC電壓組件66被構(gòu)造為具有+127kV峰值的正半正弦電壓波形的形式，同時負(fù)AC電流68流出AC端子42。
[0072]與此同時，第一臂部38處于不導(dǎo)電狀態(tài)，并且因此兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子42處電壓與第一 DC端子32處電壓之間的差值。因此，處于不導(dǎo)電狀態(tài)中的第一臂部38所經(jīng)受的差分電壓在10kV與227kV之間變化，并且由被配置為阻擋在10kV與127kV之間變化的電壓的鏈環(huán)變換器50完全支撐。通過反轉(zhuǎn)DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓的極性，第一臂部38中的二次無源電流逆止元件48被強(qiáng)制導(dǎo)電，因此致使其不能阻擋差分電壓的一部分。
[0073]為了構(gòu)造第二 AC電壓組件，第一臂部38處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且第一控制器60控制第一臂部38中每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換，以對第一 DC端子32處的-1OOkV電壓加上或減去(即“提高”或“降低”)電壓階梯。第二 AC電壓組件被構(gòu)造為具有-127kV峰值的負(fù)半正弦電壓波形的形式，同時正AC電流流出AC端子42。
[0074]與此同時，第二臂部40處于不導(dǎo)電狀態(tài)，并且因此兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子42處電壓與第二 DC端子34處電壓之間的差值。因此，處于不導(dǎo)電狀態(tài)中的第二臂部40所經(jīng)受的差分電壓在10kV與227kV之間變化，并且由被配置為阻擋在10kV與127kV之間變化的電壓的鏈環(huán)變換器50完全支撐。通過反轉(zhuǎn)DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓的極性，在第二臂部40中的二次無源電流逆止元件48被強(qiáng)制導(dǎo)電，因此致使其不能阻擋差分電壓的一部分。
[0075]第一 AC電壓組件和第二 AC電壓組件66在占空比上的組合導(dǎo)致在AC端子42處合成具有+127kV和-127kV峰值的正弦AC電壓。以這種方式，第一電力電子變換器30控制AC端子42處AC電壓的配置，以在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自DC網(wǎng)絡(luò)44的電力轉(zhuǎn)換至AC網(wǎng)絡(luò)46。
[0076]使得能夠在其兩端提供227kV電壓而增加每個鏈環(huán)變換器50的額定值，使得每個鏈環(huán)變換器50能夠支撐由DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中非導(dǎo)電狀態(tài)的相應(yīng)臂部38、40所經(jīng)受的整個差分電壓。相反地，在每個鏈環(huán)變換器50兩端的10kV額定電壓雖然足夠在AC端子42處合成相應(yīng)AC電壓組件66，但不足以支撐由DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中非導(dǎo)電狀態(tài)的相應(yīng)臂部38、40所經(jīng)受的整個差分電壓。
[0077]以如上所述的方式布置每個鏈環(huán)變換器50因此產(chǎn)生了具有對稱電力轉(zhuǎn)換功能的電力電子變換器30，其中在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中電力電子變換器30均提供全電力轉(zhuǎn)換功能。
[0078]在AC端子42處，具有峰值高于第一 DC端子32和第二 DC端子34處相應(yīng)DC電壓27%的AC電壓的構(gòu)造，意味著由每個鏈環(huán)變換器50提供的電壓和流過每個鏈環(huán)變換器50的電流的乘積在半個占空比上在每個鏈環(huán)變換器50中產(chǎn)生凈零能量交換。另外，合理化模塊52的結(jié)構(gòu)允許流過合理化模塊52的單向電流在正向或反向方向上流過電容器56。這進(jìn)而允許選擇性地實(shí)時充電和放電，并且從而在操作電力電子變換器以將AC網(wǎng)絡(luò)46的電力轉(zhuǎn)換至DC網(wǎng)絡(luò)44的同時，控制每個合理化模塊52中電容器56的電壓水平。
[0079]在每個臂部38、40中的二次無源電流逆止元件48和鏈環(huán)變換器50的串聯(lián)連接意味著每個臂部38、40不需要與鏈環(huán)變換器50串聯(lián)連接的有源開關(guān)元件來決定哪個臂部處于導(dǎo)電狀態(tài)。由于無源電流逆止元件比有源開關(guān)元件更輕、更小并且更簡單，所以這導(dǎo)致更具有成本效益和更可靠的電力電子變換器。
[0080]第一電力電子變換器30的布置導(dǎo)致用小、重量輕、廉價、高效和可靠的器件連接AC網(wǎng)絡(luò)46和DC網(wǎng)絡(luò)44以及將電力從AC網(wǎng)絡(luò)46轉(zhuǎn)換至DC網(wǎng)絡(luò)44。
[0081]圖5示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的第二電力電子變換器130。圖5的第二電力電子變換器130的結(jié)構(gòu)和操作與圖2的第一電力電子變換器30的結(jié)構(gòu)和操作類似，并且相似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0082]第二電力電子變換器130與第一電力電子變換器30的不同之處在于，在第二電力電子變換器130中，每個臂部38、40中的鏈環(huán)變換器50被額定為能夠在其兩端提供137kV的最大電壓，而不是在其兩端提供227kV的最大電壓。
[0083]在使用中，第二電力電子變換器130可操作為在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自AC網(wǎng)絡(luò)46的電力轉(zhuǎn)換至DC網(wǎng)絡(luò)44。在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中第二電力電子變換器130的操作與在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中第一電力電子變換器30的上述操作相同。
[0084]在使用中，第二電力電子變換器130可操作為在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自DC網(wǎng)絡(luò)44的電力轉(zhuǎn)換至AC網(wǎng)絡(luò)46。在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中，DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓的極性被反轉(zhuǎn)。特別地，在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中，DC網(wǎng)絡(luò)44的第一端子帶有-1OkV的DC電壓，并且DC網(wǎng)絡(luò)44的第二端子帶有+1kV的DC電壓。同時AC網(wǎng)絡(luò)46的AC電壓在-127kV與+127kV之間變化。
[0085]在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中，通過如下方式組合第一 AC電壓組件和第二 AC電壓組件70來控制在AC端子42處AC電壓的配置。
[0086]為了構(gòu)造第一 AC電壓組件70，第二臂部40處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且第一控制器60控制第二臂部40中每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換，以對第二 DC端子34處的+1kV電壓加上或減去(即“提高”或“降低”)電壓階梯。第一 AC電壓組件70被構(gòu)造為具有+127kV峰值的正半正弦電壓波形的形式，同時負(fù)AC電流72流出AC端子42。
[0087]與此同時，第一臂部38處于不導(dǎo)電狀態(tài)，并且因此兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子42處電壓與第一 DC端子32處電壓之間的差值。因此，由處于不導(dǎo)電狀態(tài)中的第一臂部38所經(jīng)受的差分電壓在1kV與137kV之間變化，并且由被配置為阻擋在1kV至137kV之間變化的電壓的鏈環(huán)變換器50完全支撐。通過反轉(zhuǎn)DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓的極性，第一臂部38中的二次無源電流逆止元件48被強(qiáng)制導(dǎo)電，因此致使其不能阻擋差分電壓的一部分。
[0088]為了構(gòu)造第二 AC電壓組件，第一臂部38處于導(dǎo)電狀態(tài)，并且第一控制器60控制第一臂部38中每個合理化模塊52的電流流動控制元件54的切換，以對第一 DC端子32處的-1OkV加上或減去(即“提高”或“降低”)電壓階梯。第二 AC電壓組件被構(gòu)造為具有-127kV峰值的負(fù)半正弦電壓波形的形式，同時正AC電流流出AC端子42。
[0089]與此同時，第二臂部40處于不導(dǎo)電狀態(tài)，并且因此兩端經(jīng)受差分電壓，差分電壓是在AC端子42處電壓與第二 DC端子34處電壓之間的差值。因此，由不導(dǎo)電狀態(tài)中的第二臂部40經(jīng)受的差分電壓在1kV與137kV之間變化，并且由被配置為阻擋在1kV至137kV之間變化的電壓的鏈環(huán)變換器50完全支撐。通過反轉(zhuǎn)DC環(huán)兩端的DC環(huán)電壓的極性，第二臂部40中的二次無源電流逆止元件48被強(qiáng)制導(dǎo)電，所以致使其不能阻擋差分電壓的一部分。
[0090]第一 AC電壓組件和第二 AC電壓組件70在占空比上的組合導(dǎo)致在AC端子42處合成具有+127kV和-127kV峰值的正弦AC電壓。以這種方式，第二電力電子變換器130控制AC端子42處AC電壓的配置以在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自DC網(wǎng)絡(luò)44的電力轉(zhuǎn)換至AC網(wǎng)絡(luò)46。
[0091 ] 使得能夠在其兩端提供137kV最大電壓而不是227kV最大電壓而增大每個鏈環(huán)變換器50的額定值，使得每個鏈環(huán)變換器50能夠支撐由DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中非導(dǎo)電狀態(tài)的相應(yīng)臂部經(jīng)受的整個差分電壓，同時限制在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中的可轉(zhuǎn)換電力為AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中可轉(zhuǎn)換電力的10%。
[0092]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，在每個臂部38、40中的鏈環(huán)變換器50可以被額定為能夠在其兩端提供不同的電壓以在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將可轉(zhuǎn)換的電力限制為AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中可轉(zhuǎn)換電力的不同百分比。
[0093]因此，以上述方式配置每個鏈環(huán)變換器50產(chǎn)生了具有非對稱電力轉(zhuǎn)換功能的電力電子變換器130，其中在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中電力電子變換器130提供全電力轉(zhuǎn)換功能，并且能夠在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中提供降低水平的電力轉(zhuǎn)換。
[0094]在具有非對稱電力轉(zhuǎn)換要求的某些電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，具有非對稱電力轉(zhuǎn)換功能的電力電子變換器130是完全合乎需要的。例如，第二電力電子變換器130可以被用于朝向至DC網(wǎng)絡(luò)44的電力輸出具有較大偏置并對輸入電力具有最小需求的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，諸如出現(xiàn)在可再生風(fēng)力發(fā)電和潮汐發(fā)電中，其中所需的電力轉(zhuǎn)換主要在從源到配電網(wǎng)中。一旦原動力(風(fēng)或波浪)的可用性足以產(chǎn)生所需的電力，為了在硬件轉(zhuǎn)變到發(fā)電運(yùn)行模式之前啟動或運(yùn)行風(fēng)和潮汐發(fā)電場的硬件，對輸入電力的最小需求可能涉及在相反方向上在降低水平上不頻繁地傳輸電力。
[0095]以如上所述的方式配置每個鏈環(huán)變換器50以產(chǎn)生具有非對稱電力轉(zhuǎn)換功能的第二電力電子變換器130，導(dǎo)致在損失、效率、大小、重量和成本方面更優(yōu)化的電力電子變換器，用于具有非對稱電力轉(zhuǎn)換要求的電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
[0096]另外，每個臂部38、40中的二次有源開關(guān)元件48和鏈環(huán)變換器50的串聯(lián)連接免去對在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中能夠阻擋整個差分電壓的每個鏈環(huán)變換器50的需要，從而允許降低每個鏈環(huán)變換器50的額定電壓。這因此大大減少實(shí)施AC網(wǎng)絡(luò)46與DC網(wǎng)絡(luò)44之間電力轉(zhuǎn)換所要求的每個鏈環(huán)變換器50中合理化模塊52的所需數(shù)量
[0097]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，每個臂部38、40中的二次無源電流逆止元件48可以被與每個合理化模塊串聯(lián)連接的一個或多個二次無源電流逆止元件取代。
[0098]在使用中，可切換所述或每個二次有源開關(guān)元件以決定那個臂部處于導(dǎo)電狀態(tài)并且從而被用來合成AC端子處的AC電壓。在每個臂部中的所述或每個二次有源開關(guān)元件可以被配置為能夠阻擋正向和反向電壓。這意味著對于AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式，均要求每個臂部中的鏈環(huán)變換器僅阻擋差分電壓的一部分，因此無需增大每個臂部中鏈環(huán)變換器的額定電壓以能夠支撐由AC到DC和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中不導(dǎo)電狀態(tài)的臂部承受的整個差分電壓。
[0099]還可以設(shè)想，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，電力電子變換器可以包括不同數(shù)量的變換器臂，其中每個變換器臂的AC端子與多相AC網(wǎng)絡(luò)的各相是可連接的。
[0100]另外可以設(shè)想，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，電力電子變換器可以包括單個變換器臂，其中AC端子與單相AC網(wǎng)絡(luò)是可連接的。
[0101]應(yīng)該理解地是，所示實(shí)施例中使用的電壓值僅僅被選擇來說明電力電子變換器的各個實(shí)施例的操作，所以根據(jù)相關(guān)電力應(yīng)用的電力需求在實(shí)際中可以變化。
【權(quán)利要求】
1.一種電力電子變換器，用于連接AC和DC網(wǎng)絡(luò)并且轉(zhuǎn)換它們之間的電力，包括: 第一 DC端子和第二 DC端子，限定用于連接到DC網(wǎng)絡(luò)的DC環(huán)；其中，在使用中，所述DC環(huán)具有施加在其兩端的可逆DC環(huán)電壓； 至少一個變換器臂，在所述第一 DC端子與第二 DC端子之間延伸，并且具有由用于連接到AC網(wǎng)絡(luò)的AC端子隔開的第一臂部和第二臂部，每個臂部包括至少一個合理化模塊，所述合理化模塊具有與至少一個能量存儲裝置并聯(lián)連接的第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件，每組電流流動控制元件與至少一個能量存儲裝置并聯(lián)連接，每組電流流動控制元件包括一次有源開關(guān)元件以選擇性地引導(dǎo)電流通過所述能量存儲裝置、和一次無源電流逆止元件以限制電流在單一方向上流過所述合理化模塊，所述電流流動控制元件和所述或每個能量存儲裝置組合以選擇性地提供電壓源以在所述AC端子處合成AC電壓；以及 第一控制器，以選擇性地切換每個臂部中的所述或每個合理化模塊以控制相應(yīng)AC端子處的AC電壓的配置，以便在AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自所述AC網(wǎng)絡(luò)的電力轉(zhuǎn)換至所述DC網(wǎng)絡(luò)并且在DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式中將來自所述DC網(wǎng)絡(luò)的電力轉(zhuǎn)換至所述AC網(wǎng)絡(luò)， 其中每個臂部包括: 一個或多個二次無源電流逆止元件，以限制相應(yīng)AC與DC端子之間的電流在單一方向上流過相應(yīng)臂部，所述或每個二次無源電流逆止元件與所述或每個合理化模塊串聯(lián)連接；或者 一個或多個二次有源開關(guān)元件，與所述或每個合理化模塊串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子變換器，其中所述第一組串聯(lián)電流流動控制元件和第二組串聯(lián)電流流動控制元件以全橋結(jié)構(gòu)與所述相應(yīng)能量存儲裝置并聯(lián)連接，以形成能夠提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓同時在單一方向上傳導(dǎo)電流的2象限雙極合理化模塊。
3.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電力電子變換器，其中當(dāng)臂部在不導(dǎo)電狀態(tài)時，所述或每個二次無源電流逆止元件或二次有源開關(guān)元件支撐在相應(yīng)臂部兩端出現(xiàn)的差分電壓的一部分。
4.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電力電子變換器，其中每個臂部中的所述或每個合理化模塊被配置為將AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力限制為小于AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的另一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力。
5.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電力電子變換器，其中每個臂部中的所述或每個合理化模塊被配置為將AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力限制到AC到DC電力轉(zhuǎn)換模式和DC到AC電力轉(zhuǎn)換模式當(dāng)中的另一個模式中的可轉(zhuǎn)換電力的10%到15%的范圍內(nèi)。
【文檔編號】H02M7/81GK104335474SQ201380026459
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月22日
【發(fā)明者】D·R·特萊尼爾, N·奧喀密 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司