多電平變流器系統的製作方法
2023-09-15 01:44:05 1
多電平變流器系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種電力變流器。所述電力變流器包括至少一個臂。電力變流器的至少一個臂包括多個開關單元。多個開關單元以串聯方式彼此耦合。此外，在電力變流器中，開關單元被選擇為使得電力變流器中的至少兩個開關單元具有不同的工作電壓。
【專利說明】多電平變流器系統
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及電力變流器(power converter),更具體而言，涉及多電平配置的變流器。
【背景技術】
[0002]電力變換的實用性和重要性隨著在諸如電機驅動、可再生能源系統和高壓直流(HVDC)系統等應用中獲得的優勢已經增長。多電平變流器作為一種用於各種中高壓應用的有前途的電力變流技術而興起。
[0003]與傳統的兩電平變流器相比，多電平變流器(Multilevel converter)提供多種優勢。例如，多電平變流器的電源質量和效率優於兩電平變流器。此外，多電平變流器是電網和可再生能源(例如光伏(PV)電池、燃料電池和風力渦輪機)之間的理想接口。
[0004]已經使用模塊化結構設計了無變壓器的多電平變流器。這種多電平變流器通常包括在DC總線之間耦合的多個電源模塊。變流器的模塊化結構允許堆疊這些變流器以提供不同的功率和電壓水平。
[0005]在一些模塊化多電平變流器實施例中，控制電源模塊以控制在變流器的輸出端子處觀察到的電壓。通常，每個電源模塊促成變流器中電壓控制的一個步驟。在對稱配置中，考慮變流器的額定電壓和電力變流器控制所需的電壓階躍變化，可以計算開發具有理想額定電壓的變流器所需的電源模塊的數量。
[0006]例如，在具有10kV額定電壓和lkV電壓階躍的電力變流器的對稱配置中，需要至少10個lkV的電源模塊，以獲得理想結果。這樣，設計具有對稱配置的理想電力變流器所需的電源模塊的數量隨著電力變流器額定電壓的增大而增加。
[0007]電源模塊數量的增加導致電力變流器成本的增加。此外，電源模塊的增加還導致電力變流器的效率降低。
[0008]還可能增大電壓階躍變化。在這種情況下，開發理想額定電壓需要較少的模塊，但是對於相同的平均開關頻率，最終的交流電壓諧波將增大。
[0009]因此，需要一種模塊化多電平電力變流器系統，其提供與對稱式變流器相同的額定電壓和諧波性能，同時減少使用的電源模塊的數量。
【發明內容】
[0010]在本發明的一個實施例中，提供一種電力變流器。所述電力變流器包括至少一個臂(leg)。至少一個臂包括多個開關單元。至少兩個開關單元的工作電壓彼此不同。
[0011]優選地，所述多個開關單元中的至少一些開關單元的每一個包括多個完全可控半導體開關和至少一個能量存儲裝置。
[0012]優選地，所述多個完全可控半導體開關包括絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、門極可關斷晶閘管、絕緣門極換向晶閘管、注入增強柵電晶體或其中任意組合。所述多個完全可控半導體開關包括碳化矽基開關、氮化鎵基開關、砷化鎵基開關或其其中任意組合。
[0013]優選地，多個開關單元限定第一串。所述第一串耦合至第一 DC或AC總線，以及第二 DC或AC總線。
[0014]優選地，還包括第二串，所述第二串包括多個完全可控半導體開關、第一連接節點和第二連接節點。所述第二串耦合至第一 DC或AC總線，以及第二 DC或AC總線。
[0015]優選地，所述第一串通過所述第一連接節點和第二連接節點與所述第二串耦合。
[0016]優選地，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過第三連接節點可操作地耦合至所述第一支路。所述第三連接節點可操作地耦合至第三總線。所述第三總線包括直流或交流總線。
[0017]優選地，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總線。
[0018]優選地，所述第四總線包括交流相。
[0019]優選地，所述多個可控半導體開關包括部分可控半導體開關、完全可控半導體開關或其組合。
[0020]在本發明的另一個實施例中，提供一種用於電力變流的系統。所述系統包括電源、負載和第一電力變流器。第一電力變流器包括一個或多個臂，其中一個或多個臂中的每一個包括多個開關單元。至少兩個開關單元的工作電壓彼此不同。此外，所述系統包括配置為控制所述多個開關單元的開關的控制器。
[0021]優選地，所述負載包括電網、電器或其組合。所述多個開關單元中的每一個包括半橋變流器、全橋變流器或其組合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]通過以下結合附圖的優選實施例的更詳細描述，本公開的其他特徵和優點將變得明顯，附圖以示例方式顯示本公開的特定方面的原理。
[0023]圖1是用於電力變流的系統的圖解表示；
[0024]圖2是傳統的模塊化多電平變流器的圖解表示；
[0025]圖3是另一種配置的模塊化多電平變流器的一部分的示例性實施例的圖解表示；以及
[0026]圖4是根據本公開的各方面的模塊化多電平變流器的一部分的圖解表示。
【具體實施方式】
[0027]下面將詳細參考本發明的示例性實施例，其示例顯示在附圖中。只要可能，各幅附圖中使用的相同的附圖標記指代相同或相似部件。
[0028]如下詳述，提供用於多電平電力變流的示例性系統的不同實施例。本文使用的術語多電平變流器用於指代包括連接至一種形式的輸入電壓/電流的不同相的多電平開關並將輸入電壓/電流轉換為另一種形式的輸出電壓/電流的變流器。
[0029]圖1描述用於轉換電源的系統100。在一個實施例中，用於轉換電源的系統100可包括電源102、電力變流器104和電網/設施/負載106。本文使用的術語電源可包括例如可再生電源、不可再生電源、發電機或電網。在其他可能配置中，電源可包括其他電力變流器。本文使用的術語負載可用於指代例如電網、機器或電器。電力變流器104包括多電平變流器。
[0030]系統100還包括控制器108，其配置為控制電力變流器104的操作。例如，控制器108可配置為通過控制電力變流器104的多個半導體開關的開關來控制電力變流器104的操作。此外，在一個實施例中，系統100還可以包括其他電路部件(未顯示)，例如但不限於變壓器、斷路器、電感器、補償器、電容器、整流器、電抗器和濾波器。
[0031]現在參考圖2，描述電力變流器200的圖解表示。在圖2的示例中，電力變流器200是具有三個臂202的模塊化多電平變流器。此外，每個臂202包括多個開關單元204，多個開關單元204以串聯方式可操作地耦合以限定一串(string)。每個臂202中的多個開關單元204可被分割為第一部分206和第二部分208。第一部分206和第二部分208可通過感應元件210可操作地彼此稱合。在所示實施例中，感應元件210包括電感器。每個感應元件210可操作地耦合至至少一個交流(AC)相(A，B, C)。
[0032]每個開關單元204包括完全可控半導體開關和能量存儲裝置(例如電容性元件)的組合。完全可控半導體開關可包括例如絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，金屬氧化物半導體場效應電晶體(M0SFET)，其它類型的場效應電晶體(FET)，門極可關斷晶閘管，絕緣門極換向晶閘管(IGCT)，注入增強柵電晶體(IEGT)，或其組合。這些開關的材料可包括例如矽、碳化矽、氮化鎵、或砷化鎵。
[0033]三個臂202的每一個的第一端212可操作地耦合至第一總線214，例如正直流(DC)總線。類似的，三個臂202的每一個的第二端216可操作地耦合至第二總線218，例如負DC總線。在某些實施例中，第一總線214和第二總線216可以是AC總線。第一端子由第一總線214和第二總線218的組合形成，第二端子由AC相A、B和C組合形成。
[0034]相對於虛擬接地參考點N，第一總線214處的電壓為+Vd。，第二總線218處的電壓為_Vd。。此外，在交流相A、B和C處的電壓分別由Va、Vb和V。表示。
[0035]在圖2的實施例中，在任意時刻，臂202耦合在第一總線214和第二總線218之間。相應地，支路202必須處理出現在第一總線214和第二總線218之間的全DC電壓(2Vdc)。此外，為了控制電力變流器200，臂202的第一部分206和第二部分208均必須承受2Vd。的最大電壓。每個第一部分和第二部分中的開關單元204的額定電壓還提供電力變流器200能夠提供的最小電壓階躍。基於開關單元的選擇，電力變流器200可被稱為「對稱的」或者「非對稱的」。在對稱配置中，每個開關單元204具有相同的額定電壓和工作電壓。例如，當臂202所需的額定電壓為10kV以及每個開關單元的額定電壓為lkV時，對稱配置的電力變流器200中的開關單元的數量將需要至少10個開關單元。將結合圖4更詳細的解釋包括非對稱配置的電力變流器200的本發明的實施例。
[0036]在圖3中描述了電力變流器的不同類型臂300的圖解表示。電力變流器的臂300可包括第一串302和第二串304。更特別的，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總線306和第二總線308之間。在一個實施例中，第一總線306可包括正DC總線，第二總線308可包括負DC總線。在另一個實施例中，第一總線306可包括正AC總線，第二總線308可包括負AC總線。第二串304可以通過第一連接節點310和第二連接節點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通過第三連接節點318可操作地耦合至第二支路316。類似的，第一串302可包括第一部分320，第一部分320通過AC相324和電感器326可操作地耦合至第二部分322。第三連接節點318可以可操作地耦合至第三總線328。
[0037]此外，在圖3的本示例中，第三總線328可包括直流總線，更特別的，包括中間或中心DC總線，其相對於第一總線306可為負電勢，相對於第二總線308可為正電勢。第二串302可包括多個可控半導體開關S1, S2，S3和S4 (330)。在圖3的示例中，多個可控半導體開關330可包括部分可控半導體開關。但是，在另一個實施例中，多個可控半導體開關可選地包括完全可控半導體開關。此外，多個可控半導體開關可包括部分可控半導體開關和完全可控半導體開關的組合。作為非限制性示例，第二串302可包括部分可控半導體開關、完全可控半導體開關、或者部分可控半導體開關和完全可控半導體開關的組合。此外，在一個示例中，第二串304的第一支路314可包括兩個可控半導體開關S1和&。類似的，第二串304的第二支路316可包括兩個可控半導體開關S3和S4。可控半導體開關S1, S2, S3和S4可包括例如功率二極體與晶閘管、可控矽整流器、門極可關斷晶閘管或IGBT的組合。
[0038]此外，第一串302的第一部分320和第二部分322可包括多個開關單元334。開關單元334可以是多個完全可控半導體開關和至少一個能量存儲裝置的組合。
[0039]完全可控半導體開關可包括例如絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，其它類型的場效應電晶體(FET)，門極可關斷晶閘管，絕緣門極換向晶閘管(IGCT)，注入增強柵電晶體(IEGT)，或其組合。這些開關的材料可包括例如矽、碳化矽、氮化鎵、或砷化鎵。第一部分320和第二部分322中的開關單元334被選擇為滿足臂300的額定電壓以及實現電力變流器的最小電壓階躍要求。在對稱配置的電力變流器中，所有開關單元334具有相同的額定電壓，額定電壓被選擇以使4每個開關單元334具有等於電力變流器的最小電壓階躍要求的額定電壓。結合圖4描述本發明的實施例，其包括非對稱配置的電力變流器，其中至少兩個開關單元334的額定電壓彼此不同。
[0040]此外，臂300可用於單相電力變流器、兩相電力變流器、三相電力變流器、以及其他等效的多相DC-AC、AC-DC或AC-AC電力變流器。第一串302和第二串304中的完全可控半導體開關的開關可以基於輸出端子處觀察到的輸出電壓進行控制。
[0041]在一些實施例中，具有臂300的電力變流器可以與具有臂300的另一個電力變流器耦合，以形成背靠背的電力變流配置。
[0042]圖4是可用於代替圖2的臂202或圖3的第一串302的非對稱配置的電力變流器的示例性實施例的圖解表示400。在非對稱配置中，開關單元418-428被選擇以滿足電力變流器的額定電壓要求以及電力變流器的最小電壓階躍要求。例如，如圖4所示，開關單元418和420的至少兩個開關單元的工作電壓不同。當串400要求的額定電壓為1kV以及控制電力變流器所需的最小電壓階躍為IkV時，在一種非對稱配置中，可以選擇具有IkV額定電壓的五(5)個開關單元連同具有5kV額定電壓的一(I)個開關單元。在所示實施例中，臂400包括開關單元418、420、422、424、426和428。開關單元418-428通過感應元件彼此耦合。例如，如圖4所示，開關單元418和420通過電感器430耦合。類似的，感應元件可與開關單元422-428串聯布置。在圖4所示的非對稱配置中，開關單元418具有5kV的額定電壓，開關單元420、422、424、426和428的額定電壓是lkV。對於從零到正負5kV的電壓範圍，使用該支路作為部件的電力變流器仍然可用。與電力變流器耦合的控制器配置為根據輸出端子經受的輸出電壓啟動和關閉開關單元418-428。例如，當輸出電壓在O至5kV之間時，具有lkV額定電壓的開關單元420-428中的一些或全部被打開。當輸出電壓達到5kV時，具有5kV額定電壓的開關單元418被啟動。當輸出電壓大於5kV時，具有5kV額定電壓的開關單元418以及一個或多個具有lkV額定電壓的開關單元420-428被打開。
[0043]在目前構思的配置中，開關單元418-428可包括完全可控半導體開關402和404，能量存儲裝置406，第一連接器408和第二連接器410。完全可控半導體開關402和404中的每一個可包括以上參考圖2和3描述的類型的開關，還可以包括可內置的反向平行於完全可控半導體開關402和404的功率二極體412。內置的功率二極體412可提供續流路徑。這些功率二極體412還可被稱為續流二極體。
[0044]此外，在一個非限制性示例中，能量存儲裝置406可包括電容器。在圖4的示例中，完全可控半導體開關402可以操作性與能量存儲裝置406串聯耦合，以形成第一分支(limb) 414。此外，另一個完全可控半導體開關404形成第二分支416。第二分支416可以操作性與第一分支414並聯耦合。此外，第一分支414和第二分支416可以可操作地耦合在第一連接器408和第二連接器410之間。雖然圖4的示例描述半橋變流器配置的開關單元418-428包括兩個完全可控半導體開關以及一個能量存儲裝置，但是可以構思使用其他數量的完全可控半導體開關402、404和能量存儲裝置406。在一個實施例中，可以設置一些或者所有開關單元形成全橋變流器配置。
[0045]此外，在一個非限制性示例中，當完全可控半導體開關402被啟動以及完全可控半導體開關404被關閉時，能量存儲裝置406可出現在第一連接器408和第二連接器410之間。因此，能量存儲裝置406兩端的電荷呈現為第一連接器408和第二連接器410之間的電壓。或者，當完全可控半導體開關404被啟動以及完全可控半導體開關402被關閉時，第一分支414被旁路，從而在第一連接器408和第二連接器410之間提供零電壓。這樣，通過控制第一串400上的多個開關單元418-428中的完全可控半導體開關402和404的開關，可以連續調節第一串400兩端出現的平均電壓。
[0046]非對稱多電平電力變流器的上述實施例提供了需要較少數量的開關單元的電力變流系統。例如，在具有10kV額定電壓和lkV最大階躍要求的電力變流器的情況下，對稱配置中需要的開關單元的數量為10，而在一種包括使用1個5kV單元和5個lkV單元的非對稱配置的情況下，所需要的開關單元的數量為6。開關單元數量的減少降低了電力變流系統的成本，還降低了設計系統的複雜性，而不損害所生成的輸出電壓的質量。此外，在開關單元出現故障的情況下，開關單元數量的減少降低了電力變流系統的維護和修理所用的時間。
[0047]應理解，以上描述旨在是示例性的，而不是限制性的。例如，上述實施例(和/或其方面)可彼此組合使用。此外，在不背離本發明的範圍的前提下，可以採取多種修改以使特定的情況或材料適應本發明的教導。雖然本文描述的材料尺寸和類型旨在限定本發明的參數，但其不以任何方式進行限制，而只是示例性實施例。通過回顧以上描述，許多其他實施例對於本領域技術人員將是明顯的。因此，本發明的範圍應參考所附權利要求以及這些權利要求所給予的全部等效範圍來確定。在所附權利要求中，術語「包括」和「在其中」分別用作術語「包含」和「其中」的簡明英語等效詞。此外，在以下權利要求中，術語「第一」、「第二」等僅用作符號，並不旨在對其對象強加數字或位置要求。此外，以下權利要求的限制不是以裝置加功能的方式撰寫的，也不旨在基於美國專利法35U.S.C.第112條第6款進行解釋，除非且只有權利要求限制明確使用了短語「用於……的裝置」跟上缺少其他特徵的功能陳述。
[0048]如本文所用，以單數形式列舉且前面帶有單詞「一」的元件或步驟應理解為不排除多個所述元件或步驟，除非明確聲明了這種排除。此外，引用本發明的「一個實施例」不應解釋為排除也包含了所述特徵的其他實施例的存在。此外，除非明確做出相反的聲明，實施例「包含」、「包括」或「具有」具有特定特徵的一個元件或多個元件可以包括不具有該特徵的其他此類元件。
[0049]在不背離本文涉及的發明的精神和範圍的前提下，可以在上述用於電力變流的系統中進行特定改變，以上描述或附圖中顯示的全部主題旨在被理解為僅僅作為顯示本文的創造性概念的示例，不應被解釋為限制本發明。
【權利要求】
1.一種電力變流器，包括: 至少一個臂，所述至少一個臂包括以串聯方式可操作地耦合的多個開關單元，其中至少兩個開關單元的工作電壓彼此不同。
2.根據權利要求1所述的電力變流器，其特徵在於，所述多個開關單元中的至少一些開關單元的每一個包括多個完全可控半導體開關和至少一個能量存儲裝置。
3.根據權利要求2所述的電力變流器，其特徵在於，所述多個完全可控半導體開關包括絕緣柵雙極電晶體、金屬氧化物半導體場效應電晶體、門極可關斷晶閘管、絕緣門極換向晶閘管、注入增強柵電晶體或其中任意組合。
4.根據權利要求2所述的電力變流器，其特徵在於，所述多個完全可控半導體開關包括碳化矽基開關、氮化鎵基開關、砷化鎵基開關或其其中任意組合。
5.根據權利要求1所述的電力變流器，其特徵在於，所述多個開關單元限定第一串。
6.根據權利要求5所述的電力變流器，其特徵在於，所述第一串耦合至第一DC或AC總線，以及第二 DC或AC總線。
7.根據權利要求5所述的電力變流器，還包括第二串，其特徵在於，所述第二串包括多個完全可控半導體開關、第一連接節點和第二連接節點。
8.根據權利要求7所述的電力變流器，其特徵在於，所述第二串耦合至第一DC或AC總線，以及第二 DC或AC總線。
9.根據權利要求7所述的電力變流器，其特徵在於，所述第一串通過所述第一連接節點和第二連接節點與所述第二串耦合。
10.一種用於電力變流的系統，包括: 電源；負載; 電力變流器，包括: 一個或多個臂，其中所述一個或多個臂中的每一個包括: 多個開關單元，其中至少兩個開關單元的工作電壓彼此不同；以及 配置為控制所述多個開關單元的開關的控制器。
【文檔編號】H02M7/483GK104348376SQ201410373438
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月31日 優先權日:2013年7月31日
【發明者】L.J.加塞斯, 張迪, A.A.羅克希爾 申請人:通用電氣能源能量變換技術有限公司