用于HVDC应用的混合AC/DC转换器 |
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| 申请号 | CN201180074919.X | 申请日 | 2011-11-17 | 公开(公告)号 | CN103959634B | 公开(公告)日 | 2017-09-01 |
| 申请人 | 通用电气技术有限公司; | 发明人 | 戴维·雷金纳德·特雷纳; | ||||
| 摘要 | 用于连接AC和DC网络并且在这两者之间传送电 力 的电力 电子 转换器(30)，包括在使用中连接到DC网络(48)的第一和第二DC 端子 (32、34)；至少一个初级转换器分支(36a、36b)，其在第一和第二端子(32，34)之间延伸并且具有由在使用中连接到多相AC网络(50)中的相应相的初级AC端子(42)隔开的第一和第二初级分支部分(40a、40b)，第一和第二初级分支部分(40a、40b)中至少一者包括至少一个初级有源 开关 模 块 (54)，用以选择性地允许 电流 在从对应初级AC端子(42)至DC端子(32、34)的第一方向上和从端子(32、34)至对应初级AC端子(42)的第二方向上流过对应初级转换器分支(36a、36b)；以及至少一个次级转换器分支(38)，其在第一和第二DC端子(32、34)之间延伸并具有由在使用中连接到多相AC网络(50)中的另一相应相的次级AC端子(46)隔开的第一和第二次级分支部分(44a，44b)，第一和第二次级分支部分(44a、44b)各自包括至少一个无源电流检验元件(58)，用以限制朝着从相应的次级AC端子(46)到端子(32、34)的单一方向流过对应次级转换器分支(38)的电流。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电力电子转换器，用于连接交流网络和直流网络并且在所述交流网络和所述直流网络之间传送电力，该电力电子转换器包括： |
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| 说明书全文 | 用于HVDC应用的混合AC/DC转换器技术领域背景技术[0002] 在电力传输网络中，交流(AC)电通常被转换为直流(DC)电，以通过架空线路和/或海底电缆传输。经过这种转换，无需补偿由传输线路和/或电缆所施加的交流容性负载效应，从而降低了这些线路和/或电缆的每千米的费用。因此，当需要长距离传输电力时，从交流到直流的转换变得划算。 [0003] 从交流电到直流电的转换还在需要互连在不同的频率下工作的交流网络的电力传输网络中被使用。在任何这样的电力传输网络中，在交流电和直流电之间的每一个接口处都需要转换器来实现所要求的转换，并且其中一种该形式的转换器为电压源转换器(VSC)。 [0004] 一种公知的电压源转换器在图1中被示出，该电压源转换器包括多级转换器布置。这种多级转换器布置包括串联连接的单元12，每个单元12为一转换器桥10。每个转换器单元12包括一对串联连接的绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)14，该对串联连接的IGBT14与电容器16并联连接。这些单个的转换器单元12不会被同时切换并且转换器电压阶跃相对较小，因此这种布置消除了与直接切换串联连接的IGBT14相关联的问题。 [0005] 然而，各个转换器单元12中的电容器16必须具有大的电容值，以便限制这种多级转换器布置中的电容器端子处的电压差异。每个转换器桥10中还要求具有直流侧反应器18，以限制转换器分支20之间的瞬时电流，从而使这些转换器分支20能够并联连接和工作。 [0006] 这些因素导致了具有大量存储能量的、昂贵的、大型且笨重的设备，这使该设备的预组装、测试和运输变得困难。 发明内容[0007] 根据本发明的第一个方面，提供了一种用于连接交流网络和直流网络并且在所述交流网络和所述直流网络之间传送电力的电力电子转换器，所述电力电子转换器包括： [0008] 第一直流端子和第二直流端子，其用于在使用中连接到直流网络； [0009] 至少一个初级转换器分支，其在所述第一直流端子和所述第二直流端子之间延伸，并且具有第一初级分支部分和第二初级分支部分，所述第一初级分支部分和所述第二初级分支部分由初级交流端子所分隔开，所述初级交流端子用于在使用中连接到多相交流网络中的一相应的相，所述第一初级分支部分和所述第二初级分支部分中的至少一个分支部分包括至少一个初级有源开关模块，用以选择性地允许电流在从对应的初级交流端子至所述直流端子的第一方向上和从所述直流端子至所述相应的初级交流端子的第二方向上流过对应的初级转换器分支；以及 [0010] 至少一个次级转换器分支，其在所述第一直流端子和所述第二直流端子之间延伸，并且具有第一次级分支部分和第二次级分支部分，所述第一次级分支部分和所述第二次级分支部分由次级交流端子所分隔开，所述次级交流端子用于在使用中连接到所述多相交流网络中的另一个相应的相，所述第一次级分支部分和所述第二次级分支部分各自包括至少一个无源电流检验元件，用以限制朝着从对应的次级交流端子到所述直流端子的单一方向流过对应的次级转换器分支的电流。 [0011] 提供能够选择性地允许电流在从对应的初级交流端子至直流端子的第一方向上流过其自身的至少一个初级转换器分支和同样允许电流从对应的次级交流端子流至这些直流端子的至少一个次级转换器分支，允许本发明的电力电子转换器将电力从交流网络横穿所述或每个初级转换器分支和次级转换器分支传送到直流网络中。以这种方式，所述电力电子转换器提供了从交流网络至直流网络的全电力传送功能。 [0012] 同时，包括能够选择性地允许电流在从直流端子至对应的初级交流端子的第二方向上流过其自身的至少一个初级转换器分支，允许所述电力电子转换器将电力从直流网络横穿每个初级转换器分支传送到交流网络中。相应地，即使在下降的水平下，所述电力电子转换器仍然能够提供所述直流网络和所述交流网络之间的电力传送。 [0013] 在某些电力传送应用中，在一个方向上具有较大程度的电力传送功能的电力电子转换器是完全可接受的。例如，这种电力电子转换器，即一种提供了从交流网络至直流网络的全电力传送功能的转换器，非常适合于对输出电力至直流网络存在严重的偏斜而对输入电力存在最低需求的电力传送应用，诸如发生在所要求的电力传送中从源至配电网的电力传送占主导地位的可再生风能和潮汐能发电中。 [0014] 同时，在第一次级分支部分和第二次级分支部分中各自包括一个或多个无源电流检验元件显著地减少了有源开关模块(即，如上所述的在电力电子转换器中可在操作之下在不同的操作配置之间改变且同时保持交流网络和直流网络之间的相应程度的电力传送功能的模块)的数量。 [0015] 这些无源电流检验元件比有源开关模块更轻、更小并且更简单，因此也更便宜和更可靠。所以，产生的电力电子转换器能够提供一种小型、轻便、便宜并且可靠的方式来连接交流网络和直流网络并且在它们之间传送电力。 [0016] 优选地，所述第一初级分支部分和所述第二初级分支部分各自包括至少一个初级有源开关模块。 [0017] 所述电力电子转换器可以被配置成便于使用三个交流相将电力从交流网络传送至直流网络，以及使用两个交流相将电力从直流网络传送至交流网络。例如，所述电力电子转换器可以包括两个初级转换器分支和一个次级转换器分支，其中，所述初级交流端子和所述次级交流端子用于在使用中连接到一个三相交流网络中的一相应的相。 [0018] 在本发明的实施例中，所述电力电子转换器可以进一步包括初级控制器，用以选择性地切换每个初级有源开关模块，所述初级控制器被配置成在交流至直流电力传送模式和直流至交流电力传送模式中的至少一者下切换所述初级有源开关模块。 [0019] 包括这样的初级控制器，有助于确保所述电力电子转换器在要求的电力传送模式下的期望操作。 [0020] 在这样的实施例中，当所述初级控制器工作在第一交流至直流电力传送模式下时，所述初级控制器可以选择性地切换所述或每个初级转换器分支中的所述初级有源开关模块，以控制在对应的初级交流端子处的初级交流波形的配置，所述或每个初级交流波形被配置成控制在所述或每个次级转换器分支的次级交流端子处的次级交流波形的配置。 [0021] 包括这样的初级控制器和产生的控制所述或每个次级交流波形的能力，有助于确保产生的提供给直流网络的经整流的直流电压具有理想的特性。 [0022] 在其他这样的实施例中，当所述初级控制器工作在直流至交流电力传送模式下时，所述初级控制器可以选择性地切换所述或每个初级转换器分支中的所述初级有源开关模块，以在对应的初级交流端子处合成初级交流波形，所述或每个初级波形具有抑制在所述或每个次级转换器分支的第二交流端子处合成次级交流波形的配置。 [0023] 提供这样的初级控制器和产生的在所述或每个初级交流端子处合成初级交流波形且同时抑制在所述或每个次级交流端子处合成次级交流波形的能力，允许所述电力电子转换器将降低水平的电力通过所述或每个初级转换器分支传送给交流网络。 [0024] 优选地，每个初级有源开关模块包括至少一个初级有源开关元件。 [0025] 有源开关元件具有快速的切换能力，因此便于具有期望的配置(即，形状)的初级交流波形的控制和/或合成。 [0026] 优选地，每个初级有源开关模块包括一个或多个初级有源开关元件，所述一个或多个初级有源开关元件与储能器件并联连接，以选择性地提供电压源。 [0027] 在每个初级分支部分中包括一个可选择性地工作的电压源，提供了对在对应的初级交流端子处的初级交流波形的配置的进一步程度的控制。 [0028] 在这样的实施例中，至少一个初级有源开关模块可以包括一对初级有源开关元件，该对初级有源开关元件与储能器件以半桥布置的方式并联连接，以限定二象限单极性模块，所述二象限单极性模块能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。 [0029] 在其他这样的实施例中，至少一个初级有源开关模块可以包括两对初级有源开关元件，该两对初级有源开关元件均与储能器件以全桥布置的方式并联连接，以限定四象限双极性模块，所述四象限双极性模块能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。 [0031] 在使用一个或多个初级有源开关元件的实施例中，每个初级分支部分可以进一步包括至少一个初级有源开关元件，所述至少一个初级有源开关元件与所述或每个初级有源开关模块串联连接。 [0032] 进一步包括至少一个与所述或每个初级有源开关模块串联连接的初级有源开关元件，允许相应的初级分支部分切入和切出电路。这是有利的，因为这减小了要求所述或每个初级有源开关模块所产生的总的电压范围，并且因此减小了每个初级分支部分中所需的部件的数量。 [0033] 在本发明的实施例中，每个次级分支部分可以进一步包括至少一个次级有源开关模块，所述或每个次级有源开关模块包括第一组串联连接的电流流动控制元件和第二组串联连接的电流流动控制元件，所述第一组串联连接的电流流动控制元件和所述第二组串联连接的电流流动控制元件与至少一个储能器件并联连接，每组电流流动控制元件包括用以选择性地引导电流流过所述储能器件的次级有源开关元件和用以限制朝着单一方向流过所述次级有源开关模块的电流的次级无源电流检验元件，所述电流流动控制元件与所述或每个储能器件联合以选择性地提供电压源。 [0034] 在所述或每个次级转换器分支中提供电压源的能力，允许所述电力电子转换器增加有限的阶跃到由相应的次级转换器分支所构造出的电压中或者从所述相应的次级转换器分支所构造出的电压中减去有限的阶跃。 [0035] 优选地，所述第一组串联连接的电流流动控制元件和所述第二组串联连接的电流流动控制元件与相应的储能器件以全桥布置的方式并联连接，以限定二象限双极性合理化模块，所述二象限双极性合理化模块能够在单一的方向上传导电流的同时提供零电压、正电压或负电压。 [0037] 将反向并联二极管与每个初级有源开关元件和/或每个有源开关元件包含在一起，允许所述电力电子转换器运行在第二简化的交流电至直流电传送模式下。 [0038] 在使用初级控制器的实施例中，当所述初级控制器工作在第二交流至直流电力传送模式下时，所述初级控制器可以将每个所述有源开关元件切换至断开位置，从而使得相应的初级转换器分支和次级转换器分支一起限定简单的二极管整流器。 [0039] 所述电力电子转换器工作在这种第二简化的交流至直流电力传送模式下的能力增加了灵活性，借助于这种灵活性，所述电力电子转换器可以被部署在电力传送应用中。 [0040] 所述电力电子转换器可以联合另一个直流-交流转换器以形成斩波式转换器，在该斩波式转换器中，电流横穿所述或每个初级转换器分支被传送，以选择性地对连接到所述或每个初级端子并且互连这两个转换器的相应的电感器进行充电或放电。 [0041] 通过修改所述或每个次级转换器分支以允许选择性地对连接到所述或每个次级AC端子并且互连这两个转换器的相应的电感器进行充电或放电，可提高该斩波式转换器的性能。例如，至少一个次级分支部分可以进一步包括至少一个辅开关元件，用以选择性地允许电流在从直流端子至对应的次级交流端子的第二方向上流过对应的次级分支部分。 [0042] 根据本发明的第二个方面，提供了一种用于互连第一直流网络和第二直流网络的电力电子转换器组件，该电力电子转换器组件包括： [0043] 第一电力电子转换器，其具有第一直流端子和第二直流端子，所述第一直流端子和所述第二直流端子用于在使用中连接到第一直流网络和在所述第一直流端子与所述第二直流端子之间延伸的多个第一转换器分支，每个第一转换器分支包括第一第一转换器分支部分和第二第一转换器分支部分，所述第一第一转换器分支部分和所述第二第一转换器分支部分由第一转换器交流端子分隔开；以及 [0044] 根据前述权利要求中任一项所述的第二电力电子转换器，所述第二电力电子转换器用于在使用中连接到第二直流网络，并且所述第二转换器的所述初级交流端子和所述次级交流端子各自电连接到对应的第一转换器交流端子。 [0045] 优选地，所述第二转换器的所述初级交流端子和所述次级交流端子通过变压器与对应的第一转换器交流端子电连接。 [0046] 优选地，所述第一电力电子转换器进一步包括第一控制器，用以控制所述第一转换器分支选择性地引导电流流过或绕过所述第一直流网络。 [0047] 以这种方式选择性地引导电流，导致了当电流绕过所述第一直流网络时，从所述第二直流网络传送来的能量存储在将所述第一转换器和所述第二转换器相互连接的变压器或电感器中，以及当电流流过所述第一直流网络时，从所述变压器或电感器中释放出的能量传送到所述第一直流网络中。附图说明 [0048] 现在参照附图，以非限制性的实例的方式来对本发明的优选实施例进行描述，其中： [0049] 图1示出了一种现有技术的电压源转换器； [0050] 图2示出了根据本发明的第一实施例的电力电子转换器； [0051] 图3a和图3b分别示例了图2中的电力电子转换器在交流至直流电力传送模式和直流至交流电力传送模式下的操作； [0052] 图4a和图4b分别示出了根据本发明的第二实施例和第三实施例的电力电子转换器； [0053] 图5示出了根据本发明的第四实施例的电力电子转换器； [0054] 图6a和图6b示例了根据本发明的第五实施例的电力电子转换器组件的操作；以及[0055] 图7示出了根据本发明的第六实施例的电力电子转换器组件。 具体实施方式[0056] 图2中示出了根据本发明的第一实施例的电力电子转换器30。 [0057] 该电力电子转换器30包括第一直流端子32和第二直流端子34、两个初级转换器分支36a、36b以及一个次级转换器分支38。初级转换器分支36a、36b各自在第一直流端子32和第二直流端子34之间延伸并且具有第一初级分支部分40a和第二初级分支部分40b，所述第一初级分支部分40a和所述第二初级分支部分40b由初级交流端子42所分隔开，而所述次级转换器分支38在第一直流端子32和第二直流端子34之间延伸并且具有第一次级分支部分44a和第二次级分支部分44b，所述第一次级分支部分44a和所述第二次级分支部分44b由次级交流端子46所分隔开。 [0058] 在使用中，第一直流端子32和第二直流端子34分别连接到直流网络48的正极端子和负极端子，而初级交流端子42和次级交流端子46各自连接到三相交流网络50的一个相应的相。在所示出的布置中，该三相交流网络50的每个相与变压器的相应的绕组52a、52b、52c相关联，这三个绕组52a、52b、52c被连接成限定一星形结构。 [0059] 可以想到的是，在其他实施例(未示出)中，该变压器的三个绕组可以被连接成限定一倒三角形(delta)结构。 [0060] 可以进一步想到的是，在其他实施例(未示出)中，所述电力电子转换器可以具有任意数量的初级转换器分支和次级转换器分支，以便与一个具有相应数量的相的交流网络相兼容并且满足相关联的电力应用的操作要求。例如，所述电力电子转换器可以具有一个初级转换器分支和两个次级转换器分支，以在使用中互连直流网络和三相交流网络。 [0061] 在每个初级转换器分支36a、36b中，第一初级分支部分40a和第二初级分支部分40b各自包括一初级有源开关模块54。每个初级有源开关模块54包括一初级有源开关元件 56，该初级有源开关元件56具有绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)与反向并联二极管58并联连接的形式。 [0062] 在本发明的其他实施例(未示出)中，可以想到的是，一个或多个初级有源开关元件可以为不同的半导体器件，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管(FET)、绝缘栅极换向晶闸管或集成栅极换向晶闸管。在每个实例中，该半导体器件优选地与反向并联二极管并联连接。 [0063] 在次级转换器分支38中，第一次级分支部分44a和第二次级分支部分44b各自包括一无源电流检验元件60，该无源电流检验元件60具有二极管的形式。 [0064] 该电力电子转换器30进一步包括初级控制器61，该初级控制器61切换每个初级分支部分40a、40b中的初级有源开关模块54，以控制电力电子转换器30在交流至直流电力传送模式和直流至交流电力传送模式下切换，从而在交流网络50和直流网络48之间传送电力。 [0065] 下面参照图3a和图3b来描述电力电子转换器30在上述每种电力传送模式下在交流网络50和直流网络48之间转换电力的操作。 [0066] 当工作在第一交流至直流电力传送模式下时，初级控制器61选择性地切换初级转换器分支36a、36b中的IGBT，以控制每个相应的初级交流端子42处的初级交流波形的配置。每个初级交流波形具有正弦波形，并且与另一个初级交流端子42处的初级交流波形具有 120电角度的相位差。 [0067] 所连接的三相交流网络50中的相电流的和为零，因此该初级交流波形的配置控制了次级交流端子46处的次级交流波形的配置。具体地，该次级交流波形也是正弦波形，并且与每个相应的初级交流端子42处的每个初级交流波形同样具有120电角度的相位差。 [0068] 在本发明的其他实施例中，各个交流波形的相位和相位差都可以根据相连接的交流网络50和直流网络48的操作要求而变化。 [0069] 当工作在第二交流至直流电力传送模式下时，初级控制器61选择性地切换初级转换器分支36a、36b中的IGBT至断开位置，使得初级转换器分支36a、36b和次级转换器分支38一起限定二极管整流器。 [0070] 在上述每种交流至直流电力传送模式下，使用初级控制器61来选择性地切换初级转换器分支36a、36b中的IGBT，导致了电流62a在从每个相应的初级交流端子42至直流端子32、34的第一方向上流过每个初级转换器分支36a、36b以及在从次级交流端子46至直流端子32、34的相同的第一方向上流过次级转换器分支38。正如图3a中所示，这允许了电力电子转换器30将电力64a从交流网络50横穿初级转换器分支36a、36b和次级转换器分支38中的每一个转换器分支传送至直流网络48。在这种模式下，电力电子转换器30提供了全电力传送功能。 [0071] 当工作在直流至交流电力传送模式下时，初级控制器61选择性地切换每个初级转换器分支36a、36b各自中的IGBT，以在每个相应的初级交流端子42处合成初级交流波形。每个初级交流波形是正弦波形，该正弦波形与另一个初级交流端子42处的初级交流波形具有180电角度的相位差。由于初级交流端子42和次级交流端子46处的相电流的和一定为零，因此初级交流端子42处的初级交流波形的这种配置抑制了次级交流端子46处的次级交流波形的合成。 [0072] 在上述直流至交流电力传送模式下，使用初级控制器61来选择性地切换初级转换器分支36a、36b中的IGBT，导致了电流62b在从直流端子32、34至每个相应的初级交流端子42的第二方向上流过每个初级转换器分支36a、36b。没有电流在次级转换器分支38中流动。 因此，正如图3b中所示，电力电子转换器30能够将电流64b从直流网络48横穿每个初级转换器分支36a、36b传送给交流网络50。在这种模式下，由于缺乏通过次级转换器分支38的电流传送，因此电力电子转换器30提供了降低的电力传送功能。 [0073] 相应地，初级转换器分支36a、36b和次级转换器分支38的上述配置因此导致了一种具有从交流网络50至直流网络48的全电力传送功能和从直流网络48至交流网络50的降低的电力传送功能的电力电子转换器30，即一种具有较低的从直流网络48至交流网络50的反向电力流动的非对称电力传送特性的电力电子转换器30。 [0074] 因此，电力电子转换器30非常适合于对向直流网络输出电力存在严重的偏斜而对输入电力存在最低需求的电力传送应用，诸如发生在可再生风能和潮汐能发电中，其中从源至配电网的电力传送占所要求的电力传送的主导地位。适合于应用电力电子转换器30的其他实例包括用于电网中以调节单相负载(诸如牵引供电)或者以校正一个三相电网中的内在失衡。 [0075] 同时，正如上所述，在第一次级分支部分44a和第二次级分支部分44b各自中包括一个或多个无源电流检验元件60，在保持交流网络50和直流网络48之间的相应程度的电力传送功能的同时显著地减少了电力电子转换器30中的有源开关模块的数量。所以，该电力电子转换器能够以划算且节能的方式提供理想程度的电力传送功能，因为它省略了未被充分利用的部分。 [0076] 无源电流检验元件60比有源开关模块更轻、更小并且更简单，因此也更便宜并且更可靠。因此，所产生的电力电子转换器30能够提供一种小型、轻便、便宜并且可靠的方式来连接交流网络50和直流网络48并且在它们之间传送电力。 [0077] 此外，次级转换器分支38中的部件在数量上的减少不仅提高了电力电子转换器30的可靠性，而且减少了在交流网络50和直流网络48之间传送电力的过程中电力电子转换器30中的切换损耗。 [0078] 图4a中示出了根据本发明的第二实施例的电力电子转换器70。电力电子转换器70在结构和操作上相似于图2所示的第一电力电子转换器30，并且相同的特征使用了相同的附图标记。 [0079] 第二电力电子转换器70与第一电力电子转换器30的不同之处在于：每个初级分支部分40a、40b包括多个串联连接的初级有源开关模块54，并且每个次级分支部分44a、44b包括多个串联连接的无源电流检验元件60。 [0080] 每个初级分支部分40a、40b中的初级有源开关模块54的数量和每个次级分支部分44a、44b中的无源电流检验元件60的数量可以根据第二电力电子转换器70的所要求的额定电压而变化。 [0081] 在第二电力电子转换器70中，每个初级有源开关模块54都可以包括：初级有源开关元件56；和/或四象限双极性模块72；和/或二象限单极性模块74。 [0082] 在第二电力电子转换器70的第一种变体中，每个初级有源开关模块54都是初级有源开关元件56，该初级有源开关元件56具有IGBT与反向并联二极管58并联连接的形式。在使用中，初级控制器61选择性地切换每个初级转换器分支36a、36b中的多个IGBT，以控制每个相应的初级交流端子42处的初级交流波形的配置。初级控制器61再次在第一交流至直流电力传送模式或直流至交流电力传送模式下操作每个初级转换器分支36a、36b中的多个IGBT，以在初级交流端子42和次级交流端子46处产生与上文中关于图2中的第一电力电子转换器30所描述的交流波形相似的交流波形。 [0083] 在第二交流至直流电力传送模式下，初级控制器61再次将初级转换器分支36a、36b中的各个IGBT切换至断开位置，使得相应的初级转换器分支36a、36b和次级转换器分支 38一起限定二极管整流器。 [0084] 因此，第二电力电子转换器70的第一种变体能够在交流网络50和直流网络48之间提供与第一电力电子转换器30相似的、具有较低的从直流网络48至交流网络50的反向电力流动的非对称电力传送。 [0085] 在第二电力电子转换器70的第二种变体中，每个初级有源开关模块54是四象限双极性模块72，因此每个初级分支部分40a、40b限定了多个串联连接的四象限双极性模块72，所述多个串联连接的四象限双极性模块72一起形成了第一初级链节(chain-link)转换器。 [0086] 每个四象限双极性模块72包括两对初级有源开关元件56，这两对初级有源开关元件56与储能器件(具有电容器76的形式)并联连接。因此，每个四象限双极性模块72能够提供负电压、零电压或正电压，并且能够在两个方向上传导电流。每个四象限双极性模块72中的每个初级有源开关元件56都是半导体器件，该半导体器件具有IGBT与反向并联二极管58并联连接的形式。 [0088] 通过改变每个相应的四象限双极性模块72中的初级有源开关元件56的状态，每个四象限双极性模块72中的电容器76被选择性地绕过或者插入到每个相应的链节转换器中，从而限定电压源。 [0089] 具体地，当每个四象限双极性模块72中的两对初级有源开关元件56被配置成在该四象限双极性模块72中形成短路时，每个四象限双极性模块72中的电容器76被绕过。这导致了电力电子转换器70中的电流穿过该短路并且将电容器76绕过，因此该四象限双极性模块72提供了零电压。 [0090] 当每个四象限双极性模块72中的一对初级有源开关元件56被配置成允许转换器电流流入和流出电容器76时，每个四象限双极性模块72中的电容器76被插入到每个相应的初级链节转换器中。然后，电容器76进行充电或释放其存储的能量，从而提供了一电压。四象限双极性模块72的双向性质是指电容器76可以在正向或反向上被插入到该四象限双极性模块72中，以提供正电压或负电压。 [0091] 因此，通过多个有源开关模块72中的电容器的插入到链节转换器(其中每个电容器提供其自身的电压)，能够在每个初级链节转换器(即，每个初级分支部分40a、40b)的两端累积组合电压，该组合电压高于从每个单个的有源开关模块72可得到的电压。 [0092] 每个四象限双极性模块72中的初级有源开关元件56以这种方式切入到每个初级链节转换器中，导致了每个相应的初级链节转换器提供阶梯式可变电压源。优选地，四象限双极性模块72中的开关元件在接近于交流网络50的基频下被切换。 [0093] 在该电力电子转换器的第二实施例的第三种变体中，每个初级有源开关模块54是一个二象限单极性模块74，因此每个初级分支部分限定了多个串联连接的二象限单极性模块74，这些二象限单极性模块74一起形成了第二次级链节转换器。 [0094] 每个二象限单极性模块74包括与电容器76并联连接的一对初级有源开关元件56，因此能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。每个二象限单极性模块74中的每个初级有源开关元件56都是具有IGBT56与反向并联二极管58并联连接的形式的半导体器件。 [0095] 在第二电力电子转换器70的第二种变体和第二种变体中的每种变体中，针对每个初级链节转换器中的每种类型的初级有源开关模块72、74，初级控制器61改变了切换操作的时序，以在每个初级交流端子42处产生一个电压波形。 [0096] 具体地，在所示出的该实施例中，每个初级链节转换器中的初级有源开关模块72、74由初级控制器61来切换，以使用步进逼近法在每个相应的初级交流端子42处产生正弦初级交流波形。 [0097] 此外，正如上所述，初级链节转换器提供电压阶跃的能力允许这些初级链节转换器增加或减少在每个相应的初级交流端子42处所产生的电压。 [0098] 因此，在使用中，初级控制器61能够选择性地切换每个初级链节转换器中的IGBT，以改变每个初级链节转换器两端的电压，从而控制每个相应的初级交流端子42处的初级交流波形的配置。 [0099] 具体地，在第一交流至直流电力传送模式下，初级控制器61切换IGBT以在初级交流端子42处产生彼此相差120电角度的初级交流波形(并且因此在次级交流端子46处产生了一个次级交流波形，该次级交流波形与两个初级交流波形均相差120电角度)，或者在直流电至交流的传送模式下，初级控制器61切换IGBT以在初级交流端子42处产生彼此相差180电角度的初级交流波形(并且因此抑制在次级交流端子处生成次级交流波形)。 [0100] 当第二电力电子转换器的第三种变体工作在第二交流至直流电力传送模式下时，初级控制器61将初级有源开关模块74中的IGBT切换至断开位置，使得初级转换器分支36a、36b中的反向并联二极管58和次级转换器分支38中的无源电流检验元件60一起限定二极管整流器。 [0101] 因此，第二电力电子转换器70的第二种变体和第二种变体也提供了交流网络50和直流网络48之间的、具有较低的从直流网络48至交流网络50的反向电力流动的非对称电力传送。 [0102] 在第二电力电子转换器70的第四种变体(未示出)中，每个初级分支部分40a、40b进一步包括多个初级有源开关元件56，所述多个初级有源开关元件56与上述的第一初级链节转换器或第二初级链节转换器串联连接。 [0103] 与每个相应的初级链节转换器串联连接的初级有源开关元件56的数量和每个初级链节转换器中的初级有源开关模块54的数量根据电力电子转换器70的所要求的额定电压而变化。 [0104] 串联连接的初级有源开关元件56可以与初级交流端子42或者相应的第一直流端子32或第二直流端子34毗邻，或者可以被分布在初级链节转换器内，使得至少一个初级有源开关元件58串联连接在该初级链节转换器中的初级有源开关模块56之间。 [0105] 此外，在使用中，第四种变体的初级控制器61能够控制串联连接的初级有源开关元件56将每个相应的初级链节转换器切入和切出初级交流端子42与相应的第一直流端子32或第二直流端子34之间的电路。这减小了每个初级链节转换器将需要产生的电压范围。 这又使得每个初级链节转换器中的部件的数量最小化。在其它方面，第二电力电子转换器 70的第四种变体以与相应的第二种变体或第三种变体相同的方式工作。 [0106] 图4b中示出了根据本发明的第三实施例的电力电子转换器80。图4b中的电力电子转换器80的第三实施例在结构和操作上相似于图4a中的电力电子转换器70的第二实施例，并且相同的特征使用了相同的附图标记。 [0107] 第三电力电子转换器80与第二电力电子转换器70的不同之处在于：每个次级分支部分44a、44b进一步包括多个次级有源开关模块82，所述多个次级有源开关模块82与多个初级无源电流检验元件60串联连接。所述多个串联连接的次级有源开关模块82限定次级链节转换器。 [0108] 每个次级分支部分44a、44b中的次级有源开关模块82的数量可以根据第三电力电子转换器80的所要求的额定电压而变化。 [0109] 每个次级有源开关模块82包括第一组串联连接的电流流动控制元件84a和第二组串联连接的电流流动控制元件84b，这两组电流流动控制元件与电容器86以全桥布置的方式并联连接，以限定二象限合理化双极性模块88，该二象限合理化双极性模块88能够在单一方向上传导电流的同时提供零电压、正电压或负电压。 [0110] 每组串联连接的电流流动控制元件84a、84b均包括次级有源开关元件90和次级无源电流检验元件94，次级有源开关元件90在所示出的实施例中是与反向并联二极管92并联连接的IGBT，以选择性地引导电流流过电容器86，次级无源电流检验元件94具有二极管的形式，以限制朝着单一方向流过次级有源开关模块82的电流。 [0111] 在本发明的其他实施例(未示出)中，可以想到的是，每个次级有源开关元件可以为不同的半导体器件，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管(FET)、绝缘栅极换向晶闸管或集成栅极换向晶闸管。在每个实例中，该半导体器件优选地与反向并联二极管并联连接。 [0112] 在次级转换器分支38中提供电压源的能力允许第三电力电子转换器80增加有限的阶跃到由该次级转换器分支38所构造出的电压中或者从该次级转换器分支38所构造出的电压中减去有限的阶跃，并且为电力电子转换器80提供了当工作在全电力传送模式下时(即，当从交流网络50向直流网络48传送电力时)的额外用途。 [0113] 此外，每个次级有源开关模块82的单向性保持了次级转换器分支38与每个初级转换器分支36a、36b之间的操作兼容性。 [0114] 图5中示出了根据本发明的第四实施例的电力电子转换器组件100。 [0115] 电力电子转换器组件100包括第一电力电子转换器102a和第二电力电子转换器102b。 [0116] 第一电力电子转换器102a具有第一直流端子104a和第二直流端子104b以及三个第一转换器分支106a、106b、106c。每个第一转换器分支106a、106b、106c在第一直流端子104a和第二直流端子104b之间延伸，并且包括第一第一转换器分支部分108a和第二第一转换器分支部分108b，所述第一第一转换器分支部分108a和所述第二第一转换器分支部分 108b由第一转换器交流端子110分隔开。 [0117] 每个第一转换器分支部分108a、108b包括多个串联连接的第一转换器模块112，所述多个串联连接的第一转换器模块112包括一个或多个允许第一电力电子转换器102将直流电压和交流电压相互连接的部件。例如，每个第一转换器模块112可以具有以上针对本发明的其他实施例所述的初级有源开关元件、无源电流检验元件或者初级有源开关模块或次级有源开关模块的形式。 [0118] 在所示出的该转换器组件实施例中，第二电力电子转换器102b与图4a中示出的第二电力电子转换器70相同。在其他的转换器组件实施例中，第二电力电子转换器102b可以由根据本发明的电力电子转换器的任何其他的实施例所取代。 [0119] 在使用中，第一电力电子转换器102a的第一直流端子104a及第二直流端子104b和第二电力电子转换器102b的第一直流端子32及第二直流端子34分别连接到第一直流网络114a和第二直流网络114b。 [0120] 第二电力电子转换器102b的初级直流端子42和次级直流端子46各自通过变压器116电连接到第一电力电子转换器102a的相应的第一转换器交流端子110。该变压器116根据第一直流网络114a和第二直流网络114b的操作要求来执行升压或降压操作。 [0121] 因此，电力电子转换器组件100中的第一电力电子转换器102a和第二电力电子转换器102b的配置提供能够将电力从第二直流网络114a传送至第一直流网络114a的直流-直流转换器。 [0122] 将第二电力电子转换器102a合并到这种直流-直流转换器中是有利的，因为即使在降低的电力传送水平下，这种直流-直流转换器通过在提供从第一直流网络114a至第二直流网络114b的全电力传送功能和从第二直流网络114b至第一直流网络114a的一定程度的电力传送的同时使自身中所包含的转换器部件合理化，也减少了成本和资源。 [0123] 图6a和图6b中示出了根据本发明的第五实施例的电力电子转换器组件120。图6a和图6b中的第二电力电子转换器组件120在结构和操作上相似于图5中的第一电力电子转换器组件102a，并且相同的特征使用了相同的附图标记。 [0124] 第二电力电子转换器组件102b与第一电力电子转换器组件102a的不同之处在于： [0125] ●在第二转换器102b中的一个初级转换器分支36a中，第一初级分支部分40a包括初级有源开关模块54，而第二初级分支部分40b包括无源检验元件60； [0126] ●在第二转换器102b中的另一个初级转换器分支36b中，第一初级分支部分40a包括无源检验元件60，而第二初级分支部分40b包括初级有源开关模块54； [0127] ●第一转换器102a中的每个第一转换器分支106a、106b、106c包括初级有源开关模块112； [0128] ●第二转换器102b的每个初级交流端子42通过初级电感器122电连接到第一转换器102a的相应的第一转换器交流端子110；以及 [0129] ●第二转换器102b的次级交流端子46通过次级转换器124电连接到第一转换器102b的相应的第一转换器交流端子110。 [0130] 每个初级有源开关模块54、112包括初级有源开关元件56，该初级有源开关元件56具有绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)与反向并联二极管58并联连接的形式。 [0131] 第一转换器102a进一步包括第一控制器119，以选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c中的初级有源开关模块112来控制在电感器充电模式和电感器放电模式下电流在第一转换器102a中的流动。 [0132] 下面参照图6a和图6b对第二电力电子转换器组件120在电感器充电模式和电感器放电模式下的操作进行描述。 [0133] 在电感器充电模式和电感器放电模式下，初级控制器61选择性地切换初级转换器分支36a、36b的初级有源开关模块54中的IGBT56，以引导电流126在从直流端子32、34至每个相应的初级交流端子42的第二方向上流过相应的初级分支部分40a、40b。没有电流流入次级转换器分支38。同时，第一控制器119选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c的初级有源开关模块112中的IGBT56，以引导电流126流过连接到初级电感器122的第一转换器交流端子110。初级控制器61和第一控制器119以这种方式工作，导致了电流126通过初级电感器122在第一转换器102a和第二转换器102b之间流动。 [0134] 如图6a所示，当工作在电感器充电模式下时，第一控制器119进一步选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c中的IGBT56，以引导电流126流过该第一转换器分支106a、106b、106c并且绕过第一直流网络114a。这导致了从第二直流网络114b传送来的能量存储在初级电感器122中。 [0135] 如图6b所示，当工作在电感器放电模式下时，第一控制器119进一步选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c中的IGBT56，以引导电流126流过该第一转换器分支106a、106b、106c和第一直流网络114a。这导致了从已充电的初级电感器122中释放出的能量传送至第一直流网络114a。 [0136] 图7中示出了根据本发明的第六实施例的第三电力电子转换器组件。该第三电力电子转换器组件130在结构和操作上相似于第二电力电子转换器组件120。 [0137] 第三电力电子转换器组件130与第二电力电子转换器组件120的不同之处在于：第二转换器102b中的第一次级分支部分44a进一步包括辅开关元件132。该辅开关元件132被配置成当该辅开关元件132接通时，允许电流绕过第一次级分支部分44a中的无源检验元件60。因此，电流可以被引导在从直流端子32、34至相应的次级交流端子46的第二方向上流过第一次级分支部分44a。 [0138] 第三电力电子转换器组件130在电感器充电模式和电感器放电模式下的操作相似于第二电力电子转换器组件120在相同模式下的操作，不同之处在于：当第三电力电子转换器组件130工作在电感器充电模式或电感器放电模式下时，第一控制器119选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c的初级有源开关模块112中的IGBT56，以引导电流流过连接到初级电感器122和次级电感器124的第一转换器交流端子110。初级控制器61和第一控制器119以这种方式工作，导致了电流通过初级电感器122和次级电感器124在第一转换器102a和第二转换器102b之间流动。 [0139] 当工作在电感器充电模式下时，第一控制器119进一步选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c中的IGBT56，以引导电流流过该第一转换器分支106a、106b、106c并且绕过第一直流网络114a。这导致了从第二直流网络114b传送来的能量存储在初级电感器122和次级电感器124中。 [0140] 当工作在电感器放电模式下时，第一控制器119进一步选择性地切换第一转换器分支106a、106b、106c中的IGBT56，以引导电流流过该第一转换器分支106a、106b、106c和第一直流网络114a。这导致了从已充电的初级电感器122和次级电感器124中释放出的能量传送至第一直流网络114a。 [0141] 相应地，第二电力电子转换器组件120和第三电力电子转换器组件130的上述配置因此得到了能够充当斩波式转换器将电力从第二直流网络114b传送至第一直流网络114a的电力电子转换器组件。 |
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