專利名稱：用于電壓轉換的裝置的制作方法
用于電壓轉換的裝置技術領域和
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于將直流電壓轉換為交流電壓以及相反地將交流電壓轉換為 直流電壓的裝置，一方面，所述裝置包括電壓源轉換器，其具有與該轉換器的直流電壓側的相對極連接并且包括開關單元 的串聯(lián)連接的至少一個相臂，每個所述開關單元一方面具有串聯(lián)連接的至少兩個半導體組 件，并且所述至少兩個半導體組件的每個均具有關斷型半導體器件和與該關斷型半導體器 件并聯(lián)連接的續(xù)流二極管，并且每個所述開關單元另一方面具有至少一個儲能電容器和在 開關單元的所述串聯(lián)連接中將該單元連接到相鄰單元的兩個端子，開關單元的所述串聯(lián)連 接的中點形成被配置成連接到該轉換器的交流電壓側的相輸出，每個所述開關單元均被配 置成通過控制每個開關單元的所述半導體器件來獲得兩個開關狀態(tài)，即第一開關狀態(tài)和第 二開關狀態(tài)，在所述兩個開關狀態(tài)中，所述至少一個儲能電容器兩端的電壓和零電壓被分 別提供到該開關單元的所述兩個端子之間，以在所述相輸出上獲得確定的交流電壓，其中 對于開關單元的所述串聯(lián)連接中的每個半部，以相位電抗器的形式的電感裝置被布置為將 所述半部連接到所述中點，以及另一方面，對于每個所述相臂，所述裝置包括變壓器，其被配置成將所述相輸出連接到與所述相臂相關聯(lián)的交流電壓相線。這種轉換器包括有任意數(shù)量的所述相臂，但是它們通常具有三個這種相臂，以使 得在其交流電壓側上具有三相交流電壓。具有這種類型的電壓源轉換器的裝置可用在各種情況下，其中直流電壓將被 轉換為交流電壓，并且相反地交流電壓將被轉換為直流電壓，其中這樣使用的示例是在 HVDC (高壓直流)-設施的站中，其中通常將直流電壓轉換為三相交流電壓或者相反地將三 相交流電壓轉換為直流電壓，或者在所謂的背靠背站中，其中首先將交流電壓轉換為直流 電壓，然后再轉換為交流電壓。然而，本發(fā)明不限于這些應用，而是也可以想到其他應用，諸 如在用于機器、車輛等的不同類型的驅動系統(tǒng)中。通過例如DE 10103031A1和WO 2007/023064A1已知在所述裝置中使用的類型的 電壓源轉換器，并且如公開了通常稱為多單元轉換器或M2LC。參考這些公布，以實現(xiàn)這種類 型的轉換器。轉換器的所述開關單元可以具有與所述公布中示出的那些外觀不同的外觀， 并且例如，只要可以控制開關單元在介紹中所提及的兩個狀態(tài)之間進行切換，每個開關單 元均可以具有多于一個的所述儲能電容器。本發(fā)明主要、但不專門地針對具有被配置成傳輸大功率的電壓源轉換器的這種裝 置，因此，在下文中為了闡明將主要討論傳輸大功率的情況，但是不以任何方式將本發(fā)明 限制于此。當這種電壓源轉換器用于傳輸大功率時，這也意味著處理高電壓，并且轉換器 的直流電壓側的電壓是由開關單元的所述儲能電容器兩端的電壓來確定的。這意味著， 由于在每個所述開關單元中要串聯(lián)連接大量的半導體器件(即，所述半導體組件)，因此， 要串聯(lián)連接相當大數(shù)量的這種開關單元，并且當所述相臂中的開關單元的數(shù)量相當大時， 這種類型的電壓源轉換器特別引起關注。串聯(lián)連接的大量的這種開關單元意味著，將可 以控制這些開關單元在所述第一開關狀態(tài)和第二開關狀態(tài)之間變化，并且由此，已經(jīng)在所述相輸出處獲得非常接近于正弦電壓的交流電壓。該交流電壓已經(jīng)可通過基本上比在DE 10103031A1的圖1中所示類型的已知電壓源轉換器中典型使用的切換頻率低的切換頻率 來獲得，其中，該電壓源轉換器具有帶有至少一個關斷型半導體器件和與其反并聯(lián)連接的 至少一個續(xù)流二極管的開關單元。這使得可以獲得充分低的損耗，并且也顯著地減少了濾 波和諧波電流以及無線電干擾的問題，因此，可以使設備的成本更小。布置將相臂的開關單元的串聯(lián)連接的每個半部連接到所述中點的所述相位電抗 器來避免這兩個半部的短路，并且所述相位電抗器還有助于在轉換器的交流電壓側上得到 更好的電壓形狀。布置將每相的相輸出連接到交流電壓相線的所述變壓器，以在轉換器的直流電壓 側和交流電壓側上獲得適當電平的電壓，并且變壓器通常被配置成相對于交流電壓側上的 電壓電平提高直流電壓側上的電壓電平，但是也可以想到相反的情況。在介紹中所定義類型的裝置對空間有相當?shù)囊?，并且正在嘗試減少該空間要 求，尤其是在空間非常昂貴的地方(諸如海濱)要使用這種裝置的情況下。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供在介紹中所定義類型的裝置，該裝置解決了已知的這種裝 置的大空間要求的問題。根據(jù)本發(fā)明，通過提供這種裝置來實現(xiàn)該目的，在該裝置中，通過形成變壓器中每 個均被布置為與所述變壓器中連接至所述交流電壓相線的次級繞組相互作用的初級繞組， 來將所述相臂的所述相位電抗器安裝于所述變壓器中，并且兩個所述初級繞組相對于彼此 被定位成使得流過所述相輸出的電流的直流分量在基本上相反的方向上通過這兩個初級 繞組。通過將所述相位電抗器用作每相具有兩個初級繞組的變壓器的繞組，該相位電抗 器由于成為變壓器的一部分而實際上將會消失，從而電壓源轉換器可直接連接到變壓器， 而無需任何中間的相位電抗器。由于這種類型(M2LC)的電壓源轉換器的相位電抗器需要 非常大的空間，這就導致相當大地節(jié)省了空間。因此，當在空間非常昂貴的地方(諸如，海 濱)使用這種裝置時，這構成了很大的優(yōu)勢。通過將兩個初級繞組布置成使得流過所述相位輸出的電流的直流分量在基本上 相反的方向上通過這兩個初級繞組，可將這些相位電抗器安裝在變壓器中，這是因為該布 置意味著接著不會由于電流的所述直流分量而導致變壓器的鐵心飽和。應當指出，“初級繞組”和“次級繞組”不用于表示電壓變換如何發(fā)生，但是這些 繞組的匝數(shù)的關系可以是任意適當?shù)?，并且初級繞組的匝數(shù)可低于或者高于次級繞組的匝 數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，兩個所述初級繞組被布置為基本上彼此并聯(lián)。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，在與所述初級繞組的縱向延伸基本垂直的兩個共有平 面之間，兩個所述初級繞組在其縱向方向上延伸，這意味著電流的所述直流分量對變壓器 鐵心的影響將會是最小的。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，每個變壓器的所述次級繞組被布置為與兩個初級繞組 并聯(lián)，并且在這兩個初級繞組旁邊。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，每個變壓器的所述次級繞組被布置為在這兩個初級繞 組的中間且基本上與兩個所述初級繞組并聯(lián)，從空間要求的觀點來看，這在一些應用中可 以是有利的。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述相臂的開關單元的數(shù)量為>4、> 12、> 30或 ^ 50。如上所述，當所述相臂的開關單元的數(shù)量相當大而導致在所述相輸出上傳送的大量 可能電平的電壓脈沖時，這種類型的電壓源轉換器的使用是特別引起關注的，并且所述數(shù) 量越大，則移除所述相位電抗器將會導致空間增益越大。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，開關單元組件的所述半導體器件是IGBT (絕緣柵雙極 晶體管)、IGCT(集成門極換向晶閘管)或GT0(門極可關斷晶閘管)。這些是適合于這種 轉換器的半導體器件，但也可以想到其它關斷型的半導體器件。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述裝置被配置成使得轉換器的所述直流電壓側連接 到用于傳輸高壓直流(HVDC)的直流電壓網(wǎng)絡，并且使得交流電壓側連接到屬于交流電壓 網(wǎng)絡的交流電壓相線。這是由于這種類型的轉換器特別引起關注的應用所需的大量的半導 體組件而導致的。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，轉換器被配置成使得所述兩極之間的直流電壓為 lkV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。所述直流電壓越高，本發(fā)明就越引起關注。因此，本發(fā)明還涉及根據(jù)附加的權利要求的用于傳輸電力的設施。可以給予這種 設施的站有吸引力的尺寸和相對于低花費的高可靠性。根據(jù)以下描述，本發(fā)明的更多優(yōu)點和有利特征將變得明顯。


參照附圖，以下是對所引用的作為示例的本發(fā)明實施例的描述。在附圖中圖1是在根據(jù)本發(fā)明的裝置中使用的電壓源轉換器的非常簡化的視圖，圖2和圖3示出了已知的兩種不同的開關單元，其可作為在根據(jù)本發(fā)明的裝置中 的電壓源轉換器的一部分，圖4是非常示意性地示出關于一個相臂的、根據(jù)本發(fā)明的類型的已知裝置的簡化 視圖，圖5是圖4中所示的裝置的另一簡化的視圖，圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置的與圖4相對應的視圖，圖7是根據(jù)圖6的裝置的一部分的示意圖，圖8示意性地示出對圖7中所示的根據(jù)本發(fā)明的裝置的一部分進行修改的方式， 以及圖9是圖5中所示的根據(jù)本發(fā)明的裝置的與圖5相對應的視圖。
具體實施例方式圖1非常示意性地示出包括在本發(fā)明所涉及的裝置中的類型的電壓源轉換器1的 一般構造。該轉換器具有與轉換器的直流電壓側的相對極5、6(諸如用于傳輸高壓直流的 直流電壓網(wǎng)絡)連接的三個相臂2-4。每個相臂均包括用方框表示的開關單元7 (在該情況下數(shù)量為16個)的串聯(lián)連接，并且這種串聯(lián)連接被劃分成兩個同等的部分，上閥門分支 (ValVebranch)8和下閥門分支9，該兩個同等的部分由形成被配置成連接到轉換器的交流 電壓側的相輸出的中點10-12分離。相輸出10-12可能通過變壓器連接到三相交流電壓網(wǎng) 絡、負載等。為了改進在所述交流電壓側上的交流電壓的形狀，在所述交流電壓側上還布置 了濾波設備。布置控制裝置13來控制開關單元7，并且通過該控制裝置，轉換器將直流電壓轉 換為交流電壓以及相反地將交流電壓轉換為直流電壓。電壓源轉換器具有如下類型的開關單元7 其一方面具有至少兩個半導體組件， 所述至少兩個半導體組件的每一個均帶有關斷型半導體器件以及與該關斷型半導體器件 并聯(lián)連接的續(xù)流二極管；并且另一方面具有至少一個儲能電容器，而且在圖2和圖3中示出 了這種開關單元的兩個例子。開關單元的端子14、15適用于連接到形成相臂的開關單元的 串聯(lián)連接中的相鄰開關單元。在這種情況下，半導體器件16、17是與二極管18、19并聯(lián)連 接的IGBT。盡管每個組件僅示出一個半導體器件和一個二極管，但這些可分別代表用于分 攤流過該組件的電流的、并聯(lián)連接的多個半導體器件和二極管。儲能電容器20與二極管以 及半導體器件的相應串聯(lián)連接并聯(lián)連接。一個端子14連接到兩個半導體器件之間的中點 以及兩個二極管之間的中點。另一個端子15連接到儲能電容器20，在圖2的實施例中，另 一端子15連接到儲能電容器20的一側，而在根據(jù)圖3的實施例中，另一端子15連接到該 儲能電容器的另一側。需要指出的是，為了能夠處理待處理的電壓，如圖2和圖3中所示的 每個半導體器件和每個二極管可以是串聯(lián)連接的多于一個的半導體器件和二極管，然后， 可以同時控制這樣串聯(lián)連接的半導體器件，以便作為一個單獨的半導體器件。可以控制圖2和圖3中所示的開關單元，以獲得a)第一開關狀態(tài)和b)第二開關 狀態(tài)中的一個狀態(tài)，其中，對于a)，電容器20兩端的電壓被施加到端子14、15之間，而對于 b)，零電壓被施加到端子14、15之間。為了在圖2中獲得第一狀態(tài)，接通半導體器件16并 且關斷半導體器件17，而在根據(jù)圖3的實施例中，接通半導體器件17并且關斷半導體器件 16。通過改變半導體器件的狀態(tài)，將開關單元切換到第二狀態(tài)，使得在根據(jù)圖2的實施例 中，關斷半導體器件16并且接通半導體器件17，以及在圖3中，關斷半導體器件17并且接 通半導體器件16。圖4稍微更詳細地示出了如何通過圖3中所示類型的開關單元來形成根據(jù)圖1的 轉換器的相臂，為了簡化該圖，在圖3中總共省略了十個開關單元?？刂蒲b置13適用于通 過控制開關單元的半導體器件來控制開關單元，使得這些開關元件將傳送要添加到所述串 聯(lián)連接中的其他開關單元的電壓中的零電壓或電容器兩端的電壓。這里還示出了變壓器21 和濾波設備22。示出了每個閥門分支如何通過相位電抗器23J4連接到相輸出10，并且對 于相輸出10、11和12，在圖1中也應該有這種相位電抗器，但是為了簡化該示圖而省略了這 種相位電抗器。為了避免開關單元的串聯(lián)連接的上半部25和下半部沈之間的短路，需要 這些相位電抗器。圖5中針對三個相臂2-4更示意性地示出根據(jù)圖4的用于將直流電壓轉換為交流 電壓以及相反地將交流電壓轉換為直流電壓的裝置，其中，不同相臂的上閥門分支由8、8’ 和8”表示，而下閥門分支由9、9’和9”表示。形式為容納由開關單元的串聯(lián)連接形成的 這些閥門的閥門廳(valve hall)的組合(building)由27表示。需要相當大的空間并且布置在所述組合27外部的相位電抗器由23、23’和23”以及對、24’和24”表示。這些相 位電抗器分別將相應的所述閥門分支連接到通過斷路器四、29’、29”連接到交流電壓相線 觀、28’、28”的變壓器21、21’和21”。因此，必須將所述空間要求高的相位電抗器和變壓器 布置在所述組合外部，從而在組合外部需要可用于相位電抗器和變壓器的相當大的額外空 間。圖6針對一個相臂非常示意性地示出根據(jù)本發(fā)明實施例的裝置，該裝置沒有單獨 的相位電抗器，但是作為代替，變壓器30在其每相的直流電壓側上具有兩個繞組。圖7示出如何可實現(xiàn)這樣的裝置。這里示意性地示出三個變壓器，每相一個，但是 也可認為這三個變壓器構成一個單獨的三相變壓器。每個變壓器30-32均具有兩個初級繞 組33-38，其中每個初級繞組均將開關單元的所述串聯(lián)連接的一個半部或閥門分支連接到 所述中點10-12。布置了相臂的變壓器的兩個初級繞組，使得在從直流電壓正極流向直流電壓負極 時流過所述中點的電流的直流分量在基本上相反的方向上通過這兩個初級繞組。對于變壓 器30，這以I示出。這意味著該直流分量將不會使變壓器鐵心的鐵飽和，其對于使得能夠以 這種方式將相位電抗器安裝在變壓器中是必要的。每個變壓器均具有連接到相應的交流電壓相線42-44的次級繞組39_41。每個變壓器的兩個初級繞組被布置為基本上彼此并聯(lián)延伸，其中，次級繞組與初 級繞組基本上并聯(lián)延伸并且布置在初級繞組旁邊。圖8示出布置圖7中所示類型的變壓器的繞組的另一可能性，其中，將次級繞組39 布置在兩個初級繞組33、34的中間。在圖9中示出根據(jù)本發(fā)明的裝置關于地方節(jié)省的益處，這是根據(jù)本發(fā)明的裝置的 與圖5相對應的視圖，因此不具有相位電抗器，而作為代替，具有包括在變壓器30-32中的 兩個初級繞組。因此，在空間非常昂貴的地方(諸如，海濱)，這種設計的裝置將會是有吸引 力的。本發(fā)明當然不以任何方式限于上述實施例，而是在不背離如所附權利要求書中定 義的本發(fā)明的基本思想的情況下，對于本領域的普通技術人員而言，對其進行修改的很多 可能性將是明顯的。
權利要求
1.一種用于將直流電壓轉換為交流電壓以及相反地將交流電壓轉換為直流電壓的裝 置，一方面，所述裝置包括電壓源轉換器(1)，其具有至少一個相臂0-4)，所述至少一個相臂與所述轉換器的 直流電壓側的相對極(5，6)連接并且包括開關單元(7，7’ )的串聯(lián)連接，每個所述開關單 元一方面具有串聯(lián)連接的至少兩個半導體組件，并且所述至少兩個半導體組件的每一個均 具有關斷型半導體器件(16，17)和與所述關斷型半導體器件并聯(lián)連接的續(xù)流二極管(18， 19)，并且每個所述開關單元另一方面具有至少一個儲能電容器OO)和在開關單元的所述 串聯(lián)連接中將該單元連接到相鄰單元的兩個端子(14，15)，開關單元的所述串聯(lián)連接的中 點(10-1 形成被配置成連接到所述轉換器的交流電壓側的相輸出，每個所述開關單元被 配置成通過控制每個開關單元的所述半導體器件來獲得兩個開關狀態(tài)，即第一開關狀態(tài)和 第二開關狀態(tài)，在所述兩個開關狀態(tài)下，所述至少一個儲能電容器兩端的電壓和零電壓被 分別提供到所述開關單元的所述兩個端子之間，以在所述相輸出上獲得確定的交流電壓， 其中對于開關單元的所述串聯(lián)連接中的每個半部(8，9)，將為相位電抗器(33-38)的形式 的電感裝置布置為將所述半部連接到所述中點，以及另一方面，對于每個所述相臂，所述裝 置包括變壓器(30，32)，其被配置成將所述相輸出連接到與所述相臂相關聯(lián)的交流電壓相線，其特征在于，通過形成所述變壓器(30-32)中每個均被布置為與所述變壓器中連接至 所述交流電壓相線(42-44)的次級繞組(39-41)相互作用的初級繞組(33-38)，來將所述相 臂的所述相位電抗器安裝于所述變壓器中，并且兩個所述初級繞組相對于彼此被定位成使 得流過所述相輸出的電流的直流分量在基本上相反的方向上通過這兩個初級繞組。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，兩個所述初級繞組(33-38)被布置為基本 上彼此并聯(lián)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，在與所述初級繞組的縱向延伸基本垂 直的兩個共有平面之間，兩個所述初級繞組(33-38)在其縱向方向上延伸。
4.根據(jù)權利要求1-3中的任一項所述的裝置，其特征在于，每個變壓器的所述次級 繞組(39-41)被布置為與兩個所述初級繞組(33-38)并聯(lián)，并布置在兩個所述初級繞組 (33-38)旁邊。
5.根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的裝置，其特征在于，每個變壓器的所述次級 繞組(39-41)被布置為在兩個所述初級繞組(33-38)中間且基本上與兩個所述初級繞組 (33-38)并聯(lián)。
6.根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的裝置，其特征在于，所述相臂的所述開關單元 (7，7，)的數(shù)量為彡4、彡12、彡30或彡50。
7.根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的裝置，其特征在于，開關單元組件的所述半導 體器件(16，17)是絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換向晶閘管IGCT或者門極可關斷晶閘 管 GT0。
8.根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置被配置成使得所 述轉換器的所述直流電壓側連接到用于傳輸高壓直流HVDC的直流電壓網(wǎng)絡(5，6)，并且使 得交流電壓側(10-12)連接到屬于交流電壓網(wǎng)絡的交流電壓相線。
9.根據(jù)上述權利要求中的任一項所述的裝置，其特征在于，所述電壓源轉換器被配置成使得所述兩極之間的直流電壓為lkV-1200kV、10kV-1200kV或100kV-1200kV。
10. 一種用于傳輸電力的設施，包括直流電壓網(wǎng)絡和通過站連接到所述直流電壓網(wǎng) 絡的至少一個交流電壓網(wǎng)絡，所述站適于執(zhí)行所述直流電壓網(wǎng)絡與所述交流電壓網(wǎng)絡之間 的電力傳輸，并且包括具有電壓源轉換器的至少一個裝置，所述電壓源轉換器適于將直流 電壓轉換為交流電壓以及相反地將交流電壓轉換為直流電壓，其特征在于，所述設施的所 述站包括根據(jù)權利要求1-9中的任一項所述的裝置。
全文摘要
一種用于將直流電壓轉換為交流電壓以及相反地將交流電壓轉換為直流電壓的裝置具有電壓源轉換器，該電壓源轉換器具有與該轉換器的直流電壓側的相對極(5，6)連接的至少一個相臂和布置在所述極之間的開關單元的串聯(lián)連接。該串聯(lián)連接的每個半部(8，9)通過相位電抗器連接到形成相輸出的中點。通過形成變壓器中每個均被布置為與變壓器中連接至交流電壓相線的次級繞組相互作用的初級繞組，將所述相臂的相位電抗器安裝于變壓器(30)中，其中該變壓器(30)被配置成將所述相輸出連接至交流電壓相線(28)。
文檔編號H02M7/49GK102084585SQ200880129676
公開日2011年6月1日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權日2008年5月6日
發(fā)明者貢納爾·阿斯普隆德 申請人:Abb技術有限公司