[发明专利]具有第二和第三阶谐波降低滤波器的模块化多级功率转换器

说明书

技术领域

本发明涉及具有多级电压输出的功率转换器，其形式为用于将DC电压转换成AC电压以及将AC电压转换成DC电压的装置，包括至少一个相腿，每个相腿具有第一电压源和串联连接在第一DC端子与第一AC端子之间的第一无源储能单元，每个相腿还具有第二无源储能单元以及串联连接在第一AC端子与第二DC端子之间的第二电压源，其中每一个电压源至少包括串联连接的第一子模块和第二子模块，每个子模块包括与至少一个电容器并联连接的至少一个功率电子开关。

背景技术

在本领域中，已知使用多级转换器以便降低电压源转换器输出中的谐波失真。多级转换器是输出电压-或在多相转换器情况下是多个电压-可采用多个离散电平的转换器，如例如可在DE10103031中看到的。

在WO2008/067785中，公开了根据DE10103031的多级转换器，此外，该多级转换器在每个相腿中还包括至少一个电感器以及调节构件以调节流过这些相腿的循环电流，即，在相腿之间闭合而不通过AC端子进入AC电网的电流。

如果循环电流得到控制，如在WO2008/067785中所描述的，则转换器的功率电子开关的电压额定值必须考虑以期望方式调节循环电流所需的额外电压。

还已知的是，向AC电压添加零序列三次谐波。这意味着，在基础频率三倍处的谐波被添加到转换器AC电压参考（voltage reference）上。这种添加降低了转换器的峰值电压，并由此提升了转换器功率的效率。然而，这些谐波在正常情况下不允许在AC电网中，并且因此它们不得不被移除。通常通过使用连接在AC电网与转换器之间的变压器执行这种移除。

然而，在某些情况下关注移除这个变压器。这意味着，不得不以某种其它方式移除零序列三次谐波。

WO2004/017505描述了无需使用变压器而移除这些谐波的一种此类备选解决方案。该文档描述了使用在铁芯周围缠绕并置于转换器与AC电网之间的相导体代替变压器。这个相导体然后对付三次谐波移除。

然而，关注的是组合循环电流的调节与零序列三次谐波移除。这将限制用于单独执行这两个功能的单元数。

发明内容

因此，本发明的目的是提出考虑以期望方式调节循环电流的功率转换器，其中功率半导体开关的所需电压额定值影响尽可能小，同时使用受限数量的转换器单元执行零序列三次谐波移除。

这个目的通过根据权利要求1的装置实现。

根据本发明，如上所述用于将DC电压转换成AC电压以及将AC电压转换成DC电压的装置包括布置在电压源与AC端子之间的无源电子滤波器。无源电子滤波器调整成降低循环电流中的谐波，以及移除零序列三次谐波。

本发明基于对如下事实的认识：最佳地调节循环电流的期望方式降低发生在循环电流中特定频率处的谐波而不是一般地降低循环电流。根据本发明，这还与零序列三次谐波移除组合。发明人所实现的是，在转换器的功率电子开关中的每个开关事件，谐波出现在循环电流中，引起损耗增大。作为最坏情况，循环电流中具有特别高幅度的一些谐波甚至可导致系统不稳定性。如在WO2008/067785中所描述的引入附加电感器帮助获得转换器电路中的通用电流限制，但这样无法避免明显谐波。

通过引入降低或在最佳情况下完全阻断（block）具有最高幅度的谐波的无源电子滤波器，避免了控制功率半导体开关的控制单元看到循环电流的最大干扰分量并将其考虑进去。由此可降低对功率半导体开关的电压额定值的要求。

更靠近看循环电流中的谐波揭示如下内容：一个相腿中两个相模块分支的子模块上的电压纹波之和在其频谱中显示AC电压的基础频率两倍处的主要分量。这个主要频率分量产生循环电流中的寄生谐波分量（也是基础频率两倍）。除非这个分量某种程度上受限，否则将导致损耗增大，甚至可能损失系统稳定性。

因此，根据本发明的一优选实施例，选择电子滤波器的参数，使得AC电压的基础频率两倍处的谐波得到降低，由此，特别是降低循环电流的主要干扰分量。这还与降低基础频率三倍处的谐波组合以便在无需变压器的情况下移除零序列三次谐波。

附图说明

根据如下详细描述结合所附附图，本发明的其它特征和优点对于本领域技术人员将变得更加明显。

图1示出了本领域已知的转换器拓扑；

图2示出了本领域已知的图1的转换器的相腿中电压源的设置；

图3示出了图1和2的转换器中子模块的两个不同实施例；

图4示出了根据本发明具有示意性示出的电子滤波器的转换器的一个相腿；