借助矩阵变流器从第一交流电网中的交变电压生成第二交流电网中的交变电压的矩阵变流器和方法

摘要

本发明涉及一种矩阵变流器(MU)，其与第一和第二多相交流电网(N1、N2)相连接。第一电感性电路元件(Su1、Sv1、Sw1)分别与第一交流电网(N1)相连接，并且第二电感性电路元件(Su2、Sv2、Sw2)分别与第二交流电网(N2)相连接。开关矩阵(MA)将第一电感性电路元件(Su1、Sv1、Sw1)的远离第一交流电网(N1)的端(Eu1、Ev1、Ew2)与第二电感性电路元件的远离第二交流电网(N2)的端(Eu2、Ev2、Ew2)相连接，其中所述开关矩阵(MA)由可控的变流器单元(Uu1、Uv1、Uw1；Uu2、Uv2、Uw2)组成。与可控的变流器单元(Uu1、Uv1、Uw1；Uu2、Uv2、Uw2)的控制输入端相连接的是控制装置(R)，其中向所述控制装置(R)施加第一和第二交流电网(N1、N2)的电流-和电压测量参数。为了可以成本合适地生成这样的矩阵变流器(MU)，在这样的矩阵变流器(MU)的情况下，即其具有分别在所述第一电感性电路元件(Su1、Sv1、Sw1)的远离所述第一交流电网(N1)的端(Eu1、Ev1、Ew1)与地电势(M)之间布置的实施为可控交变电压源的第一变流器单元(Uu1、Uv1、Uw1)，以及分别在所述第一电感性电路元件(Su1、Sv1、Sw1)的远离所述第一交流电网(N1)的端(Eu1、Ev1、Ew1)与所述第二电感性电路元件(Su2、Sv2、Sw2)的远离所述第二交流电网(N2)的端(Eu2、Ev2、Ew2)之间连接的实施为可控交变电压源的第二变流器单元(Uu2、Uv2、Uw2)，借助所述控制装置(R)这样来控制所述变流器单元(Uu1、Uv1、Uw1；Uu2、Uv2、Uw2)，使得流入所述矩阵变流器(MU)的电功率等于从该矩阵变流器(MA)中流出的电功率。本发明还涉及一种用于借助矩阵变流器(MU)来生成交变电压的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矩阵变流器，其一侧与第一多相交流电网相连接并且另 一侧与第二多相交流电网相连接，所述矩阵交流器具有分别与第一交流电网 相连接的、第一电感性电路元件以及分别与第二交流电网相连接的、第二电 感性电路元件；所述矩阵交流器具有开关矩阵，所述开关矩阵将第一电感性 电路元件的、远离第一交流电网的端与第二电感性电路元件的、远离第二交 流电网的端相连接，其中所述开关矩阵由可控制的变流器单元组成；所述矩 阵交流器并且具有与可控制的变流器单元的控制输入端相连接的控制装置， 其中将第一和第二交流电网的电流-和电压测量参数施加到所述控制装置。

背景技术

在美国专利文献6900998B2中描述了这样的矩阵变流器。在该公开的 矩阵变流器中，将第一电感性电路元件的、分别与远离第一多相交流电网的 端通过分别具有多级开关组件形式的变流器单元来与第二电感性电路元件 的、所有远离第二接口的端相连接，对此在三相交流电网中总共需要九个变 流器单元。将第一和第二交流电网的电流-和电压测量参数施加给所公开的 矩阵变流器的控制装置并且这样布置，使得通过应用空间矢量调制来控制矩 阵变流器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种矩阵变流器，不仅相对简单地构 造，而且还可以相对简单地对其进行控制，以便将两个不同电压级别的和/ 或不同频率的交流电网彼此相连接。

为了解决所述技术问题，在开头所述类型的矩阵变流器中，按照本发明 在第一电感性电路元件的、远离第一交流电网的端与地电势之间分别布置了 作为可控制交变电压源实施的第一变流器单元，在第一电感性电路元件的、 远离第一交流电网的端与第二电感性电路元件的、远离第二交流电网的端之 间分别接通了作为可控制交变电压源实施的第二变流器单元；控制装置这样 与第一和第二变流器单元的控制输入端相连接，使得流入矩阵变流器的电功 率与从矩阵变流器流出的电功率相等。

按照本发明的矩阵变流器的基本优势在于，所述矩阵变流器相对简单地 构造，方式是，其在三相交流电网的情况下三个第一变流器单元和三个第二 变流器单元是足够用的，也就是总计仅仅需要六个变流器单元。另一个基本 优势在于，可以相对简单地运行控制装置，原因是，借助所述控制装置仅仅 需要这样控制矩阵变流器，使得流入矩阵变流器的电功率等于从矩阵变流器 中流出的电功率，根据在第一交流电网上的电压可以对在第二交流电网上的 电压设置任意的相应期望的关于大小和/或频率的预给定值。

对于按照本发明的矩阵变流器，可以使用不同实施的可控制的变流器单 元，只要其适合在相应的控制的情况下构成可控制的交变电压源。

在按照本发明的矩阵变流器的情况下，多级变流器单元特别适合作为可 控的变流器单元。这可以例如由半电桥-子模块构成。然而被视为特别有利 的是如果模块的多级变流器单元由H电桥-子模块构成，原因是，由此保证 了电流的切断可能性并且更高的调制系数成为可能。

特别有利的是，H电桥-子模块的电容是具有在法拉范围内的最高电容 的储能电容，其也被称为超级电容。对此，替换地可以将储能器(例如电池) 与通常实施为H电桥-子模块的电容进行并联接通。另一方面，可以通过调 节器将储能器连接到中间电路电容器上。

在按照本发明的矩阵变流器的情况下，也可以以不同的方式构造电感性 电路元件。如果电感性电路元件是扼流圈，则被视为尤其有利的，原因是， 其可以相对简单地生产并且由此是成本合适的。

但是必要时也有利的是，电感性电路元件是变压器，原因是，由此可以 优化整个矩阵变流器的变换系数此外由此可以满 足特别的绝缘要求。

本发明还要解决的技术问题是，提供一种方法，用于借助矩阵变流器从 第一交流电网的多相交变电压中生成第二多相交流电网(N2)的交变电压， 所述矩阵变流器具有到第一交流电网和到第二交流电网的连接；所述矩阵变 流器具有分别与第一交流电网相连接的第一电感性电路元件和分别与第二 交流电网相连接的第二电感性电路元件；所述矩阵变流器具有开关矩阵，所 述开关矩阵将第一电感性电路元件的远离第一交流电网的端与第二电感性 电路元件的远离第二交流电网的端相连接，其中所述开关矩阵由可控的变流 器单元组成；所述矩阵变流器并且具有与可控变流器单元的控制输入端相连 接的控制装置，其中将第一和第二交流电网的电流和电压参数施加到所述控 制装置。

从上文中已经提及的美国专利文献6900998B2中可以获知这样的方法。 据此，按照本发明设置了，在这样的矩阵变流器的情况下，其具有分别布置 在位于第一电感性电路元件的远离第一交流电网的端和地电势之间的、实施 为可控交变电压源的第一变流器单元，并且具有分别连接在第一电感性电路 元件的远离第一交流电网的端和第二电感性电路元件的远离第二交流电网 的端之间的、实施为可控交变电压源的第二变流器单元，这样借助控制装置 来对变流器单元进行控制，使得流入矩阵变流器的电功率等于从矩阵变流器 中流出的电功率。

借助该方法可以实现上文中已经结合按照本发明的变流器所描述的优 点。

从权利要求7至10中给出了按照本发明的方法的有利的实施方式。

附图说明

为了更详细地阐述本发明，其中，

图1示出了按照本发明的矩阵变流器的实施例，所述矩阵变流器具有扼 流圈作为电感性电路元件，以及

图2示出了按照本发明的用于单相的矩阵变流器的原理示意图，以便详 细阐述其工作原理。

具体实施方式

在图1中示出了矩阵变流器MU，其与具有相线导体u1、v1和w1的第 一多相交流电网N1相连接。另一方面，矩阵交流器MU也与第二多相交流 电网N2的相线导体u2、v2和w2相连接。

矩阵变流器MU连接到在第一交流电网N1的相线导体u1、v1和w1 上的第一接口Ku1、Kv1和Kw1。第一电感性开关元件Su1、Sv1和Sw1分 别以其一端连接到这些接口Ku1、Kv1和Kw1。电感性电路元件Su1、Sv1 和Sw1的、远离第一接口Ku1、Kv1和Kw1的并且由此远离第一交流电网 N1的端Eu1和Ev1以及Ew1分别与开关矩阵MA的第一变流器单元Uu1、 Uv1和Uw1相连接。在输出端侧，第一变流器单元Uu1、Uv1和Uw1共同 连接到地电势M。

就像在图1中进一步示出的那样，第一电感性电路元件Su1、Sv1和Sw1 的端Eu1、Ev1和Ew1也与第二变流器单元Uu2、Uv2和Uw2相连接，所 述第二变流器单元在其输出端一侧与第二电感性电路元件Su2、Sv2和Sw2 的、远离第二交流电网N2的端Eu2、Ev2和Ew2相连接。这些电路元件Su2、 Sv2和Sw2通过第二接口Ku2、Kv2和Kw2连接到第二交流电网N2。

从图1中还可以认识到，变流器Uu1、Uv1和Uw1或Uu2、Uv2和Uw2 中的每一个被实施为分别具有n个子模块SM的模块化的多级变流器，就像 公知的那样。将子模块SM构造为所谓的H电桥电路，其同样是公知的并且 由此不需要详细描述。这些子模块SM的控制接口在此也没有示出。

如果第一交流电网N1是供电网，那么在考虑第二交流电网N2的期望 的电压幅值的情况下来选择在第一和第二变流器单元Uu1、Uv1和Uw1或 Uu2、Uv2和Uw2中的子模块SM的数量。

从图1中还可以获悉，为矩阵变流器MU分配了控制装置R，在输入端 侧将第一和第二交流电网N1或N2的测量参数施加到所述控制装置。为此， 在相线导体u1中设置了电流转换器Stu1，在所述电流转换器之后布置了测 量值处理装置Muli，与在相线导体u1中的各个电流成比例的电流从所述测 量值处理装置输送到输入端Eu1i。借助电压转换器Spu1来采集在相线导体 u1上的电压，在所述电压转换器之后接通了测量值变换器Mu1u。与在相线 导体u1上的电压成比例的电压经由输入端Eu1u到达控制装置R。此外，设 置了控制装置R的其他仅仅示意性示出的输入端，以便以相应的方式将在相 线导体v1和w1上的电流-和电压测量参数输送给控制装置R。

相应地也采集在第二交流电网N2的相线导体u2、v2和w2上的电流- 和电压测量参数，方法是，通过电流转换器Stu2和测量值处理装置Mu2i将 电流测量参数经由输入端Eu2i输送给控制装置R；借助具有连接于其后的 测量值处理装置Mu2u的电压转换器Spu2将在相线导体u2上的相应的电压 经由另一个输入端Eu2u输送给控制装置R。其他的仅仅示意性地在控制装 置R上示出的输入端用于，以相应的方式采集在相线导体v2和w2上的电 流-和电压测量参数并且输送给控制装置R以便进一步处理。

控制装置R还配置有控制输出端SA1至SAn，其以未示出的方式连接 到子模块SM的不同控制输入端上。在控制装置R的相应设计中，可以这样 控制各个子模块SM，使得从第一和第二变流器单元Uu1、Uv1和Uw1或 Uu2、Uv2和Uw2中形成两个交变电压源，所述交变电压源产生了在交流电 网N2上的具有期望大小和/或频率的交变电压；此外，借助控制装置R还提 供了，在矩阵变流器MU中从第一交流电网N1中流出的功率等于在第二交 流电网N2中所馈入的功率。

图2用于进一步解释按照本发明的矩阵变流器的工作原理，其中示例性 地依据一个相来对矩阵变流器的控制进行解释。在此示出的例如概念上按照 图1包含两个变流器单元Uu1和Uu2的变流器MU1，一方面位于其上具有 电压u1的交流电网N11(例如按照图1相线导体u1)上。该电压U1被施 加到变流器MU1。在所选的例子中，变流器MU1的交变电压源W2概念上 对应于第一变流器单元Uu1并且生成另一个变流器电压Uc2；交变电压源 U2一侧位于地电势M2上并且另一侧与另一个交变电压源W3相连接，所 述另一个交变电压源对应于按照图1的第二变流器单元Uu2。在该第二交变 电压源w2处存在额外的变流器电压Uc3。通过在此未示出的控制装置，这 样进行对变流器单元或交变电压源W2和W3的控制，使得经由扼流圈X1 (电感性电路元件Su1)从交流电网N11中所馈入的功率P1等于功率P2， 所述功率P2经由扼流圈X2(按照图1，第二电感性电路元件Su2，)被输送 给具有电压U2的第二电网N2。也就是说，始终确保，在考虑到电压u1与 电压U2之间的不同的情况下两个功率P1和P2是相同的，其可以以下面的 方式公式化示出：

P1={U1.Uc1sin(δ1)}/X1                        (1)

P2={U2.Uc2sin(δ2)}/X2.                       (2)

在该等式(1)和(2)中，δ1和δ2表示在电感性电路元件X1和X2上 的相位差。通过等式(3)给出电压Uc1：

Uc1=(Uc2+Uc3).                                 (3)

从中清楚的是，通过控制功率流，可以在预给定电压u1或例如在按照 图1的相线导线u1上的电压的情况下通过控制交变电压源W2和W3或第 一和第二变流器单元Uu1和Uu2来这样调节电压Uc2和Uc3的大小、相位 和频率，使得在第二交流电网N21或按照图1的N2中形成期望的电压U2。