用于三相桥式电路的相分离过流保护的方法与流程

power electronic converters)”一文中，ieee transaction on power electronics,zhang wenping等,第29卷,第12号,2014年12月1日，建议为故障冗余拓扑使用附加功率开关，例如以triacs的形式。
8.然而，这两种冗余拓扑都会在具有高开关功率的功率开关中导致成本显著增加。
9.从文章“fault ride through control of medium-voltage converters with lcl filter in distributed generation systems”，robert meyer等人，ieee energy conversion congress and exposition，ieee，2013年9月15日，第1954-1961页，已知用于渡过电网故障状态的概念方案。由此在转换器的各个相中产生的过载情况并未讨论。
10.从德国专利申请de 10 2015 205 627a1和de 10 2009045 351a1中已知三相转换器，其可以在一相发生故障的情况下继续运行具有剩余两相的三相桥式电路。
11.代替具有续流二极管的igbt，例如也可以使用其他功率开关，其由可主动切换的功率半导体和并联的反向导通的被动功率半导体组成。此时，反向导通状态表示电流在其导通方向上流过续流二极管，或电流在被动功率半导体的导通方向上流动。
12.然而，如果在过载状态下同时需要高调节动态，则存在问题。例如，电网规范中定期要求电网运营商确保在电网电压骤降的情况下，转换器必须在很短的时间内将最大无功电流馈入电网，以支持电网电压。由于随后出现的电流取决于电网电压降本身，因此在桥式电路的各个相位中可能会定期出现过载状态，因此转换器中的桥式电路被关闭并受到保护。然而，与此同时，为了符合电网规范，转换器的控制需要高调节动态。然而，当桥式电路关闭时，控制器不能作用于变换器，从而使转换器的动态调节行为恶化。为了避免断开，必须提供相应大功率尺寸的功率开关，其例如即使在电网电压骤降的情况下也不需要断开桥式电路。然而，这增加了转换器的成本。
13.例如，图3示出了在模拟电网电压骤降的情况下来自两个转换器的模拟无功电流输出，其中具有不同尺寸的功率开关。所示出的是根据iec 61400-21，50hz电网频率下的无功电流的平滑(gleitend)20ms平均值。值1.0表示y轴上的额定无功电流输出。通常允许的90％到110％的无功电流输出的通道由平行于x轴的两个轴表示。时间显示在x轴上，其中在t＝0.30s时模拟电压骤降。
14.曲线a示出了转换器的模拟行为，其中这样选择功率开关，使得即使在电源电压骤降的情况下，其也不会显示任何过载状态。曲线b显示了具有较小尺寸功率开关的三相转换器的行为。在无功电流输出调整过程中，两相短暂过载，并且转换器桥式电路短时间断开。在曲线a中，在t＝0.39s时已达到无功电流输出的允许范围。然而，缺点是igbt功率开关的成本相对较高，因为尺寸是针对电源电压骤降而设计的。
15.通常这样选择功率开关或igbt，使得在这种特殊情况下可以触发过流保护措施，从而降低igbt功率开关的成本。但是，通过触发个别igbt功率开关的过流保护使整个桥式电路被控制单元阻断，这导致桥式电路的动态调节行为较差。从图3中可以看出，具有显著过冲的曲线b仅在t＝0.41s左右达到允许的无功电流输出通道，因此晚于曲线a。因此在更便宜地设计igbt的尺寸的情况下虽然实现了成本优势，但是这会在过电流的情况下引起桥式电路的不利动态行为。


技术实现要素：

16.本发明基于该问题并且旨在提供一种用于在三相负载、尤其是电网上运行三相转换器的方法，利用该方法即使便宜地设计三相桥式电路的igbt功率开关的尺寸也可以实现非常好的动态调节行为。此外，本发明的目的在于提供一种相应的同种设备，用于在具有至少一个三相转换器的三相负载或电网上产生三相交流电压，该设备在较低的成本的同时具有显著改善的动态调节行为，尤其是在电源电压故障的情况下。
17.根据本发明的第一教导，上述目的通过一种用于运行三相转换器的方法来实现，即，使用监控装置监控各个相的过载状态，其中当在三相转换器的一相或两相中检测到过载状态时，至少在检测到过载状态的持续时间内，桥式电路以一或两个非过载相继续运行，其中至少在过载状态的持续时间内，确定修正的额定电压值而不是预定的额定电压值来控制桥式电路，并且为了确定修正的额定电压值，将三相的预定额定电压值转化为αβ坐标系中预定额定电压旋转矢量，并且将额定电压旋转矢量在αβ坐标系中分解成差分电压矢量和至少一个修正额定电压旋转矢量，其中，过载相中的所述至少一个的修正额定电压旋转矢量考虑了出现的最大相电压，并且可以在αβ坐标系中由修正额定电压旋转矢量确定修正额定电压值。
18.已经表明，尽管一相或两相中有过载，三相桥式电路仍可继续工作，而不会损坏功率开关，其中只有桥式电路非过载相中的igbt继续运行，并且过载相中的电流例如通过续流二极管。因此，与在过载情况下完全关闭桥式电路相比，桥式电路的动态调节性能已经可以得到改善。
19.根据本发明，至少在过载状态的持续时间内确定用于控制桥式电路的修正额定电压值，而不是预定额定电压值。这使得尽管桥式电路的一相或两相过载，仍可以继续保持三相桥式电路的可控性并设置有利的开关状态。与关闭整个桥式电路相比，通过修正的额定电压值可在一或两相过载情况下实现动态控制行为的显著改善。由此也使得功率开关的功率尺寸设计可以减少10％到15％，而不会对调节行为造成重大损害。
20.根据本发明，为了确定修正的额定电压值，将三相的预定额定电压值变换为αβ坐标系中的预定额定电压旋转矢量，并在αβ坐标系中将其分解为差分电压向量以及修正额定电压矢量，其中过载相中的所述至少一个的修正额定电压矢量分别在过载相中分别考虑出现的最大相电压，并且可以在αβ坐标系中由由此得到的修正额定电压矢量确定相的修正额定电压值。
21.在αβ坐标系中，可以通过简单地将预定额定电压矢量分解为差分电压矢量和修正额定电压矢量来确定修正额定电压旋转矢量，从中又可以得到桥式电路各个相的修正额定电压值。通过对差分电压旋转矢量的预定参数，修正额定电压旋转矢量以及由此通过控制单元对桥电路的控制激活可以在过载情况下以简单的方式改变和优化。
22.替代性地，根据符合本发明的方法的另一设计方案，αβ坐标系中的修正额定电压旋转矢量可以由桥式电路的控制单元直接使用，而无需为所有三个相确定修正额定电压值。为此，控制单元只需能够使用αβ坐标系中的额定电压旋转分量来控制桥式电路。
23.根据符合本发明的方法的一个设计方案，利用监控装置，通过超过相关相中的预定电流或相关相的组件，优选功率开关或续流二极管的预定温度来识别过载状态。功率半导体制造商通常会指定功率开关或续流二极管的最大允许电流和最大允许阻挡层温度的
值。如果超过这些值，则存在组件因热过载而损坏的风险。因此，电流和温度是检测过载并采取措施避免过载的优选参数。
24.如果在监控桥式电路的各个相时，确定在各个相应过载时出现的最大相电压，例如在续流二极管上，并将其用作过载相的修正额定电压值，可以以简单的方式在确定过载和过载电压相应的符号时计算出过载相修正的额定电压值。根据过载时的电流方向，最大相电压为链路直流电压的2/3或链路直流电压的-2/3。如果过载相的修正额定电压值是固定的，则非过载相的修正额定电压值可用于优化调节行为。
25.根据符合本发明的方法的另一设计方案，在考虑为三个相预定的额定电压值和至少一个过载相的修正额定电压值的情况下，为至少一个非过载相确定至少一个非过载相的修正额定电压值。当考虑为三个相预定的额定电压值和至少一个过载相的修正额定电压值时，可以通过至少一个非过载相的修正额定电压值来优化在过载情况下待切换的、修正的额定电压值，从而产生优化的调节行为。
26.根据符合本发明的方法的另一设计方案，差分电压旋转矢量的大小具有预定值。该预定值不必随时间恒定，而是可以例如取决于预定额定电压旋转矢量的各个相应位置。由此也可以影响动态调节行为。
27.特别有利的是，根据另一设计方案，差分电压旋转矢量的大小被选择为尽可能小。差分电压矢量的最小大小意味着选择的修正额定电压矢量与最初预定的额定电压矢量具有最小距离。由此可以优化桥式电路的瞬态行为。
28.根据该方法的另一设计方案，差分电压旋转矢量的大小至少有时具有零值。在这种情况下，可以借助于剩余的非过载相至少暂时地通过非过载相保留的开关状态完全重建预定的额定电压旋转矢量，并且因此可以在转换器处至少暂时得到相同的三相交流电压，尽管有过载。
29.如果将带有至少一个反并联续流二极管的igbt用作桥式电路中的功率开关，则可以将转换器的桥式电路设计得特别耐用，因为在过载情况下，过载电流可以流过续流二极管。
30.该方法特别优选使用用于产生电能并将电能馈入电网的设备的三相转换器来实施，优选以风力涡轮机的三相转换器、具有或不具有电存储器的光伏设备或在电网上运行的用于存储电能的部件的三相转换器、尤其是电池存储装置的三相装换器。已经表明，根据本发明的方法使得可以将功率开关的尺寸设计得更小并且仍然实现非常好的调节行为。
31.出于该原因，根据该方法的另一设计方案，该方法优选在电源电压故障期间实施，优选地在转换器的“故障穿越”(frt)运行中。正是在该frt运行中，所使用的桥式电路的各个相经常过载，这到目前为止显著地恶化了桥式电路的调节行为。因此，使用根据本发明的方法，可以以具有较低功率的功率开关提供调节行为，这目前为止仅能以更大尺寸的功率开关实现。同时，利用根据本发明的方法，尽管功率开关的尺寸较小，但以较低的成本满足了电网运营商的要求。
32.上述目的通过一种用于在三相负载或具有至少一个三相转换器的电网上产生三相交流电压的该种设备来实现，其方式是设置了用于监测各个相的过载状态的装置，其设计用于在三相转换器的一相或两中检测到过载状态时，至少在所监测到的过载状态的持续时间内，桥式电路以一或两个非过载相继续运行，并且该装置设计用于，至少在过载状态的
持续时间内，确定修正的额定电压值而不是预定的额定电压值来控制桥式电路，并且该装置进一步设计用于，为了确定修正的额定电压值，将三相的预定额定电压值转化为αβ坐标系中预定额定电压旋转矢量，并且将额定电压旋转矢量在αβ坐标系中分解成差分电压矢量和至少一个修正额定电压矢量，其中，过载相中的所述至少一个的修正额定电压旋转矢量分别考虑了出现的最大相电压，并且可以在αβ坐标系中由修正额定电压旋转矢量确定修正额定电压值。
33.与目前为止在过载情况下阻塞整个桥式电路的设备相比，通过利用非过载相进行的继续运行使得在过载情况下桥式电路的调节行为得到改善。在过载的情况下，借助修正的额定电压旋转矢量，可以很容易地通过控制单元改变和优化设备的桥式电路的控制触发。
34.根据设备的第一设计方案，用于监测各个相的过载情况的装置优选设计用于确定修正的额定电压值而不是预定的额定电压值来控制桥式电路。如上所述，尽管桥式电路的一相或两相过载，但桥式电路可以通过为控制单元提供修正的额定电压值而继续运行，并由此在过载情况下以更低的功率开关成本提供改进的设备动态行为。使用修正的额定电压值在此可以设置所需的，例如优化的电网侧无功电流调节行为。
35.最后，该设备优选是在电网上运行的风能设备、具有或不具有存储装置的光伏设备或在电网上运行的用于存储电能的部件，例如电池存储器。风能设备可以具有全转换器或带有部分转换器的双馈异步电机。提到的所有设备都具有带桥式电路的转换器，并且可以以降低的成本提供改进的动态调节行为，尤其是在电网电压故障的情况下。
附图说明
36.现在将结合附图借助于实施例更详细地解释本发明。图中：
37.图1示出了现有技术的三相桥式电路的结构，
38.图2示出了图1的桥电路在αβ坐标系中的可能切换矢量，
39.图3示出了根据现有技术的两个不同的三相转换器的模拟无功电流输出的图，
40.图4示出了根据本发明的方法的实施例的框图，
41.图5示出了当相过载时将额定电压旋转矢量分解为差分电压旋转矢量和修正的额定电压旋转矢量的实施例，
42.图6示出了当两相过载时将额定电压旋转矢量分解为差分电压旋转矢量和修正的额定电压旋转矢量的实施例，
43.图7示出了根据本发明实施例的三相转换器的模拟无功电流输出与来自现有技术的具有超大功率开关的转换器的无功电流输出相比较的图，
44.图8示出了根据本发明实施例的三相转换器的模拟无功电流输出与具有根据现有技术的桥式电路的igbt切断的转换器的无功电流输出相比较的图。
具体实施方式
45.图1首先示出了现有技术中已知的桥式电路1，其具有分配给相应相l1、l2和l3的功率开关sw1、sw2、sw3、sw1'、sw2'和sw3'。一个相的功率开关，例如sw1和sw1'，与直流链路vdc串联布置。这同样适用于分配给相l2和l3的功率开开关sw2和sw2'以及sw3和sw3'。借助
所提到的功率开关，可以通过相l1、l2和l3产生确定的三相交流电压，这些功率开关在此实施为具有反并联连接的续流二极管的igbt功率开关。
46.图2现在示出了在αβ坐标系中可以由桥式电路生成的开关矢量。由于6个电源开关只能以二进制方式切换，因此桥式电路1只能呈现图2所示的离散开关矢量。总共可以切换8个开关矢量v0至v7。然而，状态v0和v7没有显示在图2的矢量图中，因为这些导致零向量。通过开关矢量v1到v6可以在三个相l1、l2、l3上切换不同的电压值。桥式电路1的不同的、离散的开关矢量的切换由转换器的控制单元(这里未示出)执行。为此，转换器的控制单元例如需要各个相v1、v2、v3的预定额定电压值作为输入变量。该输入变量也可以通过αβ坐标系中的额定电压旋转矢量传递给控制单元。控制单元控制桥式电路，例如使用已知的调制方法，例如脉宽调制方法。
47.图3示出了根据现有技术的两个不同的三相转换器的模拟无功电流输出的图。曲线a具有非常好的瞬态行为，且过冲很小，而曲线b示出了对响应电源电压骤降的无功电流输出请求的恶化的瞬态行为。原因是曲线a中的igbt功率开关的尺寸设计为即使在电源电压骤降的情况下也不会出现过载情况。曲线b示出了更便宜的桥式电路的调节行为，其中igbt功率开关的尺寸设计为，在“故障穿越”48.(frt)运行中模拟电源电压骤降的情况下，两个相位过载，并且由于过载状态，桥式电路短暂段断开。可以清楚地看到更便宜的变体方案的更差的瞬态行为。
49.在图4中示出了根据本发明的用于运行三相转换器的方法的实施例，其中即使在具有经济尺寸的桥式电路的功率开关的情况下也可以在各个相的过载状态的情况下实现改进的调节行为。
50.图4首先示出了预定的额定电压值v1、v2、v3，其由控制器传送到电路块2。此外，设置了用于监测桥式电路1的相位的装置3，其可以检测一个或多个相位的过载。在所示的实施例中，其例如对传输的温度值t或相电流i1、i2、i3作出反应，在所示的实施例中将其与最大允许值t
max
和i
max
进行比较，以便检测过载状态。监控装置的输入变量在此几乎可以任意选择，只要其允许检测相l1、l2、l3的过载状态。
51.只要没有检测到过载，则将预定的额定电压值v1、v2和v3不作任何改变地从电路块2传送到控制单元4(图4中未示出)。控制单元4然后使用已知方法，例如脉宽调制方法(pwm)，基于预定的额定电压值控制桥式电路1的功率开关sw1至sw3'。
52.如果在三相转换器的一个相或两个相中检测到过载状态，则根据图4中的实施例，桥式电路至少在所检测到的过载状态的持续时间内以非过载的一个相或两个相继续运行。由此已经可以对桥式电路的调节行为产生影响。如果根据该方法的一个设计方案，在过载情况下确定修正的额定电压值vmod1、vmod2和vmod3而不是预定的额定电压值v1、v2、v3并且用于控制桥式电路，可以进一步改善调节行为。
53.在图4的实施例中，电压值vmod1、vmod2和vmod3作为各个相l1、l2和l3的修正的额定电压值从电路块2传送到控制单元4。与现有技术不同，通过修正的额定电压值的传输使得可以继续运行桥式电路1，同时考虑到进一步的规范，例如优化的调节行为。修正的额定电压值例如是在改进的调节行为方面与由控制器给定的额定电压值v1、v2和v3相比改变的额定电压值。
54.为了以特别简单的方式考虑桥式电路1的各个相l1、l2、l3的过载状态，在监控桥
式电路的各个相时确定各个过载时出现的相电压并用作过载相的修正额定电压值。出现在过载的相上的相电压对应于最大相电压，其对应于2/3vdc或-2/3vdc。通过对额定电压值的这种简单修改，功率开关可以继续以修正后的额定电压值vmod1、vmod2和vmod3运行。
55.同时，在确定修正的额定电压值时对出现在过载相上的相电压的考虑允许使用非过载相的保持的额定电压值，以便为非过载的相设定修正的额定电压值，其说明了在过载状态下桥式电路的特别良好的调节行为。在此可以仅考虑一个或最多两个相中的过载。与此相对，如果所有三相都过载，则桥式电路的igbt将完全关闭。
56.通过设定至少一个非过载相的修正的额定电压值vmod1、vmod2、vmod3，与现有技术相比产生了额外的自由度，由此可以有针对性地改善桥式电路的调节行为。
57.为了确定修正的额定电压值vmod1、vmod2、vmod3，其在发生过载时允许桥式电路的更好的调节行为，根据优选实施例，将三个相的预定的额定电压值在αβ坐标系中转换为预定的额定电压旋转矢量vsoll来确定修正的额定电压值。
58.图5和6示出了针对不同过载状态将额定电压旋转矢量v
soll
分解为差分电压旋转矢量v
diff
和修正的额定电压旋转矢量v
mod
的不同可能性。
59.图5和6的不同之处在于图5中相l1被正电流过载。图6示出了l1相和l2相被正电流过载的情况。正电流分别对应于图1中相l1、l2和l3上箭头方向的电流。
60.此外，图5示出了可以在平行四边形p内生成修正的额定电压旋转矢量vmod。通过将预定的额定电压旋转矢量v
soll
与差分电压旋转矢量v
diff
简单向量加和得到了具体修正的额定电压旋转矢量v
mod
，如图5所示。现在可以根据差分电压矢量v
diff
的预定参数生成
vmod
。
61.在某一相过载的情况下，如图5所示，可以通过非过载的相l2和l3完全重构位于平行四边形p内的电压旋转矢量，使得差分电压旋转矢量v
diff
可以取值0，只要预定的额定电压旋转矢量v
soll
在平行四边形p内移动。
62.这同样适用于图6的情况，即，预定的额定电压旋转矢量v
soll
正好位于仍然可能的、修正的额定电压旋转矢量v
mod
的虚线直线上，其中在此只有一个相l3能够被主动切换。由于两个以正过载电流过载的相l1和l2，这种情况下唯一的可能性是根据仍然可能的、修正的额定电压旋转矢量v
mod
的长度沿图6中虚线直线设置值。
63.如上所述，旋转差分电压旋转矢量v
diff
的长度，即旋转差分电压旋转矢量v
diff
的大小，可以采用预定值。由此根据另一设计方案，可以将旋转差分电压旋转矢量v
diff
的长度设计为最小。由此在桥式电路1中得到了与由预定额定电压值v1、v2、v3预先确定的开关状态相关的最接近的可能开关状态，同时考虑到非过载的相，从而进一步改善桥式电路的动态调节行为。例如，当修定的额定电压旋转矢量v
mod
垂直于差分电压旋转矢量v
diff
，即两个向量形成直角时，差分电压旋转矢量v
diff
可以具有最短的非零长度。
64.在数学上，具有有着最小数值的差分电压旋转矢量v
diff
的修正额定电压旋转矢量vmod可以例如对于图5中设定的额定电压旋转矢量vsoll而言以下式给出：
65.vmod1＝vmax1
66.vmod2＝vmax1
67.vmod3＝vmax1-3valpha/4-(3√3vbeta)/4
68.在这种情况下，valpha和vbeta是预定的额定电压旋转矢量v
soll
在αβ坐标系中的αβ坐标。vmax1是根据图1的电路和具有2/3v
dc
对称阻抗的三相电网的所产生的相电压的最大
值。
69.如果预定的额定电压旋转矢量v
soll
位于平行四边形p内，则可以对其进行精确重构，使得差分电压旋转矢量v
diff
的长度为零。具有零差分电压旋转矢量v
diff
的修正额定电压旋转矢量v
mod
的修正额定电压值vmod1、vmod2、vmod3可以在平行四边形内以下式给出：
70.vmod1＝vmax1
71.vmod2＝(√3vbeta)/2-3valpha/2 vmax1
72.vmod3＝-(√3vbeta)/2-3valpha/2 vmax1
73.如前所述，在图6中，相1和相2被正电流过载。例如，对于所示预定的额定电压旋转矢量v
soll
，例如最小的差分旋转矢量v
diff
以下式给出：
74.vmod1＝vmax1
75.vmod2＝vmax1
76.vmod3＝vmax1-3valpha/4-(3√3vbeta)/4
77.根据替代实施形式，αβ坐标系中的修定额定电压旋转矢量vmod本身可以由控制单元4直接用于控制桥式电路，只要控制单元适合于此。
78.现在在考虑向量优化的情况下通过在电网电压骤降时所需的无功电流输出模拟了桥式电路1的调节行为，在向量优化中在差分电压旋转矢量v
diff
的最小值下确定修正额定电压旋转矢量v
mod
。这是常见的要求，其由电网运营商在电网规范中定义，用于稳定电网电压。
79.图7在曲线c中示出了根据本发明实施例的具有成本优化的igbt功率开关和优化的额定电压旋转矢量预定参数的三相转换器的该模拟无功电流输出的图。作为比较，示出了使用igbt功率开关的无功电流输出，该igbt功率开关的尺寸使得其在电源电压骤降的情况下不会过载(曲线a)。
80.如图7所示，根据本发明的方法尤其对于在电网电压故障的情况下运行三相转换器中的桥式电路而言特别有利，因为其能够针对预定的无功电流值进行特别快速的瞬态行为，而无须在此使igbt功率开关的尺寸过大。如前所述，这意味着可以使用尺寸小10％到15％的igbt功率开关，而不会损害调节行为。
81.在图8中示出了根据本发明的实施例与不使用根据本发明的方法的成本优化的igbt功率开关的比较，曲线b。根据本发明的方法在相同的硬件下导致桥式电路动态调节行为的显著改善。根据本发明的实施例的曲线c在大约0.39s之后显示永久达到无功电流输出的公差带，而如开头所述，现有技术中已知的变体仅在0.41秒处达到公差带。
82.因此可以理解的是，根据本发明的用于运行三相转换器的桥式电路的方法可以特别有利地利用用于产生电能并将电能馈入电网的设备、优选利用风能设备的三相转换器来实施。此外，作为用于产生和馈送电能的设备，具有或不具有存储装置的光伏设备或与电网连接的电池存储器本身可以通过根据本发明的方法有利地运行并且受益于由此产生的设备成本的优势。如图7和8清楚所示，根据本发明的方法对于电网上的转换器的故障穿越(frt)运行特别有利。