控制电路的制作方法

控制电路的制作方法
【专利摘要】控制电路(30)包括用于连接到DC网络(40、42)上的第一主端子和第二主端子(32、34)，所述第一主端子和所述第二主端子(32、34)具有串联连接在所述第一主端子和所述第二主端子(32、34)之间的多个模块(44a、44b)和多个主能量转换元件(46、48)以限定一电流传输路径，每个模块(44a、44b)包括至少一个能量存储器件(52)，每个能量存储器件(52)可被选择性地从电流传输路径中移除。控制电路(30)还包括串联连接在所述第一主端子和所述第二主端子(32、34)之间的次端子(36)，所述多个模块(44a、44b)包括至少一个第一模块(44a)和至少一个第二模块(44b)，所述或每个第一模块(44a)与至少一个主能量转换元件(46)串联连接在所述第一主端子(32)与所述次端子(36)之间以限定第一电流传输路径部分，所述或每个第二模块(44b)与至少一个其它主能量转换元件(48)串联连接在所述第二主端子(34)与所述次端子(36)之间以限定第二电流传输路径部分。控制电路(30)还包括至少一个辅助能量转换元件(54)和辅助端子(38)，所述或每个辅助能量转换元件(54)串联连接在所述次端子与所述辅助端子(36、38)之间，所述辅助端子(54)用于连接到地。
【专利说明】控制电路

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种控制电路。

【背景技术】
[0002] 如图la中所示，在DC电流传输机制中，DC传输线10a、10b用于将传送电网络12 和接收电网络14互连以允许两个电网络12、14之间的电力转移。在出现阻止接收电网络 14从DC传输线10a、10b中接收电力的故障16的情况下，传送电网络12无法中断向DC传 输线10a、10b的电力传输。这是因为诸如风力涡轮机的发电机无法被立即切断并且因此将 继续将能量18馈送到DC传输线10a、10b。此外，并网准则要求接收电网络14克服供电下 降，比如，电压下降至其初始值的大约15%，并且在排除故障16后恢复电力传输。
[0003] 将电力持续输送到DC传输线10a、10b中导致DC传输线10a、10b中过量电力的积 累，这不仅对电网络12、14各自的电力传送和接收之间的平衡造成不利影响，而且可能对 DC电力传输机制中的各个部件造成损坏，尤其是由DC传输线10a、10b的电容的非受控充电 所造成的高电压应力产生的损坏。
[0004] 用于防止过量电力积累的一个解决方案是将过量电力临时存储在DC链路电容器 中以及存储在形成传送电网络12的一部分的其它电容器中。然而，传送电网络12的有限的 能量存储能力限制了在接收电网络14回到工作状态以前可被临时存储的实际电力的量。
[0005] 用于防止过量电力积累的另一个解决方案是使用负载转储斩波器电路20来将过 量电力从DC传输线10a、10b中转移出来。图lb示出了在DC传输线10a、10b之间与开关 24串联连接的转储电阻器22。闭合开关24使得电流从DC传输线流经转储电阻器22,从而 反过来使得电力经由转储电阻器22而耗散。这使得过量的能量能够经由负载转储斩波器 电路20被从DC传输线10a、10b中移除。
[0006] 现有的斩波器电路利用简单的半导体开关将电阻器连接到DC传输线之间以吸收 过量的能量。该类型的斩波器依赖于大量低电压半导体开关的串联连接以及同时切换，这 些低电压半导体开关以PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）的方式进行操作以 准确控制能量吸收。这样的斩波器电路开关的设计和操作要求大的无源器件以及复杂的控 制方法以保证在各个半导体开关之间对施加的总电压进行平均分压。此外，PWM功能导致 斩波器电路和DC传输线内的电压和电流具有非常高的变化率，这导致无益的电尖峰脉冲 以及高电平的电磁噪声和干扰。


【发明内容】

[0007] 根据本发明的一个方面提供了一种控制电路，所述控制电路包括用于连接到DC 网络上的第一主端子和第二主端子，所述第一主端子和所述第二主端子具有串联连接在所 述第一主端子和所述第二主端子之间的多个模块和多个主能量转换元件以限定一电流传 输路径，每个模块包括至少一个能量存储器件，所述或每个能量存储器件可被选择性地从 所述电流传输路径中移除；
[0008] 所述控制电路还包括串联连接在所述第一主端子和所述第二主端子之间的次端 子，所述多个模块包括至少一个第一模块和至少一个第二模块，所述或每个第一模块与至 少一个主能量转换元件串联连接在所述第一主端子与所述次端子之间以限定第一电流传 输路径部分，所述或每个第二模块与至少一个其它主能量转换元件串联连接在所述第二主 端子与所述次端子之间以限定第二电流传输路径部分；
[0009] 所述控制电路还包括至少一个辅助能量转换元件和辅助端子，所述或每个辅助能 量转换元件串联连接在所述次端子与所述辅助端子之间，所述辅助端子用于连接到地。 [0010] 已经发现选择性地将每个模块的所述或每个能量存储器件从所述电流传输路径 中移除使得能量能够即时转移，即将过量能量从DC网络即时转移到所述控制电路中并且 因而使得能够对所述DC网络中的能量水平进行快速调节。这样的DC网络可以包括，但不 仅限于，DC电力传输机制的DC传输线。
[0011] 为了对DC网络中的能量水平进行调节，处于正常工作中的所述控制电路可以被 配置成采用一待命配置，在待命配置中所述能量存储器件被插入到所述电流传输路径中以 在DC网络的正常状态期间阻止电流在所述电流传输路径中流动，或者选择性地将一个或 更多个能量存储器件从所述电流传输路径中移除以导致电流波形从DC网络流过所述电流 传输路径，从而使得能够将过量能量从DC网络中移除并且经由所述主电阻器被耗散。
[0012] 在控制电路的正常工作期间，第一电流传输路径部分和第二电流传输路径部分中 的每一个上的最大电压等于DC网络电压Vdc的一半，即0. 5Vdc，而当从各个电流传输路径 部分移除所述或每个能量存储器件时，流过第一电流传输路径部分和第二电流传输路径部 分中的每一个的最大电流等于DC网络电压Vdc的一半除以所述或每个对应的主能量转换 元件的阻抗。因而每个模块和主能量转换元件被规定为适用于第一控制电路的正常工作过 程中出现的最大电压和电流水平。
[0013] 然而，DC电极接地故障（pole-to-ground fault)可能发生在DC网络的电极中的 一个与地之间。这导致受到影响的DC网络电极与地之间的短路，该短路将对应的电流传输 路径部分旁路。在所述DC电极接地故障期间，要求所述控制电路的故障工作保护所述控制 电路的部件免受过电压或者过电流情况。
[0014] 在所述控制电路的故障工作期间，电流在未受影响的DC网络电极与接地之间流 动。将所述或每个能量存储器件从未被旁路的电流传输路径部分中移除以使得电流能够将 所述或每个能量存储器件旁路，从而减小对所述或每个模块造成损坏的风险。因此，整个DC 网络电压Vdc被施加在所述或每个辅助能量转换元件以及未被旁路的电流传输路径的所 述或每个能量转换元件上。响应所述DC电极接地故障的所述控制电路的该配置不仅对出 现在所述未被旁路的电流传输路径部分的部件上的电压进行限制，而且对流过所述未被旁 路的电流传输路径部分的电流进行限制。如此，将所述或每个辅助能量转换元件包含在内 使得所述控制电路能够被配置成对所述DC电极接地故障期间出现的最大电压和电流水平 进行控制。这反过来减小了所述DC电极接地故障期间所导致的过电流或过电压对其部件 造成损坏的风险。
[0015] 另外，省略所述控制电路中的所述或每个辅助能量转换元件可能导致在所述DC 电极接地故障期间整个DC网络电压Vdc仅被施加到所述未被旁路的电流传输路径部分的 所述或每个主能量转换元件上。这导致流过所述未被旁路的电流传输路径部分的电流增大 至超过在所述控制电路的正常工作期间出现的最大电流。
[0016] 此外，在不存在所述或每个辅助能量转换元件的情况下，所述未被旁路的电流传 输路径部分的所述或每个能量存储器件可以被插入到所述电流传输路径中以提供一电压 来对抗DC网络电压Vdc并且保护所述或每个模块免受过电压。然而，这仅仅临时限制了所 述未被旁路的电流传输路径部分的所述或每个主能量转换元件上的电压。这是因为将所述 或每个能量存储器件插入到所述电流传输路径中对所述或每个能量存储器件进行充电，以 使得所述未被旁路的电流传输路径部分上的电压接近于所述DC网络电压Vdc的数值。一 旦达到了其有限的存储能力的极限，这就可能对所述或每个能量存储器件造成损坏。
[0017] 所发现的由在所述控制电路中省略所述或每个辅助能量转换元件所造成的问题 可以通过增加所述控制电路的部件的额定电压和额定电流以使其与所述DC电极接地故障 期间所出现的增大的电压和电流相兼容来解决。这样做可以防止所述DC电极接地故障期 间由于过电流而造成的对所述控制电路的组件的损坏，然而可能会增加所述控制电路的整 体尺寸和成本。
[0018] 另一方面，将所述或每个辅助能量转换元件包含在所述控制电路中使得能够对所 述或每个辅助能量转换元件的额定电压和额定电流进行配置，从而对所述控制电路的部件 上的最大电压和电流水平进行控制以使其在所述控制电路的正常和故障工作期间是相同 的。这从而避免了增大控制电路的部件的额定电压和额定电流的需要，并因而使得控制电 路的整体尺寸和成本达到最小。
[0019] 然而，能够省略所述控制电路的接地连接以避免必须增大所述控制电路的部件的 额定电压和额定电流，这样做可能丧失所述控制电路在所述DC电极接地故障被排除后对 来自所述DC网络的过量能量进行放电的能力。因此对来自所述DC网络的过量能量进行放 电可能需要使用额外设备，该额外设备增加了所述控制电路的尺寸、成本以及复杂性。
[0020] 将至少一个辅助能量转换元件包含在所述控制电路中因而使得控制电路不但能 够对DC网络中的能量水平进行调节，而且还能够以划算的方式来保护所述控制电路的部 件。
[0021] 在本发明的实施例中，每个模块还可以包括至少一个开关元件以选择性地引导电 流流过所述或每个能量存储器件并且使电流将所述或每个能量存储器件旁路。
[0022] 在这样的实施例中，每个模块可以包括两对开关元件，所述两对开关元件与所述 或每个能量存储器件并联连接成全桥式配置中从而限定一可提供零电压、正电压或负电压 并且可在两个方向上导电的四象限双极型模块。
[0023] 在其它这样的实施例中，每个模块可以包括第一串联电流控制元件和第二组串联 电流控制元件，每组电流控制元件包括一开关元件以选择性地引导电流流过所述或每个能 量存储器件以及一无源电流校验元件以将流过所述模块的电流限制在单一方向，所述第一 串联电流控制元件和所述第二组串联电流控制元件以及所述或每个能量存储器件排布成 全桥式配置中以限定一可在单向导电时提供零电压、正电压或负电压的二象限双极型合理 化模块。
[0024] 这样的模块提供了选择性地将所述或每个能量存储器件从所述电流传输路径中 移除的可靠手段。
[0025] 优选地，所述控制电路还包括第一控制器以择性地将每个能量存储器件从所述电 流传输路径中移除，所述第一控制器被配置成在故障保护模式中以及在网络放电模式中对 每个能量存储器件进行切换。
[0026] 在使用中处于所述辅助端子与被连接到所述第一电流传输路径部分和所述第二 电流传输路径部分中的一个上的主端子之间的故障期间，当工作在所述故障保护模式中 时，所述第一控制器可选择性地将所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部 分中的另一个上的所述或每个能量存储器件从所述电流传输路径中移除。
[0027] 在使用中处于所述辅助端子与被连接到所述第一电流传输路径部分和所述第二 电流传输路径部分中的一个上的主端子之间的故障期间，当工作在所述故障保护模式中 时，所述第一控制器可选择性地将所述第一电流传输路径部分和第二电流传输路径部分中 的该一个上的所述或每个能量存储器件从所述电流传输路径中移除。
[0028] 在所述DC电极接地故障器件将所述或每个能量存储器件从所述电流传输途径中 选择性地移除保护所述或每个模块免受过电压。这是因为所述或每个移除的能量存储器件 无法被充电或者放电并因而保持在安全的电压水平，并且所述DC网络电压被施加在所述 或每个辅助能量转换元件以及所述未被旁路的电流传输路径部分的所述或每个主能量转 换元件上。
[0029] 当工作在所述网络放电模式中时，所述第一控制器可选择性地将所述第一电流传 输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的一个上的一个或更多个能量存储器件从所 述电流传输路径中移除，从而使得电流波形从DC网络流过所述第一电流传输路径部分和 所述第二电流传输路径部分中的一个。
[0030] 在所述DC电极接地故障期间，并未被短路接地的所述DC网络电极可能由于所述 DC网络电极暴露于所述DC网络电压Vdc之下而被过度充电至正常电压水平以上。
[0031] 在所述网络放电模式中，经由对应的电流传输路径部分从所述过度充电的DC网 络电极至地的电流流动使得能够通过所述电流传输路径部分将过量能量从所述过度充电 的DC网络电极转移至地，并且通过所述或每个对应的主能量转换元件以及所述或每个辅 助能量转换元件将过量能量耗散。这反过来使得所述DC网络能够返回到正常工作状态。
[0032] 为了对来自DC网络的过量能量的放电的速率进行控制，所述第一电流传输路径 部分和所述第二电流传输路径部分中的一个的一个或更多个能量存储器件可被选择性地 从所述电流传输路径中移除，从而改变所述第一和第二电流传输路径部分中的一个上的电 压。
[0033] 在本发明的另一实施例中，每个模块还可以包括至少一个开关元件以选择性地阻 止电流流过所述模块。
[0034] 优选地，所述控制电路还可以包括第二控制器以选择性地阻止电流流过所述模 块，所述第二控制器被配置成在故障保护模式中以及在网络放电模式中对每个模块进行切 换。
[0035] 所述第一控制器和第二控制器可以被形成为分立单元或者被整合以形成单个控 制单兀。
[0036] 在使用中处于所述辅助端子与被连接到所述第一电流传输路径部分和所述第二 电流传输路径部分中的一个上的主端子之间的故障期间，当工作在所述故障保护模式中 时，所述第二控制器可选择性地对所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部 分中的该一个上的所述或每个模块进行切换以阻止电流流过所述模块。
[0037] 代替从所述电流传输路径中移除所述或每个能量存储器件，还可以通过在所述DC 电极接地故障期间阻止电流流过被旁路的电流传输路径部分的所述或每个模块来保护所 述或每个模块。
[0038] 当在网络放电模式中电流波形从DC网络流过所述第一电流传输路径部分和所述 第二电流传输路径部分中的一个从而对所述DC网络进行放电时，所述第二控制器可以选 择性地对所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的一个的所述或每 个模块进行切换以防止电流流过所述模块。
[0039] 这保证了在所述DC电极接地故障期间仅从被过度充电到正常电压水平以上的所 述DC网络电极处提取能量。

【专利附图】

【附图说明】
[0040] 在下文中参照附图以非限定性示例的方式对本发明的优选实施例进行说明，其 中：
[0041] 图la和lb以示意性方式示出了现有技术的DC传输机制；
[0042] 图2以示意性方式示出了根据本发明的第一实施例的控制电路；
[0043] 图3示出了第二DC传输线与地之间的DC电极接地故障；
[0044] 图4示出了在DC电极接地故障中将第一和第二模块的电容器从电流传输路径中 移除；
[0045] 图5示出了在DC电极接地故障被排除后对第一 DC传输线进行放电；
[0046] 图6示出了 DC传输线之间的DC电极间故障；
[0047] 图7示出了在DC电极间故障中将第一和第二模块的电容器从电流传输路径中移 除；以及
[0048] 图8以示意性方式示出了根据本发明的第二实施例的控制电路。

【具体实施方式】
[0049] 图2中示出了根据本发明的第一实施例的控制电路30。
[0050] 第一控制电路30包括第一主端子和第二主端子32、34,次端子36以及辅助端子 38 〇
[0051] 在使用中，第一主端子32被连接到处于正电压+VDC/2的第一 DC传输线40上，而 第二主端子34被连接到处于负电压-νΒε/2的第二DC传输线42上。
[0052] 第一控制电路30还包括多个模块44a、44b，多个模块44a、44b与第一主电阻器和 第二主电阻器46、48串联连接在第一主端子和第二主端子32、34之间以限定电流传输路 径。
[0053] 每个模块44a、44b包括与电容器52形式的能量存储器件并联连接的两对开关元 件50。开关元件50与电容器52连接成全桥式配置，该全桥式配置限定可提供负电压、零电 压或者正电压并且可在两个方向上导电的四象限双极型模块44a、44b。
[0054] 多个模块44a、44b被分为多个第一模块44a和多个第二模块44b。多个第一模块 44a与第一主电阻器46串联连接在第一主端子32和次端子36之间以限定第一电流传输路 径部分，多个第二模块44b与第二主电阻器48串联连接在第二主端子34和次端子36之间 以限定第二电流传输路径部分。
[0055] 次端子36串联连接在第一主端子和第二主端子32、34之间以限定一将第一电流 传输路径部分和第二电流传输路径部分分离开的电流传输路径的中间点。
[0056] 在本发明的其它实施例中，可以设想每个主电阻器46、48可以由多个主电阻器替 代。可以进一步设想，在这样的实施例中，第一电流传输部分和第二电流传输部分的每一个 中的模块和主电阻器可以被重新排布以限定不同的串联连接的配置。例如，每个电流传输 路径部分的模块和主电阻器可以被重新排布以限定一串联连接的模块和主电阻器的交错 序列。
[0057] 第一控制电路30还包括串联连接在次端子36和辅助端子38之间的辅助电阻器 54。
[0058] 辅助电阻器54的大小优选地被设置成与第一主电容器和第二主电阻器46、48中 的每个具有相等的电阻值，但是其大小可被设置成具有比每个第一主电阻器和第二主电阻 器46、48的电阻值更高的电阻值。
[0059] 在本发明的其它实施例中，可以设想辅助电阻器54可以由多个辅助电阻器替代。
[0060] 在使用中，辅助端子38被连接至地56。
[0061] 可以设想在本发明的其它实施例中，主电阻器46、48和辅助电阻器54中的每个可 以由其它类型的能够耗散电能的能量转换元件替代。
[0062] 通过改变开关元件50的状态可以选择性地将每个模块44a、44b的电容器52从电 流传输路径中移除，即切换到或者切换出具有对应主电阻器46、48的电路。这使得第一控 制电路30中的电流能够选择性地流过或者旁路每个电容器52。
[0063] 当开关元件对50被配置成在模块44a、44b中形成短路电路时，每个模块44a、44b 的电容器52被从电流传输路径中移除，即切换出具有对应的主电阻器46、48的电路。这导 致第一控制电路30中的电流流过短路电路并且旁路电容器52。这样的配置使得模块44a、 44b能够提供零电压。
[0064] 当开关元件对50被配置成使得第一控制电路30中的电流能够流入并流出电容器 52时，每个模块44a、44b的电容器52返回到电流传输路径中，即切换回到具有对应的主电 阻器46、48的电路。电容器52随后能够对自身存储的能量进行充电或者放电并且提供电 压。四象限双极型模块44a、44b的双向性质意味着电容器52可被正向或者反向地插入到 四象限双极型模块44a、44b中以提供正电压或者负电压。
[0065] 每个模块44a、44b可被配置成通过改变开关元件50的状态以停止传导电流，从而 选择性地阻止电流从自身流过。当阻止电流流过模块44a、44b时，模块的电容器52阻止对 自身存储的能量进行充电或者放电并因而保持在恒定的电压电平。
[0066] 可以设想每个模块44a、44b的两对开关元件50可以被其它配置所替代，该配置能 够选择性地将诸如电容器之类的对应能量存储器件从电流传输路径中移除并且以上述方 式阻止电流流过模块44a、44b。
[0067] 每个开关元件50包括一个与反平行的二极管相平行的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极性晶体管）。在本发明的其它实施例中，每个开关元件50 可包括栅极关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管或集成栅极换流晶闸管、或者其 它强迫换流或自换流的半导体开关。
[0068] 在本发明的又一实施例中，每个电容器52可以被另一能量存储器件替代，比如被 电池组、或燃料电池、或任何能够存储并释放能量以提供电压的器件替代。
[0069] 多个第一模块44a和多个第二模块44b各自限定一链连接变流器。通过将各自提 供其自身电压的多个模块44a、44b的电容器52插入到每个链连接变流器中能够在每个链 连接变流器上建立组合电压，该组合电压高于从每个单独模块44a、44b上获得的电压。
[0070] 以此方式，每个四象限双极型模块44a、44b的开关元件50的切换导致每个链连接 变流器提供阶跃可变的电压源，该阶跃可变的电压源允许使用步进式近似在每个链连接变 流器上产生电压波形。
[0071] 第一控制电路30还包括具有第一控制器和第二控制器102、104的控制单元100。 第一控制器102对每个模块44a、44b中的开关元件50进行切换以选择性地将电容器52从 电流传输路径中移除或者将电容器52插入到电流传输路径中。第二控制器104选择性地对 每个模块44a、44b中的开关元件50进行切换以选择性地阻止电流流过每个模块44a、44b。
[0072] 以下参照图2至7对图2中所示的DC电力传输机制中的第一控制电流30的工作 进行说明。
[0073] 第一 DC传输线和第二DC传输线40、42将第一电力变流器和第二电力变流器（未 示出）互连，第一电力变流器和第二电力变流器自身被连接到与第一 AC网络和第二AC网 络（未示出）对应的各自的相位上。经由相应的电力变流器以及第一 DC传输线和第二DC 传输线40、42将电力从第一 AC网络输送到第二AC网络。
[0074] 在DC传输机制正常操作期间，第一控制电路30采用待命配置，在该待命配置中， 每个模块44a、44b的电容器52被插入到电流传输路径中，即切换到具有相应主电阻器46、 48的电路中。
[0075] 模块44a、44b上的总电压近似等于VDC；,即DC传输线40、42上的DC传输机制电压。 在该配置中，没有或者有很小的电流流过电流传输路径，即流过模块44a、44b和主电阻器 46、48。
[0076] 在由于例如第二AC网络中的故障导致第二电力变流器无法接收所输送的电力的 情况下，第一 AC网络必须临时继续输送电力到DC传输线40、42中直到电力转移能够被减 小至零为止，对于风力发电设备来说通常为1-2秒。
[0077] 为了使得第一 AC网络能够通过第二电力变流器继续输送电力到DC传输线40、42 中，控制单元200选择性地将第一模块和/或第二模块44a、44b中的一个或更多个电容器 52从电流传输路径中移除。这导致在电流传输路径上产生电压波形，该电压波形在DC传输 线40、42上的电压Vdc上加上或者减去有限的电压阶跃。这反过来在第一电阻器46、48上 施加了一个电压波形并因此导致电流波形从DC传输线40、42流过电流传输路径和主电阻 器46、48。因此，能量可被转移出DC传输线40、42并且通过主电阻器46、48被耗散。
[0078] 可以通过包括具有不同电流特性的一个或更多个电流组分来调制电流波形以形 成不同的形状，从而改变从DC传输线40、42中移除的能量的特性。
[0079] 在电流波形的调制过程中，控制单元100可以选择性地正向或者反向地插入每个 电容器52以在第一控制电路30的单个工作周期中以相应的能量水平减小来抵消任何的能 量水平增加，反之亦然。这使得第一控制电路30能够维持每个链连接变流器的能量水平的 净变化为零，并由此将每个链连接变流器的平均能量水平维持在恒定数值，同时控制第一 控制电路30从DC传输线40、42中移除过量能量。
[0080] 在经由主电阻器46、48通过电力耗散将过量能量从DC传输线40、42中移除之后， 第一控制器102切换模块44a、44b的开关元件50从而将每个电容器52切换回具有相应主 电阻器46、48的电路。这样的配置切断了在第一控制电路30中流动的电流，这使得DC传 输机制能够恢复到正常操作。
[0081] 在第一控制电路30的正常操作过程中，第一电流传输路径部分和第二电流传输 路径部分中的每个上的最大电压等于DC传输机制电压Vdc的一半，即0.5Vdc，而当从各个 电流传输路径部分中移除全部电容器52时，流过第一电流传输路径部分和第二电流传输 路径部分中的每个的最大电流等于DC传输机制电压Vdc的一半除以对应的主电阻器46、48 的电阻。因而每个模块44a、44b和主电阻器46、48被规定为适用于第一控制电路30的正 常操作过程中出现的这些最大电压和电流水平。
[0082] DC传输机制中的故障或者其它异常操作状态可能导致在DC传输线40、42中的一 个与地56之间发生DC电极接地故障（pole-to-ground fault) 58,即DC传输线40、42中的 一个与地56之间的短路，该短路将对应的电流传输路径部分旁路。
[0083] 为实现本说明书的目的，参照图3中所示的将第二电流传输路径部分旁路的第二 DC传输线42与地56之间的短路，对DC电极接地故障58期间的第一控制电路30的后续故 障操作进行说明。
[0084] 在DC电极接地故障58的情况下，在第二DC传输线42与地56之间产生的短路导 致第二DC传输线42与地56之间的电压差降为零电压。
[0085] 如图4中所示，一旦检测到DC电极接地故障58,控制单元100就进入故障保护模 式。
[0086] 在故障保护模式中，控制单元100选择性地从电流传输路径中移除第一模块和第 二模块44a、44b的电容器52。被移除的电容器52因而无法导电并因而无法进行充电或者 放电。因此，当被从电流传输路径中移除时，每个电容器52的电压电平保持不变，并且因而 免受过电压造成的损坏。
[0087] 将第一模块44a的电容器52从电流传输路径中移除导致DC传输机制电压Vdc被 施加在第一主电阻器46和辅助电阻器54上。因为辅助电阻器54具有与第一主电阻器46 相等的电阻，所以第一主电阻器46上的电压降等于0.5Vdc。在DC电极接地故障58期间流 过第一主电阻器46的最大电流因而等于0. 5Vdc除以第一主电阻器46的电阻，该最大电流 等于第一控制电路30正常工作期间流过第一主电阻器46的最大电流水平。因此，第一模 块44a和第一主电阻器46免受过电流造成的损坏。
[0088] 可选地，在故障保护模式中，控制单元100可以选择性地切换第二模块44b以阻止 电流从其中流过，而不是选择性地将第二模块44b的电容器52从电流传输路径中移除。
[0089] 与此同时，第一 DC传输线40在DC电极接地故障58期间由于暴露在DC传输机制 电压Vdc下而被过度充电至Vdc。
[0090] 第一控制电路30因而在故障保护模式中可操作以保护第一控制电路30的部件在 DC电极接地故障58期间免受过电压和过电流情况，直至DC电极接地故障58被排除。
[0091] 如图5中所示，在DC电极接地故障58被排除之后，第一控制电路30进入网络放 电模式。
[0092] 在网络放电模式中，控制单元100选择性地从电流传输路径中移除第一模块44a 的电容器52。这导致电流波形60通过第一电流传输路径部分从第一 DC传输线40流向地 56。这使得能够从过度充电的第一 DC传输线中提取过量能量并且通过第一主电阻器46和 辅助电阻器54将过量能量耗散。
[0093] 与此同时，控制单元100选择性地切换第二模块44b以阻止电流从其中流过，从而 防止在网络放电模式期间从第二DC传输线42中提取能量。
[0094] 可选地，控制单元100可以选择性地将第一模块44a的一个或更多个电容器52插 入电流传输路径以产生负电压从而加速放电过程，或者产生变化的电压从而对第一 DC传 输线40的放电速率进行控制。
[0095] 一旦第一 DC传输线40被放电至其正常工作电压+Vdc/2,第一控制电路30就退出 网络放电模式并且选择性地将第一模块和第二模块44a、44b的所有电容器52插入电流传 输路径。这将第一控制电路30返回到其待命配置，并且使得DC传输机制和第一控制电路 30能够恢复正常工作。
[0096] 应当理解的是，第一控制电路30在DC电极接地故障58期间的上述故障工作同样 适用于发生在第一 DC传输线40与地56之间的、将第一电流传输路径部分旁路的短路。
[0097] 将辅助电阻器54包括在第一控制电路30中因而允许对第一控制电路30的部件 上的最大电压和电流水平进行控制以使其在第一控制电路30的正常和故障工作期间是相 同的。这从而避免了增大第一控制电路30的部件的额定电压和额定电流的需要，并因而使 得第一控制电路30的整体尺寸和成本达到最小。
[0098] 此外，模块44、第一主电阻器和第二主电阻器46、48以及控制单元100被用于第一 控制电路30的正常和故障工作中。这从而消除了使用额外设备来保护第一控制电路30的 部件免受过电压和过电流情况的需要，并从而使得第一控制电路30的尺寸和复杂度达到 最小。
[0099] 第一控制电路30因而不仅能够调节DC传输线40、42中的能量水平，而且能够以 划算的方式来保护其自身的部件。
[0100] 可以设想，在本发明的实施例中，在控制电路正常工作期间，控制单元1〇〇可以选 择性地将一个或更多个电容器52从电流传输路径中移除，以通过吸收来自DC传输线40、 42的能量对插入电流传输路径的一个或更多个其它电容器52进行充电，从而补偿每个模 块44a、44b的任何工作损失并由此将每个模块44a、44b的平均能量水平维持在恒定数值。
[0101] DC传输机制中的故障或者其它异常的操作状态还可能导致在DC传输线40、42之 间发生DC电极间故障（pole-to-pole €&111〇62，即0(：传输线40、42之间的短路，该短路将 第一控制电路30旁路。
[0102] 如图6中所示，在DC电极间故障62的情况中，在DC传输线40、42之间的产生的 短路导致DC传输线40、42之间的电压差下降至零电压。
[0103] 如图7中所示，一旦检测到DC电极间故障62,控制单元100就选择性地从电流传 输路径中移除第一模块和第二模块44a、44b的电容器52。被移除的电容器52无法导电并 因而无法进行充电或者放电。因此，当被从电流传输路径中移除时，每个电容器52的电压 水平保持不变，并且因而免受过电压造成的损坏。
[0104] 可选地，一旦检测到DC电极间故障62,控制单元100就可以选择性地切换第一 模块和第二模块44a、44b以阻止电流从其中流过，而不是选择性地将第一模块和第二模块 44a、44b的电容器52从电流传输路径中移除。因此，通过由电容器52的电压总和超过DC 传输线上的零电压所导致的IGBT的切断和反向平行二极管的反向偏置来阻止电流流过每 个模块44a、44b。
[0105] 在DC电极间故障62被排除之后，使用整流站（未示出）将DC传输电缆充电回到 正常工作电压。一旦DC传输线40、42被充电回到各自的正常工作电压，第一控制电路30 就选择性地将模块44a、44b的所有电容器52插入电流传输路径。这将第一控制电路30返 回到其待命配置，并且使得DC传输机制和第一控制电路30能够恢复正常工作。
[0106] 图8中示出了根据本发明的第二实施例的控制电路70。第二控制电路70在结构 和工作方式上与图2中所示的第一控制电路30类似，并且相同的特征使用相同的附图标 记。
[0107] 第二控制电路70与第一控制电路30的区别在于，第二控制电路70的每个模块 72a、72b包括与电容器78并联连接成全桥式配置的第一组串联电流控制元件和第二组串 联电流控制元件74、76,从而限定可在单向导电时提供零电压、正电压或者负电压的二象限 合理化双极型模块72a、72b。
[0108] 每组串联电流控制元件74、76包括开关元件80和次无源电流校验元件82，开关元 件80在所示实施例中为与反向平行二极管并联连接的IGBT以选择性地引导电流流过电容 器78,次无源电流校验元件82采用二极管的形式以将流过模块72a、72b的电流限制在单一 方向。
[0109] 第二控制电路70中的每个模块72a、72b的配置减少了部件的总数量，并因而相比 于第一控制电路30减小了第二控制电路70的尺寸和成本。
【权利要求】
1. 一种控制电路，包括用于连接到DC网络上的第一主端子和第二主端子（32、34)，所 述第一主端子和所述第二主端子（44a、44b)具有串联连接在所述第一主端子和所述第二 主端子（32、34)之间的多个模块和多个主能量转换元件（46、48)以限定一电流传输路径， 每个模块（44a、44b)包括至少一个能量存储器件（52)，每个能量存储器件可被选择性地从 所述电流传输路径中移除； 所述控制电路还包括串联连接在所述第一主端子和所述第二主端子（32、34)之间的 次端子（36)，所述多个模块包括至少一个第一模块（44a)和至少一个第二模块（44b)，所述 或每个第一模块与至少一个主能量转换元件（46)串联连接在所述第一主端子（32)与所述 次端子（36)之间以限定第一电流传输路径部分，所述或每个第二模块（44b)与至少一个其 它主能量转换元件（48)串联连接在所述第二主端子（34)与所述次端子（36)之间以限定 第二电流传输路径部分； 所述控制电路还包括至少一个辅助能量转换元件（54)和辅助端子（38)，所述或每个 辅助能量转换元件（54)串联连接在所述次端子（36)与所述辅助端子（38)之间，所述辅助 端子用于连接到地（56)。
2. 根据权利要求1所述的控制电路，其中，每个模块还包括至少一个开关元件（50)以 选择性地引导电流流过所述或每个能量存储器件（52)并且使电流将所述或每个能量存储 器件芳路。
3. 根据权利要求2所述的控制电路，其中，每个模块包括两对开关元件（50)，所述两对 开关元件（50)与所述或每个能量存储器件（52)并联连接成全桥式配置以限定一可提供零 电压、正电压或负电压并且可在两个方向上导电的四象限双极型模块。
4. 根据权利要求2所述的控制电路，其中，每个模块（44a、44b)包括第一组串联电流控 制元件和第二组串联电流控制元件（74、76)，每组电流控制元件包括一开关元件（80)以选 择性地引导电流流过所述或每个能量存储器件（78)以及一无源电流校验元件（82)以将流 过所述模块的电流限制在单一方向，所述第一组串联电流控制元件和所述第二组串联电流 控制元件（74、76)以及所述或每个能量存储器件（78)排布成全桥式配置以限定一可在单 向导电时提供零电压、正电压或负电压的二象限双极型合理化模块。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的控制电路，还包括第一控制器（102)以选择性地 将每个能量存储器件（52)从所述电流传输路径中移除，所述第一控制器（102)被配置成在 故障保护模式中以及在网络放电模式中对每个能量存储器件（52)进行切换。
6. 根据权利要求5所述的控制电路，其中，在使用中处于所述辅助端子（38)与被连接 到所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的一个上的主端子（32、34) 之间的故障期间，当工作在所述故障保护模式中时，所述第一控制器（102)选择性地将所 述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的另一个上的所述或每个能量 存储器件（52)从所述电流传输路径中移除。
7. 根据权利要求5或6所述的控制电路，其中，在使用中处于所述辅助端子（38)与 被连接到所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的一个上的主端子 (32、34)之间的故障期间，当工作在所述故障保护模式中时，所述第一控制器（102)选择性 地将所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的该一个上的所述或每 个能量存储器件（52)从所述电流传输路径中移除。
8. 根据权利要求5至7中任一项所述的控制电路，其中，当工作在所述网络放电模式中 时，所述第一控制器（102)选择性地将所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路 径部分中的一个上的一个或更多个能量存储器件（52)从所述电流传输路径中移除，从而 使得电流波形从所述DC网络流过所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部 分中的一个。
9. 根据权利要求8所述的控制电路，其中，所述第一电流传输路径部分和第二电流传 输路径部分中的一个上的一个或更多个能量存储器件（52)被选择性地从所述电流传输路 径中移除，从而改变所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的一个上 的电压。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的控制电路，其中，每个模块（44a、44b)还包括至 少一个开关元件（50)以选择性地阻止电流流过所述模块。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的控制电路，还包括第二控制器（104)以选择性 地阻止电流流过所述模块（44a、44b)，所述第二控制器（104)被配置成在故障保护模式中 以及在网络放电模式中对每个模块（44a、44b)进行切换。
12. 根据权利要求11所述的控制电路，其中，在使用中处于所述辅助端子（38)与被连 接到所述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的一个上的主端子（32、 34)之间的故障期间，当工作在所述故障保护模式中时，所述第二控制器（104)选择性对所 述第一电流传输路径部分和所述第二电流传输路径部分中的该一个上的所述或每个模块 (44a、44b)进行切换以阻止电流流过所述模块。
13. 根据从属于权利要求8或9时的权利要求11或12所述的控制电路，其中，当工作 在所述网路放电模式中时所述第二控制器（104)选择性地对所述第一电流传输路径部分 和所述第二电流传输路径部分中的另一个上的所述或每个模块（44a、44b)进行切换以阻 止电流流过所述模块。
【文档编号】H02H7/26GK104160572SQ201280071028
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年3月1日 优先权日:2012年3月1日
【发明者】纳姆迪·奥卡密, 戴维·雷金纳德·特雷纳, 科林·查诺克·戴维森 申请人:阿尔斯通技术有限公司