控制电路的制作方法
【专利摘要】一种控制电路(20)包括：第一端子和第二端子(22，24)，用于分别连接到第一输电线和第二输电线(26，28)；电流传输路径，在所述第一端子与第二端子(22，24)之间延伸并且具有由第三端子(34)隔开的第一电流传输路径部和第二电流传输路径部(30，32)，所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部(30，32)的两者其一或两者包括至少一个模块(36)，所述或每个模块(36)包括至少一个能量存储装置；辅助端子(42)，用于连接到地或者连接到所述第二输电线(28)；能量转换块，用于从所述输电线(26，28)去除能量，所述能量转换块在第三端子与辅助端子(34，42)之间延伸使得所述能量转换块从所述电流传输路径分支，所述能量转换块包括至少一个能量转换元件(44)；以及控制单元(46)，从电流传输路径选择性地去除所述能量存储装置或每个能量存储装置。
【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]在DC输电方案中，DC传输线1a和1b被用来互连输电网络12和受电网络14以允许两个电网络12与14之间电力的转移，如图1a所示。在防止受电网络14接收来自DC传输线1a和1b的电力的故障16的情况下,输电网络12不能中断将电力传输到DC传输线1a和10b。这是因为发电机(诸如涡轮机)不能被立即切断，并且因而将继续给DC传输线1a和1b供给能量18。另外，并网准则要求受电网络14进行供给下降(supply dip,例如电压被降低至原值的大约15% )并在去除故障16时恢复传输电能。
[0003]继续传输电力至DC传输线1a和1b导致在DC传输线1a和1b中积累过剩的电力，尤其因为DC传输线1a和1b的电容的不受控充电引起的高电压应力，这不仅不利地影响由各个电网络12和14的电力的传输与接收之间的平衡，还可能损害DC电力传输方案的各种组件。
[0004]防止过剩电力积累的一个解决方案是将过剩电力暂时地存储在形成输电网络12的一部分的DC环电容器和其他电容器中。但是，输电网12的有限的能量存储容量限制可以被暂时存储起来直到受电网络14返回其工作状态的实际电能的数量。
[0005]防止过剩电力积累的另一个解决方案是使用负载转储斩波电路20以从DC输电线1a和1b转移过剩电力。图1b示出与跨接DC传输线1a和1b的开关24串联连接的转储电阻器22。闭合开关24使电流通过转储电阻器22从DC传输线流动，进而使电力经由转储电阻器22被耗散。这允许过剩能量经由负载转储斩波电路20从DC传输线1a和1b被去除。
[0006]为了吸收过剩能量，现存的斩波电路使用简单的半导体开关以连接位于DC传输线之间的电阻器。这类斩波器依赖以脉宽调制(PWM)方式操作的大量低电压半导体开关的串联连接和同时切换以精确地控制能量吸收。这种斩波电路开关的设计和操作需要较大的无源器件和复杂的控制方法以确保单个半导体开关之间的总施加电压的相等份额。另外，PWM动作导致斩波电路和DC传输线内电压和电流的极快速地变化,这导致不期望的电尖峰和高电平的电磁噪声和干扰。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一方面，提供一种控制电路，包括:
[0008]第一端子和第二端子，用于分别连接到第一输电线和第二输电线；以及
[0009]电流传输路径，在所述第一端子与第二端子之间延伸并且具有由第三端子隔开的第一电流传输路径部和第二电流传输路径部，所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部的两者其一或两者包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个能量存储装置，
[0010]辅助端子，用于连接到地或者所述第二输电线；
[0011]能量转换块，用于从所述输电线去除能量，所述能量转换块在第三端子与辅助端子之间延伸，使得所述能量转换块从所述电流传输路径分支，所述能量转换块包括至少一个能量转换元件；以及
[0012]控制单元，从电流传输路径选择性地去除所述能量存储装置或每个能量存储装置。
[0013]如果必要的话，为了例如保护输电线免于过电压且确保低压故障穿越，以这种方式配置控制电路允许其被用作能量去除装置，以从输电线去除过剩能量。这是因为在控制电路中包含所述或每个模块允许有源地修改在所述或每个能量转换元件中流动的电流以对应于从输电线去除的过剩能量。
[0014]为了调节输电线中的能量水平，在其正常操作中，控制电路可以被配置为采用备用配置，其中在输电线的正常状态期间，所述能量存储装置或每个能量存储装置被插入电流传输路径以阻断电流传输路径中流动的电流，或者从电流传输路径选择性地去除一个或多个能量存储装置以使电流通过电流传输路径从输电线流向所述或每个能量转换元件以便能够经由所述或每个能量转换元件从DC传输线去除并且耗散过剩能量。
[0015]已经发现从电流传输路径选择性地去除所述能量存储装置或每个能量存储装置的能力允许能量(即过剩电力)从输电线快速转移到控制电路，并且由此能够进行能量传输线中能量水平的快速调节。这进而允许在相关联电网络故障的情况下，控制电路对需求进行快速响应以调节输电线中的能量水平。
[0016]以这种方式(即能量转换块相对于电流传输路径的布置)配置的控制电路允许当不需要控制电路从输电线去除能量时阻止或最小化能量转换块中的电流。当需要控制电路来从输电线去除能量时，为了能够从输电线去除能量，第一电流传输路径部和第二电流传输路径部中的其中一个或两个则可以被配置为允许电流流过能量转换块。
[0017]将辅助端子连接到第二输电线的控制电路的配置允许能量转换块被连接到第二输电线而不是连接到地，并且由此允许高电流通过输电线而不是输电线的寄生电容流通。
[0018]可以理解地是，在本发明中提及的“输电线”既包括AC输电线也包括DC输电线。
[0019]在本发明的实施例中，第一电流传输路径部可以包括至少一个第一模块，所述第一模块或每个第一模块包括至少一个第一能量储存装置。
[0020]至少一个第一模块还可以包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个第一能量储存装置或使电流旁路所述或每个第一能量储存装置。这种方式的每个第一模块的结构允许其主开关元件由其能量存储装置而不是外部电源来供电，从而导致更紧凑的控制电路。
[0021 ] 所述第一模块或每个第一模块可以被配置为具有双向电流能力，即所述第一模块或每个第一模块可以被配置为能够在两个方向上传导电流。作为不例，至少一个第一模块可以包括以半桥结构与能量存储装置并联连接的一对主开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。作为另一个示例，至少一个第一模块可以包括与第一能量存储装置并联连接的两对主开关元件，以限定能够提供零电压、正电压或负电压并且能够在两个方向上传导电流的4-象限双极模块。
[0022]在控制电路中使用具有双向电压能力的模块能够使控制电路与LCCHVDC方案(其中当被传输电力的方向被转向时，DC电压的极性改变)结合。
[0023]可替代地，所述第一模块或每个第一模块可以被配置为具有单向电流能力，即所述或者每个第一模块可以被配置为能够仅在一个方向上传导电流。作为示例，至少一个第一模块可以包括串联连接的第一组电流流动控制元件和第二组电流流动控制元件，每组电流流动控制元件包括有源开关元件以选择性地引导电流通过所述第一能量存储装置或每个第一能量存储装置，和无源电流单向元件以限制电流在单个方向上通过第一模块流动，串联连接的第一组电流流动控制元件和第二组电流流动控制元件和所述第一能量存储装置或每个第一能量存储装置以全桥结构布置，以限定能够提供零电压、正电压或负电压并同时在单个方向上传导电流的2-象限双极合理化模块。
[0024]这种第一模块提供从电流传输路径选择性地去除所述或每个第一能量储存装置的可靠手段。
[0025]在本发明的实施例中，第二电流传输路径部可以包括至少一个主开关块，可切换以选择性地允许或禁止第二传输路径部中电流的流动。
[0026]至少一个主开关块可以包括至少一个次开关元件。取决于第二电流传输路径部所需的电压额定值，第二电流传输路径部中次开关元件的数量可以变化。
[0027]至少一个主开关块可以包括第二模块，第二模块包括至少一个第二能量储存装置。至少一个第二模块可以包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个第二能量存储装置或使得电流旁路所述或每个第二能量储存装置。如上针对第一模块所述，这种方式的所述或每个第二模块的结构允许主开关元件由能量存储装置而不是外部电源来供电，从而导致更紧凑的控制电路。
[0028]以与上述第一模块或每个第一模块相同的方式，所述或每个第二模块可以被配置为具有双向或单向电流能力。为了切换所述或每个主开关块，这种第二模块提供从第二电流传输路径部选择性地去除所述或每个第二能量存储装置的可靠手段。
[0029]在将辅助端子用于连接到第二输电线的本发明的实施例中，为了增大流过电能转换块的电流并且从而提高控制电路从DC输电线去除能量的效率，在从输电线去除能量期间，控制电路可以被配置为阻止或最小化流过第二电流传输路径部的电流。更具体地，控制单元可以选择性地切换所述或每个主开关块以阻止或最小化流过第二电流传输路径部的电流，并且从而使电流被引导至所述或每个能量转换元件。
[0030]当至少一个主开关块包括至少一个次开关元件时，控制单元可以选择性地切换所述或每个次开关元件至关断状态，以阻止电流流过第二电流传输路径部，并且从而使电流被弓I导至所述或每个能量转换元件。
[0031]当至少一个主开关块包括第二模块时，控制单元可以选择性地切换在第二电流传输路径部的所述或每个第二模块中的所述或每个开关元件，以阻止或最小化流过第二电流传输路径部的电流并且从而使电流被引导到所述或每个能量转换元件。
[0032]对于利用使用至少一个第一模块和至少一个主开关块的实施例，第一电流传输路径部的调制电压和电流两者的能力允许在零电压和零电流条件下软切换第二电流传输路径部的所述或每个主开关块。
[0033]在从输电线去除能量期间，将辅助端子连接到第二输电线的控制电路的配置和其操作导致第二电流传输路径部传导零电流或接近于零的电流。这从而允许在第二电流传输路径部中使用低电流、高电压的半导体器件。
[0034]在将辅助端子用于连接到地的本发明的实施例中，控制电路可以被配置为使得电流流过电流传输路径和所述或每个能量转换元件，如下文所述。
[0035]当每个第一电流传输路径部和第二电流传输路径部包括至少一个模块时，控制单元可以从第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个能量存储装置以产生跨所述或每个能量转换元件两端的AC电压(交流电压)波形，以从输电线去除能量。
[0036]可选地，控制单元可以从第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个能量存储装置，以产生跨每个第一电流传输路径部和第二电流传输路径部两端的方波电压波形(例如，180°相移方波电压波形)，并且从而产生跨所述或每个能量转换元件两端的AC电压波形，以从输电线去除能量。已经发现，在从输电线去除能量期间，跨每个第一电流传输路径部和第二电流传输路径部两端的这种方波电压波形的产生不仅降低流过模块的电流的峰值，还允许每个电流传输路径部的多个模块之间的能量平衡。可以理解地是，在从输电线去除能量期间，控制单元可以从第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个能量存储装置，以便产生跨每个第一电流传输路径部和第二电流传输路径部两端的不同形状的电压波形。
[0037]在采用使用能量转换块的本发明的实施例中，能量转换块还可以包括至少一个辅助开关块，可切换以选择性地允许或禁止所述或每个能量转换元件中电流的流动。
[0038]在这种控制电路中，从电流传输路径选择性地去除所述能量存储装置或每个能量存储装置对控制从输电线去除能量不是必要的。代替地，在能量去除模式中切换所述或每个辅助开关块来控制所述或每个能量转换块中电流的流动并且由此控制从输电线去除能量。因此，在备用配置中，在能量转换块中使用至少一个辅助开关块允许相对于其用于阻止电流来优化电流传输路径的结构，从而提供在硬件体积和成本方面的节约和在控制电路的操作效率方面的提高。
[0039]至少一个辅助开关块可以包括至少一个辅助开关元件。
[0040]至少一个辅助开关块可以包括一个辅助模块，辅助模块包括至少一个辅助能量存储装置。至少一个辅助模块可以包括至少一个辅助开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置或使电流旁路所述或每个辅助能量存储装置。
[0041]这种辅助模块可以被控制来有源地修改在所述或每个能量转换元件中流动的电流以对应于从输电线去除的过剩能量。
[0042]可选地，以和上述的第一模块和第二模块相同的方式，至少一个辅助模块可以被配置为具有双向或单向电流能力。
[0043]在采用使用至少一个辅助开关块和至少一个第二能量存储装置的本发明的实施例中，当所述或每个辅助开关块被切换时，控制单元可以从第二电流传输路径部选择性地去除每个第二能量存储装置以修改第三端子处的电压，以允许所述或每个辅助开关块的软切换，从而最小化开关损耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]现将参考附图，通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，其中:
[0045]图1a和图1b以示意图的形式示出现有技术DC传输方案；
[0046]图2以示意图的形式示出根据本发明的第一实施例的控制电路；
[0047]图3示出图2的控制电路的操作；
[0048]图4以示意图的形式示出根据本发明的第二实施例的控制电路；
[0049]图5以示意图的形式示出根据本发明的第三实施例的控制电路；
[0050]图6以示意图的形式示出根据本发明的第四实施例的控制电路；
[0051]图7示出图6的控制电路的操作；
[0052]图8以示意图的形式示出图6控制电路的用于Matlab-Simulink仿真的仿真模型；
[0053]图9a至图9c以曲线图的形式示出图8的仿真模型的结果；以及
[0054]图10以示意图的形式示出根据本发明的第五实施例的控制电路。
【具体实施方式】
[0055]图2示出根据本发明的第一实施例的第一控制电路20。
[0056]第一控制电路20包括第一端子22和第二端子24。在使用中，第一端子22和第二端子24分别被连接到分别携带+Vdc/2和-Vdc/2电压的第一 DC输电线26和第二 DC输电线28。
[0057]第一控制电路20还包括在第一端子22与第二端子24之间延伸的电流传输路径。电流传输路径具有由第三端子34隔开的第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32。
[0058]第一电流传输路径部30在第一端子22与第三端子34之间延伸，并且包括多个串联连接的第一模块36。每个第一模块36包括与以第一电容器形式的能量存储装置并联连接的两对主开关元件。每对主开关元件和第一电容器以全桥结构来连接以限定能够提供零电压、负电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4-象限双极模块。
[0059]第二电流传输路径部32在第二端子24与第三端子34之间延伸，并且包括多个串联连接的次开关元件40。
[0060]每个开关元件由以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成。每个开关元件还包括与其并联连接的反并联二极管。
[0061]第一控制电路20还包括辅助端子42和在第三端子34与辅助端子42之间延伸的能量转换块，使得能量转换块从电流传输路径分支。能量转换块包括在第三端子34与辅助端子42之间串联连接的转储电阻器44。可以设想，在本发明的其他实施例中，转储电阻器44可以由多个转储电阻器代替。
[0062]在使用时，辅助端子42被连接到第二 DC输电线28。
[0063]第一控制电路20还包括控制单元46以控制从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器。每个第一电容器被从第一电流传输路径部30选择性地去除，如下所述。
[0064]通过改变主开关元件的状态，每个4-象限双极模块的第一电容器被选择性地旁路或插入到电流传输路径。这选择性地弓I导电流通过第一电容器或使得电流旁路第一电容器，使得每个4-象限双极模块提供零电压、负电压或正电压。
[0065]在4-象限双极模块中，当在每个4-象限双极模块中的各对主开关元件被配置为形成短路时，每个4-象限双极模块的第一电容器被旁路。这使在第一电流传输路径部30中的电流经过短路并旁路第一电容器，所以4-象限双极模块提供零电压，即4-象限双极模块被配置为旁路模式并且从而被从第一电流传输路径部30去除。
[0066]当每个4-象限双极模块中的各对主开关元件被配置为允许在第一电流传送路径部30中的电流流入和流出第一电容器时，每个4-象限双极模块的第一电容器被插入第一电流传输路径部30。然后第一电容器将其存储的能量充电或放电以便提供非零电压，即4-象限双极模块被配置为非旁路模式，并且从而不从第一电流传输路径部30去除。4-象限双极模块的双向性质意味着第一电容器可以以正向或反向插入第一电流传输路径部30,以便提供正电压或负电压。
[0067]通过将每个提供自身电压的多个第一模块36的第一电容器插入第一电流传输路径部30，能够建立跨多个第一模块36两端的组合电压，其高于从每个单个第一模块36可得的电压。以这种方式切换每个第一模块36的主开关元件使得多个第一模块36提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似来产生跨多个第一模块36两端的电压波形。
[0068]可以设想，在本发明的其他实施例中，每个第一模块可以以其他方式配置以具有双向电流能力。例如，每个第一模块可以包括以半桥结构与第一电容器并联连接的一对主开关元件以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。
[0069]控制单元46还控制多个次开关元件40的切换。
[0070]下文参照图3描述DC电力传输方案内第一控制电路20的操作。
[0071]第一 DC输电线26和第二 DC输电线28互连第一电力转换器48和第二电力转换器50，第一电力转换器48和第二电力转换器50本身连接到相应的第一 AC网络和第二 AC网络(未不出)的相应的相位。经由对应的电力转换器及第一 DC输电线26和第二 DC输电线28将电力从第一 AC网络传输至第二 AC网络。
[0072]在正常操作期间，第一控制电路20米用每个第一模块36的第一电容器被连接在电流传输路径中的备用配置。同时，控制单元46将每个次开关元件40切换至导通状态以允许电流流过第二电流传输路径部32并且从而旁路转储电阻器44。换句话说，当第一控制电路20处于备用配置时，第二电流传输路径部32被配置为将转储电阻器44 “短路”出电路并且被保持在该状态中。以这种方式配置第二电流传输路径部32的目的是经由转储电阻器44通过能量耗散来使功率损耗最小化。
[0073]跨第一电流传输路径部30两端的总电压大约等于跨DC输电线26和28两端的电压VDC。在备用配置中，零电流或最小电流流过电流传输路径。
[0074]在第二电力转换器50由于例如在第二 AC网络中的故障而不能接收传输的电力的情况下，第一 AC网络必须暂时地继续传输电力至DC传输线，直到电力转移能够被减小到零(风力发电设备通常需要1-2秒)。这会导致在DC输电线路26和28中过剩能量的积累。如果必要的话，为了保护DC输电线26和28免于过电压且为了确保低压故障穿越，需要从DC输电线26和28去除过剩能量。
[0075]为了允许第一 AC网络经由第一电力转换器48继续传输电力至DC传输线，控制单元46选择性地将每个次开关元件40切换至关断状态以阻止电流流过第二电流传输路径部32,并且从而使电流被弓I导至转储电阻器44。同时，控制单元46从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器以产生跨第一电流传输路径部30两端的电压波形V1，其在跨DC传输线两端的电压Vdc上加上或减去有限的电压阶梯。这使电流Idump通过第一电流传输路径部30从DC输电线26和28流向转储电阻器44，并且从而允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26和28去除过剩能量。
[0076]在能量去除模式中，第一控制电路20从DC输电线26和28得到相对高的电流(通常每单位1.0)并且与DC输电线26和28交换真实电力。
[0077]在这种方式中，第一控制电路20能够被用作能量去除装置以从DC输电线26和28去除过剩能量。
[0078]在第一控制电路20中包含多个第一模块36允许产生宽范围的电压波形以有源地修改流过转储电阻器44的电流，以便对应于待从DC输电线26和28去除的过剩能量。
[0079]已经发现从电流传输路径选择性地去除每个第一电容器的能力，允许能量(即过剩电力)从DC输电线26和28快速转移到第一控制电路20，并且由此实现DC输电线26和28中能量水平的快速调节。这进而允许在相关电网络中故障的情况下，第一控制电路20对需求进行快速响应以调节DC输电线26和28中的能量水平。
[0080]此外，将辅助端子42连接到第二 DC输电线28进而允许转储电阻器44连接到第二 DC输电线28而不接地，并且从而允许高电流通过DC输电线26和28而不是DC输电线26和28的寄生电容流通。
[0081]可以理解地是，在备用配置和能量去除模式中，第二电流传输路径部32传导零或接近零的电流。这从而允许在第二电流传输路径部32中使用低电流、高电压的半导体器件，从而实现在损耗、成本和占用空间方面的降低。
[0082]图4示出根据本发明的第二实施例的第二控制电路120。图4中示出的第二控制电路120在结构和操作上与图1所示的第一控制电路20类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0083]第二控制电路120与第一控制电路20的不同之处在于:在第二控制电路120中，多个串联连接的次开关元件40由多个串联连接的第二模块68代替。每个第二模块68包括以第二电容器形式与能量存储装置并联连接的一对主开关元件。该对主开关元件和第二电容器以半桥结构连接以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。
[0084]在使用中，控制单元46控制从第二电流传输路径部32选择性地去除每个第二电容器。每个第二电容器被从第二电流传输路径部32选择性地去除，如下所述。
[0085]通过改变主开关元件的状态，每个-2象限单极模块的第二电容器被选择性地旁路或插入电流传输路径。这选择地弓I导电流通过第二电容器或使电流旁路第二电容器，使得每个2-象限单极模块提供零电压或正电压。
[0086]在2-象限单极模块中，当每个2-象限单极模块中的一对主开关元件被配置为形成短路时，每个2-象限单极模块中的第二电容器被旁路。这使得第二电流传输路径部32中的电流经过该短路且旁路第二电容器，并且所以2-象限单极模块提供零电压，即2-象限单极模块被配置为旁路模式，并且由此被从第二电流传输路径部去除。
[0087]当每个2-象限单极模块中的一对主开关元件被配置为允许第二电流传输路径部32中的电流流入和流出第二电容器时，每个2-象限单极模块的第二电容器被插入第二电流传输路径部32。然后第二电容器对其储存的能量进行充电或放电，以便提供非零电压，即2-象限单极模块被配置为非旁路模式，并且从而为被从第二电流传输路径部32去除。
[0088]以上述相对于多个第一模块36相同的方式能够建立跨多个第二模块68两端的组合电压。
[0089]第二控制电路120的操作类似于第一控制电路20的操作，除了:
[0090]当从DC输电线26和28去除能量时，控制单元46选择性地切换第二电流传输路径部32的每个第二模块68的主开关元件的状态以阻止或最小化流过第二电流传输路径部32的电流，并且从而使电流被引导至转储电阻器44。
[0091]优选地，在从DC输电线26和28去除能量期间，第二控制电路120应该被控制为使得流过第二电流传输路径部32的电流为零。但是，实际上，一些电流将流过第二电流传输路径部32以使得能够对第二电容器进行充电或放电以实现跨转储电阻器44两端的期望电压。
[0092]可以理解地是，多个第二模块68中的每个能够被配置为具有低于多个第一模块36中的每个的额定值(rating)以便实现在损耗、成本和占用空间方面的降低。这是因为，如上文针对第一控制电路20所述的，在备用配置和能量去除模式中，第二电流传输路径部32传导零或接近零的电流。
[0093]图5示出根据本发明的第三实施例的第三控制电路220。图5中示出的第三个控制电路220在结构和操作上与图4所示的第二控制电路120类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0094]第三控制电路220与第二控制电路120的不同之处在于:在第三控制电路220中，每个第二模块70包括以第二电容器形式与能量存储装置并联连接的两对主开关元件。各对主开关元件和第二电容器以全桥结构连接以限定能够提供零电压、负电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4-象限单极模块。
[0095]在使用中，控制单元46控制从第二电流传输路径部32选择性地去除每个第二电容器。以与从第一控制电路20中的第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一模块36相同的方式从第二电流传输路径部32选择性地去除每个第二电容器。
[0096]除了在第二电流传输路径部32中使用4-象限双极模块代替2-象限单极模块以夕卜，第三控制电路220的操作与第二控制电路120的操作类似。
[0097]在第二电流传输路径部32中使用4-象限双极模块的益处在于:它允许使用结合有LCC HVDC算法的第三控制电路220，在LCC HVDC算法中，当被传输电力的方向被反转时，DC电压的极性改变。
[0098]图6示出根据本发明的第四实施例的第四控制电路320。图6中示出的第四个控制电路320在结构和操作上与图5所示的第三控制电路220类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0099]第四控制电路320与第三控制电路220的不同之处在于:
[0100]在使用中，辅助端子42被连接到地而不是被连接到第二 DC输电线28 ；
[0101]第二 DC传输路径部32还包括与多个第二模块70串联连接的第二电感器。
[0102]参照图7，下面描述DC电力传输方案内第四控制电路320的操作。
[0103]第一 DC输电线26和第二 DC输电线28互连第一电力转换器48和第二电力转换器50，第一电力转换器48和第二电力转换器50本身连接到对应的第一 AC网络和第二 AC网络(未不出)的相应的相位。经由对应的电力转换器及第一 DC输电线26和第二 DC输电线28将电力从第一 AC网络传输至第二 AC网络。
[0104]在正常操作期间，第四控制电路320采用第一模块和第二模块70的电容器被连接在电流传输路径中的备用配置。同时，当第四控制电路320为旁路配置时，为了阻止或最小化流过转储电阻器44的电流并且从而最小化经由转储电阻器44的能量耗散，第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32被配置为保持跨转储电阻器44两端的零或接近零的电压。以这种方式配置第一电流传输路径部31和第二电流传输路径部32的目的是最小化经由转储电阻器44通过能量耗散的功率损耗。
[0105]跨第一电流传输路径部30两端的总电压大约等于跨DC输电线26和28两端的电压VDC。在备用配置中，零电流或最小电流流过电流传输路径。
[0106]在第二电力转换器50由于例如在第二 AC网络中的故障而不能接收传输的电力的情况下，第一 AC网络必须暂时地继续传输电力至DC传输线，直到电力转移能够被减小到零(风力发电设备通常需要1-2秒)。如上所述，这会导致在DC输电线路26和28中过剩能量的积累。如果必要的话，为了保护DC输电线免于过电压且为了确保低压故障穿越，需要从DC输电线26和28去除过剩能量。
[0107]为了允许第一 AC网络经由第一电力转换器48继续传输电力至DC传输线，控制单元46从第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32选择性地去除每个第一电容器和第二电容器以产生跨第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中每个两端的电压波形，该电压波形在跨DC传输线两端的电压Vdc上加上或减去有限的电压阶梯。跨第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32两端的电压波形被定形为以便产生跨转储电阻器44两端的AC电压波形。这使得电流IAC—d_/2从DC输电线26和28通过第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32流动并且使电流IA。d_流向转储电阻器44，从而允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26和28去除过剩能量。
[0108]使用Matlab-Simulink实现第四控制电路320的仿真模型以说明其操作。图8中示出仿真模型的表示，其中第一电容器和第二电容器中每个被建模为DC电压源并且第四控制电路320与DC电压源并联连接。
[0109]为第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中每个设定方波电压波形。为了实现单个周期上零净能量交换的目的，第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中每个需要的每个方波电压波形的正峰值被设定为Vdc，而第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中每个需要的每个方波电压波形的负峰值是由比例积分调节器控制的负电压值，以便存储在第一电容器和第二电容器中任何损失的能量，如图9a所示，其以曲线图形式示出跨多个第一模块36两端的功率P1和由零平均功率Pavg表示的零净功率交换的变化。
[0110]实际上，所产生的电压波形的负值使得恒定的DC电流通过电流电流传输路径从第二 DC输电线28流向第一 DC输电线26以补偿从第一电容器和第二电容器到转储电阻器44的能量损失。恒定的DC电流抵消通过电流传输路径流向转储电阻器44的AC电流，如图9b所示，其以曲线图形式示出第一电流传输路径部30中的瞬时电流I1和零平均电流Ilavg以及第二电流传输路径部32中的瞬时电流I2和零平均电流I2avg。
[0111]图9c以曲线图的形式示出在转储电阻器44中耗散的瞬时功率Pk和平均功率P
1 Ravg0
[0112]从仿真模型可以发现，在单个周期中，使用180°对跨每个第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32两端的方波电压波形进行相移不仅降低通过第一电容器和第二电容器的电流的峰值，还导致多个第一模块36和多个第二模块70中的每个的零净能量交换。因此，在从DC输电线路26和28去除能量的期间中，使用180°对跨每个第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32两端的方波电压波形进行相移导致第四控制电路320的稳定操作。
[0113]图10示出根据本发明的第五实施例的第五控制电路420。图10中示出的第五个控制电路420在结构上与图4所示的第二控制电路120类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0114]第五控制电路420与第二控制电路120的不同之处在于:
[0115]第五控制电路420省略多个第一模块36 ；
[0116]能量转换块还包括与转储电阻器44串联连接的多个串联连接的辅助开关元件100。
[0117]下面描述DC电力传输方案内第五控制电路420的操作。
[0118]在正常操作期间，第六控制电路420采用每个第二电容器被连接在电流传输路径中的备用配置。同时，每个辅助开关元件100被切换至关断状态以抑制转储电阻器44中电流的流动以最小化功率损耗。
[0119]为了从DC输电线26和28去除能量，每个辅助开关元件100被切换至导通状态以允许转储电阻器44中电流的流动。在这个阶段，当每个辅助开关元件100被切换至导通状态时，控制单元46从第二电流传输路径部选择性地去除每个第二电容器以修改第三端子34处的电压，以允许每个辅助开关元件100的软切换。
[0120]每个辅助开关元件100切换至导通状态使得DC电流通过电流传输路径从DC输电线26和28流入转储电阻器44。这允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26和28去除过剩能量。
[0121]在DC输电线26和28恢复正常操作且不再需要操作第五控制电路420以从DC输电线26和28去除能量之后，在第五控制电路420被重新配置为备用配置之前，每个辅助开关元件100被切换回关断状态以抑制转储电阻器44中电流的流动。在这个阶段，当每个辅助开关元件100被切换回关断状态时，控制单元46从第二电流传输路径部选择性地去除每个第二电容器以修改第三端子34处的电压以允许每个辅助开关元件100的软切换。
[0122]以这种方式，第五控制电路420还提供能够从DC输电线26和28去除能量的简单的结构。
[0123]可以理解地是，第二电流传输路径部32能够被配置为具有低于多个串联连接的辅助开关元件100的额定值(rating)以便实现在损耗、成本和占用空间方面的降低。这是因为从电流传输路径选择性地去除每个第二电容器对于控制从DC输电线26和28去除能量不是必要的。
[0124]可以设想，在本发明的其他实施例中，每个辅助开关元件可以由用以控制转储电阻器中电流流动的辅助模块代替，每个辅助模块包括至少一个辅助能量存储装置。优选地，每个辅助模块包括至少一个辅助开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置或使得电流旁路所述或每个辅助能量存储装置。
[0125]每个辅助模块可以被配置为具有双向电流能力。例如，每个辅助模块可以以电流传输路径的第一模块和第二模块相同的方式被配置为具有双向电流能力，如之前的实施例所阐述的。
[0126]另外，可选地，每个辅助开关元件可以由被配置为具有单向电流能力的辅助模块代替，即所述或者每个辅助模块被配置为能够只在一个方向上传导电流。例如，每个辅助模块可以包括串联连接的第一组电流流动控制元件和第二组电流流动控制元件，每组电流流动控制元件包括有源开关元件以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置，以及无源电流单向元件以在单一方向上限制电流流过第一模块，串联连接的第一组电流流动控制元件和第二组电流流动控制元件和所述第一能量存储装置或每个第一能量存储装置以全桥结构布置，以限定能够提供零电压、正电压或负电压同时在单个方向上传导电流的
2-象限双极合理化模块。
[0127]在本发明的其他实施例中(未示出)，可以设想，一个或多个开关元件可以是不同的开关器件，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其他自换向半导体器件。在每个示例中，开关器件与反并联二极管并联连接。
[0128]可以设想，在本发明的其他实施例中(未示出)，每个模块中的电容器可以由不同的能量存储装置(诸如燃料电池、电池或能够储存和释放其电能来提供电压的任何其他能量存储装置)代替。
【权利要求】
1.一种控制电路，包括: 第一端子和第二端子，用于分别连接到第一输电线和第二输电线； 电流传输路径，在所述第一端子与第二端子之间延伸并且具有由第三端子隔开的第一电流传输路径部和第二电流传输路径部，所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部的两者其一或两者包括至少一个模块，所述模块或每个模块包括至少一个能量存储装置， 辅助端子，用于连接到地或者连接到所述第二输电线； 能量转换块，用于从所述输电线去除能量，所述能量转换块在所述第三端子与辅助端子之间延伸，使得所述能量转换块从所述电流传输路径分支，所述能量转换块包括至少一个能量转换元件；以及 控制单元，从所述电流传输路径选择性地去除所述能量存储装置或每个能量存储装置。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述控制单元从所述电流传输路径选择性地去除所述能量存储装置或每个能量存储装置，使得电流通过所述电流传输路径从所述输电线流动并流入所述电流转换元件或每个电流转换元件，以从所述输电线去除能量。
3.根据任一项前述权利要求所述的控制电路，其中所述第一电流传输路径部包括至少一个第一模块，所述第一模块或每个第一模块包括至少一个第一能量存储装置。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其中至少一个第一模块包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述第一能量存储装置或每个第一能量存储装置，或使得电流旁路所述第一能量存储装置或每个第一能量存储装置。
5.根据任一项前述权利要求所述的控制电路，其中所述第二电流传输路径部包括至少一个主开关块，所述主开关块能够被切换以选择性地允许或禁止所述第二传输路径部中电流的流动。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其中至少一个主开关块包括至少一个次开关元件。
7.根据权利要求5或6所述的控制电路，其中至少一个主开关块包括第二模块，所述第二模块包括至少一个第二能量存储装置。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中至少一个第二模块包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述第二能量存储装置或每个第二能量存储装置，或使得电流旁路所述第二能量存储装置或每个第二能量存储装置。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的控制电路，其中所述控制单元选择性地切换所述主开关块或每个主开关块以阻止或最小化在所述第二电流传输路径部中的电流，并且由此使电流被引导到所述能量转换元件或每个能量转换元件中。
10.根据当从属于权利要求6时的权利要求9所述的控制电路，其中所述控制单元选择性地切换所述次开关元件或每个次开关元件至关断状态，以阻断所述第二电流传输路径部中的电流并且由此使得电流被弓I导至所述能量转换元件或每个能量转换元件中。
11.根据当从属于权利要求8时的权利要求9所述的控制电路，其中所述控制单元选择性地切换在所述第二模块或每个第二模块中的所述主开关元件或每个主开关元件，以阻止或最小化所述第二电流传输路径部中的电流并且由此使得电流被引导至所述能量转换元件或每个能量转换元件中。
12.根据当从属于权利要求3或4时的权利要求7或8所述的控制电路，其中所述控制单元从所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个能量存储装置，以产生跨所述能量转换元件或每个能量转换元件两端的AC电压波形，以从所述输电线去除能量。
13.根据权利要求12所述的控制电路，其中所述控制单元从所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个能量存储装置，以产生跨所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部中每个两端的方波电压波形，并且由此产生跨所述能量转换元件或每个能量转换元件两端的AC电压波形，以从所述输电线去除能量。
14.根据任一项前述权利要求所述的控制电路，其中所述能量转换块还包括至少一个辅助开关块，所述辅助开关块能够被切换以选择性地允许或禁止所述能量转换元件或每个能量转换元件中电流的流动。
15.根据权利要求14所述的控制电路，其中至少一个辅助开关块包括至少一个辅助开关元件。
16.根据权利要求14或15所述的控制电路，其中至少一个辅助开关块包括辅助模块，所述辅助模块包括至少一个辅助能量存储装置。
17.根据权利要求16所述的控制电路，其中至少一个辅助模块包括至少一个辅助开关元件，以选择性地引导电流通过所述辅助能量存储装置或每个辅助能量存储装置，或使得电流旁路所述辅助能量存储装置或每个辅助能量存储装置。
18.根据当从属于权利要求7或8时的权利要求14至17中任一项所述的控制电路，其中当切换所述辅助开关块或每个辅助开关块时，所述控制电路从所述第二电流传输路径部选择性地去除每个第二能量存储装置，以修改所述第三端子处的电压，以允许所述辅助开关块或每个辅助开关块的软切换。
【文档编号】H02J3/36GK104303384SQ201280072851
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2012年12月28日 优先权日:2012年3月1日
【发明者】C·C·戴维森, K·J·塔克, J·曼埃罗, D·R·特莱尼尔, N·奥喀密 申请人:阿尔斯通技术有限公司