链式链接变换器中的改进或与链式链接变换器有关的改进的制作方法

在输电网络中，通常将交流（AC）功率变换成直流（DC）功率用于经由架空线路和/或海底电缆的输电。该变换消除用来补偿由传输线路或电缆所强加的AC电容负载的影响的需要，并且由此降低线路和/或电缆的每一公里的成本。因而，在需要在长距离传输功率时，从AC至DC的变换变得节省成本。

在输电网络中，还利用AC功率与DC功率之间的变换，其中，有必要使在不同的频率操作的AC电网络互相连接。在任何这种输电网络中，在AC功率与DC功率之间的每个接口处要求变换器，以实现所要求的变换，并且，一种这种形式的变换器是电压源变换器。

在图1中示意地示出典型的电压源变换器。电压源变换器10包括第一DC端子12和第二DC端子14，变换器分支16在第一DC端子12与第二DC端子14之间延伸。其他电压源变换器可以包括多于一个变换器分支16，并且具体地，可以包括三个变换器分支，变换器分支中的每个对应于三相电功率系统的给定的相。

变换器分支16包括通过交流（AC）端子22而分离的第一分支部分18和第二分支部分20。

在使用中，第一DC端子12和第二DC端子14分别与DC网络的正端子和负端子连接，并且，AC端子22与AC网络连接。

每个分支部分18、20包括链式链接变换器24，链式链接变换器24在AC端子22与第一DC端子12或第二DC端子14中的对应的一个之间延伸。每个链式链接变换器24包括多个串联连接的链式链接子模块26。

每个链式链接子模块26包括至少一个切换元件（未示出），该切换元件与以例如电容器的形式的能量存储装置并联连接。所述切换元件或每个切换元件可以包括以例如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的形式的半导体装置，该半导体装置与二极管反并联连接，然而，有可能使用其他半导体装置。

所述切换元件或每个切换元件的切换选择性地指引电流通过电容器，或促使电流旁路电容器，使得每个子模块26选择性地能够提供电压。以这种方式，有可能经由多个链式链接子模块26（其中每个子模块26提供其自身的电压）的电容器的插入而建立(build up)跨每个链式链接变换器24的组合的电压，该电压比可从每个个别子模块26获得的电压更高。

链式链接子模块26共同工作，以许可链式链接变换器24提供步进式可变电压源。这许可使用逐步逼近法来生成跨每个链式链接变换器24的电压波形。每个链式链接变换器24以这种方式的操作能够用来生成AC端子22处的AC电压波形，并且由此使电压源变换器10能够提供前面提到的AC网络与DC网络之间的功率传递功能性。

根据本发明的第一方面，提供识别链式链接变换器的有故障的子模块的方法，链式链接变换器包括多个子模块，每个子模块包括共同是选择性地可操作的以提供电压源的至少一个切换元件和能量存储装置，方法包含如下的步骤：

（i）测量链式链接变换器的每个子模块的切换特性；

（ii）确定链式链接变换器的切换特性特征；以及

（iii）将具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块识别为有故障的子模块。

链式链接变换器内的有缺陷或退化的子模块例如包括有故障的能量存储装置的子模块将倾向于以不同的速率，即，比完全运行的子模块更快地或更慢地释放和存储能量。结果，这种有缺陷或退化的子模块可以以与链式链接变换器中的其他完全运行的子模块不同的速率切换到电路中并且从其中切换出，或可以在不同的时间量内处于接通或断开状态，以便所有的子模块近似具有跨其的相同的电压。

本发明的发明者已明白，有缺陷或退化的子模块将因此倾向于展现与其他完全运行的子模块中的每个不同的切换特性，使得对给定的子模块的切换特性的考虑能够用来可靠地识别有故障的子模块，应当在随后的例程或例外维护时期的期间例如更仔细地监测和/或替换有故障的子模块。

切换特性可以包含切换频率。切换特性特征可以包含切换频率特征。切换特性可以包含切换持续时间。切换特性特征可以包含切换持续时间特征。

确定链式链接变换器的切换特性特征的步骤可以包含根据所测量的切换特性而确定链式链接变换器的切换特性特征。

更具体地，根据所测量的切换特性而确定链式链接变换器的切换特性特征许可,即，通过识别具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块而例如不必直接测量能量存储装置的能量存储能力,即,不必利用电容诊断装置确定以电容器的形式的能量存储装置的实际电容(这能够是相对费时的并且在链式链接变换器的持续操作期间难以进行)而识别有故障的模块。

此外，根据所测量的切换特性而确定链式链接变换器的切换特性特征意味着，切换特性特征自动地适应于链式链接变换器的不同的操作条件。

测量链式链接变换器的每个子模块的切换特性的步骤可以包括测量链式链接变换器的每个子模块的切换频率。确定链式链接变换器的切换特性特征的步骤可以包括根据所测量的切换频率而确定链式链接变换器的切换频率特征。将具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块识别为有故障的子模块的步骤可以包括识别具有从切换频率特征偏离的切换频率的所述子模块或每个子模块。

测量链式链接变换器的每个子模块的切换特性的步骤可以包括针对链式链接变换器的每个子模块而测量子模块提供电压源与不提供电压源之间的切换持续时间。确定链式链接变换器的切换特性特征的步骤可以包括确定链式链接变换器的切换持续时间特征。将具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块识别为有故障的子模块的步骤可以包括识别具有从切换持续时间特征偏离的切换持续时间的所述子模块或每个子模块。

切换持续时间和切换持续时间特征的使用能够使个别异常事件能够被识别。而且，方法可以包含响应于识别有故障的子模块而自动地和/或立即采取动作。

在本发明的优选的实施例中，切换特性特征采取子模块切换特性的特征分布的形式。

使切换特性特征采取子模块切换特性的特征分布的形式容易地使具有不正常的切换特性的子模块隔离，并且因此许可此后其迅速并且容易的识别。

优选地，识别具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块的步骤包括识别具有位于子模块切换特性的特征分布外的切换特性的所述子模块或每个子模块。

识别具有位于子模块切换特性的特征分布外的切换特性的所述子模块或每个子模块能够在各种子模块的所测量的切换特性以表格和图形两者的形式呈现时容易地执行，并且因此在识别一个或多个有故障的子模块方面提供大量的灵活性。

子模块切换特性的特征分布可以由切换特性值的范围定义。例如，子模块切换特性的特征分布可以由频率范围或持续时间值的范围定义。

这种步骤提供区别健康切换特性与反常切换特性的可靠的部件，使得可以容易地识别一个或多个有故障的子模块。

可选地，子模块切换特性的特征分布包括仅那些共同形成主群的切换特性子范围。

以前述的方式确定子模块切换特性的特征分布在帮助确保仅具有不正常的切换特性的子模块位于特征分布外的同时，提供确定特征分布的可靠的且可重复的方式。

在本发明的更进一步的优选的实施例中，测量每个子模块的切换特性的步骤包括在视觉上表示链式链接变换器内的所有的子模块的子模块切换特性的分布。

切换特性的分布的这种视觉表示可以采取例如直方图或发散图的形式，直方图或发散图两者都提供每个子模块的操作性能的‘看一眼就’指示，并且具体地，容易地允许迅速并且容易地在视觉上识别有故障的子模块。

在本发明的另一优选的实施例中，切换特性特征采取链式链接变换器中的所有的子模块的平均切换特性的形式。

使切换特性特征采取链式链接变换器中的所有的子模块的平均切换特性的形式容易地使具有不正常的切换特性的子模块隔离，并且因此许可此后其迅速并且容易的识别。

可选地，识别具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块的步骤包括识别具有与链式链接变换器中的所有的子模块的平均切换特性相差阈值量或更大的切换特性的所述子模块或每个子模块。

识别具有与链式链接变换器中的所有的子模块的平均切换特性相差阈值量或更大的切换特性的所述子模块或每个子模块能够在计算上以低的处理开销容易地执行。

优选地，根据链式链接变换器的操作条件而确定阈值量。

具有以前面提到的方式变化并且是可配置的阈值量许可例如在链式链接变换器的操作是至关重要的时的情况下促成(instigate)潜在有故障的子模块的更小的容限，和/或许可在其他情形下适应潜在有故障的子模块的更大的容限。

方法可以进一步包括在识别有故障的子模块时，发信号通知警报条件的步骤。这种步骤理想地例如对人类监督员指示有故障的子模块的存在，而不需要监督员持续地监测链式链接变换器的操作。

在本发明的更进一步的优选的实施例中，测量链式链接变换器的每个子模块的切换特性包括针对每个子模块而确定预定的时段内的平均切换特性。

针对每个子模块而确定例如60秒的预定的时段内的平均切换特性(具体地，平均切换频率)帮助避免例如链式链接变换器的暂时反常的操作期间的有故障子模块的错误识别。

可选地，方法进一步包括将链式链接变换器的切换特性特征与相同电压源变换器内的至少一个其他链式链接变换器的切换特性特征比较的步骤。

能够容易地例如在视觉上使用这种步骤来识别诸如可以形成变换器分支部分的给定的链式链接变换器，该变换器很可能包含至少一个有故障的子模块。

优选地，方法进一步包括将链式链接变换器的切换特性特征与参考切换特性特征比较的步骤。

这种参考切换特性特征能够表示例如电压源变换器的健康操作，使得仅仅通过将链式链接变换器的实际切换特性特征与参考切换特性特征比较而对具体的电压源变换器是否健康地操作和/或是否正确地执行相关联的控制系统算法的快速评估是可能的。

切换特性特征可以包含切换特性阈值。方法可以包含：将切换特性与切换特性阈值比较;并且将对于其切换特性超过切换特性阈值的所述子模块或每个子模块识别为有故障的子模块。切换特性阈值可以包含持续时间阈值。

根据本发明的另外的方面，提供用于链式链接变换器的控制器，链式链接变换器包括多个子模块，控制器配置成：

（i）测量链式链接变换器的每个子模块的切换频率特性；

（ii）确定链式链接变换器的切换特性特征；以及

（iii）将具有从切换特性特征偏离的切换特性的所述子模块或每个子模块识别为有故障的子模块。

控制器可以执行本文中所公开的任何方法步骤。

可以提供计算机程序，当计算机程序在计算机上运行时，促使计算机配置包括本文中所公开的电路、控制器、变换器或装置的任何设备或执行本文中所公开的任何方法。计算机程序可以是软件实现，并且，计算机可以被认为是任何合适的硬件，作为非限制的示例，包括数字信号处理器、微控制器以及只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）或电子可擦除可编程只读存储器（EEPROM）中的实现。软件可以是汇编程序。

可以在计算机可读媒介上提供计算机程序，计算机可读媒介可以是诸如盘或存储器装置的物理计算机可读媒介，或可以体现为瞬态信号。这种瞬态信号可以是网络下载，包括互联网下载。

现在，接着有参考附图而通过非限制的示例的对本发明的优选的实施例的简要描述，其中：

图1示出电压源变换器的示意图；

图2示出根据本发明的第一方法的子模块切换频率的分布的视觉表示；以及

图3示出对子模块的许多异常事件进行计数的示例的算法；以及

图4示出基于对异常事件的识别而修改切换算法的示例的算法。

根据本发明的第一实施例的识别链式链接变换器24的有故障的子模块26的方法包含如下的步骤：

（i）测量链式链接变换器24的每个子模块26的切换频率；

（ii）可选地根据所测量的切换频率而确定链式链接变换器24的切换频率特征40；以及

（iii）将具有从切换频率特征40偏离的切换频率的所述子模块26或每个子模块26识别为有故障的子模块42。

切换频率是切换特性的示例。切换频率特征40是切换特性特征的示例。

更具体地，测量每个子模块26的切换频率包括针对每个子模块26而确定60秒的时段内的平均切换频率，然而，在本发明的其他实施例中，时段可能多于或少于六十秒。在一段时间内求平均值能够使长期模式能够被识别。

能够例如使用由对链式链接变换器24的操作进行控制的控制器所提供的实时数据来在线地，即，在链式链接变换器24的操作期间执行这种测量，或能够通过对合适的日志文件的分析而离线地执行这种测量。

另外，这种对切换频率的测量还包括在视觉上表示链式链接变换器24内的所有的子模块26的子模块26切换频率的分布。在本发明的第一实施例中，这种视觉表示采取如图2中所示出的直方图44的形式。直方图44包括许多直方图条48，这些直方图条48中的每个图示具有具体的切换频率子范围内的切换频率的子模块26的数量。其他形式的视觉表示，即，其他图形格式也是可能的。

切换频率特征40采取如图2中的粗体轮廓中所示出的子模块切换频率的特征分布46的形式。在所示出的实施例中，特征分布46包括仅某些直方图条48a，例如，仅那些相互紧邻，使得它们共同形成主群的直方图条48a，即，特征分布46省略与主群隔开的其他直方图条48b。在本发明的其他实施例中，然而，特征分布46可以包括诸如仅那些识别多个子模块的切换频率子范围的切换频率子范围的不同的选择。特征分布还可以由个别切换频率（而不是切换频率的子范围）定义，并且，例如，包括仅那些在预定的切换频率周围分组或成群的切换频率。特征分布还可以由上限频率值与下限频率值之间的简单的频率范围定义。

包括仅共同形成主群的切换频率子范围，即，包括仅某些直方图条48a的特征分布46的使用意味着，在所示出的实施例中，具有从切换频率特征40，即，特征分布46偏离的切换频率42的三个子模块显然位于其他频率子范围中，即，位于其他直方图条48b中，其不属于特征分布46，并且因此能够容易地在视觉上被识别为有故障的子模块。

更具体地，每个有故障的子模块42具有比其他子模块26中的每个的电容显著地更低的电容，使得它们各自具有比由特征分布46所涵盖的切换频率的范围更高的切换速率，即切换频率，使得它位于特征分布46外。

可以将切换频率特征40，即特征分布46与相同电压源变换器10内的至少一个其他链式链接变换器24的切换频率特征，即对应的特征分布（未示出）比较，以便容易地并且迅速地在视觉上识别潜在地包括有故障的子模块的一个链式链接变换器24。

类似地，可以将切换频率特征40，即特征分布46与参考切换频率特征，即对应的参考特征分布（未示出）比较，以便许可对电压源变换器10是否健康地操作和/或是否正确地执行相关联的控制系统算法的快速评估，参考切换频率特征，即对应的参考特征分布例如表示相同操作条件下（即，当在相同控制模式下输送相同有功或无功功率时）的电压源变换器10的健康操作。

根据本发明的第二实施例的识别链式链接变换器24的有故障的子模块26的方法与本发明的第一实施例类似，并且，同样地包括如下的步骤：

（i）测量链式链接变换器24的每个子模块26的切换频率；

（ii）可选地根据所测量的切换频率而确定链式链接变换器24的切换频率特征；以及

（iii）将具有从切换频率特征偏离的切换频率的所述子模块26或每个子模块26识别为有故障的子模块。

测量每个子模块26的切换频率可以再次包括针对每个子模块26而确定60秒的时段内的平均切换频率，然而，时段可与这个不同。

能够类似地例如使用由对链式链接变换器24的操作进行控制的控制器所提供的实时数据来在线地，即，在链式链接变换器24的操作期间执行这种测量，或能够通过对合适的日志文件的分析而离线地执行这种测量。

然而，根据所测量的切换频率而确定链式链接变换器24的切换频率特征的步骤确实与本发明的第一实施例的步骤不同。

具体地，在本发明的第二实施例中，切换频率特征改为采取链式链接变换器24中的所有的子模块26的平均切换频率的形式。

以类似的方式，识别具有从切换频率特征偏离的切换频率的所述子模块26或每个子模块26的步骤也与本发明的第一实施例不同，因为在本发明的第二方法中，它包括识别具有与链式链接变换器24中的所有的子模块26的平均切换频率相差阈值量或更大的切换频率的所述子模块26或每个子模块26。

根据链式链接变换器24的操作条件而确定阈值量，然而，情况不一定需要这样。

以这种方式，具有比其他子模块26中的每个的电容显著地更低的电容的有故障的子模块将再次具有比由平均切换频率所涵盖的切换频率的范围更高的切换频率和相关联的阈值量偏移。结果，有故障的子模块的切换频率将与链式链接变换器24中的所有的子模块26的平均切换频率相差与阈值量相等或比阈值量更大的量，使得它可容易地识别为有故障的子模块。

可以再次将链式链接变换器24中的所有的子模块26的切换频率特征，即平均切换频率与相同电压源变换器10内的至少一个其他链式链接变换器24的切换频率特征，即所有的子模块26的对应的平均切换频率比较，以便容易地并且迅速地在视觉上识别潜在地包括有故障的子模块的一个链式链接变换器24。

类似地，可以同样地将链式链接变换器24中的所有的子模块26的切换频率特征40，即平均切换频率与参考切换频率特征，即对应的参考平均切换频率比较，以便许可对电压源变换器10是否健康地操作和/或是否正确地执行相关联的控制系统算法的快速评估，参考切换频率特征，即对应的参考平均切换频率例如表示相同操作条件下（即，当在相同控制模式下输送相同有功或无功功率时）的电压源变换器10的健康操作。

在本发明的另外的实施例中，切换特性可以包含切换持续时间，而不是上文中所讨论的切换频率。类似地，切换特性特征可以包含切换持续时间特征。相对于处理与切换频率特征有关的切换频率的上文中所讨论的每个示例能够用来另外或备选地以相同或类似的方式处理与与切换持续时间特征有关的切换持续时间。

切换持续时间可以被认为是表示子模块已处于当前状态多长的子模块状态时间。子模块状态时间能够包括与子模块断开的时间长度有关的子模块断开时间和/或与子模块接通的时间长度有关的子模块接通时间。能够对子模块状态时间进行监测并将其与最大状态时间阈值比较。能够对子模块断开时间进行监测并将其与最大断开时间阈值比较。能够对子模块接通时间进行监测并将其与最大接通时间阈值比较。这些阈值中的每个是切换特性阈值的示例。如果达到或超过阈值，则子模块能够被识别为有故障的子模块。即，如果达到或超过阈值，则能够说是从切换持续时间阈值偏离。阈值不一定需要基于所测量的切换特性。

切换持续时间的使用能够使个别异常事件能够容易地被识别。如果子模块被识别为有故障的子模块，则能够被认为是“锁定”于特定的状态中。能够识别/标记子模块，使得能够自动地采取某一动作。还能够立即采取动作，因为，在一些示例中，不存在用来在执行求平均值的操作的同时等待一段时间的需要。

图3示出基于切换持续时间特性而对每个子模块的异常事件的数量进行计数的示例的算法流程图。增加计数器是能够响应于识别有故障的子模块而采取的动作的示例。

在步骤50处，算法包含测量自那个子模块的最后切换事件以后的子模块的接通/断开状态的定时。该所测量的定时值是切换特性的示例。

在步骤52处，将所测量的定时值与最大阈值（T最大值）比较。如果所测量的定时值小于或等于T最大值，则算法返回至步骤50。如果所测量的定时值大于T最大值，则算法继续前进至步骤54，并且，增加与子模块相关联的计数器。在该示例中，计数器被称为子模块异常事件计数器。可选地，算法还可以包括记录或报告与每个子模块相关联的计数器的值。

图4示出基于对异常事件的识别而修改切换算法的另一示例的算法流程图。修改切换算法是能够响应于识别有故障的子模块而采取的动作的示例。

切换算法能够用来定义将控制信号提供给每个链式链接子模块26中的至少一个切换元件（未示出），以便使链式链接变换器提供期望的电压波形的时间。切换算法还可以被称为控制系统算法。

在步骤60处，流程包含测量自那个子模块的最后切换事件以后的子模块的接通/断开状态的定时。在步骤62处，将所测量的计时值与最大状态时间阈值（T最大值）比较。如果所测量的定时值小于或等于T最大值，则流程返回至步骤60。如果所测量的定时值大于T最大值，则流程继续前进至步骤64，并且，增加与子模块相关联的计数器。

在步骤64处，流程修改切换算法。这种修改能够包括提高或降低与子模块相关联的优先级，在强制子模块的状态中的变化时，通过切换算法考虑这种修改。例如，在其中切换算法可以选择子模块的总数中的哪一个或哪些以操作以便改变子模块的状态时，切换算法能够操作具有高的优先级的子模块。通过降低被识别为有故障的子模块的优先级，能够降低有故障的子模块对链式链接变换器的影响。

在步骤66处，流程确定继在步骤64处修改切换算法之后，是否已存在子模块的状态中的变化。如果存在状态变化，则流程返回至步骤60。如果不存在状态变化，则流程继续前进至步骤68，并且，增加与子模块相关联的计数器。