具有改进的操作的电压源换流器的制作方法
本发明总体上涉及一种电压源换流器。更具体地，本发明涉及一种电压源换流器、控制该电压源换流器的方法以及用于这种电压源换流器的计算机程序产品。
背景技术：
最近开发了基于导向器阀的电压源换流器，其中在两个直流(dc)极之间有一串串联连接的导向器阀以及一串与该导向器阀串并联连接的多级单元。在该结构中，导向器阀用于指向性，并且多级单元用于波形形成。导向器阀是晶闸管的电压源换流器已经在例如发明wo2014/082657中公开。
该结构可以进一步地与全部三个交流(ac)相位一起使用，该ac相位通过在两个dc极之间串联连接的三个所述导向器阀以及还在两个dc极之间串联连接且与该阀并联连接的三个多级串来提供。
在该后者结构中可能有许多问题发生。
当使用多级单元时，如果ac电压改变，那么平均dc电压也被改变。该ac电压和dc电压相互耦合。
此外，如果ac电压和dc电压紧密耦合，不可能实现ac故障穿越。
来自该换流器的dc电压还包括6n次谐波，该6n次谐波可以被无源滤波器消除。然而，无源dc滤波器体积庞大并且占据许多空间。因此，可以关注于移除和/或限制所述dc滤波器的尺寸和复杂度。
本发明解决了上述问题中的一个或者多个问题。
关于这一点，将关注于提供一种改进的电压源换流器，特别是dc电压从ac电压解耦的一种电压源换流器。
技术实现要素：
本发明目的是获取一种基于导向器阀的电压源换流器，其中dc电压从ac电压解耦。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种电压源换流器而实现，该电压源换流器具有两个dc端子和多个ac端子，该多个ac端子用于提供ac电压多个相位，该换流器包括：
多个导向器阀，在dc端子之间串联连接，该导向器阀被成对提供，其中每对导向器阀都形成包括上阀相位臂和下阀相位臂的阀相位脚，其中在阀相位脚的两个阀相位臂之间的结合处提供用于相应的ac相位的主ac端子，
多个多级单元，在dc端子之间串联连接，该单元在波形形成器相位脚中被分组，其中每个波形形成器相位脚都与相应的阀相位脚并联连接，并且包括上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂，其中在波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂之间的结合处提供用于相应的ac相位的次ac端子，并且次ac端子连接到相应的阀相位脚的主ac端子，其中波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂(ws1a，ws1b，ws1c)被配置成与相应的阀相位脚的上阀相位臂协同操作，并且波形形成器相位脚的下波形形成器相位臂被配置成与相应阀相位脚的下阀相位臂协同操作，以用于至少在稳态操作期间形成ac波形，以及
控制单元，被配置成控制每个波形形成器相位脚和每个阀相位脚，以用于形成输出ac电压的多个相位，其中通过交替地操作上阀相位臂的阀和相应的上波形形成器相位臂的单元与下阀相位臂的阀和相应的下波形形成器相位臂的单元，来在一对阀相位脚和一对波形形成器相位脚的主ac端子和次ac端子上形成一个相位的电压，因此允许在每个相位中的一个波形形成器相位臂都可被用于其他目的，
其中
该控制单元还被配置成控制该可用波形形成器相位臂中的至少一个波形形成器相位臂，以对换流器操作的除了波形形成的其他方面做贡献。
根据本发明的第二方面，该目的通过一种方法而实现，该方法控制电压源换流器，该电压源换流器具有两个dc端子和多个ac端子，该多个ac端子用于提供ac电压多个相位，该换流器包括多个导向器阀以及多个多级单元，多个导向器阀在dc端子之间串联连接，该导向器阀被成对提供，其中每对导向器阀都形成包括上阀相位臂和下阀相位臂的阀相位脚，其中在阀相位脚的两个阀相位臂之间的结合处提供用于相应的ac相位的主ac端子；多个多级单元在dc端子之间串联连接，该多级单元在波形形成器相位脚中被分组，其中每个波形形成器相位脚都与相应的阀相位脚并联连接，并且包括上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂，其中在波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂之间的结合处提供用于相应的ac相位的次ac端子，并且次ac端子连接到相应的阀相位脚的主ac端子，其中波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂(ws1a，ws1b，ws1c)被配置成与相应的阀相位脚的上阀相位臂协同操作，并且波形形成器相位脚的下波形形成器相位臂被配置成与相应阀相位脚的下阀相位臂协同操作，以用于至少在稳态操作期间形成ac波形，该方法包括
控制每个波形形成器相位脚和每个阀相位脚，以用于形成输出ac电压的多个相位，其中通过交替地操作上阀相位臂的阀和相应的上波形形成器相位臂的单元与下阀相位臂的阀和相应的下波形形成器相位臂的单元，在一对阀相位脚和一对波形形成器相位脚的主ac端子和次ac端子上形成一个相位的电压，因此允许在每个相位中的一个波形形成器相位臂都可被用于其他目的，
该方法还包括
控制该可用波形形成器相位臂中的至少一个波形形成器相位臂，以对换流器操作的除了波形形成的其他方面做贡献。
本发明的目的还通过一种用于电压源换流器的计算机程序产品而实现，该电压源换流器具有两个dc端子和多个ac端子，该ac端子用于提供ac电压多个相位，该换流器包括多个导向器阀以及多个多级单元，多个导向器阀在dc端子之间串联连接，该导向器阀被成对提供，其中每对导向器阀都形成包括上阀相位臂和下阀相位臂的阀相位脚，其中在阀相位脚的两个阀相位臂之间的结合处提供用于相应ac相位的主ac端子；，在dc端子之间串联连接，该多级单元在波形形成器相位脚中被分组，其中每个波形形成器相位脚都与相应的阀相位脚并联连接，并且包括上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂，其中在波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂之间的结合处提供用于相应的ac相位的次ac端子，并且连接到相应阀相位脚的主ac端子，其中波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂(ws1a，ws1b，ws1c)被配置成与相应的阀相位脚的上阀相位臂协同操作，并且波形形成器相位脚的下波形形成器相位臂被配置成与相应阀相位脚的下阀相位臂协同操作，以用于至少在稳态操作期间形成ac波形，该计算机程序产品被提供在数据载体上并且包括计算机程序代码，当由处理器运行该代码时，使得该处理器
控制每个波形形成器相位脚和每个阀相位脚，用于形成输出ac电压的多个相位，其中通过交替地操作上阀相位臂的阀和相应的上波形形成器相位臂的单元与下阀相位臂的阀和相应的下波形形成器相位臂的单元，在一对阀相位脚和一对波形形成器相位脚的主ac端子和次ac端子上形成一个相位的电压，因此允许在每个相位中的一个波形形成器相位臂都可被用于其他目的，
其中
该计算机程序产品还被配置成使得该处理器控制该可用波形形成器相位臂中的至少一个波形形成器相位臂，对换流器操作的除了波形形成的其他方面做贡献。
本发明有许多优点。ac电压和dc电压相互解耦，这样就允许执行无功功率控制。此外，还可以补偿dc电压纹波(6n次谐波)。由此可以使用更简单的无源dc滤波器或者甚至完全移除无源dc滤波器。
附图说明
在下文中将参照附图来描述本发明的内容，其中
图1示意性地示出了根据本发明的一个变型的电压源换流器，
图2示意性地示出了电压源换流器中有效波形形成器相位臂的臂电压以及这些有效波形形成器相位臂的电压之和，
图3示出了用于控制可用相位臂的控制框的框示意图，
图4示意性地示出了在换流器稳态操作期间，不同有效相位臂连同由相应的可用相位臂做贡献的有效ac电压，
图5a和图5b示出了第一波形形成器相位脚的波形形成器相位臂电压，
图6示出了与图3中的控制框一起使用的控制框的框示意图，以便控制与ac故障有关的相位臂，
图7示意性地示出了具有10％剩余ac电压的波形形成器相位臂电压，
图8示意性地示出了在具有10％剩余电压单相位ac故障期间的波形形成器相位臂电压，
图9示意性地示出了具有半桥单元的换流器的操作，以用于处理在第一相位上的ac换流器母线故障，
图10示意性地示出了具有全桥单元的换流器的操作，以用于处理在第一相位上的ac换流器母线故障，
图11示出了当处理dc极故障时具有半桥单元的换流器，
图12示出了当在具有半桥单元的换流器中处理dc极故障时的臂电流，
图13示出了当处理dc极故障时具有全桥单元的换流器，
图14示出了在降低的dc电压操作期间的有效相位臂电压之和、dc电压以及可用臂电压，并且
图15示出了具有实施控制单元功能计算机程序代码的cdrom盘形式的计算机程序产品。
具体实施方式
在下文中，将给出本发明优选实施例的详细描述。
图1示出了根据本发明的变型换流器10。该换流器10可以有利地作为高压直流(hvdc)网络与交流(ac)网络之间的接口而被提供，其中该hvdc网络可以在400kv及以上的电压水平操作。该换流器10包括多个相位脚。在这种情况下，有三个导向器阀相位脚和三个波形形成器相位脚。此外，这些相位脚被成对提供，其中导向器阀相位脚和波形形成器相位脚形成一对。因此该有一对第一相位脚、一对第二相位脚以及一对第三相位脚，其中每对相位脚都被提供以用于相应的ac相位。更具体地，导向器阀相位脚在第一直流(dc)端子dc1与第二dc端子dc2之间串联连接，在这种情况下，每个dc端子连接到相应的(dc)极p1和p2，其中第一级p1有第一电压+ud，且第二级p2有第二电压-ud。波形形成器相位脚也在两个dc端子dc1与dc2之间串联连接。因此在图1给出的示例中，有三个导向器阀相位脚和三个波形形成器相位脚，所以也有三个ac相位。
每个导向器阀相位脚都包括两个阀：上阀v1a、v1b和v1c以及下阀v2a、v2b和v2c，其中该上阀被提供在上相位臂中，且该下阀被提供在下相位臂中。由此类似地该导向器阀被成对提供，其中每对导向器阀都形成了包括上阀相位臂和下阀相位臂的阀相位脚。此外，阀相位脚的两个阀相位臂之间的结合处提供用于相应的ac相位的主ac端子aca1、acb1和acc1。由图1可以看出，该导向器阀以晶闸管形式被提供。有利地，每个阀都可以以至少一对反并联的晶闸管th1和th2的形式被提供。然而应当意识到，可以使用作为备选的诸如绝缘门极双极晶体管(igbt)的晶体管。
以类似的方式，波形形成器相位脚各自也都包括两个相位臂、上相位臂ws1a、ws1b和ws1c以及下相位臂ws2a、ws2b和ws2c，其中每个相位臂都包括一串多级单元。在图1的示例中，这些单元中的大多数是包括单元电容器的半桥单元，半桥单元被配置成提供零电压或者提供与跨单元电容器的电压相一致的单极电压。然而一个单元是也包括电容器的全桥单元，全桥单元具有贡献零电压和双极电压的能力。这里的全桥单元是换向单元。图1中每个波形形成器相位臂都包括换向单元cc1a、cc2a、cc1b、cc2b、cc1c和cc2c。需要注意的是，还可能将该多级单元串中的一个或者多个半桥单元替换为全桥单元。
波形形成器相位脚与导向器阀相位脚并联连接。这意味着每个波形形成器相位脚都与相应的导向器阀相位脚并联连接。
此外，波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂之间的结合处提供用于相应ac相位的次ac端子aca2、acb2和acc2，其中由于次ac端子和主ac端子共同提供ac相位电压，该波形形成器相位脚的次ac端子由此被连接到相应的导向器阀相位脚的主ac端子。
在图1中可以看出，因此在两个dc端子dc1与dc2之间有三个串联连接的导向器阀相位脚，并且在两个dc端子dc1与dc2之间也有三个串联连接的波形形成器相位脚，其中第一导向器阀相位脚与第一波形形成器相位脚并联连接、第二导向器阀相位脚与第二波形形成器相位脚并联连接并且第三导向器阀相位脚与第三波形形成器相位脚并联连接。在该第一相位脚对中，有上导向器阀相位臂v1a和上波形形成器相位臂ws1a以及下导向器阀相位臂v2a和下波形形成器相位臂ws2a，其中在上阀相位臂v1a与下阀相位臂v2a之间的结合处形成用于第一ac相位的主ac端子aca1，并且在上波形形成器相位臂ws1a与下波形形成器相位臂ws2a之间的结合处形成用于第一ac相位的次ac端子aca2。以类似的方式，在该第二相位脚对中有上导向器阀相位臂v1b和上波形形成器相位臂ws1b以及下导向器阀相位臂v2b和下波形形成器相位臂ws2b，其中在上阀相位臂v1b与下阀相位臂v2b之间的结合处形成用于第二ac相位的主ac端子acb1，并且在上波形形成器相位臂ws1b与下波形形成器相位臂ws2b之间的结合处形成用于第二ac相位的次ac端子acb2。在该第三相位脚对中有上导向器阀相位臂v1c和上波形形成器相位臂ws1c以及下导向器阀相位臂v2c和下波形形成器相位臂ws2c，其中在上阀相位臂v1c与下阀相位臂v2c之间的结合处形成用于第三ac相位的主ac端子acc1，并且在上波形形成器相位臂ws1c与下波形形成器相位臂ws2c之间的结合处形成用于第三ac相位的次ac端子acc2。
为了控制各种阀和各种单元的操作，提供了控制单元12。在图1中，该控制单元提供的控制通过指向第二导向器阀相位脚中的晶闸管和指向第二波形形成器相位脚中的单元的虚线箭头表示。然而，应该意识到的是，同样类型的控制可以对所有的相位脚提供。
此外，在图1中的换流器10中，可以提供多个附加的部件。如本领域已知的，ac相位端子可以连接到变压器和断路器上。相位臂可以连接到电抗器上。也可以在相位脚中点与上述变压器之间连接电抗器。进一步地，还可以在两个dc极之间并联连接电涌放电器。
在稳态中的换流器10被控制成在三对ac端子aca1、aca2、acb1、acb2、acc1和acc2上提供三相位ac电压以及在两个dc端子dc1和dc2上提供第一dc电压和第二dc电压。因此控制单元12将波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂与相应的阀相位脚的上阀相位臂一起控制，并且将波形形成器相位脚的下波形形成器相位臂与相同相位脚的下阀相位臂一起控制，以便在相应的主ac端子和次ac端子对上形成波形。在波形的形成中，该导向器阀提供波的方向或者极性，该波形形成器提供波的形状。由此，在一对ac端子上可以形成例如正弦波。
在图2中示出了由三个波形形成器相位脚形成的波vwsa、vwsb和vwsc。在这里波的一半由上波形形成器相位臂形成，另一半由下波形形成器相位臂形成。例如，在由第一波形形成器相位脚形成的波vwsa中，该波在0与0.01s之间的第一部分可以由上波形形成器相位臂ws1a中的单元形成，该波在0.01与0.02s之间的第二部分可以由下波形形成器相位臂ws2a形成。这意味着在0与0.01s之间，上波形形成器相位臂ws1a有效，且在0.01与0.02s之间，下波形形成器相位臂ws2a有效。因此，这也意味着在时间间隔0.00-0.01s中，下波形形成器相位臂ws2a对于ac波形形成无效，且在时间间隔0.01-0.02s中，上波形形成器相位臂ws1a对于ac波形形成无效。这种无效相位臂在这里也定义为可用相位臂，因为根据本发明的变型，该可用相位臂可以用于其他目的，即除了波形形成的其他目的。
在图2中可以看出，电压vwsa、vwsb和vwsc均为正值，并且循环地在0与1p.u.之间变化，其中p.u.表示每单位并且是标准化的ac电压水平。
从图1以及图2的下半部分中可以明白，对从有效相位臂获得的电压vwsa、vwsb和vwsc求和，以用于形成在两个极p1与p2之间的dc电压差。在图2的上半部分，有效相位电压的这个和vtot也被示出。
为了形成这些相位臂电压，控制单元12使用参考电压vref。因此有用于第一相位的参考电压vrefa、用于第二相位的参考电压vrefb以及用于第三相位的参考电压vrefc，其中该参考电压是用于在稳态操作时形成ac波形的参考电压。参考信号的这类产生和控制在本领域中已知的。
在图2中还可以看出，不同波形形成器相位脚的电压均为正值。在这种情况下为了提供以零值为中心的波形，导向器阀被使用，以用于改变波形的极性。
这也意味着该波形形成器相位脚的参考电压可以表示为|vrefa|、|vrefb|和|vrefc|。
当该导向器阀以晶闸管的形式被提供时，不能使用和普通开关同样的方式来关断这些晶闸管，必须使用另一种方案。
为此提供换向单元cc1a和cc2a，用于关断基于晶闸管的导向器阀。基于晶闸管的导向器阀的关断通过控制该换向单元而完成，以向该导向器阀提供跨导向器阀施加的负电压，即反向偏置该导向器阀，该导向器阀转而使得该阀停止导通。
如果三个相位中的晶闸管全部都根据波形状电压来开关，图1中换流器的相位臂的电压峰值是
上面公开的关系仅对稳态和ac电压不变时有效。然而，如果ac电压变化，该dc电压的平均值也被改变。
因此在换流器稳态操作中，dc电压平均值被固定为ac电压峰值乘以6/π。因此当ac电压变化时dc电压平均值也将改变。因而ac电压和dc电压相互耦合，并且由此不可能实现无功功率控制。这是一个严重的缺陷，因为无功功率补偿是在许多情况下的重要特征，例如如果换流器连接到风力发电场。
ac电压到dc电压的耦合也会引起在各种故障处理情况下的负面结果。
如果有外部故障，例如在包括图1换流器的换流器站连接到的ac网络中有ac故障，那么该换流器ac端子处的ac电压可能急剧下降。在这种情况下该换流器不可能提供故障穿越。该换流器也不可能在ac母线故障期间支持有功和无功功率。
如前面已提到的，在换流器稳态操作中，dc侧上将出现三个有效相位的电压之和的瞬时值。dc电压将包括可以被无源滤波器消除的6n次谐波。然而无源dc滤波器体积庞大并且占据许多空间。
本发明目的是将dc电压从ac电压解耦。因此可以向ac网络中注入无功功率。也可以获得ac故障穿越。
在一些示例中，执行的解耦还使得上述6n次谐波得以降低，这减少了或者甚至完全移除了对滤波的需求。
从上文的描述中可以明白的是，在每一时刻的瞬间，相位脚的两个相位臂中只有一个用于波形形成。这转而意味着未使用的波形形成器相位臂是可用的，并且可以用于其他目的。如果所产生的ac电压是三相位ac电压，那么在每一时刻都有三个可用波形形成器相位臂。根据本发明的某些方面，可用波形形成器相位臂中的至少一个波形形成器相臂被控制成对换流器操作的除了波形形成的其他方面做贡献。
根据本发明，这被用于将dc电压从ac电压解耦。因此可以在稳态下以及在各种类型故障处理情况下优化操作。
在图2中可以看出，三个有效相位的电压之和的瞬时值从
此外，ac电压和dc电压紧密地相互耦合。除非改变dc电压，否则不可能获得ac电压变化。
为了将dc电压从ac电压解耦，本发明提出了使用可用无效相位臂。在任一瞬间，有三个无效相位臂可以使用。这些相位臂中的任意相位臂都可以被控制用于将dc电压从ac电压解耦。该控制还有消除6n次谐波的优点。有利地，所述控制可以在换流器的稳态操作期间执行。
根据本发明的变型，该控制涉及控制至少一个可用相位臂，根据
其中rpa1是用于第一相位脚的上波形形成器相位臂(如果该相位臂可用)的控制信号或参考信号，rpa2是用于第一相位脚的下波形形成器相位臂(如果该相位臂可用)的控制信号或参考信号。
可以提供用于其他相位脚的类似控制信号。
等式(1)的分母在这里设置成在本控制中同时使用(即用于除了波形形成的其他目的)的可用相位臂的数目值。可以看出，在等式(1)的示例中，有两个相位臂被同时使用。在只有一个可用相位臂被使用的情况下，该等式分母将为1或者没有分母，并且在三个可用相位臂被使用的情况下，该等式分母将设为3。
图3示出了在控制单元中实现控制框的一种方式，以用于实施相位臂的控制信号。
在图3中可以看出，三个绝对值形成元件16、18和20各自接收相应的相位脚参考电压vrefa、vrefb和vrefc，并且形成该参考电压的绝对值。这些元件依次连接到加法元件21，以用于把这些绝对值相互相加。然后在元件22中，从极电压之间的差值2ud中减去该绝对值之和。所得结果被提供到值范围限定元件24，并且然后该值范围限定的结果在除法元件26中除以0.5，以便提供基础参考信号rb。在本特定情况下，该基础参考信号rb与等式(1)中的控制信号rpa1相同。
这意味着将使用参考信号va和上述控制信号rpa1来交替地控制波形形成器相位臂。可以看出，该控制值使用控制值rpa1或rpa2朝向目标相位臂电压来控制可用波形形成器相位臂的电压，其中该控制值是基于在该三相位波形形成器相位脚中用于波形形成的参考电压(即在三个有效相位臂中使用的参考电压)绝对值之和。更具体地，该控制值是基于dc电压值2ud与参考电压绝对值之和之间的差值，其中该dc电压值是在两个dc端子上+ud电压与-ud电压之间的差值。还可以看出，该dc电压值2ud与该绝对值之和之间的差值被除以与同时使用的可用相位臂的数目相一致的值(在这里是2)。使用的控制信号因此是基于换流器的dc侧电压与相位电压参考信号的绝对值之和之间的差值的控制信号。
图4示出了用于三相位的不同相位臂的电压，其中有效相位臂电压与可用相位臂电压一起被示出。在该图的上侧部分中，示出了第一相位脚的上波形形成器相位臂电压vws1a和下波形形成器相位臂电压vws2a，在这两个电压下方，示出了第二相位的同样的相位臂电压vws1b和vws2b以及第三相位的相位臂电压vws1c和vws2c。有效相位臂电压交替地由上相位臂和下相位臂提供，并且可用相位臂电压交替地由下相位臂和上相位臂提供。这在图4中通过使其中一个波比另一个波更粗来表示。这种关系在图5a和图5b中被更清楚地示出，其中图5a示出了由第一波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂提供的电压vws1a，图5b示出了由第一波形形成器相位脚的下波形形成器相位臂提供的电压vws2a。可以清楚的看出，不同的相位臂被交替地用于朝向参考电压varef控制以及朝向参考电压rpa1和rpa2控制。
在常规稳态操作下，在dc连接中出现6n次电压谐波。所以在这种情况下，通常需要dc滤波器来阻断6n次谐波电流。根据本文所描述的避免使用无源dc滤波器以及将ac和dc电压解耦的原则，无效相位臂产生剩余电压(部分dc电压和6n次谐波电压)，以使得所有相位电压之和的瞬时值作为dc极对极电压(2udc)。同其他类型的换流器拓扑相比，该剩余电压用于调制指标的目的。
如上文所述，上述控制方案也可以用于各种其他情况，诸如与像ac故障的瞬变现象有关的情况。例如，不同ac相位电压之和有可能以与故障强度成正比的因子下降。由于在常规控制中，换流器的dc电压与整流后的ac相位电压之和相等，三相位ac故障导致ac电压下降到具有示例性10％剩余电压的水平，也将导致dc电压降低到10％的水平，即0.1*2ud。
在这里补偿dc电压损失的一种方式是也使用可用相位臂或无效相位臂。和之前描述一样，有三个无效相位臂。在这种情况下，可用相位臂中的任意两个相位臂可以用于本目的。仅允许使用两个可用相位臂的原因可以是由于正在执行的换向。该原则可以进一步地用以下方式概括。如果可用相位臂的数目是n，那么控制单元被配置成控制最多n-1个可用波形形成器相位臂，来对换流器操作的其他方面做贡献。
换向的必需条件之一是在上相位臂和下相位臂两者上都维持零电压。所以第三个无效相位臂可以被保持在零电压，以在换向瞬间期间创造换向环境。这三个无效相位臂的操作可以根据图6中给出的ac电压波形进行轮换。
晶闸管换向的必需条件之一是在换向期间，对于特定相位的跨上相位臂和下相位臂两者都是零电压。所以接近换向瞬间的无效相位臂将保持零电压。另外两个无效相位臂将用于补偿dc电压平均值由于ac电压故障的损失。通常地，晶闸管换向在特定ac相位电压过零点期间被启动。
例如，如果上相位脚的上波形形成器相位臂假设具有
有效相位臂周期：0°至180°
无效相位臂周期：180°至360°
其中对于第一相位的换向瞬间是180°和360°，因此该相位脚的可用相位臂在这些瞬间期间应该保持零电压。
这可以用另一种方式说明。可用相位臂可以在可用性周期内使用，这在以上给出的示例中是180至360度的无效相位臂周期。然而在这个周期内，控制单元在可用性周期开始之后和可用性周期结束之前，控制该可用波形形成器相位臂对换流器操作做贡献。因此对该可用相位臂控制的开始延迟于该可用时间间隔的开始，在本示例中该延迟是30°。类似地，该可用相位臂的控制在该可用间隔结束之前或在该可用间隔结束的前面结束，在本示例中在可用间隔结束之前30°结束。
图6示出了在控制单元中实施控制框的一种方式，以用于控制波形形成器相位臂，该控制框考虑了所需的换向，并且使用从图3示出的控制框获得的基础控制信号rb。
必须强调的是，在图6中只有控制框的一种示例实现方式，第一开关30具有第一端子和第二端子，第一端子具有0v电压，第二端子接收基础控制信号或基础参考信号rb。该第一开关30的输出连接到第二开关32的第一输入，该第二开关有第二输入，也向该第二输入提供基础参考信号rb。该第二开关32的输出转而连接到第三开关34的第一输入，该第三开关有第二输入，也向该第二输入提供基础参考信号rb。最后该第三开关34的输出连接到第四开关36的第一输入，该第四开关具有第二输入，也向该第二输入提供基础参考信号rb。该第一开关30在这里被设置为在第一角度a1与第二角度a2之间连接到其第二输入，并且在其他角度连接到第一端子，该第二开关32被设置为在第三角度a3与第四角度a4之间连接到第二端子，并且在其他角度连接到其第一端子。该第三开关34被设置为在第五角度a5与第六角度a6之间连接到其第一端子，并且在其他角度连接到其第一端子，最后该第四开关被设置为在第七角度a7与第八角度a8之间连接到其第一端子，并且在其他角度连接到其第一端子。
作为示例，a1＝210°，a2＝240°，a3＝240°，a4＝270°，a5＝270°，a6＝300°，a7＝300°且a8＝330°。可以看出a2＝a3，a4＝a5且a6＝a7。
还可以看出，在角度a1与a2之间，参考信号rb从第一开关30向第二开关32提供，并且一直通到该控制框的输出，在其他角度下，零信号由第一开关30提供。还可以看出，在角度a3与a4之间基础参考信号rb由第二开关32提供，并且在其他角度下，该参考信号由第一开关30提供。以类似的方式可以看出，在角度a5与a6之间基础参考信号rb由第三开关34提供，并且在其他角度下，该参考信号由第二开关32提供。最后可以看出的是，在角度a7与a8之间参考信号rb由第四开关36提供，并且在其他角度下，该参考信号由第三开关34提供。
因此可以看出的是，在间隔a1–a2，a3–a4，a5–a6和a7–a8中，基础参考信号rb在该控制框的输出而被提供。在角度a1与a2之间，第一开关30提供控制信号。在角度a3与a4之间，该控制信号转而由第二开关向输出提供，在角a4与a5之间，使用向第三开关34提供的控制信号，并且最终在角度a7与a8之间使用来自第四开关36的该控制信号。可以看出的是，如果a2＝a3，a4＝a5且a6＝a7，将对角度a1–a8产生参考信号rb。还可以看出的是，对于上文给出的示例，当a1＝210°且a8＝330°时等式(3)被满足，并且因此所输出的控制信号与等式(3)中的信号相同。
图7示出了当存在三相位故障将ac电压降低至其额定值的10％时，不同相位脚中的波形形成器信号，并且图8示出了在第三ac相位发生单相位故障时的相同电压信号。在这两种情况下使用了上述控制。还可以注意到的是，来自可用相位臂的贡献与其在稳态情况中的贡献相比显著提高。
图9示出了处理换流器10的ac换流器母线故障的示例。图9基本示出了与图1中相同的换流器，其中多级单元是半桥单元。从图9中可以看出的是，提供了多个变压器tra、trb和trc。这些变压器各自都具有主侧和次侧，该主侧经由相应的断路器bra、brb和brc连接到ac电源acs，该次侧在相应的导向器阀相位脚和波形形成器相位脚的主ac相位端子与次ac相位端子之间连接。
单相位故障也可以发生在包括换流器10的换流器站的内部的外部ac网络与该换流器之间，诸如在换流器母线的ac线上。这些类型的故障同样需要被处理。然而该故障的处理可能依赖于在波形形成器相位脚中使用的单元类型。
图9更具体地示出了处理在第一相位上的这种故障f1，该故障在第一波形形成器相位脚的次端子aca2与连接的变压器tra之间。
当检测到所述故障f1时，控制单元12阻断所有的单元。该控制单元还控制连接到故障相位上的阀相位脚的所有阀接通或者导通，且与此同时控制关断或者阻断其他阀。因此连接到非故障相位的相位脚的阀的晶闸管开关被断开或者被阻断。在连接到阀相位脚的ac端子对的ac线上发生故障的情况下，该控制单元因此控制阀相位脚中的阀接通。此外，在这种情况下该控制单元仅控制连接到故障相位的阀相位脚的阀接通，而其他阀被关断。
在这种情况下故障电流将从第一极p1流向换流器10的第一dc端子dc1。
该故障电流继而将流过第一相位脚的上导向器阀和下导向器阀的晶闸管，由此避免了在第一波形形成器相位脚中对上波形形成器相位臂单元的过度充电。然后故障电流将重定向至第一波形形成器相位脚的下相位臂的二极管，并在此后经由故障路径f1流向第二极p2。该二极管应该处理该故障电流持续三个周期，这由ac断路器脱扣指定。一旦ac断路器bra脱扣，故障源将不再存在且故障电流将为零。在相位臂中的该二极管的电涌电流应该由最大故障电流所限定。
如果在波形形成器相位脚的单元是全桥单元，对同样的故障可以执行稍微不同的控制。
这种情况在图10中示出，类似地示出了处理第一相位上ac换流器母线故障。与半桥单元不同，全桥单元的充电不依赖于通过其电流的方向。所以故障电流不能通过第一波形形成器相位脚的下波形形成器相位臂单元而被绕开。因此整个晶闸管相位臂应该被绕开，来避免任何相位臂的过度充电。在这种情况下，控制单元因此阻断所有的单元，并且也控制所有的晶闸管开关接通。在这种情况下在两极p1与p2之间串联连接的所有阀因此被接通并且导通。
参照图11和图12，现在将描述使用半桥单元的换流器dc故障的处理，其中图11示出了经由包括第一极p1和第二极p2的dc电缆相互连接的两个换流器站。在这种情况下，每个换流器都包括在两个极之间串联连接的电涌放电器，该电涌放电器的中点接地。在经由断路器bra、brb和brc的ac源acs、与每个相位脚对之间连接的变压器也被示出。还可以看到的是，故障f2假定发生在第一极p1上。图12示出了在不同波形形成器相位臂中的臂电流iaa、iab和iac，其中上侧曲线示出了第一波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂中的电流iaa、中间的曲线示出了第二波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂中的电流iab并且下侧曲线示出了第三波形形成器相位脚的上波形形成器相位臂和下波形形成器相位臂中的电流iac。由有效相位臂提供的电流基本上具有环的形状，而可用相位臂中的电流基本上具有线性形状。
在这种情况下，换流器10的控制单元12阻断单元。由此通过使用阻断信号，反并联的晶闸管控制在dc连接故障下的电流。在1ms(故障检测时间)后，控制单元12向晶闸管发送晶闸管阻断信号。然而，该晶闸管继续导通，直到从ac源acs提供的ac电流有自然零电流。一旦该ac电流有过零点，则下一个晶闸管将不会被触发。因此由ac源acs驱动的故障电流将被换流器10阻断。然而，在单元电容器中存在被捕获的电流。该被捕获电流从半桥单元的反并联二极管获得路径，并且经由故障f2到达第二极p2。捕获电流在图12中通过可用相位臂电流结束时的摆动来表示。
在这种故障状况下，可以因此看出的是，控制单元12在检测到极故障之后关断阀，然后保持这些阀被关断，直到故障消除以后。
如果需要阻断捕获电流，那么可以使用全桥单元或者作为替代使用基于机械的lc振荡dc断路器。在许多情况下不强制移除被捕获电流。例如与dc电缆有关的故障，因为没有必要对dc电缆故障进行dc故障恢复操作。换流器ac断路器bra、brb和brc在两端都断开，并且换流器将被关闭，直到dc电缆故障被识别并移除。因此例如在dc电缆是唯一选择的海上hvdc项目中，半桥单元能满足这个目的。
如果架空线和dc故障恢复方案是必须的，需要选择全桥单元或者带有基于机械的lc振荡断路器的半桥单元。如果不需要dc断路器，性能与基于fb的并联换流器性能相似。
图13示出了当多级单元是全桥单元时dc连接故障下的电流路径。该故障电流的一个分量从ac源acs流过晶闸管和故障路径。该故障电流的另一个分量(称为被捕获电流)流过单元电容器和故障路径。一旦检测到故障f2，导向器阀晶闸管将不被触发。该故障电流继续在上导向器阀中流动，并且一旦电流由自然ac电流降到零，上导向器阀晶闸管将被关断。通过阻断波形形成器的单元，可以快速降低该被捕获电流。该单元电容器抵消该被捕获电流。注意，不需要dc断路器。
在某些情况下，必须要使换流器在降低的dc电压(诸如额定dc电压的80％)下操作。例如如果出现绝缘体部分故障或者存在不利的天气情况，这可能是必需的。在图1类型的换流器常规操作中，因为ac和dc电压的耦合，当dc连接电压下降时不可能产生1pu的ac电压。这可以用两种不同方式处理。
处理该问题的一种方式是使用无效相位臂以在降低的dc电压下获得所需的ac电压。
这可以根据上文描述的同样类型的可用相位臂控制来完成。
无效相位臂在降低的dc电压期间将产生电压差值。对于80％dc电压，用于无效相位臂的参考电压信号的产生可以通过下面的等式(4)获得。
因此在等式(4)中使用了以降低的电压的百分比缩放的极电压差值，其中1.6ud与dc电压的80％相位对应。如果使用相同的ac电压(1pu)，如图2中所示，dc电压和的瞬时值是
在保持额定ac电压的同时降低dc电压的另一种方式是通过使用晶闸管的触发角(α)控制。
传统(lcc)换流器站的dc电压定义为
当应用在图1中、三个相位串联连接的换流器上时，通过
可以看出的是，在这种情况下，在检测到dc极故障之后，该控制单元控制阀晶体管的触发角来降低dc电压。
在使用本方案时，导向器阀的零电压开关将不再可用。在稳态操作中，该换流器操作在α＝0°，即导向器阀的零电压开关状态。
本发明有许多优点。
根据本发明，ac电压和dc电压相互解耦，这允许执行无功功率控制。此外，dc电压纹波(6n次谐波)也被补偿。由此可以使用更简单的无源dc滤波器或者甚至完全移除无源dc滤波器。此外，对于外部ac故障和dc电压降压操作的ac故障穿越也成为可能。
由于换流器内部单相位母线暂态故障通过绕开导向器阀晶闸管处理方式来处理，避免了最上/最下波形形成器相位臂的过载。
可以发现的进一步的优点包括阀成本降低，该成本降低是由于串联连接的相位和晶闸管。不再需要ac滤波器和无源dc滤波器。换流器平台体积也较小。
控制单元可以以离散部件的形式实现。然而它还可以以处理器的形式实现，该处理器带有配套程序存储器，该程序存储器包括计算机程序代码，当在该处理器上操作时，该计算机程序代码执行期望的控制功能。承载该计算机程序代码的计算机程序产品可以作为数据载体而提供，诸如一个或者多个cdrom盘、或者一个或者多个承载该计算机程序代码的存储卡，当被加载到执行电压源换流器控制单元功能的处理器中时，该计算机程序代码执行上述控制功能。图15示出了所述cdrom盘38，该cdrom盘38带有实施控制单元功能的计算机程序代码40。
上文描述的换向单元是全桥单元。然而应该意识到，在某些情况下换向单元可以是半桥单元。
通过前面的讨论，本发明显然可以以多种方式变化。因此应该认识到的是，本发明仅由所附的权利要求被限定。
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