电压源转换器及其控制的制作方法
本申请涉及电压源转换器且涉及用于电压源转换器的控制的方法和设备，且特别地涉及用于在高电压配电中使用的电压源转换器，且尤其涉及具有可以在相支路的臂之间共享的用于电压波整形的元件的电压源转换器。
背景技术：
高压直流电(high-voltagedirectcurrent，hvdc)电力传输使用直流电以供电力的传输。这是更普遍的交流电电力传输的替代方案。使用hvdc电力传输存在许多益处。
为了使用hvdc电力传输，通常必需将交流电(ac)转换为直流电(dc)并再次转换回交流电。历史上这涉及基于例如闸流晶体管等元件的六脉冲桥型拓扑，所述元件可在电力循环中的所需时刻接通，并且只要它们被正向偏置就保持导通。此转换器被称为线路换流转换器(line-commutatedconverter，lcc)。
电力电子器件领域中的最近发展已经带来用于ac-dc和dc-ac转换的电压源转换器(vsc)的增加使用。vsc利用能够可控地导通和断开的串联连接的切换元件，通常为与相应反并联二极管连接的绝缘栅极双极晶体管(igbt)。这些转换器有时被称作自换流转换器。
vsc通常包括多个转换器臂(converterarms)，其中的每一个将一个dc端子连接到一个ac端子，如图1所示。图1示出用于转换到三相ac/从三相ac转换的典型vsc100。存在三个相支路(phaselimb)101a、101b和101c，其中的每一个将相应ac端子102a-c连接到dc端子dc+和dc-。每一相支路具有两个转换器臂：将相应ac端子连接到高侧dc端子(high-sidedcterminal)dc+的上臂103-u，以及将相应ac端子连接到低侧dc端子(l0w-sidedcterminal)dc-的下臂103-l。
每一转换器臂包括常被称为阀(valve)且通常包括多个串联连接的元件104的设备，所述多个串联连接的元件可以按所需顺序切换。
在常常称为六脉冲桥的一种形式的已知vsc中，所述阀包括多个串联连接的切换元件，典型地为与相应反并联二极管106连接的igbt105，如实例元件104a所说明。每一阀的igbt一起切换，即大体上同时切换，以电连接或断开相关的ac和dc端子。因此，转换器臂的阀有效地形成单个高电压开关。给定相支路的阀是以反相进行切换，且通过针对每一臂使用脉宽调制(pwm)型切换方案，可实现ac与dc电压之间的转换。
然而在需要大量串联连接的igbt的高电压应用中，所述方法确实需要复杂的驱动电路以确保igbt彼此同时切换，且可能需要额外的大量无源缓冲器组件以确保跨越串联连接的igbt的高电压被均等地共享。另外，igbt在ac电压频率的每一循环上需要导通和断开若干次以控制谐波电流。这些因素可导致相对高的转换损耗、高水平的电磁干扰以及复杂的设计。
在称为模块化多电平转换器(modularmultilevelconverter，mmc)的另一已知类型的vsc中，转换器臂的元件104是包括储能元件的单元，例如电容器107，且可控制igbt105的单元开关布置以便在单元的端子之间串联连接储能元件或者旁路(bypass)储能元件。图1示出此单元104b的实例。单元104b给出处于半桥布置的igbt105，但基于全桥布置的单元也是已知的且可以使用。
mmc的单元常常称为子模块，其中多个单元形成阀模块。这些单元104b的串联连接有时称为链节(chain-link)电路或链节转换器或简称为链节。
对mmc型转换器的阀的单元或子模块进行控制以在不同时间连接或旁路其相应储能元件，以便使跨越阀的电压差随着时间而变化。通过使用相对大数量的子模块且适当地对切换进行定时，阀可以合成近似于正弦波且包括低水平谐波失真的阶梯波形。由于各个子模块个自地切换且从切换个别子模块带来的电压改变相对较小，因此避免了与六脉冲桥转换器相关联的许多问题。
在mmc设计中，每一阀的高侧端子将至少在循环的一部分连接到大体上等于高侧dc端子的电压dc+的电压，同时所述阀的低侧端子连接到大体上等于低侧dc端子电压dc-的电压。换句话说，每一阀必须被设计成承受电压vdc，其中vdc是高侧与低侧dc端子之间的电压差。这需要带有具有相对高电容值的电容器的大量子模块。mmc转换器因此可能需要相对大数目的组件，从而增加转换器的成本和大小。
在一些应用中，vsc的大小或占地面积可能受到特别关注。举例来说，越来越多地考虑hvdc与海上风电场一起使用。由风电场产生的电能可以通过合适的vsc站转换成hvdc以用于传输到海岸。这需要vsc位于海上平台上。与提供合适的海上平台相关联的成本可为相当大的，因此vsc站的大小或占地面积成为这些应用中的重要因素。
最近已提出一种变体转换器，其中在转换器臂中提供一系列连接的单元以用于提供如所描述的阶梯电压波形，例如形成链节转换器的形式104b(或全桥变体)的单元的串联连接，但每一转换器臂在ac循环的至少一部分是断开的。因此用于电压波整形的所述多个串联连接的单元104b与称为导引器开关的臂开关串联连接，所述导引器开关由多个切换元件形成，例如形式104a的单元，所述切换元件当相关转换器臂处于断开状态且不导通时可以断开。此转换器已被称为交变臂转换器(alternate-arm-converter)。此转换器的实例在w02010/149200中描述。
在aac转换器中，当特定转换器臂在导通时，链节单元以如上文相对于mmc型转换器所描述类似的方式按顺序切换以提供所需波形。然而在aac转换器中，相支路的转换器臂中的每一个在ac循环的一部分切断，且在此周期期间臂开关的切换元件断开。当转换器臂因此处于断开状态不导通时，跨越臂的电压在臂开关的切换元件与链节电路之间共享。这可减少跨越使用中的链节电路的最大电压，且减少每一转换器臂的链节所需的电压范围。例如如果上部转换器臂在用于所述相的电力循环的负部分断开且仅在循环的正部分期间用于电压波整形，那么所需的电压范围和最大电压应力可以限制于vdc/2。这意味着用于aac转换器的每一转换器臂的链节转换器可以包括比同等额定值的mmc型转换器少的单元，其中以并不昂贵或大小合适的相对简单的切换装置提供每一转换器臂的导引器开关。
然而在一些应用中，可能希望以其中两个转换器臂在导通的重叠周期操作aac型转换器，这要求每一转换器链节具有比vdc/2大的电压范围。且甚至对于aac型转换器，存在包括单元电容器107的相当大数目的电力转换单元。这些电容器是相对大的，以便处理所需的电压，可占据单元的体积和重量的约70％。
因此将有益的是提供具有良好性能和操作特性但具有相对小占地面积的转换器。
技术实现要素：
本发明的实施例因此是针对至少减轻以上提到的缺点中的至少一些缺点的改进的转换器以及用于其控制的方法和设备。
因此根据本发明，提供一种电压源转换器，其包括：
至少一个相支路，其具有高侧dc端子、低侧dc端子以及ac端子，每一相支路包括：
电压波整形器，其在使用中可操作以提供选择性可变的电压电平；以及
相支路开关布置，其可操作以提供至少第一和第二开关状态，其中在第一开关状态中低侧dc端子经由包括所述电压波整形器的第一路径电连接到ac端子，且在第二开关状态中高侧dc端子经由包括所述电压波整形器的第二路径电连接到ac端子。
实施例因此涉及电压源转换器(vsc)，其中电压波整形器、即合适的链节电路或类似物可串联连接于相支路的ac端子与相支路的高侧或低侧dc端子中的任一个之间。电压波整形器因此由相支路的两个转换器臂有效地共享，这可允许所需组件的数目的减少，如稍后将更详细描述。
相支路开关布置可以进一步可操作以提供至少第三和第四开关状态，其中在第三开关状态中高侧dc端子经由旁路电压波整形器的第三路径电连接到ac端子，且其中在第四开关状态中低侧dc端子经由旁路电压波整形器的第四路径电连接到ac端子。电压波整形器因此可以仅在一个转换器臂导通到另一臂导通之间的转变期间使用。
电压波整形器可以包括包括一系列单元的链节电路，每一单元包括储能元件和单元开关布置，所述单元开关布置可操作以选择性地将储能元件连接于所述单元的端子之间或连接所述单元的端子以便旁路所述储能元件。
相支路控制器可以被配置成以重复序列控制所述相支路，所述重复序列至少包括：
正斜坡模式，其中控制所述相支路开关布置以提供第一开关状态的周期接着是第二开关状态的周期，且控制所述波整形器以提供在第一开关状态的所述周期中增加且随后在第二开关状态的所述周期中减小的电压电平；以及
负斜坡模式，其中控制所述相支路开关布置以提供所述第二开关状态的周期接着是所述第一开关状态的周期，且控制所述波整形器以提供在第二开关状态的所述周期中增加且随后在第一开关状态的所述周期中减小的电压电平。
相支路控制器可以被配置成控制相支路以在所述第三和第四开关状态的实例之间交替，且经由所述负斜坡模式从第三开关状态转变到第四开关状态且经由所述正斜坡模式从第四开关状态转变到第三开关状态。
在一些实施例中，电压波整形器可以被配置成使得所述电压电平可在正电压电平与负电压电平之间选择性改变。例如电压波整形器可以包括带有具有全桥单元开关布置的单元的链节。在这些实施例中，电压波整形器可以与固定电容串联连接，即在第一和第二开关状态中连接于相关dc端子与ac端子之间的波整形器路径可以包括固定电容。在一些实施例中，电压波整形器可以在使用中可操作以产生与使用中的固定电容的电压具有相等量值和相反极性的电压电平。
在一些实施例中，相支路开关布置可以包括串联连接于高侧dc端子与ac端子之间的第一和第二上臂切换块以及串联连接于低侧dc端子与ac端子之间的第一和第二下臂切换块。电压波整形器可以连接于在第一和第二上臂切换块之间的上部节点与第一和第二下臂切换块之间的下部节点之间延伸的波整形器路径中。应注意如本文所使用，术语“块”将指代设备的功能单元，其可以包括一个或多个组件，所述组件可以或可以不物理上位于同一地点。
臂切换块可以包括一系列切换元件，例如igbt，以便有效地提供臂开关。因此可存在第一和第二上臂开关以及第一和第二下臂开关。
然而在一些实施例中，第一上臂切换块和第一下臂切换块可以各自包括臂内电压波整形器。臂内波整形器控制器可以被配置成分别在上文提到的第三和第四开关状态期间控制第一上臂和第一下臂切换块的臂内波整形器以提供可变电压。臂内波整形器控制器可以形成上文所提及的相支路控制器的部分或者因此可以是单独的。
在一些实施例中，臂内波整形器可以各自包括多个串联连接的单元，每一单元包括储能元件和全桥单元开关布置。在此情况下在一些实施例中，臂内波整形器控制器可以进一步被配置成控制所述单元以在dc侧故障的情况下限制故障电流。
在一些实施例中，vsc可进一步包括连接于转换器高侧dc端子与每一个相支路的高侧dc端子之间的高侧汇流条电压波整形器，以及连接于转换器低侧dc端子与每一个相支路的低侧dc端子之间的低侧汇流条电压波整形器。可操作汇流条波整形器以帮助改善谐波性能，如稍后将更详细描述。
如上文描述的vsc可以实施于海上平台上。
各方面还涉及包括如上文所描述的vsc的配电/电力传输系统。
在另一方面中，提供一种操作电压源转换器的方法，所述电压源转换器具有至少一个相支路，所述相支路具有高侧dc端子、低侧dc端子以及ac端子，所述方法包括：
以开关状态序列切换每一相支路，所述开关状态序列至少包括：
第一开关状态，其中低侧dc端子经由包括电压波整形器的第一路径电连接到所述ac端子；以及
第二开关状态，其中高侧dc端子经由包括所述电压波整形器的第二路径电连接到所述ac端子。
所述方法可以在上文关于第一方面描述的任何变体中实施。
具体来说所述开关状态序列可以包括：
正斜坡模式，其包括第一开关状态的周期接着是第二开关状态的周期，其中控制所述波整形器以提供在第一开关状态的所述周期中增加且随后在第二开关状态的所述周期中减小的电压电平；以及
负斜坡模式，其中控制相支路开关布置以提供第二开关状态的周期接着是第一开关状态的周期，且控制波整形器以提供在第二开关状态的所述周期中增加且随后在第一开关状态的所述周期中减小的电压电平。
所述序列可进一步包括至少第三和第四开关状态，其中在第三开关状态中高侧dc端子经由旁路所述电压波整形器的第三路径电连接到ac端子，且其中在第四开关状态中低侧dc端子经由旁路电压波整形器的第四路径电连接到所述ac端子。
附图说明
现在将仅借助于实例关于附图来描述本发明，在附图中：
图1示出已知的电压源转换器的一般形式；
图2示出根据本发明的实施例的具有共享电压波整形器的电压源转换器；
图3示出在图2中说明的电压源转换器的各种开关状态
图4示出用于图2中说明的电压源转换器的电压波形的一个实例；
图5示出具有与电压波整形器串联的固定电容的电压源转换器的又一实施例；
图6示出用于图5中说明的电压源转换器的电压波形；
图7示出具有臂内波整形器的电压源转换器的另一实施例；
图8示出具有汇流条波整形器的又一实施例；以及
图9示出用于图7中说明的电压源转换器的电压波形的一个实例。
具体实施方式
本发明的实施例涉及具有有源电压波整形器的电压源转换器，例如链节电路或类似物，用于选择性提供多个不同可能的电压电平中的一个，其中所述波整形器可以由相支路的上部和下部转换器臂共享。因此并非如同常规mmc或aac型转换器的情况那样每一转换器臂具备单独的链节，可以为相支路提供一个链节，其可以根据需要在ac端子与高侧或低侧dc端子之间切换。
图2示出根据本发明的实施例的电压源转换器(vsc)200。图2示出连接于高侧dc端子dc+与低侧dc端子dc-之间且具有ac端子202的相支路201。图2出于清楚起见仅给出一个相支路，但实际上可存在多个相支路，例如三个，每一个连接于高侧dc端子dc+与低侧dc端子dc-之间且各自具有相应ac端子。
相支路具有相支路开关布置，其在此实例中包括四个开关。相支路开关布置具有第一上臂开关su1和第二上臂开关su2，其串联连接于ac端子202与高侧dc端子dc+之间以形成上部转换器臂203-u。相支路开关布置还具有第一下臂开关sl1和第二下臂开关sl2，其串联连接于ac端子202与低侧dc端子dc-之间以形成下部转换器臂203-l。
开关su1、su2、sl1、sl2中的每一个可以通过切换元件的合适的串联连接而实施，例如如先前所描述的igbt105和反并联二极管106，例如图1中示出的形式104a的多个串联连接的切换元件。
相支路还具有相关联波整形器204，其在使用中可操作以提供跨越其端子的电压电平且其中提供的电压电平可选择性改变。电压波整形器可以例如包括例如上文关于图1描述的多个串联连接的单元104b的链节电路。如所描述，这些单元104b可以包括例如电容器107的储能元件以及例如igbt105和反并联二极管106的切换元件的单元开关布置，以使得电容器可串联连接于单元端子之间或被旁路。图2示出波整形器204的单元104b可以具有半桥单元开关布置，但在一些实施例中，全桥单元开关布置可以用于波整形器的单元中的至少一些。
相支路开关布置，例如开关su1、su2、sl1、sl2，可在许多不同开关状态中操作，这可以由合适的控制器206控制。具体来说，相支路开关布置可操作以提供至少第一和第二开关状态，其中在第一开关状态中低侧dc端子经由包括电压波整形器的第一路径电连接到ac端子，且在第二开关状态中高侧dc端子经由包括电压波整形器的第二路径电连接到ac端子。图3示出分别标记为(1)和(2)的第一和第二开关状态。
在第一开关状态(1)中，开关sl2和su1闭合，即导通，且开关sl1和su2断开，即非导通。这将波整形器204的下部末端连接到低侧dc端子且将波整形器的上部末端连接到ac端子202。将看到在此开关状态中，波整形器在串联连接于低侧dc端子与ac端子之间的第一路径301中，且第一路径包括上部转换器臂的开关su1。在此状态中，ac端子处的电压将等于-vl+vws，其中vl是低侧端子处的电压的量值(即通常vdc/2)，且vws是波整形器204的当前电压电平。
在第二开关状态(2)中，开关su2和sl1闭合，即导通，且开关su1和sl2断开，即非导通。这将波整形器204的上部末端连接到高侧dc端子且将波整形器的下部末端连接到ac端子202。将看到在此开关状态中，波整形器在串联连接于高侧dc端子与ac端子之间的第二路径302中，且第二路径包括下部转换器臂的开关sl1。在此状态中，ac端子处的电压将等于+vh-vws，其中vh是高侧端子处的电压的量值(即通常vdc/2)。将了解，在第一路径和第二路径中的每一个中连接的是同一波整形器。
如果端子之间的dc电压的量值是vdc，其中|vh|＝|vl|＝|vdc/2|，且波整形器204可产生从零到至少+vdc/2变动的多个电压电平，那么在第一开关状态中，在ac端子处的低侧dc电压的贡献可通过改变波整形器的电压而从-vl(即-vdc/2)改变到零。同样在第二开关状态中，在ac端子处的高侧dc电压的贡献可从+vh(即+vdc/2)改变为零。通过在第一和第二开关状态之间适当地交替且改变波整形器的电压，可以产生例如梯形波形的所需电压波形。
图4示出可以使用图3中示出的开关状态在例如图2中示出的相支路中产生的波形的一个实例。例如考虑相支路在第一开关状态中且波整形器的电压电平vws是零，以使得ac端子处的电压vac大体上对应于低侧dc电压，-vdc/2。波整形器204的电压电平可以随时间增加(例如，斜坡或阶梯)到等于vdc/2的电平，在此点ac端子处的电压大体上为零。此时相支路切换到第二开关状态以经由波整形器将高侧端子连接到ac端子。由于波整形器的电压等于+vdc/2，因此在此时间点高侧电压对ac端子处的电压的贡献是零。波整形器的电压vws随后可随时间减少以增加ac端子处的电压，直到波整形器的电压到达零且ac端子处的电压大体上等于高侧电压+vdc。波整形器的具有增加电压电平的第一开关状态中的操作周期和随后波整形器的具有减小电压的第二开关状态的周期可以提供ac端子处的连续全尺度正斜坡且因此可被视为正斜坡模式，因为其对应于ac端子处的电压的正斜坡。
对于梯形波形，相支路可以随后在稳定状态中保持于此高电压电平达一时间周期。这可以通过维持第二开关状态而实现，其中波整形器的电压电平保持为零。
然而在一些实施例中，相支路可以实际上在此时间点切换到不同开关状态，其中ac端子经由旁路、即不包括波整形器的路径连接到高侧dc端子，。如图3中所示，相支路开关布置因此可以在第三开关状态(3)中操作，其中上部侧开关su1和su2两者闭合且下部侧开关sl1和sl2两者断开，ac端子通过旁路波整形器204的第三路径303连接到高侧端子dc+。同样相支路开关布置也可以在第四开关状态(4)中操作，其中上部侧开关su1和su2断开且下部侧开关sl1和sl2闭合，且ac端子通过旁路波整形器204的第四路径304连接到低侧端子dc+。
返回参看图4，在正斜坡模式到达高侧电压之后，相支路因此可以切换到第三状态(3)且维持在此状态达一时间周期。随后接着可以开始负斜坡模式，其包括将相支路切换到第二开关状态且增加波整形器的电压以将ac端子处的电压减少到零，接着一旦到达零，就将相支路切换到第一开关状态且将波整形器的电压减小到零。在ac电压因此大体上等于低侧电压的时间点，相支路可以切换到第四开关状态。
第三和第四开关状态的使用意味着仅在相支路的一个转换器臂被带离导通且相对的臂被带入导通的换向期间使用电压波整形器。这可确保形成波整形器的链节的每一单元中的电容器遇到相等的正和负电流时间区域，因此可帮助维持电容器的电荷平衡。
在第三和第四开关状态期间，波整形器的电压可以维持在非零电压，所述非零电压在此实施例中可以是电压+vdc/2。这可帮助确保跨越未导通的转换器臂的电压在所述转换器臂的开关之间共享。例如考虑第三状态，其中上部臂开关su1和su2闭合，因此高侧dc端子连接到ac端子且电压波整形器被旁路。在此状态中，ac端子将处于与高侧端子的电压大体上相同的电压。因此跨越下部转换器臂的电压将大体上等于vdc。
然而将了解，下部转换器臂的开关sl1与sl2之间的节点在此状态中仍可以经由电压波整形器连接到上部开关su1与su2之间的节点。如果不存在跨越电压波整形器的电压，那么这些节点因此大体上处于相同电压，换句话说，下部开关之间的节点处的电压也将等于高侧电压+vdc/2。这将导致大体上无跨越开关sl1的电压，且跨越开关sl2施加大体上整个电压vdc。
在此状态中，波整形器的电压因此可以维持在等于+vdc/2的电压。因此在下部转换器臂开关sl1与sl2之间的节点处的电压将处于比高侧电压低vdc/2的电压，即处于中等电压。这确保开关sl1上将存在vdc/2的电压降以及类似地开关sl2上的vdc/2的电压降，使得承受的电压在这些开关之间大体上相等地共享。
相似分析适用于第四开关状态。因此在第三和第四开关状态中，波整形器的电压可以维持在一电压以使得转换器臂之间的波整形器路径的电压大体上等于dc端子之间的电压的二分之一。
由此可见在电力循环的正和负部分两者期间使用同一波整形器以产生(在此实例中)三角形波形。通过相支路开关布置的切换，为ac系统产生梯形波形。图2中所示的控制器206可以被布置成控制臂开关的开关状态并且控制波整形器204的链节的单元以提供此梯形波形。将了解，控制器206是功能单元且可以实际上由实际上分布在转换器的不同层级处的若干单独控制元件实施。
如果正确地确定了梯形的时序和幅值，那么ac端子相电压处的唯一分量便是基波及其三次频率，例如3次、9次谐波等。这些不希望的三次谐波频率可在delta连接式转换器变压器辅助绕组(未示出)中循环，因此将不出现在ac系统端子中。dc电压将是所有相的和，且将基本上是dc加上6次谐波及其倍数。可以使用各种技术以修改波整形器电压输出以滤出第6谐波，如从其它类型vsc的操作将了解。
在一些实施例中，可以修改基本梯形波形式以清空其它频率，包括可存在于ac和/或dc系统中的谐波和非整数频率谐波。
在一些实施例中，返回参见图2，可存在连接于dc端子之间的可选的输出电容器205，其可用以减少输出波形的失真。
应注意，关于波整形器的所说明的切换分布，相支路切换布置的开关su1、su2、sl1、sl2中的每一个具有等效于dc电压的二分之一的近似额定电压。可改变波整形器电压分布以修改dc和ac谐波，但可能导致开关电压额定值的增加。
如上所提到，一个电压波整形器因此由相支路的两个转换器臂有效地共享。图2的实施例中的波整形器具有从零到+vdc/2的电压范围，且可通过半桥单元的合适链节来实施。这与常规mmc型转换器相比显著减少组件的数目，在所述mmc型转换器中，每一转换器臂具有电压范围为vdc的链节，或是在aac型转换器中，每一转换器臂将具有额定至少为vdc/2的链节。与常规设计的同等转换器相比，这显著减少所需大型电容器的单元的数目，且因此产生具有减少的占地面积，即大小要求的转换器。
如所示，波整形器可以连接于波整形器路径中，所述路径在第一和第二上部臂开关之间的上部节点与第一和第二下部臂开关之间的下部节点之间延伸。
此布置在某种程度上类似于已知的所谓飞跨电容转换器的开关布置。然而在常规飞跨电容转换器中使用固定电容且进行布置以使得其可根据需要串联连接于dc端子中的任一个与ac端子之间或者被旁路。常规单级飞跨电容转换器因此通常仅提供高侧与低侧电压之间的单个中间电压。通过使用具有不同电容值的额外级可产生额外电压电平，其中每一转换器臂中的一对开关用于根据需要选择性地包括或旁路飞跨电容级。此布置需要使用具有不同值的多个大电容以及每一转换器臂中的复杂开关布置，这是不利的。本文描述的实施例使用简单相支路开关布置以及具有可变电压电平的波整形器。
然而在一些实施例中，在波整形器路径中可以使用固定电容以减少电压波整形器所需的电压范围，如图5中说明，其中与先前提到的那些组件相似的组件由相同参考数字标记。
图5示出在波整形器路径中与固定电容501串联连接的波整形器204，所述路径从上部臂203u的两个开关su1和su2之间的节点延伸到下部臂203l的两个开关sl1和sl2之间的节点。固定电容501被布置成维持比如+vdc/4的大体上恒定的电压电平。在此实施例中，波整形器被布置成提供在-vdc/4与+vdc/4之间变化的可变电压电平。因此电压电平可在正电压电平与负电压电平之间选择性改变，且在此实例中电压波整形器在使用中可操作以产生与使用中的固定电容的电压具有相等幅值和相反极性的电压电平。
当波整形器的电压电平等于-vdc/4时，来自波整形器的电压和固定电容一起导致跨越波整形器路径的零电压。当波整形器状的电压电平是零时，仅来自固定电容的电压贡献于跨越波整形器路径的电压，所述电压因此是vdc/4。当波整形器的电压电平等于+vdc/4时，这与来自固定电容的电压相加在一起以提供跨越波整形器路径的vdc/2的总电压。因此跨越波整形器路径的电压可在零与vdc/2之间改变，如图2中示出的实施例的情况。
图5的实施例可以与参考图2描述的实施例相同的方式操作。图6给出图5的实施例的实例波形。相支路可以切换到第一开关状态，且波整形器的电压从-vdc/4增加(即使得负的更少或正的更多)到+vdc/4以使ac端子处的电压从-vdc/2增加到零。相支路可以随后切换到第二开关状态，且波整形器的电压减小(即使得正的更少或负的更多)回到-vdc/4以使ac电压从零增加到vdc/2。
还示出，相支路也可以在第三状态和第四开关状态中连接，在第三状态中上部开关均闭合且下部开关均断开，在第四开关状态中上部开关均断开且下部开关均闭合。在第三和第四状态中，波整形器的电压可以维持在+vdc/4以将波整形器路径的电压维持在+vdc/2。
在此实例中的电压波整形器可以包括具有单元502的链节电路，其具有以全桥布置连接的电容器以允许输出正和负电压。这可以减少链节电路所需的单元的数目以及因此所需的电容器的数目，因为链节的电容器仅需要提供幅值为vdc/4的电压范围，虽然需要全桥单元和固定电容501。然而这仍可以使用比图2的实施例少的组件，因此带来与常规转换器设计相比的进一步大小减小。替代地并非使用全桥单元的链节转换器，链节自身(可以是半桥单元的链节)可以经由开关布置连接到波整形器路径，所述开关布置允许链节选择性地与固定电容串联或反串联连接，即使得波整形器的电压与固定电容的电压相加或起反作用。
上述转换器因此提供类似于aac型转换器的操作，但允许使用较少组件，随之带来转换器的成本和大小的减少因此还有所需的转换器站的成本和大小的减少。
在一些实施例中，ac和/或dc电流的谐波含量可以通过在转换器臂中提供至少一些额外波整形功能性而改进，例如减少。因此除在转换器臂之间共享的波整形器204之外，每一转换器臂中还可存在至少一个额外波整形器。
图7大体上示出根据此实施例的vsc的相支路。一般来说相支路具有开关布置，其包括上部转换器臂中的第一和第二上臂切换块701u和702u以及上部转换器臂中的第一和第二下臂切换块701l和702l。波整形器204连接于波整形器路径中，所述路径在第一和第二上臂切换块701u和702u之间的上部转换器臂的节点与第一和第二下臂切换块701l和702l之间的下部转换器臂的节点之间延伸。波整形器可以具有上述任何形式和/或在如先前所描述的波整形器路径中可存在固定电容。应注意如本文所使用，术语块将指代包括合适电路的功能单元。
臂切换块可操作以提供上文提及的开关状态，例如在第一开关状态中块701u和702l可以传导而块701l和702u大体上不导通，且在第二开关状态中块701l和702u可以导通而块701u和702l大体上不导通。
然而在一些实施例中，第一上臂切换块701u和第一下臂切换块701l均可以包括臂内电压波整形器。例如这些切换块可以至少部分地实施为具有波整形能力的链节电路。替代地，第二上臂切换块702u和第二下臂切换块702l均可以至少部分地实施为具有波整形能力的链节电路。
在使用中，如先前所描述可以由相支路控制器206控制电压波整形器204以根据需要实施正斜坡模式或负斜坡模式以从一个转换器臂导通转变为另一转换器臂导通。然而在此实施例中，在第三或第四开关状态中，当波整形器204被旁路时，可以控制臂内波整形器，即每一转换器臂中的链节，以例如通过提供正弦波的较好近似，提供改善转换器的谐波性能的电压波形。因此臂内波整形器可以具有相对有限电压范围，且因此可以仅包括相对少的单元来提供此电压范围。臂内波整形器可以由可形成相支路控制器206的部分的臂内波整形器控制。
臂内波整形器还可用以在第一和/或第二开关状态中提供电压以提供ac端子与相关dc端子之间的总体电压差的部分。这可帮助减少主要波整形器204所需的电压范围且另外减少断开状态的转换器臂开关上的电压应力。
臂内波整形器可以包括全桥或半桥单元的链节，但半桥单元由于其实施方案中的较少半导体开关而将带来较低导通损耗。应注意，如果需要，则转换器臂的两个臂切换块可以至少部分地实施为具有波整形能力的链节电路。
如果至少一些臂切换块确实包括具有全桥单元的链节，那么如本领域的技术人员将了解，相臂也可能够抑制dc侧故障，前提是为全桥单元提供足够的额定值。应理解，图2或5中说明的实施例由于提供导通路径的臂切换元件的反并联二极管而可能缺乏抑制至少一些dc侧故障的能力。在此类实施例中，可以在dc侧上提供例如dc断路器等单独的故障抑制元件，其可以是三个相共同的。
在一些实施例中，例如为全桥单元的一系列波整形单元可以与dc端子串联连接，如图8所示。图8示出了具有三个相支路201a、201b和201c的vsc，每一相支路连接于提供dc端子dc+和dc-的dc汇流条之间，且各自具有相应ac端子202a-c。与dc端子串联且因此与相201a-c中的每一个串联连接的是汇流条波整形器，其包括多个全桥单元801，即具有图5中说明的一般形式502的单元的串联连接。如图8中说明，全桥单元801可以与高侧和低侧dc端子串联连接。
可以控制汇流条波整形器的这些全桥单元801以在第6谐波频率下有效地隔离dc端子与转换器。随后控制每一相支路的整形器204，随后使用所得dc加上3次谐波波形以构造转换器的ac端子处的(接近)完美的基本频率正弦波电压波形。
图9给出此实施例的实例波形。控制高侧dc汇流条中的全桥单元以产生用于三个相的变化的高侧电压vh。高侧电压vh的变化被布置成对应于每一相循环的正二分之一的至少部分预期的电压变化，在此实例中为每一相循环的峰正120°。高侧电压因此变化等于二分之一正ac电压的量，即+0.5vac。低侧电压同样对应于每一相循环的负峰值120°，例如具有幅值等于二分之一峰负ac电压的变化，且因此可以与低侧电压的变化具180°的不同相。
每一相支路如先前所描述操作，例如以开关状态(1)、(2)、(3)、(2)、(1)、(4)的重复顺序。然而在第三开关状态中，当用于所述相的波整形器被旁路且ac端子连接到高侧dc汇流条时，高侧电压的变化提供所需的电压变化。对于第四开关状态，当ac端子在旁路所述相支路的波整形器204的路径中连接到低侧dc汇流条时同样如此。为了从第四开关状态转变到第三开关状态，相支路可以切换到第一开关状态，且如先前所描述的那样相应地改变波整形器的电压。
在此实施例中，波整形器可以在第一和第二状态中使用以在第三与第四状态之间的转变期间以与先前所描述相同的方式提供电压整形，以产生ac端子处的所需ac波形。然而在此实施例中，在状态1期间的波整形器电压还需要考虑低侧电压的调制，且同样在状态2中应当考虑高侧电压的变化。在开关状态(1)期间，其中ac端子经由电压波整形器连接到低侧dc汇流条，ac端子处的电压将为vl+vws。然而在此实施例中vl自身是变化的，因此将考虑进用于波整形器的波形。
图9示出了可以如何控制电压vws以及高侧电压vh和低侧电压vl的变化以及还有ac端子处的所得ac波形的实例。考虑在开关状态(3)开始的序列，其中ac端子直接连接到高侧dc端子。高侧dc端子的电压由汇流条波整形器801调制以提供用于此相的ac循环的此部分的所需电压变化。电压因此从二分之一正ac峰值电压变化到ac峰值电压，并且接着回到二分之一正ac峰值电压。此时高侧汇流条的电压开始再次增加以提供用于其它相中的一个的所需调制。此相支路因此切换到开关状态(2)，其中ac端子经由波整形器204连接到高侧汇流条，且波整形器的电压以与先前所描述类似的方式爬升以使ac端子处的电压斜降。然而在此实施例中，波整形器的电压斜坡考虑高侧电压的变化以提供所需ac波形。波整形器的电压斜变直到ac电压的电压为零，这发生于最大斜坡电压vm处。在此实例中，当高侧电压vh对应于峰ac电压的
在此实施例中在第三和第四开关状态期间，波整形器的电压可以保持在相对高电压以辅助如先前所描述的非导通转换器臂的断开状态开关的电压共享。这可以是在第三或第四开关状态的持续时间中保持的固定电压电平，如图9所示，例如在最大斜坡电压处或附近的电压。然而在一些实施例中，波整形器的电压可以根据变化的高侧和低侧电压而改变以维持断开状态开关之间的平均共享。
当然将了解，可以实施高侧和低侧电压的其它调制和/或可以使用波整形器204的电压的不同波形以提供ac端子处的所需波形。
在dc极到极故障的情况下，全桥单元801可切换以阻挡故障电流的流动。
本发明的实施例因此提供vsc和控制方法，其通过使用波整形器而提供良好转换器性能，但按需要在相支路的转换器臂之间共享至少一些波整形器组件以减少所需组件的数目且因此减少转换器的成本和大小。
本发明的vsc可以用于hvdc配电/传输系统中。根据实施例的第一vsc可以被布置以用于去往/来自第二vsc的传送电力，所述第二vsc可以是或可以不是根据本发明的实施例的vsc。vsc可以按背靠背布置布置于同一转换器站中，或者第一vsc可以远离第二vsc且通过合适的dc线路连接，例如经由架空线和/或绝缘电缆连接。在一些实施例中，第一vsc可以是多点网络的部分，其中多个其它vsc连接到同一dc网格。
应注意，上文所提到的实施例说明而不是限制本发明，且本领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施例。词语“包括”不排除除权利要求书中列出的那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一”不排除多个，且单个特征或其它单元可实现在权利要求书中所列举的若干个单元的功能。权利要求书中的任何参考记号都不应被解释为限制它们的范围。
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