电压源转换器及其控制的制作方法
【技术领域】
[0001]本申请涉及一种电压源转换器以及控制电压源转换器的方法和装置，并且尤其涉及用于高压配电的电压源转换器，具体涉及具有带有多个用于波形整形的单元和至少一个用于电压阻断的单元的转换器臂的电压源转换器。
【背景技术】
[0002]HVDC(高压直流）电功率传输使用直流来进行电功率传输。这是比较常见的交流电功率传输的备选方案。使用HVDC电功率传输具有许多益处。
[0003]为了使用HVDC电功率传输，通常需要将交流电流（AC)转换成直流电流（DC)，然后再转换回来。过去，这会涉及到基于晶闸管的六脉冲桥式拓扑结构（其有时也称为线换向转换器（LCC))。
[0004]功率电子领域的最新发展已经带来对用于AC-DC和DC-AC转换的电压源换流器(VSC)的使用增加。VSC通常包括多个转换器臂，其中每个转换器臂将一个DC端子连接到一个AC端子上。针对典型的三相交流输入/输出而具有六个转换器臂，其中两个臂部将给定的AC端子分别连接到高、低侧DC端子上，从而构成相位肢（phase limb)。每个转换器臂均包括通常被称为阀并通常包括可以所需顺序进行切换的多个元件的装置。
[0005]在一种已知的通常称为六脉冲桥的VSC中，每个阀均包括一组串联连接的开关元件，这通常是与各个反并联二极管相连的绝缘栅双极晶体管（IGBT)。阀的各个IGBT—起切换从而与相关的AC端子和DC端子进行电连接或断开，其中给定相位肢的阀通常以反相位进行切换。通过对每个转换器臂使用脉冲宽度调制（PWM)型切换方案，可以实现交流和直流电压之间的转换。
[0006]然而，在需要大量串联连接的IGBT的高压应用中，方法的确需要复杂的驱动电路以确保各个IGBT彼此同时进行切换，而且的确需要大型的无源缓冲器组件以确保正确共享串联连接的IGBT两端的高电压。此外，各个IGBT需要在交流电压频率的每个周期中进行多次接通及断开，以便控制谐波电流。这些因素可能会导致相对较高的转换损耗、高电平的电磁干扰以及复杂的设计。
[0007]在另一种已知类型的称为模块化多电平转换器（MMC)的VSC中，每个阀均包括多个串联连接的单元，其中每个单元包括例如电容器的能量存储元件以及开关结构，所述开关结构经控制可将能量存储元件连接在单元的端子之间或者将能量存储元件旁路。该单元有时还称为子模块，并且多个单元构成阀模块。阀的子模块经控制，以不同时间对其各自的能量存储元件进行连接或旁路，从而随着时间来改变多个单元上的电压差。通过使用相对大量的子模块并适当地定时进行切换，使得阀能够合成近似于所需波形（例如，正弦波）的阶跃式波形，从而在较低的谐波失真等级的情况下将DC转换成AC，或相反。由于各个子模块单独地进行切换并且因切换单个子模块而导致的电压变化相对较小，因此避免了与六脉冲桥式转换器相关联的许多问题。
[0008]在MMC设计中，会在交流周期中连续地对每个阀进行操作，其中同步地切换相位肢的两个阀以提供所需的电压波形。因此，至少对于AC波形的部分周期而言，每个阀的高侧端子将连接到大致等于高直流母线电压电压上，而低侧端子则连接到大致等于低直流母线电压-VdJ^电压上。因此，每个转换器臂的阀必须设计成能够承受两个DC端子之间的电压差，即2VDe的电压。这要求每个阀具有大量的子模块。因此，MMC转换器可能需要相对大量的部件，这增加了转换器的成本和尺寸。
[0009]近来，已经提出了一种变型的转换器，其中在转换器臂中设置一系列相连的单元以提供所述的阶跃式电压波形，但是每个转换器臂会断开长达交流周期的至少一部分。因此，多个串联连接的用于电压整形的单元与开关元件串联连接，其中当相关的转换器臂处于关断状态且不导通时所述开关元件关断。这种转换器已被称为交替臂转换器(alternatearm converter)。这种转换器的不例在W02010/149200中有所描述。
[0010]图1示出了已知的交替臂转换器(AAC) 100。示例性转换器100具有三个相位肢lOla-c，其中每个相位肢具有将相关的AC端子102a-c连接到高侧DC端子DC+的高侧转换器臂，以及将相关的AC端子102a-c连接到低侧DC端子DC-的低侧转换器臂。每个转换器臂包括多个串联的单元103，其中每个单元具有可选择性地被串联连接在该单元的端子之间的能量存储元件或者被旁路的能量存储元件。在图1所示的示例中，每个单元具有分别用于高侧和低侧连接的端子104a，104b，并包括作为能量存储元件的电容器105。电容器105与开关元件106 (例如，具有反并联二极管的IGBT)相连，以允许该单元的端子104a和104b经由旁路了电容器105的路径或经由包括了串联连接的电容器105的路径来进行连接。在图1中所示的示例中，每个单元包括以全H桥式结构配置的四个开关元件106，从而可在使用中连接电容器以在端子104a和104b之间提供正电压差或负电压差。然而，在一些实施例中，至少一些单元可包括半桥结构中的开关元件，从而可对该电容器进行旁路或连接以提供给定极性的电压差。这种单元103的串联连接有时称为链式(chain-link)电路或链式转换器。
[0011]在AAC转换器中，每个转换器臂中的串联连接的单元103与臂开关元件107串联连接，该臂开关元件例如可包括具有关断能力的高压元件，例如带有反并联二极管的IGBT或此类。当特定的转换器臂导通时，串联连接的单元按顺序切换从而以上面针对MMC型转换器所描述的类似方式来提供所需的波形。然而，在AAC转换器中，相位肢的转换器臂的每个臂都被关断长达一部分的交流周期，并且在此期间臂开关元件断开。当转换器臂由此而处于关断状态并且不导通时，转换器臂两端的电压分担在臂开关元件与串联连接的单元(即链式电路)之间。这在使用中可减小串联连接单元(即，链式电路)两端的最大电压。
[0012]例如，转换器如此操作:使得AC端子处的电压在交流周期期间在高侧直流电压+乂%与低侧直流电压-V De之间变化，并且使得高侧转换器臂针对交流周期的正极性部分而接通，但针对直流周期的负极性部分而关断(并且低侧转换器臂以反相来进行控制)。在交流周期的正极性部分期间，AC端子上的电压在零(S卩，中点电压，通常是接地的电压)与+Vdc之间变化。在此期间，高侧转换器臂中的串联连接单元上的最大电压差的幅值将相应等于Vdco
[0013]对于交流周期的负极性部分，AC端子上的电压变为负，这导致了高侧转换器臂上更大的电压差。然而，如果高侧转换器臂的臂开关元件针对交流周期的负极性部分而断开，那么转换器臂两端的电压则分担在臂开关元件与多个串联连接单元之间。如果臂开关元件具有幅值为vDe的耐压能力，那么交流周期的负半部分期间的高侧转换器臂的串联连接单元上的最大电压也将为幅值VDC。相同原则也适用于低侧相位臂。因此，转换器臂的单元可设计为最大正常操作电压为VDe，而不是MMC型转换器可能需要的2VDe。这允许使用更少的部件，即使在需要臂开关元件的情况下也能相应地降低成本并减少尺寸。
【发明内容】
[0014]本发明的实施例涉及一种改进的转换器和方法，以及用于对其进行控制的装置。
[0015]因此，根据本发明，提供了具有至少一个相位肢的电压源转换器，其中每个相位肢包括将AC端子连接到高侧DC端子的高侧转换器臂以及将AC端子连接到低侧DC端子的低侧转换器臂，其中至少一个转换器臂包括:
[0016]第一多个单元，所述第一多个单元中的每个单元均包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的能量存储元件；和
[0017]与所述第一多个单元串联连接的高压模块，高压模块包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的至少一个能量储存元件，
[0018]其中，高压模块的额定电压大于所述第一多个单元中的任何单元上的电压。
[0019]因此，本发明的实施例与AAC型转换器的类似之处在于:每个转换器臂中具有带有能量存储元件的第一多个单元，能量存储元件能够在转换器臂电路中选择性地被连接以及断开，从而提供电压波形整形。在本发明的实施例中，至少一个转换器臂(有利地为每个转换器臂)还具有高压模块，高压模块包括能与第一多个单元串联连接的至少一个能量存储元件，例如高压电容器。所述高压模块的额定电压(即，使用中由高压模块的至少一个能量存储元件所存储的操作电压)大于所述第一多个单元的任何单元。有利的是，高压模块的额定电压是与所述转换器臂相连的DC端子在使用时的电压幅值的至少一半。
[0020]如本领域技术人员所理解的那样，用于波形整形的转换器臂设计为提供电压阶跃，该电压阶跃是DC端子处的直流电压的幅值的相对小的部分。高压模块包括至少一个具有显著较高的额定电压的能量存储元件。由高压模块所保持的电压相应为相关的DC端子的电压幅值的显著部分，例如为相关的DC端子的电压幅值的至少一半、相关的DC端子的电压幅值的至少四分之一。在一些应用中，使用时由高压模块所存储的电压可大致等于DC端子处的电压幅值。这显著高于使用时由第一多个单元中的单元所存储的电压，例如高压模块的能量存储元件在使用中所存储的电压或额定电压可以比用于提供波形整形第一多个单元中的任何单元的能量存储元件的电压大至少10倍、至少20倍或至少50倍。
[0021]在使用中，高压模块的能量存储元件可选择性地串联连接于所述第一多个单元，从而在所述转换器臂关断状态下提供电压阻断支持，和/或相比于不具有高压模块的替代方案，减少了所述第一多个单元所需的单元数量。
[0022]高压模块可包括至少一个用于选择性地提供对所述至少一个能量存储元件进行旁路的电路径的第一开关元件，以及至少一个选择性地提供将所述至少一个能量存储元件串联连接在所述转换器臂中的电路径的第二开关元件。在一