具有dc故障电流限制能力的模块化多电平功率变换系统的制作方法
【专利说明】具有DC故障电流限制能力的模块化多电平功率变换系统
[0001]对相关申请的交叉参考
本申请是2012年5月31日提交的题为“多电平功率变换器”的美国专利申请N0.13/484517的部分继续，其通过引用而被结合在本文中。
【背景技术】
[0002]本公开的实施例涉及功率变换系统，更具体地，涉及多电平功率变换系统。
[0003]在高压直流(HVDC)输电中，功率变换系统经常被用于在传输变电站处将交流(AC)功率变换为直流(DC)功率并且在接收变电站处将传输的DC功率变换回为AC功率。在一种方法中，这样的功率变换系统具有模块化多电平结构。所述模块化多电平结构包括用于将AC功率变换为DC功率和将DC功率变换为AC功率的功率变换器模块的层叠布置。
[0004]功率转换器模块的各种设计已经被使用来形成模块化多电平功率变换系统。功率变换器模块的一种这样的设计包括半桥，所述半桥又包括跨接电容器耦合的两个开关。这样的半桥模块容易受DC故障的影响，例如DC短路。此外，半桥模块不能限制这样的短路电流。
[0005]此外，全桥功率变换器模块已经被使用来克服半桥模块的缺点。全桥功率变换器模块尽管能够限制DC短路电流但是需要使用是半桥结构的两倍数量的开关。这样增加数量的开关导致了更高的损耗和成本。
[0006]另外，双夹功率变换器模块(adouble clamped power converter module)也已经被使用来限制短路电流。双夹功率变换器模块中的开关具有在半桥功率变换器模块和全桥功率变换器模块的开关的额定功率之间的额定功率。然而，与全桥功率变换器模块相比，双夹功率变换器模块包括附加的电子部件。在模块化方法中，这些附加的电子部件的使用导致了更高的成本和复杂度。
[0007]最近，另一种方法已经被用来设计功率变换器模块。这种方法在每个功率变换器模块中包括两个开关和两个电容器。这样的功率变换器模块在操作期间允许更容易的绝缘和更好的冷却。然而，这种配置不能在DC故障状态下限制短路电流。
【发明内容】
[0008]根据本公开的一方面，提供了一种功率变换器模块。所述功率变换器模块包括第一变换器支线和第二变换器支线。第一变换器支线包括串联耦合的第一开关单元和第二开关单元。以相对于第一开关单元的取向的相反取向来布置第二开关单元。第二变换器支线包括串联耦合的第三开关单元和二极管。以相对于第一开关单元的取向的相反取向来布置第三开关单元。功率变换器模块还包括操作耦合在第一变换器支线和第二变换器支线之间的第一能量存储装置。功率变换器模块还包括操作耦合在第一变换器支线和第二变换器支线之间的第二能量存储装置。
[0009]根据本公开的另一方面，提供了一种功率变换系统。所述功率变换系统包括多个相单元，其中每个相单元被配置成变换对应于输入功率的相应相的功率。而且，每个相单元包括彼此串联耦合的多个功率变换器模块。此外，每个功率变换器模块包括第一变换器支线和第二变换器支线。第一变换器支线包括串联耦合的第一开关单元和第二开关单元。以相对于第一开关单元的取向的相反取向来布置第二开关单元。第二变换器支线包括串联耦合的第三开关单元和二极管。以相对于第一开关单元的取向的相反取向来布置第三开关单元。功率变换器模块还包括操作耦合在第一变换器支线和第二变换器支线之间的第一能量存储装置和第二能量存储装置。
[0010]根据本公开的又一方面，提供了一种用于变换功率的方法。所述方法包括串联耦合第一开关单元和第二开关单元以形成第一变换器支线，其中以相对于第一开关单元的取向的相反取向来布置第二开关单元。所述方法还包括串联耦合第三开关单元和二极管以形成第二变换器支线，其中以相对于第一开关单元的取向的相反取向来布置第三开关单元。所述方法进一步包括在第一变换器支线和第二变换器支线之间操作耦合第一能量存储装置和第二能量存储装置以形成功率变换器模块。所述方法还包括操作耦合多个功率变换器模块以形成被配置成将输入功率变换至输出功率的功率变换系统。所述方法进一步包括在识别出功率变换系统中的故障状态以使功率变换系统中的DC故障电流减到最小时限制功率变换系统中的故障状态。
[0011]提供了技术方案1:
一种功率变换器模块，包括:
第一变换器支线，所述第一变换器支线包括:
串联耦合的第一开关单元和第二开关单元，其中以相对于所述第一开关单元的取向的相反取向来布置所述第二开关单元；
第二变换器支线，所述第二变换器支线包括:
串联耦合的第三开关单元和二极管，其中以相对于所述第一开关单元的所述取向的相反取向来布置所述第三开关单元；
操作耦合在所述第一变换器支线和所述第二变换器支线之间的第一能量存储装置；以及
操作耦合在所述第一变换器支线和所述第二变换器支线之间的第二能量存储装置。
[0012]提供了技术方案2:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述第一开关单元、所述第二开关单元和所述第三开关单元中的每一个包括以反并联配置彼此操作耦合的开关和开关二极管。
[0013]提供了技术方案3:如技术方案2所述的功率变换器模块，其中所述开关包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、机械开关或它们的组合。
[0014]提供了技术方案4:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述第一开关单元被置于所述第一变换器支线的第一节点和第二节点之间并且所述第二开关单元被置于所述第一变换器支线的所述第二节点和第三节点之间。
[0015]提供了技术方案5:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述第三开关单元被置于所述第二变换器支线的第四节点和第五节点之间并且所述二极管被置于所述第二变换器支线的所述第五节点和第六节点之间。
[0016]提供了技术方案6:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中以第一取向将所述第一能量存储装置布置于所述第一变换器支线的第一节点和所述第二变换器支线的第四节点之间，其中以第二取向将所述第二能量存储装置布置于所述第一变换器支线的第二节点和所述第二变换器支线的第五节点之间，并且其中所述第二取向与所述第一取向相反。
[0017]提供了技术方案7:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述第二开关单元与所述第三开关单元工作以提供跨接所述功率变换器模块的电端子的正电压。
[0018]提供了技术方案8:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述第二开关单元与所述第一开关单元工作以提供跨接所述功率变换器模块的电端子的零电压。
[0019]提供了技术方案9:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述二极管和所述第一开关单元被配置成生成跨接所述功率变换器模块的电端子的负电压以减小DC故障电流。
[0020]提供了技术方案10:如技术方案1所述的功率变换器模块，其中所述第一变换器支线还包括第四开关单元，其中所述第二变换器支线还包括第五开关单元，并且其中以相对于所述第四开关单元的取向的相反取向来布置所述第五开关单元。
[0021]提供了技术方案11:如技术方案10所述的功率变换器模块，还包括操作耦合在所述第一变换器支线和所述第二变换器支线之间的在第一取向的第三能量存储装置和在第二取向的第四能量存储装置，其中所述第二取向与所述第一取向相反。
[0022]提供了技术方案12:
一种功率变换系统，包括:
被配置成变换对应于输入功率的相应相的功率的多个相单元，其中每个相单元包括彼此串联耦合的多个功率变换器模块，并且其中每个功率变换器模块包括:
第一变换器支线，所述第一变换器支线包括:
串联耦合的第一开关单元和第二开关单元，其中以相对于所述第一开关单元的取向的相反取向来布置所述第二开关单元；
第二变换器支线，所述第二变换器支线包括:
串联耦合的第三开关单元和二极管，其中以相对于所述第一开关单元的所述取向的相反取向来布置所述第三开关单元；
操作耦合在所述第一变换器支线和所述第二变换器支线之间的第一能量存储装置；和操作耦合在所述第一变换器支线和所述第二变换器支线之间的第二能量存储装置。
[0023]提供了技术方案13:如技术方案12所述的功率变换系统，其中所述功率变换系统是模块化层叠的多电平功率变换系统。
[0024]提供了技术方案14:如技术方案12所述的功率变换系统，其中所述多个相单元中的每个相单元操作地并联耦合至所述多个相单元中的其它相单元。
[0025]提供了技术方案15:如技术方案12所述的功率变换系统，其中所述第一变换器支线还包括第四开关单元，其中所述第二变换器支线还包括第五开关单元，并且其中以相对于所述第四开关单元的取向的相反取向来布置所述第五开关单元。
[0026]提供了技术方案16:如技术方案15所述的功率变换系统，还包括操作耦合在所述第一变换器支线和所述第二变换器支线之间的在第一取向的第三能量存储装置和在第二取向的第四能量存储装置，并且其中所述第二取向与所述第一取向相反。
[0027]提供了技术方案17:如技术方案12所述的功率变换系统，其中所述功率变换系统是高压直流(HVDC)输电系统、电力传输、配电系统、发电机控制系统或它们的组合。
[0028]提供了技术方案18:如技术方案17所述的功率变换系统，其中所述功率变换系统包括交流(AC)到直流(DC)功率变换系统和直流(DC)到交流(AC)功率变换系统。
[0029]提供了技术方案19:
一种用于变换功率的方法，包括:
操作地串联耦合第一开关单元和第二开关单元以形成第一变换器支线，其中以相对于所述第一开关单元的取向的相反取向来布置所述第二开关单元；
操作地串联耦合第三开关单元和二极管以形成第