电压源型变换器的制造方法

电压源型变换器的制造方法
【专利摘要】一种电压源型变换器(30)，包括用于连接至DC电网(58)的第一和第二DC端子(32，34)。电压源型变换器(30)还包括被连接在第一与第二DC端子(32，34)之间的至少一个臂，所述或每个臂包括：相元件(36)，包括多个开关元件(40)以互连DC电网(58)和AC电网(50)；辅助子变换器(38)，被配置为可控制的以充当波形合成器，以修改提供给DC电网(58)的第一DC电压；以及三次子变换器(39)，与电气单元中的相元件(36)连接，辅助子变换器(38)与电气单元并联连接，三次子变换器(39)被配置为可控制的以充当波形合成器，以修改提供给相元件(36)的DC侧的第二DC电压，三次子变换器(39)包括至少一个能量储存器件；其中电压源型变换器(30)还包括控制器(60)，其被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器(39)以合成至少一个三次电压分量，以便传送能量至该三次子变换器(39)或从该三次子变换器(39)传送能量，从而调节该三次子变换器(39)的能量水平。
【专利说明】
电压源型变换器
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种电压源型变换器。
【背景技术】
[0002]在电力传输网络中，交流(AC)电通常被变换为直流(DC)电，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这种变换免除了对由传输线或电缆造成的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。
[0003]AC电力到DC电力的变换还用于需要将运行于不同频率的AC电网进行互连的电力传输网络。在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交界处需要变换器来产生所需的变换，并且一种这种形式的变换器是电压源型变换器(VSC)。

【发明内容】

[0004]根据本发明的第一方案，提供一种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的至少一个臂，所述或每个臂包括:
[0005]相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网；
[0006]辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述DC电网的第一DC电压；以及
[0007]三次子变换器，在电气单元中与所述相元件连接，所述辅助子变换器与所述电气单元并联连接，所述三次子变换器被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述相元件的DC侧的第二 DC电压，所述三次子变换器包括至少一个能量储存器件；
[0008]其中所述电压源型变换器还包括控制器，所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便传送能量至该三次子变换器或从该三次子变换器传送能量并且从而调节该三次子变换器的能量水平。
[0009]操作电压源型变换器以在AC与DC电网之间传送电力会导致在至少一个能量储存器件中的能量积累(或至少一个能量储存器件的能量损耗)，从而导致至少一个能量储存器件的能量水平偏离参考值。
[0010]这种偏离是不利的，因为如果过少的能量被储存在给定能量储存器件中，则对应模块能够产生的电压减小，然而如果过多的能量被储存在给定能量储存器件中，则产生过电压问题。前者将需要添加电源以将受影响的能量储存器件的能量水平恢复至参考值，同时后者将需要增大一个或多个能量储存器件的额定电压以防止过电压问题，因而增加了电压源型变换器的总尺寸、重量和成本。另外，如果过少的能量被储存在给定能量储存器件中，则电压源型变换器可能由于欠电压保护而跳闸。
[0011]根据本发明电压源型变换器的配置允许能量被传送至所述或每个三次子变换器或者从所述或每个三次子变换器传送能量，以调节被储存在一个或多个对应能量储存器件中的能量，从而消除了与至少一个能量储存器件的能量水平偏离参考值相关联的问题。
[0012]可选地，可以改变所述或每个三次电压分量的幅值，以便调整被传送至所述或每个三次子变换器或从所述或每个三次子变换器传送的能量的数量。
[0013]当电压源型包括在第一DC端子与第二 DC端子之间连接的多个臂时，调节每个三次子变换器的能量水平可能涉及平衡多个三次子变换器的能量水平。当多个三次子变换器的能量水平存在不平衡时，这是有用的，上述不平衡可能是由例如从多相AC电网吸取的多个相位电流的不平衡引起的，或者由至少一个三次子变换器的一个或多个模块中的部件故障导致能量储存容量减少而引起的。
[0014]在本发明的实施例中，所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便传送能量至该三次子变换器或从该三次子变换器传送能量，从而最小化该三次子变换器的能量水平的净变化。这还增强了所述或每个三次子变换器的能量水平的调节，因此增强了被储存在给定能量储存器件中能量的任何相关联调节。
[0015]优选地，在限定时间段(例如，单个电力频率周期)上实施所述或每个三次子变换器的能量水平的调节以最小化该三次子变换器的能量水平的净变化。
[0016]在本发明的其它实施例中，所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以合成与相应三次电压分量反相的辅助电压分量。控制所述或每个辅助子变换器确保了在产生所述或每个三次电压分量的过程中，所述或相应第二DC电压以及因此所述或相应相元件的AC侧的AC电压保持不被修改。因此，可以在操作电压源型变换器的过程中的任何时刻实施所述或每个三次子变换器的能量水平调节，而不影响AC与DC电网之间的电力传送。
[0017]所述或每个三次电压分量可以是2次谐波电压分量的正整数倍。当电压源型变换器包括被连接在第一与第二 DC端子之间的多个臂时，合成作为2次谐波电压分量的正整数倍的至少一个三次电压分量，使得能够加和第一 DC电压，从而提供给DC电网组合的、无纹波的DC电压。
[0018]优选地，所述或每个三次电压分量是2次谐波电压分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。可以理解地是，所述或每个三次电压分量可以是3(2n-l)± I次谐波电压分量，η是正整数倍。这不仅防止不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)出现在提供给DC电网的所述或相应第一DC电压中。
[0019]所述或每个三次电压分量具有与流过对应三次子变换器的电流的电流分量相同的频率。这提供了当传送能量至所述或每个三次子变换器或从所述或每个三次子变换器传送能量时产生有功功率的可靠手段。
[0020]可选地，所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以相对于流过所述或每个三次子变换器的电流的相位角来修改所述或每个三次电压分量的相位角。以这种方式控制所述或每个三次子变换器允许调整被传送至所述或每个三次子变换器或从所述或每个三次子变换器传送的能量的数量，从而提供调节所述或每个三次子变换器的能量水平的额外方式。
[0021]另外，可选地，所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成所述或每个三次电压分量，以与流过该三次子变换器的电流的电流分量同相。以这种方式控制所述或每个三次子变换器最大化被传送至所述或每个三次子变换器或从所述或每个三次子变换器传送的能量的数量，从而最优化电压源型变换器调节所述或每个三次子变换器的能量水平的操作。
[0022]根据本发明的第二方案，提供一种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的多个臂，每个臂包括:
[0023]相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网；以及
[0024]辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改由所述分支提供给所述DC电网的第一 DC电压，
[0025]其中所述电压源型变换器还包括控制器，所述控制器被配置为选择性地控制每个辅助子变换器以修改相应第一 DC电压以包括至少两个辅助谐波分量，每个辅助谐波分量是2次谐波分量的正整数倍。
[0026]以这种方式配置控制器来控制每个辅助子变换器，使得能够加和第一DC电压，从而留下组合的、无纹波的DC电压提供给DC电网。因为无需相关联滤除硬件来滤除辅助谐波分量，从而允许减小相关联滤除硬件(其被配置为消除存在于每个相元件的AC侧的AC电压中的一个或多个谐波分量)的额定值。
[0027]优选地，当第一DC电压被加和时，控制器被配置为选择性地控制每个辅助子变换器来修改相应第一 DC电压在不同于另外两个第一 DC电压的相位上运行，以便消除辅助谐波分量。例如，当电压源型变换器具有三个臂时，当第一DC电压被加和时，每个第一DC电压可以被修改为在与其它两个第一 DC电压相差120电角度的相位上运行，以便消除辅助谐波分量。
[0028]优选地，每个辅助谐波分量是2次谐波分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。可以理解地是，每个辅助谐波分量可以是3(2n-l)±l次谐波分量，η是正整数倍。这不仅导致形成组合的、无纹波的DC电压提供给DC电网，还防止不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)出现在提供给DC电网的组合DC电压中。
[0029]在本发明第二方案的实施例中，每个臂还可以包括三次子变换器，所述三次子变换器被配置为可控制为充当波形合成器以修改提供给相应相元件的DC侧的相应第二 DC电压，并且所述控制器被配置为选择性地控制每个三次子变换器以合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形，所述或每个三次谐波分量是6次谐波分量的正整数倍。
[0030]以这种方式配置控制器来控制每个三次子变换器，这允许有源滤除存在于相应第二DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)，从而防止不期望的纹波谐波分量出现在提供给DC电网的相应第一 DC电压中。
[0031]另外，配置控制器来控制每个辅助子变换器以修改相应第一DC电压包括辅助谐波分量，这无需控制每个三次子变换器来有源地滤除不是6次谐波分量的正整数倍的不期望的纹波谐波分量，从而减小每个三次子变换器的所需额定电压。
[0032]相反地，可替代解决方案包含控制每个辅助子变换器来合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，以消除存在于第一DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)。然而，由每个辅助子变换器合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着使用三角形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网和每个相元件的AC侧，这在三角形连接的多个变压器一次绕组周围引起驱动电压，从而为显著的、连续的零相序电流提供在三角形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网和每个相元件的AC侧，这为显著的、连续的零相序电流提供在星形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。
[0033]由每个三次子变换器合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形，这无需控制每个辅助子变换器以合成一个或多个零相序三重谐波分量。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组，这对于高功率应用可能是有利的。
[0034]在本发明第二方案的其它实施例中，每个臂还可以包括三次子变换器，所述三次子变换器被配置为可控制为充当波形合成器以修改提供给对应相元件的DC侧的第二 DC电压，并且当相应辅助子变换器被控制为修改相应第一DC电压以包括辅助谐波分量时，所述控制器被配置为选择性地控制每个三次子变换器以将相应第二 DC电压修改为偏移整流正弦波形的近似，用于提供给相应相元件的DC侧。
[0035]将相应第二DC电压修改为偏移整流正弦波形的近似，用于提供给相应相元件的DC侧，这使得在相元件的AC侧形成具有最小谐波失真的高质量AC正弦波形。
[0036]可以通过例如同时控制下述来由每个三次子变换器实施相应第二 DC电压的这种修改:
[0037].控制每个辅助子变换器以修改相应第一DC电压，以包括至少两个辅助谐波分量，每个辅助谐波分量是2次谐波分量的正整数倍;以及
[0038]?控制每个三次子变换器以合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形，所述或每个三次谐波分量是6次谐波分量的正整数倍。
[0039]根据本发明的第三方案，提供一种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一 DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的至少一个臂，所述或每个臂包括:
[0040]相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网；
[0041]辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述DC电网的第一DC电压；以及
[0042]三次子变换器，在电气单元中与所述相元件连接，所述辅助子变换器与所述电气单元并联连接，所述三次子变换器被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述相元件的DC侧的第二 DC电压，
[0043]其中所述电压源型变换器还包括控制器，所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化。
[0044]以这种方式配置控制器以控制所述或每个三次子变换器，这禁止在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率的变化可能对电压源型变换器的DC侧运行的任何影响。这从而防止电压源型变换器的DC侧中任何不期望的变化，此变化原本可能由在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化引起。
[0045]相反地，可替代解决方案包含控制所述或每个辅助子变换器来合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，以补偿电压源型变换器的DC侧中的任何变化(其是由在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化引起的)。然而，如上所述，由所述或每个辅助子变换器合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着使用三角形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网和每个相元件的AC侧，这在三角形连接的多个变压器一次绕组周围引起驱动电压，从而为显著的、连续的零相序电流提供在三角形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网和每个相元件的AC侧，这为显著的、连续的零相序电流提供在星形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。
[0046]控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率的变化，这无需控制每个辅助子变换器来合成一个或多个零相序三重谐波分量。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组，这对于高功率应用可能是有利的。
[0047]控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿所述或相应第二电压的变化，所述或相应第二电压的变化是由所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率的变化引起的。这从而防止在操作电压源型变换器的DC侧中任何不期望的变化，此变化原本可能由在所述或相应第二 DC电压中的变化引起。
[0048]所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿所述或相应第二电压的变化，所述或相应第二电压的变化是由所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率的变化引起的，从而禁止所述或相应第二DC电压中的变化修改所述或相应第一DC电压。这从而防止所述或相应第一 DC电压中的任何不期望的变化，此变化原本可能由所述或相应第二 DC电压中的变化引起。
[0049]因此，根据本发明第三方案的电压源型变换器的配置允许电压源型变换器在宽范围的有功功率和无功功率上运行，并且对电压源型变换的DC侧的运行具有几乎为零的损害效果。
[0050]根据本发明的第四方案，提供一种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一 DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的至少一个臂，所述或每个臂包括:
[0051 ] 相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网；
[0052]辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述DC电网的第一DC电压；以及
[0053]三次子变换器，在电气单元中与所述相元件连接，所述辅助子变换器与所述电气单元并联连接，所述三次子变换器被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述相元件的DC侧的第二 DC电压，
[0054]其中所述电压源型变换器还包括控制器，当在使用中所述DC电网中发生故障时，所述控制器被配置为在故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器，以便最小化故障电流或阻挡故障电流流过所述电压源型变换器。
[0055]在根据本发明第四方案的电压源型变换器包括控制器，这允许控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器(其通常被用于促进AC与DC电网之间的电力传送)，以可靠地最小化或阻挡故障电流。这从而降低或消除对额外故障电流保护硬件(例如，断路器和电涌吸收器)的需要，以保护电压源型变换器免受故障电流的有害影响，从而使得能够在AC与DC电网之间传送电力的经济的、节省空间的电压源型变换器，还能最小化由DC电网中的故障造成的故障电流或者阻挡故障电流流过电压源型变换器。
[0056]当在使用中所述DC电网中发生故障时，所述控制器在所述故障操作模式中可以选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以便在所述第一 DC端子和第二 DC端子两端提供零DC电压，从而最小化故障电流或者阻挡故障电流流过所述电压源型变换器。
[0057]在第一和第二DC端子两端提供零DC电压，这禁止了故障电流经由所述或每个辅助子变换器在第一与第二 DC端子之间流动。当电压源型变换器包括连接在第一与第二 DC端子之间的多个臂时，为了在第一与第二 DC端子之间提供零电压，所述或每个辅助子变换器可以被控制为将所述或每个相应第一 DC电压设定为零，或者可以被控制为以便能够加和多个第一 DC电压以限定零DC电压，用于提供给故障DC电网。
[0058]当在使用中所述DC电网中发生故障时，所述控制器可以被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器，以便合成反向电压，所述反向电压最小化故障电流或阻挡故障电流流过所述电压源型变换器。
[0059]在故障操作模式中控制所述或每个三次子变换器和所述或每个辅助子变换器合成反向电压，这允许在辅助与三次子变换器之间分布反向电压，从而减小所述或每个三次子变换器和所述或每个辅助子变换器的所需单个额定电压，以便能够合成反向电压。
[0060]所述或每个子变换器和/或每个辅助子变换器可以被控制为在故障操作模式中合成多个电压，以便合成反向电压。
[0061]控制器可以被配置为在故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器，以合成DC电压。
[0062]优选地，所述控制器可以被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器，以便合成DC电压(其是所述或相应相元件的AC侧峰值AC电压的2Λ)。这种DC电压的合成减小了所述或每个三次子变换器的所需额定电压。
[0063]所述控制器可以被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器，以便可选地合成至少一个三次电压分量，所述或每个三次电压分量是6次谐波分量的正整数倍，以合成所述反向电压。
[0064]以这种方式配置控制器来控制所述或每个三次子变换器，不仅允许合成反向电压，还允许有源滤除存在于所述或相应第二 DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)，从而防止不期望的纹波谐波分量出现在提供给DC电网的所述或相应第一DC电压中。
[0065]所述控制器可以被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以合成至少一个辅助电压分量，所述或每个辅助电压分量是2次谐波分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。可以理解地是，所述或每个辅助电压分量可以是3(2n-l) ±1次谐波分量，η是正整数倍。
[0066]当电压源型变换器包括连接在第一与第二DC端子之间的多个臂时，合成作为2次谐波分量的正整数倍的至少一个辅助电压分量，这不仅可以被用于帮助合成反向电压以最小化故障电流或阻挡故障电流的流动，还能够加和多个第一 DC电压以限定零DC电压，用于提供给故障DC电网。
[0067]所述或每个辅助子变换器可以被配置为双向波形合成器。以这种方式配置所述或每个辅助子变换器提供产生所述或每个辅助电压分量的可靠手段。
[0068]所述控制器可以被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器以合成电压波形，以便禁止所述或相应相元件传导电流。例如，当所述或相应相元件的每个开关元件是二极管时，控制器可以被配置为在故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器以合成电压波形，以便反向偏置所述或相应相元件的多个二极管。
[0069]可以理解地是，所述或每个臂和其组件可以以不同的方式配置，以改变电压源型变换器的拓扑。
[0070]在本发明的实施例中，至少一个臂可以包括与电气单元(其包括相元件)并联连接的辅助子变换器。
[0071]在本发明的实施例中，利用至少一个三次子变换器，至少一个臂可以包括电气单元，所述电气单元包括串联连接的三次子变换器与相元件。
[0072]每个相元件中多个开关元件的配置可以变化，只要多个开关元件能够互连DC电压和AC电压即可。例如，所述或每个相元件中的多个开关元件可以包括并联连接的两对串联连接开关元件，每对串联连接开关元件之间的接合点限定AC端子，用于连接至多相AC电网的相应相。
[0073]每个臂在第一与第二DC端子之间连接的方式可以变化。例如，多个臂可以被串联连接在第一与第二 DC端子之间。
[0074]在本发明的其它实施例中，所述或每个子变换器可以是多级变换器。
[0075]在本发明的另外实施例中，所述或每个子变换器可以包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存器件，每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供电压源。
[0076]在所述或每个子变换器中包括所述或每个模块为所述或每个子变换器提供充当波形合成器的可靠手段。
[0077]所述或每个子变换器中的所述或每个模块的配置可以变化。
[0078]在本发明的实施例中，每个模块中的所述或每个开关元件以及所述或每个能量储存器件可以结合以选择性地提供单向电压源。例如，辅助子变换器中的所述或每个模块可以包括以半桥结构与能量储存器件并联连接的一对开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块。
[0079]在本发明的其它实施例中，每个模块中的所述或每个开关元件以及所述或每个能量储存器件可以结合以选择性地提供双向电压源。例如，三次子变换器中的所述或每个模块可以包括以全桥结构与能量储存器件并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
[0080]所述或每个子变换器可以包括限定链环式变换器的多个串联连接模块。通过将每个提供其自身电压的多个模块的能量储存器件插入链环式变换器，链环式变换器的结构允许在链环式变换器两端建立组合电压，其高于从其单个模块可得的电压。以这种方式切换每个模块中的所述或每个开关元件使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链环式变换器两端产生电压波形。于是，链环式变换器能够提供宽范围的复合电压波形，用于修改对应相元件的DC侧的DC电压。
[0081]至少一个开关元件可以包括至少一个自换向开关器件。所述或每个自换向开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向开关器件。每个开关元件中开关器件的数量可以根据该开关元件的所需额定电压和电流变化。
[0082]所述或每个开关元件还可以包括与所述或每个开关器件反并联连接的无源电流逆止元件。
[0083]所述或每个无源电流逆止元件可以包括至少一个无源电流逆止器件。所述或每个无源电流逆止器件可以是能够在仅仅一个方向上限制电流的任何器件，例如，二极管。每个无源电流逆止元件中无源电流逆止器件的数量可以根据该无源电流逆止元件的所需额定电压和电流变化。
[0084]每个能量储存器件可以是能够储存和释放能量的任何器件，例如，电容器、燃料电池或蓄电池。
[0085]可以理解地是，本发明的每个方案的每个实施例可以可选地与本发明的每个其它方案的一个或多个实施例相结合。
[0086]还可以理解地是，本专利说明书中使用术语“三次”和“辅助”仅仅用于帮助区分相似特征(例如，辅助和三次子变换器)，并且不旨在表示一个特征对另一个特征的相对重要性。
【附图说明】
[0087]现在将参照以下附图，仅仅通过非限制示例的方式来描述本发明的优选实施例，在附图中:
[0088]图1以示意图形式示出根据本发明第一实施例的电压源型变换器；
[0089]图2a和图2b分别以示意图形式示出2象限单极模块和4象限双极模块的结构；
[0090]图3以曲线图形式示出图1的电压源型变换器的操作，而无其三次子变换器的能量水平的能量调节；
[0091]图4以示意图形式示出图1的电压源型变换器的操作，以调节其三次子变换器的能量水平；
[0092]图5以曲线图形式示出图1的电压源型变换器的操作，具有其三次子变换器的能量水平的能量调节；
[0093]图6以示意图和曲线图形式示出在操作图1的电压源型变换器的过程中产生的第一 DC电压；
[0094]图7以示意图形式示出根据本发明第二实施例的电压源型变换器的操作；
[0095]图8以示意图和曲线图形式示出根据本发明第三实施例的电压源型变换器的操作；以及
[0096]图9至图11以示意图和曲线图形式示出根据本发明第四实施例的电压源型变换器的操作。
【具体实施方式】
[0097]图1示出根据本发明第一实施例的第一电压源型变换器30。
[0098]第一电压源型变换器30包括第一 DC端子32和第二 DC端子34、多个相元件36、多个辅助子变换器38和多个三次子变换器39。
[0099]每个相元件36包括并联连接的两对串联连接开关元件40。每对串联连接开关元件40之间的接合点限定AC端子。每个相元件36的AC端子限定该相元件36的AC侧42。
[0100]在使用中，每个相元件36的AC端子由多个开式二次变压器绕组44的相应一个互连。每个二次变压器绕组44与多个一次变压器绕组46中的相应一个相互耦合。多个一次变压器绕组46以星形结构连接，其中每个一次变压器绕组46的第一端被连接至公共接合点48，并且每个一次变压器绕组46的第二端被连接至三相AC电网50的相应相。以这种方式，在使用中，每个相元件36的AC侧42被连接至三相AC电网50的相应相。
[0101 ]公共接合点48限定多个一次变压器绕组46的中性点，并且被接地(未示出)。
[0102]每个相元件36与多个三次子变换器39中的相应一个串联连接以限定电气单元。每个辅助子变换器38与电气单元中的相应一个并联连接以形成臂。
[0103]每个子变换器38、39包括多个模块52。
[0?04] 每个辅助子变换器38的每个模块52包括一对开关兀件54和以电容器形式的能量储存器件56。在每个辅助子变换器38中，该对开关元件54以半桥结构与电容器56并联连接，以限定能够提供零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块。如图2a戶/f示ο
[0105]每个三次子变换器的每个模块52包括两对开关元件54和以电容器形式的能量储存器件56 ο在每个三次子变换器38中，各对开关元件54以全桥结构与电容器56并联连接，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。如图2b所示。
[0106]多个臂在第一DC端子32与第二DC端子34之间串联连接。在使用中，第一DC端子32与第二 DC端子34被分别连接到DC电网58的第一端子和第二端子，DC电网58的第一端子携带正的DC电压，DC电网58的第二端子携带负的DC电压。
[0107]如上所述配置每个臂意味着，在使用中，在每个相元件36的并联连接的各对串联连接开关元件40的两端出现DC电压。
[0108]于是，在使用中，每个相元件36互连DC电压和AC电压。在其它实施例中，可以设想，每个相元件可以包括具有不同结构的多个开关元件以互连DC电压和AC电压。
[0109]每个开关元件40、54包括单个开关器件。每个开关元件40、54还包括与每个开关器件反并联连接的无源电流逆止元件。
[0110]每个开关器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的形式。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个IGBT可以被替换为栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向开关器件。每个开关元件中开关器件的数量可以根据该开关元件的所需额定电压变化。
[0111]每个无源电流逆止元件包括以二极管形式的无源电流逆止器件。可以设想，在其它实施例中，每个二极管可以被替换为能够仅仅在一个方向上限制电流的任何其它器件。每个无源电流逆止元件中无源电流逆止器件的数量可以根据该无源电流逆止元件的所需额定电压变化。
[0112]还可以设想的是，在本发明的其它实施例中，每个电容器可以被替换为能够储存和释放能量的另一类型能量储存器件，例如，燃料电池或蓄电池。
[0113]每个子变换器38、39中的多个串联连接模块52限定链环式变换器。
[0114]通过改变开关元件54的状态，每个模块52的电容器56被选择性地旁路或插入到链环式变换器。这选择性地引导电流通过电容器56或使得电流旁路电容器56，使得在每个辅助子变换器38的情况下，模块52提供零电压或正电压，并且在每个三次子变换器39的情况下，模块52提供负电压、零电压或正电压。
[0115]当模块52中的开关元件54被配置为在模块52中形成短路时，模块52的电容器56被旁路。这导致链环式变换器中的电流穿过短路并且旁路电容器56，所以模块52提供零电压，即，模块52被配置为旁路模式。
[0116]当模块52中的开关元件54被配置为允许链环式变换器中的电流流入和流出电容器56时，模块52的电容器56被插入到链环式变换器。然后电容器56将其储存的能量充电或放电以便提供非零电压，即模块52被配置为非旁路模式。
[0117]可以设想，在本发明的其它实施例中，每个模块可以被替换为包括至少一个开关元件和至少一个能量储存器件的另一类型模块，所述或每个模块中的所述或每个开关元件以及所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供电压源。
[0118]通过将每个提供其自身电压的多个模块52的能量储存器件56插入链环式变换器，链环式变换器的结构允许在链环式变换器两端建立组合电压，其高于从其每个单个模块52中可得的电压。以这种方式切换每个模块52中的每个开关元件54使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链环式变换器两端产生电压波形。于是，每个链环式变换器能够提供宽范围的复合电压波形。
[0119]在每个臂中，辅助子变换器38和电气单元的并联连接允许辅助子变换器38选择性地充当波形合成器，以修改提供给DC电网的第一DC电压。
[0120]在每个臂中，三次子变换器39和相元件36的串联连接允许三次子变换器39选择性地充当波形合成器，以修改对应相元件36的DC侧的第二 DC电压。对应相元件36的DC侧的DC电压的这种修改弓I起对应相元件36的AC侧42处AC电压的对应修改。
[0121]可以设想，在本发明的其它实施例中，每个辅助子变换器的配置可以变化，只要每个辅助子变换器能够选择性地充当波形合成器以修改第一 DC电压即可，并且每个三次子变换器的配置可以变化，只要每个三次子变换器能够选择性地充当波形合成器以修改第二 DC电压即可。例如，每个辅助子变换器可以是多级变换器。
[0122]第一电压源型变换器30还包括被配置为控制辅助子变换器38和三次子变换器39的控制器60。
[0123]控制器60还被配置为执行第一控制功能，其选择性控制每个三次子变换器39以合成至少一个三次电压分量106，从而将能量传送到该三次子变换器39或从该三次子变换器39传送能量，从而调节该三次子变换器39的能量水平，如图4所示。
[0124]在所示实施例中，所述或每个三次电压分量106被合成为具有与流过对应三次子变换器39的电流的电流分量相同的频率，并且为2次谐波电压分量的正整数倍。
[0125]另外，在所示实施例中，所述或每个三次电压分量106被合成为与流过该三次子变换器39的电流的电流分量同相。以这种方式控制每个三次子变换器39最大化被传送至每个三次子变换器39的能量或者从每个三次子变换器39传送的能量，从而最优化第一电压源型变换器30调节每个三次子变换器39的能量水平的操作。
[0126]控制器60还被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38，以合成与相应三次电压分量106反相的辅助电压分量108，如图4所示。控制每个辅助子变换器38确保了在产生所述或每个三次电压分量的过程中，相应第二DC电压以及因此相应相元件36的AC侧的AC电压保持不被修改。因此，可以在操作第一电压源型变换器30的过程中的任何时刻实施每个三次子变换器39的能量水平调节，而不影响AC电网50与DC电网58之间的电力传送。
[0127]每个三次子变换器的电压和电流的乘积限定其功率曲线，当对时间积分时，其提供能量曲线。操作第一电压源型变换器30以在AC电网50与DC电网58之间传送电力可能导致在至少一个电容器56中的能量积累(或至少一个电容器56的能量损耗)，从而导致至少一个电容器56的能量水平偏离参考值。
[0128]这种偏离是不利的，因为如果过少的能量被储存在给定电容器56中，则对应模块52能够产生的电压减小，然而如果过多的能量被储存在给定电容器56中，则产生过电压问题。前者将需要增加电源以将受影响的电容器56的能量水平恢复至参考值，而后者将需要增大一个或多个电容器56的额定电压以防止过电压问题，因而增加了第一电压源型变换器30的总尺寸、重量和成本。另外，如果过少的能量被储存在给定电容器56中，则第一电压源型变换器30可能由于欠电压保护而跳闸。
[0129]图3以曲线图形式示出第一电压源型变换器30的操作，而无三次子变换器39的能量水平的能量调节，此时每个三次子变换器39被控制为合成电压波形100(其包括以6次谐波分量的正整数倍形式的谐波分量)，并且每个三次子变换器39传导以整流正弦波形形式的电流102(其包含DC电流和以2次谐波分量的正整数倍形式的谐波分量)。从图3可以看出，存在来自每个三次子变换器39的净能量传送104。
[0130]为了调节三次子变换器39的能量水平，控制器60控制每个三次子变换器39以合成至少一个三次电压分量106，以便传送能量至该三次子变换器39或从该三次子变换器39传送能量，如图4所示。
[0131]图5以曲线图形式示出第一电压源型变换器30的操作，其具有三次子变换器39的能量水平的能量调节，此时控制器60控制每个三次子变换器39以合成电压波形110(其包含以2次谐波分量形式的三次电压分量)。从图5可以看出，在预定义时间段上，在每个三次子变换器39的能量水平112中存在为零的净变化。
[0132]图6以示意图和曲线图形式示出在操作第一电压源型变换器30的过程中产生的第一DC电压114a、114b和114c。从图6可以看出，将第一 DC电压114a、114b和114c合成为每个包含2次谐波电压分量形式的三次电压分量，这使得能够加和第一 DC电压114a、114b和114c，从而提供给DC电网58组合的、无纹波的DC电压116。
[0133]第一电压源型变换器30的配置允许能量被传送至每个三次子变换器39或者从每个三次子变换器39传送能量，以调节被储存在一个或多个对应电容器56中的能量，从而消除了与至少一个电容器56的能量水平偏离参考值相关联的问题。
[0134]调节每个三次子变换器39的能量水平可能涉及平衡多个三次子变换器39的能量水平。当多个三次子变换器39的能量水平存在不平衡时，这是有用的，上述不平衡可能是由例如从AC电网60吸取的多个相位电流的不平衡引起的，或者由至少一个三次子变换器39的一个或多个模块52中的部件故障导致能量储存容量减少引起的。
[0135]可选地，控制器60可以被配置为选择性地控制每个三次子变换器39，以相对于流过每个三次子变换器39的电流的相位角来修改所述或每个三次电压分量的相位角。以这种方式控制每个三次子变换器39允许调整被传送至每个三次子变换器39或从每个三次子变换器39传送的能量的数量，从而提供调节每个三次子变换器39的能量水平的额外方式。
[0136]提供了根据本发明第二实施例的第二电压源型变换器。第二电压源型变换器在结构和操作上与图1的第一电压源型变换器30类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0137]第二电压源型变换器与第一电压源型变换器30的不同之处在于:第二电压源型变换器的控制器60还被配置为执行第二控制功能，其选择性地:
[0138].控制每个辅助子变换器38以修改相应第一DC电压，以包括至少两个辅助谐波分量，每个辅助谐波分量是2次谐波分量的正整数倍；
[0139]?控制每个三次子变换器39以合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形，所述或每个三次谐波分量是6次谐波分量的正整数倍。
[0140]控制器60还被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38来修改相应第一 DC电压以与其它两个第一 DC电压相差120电角度地运行。
[0141]同时:
[0142].控制每个辅助子变换器38以修改相应第一DC电压120，以包括至少两个辅助谐波分量，每个辅助谐波分量是2次谐波分量的正整数倍;以及
[0143].控制每个三次子变换器39以合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形122，所述或每个三次谐波分量是6次谐波分量的正整数倍，
[0144]结果是将相应第二DC电压124修改为用于提供给相应相元件36的DC侧的偏移整流正弦波形的近似，如图7所示。这使得在相元件36的AC侧形成具有最小谐波失真的高质量AC正弦波形。
[0145]以上述方式控制每个子变换器38、39不仅导致当第一DC电压被加和时消除辅助谐波分量，从而留下组合的、无纹波DC电压提供给DC电网络58，还有源地滤除存在于相应第二DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)，从而防止不期望的纹波谐波分量出现在提供给DC电网58的相应第一 DC电压中。
[0146]此外，控制每个辅助子变换器38来修改相应第一DC电压以包括辅助谐波分量，这无需控制每个三次子变换器39来有源地滤除不期望的纹波谐波分量(其不是6次谐波分量的正整数倍)，从而减小每个三次子变换器39的所需额定电压。
[0147]相反地，可替代解决方案包含控制每个辅助子变换器38来合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，以消除存在于第一DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)。然而，由每个辅助子变换器38合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着使用三角形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网50和每个相元件36的AC侧，这在三角形连接的多个变压器一次绕组周围引起驱动电压，从而为显著的、连续的零相序电流提供在三角形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网50和每个相元件36的AC侧42，这为显著的、连续的零相序电流提供在星形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。
[0148]另一方面，由每个三次子变换器39合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形，这无需控制每个辅助子变换器38来合成一个或多个零相序三重谐波分量。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组46，这对于高功率应用可能是有利的。
[0149]提供了根据本发明第三实施例的第三电压源型变换器。第三电压源型变换器在结构和操作上与第二电压源型变换器类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0150]第三电压源型变换器与第二电压源型变换器的不同之处在于:第三电压源型变换器的控制器60还被配置为执行第三控制功能，其选择性地控制每个三次子变换器39以产生补偿DC电压分量，用于提供给相应相元件36的DC侧，以便补偿相应第二 DC电压中的变化，上述变化是由在相应相元件36的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率的变化引起的，并且从而禁止相应第二 DC电压中的变化修改相应第一 DC电压。
[0151]在操作第三电压源型变换器的过程中，每个臂中的第一DC电压和第二DC电压可以被设定为相等，使得相应三次子变换器不被控制为合成DC电压波形。因为第三电压源型变换器包括在第一 DC端子32与第二 DC端子34之间串联连接的三个臂，所以第一 DC电压和第二DC电压中的每个等于第一DC端子32与第二DC端子34两端电压(S卩DC电网58的电压)的三分之一O
[0152]当第三电压源型变换器被控制为产生或吸收其相元件36的AC侧的无功功率(例如，通过切换相元件36的开关元件40)时，每个相元件36的AC侧的AC电压的幅值一定增大或减小。每个相元件36的AC侧AC电压的增大或减小进而使得提供给每个相元件36的DC侧的第二DC电压增大或减小，这又引起每个第一 DC电压增大或减小。
[0153]因此，每个第一 DC电压将不再等于第一 DC端子32与第二 DC端子34两端电压(SPDC电网58的电压)的三分之一。
[0154]为了禁止相应第二DC电压126中的变化修改相应第一 DC电压128，控制器60控制每个三次子变换器39以产生补偿DC电压分量130，用以提供给相应相元件36的DC侧，以便补偿相应第二 DC电压中的变化，上述变化是由在相应相元件36的AC侧产生或吸收的无功功率的变化引起的，如图8所不。
[0155]按照第三控制功能控制每个三次子变换器39禁止在相应相元件36的AC侧产生或吸收的无功功率的变化可能对相应第一 DC电压的任何影响。这从而防止相应第一 DC电压中任何不期望的变化，此变化原本可能由在相应相元件36的AC侧产生或吸收的无功功率的变化引起。
[0156]因此，第三电压源型变换器的配置允许第三电压源型变换器在宽范围的有功功率和无功功率上运行，并且对第三电压源型变换的DC侧的运行具有几乎为零的损害效果。
[0157]相反地，可替代解决方案包含控制每个辅助子变换器38来合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，以补偿第三电压源型变换器的DC侧中的任何变化(其是由相应相元件36的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化引起的)。如上所述，然而，由每个辅助子变换器38合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着使用三角形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网50和每个相元件58的AC侧，这在三角形连接的多个变压器一次绕组周围引起驱动电压，从而为显著的、连续的零相序电流提供在三角形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组来互连AC电网50和每个相元件36的AC侧42，这为显著的、连续的零相序电流提供在星形连接的多个变压器一次绕组中流动的路径。
[0158]按照第三控制功能控制每个三次子变换器39，这无需控制每个辅助子变换器38以合成一个或多个零相序三重谐波分量。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器一次绕组46，这对于高功率应用可能是有利的。
[0159]提供了根据本发明第四实施例的第四电压源型变换器。第四电压源型变换器在结构和操作上与第三电压源型变换器类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
[0160]第四电压源型变换器与第三电压源型变换器的不同之处在于:第四电压源型变换器的控制器60还被配置为执行第四控制功能，当在使用中DC电网58发生故障150时，第四控制功能在故障操作模式中选择性地控制每个三次子变换器39和/或每个辅助子变换器38，以便最小化故障电流或阻挡故障电流流过第四电压源型变换器。
[0161]另外，第四电压源型变换器与第三电压源型变换器的不同之处在于:电压源型变换器的每个辅助子变换器38包括多个4象限双极模块52。
[0162]可以设想，在本发明的其它实施例中，每个辅助子变换器的每个4象限双极模块可以被替换为能够选择性地提供双向电压源的另一类型模块。还可以设想的是，在本发明的其它实施例中，每个辅助子变换器可以包括多个2象限单极模块和多个4象限双极模块的组入口 ο
[0163]DC电网络58中的故障150(例如，低阻抗短路)或其它异常运行状况可能导致在DC电网58中流动的高故障电流。
[0164]响应于发生在DC电网58中的故障150或其它异常运行状况的情况，控制器60在故障操作模式中控制每个辅助子变换器38以将相应第一 DC电压设定为零，以便在第一 DC端子32与第二 DC端子34两端提供零DC电压，如图9所示。这抑制故障电流经由每个辅助子变换器38在第一 DC端子32与第二 DC端子34之间流动。
[0165]可替代地，为了在第一 DC端子32和第二 DC端子34两端提供零DC电压，控制器60在故障操作模式中控制每个辅助子变换器38来合成作为2次谐波分量的正整数倍数的至少一个辅助电压分量。优选地，所述或每个辅助电压分量是2次谐波分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。作为2次谐波分量的正整数倍数的至少一个辅助电压分量的这种合成使得能够加和多个第一 DC电压以限定零DC电压，用以供提供给故障DC电网58。
[0166]同时，如图9所示，控制器60在故障操作模式中控制每个三次子变换器39，以便合成反向电压152，以匹配或超过AC电网50的相应相的AC电压154，其经由第四电压源型变换器驱动故障电流从AC电网50流到DC电网58。在所示实施例中，当AC电网50相应相的AC电压154是正弦波形的形式时，以偏移整流正弦电压波形的形式来合成反向电压152。
[0167]提供反向电压以匹配AC电网50的AC电压意味着不再具有任何驱动电压(其可以经由第四电压源型变换器驱动故障电流从AC电网50流到DC电网58)，从而阻挡故障电流在第四电压源型变换器中流动。
[0168]可选地，控制器60可以在故障操作模式中控制每个三次子变换器39和每个辅助子变换器38以合成反向电压(例如，偏移整流正弦电压波形)。尤其，在故障操作模式中，控制器60控制每个三次子变换器39，以合成DC电压(其为相应相元件36的AC侧峰值AC电压的2/JT)以及以6次谐波分量和12次谐波分量形式的两个三次电压分量，并且控制每个辅助子变换器38，以合成2次、4次、8次和10次谐波分量形式的辅助电压分量，如图10所示。因此，反向电压是DC电压、每个三次电压分量和每个辅助电压分量的组合。
[0169]因此，在故障操作模式中，如此控制每个三次子变换器39和每个辅助子变换器38以合成反向电压，这允许在辅助子变换器38与三次子变换器39之间分布反向电压，从而减小每个三次子变换器39和每个辅助子变换器38的所需的单个额定电压，以便能够合成反向电压。
[0170]如上所述，作为2次谐波分量的正整数倍的辅助电压分量的这种合成使得能够加和多个第一 DC电压以限定零DC电压，用于提供给故障DC电网58。
[0171]另外，控制每个三次子变换器39以合成作为6次谐波分量的正整数倍的三次电压分量，这允许有源滤除存在于相应第二 DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)，并且从而防止不期望的纹波谐波分量出现在提供给DC电网58的相应第一DC电压中。
[0172]应当理解，每个三次子变换器39和每个辅助子变换器38可以被控制在故障操作模式中，以使得其每个合成多个其它类型的电压，以便合成反向电压。
[0173]可以设想，在本发明的其它实施例中，合成反向电压以最小化流过第四电压源型变换器的故障电流，而不是阻挡故障电流在第四电压源型变换器中流动。
[0174]另外可选地，当每个相元件36的每个开关器件40被关断以将每个相元件36有效地修改为二极管整流器时，在故障操作模式中，控制器60可以控制每个三次子变换器39以合成DC电压(其为相应相元件36的AC侧的峰值AC电压的2Λ)并且控制每个辅助子变换器38控制每个辅助子变换器38以合成2次、4次、8次和10次谐波分量形式的三次电压分量，以合成组合电压波形156，以便反向偏置相应相元件36的多个didoes，从而禁止相应相元件36传导电流，如图11所示。这阻挡故障电流经由第四电压源型变换器从AC电网50流至DC电网58。
[0175]可以设想，在本发明的其它实施例中，控制器可以在故障工作模式中控制每个三次子变换器或每个辅助子变换器以合成电压波形，以便反向偏置相应相元件的多个无源电流逆止元件，以便抑制相应相元件传导电流。
[0176]因此，在第四电压源型变换器中包括控制器，这允许控制每个三次子变换器39和每个辅助子变换器38(其通常被用于促进AC电网50与DC电网58之间的电力传送)，以可靠地最小化或阻挡故障电流。这从而降低或消除对额外故障电流保护硬件(例如，断路器和电涌吸收器)的需要，以保护第四电压源型变换器免受故障电流的有害影响，从而实现能够在AC电网50与DC电网58之间传送电力的经济的、节省空间的第四电压源型变换器，还能最小化由DC电网58中的故障150造成的故障电流或者阻挡故障电流流过电压源型变换器。
[0177]在所示实施例中，每个相元件36的AC侧42被连接到三相AC电网50的相应相。可以设想，在其它实施例中，电压源型变换器中臂的数量可以随着多相AC电网的相位数量变化，并且每个相元件的AC侧可以被连接到多相相位AC电网的相应相。
[0178]应当理解，第二电压源型变换器的控制器可以被配置为省略执行第一控制功能的能力。也将理解的是，第三电压源型变换器的控制器可以被配置为省略执行第一和第二控制功能中的任一个或每个的能力。还将理解的是，第四电压源型变换器的控制器可以被配置为省略执行第一、第二和第三控制功能中每个的能力。
【主权项】
1.一种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一 DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的至少一个臂，所述或每个臂包括: 相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网； 辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述DC电网的第一DC电压；以及 三次子变换器，在电气单元中与所述相元件连接，所述辅助子变换器与所述电气单元并联连接，所述三次子变换器被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述相元件的DC侧的第二 DC电压，所述三次子变换器包括至少一个能量储存器件； 其中所述电压源型变换器还包括控制器，所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便传送能量至该三次子变换器或从该三次子变换器传送能量并且从而调节该三次子变换器的能量水平。2.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便传送能量至该三次子变换器或从该三次子变换器传送能量，从而最小化该三次子变换器的能量水平的净变化。3.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以合成与相应三次电压分量反相的辅助电压分量。4.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述或每个三次电压分量是2次谐波电压分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。5.根据权利要求1至3中任一项所述的电压源型变换器，其中所述或每个三次电压分量是3(2n-l) ± I次谐波电压分量，其中η是正整数倍。6.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述或每个三次电压分量具有与流过对应三次子变换器的电流的电流分量相同的频率。7.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以相对于流过所述或每个三次子变换器的电流的相位角来修改所述或每个三次电压分量的相位角。8.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成所述或每个三次电压分量，以与流过该三次子变换器的电流的电流分量同相。9.一种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一 DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的多个臂，每个臂包括: 相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网；以及 辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改由所述分支提供给所述DC电网的第一DC电压， 其中所述电压源型变换器还包括控制器，所述控制器被配置为选择性地控制每个辅助子变换器以修改相应第一 DC电压以包括至少两个辅助谐波分量，每个辅助谐波分量是2次谐波分量的正整数倍。10.根据权利要求9所述的电压源型变换器，其中每个辅助谐波分量是2次谐波分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。11.根据权利要求9或10所述的电压源型变换器，其中每个臂还包括三次子变换器，所述三次子变换器被配置为能够被控制为充当波形合成器以修改提供给相应相元件的DC侧的相应第二 DC电压，并且所述控制器被配置为选择性地控制每个三次子变换器以合成包括至少一个三次谐波分量的电压波形，所述或每个三次谐波分量是6次谐波分量的正整数倍。12.根据权利要求9至11中任一项所述的电压源型变换器，其中每个臂还包括三次子变换器，所述三次子变换器被配置为能够被控制为充当波形合成器以修改提供给对应相元件的DC侧的第二 DC电压，并且当相应辅助子变换器被控制为修改相应第一 DC电压以包括辅助谐波分量时，所述控制器被配置为选择性地控制每个三次子变换器以将相应第二 DC电压修改为偏移整流正弦波形的近似，用于提供给相应相元件的DC侧。13.—种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的至少一个臂，所述或每个臂包括: 相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网； 辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述DC电网的第一DC电压；以及 三次子变换器，在电气单元中与所述相元件连接，所述辅助子变换器与所述电气单元并联连接，所述三次子变换器被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述相元件的DC侧的第二 DC电压， 其中所述电压源型变换器还包括控制器，所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化。14.根据权利要求13所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿所述或相应第二电压的变化，所述或相应第二电压的变化是由在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化引起的。15.根据权利要求14所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应相元件的DC侧，以便补偿所述或相应第二电压的变化，所述或相应第二电压的变化是由在所述或相应相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化引起的，从而禁止所述或相应第二 DC电压中的变化修改所述或相应第一 DC电压。16.—种电压源型变换器，包括用于连接至DC电网的第一DC端子和第二 DC端子，所述电压源型变换器还包括被连接在所述第一 DC端子与第二 DC端子之间的至少一个臂，所述或每个臂包括: 相元件，包括多个开关元件以互连所述DC电网和AC电网； 辅助子变换器，被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述DC电网的第一DC电压；以及 三次子变换器，在电气单元中与所述相元件连接，所述辅助子变换器与所述电气单元并联连接，所述三次子变换器被配置为能够被控制以充当波形合成器，以修改提供给所述相元件的DC侧的第二 DC电压， 其中所述电压源型变换器还包括控制器，当在使用中所述DC电网中发生故障时，所述控制器被配置为在故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器，以便最小化故障电流或阻挡故障电流流过所述电压源型变换器。17.根据权利要求16所述的电压源型变换器，其中当在使用中所述DC电网中发生故障时，所述控制器在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以便在所述第一 DC端子和第二 DC端子两端提供零DC电压，从而阻挡故障电流流过所述电压源型变换器。18.根据权利要求16或17所述的电压源型变换器，其中当在使用中所述DC电网中发生故障时，所述控制器被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器，以便合成反向电压，所述反向电压最小化故障电流或阻挡故障电流流过所述电压源型变换器。19.根据权利要求16至18中任一项所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器，以便合成DC电压，优选地合成为在所述或相应相元件的AC侧峰值AC电压的2Λ的DC电压，并且以便可选地合成至少一个三次电压分量，所述或每个三次电压分量是6次谐波分量的正整数倍，从而合成所述反向电压。20.根据权利要求16至19中任一项所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以合成至少一个辅助电压分量，所述或每个辅助电压分量是2次谐波分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。21.根据权利要求20所述的电压源型变换器，其中所述或每个辅助子变换器被配置为双向波形合成器。22.根据权利要求16至21中任一项所述的电压源型变换器，其中所述控制器被配置为在所述故障操作模式中选择性地控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个辅助子变换器以合成电压波形，以便禁止所述或相应相元件传导电流。23.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，包括在所述第一DC端子与第二DC端子之间串联连接的多个臂。24.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述或每个子变换器包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存器件，所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供电压源。
【文档编号】H02M7/483GK105981286SQ201480066805
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年10月6日
【发明人】O·F·贾西姆, D·R·特莱尼尔
【申请人】通用电气技术有限公司