CN102823126A - 用于级联转换器的转换器单元、用于旁路故障转换器单元的控制系统和方法 - Google Patents

用于级联转换器的转换器单元、用于旁路故障转换器单元的控制系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种级联电力转换器和操作级联电力转换器的方法。该级联转换器包括：转换器单元，该转换器单元包括单元电容器和具有至少两个电动阀的至少一个相支路，该至少一个相支路与单元电容器并联连接；以及控制系统，用于控制该至少一个相支路的电动阀的切换。该控制系统配置成在检测到需要旁路转换器单元时，以如下方式控制电动阀的切换，该方式使得单元电容器经由相支路被短路，从而获得通过相支路的电流浪涌，由此创建通过转换器单元的永久电流路径。

Description

用于级联转换器的转换器单元、用于旁路故障转换器单元的控制系统和方法
技术领域
本发明涉及电力转换器领域，且尤其涉及级联电力转换器。
背景技术
包括半导体阀的电力转换器被广泛地用来借助于控制电压、电流和/或频率而改变电能特性。电力转换器例如被越来越多地用在电力传输应用中，诸如用于公共电网或工业电网的HVDC传输系统或静态VAR补偿系统中。
在这种应用中，将转换器的停机时间减低到最小是十分重要的，因为转换器的故障可能导致停电，这对于社会和电力供应商来说是成本高昂的。尽管做出很多努力来改善电子组件的寿命和循环能力，仍不能确保这种组件的无故障操作。因此，冗余是设计电力传输系统时的重要概念。
在DE 101 03 031中以及在Fang Zheng Peng等人在IEEE IASConf 1995 Proc上的文章“A multilevel Voltage-Source Inverter withSeparate DC Sources for Static Var Generation”中，已经提出了具有以级联方式串联连接的多个单元的多级电力转换器。级联转换器提供多个离散的转换器输出电压级，由此有利于正弦电压波形的合成。此外，这种级联转换器本质上以较低的代价提供冗余：故障单元的端子可以被短路且故障单元可以被旁路，而其余单元可以继续正常操作。因而，尽管出现故障单元，只要其余单元的数目足够，其余单元仍可以继续传送所需的电压。
已经提出了用于短路半导体器件的端子的不同机制，例如参见WO 2007/023064，其中保护组件与整流器电路并联连接，以在故障情况下提供对整流器电路的端子的短路；或者参见WO 2007/095873，其中在短路操作中使用火工元件/机械元。这些机制需要附加硬件，且因而增加了半导体器件的成本和体积。
在Wenchao Song等人在2008年的Twenty-Third Annual IEEEApplied Power Electronics Conference and Exposition上的文章“Fault-Tolerant Transformerless Power Flow Controller Based-on ETOLight Converter”中，公开了一种具有H桥构建单元的级联多级转换器。其建议：当H桥的顶部/底部开关故障短路时，另一顶部/底部开关接通，而两个互补开关关断，因而使得H桥构建单元进入短路状态。获得单元端点之间的AC短路的这种方法可以不使用任意附加硬件来实现。然而，该机制要求向另一顶部/底部开关的门驱动单元提供电力以保持该开关接通。在该单元完全短路的情况下，则没有DC电压可为该单元所用，而且不能容易地在单元内提供维持另一顶部/底部开关处于接通状态的电力。
发明内容
本发明的目标是提供在级联电力转换器中旁路故障转换器单元的备选方式。
一个实施方式提供一种级联电力转换器，其包括转换器单元，该转换器单元包括单元电容器和具有至少两个电动阀的至少一个相支路，其中该至少一个相支路与该单元电容器并联连接。级联电力转换器还包括用于控制至少一个相支路的电动阀的切换的控制系统。该控制系统被配置成在检测到需要旁路转换器单元时，以如下方式控制转换器单元的电动阀的切换，该方式使得单元电容器经由相支路被短路，从而获得通过相支路的电流浪涌，由此创建通过转换器单元的永久电流路径。
还提供一种在级联电力转换器中旁路转换器单元的方法。该方法可应用于转换器单元，该转换器单元具有单元电容器和与单元电容器并联连接的至少一个相支路，其中该相支路具有至少两个串联连接的电动阀。该方法包括以如下方式控制电动阀的切换，该方式使得单元电容器经由相支路被短路，从而获得通过相支路的电流浪涌，由此创建通过相支路的永久电流路径。
通过级联转换器和旁路转换器单元的方法实现：既使在不向单元中的任何门驱动单元提供电力时，仍可以旁路故障转换器单元。再者，可以不使用任何附加硬件来实现级联转换器和旁路转换器单元的方法所提供的旁路机制。因而，通过本技术可以实现为级联转换器提供旁路可能性的简单和空间有效的方式。
在一个实施方式中，转换器单元还包括在单元电容器和相支路之间串联连接的电抗器，以在单元电容器短路时限制峰值电流。由此，可以避免单元电容器短路时相支路120的部件的过于快速加热，由此减小不希望损坏的风险。在本实施方式中，还可以进一步提供钳位电路，该钳位电路被连接为在关断时限制阀两端的电压。
转换器单元可以是包括两个相支路的全桥转换器单元，或者包括一个相支路的半桥转换器单元。当转换器单元是全桥转换器单元时，转换器单元还可以包括：配置成为电动阀的切换提供电力的第一电源单元和第二电源单元，其中第一电源单元配置成为第一相支路的电动阀的切换提供电力，且第二电源单元配置成为第二相支路的电动阀的切换提供电力，且其中第一电源单元和第二电源单元彼此独立。由此实现：既使电源之一故障，如有需要，可以确保能够控制至少一个相支路120的阀以便短路单元电容器。
在一个实施方式中，控制系统被配置成接收指示转换器单元的状态的至少一个状态信号。当检测到需要旁路转换器单元是且依赖于接收的至少一个状态信号，控制系统还被配置成：选择将要接通的至少一个电动阀，其中以如下方式执行所述选择，该方式使得所选一个或多个电动阀的接通将创建通过相支路的路径，单元电容器将通过该相支路被短路；以及向所选一个或多个电动阀产生信号以切换到接通状态从而短路单元电容器。
在另一实施方式中，控制系统被配置成在检测到需要旁路转换器单元时，向预定组的一个或多个电动阀产生信号，这些电动阀在接通时将创建通过相支路的路径，单元电容器将通过该相支路被短路。
级联电力转换器可以包括以级联方式布置的任意合适数目的转换器单元。控制系统可以配置成在检测到需要旁路特定转换器单元时，以如下方式控制特定转换器单元的电动阀的切换，该方式使得特定转换器单元的单元电容器经由相支路短路。
本发明还涉及包括该级联电力转换器的HVDC站、包括该级联电力转换器的SVC站以及包括级联电力转换器的电力传输系统(例如HVDC站或SVC站中)。
本发明的其他方面在下面的详细描述和所附权利要求书中陈述。
附图说明
图1a示出全桥转换器单元的示例。
图1b示出半桥转换器单元的示例。
图1c示出半桥转换器单元的另一示例。
图2a示出全桥转换器单元的级联的示例。
图2b-2d示出半桥转换器单元的级联的不同示例。
图3a示出例如适于在静态VAR补偿系统中使用的三相级联转换器的示例。
图3b示出例如适于在HVDC系统中使用的三相级联AC/DC转换器的示例。
图4a-b示出了通过全桥转换器单元的单元相支路之一来短路单元电容器的效果。
图4c-d示出了分别通过如图1b和1c所示类型的半桥转换器单元的单元相支路来短路单元电容器的效果。
图5是示意性示出操作用于控制级联转换器的控制器系统的方法的实施方式的流程图。
图6a-b是示出图5的流程图的短路步骤的不同实施方式的流程图。
图7a示出了包括用于电流斜率限制的电抗器以及钳位电路的全桥转换器单元的示例。
图7b示出了包括用于电流斜率限制的电抗器以及钳位电路的半桥转换器单元的示例。
图8示出了其中相支路设置有独立的电源系统的全桥转换器单元的示例。
图9示出了配置成控制转换器单元的阀的切换的控制系统的实施方式。
具体实施方式
图1a示出转换器单元100A的实施方式的示例，其例如可以用在如图3a所示的级联转换器中。转换器单元100A包括4个电动阀105a-105d，这4个电动阀105a-105d被配置成能够在两个方向中传导电流且在一个方向中阻断电压。图1a的电动阀105a-105d包括单向开关11，或用于短路的开关11，以及反向并联二极管12，其中单向开关11可以控制以关断和接通。4个阀105a-105d以全桥配置(也成为H桥配置)进行布置，该全桥配置包括两个相支路：相支路120:1，其中阀105a和阀105b串联连接；以及相支路120:2，其中阀105c和105d串联连接。在相支路120:1或120:2内，阀被连接为能够在相同的方向中阻断电压。两个相支路120:1或120:2以如下方式与单元电容器110并联连接，该方式使得两个相支路120:1或120:2能够从单元电容器110的相同端阻断电压。单元电容器110两端的电压此处标记为Uc。
单元端子X和Y分别设置在相支路120:1或120:2的中点，即在两个阀105a&105b或105c&105d之间的点。根据表1a，以Uxy表示的端子X和Y之间的电压可以取决于哪个阀接通和关断而具有不同值。
  切换状态   I   II   III
  Uxy   0   -Uc   +Uc
  阀105a   开/关   关   开
  阀105b   关/开   开   关
  阀105c   开/关   开   关
  阀105d   关/开   关   开
表1a图1a的转换器单元100A的切换状态。
图1a的转换器单元100A还设置有4个门驱动单元125a-125d，它们被配置成以已知方式分别向阀105a-105d传送切换信号130a-130d。门驱动单元125a-125d例如借助于光缆进而响应地连接到控制系统135。如有需要，门驱动单元125a-125d还可以连接到作为电源的单元电容器110A。
在图1b中，示出另一类型的转换器单元100B的实施方式，其中两个电动阀105e和105f形成相支路120:3，该相支路以半桥配置中与单元电容器110并联连接。单元端子X设置在相支路120:3的中点，即两个阀105e和105f之间的点，而单元端子Y设置在单元电容器110和相支路120:3之间的点，阀105e和105f的单向开关11可以朝向该点传导电流。在图1c中，示出具有相支路120:4的等价转换器单元100C。在转换器单元100C中，端子X设置在单元电容器110和相支路120:4之间的点，阀105e和105f的反向并联二极管12可以朝向该点传导电流，而端子Y设置在相支路120:4的中点。转换器单元100B和100C均分别可以借助于门驱动单元125e&125f以及门驱动单元125g&125h被控制，从而使得端子X和Y之间的电压Uxy根据表1b和1c具有两个不同值其中之一。
  切换状态   I   II
  Uxy   0   Uc
  阀105e   关   开
  阀105f   开   关
表1b 图1b的转换器单元100B的切换状态。
  切换状态   I   II
  Uxy   0   Uc
  阀105g   开   关
  阀105h   关   开
表1c 图1c的转换器单元100C的切换状态。
当提及相支路120:1、120:2、120:3和120:4其中任意一个(或全部)时，将使用通用术语相支路120。类似地，当提及阀105a、105b、105c、105d、105e、105f、105g和105h其中任意一个时，将使用通用术语阀105；当提及转换器单元100A、100B和100C其中任意一个时，将使用通用术语转换器单元100；且以此类推。
不管转换器单元配置如何，相支路可以具有相同的基本拓扑。例如，图1a-1c中示出的相支路120均具有两个阀105，每个阀将DC干线之一连接到相支路120的中点。
图1a-1c的电动阀105示为包括单向开关11和反向并联二极管12，其中单向开关11可以被控制以关断和接通。在一些实现方式中，反向并联二极管12将集成在开关11中，该开关是反向导电的。可以独立提供阀105的功能性的这种反向导电开关的实例是反向导电集成门极换流晶闸管(IGCT)。再者，电动阀105可以包括串联和/或并联连接且布置为同时切换的多于一个的开关11和/或多于一个的反向并联整流元件12。
转换器单元100的门驱动单元125连接到控制系统135，该控制系统被配置成控制转换器单元100的阀105的切换，以备选地达到转换器100的不同切换状态(参考表1a、1b或1c)。换句话说，转换器单元100的阀105经由门驱动单元125响应地连接到控制系统135。
图1a-1c的控制系统135被典型地配置成接收分别指示转换器单元100A、100B或100C的状态的一组状态信号140，对转换器单元100的控制基于该组状态信号执行。
为了避免单元电容器110的短路，控制系统135通常装配有互锁系统，该互锁系统防止相支路120的两个单向开关11同时接通。当单元电容器110充电到其操作电压时单元电容器110的短路将典型地对相支路120的单向开关11造成不可修复的损坏，因而使得转换器单元100不可操作。因此当在不同切换状态之间切换时，通常采用短时间周期(其中相支路120的两个阀均关断)，以避免这种损坏。
多个转换器单元100可以串联连接以提供级联，该级联输出可以具有多个离散值。转换器单元100的级联的示例在图2a-2d中示出。图2a中示出全桥转换器单元100A的全桥级联200A。图2b示出半桥转换器单元100B的半桥级联200B；图2c示出半桥转换器单元100C的等价半桥级联200C；以及图2d示出其中备选地提供半桥转换器单元100B和100C的半桥级联200D。级联200可以包括任意数目M个转换器单元100，M≥2，在图2a-2d中分别示出4个。
转换器单元级联200可以用在级联转换器中，该级联转换器也已知为链式链接转换器。在图3中示出全桥级联电力转换器300A的实施方式的示例。图3a的级联转换器300A是具有三相端子305i、305ii和305iii的三相△连接转换器。级联转换器300A每相包括与电抗器310串联连接的一个全桥级联200A。全桥级联200A可以备选地用在三相Y连接转换器中，或用在具有不同数目的相的级联转换器中。包括全桥转换器单元100A的级联转换器例如可以用在静态VAR补偿(SVC)系统中。
在图3b中，示出半桥级联电力转换器300B的实施方式的示例。图3b的级联转换器300B是布置为对三相AC电压进行整流或将DC电压转换成三相AC电压的三相AC/DC转换器。级联转换器300B包括半桥转换器单元的6个级联200(例如，6个级联200B，200C或200D)，这些转换器单元两两串联连接，且其中第一串联连接级联对的中点连接到第一AC相315i，第二串联连接级联对的中点连接到第一AC相315ii，等等。相应串联连接对的端点连接到DC端子320i和320ii，DC电源或电网可以连接到这些DC端子。图3b中的转换器300B中的半桥级联200B/C/D每个均与电抗器325串联连接，且电抗器350与每个AC相连接点315串联连接。半桥级联200B、200C、200D可以备选地用在具有不同数目的相的AC/DC转换器300B中。包括半桥级联200B/C/D的AC/DC转换器例如可以用在高压直流(HVDC)站中。
转换器单元100的故障操作例如可以由以下因素导致：阀105的短路开关11；不能接通和/或关断阀门105的故障门驱动单元125；故障变成开路的阀105；等等。
如上所述，使用级联转换器300而不是常规两级转换器的优点在于：冗余之所以可以有效提供，原因要么在于在级联200中提供附加“备用”的转换器单元100，要么在于：在转换器100的故障情况中，转换器300可以布置为使用其余转换器单元100以较低电压操作。然而，为了在级联200的转换器单元100其中一个或多个故障时使得其余转换器单元110继续操作，一个或多个故障转换器单元100应当有利地被旁路。如果故障转换器单元100未被旁路，则可能危害级联转换器300的操作。故障转换器单元100例如可能占用太高电压，这可能导致具有潜在破坏性结果的电介质击穿。
根据本技术，可以通过相支路120短路单元电容器110来实现故障转换器单元100的旁路，由此使用存储在单元电容器110中的能量来创建通过相支路120的永久短路。在转换器技术的所有已知应用中，已经采取措施以确保充避免电单元电容器110的这种短路，因为这种短路形成的电流浪涌具有破坏性能力。另一方面，本技术以建设性方式使用存储在电容器110中的能量的破坏性能力来创建通过故障转换器单元100的整个相支路120的所需永久电流路径。通过允许电流浪涌流过相支路120，相支路的开关11将在电流方面过载，且整个相支路将永久性短路。由此，创建的永久性电流路径形成了用于旁路故障转换器单元100的旁路路径。
通过相支路120来短路单元电容器110的短路故障转换器单元100的端子的方法可以应用于具有开关11的转换器单元100，该开关11在发生故障时将进入短路而不是开路。以盘型封装的高功率半导体器件典型地呈现这种故障行为。以盘型封装构造的半导体器件的示例在EP0588026中提供。在以盘型封装的导体器件中，半导体晶片被挤压在形成半导体器件的端子的两个板(典型地钼板)之间。再者，以盘型封装的半导体器件不包括任何碳，因此，即使对于强电流浪涌，爆炸的风险也较低。可以以盘型封装配置构造制造的合适开关11的示例是集成门极换流晶闸管(IGCT)、门极可关断晶闸管(GTO)、发射极关断晶闸管(ETO)以及反向导电IGCT。也可以使用故障时短路的其他开关11。
在图4a-4d中，示出不同转换器单元100的说明，这些转换器单元100具有故障阀105，且对该转换器单元100执行上述短路操作。图4a说明全桥转换器单元100A，其中阀105a被检测为故障，该故障在图中通过阀105a上的叉号指示。检测到需要短路转换器单元100A的端子X和Y，且阀105a和105b相同接通以使得允许来自单元电容器100的电流放电流经相支路120:1，从而导致阀105a和105b的单向开关11发生故障进入短路，这在图4a中由通过这些单向开关11的粗线指示。如图4a中的箭头路径所指示，通过短路相支路120:1的单向开关11，在单元端子X和Y之间形成通过转换器单元100A的永久电路路径。电流可以通过阀105b的短路单向开关11且通过阀105d的二极管12从端子X流向端子Y。电流可以通过阀105c的二极管12和阀105a的短路单向开关11从端子Y流到端子X。因为阀105a和105b的开关11永久性地发生故障进入短路，且阀105c和105d的二极管12是无源元件，所以通过转换器单元100A的电流路径是永久的，且与对转换器单元100A的任意电力供给无关。
图4b示出了对于转换器单元100A的备选短路操作的结果，其中类似地检测出故障阀105a。在这种情况中，相支路120:2(即其中与检测到故障阀105a的相支路相对的相支路120)的阀105c和105d同时接通，以使得允许来自单元电容器110的电流放电流经相支路120:2，从而导致阀105c和105d的单向开关11发生故障进入短路模式，如粗线所示。已经创建了单元端子X和Y之间的永久电流路径，其中电流可以通过阀105a的二极管12和阀105c的短路单向开关11从端子X流向端子Y。电流可以通过阀105d的短路单向开关11且通过阀105b的二极管12从端子Y流向端子X。在图4b的方案中，如果故障阀105a由于其单向开关11变得短路而发生故障，则从端子Y到端子X的电流可以备选地流经阀105c和105a。
图4c示出了对半桥转换器单元100B的短路操作的结果，其中在阀105e已经检测到故障，该阀105e是仅连接到一个单元端子即端子X的阀。相支路120:3的阀105e和105f同时接通，以使得允许来自单元电容器110的电流放电流经相支路120:3，从而导致阀105e和105f的单向开关11发生故障进入短路模式，如粗线所示。如图所示，已经创建了单元端子X和Y之间的电流路径，其中电流例如可以通过阀105f的短路单向开关11从端子X流向端子Y，且通过阀105f的二极管12从端子Y流向端子X。图4d示出了用于转换器单元100C的相应情况，其中已经检测到阀105h有故障。
在上面图4a、4c和4d中示出的情况中，其中故障阀105形成相支路120的一部分，通过单元电容器110的短路形成通过该相支路的永久电路路径，如果故障被识别为单向开关11的短路，则不一定必须接通故障阀105的单向开关11。接通相支路120的非故障阀105的单向开关11原本就足够。然而，为了确保创建通过故障阀105的单向开关的永久电流路径，可以向故障阀105的开关11发出指令以使其接通。
在半桥转换器单元100B(100C)中，如果在连接在单元端子X和Y之间的阀105f(105g)中检测到故障，且故障被识别为阀105f(105g)的单向开关11的短路，则原理上不需要短路操作。然而，为了确保创建通过故障阀105f(105g)的单向开关11的永久电流路径，非故障阀105e(105h)的开关11也可以接通，以释放存储在单元电容器110中的能量。如有需要，可以指示故障阀105f(105g)的单向开关11同时接通，以确保通过该开关的开放路径。
如果在如上所述的短路操作中短路的相支路120的二极管12其中一个或二者由于电流浪涌也将发生故障而进入永久短路状态，这不阻止单元的旁路，而是将形成电流的备选路径。
图5示出了示意性说明操作级联转换器300的方法的实施方式的流程图。在步骤500中，例如，按照常规方式(参见DE10103031或者文章“A multilevel voltage-source inverter with separate DCsources for static VAR generation”Fang Zheng Peng，Jih-Sheng Lai，McKeever，J.W.，VanCoevering，J.，IEEE Transactions on IndustryApplications，Volume 32，Issue 5，pp 1130-1138，Sep/Oct 1996)，以正常操作控制级联转换器300。在级联转换器300的正常操作中，在步骤503中检查在级联转换器300的转换器单元100其中任意一个中是否出现旁路需求故障。步骤503例如可以是级联转换器300的状态的连续监测的一部分。如果不出现需要旁路转换器单元100的故障，则步骤500的正常操作继续。然而，如果检测到需要旁路转换器单元100的故障，则进入步骤505，其中单元电容器110通过故障转换器单元110的相支路120被短路，以便创建通过相支路120的电流浪涌。然后，进入步骤510，其中转换器300的操作继续，现在少了一个操作的转换器单元100。
可以在检测到故障转换器单元100之后立即做出进入步骤505的判断，或者可以延迟判断直到对故障的另一分析确定需要旁路转换器单元100，从而避免不必要地触发相支路120的建设性短路。
图6a是步骤505的实施方式的说明，其中基于图5的步骤503中检测的故障的属性选择需要接通以创建所需永久短路的至少一个单向开关11。在步骤600中，识别在步骤503中检测的故障的属性。转换器单元100的故障操作例如可以由以下因素导致：阀105的短路开关11；不能接通和/或截止阀105的故障门驱动单元125；发生故障进入开路的阀105，等等。当识别了故障的属性时，进入步骤605，其中至少一个开关11被选择为接通以通过相支路120来短路单元电容器110。在故障是由于短路的开关11所导致的情况下，与故障开关11相同相支路120的另一开关11可能是选择为在步骤605中接通的唯一开关11。备选地，故障相支路120的两个开关11均可以被选择。在全桥转换器单元100A的情况中，可以备选地将非故障相支路11的两个开关11选择为接通。在步骤610中，典型地通过启动从相应门驱动单元125向所选开关中的每一个发送接通信号来接通在步骤605中选择的一个或多个开关。
假如在步骤600中发现检测的故障是由故障门驱动单元125导致，则在步骤605中，相同相支路120的两个开关可以有利地被选择为接通。因为故障门驱动单元125可能不能接通它被配置所控制的开关11，在全桥转换器单元110A的情况下，选择相支路120的两个开关11可以是有利的，这两个开关不包含由故障门驱动单元125控制的开关11。
在图6b中示出步骤505的另一实施方式。此处，没有选择步骤605。相反，步骤505中检测到主要故障将触发在步骤615中接通转换器单元100的一组预定开关11。在半桥转换器单元100B/C中，该组预定开关将是相支路120:3/120:4的两个开关。在全桥转换器单元100A中，该组预定开关将是相支路120:1或120:2的两个开关11或所有4个开关11。
在控制系统135的一个实现方式中，其中控制系统135装配有防止相支路120的两个开关11同时接通的互锁系统，步骤505例如可以包括消除这种互锁系统。
取决于相支路120的组件的热电阻属性和单元电容器110上电压Uc的幅度，可能存在这种风险：在通过相支路120短路单元电容器110时创建的电流浪涌将导致组件过于快速地加热，这可能导致对转换器单元100的不希望损坏。在一个实施方式中，在转换器单元100的电路中引入电抗器，以限制电路浪涌的时间倒数，以由此限制峰值电流且减小不希望损坏的风险。这例如在单向开关是包括半导体晶片的盘形封装的半导体器件时是有用的，其中如果电流过于快速地进入器件，则电流将汇聚到器件的小区域，于是该小区域将被快速加热。
图7a是包括用于电流斜率限制目的的电抗器700的全桥转换器单元100A的实施方式的说明。在该实施方式中，转换器单元100A的电路中的电抗器700的位置使得电抗器连接在如下路径中：该路径将单元电容器100连接到相支路120:1和120:2。图7a的电抗器700连接在单元电容器110与相支路120:1和120:2的正端子的连接点之间的DC链路中。也可以采用电抗器700的备选位置：电抗器700例如可以位于单元电容器100的另一侧的DC链路中，即位于单元电容器700与相支路120:1和120:2的负端子的连接点之间，或可以连接为至少两个电抗器部件，其中至少一个电抗器部件连接在每一个相支路120与单元电容器110连接到相支路120的点之间。
图7a的转换器单元100A还装配有钳位电路705。这种钳位电路705的目的是减小或避免在正常操作中当从阀105向另一阀105换流时阀105两端的任意过压，这种电压源于电抗器700两端的感应电压。图7a的钳位电路705呈现了关于其中连接有单元电容器110的DC链路的镜像对称，且在DC链路的任一端上包括二极管710、电容器715和电阻器720，这些器件分别被称为钳位二极管710、钳位电容器715和钳位电阻器720。钳位电路705布置为在阀105a关断时提供用于由电抗器700两端的电压(该电压由电流变化所感应)所驱动的电流的备选路径以使得可以避免关断阀105两端的过压。钳位二极管710和钳位电容器715以串联连接相连，它们进一步与相支路120并联连接，因而提供对不再进入关闭阀105的电流的阻尼。钳位电阻器720在一端连接到钳位二极管710和钳位电容器715之间的点，且在另一端连接到单元电容器110和电抗器700之间的点，从而提供对钳位电容器715进行放电的可能性。
图7b说明半桥转换器单元100B的实施方式，其中电抗器700串联连接在单元电容器110与由阀105e和105f形成的相支路120:3的正端子的连接点之间。备选地，电抗器700可以连接在单元电容器110与相支路120:3的负端子的连接点之间。
图7b的转换器单元100B还包括钳位电路705，该钳位电路705包括钳位二极管710、钳位电容器715和钳位电阻器720。钳位二极管和钳位电容器715以串联连接方式连接，它们进一步与相支路120并联连接。钳位电阻器720的一端连接到钳位二极管710和钳位电容器715之间的点，另一端连接到单元电容器110和电抗器700之间的点。
对图7b中示出的单元的模拟钳位电路配置可以用在转换器单元100C中。
也可以备选地使用提供感应电流的备选路径的钳位电路705的其他配置。例如，钳位二极管710和钳位电容器715可以与相支路120的每个阀105并联连接。在转换器单元100包括电流斜率限制电抗器700的实施方式中，图7a和7b的钳位电路705提供电抗700的钳位。然而，可选地可以省略钳位电路700。
用于电流斜率限制的电抗器700的电抗L700优选地应当高得足以在单元电容器110短路时得出如下电流时间倒数：该电流时间倒数低得足以使得电流在短路相支路120的开关11的剖面上均匀分布，因而避免开关11内否则可能导致不希望损坏的局部加热。而且，电抗L700应当优选地低得足以得出如下电流时间倒数，该电流时间倒数高得足以使得通过相支路120的电流增长到使开关11将进入短路模式的幅度。在一个实现方式中，电抗L700与单元电容器的电容C110的比率具有以下幅度：
L 700 C 110 ~ ( U 110 a · I nom ) 2 - - - ( 1 )
其中U110是单元电容器110两端的额定电压，Inom是转换器单元100的额定操作电流，且a是例如可以位于50-200的范围内的常数——作为示例，a可以取值为100。也可以使用电抗器700的电抗L700和单元电容器110的电容C110之间的其他比率。在具有钳位电路705的转换器单元100的一个实施方式中，单元电容两端的额定电压采用值U110＝2800V，额定操作电流采用值Inom＝2000A，单元电容器110的电容采用采用值C110＝20mF，且电抗器700的电抗采用值L700＝5μH。这些值仅作为示例给出，且U110、Inom、C110等可以采用任意所需的值。
级联转换器300的操作典型地通过控制系统135监控，以允许开关11的有效切换并且以便检测级联转换器300的任意故障部件。这种监控例如可以包括监控转换器单元100的相支路120两端的电压。在换流期间，典型地希望在相支路120上没有电压。如果从交换开始到某一时间周期(例如10-100μs的量级)过去，相支路120两端的电压保留在零电平，则可以假设相支路120短路。如果相支路120两端的电压在交换时不变成零，可以假设被指示接通阀105以执行交换的门驱动单元125不能接通和/或关断阀105。由此，控制系统135可以借助于电压测量器件(配置成测量相支路120两端的电压且向控制系统135传送指示这种测量值的信号(参见图1a-1c的信号140))获得信息，借助于该信息可以检测哪个阀发生故障。从这种测量还可以推断出故障阀105是否因发生故障而进入开路或闭合模式。
对电力转换器的操作的监测备选地或附加地包括对各个阀105两端的电压的监测。如果阀105两端的测量电压不对应于电流切换状态中阀105两端的期望电压，则例如可以获得阀故障指示。
可以为控制系统135提供故障相关信息的测量值的另一示例是供应到门驱动单元125的电力的测量值。如果门驱动单元125缺少足够的电力，则它不能提供有效的切换信号，且它所服务的开关11因此可能不以期望方式动作，尽管故障11本身没有故障。再者，门驱动单元125可以具有用于检测在门驱动单元125中发生的不同故障类型的内置故障检测。也可以采用检测转换器单元故障的其他方式。
可以通过控制系统135在检测到需要旁路转换器单元100的主要故障的微秒内或更短的时间内，做出旁路转换器300的故障转换器单元135的判断。借助于存储在单元电容器110中的能量来短路相支路120提供了旁路单元的快速和有效的方式，因为不需要机械操作。然而，如果由于某些原因在单元电容器110放电时并未执行相支路120的短路，则例如可以通过关断转换器单元100的所有开关11对单元电容器110进行充电。当单元电容器110已经被充电时，可以执行短路动作(参考图5的步骤505)。
如图8所示，全桥转换器单元100A的相支路120:1和120:2可以设置有独立的电源系统。通过提供两个独立的电源系统，可以确保控制至少一个相支路120的阀，以使得既使电源之一故障，在出现需要时仍可短路单元电容器120。图8的全桥转换器单元100A包括两个独立的电源系统800:1和800:2。电源系统800:1连接到门驱动单元125a和125b，该门驱动单元125a和125b布置为向相支路120:1的阀105a和105b的开关11供应切换信号130a和130b，而电源系统800:2连接到门驱动单元125a和125b，该门驱动单元125a和125b布置为向相支路120:2的阀105c和105d的开关11供应切换信号130c和130d。因而，如果电源系统800:1故障，则仍将向相支路120:2的开关11产生短路信号，且如果电源系统800:2故障，则仍将向相支路120:1的开关11产生短路信号。电源系统800例如可以连接到单元电容器110以用于电力供应。电源系统800:1和800:2可以独立连接到单元电容器110以用于独立的电力供应。在另一实现方式中，电源系统800:1和800:2分别连接到相支路120:1和120:2的阀105。然后可以从相支路120的关断阀105接收电源系统800提供的电力，该相支路120由提供电力的门驱动单元125来服务。电源系统800例如可以包括用于提供电流隔离和电压适配的DC/DC转换器。电源系统800的操作电压例如可以处于15-24V的范围中，而单元电容器100的操作电压典型地显著更高——例如，处于1600-2800V的范围中。
实施方式在图6a和6b中示出的图5的方法例如可以在控制系统135中执行，该控制系统135借助于合适的硬件和软件的组合实现。因此，在一个实施方式中，控制系统135可以被可编程地配置为执行如上所述的短路操作。在图9中示出控制系统135的说明，该控制系统135包括配置成接收状态信号140的输入端900、配置成传送切换指令的输出端905、处理装置910和存储器915。存储器915存储计算机程序代码920，当在处理装置910上执行时，该计算机程序代码将执行图5的方法。处理装置910可以是一个或更多处理器。在控制系统135的一个实施方式中，控制系统135包括很多子单元和一个中央控制系统，每个子单元控制一组的一个或多个转换器单元100，且子单元可以与中央控制系统通信。在另一实施方式中，控制单元135仅包括中央控制系统，该中央控制系统控制转换器300的所有转换器单元100的操作。在一个实施方式中，控制系统135仅借助于硬件实现。
在上面的讨论中，出于说明目的，每个相支路120示为具有两个串联连接的电动阀105，其中每个阀105将DC干线之一连接到相支路120的中点。然而，公开的技术也可以应用于这种配置：相支路120包括多于两个的电动阀105，这些电动阀105配置成使得转换器单元100可以采用不同切换状态。当通过具有多于两个阀105的相支路120来短路转换器单元100的单元电容器110时，相支路120的至少两个串联连接的阀105将同时接通，以使得经由单元电容器100创建通过相支路120的电路路径。
上面讨论的技术提供有效和硬件经济的方式来获得在诸如HVDC和静态VAR补偿之类的电力应用中使用的电压源、自交换、级联电力转换器300中的冗余。尽管在所附独立权利要求中陈述本发明的各个方面，本发明的其他方面包括上述描述和/或所附权利要求书中提出的任意特征的组合，而不仅仅是所附权利要求书中明确指明的组合。
本领域技术人员应当意识到，此处提出的技术并不局限于在仅出于说明目的而提供的附图和前述详细描述中公开的实施方式，而是可以以许多不同方式实现，且由以下权利要求书限定。

Claims (13)

1.一种级联电力转换器(300A，300B)，包括：
转换器单元(100A，100B，100C)，包括单元电容器(110)和具有至少两个电动阀(105)的至少一个相支路(120)，所述至少一个相支路与所述单元电容器并联连接；以及
控制系统(135)，用于控制所述至少一个相支路的电动阀的切换；其中
所述控制系统配置成在检测到需要旁路所述转换器单元时，以如下方式控制所述转换器单元的电动阀的切换，该方式使得所述单元电容器经由相支路被短路，从而获得通过所述相支路的电流浪涌，由此创建通过所述相支路的永久电流路径。
2.根据权利要求1所述的级联转换器，其中所述转换器单元还包括：
电抗器(700)，串联连接在所述单元电容器和相支路之间，以便在所述单元电容器短路时限制峰值电流。
3.根据权利要求2所述的级联转换器，其中所述转换器单元还包括：
钳位电路(705)，其被连接为在关断期间限制所述阀两端的电压。
4.根据上述权利要求其中任一项所述的级联转换器，其中
所述转换器单元是包括以全桥布置的两个相支路(120:1，120:2)的全桥转换器单元(100A)。
5.根据权利要求4所述的级联转换器，其中所述转换器单元还包括：
第一电源单元(800:1)和第二电源单元(800:2)，被配置成为电动阀的切换供应电力，其中
所述第一电源单元被配置成为第一相支路的电动阀的切换供应电力，以及所述第二电源单元配置成为第二相支路的电动阀的切换供应电力，且其中所述第一电源单元和第二电源单元彼此独立。
6.根据上述权利要求其中任一项所述的级联转换器，其中所述控制系统被配置成：
接收指示所述转换器单元的状态的至少一个状态信号(140)；以及
当检测到需要旁路所述转换器单元时且依赖于接收的所述至少一个状态信号：
选择将要接通的至少一个电动阀，其中以如下方式执行所述选择，该方式使得所选一个或多个电动阀的接通将创建通过相支路的路径，所述单元电容器将通过所述相支路被短路；以及
向所述所选一个或多个电动阀产生信号(125)，以切换到接通状态，从而短路所述单元电容器。
7.根据权利要求1-5其中任一项所述的级联转换器，其中所述控制系统被配置成在检测到需要旁路所述转换器单元时，向预定组的一个或多个电动阀产生信号(125)，这些电动阀在接通时将创建通过所述相支路的路径，所述单元电容器将通过所述相支路被短路。
8.一种SVC站，包括根据权利要求1-7其中任一项所述的级联转换器。
9.一种HVDC站，包括根据权利要求1-7其中任一项所述的级联转换器。
10.一种电力传输系统，包括根据权利要求1-7其中任一项所述的级联转换器。
11.一种在级联电力转换器(300A；300B)中旁路转换器单元(100A；100B；100C)的方法，其中所述转换器单元包括单元电容器(110)和与所述单元电容器并联连接的至少一个相支路(120)，其中相支路具有至少两个串联连接的电动阀(105a-f)，该方法包括：
以如下方式控制(505)所述电动阀的切换，该方式使得所述单元电容器经由所述相支路被短路，从而获得通过所述相支路的电流浪涌，由此创建通过所述相支路的永久电流路径。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
接收指示所述转换器单元的状态的至少一个状态信号(140)；以及
依赖于接收的所述至少一个状态信号，选择(605)将要接通的至少一个电动阀，其中以如下方式执行所述选择，该方式使得所选一个或多个电动阀的接通将创建通过所述相支路的路径，所述单元电容器将通过所述相支路被短路；且其中所述短路包括：
向所述所选一个或多个电动阀产生(610)信号(125)，以切换到接通状态，从而短路所述单元电容器。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述短路包括：
向预定组的一个或多个电动阀产生(615)信号(125)，这些电动阀在接通时将创建通过所述相支路的路径，所述单元电容器将通过所述相支路被短路。
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