CN104335474B - 电力电子变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电力电子变换器(30)，用于连接AC和DC网络(46,44)并且转换它们之间的电力，包括：第一DC端子和第二DC端子(32,34)，限定用于连接到DC网络(44)的DC环；其中，在使用中，所述DC环具有施加在其两端的可逆DC环电压；至少一个变换器臂(36)，在所述第一DC端子与第二DC端子(32,34)之间延伸，并且具有由用于连接到AC网络(46)的AC端子(42)隔开的第一臂部和第二臂部(38,40)，每个臂部(38,40)包括至少一个合理化模块(52)，其具有与至少一个能量存储装置(56)并联连接的第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件(54)，每组电流流动控制元件(54)包括一次有源开关元件以选择性地引导电流通过所述能量存储装置(56)、和一次无源电流逆止元件以限制电流在单一方向上流过所述合理化模块(52)，所述电流流动控制元件(54)和所述或每个能量存储装置(56)组合以选择性地提供电压源以在所述AC端子(42)处合成AC电压；以及第一控制器(60)，以选择性地切换每个臂部(38,40)中的所述或每个合理化模块(52)以控制相应AC端子(42)处的AC电压的配置，以便在AC到DC电力转换模式中将来自所述AC网络(46)的电力转换至所述DC网络(44)并且在DC到AC电力转换模式中将来自所述DC网络(44)的电力转换至所述AC网络(46)，其中每个臂部(38,40)包括：一个或多个二次无源电流逆止元件(48)，以限制相应AC与DC端子(42,32,34)之间的电流在单一方向上流过相应臂部(38,40)，所述或每个二次无源电流逆止元件(48)与所述或每个合理化模块(52)串联连接；或者一个或多个二次有源开关元件，与所述或每个合理化模块(52)串联连接。

Description

电力电子变换器
技术领域
本发明涉及一种电力电子变换器。
背景技术
在电力传输网络中，为了经由架空线和/或海底电缆进行传输，交流(AC)电力通常被转换为直流(DC)电力。这种转换免去对由传输线或电缆施加的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而减少每公里电线和/或电缆的成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的转换因而变得有成本效益。
这种AC到DC电力的转换还被用于有必要互连运行于不同频率的AC网络的电力传输网络中。在任何这种电力传输网络中，在AC和DC电力之间的每个接口处均需要变换器以实现所需的转换，并且一种这样形式的变换器是电压源变换器(VSC)。
图1示出已知的电压源变换器，其包括多级变换器布置。多级变换器布置包括各个串联变换器单元12的变换器桥10。每个变换器单元12包括与电容器16并联连接的一对串联绝缘栅双极型晶体管(IGBT)14。不同时切换单个变换器单元12并且变换器电压阶梯比较小，因此这样的布置消除了与直接切换串联IGBT 14相关的问题。
为了限制这种多级变换器布置中电容器端子处的电压变化，每个变换器单元12的电容器16被配置为具有足够高的电容值。在每个变换器桥10中还需要DC侧电抗器18以限制在变换器臂20之间的瞬变电流，并且从而使变换器臂20的并联连接和运行成为可能。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种电力电子变换器，用于连接AC和DC网络并且转换它们之间的电力，包括：
第一DC端子和第二DC端子，限定用于连接到DC网络的DC环；其中，在使用中，所述DC环具有施加在其两端的可逆DC环电压；
至少一个变换器臂，在所述第一DC端子与第二DC端子之间延伸，并且具有由用于连接到AC网络的AC端子隔开的第一臂部和第二臂部，每个臂部包括多个合理化模块，每个合理化模块具有与至少一个能量存储装置并联连接的第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件，每组电流流动控制元件与至少一个能量存储装置并联连接，每组电流流动控制元件包括一次有源开关元件以选择性地引导电流通过所述能量存储装置、和一次无源电流逆止元件以限制电流在单一方向上流过所述合理化模块，所述电流流动控制元件和所述或每个能量存储装置组合以选择性地提供电压源以在所述AC端子处合成AC电压；以及
第一控制器，以选择性地切换每个臂部中的每个合理化模块以控制相应AC端子处的AC电压的配置，以便在AC到DC电力转换模式中将来自所述AC网络的电力转换至所述DC网络并且在DC到AC电力转换模式中将来自所述DC网络的电力转换至所述AC网络，
其特征在于，每个臂部包括：
一个或多个二次无源电流逆止元件，以限制相应AC与DC端子之间的电流在单一方向上流过相应臂部，所述或每个二次无源电流逆止元件与所述或相应的多个合理化模块串联连接，
其中在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的一个模式中，所述或每个二次无源电流逆止元件被配置为支撑在所述相应臂部两端出现的差动电压的一部分，并且所述多个合理化模块中的每个被配置为支撑在所述相应臂部两端出现的差动电压的另一部分，并且
其中在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的另一个模式中，当通过反转所述DC环两端的DC环电压的极性，强制所述或每个相应二次无源电流逆止元件导电时，所述多个合理化模块中的每个被配置为支撑在所述相应臂部两端出现的差动电压。
在操作电力电子变换器以转换AC与DC网络之间的电力的过程中，在一个占空比上电力电子变换器中的电流在臂部之间交替变化。于是，当一个臂部被配置为传导AC端子与相应DC端子之间的电流时(即处于导电状态)，另一个臂部被配置为从电路断开(即处于不导电状态)。
在不导电状态中的臂部两端经受差分电压，差分电压是在AC端子处电压与相应DC端子处电压之间的差值。由不导电状态中的臂部经受的差分电压可以在所述或每个二次无源电流逆止元件与每个合理化模块之间分压。换言之，当臂部处于不导电状态时，所述或每个二次无源电流逆止元件可以支撑在所述相应臂部两端出现的差分电压的一部分。这意味着因为所述或每个二次无源电流逆止元件能够被用来阻挡差分电压的一部分，所以在每个臂部中的多个合理化模块可以不需要能够阻挡整个差分电压，从而允许减小每个臂部中的多个合理化模块的额定电压。
相反地，在操作图1所示的已知电压源变换器的过程中，要求串联变换器单元12能够阻挡由相应变换器桥10经受的整个差分电压，从而需要串联变换器单元12具有对于AC和DC网络的给定一组AC和DC电压的相对较高的组合额定电压。
因此，在每个臂部中的所述或每个二次无源电流逆止元件与每个合理化模块的串联连接能够大大减少每个臂部中实施AC与DC的网络之间电力转换所要求的合理化模块的所需数量。
根据本发明的电力电子变换器的布置导致用小、重量轻、廉价、高效和可靠的器件连接AC和DC网络以及转换它们之间的电力。
应该理解的是，AC到DC电力转换模式涉及电压整流并且DC到AC电力转换模式涉及电压反转。
无需修改每个臂部中每个合理化模块的结构，在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式两者之一中操作电力电子变换器，以允许电流在相反方向流动。特别地，通过在DC环两端施加第一极性的DC环电压，电力电子变换器被操作为将来自AC网络的电力转换至DC网络，并且通过在DC环两端施加第二极性的DC环电压，将来自DC网络的电力转换至AC网络，其中第一电极与第二电极相反。换言之，通过反转DC环两端的DC环电压，在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式两者之一中操作电力电子变换器。
每个臂部中的所述或每个二次无源电流逆止元件与每个合理化模块的串联连接意味着二次无源电流逆止元件决定哪个臂部处于导电状态并且从而被用来合成所述或每个AC端子处的AC电压。
在每个臂部中包含所述或每个二次无源电流逆止元件限定臂部电流在单一方向上流动，并且因此与每个合理化模块的单向性兼容。这意味着每个臂部不需要与每个合理化模块串联连接的二次有源开关元件来决定哪个臂部处于导电状态。由于无源电流逆止元件(例如二极管)比有源开关元件更轻、更小并且更简单，所以这导致更具有成本效益和更可靠的电力电子变换器。
然而，所述或每个二次无源电流逆止元件的单向性意味着在每个臂部中的所述或每个二次无源电流逆止元件只能阻挡反向电压，并且因此不能阻挡正向电压。这进而意味着虽然在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的一个模式中，不导电状态的臂部中的所述或每个二次无源电流逆止元件能够阻挡差分电压的一部分，但是DC环两端DC环电压极性的反转将使所述或每个二次无源电流逆止元件在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的另一个模式中不能阻挡差分电压的一部分。
因此，为了使电力电子变换器能够在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式两个模式中运行，当所述或每个二次无源电流逆止元件不能阻挡差分电压的一部分时，每个臂部中多个合理化模块的额定电压必须增大至能够支撑由不导电状态的臂部经受的整个差分电压。
可替代地，对于AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式两者而言，为了能够使得当相应臂部处于不导电状态时所述或每个二次无源电流逆止元件能够阻挡差分电压的一部分，每个臂部中的所述或每个二次无源电流逆止元件的方向可以被重新布置以匹配电力转换模式。然而，这增加了电力电子变换器的成本和结构复杂性。
另一方面，每个臂部中的一个或多个二次有源开关元件可以被配置为能够阻断正向和反向电压。这意味着对于AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式两者，将要求每个臂部中的多个合理化模块仅阻挡差分电压的一部分，因此无需增大每个臂部中的合理化模块或多个合理化模块的额定电压以能够支撑由AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式中不导电状态的臂部承受的整个差分电压。
优选地，第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件以全桥结构与相应能量存储装置并联连接，以形成能够提供零电压、正电压或负电压同时在单一方向上传导电流的2象限双极合理化模块。
在每个臂部中的每个合理化模块可以被配置为将AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的一个模式中的可转换电力设置为等于AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的另一个模式中的可转换电力。换言之，每个臂部中的每个合理化模块可以被配置为能够使第一控制器切换每个臂部中的每个合理化模块以产生在AC与DC网络之间电力的对称转换，其中电力电子变换器在两个方向上提供全电子转换功能。
每个臂部中的每个合理化模块可以被配置为使得在每个臂部中的多个合理化模块被额定为能够在其两端提供最大电压以将DC到AC电力转换模式中的可转换电力限制为小于AC到DC电力转换模式中的可转换电力。换言之，每个臂部中的每个合理化模块可以被配置为能够使第一控制器切换每个臂部中的每个合理化模块以产生在AC与DC网络之间电力的非对称转换，其中电力电子变换器在一个方向上提供全电子转换功能并且能够在另一个方向上提供降低水平的电力转换。
优选地，在每个臂部中的每个合理化模块被配置为使得在每个臂部中的多个合理化模块被额定为能够在其两端提供最大电压以将DC到AC电力转换模式中的可转换电力限制到AC到DC电力转换模式中的可转换电力的10％到15％的范围内。
在具有非对称电力转换要求的某些电力转换应用中，具有非对称电力转换功能的电力电子变换器是完全合乎需要的。例如，具有非对称电力转换功能的电力电子变换器可以被用于朝向至DC网络的电力输出具有较大偏置并对输入电力具有最小需求的电力转换应用中，诸如出现在可再生风力发电和潮汐发电中，其中所需的电力转换主要在从源到配电网中。一旦原动力(风或潮汐波浪)的可用性足以产生所需的电力，为了在硬件转变到发电运行模式之前启动或运行风和潮汐发电场的硬件，对输入电力的最小需求可能涉及在相反方向上在降低水平上不频繁地传输电力。
在每个臂部中用以产生具有非对称电力转换功能的电力电子变换器的每个合理化模块的配置导致在损失、效率、大小、重量和成本方面更优化的电力电子变换器，用于具有非对称电力转换需求的电力转换应用。
控制器可以控制每个臂部中的每个合理化模块的电流流动控制元件的切换，以在所述或每个AC端子处构造具有峰值高于相应DC端子处DC电压27％的AC电压。在所述或每个AC端子处构造这种AC电压意味着由每个臂部中多个合理化模块提供的电压和流过每个臂部中多个合理化模块的电流的乘积在半个占空比上在每个臂部中的多个合理化模块中产生净零能量交换。另外，合理化模块的结构允许流过合理化模块的单向电流在正向或反向方向上流过所述或每个能量存储装置。这进而允许选择性地实时充电和放电，并且从而在操作电力电子变换器的同时，控制每个合理化模块中所述或每个能量存储装置的电压水平以转换AC与DC网络之间的电力。
附图说明
现在将参照附图仅通过非限制示例来描述本发明的优选实施例，附图中：
图1以示意图形式示出现有技术的电力电子变换器；
图2以示意图形式示出根据本发明的第一实施例的电力电子变换器；
图3以示意图形式示出形成图2的电力电子变换器的一部分的合理化模块的结构；
图4a以示意图形式示出在AC到DC电力转换模式中图2的电力电子变换器的变换器臂的操作；
图4b以示意图形式示出在DC到AC电力转换模式中图2的电力电子变换器的变换器臂的操作；
图5以示意图形式示出根据本发明的第二实施例的电力电子变换器。
具体实施方式
图2示出根据本发明的第一实施例的第一电力电子变换器30。
第一电力电子变换器30包括第一DC端子32和第二DC端子34和多个变换器臂36。第一DC端子32和第二DC端子34限定DC环(DC link)。每个变换器臂36在第一DC端子32与第二DC端子34之间延伸并且具有由AC端子42隔开的第一臂部38和第二臂部40。
在使用中，第一电力电子变换器30的第一DC端子32和第二DC端子34分别连接到DC网络44的第一端子和第二端子，可逆DC环电压被施加在第一端子和第二端子两端，并且每个变换器臂36的AC端子42被连接到多相AC网络46的各相。以这种方式，在使用中，DC环具有施加在其两端的可逆DC环电压
第一臂部38和第二臂部40中的每个包括与链环变换器(chain-link converter)50串联连接的二次无源电流逆止元件48。
每个二次无源电流逆止元件48为二极管形式。在第一臂部38中的二次无源电流逆止元件48被布置使得在第一臂部38中流动的电流仅能够从AC端子42流向第一DC端子32。在第二臂部40中的二次无源电流逆止元件48被布置使得在第二臂部40中流动的电流仅能够从第二DC端子34流向AC端子42。
可以设想，在本发明的其他实施例中，二次无源电流逆止元件48可以被多个串联二次无源电流逆止元件48取代。
每个链环变换器50包括多个串联合理化模块52。
图3以示意图形式示出每个合理化模块52的结构。
每个合理化模块52具有第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件54和以电容器56形式的能量存储装置。第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件54以全桥结构与电容器56并联连接。每组电流流动控制元件54包括与一次无源电流逆止元件串联连接的一次有源开关元件。
每个一次有源开关元件由与反平行二极管并联连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成。可以设想每个一次有源开关元件可以被不同的有源开关元件取代。例如，在本发明的其他实施例中，每个IGBT可以被栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其他自换向半导体器件取代。
每个一次无源电流逆止元件为二极管的形式。
通过改变电流流动控制元件54的状态，每个合理化模块52的电容器56被选择性地旁路或插入相应的链环变换器50。这选择性地引导电流58通过电容器56或使得电流58旁路电容器56，使得合理化模块52提供负电压、零电压或正电压。
当合理化模块52中的电流流动控制元件54被配置为在合理化模块52中形成短路时，合理化模块52的电容器56被旁路。这使得在相应链环变换器50中的电流58穿过短路电路并且旁路电容器56，因此合理化模块52提供零电压，即合理化模块52被配置为旁路模式。
当在合理化模块52中的电流流动控制元件54被配置为允许在相应的链环变换器50中的电流58流入和流出电容器56时，将合理化模块52的电容器56插入相应的链环50。然后电容器56对其存储的电能进行充电或放电以便提供非零电压，即合理化模块52被配置为非旁路模式。合理化模块52的全桥结构允许合理化模块52中的电流流动控制元件54的配置使得电流58在任一方向流入和流出电容器56，所以在非旁路模式中合理化模块52能够被配置为提供负电压或正电压。
与此同时，在合理化模块52中每组电流流动控制元件54的一次无源电流逆止元件和一次有源开关元件的串联连接，限制电流58在单一方向上流过合理化模块52。于是，每个合理化模块52被布置为使得在第一臂部38中流动的电流仅能够从AC端子42流入第一DC端子32，并且在第二臂部40中流动的电流仅能够从第二DC端子34流入AC端子42。
以这种方式，所述第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件54以全桥结构与电容器56并联连接，以限定能够提供零电压、正电压或负电压同时在单一方向上传导电流的2象限双极合理化模块。
经由将每个提供自身电压的多个合理化模块52的电容器56插入每个链环变换器50，有可能在每个链环变换器50两端建立高于从每个各个合理化模块52可得电压的组合电压。以这种方式，切换每个合理化模块52中的电流流动控制元件54，使得每个链环变换器50提供阶梯式可变电压源，其允许使用步进式近似方法在每个链环变换器50两端产生电压波形。
可以设想，在本发明的其他实施例中，在每个合理化模块52中的电容器56可以被能够存储和释放能量的另一类型能量存储装置(例如，电池或燃料电池)取代。
第一电力电子变换器30还包括第一控制器60，以选择性地切换每个臂部38、40中的每个合理化模块52(即控制每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换)，以控制相应的AC端子42处AC电压的配置。
为了本说明书的目的，参照一个换流器臂36描述第一电力电子变换器30的操作。应该理解的是，第一电力电子变换器30的一个变换器臂36的操作稍作变动亦适用于其他两个变换器臂36的操作。
在使用中，第一电力电子变换器30可操作为在AC到DC电力转换模式中将来自AC网络46的电力转换至DC网络44。如图4a所示，DC网络44的第一端子带有+100kV的DC电压，并且DC网络44的第二端子带有-100kV的DC电压，并且AC网络46的AC电压在-127kV至+127kV之间变化。
在每个臂部38、40中的链环变换器50被额定为能够在其两端提供227kV的最大电压。
这使得第一臂部38中的链环变换器50提供必要的可变电压以在AC端子42处合成在0kV到127kV之间延伸的电压范围内的AC电压，并且使得在第二臂部40中的链环变换器50提供必要的可变电压以在AC端子42处合成在0kV到-127kV之间延伸的电压范围内的AC电压。
在第一臂部38和第二臂部40中的二次无源电流逆止元件48决定哪个臂部处于导电状态，并且从而被用来在AC端子42处合成AC电压。通过如下方式组合第一AC电压组件和第二AC电压组件62来控制在AC端子42处AC电压的配置。
为了构造第一AC电压组件62，通过正向偏置其二次无源电流逆止元件48使得第一臂部38处于导电状态，并且第一控制器60控制第一臂部38中每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换，以对第一DC端子32处的+100kV电压加上或减去(即“提高”或“降低”)电压阶梯。第一AC电压组件62被构造为具有+127kV峰值的正半正弦电压波形的形式，同时正AC电流64流入AC端子42。
与此同时，通过反向偏置其二次无源电流逆止元件48使得第二臂部40处于不导电状态，并且因此第二臂部40两端经受差分电压，差分电压是在AC端子42处的电压与第二DC端子34处的电压之间的差值。因此，处于不导电状态中的第二臂部40所经受的差分电压在100kV与227kV之间变化，并且在被额定为阻挡从0kV至127kV范围电压的二次无源电流逆止元件48与被配置为阻挡100kV电压的链环变换器50之间分压。
为了构造第二AC电压组件，通过正向偏置其二次无源电流逆止元件48使得第二臂部40处于导电状态，并且第一控制器60控制第二臂部40中每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换以对第二DC端子32处的-100kV电压加上或减去(即“提高”或“降低”)电压阶梯。第二AC电压组件被构造为具有-127kV峰值的负半正弦电压波形的形式，同时负AC电流流入AC端子42。
与此同时，通过反向偏置其二次无源电流逆止元件48使得第一臂部38处于不导电状态，并且因此第一臂部38两端经受差分电压，差分电压是在AC端子42处的电压与第一DC端子32处的电压之间的差值。因此，处于不导电状态中的第一臂部38经受的差分电压在100kV与227kV之间变化，并且在被额定为阻挡0kV至127kV范围电压的二次无源电流逆止元件48与被配置为阻挡100kV电压的链环变换器50之间分压。
第一AC电压组件和第二AC电压组件62在占空比上的组合导致在AC端子42处合成具有+127kV和-127kV峰值的正弦AC电压。以这种方式，第一电力电子变换器30控制AC端子42处AC电压的配置以在AC到DC电力转换模式中将来自AC网络46的电力转换至DC网络44。
在使用中，第一电力电子变换器30可操作为在DC到AC电力转换模式中将来自DC网络44的电力转换至AC网络46。如图4b所示，在DC到AC电力转换模式中，DC环两端的DC环电压的极性被反转。特别地，在DC到AC电力转换模式中，DC网络44的第一端子带有-100kV的DC电压，并且DC网络44的第二端子带有+100kV的DC电压。同时AC网络46的AC电压在-127kV到+127kV之间变化。
在DC到AC电力转换模式中，通过如下方式组合第一AC电压组件和第二AC电压组件66来控制在AC端子42处AC电压的配置。
为了构造第一AC电压组件66，第二臂部40处于导电状态，并且第一控制器60控制第二臂部40中每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换以对第二DC端子34处的+100kV电压加上或减去(即“提高”或“降低”)电压阶梯。第一AC电压组件66被构造为具有+127kV峰值的正半正弦电压波形的形式，同时负AC电流68流出AC端子42。
与此同时，第一臂部38处于不导电状态，并且因此两端经受差分电压，差分电压是在AC端子42处电压与第一DC端子32处电压之间的差值。因此，处于不导电状态中的第一臂部38所经受的差分电压在100kV与227kV之间变化，并且由被配置为阻挡在100kV与127kV之间变化的电压的链环变换器50完全支撑。通过反转DC环两端的DC环电压的极性，第一臂部38中的二次无源电流逆止元件48被强制导电，因此致使其不能阻挡差分电压的一部分。
为了构造第二AC电压组件，第一臂部38处于导电状态，并且第一控制器60控制第一臂部38中每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换，以对第一DC端子32处的-100kV电压加上或减去(即“提高”或“降低”)电压阶梯。第二AC电压组件被构造为具有-127kV峰值的负半正弦电压波形的形式，同时正AC电流流出AC端子42。
与此同时，第二臂部40处于不导电状态，并且因此两端经受差分电压，差分电压是在AC端子42处电压与第二DC端子34处电压之间的差值。因此，处于不导电状态中的第二臂部40所经受的差分电压在100kV与227kV之间变化，并且由被配置为阻挡在100kV与127kV之间变化的电压的链环变换器50完全支撑。通过反转DC环两端的DC环电压的极性，在第二臂部40中的二次无源电流逆止元件48被强制导电，因此致使其不能阻挡差分电压的一部分。
第一AC电压组件和第二AC电压组件66在占空比上的组合导致在AC端子42处合成具有+127kV和-127kV峰值的正弦AC电压。以这种方式，第一电力电子变换器30控制AC端子42处AC电压的配置，以在DC到AC电力转换模式中将来自DC网络44的电力转换至AC网络46。
使得能够在其两端提供227kV电压而增加每个链环变换器50的额定值，使得每个链环变换器50能够支撑由DC到AC电力转换模式中非导电状态的相应臂部38、40所经受的整个差分电压。相反地，在每个链环变换器50两端的100kV额定电压虽然足够在AC端子42处合成相应AC电压组件66，但不足以支撑由DC到AC电力转换模式中非导电状态的相应臂部38、40所经受的整个差分电压。
以如上所述的方式布置每个链环变换器50因此产生了具有对称电力转换功能的电力电子变换器30，其中在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式中电力电子变换器30均提供全电力转换功能。
在AC端子42处，具有峰值高于第一DC端子32和第二DC端子34处相应DC电压27％的AC电压的构造，意味着由每个链环变换器50提供的电压和流过每个链环变换器50的电流的乘积在半个占空比上在每个链环变换器50中产生净零能量交换。另外，合理化模块52的结构允许流过合理化模块52的单向电流在正向或反向方向上流过电容器56。这进而允许选择性地实时充电和放电，并且从而在操作电力电子变换器以将AC网络46的电力转换至DC网络44的同时，控制每个合理化模块52中电容器56的电压水平。
在每个臂部38、40中的二次无源电流逆止元件48和链环变换器50的串联连接意味着每个臂部38、40不需要与链环变换器50串联连接的有源开关元件来决定哪个臂部处于导电状态。由于无源电流逆止元件比有源开关元件更轻、更小并且更简单，所以这导致更具有成本效益和更可靠的电力电子变换器。
第一电力电子变换器30的布置导致用小、重量轻、廉价、高效和可靠的器件连接AC网络46和DC网络44以及将电力从AC网络46转换至DC网络44。
图5示出根据本发明第二实施例的第二电力电子变换器130。图5的第二电力电子变换器130的结构和操作与图2的第一电力电子变换器30的结构和操作类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第二电力电子变换器130与第一电力电子变换器30的不同之处在于，在第二电力电子变换器130中，每个臂部38、40中的链环变换器50被额定为能够在其两端提供137kV的最大电压，而不是在其两端提供227kV的最大电压。
在使用中，第二电力电子变换器130可操作为在AC到DC电力转换模式中将来自AC网络46的电力转换至DC网络44。在AC到DC电力转换模式中第二电力电子变换器130的操作与在AC到DC电力转换模式中第一电力电子变换器30的上述操作相同。
在使用中，第二电力电子变换器130可操作为在DC到AC电力转换模式中将来自DC网络44的电力转换至AC网络46。在DC到AC电力转换模式中，DC环两端的DC环电压的极性被反转。特别地，在DC到AC电力转换模式中，DC网络44的第一端子带有-10kV的DC电压，并且DC网络44的第二端子带有+10kV的DC电压。同时AC网络46的AC电压在-127kV与+127kV之间变化。
在DC到AC电力转换模式中，通过如下方式组合第一AC电压组件和第二AC电压组件70来控制在AC端子42处AC电压的配置。
为了构造第一AC电压组件70，第二臂部40处于导电状态，并且第一控制器60控制第二臂部40中每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换，以对第二DC端子34处的+10kV电压加上或减去(即“提高”或“降低”)电压阶梯。第一AC电压组件70被构造为具有+127kV峰值的正半正弦电压波形的形式，同时负AC电流72流出AC端子42。
与此同时，第一臂部38处于不导电状态，并且因此两端经受差分电压，差分电压是在AC端子42处电压与第一DC端子32处电压之间的差值。因此，由处于不导电状态中的第一臂部38所经受的差分电压在10kV与137kV之间变化，并且由被配置为阻挡在10kV至137kV之间变化的电压的链环变换器50完全支撑。通过反转DC环两端的DC环电压的极性，第一臂部38中的二次无源电流逆止元件48被强制导电，因此致使其不能阻挡差分电压的一部分。
为了构造第二AC电压组件，第一臂部38处于导电状态，并且第一控制器60控制第一臂部38中每个合理化模块52的电流流动控制元件54的切换，以对第一DC端子32处的-10kV加上或减去(即“提高”或“降低”)电压阶梯。第二AC电压组件被构造为具有-127kV峰值的负半正弦电压波形的形式，同时正AC电流流出AC端子42。
与此同时，第二臂部40处于不导电状态，并且因此两端经受差分电压，差分电压是在AC端子42处电压与第二DC端子34处电压之间的差值。因此，由不导电状态中的第二臂部40经受的差分电压在10kV与137kV之间变化，并且由被配置为阻挡在10kV至137kV之间变化的电压的链环变换器50完全支撑。通过反转DC环两端的DC环电压的极性，第二臂部40中的二次无源电流逆止元件48被强制导电，所以致使其不能阻挡差分电压的一部分。
第一AC电压组件和第二AC电压组件70在占空比上的组合导致在AC端子42处合成具有+127kV和-127kV峰值的正弦AC电压。以这种方式，第二电力电子变换器130控制AC端子42处AC电压的配置以在DC到AC电力转换模式中将来自DC网络44的电力转换至AC网络46。
使得能够在其两端提供137kV最大电压而不是227kV最大电压而增大每个链环变换器50的额定值，使得每个链环变换器50能够支撑由DC到AC电力转换模式中非导电状态的相应臂部经受的整个差分电压，同时限制在DC到AC电力转换模式中的可转换电力为AC到DC电力转换模式中可转换电力的10％。
可以设想，在本发明的其他实施例中，在每个臂部38、40中的链环变换器50可以被额定为能够在其两端提供不同的电压以在DC到AC电力转换模式中将可转换的电力限制为AC到DC电力转换模式中可转换电力的不同百分比。
因此，以上述方式配置每个链环变换器50产生了具有非对称电力转换功能的电力电子变换器130，其中在AC到DC电力转换模式中电力电子变换器130提供全电力转换功能，并且能够在DC到AC电力转换模式中提供降低水平的电力转换。
在具有非对称电力转换要求的某些电力转换应用中，具有非对称电力转换功能的电力电子变换器130是完全合乎需要的。例如，第二电力电子变换器130可以被用于朝向至DC网络44的电力输出具有较大偏置并对输入电力具有最小需求的电力转换应用中，诸如出现在可再生风力发电和潮汐发电中，其中所需的电力转换主要在从源到配电网中。一旦原动力(风或波浪)的可用性足以产生所需的电力，为了在硬件转变到发电运行模式之前启动或运行风和潮汐发电场的硬件，对输入电力的最小需求可能涉及在相反方向上在降低水平上不频繁地传输电力。
以如上所述的方式配置每个链环变换器50以产生具有非对称电力转换功能的第二电力电子变换器130，导致在损失、效率、大小、重量和成本方面更优化的电力电子变换器，用于具有非对称电力转换要求的电力转换应用。
另外，每个臂部38、40中的二次有源开关元件48和链环变换器50的串联连接免去对在AC到DC电力转换模式中能够阻挡整个差分电压的每个链环变换器50的需要，从而允许降低每个链环变换器50的额定电压。这因此大大减少实施AC网络46与DC网络44之间电力转换所要求的每个链环变换器50中合理化模块52的所需数量
可以设想，每个臂部38、40中的二次无源电流逆止元件48可以被与每个合理化模块串联连接的一个或多个二次无源电流逆止元件取代。
在使用中，可切换所述或每个二次有源开关元件以决定那个臂部处于导电状态并且从而被用来合成AC端子处的AC电压。在每个臂部中的所述或每个二次有源开关元件可以被配置为能够阻挡正向和反向电压。这意味着对于AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式，均要求每个臂部中的链环变换器仅阻挡差分电压的一部分，因此无需增大每个臂部中链环变换器的额定电压以能够支撑由AC到DC和DC到AC电力转换模式中不导电状态的臂部承受的整个差分电压。
还可以设想，在本发明的其他实施例中，电力电子变换器可以包括不同数量的变换器臂，其中每个变换器臂的AC端子与多相AC网络的各相是可连接的。
另外可以设想，在本发明的其他实施例中，电力电子变换器可以包括单个变换器臂，其中AC端子与单相AC网络是可连接的。
应该理解地是，所示实施例中使用的电压值仅仅被选择来说明电力电子变换器的各个实施例的操作，所以根据相关电力应用的电力需求在实际中可以变化。

Claims (4)

1.一种电力电子变换器(30,130)，用于连接AC和DC网络(46,44)并且转换它们之间的电力，包括：
第一DC端子和第二DC端子(32,34)，限定用于连接到DC网络(44)的DC环；其中，在使用中，所述DC环具有施加在其两端(32,34)的可逆DC环电压；
至少一个变换器臂(36)，在所述第一DC端子与第二DC端子(32,34)之间延伸，并且具有由用于连接到AC网络(46)的AC端子(42)隔开的第一臂部和第二臂部(38,40)，每个臂部(38,40)包括多个合理化模块(52)，每个合理化模块(52)具有与至少一个能量存储装置(56)并联连接的第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件(54)，每组电流流动控制元件(54)与至少一个能量存储装置(56)并联连接，每组电流流动控制元件(54)包括一次有源开关元件以选择性地引导电流通过所述能量存储装置(56)、和一次无源电流逆止元件以限制电流在单一方向上流过所述合理化模块(52)，所述电流流动控制元件(54)和所述或每个能量存储装置(56)组合以选择性地提供电压源以在所述AC端子(42)处合成AC电压；以及
第一控制器(60)，以选择性地切换每个臂部(38,40)中的每个合理化模块(52)以控制相应AC端子(42)处的AC电压的配置，以便在AC到DC电力转换模式中将来自所述AC网络(46)的电力转换至所述DC网络(44)并且在DC到AC电力转换模式中将来自所述DC网络(44)的电力转换至所述AC网络(46)，
其中每个臂部(38,40)包括：
一个或多个二次无源电流逆止元件(48)，以限制相应AC与DC端子(42,32,34)之间的电流在单一方向上流过相应臂部(38,40)，所述或每个二次无源电流逆止元件(48)与所述相应的多个合理化模块串联连接(52)，
其中所述第一控制器被配置为切换每个臂部中的每个合理化模块使得，在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的一个模式中，所述或每个二次无源电流逆止元件(48)支撑在所述相应臂部(38,40)两端出现的差动电压的一部分，并且所述多个合理化模块(52)中的每个支撑在所述相应臂部(38,40)两端出现的差动电压的另一部分，并且
所述第一控制器被配置为切换每个臂部中的每个合理化模块使得，在AC到DC电力转换模式和DC到AC电力转换模式当中的另一个模式中，当通过反转所述DC环两端的DC环电压的极性，强制所述或每个相应二次无源电流逆止元件(48)导电时，所述多个合理化模块(52)中的每个支撑在所述相应臂部(38,40)两端出现的差动电压。
2.根据权利要求1所述的电力电子变换器(30,130)，其中所述第一组串联电流流动控制元件和第二组串联电流流动控制元件(54)以全桥结构与所述相应能量存储装置(56)并联连接，以形成能够提供零电压、正电压或负电压同时在单一方向上传导电流的2象限双极合理化模块(52)。
3.根据权利要求1或2所述的电力电子变换器(30,130)，其中每个臂部(38,40)中的每个合理化模块(52)被配置为使得在每个臂部(38,40)中的所述多个合理化模块(52)被额定为能够在其两端提供最大电压以将DC到AC电力转换模式中的可转换电力限制为小于AC到DC电力转换模式中的可转换电力。
4.根据权利要求1或2所述的电力电子变换器(30,130)，其中每个臂部(38,40)中的每个合理化模块(52)被配置为使得在每个臂部(38,40)中的所述多个合理化模块(52)被额定为能够在其两端提供最大电压以将DC到AC电力转换模式中的可转换电力限制到AC到DC电力转换模式中的可转换电力的10％到15％的范围内。
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