CN105027403B - 控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种控制电路(20)，包括：第一和第二端(22,24)，分别连接至第一和第二输电线(26,28)；电流传输路径(30,32)，在第一与第二端(22,24)之间延伸，电流传输路径(30,32)包括至少一个模块(36)，所述或每个模块(36)包括至少一个能量存储装置，电流传输路径(30,32)包括至少一个电感器(38)；控制单元(46)，在滤波模式中从电流传输路径(30,32)选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置，以调制所述或每个电感器(38)两端的电压以修改流过电流传输路径(30,32)的电流且从而从输电线(26,28)过滤掉一个或多个电流分量；以及至少一个能量转换元件，其中控制单元(46)在能量去除模式中从电流传输路径(30,32)选择性地去除所述或每个模块(36)的所述或每个能量存储装置，以使得电流从输电线(26,28)通过电流传输路径(30,32)流入所述或每个能量转换元件以从输电线(26,28)去除能量。

Description

控制电路
技术领域
本发明涉及一种控制电路。
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的转换因而变得有成本效益。
为了减小施加到线路/电缆的暂态电压并且从而延长线路/电缆的寿命，可以通过稳定线路/电缆中的DC电压来提高电力传输的质量。另外，形成高度稳定的DC电压减小换能器误差，并且提高接收高度稳定DC电压的电压源变换器中的变换器控制动作的稳定性。此外，DC电压的稳定可以被用于去除或最小化在电压转换过程中固有产生的更高阶谐波形式的电压或电流波纹。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种控制电路，包括：
第一端和第二端，用于分别连接至第一输电线和第二输电线；
电流传输路径，在所述第一端与第二端之间延伸，所述电流传输路径包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个能量存储装置，所述电流传输路径包括至少一个电感器；
控制单元，在滤波模式中从所述电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置，以调制所述或每个电感器两端的电压以修改流过所述电流传输路径的电流且从而从所述输电线过滤掉一个或多个不需要的电流分量；以及
至少一个能量转换元件，其中在能量去除模式中所述控制单元从所述电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置，以使得电流从所述输电线通过所述电流传输路径流入所述或每个能量转换元件以从所述输电线去除能量。
所述或每个不想要的电流分量可以是例如谐波电流的形式。
在使用中，调制所述或每个电感器两端的电压修改流经所述或每个电感器的电流以及因此修改流经电流传输路径的电流。在滤波模式中控制单元的操作将流经电流传输路径的电流修改为采取一个或多个电流分量的形式，这将所述或每个电流分量的反相电流分量有效地注入输电线，使得控制电路抵消来自输电线的所述或每个电流分量。以这种方式，控制电路能够有源地从输电线过滤掉一个或多个电流分量，并且从而提高输电线电压的质量。
对于使用多个模块的实施例，在控制电路中包含多个模块允许产生大范围的电压波形以修改流经电流传输路径的电流，使得控制电路能够从输电线过滤掉不同电流分量。这是因为在滤波模式中流经电流传输路径的电流可以被修改为采取不同电流分量或包含多个电流分量的组合电压波形中的每个的形式。
所述或每个电感器的尺寸优选地与所述或每个模块和输电线的等级匹配，以便优化控制电路的有源滤波操作。
同时，如果必要的话，为了例如保护线路免于过电压且确保低压故障穿越，控制电路包括至少一个能量转换元件的配置允许控制电路被用作能量去除装置以从输电线去除过剩能量。这是因为在控制电路中包含所述或每个模块允许有源地修改在所述或每个能量转换元件中流动的电流以对应于从输电线去除的过剩能量。因此，控制电路能够在滤波模式和能量去除模式两者中操作，而无需使用额外的硬件，由此提供硬件体积和成本方面的节约。
另外，已经发现从电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置的能力以允许能量(即过剩电力)从输电线到控制电路的快速转移，并且由此能够进行能量传输线中能量水平的快速调节。这进而允许在相关电网络故障的情况下，控制电路快速响应调节输电线中的能量水平的要求。
可以理解地是，控制电路的滤波和能量去除模式中的电力需求可以是不同的。滤波模式中的控制电路通常从输电线吸取相对低的电流并且不与输电线交换真实电力(除了损耗)。能量去除模式中的控制电路通常吸取全部输电线电流并且与输电线交换真实电力。就这一点而言，控制电路优选地被设定为与滤波和能量去除模式中的电力需求相匹配。
可以理解地是，在本发明中提及的“输电线”既包括AC输电线也包括DC输电线。
单个控制电路可以被连接在一对AC或DC输电线之间。多个控制电路可以与多个AC或DC输电线互连。例如，多个控制电路可以以互连三个AC输电线的星形配置连接或者以互连三个AC输电线的三角形配置连接。
可以理解地是，被连接至AC输电线的控制电路的滤波和能量去除模式分别在操作上与被连接至DC输电线的控制电路的滤波和能量去除模式类似。
还可以理解地是，当控制电路被连接至AC输电线时，控制电路可以额外地被用于控制AC输电线中的无功功率。
在本发明的实施例中，至少一个模块还可以包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个能量储存装置或使电流旁路所述或每个能量储存装置。这种方式的模块的结构允许其主开关元件由其能量存储装置而不是外部电源来供电，从而导致更紧凑的控制电路。
所述或每个模块可以被配置为具有双向电流能力，即所述或每个模块可以被配置为能够在两个方向上传导电流，以提高其与控制电路的有源滤波操作的兼容性。作为示例，至少一个模块可以包括以半桥结构与能量存储装置并联连接的一对主开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。作为另一个示例，至少一个模块可以包括与能量存储装置并联连接的两对主开关元件，以限定能够提供零电压、正电压或负电压并且能够在两个方向上传导电流的4-象限双极模块。
这种模块提供从电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置的可靠手段。此外，这种模块在两个方向上传导电流的能力允许注入电力至输电线也允许从输电线吸收电力，并且从而提高控制电路的有源滤波操作的效率。
在控制电路中使用具有双向电压能力的模块能够使控制电路与LCC HVDC方案(其中当被传输电力的方向被反转时，DC电压的极性改变)结合。
可以以各种方式来配置控制电路使得其可以在滤波和能量去除模式中操作。例如，在本发明的实施例中，电流传输路径可以具有由第三端分隔开的第一电流传输路径部和第二电流传输路径部，第一电流传输路径部和第二电流传输路径部的任一或两者包括至少一个模块，
其中所述控制电路还包括：
辅助端，用于连接到地或者连接到所述第二输电线；
能量转换块，用于从所述输电线去除能量，所述能量转换块在所述第三端与辅助端之间延伸，使得所述能量转换块从所述电流传输路径分支，所述能量转换块包括至少一个能量转换元件；以及
控制单元，从所述电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置。
这种方式的控制电路的配置，即能量转换块相对于电流传输路径的布置允许在滤波模式中阻止或最小化在能量转换块中流动的任意电流，从而简化控制和提高控制电路的有源滤波操作的效率。当要求在能量去除模式中操作控制电路时，第一电流传输路径部和第二电流传输路径部中的任一或两者可以被配置为允许电流在能量转换块中流动以便使得从输电线去除能量。
控制电路将辅助端连接至第二输电线的配置允许能量转换块被连接至第二输电线而不是地，并且从而允许高电流在输电线而不是输电线的寄生电容循环。
第一电流传输路径部可以包括至少一个电感器和/或第二电流传输路径部可以包括至少一个电感器。
在利用使用能量转换块的实施例中，第一电流传输路径部包括至少一个第一模块，所述或每个第一模块包括至少一个能量存储装置。在这种实施例中，至少一个第一模块可以包括至少一个主开关元件以选择性地引导电流通过所述或每个第一能量存储装置或者使得电流旁路所述或每个第一能量存储装置。如上所述，以这种方式构造所述或每个第一模块允许其主开关元件由其能量存储装置而不是外部电源来供电，从而导致更紧凑的控制电路。
在利用使用能量转换块的其他实施例中，第二电流传输路径部可以包括至少一个主开关块，其是可切换的以选择性地允许或禁止第二传输路径部中电流的流动。
至少一个主开关块可以包括至少一个次开关元件。取决于第二电流传输路径部所需的电压额定值，第二电流传输路径部中的次开关元件的数量可以变化。
至少一个主开关块可以包括第二模块，第二模块包括至少一个第二能量储存装置。至少一个第二模块可以包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个第二能量存储装置或使得电流旁路所述或每个第二能量储存装置。如上所述，这种方式的所述或每个第二模块的结构允许其主开关元件由能量存储装置而不是外部电源来供电，从而导致更紧凑的控制电路。
在利用使用能量转换块和至少一个主开关块的本发明的实施例中，在滤波模式中控制单元可以选择性地切换所述或每个主开关块，以允许电流流过第二电流传输路径部且从而旁路所述或每个能量转换元件。这导致在所述或每个能量转换元件中流动的任何电流被最小化。如前面提到的，在滤波模式中最小化在所述或每个能量转换元件中的电流简化了控制，且提高了控制电路的有源滤波操作的效率。
在将辅助端连接到第二输电线的本发明的实施例中，在滤波模式中，控制电路可以被配置为最小化在所述每个能量转换元件中流动的电流，如下所述。
当至少一个主开关块包括至少一个次开关元件时，在滤波模式中，控制单元可以选择性地将所述或每个第二次开关元件切换为导通状态，以允许电流流过第二电流传输路径部，且由此旁路所述或每个能量转换元件。
对于利用使用多个串联连接的次开关元件的本发明的实施例，可以通过连接与每个次开关元件并联的R-C电路来实现在串联连接的次开关元件中共享的静态电压。虽然在滤波模式中使用R-C电路通常会导致额外损耗，但是通过操作控制电路将多个串联连接的次开关元件两端的电压减小为零或接近零来最小化这些损耗的影响，因此导致更有效的控制电路。
当至少一个主开关块包括第二模块时，在滤波模式中，控制单元可以从第二电流传输路径部选择性地去除所述或每个第二能量存储装置，以允许电流流过第二电流传输路径部，且由此旁路所述或每个能量转换元件。
在将辅助端连接到第二输电线的本发明的实施例中，在能量去除模式中，控制电路可以被配置为阻止或最小化流过第二电流传输路径部的电流，以便增大流过电能转换块的电流并且从而提高控制电路从DC输电线去除能量的效率。更具体地，在能量去除模式中，控制单元可以选择性地切换所述或每个主开关块以阻止或最小化流过第二电流传输路径部的电流，并且从而使电流被引导至所述或每个能量转换元件。
当至少一个主开关块包括至少一个次开关元件时，在能量去除模式中，控制单元可以选择性地切换所述或每个次开关元件至关断状态，以阻止电流流过第二电流传输路径部，并且从而使电流被引导至所述或每个能量转换元件。
当至少一个主开关块包括第二模块时，在能量去除模式中，控制单元可以选择性地切换在第二电流传输路径部的所述或每个第二模块中的所述或每个主开关元件，以阻止或最小化流过第二电流传输路径部的电流并且从而使电流被引导到所述或每个能量转换元件。
对于利用使用至少一个第一模块和至少一个主开关块的本发明的实施例，在滤波模式与能量去除模式之间控制电路的过渡期间，第一电流传输路径部调制电压和电流的能力允许在零电压和/或零电流条件下软切换第二电流传输路径部的所述或每个主开关块，由此最小化开关损耗。
将辅助端连接到第二输电线的控制电路的配置和其操作导致第二电流传输路径部在滤波模式中传导成比例地小于在输电线中流动的电流且在能量去除模式中传导零电流或接近零的电流。这从而允许在第二电流传输路径部中使用低电流、高电压的半导体器件。
在将辅助端连接到地的本发明的实施例中，控制电路可以被配置为在滤波模式中阻止或最小化流过所述或每个能量转换元件的电流，如下文所述。
在滤波模式中，当至少一个开关块包括至少一个第二模块时，在能量转换块两端可以维持零或接近零的电压以阻止或最小化流过所述或每个能量转换元件的电流。例如，在滤波模式中控制单元可以从第一和第二电流传输路径部选择性地去除每个模块的所述或每个能量存储装置，以修改第三端处的电压以阻止或最小化流过所述或每个能量转换元件的电流。
在辅助端被连接至地的本发明的实施例中，在能量去除模式中，控制电路可以被配置为使得电流流过电流传输路径部和所述或每个能量转换元件，如下所述。
当第一和第二电流传输路径部中的每个包括至少一个模块时，在能量去除模式中，控制单元可以从第一和第二电流传输路径部选择性地去除每个模块的所述或每个能量存储装置，以在所述或每个能量转换元件两端产生AC电压(交流电压)波形。
可选地，在能量去除模式中，控制单元可以从第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个模块的所述或每个能量存储装置，以在第一电流传输路径部和第二电流传输路径部中的每个两端产生方形电压波形(例如，180°相移方形电压波形)，并且从而在所述或每个能量转换元件两端产生AC电压波形。已经发现，在能量去除模式中，方形电压波形的产生不仅降低流过模块的电流的峰值，还允许每个电流传输路径部的多个模块之间的能量平衡。可以理解地是，在能量去除模式中，控制单元可以从第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个模块的所述或每个能量存储装置，以在第一电流传输路径部和第二电流传输路径部中的每个两端产生不同类型的电压波形。
在利用使用能量转换块的本发明的实施例中，能量转换块还可以包括至少一个辅助开关块，其是可切换的以选择性地在滤波模式中禁止所述或每个能量转换元件中电流的流动或者在能量去除模式中允许所述或每个能量转换元件中电流的流动。
在这种控制电路中，从电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置对控制从输电线去除能量不是必要的。代替地，在能量去除模式中切换所述或每个辅助开关块来控制所述或每个能量转换块中的电流并且由此控制从输电线去除能量。因此，在能量转换块中使用至少一个辅助开关块允许针对其在控制电路的有源滤波操作中的使用来优化电流传输路径结构，从而提供在硬件体积和成本方面的节约和在控制电路的操作效率方面的提高。
至少一个辅助开关块可以包括至少一个辅助开关元件。
至少一个辅助开关块可以包括辅助模块，所述辅助模块包括至少一个辅助能量存储装置。至少一个辅助模块可以包括至少一个辅助开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置或使电流旁路所述或每个辅助能量存储装置。
这种辅助模块可以被控制来有源地修改在所述或每个能量转换元件中流动的电流以对应于待从输电线去除的过剩能量。
可选地，以和上述电流传输路径的所述或每个模块相同的方式，至少一个辅助模块可以被配置为具有双向电流能力。
另外可选地，所述或每个辅助模块可以被配置为具有单向电流能力，即，所述或每个辅助模块可以被配置能够仅仅在一个方向上传导电流。作为示例，至少一个辅助模块可以包括第一组和第二组串联连接的电流控制元件，每组电流控制元件包括有源开关元件以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置，以及无源电流逆止元件以限制电流通过辅助模块流向单一方向，第一组和第二组串联连接的电流控制元件和所述或每个辅助能量存储装置被布置为全桥结构来限定能够提供零电压、正电压或负电压同时在单个方向上传导电流的2-象限双极合理化模块。
在利用使用至少一个辅助开关块和至少一个第二模块的本发明的实施例中，当所述或每个辅助开关块被切换时，控制单元可以从第二电流传输路径部选择性地去除每个第二能量存储装置以修改第三端处的电压，以允许所述或每个辅助开关块的软切换，从而最小化开关损耗。
在本发明的实施例中，电流传输路径还可以包括与所述或每个模块串联连接的至少一个额外能量存储装置。在控制电路的滤波模式中，所述或每个额外能量存储装置提供DC电压，同时控制电路从电流传输路径选择性地去除所述或每个能量存储装置以产生AC电压。包含所述或每个额外能量存储装置允许降低所述或每个模块的额定电压，从而还提供在硬件体积和成本方面的节约，而没有不利地影响控制电路的有源滤波操作。
根据本发明的其他方案，提供一种控制电路组件，包括多个控制电路，每个控制电路是根据如上描述的控制电路。
可选地，所述多个控制电路被布置为三角形配置或星形配置。
附图说明
现将参考附图，通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1以示意图的形式示出根据本发明的第一实施例的控制电路；
图2和图3分别示出图1的控制电路在滤波和能量去除模式中的操作；
图4a以示意图的形式示出图1的控制电路的Matlab-Simulink模拟的模拟模型；
图4b以示意图的形式示出图4a中每个π部的表示；
图5a至图5h以曲线图的形式示出图4a的模拟模型的结果；
图6以示意图的形式示出根据本发明的第二实施例的控制电路；
图7以示意图的形式示出根据本发明的第三实施例的控制电路；
图8以示意图的形式示出根据本发明的第四实施例的控制电路；
图9a和图9b分别示出图8的控制电路在滤波和能量去除模式中的操作；
图10以示意图的形式示出图8的控制电路Matlab-Simulink模拟的模拟模型；
图11a至图11d以曲线图的形式示出图10的模拟模型的结果；
图12以示意图的形式示出图8的控制电路的Matlab-Simulink模拟的另一模拟模型；
图13a至图13h、图14a至图14h和图15a至图15f以曲线图的形式示出图12的模拟模型的结果；
图16以示意图的形式示出根据本发明的第五实施例的控制电路；
图17以示意图的形式示出根据本发明的第六实施例的控制电路；
图18以示意图的形式示出根据本发明的第七实施例的控制电路；
图19和图20分别示出图18的控制电路在滤波模式和能量转移模式中的操作；
图21以示意图的形式示出根据本发明的第八实施例的控制电路组件；以及
图22以示意图的形式示出根据本发明的第九实施例的控制电路组件。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的第一控制电路20。
第一控制电路20包括第一端22和第二端24。在使用中，第一端22和第二端24分别被连接到分别携带+Vdc/2和-Vdc/2电压的第一DC输电线26和第二DC输电线28。
第一控制电路20还包括在第一端22与第二端24之间延伸的电流传输路径。电流传输路径具有由第三端34分隔开的第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32。
第一电流传输路径部30在第一端22与第三端34之间延伸，并且包括与第一电感器38串联连接的多个串联连接的第一模块36。每个第一模块36包括与第一电容器形式的能量存储装置并联连接的两对主开关元件。各对主开关元件和第一电容器以全桥结构来连接以限定能够提供零电压、负电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4-象限双极模块。
第二电流传输路径部32在第二端24与第三端34之间延伸，并且包括多个串联连接的次开关元件40。
每个开关元件由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成。每个开关元件还包括与其并联连接的反并联二极管。
第一控制电路20还包括辅助端42和在第三端34与辅助端42之间延伸的能量转换块，使得能量转换块从电流传输路径分支。能量转换块包括在第三端34与辅助端42之间串联连接的转储电阻器44。可以设想，在本发明的其他实施例中，转储电阻器44可以由多个转储电阻器代替。
在使用时，辅助端42被连接到第二DC输电线28。
第一控制电路20还包括控制单元46以控制从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器。每个第一电容器被从第一电流传输路径部30选择性地去除，如下所述。
通过改变主开关元件的状态，每个4-象限双极模块的第一电容器被选择性地旁路或插入到电流传输路径。这选择性地引导电流通过第一电容器或使得电流旁路第一电容器，使得每个4-象限双极模块提供零电压、负电压或正电压。
当每个4-象限双极模块中的各对主开关元件被配置为在4-象限双极模块中形成短路时，每个4-象限双极模块的第一电容器被旁路。这使得第一电流传输路径部30中的电流经过短路并旁路第一电容器，所以4-象限双极模块提供零电压，即4-象限双极模块被配置为旁路模式并且从而被从第一电流传输路径部30去除。
当每个4-象限双极模块中的各对主开关元件被配置为允许第一电流传输路径部30中的电流流入和流出第一电容器时，每个4-象限双极模块的第一电容器被插入第一电流传输路径部30。然后第一电容器将其存储的能量充电或放电以便提供非零电压，即4-象限双极模块被配置为非旁路模式，并且从而返回到第一电流传输路径部30。4-象限双极模块的双向性质意味着第一电容器可以以正向或反向插入第一电流传输路径部30，以便提供正电压或负电压。
通过将每个提供自身电压的多个第一模块36的第一电容器插入第一电流传输路径部30，能够在多个第一模块36两端建立组合电压，其高于从每个单个第一模块36可得到的电压。以这种方式切换每个第一模块36的主开关元件使得多个第一模块36提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似以在多个第一模块36两端产生电压波形。
可以设想，在本发明的其他实施例中，每个第一模块可以以其他方式配置以具有双向电流能力。例如，每个第一模块可以包括以半桥结构与第一电容器并联连接的一对主开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。
控制单元46还控制多个次开关元件40的切换。
下文参照图2和图3描述DC电力传输方案内第一控制电路20在滤波和能量去除模式中的操作。
第一DC输电线26和第二DC输电线28互连第一电力变换器48和第二电力变换器50，第一电力变换器48和第二电力变换器50本身连接到相应的第一AC网络和第二AC网络(未示出)的相应的相位。经由对应的电力变换器及第一DC输电线26和第二DC输电线28将电力从第一AC网络传输至第二AC网络。
在DC输电线26、28的正常、稳态操作期间，DC电流Idc流经DC输电线26、28。该DC电流Idc包括谐波电流Ih，其是通过第二电力变换器50的操作引入的。应理解地是可以以其他方式将谐波电流Ih引入DC电流Idc。
为了从DC电流Idc去除谐波电流Ih，第一控制电路20被控制在滤波模式中操作。在滤波模式中，控制单元46将每个次开关元件40切换至导通状态，以允许电流流过第二电流传输路径部32并且从而旁路转储电阻器44。换言之，在整个滤波模式中，第二电流传输路径部32被配置为将转储电阻器44“短路”出电路并且被保持在该配置中。以这种方式配置第二电流传输路径部32的目的是最小化经由转储电阻器44通过能量耗散的功率损耗。
同时，控制单元46从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器以在多个第一模块36两端产生电压波形，且由此调制第一电感器38两端的电压。在多个第一模块36两端产生的电压波形包含DC“阻止”电压和复数(complex)AC电压的组合。这进而修改流过第一电感器38的电流且因此修改电流传输路径。流过电流传输路径的电流被修改为采取在DC输电线26、28中流动的谐波电流Ih的形式，由此将谐波电流Ih的反相电流有效地注入DC输电线26、28。
因此，第一控制电路20能够抵消谐波电流Ih，由此在DC输电线26、28中得到无谐波电流Ih的DC电流Idc。
在滤波模式中，第一控制电路20从DC输电线26、28吸取相对低的电流(通常每单位0.15)并且不与DC输电线26、28交换真实电力(除了损耗之外)。
在第二电力变换器50由于例如第二AC网络中的故障而不能接收传输的电力的情况下，第一AC网络必须暂时地继续传输电力至DC传输线，直到电力转移能够被减小到零(风力发电设备通常需要1-2秒)。这会导致在DC输电线路26、28中过剩能量的积累。如果必要的话，为了保护DC输电线26、28免于过电压且为了确保低压故障穿越，需要从DC输电线26、28去除过剩能量。
为了允许第一AC网络经由第一电力变换器48继续传输电力至DC传输线，第一控制电路20被控制在能量去除模式中操作。在能量去除模式中，控制单元46选择性地将每个次开关元件40切换至关断状态以阻止电流流过第二电流传输路径部32，并且从而使电流被引导至转储电阻器44。同时，控制单元46从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器以在多个第一模块36两端产生电压波形V1，其在DC传输线两端的电压VDC上加上或减去有限的电压阶梯。这使得电流Idump从DC输电线26、28通过第一电流传输路径部30流入转储电阻器44，并且从而允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26、28去除过剩能量。
在能量去除模式中，第一控制电路20从DC输电线26、28吸取较高的电流(通常每单位1.0)并且与DC输电线26、28交换真实电力。
以这种方式，第一控制电路20不仅能够在DC输电线26、28的稳态操作期间有源地从DC输电线26、28过滤掉一个或多个谐波电流，且因此提高输电线电压的质量，而且还能够在短期故障条件下被用作能量去除装置以从DC输电线26、28去除过剩能量。
在第一控制电路20中包含多个第一模块36允许产生大范围的电压波形来不仅修改流过电流传输路径的电流以便使得第一控制电路20从DC输电线26、28过滤掉不同的谐波电流，而且还有源地修改流过转储电阻器44的电流，以便对应于将要从DC输电线26、28去除的过剩能量。这种双重功能的优势在于第一控制电路20能够在滤波和能量去除模式两者中进行操作而无需使用额外的硬件，从而提供在硬件体积和成本方面的节约。
另外，已经发现，从电流传输路径选择性地去除所述或每个第一电容器的能力允许能量(即过剩电力)从DC输电线26、28快速转移到第一控制电路20，并且由此实现DC输电线26、28中能量水平的快速调节。这进而允许在相关联电网络中故障的情况下，第一控制电路20快速响应调节DC输电线26、28中的能量水平的要求。
此外，将辅助端42连接到第二DC输电线28进而允许转储电阻器44被连接到第二DC输电线28而不接地，并且从而允许高电流通过DC输电线26、28而不是DC输电线26、28的寄生电容流通。
可以理解地是，第二电流传输路径部32在滤波模式中传导成比例地小于在输电线26、28中流动的电流，并且在能量去除模式中传导零电流或接近零的电流。这从而允许在第二电流传输路径部32中使用低电流、高电压的半导体器件，从而实现在损耗、成本和占用空间方面的降低。
使用Matlab-Simulink实施了第一控制电路20的模拟模型，以示出其在滤波和能量去除模式中的操作。
图4a示出模拟模型的表示。模拟模型还包括接收站52、发射站54以及第一DC输电线26和第二DC输电线28。接收站52被建模为吸收1000A加上6次谐波波纹的电流的电流源。发射站54以及第一DC输电线26和第二DC输电线28分别被建模为电压源和一对π部56。图4b以示意图的形式示出图4a所示的每个π部56的表示。
该模拟模型被模拟1秒的时间段。在模拟期间，第一控制电路20在滤波模式中操作第一个200ms，以过滤由电流源产生的6次谐波波纹。在t＝200ms处，将对电流源的电流需求设定为零，并且将转储电阻器44中耗散的功率的需求发送至控制单元46以耗散10MW的功率600ms。换言之，在t＝200ms与t＝800ms之间，第一控制电路20在能量去除模式中操作。+/-200kWW/ms的转换速率被施加到对转储电阻器44待耗散功率的需求。在滤波模式和能量转移模式中的第一控制电路20被控制为对于每个第一电容器维持1500V的平均电压。在t＝800ms处，对转储电阻器44中耗散的功率的需求再次下降到零，并且第一控制电路20恢复在滤波模式中的操作。
图5a以曲线图的形式示出在第一控制电路20操作于滤波和能量去除模式期间由接收站52吸收的电流Iload和DC输电线26、28中的电流Idc的变化。
图5b以曲线图的形式示出在第一控制电路20操作于滤波模式期间由接收站52吸收的电流Iload和DC输电线26、28中的电流Idc变化的详细图形。图5c以曲线图的形式示出在第一控制电路20操作于滤波模式期间在多个第一模块36两端的电压58变化的详细图形。
从图5a和图5b可以看出，在滤波模式中，DC输电线26、28中的电流Idc没有在接收站52吸收的电流中所存在的谐波波纹。由此示出第一控制电路20能够从输电线26、28过滤掉6次谐波波纹。
图5d以曲线图的形式示出在第一控制电路20操作于能量去除模式期间由接收站52吸收的电流Iload和DC输电线26、28中的电流Idc变化的详细图形。图5e以曲线图的形式示出在第一控制电路20操作于能量去除模式期间多个第一模块36两端的电压58变化的详细图形。
图5f以曲线图的形式对在第一控制电路20操作于滤波和能量去除模式期间的耗散功率60和经由转储电阻器44耗散的功率的需求62进行比较。图5g以曲线图的形式对在第一控制电路20操作于滤波和能量去除模式期间的耗散能量64和经由转储电阻器44耗散的能量的需求66进行比较。
从图5d至图5g可以看出，在能量去除模式中，通过在能量去除模式中选择地引导电流通过转储电阻器44，第一控制电路20能够去除来自DC输电线26、28的过剩能量。从图5f和图5g还可以看出在第一控制电路20操作于滤波模式期间经由转储电阻器44的能量耗散被最小化。
图5h以曲线图的形式示出在第一控制电路20操作于滤波和能量去除模式期间第一电容器的电压67的变化。从图5h可以看出在滤波和能量去除模式中第一控制电路20能够平衡第一电容器的电压67以维持1500V的平均第一电容器电压。
因此，图4a所示的模拟模型示出第一控制电路20不仅能够在滤波和能量去除模式中稳定操作，而且能够在两种模式之间无缝地转换，而没有不利地影响任一模式中第一控制电路20的操作。
图6示出根据本发明的第二实施例的第二控制电路120。图6所示的第二控制电路120在结构和操作上与图1所示的第一控制电路20类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第二控制电路120与第一控制电路20的不同之处在于：在第二控制电路120中，多个串联连接的次开关元件40由多个串联连接的第二模块68代替。每个第二模块68包括与以第二电容器形式的能量存储装置并联连接的一对主开关元件。该对主开关元件和第二电容器以半桥结构连接以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2-象限单极模块。
在使用中，控制单元控制从第二电流传输路径部32选择性地去除每个第二电容器。每个第二电容器被从第二电流传输路径部32选择性地去除，如下所述。
通过改变主开关元件的状态，每个2-象限单极模块的第二电容器被选择性地旁路或插入电流传输路径。这选择地引导电流通过第二电容器或使电流旁路第二电容器，使得每个2-象限单极模块提供零电压或正电压。
在2-象限单极模块中，当每个2-象限单极模块中的一对主开关元件被配置为形成短路时，每个2-象限单极模块的第二电容器被旁路。这使得第二电流传输路径部32中的电流经过该短路且旁路第二电容器，并且所以2-象限单极模块提供零电压，即2-象限单极模块被配置为旁路模式，并且由此被从第二电流传输路径部32去除。
当每个2-象限单极模块中的一对主开关元件被配置为允许第二电流传输路径部32中的电流流入和流出第二电容器时，每个2-象限单极模块的第二电容器被插入第二电流传输路径部32。然后第二电容器对其储存的能量进行充电或放电，以便提供非零电压，即2-象限单极模块被配置为非旁路模式，并且从而为返回第二电流传输路径部32。
能够以与上述关于多个第一模块36相同的方式建立在多个第二模块68两端的组合电压。
在滤波和能量去除模式中第二控制电路120的操作类似于相同模式中第一控制电路20的操作，除了：
·在滤波模式中，控制单元切换每个第二模块68的主开关元件的状态以允许电流流过第二电流传输路径部32且旁路转储电阻器44；
·在能量去除模式中，控制单元选择性地切换能量去除模式中第二电流传输路径部32的每个第二模块68的主开关元件的状态，以阻止或最小化流过第二电流传输路径部32的电流，并且从而使电流被引导至转储电阻器44。
优选地，能量去除模式中的第二控制电路120应该被控制为使得流过第二电流传输路径部32的电流为零。但是，实际上，在能量去除模式中，一些电流将流过第二电流传输路径部32以使得能够对第二电容器进行充电或放电以实现转储电阻器44两端的期望电压。
可以理解地是，多个第二模块68中的每个能够被配置为具有低于多个第一模块36中的每个的额定值(rating)以便实现在损耗、成本和占用空间方面的降低。这是因为，如上文关于第一控制电路20所述的，第二电流传输路径部32在滤波模式中传导成比例地小于在DC输电线26、28中流动的电流，并且在能量去除模式中传导零或接近零的电流。
图7示出根据本发明的第三实施例的第三控制电路220。图7所示的第三个控制电路220在结构和操作上与图6所示的第二控制电路120类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第三控制电路220与第二控制电路120的不同之处在于：在第三控制电路220中，每个第二模块70包括与以第二电容器形式的能量存储装置并联连接的两对主开关元件。各对主开关元件和第二电容器以全桥结构连接以限定能够提供零电压、负电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4-象限双极模块。
在使用中，控制单元控制从第二电流传输路径部32选择性地去除每个第二电容器。以与从第一控制电路20中的第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一模块36相同的方式从第二电流传输路径部32可选择性地去除每个第二电容器。
除了在第二电流传输路径部32中使用4-象限双极模块代替2-象限单极模块以外，在滤波和能量去除模式中第三控制电路220的操作与相同模式中第二控制电路120的操作类似。
在第二电流传输路径部32中使用4-象限双极模块的益处在于：它允许使用结合LCC HVDC方案的第三控制电路220，在LCC HVDC方案中，当被传输电力的方向被反转时，DC电压的极性改变。
图8示出根据本发明的第四实施例的第四控制电路320。图8所示的第四个控制电路320在结构和操作上与图7所示的第三控制电路220类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第四控制电路320与第三控制电路220的不同之处在于：
·在使用中，辅助端42被连接到地而不是被连接到第二DC输电线28；
·第二电流传输路径部32还包括与多个第二模块70串联连接的第二电感器72。
参照图9a和图9b，下面描述在滤波和能量去除模式中DC电力传输方案内第四控制电路320的操作。
第一DC输电线26和第二DC输电线28互连第一电力变换器48和第二电力变换器50，第一电力变换器48和第二电力变换器50本身被连接到对应的第一AC网络和第二AC网络(未示出)的相应的相位。经由对应的电力变换器及第一DC输电线26和第二DC输电线28将电力从第一AC网络传输至第二AC网络。
在DC输电线26、28的正常操作期间，DC电流Idc流过DC输电线26、28。该DC电流Idc包括通过操作第二电力变换器50引入的谐波电流Ih。
为了从DC电流Idc去除谐波电流Ih，第四控制电路320被控制在滤波模式中操作。在滤波模式中，控制单元460从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器，以在多个第一模块36两端产生电压波形并且从而调制第一电感器38两端的电压。类似地，在滤波模式中，控制单元46从第二电流传输路径部32选择性地去除每个第二电容器，以在多个第二模块70两端产生电压波形并且从而调制第二电感器72两端的电压。
在滤波模式中，为了阻止或最小化流过转储电阻器44的电流并且从而最小化经由转储电阻器44的能量耗散，多个第一模块36和多个第二模块70两端的电压波形被构形为维持转储电阻器44两端的零或接近零的电压。
第四控制电路320被控制为使得在第一电感器38、第二电感器72两端的电压的调制修改流过第一电感器38、第二电感器72以及因此电流传输路径的电流。流过电流传输路径的电流被修改为采取在DC输电线26、28中流动的谐波电流Ih的形式，从而将谐波电流Ih的反相电流有效地注入DC输电线26、28。
因此，第四控制电路320能够取消谐波电流Ih，由此得到DC输电线26、28中无谐波电流Ih的DC电流Idc。
在第二电力变换器50由于例如第二AC网络中的故障而不能接收传输的电力的情况下，第一AC网络必须暂时地继续传输电力至DC传输线，直到电力转移能够被减小到零(风力发电设备通常需要1-2秒)。如上所述，这会导致在DC输电线路26、28中过剩能量的积累。如果必要的话，为了保护DC输电线26、28免于过电压且为了确保低压故障穿越，需要从DC输电线26、28去除过剩能量。
为了允许第一AC网络经由第一电力变换器48继续传输电力至DC传输线，在能量去除模式中操作第四控制电路320。在能量去除模式中，控制单元46从第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32选择性地去除第一电容器和第二电容器中的每个，以在多个第一电压模块36和多个第二电压模块70中每个的两端产生电压波形，所述电压波形在DC传输线两端的电压VDC上加上或减去有限的电压阶梯。多个第一电压模块36和多个第二电压模块70中每个的两端的电压波形被构形为在转储电阻器44两端产生AC电压波形。这使得电流IAC_dump/2从DC输电线26、28通过第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中的每个流动，并且因此使电流IAC_dump流向转储电阻器44，从而允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26、28去除过剩能量。
使用Matlab-Simulink实现第四控制电路320的模拟模型以说明其在能量去除模式中的操作。图10中示出模拟模型的表示，其中第一电容器和第二电容器中的每个被建模为DC电压源并且第四控制电路320与DC电压源74并联连接。
为多个第一电压模块36和多个第二电压模块70中的每个设定方形电压波形需求。每个方形电压波形需求的正峰值被设定为Vdc，而每个方形电压波形需求的负峰值是由比例积分调节器控制的负电压值，以便存储在第一电容器和第二电容器中任何损耗的能量，以期实现单个周期上的零净能量交换，如图11a所示，其以曲线图形式示出多个第一模块36两端的功率P1和由零平均功率Pavg表示的零净功率交换的变化。
实际上，所产生的电压波形的负值使得恒定的DC电流通过电流传输路径从第二DC输电线28流向第一DC输电线26，以补偿从第一电容器和第二电容器到转储电阻器44的能量损耗。恒定的DC电流抵消通过电流传输路径流向转储电阻器44的AC电流，如图11b所示，其以曲线图形式示出第一电流传输路径部30中的瞬时电流I1和零平均电流I1avg以及第二电流传输路径部32中的瞬时电流I2和零平均电流I2avg。
图11c以曲线图的形式示出在能量去除模式中操作第四控制电路320期间多个第一模块36、多个第二模块70、第一电感器38、第二电感器72和转储电阻器44两端电压V1、V2、VL1、VL2和VRdump的变化。图11d以曲线图的形式示出转储电阻器44中耗散的瞬时功率PR和平均功率PRavg。
从模拟模型可以发现，在能量去除模式中对多个第一模块36和多个第二模块70中的每个两端的方形电压波形使用180°相移，不仅降低通过第一电容器和第二电容器的电流的峰值，还导致多个第一模块36和多个第二模块70中的每个在单个周期中的零净能量交换。因此，在能量去除模式中对多个第一模块36和多个第二模块70中的每个两端的方形电压波形使用180°相移导致第四控制电路320的稳定操作。
使用Matlab-Simulink实现第四控制电路320的另一个模拟模型以说明其在滤波和能量去除模式中的操作。图12中示出模拟模型的表示。
图12中的模拟模型与图10中的模拟模型类似，除了：
·第一电容器和第二电容器中的每个被建模为7mF电容器；
·一对HVDC电缆被建模为在DC电压源与第四控制电路320之间的一对π部56。图4b以示意图的形式示出如图12所示的每个π部56的表示。
模拟模型包括接收站52、发射站54以及第一DC输电线26和第二DC输电线28。接收站52被建模为吸收1000A以及6次谐波波纹的电流的电流源。发射站54被建模为电压源。模拟模型还包括与第四控制电路320并联连接的一对1mF DC环电容器76、在被连接至地的DC环电容器76之间的接合点。第一电感器38和第二电感器72中的每个是1mH电感器，并且转储电阻器44是1.8Ω电阻器。
该模拟模型进行模拟的时间段为1秒。在模拟期间，第四控制电路320在能量去除模式中操作第一个600ms并且在滤波模式中操作接下来的400ms。在能量去除模式中多个第一模块36和多个第二模块70中的每个两端产生320Hz的方形电压波形。
图13a以曲线图的形式示出在能量去除模式中操作第四控制电路320期间分别在多个第一模块36和多个第二模块70两端产生的方形电压波形Vtop_arm、Vbottom_arm。
图13b以曲线图的形式示出在能量去除模式中操作第四控制电路320期间分别在第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中电流Itop_arm、Ibottom_arm的变化。从图13b可以看出第一电流传输路径部30和第二电流传输路径部32中的每个的电流包含从DC输电线26流至第二DC输电线28的DC电流分量，以便将来自DC输电线26、28的能量转移至第一电容器和第二电容器至单位(cell)电容器中。然后能量从第一电容器和第二电容器被转移至转储电阻器44用于能量耗散，如图13c所示，图13c以曲线图的形式示出在转储电阻器44两端产生的AC电压VRdump和电流IRdump。
图13d以曲线图的形式示出在能量去除模式中操作第四控制电路320期间第一电容器和第二电容器中的每个的电压78、80的变化。从图13d可以看出在能量去除模式中第四控制电路320能够平衡第一电容器和第二电容器的电压78、80，以维持大约1000V的平均电容器电压且最小化第一电容器与第二电容器之间电容器电压的差值。
图13e以曲线图的形式对能量去除模式中操作第四控制电路320期间分别在DC环电容器两端电压82、84和接地电位电压86的变化。从图13e可以看出电流的循环导致两个DC环电容器的周期的和交替的充电和放电。这在两个DC环电容器之间的接地接合点的电压中产生波动。
图13f示出在能量去除模式中操作第四控制电路320期间在DC输电线26、28中电流88a、88b的变化。可以看出在第一电流传输路径部30、第二电流传输路径部32中流动的一小部分电流流经DC输电线26、28，流经HVDC电缆。这是由于DC环电容器和第四控制电路320的并联连接。
图13g和图13h以曲线图的形式示出在能量去除模式中操作第四控制电路320期间在转储电阻器44中耗散的瞬时功率Pinstant和平均功率Pavg。应该理解地是，图13g和图13h中的上升时间和下降时间是由于对大的样本阵列进行平均的Simulink模拟。
图14a至图14h分别以曲线图的形式示出与图13a和图13h所示的模拟结果类似的模拟结果，除了图14a至图14h的模拟结果是基于其中省略了DC环电容器且电流通过DC输电电缆的寄生电容流至地的模拟模型。从图14a至图14h可以看出不带DC环电容器的模拟模型能够耗散所需功率水平，但是DC输电线26、28的电压中的波动增大，这进而增大了接地电位的波动。
从图13a至图13h和图14a至图14h还可以看出第四控制电路320能够瞬间地耗散所有功率。这是有利的，因为第四控制电路320能够快速响应调节DC输电线26、28中的能量水平的要求。
图15a以曲线图的形式示出在滤波模式中操作第四控制电路320期间由接收站52吸收的电流90和DC输电线26、28中的电流92变化的详细图形。图15b和图15c以曲线图的形式示出在滤波模式中操作第四控制电路320期间多个第一模块36和多个第二模块70的电压94和电流96的变化的详细图形。
从图15a可以看出，在滤波模式中，DC输电线26、28中的电流Idc没有在接收站52吸收的电流中存在的谐波波纹。由此示出第四控制电路320能够从输电线26、28过滤掉6次谐波波纹。
图15d以曲线图的形式示出在滤波模式中操作第四控制电路320期间转储电阻器44的电压98a和电流98b的变化。从图15d可以看出在滤波模式中操作第四控制电路320期间经由转储电阻器44能量的耗散被最小化。
图15e以曲线图的形式示出在滤波模式中操作第四控制电路320期间第一电容器和第二电容器中的每个的电压100a、100b的变化。从图15e可以看出在滤波模式中第四控制电路320能够平衡第一电容器和第二电容器的电压100a、100b，以维持大约1000V的平均电容器电压。
图15f以曲线图的形式示出在滤波模式中操作第四控制电路320期间分别在DC输电线26、28中电压102、104和接地电位电压106的变化。从图15f可以看出在滤波模式中操作第四控制电路320期间在DC输电线26、28电压102、104、106和接地电位中的最小波动。
因此，图12所示的模拟模型示出第一控制电路20不仅能够在滤波和能量去除模式中稳定操作，而且能够在两种模式之间无缝地转换，而没有不利地影响任一模式中第一控制电路20的操作。
应该理解地是，在本专利说明书中描述的模拟模型代表根据本发明的控制电路的缩小比例的模型，以有助于其模拟。
图16示出根据本发明的第五实施例的第五控制电路420。图16所示的第五控制电路420在结构和操作上与图1所示的第一控制电路20类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第五控制电路420与第四控制电路320的不同之处在于：第五控制电路420省略第三端34、辅助端42和多个第二模块70。因此，第五控制电路420的电流传输路径包括与在第一端22与第二端24之间的第一电感器38和转储电阻器44串联连接的多个第一模块36。
下面描述在滤波和能量去除模式中第五控制电路420的操作。
在滤波模式中，控制单元46从电流传输路径选择性地去除每个第一电容器以在多个第一模块36两端产生电压波形，且由此调制第一电感器38和转储电阻器44中每个的两端的电压。在多个第一模块36两端产生的电压波形包含DC“阻止”电压和复数AC电压的组合。这修改了流过第一电感器38和转储电阻器44的电流且因此修改了传输路径。流过电流传输路径的电流被修改为采取在DC输电线26、28中流动的谐波电流的形式，由此将谐波电流的反相电流有效地注入DC输电线26、28。
因此，第五控制电路420能够抵消谐波电流，由此得到DC输电线26、28中无谐波电流的DC电流。
在能量去除模式中，控制单元46从电流传输路径选择性地去除每个第一电容器以在电流传输路径两端产生DC电压波形。这使得DC电流通过电流传输路径从DC输电线26、28流至转储电阻器44。这允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26、28去除过剩能量。
以这种方式，第五控制电路420提供能够在滤波模式和能量去除模式两者中操作的更简单的配置。
图17示出根据本发明的第六实施例的第六控制电路520。图17所示的第六控制电路520在结构上与图6所示的第二控制电路120类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第六控制电路520与第二控制电路120的不同之处在于：
·第六控制电路520省略多个第一模块36；
·能量转换块还包括与转储电阻器44串联连接的多个串联连接的辅助开关元件110。
下面描述在滤波和能量去除模式中第六控制电路520的操作。
在滤波模式中，控制单元46从电流传输路径选择性地去除每个第二电容器以在多个第二模块68两端产生电压波形，且由此调制第一电感器38两端的电压。在多个第二模块38两端产生的电压波形包含DC“阻止”电压和复数AC电压的组合。这修改了流过第一电感器38的电流且因此修改了传输路径。流过电流传输路径的电流被修改为采取在DC输电线26、28中流动的谐波电流的形式，由此将谐波电流的反相电流有效地注入DC输电线26、28。
因此，第六控制电路520能够抵消谐波电流，由此得到DC输电线26、28中无谐波电流的DC电流。
在滤波模式中，每个辅助开关元件110被切换至关断状态以抑制转储电阻器44中电流的流动以最小化功率损耗。
在能量去除模式中，每个辅助开关元件110被切换至导通状态以允许转储电阻器44中电流的流动。在这个阶段，当每个辅助开关元件110被切换至导通状态时，控制单元46从第二电流传输路径部选择性地去除每个第二电容器以修改第三端34处的电压，以允许每个辅助开关元件110的软切换。
每个辅助开关元件110切换至导通状态使得DC电流从DC输电线26、28通过电流传输路径流入转储电阻器44。这允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从DC输电线26、28去除过剩能量。
在DC输电线26、28恢复正常操作且不再需要在能量去除模式中操作第六控制电路520之后，在第六控制电路520恢复其滤波模式之前，每个辅助开关元件110被切换回关断状态以抑制转储电阻器44中电流的流动。在这个阶段，当每个辅助开关元件110被切换回关断状态时，控制单元46从第二电流传输路径部选择性地去除每个第二电容器以修改第三端34处的电压以允许每个辅助开关元件110的软切换。
以这种方式，第六控制电路520提供能够在滤波模式和能量去除模式两者中操作的更简单的配置。
可以理解地是，第二电流传输路径部32能够被配置为具有低于多个串联连接的辅助开关元件110的额定值(rating)以便实现在损耗、成本和占用空间方面的降低。这是因为从电流传输路径选择性地去除每个第二电容器仅仅被用在第六控制电路520的有源滤波操作中，并且对于控制从DC输电线26、28去除能量不是必要的。
可以设想，在本发明的其他实施例中，每个辅助开关元件可以由用以控制转储电阻器中电流流动的辅助模块代替，每个辅助模块包括至少一个辅助能量存储装置。优选地，每个辅助模块包括至少一个辅助开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置或使得电流旁路所述或每个辅助能量存储装置。
每个辅助模块可以被配置为具有双向电流能力。例如，每个辅助模块可以与如上之前实施例所阐述的电流传输路径的第一模块和第二模块相同的方式被配置为具有双向电流能力。
另外，可选地，每个辅助开关元件可以由被配置为具有单向电流能力的辅助模块代替，即所述或者每个辅助模块被配置为能够只在一个方向上传导电流。例如，每个辅助模块可以包括第一组和第二组串联连接的电流控制元件，每组电流控制元件包括有源开关元件以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置，以及无源电流逆止元件以限制电流在单一方向上流过辅助模块，第一组和第二组串联连接的电流控制元件和所述或每个辅助能量存储装置以全桥结构布置，以限定能够提供零电压、正电压或负电压同时在单个方向上传导电流的2-象限双极合理化模块。
在本发明的其他实施例中(未示出)，可以设想，一个或多个开关元件可以是不同的开关器件，诸如栅极可关断晶闸管、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。在每个示例中，开关器件与反并联二极管并联连接。
可以设想，在本发明的其他实施例中(未示出)，每个模块中的电容器可以由不同的能量存储装置(诸如燃料电池、电池或能够储存和释放其电能来提供电压的任何其他能量存储装置)代替。
还可以设想的是，在本发明的其他实施例中，可以仅仅在滤波模式中操作控制电路。在这种实施例中，控制电路可以省略能量转换块。
可以设想，在本发明的其他实施例中(未示出)，电流传输路径还可以包括在与电流传输路径的每个模块串联连接的至少一个额外能量存储装置。在控制电路的滤波模式中，所述或每个额外能量存储装置提供DC电压同时控制单元从电流传输路径选择性地去除每个能量存储装置以产生AC电压。包含所述或每个额外能量储存装置允许减少每个模块的额定电压，从而还提供在硬件体积和成本方面的节约，而没有不利地影响控制电路的有源滤波操作。
图18示出根据本发明的第七实施例的第七控制电路620。第七控制电路620在结构和操作上与第一控制电路20类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第七控制电路620与第一控制电路20的不同之处在于：在使用中，第一端和第二端被分别连接至第一AC输电线126和第二AC输电线128，并且第一AC输电线126和第二AC输电线128分别携带AC电压Vac1、Vac2。
下面参照图19和图20描述在滤波和能量去除模式中AC电力传输方案内第七控制电路620的操作。
第一AC输电线126和第二AC输电线128互连第一电力变换器48和第一AC网络148。第一电力变换器48还被连接到第二电力变换器，第二电力变换器本身还被连接到第二AC网络。在其他实施例中，可以设想，第一AC输电线和第二AC输电线可以互连第二电力变换器和第二AC网络。电力经由相应的电力变换器以及第一AC输电线126和第二AC输电线128从第一AC网络传输至第二AC网络。
在AC输电线126、128的正常、稳态操作期间，交流电Iac流经AC输电线126、128。该AC电流Iac包括谐波电流Ih，其是通过第二电力变换器50的操作而引入的。应理解地是，可以以其他方式将谐波电流Ih引入AC电流Iac。例如，由于交叉调制效应，谐波电流可以被引入交流电Iac中，其中当第一和第二AC网络148分别在不同的频率(例如50Hz和60Hz)操作时，可能发生交叉调制效应。
为了从AC电流Iac去除谐波电流Ih，第七控制电路620被控制为在滤波模式中操作。在滤波模式中，控制单元46将每个次开关元件40切换至导通状态以允许电流流过第二电流传输路径部32并且从而旁路转储电阻器44。换言之，在整个滤波模式中，第二电流传输路径部32被配置为将转储电阻器44“短路”出电路并且被保持在该配置中。以这种方式来配置第二电流传输路径部32的目的是最小化经由转储电阻器44能量耗散的功率损耗。
同时，控制单元46从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器以在多个第一模块36两端产生电压波形，且由此调制第一电感器38两端的电压。在多个第一模块36两端产生的电压波形包含AC基频“阻止”电压和复数AC电压的组合。这进而修改了流过第一电感器38的电流且因此修改了传输路径。
流过电流传输路径的电流被修改为采取在AC输电线126、128中流动的谐波电流Ih的形式，由此将谐波电流Ih的反相电流有效地注入AC输电线126、128。
因此，第七控制电路620能够抵消谐波电流Ih，由此得到DC输电线126、128中无谐波电流Ih的AC电流Iac。
在滤波模式中，第一控制电路620从AC输电线126、128吸取相对低的电流(通常每单位0.15)并且不与AC输电线126、128交换真实电力(除了损耗以外)。
在第一电力变换器48由于例如在第二电力变换器或第二AC网络中的故障而不能接收传输的电力的情况下，第一AC网络148必须暂时地继续传输电力至AC输电线126、128，直到电力转移能够被减小到零(风力发电设备通常需要1-2秒)。这会导致在AC输电线126、128中过剩能量的积累。AC输电线126、128中的过剩能量导致第一AC网络148中不期望的过剩机械能。过剩机械能被存储为动能，这将增大第一AC网络148的发电机发电时的频率。第一AC网络148的发电机的频率的这种增大(即，过频)将引起第一AC网络148的损坏。
为了保护第一AC网路148免于过频，需要从AC输电线126、128去除过剩能量。
为了允许第一AC网络148继续传输电力至AC输电线126、128中，第七控制电路620被控制为在能量去除模式中操作。在能量去除模式中，控制单元46选择性地将每个次开关元件40切换至关断状态以阻止电流流过第二电流传输路径部32，并且从而使电流被引导至转储电阻器44。同时，控制单元46从第一电流传输路径部30选择性地去除每个第一电容器以在多个第一模块36两端产生电压波形V1，其在AC传输线两端的电压Vac1-Vac2上加上或减去有限的电压阶梯。这使电流Idump从AC输电线126、128通过第一电流传输路径部30流入转储电阻器44，并且从而允许经由转储电阻器44的能量耗散以便从AC输电线126、128去除过剩能量。
在能量去除模式中，第七控制电路620从AC输电线126、128吸取较高的电流(通常每单位1.0)并且与AC输电线126、128交换真实电力。
以这种方式，在AC输电线126、128的稳态操作期间，第七控制电路620不仅能够有源地从AC输电线126、128过滤掉一个或多个谐波电流，且因此提高输电线电压的质量，而且还能够在短期故障条件下被用作能量去除装置以从AC输电线126、128去除过剩能量。
鉴于上述，可以看出图18的第七控制电路620的滤波和能量去除模式在操作上分别与图1的第一控制电路20的滤波和能量去除模式类似。
例如，当在滤波模式中操作第七控制电路620时，第七控制电路620可以额外地被用于控制AC输电线126、128中的无功功率。
在图21中示出根据本发明的第八实施例的第一控制电路组件200。第一控制电路组件200包括与三个AC输电线126、128、130互连的多个控制电路620。第一控制电路组件200的每个控制电路620在结构和操作上与图18的第七控制电路类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
多个控制电路620以三角形(delta)配置连接。特别地，多个控制电路620中每个的第一端22被连接至多个控制电路620中另一个的第二端24，使得多个控制电路的互连限定闭环。不同控制电路620的第一端22与第二端24之间的每个连接限定接合点，其每个被连接至AC输电线126、128、130中的相应一个。
在滤波和能量去除模式中，在第一控制电路组件200的每个控制电路620中在偏离另一个控制电路620的120电角度处操作。
图22示出根据本发明的第九实施例的第二控制电路组件300。第二控制电路组件300包括与三个AC输电线126、128、130互连的多个控制电路620。第二控制电路组件300的每个控制电路620在结构和操作上与图18的第七控制电路类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
多个控制电路620以星形配置连接。特别地，在使用中，每个控制电路620的第一端22被连接至三个AC输电线126、128、130中的相应一个，并且每个控制电路620的第二端24被连接至共同接合点，使得多个控制电路620的每个限定星形配置的相应分支。共同接合点表示星形配置的中性点。
以这种方式，在使用中，每个控制电路620的第一端22被连接至三个AC输电线126、128、130中的相应一个，并且每个控制电路620的第二端24经由每个其他控制电路620被连接至每个其他AC输电线126、128、130。
在滤波和能量去除模式中，参照出现在其两端的线与中性点间的电压(即，在相应AC输电线126、128、130与中性点之间的电压)而不是线间电压(即，AC输电线126、128、130的任意两条线之间的电压)来操作每个控制电路620。

Claims (27)

1.一种控制电路，包括：
第一端和第二端，用于分别连接至第一输电线和第二输电线；
电流传输路径，在所述第一端与所述第二端之间延伸，所述电流传输路径包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个能量存储装置，所述电流传输路径包括至少一个电感器；
控制单元，在滤波模式中从所述电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置，以调制所述或每个电感器两端的电压，以修改流过所述电流传输路径的电流且从而从所述输电线过滤掉一个或多个电流分量；以及
至少一个能量转换元件，其中所述控制单元在能量去除模式中从所述电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置，以使得电流从所述输电线通过所述电流传输路径流入所述或每个能量转换元件以从所述输电线去除能量。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中至少一个模块还包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个能量存储装置或使得电流旁路所述或每个能量存储装置。
3.根据任一前述权利要求所述的控制电路，其中所述电流传输路径具有由第三端分隔开的第一电流传输路径部和第二电流传输路径部，所述第一电流传输路径部和所述第二电流传输路径部中的一个或两者包括至少一个模块；
其中所述控制电路还包括：
辅助端，用于连接到地或者连接到所述第二输电线；
能量转换块，用于在能量去除模式中从所述输电线去除能量，所述能量转换块在所述第三端与所述辅助端之间延伸，使得所述能量转换块从所述电流传输路径分支，所述能量转换块包括至少一个能量转换元件；以及
控制单元，从所述电流传输路径选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置。
4.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述第一电流传输路径部包括至少一个电感器和/或所述第二电流传输路径部包括至少一个电感器。
5.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述第一电流传输路径部包括至少一个第一模块，所述或每个第一模块包括至少一个第一能量存储装置。
6.根据权利要求5所述的控制电路，其中至少一个第一模块包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个第一能量存储装置，或使得电流旁路所述第一或每个第一能量存储装置。
7.根据权利要求3所述的控制电路，其中所述第二电流传输路径部包括至少一个主开关块，所述主开关块是可切换的以选择性地允许或禁止所述第二电流传输路径部中电流的流动。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中至少一个主开关块包括至少一个次开关元件。
9.根据权利要求7所述的控制电路，其中至少一个主开关块包括第二模块，所述第二模块包括至少一个第二能量存储装置。
10.根据权利要求9所述的控制电路，其中至少一个第二模块包括至少一个主开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个第二能量存储装置，或使得电流旁路所述或每个第二能量存储装置。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的控制电路，其中在所述滤波模式中所述控制单元选择性地切换所述或每个主开关块，以允许电流在所述第二电流传输路径部中流动，并且由此旁路所述或每个能量转换元件。
12.根据引用从属于权利要求8的权利要求11所述的控制电路，其中在所述滤波模式中所述控制单元选择性地切换所述或每个次开关元件至导通状态，以允许电流在所述第二电流传输路径部中流动，并且由此旁路所述或每个能量转换元件。
13.根据引用从属于权利要9或10的权利要求11所述的控制电路，其中在所述滤波模式中所述控制单元从所述第二电流传输路径部选择性地去除所述或每个第二能量存储装置，以允许电流在所述第二电流传输路径部中流动，并且由此旁路所述或每个能量转换元件。
14.根据权利要求8至10中任一项所述的控制电路，其中在所述能量去除模式中所述控制单元选择性地切换所述或每个主开关块以阻止或最小化流经所述第二电流传输路径部的电流，并且由此使电流被引导至所述或每个能量转换元件。
15.根据引用从属于权利要求8的权利要求14所述的控制电路，其中在所述能量去除模式中所述控制单元选择性地切换所述或每个次开关元件至关断状态，以阻止流经所述第二电流传输路径部的电流并且由此使得电流被引导至所述或每个能量转换元件。
16.根据引用从属于权利要求10的权利要求14所述的控制电路，其中在所述能量去除模式中所述控制单元选择性地切换在所述第二模块或每个第二模块中的所述主开关元件或每个主开关元件，以阻止或最小化流经所述第二电流传输路径部的电流，并且由此使电流被引导至所述或每个能量转换元件。
17.根据权利要求5或6所述的控制电路，其中在所述滤波模式中所述控制单元从所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除每个模块的所述或每个能量存储装置，以修改所述第三端处的电压，以阻止或最小化所述或每个能量转换元件中的电流。
18.根据权利要求5或6所述的控制电路，其中在所述能量去除模式中所述控制单元从所述第一电流传输路径部和所述第二电流传输路径部选择性地去除每个模块的所述或每个能量存储装置，以在所述或每个能量转换元件两端产生AC电压波形。
19.根据权利要求18所述的控制电路，其中在所述能量去除模式中所述控制单元从所述第一电流传输路径部和第二电流传输路径部选择性地去除所述或每个模块的所述或每个能量存储装置，以在所述第一电流传输路径部和所述第二电流传输路径部中的每个两端产生方形电压波形，并且由此在所述或每个能量转换元件两端产生AC电压波形。
20.根据权利要求19所述的控制电路，其中所述能量转换块还包括至少一个辅助开关块，所述辅助开关块是可切换的以选择性地在所述滤波模式中禁止所述或每个能量转换元件中电流的流动，或在所述能量去除模式中允许所述或每个能量转换元件中电流的流动。
21.根据权利要求20所述的控制电路，其中至少一个辅助开关块包括至少一个辅助开关元件。
22.根据权利要求20所述的控制电路，其中至少一个辅助开关块包括辅助模块，所述辅助模块包括至少一个辅助能量存储装置。
23.根据权利要求22所述的控制电路，其中至少一个辅助模块包括至少一个辅助开关元件，以选择性地引导电流通过所述或每个辅助能量存储装置，或使得电流旁路所述或每个辅助能量存储装置。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的控制电路，其中当切换所述或每个辅助开关块时，所述控制电路从所述第二电流传输路径部选择性地去除每个第二能量存储装置，以修改所述第三端处的电压，以允许所述或每个辅助开关块的软切换。
25.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电流传输路径还包括与所述或每个模块串联连接的至少一个额外能量存储装置。
26.一种控制电路组件，包括多个控制电路，每个控制电路是根据任一前述权利要求的控制电路。
27.根据权利要求26所述的控制电路组件，其中所述多个控制电路被布置为三角形配置或星形配置。
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