CN105226697A - 电压源转换器及其控制 - Google Patents

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CN105226697A CN201510359335.7A CN201510359335A CN105226697A CN 105226697 A CN105226697 A CN 105226697A CN 201510359335 A CN201510359335 A CN 201510359335A CN 105226697 A CN105226697 A CN 105226697A
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戴维·雷金纳德·特雷纳
弗朗西斯科·莫雷诺
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Abstract

本申请涉及一种电压源转换器(VSC)，其例如用于高压直流配电中。VSC具有至少一个带有高侧转换器臂和低侧转换器臂的相位肢(102a-c)。转换器臂包括用于电压波形整形的第一多个单元(103)，其中每个单元包括可以选择性地被串联连接在转换器臂中或被旁路的能量存储元件(105)，例如电容器。转换器臂还具有与第一多个单元串联连接的高压模块(202；501)，所述高压模块包括可选择性地串联连接到转换器臂中或被旁路的至少一个能量存储元件(206)，例如高压电容器。高压模块(202,501)的额定电压(即，使用中所存储的电压)大于第一多个单元中的任何单元(103)的电压。在使用中，高压模块(202；501)相应保持比任何单元(103)大很多的电压，例如是转换器的DC端子的电压幅值的至少一半，并且该高压模块可由控制器(207)来控制从而在臂关断状态下提供电压阻断支持。

Description

电压源转换器及其控制
技术领域
本申请涉及一种电压源转换器以及控制电压源转换器的方法和装置，并且尤其涉及用于高压配电的电压源转换器，具体涉及具有带有多个用于波形整形的单元和至少一个用于电压阻断的单元的转换器臂的电压源转换器。
背景技术
HVDC(高压直流)电功率传输使用直流来进行电功率传输。这是比较常见的交流电功率传输的备选方案。使用HVDC电功率传输具有许多益处。
为了使用HVDC电功率传输，通常需要将交流电流(AC)转换成直流电流(DC)，然后再转换回来。过去，这会涉及到基于晶闸管的六脉冲桥式拓扑结构(其有时也称为线换向转换器(LCC))。
功率电子领域的最新发展已经带来对用于AC-DC和DC-AC转换的电压源换流器(VSC)的使用增加。VSC通常包括多个转换器臂，其中每个转换器臂将一个DC端子连接到一个AC端子上。针对典型的三相交流输入/输出而具有六个转换器臂，其中两个臂部将给定的AC端子分别连接到高、低侧DC端子上，从而构成相位肢(phaselimb)。每个转换器臂均包括通常被称为阀并通常包括可以所需顺序进行切换的多个元件的装置。
在一种已知的通常称为六脉冲桥的VSC中，每个阀均包括一组串联连接的开关元件，这通常是与各个反并联二极管相连的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。阀的各个IGBT一起切换从而与相关的AC端子和DC端子进行电连接或断开，其中给定相位肢的阀通常以反相位进行切换。通过对每个转换器臂使用脉冲宽度调制(PWM)型切换方案，可以实现交流和直流电压之间的转换。
然而，在需要大量串联连接的IGBT的高压应用中，方法的确需要复杂的驱动电路以确保各个IGBT彼此同时进行切换，而且的确需要大型的无源缓冲器组件以确保正确共享串联连接的IGBT两端的高电压。此外，各个IGBT需要在交流电压频率的每个周期中进行多次接通及断开，以便控制谐波电流。这些因素可能会导致相对较高的转换损耗、高电平的电磁干扰以及复杂的设计。
在另一种已知类型的称为模块化多电平转换器(MMC)的VSC中，每个阀均包括多个串联连接的单元，其中每个单元包括例如电容器的能量存储元件以及开关结构，所述开关结构经控制可将能量存储元件连接在单元的端子之间或者将能量存储元件旁路。该单元有时还称为子模块，并且多个单元构成阀模块。阀的子模块经控制，以不同时间对其各自的能量存储元件进行连接或旁路，从而随着时间来改变多个单元上的电压差。通过使用相对大量的子模块并适当地定时进行切换，使得阀能够合成近似于所需波形(例如，正弦波)的阶跃式波形，从而在较低的谐波失真等级的情况下将DC转换成AC，或相反。由于各个子模块单独地进行切换并且因切换单个子模块而导致的电压变化相对较小，因此避免了与六脉冲桥式转换器相关联的许多问题。
在MMC设计中，会在交流周期中连续地对每个阀进行操作，其中同步地切换相位肢的两个阀以提供所需的电压波形。因此，至少对于AC波形的部分周期而言，每个阀的高侧端子将连接到大致等于高直流母线电压+VDC的电压上，而低侧端子则连接到大致等于低直流母线电压-VDC的电压上。因此，每个转换器臂的阀必须设计成能够承受两个DC端子之间的电压差，即2VDC的电压。这要求每个阀具有大量的子模块。因此，MMC转换器可能需要相对大量的部件，这增加了转换器的成本和尺寸。
近来，已经提出了一种变型的转换器，其中在转换器臂中设置一系列相连的单元以提供所述的阶跃式电压波形，但是每个转换器臂会断开长达交流周期的至少一部分。因此，多个串联连接的用于电压整形的单元与开关元件串联连接，其中当相关的转换器臂处于关断状态且不导通时所述开关元件关断。这种转换器已被称为交替臂转换器(alternatearmconverter)。这种转换器的示例在WO2010/149200中有所描述。
图1示出了已知的交替臂转换器(AAC)100。示例性转换器100具有三个相位肢101a-c，其中每个相位肢具有将相关的AC端子102a-c连接到高侧DC端子DC+的高侧转换器臂，以及将相关的AC端子102a-c连接到低侧DC端子DC-的低侧转换器臂。每个转换器臂包括多个串联的单元103，其中每个单元具有可选择性地被串联连接在该单元的端子之间的能量存储元件或者被旁路的能量存储元件。在图1所示的示例中，每个单元具有分别用于高侧和低侧连接的端子104a,104b，并包括作为能量存储元件的电容器105。电容器105与开关元件106(例如，具有反并联二极管的IGBT)相连，以允许该单元的端子104a和104b经由旁路了电容器105的路径或经由包括了串联连接的电容器105的路径来进行连接。在图1中所示的示例中，每个单元包括以全H桥式结构配置的四个开关元件106，从而可在使用中连接电容器以在端子104a和104b之间提供正电压差或负电压差。然而，在一些实施例中，至少一些单元可包括半桥结构中的开关元件，从而可对该电容器进行旁路或连接以提供给定极性的电压差。这种单元103的串联连接有时称为链式(chain-link)电路或链式转换器。
在AAC转换器中，每个转换器臂中的串联连接的单元103与臂开关元件107串联连接，该臂开关元件例如可包括具有关断能力的高压元件，例如带有反并联二极管的IGBT或此类。当特定的转换器臂导通时，串联连接的单元按顺序切换从而以上面针对MMC型转换器所描述的类似方式来提供所需的波形。然而，在AAC转换器中，相位肢的转换器臂的每个臂都被关断长达一部分的交流周期，并且在此期间臂开关元件断开。当转换器臂由此而处于关断状态并且不导通时，转换器臂两端的电压分担在臂开关元件与串联连接的单元(即链式电路)之间。这在使用中可减小串联连接单元(即，链式电路)两端的最大电压。
例如，转换器如此操作：使得AC端子处的电压在交流周期期间在高侧直流电压+VDC与低侧直流电压-VDC之间变化，并且使得高侧转换器臂针对交流周期的正极性部分而接通，但针对直流周期的负极性部分而关断(并且低侧转换器臂以反相来进行控制)。在交流周期的正极性部分期间，AC端子上的电压在零(即，中点电压，通常是接地的电压)与+VDC之间变化。在此期间，高侧转换器臂中的串联连接单元上的最大电压差的幅值将相应等于VDC。
对于交流周期的负极性部分，AC端子上的电压变为负，这导致了高侧转换器臂上更大的电压差。然而，如果高侧转换器臂的臂开关元件针对交流周期的负极性部分而断开，那么转换器臂两端的电压则分担在臂开关元件与多个串联连接单元之间。如果臂开关元件具有幅值为VDC的耐压能力，那么交流周期的负半部分期间的高侧转换器臂的串联连接单元上的最大电压也将为幅值VDC。相同原则也适用于低侧相位臂。因此，转换器臂的单元可设计为最大正常操作电压为VDC，而不是MMC型转换器可能需要的2VDC。这允许使用更少的部件，即使在需要臂开关元件的情况下也能相应地降低成本并减少尺寸。
发明内容
本发明的实施例涉及一种改进的转换器和方法，以及用于对其进行控制的装置。
因此，根据本发明，提供了具有至少一个相位肢的电压源转换器，其中每个相位肢包括将AC端子连接到高侧DC端子的高侧转换器臂以及将AC端子连接到低侧DC端子的低侧转换器臂，其中至少一个转换器臂包括：
第一多个单元，所述第一多个单元中的每个单元均包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的能量存储元件；和
与所述第一多个单元串联连接的高压模块，高压模块包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的至少一个能量储存元件，
其中，高压模块的额定电压大于所述第一多个单元中的任何单元上的电压。
因此，本发明的实施例与AAC型转换器的类似之处在于：每个转换器臂中具有带有能量存储元件的第一多个单元，能量存储元件能够在转换器臂电路中选择性地被连接以及断开，从而提供电压波形整形。在本发明的实施例中，至少一个转换器臂(有利地为每个转换器臂)还具有高压模块，高压模块包括能与第一多个单元串联连接的至少一个能量存储元件，例如高压电容器。所述高压模块的额定电压(即，使用中由高压模块的至少一个能量存储元件所存储的操作电压)大于所述第一多个单元的任何单元。有利的是，高压模块的额定电压是与所述转换器臂相连的DC端子在使用时的电压幅值的至少一半。
如本领域技术人员所理解的那样，用于波形整形的转换器臂设计为提供电压阶跃，该电压阶跃是DC端子处的直流电压的幅值的相对小的部分。高压模块包括至少一个具有显著较高的额定电压的能量存储元件。由高压模块所保持的电压相应为相关的DC端子的电压幅值的显著部分，例如为相关的DC端子的电压幅值的至少一半、相关的DC端子的电压幅值的至少四分之一。在一些应用中，使用时由高压模块所存储的电压可大致等于DC端子处的电压幅值。这显著高于使用时由第一多个单元中的单元所存储的电压，例如高压模块的能量存储元件在使用中所存储的电压或额定电压可以比用于提供波形整形第一多个单元中的任何单元的能量存储元件的电压大至少10倍、至少20倍或至少50倍。
在使用中，高压模块的能量存储元件可选择性地串联连接于所述第一多个单元，从而在所述转换器臂关断状态下提供电压阻断支持，和/或相比于不具有高压模块的替代方案，减少了所述第一多个单元所需的单元数量。
高压模块可包括至少一个用于选择性地提供对所述至少一个能量存储元件进行旁路的电路径的第一开关元件，以及至少一个选择性地提供将所述至少一个能量存储元件串联连接在所述转换器臂中的电路径的第二开关元件。在一些实施例中，至少一个第二开关元件可包括至少一个不可控的开关元件，例如二极管等。至少一个第一开关元件可包括可控的开关元件，例如IGBT等。因此，高压模块的能量存储元件可通过半桥式结构的开关来连接到所述转换器臂上。
在一些实施例中，高压模块可包括至少一个第三开关元件，其用于选择性地允许对所述至少一个能量存储元件进行旁路或连接以提供第一极性电压，以及至少一个第四开关元件，其用于选择性地允许对所述至少一个能量存储元件进行连接以提供与所述第一极性相反的第二极性电压。因此，第三开关元件和第四开关元件允许对高压模块的能量存储元件所提供的电压的极性进行反转。高压模块的能量存储元件可相应地通过全桥式结构的开关连接在转换器臂中。
能够连接高压模块的能量存储元件(例如，高压电容器)以提供正电压和负电压是指：当正常操作期间需要时高压模块可用于提供一种极性，但是也可用于提供相反极性从而在DC故障情况下提供故障阻断。那么，电压源转换器可包括故障控制器，其配置为对第三开关元件和第四开关元件进行控制，以使得在正常操作下所述至少一个第三开关元件导通而所述至少一个第四开关元件截止，以及还使得响应于直流故障的检测让所述第三开关元件截止而所述至少一个第四开关元件导通。
通常，所述电压源转换器可具有多个相位肢。在一些实施例中，每个转换器臂可包括单独的高压模块。然而，在一些实施例中，高压模块可共享在多个转换器臂之间。因此，可以将高压模块连接到多个转换器臂上，以使得所述至少一个能量存储元件可串联连接到多于一个的转换器臂上。
所述转换器可包括转换器控制器，其配置为按包括臂接通状态和臂关断状态的顺序控制所述转换器臂，其中在所述臂接通状态下对所述第一多个单元进行选择性地控制以提供电压波形整形，并且在所述臂关断状态下对所述高压模块进行控制从而将所述至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联连接。
在一些实施例中，所述转换器控制器配置为当所述转换器臂处于接通状态时对所述高压模块进行控制，从而对所述至少一个能量存储元件进行旁路。换言之，所述高压模块的能量存储元件在正常操作中仅用于提供在臂关断状态下的电压阻断支持。
然而，在一些实施例中，所述转换器控制器可配置为对所述高压模块进行控制，从而针对转换器臂处于所述臂接通状态的一部分时段，使得所述至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联连接。换言之，在所述臂接通状态期间，可将所述高压模块的能量存储元件串联连接。在这样的实施例中，所述高压模块的额定电压可以是与转换器臂相连的DC端子的电压幅值的几分之一。换言之，通过将所述高压模块的能量存储元件与所述第一多个单元串联连接而在转换器臂中引入的电压阶跃是DC端子电压的幅值的几分之一，例如，所述电压阶跃可以是DC端子电压的一半幅值的量级。
相比于不具有高压模块的替代方案，具有能将如此显著的电压阶跃引入到转换器臂中的高压模块可以减小所述第一多个电压在臂接通状态期间所经历的最大电压差以及因此而需要的电压范围。这可允许在转换器中使用较少的元件，随之节约成本并减小尺寸。
在所述至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联连接的臂接通状态期间的时段对应于相位肢的两个转换器臂均处于臂接通状态的时段。
在这样的实施例中，转换器臂的高压模块本身并不能在臂关断状态下提供足够的电压阻断支持。在一些实施例中，在每个转换器臂中可具有多于一个的高压模块。附加或备选地，在转换器臂中可具有与所述高压模块串联的至少一个臂开关元件，并且所述转换器控制器配置为控制所述至少一个臂开关元件在转换器臂接通状态下导通并且在转换器臂关断状态下截止。
然而，如上所述，在一些实施例中，所述高压模块可配置为提供臂关断状态中所有必要的电压阻断支持。因此，在一些实施例中，所述高压模块的额定电压大致等于与转换器臂相连的DC端子在使用中的电压幅值。
在一些实施例中，相位肢的每个转换器臂包括高压模块，并且高侧转换器臂的高压模块的至少一个能量存储元件的低侧端子经由至少一个滤波器组件连接到低侧转换器臂的高压模块的至少一个能量存储元件的高压侧端子上。
在例如高压电容器的能量存储元件(其在使用中存储幅值等于DC端子电压的电压)与DC端子相连的情况下，这种电容器未连接到DC端子的端子不会经受任何的DC电压应力。因此，这种能量存储元件可以使用在DC滤波器结构中。滤波器可以是无源滤波器，由此滤波器组件可包括例如电感和电阻。然而，在一些实施例中，滤波器组件可包括用于有源滤波的全桥式单元的链式电路。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于操作具有至少一个相位肢的电压源转换器的方法，其中每个相位肢包括将AC端子连接到高侧DC端子的高侧转换器臂，以及将所述AC端子连接到低侧DC端子的低侧转换器臂，其中至少一个转换器臂包括：
第一多个单元，所述第一多个单元中的每个单元均包括能选择性地串联连接在所述转换器臂中的能量存储元件或被旁路的能量存储元件；所述方法包括：
在所述转换器臂的接通状态期间，选择性地切换所述第一多个单元的各单元以供电压波形整形；并且
在所述转换器臂的关断状态期间，将高压模块的至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联，其中所述高压模块的至少一个能量存储元件的电压大于所述第一多个单元的任何能量存储元件的电压。
本发明这一方面的方法提供了所有的相同优点，并且可以在如针对上述各种实施例所描述的所有变型中操作。
附图说明
下面仅通过举例并参照附图对本发明进行描述，其中：
图1示出了已知的臂交替导通型转换器；
图2示出了根据本发明实施例的具有用于电压阻断的高压电容器模块的电压源转换器；
图3a示出了根据本发明实施例的转换器臂，并且图3b和图3c分别示出了其接通状态和关断状态；
图4a示出了根据本发明另一实施例的转换器臂，并且图4b和图4c分别示出了这种转换器臂的接通状态和关断状态；
图5示出了根据本发明实施例的将高压模块共享在多个转换器臂之间的电压源转换器；
图6示出了根据本发明实施例的可将高压模块用于故障阻断的电压源转换器；
图7示出了在转换器臂的接通状态下如何使用根据本发明实施例的电压模块来提供电压阶跃；
图8示出了具有多于一个高压模块的转换器臂；
图9示出了具有高压模块和臂开关元件的转换器；
图10示出了根据本发明实施例的转换器的相位肢的各种重叠操作模式；和
图11示出了根据本发明实施例的具有滤波器组件的转换器。
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种电压源转换器，其中转换器臂具有可经选择性控制以提供电压波形整形的第一多个单元，该第一多个单元配置为与包括至少一个能量存储元件(例如，电容器)的至少一个高压模块串联连接，该至少一个能量存储元件可选择性地连接在高压模块上，从而在转换器臂的关断状态下提供电压阻断。每个高压模块的额定电压，即可由高压模块的各能量存储元件存储的电压，大于第一多个单元的各单元的电压。
根据本发明实施例的转换器类似于臂交替导通转换器类型的转换器，其中转换器臂具有在该转换器臂接通状态期间用于提供电压波形整形的第一多个单元以及用于实现转换器臂的关断状态的元件。但是，上面参考图1所描述的转换器中的至少一些臂开关元件将由该高压模块来代替。
图2示出了根据本发明一个实施例的电压源转换器的示例。与上面参照图1所描述的部件相类似的部件以相同的附图标记来标示。
图2示出了具有三个相位肢201a-c的转换器200，其中每个相位肢具有将相关的AC端子102a-c连接到高侧DC端子DC+的高侧转换器臂，以及将相关的AC端子102a-c连接到低侧DC端子DC-的低侧转换器臂。每个转换器臂包括多个串联连接的单元103以用于波形整形，即，当转换器臂处于接通状态时(即，当转换器臂导通时)用于按顺序选择性地进行切换以产生所需的电压波形。每个单元103可以是如图1所示的形式，并因此可以包括能保持电压的能量存储元件(其在本实施例为与例如IGBT的开关106相连的电容器105)，从而使得该电容器可串联连接在单元的端子104a和104b之间或者被旁路。电容器105可以如图1所示的全桥结构与开关106连接，从而使得单元切换至旁路状态以对电容器进行旁路，或者切换至两种电压状态中的任一种以在单元端子之间分别提供正电压或负电压。在一些实施例中，至少一些单元可包括半桥结构，这实现了旁路状态和单一极性的电压状态。在一些实施例中，单元103可包括多个电容器，以及允许该单元的多个电容器选择性地进行串联和/或并联连接的开关配置。可以使用本领域已知的可用于电压波形整形的任何类型的单元作为单元103。应当理解，图2仅在每个转换器臂中示出了两个单元，但在实践中可具有相当多数量的单元，例如为数十或数百量级的单元。
在图2的实施例中，每个转换器臂中的多个串联连接的单元103(其共同形成链式转换器)与高压模块202进行串联连接。每个高压模块包括可选择性地被旁路或与转换器臂的多个单元103串联连接的一个或多个能量存储元件，其在本实施例中为高压电容器206。在本示例中，高压模块203相应具有用于连接到相关的DC端子(DC+,DC-)的第一端子203a，以及用于连接到转换器臂的多个串联连接的单元103的第二端子。高压模块包括用于在不包括高压电容器206的旁路路径中连接端子203a和203b的至少一个第一开关元件204，以及用于提供在端子203a与203b之间的、包括串联的高压电容器206的路径的至少一个第二开关元件205。在本示例中，高压模块相应包括连接有以半桥式结构配置的第一开关元件和第二开关元件的高压电容器，所述开关元件可以是IGBT或者具有反并联二极管的IGBT等。
类似于多个串联连接的单元中的单元103那样，高压模块相应具有可选择性地串联连接到转换器臂中或者被旁路的一个或多个电容器(或其他类似的能量存储元件)。然而，高压模块的额定电压大于单元103的电压，即，在使用中可由高压模块的电容器206保持的电压大于针对单元103的电压。在图2所示的实施例中，高压模块的电容器206可将电压保持在大致等于相关的DC端子处的直流电压幅值，即，等于VDC的电压。
应当理解，单元103设计为允许选择性地连接它们的电容器以产生近似于交流波形的合成波形。因此，由单元103的每个电容器所提供的电压阶跃设计为是DC端子处的直流电压的幅值的相对小的部分，并且每个单元103通常配置为提供与其他每个单元相同的电压阶跃。在本发明的实施例中，由高压模块所提供的电压是指在DC端子处的电压幅值的有效且实质部分，正如所提到的那样，在一些实施例中可以大致等于DC端子处的电压幅值。因此，高压模块的额定电压显著大于电压相对低的单元103的额定电压，例如大了至少10或20倍。因此，由于连接或断开高压电容器而引起的电压阶跃明显大于由连接或断开仅一个单元103中的电容器所产生的电压阶跃。
在使用中，当转换器臂工作在接通状态并且导通时，至少一个第一开关元件204导通，并且至少一个第二开关元件205截止。这将电容器206旁路。随后，多个单元103按顺序进行切换，以提供常规AAC那样的波形整形。当转换臂要切换至截止状态时，至少一个第一开关元件204截止，并且至少一个第二开关元件205导通。这将高压电容器206(其存储的电压在幅值上大致等于相关的DC端子的电压VDC)插入到转换器臂中，以提供电压阻断。高压模块的开关可以通过例如由控制器207产生的合适控制信号来控制。
图3a示出了高侧转换器臂，其中高压模块202与多个单元103串联。图3b示出了在转换器导通情况下处于接通状态的高压模块。至少第一开关元件204开启并导通，而至少一个第二开关元件205截止。如本领域已知的那样，电流可以流经高压模块并且对多个单元103进行适当顺序的控制，以提供电压波形整形。图3c示出了处于关断状态的转换器臂。至少一个第一开关元件204截止，并且至少一个第二开关元件205导通。在这种状态下，高压电容器206的电压VDC提供了关断状态的电压支持，即针对转换器臂的电压阻断。在这种状态下，基本上没有或只有有限的电流流经转换器臂，并且高压电容器206与多个单元103的串联连接导致了在高压模块与多个单元103之间分担转换器臂两端的电压差。
应当指出，图2示出了转换器臂的多个串联连接的单元103经由肢反应器208连接到高压模块202上。然而，在其他实施例中，如图3a所示那样，任何肢反应器可设置在该高压模块的另一侧。
还应当指出，图2示出了高压模块连接在转换器臂的多个串联连接单元103与相关的DC端子之间。然而，还可以使得该高压模块连接在多个串联连接单元103与相关的AC端子之间。实际上，在一些实施例中，可以使得高压模块位于用于波形整形所提供的多个单元的各个单元103之间。
如果在转换器臂的关断状态下高压模块仅用于电压阻断的话，那么在一些实施例中至少一个第二开关元件可以包括一个或多个不可控的开关元件，例如二极管。如本领域技术人员所理解的那样，二极管是有效的单向自动开关。如果高压模块仅用于在关断状态下提供电压阻断的话，那么仅需要能够控制对电容器206进行旁路的第一开关元件的导通和截止时间。断开至少一个第一开关元件将随后自动地使得电容器电压串联连接进来从而提供电压阻断，并且由于在该状态下基本上没有电流流过，因此在这种状态下在电路径中使用例如二极管的部件是可接受的。图4a示出了根据本发明的将第二开关元件205设置为不可控二极管401的实施例的转换器臂。图4b示出了当至少一个第一开关元件204导通时这种转换器臂的接通状态，而图4c示出了在至少一个第一开关元件204截止时这种转换器臂的关断状态。
上述实施例在每个转换器臂中提供了分别具有至少一个高压电容器等的单独的高压模块。然而，在一些实施例中，高压模块和高压电容器可在多个转换器臂之间共用。图5示出了所有高侧转换器臂之间共用高压模块501使得该模块的高压电容器206在所有高侧转换器臂之间共用的实施例。同样，在低侧转换器臂之间也可共用高压模块501。
高压模块501包括在使用中连接到高压模块的转换器臂之间共用的至少一个高压电容器206。
高压模块包括针对每个转换器臂的至少一个第一开关元件(装置204a-c)，从而将该转换器臂连接到DC端子，对高压电容器206进行旁路。因此，第一开关元件204a提供针对相位肢A的转换器臂的旁路路径，而第一开关元件204b提供针对相位肢B的转换器臂的旁路路径等。同样，高压模块针对每个转换器臂包括至少一个第二开关元件(401a-c)，其用于经由高压电容器206将该转换器臂连接到DC端子上。在本示例中，第二开关元件为不可控二极管401a-c，但应当理解的是，也可以使用例如IGBT的可控开关元件。
针对每个转换器臂的第一开关元件和第二开关元件可通过上面用于单个转换器臂的相同方式来进行控制。当相关的转换器臂处于接通状态时，相关的第一开关元件将开启并导通，从而对高压电容器旁路。当相关的转换器臂处于关断状态时，相关的第一开关元件将截止，并且转换器臂将仅由高压电容器206连接，这由此将提供针对相关的转换器臂的电压阻断。相比于每个具有其自身唯一的高压模块的转换器臂而言，以这种方式来共享高压电容器将相应减少所需部件的数量。
如前面所提到的那样，用于波形整形的相对较低的电压单元103可通过全桥式结构或半桥式结构来实现。半桥式结构通常需要更少的开关元件，并因此允许比当单元103以全桥式结构实施时的部件更少。然而，如本领域技术人员可以理解的那样，全桥式结构允许在故障情况下使用各单元，以提供直流故障阻断。
在本发明的一些实施例中，在故障情况下，可以将高压模块的高压电容器用于故障阻断。可以设置至少一个高压模块，从而使高压模块的高压电容器响应于直流故障而反向地连接到功率电路中。这意味着，波形整形单元103可实现为半桥式单元，但转换器仍然提供故障阻断性能。图6示出了具有故障阻断能力的转换器600的一个实施例。
转换器600具有共享于所有高侧转换器臂之间的高压模块501，以及如上所述地共享于所有低侧转换器臂之间的另一高压模块501。如上所述，高压模块针对每个转换器臂具有各自的第一开关元件(204)和第二开关元件(205,401)。然而，在本实施例中，有两个附加的开关配置围绕着高压模块的高压电容器，这允许高压电容器进行反向连接。因此，存在连接到第一开关元件与高压电容器之间的节点上的至少一个第三开关元件601。至少一个第四开关元件602连接在第二开关元件与高压电容器的相反板之间的节点上。高压模块通过连接到第一开关元件与第二开关元件之间的节点上的一个端子并通过经过连接到第三开关元件和第四开关元件之间的节点上的又一端子来进行连接。因此，可以看出，在本示例中，高压模块事实上是在转换器臂的多个单元103与相关的DC端子之间以全桥式结构实现。
在正常操作中，至少一个第三开关元件(其可包括一个或多个可控的开关元件，例如具有反并联二极管的IGBT)导通，而第四开关元件截止。随后，转换器可如上所述地进行操作：开启第一开关元件(并且第二开关元件截止)以在相关的转换器臂导通期间提供旁路路径，以及断开第一开关元件以将高压电容器206连接到转换器臂上从而针对转换器臂的关断状态而提供电压阻断支持。
在直流故障情况下，第三开关元件截止，而第四开关元件导通。第一开关元件同样导通，以确保高压电容器连接在电路中。鉴于第四开关元件使用在故障阻断情况中，因此这些元件可实现为例如二极管的不可控的开关元件，但是一些实施例中可以使用例如IGBT的可控开关。
图6示出了响应于DC极点至极点故障的处于这种状态的转换器。DC极点至极点故障的影响将是：DC端子倾向于引发沿图6中灰色箭头所示方向的大电流。通过反向地连接高压模块的高压电容器，高压电容器206的电压抵制电流流动并提供故障阻断。在图6所示的示例中，在使用中，高压电容器206中的每个电容器，即经共享的高侧高压模块的电容器和经共享的低侧高压模块的电容器，均保持大致等于相关的DC端子幅值的电压。因此，如图所示地连接两个高压电容器能够提供良好的故障阻断性能。
应当清楚，在共享高压电容器的情形中，可以将参照图6所描述的故障阻断原理应用于任何其他所述的实施例。例如，图2的高压模块202中的每个模块都可实现为全桥式结构，以允许故障阻断能力。
在上述讨论中，已将高压模块描述为仅用于提供电压阻断，从而在关断状态下为转换器臂提供电压支持，并且在DC故障情况下可任选为相反。因此，通过连接或断开高压模块的高压电容器所提供的电压阶跃有利地是与转换器臂相连的相关DC端子的幅值的量级。然而，在一些实施例中，高压模块可配置为提供幅值低于DC电压端子的幅值但仍然显著大于从多个链式(chain-link)单元103的单个单元所获得的电压阶跃的电压阶跃。在这样的实施例中，对高压模块进行控制从而随着转换器臂的部分导通时期来提供电压阶跃。这有利地使得针对转换器臂的链式单元的电压范围的要求相应减少。
如上所述，相比于MMC型转换器，AAC型转换器的优点之一在于：转换器臂在交流周期的至少一部分时间里关断，并且在关断状态下在用于波形整形单元103(即，链式转换器)与臂阻断元件之间共享电压。因此，相比于MMC型转换器，AAC型转换器的转换器臂的单元103可设计为处理降低的电压范围，例如可能需要较少的单元。正如所讨论的那样，如果高侧转换器臂仅当交流周期的正半周期才导通并且同样低侧转换器臂仅当交流周期的负半周期才导通，那么每个转换器臂的多个单元103可设计具有在幅值上等于DC端子处的直流电压幅值的电压范围(和电压容差)。
然而，在一些实例中，可能期望运行在相位肢的转换器臂的接通状态之间的重叠时段下。因此，高侧转换器臂可以在交流周期的整个正半周期期间以及负半周期的至少部分期间导通。同样地，低侧转换器臂可以在交流周期的整个负半周期期间以及正半周期的至少部分期间导通。当两个转换器臂都导通时，这将导致重叠时段。这也意味着，在转换器臂切换至关断状态之前，高侧转换器臂的多个单元103两端的电压差将超过VDC。这样的重叠时段可有利地对直流网络的有源滤波。在使用中同样重要的是，管理构成了链式转换器的各单元103的操作，以允许在各个单元103之间的电压平衡。具有较长的导通时段允许有更多的时间来管理链式单元103的能量/电压。
例如，设想针对一个相位肢的AC波形的正半部分延伸了从0°到180°的相位角，并且负半周期因此介于180°与360°的相位角之间。高侧转换器臂可设置为接通并在交流周期的正极性部分以及正半周期的前后各30°期间导通，但在关断状态下则相反。同样，低侧转换器臂可设置为接通并在负半周期以及负半周期的前后各30°期间持续接通。这意味着，在30°与150°的相位角之间，当低侧臂处于关断状态时高侧臂导通，而在210°与330°之间时，情况正好相反。在其他时刻，例如在150°与210°之间时，两个转换器臂均导通。
这意味着，当AC端子的电压为-VDC/2时，高侧转换器臂切换至接通状态并导通。因此，链式电路的多个单元103所经历的电压范围是DC端子的电压幅值的1.5倍，即1.5VDC。对于低侧转换器臂而言，同样如此。因此，每个电压臂的多个单元103必须额定地承受1.5VDC的电压，并能够在此电压范围内提供波形整形。
在本发明的实施例中，高压模块用于在重叠时段期间提供大的电压阶跃。例如，考虑的是：高压模块提供幅值等于0.5VDC的电压阶跃，并且仅当上面提及的重叠时段期间才对高压模块进行控制以引入该电压阶跃。
在高侧转换器臂接通并导通的时段期间，即本实施例中介于30°与150°的相位角之间的时段中，切换高压模块以对高压电容器进行旁路。在此期间，AC端子的电压从+0.5VDC变到+VDC并变回到+0.5VDC。因此，在此期间，链式电路的多个单元103两端的最大电压差在幅值上等于0.5VDC。在150°相位角处，低侧转换器臂切换至接通状态并开始导通。与此同时，对高压模块进行控制以引入0.5VDC的电压阶跃。还对链式电路的多个单元103的高侧转换器臂进行控制，从而将这一电压阶跃考虑在内。在这一点上，AC端子处的电压为+0.5VDC，但由于由高压模块所导致的电压阶跃，使得高侧转换器臂的多个单元103两端的电压差已减小至零。高侧转换器臂保持导通，直到210°相位角为止，在该点处AC端子的电压已降至-0.5VDC。然而，由于由高压模块所引起的电压阶跃，使得高侧转换器臂的链式电路的多个单元103两端的电压差在幅值上等于VDC。在这一点上，高压侧转换器臂切换至关断状态并停止导通。因此，高侧转换器臂的链式电路的多个单元103所需的最大电压范围在幅值上等于VDC，即相关的DC端子的电压幅值。
图7示出了针对高侧转换器臂的操作。图7的顶部曲线图示出了高侧DC端子的电压，其基本恒定地保持在+VDC。图7的第二曲线图显示了由高压电容器模块引起的电压阶跃。对高压模块进行控制，从而在重叠时段期间引入0.5VDC的电压阶跃，但在30°与150°期间仅高压侧臂处于导通时才对高压模块进行旁路。在本实施例中，在介于210°与330°的时段期间，当高侧转换臂不导通时电压阶跃显示为被移除。这假定，使用了一些其他臂阻断元件来将转换器臂切换至关断状态。然而，如下文将说明的那样，高压模块可以与其他电压阻断元件和/或臂开关元件相结合地用于在关断状态下提供至少一些电压阻断。
第三曲线图示出了由链式电路的多个单元103所产生的电压差如何随时间而变化。链式电路被有效地进行控制以产生所需波形例如部分正弦波，但是对应于由高压模块所提供的电压阶跃的添加或移除时段而言，具有0.5VDC的阶跃变化。最后的曲线图示出了由于高侧转换器臂而在AC端子处产生的电压波形。
因此，可以看出，转换器臂总体上提供了基于1.5VDC的电压范围的电压波形整形，但是，多个单元103(即，转换器臂的链式转换器)仅需要设计成基于VDC的电压范围来操作。这使得用于链式电路的部件数量，即单元103的数量(就给定的电压分辨率而言)显著减少。
应当指出，在重叠时段期间，当转换器臂导通并且高压电容器得以连接以提供电压阶跃时，电流会流向高压电容器或从中流出。然而，在整个重叠时段期间，总体的电流流动具有零的直流DC分量，即，流经第一半个重叠时段的电流有效地大致等于且反相于流经第二半个重叠时段的电流。因此，在保持在该电容器上正确的充电电平的同时，可以在此时段使用高压电容器来提供电压阶跃。
在转换器臂导通的同时高压模块被用于提供电压阶跃的实施例中，在转换器臂中用于串联连接高压电容器的第二开关元件205应当是例如IGBT等的可控开关元件，而不是仅仅包括例如二极管的不可控制开关。
应当理解，转换器臂的链式电路的多个单元103可因此设计为所容忍的最大电压差小于在使用中转换器臂两端的最大电压差，并且应当理解，在转换器臂关断状态下，高压模块自身可能无法提供足够的电压阻断。例如，转换器臂的链式电路的多个单元103可设计为所容忍的最大电压差等于DC端子处的直流电压的幅值，即VDC，并且高压模块可以提供在幅值上等于说是0.5VDC的用于电压阻断的电压。在这种情况下，高压模块在转换器臂关断状态下自身可能无法提供足够的电压阻断。可以想到，在AC端子处的电压通常从大致等于高侧直流电压+VDC的电平变化到大致等于低侧直流电压-VDC的电平，由此每个转换器臂将在某点经历2VDC的电压差。
因此，在一些实施例中，转换器臂可以包括至少两个高压模块202a和202b，如图8所示。在转换器关断状态下，组合在一起的高压模块能够提供足够的电压支持，但高压模块中的一者可单独用于在波形整形期间提供电压阶跃。例如，总地说来，两个高压模块能够提供在幅值上等于DC端子的电压(例如，VDC)的阻断电压。在一些实施例中，每个模块能够提供0.5VDC的电压阶跃，但是在一些实施例中，模块可以提供不同的电压比率。高压模块中的一个模块，例如模块202a，可如上所述地在转换器关断状态下用于电压阻断。换言之，可对模块202a进行控制，从而当转换器臂处于接通状态并导通时旁路模块的电容器，而当转换器臂处于关断状态时串联连接电容器。另一高压模块202b既可用于在重叠时段期间提供电压阶跃，又可在处于关断状态时用于电压阻断。
附加或备选地，附加的电压阻断支持可以通过例如图9所示的一个或多个臂开关元件来提供。图9示出了共用的高压模块501，其具有能够提供等于0.5VDC的电压阶跃的高压电容器206。此外，每个转换器臂包括具有至少0.5VDC的电压承受能力的至少一个臂开关元件901。该臂开关元件901或每个臂开关元件可包括一个或多个控制开关元件，例如IBGT等。在使用中，当相关的转换器臂处于接通状态并导通时，臂开关元件可控制为导通。在一些实施例中，在臂部处于如上所述的接通状态期间高压电容器206可控制为提供电压阶跃。在转换器臂的关断状态下，臂开关元件截止，相关的转换器臂的至少一个第一开关元件204也截止，而至少一个第二开关元件205导通，从而将高压电容器与相关的转换器臂的多个单元103串联连接。总体来说，高压电容器206和臂开关元件901为处于关断状态的转换器臂提供了电压阻断支持。
应当理解，臂开关元件可以是分离的且不同于高压模块501，并且例如可位于转换器臂的链式电路的多个单元103的相对侧。
当然，应当理解，在一些实施例中，由高压模块的高压电容器所提供的电压阶跃的值可具不同于0.5VDC的值。例如，如果转换器配置为在不同的重叠时段操作，那么高压模块所提供的电压阶跃的值可设计为匹配AC端子在重叠时段的起点上的电压值。因此，如果例如重叠时段比上述60°相位角的重叠要短，那么AC端子在重叠时段起点上的电压可能低于±0.5VDC，例如±0.3VDC。因此，转换器臂的高压模块可设置为提供幅值等于0.3VDC的电压阶跃。
然而，由高压模块所提供的电压阶跃的幅值可以不同于AC端子在重叠时段起点上的电压幅值。所提供的电压阶跃的幅值可以低于AC端子在重叠时段起点上的电压幅值，其中在这种情况下链式转换器的多个单元103仍然在重叠时段的起点上提供电压阶跃。例如，如果重叠时段是如下这种情况，即AC端子在重叠时段起点上的电压为±0.5VDC，但是由高压电容器所提供的电压阶跃为0.4VDC，那么当高压电容器被连接以提供0.4VDC的电压阶跃时，多个单元103经控制以提供更进一步的0.1VDC的电压阶跃。
在一些实施例中，所提供的电压阶跃幅值可以高于AC端子在重叠时段起点上的电压，在这种情况下，例如当AC端子处的电压幅值已经降低到该电压阶跃电平以下时，可仅在部分的重叠时段期间提供由高压模块所提供的电压阶跃。例如，如果重叠时段是如下这种情况，即重叠时段起点处的AC端子上的电压为±0.5VDC但是由高压电容器所提供的电压阶跃为0.6VDC，那么仅当DC端子与AC端子处的电压之间的差值具有等于或大于0.6VDC的幅值，才能对高压电容器进行连接以提供0.6VDC的电压阶跃。
应当指出，根据本发明实施例的转换器具有涉及到高侧高压模块的高压电容器和/或低侧高压模块的高压电容器的多种重叠模式。图10示出了当相位肢的两个转换器臂均导通时的各种可能的重叠模式。在模式1中，高压电容器同时串联连接在相位肢的高侧转换器臂和低侧转换器臂上。模式2和模式3分别对应于高压电容器仅串联在低侧转换器臂和高侧转换器臂中的一者上的情形。模式4示出了针对相位肢而对高侧高压电容器和低侧高压电容器进行旁路的模式。
因此，通过直流电流的循环，可以保持并控制高侧高压电容器和低侧高压电容器上的电压，或者使得一个电容器独立于另一电容器。这些循环路径，特别是模式1中的循环路径，还能实现在重叠时段期间交流电流的循环，以及对自然的6次谐波直流纹波电流的有源滤波，这对于AAC型转换器而言是已知的。
对循环电流的DC分量和AC分量的控制可通过与肢反应器作用相反的每个转换器臂中的多个单元103所获得的电压波形来实现，这对于AAC型转换器而言是已知的。因此，本领域的技术人员能容易地通过对针对AAC型转换器的转换器臂的多个单元103的控制来提供所需的直流和/或交流循环电流，从而保持和控制本发明实施例中的高压电容器上的电压。
如上所述，高压模块的高压电容器可配置为执行用于针对转换器臂而保持大致等于相关的DC端子电压的电压，即幅值为VDC的电压。如果在正常操作期间将高压电容器连接到高侧DC端子和低侧DC端子上时，会注意到未连接到DC端子的电容器端子彼此间将具有大致相同的电压。换言之，在高压电容的这些端子之间可能没有实质的直流应力。这意味着，在使用中这些高压电容器可以用作DC直流滤波器结构一部分。
图11示出了根据本发明实施例的包括了作为直流滤波器的一部分的高压电容器的转换器1100。本实施例的转换器1100类似于图6所示的转换器600，但它包括直流滤波器。在本实施例中，转换器在高侧和低侧同时具有高压模块501，每个高压模块都具有高压电容器206。如上所述，在正常操作中，每个高压模块501中的至少一个第三开关元件601导通，从而将高压电容器连接到DC端子(分别为DC+或DC-)。由于在使用中每个高压电容器206保持幅值大致等于VDC的电压，因此高压电容器206的端子1101a和1101b基本上没有直流电压应力。因此，在这些端子1101a和1101b之间连接一个或多个滤波器组件。
在一个实施例中，滤波器组件包括电感器1102和电阻1103，从而与高压电容器206一起来构成无源滤波器。该滤波器可例如被调谐来过滤特定的噪声分量，例如由转换器操作而自然产生的6次谐波直流线路电流。备选地，滤波器组件可以实现有源滤波器。例如，滤波器组件可包括多个全桥链式单元1104，其操作用于驱动所需的反相位交流电流以抵消直流线路中的任何交流电流。假定谐波电流是交流的，那么就没有高压电容器的净充电或净放电或者全桥链式链接。
应当指出，上述实施例是为了说明性目的而非限制本发明，并且在不脱离所附权利要求的范围本的情况下，领域技术人员将能够设计出许多备选实施例。词语“包括”并不排除那些未在权利要求中所列出的其他元件或步骤的存在，“一”或“该”并不排除多个，并且单个特征或其他单元可以实现权利要求中所记载的若干个单元的功能。权利要求中的任何附图标记不应解释为对其范围的限制。

Claims (16)

1.一种具有至少一个相位肢的电压源转换器，其中每个相位肢包括将AC端子连接到高侧DC端子的高侧转换器臂以及将所述AC端子连接到低侧DC端子的低侧转换器臂，其中至少一个转换器臂包括：
第一多个单元，所述第一多个单元中的每个单元均包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的能量存储元件；和
与所述第一多个单元串联连接的高压模块，所述高压模块包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的至少一个能量储存元件，
其中，所述高压模块的额定电压大于所述第一多个单元中的任何单元的电压。
2.根据权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述高压模块的额定电压为使用时连接到所述转换器臂的DC端子的电压幅值的至少一半。
3.根据权利要求1或2所述的电压源转换器，其中，所述高压模块包括至少一个第一开关元件，其用于选择性地提供对所述至少一个能量存储元件进行旁路的电路径，以及至少一个第二开关元件，其用于选择性地提供将所述至少一个能量存储元件串联连接在所述转换器臂中的电路径的。
4.根据权利要求3所述的电压源转换器，其中，所述至少一个第二开关元件包括至少一个不可控开关元件。
5.根据权利要求3或4所述的电压源转换器，其中，所述高压模块包括至少一个第三开关元件，其用于选择性地允许对所述至少一个能量存储元件进行旁路或连接以提供第一极性电压，以及至少一个第四开关元件，其用于选择性地允许对所述至少一个能量存储元件进行连接以提供与所述第一极性相反的第二极性电压的。
6.根据权利要求5所述的电压源转换器，包括故障控制器，其配置为对所述第三开关元件和第四开关元件进行控制，以使得在正常操作下所述至少一个第三开关元件导通而所述至少一个第四开关元件截止，以及还使得响应于对直流故障的检测让所述第三开关元件截止而所述至少一个第四开关元件导通。
7.根据上述权利要求中任一项所述的电压源转换器，其具有多个相位肢，在所述多个相位肢中每个转换器臂均包括单独的高压模块。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的电压源转换器，其具有多个相位肢，其中，高压模块连接到多个转换器臂上，以使得所述至少一个能量存储元件可串联连接到多于一个的转换器臂上。
9.根据上述权利要求中任一项所述的电压源转换器，其包括转换器控制器，其中，所述控制器配置为按包括臂接通状态和臂关断状态的顺序对所述转换器臂控制，其中在所述臂接通状态下对所述第一多个单元进行选择性地控制以提供电压波形整形，并且在所述臂关断状态下对所述高压模块进行控制从而将所述至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联连接。
10.根据权利要求9所述的电压源转换器，其中，所述转换器控制器配置为当所述转换器臂处于所述臂接通状态时对所述高压模块进行控制，从而旁路所述至少一个能量存储元件。
11.根据权利要求9所述的电压源转换器，其中，所述转换器控制器配置为对所述高压模块进行控制，从而在所述转换器臂处于所述臂接通状态中的一部分时段期间，使得所述至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联连接。
12.根据权利要求11所述的电压源转换器，其中，所述至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联连接的所述臂接通状态期间的时段对应于所述相位肢的两个转换器臂同时处于所述臂接通状态的时段。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的电压源转换器，还包括与所述高压模块串联的至少一个臂开关元件，其中所述转换器控制器配置为控制所述至少一个臂开关元件在转换器臂接通状态下导通，并且在转换器臂关断状态下截止。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的电压源转换器，其中，所述高压模块的额定电压大致等于使用时与所述转换器臂相连的DC端子的电压幅值。
15.根据权利要求14所述的电压源转换器，其中，相位肢的每个转换器臂包括高压模块，并且其中所述高侧转换器臂的高压模块中的所述至少一个能量存储元件的低侧端子经由至少一个滤波器组件连接到所述低侧转换器臂的高压模块的所述至少一个能量存储元件的高压侧端子上。
16.一种用于操作具有至少一个相位肢的电压源转换器的方法，其中，每个相位肢包括将AC端子连接到高侧DC端子的高侧转换器臂和将所述AC端子连接到低侧DC端子的低侧转换器臂，其中至少一个转换器臂包括：
第一多个单元，所述第一多个单元中的每个单元均包括能选择性地被串联连接在所述转换器臂中或被旁路的能量存储元件；所述方法包括：
在所述转换器臂的接通状态期间，选择性地切换所述第一多个单元的各单元以提供电压波形整形；并且
在所述转换器臂关断状态期间，将高压模块的至少一个能量存储元件与所述第一多个单元串联，其中所述高压模块的至少一个能量存储元件的电压大于所述第一多个单元的任何所述能量存储元件的电压。
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