CN105814788B - 电压源型变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电压源型变换器(10)包括：DC端子(12)，用于连接至DC电网(24)；·变换器臂(16)，操作性地连接至所述DC端子(12)，所述变换器臂(16)包括操作性地连接至AC端子(22)的至少一个臂部(18，20)，所述AC端子(22)能够连接至AC电网(26)，所述或每个臂部(18，20)包括阀，所述或每个阀包括至少一个模块(28)，所述或每个模块(28)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(28)中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存器件组合以选择性地提供电压源；·控制器(38)包括阀电压需求子控制器(44)，所述控制器(38)被配置为将零交流电流需求和直流电流需求提供给所述阀电压需求子控制器(44)，所述控制器(38)还被配置为将AC和DC输出电压需求提供给所述阀电压需求子控制器(44)，所述阀电压需求子控制器(44)被配置为处理所述交流电流需求和所述直流电流需求以及所述AC输出电压需求和所述DC输出电压需求，以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求；以及·切换控制单元(50)，被配置为控制所述或每个模块(28)中的所述或每个开关元件的切换，以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压，从而使得在所述AC与DC电网(26，24)之间传输电力。

Description

电压源型变换器
技术领域
本发明涉及一种电压源型变换器，以及控制电压源型变换器的方法。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电力通常被转换为经由架空线路和/或海底电缆进行传输的直流(DC)电力。此转换不需要补偿由传输线路或电缆导致的AC电容性负载的影响，并因此降低了线路和/或电缆的每公里成本，当需要长距离传输电力时，从AC到DC的转换因而变得具有成本效益。
AC电力到DC电力的变换还用于需要互连在不同频率下运行的AC电网的电力传输网络。在任何这样的电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器来实现所需的变换，并且一种此类形式的变换器是电压源型变换器(VSC)。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供一种电压源型变换器，包括：
DC端子，用于连接至DC电网；
变换器臂，操作性地连接至DC端子，所述变换器臂包括操作性地连接至AC端子的至少一个臂部，所述AC端子能够连接至AC电网，所述或每个臂部包括阀，所述或每个阀包括至少一个模块，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组合以选择性地提供电压源；
控制器包括阀电压需求子控制器，所述控制器被配置为将零交流电流需求和直流电流需求提供给阀电压需求子控制器，所述控制器还被配置为将AC输出电压需求和DC输出电压需求提供给阀电压需求子控制器，所述阀电压需求子控制器被配置为处理交流电流需求和直流电流需求以及AC输出电压需求和DC输出电压需求，以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求；以及
切换控制单元，被配置为控制所述或每个模块中的所述或每个开关元件的切换，以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压，从而使得在AC电网与DC电网之间传输电力。
在使用中，电压源型变换器可操作为通过所述或每个模块中的所述或每个开关元件的切换在AC电网与DC电网之间传输电力，以在电压源型变换器的操作周期上选择性地将所述或每个臂部操作为AC端子与DC端子之间的离散受控电压源。将臂部操作为对应的AC端子与DC端子之间的离散受控电压源使得能够进一步操作臂部以控制相应的端子处的电压的配置。例如，所述或每个模块中的所述或每个开关元件可以被切换为选择性地提供电压源来“推高”DC端子处的DC电压(将电压阶跃增加到在DC端子处的DC电压)和/或“拉低”DC端子处的DC电压(从DC端子处的DC电压减去电压阶跃)，从而控制AC端子处的AC电压的配置。根据用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求执行所述或每个模块中的所述或每个开关元件的切换。
为了电压源型变换器与AC和DC电网交换电力并因此使得在AC电网与DC电网之间传输电力，控制器和切换控制单元根据AC和DC输出电压需求以及交流和直流电流需求来控制电压源型变换器的操作。
在使用中，DC电网在预定义的额定DC电压内或者在达到预定义的额定DC电压时被操作，而AC电网在预定义的额定AC电压内或者在达到预定义的额定AC电压时被操作。用于电压源型变换器的AC和DC输出电压需求分别对应于AC电网的AC电压和DC电网的DC电压。
对于在电压源型变换器与AC电网之间传输电力的给定水平，由控制器提供的AC输出电压需求使得能够控制在电压源型变换器与AC电网之间流动的交流电流。控制器可以以各种方式被配置为使其能够提供AC输出电压需求。例如，控制器可包括被配置为提供AC输出电压需求的矢量控制块。
当在AC电网与DC电网之间传输电力时，AC和DC电力均通过所述或每个臂部中的至少一个模块的至少一个能量储存器件流动。这意味着，在产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求时，控制器必须考虑AC和DC输出电压需求以及交流和直流电流需求。然而，由于由控制器提供AC输出电压需求已经能够控制在电压源型变换器与AC电网之间流动的交流电流，因此，控制器必须被配置为将零交流电流需求提供给阀电压需求子控制器，以避免重复控制在电压源型变换器与AC电网之间流动的交流电流。否则，将非零交流电流需求提供给阀电压需求子控制器可能会干扰用于可靠地控制在电压源型变换器与AC电网之间流动的交流电流的控制器的操作。
用于将零交流电流需求提供给阀电压需求子控制器的控制器配置因此允许产生能够对在电压源型变换器与DC电网之间流动的直流电流进行调节的阀电压需求，并抑制电压源型变换器中不利的交流电流分量的流动，而不抑制用于可靠地控制在电压源型变换器与AC电网之间流动的交流电流的控制器的操作。此外，控制器的配置使得阀电压需求子控制器能够操作为无差拍控制，该无差拍控制对被配置为将需求提供给阀电压需求子控制器的控制器其它组件的带宽影响最小。这实现了用于控制电压源型变换器在AC电网与DC电网之间传输电力的更优化和可靠的控制器。
电压源型变换器的拓扑结构可以取决于相关电力应用的要求而变化。
例如，电压源型变换器可包括：
第一DC端子和第二DC端子，用于连接至DC电网；
变换器臂，在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，所述变换器臂包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述AC端子能够连接至AC电网。
电压源型变换器中的变换器臂的数量可以取决于AC电网的相的数量而变化。例如，电压源型变换器可包括多个变换器臂，每个变换器臂的AC端子能够连接至多相AC电网的相应的相。
直流电流需求可以以各种方式被限定为能够产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求，以满足电压源型变换器的不同操作要求，对其示例进行如下描述。
在操作电压源型变换器以在AC电网与DC电网之间传输电力期间，能量从AC和DC电网中的一个传输到AC和DC电网中的另一个。在操作电压源型变换器在AC电网与DC电网之间传输电力期间，从AC和DC电网中的一个传输到AC和DC电网中的另一个的能量通过所述或每个模块的所述或每个能量储存器件流动，所述或每个能量储存器件被控制为选择性地提供电压源。这种通过所述或每个模块的所述或每个能量储存器件的能量流动可能导致至少一个能量储存器件中的能量积累(或能量损失)，从而导致至少一个能量储存器件的能量水平偏离参考值。
此外，虽然电传感器可用于通过以电气测量的形式提供反馈来监测电压源型变换器的操作从而允许电压源型变换器的操作的任何必要调整，但每个电传感器的公差，无论多小都可能导致电气测量误差，进而可能使至少一个能量储存器件的能量水平随着时间推移而偏离参考值。
这种偏离是不利的，因为如果太少的能量被储存在给定的能量储存器件中，则相应模块能够产生的电压减少；而如果太多能量被储存在给定的能量储存器件，则可能出现过电压问题。前者需要增加电源以使受影响的能量储存器件的能量水平恢复到参考值，而后者需要增加一个或多个能量储存器件的额定电压以防止过电压问题，因此增加了电压源型变换器的整体尺寸、重量和成本。
在本发明的一些实施例中，当切换控制单元控制所述或每个模块中的所述或每个开关元件的切换以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，直流电流需求可以被限定为能够将至少一个能量储存器件的能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
可以通过如下步骤容易地对直流电流需求进行限定：观察至少一个能量储存器件的能量水平随着时间推移对预定义的能量水平或预定义的能量范围的偏离；以及增加或减少直流电流需求直到至少一个能量储存器件的能量水平恢复到预定义的能量水平或预定义的能量范围。例如，当电压源型变换器作为整流器操作且观察到至少一个能量储存器件的能量水平中的净增加时，提供给DC电网不足的能量，因此增加直流电流需求以使至少一个能量储存器件的能量水平中的净电荷恢复到零。类似地，例如，当电压源型变换器作为逆变器操作且观察到至少一个能量储存器件的能量水平中的净增加时，从DC电网吸取太多的能量，因此降低直流电流需求以使至少一个能量储存器件的能量水平中的净电荷恢复到零。如果有必要的话，这些步骤可以被重复几次。
在本发明的另一些实施例中，变换器臂包括多个臂部，当切换控制单元控制每个模块中的所述或每个开关元件的切换以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，直流电流需求可以被限定为能够对如下进行平衡：
一个臂部中的能量储存器件的能量水平和另一个臂部中的能量储存器件的能量水平；或者
一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平和另一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平。
可以通过如下步骤容易地对直流电流需求进行限定：观察一个臂部中的能量储存器件的能量水平与另一个臂部中的能量储存器件的能量水平之间的不平衡；或者一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平与另一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平；以及增加或减少直流电流需求直到恢复平衡。如果有必要的话，这些步骤可以被重复几次。
在本发明的又一些实施例中，变换器臂包括多个臂部，并且当切换控制单元控制每个模块中的所述或每个开关元件的切换以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，直流电流需求可以被限定为能够将多个臂部中的多个能量储存器件的能量水平之和或平均能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
可以通过如下步骤容易地对直流电流需求进行限定：观察多个臂部中的多个能量储存器件的能量水平之和或平均能量水平对预定义的能量水平或预定义的能量范围的偏离；以及增加或减少直流电流需求直到多个臂部中的多个能量储存器件的能量水平之和或平均能量水平恢复到预定义的能量水平或预定义的能量范围。如果有必要的话，这些步骤可以被重复几次。
以如上所述的任何方式限定直流电流需求允许对储存在给定的能量储存器件中的能量进行调节，从而避免了与至少一个能量储存器件的能量水平偏离参考值有关的上述问题。
此外，这种对储存在给定能量储存器件中的能量的调节允许任何特定的能量储存器件的电压保持在平均值，以简化控制并提高电压源型变换器的性能，该电压源型变换器使用平均值作为反馈来控制所述或每个阀的所述或每个模块的所述或每个开关元件的切换。
阀电压需求子控制器可以以各种方式被配置为能够产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求，以满足电压源型变换器的不同操作要求，对其示例进行如下描述。
在本发明的一些实施例中，电压源型变换器可包括电流测量装置，被配置为测量所述或每个臂部中的一或一相应的臂部电流，阀电压需求子控制器还被配置为处理所述或所述相应的臂部电流，以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求。
使用所述或所述相应的臂部电流作为反馈允许阀电压需求子控制器作用为反馈无差拍控制，从而通过电压源型变换器的操作增强对于在AC电网与DC电网之间传输电力的控制，同时对被配置为将需求提供给阀电压需求子控制器的控制器的其他组件的带宽影响最小。
在本发明的另一些实施例中，控制器可包括：
第一信号变换器，被配置为将所测量的一或一相应的所测量的臂部电流转换为交流电流项和直流电流项；
电流修改器，被配置为修改交流电流项以去除AC基波电流项，从而产生修改后的交流电流项；以及
第一信号比较块，被配置为将直流电流项与直流电流需求进行比较以及将修改后的交流电流项与零交流电流需求进行比较，以产生交流电流补偿信号和直流电流补偿信号，并且其中阀电压需求子控制器包括：
第二信号变换器，被配置为将交流电流补偿信号和直流电流补偿信号转换为AC电压项和DC电压项；
第二信号比较块，被配置为将DC电压项与DC输出电压需求进行比较以及将AC电压项与AC输出电压需求进行比较，以产生AC电压补偿信号和DC电压补偿信号；以及
第三信号变换器，被配置为将AC电压补偿信号和DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求。
电压源型变换器可包括多个AC端子，每个AC端子能够连接至多相AC电网的相应的相，并且这种电压源型变换器可以经由包括相互耦接的星形绕组和三角形绕组的星形-三角形变压器连接至AC电网。三角形绕组中缺少中性线可防止零相序交流电流分量进入中性线。这意味着，零相序交流电流分量受到由三角形绕组形成的闭合环路的限制，因此不能进入所连接的AC电网。然而，三角形绕组提供其中不受控制的零相序交流电流分量能够在不同的相之间循环的电流路径。
电流修改器还可以被配置为修改交流电流项，以产生修改后的交流电流项来限制在变换器臂内流动的循环电流。
电流修改器可包括被配置为修改交流电流项的至少一个滤波器。所述或每个滤波器可以是例如低通滤波器(以允许控制存在于电压源型变换器中的任何DC循环电流)或高通滤波器(以允许控制存在于电压源型变换器中的任何超谐波)。
第三信号变换器可以被配置为使用和差函数处理AC和DC电压补偿信号，以将AC和DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求。
以如上所述的任何方式的阀电压需求子控制器的配置提供了产生用于所述或每个阀的所述或所述相应的阀电压需求的可靠手段。
根据本发明的第二方案，提供一种控制电压源型变换器的方法，所述电压源型变换器包括用于连接至DC电网的DC端子，所述电压源型变换器还包括操作性地连接至所述DC端子的变换器臂，所述变换器臂包括操作性地连接至AC端子的至少一个臂部，所述AC端子能够连接至AC电网，所述或每个臂部包括阀，所述或每个阀包括至少一个模块，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组合以选择性地提供电压源，所述方法包括如下步骤：
(a)提供零交流电流需求和直流电流需求；
(b)提供AC输出电压需求和DC输出电压需求；
(c)处理交流电流需求和直流电流需求以及AC输出电压需求和DC输出电压需求，以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求；
(d)切换所述或每个模块中的所述或每个开关元件，以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压，从而使得在AC电网与DC电网之间传输电力。
提供AC和DC输出电压需求的步骤可包括使用例如矢量控制来提供AC输出电压需求的子步骤。
如前所述，电压源型变换器的拓扑结构可以取决于相关电力应用的要求而变化。
提供零交流电流需求和直流电流需求的步骤可包括提供直流电流需求的子步骤，当所述或每个模块中的所述或每个开关元件被切换以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，直流电流需求被限定为能够将至少一个能量储存器件的能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
当变换器臂包括多个臂部时，提供零交流电流需求和直流电流需求的步骤可包括提供直流电流需求的子步骤，当每个模块中的所述或每个开关元件被切换以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，直流电流需求被限定为能够对如下进行平衡：
一个臂部中的能量储存器件的能量水平和另一个臂部中的能量储存器件的能量水平；或者
一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平和另一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平。
当变换器臂包括多个臂部时，提供零交流电流需求和直流电流需求的步骤可包括提供直流电流需求的子步骤，当每个模块中的所述或每个开关元件被切换以根据所述或所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，直流电流需求被限定为能够将多个臂部中的多个能量储存器件的能量水平之和或平均能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
处理交流和直流电流需求以及AC和DC输出电压需求以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求的步骤还可包括测量所述或每个臂部中的一或一相应的臂部电流；以及处理所述或所述相应的臂部电流以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求的子步骤。
处理交流和直流电流需求以及AC和DC输出电压需求以产生用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求的步骤还可包括如下子步骤：
(a)测量所述或每个臂部中的一或一相应的臂部电流；
(b)将所述或所测量的臂部电流转换为交流电流项和直流电流项；
(c)修改交流电流项以去除AC基波电流项，从而产生修改后的交流电流项；
(d)将直流电流项与直流电流需求进行比较以及将修改后的交流电流项与零交流电流需求进行比较，以产生交流电流补偿信号和直流电流补偿信号；
(e)将交流电流补偿信号和直流电流补偿信号转换为AC电压项和DC电压项；
(f)将DC电压项与DC输出电压需求进行比较以及将AC电压项与AC输出电压需求进行比较，以产生AC电压补偿信号和DC电压补偿信号；
(g)将AC电压补偿信号和DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求。
修改交流电流项以去除AC基波电流项从而产生修改后的交流电流项的步骤可包括修改交流电流项以去除至少一个AC零相序电流项从而产生修改后的交流电流项的子步骤。
修改交流电流项以去除AC基波电流项从而产生修改后的交流电流项的步骤可包括使用滤波修改交流电流项的子步骤。这样的滤波可以是例如高通滤波和/或低通滤波。
将AC和DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求的步骤可包括处理AC和DC电压补偿信号和差函数以将AC和DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一或一相应的阀电压需求的子步骤。
附图说明
现将参照附图，通过非限制性示例的方式来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1a以示意图的形式示出根据本发明的实施例的电压源型变换器；
图1b以示意图的形式示出图1a的电压源型变换器的模块；
图2以示意图的形式示出图1a的电压源型变换器的控制器的布局；
图3以示意图的形式示出在其操作以在AC电网与DC电网之间传输电力期间图1的电压源型变换器的变换器臂中的电压和电流；
图4以示意图的形式示出形成图2的控制器的一部分的阀电压需求子控制器的布局；以及
图5到图10示出图1a的电压源型变换器的操作的模型的结果。
具体实施方式
图1a示出根据本发明的实施例的电压源型变换器10。
电压源型变换器10包括第一DC端子12和第二DC端子14，以及三个变换器臂16。每个变换器臂16在第一DC端子12与第二DC端子14之间延伸。每个变换器臂16包括由相应的AC端子22分隔开的第一臂部18和第二臂部20。
在使用中，第一DC端子12和第二DC端子14分别连接至DC电网24的正极和负极，而每个AC端子22连接至三相AC电网26的相应的相。更具体地，在后一种情况下，电压源型变换器10的AC端子22经由包括相互耦接的星形连接绕组和三角形连接绕组的星形-三角形变压器连接至AC电网26。每个AC端子26连接至三角形连接绕组的相应的角，因此星形-三角形变压器对于每个AC端子22呈现出相应的串联电抗(其表现为图1a中的电感器36)。
每个臂部18、20包括与臂电感器30串联连接的多个串联连接的模块28。每个模块28包括一对有源开关元件32和以电容器34的形式的能量储存器件。所述一对有源开关元件32以半桥布置与电容器34并联连接，如图1b所示。
每个有源开关元件32构成绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，其以二极管的形式与反向并联无源电流逆止元件并联连接。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个有源开关元件可以由多个有源开关元件(例如多个串联连接的有源开关元件)来替代。还可以设想，在本发明的其它实施例中，每个IGBT可以由其它类型的有源开关元件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管、栅极可关断晶闸管或集成门极换向晶闸管)来替代。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个第一开关块的每个无源电流逆止元件可以由多个无源电流逆止元件(例如多个串联连接的无源电流逆止元件)来替代。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个电容器34可以由能够储存和释放能量的另一种类型的能量储存器件(例如燃料电池或蓄电池)来替代。
在每个臂部18、20中，多个串联连接的模块28限定阀，并且对每个阀中的每个模块28的操作进行如下描述。
模块28的电容器34通过改变IGBT的状态被选择性地旁路或插入到阀中。这选择性地引导电流通过电容器34或使得电流旁路电容器34，从而模块28提供零电压或正电压。
当IGBT被配置为形成旁路电容器34的短路时，模块28的电容器34被旁路。这使得阀中的电流通过短路且旁路电容器34，因此模块28提供零电压，即模块28被配置为旁路模式。
当IGBT被配置为允许阀中的电流流入和流出电容器34时，模块28的电容器34被插入到阀中。然后，电容器34对其储存的能量进行充电或放电，以提供非零电压，即模块28被配置为非旁路模式。
用这种方式，IGBT以半桥布置与电容器34并联连接，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28，因此每个模块28能够选择性地提供电压源。
在本发明的其它实施例中，可以设想，每个模块可以由包括至少一个开关元件和至少一个能量储存器件的另一种类型的模块来替代，由此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组合以选择性地提供电压源。
通过将每个提供其自身电压的多个模块28的电容器34插入到阀中，能够在阀两端建立组合电压，该组合电压高于从每个其单个模块28可获得的电压。用这种方式，每个模块28中的IGBT的切换使得阀提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似以在阀两端产生电压波形。因此，每个阀能够提供大范围的复合电压波形。
电压源型变换器10还包括控制器38，以及被配置为控制每个臂部18、20的每个模块28中的开关元件32的切换的切换控制单元50。更具体地，控制器38被配置为产生用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB，并且切换控制单元50根据用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB控制每个臂部18、20的每个模块28中的开关元件32的切换。
在使用中，电压源型变换器10可操作为通过每个模块28中的开关元件32的切换在AC电网26与DC电网24之间传输电力，以在电压源型变换器10的操作周期上选择性地将每个臂部18、20操作为AC端子22与DC端子12、14之间的相应的离散受控电压源。将臂部操作为对应的AC端子22与DC端子12、14之间的离散受控电压源使得能够进一步操作臂部18、20以控制相应的端子22、12、14处的电压的配置。例如，每个模块28中的开关元件32可以被切换为选择性地提供电压源来“拉低”(从相应的DC端子12、14处的DC电压减去电压阶跃)相应的DC端子12、14处的DC电压，从而控制AC端子22处的AC电压的配置。根据用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB执行每个臂部18、20的每个模块28中的开关元件32的这种切换。
为了电压源型变换器10与AC电网26和DC电网24交换电力并因此使得在AC电网26与DC电网24之间传输电力，控制器38和切换控制单元50根据AC和DC输出电压需求以及交流和直流电流需求来控制电压源型变换器10的操作。
在使用中，DC电网24在预定义的额定DC电压Vdc内或者在达到预定义的额定DC电压Vdc时运行，而AC电网26在预定义的额定AC电压Vac内或者在达到预定义的额定AC电压Vac时运行。用于电压源型变换器10的AC和DC输出电压需求分别对应于AC电网26的AC电压和DC电网24的DC电压。
当在AC电网26与DC电网24之间传输电力时，AC和DC电力均通过所述或每个臂部18、20中的至少一个模块28的至少一个电容器34流动。这意味着，在产生用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB时，控制器38必须考虑AC和DC输出电压需求以及交流和直流电流需求。
图2以示意图的形式示出控制器38的布局。参照图3和图4对控制器38的配置进行如下描述。
图3以示意图的形式示出在其操作以在AC电网26与DC电网24之间传输电力期间图1的电压源型变换器10的变换器臂16中的电压和电流。图4以示意图的形式示出阀电压需求子控制器的结构。
控制器38包括DC外环控制块40、功率均衡控制块42、多个阀电压需求子控制器44、矢量控制块46和电容器平衡控制块48。多个阀电压需求子控制器44中的每一个与多个阀中的相应的一个阀相关。为了简洁的目的，图2仅示出多个阀电压需求子控制器44中的一个。
图2还以示意图的形式示出表示将臂部电流IT、IB与交流电流Iac和直流电流Idc结合的和差控制块，由此交流电流Iac在变换器臂16的AC端子22处流动，而直流电流Idc在变换器臂16的第一DC端子12和第二DC端子14处流动。
控制器38被配置为将电力需求以及AC和DC输出电压需求提供给DC外环控制块40。DC外环控制块40被配置为接收所测量的DC电网24的直流电流Idc以及所测量的DC电网24的DC电压Vdc。
DC外环控制块40调节电压源型变换器10的DC功率流(或者调节第一DC端子12和第二DC端子14两端的DC电压Vdc)，并将信息提供给功率均衡控制块42，由此信息包括电力需求、AC和DC输出电压需求、直流电流需求、所测量的DC电网24的直流电流Idc和DC电压Vdc。
功率均衡控制块42基于AC和DC输出电压需求以及基于在电压源型变换器10与AC电网26之间交换的AC电力以及在电压源型变换器10与DC电网24之间交换的DC电力的平衡产生直流电流需求。功率均衡控制块42衡量从DC外环控制块40接收到的直流电流需求，以创建均衡交流电流需求。如果需求过大的功率，则功率均衡控制块42被配置为限制交流和直流电流需求。
控制器38还包括交流电流信号比较块52和直流电流信号比较块54。
交流电流信号比较块52(其在所示的实施例中被描绘为求差点)将(如功率均衡控制块所提供的)交流电流需求与所测量的在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac进行比较，以产生修改后的交流电流需求，其随后被提供给矢量控制块46。
直流电流信号比较块54(其在所示的实施例中被描绘为求和点)基于来自电容器平衡控制块48的电容器平衡补偿信号修改(如功率均衡控制块所提供的)直流电流需求，且直流电流需求随后被提供给阀电压需求子控制器44。稍后在专利说明书中对基于电容器平衡补偿信号修改直流电流需求的各种方式进行描述。
矢量控制块46被配置为处理修改后的交流电流需求以提供AC输出电压需求。矢量控制块46还被配置为将AC输出电压需求提供给阀电压需求子控制器44。
对于在电压源型变换器10与AC电网26之间传输电力的给定水平，由矢量控制块46提供的AC输出电压需求能够控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac。更具体地，矢量控制块46通过操纵AC电压相位和幅度来控制交流电流Iac。因此，矢量控制块46调节电压源型变换器10的AC功率流。
由于由矢量控制块46提供的AC输出电压需求已经能够控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac，因此，控制器38被配置为将零交流电流需求提供给阀电压需求子控制器44，以避免重复控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac，这是因为如前所述，矢量控制块46已经对交流电流Iac进行控制。否则，将非零交流电流需求提供给阀电压需求子控制器44可能会干扰用于可靠地控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流的矢量控制块46的操作。
控制器38还包括第一信号变换器56、电流修改器58和第一信号比较块60，如图4所示。
阀电压需求子控制器44包括第二信号变换器62、第二信号比较块64和第三信号变换器66，仍如图4所示。
电压源型变换器10包括电流测量装置(未示出)，被配置为测量第一臂部18和第二臂部20的每一个中的相应的臂部电流IT、IB。
第一信号变换器56被配置为将每个所测量的臂部电流IT、IB转换为交流电流项和直流电流项。更具体地，在所示的实施例中，将每个所测量的臂部电流IT、IB转换为交流电流项和直流电流项包括用下面的矩阵乘以所测量的臂部电流IT、IB：
电流修改器58被配置为使用滤波器修改交流电流项以去除AC基波电流项，从而产生修改后的交流电流项，而直流电流项不被电流修改器修改。在所示的实施例中，滤波器是低通滤波器。可以设想，在本发明的其它实施例中，滤波器可以由高通滤波器或低通滤波器和高通滤波器的组合来替代。
第一信号比较块60(其在所示的实施例中被描绘为求差点)被配置为将直流电流项与(如提供给阀电压需求子控制器44的)直流电流需求进行比较以及将修改后的交流电流项与零交流电流需求进行比较，以产生交流和直流电流补偿信号。由于使用了零交流电流需求，有必要从交流电流项中去除AC基波电流项，以避免重复控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac。
第二信号变换器62被配置为将交流和直流电流补偿信号转换为AC和DC电压项。更具体地，在所示的实施例中，将交流和直流电流补偿信号转换为AC和DC电压项包括用下面的矩阵乘以交流和直流电流补偿信号：
其中LL是每个臂部18、20中的阀的电抗值，LT是对应的串联电抗36的值，以及T是用于控制变换器臂16的采样周期。
第二信号比较块64(其在所示的实施例中被描绘为求差点)被配置为将DC电压项与(如提供给阀电压需求子控制器44的)DC输出电压需求进行比较以及将AC电压项与(如提供给阀电压需求子控制器44的)AC输出电压需求进行比较，以产生AC和DC电压补偿信号。
第三信号变换器66被配置为使用和差函数处理AC和DC电压补偿信号，以将AC和DC电压补偿信号转换为用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB。更具体地，在所示的实施例中，使用和差函数处理AC和DC电压补偿信号包括用下面的矩阵乘以AC和DC电压补偿信号：
用这种方式，阀电压需求子控制器44被配置为产生用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB。
使用相应的臂部电流IT、IB作为反馈允许阀电压需求子控制器44作用为反馈无差拍控制，从而通过电压源型变换器10的操作增强对于在AC电网22与DC电网24之间传输电力的控制，同时对被配置为将需求提供给阀电压需求子控制器的控制器38的其它级联组件40、42、46、48的带宽影响最小。
将用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB提供给切换控制单元50。切换控制单元50被配置为从电压源型变换器10接收关于每个阀中的多个电容器34的电压等级的信息120。切换控制单元50以固定的间隔按每个模块28的电容器34的电压等级对接收到的信息120进行排序。然后，切换控制单元50选择需要处于非旁路模式的模块28，以便能够产生满足阀电压需求VT、VB的阀两端电压。
优选地，切换控制单元50被配置为选择需要处于非旁路模式的模块28，以能够对每个阀中的多个模块28的电容器34的能量水平进行平衡。在这种情况下，切换控制单元50选择具有最大电压等级的模块28使其处于导致电容器放电的电流流动方向的非旁路模式，以及选择具有最小电压等级的模块28，使其处于导致电容器充电的电流流动方向的非旁路模式。
此后，切换控制单元50产生用于每个模块28的状态需求100，由此每个状态需求100对应于相应模块28能够在阀两端产生电压以满足阀电压需求VT、VB的开关状态。每个模块28的可能的开关状态可以是旁路模式(如前所述)或者非旁路模式(如前所述)。
关于每个臂部18、20，切换控制单元50被配置为控制每个模块28的开关元件32的切换，以符合相应的状态需求100并因此满足相应的阀电压需求VT、VB。更具体地，如图1a和图1b所示，切换控制单元50将相应的状态需求100提供给与每个模块28相关联的局部模块电子器件138。然后，每个模块28的局部模块电子器件138根据相应的状态需求100(并因此根据用于每个阀的相应的阀电压需求VT、VB)控制每个臂部18、20的相应模块28中的开关元件32的切换，从而使得在AC电网26与DC电网24之间传输电力。
图2的控制器38的配置因此允许产生阀电压需求VT、VB，其能够对在电压源型变换器10与DC电网24之间流动的直流电流Idc进行调节，而不会抑制用于可靠地控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac的矢量控制块46的操作。此外，控制器38的配置使得阀电压需求子控制器44能够操作为无差拍控制，该无差拍控制对被配置为将需求提供给阀电压子控制器44的控制器38的其它级联组件40、42、46、48的带宽影响最小。这实现了用于控制电压源型变换器10在AC电网26与DC电网24之间传输电力的更优化和更可靠的控制器38。
在操作电压源型变换器10以在AC电网26与DC电网24之间传输电力期间，能量从AC电网26和DC电网24中的一个传输到AC电网26和DC电网24中的另一个。在AC电网26与DC电网24之间传输电力期间，从AC电网26和DC电网24中的一个传输到AC电网26和DC电网24中的另一个的能量通过每个模块28的电容器34流动，每个模块28被控制为在操作电压源型变换器10以选择性地提供电压源。这种通过每个模块28的电容器34的能量流动可能导致至少一个电容器34中的能量积累(或能量损失)，从而导致至少一个电容器34的能量水平偏离参考值。
这种偏离是不利的，因为如果太少的能量被储存在给定的电容器34中，则对应的模块28能够产生的电压减少；而如果太多的能量被储存在给定的电容器34中，则可能出现过电压问题。前者需要增加电源以使受影响的电容器34的能量水平恢复到参考值，而后者需要增加一个或多个电容器34的额定电压以防止过电压问题，因此增加了电压源型变换器10的整体尺寸、重量和成本。
电容器平衡控制块48被配置为从切换控制单元50接收每个臂部18、20中的多个电容器34的平均电压等级68；以及处理接收到的平均电压等级68以产生电容器平衡补偿信号。该电容器平衡补偿信号可以以各种方式被配置为能够修改来自功率均衡控制块的直流电流需求，使得对提供给阀电压需求子控制器44的直流电流需求进行如下限定。
当切换控制单元50控制每个模块28中的开关元件32的切换以根据相应的阀电压需求VT、VB在每个阀两端产生电压时，提供给阀电压需求子控制器44的直流电流需求可以被限定为能够将至少一个电容器34的能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
可选地，提供给阀电压需求子控制器44的直流电流需求可以通过将交流电流需求引入到由功率均衡块42提供的直流电流需求中来限定，以使AC循环电流注入到电压源型变换器10的DC侧，从而可以改变在注入的交流电流与AC端子22处的AC电压之间的相位关系。例如，注入的AC循环电流可以与AC端子22处的AC电压同相或反相。这使得当切换控制单元50控制每个模块28中的开关元件32的切换以根据相应的阀电压需求VT、VB在每个阀两端产生电压时能够对第一臂部18中的多个电容器34的平均能量水平和第二臂部20中的多个电容器34的平均能量水平进行平衡。用这种方式，可以对第一臂部18中的多个电容器34的平均能量水平和第二臂部20中的多个电容器34的平均能量水平进行均衡。
进一步可选地，提供给阀电压需求子控制器44的直流电流需求可以通过将补偿电流需求插入到来自功率均衡控制块42的直流电流需求中来限定。这使得当切换控制单元50控制每个模块28中的开关元件32的切换以根据相应的阀电压需求VT、VB在每个阀两端产生电压时能够将第一臂部18和第二臂部20中的多个电容器34的平均能量水平之和维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。用这种方式，第一臂部18和第二臂部20中的多个电容器34的平均能量水平可以被设定为等于期望的操作点。
以如上所述的任何方式限定提供给阀电压需求子控制器44的直流电流需求允许对储存在给定电容器34中的能量进行调节，从而避免了与至少一个电容器34的能量水平偏离参考值有关的上述问题。
此外，这种对储存在给定电容器34中的能量的调节允许任何特定的电容器34的电压保持在平均值，以能够使用平均值作为反馈来控制每个模块28的开关元件32的切换，从而简化控制并提高电压源型变换器10的性能。
图2的控制器38的配置因此实现了用于在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内调节电压源型变换器10的至少一个电容器34的能量水平的更优化和可靠的控制器38。
在图1a中，电压源型变换器10经由包括相互耦接的星形连接绕组和三角形连接绕组的星形-三角形变压器连接至AC电网26。三角形连接绕组防止零相序DC和交流电流分量传递到星形连接绕组。这意味着，零相序交流电流分量受到由三角形绕组形成的闭合环路的限制，因此不能进入所连接的AC电网26。然而，三角形连接绕组提供其中不受控制的零相序交流电流分量能够在不同的相之间(并因此在不同的变换器臂16内)循环的电流路径。
为了限制不受控制的电流在不同的变换器臂16内的循环，电流修改器58被配置为使用滤波器来修改交流电流项以去除AC基波电流项，从而产生修改后的AC项。这允许产生能够对在电压源型变换器10的变换器臂16内的不利的电流的循环进行限制并调节在电压源型变换器10与DC电网24之间流动的直流电流Idc的阀电压需求VT、VB，而不抑制用于可靠地控制在电压源型变换器10与AC电网26之间流动的交流电流Iac的矢量控制块38的操作。
执行图1a的电压源型变换器10的操作的模型以示出公差对用于测量每个臂部18、20中的相应的臂部电流IT、IB的电流传感器的影响，以及示出单相故障对电压源型变换器10的操作的影响。
模型包括测量连接至电压源型变换器10的AC端子22的变压器的次级绕组的电压和电流。模型还包括被添加进来以去除电源频率(power frequency)信号的陷波滤波器以及用于去除任何残留的高频噪声的二阶低通滤波器。对于每个测试，模型在满功率下运行3秒以允许作为模型的电压源型变换器稳定下来，并将模型的最后一秒的结果呈现在图5到图10的每一个中。
图5到图8示出当由图2的控制器38控制时图1a的电压源型变换器10的操作的模型的结果。图9和图10示出当由常规控制器控制时图1a的电压源型变换器10的操作的模型的结果。为了说明的目的，从图5到图10中去除基波电压和电流值，因此，图5到图10示出三次谐波电压和直流电流值。
对于图5和图6中示出的每个测试：
第一电流传感器具有+0.5％的公差且与连接至AC电网26的第一相(A相)的第一臂部18相关联；
第二电流传感器具有-0.5％的公差且与连接至AC电网26的第二相(B相)的第一臂部18相关联；
第三电流传感器具有0％的公差且与连接至AC电网26的第三相(C相)的第一臂部18相关联；
第四电流传感器具有-0.5％的公差且与连接至第一相(A相)的第二臂部20相关联；
第五电流传感器具有+0.5％的公差且与连接至第二相(B相)的第二臂部20相关联；
第六传感器具有0％的公差且与连接至第三相(C相)的第二臂部20相关联。
从图5可以看出，当电压源型变换器10由图2的控制器38控制时，不同相之间的电压的明显差异产生在A相与B相之间流动的对应的直流电流，因此，直流电流仅限于5A的最大幅度。另一方面，从图6可以看出，当电压源型变换器10由常规控制器控制时，不同相的电压在标称值上是相同的，但直流电流不限于5A并将继续上升直到变压器饱和。
对于图7到图10中示出的每个测试，单相故障被施加0.3秒和0.9秒。每个单相故障的施加导致次级绕组中的直流电流显著增加。从图7和图8可以看出，当电压源型变换器10由图2的控制器38控制时，直流电流在每个单相故障施加之前返回到其初始值。另一方面，从图8和图9可以看出，当电压源型变换器10由常规控制器控制时，直流电流未在每个单相故障施加之前返回到其初始值。
因此，从图5到图10可以看出，用于将零交流电流需求提供给阀电压需求子控制器44的控制器38的配置使得在电压源型变换器10与变压器之间的电流路径中的任何不期望的和有潜在危害的直流电流被限制为零或安全限值，从而提高了电压源型变换器10的可靠性。
可以设想，在本发明的其它实施例中，电压源型变换器的拓扑结构可以取决于相关电力应用的要求而变化。
还可以设想，在本发明的其它实施例中，电压源型变换器中的变换器臂的数量(即一个或多个)可以取决于AC电网的相的数量而变化。
还可以设想，在本发明的其它实施例中，每个模块可以被配置为能够切换每个模块中的所述或每个开关元件，以选择性地提供电压源来“推高”(将电压阶跃增加到)相应的DC端子处的DC电压，从而控制AC端子处的AC电压的配置，此外或者替代地，切换每个模块中的所述或每个开关元件以选择性地提供电压源来“拉低”相应的DC端子处的DC电压(从相应的DC端子处的DC电压减去电压阶跃)，从而控制AC端子处的AC电压的配置。

Claims (12)

1.一种电压源型变换器，包括：
至少一个DC端子，用于连接至DC电网；
AC端子，用于连接至AC电网；
变换器臂，操作性地连接至所述至少一个DC端子，所述变换器臂包括操作性地连接至AC端子的至少一个臂部，所述或每个臂部包括阀，所述或每个阀包括至少一个模块，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组合以选择性地提供电压源；
控制器，包括阀电压需求子控制器，所述控制器被配置为将零交流电流需求和直流电流需求提供给所述阀电压需求子控制器，所述控制器还被配置为将AC输出电压需求和DC输出电压需求提供给所述阀电压需求子控制器，其中所述控制器还包括：
第一信号变换器，被配置为将一相应的所测量的臂部电流转换为交流电流项和直流电流项；
电流修改器，被配置为修改所述交流电流项以去除AC基波电流项，从而产生修改后的交流电流项；以及
第一信号比较块，被配置为将所述直流电流项与所述直流电流需求进行比较以及将所述修改后的交流电流项与所述零交流电流需求进行比较，以产生交流电流补偿信号和直流电流补偿信号，并且
其中所述阀电压需求子控制器包括：
第二信号变换器，被配置为将所述交流电流补偿信号和所述直流电流补偿信号转换为AC电压项和DC电压项；
第二信号比较块，被配置为将所述DC电压项与所述DC输出电压需求进行比较以及将所述AC电压项与所述AC输出电压需求进行比较，以产生AC电压补偿信号和DC电压补偿信号；以及
第三信号变换器，被配置为将所述AC电压补偿信号和所述DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一相应的阀电压需求；以及
切换控制单元，被配置为控制所述或每个模块中的所述或每个开关元件的切换，以根据所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压，从而使得在所述AC电网与所述DC电网之间传输电力。
2.根据权利要求1所述的电压源型变换器，其中所述控制器包括被配置为提供所述AC输出电压需求的矢量控制块。
3.根据权利要求1所述的电压源型变换器，其中：
所述至少一个DC端子包括第一DC端子和第二DC端子，
变换器臂，在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间延伸，所述变换器臂包括由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部。
4.根据权利要求1-3之一所述的电压源型变换器，其中当所述切换控制单元控制所述或每个模块中的所述或每个开关元件的切换以根据所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，所述直流电流需求被限定为能够将至少一个能量储存器件的能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
5.根据权利要求1-3之一所述的电压源型变换器，其中所述变换器臂包括多个臂部，并且当所述切换控制单元控制每个模块中的所述或每个开关元件的切换以根据所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，所述直流电流需求被限定为能够对以下能量水平进行平衡：
一个臂部中的能量储存器件的能量水平和另一个臂部中的能量储存器件的能量水平；或者
一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平和另一个臂部中的多个能量储存器件的平均能量水平。
6.根据权利要求1-3之一所述的电压源型变换器，其中所述变换器臂包括多个臂部，并且当所述切换控制单元控制每个模块中的所述或每个开关元件的切换以根据所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压时，所述直流电流需求被限定为能够将多个臂部中的多个能量储存器件的能量水平之和或平均能量水平维持在预定义的能量水平或者预定义的能量范围内。
7.根据权利要求1-3之一所述的电压源型变换器，其中所述电压源型变换器包括被配置为测量所述或每个臂部中的一相应的臂部电流的电流测量装置，所述阀电压需求子控制器还被配置为处理所述相应的臂部电流，以产生用于所述或每个阀的一相应的阀电压需求。
8.根据权利要求1所述的电压源型变换器，其中所述电流修改器被配置为修改所述交流电流项，以产生修改后的交流电流项来限制在所述变换器臂内流动的循环电流。
9.根据权利要求1或8所述的电压源型变换器，其中所述电流修改器包括被配置为修改所述交流电流项的至少一个滤波器。
10.根据权利要求9所述的电压源型变换器，其中所述或每个滤波器是低通滤波器或高通滤波器。
11.根据权利要求1或8所述的电压源型变换器，其中所述第三信号变换器被配置为使用和差函数处理所述AC电压补偿信号和所述DC电压补偿信号，以将AC电压补偿信号和DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一相应的阀电压需求。
12.一种控制电压源型变换器的方法，所述电压源型变换器包括用于连接至DC电网的至少一个DC端子，所述电压源型变换器还包括操作性地连接至所述至少一个DC端子的变换器臂，使所述变换器臂包括操作性地连接至AC端子的至少一个臂部，所述AC端子能够连接至AC电网，所述或每个臂部包括阀，所述或每个阀包括至少一个模块，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组合以选择性地提供电压源，所述方法包括如下步骤：
提供零交流电流需求和直流电流需求；
提供AC输出电压需求和DC输出电压需求；
将一相应的所测量的臂部电流转换为交流电流项和直流电流项；
修改所述交流电流项以去除AC基波电流项，从而产生修改后的交流电流项；
将所述直流电流项与所述直流电流需求进行比较以及将所述修改后的交流电流项与所述零交流电流需求进行比较，以产生交流电流补偿信号和直流电流补偿信号；
将所述交流电流补偿信号和所述直流电流补偿信号转换为AC电压项和DC电压项；
将所述DC电压项与所述DC输出电压需求进行比较以及将所述AC电压项与所述AC输出电压需求进行比较，以产生AC电压补偿信号和DC电压补偿信号；
将所述AC电压补偿信号和所述DC电压补偿信号转换为用于所述或每个阀的一相应的阀电压需求；
切换所述或每个模块中的所述或每个开关元件，以根据所述相应的阀电压需求产生所述或每个阀两端的电压，从而使得在所述AC电网与所述DC电网之间传输电力。
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