CN105874691B - 电压源变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电压源变换器(10)，包括用于连接至DC电网(42)的第一和第二DC端子(12、14)，以及连接在DC端子(12、14)之间的至少一个分支(16)。分支(16)包括：具有多个开关元件(54)的相元件(18)；与相元件(18)串联连接的三次子变换器(32)，其被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给相元件(18)的DC侧的第一DC电压；四次子变换器(36)，与三次子变换器(32)顺次连接，其被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给DC电网(42)的第二DC电压；以及辅助子变换器(38)，连接至三次与四次子变换器(32、36)之间的共同连接点以形成“T”布置，其能够控制以用作波形合成器，从而修改第一和第二DC电压。

Description

电压源变换器
技术领域
本发明涉及一种电压源变换器。
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。一种此类形式的变换器是电压源变换器(VSC)。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种电压源变换器，包括用于连接至DC电网的第一DC端子和第二DC端子，以及连接在所述第一DC端子与第二DC端子之间的至少一个分支，所述分支包括：
相元件，具有多个开关元件以及用于连接至AC电网的至少一个AC端子，所述多个开关元件被配置为能够控制以促进所述AC电网与DC电网之间的电力变换；
三次子变换器，在电气块中与所述相元件串联连接，所述三次子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给所述相元件的DC侧的第一DC电压；
四次子变换器，与所述三次子变换器串联连接，所述四次子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给所述DC电网的第二DC电压；以及
辅助子变换器，与所述电气块并联连接且连接至所述三次子变换器与四次子变换器之间的共同连接点以形成“T”布置，所述辅助子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改所述第一DC电压和第二DC电压。
本发明相对于省略四次子变换器并且其中三次子变换器在电气块中与相元件串联连接，以及辅助子变换器与电气块并联连接的布置具有优势。
在由辅助子变换器形成的“T”布置的相对侧上布置三次子变换器和四次子变换器允许原本由三次子变换器独自提供的功能分别由两个单独的子变换器(三次子变换器和四次子变换器)提供。
这允许三次子变换器和四次子变换器中的每个被单独地设计，使得它们能够比其中三次子变换器和四次子变换器被合并在单个子变换器的变换器布置更好地满足特定VSC应用的要求。
由此，创建的两个自由度也使得能够单独地管理三次子变换器和四次子变换器中的能量，而不会彼此干扰。
在本发明实施例中，电压源变换器可以包括在第一DC端子与第二DC端子之间串联连接的三个分支，每个分支的相元件的所述或每个AC端子被连接至多相AC电网的相应的相。
在这样的实施例中，每个分支中包括四次子变换器允许在每个相内保留四次子变换器的功能。
在本发明的其它实施例中，所述至少一个分支的所述相元件可以包括用于连接至多相AC电网的相应的相的至少一个AC端子，并且所述电压源变换器还包括与所述第一DC端子与第二DC端子之间的所述至少一个分支串联连接的至少两个额外的分支，每个额外的分支包括：
额外的相元件，具有多个开关元件以及用于连接至多相AC电网的相应的相的至少一个AC端子，所述多个开关元件被配置为能够控制以促进所述AC电网与DC电网之间的电力变换；
额外的三次子变换器，与额外的电气块中的所述额外的相元件串联连接，所述额外的三次子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给所述额外的相元件的DC侧的第一DC电压；以及
额外的辅助子变换器，与所述额外的电气块并联连接，所述额外的辅助子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改所述第一DC电压和第二DC电压，
其中所述分支被串联布置，使得所述至少一个分支的所述四次变换器直接连接至所述第一DC端子和第二DC端子中的一个。
在这样的实施例中，每个额外的分支的额外的辅助子变换器没有连接至额外的三次子变换器与四次子变换器之间的共同连接点以形成“T”布置。在这样的实施例中，四次子变换器的功能被合并在DC网络处，从而允许改善电压源变换器的布局以及减小合并后的封装。
优选地，电压源变换器还包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个四次子变换器以合成至少一个四次电压分量，所述或每个四次电压分量是6次谐波分量的正整数倍。
用这种方式配置控制器以控制所述或每个四次子变换器允许主动过滤存在于所述或每个分支两端的DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每一个是6次谐波分量的正整数倍)。这因此防止在提供给DC电网的第二DC电压中出现不期望的纹波谐波分量。
由每个四次子变换器合成包括至少一个四次谐波分量的电压波形避免了控制每个辅助子变换器以合成一个或多个零相序三重谐波分量的需求。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器初级绕组，这可能有利于高功率应用。
在由三次子变换器和辅助子变换器形成的“T”布置的DC侧上定位由四次子变换器提供的谐波滤波器意味着谐波滤波器被定位在电流为DC(即无纹波)的一部分变换器结构中。因为电压和电流处于不同的频率，所以在存在DC电流时产生谐波电压意味着原则上没有与所述或每个四次子变换器的能量交换。
然而，在优选实施例中，所述或每个四次子变换器包括至少一个能量储存器件，并且所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个四次子变换器以合成至少一个补偿四次电压分量，以便将能量传送至所述四次子变换器或者传送来自所述四次子变换器的能量，并因此最小化所述四次子变换器的能量水平的净变化。
此配置允许注入相对小的DC电压以与流经四次子变换器的DC电流相互作用，并且创建可用于动态稳压和补偿损耗的电力和能量交换机制。
然而，合成补偿四次电压分量影响辅助子变换器和三次子变换器两者。因此，当所述或每个四次子变换器合成一个或多个补偿四次电压分量时，控制器优选地被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器以合成一个或多个辅助电压分量，从而最小化相应的分支两端的DC电压中的净变化。
当所述或每个四次子变换器合成一个或多个补偿四次电压分量时，所述控制器优选地还被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成一个或多个补偿三次子电压分量，从而最小化相应的相元件的DC侧处的DC电压中的净变化。
用这种方式配置控制器允许辅助子变换器和三次子变换器解决补偿四次电压分量的影响。然而，由于补偿三次电压和部分电路中的固有DC电流的相互作用，因此合成补偿三次电压分量使得电力和能量漂移。
为了处理合成后的功率流和能量流，电压源变换器还可以包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便将能量传送至所述三次子变换器或者传送来自所述三次子变换器的能量，并因此调节所述三次子变换器的能量水平。
这样的配置允许电压源变换器解决在包括在三次子变换器中的至少一个能量储存器件中的能量积累(或来自至少一个能量储存器件的能量损耗)，这导致至少一个能量储存器件的能量水平偏离参考值。
这样的偏离是不期望的，因为如果过少的能量被储存在给定的能量储存器件中，则对应的模块能够产生的电压减少；反之，如果过多的能量被储存在给定的能量储存器件中，则可能出现过电压问题。前者将需要增加电源以将受影响的能量储存器件的能量水平恢复到参考值，而后者将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。这将增加电压源变换器的整体尺寸、重量和成本。另外，如果过少的能量被储存在给定的能量储存器件中，则电压源变换器可能由于欠压保护而跳闸。
以上概述的配置因此允许能量被传送至所述或每个三次子变换器或者传送来自所述或每个三次子变换器的能量，以调节储存在一个或多个对应的能量储存器件中的能量，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相关联的问题。
可选地，可以改变所述或每个三次电压分量的幅值，以便调整传送至所述或每个三次子变换器的能量的量或者从所述或每个三次子变换器传送的能量的量。
当电压源变换器包括在第一DC端子与第二DC端子之间连接的多个分支时，调节每个三次子变换器的能量水平可能涉及多个三次子变换器的能量水平的平衡。这在多个三次子变换器的能量水平存在不平衡时是有用的，上述不平衡可能是由例如从多相AC电网吸取的多个相电流的不平衡导致的，或者由至少一个三次子变换器的一个或多个模块中的组件故障导致能量储存容量减少而引起的。
在本发明的实施例中，控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便将能量传送至所述三次子变换器或者传送来自所述三次子变换器的能量，并因此调节所述三次子变换器的能量水平。这进一步增强了对所述或每个三次子变换器的能量水平的调节并因此对储存在给定能量储存器件中的能量进行任何相关调节。
在过了预定时间段(例如，单个电源频率周期)之后优选地执行所述或每个三次子变换器的能量水平的调节，以最小化三次子变换器的能量水平的净变化。
在本发明的其它实施例中，所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以合成与相应的三次电压分量反相的辅助电压分量。用这种方式控制所述或每个辅助子变换器确保了所述或每个分支两端的DC电压，并且因此在产生所述或每个三次电压分量的过程中，相应的相元件的AC侧处的AC电压保持不变。这意味着，可以在电压源变换器的操作过程中的任何时间执行所述或每个三次子变换器的能量水平的调节，而不影响AC电网与DC电网之间的电力传送。
所述或每个三次电压分量可以是2次谐波电压分量的正整数倍。因此，在这样的实施例中，控制器被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器，以合成辅助电压分量，该辅助电压分量与2次谐波电压分量的正整数倍相同且与相应的三次电压分量反相。
当电压源变换器包括在第一DC端子与第二DC端子之间连接的多个分支时，至少一个辅助电压分量(其为2次谐波电压分量的正整数倍)的合成使得能够对分支两端的DC电压求和，以留下组合的、无纹波DC电压。
优选地，所述或每个三次电压分量是2次谐波电压分量、4次谐波分量、8次谐波分量或10次谐波分量。应理解的是，所述或每个三次电压分量可以是(3(2n-1)±1)次谐波电压分量，其中n是正整数倍。这防止不期望的纹波谐波分量(其每个是6次谐波分量的正整数倍)出现在所述或每个分支两端的DC电压中。
所述或每个三次电压分量可以具有与流经所述三次子变换器的电流的电流分量相同的频率。当将能量传送至所述或每个三次子变换器或者传送来自所述或每个三次子变换器的能量时，这提供了产生有功功率的可靠手段。
可选地，所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以相对于流经所述三次子变换器的电流的相位角来修改相应的三次电压分量的相位角。用这种方式控制所述或每个三次子变换器允许调节传送至所述或每个三次子变换器的能量的量或者从所述或每个三次子变换器传送的能量的量，并因此提供调节所述或每个三次子变换器的能量水平的额外的方式。
此外，可选地，控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以合成与流经三次子变换器的电流的电流分量同相的所述或每个三次电压分量。用这种方式控制所述或每个三次子变换器使传送至所述或每个三次子变换器的能量或者从所述或每个三次子变换器传送的能量最大化，并因此优化电压源变换器的操作以调节所述或每个三次子变换器的能量水平。
在优选实施例中，电压源变换器还包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿在相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化。
用这种方式配置控制器以控制所述或每个三次子变换器抑制了在所述或相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率的变化可能对电压源变换器的DC侧的操作的任何影响。这因此防止电压源变换器的DC侧中的任何不期望的变化，此变化原本可能是由在所述或相应的相元件的AC侧处产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的。
可替代方案包括控制所述或每个辅助子变换器以合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，从而补偿电压源变换器的DC侧中的任何变化(其是由在相应的相元件的AC侧处产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的)。然而，由所述或每个辅助子变换器合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着在三角形连接的多个变压器初级绕组周围引起驱动电压，其中三角形连接的多个变压器初级绕组用于互连AC电网和每个相元件的AC侧。这进而为显著的、连续的零相序电流提供了在三角形连接的多个变压器初级绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器初级绕组来互连AC电网和每个相元件的AC侧，这为显著的、连续的零相序电流提供了在星形连接的多个变压器初级绕组中流动的路径。
控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给所述或相应的相元件的DC侧，以便补偿在所述或相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化，这无需控制所述或每个辅助子变换器来合成一个或多个零相序三重谐波分量。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器初级绕组，这有利于高功率应用。
控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿相应的第一DC电压中的变化，相应的第一DC电压中的变化是由相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的。这防止在操作电压源变换器的DC侧中的任何不期望的变化，此变化原本可能是由在相应的第一DC电压中的变化导致的。
所述控制器可以被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC电压分量，用于提供给相应相元件的DC侧，以便补偿相应的第一电压的变化，相应的第一电压的变化是由相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的，并因此抑制相应的第一DC电压中的变化修改相应的分支两端的DC电压。这因此防止相应的分支两端的DC电压中的任何不期望的变化，此变化原本可能是由相应第一DC电压中的变化导致的。
配置控制器以产生补偿DC三次电压分量，用于提供给相应相元件的DC侧，以便补偿相应的第一电压的变化，该相应的第一电压的变化是由相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的，从而允许电压源变换器在大范围的有功功率和无功功率上运行，并且对电压源型变换的DC侧的运行具有几乎为零的损害效果。
在其它优选实施例中，电压源变换器可以包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC三次电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿第一DC端子和第二DC端子两端的DC电压的减少。
用这种方式配置控制器以控制每个三次子变换器抑制了DC电网的DC电压的减少原本可能对相应的相元件的AC侧的任何影响。
通常，相元件的AC侧上的AC电压的峰值等于DC电网的DC电压。因此，DC电网的DC电压中的任何减少将使得电压源变换器的AC端子电压的幅值的减小。这使得不期望地滞后与AC电网的无功功率交换，或者，更优选地，滞后变压器分接开关的操作，用于明显减少AC网络电压以与DC电压中的减少匹配。
在由辅助子变换器形成的“T”布置的相对侧上布置三次子变换器和四次子变换器允许电压源变换器对减少的DC网络电压进行操作并在电压源变换器的分支和展现的(unfold)AC端子电压的分支两端恢复标称1.0单位电压。
用这种方式配置控制器以控制三次子变换器使得能量漂移，这必须通过控制三次子变换器以产生至少一个2次谐波电压分量以及控制辅助子变换器以产生至少一个2次谐波电压分量(其与通过三次子变换器产生的2次谐波电压分量反相)来进行管理，如上所述。
因为所需的电压分量的大小将远大于补偿损耗所需的相对小的电压分量，所以控制所述或每个四次子变换器以合成补偿四次电压分量并不实际。由于与流经四次子变换器的DC电流相互作用的DC电压的结果，所以所需的相对大的补偿四次电压分量将使得净能量交换，并且不可能使用谐波电压和电流的相互作用来补偿这种能量漂移，如上关于三次子变换器所述。这是因为所述或每个四次子变换器位于未承受任何谐波电流的部分电压源变换器中。
为了解决DC网络中的故障，电压源变换器可以包括控制器，被配置为同时控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器，以便在DC网络低阻抗故障的情况下防止或限制电流从所述AC网络流出以及防止或限制电流流入所述DC网络。
电压源变换器中包括这种控制器允许控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器(其通常用于促进AC与DC电网之间的电力传送)，以可靠地最小化或阻挡故障电流。这降低或消除了对用于保护电压源变换器免受故障电流的任何有害影响的额外的故障电流保护硬件(例如，断路器和电涌吸收器)的需要，从而产生能够在AC与DC电网之间传送电力的经济的、节省空间的电压源变换器。该电压源变换器还能最小化由DC电网中的故障造成的故障电流或者阻挡故障电流通过电压源变换器流动。
控制器可以被配置为同时控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器，使得所述或每个分支两端的DC电压为零。这使得第一和第二DC端子两端的DC电压为零，并由此防止故障电流经由所述或每个辅助子变换器在第一DC端子与第二DC端子之间流动。
这样的配置允许以稳定方式操作电压源变换器。这还特别有利的是，因为控制单个分支提供了非常灵活的操作并且使得能够在DC网络故障期间将电压源变换器操作为无功功率补偿器(STATCOM)。
在一个特别实施例中，控制器可以被配置为同时控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器，以便阻挡所述或每个辅助子变换器，以及操作所述或每个三次子变换器和所述或每个四次子变换器，以便对抗由所述AC网络施加的驱动电压。
在故障操作模式中控制所述或每个三次子变换器和所述或每个四次子变换器以合成反向电压允许反向电压在三次子变换器与四次子变换器之间分布。这允许减少所述或每个三次子变换器和所述或每个四次子变换器的单个额定电压。
应理解的是，此配置尤其适合于四次子变换器的功能被合并在DC网络处并因此增加四次子变换器的额定电压的实施例。
可以在故障操作模式中控制所述或每个三次子变换器和/或所述或每个四次子变换器以合成多个电压，以便合成反向电压。
还可以设想，在电压源变换器包括在第一DC端子与第二DC端子之间串联连接的三个分支的实施例中，控制器可以被配置为同时控制每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和每个辅助子变换器，使得每个分支两端的电压包括至少一个谐波分量，所述或每个谐波分量是2次谐波分量的正整数倍。
应理解的是，在这样的实施例中，所述或每个谐波分量为2次谐波电压分量、4次谐波电压分量、8次谐波分量或10次谐波分量，即(3(2n-1)±1)次谐波分量，其中n是正整数倍。
此配置利用单个分支的120电角度位移，并且使得单个分支两端的DC电压的总和能够限定用于提供给故障DC网络的零DC电压。
应理解的是，所述或每个分支及其组件可以以不同的方式配置以改变电压源变换器的拓扑结构。
在本发明的实施例中，至少一个分支可以包括与包括相元件的电气块并联连接的辅助子变换器。
在本发明的实施例中，利用至少一个三次子变换器，至少一个分支可以包括电气块，所述电气块包括串联连接的三次子变换器和相元件。
可以改变每个相元件中的多个开关元件的配置，只要多个开关元件能够互连DC电压和AC电压。例如，所述或每个相元件中的多个开关元件可以包括并联连接的两对串联连接的开关元件，每对串联连接的开关元件之间的接合点限定用于连接至多相AC电网的相应的相的AC端子。
可以改变每个分支在第一与第二DC端子之间连接的方式。例如，多个分支可以在第一与第二DC端子之间串联连接。
在本发明的另一个实施例中，所述或每个子变换器可以是多级变换器。
在本发明的又一个实施例中，所述或每个子变换器可以包括至少一个模块，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，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结合以选择性地提供电压源。
在所述或每个子变换器中包括所述或每个模块为所述或每个子变换器提供充当波形合成器的可靠手段。
可以改变所述或每个子变换器中的所述或每个模块的配置。
在本发明的实施例中，每个模块中的所述或每个开关元件以及所述或每个能量储存器件可以结合以选择性地提供单向电压源。例如，辅助子变换器中的所述或每个模块可以包括以半桥布置与能量储存器件并联连接的一对开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块。
在本发明的其它实施例中，每个模块中的所述或每个开关元件以及所述或每个能量储存器件可以结合以选择性地提供双向电压源。例如，三次子变换器中的所述或每个模块可以包括以全桥布置与能量储存器件并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
在本发明的实施例中，电压源变换器可能仅需要产生超前的无功功率，使得所述或每个三次子变换器可能仅需要产生正DC电压，以便产生增加的AC侧电压幅值以及用于能量管理的2次谐波，所述或每个三次子变换器的所述或每个模块可以包括以半桥布置与能量储存器件并联连接的一对开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块。
在其它实施例中，电压源变换器的超前和滞后的无功功率要求是不对称的且严重偏向一个方向(例如，超前的)，所述或每个三次子变换器可以包括多个模块，一个或多个模块包括以半桥布置与能量储存器件并联连接的一对开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块，并且一个或多个模块包括以全桥布置与能量储存器件并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块，使得从所述或每个三次子变换器可获得的电压在正和负方向上是不同的和不对称的。
所述或每个子变换器可以包括限定链式变换器的多个串联连接模块。通过将每个提供其自身电压的多个模块的能量储存器件插入到链式变换器中，链式变换器的结构允许在链式变换器两端建立组合电压，该立组合电压高于从其单个模块可获得的电压。用这种方式切换每个模块中的所述或每个开关元件使得链式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链式变换器两端产生电压波形。因此，链式变换器能够提供大范围的复合电压波形，用于修改对应的相元件的DC侧的DC电压。
至少一个开关元件可以包括至少一个自换向开关器件。所述或每个自换向开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向开关器件。每个开关元件中开关器件的数量可以取决于开关元件的所需额定电压和电流而变化。
所述或每个开关元件还可以包括与所述或每个开关器件反向并联连接的无源电流逆止元件。
所述或每个无源电流逆止元件可以包括至少一个无源电流逆止器件。所述或每个无源电流逆止器件可以是能够限制电流仅在一个方向上流动的任何器件，例如，二极管。每个无源电流逆止元件中的无源电流逆止器件的数量可以取决于无源电流逆止元件所需的额定电压和电流而变化。
每个能量储存器件可以是能够储存和释放能量的任何器件，例如，电容器、燃料电池或蓄电池。
应理解的是，本发明的每个实施例可以可选地与本发明的一个或多个其它实施例相结合。
还应理解的是，本专利说明书中使用的术语“三次”、“辅助”和“四次”仅旨在有助于类似特征(例如，辅助、三次和四次子变换器)之间的区分，而并不旨在表示一个特征相对于另一个特征的重要性。
附图说明
现将参考附图，仅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1示出根据本发明的实施例的电压源变换器；
图2a和图2b分别以示意的形式示出2象限单级模块和4象限双极模块的结构；
图3a和图3b示出图1所示的电压源变换器的电压和电流分量；
图4a到图4h示出用于操作图1所示的电压源变换器以管理所述或每个四次子变换器中的能量流的策略；
图5a到图5e示出用于操作图1所示的电压源变换器以管理每个三次子变换器中的能量流的策略；
图6a到图6f示出在降低的DC网络电压的情况下用于操作图1所示的电压源变换器的策略；
图7示出根据本发明的另一个实施例的电压源变换器；
图8a到图8c示出在DC网络故障的情况下通过图1和图3所示的电压源变换器的辅助子变换器、三次子变换器和四次子变换器的潜在电流回路；
图9a和图9b示出解决图7所示的电压源变换器中的DC网络故障的方法；以及
图10示出解决图1所示的电压源变换器中的DC网络故障的方法。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施例的电压源变换器10。
电压源变换器10包括用于连接至DC电网的第一DC端子12和第二DC端子14以及在第一DC端子12与第二DC端子14之间串联连接的三个分支16。
每个分支16包括具有并联连接的两对串联连接的开关元件20的相元件18。每对串联连接的开关元件20之间的接合点限定AC端子。每个相元件18的AC端子限定相元件18的AC侧22。
在使用中，每个相元件18的AC端子通过多个开放式次级变压器绕组24中的相应的一个互连。每个次级变压器绕组24与多个初级变压器绕组26中的相应的一个相互耦合。多个初级变压器绕组26以星形结构连接，其中每个初级变压器绕组26的第一端连接至共同接合点28以及每个初级变压器绕组26的第二端连接至三相AC电网30的相应的相。用这种方式，在使用中，每个相元件18的AC侧22连接至三相AC电网30的相应的相。
共同接合点28限定多个初级变压器绕组26的中性点，并且接地。
每个分支16的相元件18与三次变换器32串联连接以限定电气块，并且三次变换器32还与四次变换器36串联连接。
每个分支16还包括辅助子变换器38，该辅助子变换器38与分支16的电气块并联连接且连接至三次子变换器32与四次子变换器36之间的共同连接点以形成“T”布置。
子变换器32、36和38中的每个包括多个模块40。
每个辅助子变换器38的每个模块40包括一对开关元件54和以电容器形式的能量储存器件56。在每个辅助子变换器38中，一对开关元件54与电容器56以半桥布置并联连接，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上导通电流的2象限单极模块，如图2a所示。
每个三次子变换器32和每个四次子变换器36的每个模块40包括两对开关元件54和以电容器形式的能量储存器件56。在每个三次子变换器32和每个四次子变换器36中，两对开关元件54以全桥布置与电容器56并联连接，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上导通电流的4象限双极模块，如图2b所示。
如上概述，分支16在第一DC端子12与第二DC端子14之间串联连接。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42的第一端子和第二端子，DC电网42的第一端子携带负DC电压，以及DC电网42的第二端子携带正DC电压。
如上所述的每个分支16的配置意味着，在使用中，DC电压出现在每个相元件18的并联连接的成对串联连接开关元件20两端。
因此，在使用中，每个相元件18互连DC电压和AC电压。
在其它实施例中，可以设想，每个相元件18可以包括具有用于互连DC电压和AC电压的不同配置的多个开关元件。
每个开关元件20、54包括单个开关器件。每个开关元件20、54还包括与每个开关器件反向并联连接的无源电流逆止元件。
每个开关器件是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的形式。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个IGBT可以由栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注射增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其它自换向开关器件来替代。每个开关元件中的开关器件的数量可以取决于开关所需的额定电压而变化。
每个无源电流逆止元件包括以二极管形式的无源电流逆止器件。可以设想，在其它实施例中，每个二极管可以由能够限制电流仅在一个方向上流动的任何其它器件来替代。每个无源电流逆止元件中的无源电流逆止器件的数量可以取决于该无源电流逆止元件所需的额定电压而变化。
进一步设想的是，在本发明的其它实施例中，每个电容器可以由能够储存和释放的能量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。
每个子变换器32、36和38中的多个串联连接的模块40限定链式变换器。
通过改变开关元件54的状态，每个模块40的电容器56选择性地被旁路或被插入到链式变换器中。这选择性地引导电流通过电容器56或使得电流旁路电容器56，从而在每个辅助子变换器38的情况下，模块40提供零电压或正电压，并且在每个三次子变换器32和每个四次子变换器36的情况下，模块40提供负电压、零电压或正电压。
当模块40中的开关元件54被配置为在模块40中形成短路时，模块40的电容器56被旁路。这使得链式变换器中的电流通过短路并旁路电容器56，因此模块40提供零电压，即，模块40配置为旁路模式。
当模块40中开关元件54被配置为允许链式变换器中的电流流入和流出电容器56时，模块40的电容器56被插入到链式变换器中。电容器56对其储存的能量进行充电或放电，以提供非零电压，即模块40配置为非旁路模式。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个模块40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，因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。
链式变换器的结构允许通过将每个提供其自身电压的多个模块40的能量储存器件56插入到链式变换器中，能够在链式变换器两端建立组合电压，该组合电压高于从每个其单个模块40可获得的电压。用这种方式，每个模块40中的每个开关元件54的切换使得链式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链式变换器两端产生电压波形。因此，每个链式变换器能够提供大范围的复合电压波形。
每个分支16中的三次子变换器32和相元件18的串联连接允许三次子变换器32选择性地用作波形合成器以修改对应相元件18的DC侧的第一DC电压。在对应的相元件18的DC侧处的DC电压的这种修改导致在对应的相元件18的AC侧22处的AC电压的对应修改。
每个分支16中的四次子变换器36与三次子变换器32的串联连接允许四次子变换器36选择性地用作波形合成器，以修改提供给DC电网的第二DC电压。
每个分支16中的辅助子变换器38与电气块的并联连接且连接至相应的三次子变换器32与四次子变换器36之间的共同连接点允许三次子变换器38选择性地用作波形合成器，以修改第一DC电压和第二DC电压。
可以设想，在本发明的其它实施例中，可以改变每个三次子变换器32、每个四次子变换器36和每个辅助子变换器38的配置，只要子变换器能够选择性地用作波形合成器，以根据需要修改第一和/或第二DC电压。例如，每个辅助子变换器可以是多级变换器。
电压源变换器10还包括被配置为控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38的控制器44。
更具体地，控制器44被配置为执行第一控制功能，其选择性控制每个四次子变换器36以合成包括至少一个四次电压分量的电压波形，所述或每个四次谐波分量是6次谐波分量的正整数倍。
用这种方式控制四次子变换器36主动地过滤存在于第一DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每一个是6次谐波分量的正整数倍)，并因此防止在提供给DC电网42的第二DC电压中出现不期望的纹波谐波分量。
可替代方案包括控制每个辅助子变换器38以合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，从而消除存在于第二DC电压中的不期望的纹波谐波分量(其每一个是6次谐波分量的正整数倍)。然而，由每个辅助子变换器38合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着使用三角形连接的多个变压器初级绕组来互连AC电网30和每个相元件18的AC侧22，这在三角形连接的多个变压器绕组周围引起驱动电压，从而为显著的、连续的零相序电流提供了在三角形连接的多个变压器绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器初级绕组来互连AC电网30和每个相元件18的AC侧22，这为显著的、连续的零相序电流提供了在星形连接的多个变压器初级绕组中流动的路径。
控制每个四次子变换器36以合成包括至少一个四次谐波分量的电压波形避免了控制每个辅助子变换器38以合成一个或多个零相序三重谐波分量的需求。这进而允许使用具有接地中性点28的星形连接的多个变压器初级绕组26，这可能有利于高功率应用。
在由相应的三次子变换器32和辅助子变换器38形成的“T”布置(图3a和图3b)的DC侧上定位由每个分支16的四次子变换器36提供的谐波滤波器意味着谐波滤波器被定位在电流为DC(即无纹波)的一部分变换器结构中，如图3b所示。
因此，没有必要在控制四次变换器以合成一个或多个6次谐波分量的同时控制每个辅助子变换器38以合成至少两个2次谐波分量，例如，如果将位于“T”布置的另一侧上的三次子变换器32用作谐波滤波器，则将是这种情况。
在存在DC电流时产生谐波电压意味着在原理上，因为电压和电流处于不同的频率处，所以不与每个四次子变换器36进行能量交换。
然而，控制器44还被配置为选择性地控制每个四次子变换器36以合成至少一个补偿四次电压分量46，以便将能量传送至该四次子变换器36或者传送来自该四次子变换器36的能量，并因此最小化该四次子变换器36的能量水平的净变化。
用这种方式控制每个四次子变换器允许注入相对小的DC电压以与流经四次子变换器36的DC电流IDC相互作用，并且创建可用于动态稳压和补偿损耗的电力和能量交换机制，如图4a所示。
为了补偿补偿四次电压分量46对每个分支16中的辅助子变换器38的影响，控制器44被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38以合成一个或多个辅助电压分量48，从而最小化相应的分支16两端的DC电压中的净变化，如图4b所示。
此外，控制器44被配置为选择性地控制每个三次子变换器32以合成一个或多个补偿三次电压分量50，从而最小化相应的相元件18的DC侧处的DC电压中的净变化，如图4c所示。
然而，由每个三次子变换器32产生的补偿电压分量50与流经三次子变换器32的DC电流IDC相互作用，这使得该部分电路中电力和能量漂移(图4d)。
为了调节三次子变换器32的能量水平，控制器44被配置为选择性地控制每个三次子变换器32以合成至少一个三次电压分量52，以便将能量传送至该三次子变换器32或者传送来自该三次子变换器32的能量，并因此调节该三次子变换器32的能量水平，如图4e所示。
所述或每个三次电压分量52被合成为具有与流经该三次子变换器32的电流I2的电流分量相同的频率，并且被合成为2次谐波电压分量的正整数倍。
此外，所述或每个三次电压分量52被合成为与流经该三次子变换器32的电流I2的电流分量同相。用这种方式控制每个三次子变换器32使传送至每个三次子变换器32的能量或者从每个三次子变换器32传送的能量最大化，并因此优化电压源变换器10调节每个三次子变换器32的能量水平的操作。
为了补偿三次电压分量52对每个分支16中辅助子变换器38的影响，控制器44被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38以合成与相应的三次电压分量52反相的辅助电压分量58，如图4f所示。
电压源变换器的三个分支16之间的120电角度的位移意味着在分支16两端由每个辅助子变换器38合成的辅助电压分量58的总和为零且不影响提供给DC网络42的第二DC电压，如图4g所示。
以上参考图4a到图4g描述并在图4h中总结的能量管理的策略比其中控制器被配置为选择性地控制每个三次子变换器32以合成用于谐波滤波目的的6次谐波分量的电压源变换器的需求的更复杂。
这是在“T”布置(其在每个分支16中由相应的三次子变换器32和辅助子变换器38形成)的DC侧上定位每个四次子变换器36的结果。
然而，已经发现在“T”布置的相对侧上提供子变换器(其导致子变换器能量管理中两个自由度以及更大设计自由度)的益处超过用于能量管理的更复杂策略的需要。
在图1所示的实施例中，控制器44还被配置为执行第二控制功能，其选择性地控制每个三次子变换器32，以产生补偿DC三次电压分量50，用于提供给相应的相元件18的DC侧，以便补偿在相应的相元件18的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的相应的第一DC电压的变化，并因此抑制相应的第一DC电压中的变化修改相应的第二DC电压。
在操作电压源变换器10的过程中，每个分支16中的第一和第二DC电压可以被设定为相等，使得没有必要控制相应的三次变换器32以合成DC电压波形。由于电压源变换器10包括在第一DC端子12与第二DC端子14之间串联连接的三个分支16，所以在正常操作过程中，第一和第二DC电压中的每一个等于第一DC端子12和第二DC端子14两端的电压(即DC网络42的电压)的三分之一。
当电压源变换器10被控制为产生或吸收相元件36的AC侧22处的无功功率36(例如，通过切换相元件18的开关元件20)时，每个相元件18的AC侧22处的AC电压幅值必须增加或减少。每个相元件18的AC侧22处AC电压的增加或减少进而使得提供给每个相元件18的DC侧的第一DC电压增加或减少，这又使得每个第二DC电压的增加或减少。
因此，每个第二DC电压将不再等于第一DC端子12和第二DC端子14两端的电压(即，DC电网42的电压)的三分之一。
为了抑制相应的第一DC电压中的变化修改第二DC电压，控制器44控制每个三次子变换器32以产生用于提供给相应的相元件18的DC侧的补偿DC电压分量50，以便补偿在相应的相元件18的AC侧22处产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的相应的第一DC电压的变化。这在图5a中示意性地示出。
用这种方式控制每个三次子变换器32抑制了相应的相元件18的AC侧22处产生或吸收的无功功率的变化可能对相应的第二DC电压的任何影响。这因此防止相应的第二DC电压中的任何不期望的变化，此变化原本可能是由在相应的相元件18的AC侧处产生或吸收的无功功率中的变化导致的。
因此，能够在大范围的有功功率和无功功率上运行电压源变换器10，并且对电压源变换器10的DC侧的运行具有几乎为零的损害影响。
可替代方案包括控制每个辅助子变换器38以合成一个或多个零相序三重谐波分量(例如，3次、9次和15次谐波分量)，从而补偿电压源变换器10的DC侧中的任何变化(其是由在相应的相元件18的AC侧22处产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的)。然而，如上所述，控制每个辅助子变换器38合成一个或多个零相序三重谐波分量意味着使用三角形连接的多个变压器初级绕组来互连AC电网30和每个相元件18的AC侧22，这将在三角形连接的多个变压器初级绕组周围导致驱动电压，从而为显著的、连续的零相序电流提供了在三角形连接的多个变压器初级绕组中流动的路径。类似地，使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器初级绕组来互连AC电网30和每个相元件18的AC侧22，这为显著的、连续的零相序电流提供了在星形连接的多个变压器初级绕组中流动的路径。
控制每个三次子变换器32以产生补偿DC三次电压分量50，用于提供给相应的相元件18的DC侧，这无需控制每个辅助子变换器38来合成一个或多个零相序三重谐波分量。这进而允许使用具有接地中性点的星形连接的多个变压器初级绕组，这有利于高功率应用。
如上参考图4d所述，由每个三次子变换器32产生的补偿三次电压分量50将与流经三次子变换器32的DC电流IDC相互作用，这使得在该部分电路中电力和能量漂移。
为了调节三次子变换器32的能量水平，控制器44被配置为选择性地控制每个三次子变换器32以合成至少一个三次电压分量52，以便将能量传送至该三次子变换器32或者传送来自该三次子变换器32的能量，并因此调节该三次子变换器32的能量水平，如图5b所示。
同样地，所述或每个三次电压分量52被合成为具有与流经该三次子变换器32的电流I2的电流分量相同的频率，并且被合成为2次谐波电压分量的正整数倍。
此外，所述或每个三次电压分量52被合成为与流经该三次子变换器32的电流I2的电流分量同相。用这种方式控制每个三次子变换器32使传送至每个三次子变换器32的能量或者从每个三次子变换器32传送的能量最大化，并因此优化电压源变换器10调节每个三次子变换器32的能量水平的操作。
为了补偿三次电压分量52对每个分支16中辅助子变换器38的影响，控制器44被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38以合成与相应的三次电压分量52反相的辅助电压分量58，如图5c所示。
电压源变换器的三个分支16之间的120电角度的位移意味着在分支16两端由每个辅助子变换器38合成的辅助电压分量58的总和为零且不影响提供给DC网络42的第二DC电压，如图5d所示。
图5e中总结了如上参考图5a到图5d所描述的能量管理的策略。
在如上所述并在图4h和图5e总结的每个能量管理策略中，每个三次子变换器32被选择性地控制以合成至少一个三次电压分量52，以便将能量传送至该三次子变换器32或者传送来自该三次子变换器32的能量，并因此调节该三次子变换器32的能量水平。
在每种情况下，所述或每个三次电压分量52被合成为具有与流经对应三次子变换器32的电流I2的电流分量相同的频率，并且被合成为2次谐波电压分量的正整数倍。
此外，所述或每个三次电压分量52被合成为与流经该三次子变换器32的电流12的电流分量同相。用这种方式控制每个三次子变换器32使传送至每个三次子变换器32的能量或者从每个三次子变换器32传送的能量最大化被，并因此优化电压源变换器10调节每个三次子变换器32的能量水平的操作。
控制器44还被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38，以合成与相应的三次电压分量52反相的辅助电压分量58。用这种方式控制每个辅助子变换器38确保了相应的第一DC电压，并且因此在产生所述或每个三次电压分量52的过程中，相应的相元件18的AC侧处的AC电压保持不变。
这意味着，可以在电压源变换器10的操作过程中的任何时间调节每个三次子变换器32的能量水平，而不影响AC电网30与DC电网42之间的电力传送。
每个三次子变换器的电压和电流的乘积限定其功率曲线，当对时间积分时，其提供能量曲线。操作电压源变换器10以在AC电网30与DC电网42之间传送电力可能导致在至少一个电容器56中的能量积累(或来自至少一个电容器56的能量损耗)，从而导致至少一个电容器56的能量水平偏离参考值。
这样的偏离是不期望的，因为如果过少的能量被储存在给定的电容器56中，则对应的模块40能够产生的电压减少，反之，如果过多的能量被储存在给定的电容器56中，则可能出现过电压问题。前者将需要增加电源以将受影响的电容器56的能量水平恢复到参考值，而后者将需要增加一个或多个电容器56的额定电压以防止过电压问题，因而增加了电压源变换器10的整体尺寸、重量和成本。另外，如果过少的能量被储存在给定的电容器56中，则电压源变换器10可能由于欠压保护而跳闸。
电压源变换器10的配置允许将能量传送至每个三次子变换器32或者传送来自每个三次子变换器32的能量，以调节储存在一个或多个对应的电容器56中的能量，从而避免了与至少一个电容器56的能量水平偏离参考值相关联的问题。
调节每个三次子变换器32的能量水平可能涉及多个三次子变换器32的能量水平的平衡。这在多个三次子变换器32的能量水平存在不平衡时是有用的，上述不平衡可能是由例如从AC电网30吸取的多个相电流的不平衡导致的，或者由至少一个三次子变换器32的一个或多个模块40中的组件故障导致能量储存容量减少而引起的。
可选地，控制器44可以被配置为选择性地控制每个三次子变换器32，以相对于流经每个三次子变换器32的电流的相位角来修改所述或每个三次电压分量的相位角。用这种方式控制每个三次子变换器32允许调整传送至每个三次子变换器32的能量的量或者传送来自每个三次子变换器32的能量的量，并因此提供调节每个三次子变换器32的能量水平的额外方式。
在图1所示的实施例中，控制器44还被配置为执行第三控制功能，其选择性地控制每个辅助子变换器32，以产生补偿DC三次电压分量50，用于提供给相应的相元件18的DC侧，以便补偿第一DC端子12和第二DC端子14两端的DC电压60的减少(图6a和图6b)。
DC电压60的减少可能是由例如DC网络中的高阻抗故障或者用以降低绝缘电压应力且防止闪络的故意操作策略导致的，其可能发生在存在盐雾的情况下操作架空DC线的过程中。
用这种方式配置控制器44以控制每个三次子变换器32抑制了DC电网的DC电压60的减少原本可能对相应的相元件18的AC侧22处的任何影响。
如上参考图4d和图5a所述，由每个三次子变换器32产生的补偿三次电压分量50将与流经三次子变换器32的DC电流IDC相互作用，这使得在该部分电路中电力和能量漂移。
为了调节三次子变换器32的能量水平，控制器44被配置为选择性地控制每个三次子变换器32以合成至少一个三次电压分量52，以便将能量传送至该三次子变换器32或者传送来自该三次子变换器32的能量，并因此调节该三次子变换器32的能量等级，如图6c所示。
同样地，所述或每个三次电压分量52被合成为具有与流经该三次子变换器32的电流I2的电流分量相同的频率，并且被合成为2次谐波电压分量的正整数倍。
此外，所述或每个三次电压分量52被合成为与流经该三次子变换器32的电流I2的电流分量同相用以这种方式控制每个三次子变换器32使传送至每个三次子变换器32的能量或者从每个三次子变换器32传送的能量最大化，并因此优化电压源变换器10调节每个三次子变换器32的能量水平的操作。
为了补偿三次电压分量52对每个分支16中辅助子变换器38的影响，控制器44被配置为选择性地控制每个辅助子变换器38以合成与相应的三次电压分量52反相的辅助电压分量58，如图6d所示。
电压源变换器的三个分支16之间的120电角度的位移意味着在分支16两端由每个辅助子变换器38合成的辅助电压分量58的总和为零且不影响提供给DC网络42的第二DC电压，如图6e所示。
图6f中总结了如上参考图6a到图6e所描述的能量管理的策略。
图7示出根据本发明的第二实施例的电压源变换器70。电压源变换器70在结构和操作上与图1所示的电压源变换器10类似，并且类似的特征共用相同的附图标记。
由于各相的四次子变换器36的功能在DC网络处被合并，图7所示的电压源变换器70不同于图1所示的电压源变换器10。
在图7所示的实施例中，合并后的四次子变换器36在第一分支16a的三次子变换器32与第一DC端子之间串联连接。
应理解的是，图7所示的电压源变换器70的合并后的四次子变换器36的额定值是图1所示的电压源变换器10的单个四次子变换器36中的每个的额定值的三倍。
图7所示的电压源变换器70的操作与图1所示的电压源变换器10的操作相同。因此，如上参考图4a到图4h、图5a到图5e和图6a到图6f所述的能量管理策略稍作变动也适用于图7所示的电压源变换器70。
应理解的是，根据本发明的其它实施例的电压源变换器的控制器可以被配置，以便省略执行第一和/或第二和/或第三控制功能的能力。
图1和图7中示出的电压源变换器10和70中的每一个的控制器44优选地被配置为同时控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38中的每一个，以便在DC网络低阻抗故障的情况下防止或限制电流从AC网络30流出以及防止或限制电流流入DC网络42。
电压源变换器10和70中包括这种控制器44允许控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38，三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38通常用于促进AC电网30与DC电网42之间的电力传送，以可靠地最小化或阻挡故障电流。
图8a、图8b和图8c示出由于DC网络低阻抗故障，在第一DC端子12和第二DC端子14两端的零DC电压的情况下，电压源变换器10和70的每个分支16中可能发生的三个可能的电流回路。控制器44必须同时控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38中的每一个以产生反向电压来控制和消除这些电流回路。
因此，用这种方式控制单个分支16并因此控制单个相，使得能够灵活地操作电压源变换器10和70，并且允许在DC网络故障情况下将电压源变换器10和70操作为无功功率补偿器(STATCOM)。
为了将每个电压源变换器10和70操作为无功功率补偿器，可以同时控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38，使得通过每个分支16的相元件18、三次子变换器32和辅助子变换器38循环的电流回路(如图8a所示)将是超前或滞后的，响应于AC网络30的要求，根据需要以产生或吸收无功功率。
在这种情况下，控制器44将同时控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38，以消除流经每个分支16的辅助子变换器38和四次子变换器36以及在第一DC端子12和第二DC端子14两端的电流回路(如图8b所述)，以及消除流经每个分支16的相元件18、三次子变换器32和四次子变换器36以及在第一DC端子12和第二DC端子14两端的电流回路(如图8c所述)。
在其它情况下，当不需要无功功率补偿时，控制器44将同时控制三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38，以消除上述以及如图8a、图8b和图8c所示的三个电流回路。如图9a和图9b所示，通过阻挡辅助子变换器38可以消除流经每个分支16的辅助子变换器38以及如图8a和8b所述的电流回路。
通过同时控制三次子变换器32和四次子变换器36以产生对抗AC驱动电压的电压可以消除第三电流回路，其在每个分支16中省略了辅助子变换器38并且在图8c中示出。也可以设想，通过同时控制每个分支16的三次子变换器32、四次子变换器36和辅助子变换器38可以消除图8a和图8b所示的电流回路，使得每个分支16两端的电压包括至少一个谐波分量，所述或每个谐波分量是2次谐波分量的正整数倍。
此配置利用单个分支16的120电角度位移，并且使得单个分支两端的电压的总和能够限定用于提供给故障DC网络的零DC电压，如图10所示。
尽管图1和图7中所示的每个电压源变换器10和70被构造为在三次子变换器32和四次子变换器36中包括全桥模块40，但应理解的是，可以改变每个三次子变换器32的结构，以满足不同电压源变换器的需求。
在其它实施例中，例如，电压源变换器仅需要产生超前的无功功率，使得每个三次子变换器将仅需要产生正DC电压，以便产生增加的AC侧电压幅值以及用于能量管理得2次谐波，每个三次子变换器32可以包括多个半桥模块40。
在其它实施例中，例如，电压源变换器的超前和滞后的功率要求是不对称的且严重偏向一个方向(例如，超前的)，每个三次子变换器32可以包括全桥和半桥模块40的混合，使得从每个三次子变换器32可获得的电压是不同的和不对称的。
通过使用在“T”布置(其由三次子变换器32和四次子变换器36与辅助子变换器38形成)的相对侧上的三次子变换器32和四次子变换器36能够得到这种灵活性。

Claims (28)

1.一种电压源变换器，包括用于连接至DC电网的第一DC端子和第二DC端子，以及连接在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间的至少一个分支，所述至少一个分支包括：
相元件，具有多个开关元件以及用于连接至AC电网的至少一个AC端子，所述多个开关元件被配置为能够控制以促进所述AC电网与所述DC电网之间的电力变换；
三次子变换器，所述三次子变换器的一端与所述相元件连接，所述三次子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给所述相元件的DC侧的第一DC电压；
四次子变换器，所述四次子变换器的一端与所述三次子变换器的另一端连接，所述四次子变换器的另一端连接至所述DC电网，所述四次子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给所述DC电网的第二DC电压；以及
辅助子变换器，与由所述相元件和所述三次子变换器串联组成的电气块并联连接且连接至所述三次子变换器与四次子变换器之间的共同连接点以形成“T”布置，所述辅助子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改所述第一DC电压和所述第二DC电压；
其中所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器是包括具有至少一个开关元件和至少一个能量储存器件的至少一个模块的多级变换器，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结合以选择性地提供电压源。
2.根据权利要求1所述的电压源变换器，其中所述电压源变换器包括在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间串联连接的三个分支，每个分支的所述相元件的所述或每个AC端子用于连接至多相AC电网的相应的相。
3.根据权利要求1所述的电压源变换器，其中所述至少一个分支的所述相元件包括用于连接至多相AC电网的相应的相的至少一个AC端子，并且所述电压源变换器还包括与所述第一DC端子与所述第二DC端子之间的所述至少一个分支串联连接的至少两个额外的分支，每个额外的分支包括：
额外的相元件，具有多个开关元件以及用于连接至多相AC电网的相应的相的至少一个AC端子，所述多个开关元件被配置为能够控制以促进所述AC电网与所述DC电网之间的电力变换；
额外的三次子变换器，与所述额外的相元件串联连接，所述额外的三次子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给所述额外的相元件的DC侧的第一DC电压；以及
额外的辅助子变换器，与由所述额外的相元件和所述额外的三次子变换器串联组成的额外的电气块并联连接，所述额外的辅助子变换器被配置为能够控制以用作波形合成器，从而修改提供给额外的相元件的DC侧的第一DC电压和额外的分支提供给DC电网的第二DC电压，
其中所述至少两个额外的分支串联布置，使得所述至少一个分支的所述四次子变换器被直接连接至所述第一DC端子和所述第二DC端子中的一个。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电压源变换器，还包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个四次子变换器以合成至少一个四次电压分量，所述或每个四次电压分量是6次谐波分量的正整数倍。
5.根据权利要求4所述的电压源变换器，其中所述或每个四次子变换器包括至少一个能量储存器件，并且所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个四次子变换器以合成至少一个补偿四次电压分量，以便将能量传送至所述四次子变换器或者传送来自所述四次子变换器的能量，并因此最小化所述四次子变换器的能量水平的净变化。
6.根据权利要求5所述的电压源变换器，其中当所述或每个四次子变换器合成一个或多个补偿四次电压分量时，所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器以合成一个或多个辅助子电压分量，从而最小化相应的分支两端的DC电压中的净变化。
7.根据权利要求5或6所述的电压源变换器，其中当所述或每个四次子变换器合成一个或多个补偿四次电压分量时，所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成一个或多个补偿三次子电压分量，从而最小化相应的相元件的DC侧处的DC电压中的净变化。
8.根据前述权利要求1-3中任一项所述的电压源变换器，其中所述或每个三次子变换器包括至少一个能量储存器件，并且所述电压源变换器还包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便将能量传送至所述三次子变换器或者传送来自所述三次子变换器的能量，并因此调节所述三次子变换器的能量水平。
9.根据权利要求8所述的电压源变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以合成至少一个三次电压分量，以便将能量传送至所述三次子变换器或者传送来自所述三次子变换器的能量，并因此最小化所述三次子变换器的能量水平的净变化。
10.根据权利要求8所述的电压源变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个辅助子变换器以合成与相应的三次电压分量反相的辅助电压分量。
11.根据权利要求8所述的电压源变换器，其中所述或每个三次电压分量是2次谐波电压分量、4次谐波电压分量、8次谐波电压分量或10次谐波电压分量。
12.根据权利要求8所述的电压源变换器，其中所述或每个三次电压分量是(3(2n-1)±1)次谐波电压分量，其中n是正整数。
13.根据权利要求8所述的电压源变换器，其中所述或每个三次电压分量具有与流经所述三次子变换器的电流的电流分量相同的频率。
14.根据权利要求8所述的电压源变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器，以相对于流经所述三次子变换器的电流的相位角来修改相应的三次电压分量的相位角，以控制允许传送至所述或每个三次子变换器的能量的量或者从所述或每个三次子变换器传送的能量。
15.根据前述权利要求1所述的电压源变换器，还包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC三次电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿在相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化。
16.根据前述权利要求15所述的电压源变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC三次电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿由相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的相应的第一DC电压中的变化。
17.根据权利要求16所述的电压源变换器，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC三次电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿由相应的相元件的AC侧产生或吸收的有功功率和/或无功功率中的变化导致的相应的第一DC电压中的变化，并因此抑制相应的第一DC电压中的变化修改相应的分支两端的DC电压。
18.根据前述权利要求1所述的电压源变换器，还包括控制器，被配置为选择性地控制所述或每个三次子变换器以产生补偿DC三次电压分量，用于提供给相应的相元件的DC侧，以便补偿所述第一DC端子和第二DC端子两端的DC电压中的变化。
19.根据前述权利要求1所述的电压源变换器，还包括控制器，被配置为同时控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器，以便在DC网络低阻抗故障的情况下防止或限制电流从所述AC网络流出以及防止或限制电流流入所述DC网络。
20.根据权利要求19所述的电压源变换器，其中在DC网络低阻抗故障时，所述控制器被配置为同时控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器，使得所述或每个分支两端的DC电压为零。
21.根据权利要求20所述的电压源变换器，其中在DC网络低阻抗故障时，所述控制器被配置为同时控制所述或每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和所述或每个辅助子变换器，以便阻断所述或每个辅助子变换器，以及操作所述或每个三次子变换器和所述或每个四次子变换器，以便对抗由所述AC网络施加的驱动电压。
22.根据权利要求19所述的电压源变换器，其中所述电压源变换器包括在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间串联连接的三个分支，并且所述控制器被配置为同时控制每个三次子变换器、所述或每个四次子变换器和每个辅助子变换器，使得每个分支两端的电压包括至少一个谐波分量，所述或每个谐波分量是2次谐波分量的正整数倍。
23.根据权利要求22所述的电压源变换器，其中所述或每个谐波分量是2次谐波电压分量、4次谐波电压分量、8次谐波电压分量或10次谐波电压分量。
24.根据权利要求1所述的电压源变换器，其中所述或每个辅助子变换器的所述或每个模块包括以半桥布置与能量储存器件并联连接的一对开关元件，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。
25.根据权利要求24所述的电压源变换器，其中所述或每个四次子变换器的所述或每个模块包括以全桥布置与能量储存器件并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零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。
26.根据权利要求25所述的电压源变换器，其中所述或每个三次子变换器的所述或每个模块包括以全桥布置与能量储存器件并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零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。
27.根据权利要求25所述的电压源变换器，其中所述或每个三次子变换器的所述或每个模块包括以半桥布置与能量储存器件并联连接的一对开关元件，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。
28.根据权利要求25所述的电压源变换器，其中所述或每个三次子变换器包括多个模块，所述模块中的一个或多个包括以半桥布置与能量储存器件并联连接的一对开关元件，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，并且所述模块中的一个或多个包括以全桥布置与能量储存器件并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零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，使得从所述或每个三次子变换器可获得的电压在正方向和负方向上是不同的和不对称的。
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