CN106031011A - 具有平顶pwm调制的模块化多电平变换器支路、变换器和混合变换器拓扑结构 - Google Patents

具有平顶pwm调制的模块化多电平变换器支路、变换器和混合变换器拓扑结构 Download PDF

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Abstract

一种电压源变换器(30)，用于互连第一和第二电网(44，46)，该电压源变换器(30)包括：第一和第二端子(32，34)，用于连接至第一电网(44)；以及初级变换器臂(36a)，在第一和第二端子(32，34)之间延伸，初级变换器臂(36a)包括由第三端子(42)分隔开的第一和第二初级臂部(38，40)，第三端子(42)能够连接至第二电网(46)，每个初级臂部(38，40)包括至少一个开关元件(50)和/或第一链式变换器，每个初级臂部(38，40)能够操作以被切换进和切换出在第三端子(42)与第一和第二端子(32，34)中的相应一个之间的电路，每个初级臂部(38，40)能够操作以在第三端子(42)与第一和第二端子(32，34)中的相应一个之间传送电力；至少一个第二链式变换器(58)，连接至第三端子(42)，所述或每个链式变换器(58)包括多个链式模块(60)，多个链式模块(60)中的每一个能够选择性地操作以提供电压源，其中所述或每个链式变换器(58)包括控制单元，配置为选择性地操作多个链式模块(60)以产生不连续脉冲宽度调制电压波形；以及控制器(62)，配置为选择性地操作所述或每个链式变换器(58)以控制在第三端子(42)处的不连续脉冲宽度调制电压波形的形态，控制器(62)包括所述或每个控制单元，控制器(62)被配置为在不连续脉冲宽度调制电压波形的相应未调制时间段期间选择性地控制将每个初级臂部(38，40)切换进在第三端子(42)与第一和第二端子(32，34)中的相应一个之间的电路，控制器(62)被配置为选择性地协调初级臂部(38，40)和所述或每个第二链式变换器(58)的操作以控制在第三端子(42)处的不连续脉冲宽度调制电压波形的形态。

Description

具有平顶PWM调制的模块化多电平变换器支路、变换器和混合变换器拓 扑结构
技术领域
本发明涉及一种包括链式变换器的电压源变换器。
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的变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网络的电力传输网络。
在任何这种电力传输网络中，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变换器(VSC)。
已知在电压源变换器中使用带有绝缘栅双极晶体管(IGBT)14的六开关(两电平)变换器拓扑结构10和三电平变换器拓扑结构12，如图1a和图1b所示。IGBT器件14串联连接在一起并一同切换以实现10MW至100MW的高额定功率。另外，在AC电源频率的每个周期中，IGBT器件14在高电压下导通和关断若干次以控制被馈送到AC电网的谐波电流。这导致高损耗、高电平的电磁干扰和复杂的设计。
还已知在电压源变换器中使用多电平变换器布置，诸如如图1c所示。多电平变换器布置包括串联连接的单元18的相应变换器桥16。每个变换器单元18包括与电容器22并联连接的一对串联连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)20。各个变换器单元18不同时切换并且变换器电压阶跃相对较小。在这种多电平变换器布置中，每个变换器单元18的电容器22被配置为具有足够高的电容值以便限制电容器端子处的电压变化，并且由于IGBT 20有限的额定电压，所以需要大量的变换器单元18。在每个变换器桥16中还需要电抗器24，以限制在变换器臂26之间流动的瞬时电流，从而使变换器臂26的并联连接和操作成为可能。这些因素导致具有大量的储存电能的昂贵的、大型和重型的设备，这使得设备的预组装、测试和运输困难。
发明内容
提供了一种链式变换器，包括多个链式模块，所述多个链式模块中的每一个能够选择性地操作以提供电压源，其中链式变换器包括控制单元，配置为选择性地操作多个链式模块以产生不连续脉冲宽度调制(dPWM)电压波形。
由多个链式模块产生的dPWM电压波形是使用脉冲宽度调制由多个链式模块产生的电压波形，并且包括未调制时间段，在该未调制时间段期间，多个链式模块不主动地操作。
在链式变换器中提供控制单元使得链式变换器能够产生dPWM电压波形，从而导致在对应的电流波形中的低总谐波失真(THD)。对应的电流波形的低THD消除了对于用来满足电网规程要求的昂贵和笨重的滤波设备的需要。这不仅降低了链式变换器的总体成本、尺寸和占用空间，而且还消除了由滤波设备的运行导致的电力损耗的发生，因而提高了链式变换器的效率。此外，避免了对用于控制这种滤波设备的专用和精密控制系统的需要，因而简化了链式变换器的总体控制。
另外，在由链式变换器产生的dPWM电压波形中，未调制时间段的存在减少了链式变换器的主动操作的时间段，因而减少了由这种主动操作导致的损失。
控制单元可以被配置为选择性地操作多个链式模块，以将相移添加到dPWM电压波形的零序分量，从而减少或消除了在以下二者之间的相位差：
在产生dPWM电压波形期间出现的峰值电流；与
dPWM电压波形的未调制时间段。
相移的大小可以由有功和无功功率需求计算得出。
将相移添加到dPWM电压波形的零序分量的能力使得dPWM电压波形的优化能够修改由多个链式模块的主动操作导致的损失，以遵守相关电力应用的具体要求。
减少或消除了在产生dPWM电压波形期间出现的峰值电流与dPWM电压波形的未调制时间段之间的相位差允许峰值电流更紧密或更精确地与多个链式模块不主动地操作的未调制时间段保持一致。这因此减少或消除了接近峰值电流或在峰值电流处由多个链式模块的主动操作导致的损失，从而降低了由多个链式模块的主动操作导致的总体损失。与对应于dPWM电压波形而没有额外相移的电流波形相比，对应于dPWM电压波形而没有额外相移的电流波形的THD更高，但在绝对数量上仍是低的。
DPWM电压波形的未调制时间段可以取决于所产生的dPWM电压波形的所需特性而变化，以满足相关电力应用的具体要求。例如，dPWM电压波形的未调制时间段可以小于、大于或等于60电角度。
每个链式模块的配置可以改变，以满足相关电力应用的具体要求。例如，多个链式模块中的每一个可包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个链式模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源。
提供了一种电压源变换器，用于互连第一和第二电网，该电压源变换器包括至少一个链式变换器，其中所述或每个链式变换器是根据链式变换器的任何前述说明。
由于用于产生dPWM电压波形从而导致在相应电流波形中的低THD的所述或每个链式变换器的能力，在电压源变换器中提供所述或每个链式变换器使得电压源变换器不仅能够在第一电网与第二电网之间传送高质量电力，而且能够减少电压源变换器组件的主动操作所需的时间段，以便传送这种高质量电力，从而减少与电压源变换相关的总体损失。
变压器可用于将电压源变换器连接至AC电网。变压器可以被配置为能够在电压波形被呈现至AC电网(例如，变压器可以被配置为星形-三角形变压器)之前消除dPWM电压波形中的零序分量。这因此降低了电压源变换器的AC滤波要求。
电压源变换器的配置可以取决于相关电力应用的要求而变化。
根据本发明的一个方案，提供一种电压源变换器，用于互连第一电网和第二电网，所述电压源变换器包括：
第一端子和第二端子，用于连接至所述第一电网；以及
初级变换器臂，在所述第一端子与所述第二端子之间延伸，所述初级变换器臂包括由第三端子分隔开的第一初级臂部和第二初级臂部，所述第三端子能够连接至所述第二电网，每个初级臂部包括至少一个开关元件和/或第一链式变换器，每个初级臂部能够操作以被切换进和切换出在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间的电路，每个初级臂部能够操作以在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间传送电力；
至少一个第二链式变换器，连接至所述第三端子，所述或每个链式变换器包括多个链式模块，所述多个链式模块中的每一个能够选择性地操作以提供电压源，其中所述或每个链式变换器包括控制单元，配置为选择性地操作所述多个链式模块以产生不连续脉冲宽度调制电压波形；以及
控制器，配置为选择性地操作所述或每个链式变换器以控制在所述第三端子处的dPWM电压波形的形态，所述控制器包括所述或每个控制单元，所述控制器被配置为在所述不连续脉冲宽度调制电压波形的相应未调制时间段期间选择性地控制将每个初级臂部切换进在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间的电路，所述控制器被配置为选择性地协调所述初级臂部和所述或每个第二链式变换器的操作以控制在所述第三端子处的所述不连续脉冲宽度调制电压波形的形态。
根据本发明的电压源变换器可以是多相电压源变换器。在电压源变换器能够连接至多相AC电网的本发明的实施例中，电压源变换器可包括多个初级变换器臂，每个初级变换器臂的第三端子能够连接至多相AC电网的相应的相。
所述或每个控制单元可以是控制器整体组成的一部分。当控制器包括多个控制单元时，所述或每个控制单元可以与所述或每个其它控制单元分离。
在使用中，初级臂部可用于提供初级电流路径，用于在第一电网与第二电网之间传送电力，而通过对第三端子处的dPWM电压波形的形态的控制，所述或每个第二链式变换器支持将每个初级臂部切换进和切换出在第三端子与第一和第二端子中的相应一个之间的电路。
以这种方式，在第三端子处的dPWM电压波形的形态的控制提供了对每个初级臂部所经受的电压的控制，并因此降低了由超过初级臂部的额定电压的电压电平导致的损坏的风险。因此，设计和优化电压源变换器变得更加简单，因为初级臂部可以被配置而无需考虑超过初级臂部的额定电压的电压电平的可能性。
当每个初级臂部包括至少一个自然换向开关元件(例如晶闸管)时，大缓冲电路通常需要在每个自然换向开关元件已经被换向之后控制每个自然换向开关元件两端的电压的变化率。另外，需要大电抗器以适应在每个自然换向开关元件的关断与接通之间的长的恢复时间。然而，根据本发明的电压源变换器中包括所述或每个第二链式变换器允许精确控制每个自然换向开关元件两端的电压的变化率以及在每个自然换向开关元件的关断与接通之间的恢复时间，从而减少或消除了包括缓冲电路和电抗器的需要。
根据本发明的电压源变换器配置为包括至少一个第二链式变换器，使得能够减少在第一电网与第二电网之间传送电力期间招致的总体损失。
首先，在根据本发明的电压源变换器的操作期间，在每个电力周期期间，电力在初级变换器臂与所述或每个第二链式变换器之间分配。与具有相同数量的变换器臂的传统电压源变换器相比，通过在初级臂部中使用具有低传导损耗的开关元件，可以减少根据本发明的电压源变换器中的总体传导损耗，每个变换器臂包括多个链式模块，其示例在图1c中示出。这提供了在根据本发明的电压源变换器的成本、尺寸和占用空间方面的进一步节省。
其次，包括至少一个第二链式变换器的电压源变换器的操作使得在第一电网与第二电网之间传送电力期间，所述或每个第二链式变换器不需要处于不断的主动操作。
当与在第三端子处产生的另一种类型的电压波形(诸如梯形电压波形)相比时，虽然在第三端子处产生的dPWM电压波形可能由于减少的初级臂部的传导时间而导致额外的损失，但dPWM电压波形可以形成为具有低于其它类型的电压波形的平均电压电平，以便对由减少的初级臂部的传导时间导致的上述损失进行补偿。
在使用至少一个第二链式变换器的本发明的实施例中，每个初级臂部可以操作为将所述或每个第二链式变换器切换进和切换出具有第一和第二端子中的相应一个的电路。在这样的实施例中，所述或每个第二链式变换器可以连接在第三端子与地之间，和/或可以连接在第三端子与第四端子之间，该第四端子连接在第一端子与第二端子之间。
在使用至少一个第二链式变换器的本发明的其它实施例中，电压源变换器可包括次级变换器臂，在第一端子与第二端子之间与初级变换器臂并联连接。次级变换器臂可包括由连接点分隔开的第一和第二次级臂部。每个次级臂部可包括第二链式变换器。电压源变换器还可包括连接件，互连第三端子和连接点以形成星形结构，其中星形结构的第一分支包括连接件，星形结构的第二分支包括第一次级臂部，星形结构的第三分支包括第二次级臂部并且连接点限定星形结构的中性点。
当这样的电压源变换器包括多个初级变换器臂时，电压源变换器可包括对应数量的次级变换器臂，所述次级变换器臂中的每一个在第一端子与第二端子之间与初级变换器臂中的相应一个并联连接。
在使用至少一个第二链式变换器的本发明的其它实施例中，电压源变换器可包括第一和第二次级臂部。每个次级臂部可包括第二链式变换器。第一和第二次级臂部中的每一个可以与第一和第二初级臂部中的相应一个并联连接。第一初级臂部和第三端子可以由第一初级电感器分隔开。第二初级臂部和第三端子可以由第二初级电感器分隔开。第一次级臂部还可包括第一次级电感器。第二次级臂部还包括第二次级电感器。
当这样的电压源变换器包括多个初级变换器臂时，电压源变换器可包括对应数量的第一次级臂部，所述第一次级臂部中的每一个与第一初级臂部的相应一个并联连接；以及对应数量的第二次级臂部，所述第二次级臂部中的每一个与第二初级臂部的相应一个并联连接。
第一初级电感器的电感值可以高于或低于第一次级电感器的电感值。第二初级电感器的电感值可以高于或低于第二次级电感器的电感值。
以这种方式，电压源变换器的配置导致减少或消除了由在第三端子处产生的dPWM电压波形导致的电力故障的电感器布置，从而使得能够在第一电网与第二电网之间更平滑地传送电力。
在本发明的又一些实施例中，控制器可以被配置为操作所述或每个第二链式变换器以在两个初级臂部都被切换出在第三端子与第一和第二端子的相应一个之间的电路时控制在第三端子处的电压的变化率。
在根据本发明的电压源变换器中提供所述或每个第二链式变换器允许精确控制在第三端子处的电压的变化率，以防止电压在不同的电压电平之间斜升(ramp)太快，因此最大限度地减少或避免了快速前移和高电压尖峰，否则可能损坏或降低组件或它们的绝缘性。
在本发明的实施例中，所述或每个控制单元可以被配置为选择性地操作多个链式模块，以将相移添加到不连续脉冲宽度调制电压波形的零序分量，从而减少或消除了在以下二者之间的相位差：
在产生不连续脉冲宽度调制电压波形期间出现的峰值电流；与
不连续脉冲宽度调制电压波形的未调制时间段。
在本发明的又一些实施例中，不连续脉冲宽度调制电压波形的未调制时间段可以小于、大于或等于60电角度。
在本发明的又一些实施例中，多个链式模块中的每一个可包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个链式模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源。
每个能量储存装置可以是能够储存或释放能量的任何装置，例如电容器或电池。
每个链式模块可以是能够提供零或非零电压并且优选地能够在两个方向上传导电流的单向电压源，即每个链式模块可以是2象限单极链式模块。例如，每个链式模块可包括以半桥布置与能量储存装置并联连接的一对开关元件，以限定可提供零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流的2象限单极链式模块。
每个链式模块可以是能够提供负电压、零电压或正电压并且优选地能够在两个方向上传导电流的双向电压源，即每个模块可以是4象限双极链式模块。例如，每个链式模块可包括以全桥布置与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定可提供负电压、零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流的4象限双极链式模块。
所述或每个链式变换器可包括2象限单极链式模块和4象限双极链式模块的组合。
根据本发明的所述或每个链式变换器的模块化布置意味着能够简单的增加或减少所述或每个链式变换器中的链式模块的数量以实现期望的额定功率和/或额定电压。
例如，每个开关元件可以是自换向开关元件，诸如绝缘栅双极晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管或集成门极换向晶闸管。
例如，每个开关元件可以是自然换向开关元件，诸如晶闸管或二极管。使用每个初级臂部中的至少一个自然换向开关装置不仅提高了初级臂部的鲁棒性，而且还使得初级臂部能够经受由于(多个)电网中的故障而可能发生的浪涌电流。在使用自然换向开关元件作为开关元件的这种实施例中，所述或每个第二链式变换器的每个链式模块优选地为4象限双极链式模块，该4象限双极链式模块可以被切换以阻止前述的浪涌电流。
应理解的是，针对初级臂部中的一个或两者包括至少一个开关元件的实施例，控制器可以取决于所使用的开关元件的类型，通过将接通或关断控制信号发送至所述或每个开关元件或者通过操作所述或每个链式变换器来控制在第三端子处的电压波形的形态，来控制对应的初级臂部的所述或每个开关元件的切换，以选择性地进行所述或每个开关元件的切换。
根据本发明的电压源变换器的配置允许简化初级臂部的设计和结构而不会对根据本发明的电压源变换器产生不利影响。例如，每个初级臂部可包括在第三端子与第一和第二端子的相应一个之间串联连接的单个开关元件或多个开关元件。具有高额定电压的开关元件可以被选择用于在初级臂部中使用，以进一步减少电压源变换器的占用空间，并由此最大限度地减少相关发电站的实际房地产成本。
提供一种操作链式变换器的方法，所述链式变换器包括多个链式模块，所述多个链式模块中的每一个能够选择性地操作以提供电压源，所述方法包括操作多个链式模块以产生dPWM电压波形的步骤。
应理解的是，用于描述本发明的特征的术语“第一”、“第二”、“初级”和“次级”的使用仅仅旨在帮助类似特征(例如第一和第二初级臂部)之间的区分，而不旨在表明一个特征相对于另一个特征的相对重要性。
还应理解的是，链式变换器不限于在电压源变换器中使用，而是可以被用作独立的设备或其它装置。
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、图1b和图1c以示意图的形式示出现有技术的电压源变换器；
图2以示意图的形式示出根据本发明的第一实施例的电压源变换器；
图3以示意图和曲线图的形式示出用于产生dPWM电压波形的图2的电压源变换器的操作；
图4以曲线图的形式示出在用于产生dPWM电压波形的操作期间图2的电压源变换器的输出AC电压和电流波形；
图5以曲线图的形式将由图2的电压源变换器产生的dPWM电压波形的正向部分与梯形电压波形进行比较；
图6以曲线图的形式示出在用于产生dPWM电压波形的操作期间分别在图2的电压源变换器的第一初级和次级臂部中流动的电流波形；
图7以曲线图的形式示出在用于产生包括额外相移的dPWM电压波形的操作期间图2的电压源变换器的输出AC电压和电流波形；
图8以曲线图的形式示出在用于产生包括额外相移的dPWM电压波形的操作期间分别在图2的电压源变换器的第一初级和次级臂部中流动的电流波形；
图9以示意图的形式示出根据本发明的第二实施例的电压源变换器；
图10以示意图的形式示出根据本发明的第三实施例的电压源变换器；以及
图11以示意图的形式示出电压源变换器。
具体实施方式
图2示出根据本发明的第一实施例的第一电压源变换器30。
第一电压源变换器30包括第一DC端子32和第二DC端子34以及多个初级变换器臂36a和多个次级变换器臂36b。为了简明的目的，图2仅示出多个初级变换器臂36a中的一个和次级变换器臂36b中的一个，但应理解的是，其它初级变换器臂36a中的每一个在结构上与图2所示的初级变换器臂36a是相同的，以及其它次级变换器臂36b中的每一个在结构上与图2所示的次级变换器臂36b是相同的。
初级变换器臂36a和次级变换器臂36b中的每一个在第一DC端子32与第二DC端子34之间延伸。多个次级变换器臂36b中的每一个在第一DC端子32与第二DC端子34之间与多个初级变换器臂36a中的相应一个并联连接。
每个初级变换器臂36a包括由第三端子42分隔开的第一初级臂部38和第二初级臂部40。在所示的实施例中，第一初级臂部38连接在第一DC端子32与第三端子42之间，以及第二初级臂部40连接在第二DC端子34与第三端子42之间。
在使用中，第一DC端子32和第二DC端子34分别连接至DC电网44的正极和负极端子，DC电网44的正极和负极端子分别携带有+Vdc和-Vdc的电压，并且每个初级变换器臂36a的第三端子42经由相电抗48和星形-三角形变压器(未示出)连接至多相AC电网46的相应的相。星形-三角形变压器的三角形部分限定连接至第一电压源变换器30的变压器次级，而星形-三角形变压器的星形部分限定连接至AC电网46的变压器初级。可替代地，在本发明的其它实施例中，星形-三角形变压器的星形部分可限定连接至第一电压源变换器30的变压器次级，而星形-三角形变压器的三角形部分可限定连接至AC电网46的变压器初级。
可以设想，在本发明的其它实施例中，第一电压源变换器可具有单个变换器臂或不同的多个变换器臂，以匹配与第一电压源变换器连接的AC电网的相的数量。
每个初级臂部38，40包括导向器，该导向器包括多个串联连接的开关元件50。每个开关元件50是以与反并联二极管并联连接的绝缘栅双极晶体管(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、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件来代替。
还可以设想，在本发明的其它实施例中，每组多个串联连接的开关元件可以由单个开关元件来代替。
以这种方式，初级臂部38，40的配置意味着，在使用中，每个初级臂部38，40的每个开关元件50是可切换的，以将对应的初级臂部38，40切换进和切换出在第三端子42与相应的DC端子32，34之间的电路。
每个次级变换器臂36b包括由连接点56分隔开的第一次级臂部52和第二次级臂部54。在所示的实施例中，第一次级臂部52连接在第一DC端子32与连接点56之间，以及第二次级臂部54连接在第二DC端子34与连接点56之间。
每个次级臂部52，54包括第二链式变换器58。每个第二链式变换器58包括多个串联连接的链式模块60。每个链式模块60包括一对开关元件和以电容器的形式的能量储存装置。在每个链式模块60中，开关元件以半桥布置与电容器并联连接，以限定可提供零电压或负电压并且可在两个方向上传导电流的2象限单极链式模块60。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个链式模块可以是能够提供负电压、零电压和正电压的双向电压源。这样的链式模块优选地可在两个方向上传导电流，即每个模块可以是4象限双极链式模块。例如，每个链式模块可包括以全桥布置与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定可提供负电压、零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流的4象限双极链式模块。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个链式变换器可包括2象限单极链式模块和4象限双极链式模块的组合。
每个链式模块60的每个开关元件以与反向并联二极管并联连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式由半导体器件构成。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个链式模块的每个开关元件可以是不同的开关装置，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件。
可以设想，在本发明的其它实施例中，电容器可以由能够储存和释放能量的另一个能量储存装置(例如电池)来代替。
通过改变开关元件的状态，每个链式模块60的电容器被选择性地绕过(即，被旁路)或插入到对应的第二链式变换器58中。这选择性地引导电流通过电容器或者使电流绕过电容器，使得每个链式模块60提供零电压或正电压。
当每个链式模块60中的一对开关元件被配置为在链式模块60中形成短路时，每个链式模块60的电容器被绕过，因此该短路使电容器被绕过。这导致第二链式变换器58中的电流穿过该短路并绕过电容器，因此，链式模块60提供了零电压，即链式模块60被配置为旁路模式。
当每个链式模块60中的一对开关元件被配置为允许第二链式变换器58中的电流流入和流出电容器时，每个链式模块60的电容器被插入到第二链式变换器58中。然后，电容器对其储存的能量充电或放电，以便提供正电压，即链式模块60被配置为非旁路模式。
通过将每个提供器自身电压的多个链式模块60的电容器插入到每个第二链式变换器58中，能够在每个第二链式变换器58两端建立组合电压，该组合电压高于从每个单个链式模块60可获得的电压。
每个第一次级臂部52包括与其第二链式变换器58串联连接的电感器，以及每个第二次级臂部54包括与其第二链式变换器58串联连接的电感器。
第一电压源变换器30还包括连接件，互连第三端子42和连接点56以形成星形结构，其中星形结构的第一分支包括该连接件，星形结构的第二分支包括第一次级臂部52，星形结构的第三分支包括第二次级臂部54，并且连接点56限定星形结构的中性点。互连第三端子42和连接点56的连接件允许第二链式变换器58被操作以控制在第三端子42处的AC电压波形的形态。
第一电压源变换器30还包括控制器62，用于控制初级臂部38，40中的导向器和每个第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换。
每个第二链式变换器58包括控制单元(未示出)。每个控制单元是控制器62的整体组成的一部分，并且被配置为控制对应的第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个控制单元可以彼此分离的控制单元。
参照图3至图8，对图2的第一电压源变换器30的操作进行如下描述。
为了本说明书的目的，主要地，参照多个初级变换器臂36a中的一个和多个次级变换器臂36b中的一个来描述第一电压源变换器30的操作。应理解的是，第一电压源变换器30的多个初级变换器臂36a中的一个和多个次级变换器臂36b中的一个的描述操作适于比照其它初级变换器臂36a和次级变换器臂36b中的每一个的操作。
为了在AC电网46与DC电网44之间传送电力，控制器62控制导向器以将初级臂部38，40切换进和切换出在相应的DC端子32，34与第三端子42之间的电路，从而提供在AC电网46与DC电网44之间的电流路径。
为了描述第一电压源变换器30如何工作的目的，假设第一电压源变换器30的操作的起始点是在控制器62接通第二初级臂部40的导向器并因此将第二初级臂部40切换进在第二DC端子34与第三端子42之间的电路的点处。应理解的是，第一电压源变换器30的操作的起始点可以取决于与第一电压源变换器30相关的电力应用的要求而不同。
当第二初级臂部40被切换进在第二DC端子34与第三端子42之间的电路时，第二初级臂部40中的导向器是关闭的，而第一初级臂部38中的导向器是打开的。由于第一初级臂部38的反并联二极管被反向偏置，因此，电流被阻止流入到第一初级臂部38中。将第二初级臂部40切换进在第二DC端子34与第三端子42之间的电路提供了将第二DC端子34连接至第三端子42的电流路径，并因此导致-VDC的电压被呈现在第三端子42处。在此阶段，第二链式变换器58不主动操作来控制在第三端子42处的电压的形态，而是被配置为通过流经每个第二链式变换器58的近零或零电流来跟踪近零或零电压基准。
经过一段时间之后，控制器62关断第二初级臂部40的导向器。同时，控制器62控制第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换，以在第三端子42处呈现负电压，此时，第三端子42由于第二初级臂部40的导向器被关断且第二初级臂部40的反并联二极管被反向偏置而与第二DC端子34断开。在此阶段，在第三端子42处呈现的负电压的幅值比-VDC更低。
然后，控制器62控制第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换，以使第三端子42处的电压在正方向上斜升(如图3中的“a”所示)。第一初级臂部38和第二初级臂部40的反并联二极管在斜升过程中保持反向偏置，这意味着在第一初级臂部38和第二初级臂部40中有零电流流动。
当在第三端子42处的电压经过一段时间之后达到特定正电压时，控制器62接通第一初级臂部38的导向器并因此将第一初级臂部38切换进在第一DC端子32与第三端子42之间的电路(如图3中的“b”所示)。由于第二初级臂部40的反并联二极管被反向偏置，因此，电流被阻止流入到第二初级臂部40中。将第一初级臂部38切换进在第一DC端子32与第三端子42之间的电路提供了将第一DC端子32连接至第三端子42的电流路径，并因此导致+VDC的电压被呈现在第三端子42处。在此阶段，第二链式变换器58不主动操作来控制在第三端子42处的电压的形态，而是被配置为通过流经每个第二链式变换器58的近零或零电流来跟踪近零或零电压基准。
经过一段时间之后，控制器62关断第一初级臂部38的导向器并控制第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换，以在第三端子42处呈现正电压，此时，第三端子42由于第一初级臂部38的导向器被关断且第一初级臂部38的反并联二极管被反向偏置而与第一DC端子32断开。在此阶段，在第三端子42处呈现的正电压的幅值比+VDC更低。
然后，控制器62控制第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换，以使在第三端子42处的电压在反方向上斜升(如图3中的“c”所示)，直到在第三端子42处的电压经过一段时间之后达到特定负电压。此后，控制器62接通第二初级臂部40的导向器，以将第二初级臂部40切换回在第二DC端子34与第三端子42之间的电路。
将第一初级臂部38和第二初级臂部40切换进和切换出在第三端子42与相应的DC端子32，34之间的电路允许在第三端子42处的电压在+VDC与-VDC之间换向，从而在第三端子42处产生AC电压波形。
在第三端子42处产生的AC电压波形形成为dPWM电压波形200的形式，如图4所示。更具体地，控制器62选择性地协调初级臂部38，40和第二链式变换器58的开关元件的切换，以将AC电压波形的形态控制为dPWM电压波形(其为零序分量和正弦电压波形的结合)的形式。在第三端子30处产生的交流电流波形202是正弦曲线，如图4所示。
在第三端子42处产生dPWM电压波形期间，将每个导向器切换进在第三端子42与相应的DC端子32，34之间的电路发生在第三端子42处的dPWM电压波形的相应未调制时间段期间，因此，每个未调制时间段对应于其中第二链式变换器58不主动操作来控制在第三端子42处的电压的形态而是被配置为通过流经每个第二链式变换器58的近零或零电流来跟踪近零或零电压基准的时间段。
在所示的实施例中，dPWM电压波形的每个未调制时间段等于60电角度，但在其它实施例中可以取决于相关电力应用的具体要求而小于或大于60电角度变化。
以这种方式，控制器62选择性地协调初级臂部38，40和第二链式变换器58的操作，以控制在第三端子42处的dPWM电压波形的形态。
应理解的是，在第三端子42处产生的AC电压波形形成为其它类型的dPWM电压波形的形式。
因此，第一电压源变换器30能够执行电力传送功能，其中初级臂部38，40提供用于在AC电网46与DC电网44之间传送电力的初级电流路径，而通过对第三端子42处的dPWM电压波形的形态的控制，次级臂部52支持将每个初级臂部38，40切换进和切换出在第三端子42与相应的DC端子32，34之间的电路。
在第三端子42处的dPWM电压波形的形态的控制提供了对每个初级臂部38，40所经受的电压的控制，并因此降低了由超过初级臂部38，40的额定电压的电压电平导致的损坏的风险。因此，设计和优化第一电压源变换器30变得更加简单，因为初级臂部38，40可以被配置而无需考虑超过初级臂部38，40的额定电压的电压电平的可能性。
使用第二链式变换器58来控制在第三端子42处的电压的变化率防止在第三端子42处的电压在不同的电压电平之间斜升太快。使用第二链式变换器58来控制在不同的电压电平之间的斜升因此最大限度地减少或避免了快速前移和高电压尖峰，否则可能损坏或劣化组件或它们的绝缘性。
提供用于互连第一电压源变换器30和AC电网46的星形-三角形变压器使得能够在其呈现在AC电网46之前消除dPWM电压波形中的零序分量。这因此降低了第一电压源变换器30的AC滤波要求。应理解的是，变压器可以被省略，使得第一电压源变换器30直接连接至AC电网46，优选地，在第一电压源变换器30的DC侧处连接有DC滤波器。
可以设想，在本发明的其它实施例中，星形-三角形变压器可以由另一种类型的变压器来代替，该变压器被配置为能够在其呈现在AC电网之前消除dPWM电压波形中的零序分量。
如图4所示，用于产生dPWM电压波形200的第一电压源变换器30的操作的模拟示出了在消除dPWM电压波形200中的零序分量之后，对应的电流波形202具有大约0.07％的相对低THD。相比之下，对应于梯形电压波形的电流波形的THD为大约3％。
因此，在第一电压源变换器30中提供控制器62使得第一电压源变换器30能够产生dPWM电压波形，从而导致当与对应于梯形电压波形的电流波形的THD相比时，对应的电流波形的THD较低。对应的电流波形的低THD消除了对于用来满足电网规程要求的昂贵和笨重的滤波设备的需要。这不仅降低了第一电压源变换器30的总体成本、尺寸和占用空间，而且还消除了由滤波设备的运行导致的电力损耗的发生，因而提高了第一电压源变换器30的效率。此外，避免了对用于控制这种滤波设备的专用和精密控制系统的需要，因而简化了第一电压源变换器30的总体控制。
包括第二链式变换器58的第一电压源变换器30的配置使得能够减少在AC电网46与DC电网44之间传送电力期间招致的总体损失。
首先，在第一电压源变换器30的操作期间，在每个电力周期期间，电力在初级变换器臂36a与次级变换器臂36b之间分配。与具有相同数量的变换器臂的传统电压源变换器(每个变换器臂包括多个链式模块，其示例在图1c中所示)相比，通过在初级臂部38，40中使用具有低传导损耗的开关元件，可以减少第一电压源变换器30中的总体传导损耗。这提供了在第一电压源变换器30的成本、尺寸和占用空间方面的进一步节省。
其次，在第三端子42处产生的dPWM电压波形中的每个未调制时间段的出现减少了第二链式变换器58的主动操作的时间段，从而消除了在AC电网46与DC电网44之间传送电力期间对处于不断的主动操作的每个第二链式变换器58的需要。
图5以曲线图的形式将由第一电压源变换器30产生的dPWM电压波形的正向部分与梯形电压波形的正向部分进行比较。
从图5可以推导出的是，对于电压波形两者，当初级臂部38，40中的一个被切换进在第三端子42与相应的DC端子32，34之间的电路时，没有开关损耗，因为在此阶段第二链式变换器58两者均未主动操作，而是分别被配置为通过流经每个第二链式变换器58的近零或零电流来跟踪近零或零电压基准。然而，与在产生梯形电压波形期间的每个初级臂部38，40的传导时间100，102，104相比，在产生dPWM电压波形期间的初级臂部38，40的传导时间100被减少。当与在第三端子42处产生的梯形电压波形相比时，虽然在第三端子42处产生的dPWM电压波形可能由于减少的初级臂部38，40的传导时间而导致额外的损失，但dPWM电压波形具有低于梯形电压波形的平均电压电平，并因此对由减少的初级臂部38，40的传导时间导致的上述损失进行补偿。
因此，第一电压源变换器30中提供控制器62和第二链式变换器58使得第一电压源变换器30不仅能够在AC电网46与DC电网44之间传送高质量电力，而且还能够减少第二链式变换器58的所需主动操作，以便传送这种高质量电力，从而减少与电压源变换相关的总体损失。
图6以曲线图的形式示出在用于在第三端子42处产生dPWM电压波形的操作期间分别在第一电压源变换器30的第一初级臂部38和第一次级臂部52中流动的电流波形204，206。
从图6可以看出，dPWM电压波形的每个未调制时间段106没有与在产生dPWM电压波形期间出现的相应的峰值电流108，110对齐。这意味着第二链式变换器58在相应的峰值电流108，110处或者在接近相应的峰值电流108，110处处于主动操作，从而导致第二链式变换器58的较高开关损耗。
在使用中，控制器62可以选择性地控制第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换，以将相移添加到dPWM电压波形的零序分量，并因此消除在产生dPWM电压波形期间出现的峰值电流108，110与dPWM电压波形的未调制时间段106之间的相位差。相移的大小可以由有功和无功功率需求计算得出。
图7以曲线图的形式示出在用于产生包括额外相移的dPWM电压波形208的操作期间第一电压源变换器30的输出AC电压和电流波形208，210。
从图7可以看出，虽然dPWM电压波形208的整体形状通过相移的添加被改变，但每个未调制时间段是不变的并且在第三端子30处的交流电流波形210仍然是正弦。
图8以曲线图的形式示出在用于产生包括额外相移的dPWM电压波形的操作期间分别在图2的电压源变换器的第一初级臂部38和第一次级臂部52中流动的电流波形212，214。
从图8可以看出，消除在产生dPWM电压波形期间出现的峰值电流108，110与dPWM电压波形的未调制时间段106之间的相位差允许峰值电流108，110与其中第二链式变换器58不主动操作的未调制时间段完全对齐。这减少和消除了否则将由在相应的峰值电流108，110处的第二链式变换器58的主动操作导致的损失，因此减少了由第二链式变换器58的主动操作导致的总体损失，但增加了对应于dPWM电压波形的电流波形的THD。如图7所示，用于产生具有额外相移的dPWM电压波形的第一电压源变换器30的操作的模拟示出了在消除dPWM电压波形中的零序分量之后，对应于具有额外相移的dPWM电压波形的电流波形具有大约0.2％的低THD。
在使用中，控制器62可以选择性地控制第二链式变换器58的每个链式模块60中的开关元件的切换，以将相移添加到dPWM电压波形中的零序分量，并因此减少了在产生dPWM电压波形期间出现的峰值电流与dPWM电压波形的未调制时间段之间的相位差。这允许峰值电流与其中第二链式变换器58未主动操作的未调制时间段更紧密地对齐，而不是完全对齐。
因此，将相移添加到dPWM电压波形的零序分量的能力使得dPWM电压波形的优化能够修改由第二链式变换器58的主动操作导致的损失，以遵守相关电力应用的具体要求。
图9示出根据本发明的第二实施例的第二电压源变换器130。图9的第二电压源变换器130在结构和操作上与图2的第一电压源变换器30类似，并且类似的特征共用相同的附图标记。
第二电压源变换器130与第一电压源变换器30的区别在于：
·第二电压源变换器130省略了次级变换器臂36b；
·第二电压源变换器130省略了在每个第三端子42与相应的连接点56之间的每个连接件；
·第二电压源变换器130包括多个第一次级臂部152和多个第二次级臂部154。
每个次级臂部152，154包括第二链式变换器58。每个第一次级臂部152与第一初级臂部38的相应一个并联连接，以及每个第二次级臂部154与第二初级臂部40的相应一个并联连接。
第二电压源变换器130的第一次级臂部152和第二次级臂部154的第二链式变换器58在结构和操作上分别于第一电压源变换器30的第一次级臂部52和第二次级臂部54的第二链式变换器58类似。
第一初级臂部38和第三端子42由第一初级电感器64分隔开。第二初级臂部40和第三端子由第二初级电感器66分隔开。第一次级臂部152还包括与其第二链式变换器58串联连接的第一次级电感器68。第二次级臂部还包括与其第二链式变换器58串联连接的第二次级电感器70。
第一初级电感器64的电感值低于第一次级电感器68的电感值。第二初级电感器66的电感值低于第二次级电感器70的电感值。
以这种方式，电压源变换器的配置获得了消除由在第三端子42处产生的dPWM电压波形导致的电力故障的电感器布置，从而使得能够在AC电网46与DC电网44之间更平滑地传送电力。
可以设想，在本发明的其它实施例中，第一初级电感器的电感值可以高于第一次级电感器的电感值，和/或第二初级电感器的电感值可以高于第二次级电感器的电感值。
图10示出根据本发明的第三实施例的第三电压源变换器230。图10的第三电压源变换器230在结构和操作上与图2的第一电压源变换器30类似，并且类似的特征共用相同的附图标记。
第三电压源变换器230与第一电压源变换器30的区别在于：
·第三电压源变换器230省略了次级变换器臂36b；
·第三电压源变换器230省略了在每个第三端子42与相应的连接点56之间的每个连接件；
·第三电压源变换器230包括连接至第三端子42的第二链式变换器58。
第二链式变换器58连接在第三端子42与分隔开一对DC链电容的第四端子72之间，所述一对DC链电容连接在第一DC端子32与第二DC端子34之间。第四端子72还接地。在本发明的其它实施例中，可以设想，第二链式变换器可以直接连接在第三端子与地之间。
第三电压源变换器230的第二链式变换器58在结构上与第一电压源变换器30的每个第二链式变换器58类似，除了第二链式变换器58的每个链式模块60为4象限双极链式模块60，而不是2象限单极链式模块60。
更具体地，第三电压源变换器230的第二链式变换器58的每个链式模块60包括两对开关元件和以电容器的形式的能量储存装置。在每个链式模块60中，开关元件以全桥布置与电容器并联连接，以限定可提供负电压、零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流的4象限双极链式模块60。
通过改变开关元件的状态，每个链式模块60的电容器被选择性地绕过或插入到第二链式变换器58中。这选择性地引导电流通过电容器或者使电流绕过电容器，使得每个链式模块60提供负电压、零电压或正电压。
当每个链式模块60中的一对开关元件被配置为在链式模块60中形成短路时，每个链式模块60的电容器被绕过，因此该短路使电容器被绕过。这导致第二链式变换器中的电流穿过该短路并绕过电容器，因此，链式模块60提供了零电压，即模块60被配置为旁路模式。
当每个链式模块60中的一对开关元件被配置为允许第二链式变换器58中的电流流入和流出电容器时，每个链式模块60的电容器被插入到第二链式变换器58中。然后，电容器对其储存的能量充电或放电，以便提供非零电压，即链式模块60被配置为非旁路模式。每个链式模块60的开关元件的全桥布置允许开关元件的配置使电流在任何方向上流入和流出电容器，因此每个链式模块60可以被配置以在非旁路模式下提供负电压或正电压。
用于控制在第三端子42处的dPWM电压波形的形态的第三电压源变换器230的第二链式变换器58的操作与第一电压源变换器30的第二链式变换器58的组合操作类似。
图11示出第四电压源变换器330。图11的第四电压源变换器330在结构和操作上与图2的第一电压源变换器30类似，并且类似的特征共用相同的附图标记。
第四电压源变换器330与第一电压源变换器30的区别在于：
·第四电压源变换器330省略了次级变换器臂36b；
·第四电压源变换器330省略了在每个第三端子42与相应的连接点56之间的每个连接件；
·第四电压源变换器330的每个初级臂部38，40包括代替导向器的第一链式变换器158。
第四电压源变换器的第一链式变换器158的操作在操作上与第一电压源变换器30的第二链式变换器58类似。
第四电压源变换器的第一链式变换器158的操作与第一电压源变换器30的第二链式变换器58的操作的区别在于，在dPWM电压波形的相应未调制时间段期间，每个第一链式变换器158跟踪近零或零电压基准，但被配置为传导电流，并因此将相应的初级臂部38，40切换进电路以连接第三端子42和相应的DC端子32，34。
可以设想，在本发明的其它实施例中，初级臂部38，40中的至少一个还可包括电抗器。
还可以设想，第四电压源变换器的每个初级臂部可包括串联连接的第一链式变换器158和导向器。
应理解的是，第一电压源变换器30、第二电压源变换器130、第三电压源变换器230和第四电压源变换器330的拓扑结构仅仅是选择以帮助说明本发明的操作，并且每个电压源变换器30，130，230，330可以由具有不同拓扑结构的另一个电压源变换器来代替。

Claims (9)

1.一种电压源变换器，用于互连第一电网和第二电网，所述电压源变换器包括：
第一端子和第二端子，用于连接至所述第一电网；以及
初级变换器臂，在所述第一端子与所述第二端子之间延伸，所述初级变换器臂包括由第三端子分隔开的第一初级臂部和第二初级臂部，所述第三端子能够连接至所述第二电网，每个初级臂部包括至少一个开关元件和/或第一链式变换器，每个初级臂部能够操作以被切换进和切换出在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间的电路，每个初级臂部能够操作以在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间传送电力；
至少一个第二链式变换器，连接至所述第三端子，所述或每个链式变换器包括多个链式模块，所述多个链式模块中的每一个能够选择性地操作以提供电压源，其中所述或每个链式变换器包括控制单元，所述控制单元配置为选择性地操作所述多个链式模块以产生不连续脉冲宽度调制电压波形；以及
控制器，配置为选择性地操作所述或每个链式变换器以控制在所述第三端子处的不连续脉冲宽度调制电压波形的形态，所述控制器包括所述或每个控制单元，所述控制器被配置为在所述不连续脉冲宽度调制电压波形的相应未调制时间段期间选择性地控制将每个初级臂部切换进在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间的电路，所述控制器被配置为选择性地协调所述初级臂部和所述或每个第二链式变换器的操作以控制在所述第三端子处的所述不连续脉冲宽度调制电压波形的形态。
2.根据权利要求1所述的电压源变换器，其中每个初级臂部能够操作以将所述第二链式变换器切换进和切换出具有所述第一端子和所述第二端子中的相应一个的电路。
3.根据权利要求1所述的电压源变换器，包括次级变换器臂，在所述第一端子与所述第二端子之间与所述初级变换器臂并联连接，所述次级变换器臂包括由连接点分隔开的第一次级臂部和第二次级臂部，每个次级臂部包括第二链式变换器，所述电压源变换器还包括连接件，互连所述第三端子和所述连接点以形成星形结构，其中所述星形结构的第一分支包括所述连接件，所述星形结构的第二分支包括所述第一次级臂部，所述星形结构的第三分支包括所述第二次级臂部，并且所述连接点限定所述星形结构的中性点。
4.根据权利要求1所述的电压源变换器，包括第一次级臂部和第二次级臂部，每个次级臂部包括第二链式变换器，所述第一次级臂部和所述第二次级臂部中的每一个与所述第一初级臂部和所述第二初级臂部中的相应一个并联连接，所述第一初级臂部和所述第三端子由第一初级电感器分隔开，所述第二初级臂部和所述第三端子由第二初级电感器分隔开，所述第一次级臂部还包括第一次级电感器，所述第二次级臂部还包括第二次级电感器。
5.根据权利要求4所述的电压源变换器，其中所述第一初级电感器的电感值高于或低于所述第一次级电感器的电感值，和/或所述第二初级电感器的电感值高于或低于所述第二次级电感器的电感值。
6.根据任一前述权利要求所述的电压源变换器，其中所述控制器被配置为操作所述或每个第二链式变换器以在两个初级臂部都被切换出在所述第三端子与所述第一端子和所述第二端子中的相应一个之间的电路时控制在所述第三端子处的电压的变化率。
7.根据任一前述权利要求所述的电压源变换器，其中所述或每个控制单元被配置为选择性地操作所述多个链式模块，以将相移添加到所述不连续脉冲宽度调制电压波形的零序分量，从而减少或消除了在产生所述不连续脉冲宽度调制电压波形期间出现的峰值电流与所述不连续脉冲宽度调制电压波形的未调制时间段之间的相位差。
8.根据任一前述权利要求所述的电压源变换器，其中所述不连续脉冲宽度调制电压波形的未调制时间段小于、大于或等于60电角度。
9.根据任一前述权利要求所述的电压源变换器，其中所述多个链式模块中的每一个包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个链式模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源。
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