CN106464160B - 电压源转换器 - Google Patents

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Abstract

电压源转换器(30)包括用于到DC网络(58)的连接的第一和第二DC端子(32，34)。电压源转换器(30)还包含连接在第一与第二DC端子(32，34)之间的至少一个分支。所述或每个分支包含：相位元件(36)，包含连接在H桥接器中以定义第一和第二对角切换对的串联连接切换元件(40)的两个并联连接集合，串联连接切换元件(36)的每个集合之间的相应结点定义用于到AC网络(50)的连接的AC端子(40)；以及子转换器(38，39)，配置成可控制以充当电压波形合成器；其中电压源转换器(30)还包含控制器(60)，该控制器(60)用来操作子转换器(38,39)以选择地合成驱动换向电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流，以便使在H桥接器的AC侧处的AC侧电流与DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，并且由此执行电流从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向。

Description

电压源转换器
技术领域
本发明涉及电压源转换器。
背景技术
在输电网中，交流(AC)功率通常转换成直流(DC)功率用于经由高架线和/或海底电缆的传输。这个转换消除用来补偿由传输线路或电缆所施加的AC电容负载效应的需要，并且由此降低线路和/或电缆的每公里成本。因而，在功率需要通过长距离来传送时，从AC到DC的转换变成节省成本的。
AC功率到DC功率的转换还用于其中必需与以不同频率操作的AC网络进行互连的输电网中。在任何这种输电网中，在AC与DC功率的每个接口处要求转换器以实现所要求转换，以及一个这种形式的转换器是电压源转换器(VSC)。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供一种电压源转换器，其包括用于到DC网络的连接的第一和第二DC端子，电压源转换器还包含连接在第一与第二DC端子之间的至少一个分支，所述或每个分支包含：
相位元件，包含连接在H桥接器中以定义第一和第二对角切换对的串联连接切换元件的两个并联连接集合，串联连接切换元件的每个集合之间的相应结点(junction)定义用于到AC网络的连接的AC端子；以及
子转换器，配置成可控制以充当电压波形合成器；
其中电压源转换器还包含控制器，该控制器用来操作子转换器以选择地合成驱动换向电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流，以便使在H桥接器的AC侧处的AC侧电流与DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，并且由此执行电流从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向。
在使用中，如图1所示，串联连接切换元件的并联连接集合可切换以互连AC和DC端子来促进AC与DC网络之间的功率的传递。串联连接切换元件的并联连接集合可在跨H桥接器的零电压来切换，以提供低开关损耗。
虽然跨H桥接器的电压在第一和第二对角切换对的切换时刻为零，但是在VSC在整功率因数(即，没有无功功率在VSC与AC网络之间交换)操作时，串联连接切换元件的并联连接集合以零电流来切换，如图2所示。但是，在操作VSC以便与AC网络交换无功功率时，串联连接切换元件的并联连接集合以高电流电平来切换，如图2所示。在极限情况下，在VSC作为静态同步补偿器进行操作时，串联连接切换元件的并联连接集合以接近额定电流(即，1.0每单位电流)的电流电平来切换。
另外，如图3所图示，串联连接切换元件的并联连接集合的切换在H桥接器的DC侧上的DC侧电感62(其能够在300μH至400μH的范围中)(其可通过VSC组件来贡献(contribute))存在的情况下以及在H桥接器的AC侧上的AC侧电感64(其通过转换器变压器和其他网络电感阻抗来贡献)存在的情况下执行。
在串联连接切换元件的并联连接集合的切换期间，以AC和DC侧电流的幅度和/或方向的不同等级将AC和DC侧电感相互串联连接导致用来均衡AC和DC侧电流所要求的电流中的突然变化。这是因为与具有无功功率流的AC侧电流相比，串联连接切换元件的并联连接集合的切换固有地引起DC侧电流的快速反向。这意味着迫使AC和DC侧电感进行与最初相反的电流方向的直接串联连接。这在AC与DC侧电感之间形成公共串联电流通路时又将固有地引起大(和潜在破坏)电压瞬变。
按照本发明的电压源转换器中的控制器的提供实现子转换器的如下的操作：在对第一与第二对角切换对之间的电流进行换向时使AC与DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，并且由此实现第一和第二对角切换对的安全电流切换。这不仅防止在AC与DC侧电感之间形成公共串联电流通路时的大电压瞬变的发生，而且还消除了用来在H桥接器的DC侧处连接高压换向电容器的需要，因而改进换向操作的可靠性，并且提供VSC的成本、大小和重量方面的节省。
控制器可配置成操作子转换器以选择地合成驱动换向电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流，以便在对第一与第二对角切换对之间的电流进行换向时使H桥接器的AC侧处的AC侧电流与DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，并且由此实现第一和第二对角切换对的安全电流切换。
可选地，控制器可配置成操作子转换器来合成驱动换向电压以修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流以便消除DC侧电流与AC侧电流之间的幅度和方向中的任何差。这意味着，DC侧与AC侧电流之间的幅度中的任何差将会减小为零，因而导致在开关换向时的极少或没有(little to no)电压扰动。
将领会，驱动换向电压可以为正的或负的，这取决于AC侧电流的方向。
按照本发明的电压源转换器的配置可变化以便能够执行其功能。
子转换器可与相位元件并联连接。子转换器和相位元件的这种并联连接准许子转换器的如下的操作：支持出现于DC端子两端的DC网络的DC电压的至少部分。这消除对单独子转换器用来支持出现于第一和第二DC端子两端的DC网络的DC电压的至少部分的需要，因而提供电压源转换器的大小、重量和成本方面的节省。
子转换器可与H桥接器串联连接。子转换器和H桥接器的这种串联连接准许子转换器的如下的操作：以出现于DC端子两端的DC网络的DC电压的最小影响合成驱动换向电压，因而保持跨DC端子的高质量DC电压，并且由此使换向操作对DC侧功率质量可能具有的任何不利影响为最小(或者消除)。
子转换器可在H桥接器的DC侧处与H桥接器串联和/或并联连接。子转换器可在H桥接器的DC侧处与包含相位元件的电气块(electrical block)并联连接。
每个切换元件可包含至少一个有源切换装置，其与反并联无源电流校验元件并联连接。
所述或每个有源切换装置可采取自换向切换装置的形式。所述或每个自换向切换装置可以是绝缘栅双极晶体管、栅关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成栅换向晶闸管或者任何其他自换向切换装置。每个切换元件中的有源切换装置的数量可根据那个切换元件的所要求电压和电流额定而变化。
所述或每个无源电流校验元件可包含至少一个无源电流校验装置。所述或每个无源电流校验装置可以是能够仅在一个方向上限制电流的任何装置、例如二极管。每个无源电流校验元件中的无源电流校验装置的数量可根据那个无源电流校验元件的所要求电压和电流额定而变化。
子转换器可以是多电平转换器。
子转换器可包含至少一个模块，所述或每个模块可操作以选择地提供电压源。在子转换器中至少一个模块的包含为子转换器提供合成预期电压波形的可靠部件。
子转换器中的所述或每个模块的配置可变化，以使它能够选择地提供电压源。
例如，所述或每个模块可包含至少一个模块开关和至少一个能量存储装置，所述或每个模块中的所述或每个模块开关和所述或每个能量存储装置组合以选择地提供电压源。所述或每个能量存储装置可以是能够存储和释放能量的任何装置，例如电容器、燃料电池或电池组。
在本发明的实施例中，所述或每个模块中的所述或每个模块开关和所述或每个能量存储装置可组合以选择地提供单向电压源。例如，所述或每个模块可包含一对模块开关，其按照半桥布置与能量存储装置并联连接，以定义能够提供零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。
在本发明的其他实施例中，所述或每个模块中的所述或每个模块开关和所述或每个能量存储装置可组合以选择地提供双向电压源。例如，所述或每个模块可包含两对模块开关，其按照全桥布置与能量存储装置并联连接，以定义能够提供负、零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。
子转换器可包含多个串联连接模块，其定义链式链路(chain-link)转换器。链式链路转换器的结构准许到链式链路转换器每个提供其自己的电压来跨链式链路转换器的组合电压的积聚，该组合电压高于从其个别模块的每个可用的电压。按照这种方式，每个模块中的所述或每个模块开关的切换使链式链路转换器提供阶跃可变电压源，其准许使用阶跃近似跨链式链路转换器的电压波形的生成。因此，链式链路转换器能够提供大范围的复合电压波形。
所述或每个能量存储装置可以是能够存储和释放能量的任何装置，例如电容器、燃料电池或电池组。
控制器配置成操作子转换器以选择地修改其输出电压以使H桥接器的DC侧处的DC电压为最小。这不仅准许在跨H桥接器的零电压来切换第一和第二对角切换对以提供低开关损耗，而且还消除对于用来使H桥接器的DC侧处的DC电压为最小的附加硬件的需要。
控制器可配置成在操作子转换器以合成驱动换向电压时选择地切换串联连接切换元件的并联连接集合，以形成AC短路器(crowbar)。AC短路器定义电流通路，其准许H桥接器电流的至少部分在AC端子之间流动，并且旁路H桥接器的DC侧。
控制器可配置成在操作子转换器以合成驱动换向电压时选择地切换串联连接切换元件的并联连接集合的至少一个，以形成DC短路器。DC短路器定义电流通路，其准许H桥接器电流的至少部分在H桥接器的DC侧中流动，并且旁路H桥接器的AC侧。
控制器可配置成在操作子转换器以合成驱动换向电压时选择地切换串联连接切换元件的并联连接集合，以同时形成AC和DC短路器。
AC短路器和/或DC短路器按照这种方式的形成帮助防止DC侧电流反向(其将会以别的方式在第一和第二对角切换对的各切换时刻导致大电压瞬变)的发生。否则，大电压瞬变的发生可引起转换器破坏和电磁干扰问题，这对于其中第一和第二对角切换对的切换连续并且重复发生的实际转换器站是不可接受的。因此，用来形成AC短路器和/或DC短路器的能力增强电压源转换器安全并且可靠地执行换向操作的能力。
控制器还可配置成操作子转换器，以在AC端子处的AC电压的零交叉周期期间选择地执行电流从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向。这防止换向操作显著地修改AC端子处的AC电压，因而保持AC端子处的高质量AC电压，并且由此使换向操作对AC侧功率质量可能具有的任何不利影响为最小(或消除)。
在每个切换元件包含与反并联无源电流校验元件并联连接的有源切换装置时，控制器可配置成控制第一和第二对角切换对的切换的定时，以在驱动换向电压的合成期间防止电流从反并联无源电流校验元件到相同切换元件的有源切换装置的传递。这防止有源切换装置以有限电流切换，这将会引起较高开关损耗。
在每个切换元件包含与反并联无源电流校验元件并联连接的有源切换装置时，控制器可配置成控制第一和第二对角切换对的切换的定时，以在驱动换向电压的合成期间准许电流从有源切换装置到相同切换元件的反并联无源电流校验元件的传递。这确保在切换之前没有有限电流在有源切换装置中流动，因而使开关损耗为最小。控制器可配置成操作子转换器，以在电流从有源切换装置到反并联无源电流校验元件的传递之后提供电压将反并联无源电流校验元件中的电流驱动为零。
每个切换元件可包含至少一个第一切换装置，其与至少一个第二切换装置反串联连接，以便为H桥接器提供正向和反向电压能力。按照这种方式配置H桥接器的切换元件准许电压源转换器的如下的操作：可靠地执行电流对两种AC侧电流方向从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向。例如，控制器可配置成在驱动换向电压的合成期间切换切换元件，以将电气旁路中的每个第一切换装置配置成并且将至少一个第二切换装置配置成支持驱动换向电压的至少部分。
为了本说明书的目的，电气旁路中的切换装置的配置与切换装置的配置同步，以准许电流流经其中。
相比之下，在电压源转换器中的具有单向电压能力(即，H桥接器不能支持正向和反向两种电压)的H桥接器的使用意味着，电压源转换器能够仅对一个AC侧电流方向而不是两个方向可靠地执行电流从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向，因而限制电压源转换器的电流换向能力。
第一和第二切换装置的相应数量可被选择以便为H桥接器提供不对称正向和反向电压能力。按照这种方式配置H桥接器准许电压源转换器中的切换装置的数量的优化，同时满足换向操作的要求。
电压源转换器可包含多个分支。每个分支的相位元件经由其AC端子可以可连接到多相AC网络的相应相。多个分支可串联连接在第一与第二DC端子之间。
附图说明
现在作为非限制性示例、关于附图来描述本发明的优选实施例，附图包括：
图1a至图1c通过示意形式示出按照本发明的第一实施例的电压源转换器；
图2通过示意形式图示在VSC在整功率因数操作时并且在操作VSC以便与AC网络交换无功功率时在图1a的VSC的H桥接器的AC和DC侧处的电流中的变化；
图3通过示意形式图示H桥接器的DC侧上的DC侧电感的存在和H桥接器的AC侧上的AC侧电感的存在；
图4通过示意形式图示图1a的电压源转换器的第一换向操作；
图5通过示意形式图示在正驱动换向电压不存在的情况下的图1a的VSC的操作；
图6通过示意形式图示在负驱动换向电压不存在的情况下的图1a的VSC的操作；
图7a和图7b通过示意形式图示图1a的电压源转换器的第二换向操作；
图8a和图8b通过示意形式图示图1a的电压源转换器的第三换向操作；
图9通过示意形式图示图1a的VSC的AC端子处的阶跃AC电压的零交叉周期；
图10通过示意形式图示在图1a的电压源转换器的换向操作期间的不同时间关断IGBT的结果；
图11通过示意形式示出按照本发明的第二实施例的电压源转换器；
图12通过示意形式示出按照本发明的第三实施例的电压源转换器的H桥接器；以及
图13a和图13b通过示意形式图示图12的电压源转换器的换向操作。
具体实施方式
按照本发明的第一实施例的第一电压源转换器30在图1a中示出。
第一电压源转换器30包括第一和第二DC端子32、34、多个相位元件36、多个辅助子转换器38以及多个第三(tertiary)子转换器39。
每个相位元件36包含连接在H桥接器中以定义第一和第二对角切换对的串联连接切换元件40的两个并联连接集合。串联连接切换元件40的每个集合之间的相应结点定义AC端子42。
在使用中，每个相位元件36的AC端子42通过多个开口二次变压器绕组44的相应绕组来互连。每个二次变压器绕组44与多个一次变压器绕组46的相应绕组相互耦合。多个一次变压器绕组46按照星形配置来连接，其中每个一次变压器绕组46的第一端连接到公共结点48，以及每个一次变压器绕组46的第二端连接到三相AC网络50的相应相。按照这种方式，在使用中，每个相位元件36的AC端子42连接到三相AC网络50的相应相。
公共结点48定义多个一次变压器绕组46的中性点并且接地(未示出)。
每个相位元件36的H桥接器与多个第三子转换器39的相应子转换器串联连接，以定义电气块。每个辅助子转换器38与电气块的相应电气块并联连接，以形成分支。
每个子转换器38、39包含多个模块52。
每个辅助子转换器38的每个模块52包含一对模块开关54以及采取电容器形式的能量存储装置56。在每个辅助子转换器38中，模块开关对54按照半桥布置与电容器56并联连接，以定义能够提供零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，如图1b所示。
每个第三子转换器39的每个模块52包含两对模块开关54以及采取电容器形式的能量存储装置56。在每个第三子转换器39中，模块开关对54按照全桥布置与电容器56并联连接，以定义能够提供负、零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，如图1c所示。
多个分支串联连接在第一与第二DC端子32、34之间。在使用中，第一和第二DC端子32、34分别连接到DC网络58的第一和第二端子，DC网络58的第一端子携带正DC电压，DC网络58的第二端子携带负DC电压。
如上所述的每个分支的配置意味着，在使用中，DC电压出现于每个相位元件36的串联连接切换元件40的并联连接集合两端。
因此，在使用中，每个相位元件36的H桥接器互连DC电压和AC电压，即，每个相位元件36的H桥接器互连DC侧和AC侧。
每个切换元件40和模块开关54包含单个有源切换装置。每个切换元件40和模块开关54还包含无源电流校验元件，其与每个有源切换装置反并联连接。
每个有源切换装置采取绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式。设想在本发明的其他实施例中，每个IGBT可由栅关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成栅换向晶闸管或者任何其他自换向切换装置来取代。每个切换元件和模块开关中的有源切换装置的数量可根据切换元件和模块开关的所要求的相应电压额定而变化。
每个无源电流校验元件包含采取二极管形式的无源电流校验装置。设想在其他实施例中，每个二极管可由能够仅在一个方向上限制电流的任何其他装置来取代。每个无源电流校验元件中的无源电流校验装置的数量可根据无源电流校验元件的所要求的相应电压额定而变化。
为了本说明书的目的，术语“上”和“下”预计识别相同集合中的切换元件40，由此上和下切换元件通过定义AC端子42的相应结点来分隔。在所示实施例中，相位元件相对于DC端子32、34的连接意味着，每个上切换元件40在第一DC端子32与相应AC端子42之间延伸，以及每个下切换元件40在第二DC端子34与相应AC端子42之间延伸。术语“上”和“下”还预计类似地识别切换元件40的组件，即，上和下IGBT以及上和下二极管。
还设想在本发明的其他实施例中，每个电容器可由能够存储和释放能量的另一种类型的能量存储装置(例如燃料电池或电池组)来取代。
每个子转换器38、39中的多个串联连接模块52定义链式链路转换器。
通过改变模块开关54的状态，每个模块52的电容器56选择地被旁路或插入到链式链路转换器中。这选择地引导电流经过电容器56或者使电流旁路电容器56，使得模块52在每个辅助子转换器38的情况下提供零或正电压，以及模块52在每个第三子转换器39的情况下提供负、零或正电压。
在模块52中的模块开关54配置成形成模块52中的短路时，旁路模块52的电容器56。这使链式链路转换器中的电流经过短路并且旁路电容器56，以及因此模块52提供零电压，即，模块52按照旁路模式来配置。
在模块52中的模块开关54配置成允许链式链路转换器中的电流流入和流出电容器56时，模块52的电容器56插入到链式链路转换器中。电容器56然后充电或者排放其存储能量，以便提供非零电压，即，模块52按照非旁路模式来配置。
设想在本发明的其他实施例中，每个模块可由可操作以选择地提供电压源的另一种类型的模块(例如包含至少一个模块开关和至少一个能量存储装置的另一种类型的模块)来取代，所述或每个模块中的所述或每个模块开关和所述或每个能量存储装置组合以选择地提供电压源。
链式链路转换器的结构准许经由插入各将其自己的电压提供的多个模块52的能量存储装置56到链式链路转换器中而跨链式链路转换器的组合电压的积聚，该组合电压高于从其个别模块52的每个可用的电压。按照这种方式，每个模块52中的每个模块开关54的切换使链式链路转换器提供阶跃可变电压源，其准许使用阶跃近似跨链式链路转换器的电压波形的生成。因此，每个链式链路转换器能够提供大范围的复合电压波形。
每个分支中的辅助子转换器38和电气块的并联连接准许辅助子转换器38选择地充当电压波形合成器，以便合成电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流。另外，辅助子转换器38和电气块的并联连接准许辅助子转换器38的以下操作：支持出现于DC端子32、34两端的DC网络58的DC电压的部分。
每个分支中的第三子转换器39和H桥接器的串联连接准许第三子转换器39选择地充当电压波形合成器，以便合成电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流。
设想在本发明的其他实施例中，每个辅助子转换器的配置可变化，只要每个辅助子转换器能够选择地充当电压波形合成器，以便合成电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流，以及每个第三子转换器的配置可变化，只要每个第三子转换器能够选择地充当电压波形合成器，以便合成电压来修改H桥接器的DC侧处的DC侧电流。例如，每个辅助子转换器可以是多电平转换器，和/或每个第三子转换器可以是多电平转换器。
第一电压源转换器30还包含控制器60，其配置成操作辅助和第三子转换器38、39。
第一电压源转换器30的操作关于图2至图10描述如下。
在使用中，如图2所示，串联连接切换元件40的并联连接集合可切换以互连AC和DC端子42、32、34，以促进AC与DC网络50、58之间的功率的传递。
串联连接切换元件40的并联连接集合在跨H桥接器的零电压来切换，以提供低开关损耗。零电压经过控制器60施加于H桥接器两端，该控制器60操作辅助和第三子转换器38、39以选择地将相应输出电压减小为零，以便使H桥接器的DC侧处的DC电压为最小。这不仅准许在跨H桥接器的零电压来切换串联连接切换元件40的并联连接集合以提供低开关损耗，而且还消除对于用来使H桥接器的DC侧处的DC电压为最小的附加硬件的需要。
切换串联连接切换元件40的并联连接集合以促进AC与DC网络50、58之间的功率的传递要求电流从第一对角切换对换向到第二对角切换对以及反之亦然。取决于H桥接器的AC侧处的AC侧电流的方向，在电流从第一对角切换对到第二对角切换对(并且反之亦然)的换向期间，要求电流从上二极管换向到切换元件40的相同集合的下IGBT或者从上IGBT换向到切换元件40的相同集合的下二极管。
为了本说明书的目的，关于电流从第一对角切换对到第二对角切换对的换向来描述用来执行电流的换向的第一电压源转换器30的操作。将领会，用来执行电流从第一对角切换对到第二对角切换对的换向的第一电压源转换器30的所述操作已作必要修正应用于用来执行电流从第二对角切换对到第一对角切换对的换向的第一电压源转换器30的操作。
如图3所图示，串联连接切换元件40的并联连接集合的切换在H桥接器的DC侧上的DC侧电感62(其由辅助和第三子转换器38、39的模块52以及用来将H桥接器连接到辅助和第三子转换器38、39的汇流条来贡献)存在的情况下以及在AC侧电感64(其由H桥接器的AC侧上的变压器绕组44、46和其他网络电感阻抗来贡献)存在的情况下执行。
在串联连接切换元件40的并联连接集合被切换以准许电流从上二极管传递到切换元件40的相同集合的下IGBT时，控制器60在第一换向操作中操作辅助子转换器38选择地合成正驱动换向电压66，以便将H桥接器的DC侧处的DC侧电流驱动68为零，并且然后将它驱动为等于H桥接器的AC侧处的AC侧电流的负值，如图4所示。驱动换向电压66行动以反向偏置上二极管。一旦DC侧电流的方向反向，则它能够在下IGBT中安全地流动。换言之，驱动换向电压66的合成使DC侧电流与AC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，因而实现电流从上二极管到切换元件40的相同集合的下IGBT的换向。
在没有驱动换向电压66的情况下，第一和第二对角切换对的切换不足以将电流从第一对角切换对传递到第二对角切换对，如图5所示。
图4中，第三子转换器39描绘为在由辅助子转换器38对正驱动换向电压66的合成期间提供跨其中的零电压。设想正驱动换向电压66可由第三子转换器39而不是辅助子转换器38来合成。
图4所示的第一换向操作有利地防止以AC侧和DC侧电流的幅度和方向的不同等级的相互串联AC和DC侧电感64、62的直接串联连接(这将会导致用来均衡AC侧和DC侧电流所要求的电流中的突然变化)。电流中的突然变化在AC与DC侧电感64、62之间形成公共串联电流通路时又将会固有地引起大(和潜在破坏)电压瞬变。
在串联连接切换元件40的并联连接集合被切换以准许电流从上IGBT传递到切换元件40的相同集合的下二极管时，H桥接器电流最初在第一对角切换对的IGBT中流动，如图6所示。因此，在第一对角切换对的IGBT关断时，电流突然中断，并且必须在第二对角切换对的IGBT中流动，因为不存在可用的其他续流二极管通路，因而导致突然的DC侧电流反向。能够看到，通过第一对角切换对的IGBT的强制关断将电流从上IGBT换向到切换元件40的相同集合的下二极管是成问题的。
为了使电流安全并且可靠地从上IGBT换向到切换元件40的相同集合的下二极管，必须满足下面几点：
·●AC侧电流应当保持标称恒定；
·●DC侧电流应当被控制成反向并且等于AC侧电流；
·●AC侧电流应当暂时包含在H桥接器内；
·●应当应用相对DC网络58的短路器；
·●要求负驱动换向电压的合成。
第二换向操作关于图7a和图7b执行如下。
如前面的一样，零电压经过控制器60施加于H桥接器两端，该控制器60操作辅助和第三子转换器38、39以选择地将其输出电压减小为零，以便使H桥接器的DC侧处的DC电压为最小。
切换元件40的并联连接集合的所有IGBT切换到其通态，这导致AC和DC短路器的同时形成。AC短路器定义电流通路，其准许H桥接器电流的至少部分在AC端子42之间流动，并且旁路H桥接器的DC侧。DC短路器定义电流通路，其准许H桥接器电流的至少部分在H桥接器的DC侧中流动，并且旁路H桥接器的AC侧。在这个方面，DC短路器的形成仅影响相应分支，而不影响其他两个分支。
控制器则操作第三子转换器39以选择地合成负驱动换向电压67，其依靠所有IGBT切换到其通态来直接施加到DC侧电感62。
最初，DC侧电流通过驱动换向电压来驱动到500A，其中在第一对角切换对的IGBT中流动的电流从1000A改变成750A，并且其中在第二对角切换对的IGBT中流动的电流从0改变成250A。驱动换向电压继续减小DC侧电流，直至它减小为零。此后，驱动换向电压行动以使DC侧电流反向，并且然后将DC侧电流驱动为等于AC侧电流的负值，由此将电流从上IGBT换向到切换元件40的相同集合的下二极管，并且由此完成从第一对角切换对到第二对角切换对的电流换向。
一旦换向操作完成，第一对角切换对的IGBT能够以零电流切断(即，软切换)，以及第三子转换器39的模块52能够按照其旁路模式来配置，即，第三子转换器39的每个模块52配置成提供零电压，直到要求它们提供电压源。
AC和DC短路器按照这种方式的形成帮助防止DC侧电流反向(其将会以别的方式在第一和第二对角切换对的每个切换时刻导致大电压瞬变)的发生。否则，大电压瞬变的发生可引起转换器破坏和电磁干扰问题，这对于其中第一和第二对角切换对的切换连续并且重复发生的实际转换器站是不可接受的。因此，用来形成AC和DC短路器的能力增强第一电压源转换器30用来安全并且可靠地执行换向操作的能力。
执行第三换向操作，以执行电流从上二极管到下IGBT的换向，如图8a和图8b所示。第三换向操作与第二换向操作相同，除了控制器60操作辅助子转换器38(如图8a和图8b所示)以选择地合成正驱动换向电压66，以便将DC侧电流驱动为零，并且然后将它驱动为等于AC侧电流的负值，以及由此执行电流从上二极管到切换元件40的相同集合的下IGBT的换向。与第一换向操作类似，设想，可操作第三子转换器39而不是辅助子转换器38来合成正驱动换向电压66。
设想在本发明的其他实施例中，辅助子转换器38可配置成包含至少一个模块，其可操作以选择地提供双向电压源。例如，辅助子转换器38的至少一个模块可包含两对模块开关，其按照全桥布置与能量存储装置并联连接，以定义能够提供负、零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。将辅助子转换器38的至少一个模块配置成可操作以选择地提供电压源使辅助子转换器38能够合成负驱动换向电压67。
图1a的第一电压源转换器30中的控制器60的提供实现辅助和第三子转换器38、39任一个或两者的如下的操作：在对第一与第二对角切换对之间的电流进行换向时消除AC与DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差，并且由此实现第一和第二对角切换对的安全电流切换。这不仅防止在AC与DC侧电感64、62之间形成公共串联电流通路时的大电压瞬变的发生，而且还消除了用来在H桥接器的DC侧处连接大高压换向电容器的需要，因而改进换向操作的可靠性，并且提供第一电压源转换器30的成本、大小和重量方面的节省。
可选地，控制器60可配置成操作辅助和第三子转换器38、39的任一个或两者来合成驱动换向电压，以修改DC侧电流，以便使DC侧电流与AC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小而不是消除。这意味着，DC侧与AC侧电流之间的幅度中的任何差将会减小为接近零值而不为零。
图1a的第一电压源转换器30的配置使AC和DC侧功率质量的影响为最小。
首先，在上述第二和第三换向操作期间，AC和DC短路器的形成导致零电压出现在AC端子42处。在VSC的正常操作中，操作H桥接器和子转换器38、39，以便在AC端子42处生成正弦AC电压的阶跃近似。阶跃近似意味着，AC端子42处的AC电压将具有自然有限零交叉周期70，如图9所示。因此，控制器60可配置成操作辅助和第三子转换器38、39的任一个或两者，以便在AC端子42处的AC电压的每个零交叉周期70期间选择地执行电流从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向。这防止换向操作显著的修改AC端子42处的AC电压，因而保持AC端子42处的高质量AC电压，并且由此使换向操作对AC侧功率质量可能具有的任何不利影响为最小(或消除)。
其次，第三子转换器39和H桥接器的串联连接准许第三子转换器39而不是辅助子转换器38的如下的操作：以出现于DC端子32、34两端的DC网络58的DC电压的最小影响合成驱动换向电压，因而保持跨DC端子32、34的高质量DC电压，并且由此使换向操作对DC侧功率质量可能具有的任何不利影响为最小(或者消除)。
在第二和第三换向操作的每个的期间，AC和DC侧电流的幅度和方向在一个阶段将相等。这时，AC短路器能够通过关断IGBT的两个被去除。这些IGBT的关断的定时对确保第一与第二对角切换对之间的电流的正确换向是关键的。
在第二换向操作中，如果相关IGBT在AC侧和DC侧电流的幅度相等之前关断，则这些IGBT将以流经其中的有限电流来关断，如图10所示。这将导致通过在AC和DC侧电感64、62串联连接时它们中流动的电流中的差所创建的固有电压瞬变。因此，相关IGBT可在DC侧电流的幅度已超过AC侧电流之后关断，以防止固有电压瞬变的创建。
另一方面，在第二换向操作中，如果相关IGBT在DC侧电流的幅度已超过AC侧电流之后关断，则每个关断IGBT中的电流将传递到对应反并联二极管，如图10所示。这意味着，相关IGBT的关断将对H桥接器中的电流没有直接影响。在这些情况下，通过操作辅助和第三子转换器38、39的任一个或两者来提供电压来在电流从关断IGBT到反并联二极管的传递之后将反并联二极管中的电流驱动为零，反并联二极管能够以零电流安全地关断，如图10所示。这种电压也能够在辅助和第三子转换器38、39的任一个或两者构成H桥接器的DC侧处的整流正弦电压的正常过程中提供。
按照这种方式，控制器配置成控制第一和第二对角切换对的切换的定时，以便在驱动换向电压的合成期间准许电流从IGBT到相同切换元件40的反并联二极管的传递。这确保在关断之前没有有限电流在IGBT中流动，因而使开关损耗为最小。
在第三换向操作中，如果相关IGBT在DC侧电流的幅度已超过AC侧电流之后关断，则对应反并联二极管中的电流将在相关IGBT关断之前已传递到相应IGBT。因此，这些IGBT将以流经其中的有限电流关断，因而导致早先所述的固有电压瞬变。为了防止固有电压瞬变的创建，控制器60配置成在AC侧和DC侧电流的幅度和方向变为相等之前关断相关IGBT。
按照这种方式，控制器配置成控制第一和第二对角切换对的切换的定时，以便在驱动换向电压的合成期间防止电流从反并联二极管到相同切换元件40的IGBT的传递。这防止IGBT以有限电流来切换。
按照本发明的第二实施例的第二电压源转换器130在图11中示出。第二电压源转换器130的结构和操作与图1a的第一电压源转换器30类似，并且相似特征共用相同参考数字。
第二电压源转换器130与第一电压源转换器30不同之处在于，第二电压源转换器130的每个相位元件36省略了相应第三子转换器39。
如早先所提及，为了使辅助子转换器38能够合成负驱动换向电压67，辅助子转换器38可配置成包含至少一个模块，其可操作以便选择地提供双向电压源。
按照本发明的第三实施例提供一种第三电压源转换器。第三电压源转换器的结构和操作与图1a的第一电压源转换器30类似，并且相似特征共用相同参考数字。
第三电压源转换器与第一电压源转换器30不同之处在于，每个切换元件40包含多个第一IGB 72，其与多个第二IGBT 74反串联连接，以便为H桥接器提供正向和反向电压能力，如图12所示。每个IGBT 72、74与采取单个二极管形式的反并联无源电流校验元件并联连接。
第一IGBT 72的数量选择为高于第二IGBT 74的数量，以便为H桥接器提供不对称正向和反向电压能力。在所示实施例中，H桥接器的正向电压能力高于H桥接器的反向电压能力。所要求的反向电压能力的等级(并且因此第二IGBT 74的数量)通过换向操作的要求来确定。
关于早先所述的第一换向操作，控制器60操作辅助子转换器38来合成正驱动换向电压66，以实现电流从上二极管到切换元件40的相同集合的下IGBT的软换向。电流从上IGBT到切换元件40的相同集合的下二极管的类似软换向要求用来合成负驱动换向电压67的第三子转换器39的操作。但是，第一电压源转换器30的H桥接器的配置意味着，切换元件40不能支持负驱动换向电压67，因为将迫使反并联二极管进行未控制传导。
将切换元件40配置成为H桥接器提供正向和反向电压能力准许第三电压源转换器的如下的操作：可靠地执行电流不仅从上二极管到切换元件40的相同集合的下IGBT的换向而且还从上IGBT到切换元件40的相同集合的下二极管的换向，其后者描述如下。
在换向操作之前，操作辅助子转换器38，以便注入正电压阶跃76，其穿过偏移整流正弦。正电压阶跃的注入意味着，与第二IGBT 74对应的反并联二极管被正向偏置，并且由此不能够支持任何电压，如图13a所示。同时，第二IGBT 74接通，使得每个第二IGBT二极管对形成传导AC开关，以及切换元件40的两个的第一IGBT 72关断，以允许其对应二极管支持电压。
在要求从上IGBT到切换元件40的相同集合的下二极管的换向时，控制器60操作第三子转换器39，以合成负驱动换向电压67。在这个阶段，控制器60在负驱动换向电压67的合成期间切换切换元件40，以便配置电气旁路中的每个第一IGBT 72，并且关断切换元件40的两个的第二IGBT 74，以允许其对应二极管支持电压，如图13a所示。同时，与第一IGBT 72对应的反并联二极管被正向偏置，并且不能支持负驱动换向电压67。
图13b图示通过负驱动换向电压67对DC侧电流的修改，以便使DC侧电流与AC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小。在DC侧电流达到零时，与关断的第二IGBT74对应的二极管自然关断，以及关断的第二IGBT二极管对在其断态操作，以支持负驱动换向电压67。此后，第三电压源转换器配置成回复到其换向前操作配置，其中操作辅助子转换器38以注入穿过偏移整流正弦的正电压阶跃，与第二IGBT 74对应的反并联二极管被正向偏置，并且由此不能支持任何电压，接通第二IGBT 74，使得每个第二IGBT二极管对形成传导AC开关，以及切换元件40的两个的第一IGBT 72关断，以允许其对应二极管支持电压。
相比之下，在电压源转换器中具有单向电压能力(即，H桥接器不能支持正向和反向两种电压)的H桥接器的使用意味着，这种电压源转换器能够仅对一个AC侧电流方向而不是两个方向可靠地执行电流从第一和第二对角切换对中的一个到第一和第二对角切换对的另一个的换向，因而限制这种电压源转换器的电流换向能力。
第一和第二IGBT 72、74的相应数量可变化，以便为H桥接器提供正向和反向电压能力的范围。按照这种方式配置H桥接器准许第三电压源转换器中的IGBT 72、74的数量的优化，同时满足换向操作的要求。
在所示实施例中，每个相位元件36的AC端子连接到三相AC网络50的相应相。设想在其他实施例中，电压源转换器中的分支的数量可随多相AC网络的相数而变化，以及每个相位元件的AC端子可连接到多相相位AC网络的相应相。设想在其他实施例中，电压源转换器可包含单个分支，以及每个相位元件的AC端子可连接到单相AC网络。

Claims (19)

1.一种电压源转换器，包括用于到DC网络的连接的第一和第二DC端子，所述电压源转换器还包含至少一个分支，所述至少一个分支串联连接在所述第一与第二DC端子之间，所述至少一个分支中的每一个包含：
相位元件，配置成H桥接器拓扑，包含以定义第一和第二对角切换对的串联连接切换元件的两个并联连接集合，串联连接切换元件的所述两个并联连接集合中的每个中的元件之间的连接点定义用于到AC网络的连接的AC端子；以及
子转换器，在所述H桥接器的所述DC侧处与所述H桥接器串联和/或并联连接，并配置成可控制以充当电压波形合成器；
其中所述电压源转换器还包含控制器，所述控制器用来操作所述子转换器以选择地合成驱动换向电压来修改所述H桥接器的DC侧处的DC侧电流，以便使在所述H桥接器的AC侧处的AC侧电流与所述DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，并且由此执行从所述第一和第二对角切换对中的一个到另一个的换向。
2.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成操作所述子转换器以选择地合成所述驱动换向电压来修改所述H桥接器的所述DC侧处的所述DC侧电流，以便在所述第一与第二对角切换对之间进行换向时使所述H桥接器的所述AC侧处的所述AC侧电流与所述DC侧电流之间的幅度和方向中的任何差为最小，并且由此实现所述第一和第二对角切换对的安全电流切换。
3.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成操作所述子转换器以合成所述驱动换向电压来修改所述H桥接器的DC侧处的DC侧电流，以便消除所述DC侧电流与所述AC侧电流之间的幅度和方向中的任何差。
4.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，每个切换元件包含与反并联无源电流校验元件并联连接的至少一个有源切换装置。
5.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述子转换器包含至少一个模块，所述至少一个模块操作以选择地提供电压源。
6.如权利要求5所述的电压源转换器，其中，所述每个模块包含至少一个模块开关和至少一个能量存储装置，所述每个模块中的所述每个模块开关和所述每个能量存储装置组合以选择地提供电压源。
7.如权利要求5所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成操作所述子转换器以选择地修改其输出电压，以便使所述H桥接器的所述DC侧处的DC电压为最小。
8.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成在操作所述子转换器以合成所述驱动换向电压时选择地切换串联连接切换元件的所述两个并联连接集合，以形成AC短路器，所述AC短路器定义电流通路，其准许H桥接器电流的至少部分在所述AC端子之间流动，并且旁路所述H桥接器的所述DC侧。
9.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成在操作所述子转换器以合成所述驱动换向电压时选择地切换串联连接切换元件的所述两个并联连接集合中的至少一个，以形成DC短路器，所述DC短路器定义电流通路，其准许H桥接器电流的至少部分在所述H桥接器的所述DC侧中流动，并且旁路所述H桥接器的所述AC侧。
10.如权利要求8或9所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成在操作所述子转换器以合成所述驱动换向电压时选择地切换串联连接切换元件的所述两个并联连接集合，以便同时形成所述AC和DC短路器。
11.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，所述控制器还配置成操作所述子转换器以在所述AC端子处的AC电压的零交叉期间选择地执行电流从所述第一和第二对角切换对中的一个到另一个的换向。
12.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，每个切换元件包含与反并联无源电流校验元件并联连接的有源切换装置，并且所述控制器配置成控制所述第一和第二对角切换对的切换的定时以在所述驱动换向电压的合成期间防止电流从所述反并联无源电流校验元件到相同切换元件的所述有源切换装置的传递。
13.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，每个切换元件包含与反并联无源电流校验元件并联连接的有源切换装置，并且所述控制器配置成控制所述第一和第二对角切换对的切换的定时以在所述驱动换向电压的合成期间准许电流从所述有源切换装置到相同切换元件的所述反并联无源电流校验元件的传递。
14.如权利要求13所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成操作所述子转换器以在电流从所述有源切换装置到所述反并联无源电流校验元件的传递之后提供电压来将所述反并联无源电流校验元件中的电流驱动为零。
15.如权利要求1所述的电压源转换器，其中，每个切换元件包含至少一个第一切换装置，所述第一切换装置与至少一个第二切换装置反串联连接，以便为所述H桥接器提供正向和反向电压能力。
16.如权利要求15所述的电压源转换器，其中，所述控制器配置成在所述驱动换向电压的合成期间切换所述切换元件以将所述相位元件中的每个第一切换装置配置成并且将至少一个第二切换装置配置成支持所述驱动换向电压的至少部分。
17.如权利要求15或16所述的电压源转换器，其中，通过对第一和第二切换装置的相应数量的选择，使得所述H桥接器提供不对称正向和反向电压能力。
18.如权利要求1所述的电压源转换器，包含多个分支，每个分支的所述相位元件经由其AC端子可连接到多相AC网络的相应相。
19.如权利要求18所述的电压源转换器，其中，所述多个分支串联连接在所述第一与第二DC端子之间。
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