CN107925364A - 电压源转换器 - Google Patents

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F.J.莫雷诺穆尼奥斯
P.布里夫
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Abstract

提供一种电压源转换器(30)，包括：多个端子(32、34、42)；连接在所述多个端子(32、34、42)之间的多个切换元件和多个能量存储装置，每个能量存储装置用于存储和释放能量以提供电压，所述多个切换元件被布置成可切换以控制通过每个能量存储装置的电流流动；以及控制器(62)，所述控制器(62)被编程以在能量调节模式下操作来：(i)将所述多个能量存储装置中的一个或多个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个能量存储装置中的一个或多个其它能量存储装置指定为一个或相应的第二能量存储装置；(ii)确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量；(iii)控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置以便将缓冲能量存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量，其中所述或每个第二能量存储装置中的存储的缓冲能量或所述提供的能量存储容量对应于所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的所确定量；以及(iv)控制所述多个切换元件的切换以迫使共用电流流经所述第一和第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的所述能量存储容量。

Description

电压源转换器
技术领域
本发明涉及电压源转换器且涉及操作电压源转换器的方法。
背景技术
电压源转换器促进不同电气网络之间的电力传送。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种电压源转换器，包括：多个端子；连接在所述多个端子之间的多个切换元件和多个能量存储装置(energy storage devices)，每个能量存储装置用于存储和释放能量以提供电压，所述多个切换元件被布置成可切换以控制通过每个能量存储装置的电流流动；以及控制器，所述控制器被编程以在能量调节模式(anenergy regulation mode)下操作来：
(i)将所述多个能量存储装置中的一个或多个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个能量存储装置中的一个或多个其它能量存储装置指定为一个或相应的第二能量存储装置；
(ii)确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向(move toward)或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量；
(iii)控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置以便将缓冲能量(a buffer of energy)存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量(energy storagecapacity)，其中所述或每个第二能量存储装置中的存储的缓冲能量或提供的能量存储容量对应于所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的所确定的量；以及
(iv)控制所述多个切换元件的切换以迫使共用电流流经第一和第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的能量存储容量。
操作电压源转换器以促进不同电气网络之间的电力传送可导致至少一个能量存储装置中的能量累积或能量损失，因此导致至少一个能量存储装置的能量水平与参考值的偏离。
这种偏离是不合需要的，原因是如果给定能量存储装置内存储的能量过少，那么给定能量存储装置能够生成的电压减小，然而如果给定能量存储装置中存储的能量过多，那么可能产生过电压问题。前者将需要添加电源以使受影响的能量存储装置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存储装置的额定电压以防止过电压问题，因此会增加电压源转换器的整体大小、重量和成本。另外，如果给定能量存储装置内存储的能量过少，那么电压源转换器可能由于欠压保护而跳闸。
因此，电压源转换器的操作包括使每个能量存储装置与相应的目标能量水平相关联，其中此类操作被设计成减小每个能量存储装置的能量水平与对应目标能量水平的偏离和/或减小每个能量存储装置的能量水平与对应目标能量水平偏离期间的时间量。
可通过能量调节过程执行每个能量存储装置的能量水平的调节，所述能量调节过程涉及：控制所述多个切换元件的切换以迫使共用电流流经两个或多于两个能量存储装置，且由此将两个或多于两个能量存储装置彼此连接以实现两个或多于两个能量存储装置之间的能量交换。共用电流流经两个或多于两个能量存储装置可包括但不限于如下实施例，其中：流经两个或多于两个能量存储装置的电流等于共用电流；且流经两个或多于两个能量存储装置的电流等于一个包括多个电流分量的电流，其中共用电流是其中的一个电流分量。
在本发明的电压源转换器中提供控制器容许在能量调节过程之前准备存储的能量缓冲或提供能量存储容量，由此提高能量调节过程的效率和可靠性。这是因为如果不提前准备存储的能量缓冲或提供的能量存储容量，就存在以下风险：在能量调节过程期间可能会缺乏充足存储的能量或能量存储容量，因此导致能量存储装置的能量水平的次优调节且由此不利地影响电压源转换器的性能。
另外，由于当确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量时可容易地考虑到额外偏离水平，因此在一个或多个能量存储装置经历能量水平的偏离超出正常预期程度的情形下，在能量调节过程之前准备存储的能量缓冲或提供的能量存储容量的能力可能特别有利。
应了解，本发明适用于操作为线性非时变系统或非线性时变系统的电压源转换器。
在本发明的各实施例中，控制器可被编程以在能量调节模式下操作来控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置，以便当所述或每个第一能量存储装置与所述或每个第二能量存储装置断开时将缓冲能量存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量。这使得本发明适用于电压源转换器，其中将要经受能量调节的能量存储装置彼此间需要临时断开。
在本发明的其它实施例中，控制器可被编程以在能量调节模式下操作来控制所述多个切换元件的切换，从而选择性地容许和阻止通过每个能量存储装置的电流流动，以便在能量调节模式下操作控制器的同时控制端子之间的电力传送。以此方式编程控制器容许在端子之间传送电力的同时执行电压源转换器的能量存储装置的能量水平的调节，因此导致电压源转换器的高效操作。
所述或每个第一能量存储装置的目标能量水平可改变。
所述或每个第一能量存储装置的目标能量水平可以是所述多个能量存储装置中的一些或全部的能量水平的平均值。所述或每个第一能量存储装置的目标能量水平可以是其最大能量存储容量的一部分。当多个能量存储装置被指定为相应的第一能量存储装置时，第一能量存储装置中的至少一个的目标能量水平可与第一能量存储装置中的至少一个其它第一能量存储装置的目标能量水平相同或不同。
所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量可以是所述或每个第一能量存储装置为了平衡第一和第二能量存储装置的能量水平需要吸收或释放的能量的量。
在本发明的另外其它实施例中，控制器可被编程以在能量调节模式下操作来通过以下方式确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量：预测所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量。
在此类实施例中，预测所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量可包括基于电压源转换器的操作预测所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的量。
在其它此类实施例中，预测所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量可包括基于有关电压源转换器的操作的历史数据和/或有关电压源转换器的设计的操作数据(data on the designed operation)预测所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的量。
控制器配置为基于所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量的预测以在能量调节模式下操作，允许能量调节过程更加紧密地匹配电压源转换器的所要操作，从而优化转换器性能。
电压源转换器中的所述多个切换元件和所述多个能量存储装置的布置可改变。
在本发明的采用所述多个切换元件和所述多个能量存储装置的示范性布置的各实施例中，电压源转换器可包括连接在所述多个端子之间的多个模块，每个模块包括所述多个切换元件中的至少一个和所述多个能量存储装置中的至少一个，每个模块中的所述或每个切换元件和所述或每个能量存储装置被布置成可组合以选择性地提供电压源。
所述多个模块、具体地说多个串联连接的模块可界定链节式转换器。链节式转换器的结构容许通过将各自提供其自身的电压的多个模块的能量存储装置插入到链节式转换器中而跨越链节式转换器积聚组合电压，所述组合电压高于可从链节式转换器的个别模块中的每一个获得的电压。以此方式，每个模块中的所述或每个切换元件的切换致使链节式转换器提供步进可变电压源，这容许使用逐步逼近来跨越链节式转换器生成电压波形。
在本发明的采用所述多个切换元件和所述多个能量存储装置的另一示范性布置的各实施例中，电压源转换器可包括多个阀，每个阀包括所述多个切换元件中的至少一个和所述多个能量存储装置中的至少一个，每个阀中的所述或每个切换元件可切换以选择性地容许和阻止通过所述或每个对应能量存储装置的电流流动以便控制跨越对应阀的电压，其中所述控制器被编程以在能量调节模式下操作来将所述多个阀的一个或多个中的能量存储装置或能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个阀的一个或多个其它阀中的能量存储装置或能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第二能量存储装置。
在此类实施例中，每个阀可包括所述多个模块中的至少一个。
至少一个切换元件可包括至少一个自换流切换装置。所述或每个自换流切换装置可以是绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其它自换流切换装置。每个切换元件中的切换装置的数量可取决于所述切换元件的所需电压和电流额定值而改变。
所述或每个切换元件可进一步包括与所述或每个切换装置反并联连接的无源电流抑制元件。
所述或每个无源电流抑制元件可包括至少一个无源电流抑制装置。所述或每个无源电流抑制装置可以是能够将电流限制为仅在一个方向上的任何装置，例如，二极管。每个无源电流抑制元件中的无源电流抑制装置的数量可取决于所述无源电流抑制元件的所需电压和电流额定值而改变。
每个能量存储装置可以是但不限于电容器、燃料电池或电池组。
在本发明的优选实施例中，电压源转换器可包括：用于连接到DC网络的第一和第二DC端子；以及延伸于第一与第二DC端子之间的转换器分支，所述转换器分支包括由AC端子分隔开的第一和第二分支部分，所述AC端子用于连接到AC网络。
视需要，转换器分支的每个分支部分可包括所述多个阀中的相应的一个，且控制器可被编程以在能量调节模式下操作来：
(i)将第一和第二分支部分中的一个的阀中的能量存储装置或能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将第一和第二分支部分中的另一个的阀中的能量存储装置或能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第二能量存储装置；以及
(ii)控制第一和第二分支部分的阀中的切换元件的切换以迫使共用电流流经第一和第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的能量存储容量。
控制第一和第二分支部分的阀中的切换元件的切换以迫使共用电流流经第一和第二能量存储装置可包括但不限于：控制第一和第二分支部分的阀中的切换元件的切换以形成电流循环路径，共用电流在所述电流循环路径中循环通过转换器分支的分支部分以及DC网络。
进一步可选地，电压源转换器可包括多个转换器分支，每个转换器分支的AC端子用于连接到多相AC网络的相应的相，每个转换器分支的分支部分中的至少一个包括所述多个阀中的相应的一个，且控制器可被编程以在能量调节模式下操作来：
(i)将所述多个转换器分支中的一个的至少一个选择的阀中的能量存储装置或能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个转换器分支中的另一转换器分支的至少一个选择的阀中的能量存储装置或能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第二能量存储装置；以及
(ii)控制选择的阀中的切换元件的切换以迫使共用电流流经第一和第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的能量存储容量。
控制选择的阀中的切换元件以迫使共用电流流经第一和第二能量存储装置可包括但不限于：控制选择的阀中的切换元件以形成电流循环路径，共用电流在所述电流循环路径中循环通过选择的阀和DC网络，AC相借助选择的阀连接到转换器分支的AC端子。
根据本发明的第二方面，提供一种操作电压源转换器的方法，其中所述电压源转换器包括：多个端子；使所述多个端子互连的多个切换元件和多个能量存储装置，每个能量存储装置用于存储和释放能量以提供电压，所述多个切换元件被布置成可切换以控制通过每个能量存储装置的电流流动，
其中所述方法包括在能量调节模式下操作，包括以下步骤：
(i)将所述多个能量存储装置中的一个或多个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个能量存储装置中的一个或多个其它能量存储装置指定为一个或相应的第二能量存储装置；
(ii)确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量；
(iii)控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置以便将缓冲能量存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量，其中所述或每个第二能量存储装置中的存储的缓冲能量或提供的能量存储容量对应于所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的确定的量；以及
(iv)控制所述多个切换元件的切换以迫使共用电流流经第一和第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的能量存储容量。
本发明的第一方面的电压源转换器的特征和优点及其实施例在进行必要的修改后适用于本发明的第二方面的方法。
还应了解，在专利说明书中使用术语“第一”和“第二”仅仅在于帮助区分类似特征(例如，第一和第二分支部分)，且并不在于指示一个特征相比于另一特征的相对重要性。
附图说明
现将参考附图借助于非限制性实例描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明的实施例的电压源转换器；
图2a示意性地示出全桥式模块的结构；
图2b示意性地示出半桥式模块的结构；
图3示意性地示出图1的电压源转换器的操作以调节其阀的能量水平；且
图4示出图1的电压源转换器的控制器在能量调节模式下的操作。
具体实施方式
图1中示出根据本发明的实施例的电压源转换器，且其大体上由参考编号30指定。
电压源转换器30包括第一DC端子32和第二DC端子34以及多个转换器分支36。每个转换器分支36在第一DC端子32与第二DC端子34之间延伸且包括由相应AC端子42分隔开的第一分支部分38和第二分支部分40。在每个转换器分支36中，第一分支部分在第一DC端32与AC端子42之间延伸，而第二分支部分在第二DC端子34与AC端子42之间延伸。
在使用时，电压源转换器30的第一DC端子32和第二DC端子34连接到DC网络44，且每个转换器分支36的AC端子42通过相应串联连接的相电感器或变压器48连接到三相AC网络46的相应AC相。
第一分支部分38和第二分支部分40中的每一个包括与阀50串联连接的导引开关49(director switch)。
每个导引开关49包括多个串联连接的切换元件。可以设想到在本发明的其它实施例中，多个串联连接的切换元件可替换为单个切换元件。
以此方式配置分支部分38、40意味着：在使用时，每个分支部分38、40的导引开关49可切换以将相应的分支部分38、40且因此将相应的阀50切进和切出相应的DC端子32、34与AC端子42之间的电路。
每个阀50包括由多个串联连接的模块52界定的链节式转换器。图2a示意性地示出每个模块52的结构。
每个模块52包括呈全桥式布置的两对切换元件54和一个电容器56。所述两对切换元件54以全桥式布置与电容器56并联连接，以界定可提供负电压、零电压或正电压且可在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
每个切换元件54呈绝缘栅双极晶体管(IGBT)形式，其与反并联二极管并联连接。
可以设想到在本发明的其它实施例中，每个IGBT可替换为门极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换流晶闸管或任何其它自换流半导体装置。还可设想到在本发明的其它实施例中，每个二极管可替换为多个串联连接的二极管。
每个模块52的电容器56通过改变切换元件54的状态而选择性地旁路或插入到链节式转换器中。这选择性地导引电流通过电容器56或致使电流58旁路电容器56，从而使得模块52提供负电压、零电压或正电压。
当模块52中的切换元件54被配置成在模块52中形成短路时，模块52的电容器56旁路，由此短路绕过电容器56。这致使对应链节式转换器中的电流穿过所述短路并旁路电容器56，且因此模块52提供零电压，即，模块52被配置成旁路模式。
当模块52中的切换元件54被配置成允许对应链节式转换器中的电流流入并流出电容器56时，模块52的电容器56插入到对应链节式转换器中。电容器56接着充填或释放其存储的能量以便提供非零电压，即，模块52被配置成非旁路模式。模块52的全桥式布置容许配置模块52中的切换元件54以使电流在任一方向上流入并流出电容器56，且因此模块52可被配置成在非旁路模式下提供负电压或正电压。
以此方式，每个模块52中的切换元件54可切换以控制通过对应电容器56的电流流动。
有可能通过将各自提供其自身的电压的多个模块52的电容器56插入到每个链节式转换器中而跨越每个链节式转换器积聚组合电压，所述组合电压高于可从链节式转换器的单个模块52中的每一个获得的电压。以此方式，每个模块52中的切换元件54的切换致使每个链节式转换器提供步进可变电压源，这容许使用逐步逼近来跨越每个链节式转换器生成电压波形。因此，每个阀50中的切换元件54可切换以选择性地容许和阻止通过对应电容器的电流流动以便控制跨越对应阀50的电压。
可以设想到在本发明的其它实施例中，每个模块52可替换为另一类型的模块，包括至少一个切换元件和至少一个能量存储装置，每个模块中的所述或切换元件和所述或每个能量存储装置被布置成可组合以选择性地提供电压源。举例来说，每个模块52可替换为包括一对切换元件54的模块58，所述切换元件54以半桥式布置与电容器56并联连接以界定可提供零电压或正电压且可在两个方向上传导电流的2象限单极模块，如图2b中所示出。
还可设想到在本发明的其它实施例中，每个电容器52、58中的电容器56可替换为能够存储并释放能量以提供电压的另一类型的能量存储装置，例如，电池组或燃料电池。
每个分支部分38、40进一步包括与对应导引开关49和阀50串联连接的电感器60。
电压源转换器30进一步包括控制器62，所述控制器62被编程以控制导引开关49中的切换元件54以及分支部分38、40中的阀50的切换。
为了在DC网络44与AC网络46之间传送电力，控制器62控制导引开关49将相应的阀50切进和切出相应的DC端子32、34与AC端子42之间的电路以使DC网络44与AC网络46互连。当给定阀50被切进相应的DC端子32、34与AC端子42之间的电路中时，控制器62切换给定阀50的模块52的切换元件54以提供步进可变电压源且由此生成电压波形，以便控制对应AC端子42处的AC电压波形的形状，从而促进DC网络44与AC网络46之间的电力传送。
为了在给定转换器分支36的AC端子42处生成AC电压波形的正AC电压分量，第一分支部分38的导引开关49导通(以将与其串联连接的阀50切进第一DC端32与对应AC端子42之间的电路中)，且第二分支部分40的导引开关49断开(以将与其串联连接的阀50切出第二DC端子34与对应AC端子42之间的电路)。
为了在给定转换器分支36的AC端子42处生成AC电压波形的负AC电压分量，第二分支部分40的导引开关49闭合(以将与其串联连接的阀50切进第二DC端子34与对应AC端子42之间的电路中)，且第一分支部分38的导引开关49断开(以将与其串联连接的阀49切出第一DC端32与对应AC端子42之间的电路)。
每个AC端子42处的AC电压波形与每个其他AC端子42处的AC电压波形彼此相移120电度，正如连接到三相AC网络46的电压源转换器30的典型实践那样。
操作电压源转换器30以促进DC网络44与AC网络46之间的电力传送可导致电容器56中的至少一个中的能量累积或能量损失。
在DC网络44与AC网络46之间的电力传送期间，可执行能量调节过程以调节每个电容器56的能量水平。通过控制每个阀50中的切换元件54的切换以迫使共用电流流经两个或多于两个电容器56来执行能量调节过程，且由此将两个或多于两个电容器56彼此连接以实现两个或多于两个电容器56之间的能量交换。
在共用电流被迫使流经两个或多于两个电容器56的能量调节过程的一个实例中，在从正AC电压分量到负AC电压分量的转换期间，控制器62切换导引开关49以在电压源转换器30的操作循环的重叠阶段期间将同一转换器分支36的分支部分38、40同时切进电路中，即，阀A+和A-在“重叠模式”(overlap mode)下，以便形成包括每个分支部分38、40和DC网络44的电流循环路径，如图3中所示意性地示出。类似地，在从负AC电压分量到正AC电压分量的转换期间，控制器62切换导引开关49以在电压源转换器30的操作循环的另一重叠阶段期间将同一转换器分支36的分支部分38、40同时切进电路中，以便形成同一电流路径。这容许呈重叠电流IDC+AC形式的共用电流临时循环通过第一分支部分38的阀A+、第二分支部分40的阀A-以及DC网络44以便调节同时切进电路中的分支部分38、40的阀A+、A-的电容器56的能量水平。
基于“重叠模式”的能量调节过程在进行必要的修改后适用于每个转换器分支36的阀B+、B-、C+、C-，而不是仅适用于阀A+、A-。
参考图3，在共用电流被迫使流经两个或多于两个电容器56的能量调节过程的另一实例中，当转换器分支36中的第一转换器分支的分支部分38、40的阀A+、A-在“重叠模式”下时，转换器分支36中的第二转换器分支的第二分支部分40的阀B-和转换器分支36中的第三转换器分支的第一分支部分38的阀C+作为电压源转换器30的操作的一部分而被切进其相应的DC端子32、34与AC端子42之间的电路中，从而在DC网络44与三相AC网络46之间传送电力。同时，第二转换器分支36的第一分支部分38的阀B+和第三转换器分支36的第二分支部分40的阀C-被切出电路。
以此方式，控制器62控制以下切换：所述多个转换器分支36中的一个的选择的阀B-；以及所述多个转换器分支36中的另一个的选择的阀C+，以便形成穿过选择的阀B-、C+的电流循环路径，其中电流循环路径包括：选择的阀B-、C+，借助选择的阀B-、C+连接到转换器分支36的AC相B、C；以及DC网络44。为简单起见，选择的阀B-、C+在电流循环路径的形成期间被称为在“交叉重叠模式”下。在“交叉重叠模式”(cross-overlap mode)期间，控制器62控制选择的阀B-、C+中的切换元件54以使呈循环交流电ICO形式的共用电流循环通过电流循环路径以便调节选择的阀B-、C+的电容器56的能量水平。
基于“交叉重叠模式”的能量调节过程在进行必要的修改后适用于所述多个转换器分支36中的任一个的选择的阀50；以及所述多个转换器分支36中的任何其它转换器分支的另一选择的阀50，而不是仅适用于阀B-、C+。
应了解，“重叠模式”和“交叉重叠模式”可分别执行，而不是如图3中所示出的同时执行。
能量调节过程可通过控制器62在能量调节模式下的操作而进一步增强。图4示出图1的电压源转换器30的控制器62在能量调节模式下的操作。
出于说明控制器62的能量调节模式的目的，每个阀50中的电容器56表示为相应的单个等效电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC。
在示出的实施例中，每个电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC的目标能量水平是其最大能量存储容量的一半且是跨越电压源转换器30的电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC的能量水平的平均值。尽管跨越电压源转换器30的电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC的能量水平的平均值处于目标能量水平，但每个电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC的各自能量水平如图4所示为高于或低于目标能量水平。
控制器62在能量调节模式下的以下第一示范性操作参考电容器EUA、ELA来描述，但应了解，此类操作在进行必要的修改后适用于电容器EUB、ELB和电容器EUC、ELC。
当电容器ELA处于其目标能量水平以下时，电容器EUA可将其存储的能量的部分传送到电容器ELA以使得电容器ELA能够向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平。然而，有可能电容器ELA在时刻tk处断开电路，从而使电容器ELA与电容器EUA断开且由此使得不可能在所述时刻处将能量从电容器EUA传送到电容器ELA。
首先，控制器62将电容器ELA指定为第一电容器，且将电容器EUA指定为第二电容器。控制器62接着确定第一电容器ELA为了向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平需要吸收的能量的量。这可通过以下方式进行：基于对应阀A-的操作预测第一电容器ELA需要吸收的能量的量。此类预测可基于例如有关对应阀A-的操作的历史数据和/或有关对应阀A-的设计的操作数据。
在确定第一电容器ELA为了向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平需要吸收的能量的量之后，控制器62控制阀A+中的切换元件54的切换以便将缓冲能量存储在第二电容器EUA中，其中存储的缓冲能量对应于第一电容器ELA需要吸收的能量的确定的量。此时，第一电容器ELA可与第二电容器EUA断开。
其后，控制器62控制第一分支部分38和第二分支部分40的阀A+、A-中的切换元件54的切换以基于“重叠模式”启动能量调节过程，从而迫使共用电流IDC+AC流经第一和第二电容器ELA、EUA以便将存储的缓冲能量从第二电容器EUA传送到第一电容器ELA。
可以设想到在本发明的其它实施例中，电容器EUA可被指定为第一电容器，且电容器ELA可被指定为第二电容器。在此类实施例中，控制器62确定第一电容器EUA为了向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平需要释放的能量的量，控制阀A-中的切换元件54的切换以便释放能量，从而提供第二电容器ELA中的能量存储容量，其中提供的能量存储容量对应于第一电容器ELA需要释放的能量的确定量，且接着控制第一分支部分38和第二分支部分40的阀A+、A-中的切换元件54的切换以基于“重叠模式”启动能量调节过程，从而迫使共用电流IDC+AC流经第一和第二电容器ELA、EUA，以便将能量从第一电容器EUA传送到第二电容器ELA的提供的能量存储容量。
控制器62在能量调节模式下的以下第二示范性操作参考电容器ELB、EUC来描述，但应了解，此类操作在进行必要的修改后适用于电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC中的任何两个或多于两个。
当电容器EUC处于其目标能量水平以下时，电容器ELB可将其存储的能量的部分传送到电容器EUC以使得电容器EUC能够向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平。然而，有可能电容器EUC在时刻tk处断开电路，从而使电容器EUC与电容器ELB断开且由此使得不可能在所述时刻处将能量从电容器ELB传送到电容器EUC。
首先，控制器62将电容器EUC指定为第一电容器，且将电容器ELB指定为第二电容器。控制器62接着确定第一电容器EUC为了向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平需要吸收的能量的量。这可通过以下方式进行：基于对应阀C+的操作预测第一电容器EUC需要吸收的能量的量。此类预测可基于例如有关对应阀C+的操作的历史数据和/或有关对应阀C+的设计的操作数据。
在确定第一电容器EUC为了向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平需要吸收的能量的量之后，控制器62控制阀B-中的切换元件54的切换以便将缓冲能量存储在第二电容器ELB中，其中存储的缓冲能量对应于第一电容器EUC需要吸收的能量的确定的量。
其后，控制器62控制第一分支部分38和第二分支部分40的阀B-、C+中的切换元件54的切换以基于“交叉重叠模式”启动能量调节过程，从而迫使共用电流ICO流经第一和第二电容器EUC、ELB以便将存储的缓冲能量从第二电容器ELB传送到第一电容器EUC。
还可设想到在本发明的其它实施例中，电容器ELB可被指定为第一电容器，且电容器EUC可被指定为第二电容器。在此类实施例中，控制器62确定第一电容器ELB为了向其目标能量水平移动或达到其目标能量水平需要释放的能量的量，控制阀C+中的切换元件54的切换以便释放能量，从而提供第二电容器EUC中的能量存储容量，其中提供的能量存储容量对应于第一电容器ELB需要释放的能量的确定量，且接着控制第一分支部分38和第二分支部分40的阀B-、C+中的切换元件54的切换以基于“交叉重叠模式”启动能量调节过程，从而迫使共用电流ICO流经第一和第二电容器ELB、EUC，以便将能量从第一电容器ELB传送到第二电容器EUC的提供的能量存储容量。
在控制器62在能量调节模式下的以上示范性操作中的每一个中，第一电容器需要释放或吸收的能量的确定量由控制器62考虑以计算所需的重叠电流IDC+AC和循环交流电ICO。
举例来说，重叠电流IDC+AC和循环交流电ICO可基于一种模型来计算，所述模型考虑到由于转换器30中循环的交流电和直流电的相应的变化(正或负)所致的每个阀的能量水平的变化(正或负)。所述模型可包括比例积分控制，所述比例积分控制将能量水平误差的变化(即，与目标能量水平的偏离)转化成由因子缩放的需要的电流的变化。以此方式，当在能量调节模式下操作时，控制器62使用第一电容器需要释放或吸收的能量的确定量的偏离产生转换器30中循环的交流电和直流电的比例变化以便执行能量调节过程。
用于计算所需的重叠电流IDC+AC和循环交流电ICO的能量值可呈平均值或瞬时能量值的形式。可选地，这些能量值受信号处理技术支配。合适的信号处理技术的实例包括获得根据移动平均滤波法计算的阀50的能量水平的样品平均值，这产生为与振荡信号中的DC电平相关联的计算出的量值的平均值的输出。其它信号处理技术可包括获得阀50的能量水平的平均值、差值、最大值和最小值。
在图1的电压源转换器30中提供控制器62因此容许在能量调节过程之前准备存储的能量缓冲或提供的能量存储容量由此提高能量调节过程的效率和可靠性。这是因为如果不提前准备存储的能量缓冲或提供的能量存储容量，就存在以下风险：在能量调节过程期间可能会缺乏充足存储的能量或能量存储容量，因此导致电容器56的能量水平的次优调节且由此不利地影响电压源转换器30的性能。
另外，由于当确定所述或每个第一电容器为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量时可容易地考虑到额外偏离水平，因此在一个或多个电容器56经历能量水平的偏离超出正常预期程度的情形下，在能量调节过程之前准备存储的能量缓冲或提供的能量存储容量的能力会特别有利。
尽管控制器62在能量调节模式下的以上示范性操作参考等效电容器EUA、ELA、EUB、ELB、EUC、ELC来描述，但本发明可基于将给定阀50中的电容器56中的一个或一些而不是将所有电容器56指定为第一或第二电容器来执行。
可以设想到在本发明的其它实施例中，当控制器62在能量调节模式下操作时，分别属于不同阀50的多个电容器56可被指定为相应的第一电容器和/或分别属于不同阀50的多个电容器56可被指定为相应的第二电容器。
还可设想到在其中多个电容器56被指定为相应的第一电容器的本发明的其它实施例中，第一电容器中的至少一个的目标能量水平可不同于第一电容器中的至少一个其它第一电容器的目标能量水平。
应了解，以上提及的基于“重叠模式”和“交叉重叠模式”的能量调节过程仅被选择来说明本发明的工作方式，且本发明可使用其它能量调节过程来执行，其中切换元件54的切换被控制来迫使共用电流流经两个或多于两个电容器56，且由此使两个或多于两个电容器56彼此连接，从而实现两个或多于两个电容器56之间的能量交换。
设想到在本发明的其它实施例中，导引开关49可从每个分支部分38、40省略。
应了解，本发明的上述具体实施例的电压源转换器30的拓扑结构仅被选择为描述本发明的原理的非限制性实例，且本发明适用于其它电压源转换器拓扑结构，其中电压源转换器包括：多个端子；以及连接在所述多个端子之间的多个切换元件和多个能量存储装置，每个能量存储装置用于存储和释放能量以提供电压，所述多个切换元件被布置成可切换以控制通过每个能量存储装置的电流流动。

Claims (21)

1.一种电压源转换器，包括：多个端子；连接在所述多个端子之间的多个切换元件和多个能量存储装置，每个能量存储装置用于存储和释放能量以提供电压，所述多个切换元件被布置成可切换以控制通过每个能量存储装置的电流流动；以及控制器，所述控制器被编程以在能量调节模式下操作来：
(i)将所述多个能量存储装置中的一个或多个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个能量存储装置中的一个或多个其它能量存储装置指定为一个或相应的第二能量存储装置；
(ii)确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到目标能量水平需要吸收或释放的能量的量；
(iii)控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置，以便将缓冲能量存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量，其中所述或每个第二能量存储装置中的存储的缓冲能量或提供的所述能量存储容量对应于所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的所确定的量；以及
(iv)控制所述多个切换元件的所述切换以迫使共用电流流经所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的所述能量存储容量。
2.根据权利要求1所述的电压源转换器，其中所述控制器被编程以在所述能量调节模式下操作来控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置，以便当所述或每个第一能量存储装置与所述或每个第二能量存储装置断开时将缓冲能量存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电压源转换器，其中所述控制器被编程以在所述能量调节模式下操作以控制所述多个切换元件的切换，从而选择性地容许和阻止通过每个能量存储装置的电流流动，以便在所述能量调节模式下操作所述控制器的同时控制所述端子之间的电力传送。
4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，其中所述或每个第一能量存储装置的所述目标能量水平是所述多个能量存储装置中的一些或全部的能量水平的平均值。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，其中所述或每个第一能量存储装置的所述目标能量水平是其最大能量存储容量的一部分。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，其中当多个能量存储装置被指定为相应的第一能量存储装置时，所述第一能量存储装置中的至少一个的所述目标能量水平与所述第一能量存储装置中的至少一个其它第一能量存储装置的所述目标能量水平相同或不同。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，其中所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到所述目标能量水平需要吸收或释放的能量的量是所述或每个第一能量存储装置为了平衡所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的所述能量水平需要吸收或释放的能量的量。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，其中所述控制器被编程以在所述能量调节模式下操作来通过预测所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到所述目标能量水平需要吸收或释放的能量的量，确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到所述目标能量水平需要吸收或释放的能量的量。
9.根据权利要求8所述的电压源转换器，其中预测所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到所述目标能量水平需要吸收或释放的能量的量包括基于所述电压源转换器的操作预测所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的量。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的电压源转换器，其中预测所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到所述目标能量水平需要吸收或释放的能量的量包括基于有关所述电压源转换器的操作的历史数据和/或有关所述电压源转换器的设计的操作的数据预测所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的量。
11.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，包括连接在所述多个端子之间的多个模块，每个模块包括所述多个切换元件中的至少一个和所述多个能量存储装置中的至少一个，每个模块中的所述或每个切换元件和所述或每个能量存储装置被布置成可组合以选择性地提供电压源。
12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，包括多个阀，每个阀包括所述多个切换元件中的至少一个和所述多个能量存储装置中的至少一个，每个阀中的所述或每个切换元件可切换以选择性地容许和阻止通过所述或每个对应能量存储装置的电流流动，以便控制跨越所述对应阀的电压，其中所述控制器被编程以在所述能量调节模式下操作来将所述多个阀中的一个或多个中的所述能量存储装置或所述能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个阀中的一个或多个其它阀中的所述能量存储装置或所述能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第二能量存储装置。
13.根据权利要求11和12所述的电压源转换器，其中每个阀包括所述多个模块中的至少一个。
14.根据前述权利要求中任一权利要求所述的电压源转换器，包括：用于连接到DC网络的第一DC端子和第二DC端子；以及延伸于所述第一DC端子与所述第二DC端子之间的转换器分支，所述转换器分支包括由AC端子分隔开的第一分支部分和第二分支部分，所述AC端子用于连接到AC网络。
15.根据从属于权利要求12或权利要求13的权利要求14所述的电压源转换器，其中所述转换器分支的每个分支部分包括所述多个阀中的相应的一个，且所述控制器被编程以在所述能量调节模式下操作来：
(i)将所述第一分支部分和所述第二分支部分中的一个的所述阀中的所述能量存储装置或所述能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述第一分支部分和所述第二分支部分中的另一个的所述阀中的所述能量存储装置或所述能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第二能量存储装置；以及
(ii)控制所述第一分支部分和所述第二分支部分的所述阀中的所述切换元件的切换以迫使共用电流流经所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的所述能量存储容量。
16.根据权利要求15所述的电压源转换器，其中控制所述第一分支部分和所述第二分支部分的所述阀中的所述切换元件的切换以迫使共用电流流经所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置包括：控制所述第一分支部分和所述第二分支部分的所述阀中的所述切换元件的切换以形成电流循环路径，所述共用电流在所述电流循环路径中循环通过所述转换器分支的所述分支部分以及所述DC网络。
17.根据从属于权利要求12或权利要求13的权利要求14到16中任一权利要求所述的电压源转换器，其中所述电压源转换器包括多个转换器分支，每个转换器分支的所述AC端子用于连接到多相AC网络的相应相，每个转换器分支的所述分支部分中的至少一个包括所述多个阀中的相应的一个，且所述控制器被编程以在所述能量调节模式下操作来：
(i)将所述多个转换器分支中的一个的至少一个选择的阀中的所述能量存储装置或所述能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个转换器分支中的另一个的至少一个选择的阀中的所述能量存储装置或所述能量存储装置中的至少一个指定为一个或相应的第二能量存储装置；以及
(ii)控制所述选择的阀中的所述切换元件的切换以迫使共用电流流经所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的所述能量存储容量。
18.根据权利要求17所述的电压源转换器，其中控制所述选择的阀中的所述切换元件以迫使共用电流流经所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置包括控制所述选择的阀中的所述切换元件以形成电流循环路径，所述共用电流在所述电流循环路径中循环通过所述选择的阀以及所述DC网络，所述AC相借助所述选择的阀连接到所述转换器分支的所述AC端子。
19.一种操作电压源转换器的方法，其中所述电压源转换器包括：多个端子；使所述多个端子互连的多个切换元件和多个能量存储装置，每个能量存储装置用于存储和释放能量以提供电压，所述多个切换元件被布置成可切换以控制通过每个能量存储装置的电流流动，
其中所述方法包括在能量调节模式下操作，包括以下步骤：
(i)将所述多个能量存储装置中的一个或多个指定为一个或相应的第一能量存储装置，且将所述多个能量存储装置中的一个或多个其它能量存储装置指定为一个或相应的第二能量存储装置；
(ii)确定所述或每个第一能量存储装置为了趋向或达到所述目标能量水平需要吸收或释放的能量的量；
(iii)控制所述多个切换元件的切换以迫使电流流经所述或每个第二能量存储装置以便将缓冲能量存储在所述或每个第二能量存储装置中或释放能量以提供所述或每个第二能量存储装置中的能量存储容量，其中所述或每个第二能量存储装置中的存储的所述缓冲能量或提供的所述能量存储容量对应于所述或每个第一能量存储装置需要吸收或释放的能量的所确定的量；以及
(iv)控制所述多个切换元件的切换以迫使共用电流流经所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置以便：将存储的缓冲能量从所述或每个第二能量存储装置传送到所述或每个第一能量存储装置；或将能量从所述或每个第一能量存储装置传送到所述或每个第二能量存储装置的提供的所述能量存储容量。
20.一种电压源转换器，大体上如本文中参考附图所描述和/或如所述附图中所说明。
21.一种操作电压源转换器的方法，大体上如本文中参考附图所描述和/或如所述附图中所说明。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180417

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