CN108292844A

CN108292844A - 使用换流器模块的换流器装置

Info

Publication number: CN108292844A
Application number: CN201580084657.3A
Authority: CN
Inventors: A·纳米; K·伊尔维斯; M·伯格伦德
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Grid Switzerland AG
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2018-07-17
Anticipated expiration: 2035-11-19
Also published as: WO2017084716A1; CN108292844B

Abstract

一种在AC与DC之间转换的换流器装置(10)包括第一和第二DC连接器(DC₁，DC₂)、AC连接器(ACA，ACB，ACC)和一组换流器模块(12，14)，每个换流器模块包括至少一个变压器和在AC与DC之间转换的至少两个换流器块，其中所述至少一个变压器包括一组初级绕组群和一组次级绕组群，每个初级绕组群包括至少两个初级绕组，每个次级绕组群包括至少一个次级绕组，所述至少一个次级绕组被磁耦合到相应初级绕组群的初级绕组并且被连接到相应AC连接器，其中每个换流器块具有被连接到所述DC连接器(DC₁，DC₂)的DC侧以及被连接到每个初级绕组群的相应初级绕组的AC侧。所述换流器模块包括至少一个n电平换流器块，其基于(n‑1)个串联连接的DC链电容器来提供n个输出电压电平，其中n≥2。

Description

使用换流器模块的换流器装置

技术领域

本发明总体涉及在AC与DC之间转换的换流器。更具体地，本发明涉及一种用于在交流(AC)与直流(DC)之间转换的换流器装置。

背景技术

在电力传输系统中，已经关注于在许多高压直流应用(HVDC)中使用模块化多电平换流器(MMC)。

关于MMC换流器的一个问题在于其内的每个电容器受制于在每个电容器中导致较大低频电压偏差的基波和二阶电流分量。因此，电容器体积较大并且换流器也变得较大。

因此，关注于获得一种可以减小整体尺寸的换流器配置。

如果把换流器配置设为n电平换流器，诸如两电平换流器或中性点钳位式三电平换流器，则可以降低所需换流器的尺寸。然而，使用这种换流器，存在将需要广泛滤波的许多较低次谐波。

US 2008/0137382公开了一种用于将电力供应到交流(AC)电网的换流器配置。该文献描述了被串联耦合到DC链的DC-AC电力换流器模块的使用，其中模块包括被耦合到变压器的逆变器。还使用半桥和旁路开关以便获得电力换流器模块的旁路。逆变器被连接到变压器的初级绕组，该变压器的次级侧彼此串联连接。

该文献根本没有提及被供应到电网的输出电压是如何产生的，但是参照US 2006/0126242和US 2006/0227578。US 2006/0126242和US 2006/0227578两者描述了逆变器(它们被称为换流器或桥)可以通过相移而被切换以便去除低次谐波，或者可以通过变压器连接的方式获得这种移位。

考虑到上面已经提及的内容，将关注于获得关于谐波的降低以及关于换流器尺寸的改进。

还可以关注于获得换流器模块的更灵活的使用。

本发明解决上述问题中的一些问题或全部问题。

发明内容

本发明旨在提供一种提供关于上述问题中的至少一些问题的改进的换流器装置。

根据第一方面，本目的通过一种用于在交流(AC)与直流(DC)之间转换的换流器装置来实现的。所述装置包括第一DC连接器和第二DC连接器、用于多个AC相的多个AC连接器、以及至少一个第一组换流器模块，其中每个换流器模块包括

至少一个变压器，包括

一组初级绕组群，每个初级绕组群包括至少两个初级绕组，以及

一组次级绕组群，每个次级绕组群包括至少一个次级绕组，所述至少一个次级绕组被磁耦合到相应初级绕组群的初级绕组并且被连接到相应AC连接器，以及

至少两个换流器块，在AC与DC之间转换，其中每个换流器块具有被连接到两个DC连接器的DC侧以及被连接到每个初级绕组群的相应初级绕组的AC侧，

其中所述换流器模块包括至少一个n电平换流器块，其基于(n-1)个串联连接的DC链电容器来提供n个输出电压电平，其中n≥2。

本发明具有多个优点。使用n电平换流器模块允许减小换流器装置的尺寸。变压器的实现方式还能够减少所需的外部变压器连接。

附图说明

将在下面参照附图描述本发明，其中

图1示意性地示出包括两个DC连接器、多个AC连接器和一组换流器模块的换流器装置的第一实现方式，

图2示意性地示出包括第一换流器块和第二换流器块的一个示例性换流器模块的实现方式，

图3示意性地示出换流器模块的开关级的一个实现方式，

图4示意性地示出用于将换流器模块的换流器块在两个DC连接器之间串联连接的开关级的操作，

图5示意性地示出用于将换流器块在两个DC连接器之间并联连接的开关级的操作，

图6示意性地示出用于旁路第一换流器块的开关级的操作，

图7示意性地示出用于旁路第二换流器块的开关级的操作，

图8示意性地示出第二换流器装置实现方式，

图9示意性地示出被连接到双极DC链的第二换流器装置实现方式的变型，

图10示意性地示出被连接到单极DC链的第二换流器装置实现方式的变型，并且

图11示意性地示出第三换流器装置实现方式。

具体实施方式

下面将给出本发明的优选实施例的详细描述。

图1示出用于在交流(AC)与直流(DC)之间转换的换流器装置10。为此，装置10被布置为被连接到DC电力传输系统的极P₁和P₂并且被连接到AC电力传输系统的各相，其中AC电力传输系统有利地为三相系统。

为此，换流器装置10包括第一DC连接器DC₁和第二DC连接器DC₂，其中第一DC连接器DC₁可以被连接到DC链的第一DC极P₁，并且第二DC连接器DC₂可以被连接到DC链的第二DC极P₂，其中DC链可以是电力传输系统。作为备选，第二DC连接器DC₂可以被连接到地。换流器装置还包括用于连接到多个相应AC相的多个AC连接器ACA、ACB和ACC。存在第一AC连接器ACA、第二AC连接器ACB和第三AC连接器ACC。

换流器装置10还包括多个换流器模块，其中图1示出第一换流器模块CM₁ 12和第二换流器模块CM₂ 14。换流器模块12和14在两个DC连接器之间串联连接并且在AC连接器与地之间串联连接。换流器模块因此彼此串联连接。然而，换流器模块的串也关于DC链分流连接。更具体地，关于AC连接器ACA、ACB和ACC与地之间的连接，存在AC连接器与地之间连接的三个串，并且每个换流器模块均具有在这些串中连接的模块元件。尽管仅示出了两个换流器模块，但是应当认识到，可以具有在两个DC连接器之间连接以及在AC连接器与地之间的串中连接的更多个换流器模块。

还具有控制两个换流器模块的控制单元CU 15。

在图2中更详细地示出第一类型换流器模块12A的实现方式。换流器模块12A包括具有两个端子的开关级20，该两个端子用于在DC连接器之间的串联连接。换流器模块的一个连接端子可以因此被连接到另一个换流器模块的连接端子或者被连接到换流器装置的DC连接器。开关级20更具体地包括两个全桥开关装置，其中关于第一换流器块16设置的第一全桥装置用于连接到第一DC连接器，并且关于第二换流器块18设置的第二全桥装置用于连接到第二DC连接器。更具体地，第一全桥装置跨第一换流器块16的DC输入或DC侧连接，并且第二全桥装置跨第二换流器块18的DC输入或DC侧连接。因此，DC侧经由开关级20被连接到DC连接器。每个这种DC输入具有用于连接到第一DC连接器的上DC端子和用于连接到第二DC连接器的下DC端子。应该认识到，可以具有在这种DC端子与相应DC连接器之间连接的其它换流器模块的若干开关级。每个换流器块还具有跨其DC输入或跨其DC侧连接的相应DC链电容器C₁和C₂。第一换流器块16因此具有跨其DC输入连接的第一DC链电容器C₁，并且第二电容器块18具有跨其DC输入连接的第二DC链电容器C₂。

每个换流器模块16和18在DC与AC之间转换并且因此其可以具有带有多个相脚或AC链的AC侧，其中每个相具有一个这种相脚或AC链。这种相脚的中点向相应AC端子提供输出电压。第一换流器块16因此具有在其上提供第一电压va1的第一AC端子、在其上提供第二电压vb1的第二AC端子和在其上提供第三电压vc1的第三AC端子。第二换流器块18具有在其上提供第一电压va2的第一AC端子、在其上提供第二电压vb2的第二AC端子和在其上提供第三电压vc2的第三AC端子。第一换流器块16的第一AC端子被连接到变压器15的第一初级绕组PWA₁以用于第一变压功能。第一初级绕组PWA₁也提供第一AC相。第二换流器块18的第一AC端子被连接到变压器15的第二初级绕组PWA₂以用于第二变压功能。第二初级绕组PWA₂提供与第一初级绕组PWA₁相同的AC相。因此，第一初级绕组PWA₁和第二初级绕组PWA₂是一组初级绕组群中的第一初级绕组群中的初级绕组。这两个初级绕组均被磁耦合到第一变压器的次级绕组SWA，其进而被连接到第一AC连接器ACA。因此，第一次级绕组SWA是一组次级绕组群中的第一次级绕组群中的绕组，该第一次级绕组群被链接到或对应于第一初级绕组群。变压器15因此执行第一变压功能和第二变压功能，其中第一变压功能包括第一初级绕组PWA₁上电压的变压，并且第二变压功能包括第二初级绕组PWA₂上电压的变压。因此，次级绕组SWA提供基于第一电压va1和第二电压va2的第一相电压贡献。因此，存在两个电压va1和va2的总和的变压，其被用作从第一换流器模块到第一AC连接器ACA上的第一相电压的贡献的。

以类似的方式，第一换流器块16的第二AC端子被连接到变压器15的第一初级绕组PWB₁以用于第一变压功能和第二相。第二换流器块18的第二AC端子被连接到变压器15的第二初级绕组PWB₂以用于第二变压功能和第二AC相。因此，第一初级绕组PWB₁和第二初级绕组PWB₂是一组初级绕组群中的第二初级绕组群中的初级绕组。这两个初级绕组PWB₁和PWB₂均被磁耦合到第二次级绕组SWB，其进而被连接到第二AC连接器ACB。因此，第二次级绕组SWB是一组次级绕组群中的第二次级绕组群中的绕组，该第二次级绕组群被链接到或对应于第二初级绕组群。在这种情况下，可以看出第一变压功能还包括第一初级绕组PWB₁上电压的变压，并且第二变压功能包括第二初级绕组PWB₂上电压的变压。因此，次级绕组SWB提供基于第一电压vb1和第二电压vb2的第二相电压贡献。因此，存在两个电压vb1和vb2的总和的变压，其被用作从第一换流器模块到第二AC连接器ACB上的第二相电压的贡献。

第一换流器块16的第三AC端子被连接到变压器15的第一初级绕组PWC₁以用于第一变压功能和第三相，第二换流器块18的第三AC端子被连接到变压器的第二初级绕组PWC₂以用于第二变压功能和同一相。因此，第一初级绕组PWC₁和第二初级绕组PWC₂是一组初级绕组群中的第三初级绕组群中的初级绕组。这两个初级绕组PWC₁和PWC₂均被磁耦合到第三次级绕组SWC，其进而被连接到第三AC连接器ACC。因此，第三次级绕组SWC是一组次级绕组群中的第三次级绕组群中的绕组，其中第三次级绕组群被链接到或对应于第三初级绕组群。在这种情况下，可以看出第一变压功能还包括第一初级绕组PWC₁上电压的变压，并且第二变压功能包括第二初级绕组PWC₂上电压的变压。因此，次级绕组SWC提供基于第一电压vc1和第二电压vc2的第三相电压贡献。因此，存在两个电压vc1和vc2的总和的变压，其被用作从第一换流器模块到第三AC连接器ACC上的第三相电压的贡献。

第二换流器模块14具有以相同方式在多个连接器之间连接的端子，因此可以看出三个AC连接器上的电压各自基于来自换流器模块的换流器块的各个AC端子电压的总和。

对于初级绕组，重要的是要注意到每个换流器块的AC端子的电压可以具有直流电压以及交流电压。因此，初级绕组的结构可以使得相脚的直流电压分量无法产生任何直流电流。

换流器15可以被放置或被封装在变压器箱中，通过变压器箱，每个AC连接器和AC端子经由相应的衬套被连接到变压器。由于存在单个次级绕组在每个相中被磁耦合到两个初级绕组的事实，即存在每个次级绕组群仅包括被磁耦合到相应初级绕组群中的全部初级绕组的一个次级绕组的事实，所以与每个换流器块被连接到相应变压器时的情况相比，衬套的数目将会减少。

作为备选，换流器模块还可以包括至少两个变压器，每个换流器块一个变压器，其中这些变压器的次级绕组串联连接。在这种情况下，每个次级绕组群包括与相应初级绕组群的数目相等的数目的绕组，并且每个次级绕组被磁耦合到相应初级绕组群中的相应初级绕组。如可以看到的那样，由于在诸如次级绕组群的绕组群内进行的任何串联连接均在箱中内部进行，这种互联将避免两个衬套通过变压器箱。因此可以看到，换流器模块提供两种变压功能，每个换流器块一种变压功能，其中换流器模块的变压功能可以使用具有被磁耦合到单个次级绕组的至少两个初级绕组或者具有各自被磁耦合到相应次级绕组的至少两个初级绕组、并且其中群的两个绕组之间的任何连接均在箱中内部进行的单个变压器来实施。还可以看到，初级绕组群中的全部初级绕组围绕与相应次级绕组群的全部次级绕组相同的变压器芯进行缠绕。

图2示出三相变压器，其每个AC相或分支具有两个断开的次级绕组，该三相变压器已经被提出以得到相等阻抗。例如，333MVA的变压器可以通过在一个箱中具有两个三相变压功能而实现，其由6个阀侧衬套表示，通过该阀侧衬套设置AC电压和地。

注意，内部串联连接可以在理论上被延伸到多于两个绕组。然而，这可能导致在芯中的一些不对称通量并且因此增加损耗。

图3更详细地示出开关级20的实现方式。开关级20是可控制的、即可以通过控制单元15控制，以在DC连接器之间串联或并联连接换流器块。还可控制以旁路任意换流器块。可以看出，存在两个全桥装置，即跨第一换流器块的DC输入连接的第一全桥装置SA₁和跨第二换流器块的DC输入连接的第二全桥装置SA₂。

第一全桥装置SA₁包括具有串联连接的开关S₁、S₂、S₃和S₄的两个串，这两个串均跨第一换流器块16A的DC输入并联连接。第二全桥装置SA₂同样包括具有串联连接的开关S₅、S₆、S₇和S₈的两个串，这两个串均跨过第二换流器块18A的DC输入并联连接。在第一全桥装置SA₁中，第一串包括第一开关S₁和第二开关S₂，并且第二串包括第三开关S₃和第四开关S₄。第一串的中点被连接到换流器装置的DC连接器，并且第二串的中点被连接到第二全桥开关装置SA₂的两个串之间的连接点。更具体地，第二串的中点被连接到第二开关装置SA2的这两个连接点中的上部连接点。第一全桥装置SA₁的第二串中点还被连接到第二换流器块18的DC输入的上部DC端子。第二全桥装置SA₂的第一串包括第五开关S₅和第六开关S₆，第二全桥装置SA₂的第二串包括第七开关S₇和第八开关S₈。第二开关装置SA₂的串联连接的开关S₅、S₆、S₇和S₈的两个串因此跨第二换流器块18的DC输入并联连接，其中第一串的中点被连接到换流器装置的第二DC连接器，并且第二串的中点被连接到第一全桥开关装置的两个串之间的连接点。更具体地，第二串的中点被连接到这两个连接点中的下部连接点。第二全桥装置SA₂的第二串中点还被连接到第一换流器块16的DC输入的下部DC端子。

每个开关可以被实现为半导体开关，其能够被实施为带有反并联二极管或类似单向传导元件的晶体管或者类似的开关元件。这种开关元件可以为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或门极可关断晶闸管(GTO)。开关可以进一步为硅(Si)开关或碳化硅(SiC)开关。并且换流器块的开关可以为Si开关或SiC开关。

作为备选，开关级可以通过分布式固态开关、无源机械开关或混合开关实现，其中混合开关可以被实现为与电涌放电器、并且可选地还与隔离串(disconnecting string)并联的一串固态开关，其中隔离串包括诸如机械开关的隔离开关，该隔离开关与诸如低速IGBT的低速电子开关元件串联。

开关级的另一个可能变型为包括将一个换流器装置的串中点与另一个开关装置的两个串之间的连接点进行连接的电感器。因此，电感器在开关装置的中点与DC链电容器的一端之间连接，其中跨该DC链电容器连接有另一个开关装置。这表示第一电感器可以在第一开关装置SA₁的第二串的中点与第二DC链电容器C₂的上端或正端之间连接，并且/或者第二电感器可以在第二开关装置SA₂的第二串的中点与第一DC链电容器C₁的下端或负端之间连接。这种电感器在DC链电容器彼此并联连接的情况下是有益的。

可以在图5-图8中看到的换流器块有利地为n电平换流器块，其中n是≥2的整数。换流器块进一步基于通过开关操作的(n-1)个串联连接的DC链电容器来提供n个输出电压电平。这种换流器块因此使用DC链电容器、即在两个DC连接器之间连接的电容器，以便形成AC电压。换流器块因此可以为两电平换流器块、三电平换流器块、四电平换流器块等，其中三电平换流器块的一个示例是中性点钳位式三电平换流器。

在图1中，可以看出换流器装置能够通过两个换流器模块形成，其中每个换流器模块包括两个n电平换流器块。在两电平换流器的示例中，这表示存在四个两电平换流器块以用于形成AC电压。

根据本发明的一些变型，这些n电平换流器块以这样的方式被组合，即n电平换流器块的电压被用于形成步进式AC电压。这通过使用脉冲宽度调节(PWM)控制(例如使用三角载波或锯齿载波)而完成。根据本发明的一个特定变型，使用的波形可以在不同的n电平换流器模块之间被相移或延迟。这种PWM控制通常由控制单元15进行。

为了合成多电平输出，每个n电平换流器块可以经由三角PWM载波分别地调制。三角载波随后可以被相移，以使得针对换流器装置中的k个堆叠块而言，每两个相邻的块将具有异相(360/k°)的两个PWM载波。控制单元15因此利用PWM信号来控制每个控制块，其中一个n电平换流器块的PWM信号相对于另一个n电平换流器块的PWM信号被相移。如果全部载波在具有相同频率的情况下从一个载波到另一个载波相移360/k°，那么每个换流器块的输出电压将如下：

这里，t是时间，v_d是极电压电平，M是调制度，k是换流器块的数目，m和n是求和指数，J_n是雅克比函数，ω₀是基波频率，ω_c是载波频率，是负载角。

可以看出在上述等式中，当对换流器装置中的一个相的全部单元电压求和时，k个第一载波谐波以及它们的边带将被去除。

如果换流器块为两电平换流器块，则可以看出四个两电平换流器块的组合提供了具有7个不同电压电平的输出电压波形。因此，滤波要求由于较低阶频率不需要被滤波而被放宽。由于这使用两电平换流器而不是多电平换流器块来获得，所以也避免了使用较大的单元电容器，这因此允许减少换流器装置的尺寸。

还可以看出，开关频率可以变得非常低。通常来说，换流器块的数目越多，开关频率越低。恰当的换流器装置和开关频率可以因此基于换流器块的数目和输出波形的质量来选择。

在操作中，可能进一步需要旁路故障的换流器块，以将换流器装置适配不同的DC电压电平并且获得故障电流限制。

换流器模块的开关级可以被用来获得这种灵活性和故障处理能力。

现在将参照图4-图7描述该示例，其中附图示出具有两个三相两电平换流器块16A和18A的第一换流器模块中的开关级的切换。开关级中开关的切换同样可以在控制单元15的控制下执行。

在稳定的级操作中，当DC传输系统的DC电压电平较高时，将一个或多个换流器模块中的换流器块串联连接在两个DC连接器DC₁与DC₂之间是有利的。如可以在图4中看到的，这种串联连接通过使得在第一开关装置SA₁中的第一串的第一开关S₁和第二串的第四开关S₄闭合或导通并且使得第二开关装置SA₂的第一串的第六开关S₆和第二串的第七开关S₇闭合或导通而获得。因此可以看出，第一开关装置SA₁中的第一串的第二开关S₂和第二串的第三开关S₃、第二开关装置SA₂中第一串的第五开关S₅和第二串的第八开关S₈被关断或不导通。因此，第一开关S₁将第一DC连接器与第一换流器块16A的上部DC端子连接，同时第四开关S₄和第七开关S₇将第一换流器块16A的下部DC端子与第二换流器块18A的上部换流器端子连接。因此，在两个DC链电容器之间存在两个并联电流路径。此外，第六开关S₆将第二换流器块18A的下部DC端子与第二DC连接器连接，并且因此可以看出，两个DC输出在两个DC连接器之间串联连接。

在其它实例中，DC链电压可能较低。在这种情况下，可以关注于将换流器块中的两个或多个换流器块在DC连接器之间彼此并联连接。如可以在图5中看出的，通过使得在第一开关装置SA₁中的第一串的第一开关S₁和第二串的第三开关S₃闭合或导通并且使得第二开关装置SA₂的第一串的第六开关S₆和第二串的第八开关S₈闭合或导通而获得。因此可以看出，第一开关装置SA₁中的第一串的第二开关S₂和第二串的第四开关S₄、第二开关装置SA₂中第一串的第五开关S₅和第二串的第七开关S₇被关断或不导通。因此，第一开关S₁将第一DC连接器与第一换流器块16A的上部DC端子连接，并且第六开关将第二DC连接器与第二换流器块18A的下部DC端子连接。第三开关S₃进而将第一DC连接器与第二换流器块18的上部DC端子连接，并且第八开关S₈将第一连接器块18的下部DC端子与第二换流器块18A的下部DC端子连接，从而获得并联连接。可以看出，第三开关S₃和第八开关S₈通过DC链电容器提供并联电流路径。

进一步可能的是换流器块出现故障，在这种情况下需要旁路该换流器块。图6示出旁路第一换流器模块中的第一换流器块16A，而图7示出旁路第一换流器模块中的第二换流器块18A。

如可以在图6中看出的，通过使得在第一开关装置SA₁中的第一串的第二开关S₂和第二串的第四开关S₄闭合或导通并且使得第二开关装置SA₂的第一串的第六开关S₆和第二串的第七开关S₇闭合或导通而实现旁路第一换流器块16A。因此可以看出，第一开关装置SA₁中的第一串的第一开关S₁和第二串的第二开关S₂、第二开关装置SA₂中第一串的第五开关S₅和第二串的第八开关S₈被关断或不导通。第二开关S₂将第一DC连接器与第一换流器块18A的第二DC端子连接，并且第四开关S₄将相同的第二DC端子与第二换流器块18A的上部DC端子连接。这还通过第七开关S₇实现。第二换流器块18A的下部DC端子进而被连接到第二DC连接器。按照这种方式，第一换流器块18A被旁路，并且在两个DC连接器之间仅连接第二换流器块。此外，两个开关S₄和S₇提供从第二开关S₂到第二换流器块18A的DC链电容器的两个并联电流路径。

如可以在图7中看出的，通过使得在第一开关装置SA₁中的第一串的第一开关S₁和第二串的第四开关S₄闭合或导通并且使得第二开关装置SA₂的第一串的第五开关S₅和第二串的第七开关S₇闭合或导通而实现旁路第二换流器块18A。因此可以看出，第一开关装置SA₁中的第一串的第二开关S₂和第二串的第三开关S₃、第二开关装置SA₂中第一串的第六开关S₆和第二串的第八开关S₈被关断或不导通。因此，第一开关S₁将第一DC连接器与第一换流器块16A的上部DC端子连接，同时第四开关S₄和第七开关S₇将第一换流器块16A的下部DC端子与第二换流器块18A的上部换流器端子连接。第二换流器块18A的上部DC端子进而经由第五开关S₅被连接到第二DC连接器。如可以看出的，由此仅有第一换流器块16A在DC连接器之间连接，同时第二换流器块18A被旁路。还可以看出，第四开关S₄和第七开关S₇提供从第一换流器块16A的DC链电容器到第五开关S₅的两个并联电流路径。可以在图4-图7的全部附图中看出，两个开关装置的第二串均被用于形成通过开关级的至少一部分的两个并联电流路径。

在一些情况下，还可以关注于限制或阻断在DC端子之间流动的故障电流。这可以通过阻断用于在DC端子之间连接DC链电容器的开关装置的全部开关S₁-S₈、即通过去除用于闭合开关元件的信号而获得。开关将由此保持在断开状态。因此，流过换流器装置、例如从第一DC端子DC₁流向第二DC端子DC₂的故障电流将被DC链电容器C₁和C₂阻断。

已经提出开关级以在正常和故障情形下调节DC系统。

下面列出提出的开关级的一些益处。

开关级被用于调节DC链电压并且保证在正常(串联连接)和内部故障(旁路连接)操作状况期间的换流器操作。

提出的开关级与常规的全桥开关级相比减少了25％的导通损耗以及12％的硅面积。

提出的开关级在DC系统电压降低的情况下提供并联连接。

随着DC链电容器的使用，提出的开关级可以在DC链处阻断故障电流。

在上面不同的变型中，换流器装置仅包括n电平换流器模块。然而，在一些情况下，可能有利地包括有限数目的模块化多电平换流器(MMC)块，以便进一步放宽滤波要求并且减少所需的变压功能的数目。MMC块的数目可以仅为一个。

图8示意性地示出能够实现备选的第一换流器模块以便使变压器功能的数目最小化的一种方式。在换流器模块中，第一换流器块16A为在第一开关装置SA₁与三相变压器15的第一初级绕组之间连接的两电平换流器块14A。并且在这种情况下第二换流器块18B在第二开关装置SA₂与三相变压器15的第二初级绕组之间连接。然而，在这种情况下，第二换流器块为模块化多电平换流器块18B，其中每个相脚通过具有DC贡献和AC贡献的电压源形成，该电压源通过多个级联的单元形成。每个单元包括代替DC链电容器而用在电压形成过程中的单元电容器。在两电平换流器中，DC链电容器被用在电压形成中。这通过模块化多电平换流器的DC链电容器的尺寸比两电平换流器的DC链电容器的尺寸小得多而表示。

在图8中，两电平换流器块16A被连接到第一DC连接器，同时MMC块18B被连接到第二DC连接器。然而，可以代替地将MMC连接到第一DC连接器并且将两电平换流器块连接到第二DC连接器。

由于MMC块18B自然地操作在低开关频率下，所以两电平换流器块16A将操作在低开关频率(基波频率附近)下。MMC块18B还将作为在传递部分有源功率的同时用于AC侧和DC侧两侧的有源滤波器。因此，由于两电平换流器块的开关在基波频率附近处切换，因此它们可以针对导通损耗被优化。

图7和图8示出的换流器装置可以被用在对称的单极或双极HVDC系统中。

如可以在图9中看出的，DC链可以是双极系统的一部分，其中第一DC连接器被连接到正极并且第二DC连接器被连接到负极。还可以看出，极之间串联连接的中点接地。如可以在图10中看出的，DC链可以是双极系统的一部分，其中第一DC连接器被连接到极并且第二DC连接器被连接到地。如可以在这两个图中看出的，还可以省略开关级。然而应该理解，也可以增加一个开关级。

两电平换流器块的每个AC端子被连接到变压器15的相应第一初级绕组，并且MMC的每个AC端子被连接到变压器15中的相应第二初级绕组。变压器中的绕组可以被delta-连接或Y-连接。然而，在Y-连接的情况下，星形点不可以接地。

如图8-图10示出的，变压器15的次级绕组串联连接。按照这种方式，通过两电平换流器和MMC的电压总和来给出相电压。因此，正弦输出电压可以通过以抵消两电平电压波形的不期望谐波的方式来选择MMC的输出电压而获得。

后一种类型的换流器模块可以有利地用在存在经由DC链背靠背连接的两组换流器模块的背靠背换流器装置中。这在图11中示出。第一组换流器模块20将随后被连接在DC链的一端处，并且第二组换流器模块22经由被连接到第一DC连接器DC₁的第三DC连接器DC₃和被连接到第二DC连接器DC₂的第四DC连接器DC₄而被连接在相对端处。这里可以看出，在图11的示例中，第一组换流器模块和第二组换流器模块两者均仅包括由两个换流器块组成的一个换流器模块。然而应该理解，可以增加更多个换流器块。在这种情况下，第一组MMC可以被连接到第一DC连接器DC₁，同时第二组MMC可以被连接到第四DC连接器DC₄。备选地，并且如图11中所示，第一组MMC可以被连接到第二DC连接器DC₂，同时第二组MMC可以被连接到第三DC连接器DC₃。因此，两组换流器块的多电平换流器块可以被连接到DC链的不同部分，诸如被连接到不同的极、或者一个被连接到极而另一个被连接到地。这提供了关于DC链的进一步滤波放宽。可以看出在图11中不使用开关级。然而，这里也可以增加一个开关级。

如上所述，使用延迟的PWM载波的控制策略仅是获得低开关频率的一种方式。应该理解的是存在可以用于使换流器块的开关频率减小到像大约基波频率那么低的其它PWM控制策略。

本发明具有多个优点。使用n电平换流器模块允许减少换流器装置的尺寸。使用一个次级绕组或两个内部连接的次级绕组的两个变压功能的组合减少了所需衬套的数目。使用若干n电平换流器放宽了滤波要求。包括全桥开关装置的开关块实现了更大的操作灵活性、减少了导通损耗并且允许阻断DC链的故障。增加多电平换流器块进一步放宽了滤波要求。

控制单元15可以以分立元件的形式实现，诸如以专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)电路的形式实现。然而，它还可以以具有所附程序存储器的处理器的形式实施，该程序存储器包括在处理器上运行时执行期望控制功能的计算机程序代码。携带这种代码的计算机程序产品可以被提供为数据载体，诸如携带计算机程序代码的一个或多个CD ROM盘或者一个或多个存储棒，该数据载体在被装载到控制单元时执行上述控制功能。

从前述讨论中明显的是，本发明可以以多种方式进行变化。因此应该了解，本发明仅由以下权利要求限制。

Claims

1.一种用于在交流(AC)与直流(DC)之间转换的换流器装置(10)，所述装置包括第一DC连接器(DC₁)和第二DC连接器(DC₂)、用于多个AC相的多个AC连接器(ACA，ACB，ACC)、以及至少一个第一组(20)换流器模块(CM₁，CM₂)，其中每个换流器模块包括

至少一个变压器(15)，包括

一组初级绕组群，每个初级绕组群包括至少两个初级绕组(PWA₁，PWA₂，PWB₁，PWB₂，PWC₁，PWC₂)，以及

一组次级绕组群，每个次级绕组群包括至少一个次级绕组(SWA，SWB，SWC)，所述至少一个次级绕组被磁耦合到相应初级绕组群的初级绕组、并且被连接到相应AC连接器，以及

至少两个换流器块(16，18)，在AC与DC之间转换，其中每个换流器块具有被连接到所述两个DC连接器(DC₁，DC₂)的DC侧、以及被连接到每个初级绕组群的相应初级绕组的AC侧，

其中，所述换流器模块包括基于(n-1)个串联连接的DC链电容器来提供n个输出电压电平的至少一个n电平换流器块(16A，18A)，其中n≥2。

2.根据权利要求1所述的换流器装置，其中所述第一组换流器模块包括被配置为接收相应PWM载波的k个n电平换流器模块，其中k≥2，并且不同的n电平换流器模块的所述PWM载波被相移360/k°。

3.根据前述权利要求中任一项所述的换流器装置，其中每个换流器模块包括在所述DC连接器与所述换流器块之间的开关级(20)，所述开关级具有可控制的开关(S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，S₆，S₇，S₈)，以在所述DC连接器之间串联或并联连接所述换流器块(16，18)。

4.根据权利要求3所述的换流器装置，其中每个换流器块具有跨其DC侧连接的相应DC链电容器(C₁，C₂)，并且所述开关级的所述开关能够控制成被阻断以用于连接所述DC端子之间的所述DC链电容器，用以限制故障电流。

5.根据权利要求3或4所述的换流器装置，其中所述开关级(20)的所述开关是有源开关、无源开关或混合开关。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的换流器装置，其中所述开关级(20)包括至少两个全桥开关装置(SA₁，SA₂)，每个全桥开关装置具有两个串，所述两个串具有串联连接的开关(S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，S₆，S₇，S₈)、并且跨相应换流器块(16，18)的DC侧并联连接，其中全桥开关装置的第一串的中点被连接到DC连接器，而第二串的中点被连接到另一个全桥开关装置的所述两个串之间的连接点。

7.根据权利要求6所述的换流器装置，其中所述第二串的所述开关是可控制的，以通过所述开关级的至少一部分来提供两个并联电流路径。

8.根据前述权利要求中任一项所述的换流器装置，其中一个换流器块是模块化多电平换流器块(18B)。

9.根据权利要求8所述的换流器装置，进一步包括第三连接器(DC₃)和第四连接器(DC₄)，以及第二组(22)换流器模块，所述第二组(22)换流器模块通过被连接到所述第一DC连接器的第三DC连接器和被连接到所述第二DC连接器的第四DC连接器而以背靠背配置被连接到所述第一组(20)换流器模块，其中所述第二组换流器模块包括至少一个n电平换流器块和模块化多电平换流器块，其中在所述第一组换流器模块的所述模块化多电平换流器块(18B)被连接到所述第一DC连接器(DC₁)时，所述第二组换流器模块的所述模块化多电平换流器块被连接到所述第三DC连接器(DC₃)，并且在所述第一组换流器模块的所述模块化多电平换流器块(18B)被连接到所述第二DC连接器(DC₂)时，所述第二组换流器模块的所述模块化多电平换流器块被连接到所述第四DC连接器(DC₄)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的换流器装置，其中所述次级绕组群中的每个次级绕组群包括数目与相应初级绕组群中的初级绕组的数目相对应的次级绕组，其中初级绕组群的每个初级绕组被磁耦合到相应次级绕组群的相应次级绕组。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的多电平换流器模块，其中所述次级绕组群中的每个次级绕组群仅包括一个次级绕组，并且初级绕组群的全部初级绕组被磁耦合到相应次级绕组群的仅有的次级绕组。

12.根据权利要求10或11所述的换流器装置，其中初级绕组群中的所述初级绕组(PWA₁，PWA₂)和相应次级绕组群的所述次级绕组(SWA₁)围绕同一个变压器芯进行缠绕。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的换流器装置，其中所述变压器被封装在变压器箱中，并且绕组群内的绕组之间的任何连接在所述箱中内部进行。

14.根据前述权利要求中任一项所述的换流器装置，进一步包括被配置为控制所述换流器模块的控制单元(32)。