CN108352780A - 用于处理ac侧故障的模块化多电平转换器 - Google Patents

Abstract

一种模块化多电平转换器包括多个相支路，该多个相支路包括具有双极电压贡献能力的单元(C1p1，…C5p1，C1n1，…C5n1)。模块化多电平转换器(14)还包括被配置成在检测到转换器的操作扰动时进入第一保护控制模式的控制单元(22)，第一保护控制模式包括控制所有双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，并且如果操作扰动被识别为连接的AC链路的相上的故障，则阻断连接至该相的相支路的单元用于第一保护控制模式的其余部分并且控制连接至AC链路的健康相的相支路的单元以处理故障的影响。

Description

用于处理AC侧故障的模块化多电平转换器

技术领域

本发明总体上涉及多电平转换器。更具体地，本发明涉及模块化多电平转换器以及用于控制模块化多电平转换器中的故障处理的方法和计算机程序产品。

背景技术

模块化多电平转换器在很多不同的电力传输环境中都很有用。它们例如可以被用作直流电力传输系统(诸如高压直流(HVDC))和交流电力传输系统(诸如柔性交流传输系统(FACTS))中的电压源转换器。

模块化多电平转换器包括多个级联的转换器子模块或单元，每个转换器子模块或单元包括多个开关和通常以DC电容器为形式的能量存储单元。

这样的转换器中的转换器子模块或单元例如可以是半桥、全桥或钳位双单元类型。这些可以被连接在相支路的上相臂和下相臂中。

在一些应用中，使用全桥单元是有吸引力的。全桥单元的串联连接通过施加反向电压来提供三个等级的电压控制以及DC故障电压阻断能力。

当例如DC故障电流要被限制时，全桥单元因此是有利的。

但是，在全桥单元的使用导致需要超大尺寸并且因此不必要的大型转换器时，还存在其它一些故障情况，特别是AC侧故障，诸如相对地故障。

WO2015/110185涉及处理这样的情况。在该文献中，通过提供高度不对称的转换器来避免超大尺寸，其中上相臂包括全桥单元并且下相臂包括半桥单元或全桥单元配备有旁路开关，在发生相对地故障的情况下旁路开关被操作以旁路能量存储元件。

存在在相支路中需要对称的全桥设计的情况。因此存在非对称转换器设计不可行的情况。在这种情况下，感兴趣的是，避免转换器尺寸过大而不需要添加诸如旁路开关的额外部件。

此外，如果在这个转换器中进行单元的临时阻断，则可能会出现极高的AC侧电压，这些电压可能会达到总相臂电压的两倍。

本发明被提供用于解决上述问题的至少一些问题。

发明内容

本发明旨在提供相臂所需要的转换器电压额定值的减少以便处理AC侧故障，同时能够解决由AC侧故障引起的其它问题。

根据第一方面，该目的通过模块化多电平转换器来实现，模块化多电平转换器被配置成在交流(AC)与直流(DC)之间转换，并且包括：

第一DC端子和第二DC端子，

多个AC端子，用于连接至AC链路的多个AC相，以及

多个相支路，每个相支路针对一个相，

其中每个相支路连接在第一DC端子与第二DC端子之间，具有连接至对应的AC端子的中点并且包括具有双极电压贡献能力的单元，其中每个单元包括用于提供电压贡献的至少一个能量存储元件和用于控制电压贡献的单元开关，其中至少第一DC端子可连接至DC系统。

模块化多电平转换器还包括控制单元，该控制单元被配置成在检测到转换器的操作扰动时进入第一保护控制模式，第一保护控制模式包括控制所有双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，以及如果操作扰动被识别为AC链路的相上的故障，则针对第一保护控制模式的其余部分阻断与该相相连的相支路的单元，并且控制与AC链路的健康相相连的相支路的单元以处理故障的影响。

根据第二方面，该目的通过控制在交流(AC)与直流(DC)之间转换的模块化多电平转换器中的故障处理的方法来实现，转换器包括第一DC端子和第二DC端子；多个AC端子，每个AC端子连接至AC链路的对应的AC相；以及多个相支路，每个相支路针对AC链路的一个相，其中每个相支路连接在第一DC端子与第二DC端子之间，具有连接至对应的AC端子的中点并且包括具有双极电压贡献能力的单元，其中每个单元包括用于提供电压贡献的至少一个能量存储元件和用于控制电压贡献的单元开关，该方法在转换器的控制单元中执行并且包括在检测到转换器的操作扰动时进入第一保护控制模式，第一保护控制模式包括：控制所有双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，并且在操作扰动被识别为由AC链路的相上的故障引起时，针对第一保护控制模式的其余部分进一步执行：阻断与所述故障相相连的相支路的单元，并且控制与AC链路的健康相相连的相支路的单元以处理故障的影响。

根据第三方面，目的通过用于控制在交流(AC)与直流(DC)之间转换的模块化多电平转换器中的故障处理的计算机程序产品来实现，转换器包括第一DC端子和第二DC端子；多个AC端子，每个AC端子连接至AC链路的对应的AC相；以及多个相支路，每个相支路针对AC链路的一个相，其中每个相支路连接在第一DC端子与第二DC端子之间，具有连接至对应的AC端子的中点并且包括具有双极电压贡献能力的单元，其中每个单元包括用于提供电压贡献的至少一个能量存储元件和用于控制电压贡献的单元开关，计算机程序产品被提供在包括计算机程序代码的数据载体上，该计算机程序代码被配置成当计算机程序代码被加载到控制单元中时使得用于模块化多电平转换器的控制单元能够在检测到转换器的操作扰动时进入第一保护控制模式，第一保护控制模式包括控制所有双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，并且如果操作扰动被识别为由AC链路的相上的故障引起，则针对第一保护控制模式的其余部分进一步执行：阻断与所述故障相相连的相支路的单元，并且控制与AC链路的健康相相连的相支路的单元以处理故障的影响。

本发明具有很多优点。它解决了过高的DC电压额定值的问题，而无需向单元添加附加的部件。这与解决AC链路故障的其它后果相结合。本发明允许实现这样的不同的目标，诸如限制临时AC过电压或AC过电流，在断路器断开期间避免瞬变，在连接至故障相的单元的阻断期间减少经受的高单元电压，并且避免由于过电流保护而导致的临时转换器阻断。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明，在附图中：

图1示意性地示出转换器站，其中模块化多电平转换器经由AC链路连接在DC与AC系统之间，

图2示意性地示出模块化多电平转换器的结构，

图3示意性地示出全桥单元，

图4示出模块化多电平转换器的控制单元的示意性框图，

图5示出控制单元中的故障处理元件的示意性框图，

图6示出当全桥单元已经被设定成作为半桥单元来操作时模块化多电平转换器的相支路，

图7示出在用于控制模块化多电平转换器中的故障处理的方法中所执行的多个方法步骤的流程图，

图8示意性地示出在处理相故障的影响期间所执行的多个进一步的步骤，以及

图9示意性地示出包括具有计算机程序代码的数据载体的计算机程序产品，该计算机程序代码用于实现控制单元中的功能。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明的优选实施例的详细描述。

图1示意性地示出了其中可以提供模块化多电平转换器(MMC)14的环境的单线图。更具体地，转换器可以被提供在转换器站中，该转换器站被连接在交流(AC)系统10与直流(DC)系统12之间。作为示例，DC系统12可以是DC电力传输系统，诸如高压直流(HVDC)电力传输系统。AC系统10可以是三相AC传输系统。DC系统12又包括经由转换器站耦合至AC系统10的极P1。在该实施例中，DC系统12是非对称单极系统。但是应当认识到，系统也可以是由两个非对称单极系统组成的双极系统。因此，在DC系统12中还存在可以被提供或可以不被提供作为中性导体的接地电位。

为了使得DC系统12能够被连接至AC系统10，转换器站包括用于在AC与DC之间转换的转换器14。转换器14可以用作整流器和/或逆变器。转换器14可以是电压源转换器，并且在该实施例中，它是基于单元的多电平电压源转换器或模块化多电平转换器。转换器具有用于连接至DC系统12的第一极P1的第一DC端子DC1和用于连接至中性母线的第二DC端子DC2，该中性母线可以进一步经由电极线路或金属大地回线线路连接至地。在图1中，第二DC端子DC2被连接至地，并且因此在该示例中，第二DC端子DC2是中性连接端子。转换器还包括多个AC端子，每个相一个AC端子。由于图1是单线图，这些AC端子已从图1中省略。

转换器站还可以包括连接在极P1与地之间的一对DC电容器C1和C2。

转换器14因此具有用于连接至DC系统12、并且更具体地连接至DC系统的至少一个极P1的DC侧、以及用于耦合至AC系统10的AC侧。

从图1中也可以看出，转换器站14还可以包括变压器18，变压器18具有用于耦合至AC系统10的初级侧和耦合至转换器14的AC侧的次级侧。在该第一实施例中，次级侧更具体地经由AC母线或AC链路16连接至转换器14。故障F也被示出为在AC链路16上出现。

在本示例中，链路16和AC系统10被提供用于三相AC电力的传输。为此，变压器18的初级侧包括三个初级绕组(未示出)，其在该第一实施例中以星形配置连接。但是应当认识到，具有三角形配置也是可能的。这里，初级侧还具有中性点，该中性点可以直接或间接地被连接至地。初级侧还经由断路器20连接至AC系统10。由于AC系统10是三相系统，所以断路器20通常包括三个断路元件，每个相一个断路元件。更具体地，断路器20被串联地连接在变压器18的初级侧与AC系统10之间。

变压器18的次级侧还包括以三角形配置连接的三个次级绕组(未示出)。但是应当认识到，具有星形配置也是可能的。次级绕组因此可以以三角形或星形配置连接。

图2示意性地示出了以基于单元的电压源转换器14为形式的多电平转换器14的一种变型。转换器进行操作以在交流(AC)与直流(DC)之间转换。图2中的转换器14包括由多个相支路组成的三相桥。在这种情况下存在三个相支路。因此，存在第一相支路PL1、第二相支路PL2和第三相支路PL3。更具体地，相支路被连接在第一DC端子DC1与第二DC端子DC2之间，其中相支路的中点被连接至相应的交流端子ACA、ACB、ACC。在该示例中，相支路被分为两个半部，即第一上半部和第二下半部，其中这样的半部也被称为相臂。

此外，第一DC极具有可以为正的第一电位Vdp。由于第一DC端子DC1被连接至第一极，该电位也在图2中示出。第一极因此也可以被称为正极。第一DC端子DC1与AC端子ACA、ACB和ACC之间的相臂可以被称为第一相臂或上相臂，而AC端子与第二DC端子DC2之间的相臂可以被称为第二相臂或下相臂。由于第二DC端子DC2被连接至地，该电位GND也在图2中示出。

图2中描绘的电压源转换器14被连接至非对称单极DC系统。它因此被连接在极与地之间。作为替代，它可以被连接至对称双极DC系统。在对称双极DC系统中，将存在具有第二负电位的第二极P2，第二负电位可以与第一电位一样大但是具有相反极性。为了连接至双极系统，转换器还将需要在相支路中包括第三和第四相臂，其中第二和第三相臂将被连接至地，第一相臂连接在正电压与第二相臂之间，并且第四相臂连接在第二极P2的负电压与第三相臂之间。相支路的第一AC端子将在被连接至对称双极系统时被提供在第一相臂与第二相臂之间，而同一相支路的第二AC端子将被提供在第三相臂与第四相臂之间。此外，相臂还将经由相电抗器连接至AC端子。

图2的示例中的电压源转换器10的相臂包括单元。单元(cell)是可以被切换以用于向相应AC端子上的电压提供电压贡献的单元(unit)。单元继而包括用于该电压贡献的一个或多个能量存储元件，这些能量存储元件例如可以是电容器的形式。单元可以被切换以提供与能量存储元件的电压相对应的电压贡献或零电压贡献。单元因此包括控制来自能量存储元件的电压贡献的开关。此外，单元的至少一些单元具有双极电压贡献能力。这表示来自单元(诸如全桥单元)单元的电压贡献可以具有两个不同的极性。

单元有利地被串联或级联连接在相臂中。

在图2中给出的示例中，在每个相臂中有五个串联或级联的单元。因此，第一相支路PL1的上相臂包括五个单元Clp1、C2p1、C3p1、C4p1和C5p1，而第一相支路PL1的下相臂包括五个单元Cln1、C2n1、C3n1、C4n1和C5n1。跨过上相臂的单元，有第一相臂电压Vap，并且有第一相臂电流Iap流动通过上相臂。因为上相臂被连接至第一极P1，所以它也可以被认为是正相臂。跨过下相臂的单元，有第二相臂电压Van，并且有第二相臂电流Ian流动通过下相臂。此外，上相臂经由第一或上臂电抗器Laarm1接合到AC端子ACA，而下相臂经由第二或下臂电抗器Laarm2接合到同一AC端子ACA。以类似的方式，第二相支路PL2的上相臂包括五个单元Clp2、C2p2、C3p2、C4p2和C5p2，而第二相支路PL2的下相臂包括五个单元Cln2、C2n2、C3n2、C4n2和C5n2。最后，第三相支路PL3的上相臂包括五个单元Clp3、C2p3、C3p3、C4p3和C5p3，而第三相支路PL3的下相臂包括五个单元Cln3、C2n3、C3n3、C4n3和C5n3。此外，上相臂经由对应的第一或上臂电抗器Lbarm1和Lcarm1分别接合到对应的AC端子ACB和ACC，而下相臂经由对应的第二或下臂电抗器Lbarm2和Lcarm2分别接合到相同的AC端子ACB和ACC。

图2中提供的单元数目只是示例。因此必须强调，相臂中的单元数目可以有所不同。在每个相臂中有更多的单元通常是有利的，特别是在HVDC应用中。相臂例如可以包括数百个单元。然而，也可以有较少的单元。

相臂中的每个单元的控制通常通过向单元提供控制信号来进行，该控制信号涉及控制该单元对满足基准电压的贡献。基准电压可以被提供用于获取相支路的AC端子上的波形，例如正弦波。为了对单元(cells)进行控制，因此有控制单元(control unit)22。

控制单元22被提供用于控制转换器的所有相臂。然而，为了简化该图，在图2中仅示出了第一相支路PL的上相臂的控制。

其它相臂以类似的方式被控制，以便在三个AC端子AC1、AC2和AC3上形成输出波形。

此外，控制单元22可以用于关于处理诸如AC相故障的各种故障的一些专用控制。这将在稍后更详细地描述。

转换器14包括全桥单元，即具有双极电压贡献能力的单元。图3示出了可以在转换器中使用的全桥单元FBA。

单元FBA因此是全桥转换器单元并且包括在本文中以电容器Ccell为形式的能量存储元件，该电容器Ccell与第一串开关S1和S2并联连接。能量存储元件Ccell提供电压Udm，并且因此具有正端和负端，其中正端具有比负端更高的电位。第一串中的开关S1和S2彼此串联连接，其中每个开关可以以开关元件的形式实现，该开关元件可以是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)晶体管以及反并联的单向导电元件。在图3中，第一开关S1具有带有第一反并联二极管D1的第一晶体管T1。第一二极管D1连接在晶体管T1的发射极与集电极之间，并且具有从发射极到集电极以及朝向能量存储元件Ccell的正端的导电方向。第二开关S2具有带有第二反并联二极管D2的第二晶体管T2。第二二极管D2以与第一二极管D1相同的方式相对于能量存储元件C被连接，即，朝向能量存储元件Ccell的正端传导电流。此外，第一开关S1连接至能量存储元件Ccell的正端，而第二开关S2连接至能量存储元件C的负端。

还存在第二串串联连接的开关S3和S4。第二串开关在这里与第一串以及与能量存储元件Ccell并联连接。第二串包括在这里通过带有反并联第三二极管D3的第三晶体管T3提供的第三开关S3和在这里通过带有反并联第四二极管D4的第四晶体管T4提供的第四开关S4。此外，第四开关S4连接至能量存储元件Ccell的正端，而第三开关S3连接至能量存储元件Ccell的负端。此外，二极管D3和D4都具有朝向能量存储元件Ccell的正端的电流传导方向。第二串中的开关S3和S4因此彼此串联连接。开关在这里也被称为单元开关。开关元件可以使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)来实现。但是，它们也可以是双模式绝缘栅晶体管(BiGT)或其它类型的开关部件。

该全桥单元FBA包括第一单元连接端子TE1和第二单元连接端子TE2，每个单元连接端子为单元提供至电压源转换器的相支路的相臂的连接。在该全桥单元中，第一单元连接端子TE1更具体地提供从相臂到第一开关S1与第二开关S2之间的结合点的连接，而第二单元连接端子TE2提供相臂与第三开关S3与第四开关S4之间的连接点之间的连接。因此，第一开关S1与第二开关S2之间的结合点提供一个单元连接端子TE1，而第三开关S3与第四开关S4之间的结合点提供第二单元连接端子TE2。这些单元连接端子TE1和TE2因此提供单元FBA可以连接至相支路的相臂的点。由此，第一单元连接端子TE1将相臂与第一串的串联连接开关的两个开关(这里是第一开关S1和第二开关S2)之间的连接点或结合点相接合，而第二单元连接端子TE2将上相臂与第二串的串联连接开关的两个开关之间(这里是第三开关S3和第四开关S4之间)的连接点相接合。

从图4中可以看出，控制单元22可以包括用于在形成AC电压波形的情况下提供常规控制的转换控制元件24、操作扰动检测元件26和故障处理元件28。更具体地，转换控制元件24针对每个相支路使用至少一个AC电压基准以便形成稳态的相电压。这些AC电压基准通常被用在相支路的脉宽调制(PWM)控制中。

图5示出了故障处理元件28的示意框图。它包括故障模式监测块30和多个故障模式处理块，其中仅有一个故障模式处理块，即第一故障模式处理块32被示出。该块32被提供用于处理第一保护控制模式。控制单元22有利地使用具有计算机程序代码的计算机来实现，该计算机程序代码包括提供上述元件的计算机程序指令。但是，它也可以使用诸如现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)的专用硬件电路来实现。

在采用全桥单元的多电平转换器中可能存在的一个问题是，转换器的电压额定值需要很高以便处理AC相故障。

如果全桥单元被阻断，即晶体管接通被禁止，则将在每个相臂中产生单元电容器的串联连接，该单元电容器串联连接是由反并联续流二极管引起的。如果存在直流侧故障(诸如极对地故障)，则阻断是有益的，因为串联连接的单元电容器继而会限制故障电流。

在一个或多个相发生故障(诸如相对地故障)的情况下，情形不是那么有利。

如果相之一相发生接地故障F，则该故障将对应相支路的中点接地。接着，可以看到两个其它相支路中点经由源阻抗连接至对应的AC电压源，源阻抗通常是变压器。由于变压器，这些电压与故障之前相比已经升高了的值。

如果DC电容器C1或C2两端的电压为Ud，则表示转换器变压器之后的健康相的峰值电压变为±1.732Ud。在VAC＝-1.732Ud的负峰值时，这将使上臂全桥电容器从Ud充电至1.732Ud或者充电至1.73标幺值(p.u.)。这是续流二极管电流的重要驱动源。结果，即使在非常短的瞬变期间，单元电压也可以被充电到非常高的电压。

这种情形通常必须通过冗余来处理，即通过增加单元数目来处理，使用仅用于电压额定值目的的附加的单元，这往往导致成本增加30％以上。

根据本发明的方面，第一情形通过进入第一保护控制模式来处理，在第一保护控制模式下，一个或多个相支路的全桥单元被设定成作为半桥单元来操作。双极电压贡献单元因此被控制为作为单极电压贡献单元来操作。更具体地，这可以涉及控制一个单元串(例如，第一)的开关以实现单极电压贡献操作，同时允许使用AC电压基准来控制另一单元串(例如，第二)的开关。

图6示意性地示出了发生了这种情况的一个相支路。在图6中，仅示出了第一相支路的上相臂和下相臂的第一和第五单元Clp1、C5p1、Cln1和C5n1。但是，所有单元中都实现了相同类型的操作。从图6中可以看出，在上相臂中，第四开关S4被设定成断开并且第三开关S3被设定成导通，而在下相臂中，第一开关S1被设定成断开并且第二开关S2为导通或闭合。这使得全桥单元用作半桥单元。半桥单元可以以各种方式来控制以减轻相对地故障的后果。这将紧接着被描述。

在这里可以提到，还有其它方式可以获取半桥操作。例如，可能的是，上相臂中的第一开关S1保持闭合，而对应的第二开关S2保持断开。以类似的方式，可能的是，下相臂中的第四开关S4保持闭合，其中对应的第三开关S3保持断开。

现在还将参考图7来描述由控制单元22执行的控制故障处理的方法的示例，图7示出了控制故障处理的方法中的多个方法步骤的流程图。

当转换器14以稳定状态操作时，操作扰动检测元件26可以检测到存在操作扰动。扰动的检测可以是AC链路上的故障的检测。它也可以是通用的故障检测，诸如相臂中或DC链路中的过电流故障检测。

操作扰动检测元件26可以向故障处理元件28提供检测的指示。作为替代，可能的是，操作干扰可以在控制单元22的外部被检测到，例如，通过提供在DC系统12中的过电流检测单元来检测。在这种情况下，该外部的操作扰动检测单元可以向故障处理元件28通知扰动。在这种情况下，也可以从控制单元22中省略扰动检测元件26。

故障处理元件28由此接收指示。此外，接收指示的故障处理元件中的块是故障处理模式监测块30，故障处理模式监测块30又通过指令第一故障处理模式块32开始操作来进入第一保护控制模式，该块32负责在第一保护控制模式下执行的保护活动。故障处理元件28因此进入第一保护控制模式，步骤34。更具体地，故障处理模式监测块30可以使第一模式处理块32处理第一保护控制模式。更具体地，第一模式处理块32在该第一故障处理模式下可以控制转换器14的所有单元以作为半桥单元来操作，步骤36。因此它可以向单元提供实现图6所示的连接状态的控制信号。

根据图6中的示例，第一模式处理块32因此可以控制上相臂中所有单元的第四开关S4断开并且控制上相臂中的所有单元的第三开关S3闭合，控制下相臂中所有单元的第一开关S1断开并且控制下相臂中的所有单元的第二开关S2闭合。

然后，故障处理元件28的第一模式处理块32探查操作扰动是否是由于AC链路故障(诸如AC链路相之一相的相对地故障)造成的。在这里，可能的是，转换器站配备有相故障检测单元，相故障检测单元可以被设定成将相故障指示发送到第一故障模式处理块。这样的相故障检测单元可以例如使用测量互感器来检测AC链路的相上的电压水平，并且由此检测任何这样的相是否接地。在优选变型中，这样的相故障检测单元可以是被设定成基于相对于相臂中或变压器18的次级侧的相在两个不同位置处确定的电流水平(诸如在AC端子处检测到的电流)来确定差动电流的单元。更具体地，该相故障检测单元可以基于针对相确定的差动电流的大小来确定在相上存在故障。在其自身启动时或者在被第一故障模式处理块32或故障模式监测块30询问之后，这样的故障的指示可以从这样的相故障检测单元发送到第一故障模式处理块32或故障处理元件26的故障监测块30。替代地，可能的是，故障操作扰动检测元件26确定存在AC链路故障F。

在故障不是相故障的情况下，步骤38，则退出第一保护控制模式，即步骤40。在这种情况下，故障监测块30可以通知第一故障模式处理块32停止操作。故障监测块30也可以接收来自某个其它故障检测单元的故障指示，并且然后连接到负责处理与该另一故障相对应的另一保护控制模式的另一故障处理块。如果在超时阶段内没有接收到指示，则也可以退出第一保护控制模式。

然而，如果AC链路故障被确认，步骤36，即如果操作扰动被识别为AC链路16的相上的故障，则第一故障模式处理块32继续并且探查是否有通过相支路的单元的任何电流已经达到额定电流水平。另外，这个探查被进行，只要。

在进入第一保护控制模式时，相臂中的相臂电流可以超过第一电流保护水平。例如，第一模式处理块可以监测相臂电流lap或Ian，其中在进入第一保护控制模式时，相臂电流的至少一个相臂电流可以超过第一电流保护水平，该第一水平是高于稳态操作期间的单元的最大操作电流水平但是低于单元的额定电流水平的水平。在这里，额定电流水平也称为第二电流保护水平。第二电流保护水平是出于保护目的必须阻断单元开关的水平。

是否已经达到额定电流水平的探查可以通过询问扰动检测元件26或扰动检测单元关于其是否检测到超过第二较高电流水平的过电流来执行。作为替代，可能的是，扰动检测元件26或扰动检测单元向第一模式处理块32通知已经达到第二水平。如果已经达到第二水平，即额定电流水平，步骤42，则故障处理元件28阻断所有在半桥单元操作中使用的转换器的单元，步骤44。这表示用于在半桥单元操作中使用的单元开关的控制信号被禁用，而用于获取半桥单元操作而被切换的开关保留其切换状态。这表示在图6的示例中，上相臂中的第一开关S1和第二开关S2被阻断，而第四开关S4和第三开关S3分别保留其状态，即第四开关S4和第三开关S3分别保持断开和闭合。这也表示，下相臂的第三开关S3和第四开关S4被阻断，而第一开关S1和第二开关S2保留其状态。因此第三开关S3和第四开关S4被阻断，而第一开关S1和第二开关S2分别保持断开和闭合。

如果没有达到第二电流水平，步骤42，则第一故障模式处理块32继续并且执行AC链路故障处理，步骤46。

图8中用流程图更详细地示出了由第一故障模式处理块32执行的AC链路故障处理。

第一故障模式处理块32首先阻断连接至故障相的相支路的单元，步骤54。这表示该相支路中的所有开关都被永久地关断。

第一故障模式处理块32然后继续并且控制连接至健康相的相支路的单元以处理故障的影响。更具体地，它们可以被控制以限制故障相中的故障的后果。这表示作为连接至健康相的相支路的半桥单元操作的全桥单元受到控制。可以看出，多个不同的活动可以被实施。

所执行的一种类型的控制是调整被指派给相支路的AC基准电压。更具体地，AC基准电压可以被增加。调整可以是用于使相臂电流保持在上述第二电流保护水平以下所需要的调整。

在一个变型中，与反相电压相对应的零序信号被产生，并且然后被添加到用于健康相的基准信号。更具体地，调整可以从第一故障模式处理块32供应给转换控制元件24以用于在连接至这些健康相的相支路的单元上使用。

调整值实际上可以被发送用于在所有相支路中使用。这表示转换控制元件24可以尝试控制连接至也具有调整后的基准值的故障相的相支路的单元。但是，由于相支路的单元被阻断，所以控制将不会导致任何电压生成。

第一故障模式处理块32还用于限制健康相的相电流，步骤58。在稳态操作中与有功功率和无功功率相关的相电流通常基于检测到的相臂电流和被控制以将这个电流逐渐减小到零的相支路来确定。控制可以使用比例(P)、比例和积分(PI)或比例、积分和微分(PID)控制来实现。

最后，AC链路故障处理包括控制连接至健康相的相支路的单元以注入循环电流，步骤60，这表示连接至一个健康相的相支路的单元被设定成注入第一电流，并且连接至另一健康相的另一相支路的单元被设定成注入相同相位但是具有相反的极性或被延迟180度的电流。因此，另一相支路注入反相电流并且由此循环电流被获取。该循环电流继而可以具有预先设定的或预先定义的频率和幅度。频率可以高于稳态操作频率，例如两倍高，并且幅度可以为0.3p.u.。幅度也可以缓慢地减少到零。幅度因此可以随时间而减小。

当健康相的电流已经减少到零时，可以断开断路器20。

因此，第一故障模式处理块探查被控制的相电流(即，健康相的电流)是否已经减少到零。如果它们没有，步骤48，则第一故障处理元件返回并且探查是否已经达到第二电流水平，步骤42，并且执行AC链路故障处理，步骤46，并且再次探查被控制的相电流是否已经达到零。由此可以看出，只要没有超过第二电流保护水平，就继续关于健康相支路所执行的阻断和控制。

然而，如果健康相的电流已经减少到零，步骤48，则可以断开断路器20。

在断路器被断开之后，故障处理元件28可以通过断路器20而被通知，断路器20被配置成将其状态或至少其状态改变报告给模式监测块30，第一故障模式处理块32可以阻断转换器的所有单元，步骤50，因此模式监测块30可以停止第一故障模式处理块32的操作。

在断路器已被断开之后，单元被阻断并且单元电容器被放电，然后可以维护转换器。

可以看出，本发明具有多个优点。它解决了臂电压过高的问题，而无需向单元添加附加的部件。这与解决AC链路故障的其它后果相结合。通过调整AC电压基准，可以解决临时AC过电压或AC过电流。通过电流控制，在断路器断开期间避免了显著的瞬变。循环电流和AC电压基准调整都有助于降低由连接至健康相的相支路中的单元所经受的高电压。这还有助于避免由于过电流保护而暂时阻断转换器。单元电压也可以由于切换和循环电流而受到控制，因为能量可以在健康相与臂之间以及相支路的上臂与下臂之间移动。

如前所述，控制单元可以以一个或多个处理器与包括用于执行其功能的计算机程序代码的计算机程序存储器一起的形式而被提供。当程序代码被加载到用作控制单元的计算机中时，该计算机程序代码也可以被提供在执行控制单元的功能的一个或多个数据载体上。图8中示意性地示出了以CD ROM盘为形式的具有计算机程序代码64的一个这样的数据载体62。

从前面的讨论可以明显看出，本发明可以以很多不同的方式变化。

例如，上面描述了控制连接至健康相的相支路的三种不同方式。应当认识到，可以只实现其中的一种。例如，可以仅实现AC电压基准调整、相电流减少或循环电流注入。也可以只有相支路控制类型的两种类型的组合，诸如仅一起使用AC电压基准调整和相电流减少，仅一起使用AC电压基准调整和循环电流注入，或者仅使用相电流减少和循环电流注入。

另一种可能的变型是，相支路还可以包括在上相臂和下相臂两者中的半桥单元。

因此，应当理解，本发明仅由下面的权利要求限定。

Claims (18)

1.一种模块化多电平转换器(14)，被配置成在交流(AC)与直流(DC)之间转换并且包括：

第一DC端子和第二DC端子(DC1，DC2)，

多个AC端子(ACA，ACB，ACC)，用于连接至AC链路(16)的多个AC相，

多个相支路(PL1，PL2，PL3)，每个相支路针对一个相，

每个相支路连接在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间，具有连接至对应的AC端子的中点并且包括具有双极电压贡献能力的单元(Clp1，...C5p1，Cln1，...C5n1，Clp2，...C5p2，Cln2，...C5n2，Clp3，...C5p3，Cln3，...C5n3)，其中每个单元包括用于提供所述电压贡献的至少一个能量存储元件(Ccell)和用于控制所述电压贡献的单元开关(S1，S2，S3，S4)，其中至少所述第一DC端子可连接至DC系统(12)，

所述模块化多电平转换器(14)还包括控制单元(22)，所述控制单元(22)被配置成在检测到所述转换器的操作扰动时进入第一保护控制模式，所述保护控制模式包括控制所有所述双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，以及

如果所述操作扰动被识别为所述AC链路的相上的故障，则针对所述保护模式的其余部分阻断与所述相相连的相支路的单元，并且控制与所述AC链路的健康相相连的相支路的单元以处理所述故障的影响。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平转换器(14)，其中当进入所述第一保护控制模式并且所述控制单元(22)被配置成关于所述健康相支路执行所述阻断和控制时，单元只要通过相支路的单元的任何电流低于第二较高电流保护水平，则通过相支路的所述单元的电流能够高于第一电流水平。

3.根据权利要求2所述的模块化多电平转换器(14)，其中如果所述电流被检测到高于所述第二电流保护水平，则所述控制单元(22)被配置成阻断被用于单极电压贡献操作的所述模块化多电平转换器的单元开关。

4.根据任一前述权利要求所述的模块化多电平转换器(14)，其中所述控制单元(22)具有被指派给每个相支路的至少一个AC电压基准，并且所述控制单元在被配置成控制与所述健康相相连的所述相支路的单元时，被配置成调整指派给所述相支路的AC电压基准。

5.根据任一前述权利要求所述的模块化多电平转换器(14)，其中所述控制单元(22)在被配置成控制与所述健康相相连的所述相支路的单元时，被配置成控制所述单元以将所述相电流逐渐减少到零。

6.根据任一前述权利要求所述的模块化多电平转换器(14)，其中所述控制单元(22)在被配置成控制与所述健康相相连的所述相支路的单元时，被配置成控制所述单元以注入在所述相支路之间循环的电流。

7.根据权利要求6所述的模块化多电平转换器(14)，其中所述控制单元在被配置成控制与所述健康相相连的所述相支路的单元以注入循环电流时，被配置成控制所述单元以注入具有预定义的频率和幅度的所述电流。

8.根据权利要求7所述的模块化多电平转换器(14)，其中所述幅度随时间而减小。

9.根据任一前述权利要求所述的模块化多电平转换器(14)，其中具有双极电压贡献能力的所述单元包括：具有串联连接的开关(S1，S2)的第一串和具有串联连接的开关(S3，S4)的第二串，所述串均与所述能量存储元件(Ccell)并联连接，以及所述控制单元(22)在被配置成控制所有所述双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作时，被配置成控制一个串的开关以实现所述单极电压贡献操作，同时允许利用AC电压基准来控制另一串的开关。

10.根据任一前述权利要求所述的模块化多电平转换器(14)，其中所述控制单元(22)在以所述第一保护控制模式操作并且连接至所述AC链路(16)的AC断路器(18)被断开时，被配置成离开所述第一保护控制模式并且阻断所述转换器(14)的所有开关。

11.一种控制在交流(AC)与直流(DC)之间转换的模块化多电平转换器(14)中的故障处理的方法，所述转换器包括：第一DC端子和第二DC端子(DC1，DC2)，多个AC端子(ACA，ACB，ACC)，每个AC端子连接至AC链路(16)的对应的AC相，以及多个相支路(PL1，PL2，PL3)，每个相支路针对所述AC链路的一个相，其中每个相支路连接在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间，具有连接至对应的AC端子的中点并且包括具有双极电压贡献能力的单元(Clp1，...C5p1，Cln1，...C5n1，Clp2，...C5p2，Cln2，...C5n2，Clp3，...C5p3，Cln3，...C5n3)，其中每个单元包括用于提供所述电压贡献的至少一个能量存储元件(Ccell)和用于控制所述电压贡献的单元开关(S1，S2，S3，S4)，所述方法在所述转换器的控制单元中被执行，所述方法包括：

在检测到所述转换器的操作扰动时，进入(34)第一保护控制模式，所述第一保护控制模式包括：

控制(36)所有所述双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，以及

在所述操作扰动被识别为由所述AC链路的相上的故障引起时(38)，针对所述第一保护控制模式的其余部分进一步执行：

阻断(54)与所述故障相相连的相支路的单元，以及

控制(56，58，60)与所述AC链路的健康相相连的相支路的单元以处理所述故障的影响。

12.根据权利要求11所述的方法，其中当进入所述第一保护控制模式并且针对与健康相相连的单元所执行的所述阻断(54)和控制(56，58，60)被执行时单元，只要通过相支路的单元的任何电流低于第二较高电流保护水平，则通过相支路的所述单元的电流能够高于第一电流水平。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：如果(42)所述电流被检测到高于所述第二较高电流保护水平，则阻断(44)被用于单极电压贡献操作的所述模块化多电平转换器的单元开关。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中存在被指派给每个相支路的至少一个AC电压基准，并且控制与所述健康相相连的所述相支路的单元包括：调整(56)被指派给所述相支路的AC电压基准。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中控制与所述健康相相连的所述相支路的单元包括：控制(58)所述单元以将所述相电流逐渐减少到零。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中控制与所述健康相相连的所述相支路的单元包括：控制(60)所述单元以注入在所述相支路之间循环的电流。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中具有双极电压贡献能力的所述单元包括：具有串联连接的开关(S1，S2)的第一串和具有串联连接的开关(S3，S4)的第二串，所述串均与所述能量存储元件(Ccell)并联连接，并且控制(36)所有所述双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作包括控制一个串的开关以实现所述单极电压贡献操作，同时允许利用AC电压基准来控制另一串的开关。

18.一种用于控制在交流(AC)与直流(DC)之间转换的模块化多电平转换器(14)中的故障处理的计算机程序产品，所述转换器包括：第一DC端子和第二DC端子(DC1，DC2)，多个AC端子(ACA，ACB，ACC)，每个AC链路连接至AC链路(16)的对应的AC相，多个相支路(PL1，PL2，PL3)，每个相支路针对所述AC链路的一个相，其中每个相支路连接至所述第一DC端子与所述第二DC端子之间，具有连接至对应的AC端子的中点并且包括具有双极电压贡献能力的单元(Clp1，...C5p1，Cln1，...C5n1，Clp2，...C5p2，Cln2，...，C5n2，Clp3，...C5p3，Cln3，...C5n3)，其中每个单元包括用于提供所述电压贡献的至少一个能量存储元件(Ccell)和用于控制所述电压贡献的单元开关(S1，S2，S3，S4)，所述计算机程序产品被提供在包括计算机程序代码(64)的数据载体(62)上，所述计算机程序代码(64)被配置成：

当所述计算机程序代码被加载到所述控制单元(22)中时使得用于所述模块化多电平转换器(14)的控制单元(22)能够在检测到所述转换器的操作扰动时进入第一保护控制模式，所述第一保护控制模式包括：

控制所有所述双极电压贡献单元以作为单极电压贡献单元来操作，以及

如果所述操作扰动被识别为由所述AC链路的相上的故障引起，则针对所述第一保护控制模式的其余部分进一步执行：

阻断与所述故障相相连的相支路中的单元，以及

控制与所述AC链路的健康相相连的相支路的单元以处理所述故障的影响。