CN109075722A

CN109075722A - 变流器装置

Info

Publication number: CN109075722A
Application number: CN201680084743.9A
Authority: CN
Inventors: S·萨布拉玛尼安; 蒋洪波; Y·蒋-哈夫纳
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2018-12-21
Anticipated expiration: 2036-04-22
Also published as: EP3446400A1; CN109075722B; WO2017182091A1

Abstract

公开了一种变流器装置(300，301)，其被配置为将AC电力系统(102，302)与DC电力系统(103)耦合。变流器装置(300，301)包括多个变流器模块(100)，多个变流器模块(100)串联电连接在DC极(T1，T2，T7，T8)处，例如在第一DC极(T1，T7)与第二DC极(T2，T8)之间，或者在DC极与地之间。至少一个变流器模块(100)被配置为使得其至少一个变流器阀(151‑1，......，151‑N，152‑1，......，152‑N，153‑1，153‑N，154‑1，154‑N，155‑1，155‑N，156‑1，156‑N)在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换以选择性地控制由变流器模块(100)的至少一个多电平变流器单元(141‑1，......，141‑N，142‑1，142‑N，143‑1，143‑N，144‑1，144‑N，145‑1，145‑N，146‑1，146‑N)提供的任何电压贡献的极性。

Description

变流器装置

技术领域

本发明总体上涉及电力传输系统领域，例如，高压直流(HVDC)电力传输系统。具体地，本发明涉及被配置为将交流(AC)电力系统与直流(DC)电力系统耦合的变流器装置。

背景技术

由于对电力供应或输送以及互连的电力传输和分配系统的需求的增加，HVDC电力传输变得越来越重要。HVDC电力传输系统对于长距离大容量电力传输是有利的。传输的电力例如可以在1GW到10GW之间，并且电力可以在几百公里或甚至数千公里的距离上传输。HVDC技术可以被分类为基于电流源变流器(CSC)的HVDC或基于电压源变流器(VSC)的HVDC。基于CSC的HVDC变流器采用晶闸管作为开关或开关元件(和/或非自换向的其它开关或开关元件)，而基于VSC的HVDC变流器采用IGBT作为开关或开关元件(和/或自换向的其它开关或开关元件)。

已知接口装置或变流器模块连接在AC电力系统与DC电力系统之间。这样的装置或模块通常包括变流器，诸如电压源变流器或电流源变流器，用于将AC电力转换为DC电力，或反之亦然。接口装置或变流器模块具有用于耦合到DC电力系统的DC侧和用于耦合到AC电力系统的AC侧。该装置或模块通常包括具有初级侧和次级侧的变压器，初级侧连接到AC系统，次级侧用于耦合到变流器。

例如，在HVDC电力系统中，通常包括接口装置，该接口装置包括或构成HVDC变流器站，该HVDC变流器站是被配置为将高压DC转换为AC或反之亦然的类型的站。HVDC变流器站可以包括多个元件，诸如变流器本身(或者串联连接或并联连接的多个变流器)、一个或多个变压器、电容器、滤波器和/或其它辅助元件。变流器可以包括多个基于固态的器件(诸如半导体器件)，并且可以如前所述被分类为线路换向变流器或电压源变流器，例如，取决于变流器中采用的开关(或开关器件)的类型。多个固态半导体器件(诸如IGBT)可以(例如串联)连接在一起，以形成HVDC变流器的构建块或单元。

发明内容

可以使用不同的HVDC变流器拓扑，其示例是并联MMC和串联MMC。在具有并联MMC拓扑的HVDC变流器中，变流器相臂并联电连接在DC极之间(参考HVDC变流器的双极布置)，并且包括级联变流器单元，级联变流器单元例如可以是半桥变流器单元(两电平)或全桥变流器单元(三电平)。每个相支路通常包括两个相臂，其可以被称为正变流器臂和负变流器臂或者上部变流器臂和下部变流器臂。每个变流器臂可以被构造为能够承受DC极到极电压。在具有串联MMC拓扑的HVDC变流器中，变流器相支路串联电连接在DC极两端(再次参考HVDC变流器的双极布置)。对于并联MMC拓扑变流器，每个相支路通常包括两个相臂，其可以被称为正变流器臂和负变流器臂或者上部变流器臂和负变流器臂。

串联MMC拓扑变流器所需要的变流器单元的总数可以是并联MMC拓扑变流器所需要的变流器单元的总数的一半或大约一半。因此，与使用并联MMC拓扑变流器相比，使用串联MMC拓扑变流器可以基于所需要的部件的总数的减少和变流器站所需要的容积更小两者而降低成本。即使通过使用串联MMC拓扑变流器与使用并联MMC拓扑变流器相比可以实现变流器容积的显著减小，但是仍期望需要更少空间的变流器站。

基于CSC的HVDC变流器广泛地用于HVDC应用。基于CSC的HVDC变流器可以串联电连接。通过串联电连接变流器，可以增加操作可靠性和AC电力系统稳定性，并且可以减少对维护的需求。最近，电压源变流器引起了HVDC应用的更多关注。在传输的电力相对较高(例如，3GW或更高)的HVDC电力传输中，基于VSC的HVDC变流器的使用可以优于基于CSC的HVDC变流器。传输的电力相对较高的HVDC电力传输的示例是来自相对较弱的电网的电力传输或去往孤立电网的电力传输。需要或期望在HVDC电力传输中的传输的电力相对较高的情况下，例如大约3GW或更高，串联连接变流器可能是有利的，或者甚至可能是需要的。然而，在具有并联MMC拓扑的基于VSC的HVDC变流器中，可能需要构造一个或多个变流器臂(通常是最上面的变流器臂)以便能够承受完整的DC极到极电压，并且可能以便能够承受例如在变流器母线故障时可能发生的高的DC电压。因此，可能需要对一个或多个变流器臂的部件进行过高定额。例如，一个或多个变流器臂中的诸如单元电容器的电能存储元件可能需要被过高定额，以便具有处理可能发生的这样的高DC电压的能力。然而，这样的过高定额可能会增加HVDC变流器站的总容积以及其成本。

鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供变流器装置，该变流器装置被配置为将交流(AC)电力系统与直流(DC)电力系统耦合，这可以允许促进相对较高的电力传输，诸如3GW甚至更高。

本发明的另一目的是提供变流器装置，该变流器装置被配置为将交流(AC)电力系统与直流(DC)电力系统耦合，这可以允许促进变流器容积的减小。

本发明的另一目的是提供变流器装置，该变流器装置被配置为将AC电力系统与DC电力系统耦合，这可以减少甚至消除对任何变流器臂中的一个或多个变流器臂的部件进行过高定额的需要。

为了解决这些问题和其它问题中的至少一个，提供了根据独立权利要求的变流器装置。优选实施例由从属权利要求限定。

根据第一方面，提供了变流器装置，其被配置为将AC电力系统与DC电力系统耦合。变流器装置包括串联电连接在DC极处(例如在第一DC极与第二DC极之间或者在DC极与地之间)的多个变流器模块。变流器模块中的每个变流器模块包括多个相模块，多个相模块用于将DC电力转换为AC电力或反之亦然。相模块可以例如串联电连接。每个相模块被配置为提供AC波形的至少一部分。每个相模块包括至少一个多电平变流器单元。每个多电平变流器单元被配置为基于AC电力系统的电压向AC波形提供电压贡献。每个相模块包括电连接到至少一个多电平变流器单元的至少一个变流器阀。至少一个变流器模块被配置为使得其至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由变流器模块的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。

通过每个变流器模块中的相模块(其中每个相模块包括至少一个多电平变流器单元)，并且通过包括串联电连接的多个变流器模块的变流器装置，变流器模块中的每个变流器模块可以根据MMC原理利用串联连接的若干基于MMC的变流器进行操作。通过串联连接的若干基于MMC的变流器，变流器装置可以能够在AC电力系统与DC电力系统之间传输相对较高的电力，例如大约3GW或甚至更多。

每个多电平变流器单元被配置为基于例如AC电力系统和/或DC电力系统的电压来向AC电压波形提供电压贡献。因此，可以使用相应变流器模块的多电平变流器单元，以便合成期望的AC电压波形，以满足AC电力系统和DC电力系统中的至少一个的要求。因此，变流器模块中的每个变流器模块可以作为电压源变流器进行操作，其中DC侧电压建立AC侧电压。

变流器模块中的至少一个变流器模块的至少一个变流器阀(其中至少一个变流器阀被配置为使得其在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由变流器模块的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性)可以被称为导向阀或AC波形整形器，因为至少一个变流器阀可以选择性地控制由至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。

如前所述，在具有串联MMC拓扑的基于VSC的HVDC变流器中，可能需要构造变流器臂中的一个或多个变流器臂以便能够承受完整的DC极到极电压，并且可能以便承受在变流器母线故障时可能发生的高的DC电压，由此，变流器臂中的一个或多个变流器臂的部件(例如，一个或多个变流器臂中的诸如单元电容器的电能存储元件)可能需要被过高定额。借助于包括导向阀或AC波形整形器的变流器模块中的至少一个变流器模块，如前所述，可以减少或甚至消除对这样的过高定额的需要。

例如，在某些情况下，通常在异常情况下，诸如在DC电力系统、变流器装置和/或AC电力系统中的故障期间，可能存在变流器装置的部件可能会经受的相对较高的电流以及因此电压。例如，在变流器模块的AC侧或AC母线上的单相变流器母线到负DC极故障期间(例如，在变流器模块与变压器之间的电流路径中，该变压器布置在变流器模块与AC电力系统之间)，由于故障电流，变流器模块(例如，最靠近DC极的一个变流器模块)的(相模块中的至少一个相模块的)上部或正变流器臂可能直接暴露于相对较高的DC电压，该DC电压可以对变流器臂中的诸如电容器的电能存储元件进行充电。例如，在双极多相配置中，这可以应用于最靠近正DC极的变流器模块的上部或正变流器臂以及最靠近负DC极的变流器模块的下部、负变流器臂。用于处理这种情况的一种解决方案是对电能存储元件进行过高定额，使得其具有处理可能发生的这样的高DC电压的能力。然而，变流器臂中的诸如单元电容器的电能存储元件的过高定额可能增加变流器站的总容积以及其成本。

如前所述，变流器模块中的至少一个变流器模块包括导向阀或AC波形整形器。导向阀(或变流器模块的至少一个变流器阀)可以例如包括至少一个双向开关，至少一个双向开关例如可以包括至少两个反并联晶闸管。然而，可以使用另一种或其它类型的双向开关。可以根据情况按照需要或期望选择性地路由电流通过导向阀，例如以便选择性地旁路变流器单元或变流器单元臂。这与使用包括开关或开关器件(诸如带有反并联二极管的IGBT)的变流器阀(其可以不提供或提供受限制的选择性地路由电流以旁路另一部件的能力)相反。例如，如前所述，在变流器模块的AC侧或AC母线上的单相变流器母线到负DC极故障期间，至少一个变流器阀(或导向阀)可以用于路由故障电流通过至少一个变流器模块，以便旁路例如变流器模块的(相模块中的至少一个相模块)的上部变流器臂或正变流器臂，从而避免相模块中的诸如单元电容器的电能存储元件的可能的过充电，由此可以减少或甚至避免对相模块中的这样的电能存储元件进行过高定额的需要。

多个变流器模块可以例如串联电连接在DC极与地之间或者在第一DC极与第二DC极之间。

如前所述，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀可以例如包括至少一个双向开关，至少一个双向开关例如可以包括至少两个反并联晶闸管。

多个变流器模块可以串联电连接在第一DC极与第二DC极之间。至少一个变流器模块可以是多个变流器模块中电气上最靠近第一DC极或第二DC极的一个或一些变流器模块。

多个变流器模块可以串联电连接在DC极与地之间。至少一个变流器模块可以是电气上最靠近DC极的变流器模块。

在本申请的上下文中，多个变流器模块中电气上最靠近DC极的一个或一些变流器模块表示与其它变流器模块与DC极之间的电抗相比变流器模块与DC极之间的电抗是最低的或最低的中的一个的变流器模块。

变流器装置可以包括控制单元。控制单元可以例如被包括在至少一个变流器模块中。控制单元可以被配置为控制变流器装置的一个或多个其它部件的操作。例如，控制单元可以被配置为至少关于其切换来控制至少一个变流器模块的至少一个变流器阀的操作。

在电力系统中发生故障的情况下(例如AC变流器母线故障)，借助于至少一个变流器模块的至少一个变流器阀的受控切换以选择性地在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间切换至少一个变流器阀，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀可以用于控制变流器模块内的故障电流路径，例如，以便选择性地在变流器装置内路由故障电流。

例如，控制单元可以被配置为响应于接收到指示变流器装置中存在故障电流的指示，而控制至少一个变流器模块的至少一个变流器阀的切换，以便路由故障电流通过至少一个变流器模块的至少一个变流器阀并且旁路至少一个变流器模块的至少一个多电平变流器单元的至少一部分。优选地，可以以这种方式旁路至少一个变流器模块的至少一个多电平变流器单元中的诸如电容器的任何电能存储元件，以避免电能存储元件由于故障电流而过充电。

指示变流器装置中存在故障电流的指示可以例如从某个保护系统或模块传输到控制单元，某个保护系统或模块用于保护、监测和控制被包括在电力系统中的部件的操作和/或功能。该指示可以使用例如本领域已知的有线和/或无线通信装置或技术来传输。例如，故障可以是第一DC极和第二DC极中的一个DC极处的故障、或者变流器模块的AC侧或AC母线上的单相变流器母线接地、变流器母线到负DC极故障。

多个变流器模块可以串联电连接在第一DC极与第二DC极之间。控制单元可以被配置为响应于接收到指示变流器装置中存在由第一DC极和第二DC极中的一个DC极处的故障引起的故障电流的指示，而控制至少一个变流器模块的至少一个变流器阀的切换，以便将故障电流从第一DC极和第二DC极中存在故障的一个DC极通过至少一个变流器模块的至少一个变流器阀路由到第一DC极和第二DC极中的另一DC极，其中至少一个变流器模块的至少一个多电平变流器单元的至少一部分被旁路。

例如，在变流器模块的AC侧或AC母线上的单相变流器母线到负DC极故障期间，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀可以用于将故障电流路由通过至少一个变流器模块的至少一个变流器阀，以便例如旁路至少一个变流器模块的上部或正变流器臂，从而避免至少一个变流器模块中的诸如电容器的电能存储元件的可能的过充电。然后可以例如经由至少一个变流器模块的下部或负变流器臂的二极管来路由故障电流。二极管电涌电流额定值优选地基于估计的最大故障电流或者由估计的最大故障电流限定。可以执行变流器臂的旁路，直到布置在变流器模块的AC侧或AC母线与AC电力系统之间的电流路径中的AC断路器已经跳闸或断开。

如前所述，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控地切换，以便选择性地控制由至少一个变流器模块的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。至少一个变流器模块的至少一个变流器阀的切换可以例如基于AC电力系统的基频。至少一个变流器模块的至少一个变流器阀的切换可以例如借助于或基于以本领域已知的方式(例如，通过控制单元)生成控制信号并且向至少一个变流器模块的至少一个变流器阀(例如，其晶闸管)提供控制信号来执行。

如前所述，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀可以例如包括至少一个双向开关，至少一个双向开关例如可以包括至少两个反并联晶闸管。在这种情况下，例如，可以切换至少一个变流器模块的至少一个变流器阀，使得电流从一对反并联晶闸管中的一个晶闸管换向到另一晶闸管，并且切换可以优选地被控制为使得电流从一个晶闸管无缝地换向到另一晶闸管，并且原则上在任何负载和功率因数条件下。切换至少一个变流器模块的至少一个变流器阀使得电流从一对反并联晶闸管中的一个晶闸管换向到另一晶闸管可以在零电压或相对较低的电压下执行，由此，开关损耗可以保持相对较低。因此，鉴于至少一个变流器阀包括反并联晶闸管，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀(其晶闸管)的切换可以以相对较低的频率、电流和/或电压来执行，其可以被称为“软切换”，并且因此在给定的时间段期间电压和/或电流可以有相对小的变化，从而可以保持相对较低的开关损耗。而且，与例如IGBT相比，晶闸管通常具有低的导通损耗。

借助于包括至少两个反并联晶闸管的至少一个变流器模块的至少一个变流器阀，可以便于根据情况按照需要或期望选择性地路由电流通过至少一个变流器阀，例如以便选择性地旁路变流器单元或变流器单元臂。这与使用包括开关或开关器件(诸如带有反并联二极管的IGBT)的变流器阀(其可以不提供或提供受限制的选择性路由电流以旁路另一部件的能力)相反。

变流器装置可以包括多个控制单元。

变流器模块中的每个变流器模块可以例如被包括在变流器站中或构成变流器站，例如，HVDC变流器站。

DC电力系统可以例如包括至少一个DC电缆或DC架空线路(OHL)。

通过串联电连接的相模块(其中的每个相模块包括至少一个多电平变流器单元)，变流器模块中的每个变流器模块采用串联MMC拓扑。与采用并联MMC拓扑相比，可以实现变流器容积的减小。反过来，这可以允许变流器模块的成本相对较低，并且进一步降低采用变流器模块的任何设备的成本，例如，作为海上应用中的HVDC变流器。此外，通过包括多电平变流器单元的相模块，变流器模块可以根据MMC原理进行操作，由此总变流器容积可以保持相对较低，因为MMC通常不需要AC滤波器或DC无源滤波器。

至少一个变流器模块的至少一个变流器阀可以例如包括至少两个反并联晶闸管，并且根据本发明的一个或多个实施例可以仅包括反并联晶闸管对，或者仅包括非自换向的开关元件。因此，至少一个变流器模块可以被配置为使得至少一个变流器模块的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由至少一个变流器模块的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。为此，至少一个变流器模块(可能其每个相模块)可以例如包括至少一个换向单元(其例如可以包括全桥单元)，至少一个换向单元电连接到DC电力系统并且电连接到至少一个变流器模块的至少一个变流器阀。换向单元可以是可切换的，以便选择性地使得至少一个变流器模块的至少一个变流器阀(例如，其中包括换向单元的相模块的至少一个变流器阀，或者与换向单元相关联的相模块的至少一个变流器阀)进入非导通状态。也就是说，换向单元可以提供电压用于至少一个变流器模块的至少一个变流器阀(例如，其晶闸管)的强制换向。

AC电力系统可以包括多个相。对于变流器装置的变流器模块中的每一个，变流器模块的每个相模块可以对应于其中一个相。相模块与相之间的对应关系可以是一对一的，并且因此可以存在对应于每个相的单独的或特定的相模块。因此，变流器装置可以是多相装置。

可以电连接到DC电力系统的多个变流器模块可以例如串联电连接在第一DC极与第二DC极之间或者在DC极与地之间。变流器装置例如可以根据单极配置或双极配置来配置。然而，变流器装置不限于此，而是例如可以替代地根据不对称单极配置来配置。

在本申请的上下文中，多电平变流器单元表示被配置为能够提供可以用于形成AC电压(波形)的多个(两个或更多个)电压电平的变流器单元。

多电平变流器单元例如可以包括半桥或两电平单元或者全桥或三电平单元。

多电平变流器单元例如可以包括至少一个电容器和/或另一种类型的电能存储元件，至少一个电容器和/或另一种类型的电能存储元件与串联连接的开关元件电连接(例如，并联)，该串联连接的开关元件例如包括集成栅极换向晶体管(IGBT)-二极管对，每个IGBT-二极管对包括一个或多个IGBT和关于IGBT以反并联方式布置的二极管。

在本申请的上下文中，诸如晶闸管的反并联(或反向并联)电气器件表示并联电连接但其极性关于彼此反转的器件。因此，在本申请的上下文中，反并联晶闸管表示关于彼此以反并联方式布置的晶闸管。

变流器装置可以包括用于将变流器装置耦合到DC电力系统的DC侧和用于将变流器装置耦合到AC电力系统的AC侧。AC侧和/或DC侧例如可以包括至少一个端子。

在本申请的上下文中，变流器阀的非导通状态表示没有电流导通通过变流器阀或仅有非常小的电流导通通过变流器阀的状态。因此，换向单元可以是可切换的，以便(基本上)阻止变流器阀导通电流。

如前所述，至少一个变流器模块的至少一个变流器阀可以例如包括至少两个反并联晶闸管。至少一个变流器模块的至少一个换向单元可以例如包括至少一个电能存储元件(例如电容器)，至少一个电能存储元件(例如电容器)可以用来自DC电力系统的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电。通过切换换向单元，它可以在至少一个变流器模块的变流器阀中的晶闸管中的至少一个晶闸管两端提供选定电压，以便将至少一个晶闸管切换到非导通状态。至少一个变流器模块的变流器阀中的其它晶闸管可以处于导通状态。因此，至少一个变流器模块的变流器阀可以切换到具有选定电流导通方向的导通状态。

多电平变流器单元可以例如包括至少一个电能存储元件(例如电容器)，至少一个电能存储元件(例如电容器)可以用来自DC电力系统的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电。对于多个变流器模块中的每个变流器模块，变流器模块的每个多电平变流器单元可以包括至少一个电能存储元件，至少一个电能存储元件可以用来自DC电力系统的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电，并且变流器模块的每个多电平变流器单元可以被配置为基于电能存储元件的电压(例如，电能存储元件两端的电压)向AC电压波形提供电压贡献。

对于多个变流器模块中的每个变流器模块，任何一个或每个相模块可以包括电连接在多电平变流器单元臂中的多个多电平变流器单元和/或电连接在变流器阀臂中的多个变流器阀。多个变流器模块中的每个变流器模块可以包括至少一个变压器。对于多个变流器模块中的每个变流器模块，至少一个变压器可以连接在AC电力系统与变流器模块的变流器阀臂的中点和变流器模块的多电平变流器单元臂的中点之间。变流器模块的多电平变流器单元臂和变流器阀臂例如可以并联电连接。

根据本发明的一个或多个实施例，多电平变流器单元臂的多电平变流器单元中的至少一个多电平变流器单元可以包括全桥单元。根据一个示例，至少一个换向单元可以包括至少一个多电平变流器单元或由至少一个多电平变流器单元构成，至少一个多电平变流器单元包括全桥单元。根据另一示例，多电平变流器单元臂中的多个多电平变流器单元中的每个多电平变流器单元可以包括全桥单元，并且至少一个换向单元可以包括多电平变流器单元臂中的多电平变流器单元中的任何一个或由多电平变流器单元臂中的多电平变流器单元中的任何一个构成。根据后一示例，换向单元因此可以包括多电平变流器单元臂中可用的多电平变流器单元中的任何一个或由多电平变流器单元臂中可用的多电平变流器单元中的任何一个构成。

对于变流器模块中的每个或任何一个变流器模块，变流器模块的至少一个相模块可以包括至少一个电涌保护器件，至少一个电涌保护器件被布置为保护至少一个相模块的至少一部分例如免受可能发生的任何电压瞬变的影响。至少一个电涌保护器件可以布置为保护至少一个相模块的至少一部分免受例如可能发生在电连接到相模块的电导体上的任何电压瞬变的影响。通过至少一个电涌保护器件，可以保护至少一个相模块的部件(例如，诸如电容器的一个或多个电能存储元件)免受变流器模块的部件可能经受的相对较高的瞬态电流以及因此电压的影响。如前所述，这样的相对较高的瞬态电流以及因此电压可以例如在相模块的AC侧或AC母线上的单相变流器母线到负DC极故障期间(例如，在相模块与变压器之间的电流路径中，该变压器布置在相模块与AC电力系统之间)发生。

至少一个电涌保护器件可以例如包括电涌放电器或由电涌放电器构成。电涌保护器件或电涌放电器可以保护至少一个相模块的部件免受电连接到相模块的电导体上发生的瞬变的影响。电涌保护器件或电涌放电器也可以连接到地或接地点，并且在发生过电压瞬变的情况下，可以将来自过电压瞬变的功率路由或转移到地。在变流器模块或相模块的标称或“正常”操作电压下，电涌保护器件或电涌放电器可以将电导体与接地点隔离。这可以例如通过使用在不同电压下表现出不同的电阻的变阻器来实现或实施。电涌放电器可以例如包括本领域已知的任何类型的电涌放电器。电涌放电器可以例如包括由申请人制造的用于高压应用的电涌放电器。

在本申请的上下文中，电涌保护器件应当被理解为能够保护另一电气器件免受电流或电压尖峰(例如，电压或电流中的相对快速且短时的电瞬变)或者持续的过电压或过电流(例如，长时间发生的过电压或过电流)影响的基本上任何的器件。

在本申请的上下文中，术语电涌保护器件包括其主要作用可能不是保护另一电气器件免受电流或电压尖峰或者持续过电压或过电流影响但可以包括这样的功能或能力的器件或设备。至少一个电涌保护器件可以例如包括不间断电源(UPS)，如本领域已知的，其除了能够提供短期电力之外还可以能够保护另一电气器件免受电流或电压尖峰或持续过电压或过电流影响。

至少一个电涌保护器件可以例如被包括在对应的相模块(即，至少一个电涌保护器件被包括在其中的相模块)的至少一个变流器阀中(或至少电连接到对应的相模块的至少一个变流器阀)。例如，对于至少一个变流器模块的至少一个变流器阀包括至少两个反并联晶闸管的情况，至少一个电涌保护器件可以例如电连接(例如，并联)到对应的相模块的至少一个变流器阀的至少两个反并联晶闸管。

根据另一示例，至少一个电涌保护器件可以例如并联地电连接到对应的相模块(或变流器臂)。

变流器模块中的每个或任何一个变流器模块可以包括多个电涌保护器件。根据本发明的一个或多个实施例，相应的变流器模块的相模块中的每个(或一些)相模块可以例如包括至少一个电涌保护器件，至少一个电涌保护器件被布置为保护相应的相模块的至少一部分免受可能发生的任何电压瞬变的影响，这个电压瞬变例如可能发生在电连接到相应的相模块的电导体上。

根据第二方面，提供了一种电力系统，其包括AC电力系统和DC电力系统。电力系统包括根据第一方面的变流器装置(或可能的若干变流器装置)，根据第一方面的变流器装置(或可能的若干变流器装置)被配置为将AC电力系统与DC电力系统耦合。电力系统可以例如包括HVDC电力系统和/或DC电网。

根据第三方面，提供了HVDC变流器站，其包括至少一个根据第一方面的变流器装置。

根据第四方面，提供了电力传输系统，其包括DC电力系统，DC电力系统包括两个DC极。电力传输系统可以例如包括HVDC电力传输系统。电力传输系统包括两个根据第一方面的变流器装置，其中两个变流器装置借助于DC电力系统而电互连。两个变流器装置中的每个变流器装置电连接到两个AC电力系统中的相应一个，用于在两个AC电力系统之间传输电力。两个变流器装置中的每个变流器装置的多个变流器模块串联电连接在两个DC极中的相应一个DC极处，例如在相应的DC极与地之间或者在相应的DC极与中性返回线路之间。

下面通过示例性实施例描述本发明的其它目的和优点。注意，本发明涉及权利要求中记载的特征的所有可能组合。当研究所附权利要求和本文中的描述时，本发明的其它特征和优点将变得很清楚。本领域技术人员认识到，可以组合本发明的不同特征可以被组合以创建除了本文中描述的实施例之外的实施例。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。

图1至图3是根据本发明的实施例的电力系统的示意性电路图。

图4是根据本发明的实施例的变流器模块的示意性电路图。

图5是根据本发明的实施例的变流器模块的一部分的示意性电路图。

图6是根据本发明的实施例的多电平变流器单元的示意性电路图。

图7是根据本发明的实施例的多电平变流器单元的示意性电路图。

图8是根据本发明的实施例的变流器阀的示意性电路图。

图9是根据本发明的实施例的换向单元的示意性电路图。

图10是根据本发明的实施例的变流器阀的示意性电路图。

所有附图都是示意性的，不一定按比例绘制，并且通常仅示出为了阐明本发明的实施例所必需的组件，其中可以省略或仅建议其它组件。

具体实施方式

现在将在下文中参考示出了本发明的示例性实施例的附图来描述本发明。然而，本发明可以以很多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于本文中阐述的本发明的实施例；相反，这些实施例作为示例提供，使得本公开将本发明的范围传达给本领域技术人员。

图1是根据本发明的实施例的电力系统400的示意性电路图。根据图1所示的本发明的实施例，电力系统400包括HVDC电力传输系统。HVDC电力传输系统400包括四个变流器装置300、301。根据图1所示的本发明的实施例，变流器装置300、301中的每个装置包括HVDC变流器站。HVDC电力传输系统400包括在103处示意性地示出的DC电力系统，DC电力系统包括两个上部DC极和两个下部DC极(图1中未用附图标记示出；参见图2和3)。两个上部变流器装置300、301和两个下部变流器装置300、301分别借助于DC电力系统103电互连。变流器装置300、301中的每个装置电连接到在图1中的102和302处示意性地示出的四个AC电力系统中的相应的一个AC电力系统。根据图1所示的本发明的实施例，并且如图1所示，AC电力系统102、302包括三相AC电力系统。变流器装置300、301中的每个装置电连接到四个AC电力系统102、302中的相应的一个AC电力系统，用于在AC电力系统102与AC电力系统302之间传输电力。如图1所示，HVDC电力传输系统400例如可以根据具有地电极或接地点的双极配置来进行配置。如下面将参考图2和3进一步描述的，变流器装置300、301中的任何一个或每个装置可以包括多个变流器模块(图1中未示出)，这些多个变流器模块串联电连接在相应的DC极处，例如在相应的DC极与地之间或者在相应的DC极与中性返回线路之间。

图2是根据本发明的实施例的包括四个变流器装置300、301的电力系统400的示意性电路图。图1所示的电力系统400可以根据图2所示的电力系统400来配置。特别地，图1所示的变流器装置300、301可以与图2所示的变流器装置300、301类似地或相同地配置，并且如下所述。进一步参考图2，变流器装置300中的每个变流器装置被配置为将在102处示意性示出的AC电力系统与在103处示意性示出的DC电力系统耦合。变流器装置301中的每个变流器装置被配置为将在302处示意性示出的AC电力系统与DC电力系统103耦合。变流器装置300中的每个变流器装置包括多个变流器模块100，这些多个变流器模块100分别串联电连接在第一DC极或端子T1与地之间以及在第二DC极或端子T2与地之间，如图2所示。变流器装置301中的每个变流器装置包括多个变流器模块100，这些多个变流器模块100分别串联电连接在第一DC极或端子T7与地之间以及在第二DC极或端子T8与地之间，如图2所示。第一DC极T1和第二DC极T2可以被包括或者没有被包括在上部和下部变流器装置300中的相应的变流器装置中。第一DC极T7和第二DC极T8可以被包括或者没有被包括在上部和下部变流器装置301中的相应的变流器装置中。

DC极T1和T7经由DC电力传输线路303电连接，并且DC极T2和T8经由DC电力传输线路304电连接。根据本发明的所示实施例，变流器装置300、301因此根据具有地电极或接地点的双极配置来进行配置。

图2示出了在变流器装置300、301中的每个变流器装置中串联连接有四个变流器模块100的情况。然而，应当理解，这是根据非限制性示例，并且变流器装置300、301中的每个变流器装置可以包括串联连接的多于四个的变流器模块或串联连接的少于四个的变流器模块。

变流器模块100中的每个变流器模块包括多个相模块(图2中未示出)，用于将DC电力转换为AC电力或反之亦然，变流器模块100中的每个变流器模块被包括在变流器装置300、301中的相应变流器装置中。相应变流器模块100中的相模块可以串联电连接。每个相模块被配置为提供AC波形的至少一部分。每个相模块包括至少一个多电平变流器单元(图2中未示出)，其中每个多电平变流器单元被配置为基于AC电力系统103的电压向AC波形提供电压贡献。每个相模块包括至少一个变流器阀(图2中未示出)，该至少一个变流器阀电连接到相模块中的至少一个多电平变流器单元。

在相应的变流器装置300和301中的一个或两个中，相应的变流器模块100中的至少一个变流器模块被配置为使得其至少一个变流器阀在具有选定的电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。为此，相应的变流器模块100的至少一个变流器阀例如可以包括双向开关(诸如，例如至少两个反并联晶闸管)。

例如，在变流器装置300中，上部和下部变流器装置300中的变流器模块100中的最上面和最下面的变流器模块可以被配置为使得相应的变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定的电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。例如，在某些情况期间(通常在异常情况期间，诸如在DC电力系统103、变流器装置300和/或AC电力系统102中的故障期间)，可能存在变流器装置300或301的部件可能会受到的相对较高的电流以及因此电压。故障例如可能是变流器装置300的变流器模块100的AC侧或AC母线上的单相变流器母线到负DC极故障，其例如可能发生在变流器模块100与变压器之间的电流路径中，该变压器布置在变流器模块100与AC电力系统102之间。在这种情况下，上部变流器装置300的最上面的变流器模块100(即，最靠近DC极T1的变流器模块100)可能直接暴露于相对较高的DC电压。由高DC电压引起的故障电流例如可以对最上面的变流器模块100的变流器臂(或相模块)中的诸如单元电容器的电能存储元件充电。这也可以应用于下部变流器装置300的最下面的变流器模块100(即，最靠近DC极T2的变流器模块100)。通过上部和下部变流器装置300中的最上面和/或最下面的变流器模块100分别被配置为使得相应变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控地切换以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性，从而可以根据情况按照需要或期望选择性地路由任何故障电流通过相应的变流器模块100的至少一个变流器阀，以便选择性地旁路变流器单元或变流器单元臂。因此，可以减少或甚至避免在变流器单元或变流器单元臂中的电能存储元件(诸如电容器)的过充电，从而可以减少甚至避免需要对在变流器单元或变流器单元臂中的这样的电能存储元件进行过高定额。这与使用包括开关或开关器件(诸如带有反并联二极管的IGBT)的变流器阀(其可以不提供或提供受限制的选择性路由电流以旁路另一部件的能力)相反。

根据本发明的所示实施例，被包括在变流器装置300中的变流器模块100串联电连接在第一DC极T1与第二DC极T2之间。如前所述，上部和下部变流器装置300中的相应的最上面和/或最下面的变流器模块100可以被配置为使得相应的变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控地切换，以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。因此，变流器装置300中的变流器模块100(其被配置为使得相应的变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性)例如可以是分别在电气上最靠近第一DC极T1和第二DC极T2的变流器装置300中的变流器模块100。

替代地或另外地，并且类似于变流器装置300，上部和下部变流器装置301中的相应的最上面和/或最下面的变流器模块100可以被配置为使得相应的变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。

根据本发明的所示实施例，变流器装置300和变流器装置301中的每个变流器装置包括控制单元101。控制单元101可以被配置为控制相应的变流器装置300和301的一个或多个其它部件的操作。

参考变流器装置300，控制单元101可以例如被配置为至少关于其切换来控制至少一个变流器模块100(即，被配置为使得变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性的至少一个变流器模块100)的至少一个变流器阀的操作。控制单元101可以被配置为响应于接收到指示变流器装置300中存在故障电流的指示，而控制至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀的切换，以便路由故障电流通过至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀并且旁路至少一个变流器模块100的至少一个多电平变流器单元的至少一部分。根据其中变流器装置300的变流器模块100分别串联电连接在第一DC极T1与地之间以及在第二DC极T2与地之间的本发明的所示实施例，控制单元101可以被配置为响应于接收到指示变流器装置300中存在分别由第一DC极T1和第二DC极T2中的一个处的故障引起的故障电流的指示，而控制相应变流器装置300的至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀的切换以便将故障电流从第一DC极T1和第二DC极T2中存在故障的一个DC极通过相应变流器装置300的至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀路由到第一DC极T1和第二DC极T2中的另一DC极，其中至少一个变流器模块100的至少一个多电平变流器单元的至少一部分被旁路。可能地，控制单元101可以例如被包括在相应的变流器装置300的至少一个变流器模块100中。

相同或类似的考虑可以应用于被包括在变流器装置301中的控制单元101。因此，参考变流器装置301，控制单元101可以例如被配置为至少关于其切换来控制至少一个变流器模块100(即，被配置为使得变流器模块100的至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换以便选择性地控制由变流器模块100的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性的至少一个变流器模块100)的至少一个变流器阀的操作。控制单元101可以被配置为响应于接收到指示相应的变流器装置301中存在故障电流的指示而控制至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀的切换以便路由故障电流通过至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀并且旁路至少一个变流器模块100的至少一个多电平变流器单元的至少一部分。根据其中变流器装置301的变流器模块100分别串联电连接在第一DC极T7与地之间以及在第二DC极T8与地之间的本发明的所示实施例，控制单元101可以被配置为响应于接收到指示变流器装置301中存在由第一DC极T7和第二DC极T8中的一个处的故障引起的故障电流的指示，而控制相应变流器装置301的至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀的切换，以便将故障电流从第一DC极T7和第二DC极T8中存在故障的一个DC极通过相应变流器装置301的至少一个变流器模块100的至少一个变流器阀路由到第一DC极T7和第二DC极T8中的另一DC极，其中至少一个变流器模块100的至少一个多电平变流器单元的至少一部分被旁路。可能地，控制单元101可以例如被包括在相应的变流器装置301的至少一个变流器模块100中。

图3是根据本发明的另一实施例的电力系统400的示意性电路图。图3所示的电力系统400类似于图2所示的电力系统400，并且图2和图3中的相同附图标记表示具有相同或相似功能的相同或相似的部件。图3所示的电力系统400与图2所示的电力系统400的不同之处在于，图3所示的电力系统400中的变流器装置300、301根据具有金属中性回线的双极配置(示意性地在305处示出)来配置，而图2所示的电力系统400中的变流器装置300、301根据具有地电极或接地点的双极配置来配置。

图2和图3所示的电力系统400中的相应变流器装置300和301中的每个变流器模块100可以类似地或相同地配置，或者基本上类似或相同地配置。下面将参考图4至图10描述根据本发明的一个或多个实施例的变流器模块100的示例配置。

图4是根据本发明的实施例的变流器模块100的示意性电路图。变流器模块100被配置为将AC电力系统102与DC电力系统103耦合，或反之亦然。变流器模块100包括三个相模块104、105、106，用于将AC电力转换为DC电力，或反之亦然。

相模块104、105、106串联电连接。例如，根据图4所示的本发明的实施例，相模块104、105、106可以串联电连接在第一DC极或端子T1与第二DC极或端子T2之间。尽管图4仅示出了一个变流器模块100在第一DC极或端子T1与第二DC极或端子T2之间，但是应当理解，可以存在若干变流器模块，例如串联电连接在第一DC极T1与第二DC极T2之间(或者在DC极与地之间)，如图2所示。由于图4旨在示出变流器模块100的配置，因此图4中省略了任何其它的变流器模块。

相模块104、105、106中的每个可以被配置为提供AC波形(例如，AC电压波形)的至少一部分。为此，相模块104、105、106中的每个可以包括至少一个多电平变流器单元(图4中未示出)，其中每个多电平变流器单元被配置为例如(至少)基于AC电力系统的电压来向AC电压波形提供电压贡献。

AC电力系统102可以包括多个相。根据示例，AC电力系统102可以是三相电力系统。根据图4所示的本发明的实施例，AC电力系统102是三相电力系统，其包括用于将AC电力系统102与DC电力系统103耦合或反之亦然的三个导体或相，并且相模块104、105、106中的每个对应于一个相，使得相模块104、105、106与三个相之间存在一对一的对应关系。然而，应当理解，如图4(以及下面描述的图5)所示的相的数目以及相模块的数目是根据示例，并且原则上，任何数目的相和任何数目的相模块都是可能的，例如一个或两个相和/或两个或四个相模块。

如图4所示，(三个)相和(三个)相模块104、105、106可以在DC侧串联电连接，以便共享DC链路电压。

变流器模块100可以包括变压器，变压器可以包括用于将变压器耦合到AC电力系统102的初级侧以及用于将变压器耦合到相模块104、105、106的次级侧。根据在图4所示的本发明的实施例，变压器是三相变压器，其可以被认为包括三个(单独的)“相变压器”107、108、109，每个相一个相变压器。相变压器107、108、109中的每个可以包括用于将相变压器107、108、109耦合到AC电力系统102的初级侧以及用于将相变压器107、108、109耦合到相应的相模块104、105、106的次级侧。各个相变压器107、108、109的初级侧可以包括被布置为耦合到AC电力系统102的一组初级绕组。各个相变压器107、108、109的次级侧可以包括被布置为耦合到相应的相模块104、105、106的一组次级绕组。相变压器107、108、109中的每个可以独立于其它相变压器而被控制和/或操作。

变流器模块100可以包括断路器，该断路器被布置在相模块104、105、106的AC侧或AC母线与AC电力系统102之间的电流路径中。因此，断路器可以是AC断路器。根据图4所示的本发明的实施例，断路器可以被认为包括三个(单独的)“相断路器”110、111、112，每个相一个相断路器。此外，根据图4所示的本发明的实施例，相断路器110、111、112可以布置在相应相变压器107、108、109与AC电力系统102之间的电流路径中。相断路器110、111、112中的每个相断路器被配置为在断开相断路器110、111、112的触点(图4中未示出)时可控地实现电流路径中的电流的中断。例如，相断路器110、111、112可以布置在相应的相变压器107、108、109的一组初级绕组与AC电力系统102之间的电流路径中。相断路器110、111、112中的每个相断路器可能可以独立于其它相断路器而被控制和/或操作。

如图4所示，每个相可以包括电抗器或电感器113、114、115，电抗器或电感器113、114、115被布置在相应的相变压器107、108、109与AC电力系统102之间的电流路径中。例如，根据图4，电抗器或电感器113、114、115可以布置在相应相断路器110、111、112与AC电力系统102之间的电流路径中。

此外，如图4所示，每个相可以分别通过端子T3、T4和T5耦合到AC电力系统102。

应当理解，图4中未示出的各种部件可以被包括在变流器模块100中。因此，图4中未示出的这样的部件可以例如包括电阻器、电容器、滤波器、附加变压器和/或其它辅助元件。

图5是图4所示的变流器模块100的一部分的示意性电路图，示出了相模块104、105、106的示例性配置。如前面参考图4所述，相模块104、105、106中的每个可以被配置为提供AC波形(例如，AC电压波形)的至少一部分。为此，相模块104、105、106中的每个可以包括多个多电平变流器单元，每个多电平变流器单元被配置为例如(至少)基于DC电力系统103的电压来向AC电压波形提供电压贡献。

相模块104可以包括多个多电平变流器单元141-1、......、141-N和142-1、......、142-N，多个多电平变流器单元141-1、......、141-N和142-1、......、142-N(例如如图5所示串联)电连接并且布置在多电平变流器单元臂161中。多电平变流器单元臂161的多电平变流器单元141-1、......、141-N构成相模块104的上部多电平变流器单元臂，并且多电平变流器单元臂161的多电平变流器单元142-1、......、142-N构成相模块104的下部多电平变流器单元臂。

类似地，相模块105可以包括多个多电平变流器单元143-1、......、143-N和144-1、......、144-N，多个多电平变流器单元143-1、......、143-N和144-1、......、144-N(例如如图5所示串联)电连接并且布置在多电平变流器单元臂162中。多电平变流器单元臂162的多电平变流器单元143-1、......、143-N构成相模块105的上部多电平变流器单元臂，并且多电平变流器单元臂162的多电平变流器单元144-1、......、144-N构成相模块105的下部多电平变流器单元臂。

类似地，相模块106可以包括多个多电平变流器单元145-1、......、145-N和146-1、......、146-N，多个多电平变流器单元145-1、......、145-N和146-1、......、146-N(例如如图5所示串联)电连接并且布置在多电平变流器单元臂163中。多电平变流器单元臂163的多电平变流器单元145-1、......、145-N构成相模块106的上部多电平变流器单元臂，并且多电平变流器单元臂163的多电平变流器单元146-1、......、146-N构成相模块106的下部多电平变流器单元臂。

在图5所示的本发明的实施例中，相模块104、105、106的上部多电平变流器单元臂和下部多电平变流器单元臂各自包括N个多电平变流器单元，其中N为整数，诸如十、十五或二十。然而，应当理解，相模块104、105、106中的每个相模块原则上可以包括任何数目的多电平变流器单元。根据示例，相模块104、105、106中的每个相模块可以包括单个多电平变流器单元。

现在参考图6，示出了图5所示的多电平变流器单元141-1的示例配置。应当理解，图5所示的其它多电平变流器单元141-N、142-1、......、142-N、143-1、......、143-N、144-1、......、144-N、145-1、......、145-N、146-1、......、146-N中的任何一个可以以与图6所示的多电平变流器单元141-1相同的方式或类似的方式来配置。根据图6所示的示例，多电平变流器单元141-1包括两个开关或开关元件191、192和电容器193。根据图6所示的示例，开关或开关元件191、192中的每个包括带有二极管的晶体管。晶体管可以例如包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。应当理解，图6所示的开关元件191、192是根据示例，并且可以使用其它类型的开关元件。而且，多电平变流器单元141-1不限于使用电容器193作为电能存储元件，而是可以采用其它类型的电能存储元件。参考图5，电容器193可以用来自DC电力系统103的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电。由此可以控制多电平变流器单元141-1，以便基于电容器193(或另一电能存储元件)的电压来向AC电压波形提供电压贡献。

图6示出了被配置为半桥电路的多电平变流器单元141-1，其中两个开关或开关元件191、192串联连接在电能存储元件193两端，其中开关或开关元件191、192与电能存储元件193端子之一之间的中点连接作为外部连接。然而，应当理解，该配置是根据非限制性示例，并且变化是可能的。例如，多电平变流器单元141-1可以被配置为全桥电路。将多电平变流器单元141-1配置为全桥电路可以允许或便于将电能存储元件193以任一极性插入到电路中。图7示出了被配置为全桥电路的多电平变流器单元141-1。图7所示的多电平变流器单元141-1包括四个开关或开关元件191、192、196、197，每个开关或开关元件包括带有二极管的晶体管(例如，IGBT)。图7所示的多电平变流器单元141-1还包括以电容器193为形式的电能存储元件。

进一步参考图5，多电平变流器单元141-1、......、141-N、142-1、......、142-N、143-1、......、143-N、144-1、......、144-N、145-1、......、145-N和146-1、......、146-N中的任何一个可以例如包括半桥或两电平单元或者全桥或三电平单元。

进一步参考图5，相模块104、105、106中的每个可以包括多个变流器阀。多个变流器阀电连接到多电平变流器单元，并且在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由相应的多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。

相模块104可以包括多个变流器阀151-1、......、151-N和152-1、......、152-N，多个变流器阀151-1、......、151-N和152-1、......、152-N(例如如图5所示串联)电连接并且布置在变流器阀臂171中。变流器阀臂171的变流器阀151-1、......、151-N构成相模块104的上部变流器阀臂，并且变流器阀臂的变流器阀152-1、......、152-N构成相模块104的下部变流器阀臂。

类似地，相模块105可以包括多个变流器阀153-1、......、153-N和154-1、......、154-N，多个变流器阀153-1、......、153-N和154-1、......、154-N(例如如图5所示串联)电连接并且布置在变流器阀臂172中。变流器阀臂172的变流器阀153-1、......、153-N构成相模块105的上部变流器阀臂，并且变流器阀臂的变流器阀154-1、......、154-N构成相模块105的下部变流器阀臂。

类似地，相模块106可以包括多个变流器阀155-1、......、155-N和156-1、......、156-N，多个变流器阀155-1、......、155-N和156-1、......、156-N(例如如图5所示串联)电连接并且布置在变流器阀臂173中。变流器阀臂173的变流器阀155-1、......、155-N构成相模块106的上部变流器阀臂，并且变流器阀臂的变流器阀156-1、......、156-N构成相模块106的下部变流器阀臂。

在图5所示的本发明的实施例中，相模块104、105、106的上部变流器阀臂和下部变流器阀臂各自包括N个变流器阀，其中N是整数，例如十、十五或二十。然而，应当理解，相模块104、105、106中的每个相模块原则上可以包括任何数目的变流器阀。根据示例，相模块104、105、106中的每个相模块可以包括单个变流器阀。

现在参考图8，示出了图5所示的变流器阀151-1的示例配置。应当理解，图5所示的其它变流器阀151-N、152-1、......、152-N、153-1、......、153-N、154-1、......、154-N、155-1、......、155-N、156-1、......、156-N中的任何一个可以以与图8所示的变流器阀151-1的相同的方式或类似的方式来配置。根据图8所示的示例，变流器阀151-1包括至少两个反并联晶闸管194、195。如图8所示，晶闸管194、195并联电连接，并且它们的极性相对于彼此反转。因此，变流器阀151-1可以表现可控双向开关的能力或性能。

进一步参考图4和5，相变压器107、108、109可以连接在AC电力系统102与对应的变流器阀臂171、172、173的中点和对应的多电平变流器单元臂161、162、163的中点之间。

多电平变流器单元臂161、162、163的中点可以被定义为在一侧连接相应的多电平变流器单元臂161、162、163的上部多电平变流器单元臂，并且在另一侧连接相应的多电平变流器单元臂161、162、163的下部多电平变流器单元臂的点。例如，当多电平变流器单元臂161、162、163中的多电平变流器单元串联电连接时，中点可以被定义为一半或大约一半的多电平变流器单元设置在中点的一侧并且剩余的多电平变流器单元设置在中点的另一侧的点。

类似地，变流器阀臂171、172、173的中点可以被定义为在一侧连接相应的变流器阀臂171、172、173的上部变流器阀臂，并且在另一侧连接相应的变流器阀臂171、172、173的下部变流器阀臂的点。例如，当变流器阀臂171、172、173中的变流器阀串联电连接时，中点可以被定义为一半或大约一半的变流器阀设置在中点的一侧并且剩余的变流器阀设置在中点的另一侧的点。

如图5所示，对于相模块104、105、106中的任何一个，相应相模块104、105、106中的多电平变流器单元臂171、172、173和变流器阀臂161、162、163例如可以并联电连接。

进一步参考图5，相模块104、105、106中的任何一个可以包括换向单元181、182、183，换向单元181、182、183电连接到相应的变流器阀151-1、......、151-N、152-1、......、152-N、153-1、......、153-N、154-1、......、154-N、155-1、......、155-N、156-1、......、156-N并且可切换以便使得相应的变流器阀151-1、......、151-N、152-1、......、152-N、153-1、......、153-N、154-1、......、154-N、155-1、......、155-N、156-1、......、156-N进入非导通状态。

现在参考图9，示出了图5所示的换向单元181的示例配置。应当理解，图5所示的其它换向单元182、183中的任何一个可以以图9所示的换向单元181相同的方式或类似的方式来配置。通常，换向单元181、182、183中的每个换向单元可以包括至少一个电能存储元件(诸如电容器)，电能存储元件(诸如电容器)可以用来自DC电力系统102的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电，其中通过切换换向单元181、182、183，它可以在变流器阀151-1、......、151-N、152-1、......、152-N、153-1、......、153-N、154-1、......、154-N、155-1、......、155-N、156-1、......、156-N中的晶闸管194、195中的至少一个晶闸管两端提供选定的电压，并且可切换以便使得相应的变流器阀151-1、......、151-N、152-1、......、152-N、153-1、......、153-N、154-1、......、154-N、155-1、......、155-N、156-1、......、156-N以将至少一个晶闸管194、195切换到非导通状态。根据图9所示的示例，换向单元181包括以电容器为形式的两个电能存储元件186-1、186-2。电容器186-1、186-2中的每个电容器布置在分别具有四个开关元件187-1至187-4以及187-5至187-8的对应的全桥单元184、185中。根据图9所示的示例，开关元件187-1至187-8包括带有二极管的晶体管。晶体管可以例如包括IGBT。应当理解，图9所示的开关元件187-1至187-8是根据示例，并且可以使用其它类型的开关元件。因此，换向单元181、182、183中的任何一个换向单元可以优选地包括根据图9所示的本发明的实施例的全桥单元。然而，这不是必需的。换向单元181、182、183中的任何一个换向单元可以例如包括半桥单元。换向单元181、182、183不限于使用电容器186-1、186-2作为电能存储元件，而是可以采用其它类型的电能存储元件。如图5所示，换向单元181、182、183可以例如分别布置在多电平变流器单元臂161、162、163的中点处。

如前所述，相模块104、105、106的多电平变流器单元141-1、......、141-N、142-1、......、142-N、143-1、......、143-N、144-1、......、144-N、145-1、......、145-N和146-1、......、146-N被配置为例如(至少)基于DC电力系统103的电压来向AC电压波形提供电压贡献。因此可以使用多电平变流器单元141-1、......、141-N、142-1、......、142-N、143-1、......、143-N、144-1、......、144-N、145-1、......、145-N和146-1、......、146-N以便合成期望的AC电压波形，以满足AC电力系统102或DC电力系统103的要求。因此，变流器模块100可以作为电压源变流器操作，其中DC侧电压建立AC侧电压。借助于变流器单元141-1、......、141-N、142-1、......、142-N、143-1、......、143-N、144-1、......、144-N、145-1、......、145-N和146-1、......、146-N是多电平变流器单元，每个多电平变流器单元141-1、......、141-N、142-1、......、142-N、143-1、......、143-N、144-1、......、144-N、145-1、......、145-N和146-1、......、146-N被配置为能够提供可以用于形成AC电压波形的多个电压电平，诸如两个或更多个电压电平。

通过操作和控制相模块104、105、106(其部件)来形成AC电压波形可以使用本领域已知的一般原理来执行。对于每个相，取决于每个多电平变流器单元中的开关或开关元件191、192中的哪个开关或开关元件开启(即，处于导通状态)，电能存储元件193可以被旁路或连接到电路中。因此，每个多电平变流器单元可以用作可能独立的、分离的可控电压源。根据本发明的实施例，多电平变流器单元141-1是两电平变流器，其可以生成零电压或电能存储元件(例如，电容器)193两端的电压。通过例如串联电连接的多个多电平变流器单元(诸如图5所示，其中串联连接的多电平变流器单元形成多电平变流器单元臂161、162、163)，可以提供多个电压电平，其可以用于合成阶跃电压波形。描述这种情况的另一种方式是每个相的AC输出处的电压可以在多个离散电压电平之间可控地切换，这些离散电压电平基于或对应于第一DC极或端子T1处以及第二DC极或端子T2处的电位。由多电平变流器单元提供的电压贡献的极性可以由变流器阀控制(以便产生正或负电压贡献)，从而允许合成阶跃电压波形，其例如可以近似正弦波或正弦曲线。

现在参考图10，示出了图5所示的变流器阀151-1的另一示例配置。应当理解，图5所示的其它变流器阀151-N、152-1、......、152-N、153-1、......、153-N、154-1、......、154-N、155-1、......、155-N、156-1、......、156-N中的任何一个或每个可以以与图10所示的变流器阀151-1相同的方式或类似的方式来配置。图10所示的变流器阀151-1类似于图8所示的变流器阀151-1。根据如图10所示的示例，变流器阀151-1包括至少两个反并联晶闸管194、195，至少两个反并联晶闸管194、195并联电连接并且极性相对于彼此反转。因此，变流器阀151-1可以表现可控的双向开关的能力或性能。另外，图10所示的变流器阀151-1包括由电涌放电器198构成的电涌保护器件。根据图10所示的示例，电涌放电器198电连接到反并联晶闸管194、195。因此，电涌放电器198和反并联晶闸管194和195相对于彼此并联地相互电连接。然而，应当理解，图10所示的电涌放电器198与反并联晶闸管194和195的特定电耦合是根据示例的，并且电涌放电器198可以以除了图10所示的之外的某种方式电连接到反并联晶闸管194和195。还应当理解，尽管图10描绘了电连接到反并联晶闸管194、195的一个电涌保护器件198，还可能存在被包括在变流器阀151-1中或至少电连接到变流器阀151-1的一个或多个附加的电涌保护器件。

总之，公开了变流器装置，其被配置为将AC电力系统与DC电力系统耦合。变流器装置包括多个变流器模块，这些变流器模块串联电连接在DC极处，例如在第一DC极与第二DC极之间或者在DC极与地之间。至少一个变流器模块被配置为使得其至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由变流器模块的至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。

虽然已经在附图和前面的描述中说明了本发明，但是这样的说明应当被认为是说明性的或示例性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开实施例的其它变型。在所附权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims

1.一种变流器装置(300，301)，被配置为将交流AC电力系统(102，302)与直流DC电力系统(103)耦合，所述变流器装置包括：

多个变流器模块(100)，串联电连接在DC极(T1，T2，T7，T8)处；

每个变流器模块包括：

多个相模块(104，105，106)，用于将DC电力转换为AC电力或者将AC电力转换为DC电力，每个相模块被配置为提供AC波形的至少一部分，并且每个相模块包括：

至少一个多电平变流器单元(141-1，......，141-N，142-1，......，142-N，143-1，......，143-N，144-1，......，144-N，145-1，......，145-N，146-1，......，146-N)，每个多电平变流器单元被配置为基于所述AC电力系统的电压向所述AC波形提供电压贡献；以及

至少一个变流器阀(151-1，......，151-N，152-1，......，152-N，153-1，......，153-N，154-1，......，154-N，155-1，......，155-N，156-1，......，156-N)，电连接到所述至少一个多电平变流器单元；

其中至少一个变流器模块被配置为使得所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀在具有选定电流导通方向的导通状态与非导通状态之间能够可控制地切换，以便选择性地控制由所述变流器模块的所述至少一个多电平变流器单元提供的任何电压贡献的极性。

2.根据权利要求1所述的变流器装置，其中所述多个变流器模块串联电连接在DC极(T1，T2，T7，T8)与地之间或者在第一DC极(T1，T7)与第二DC极(T2，T8)之间。

3.根据权利要求1或2所述的变流器装置，其中所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀包括至少一个双向开关(194，195)。

4.根据权利要求3所述的变流器装置，其中所述至少一个双向开关包括至少两个反并联晶闸管(194，195)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的变流器装置，其中：

所述多个变流器模块串联电连接在第一DC极与第二DC极之间，其中所述至少一个变流器模块是所述多个变流器模块中电气上最靠近所述第一DC极或所述第二DC极的一个或一些变流器模块；或者

所述多个变流器模块串联电连接在DC极与地之间，其中所述至少一个变流器模块是电气上最靠近所述DC极的变流器模块。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的变流器装置，还包括控制单元(101)，所述控制单元(101)被配置为至少关于所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀的切换来控制所述至少一个变流器阀的操作，其中所述控制单元被配置为响应于接收到指示所述变流器装置中存在故障电流的指示，而控制所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀的切换，以便将所述故障电流路由通过所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀并且旁路所述至少一个变流器模块的所述至少一个多电平变流器单元的至少一部分。

7.根据权利要求6所述的变流器装置，其中：

所述多个变流器模块串联电连接在第一DC极与第二DC极之间；以及

所述控制单元被配置为响应于接收到指示所述变流器装置中存在由所述第一DC极和所述第二DC极中的一个DC极处的故障引起的故障电流的指示，而控制所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀的切换，以便将所述故障电流从所述第一DC极和所述第二DC极中存在故障的一个DC极通过所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀路由到所述第一DC极和所述第二DC极中的另一DC极，其中所述至少一个变流器模块的所述至少一个多电平变流器单元的至少一部分被旁路。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的变流器装置，其中所述至少一个变流器模块的每个相模块包括至少一个换向单元(181，182，183)，所述至少一个换向单元(181，182，183)电连接到所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀，并且可切换以选择性地使得所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀进入所述非导通状态。

9.根据权利要求8所述的变流器装置，其中所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀包括至少两个反并联晶闸管(194，195)，并且其中所述至少一个换向单元包括至少一个电能存储元件(186-1，186-2)，所述至少一个电能存储元件(186-1，186-2)能够用来自所述DC电力系统的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电，其中通过所述换向单元的切换，所述换向单元能够在所述晶闸管中的至少一个晶闸管两端提供选定电压以便将所述至少一个晶闸管切换到非导通状态。

10.根据权利要求8或9所述的变流器装置，其中所述至少一个换向单元包括全桥单元。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的变流器装置，其中对于所述多个变流器模块中的每个变流器模块，所述变流器模块的每个多电平变流器单元包括至少一个电能存储元件(193)，所述至少一个电能存储元件(193)能够用来自所述DC电力系统的DC电力选择性地进行充电并且选择性地进行放电，每个多电平变流器单元被配置为基于所述电能存储元件的电压来向所述AC电压波形提供电压贡献。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的变流器装置，其中所述AC电力系统包括多个相，其中对于所述多个变流器模块中的每个变流器模块，所述变流器模块的每个相模块对应于所述相中的一个相。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的变流器装置，其中对于所述多个变流器模块中的每个变流器模块，所述变流器模块的每个相模块包括：

多个多电平变流器单元(141-1，......，141-N，142-1，......，142-N，143-1，......，143-N，144-1，......，144-N，145-1，......，145-N，146-1，......，146-N)，电连接在多电平变流器单元臂(161，162，163)中；以及

多个变流器阀(151-1，......，151-N，152-1，......，152-N，153-1，......，153-N，154-1，......，154-N，155-1，......，155-N，156-1，......，156-N)，电连接在变流器阀臂(171，172，173)中。

14.根据权利要求13所述的变流器装置，其中所述多个变流器模块中的每个变流器模块还包括至少一个变压器(107，108，109)，所述至少一个变压器(107，108，109)连接在所述AC电力系统与所述变流器模块的所述变流器阀臂的中点和所述变流器模块的所述多电平变流器单元臂的中点之间。

15.根据权利要求13或14所述的变流器装置，其中所述多电平变流器单元臂和所述变流器阀臂并联电连接。

16.根据权利要求8至10中任一项或从属于权利要求8至10中任一项的权利要求11至15中任一项所述的变流器装置，其中对于所述多个变流器模块中的每个变流器模块，所述变流器模块的每个相模块包括：

多个多电平变流器单元(141-1，......，141-N，142-1，......，142-N，143-1，......，143-N，144-1，......，144-N，145-1，......，145-N，146-1，......，146-N)，电连接在多电平变流器单元臂(161，162，163)中；

其中所述多电平变流器单元臂中的所述多电平变流器单元中的至少一个多电平变流器单元包括全桥单元，并且其中所述至少一个换向单元包括所述至少一个多电平变流器单元或由所述至少一个多电平变流器单元构成，所述至少一个多电平变流器单元包括全桥单元。

17.根据权利要求16所述的变流器装置，其中所述多电平变流器单元臂中的所述多个多电平变流器单元中的每个多电平变流器单元包括全桥单元，并且其中所述至少一个换向单元包括所述多电平变流器单元臂中的所述多电平变流器单元中的任何一个多电平变流器单元，或者由所述多电平变流器单元臂中的所述多电平变流器单元中的任何一个多电平变流器单元构成。

18.根据权利要求1至15中任一项所述的变流器装置，其中所述至少一个多电平变流器单元包括半桥单元或全桥单元。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的变流器装置，其中对于所述变流器模块中的每个变流器模块，所述变流器模块的至少一个相模块包括至少一个电涌保护器件，所述至少一个电涌保护器件被布置为保护所述至少一个相模块的至少一部分免受可能发生的任何电压瞬变的影响。

20.根据权利要求19所述的变流器装置，其中所述至少一个电涌保护器件被包括在对应的相模块的至少一个变流器阀中。

21.根据权利要求20所述的变流器装置，其中所述至少一个变流器模块的所述至少一个变流器阀包括至少两个反并联晶闸管(194，195)，并且其中至少一个电涌保护器件(198)电连接到所述至少两个反并联晶闸管。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的变流器装置，其中对于所述变流器模块中的每个变流器模块，所述变流器模块的每个相模块包括至少一个电涌保护器件，至少一个电涌保护器件被布置为保护所述相模块的至少一部分免受可能发生的任何电压瞬变的影响。

23.一种电力系统(400)，包括交流AC电力系统(102，302)和直流DC电力系统(103)，所述电力系统包括根据权利要求1至22中任一项所述的变流器装置(300，301)，所述变流器装置(300，301)被配置为将所述AC电力系统与所述DC电力系统耦合。

24.一种高压直流变流器站，包括至少一个根据权利要求1至22中任一项所述的变流器装置(300，301)。

25.一种电力传输系统，包括：

直流DC电力系统(103)，包括两个DC极(T1，T7)；以及

两个根据权利要求1至22中任一项所述的变流器装置(300，301)，其中两个变流器装置借助于所述DC电力系统而电互连；

其中所述两个变流器装置中的每个变流器装置电连接到两个交流AC电力系统(102，302)中的相应的一个交流AC电力系统，用于在所述两个AC电力系统之间传输电力；

其中所述两个变流器装置中的每个变流器装置的多个变流器模块(100)串联电连接在所述两个DC极中的相应的一个DC极处。