CN110582932A

CN110582932A - 消除lcc hvdc系统的换向失败

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Publication number: CN110582932A
Application number: CN201880029604.5A
Authority: CN
Inventors: 张小平; 雪映
Original assignee: University of Birmingham
Current assignee: University of Birmingham
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: WO2018158581A1; GB201703427D0; US10855200B2; CN110582932B; US20200052611A1; EP3590184A1

Abstract

一种用于高压直流功率转换器的线路换向转换器(LCC)，该LCC包括用于与DC系统的至少一个端子相连的至少一个LCC桥式电路，每个桥式电路包括多个臂，每个臂与AC系统的相应相相关联，每个臂包括：串联连接的一个或多个上晶闸管阀和一个或多个下晶闸管阀；从上晶闸管与下晶闸管之间延伸的相关分支；以及用于每个相的至少一个基于晶闸管的电容器模块，每个模块包括多个模块晶闸管，每个电容器模块可操作为通过触发所述模块晶闸管中的至少一个或多个而将主电容器插入到桥式电路的相应臂中。

Description

消除LCC HVDC系统的换向失败

技术领域

本发明涉及电力转换器，更具体地，涉及用于高压直流(HVDC)系统中的线路换向转换器(LCC)以及其中的换向失败的消除和无功功率/AC电压的控制。

背景技术

在高压直流(HVDC)电力传输系统中，直流(DC)被用于电力的大规模传输。由于DC输电系统中的电力损耗低于相应的AC输电系统中的电力损耗，因此DC通常优选用于远距离的电力传输。在所有常用的HVDC技术中，由于使用晶闸管，LCC-HVDC的损耗最低。除此之外，远距离的DC输电线路成本较低。这是因为DC输电系统不需要支持三相并且没有趋肤效应，所以DC需要的导体面积比AC小。此外，LCC-HVDC具有最低的转换器站成本。这主要是因为与其他电力电子开关相比，晶闸管的成本要低得多。

在HVDC中，AC转换为DC(整流)，并且之后再转换回AC(逆变)。通常使用线路换向转换器(LCC)或电压源转换器(VSC)来进行整流和逆变。LCC系统通常比VSC系统更受欢迎，这是因为可以使用LCC以更低的损耗传输更大的电力。VSC系统的最大功率受限于功率电子器件的功率处理能力。功率电子器件的一些示例包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成栅极换向晶闸管)、GTO(栅极关断晶闸管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IEGT(注入增强型栅极晶体管)等。最近，LCC-HVDC系统已用于传输高达12GW的电力。

然而，VSC HVDC系统通常采用晶体管(例如IGBT、IGCT、GTO、MOSFET、IEGT等)，这些晶体管可以具有栅极关断能力并可以接通和断开，而LCC采用仅可以接通的晶闸管(更确切地，晶闸管阀)。晶闸管阀在正向偏置时开始导通，其栅极端接收电流触发，并将继续导通，直到不再正向偏置并且其导通电流减小到零。因此，LCC-HVDC系统在AC侧故障期间容易出现换向失败。如本领域技术人员将理解的，换向是将DC电流的传导从与一个AC相相关联的一个晶闸管阀臂切换到与另一个AC相相关联的另一个晶闸管阀臂的过程。换向失败可能意味着：即使故障已被清除之后，系统也可能需要被关闭并重新启动，这有可能导致停电。

除此之外，在LCC HVDC系统中，由于换向开始的时间和换向的持续时间，转换器的AC侧的电流滞后于电压，并且系统消耗无功功率。这与VSC不同，VSC可以按需产生或消耗无功功率。

WO2016/177991A1(具有与本申请相同的申请人)公开了一种LCC-HVDC系统，其消除换向失败并提供动态无功功率控制。该系统使用电容器模块，所述电容器模块可操作为将电容器插入到桥式电路的臂中。用于实现这些优势的硬件限制了诸如额定功率、功率损耗、低成本和可靠性等因素。

基于上述内容，设计出本发明。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于高压直流HVDC电力转换器的线路换向转换器LCC。LCC包括用于与DC系统的至少一个端子相连的至少一个桥式电路。每个桥式电路包括多个臂，并且每个臂与AC系统的相应相相关联。每个臂包括：串联连接的一个或多个上晶闸管阀和一个或多个下晶闸管阀；从一个或多个上晶闸管阀与一个或多个下晶闸管阀之间延伸的关联分支；以及至少一个基于晶闸管的电容器模块，所述基于晶闸管的电容器模块针对每个相包括多个模块晶闸管。每个基于晶闸管的电容器模块可操作为通过触发所述模块晶闸管中的至少一个来从桥式电路的相应臂插入电容器。

将理解的是，晶闸管功能可以由单个晶闸管阀或由适当地布置在电路系统中的两个或更多个晶闸管阀提供。与现有的LCC-HVDC系统相比，基于晶闸管的电容器模块的使用特别有利，在现有的LCC-HVDC系统中，IGBT可以用于电容器模块中以插入电容器。晶闸管的优点的示例如下：

-晶闸管具有比IGBT高的额定电流/电压。这对于大功率LCC-HVDC系统非常重要，在该系统中，DC电流可以额定超过3kAmps。IGBT无法用于此类应用，因为它们通常额定不超过2.5kAmps。相反，晶闸管可以额定在6kAmps或更高。

-与IGBT相比，晶闸管的功耗更低。因此，在LCC-HVDC系统的大功率应用中，存在可观的经济收益。

-晶闸管比IGBT便宜，从而降低了设备成本。

-晶闸管比IGBT更可靠，并采用了更成熟的技术。

基于晶闸管的电容器模块的额定电流可以与晶闸管阀的额定电流一样高。

基于晶闸管的电容器模块可以处于半桥配置或全桥配置。

每个半桥电容器模块还包括至少一个单向组件，每个单向组件形成半桥电路的臂，主电容器的输出被施加到模块半桥电路以及电容器模块外部的电路系统。

每个全桥电容器模块还可以包括至少四个单向组件。这些单向组件可以形成全桥电路的臂，主电容器的输出被施加到模块全桥电路以及电容器模块外部的电路系统。

每个基于晶闸管的电容器模块还可以包括主电容器、多个附属电容器和多个电感器。附属电容器和电感器可以操作为在基于晶闸管的电容器模块内形成多个至少两个L-C振荡电路。

每个L-C振荡电路可以包括模块晶闸管、附属电容器和电感器，所述模块晶闸管是旁路晶闸管。每个L-C振荡电路可以与相应的单向电子组件并联。该单向电子部件可以与相应的旁路晶闸管相反地被偏置。

单向电子部件可以是二极管。

单向电子部件可以是晶闸管。在这种情况下，将晶闸管用作单向电子组件件带来的优点是，在系统中更广泛地实现了上述晶闸管的使用。

每个旁路晶闸管可以操作为允许电流旁路与所述旁路晶闸管并联的桥式电路(全桥或半桥)的臂。

每个L-C振荡电路可以操作为产生电流振荡，所述电流振荡引起相应L-C振荡电路的旁路晶闸管被关断。

LCC还包括与每个L-C振荡电路相关联的第一附属模块晶闸管，所述第一附属模块晶闸管可操作为在被触发时通过引起相应L-C振荡电路中的电流振荡来关断相应振荡电路的旁路晶闸管。

使用L-C振荡电路来关断旁路晶闸管是特别有利的，因为它允许使用另一个晶闸管(即第一附属模块晶闸管)来控制旁路晶闸管的状态。这确保了电容器模块内的桥的臂可以通过切换晶闸管而被旁路。尽管晶闸管存在固有的局限性，即在不减少流过晶闸管的电流的情况下不能主动关断晶闸管，但是可以仅通过接通晶闸管来完成主电容器的插入(或主电容器的极性切换)。晶闸管的这种局限性意味着，不能简单地用晶闸管替代可以主动接通和关断的组件，例如现有技术LCC的电容器模块中使用的IGBT，而同时保持相同电路拓扑。因此，可以实现与上述晶闸管的使用相关联的众多优点。

LCC还可以包括与每个L-C振荡电路相关联的第二附属模块晶闸管，所述第二附属模块晶闸管可操作为在被触发时通过允许电流流向相应L-C振荡电路的附属电容器来对所述附属电容器充电。附属电容器的充电是必要的，以允许在第一附属模块晶闸管被触发时发生L-C振荡。

LCC可包括至少一个全桥配置的基于晶闸管的电容器模块，其可操作为将任一极性的主电容器插入到桥式电路的至少一个臂中。

LCC可以包括至少一个全桥配置的基于晶闸管的电容器模块，其可操作为通过触发一个或多个晶闸管来切换所述主电容器的极性。

多个基于晶闸管的电容器模块可以与一个或多个臂串联连接。

LCC可以包括基于晶闸管的电容器模块和基于IGBT的电容器模块(例如WO2016/177991A1中公开的那些)的混合。至少一个基于晶闸管的电容器模块可以与至少一个基于IGBT的电容器模块串联连接。

LCC可以包括基于IGCT、GTO、MOSFET、IEGT中的任何一个的电容器模块。至少一个基于晶闸管的电容器模块可以与基于IGCT、GTO、MOSFET、IEGT中的任何一个的电容器模块串联连接。

上晶闸管阀和下晶闸管阀中的每一个可以是双向晶闸管阀，其中，每个双向晶闸管阀包括以反并联配置布置的第一双向组件晶闸管和第二双向组件晶闸管，并且其中，每个双向晶闸管阀可操作为允许电流沿任何方向跨所述双向晶闸管阀流动，从而提供流过要被切换的所述多个臂的电流方向。

在本发明的第二方面，提供了一种操作用于高压直流HVDC转换器的线路换向转换器LCC的方法，其中所述LCC包括用于与DC系统的至少一个端子相连的至少一个桥式电路，其中每个桥式电路包括多个臂，每个臂与AC系统的相应相相关联，每个臂包括：

串联连接的一个或多个上晶闸管阀和一个或多个下晶闸管阀；

从一个或多个上晶闸管阀与一个或多个下晶闸管阀之间延伸的关联分支；以及

用于每一相的至少一个基于晶闸管的电容器模块。

当基于晶闸管的电容器模块具有全桥拓扑时，该方法可以包括以下步骤：由所述或每个基于晶闸管的电容器模块将主电容器插入到桥式电路的相应臂中。

该方法还可以包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个晶闸管，以便反转主电容器的极性。

该方法还可以包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个第一附属晶闸管，以便关断旁路晶闸管，从而从所述基于晶闸管的电容器模块内的模块桥式电路的臂分流。模块桥式电路可以具有半桥或全桥电路拓扑。

该方法还可以包括以下步骤：触发在至少一个基于晶闸管的电容器模块内的至少一个第二附属晶闸管，以便对至少一个附属电容器进行充电。

该方法还可以包括以下步骤：触发至少一个基于晶闸管的电容器模块内的第一附属晶闸管，以便允许电流流过L-C振荡电路，从而产生L-C振荡，所述L-C振荡引起旁路晶闸管和第一附属晶闸管两者关断。

该方法还可以包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个晶闸管，所述一个或多个晶闸管是形成所述模块桥式电路的臂的单向组件。

每个上晶闸管阀和下晶闸管阀可以是双向晶闸管阀，其中每个双向晶闸管阀包括以反并联配置布置的第一和第二双向组件晶闸管。该方法还可以包括通过触发第一双向组件晶闸管和第二双向组件晶闸管中的一个来切换流过多个臂的电流的方向。

在本发明的第三方面，提供了一种切换基于晶闸管的半桥电容器模块以用于线路换向转换器LCC的换向的方法，其中电容器模块包括晶闸管、主电容器、多个辅助电容器和多个二极管，该方法包括：

(i)在换向开始的时刻将所述主电容器插入主电路环路中；

(ii)在换相结束时从所述主电路环路旁路所述主电容器；

(iii)反转第一辅助电容器的极性；

(iv)触发所述晶闸管以形成电流路径；

(v)在换向开始之前以短的提前时间来关断所述晶闸管并将所述主电容器插入所述主电路环路中；以及

(vi)反转第二辅助电容器的极性。

可以将该方法修改为：基于晶闸管的半桥电容器模块不包括二极管，而是包括多个附加晶闸管，其中，所述附加晶闸管在需要电流流过所述附加晶闸管的点被触发，包括在步骤(v)当所述主电容器被插入所述主电路环路时。

根据本发明的另一方面，提供了一种切换基于晶闸管的全桥电容器模块以用于线路换向转换器LCC的换向的方法，所述LCC包括转换器变压器，其中，所述电容器模块在所述转换器变压器的阀侧和次级侧之间连接到所述LCC，并且包括主电容器、至少四个辅助电容器和多个二极管，所述方法包括：

(i)对所述主电容器和所述辅助电容器进行初始充电；

(ii)将所述主电容器插入电路以提供附加的换向电压；

(iii)旁路所述主电容器；

(iv)将所述辅助电容器中的第一辅助电容器的电压极性反转；

(v)将所述主电容器插入所述电路，其中所述主电容器的负极连接到所述阀侧；

(vi)将第二附属电容器的电压极性反转；

(vii)将所述主电容器C插入所述电路，其中所述主电容器C的负侧连接到所述阀侧；

(viii)将第三附属电容器的电压极性反转；

(ix)将所述主电容器插入所述电路，其中所述主电容器的正侧连接到所述阀侧；

(x)将第四附属电容器的电压极性反转。

可以将该方法修改为：基于晶闸管的全桥电容器模块不包括二极管，而是包括多个附加晶闸管，其中所述附加晶闸管在需要电流流过所述附加晶闸管的点被触发。

附图说明

图1a是示出了根据本发明的实施例的三相LCC逆变器的电路图。

图1b是在本发明的实施例中使用的单向晶闸管阀的图示。

图1c是在本发明的实施例中使用的双向晶闸管阀的图示。

图2a是示出了使用电容器插入的“推方法”的本发明的实施例的电路图。

图2b是示出了在与图2a的换向周期中的不同点处，使用电容器插入的“推方法”的本发明的实施例的电路图。

图3a是示出了使用电容器插入的“挽方法”的本发明的实施例的电路图。

图3b是示出了在与图3a的换向周期中的不同点处，使用电容器插入的“挽方法”的本发明的实施例的电路图。

图4是示出了使用电容器插入的“推挽方法”的本发明的实施例的电路图。

图5示出了晶闸管电流和电容器电压随时间变化的曲线。

图6a和图6b是示出了电容器模块的示意图。

图7a是半桥电路的电路图，该半桥电路使用可用于SMC模块的具有栅极关断能力的IGBT(或IGCT、GTO、MOSFET、IEGT等)的功率电子开关。

图7b是全桥电路的电路图，该全桥电路使用可用于SMC模块的具有栅极关断功能的IGBT(或IGCT、GTO、MOSFET、IEGT等)的功率电子开关。

图8a是可以用于SMC模块的具有二极管的基于晶闸管的半桥电容器模块的电路图。

图8b是可以用于SMC模块的不具有二极管的基于晶闸管的半桥电容器模块的电路图。

图8c是可以用于SMC模块的具有二极管的基于晶闸管的全桥电容器模块的电路图。

图8d是可以用于SMC模块的不具有二极管的基于晶闸管的全桥电容器模块的电路图。

图9a至图9f示出了不同的三相LCC逆变器(或整流器)拓扑的一部分的电路图。

图10是完全控制的电容器模块的替代位置的电路图。

具体实施方式

为了概括起见，如图6b所示，可控电容器分支可以包含N个混合SMC模块：

·基于M1 IGBT的半桥模块，如图7a所示

·基于M2 IGBT的全桥模块，如图7b所示

·具有二极管的基于N1晶闸管的半桥模块，如图8a所示

·不具有二极管的基于L1晶闸管的半桥模块，如图8b所示

·具有二极管的基于N2晶闸管的全桥模块，如图8c所示

·不具有二极管的基于L2晶闸管的全桥模块，如图8d所示

其中M1、M2、N1、N2、L1、L2是非负整数(即其可以包括零)，并且总N＝M1+M2+N1+N2+L1+L2＞＝1。对于可控电容器分支的这些混合模块，可以通过以下详述的“挽”、“推”或“推挽”方法来应用SMC。在下文中，术语“混合电容器模块”指的是如上详述的多个N个混合SMC模块。术语“晶闸管电容器模块”是指仅包括基于晶闸管的模块的一组电容器模块。电容器模块24a可以包括SMC 28，或者多个SMC模块28a、28b。

除上述一般情况外，可控电容器分支还将包括以下特殊情况，其中我们假设N＝M1+M2+N1+N2+L1+L2：

·选项1：N＝M1；

·选项2：N＝M2；

·选项3：N＝L1；

·选项4：N＝L2；

·选项5：N＝N1；

·选项6：N＝N2

对于选项1、选项3和选项5，只能使用“推”或“挽”方法，因为电容器的极性不能反转，而对于选项2、选项4和选项6，可以使用“挽”、“推”或“推挽”方法中的任意方法，因为电容器的极性可以反转。

1、使用完全可控的电容器模块的12脉冲LCC HVDC和总体控制策略

1.1在没有可控电容器的情况下，传统LCC-HVDC的操作

图1a示出了根据本发明的实施例的12脉冲LCC HVDC系统，其包括逆变器2，所述逆变器2具有串联连接的两个6脉冲桥8、10。两个6脉冲桥8、10通过Y-Y变压器25和Δ-Y变压器27连接到AC系统3。DC电流Idc通过线路4、线路6流到6脉冲桥8、10/从6脉冲桥8、10流出。应当理解，本发明可以与其他转换器配置一起使用，例如在任何6k脉冲桥布置中，其中k＝1，2，3，4...。每个6脉冲桥8、10包括三个臂12、14、16、18、20、22，每个臂与一个相相关。每个臂包括串联连接的一个或多个上晶闸管阀12a、14a、16a、18a、20a、22a和一个或多个下晶闸管阀12b、14b、16b、18b、20b、22b。

图1b示出了包括阳极1002、阴极1003和栅极1004的单向晶闸管阀1001的图示。当栅极1004接收到电流触发时，电流能够从阳极流到阴极(但是不能反向流动)。在实施例中，图1a的晶闸管阀12(a，b)、14(a，b)、16(a，b)、18(a，b)、20(a，b)、22(a，b)是图1b所示的单向晶闸管阀。

图1c示出了双向晶闸管阀2001的图示，该双向晶闸管阀2001包括以反并联配置(即，相对于彼此极性相反并且并联配置)放置的两个晶闸管1001a和1001b。两个晶闸管1001a和1001b中的每一个都包括关于图1b所讨论的单向晶闸管阀的特征。双向晶闸管阀2001通过连接1005和连接1006连接到系统。在一些实施例中，图1a的晶闸管阀12(a，b)、14(a，b)、16(a，b)、18(a，b)、20(a，b)、22(a，b)是图1c所示的双向晶闸管阀。电流可能以任一方向流过双向晶闸管阀2001，并且因此可以通过经由晶闸管1001(a，b)的相应栅极适当地触发晶闸管1001(a，b)中的任一个来切换流过双向晶闸管阀的DC电流的方向。因此，使用双向晶闸管阀提供了对流入和流出LCC系统的DC电流的方向的改变，而无需切换连接到LCC系统的DC电力线路的极性。换句话说，通过仅将工作责任从晶闸管1001a切换到晶闸管1001b(或反之亦然)来改变流入和流出LCC系统的DC电流的方向是有利的。

应当理解，图1a的图示示出了LCC，其中DC电流在DC线路4处流入系统，并且在DC线路6处流出系统。晶闸管阀12(a，b)、14(a，b)、16(a，b)、18(a，b)、20(a，b)、22(a，b)被表示为示出使电流能够沿这样的方向流动。然而，当使用如图1c所示的双向晶闸管阀时，可以切换电流，以使得DC电流在DC线路6处流入系统，并且在DC线路4处流出系统。在该情况下，晶闸管阀12(a，b)、14(a，b)、16(a，b)、18(a，b)、20(a，b)、22(a，b)将使电流以与图1a所示的方向相反的方向流过上臂和下臂12、14、16、18、20、22。

继续参考图1a，在实施例中，电容器模块24(a-c)、26(a-c)可以在每个6脉冲桥的每个相中串联连接。可以根据操作条件将电容器插入系统或从系统旁路。

在每个6脉冲桥8、10中，每个并联臂12、14、16、18、20、22包括到AC系统3的三个相的相应一个相的分支连接23a-23c、25a-25c。每个分支连接23a-23c、25a-25c在并联臂12、14、16、18、20、22的一个或多个上晶闸管阀/12a、14a、16a和一个或多个下晶闸管12b、14b、16b之间的点处连接到并联臂。

对于上6脉冲桥8，分支连接23a-23c通过Y-Y(星-星)变压器25连接到AC系统3，而对于下6脉冲桥10，分支连接25a-25c通过Δ-Y(角-星)变压器27连接到AC系统3。

在本发明中，每个分支连接23a-23c、25a-25c包括可以将电容器插入到分支连接23a-23c、25a-25c中的电容器模块24a-24c、26a-26c。下面参考图3和图4来更详细地对此进行描述。本文中提到模块的阀侧将用于表示与桥8、10相连的侧，而提到次级侧将用于指代与变压器25、27之一相连的模块的侧(这是变压器的次级侧，其初级侧连接到AC系统3的AC源，如图1a所示)。

在以下段落中针对上6脉冲桥8简要地描述逆变器2的理想操作。可以理解，下6脉冲桥10以与上6脉冲桥8相同的方式操作。此时不考虑电容器模块24a-24c、26a-26c的影响。

在理想的逆变器中，当不发生换向时，上晶闸管12a、14a、16a中的第一晶闸管传导DC电流。同时，与导通上晶闸管不同的并联臂12、14、16的下晶闸管12b、14b、16b中的第一晶闸管也传导DC电流。这意味着流经三个相中的两相的电流等于DC电流。

不久之后，换向时间段开始，其中换向是从初始导通臂中的初始导通晶闸管向后续导通臂中的后续导通晶闸管提供的。这意味着，在换向时间段开始时，下一个上或下晶闸管被触发(在其栅极端接收电流触发)并开始导通。此时，两个换向相之间存在电压差，即所谓的自然换向电压。为了发生换向，有效换向电压必须是正的，使得对于下晶闸管后续导通相的电压大于初始导通相的电压，并且对于上晶闸管后续导通相的电压小于初始导通相的电压。这意味着下一个上或下晶闸管中的电流开始增加，相应的(上或下)第一晶闸管中的电流开始减小。这一直持续到第一晶闸管中的电流低于晶闸管的保持电流为止，并且换向时间段结束。对于没有电容器的系统，换向仅由自然换向电压驱动。

换向时间段表示电流通过第一和第二晶闸管两者期间的短重叠时间段。下面参考图2a至图2c来更详细地对此进行描述。换向时间段在第一晶闸管关断时结束，并且电流仅通过上晶闸管12a、14a、16a之一和下晶闸管12b、14b、16b之一。重叠角μ等于电流流经第一和第二晶闸管二者的相角。

可以通过控制触发角α来控制常规系统，触发角α是换向周期中自然换向电压变为正的点与晶闸管被触发的点之间的相角。通过控制晶闸管的触发的定时来控制触发角。

它通常称为关断角γ，其是换向时间段结束与换向周期中自然换向电压变为负的点之间的相角。关断角也可以由下面给出的关系式来定义。

γ＝180°-μ-α

其中γ是关断角，μ是重叠角，α是触发角。

上述切换过程继续，并且晶闸管阀以重复的顺序切换，使得在AC系统3中产生三相AC。

1.2具有完全可控的基于晶闸管的电容器模块的LCC-HVDC的操作

在下面的讨论中，电容器被用来在换向周期的各个部分修改(例如增加)自然换向电压。可以假定有效换向电压等于自然换向电压加上插入的电容器的电压。因此，在下文中，在有必要表示没有这种修改(没有使用电容器)的有效换向电压(诸如，与定义触发角或关断角有关)的情况下，将其称为自然换向电压。

逆变器2的操作可能由于AC故障而中断。在AC故障中，自然换向电压减小，并且这意味着换向可能未完成，并且导致系统的换向失败。由于换向失败，该系统往往需要重新启动。本发明使用电容器模块24、26来消除该换向失败。

在实施例中，电容器模块24、26可以是完全可控的基于晶闸管的电容器模块。完全可控的基于晶闸管的电容器模块有利地通过触发晶闸管来控制，因此如上所述利用了与晶闸管相关的有利特性。在下文中，术语“电容器模块”指的是可以完全可控的基于晶闸管的电容器模块。

在下面关于图2a至图4描述的所有情况下，电容器的插入连同两个换向相之间的电压差一起作用以通过增加有效换向电压实现换向。除了最小化AC故障的影响之外，电容器的插入减少了完成换向时间段所花费的时间。虽然图中都没有示出AC故障，但将理解的是，电容器插入的方法消除了在故障事件期间的换向失败。

参考图2a，示出了使用电容器插入的“推方法”的本发明的一个实施例。在本实施例中，在TY4 12a通过其栅极端子接通的时刻，电容器CapYc 34c被插入到c相分支23c中，使得其正极板连接到TY2 16a。CapYc 34c使通过TY2 16a的电流减小，并将电流“推”到TY4。CapYc 34c在该换向时间段期间充电。这一直持续到通过TY2 16a的电流达到小于晶闸管保持电流的值，并且TY2 16a关断。

参考图2b，示出了在与图2a的换向周期中的不同点处，使用电容器插入的“推方法”的本发明的实施例。在图2b中，TY3 14b导通，TY516b刚刚被触发。此时，充电后的CapYc34c再次以与图2a中相同的方向插入到c相分支23c中。CapYc 34c使通过TY5 16b的电流增加，并因此使通过TY3 14b的电流减小。这一直持续到通过TY3 14b的电流达到小于晶闸管保持电流的值，并且TY3 14b关断。CapYc 34c在该换向时间段期间放电。

通过将电容器CapYa插入到a相分支23a中以减小通过晶闸管TY4 12a的电流或增加通过晶闸管TY1 12b的电流，来在换向周期(未示出)的另外两个时间点执行“推方法”。还通过将CapYb插入到b相分支23b中以减小通过晶闸管TY6 14a的电流并增加通过晶闸管TY314b的电流，来在换向周期(未示出)的另外两个时间点执行该方法。

在整个换向时间段中，每个电容器在两个方向上都有电流。这意味着在执行“推方法”时，电容器充电和放电的程度相近，电容器电压近似平衡。

参考图3a，示出了使用电容器插入的“挽方法”的本发明的一个实施例。在该实施例中，在TY4 12a被触发的时刻，充电后的电容器CapYa 34a被插入到相a分支23a中，使得其负极板连接到TY4 12a。CapYa 34a将电流“挽”到TY4 12a，增加通过TY4 12a的电流，从而减小通过TY2的电流。这一直持续到通过TY2 16a的电流达到小于晶闸管保持电流的值，并且TY2 16a关断。在该换向过程期间，CapYa 34a放电，从而向AC系统3提供电流。

参考图3b，示出了在与图3a的换向周期中的不同点处，使用电容器插入的“挽方法”的本发明的实施例。在图3b中，TY1 12b导通，且TY3 14b被触发。此时，CapYa 34a以与图2b相同的方向插入到相a分支23a中。CapYa 34a导致通过TY1 12b的电流减小。这一直持续到通过TY1 12b的电流达到小于晶闸管保持电流的值，并且TY1 12b关断。CapYa 34a在该换向时间段期间充电。

通过将电容器CapYb插入到b相分支23b中以增加通过晶闸管TY6 14a的电流或者减小通过晶闸管TY3 14b的电流，来在换向周期(未示出)的另外两个时间点执行“挽方法”。还通过将CapYb 34c插入到c相分支23c中以增加通过晶闸管TY2 16a的电流或减小通过晶闸管TY5 16b的电流，来在换向周期的另外两个时间点执行该方法。

在整个换向时间段中，每个电容器在两个方向上都有电流。这意味着在执行“挽方法”时，电容器充电和放电的程度相近，电容器电压近似平衡。

参考图4，示出了使用“推挽方法”的本发明的一个实施例。在本实施例中，在TY412a被触发的时刻，CapYc 34c被插入到c相分支23c中，使得其正极板连接到TY2 16a。同时，CapYa 34b被插入到相a分支23a中，使得其负极板连接到TY4 12a。这种插入使得相c和相a之间的有效换向电压增加两个电容器电压之和。这有助于显著减小通过TY2 16a的电流，直到该电流达到小于晶闸管保持电流的值，并且TY2 16a关断。在此过程期间，CapYc 34c充电，并且CapYa 34a放电。

在“推挽方法”中，在该周期的其他点处，CapYa34a、CapYb和CapYc34c被插入到分支中，如上文针对“推方法”和“挽方法”的描述。

“推挽方法”的一个优点在于：在所有的换向时间段中，每个电容器在插入到上晶闸管12a、14a、16a之一附近时在两个方向上都存在电流。除此之外，每个电容器在被插入到下晶闸管12b、14b、16b之一附近时在两个方向上都存在电流。由于DC电流近似恒定，所以电容器在整个周期内充放电的程度相同。这就是说，对于“推挽方法”，系统是平衡的。

尽管上述“推方法”和“挽方法”提供了对系统操作的有用说明，但是将理解，这两种方法之间存在很大程度的相似性。在这两种情况下，电容器模块在换向时间段期间将电容器插入到电路中。除此之外，这两种方法在以下描述中是相似的。

在相对于上晶闸管的“推方法”(如图2a所示)和相对于下晶闸管的“挽方法”(如图3b所示)中，电容器模块将电容器插入到初始导通臂中以增加有效换向电压。这减少了流经初始导通晶闸管的电流，并对电容器充电。

在相对于下晶闸管的“推方法”(如图2b所示)和相对于上晶闸管的“挽方法”(如图3a所示)中，电容器模块将电容器插入到后续导通臂中以增加有效换向电压。这增加了流经后续导通晶闸管的电流，并且使电容器放电。

参考图5，针对TY2 38、TY3 40、TY4 42和TY5 44示出了晶闸管电流相对于时间的曲线图36，以及CapYc、Ya、Yb电压相对于时间的曲线图46、461、462。这些曲线图表示如上参考图2a和图4所述的“推挽方法”。

在第一时间48，从晶闸管TY2到TY4的换向时间段开始。这如上面参考图2a、图3a和图4所述。在第二时间50，从晶闸管TY2到TY4的换向时间段结束。在第一时间48和第二时间50之间，CapYc被插入到c相分支中，使得其正端子连接到TY2(以将电流“推”到TY4)。CapYc被充电，且其电压从V_low上升到V_high。TY2中的电流从DC值减小到零，而TY4中的电流从零增加到DC值。

在第一时间48和第二时间50之间，CapYc被插入到a相分支中，使得其负端子连接到TY4。CapYa被放电，且其电压从V_high降低到V_low。c相和a相之间的有效换向电压是自然换向电压加上CapYa和CapYc两个电容器电压之和。

在第三时间52，从TY3到TY5的换向时间段开始，而在第四时间54，从TY3到TY5的换向时间段结束。在第三时间52和第四时间54之间，CapYc以与上段中所述相同的方向被插入到c相分支中。但是，此时c相分支中的电流是相反方向，且CapYc放电。这导致CapYc两端的电压从V_high返回到V_low。

在第一时间52和第二时间54之间，CapYb被插入到b相分支中，使得其负端子连接到TY3(以减小通过TY3的电流)。CapYb被充电，且其电压从V_low上升到V_high。b相和c相之间的有效换向电压是自然换向电压加上CapYb和CapYc两个电容器电压之和。

在第三时间52和第四时间54之间，TY3中的电流从DC值减小到零，而TY5中的电流从零增加到DC值。

在传统的LCC系统中(没有上述的电容器插入)，与晶闸管关断时间有关的关断角(在上文定义)不能太小，以确保对于在AC侧上可能的干扰保留有换向余量。关断角主要是通过控制触发角来设置的，而触发角又是通过控制晶闸管的触发定时来控制的。除此之外，如上所述，关断角受到重叠角的影响。

通过这里描述的方法，可以消除换向失败，且关断角可以取更大范围的值。这意味着触发角可以被控制在一个更大的数值范围内，从而允许有效地控制与AC系统的无功功率的交换。这使得无功功率支持设备的尺寸明显减小，转换器变压器额定值更小，转换器损耗更低，且晶闸管级数更少。此外，可以控制触发角，使得当作为逆变器操作时(当DC电力转换为AC时)转换器的关断角为负，从而向AC系统提供无功功率。再次，通过控制晶闸管的触发的定时来控制触发角。这种控制触发角和/或关断角的能力意味着，如果AC系统出现故障，则可以控制逆变器以向AC系统提供无功功率。这导致所需的无功功率支持的减少，从而允许减小AC滤波器的尺寸，转换器变压器额定值更小以及转换器损耗更低。

除上述之外，更小的关断角意味着对于给定的DC电压级别，AC电压可以更低，并且晶闸管阀12、14、16、18、20、22可以额定为更低的电压。

总之，可以通过控制逆变器2的触发角来控制与AC系统的无功功率的交换或HVDC变压器的高压母线101(参考图1a)处的AC电压，这被称为无功功率/电压控制方案1。

除了方案1，实施例还可以包括以下无功功率/电压控制方案：

·方案2：改变晶闸管电容器模块或混合电容器模块(24、26)的电容器电压电平。由晶闸管电容器模块或混合电容器模块(24、26)产生的无功功率将随着晶闸管电容器模块或混合电容器模块的电容器电压电平的增加而增加，反之亦然。

·方案3：插入可变数量的晶闸管电容器模块或混合电容器模块(24、26)并因此改变晶闸管电容器模块或混合电容器模块的总电容器电压电平。由晶闸管电容器模块或混合电容器模块(24、26)产生的无功功率将随着晶闸管电容器模块或混合电容器模块(24、26)的数量的增加而增加，反之亦然。

·方案4：无功功率/电压控制方案4包括组合方案1到方案3中的任何方案。

参考图6a和图6b，示出了示意图，所述示意图示出了电容器模块24a可以是形成多模块电容器(MMC)的单个模块化电容器(SMC)28或一系列连接的SMC 28a，28b，...，28n。对于其他电容器模块24b、24c、26a、26b、26c(见图1a)也是如此。

2、全桥IGBT控制的电容器模块的工作原理

2.1、半桥IGBT控制的电容器模块

参考图7a，示出了SMC模块的电路图，其允许主电容器C以一个极性插入到对应的相中。在下文中，术语“主电容器”是指SMC模块的电容器，该SMC模块的电容器被插入到逆变器的相中以实现上述的“推”、“挽”和“推挽”方法。在图7a中，构成电容器模块的SMC 28是半桥电路。半桥电路包括两个IGBT 701、702，每个IGBT配备有一个整合的反向并联二极管D1、D2。可以理解，类似的SMC模块可以用于其他分支连接23b、23c、25a-25c中的电容器模块24b、24c、26a-26c。

通过接通IGBT1和关断IGBT2，电容器C被切换到电路，而关断IGBT1和接通IGBT2导致电容器C被旁路。因此，半桥IGBT控制的电容器模块不能改变电容器C的极性。

2.2、全桥IGBT控制的电容器模块

参考图7b，示出了SMC模块28的电路图，其允许电容器34以任一极性插入到分支连接23a中。在本实施方式中，构成电容器模块24a的SMC 28是全桥电路29。全桥电路29包括四个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)30a、30b、30c、30d，每个绝缘栅双极型晶体管配备有一个整合的反向并联二极管32a、32b、32c、32d。可以理解，类似的SMC模块可以用于分支连接23b、23c、25a-25c中的电容器模块24b、24c、26a-26c。

接通IGBT 30a、30c和关断IGBT 30a、30d导致电容器34a以一个方向切换到电路中，而接通IGBT 30a、30d和关断IGBT 30b、30c导致电容器34a以相反方向切换到电路中。接通IGBT 30a、30c且关断IGBT 30b、30d，或接通IGBT 30b、30d且关断IGBT 30a、30c导致电容器34a被旁路。

使用全桥电路29的优点是电路简单，并且需要的半导体元件数量少。相比之下，图7a所示的半桥IGBT控制的电容器电路不能改变电容器的极性，因此在每个相中需要来自电容器模块/电容器模块24a的更高水平的电压插入。这意味着可能需要更多数量的半导体组件。

3、基于晶闸管的电容器模块的工作原理

参考图8a至图8d，在实施例中，“推方法”、“挽方法”和“推挽方法”可以由基于晶闸管的电容器模块801、802、803、804来进行。与上述晶闸管相关的优点因此被实现。然而，由于晶闸管的关断与IGBT的关断非常不同，以下详细描述了基于晶闸管的电容器模块801、802、803、804(即具有二极管的基于晶闸管的半桥电容器模块801、不具有二极管的基于晶闸管的半桥电容器模块802、具有二极管的基于晶闸管的全桥电容器模块803、不具有二极管的基于晶闸管的全桥电容器模块804)的不同配置的切换顺序。在下面的示例中使用一个相中的基于晶闸管的电容器模块，并且应当理解，其他相中的基于晶闸管的电容器模块具有相同或相应的切换序列。

在实施例中，基于晶闸管的电容器模块可以是半桥或全桥电路，其中主电容器C的电压被插入到电路中。桥式电路的臂包括单向电子组件。在所述示例中，二极管或晶闸管用于此目的。每个半桥电路中可以有两个臂，并且每个全桥模块中可以有四个臂。电路的臂与包括晶闸管T1、T2、T3、T4以及附属电容器C1、C2和电感器L1、L2的组件并联。如下所述，这些组件允许仅通过触发晶闸管来旁路桥式电路的臂。这具有将主电容器插入流经电容器模块的电流之中或之外的作用。在基于全桥晶闸管的电容器模块中，主电容器C可以以任一极性插入。

3.1具有二极管的基于晶闸管的半桥电容器模块的切换顺序(图8a)

在图8a中，模块的左侧连接到阀侧，并且模块的右侧连接到转换器变压器25的次级侧(如图1a所示)。在所有图中，将电容器C、C1、C2、C3、C4的端子标记为正(+)或负(-)是指在说明书中电容器被描述为“正”充电时的电容器的状态。在下文中，当电容器被描述为“负充电”时，则电容器的电状态相对于图中所示为相反的。术语“辅助”或“附属”电容器是指电容器模块内除主电容器之外的电容器。辅助/附属电容器用在使主电容器C切换到与分支连接23a-c、25a-c(参考图1a)的串联中和从所述串联切换出的电路系统中。在附图所示的实施例中，每个电容器模块中仅有一个主电容器C。图8a和图8b所示的半桥电容器模块具有两个辅助电容器C1、C2。图8c、图8d所示的全桥电容器模块具有4个辅助电容器C1、C2、C3、C4。

C、C1和C2的初始充电：

在开始换向之前，模块801内的所有电容器将被正(positively)充电以便成功操作(即，根据图8a中的极性符号所指示的状态)。首先，将使用电流I从外部对主电容器C充电。然后，触发晶闸管T3和晶闸管T2，以通过负极性对电容器C1充电。晶闸管T2的触发对C1负充电，因为存在于正充电的主电容器C的负极端子的连接。晶闸管T5紧接被触发以使C1的电压极性反向，使得C1被正充电。必需初始对C1进行负充电，以确保由于晶闸管T5被触发时形成的电路而随后对C1进行正充电。为了使附属电容器C2充电，晶闸管T4和T1被触发，因此附属电容器C2也被负充电。类似地，接着触发晶闸管T6，使得附属电容器C2变为正充电。在模块801中的所有电容器被充电之后，电容器的状态如图8a所示。

动作1：在换向开始的时刻，将主电容器插入主电路环路中：

现在考虑图8a所示的电容器模块801对于一个6脉冲组贯穿一个周期的行为。在相C300中连接的模块(图1至图4)用作描述基于半桥晶闸管的电容器模块的切换顺序的示例(在该示例中，按照图1a从TY3到TY5的换向)。在从TY3 14b到TY5 16b的换向前不久或所述换向开始时，晶闸管T2被触发。这具有将主电容器C插入与分支23c的串联中的作用(图1至图4)。在换向开始时，电流从AC侧流经T2并流到主电容器C，使电容器放电。同时，主电容器C提供附加的换向电压，该附加的换向电压等于其充电后端子两端的电压。

动作2：在换向结束时，将主电容器从主电路环路旁路：

在该换向结束时，即，当流经TY3 14b的电流降至零时，必须将主电容器C从与分支23c的串联(图1至图4)中移除。晶闸管T2当前允许电流流到主电容器C，因此必须关断。触发晶闸管T4以以下方式将晶闸管T2关断：一旦触发晶闸管T4，附属电容器C2、电感器L2、晶闸管T4和晶闸管T2形成L-C振荡电路，并且振荡持续半个振荡周期，直到晶闸管T4电流降至零。在振荡结束时，附属电容器C2变为负充电，晶闸管T2和T4关断。现在相C中的所有电流都流经二极管D1，并且有效地旁路了主电容器C。

动作3：使C2极性反转：

在晶闸管T2关断之后，晶闸管T6被触发。这形成了包括晶闸管T6、附属电容器C2和电感器L2的另一个LC振荡电路，这导致附属电容器C2的电压在振荡结束时再次变为正。因此，准备在下一个换向周期中关断T2。没有触发信号被提供到该模块中的晶闸管，直到开始从TY6到TY2的换向。

动作4：触发T1形成电流路径：

一旦触发TY2，就触发晶闸管T1，使得电流通过晶闸管T1流动至AC侧，从而旁路主电容器。与以上动作1、2和3中所述的相比，电流现在以相反的方向跨电容器模块流动。

动作5：在换向开始之前以短的提前时间关断T1并将主电容器插入主电路环路：

在从TY2到TY4的换向开始之前，必须插入主电容器C。触发晶闸管T3以关断晶闸管T1。一旦晶闸管T3被触发，LC振荡就会关断晶闸管T1，从而导致附属电容器C1的负电压极性。这与如上所述的当晶闸管T4被触发以关断晶闸管T2时发生的过程相同。在振荡之后，主电容器C被插入电路，其中电流通过主电容器和二极管D2流动至AC侧，从而对主电容器C充电。

动作6：使C1极性反转：

晶闸管T5被触发以使附属电容器C1的电压反向以被正充电，使得其在下一个换向周期中可以被用来关断晶闸管T1。

3.2不具有二极管的基于晶闸管的半桥电容器模块的切换顺序(图8a)

图8b中的电容器模块与图8a中的模块相同，区别在于二极管D1和D2被晶闸管T7和T8替代。对于图8b中的模块，采用与图8a中的模块的晶闸管T1-T6相同的切换顺序。区别仅在于，图8b中的模块中的晶闸管T7和T8两者贯穿每个周期在需要电流流过它们的点被触发。例如，如上所述，在动作5期间当要插入主电容器C时。

3.3具有二极管的基于晶闸管的全桥电容器模块的切换顺序(图8c)

与图8a和图8b中所示的半桥电容器模块相似，图8c中的模块的左侧连接到阀侧，并且模块的右侧连接到转换器变压器25的次级侧(如图1a所示)。

初始充电C、C1-C4：

在开始换向之前，模块803内的所有电容器将被正充电以便成功操作(即，根据图8c中的极性符号所指示的状态)。对于半桥电容器模块，本领域技术人员将理解，附属电容器C1-C4必须初始被负充电，以便所述附属电容器C1-C4随后被正充电。首先，将使用电流I从外部对主电容器C充电。然后，触发晶闸管T3和晶闸管T2，以通过负极性对附属电容器C1充电。晶闸管T2的触发使C1负充电，因为存在与正充电的主电容器C的负极端子连接。晶闸管T9接着被触发以使C1的电压极性反转，使得C1被正充电。为了对附属电容器C2充电，晶闸管T4和T1被触发，使得附属电容器C2被负充电。接着T10被触发，使得附属电容器C2变为正充电。为了对附属电容器C3充电，晶闸管T4和T7被触发，使得附属电容器C3被负充电。接着晶闸管T11被触发，使得附属电容器C3变为正充电。为了使附属电容器C4充电，晶闸管T3和T8被触发，因此附属电容器C4被负充电。接着晶闸管T12被触发，使得附属电容器C2变为正充电。

动作1：

现在考虑图8c所示的电容器模块803对于一个6脉冲组贯穿一个周期的行为。在相C300中连接的模块(图1至图4)用作描述基于全桥晶闸管的电容器模块的切换顺序的示例(在该示例中，按照图1a从TY3到TY5的换向)。为了帮助从TY3到TY5进行换向，插入主电容器C以便提供附加的换向电压。此时，必须将电流引导至阀侧，以便增大流过TY5的电流并减小流过TY3的电流。在从TY3 14b到TY516b的换向开始前不久或在所述换向开始时，晶闸管T2和T3被触发，使得主电容器C以图8c所示的状态被插入电路中。应注意，在触发T2和T3之前，由于上述初始充电过程，电容器C被正充电。在换向过程开始之前，存在通过电容器模块800的最小电流流动。除非T2被触发或T4被触发，否则被正充电的电容器C不能向电容器模块的任一侧提供电压。这是由于二极管D1、D2、D3和D4的方向。在这种情况下，T2和T3被触发，以使充电的电容器C向DC侧提供电流。换句话说，主电容器C的电容器电压为换向过程提供附加的换向电压。现在电流通过晶闸管T3、主电容器C和晶闸管T2流动到DC侧，从而使主电容器C放电。

动作2：

在当通过TY3 14b的电流下降到零时该换向结束时，晶闸管T6被触发以关断晶闸管T2。在此背后的电子过程等同于以上关于触发晶闸管T4以关断半桥晶闸管中的晶闸管T2的详述过程。由于触发晶闸管T6以关断晶闸管T2，使附属电容器C2被负充电。一旦晶闸管T2被关断，电流就通过晶闸管T3和二极管D1流动到阀侧，从而旁路主电容器C。

动作3：

此后不久，触发T10以反转C2电压极性，使得其返回为正，并且因此准备在下一个换向周期中关闭晶闸管T2。

动作4：

动作1至动作3描述了从TY3 14b到TY5 16b的换向，其中电容器模块803(图1a中显示为24c)的目的是将附加电压提供到TY5 16b，以便辅助换向过程。在从TY5 14b到TY1 12b的换向期间，可以期望电容器模块803限制电流以便辅助换向过程。在从TY5到TY1的换向开始时，触发T7以关断T3，使得主电容器被插入电路，其中其负极性连接到阀侧。因此，主电容器电压再次帮助换向过程。现在电流通过二极管D4、主电容器C和D1流动到DC侧，从而对主电容器C充电。

动作5：

然后晶闸管T11被触发，以使电容器C3的电压极性反转，使得其返回为正。

动作6：

对于从TY6 14a到TY2 16a的换向，可以期望电容器模块803(在图1a中显示为24c)以“挽”通过TY2 16a的附加电流，其中电流从阀侧流到转换器变压器的次级侧。在从TY614a到TY2 16a的换向开始时，触发T1和T4以将主电容器C插入电路，其中主电容器C的负侧连接到阀侧。电流通过晶闸管T1、主电容器C和晶闸管T4流动到AC侧，使主电容器C放电。主电容器C的电压帮助这种电流的流动。当该换向完成时，即TY6的电流下降到零时，晶闸管T8被触发以关断晶闸管T4。一旦晶闸管T4被关断，电流就通过晶闸管T1和二极管D3流动到达AC侧，从而旁路主电容器。

动作7：

然后T12被触发，以使C4的电压极性反转，使得其返回为正。

动作8：

对于从TY2 16a到TY4 12a的换向，可以期望电容器模块803(在图1a中显示为24c)减小通过TY2 16a的电流，其中电流从阀侧流动到转换器变压器的次级侧。在从TY2 16a到TY4 12a的换向开始前不久，晶闸管T5被触发以关断晶闸管T1。一旦晶闸管T1被关断，主电容器C就被插入电路，其中主电容器C的正侧连接到阀侧，从而帮助换向过程。现在电流通过二极管D2、主电容器C和D3流动到AC侧，从而对主电容器C充电。

动作9：

然后T9被触发，以使C1的电压极性反转，使得其返回为正。

3.4不具有二极管的基于晶闸管的全桥电容器模块的切换顺序(图8d)

图8d中的全桥电容器模块与图8c中的模块相同，区别在于二极管D1至D4被晶闸管T13-T16替代。对于图8d中的模块，采用与图8c中的模块的T1-T12相同的切换顺序。区别仅在于，图8d中的模块中的晶闸管T13-T16两者贯穿每个周期在需要电流流过它们的点被触发。

如上所述，用晶闸管替代图8b和图8d中的二极管可以增加基于晶闸管的电容器模块的电流处理额定值，因为通常晶闸管具有比二极管更高的额定值。与图7a和图7b中所示的基于IGBT(控制的)的电容器模块相比，图8a、8b、8c和8d中所示的基于晶闸管的(控制的)电容器模块具有更高的额定电流，使得它们可以用于极高HVDC额定功率，在±1100kV DC电压下超过2GW并高达12GW。

总之，可完全控制的基于晶闸管的电容器模块将具有以下特征：

(a)更高的额定电流：完全可控的基于晶闸管的电容器模块具有比完全可控的基于IGBT的电容器模块更高的额定电流；

(b)更高的额定电压：完全可控的基于晶闸管的电容器模块具有比完全可控的基于IGBT的电容器模块高得多的额定电压；

(c)更低的功率损耗：完全可控的基于晶闸管的电容器模块的功率损耗比完全可控的基于IGBT的电容器模块的功率损耗低得多；

(d)更高的过载能力：完全可控的基于晶闸管的电容器模块具有比完全可控的基于IGBT的电容器模块高得多的过载能力；

(e)需要的模块更少：由于(b)，与完全可控的基于IGBT的电容器模块相比，完全可控的基于晶闸管的电容器模块将需要更少的模块。

完全可控的基于晶闸管的电容器模块具有以下区别特征：

(a)如有需要，可随时将一个电容器或多个电容器从被插入的电路中关断；

(b)可以通过晶闸管开关完全控制对电容器的充电/放电；

(c)可以通过晶闸管开关完全控制电容器的电压级别；

(d)对于全桥可控基于晶闸管的电容器模块，电容器的极性可以反转；

(e)模块的额定电流与晶闸管开关的额定电流一样高。

基于混合晶闸管/IGBT的模块具有完全可控的基于晶闸管的电容器模块和完全可控的基于IGBT的电容器模块两者的特征。通过将具有较高额定电压的完全可控的基于晶闸管的电容器模块与具有较低额定电压的完全可控的基于IGBT的电容器模块相组合，混合的一个或多个模块将提供灵活性。因此，这些模块的组合将提供电压和无功功率控制方面的效率。

将理解的是，还可以存在可以用于将电容器插入到电路中的其他备选的电容器模块。

以上描述使用图1a中所示的作为逆变器操作的转换器作为示例来解释所提出的控制方法。然而，描述和控制原理适用于作为整流器操作的转换器。对于整流器的情况，可以控制晶闸管阀的触发定时，使得可以实现整流器的变化的触发角，从而向AC系统提供如所述的可控的无功功率(用于整流器的触发角甚至可以是负的)，从而向AC系统提供正无功功率(即，在自然换向电压变为正之前，晶闸管被触发)。

在物理上，具有负关断角的逆变器的状态与具有负触发角的整流器的状态类似。

可控的基于晶闸管的电容器模块或混合的可控的基于晶闸管/基于IGBT的电容器模块可以被安装在：

(a)在DC端子和DC转换器变压器之间，如图9a所示

(b)或者在转换器变压器的系统侧与系统侧AC母线之间，如图9b所示；

(c)或(a)和(b)的组合，如图9c所示；

(d)或(a)加上不同相之间的SMC模块的分路连接901，如图9d所示；

(e)或(b)加上不同相之间的SMC模块的分路连接901，如图9e所示

(f)或(a)和(b)加上不同相之间的SMC模块的分路连接901，如图9f所示；

(g)或安装到三个平行臂112、114、116的每一个中，如图10所示。

将理解的是，本发明还具有其他的备选实施例，其中电容器模块连接在不同的位置。例如，在图10中，电容器模块和晶闸管的位置可以交换。

LCC逆变器102以与上面关于图1a所描述的方式相同的方式工作，并且在换向期间实现与以上关于图2a至图4所示的那些相同的电路。为了确保电容器的充电和放电对于LCC逆变器102是平衡的，优选地使用这种布置来实现如上所述的“推挽”方法。

在以上拓扑中，并联模块仅用于控制与AC电网的无功功率交换和用于逆变器或整流器的AC电压。

本公开还涉及以下内容：

根据本发明的实施例，提供了一种用于高压直流HVDC电力转换器的线路换向转换器LCC。LCC包括用于与DC系统的至少一个端子相连的至少一个桥式电路。每个桥式电路包括多个臂，并且每个臂与AC系统的相应相相关联。每个臂包括：串联连接的上、下晶闸管；从上、下晶闸管之间延伸的关联分支；以及用于每个相的至少一个电容器模块。每个电容器模块可操作为使用以下来将电容器插入到桥式电路的相应臂中：一个或多个完全可控的基于晶闸管的电容器模块；或通过将完全可控的基于晶闸管的电容器模块和基于具有栅极关断能力的IGBT(或IGCT、GTO、MOSFET、IEGT等)的电路拓扑的完全可控电容器模块串联连接而得到的混合可控电容器模块。

本发明的一个优点在于可以完全消除各种AC侧故障(单线接地、线接线、双线接地、三相接地等)下的换向失败。另外，本发明导致控制与AC电网的无功功率的交换或HVDC转换器的AC母线电压。

在一个实施例中，在“推方法”中，连接到输入相的一个或多个电容器模块将被插入电路中以用于在下晶闸管阀之间进行换向，其中电容器被放电，并且连接到输出相的一个或多个电容器模块将被插入到电路中以用于在上晶闸管阀之间进行换向，其中电容器被充电。

对于“推方法”，在开始换向前不久，电容器模块被插入输出相以用于在上晶闸管阀之间进行换向，从而平衡电容器电压。

在一个实施例中，在“挽方法”中，连接到输出相的一个或多个电容器模块将被插入电路中以用于在下晶闸管阀之间进行换向，其中电容器被充电，并且连接到输入相的一个或多个多个电容器模块将被插入到电路中以用于在上晶闸管阀之间进行换向，其中电容器被放电。

对于“挽方法”，在开始换向前不久，电容器模块被插入输出相以用于在下晶闸管阀之间进行换向，从而平衡电容器电压。

与“推方法”和“挽方法”相关联的优点是电容器可以在换向周期期间充电和放电。这意味着电容器电压近似平衡。

在一个实施例中，在“推挽方法”中，对于所有换向，连接到输入阀和输出阀的电容器都将以相反的极性被插入电路中。插入到输出相的电容器被充电，并且插入到输入相的电容器被放电。

对于推挽方法，在开始换向前不久，电容器模块被插入输出相，从而平衡电容器电压。

“推挽方法”的优点在于每个相的插入电压可以是“推方法”或“挽方法”中每个插入的电容器的电压的约一半，并同时达到相似的换向性能。这意味着“推挽方法”比“推方法”或“挽方法”更具有成本效益。

推挽方法的另一优点在于：同一电容器被插入到初始导通臂和后续导通臂中，用于上、下晶闸管两者。这意味着电容器在换向周期内充电和放电的程度相似，并且电容器电压是平衡的。

通过使用上述“推方法”、“挽方法”和“推挽方法”，可以消除完全换向失败。

本发明的另一个优点在于可以通过控制触发角和/或(一个或多个)插入的电容器电压来实现逆变器侧的独立快速无功功率控制和跟踪。利用快速无功功率控制和所提出的转换器拓扑，可以实现与逆变器侧的AC网络的正负无功功率交换。这意味着关断角甚至可以是负的，这将向AC网络输出正的无功功率。当关断角为正时，逆变器吸收AC网络的无功功率。当关断角减小时，逆变器从AC网络吸收的无功功率减小。因为逆变器侧所需的无功功率支持减少，导致节省成本。可以实现更小的转换变压器额定值、更低的转换器损耗和每个阀中更低数量的晶闸管水平。

在实施例中，每个电容器模块可操作为将电容器插入到桥式电路的分支中。

在实施例中，每个电容器模块可操作为将电容器插入到位于关联分支上方或下方的桥式电路的臂中。

电容器模块可以串联连接以形成多个模块化电容器(MMC)。

在实施例中，每个半桥电路被构造为将电容器以一个极性插入到臂中。

在实施例中，每个全桥电路被构造为将电容器以任一极性插入到臂中。

使用全桥电路的优点在于电路简单，并且需要的半导体元件数量少。

在实施例中，电容器模块中的至少一个是混合换向电路。

在实施例中，所述或每个混合换向电路被构造为选择性地以第一极性插入第一电容器，以第一极性插入第一电容器和第二电容器二者或以第二极性插入第一电容器。

混合换向电路的一个优点在于其具有连接在一起的两个全桥电路的一些功能，但具有较少数量的开关器件。

在实施例中，该方法还包括控制作为逆变器操作的转换器的晶闸管阀的触发定时，使得可以实现用于逆变器的变化的关断角，从而向AC系统提供可控的无功功率，并且甚至用于逆变器的关断角可以是负的。

在实施例中，该方法还包括控制作为整流器操作的转换器的晶闸管的触发定时，使得可以实现用于整流器的变化的触发角，从而向AC系统提供可控的无功功率，并且用于整流器的触发角甚至可以是负的，从而向AC系统提供正无功功率。

本公开还涉及以下编号的条款：

条款1、本发明在于针对每一相的至少一个完全可控的基于晶闸管的电容器模块，每个完全可控的基于晶闸管的电容器模块可操作为将电容器插入LCC HVDC的桥式电路的相应臂中。

完全可控的基于晶闸管的电容器模块具有以下突出特点：(1)如有需要，可以随时将一个电容器或多个电容器从被插入的电路中关断；(2)电容器的充电/放电可以完全由晶闸管开关来控制；(3)电容器的电压电平可以由晶闸管开关完全控制；(4)对于基于全桥可控晶闸管的电容器模块，如果需要，可以随时反转电容器的极性；(5)模块的额定电流与晶闸管开关的额定电流一样高。

条款2、完全控制的基于晶闸管的电容器模块可以采用半桥配置，其中电容器插入的极性不能够被反转。

条款3、完全可控的基于晶闸管的电容器模块可以采用全桥配置，其中电容器插入的极性能够被反转。

条款4、本发明是上述完全控制的基于晶闸管的电容器模块(具有半桥配置或全桥配置)的替代方案，每个相至少一个基于混合晶闸管/IGBT的模块，每个基于混合晶闸管/IGBT的电容器模块可操作为将电容器插入典型的线路换向转换器LCC的桥式电路的相应臂中。

条款5、如果电容器模块都是基于半桥晶闸管的电容器模块，其中电容器电压被充电至第一极性，则当换向是在下晶闸管阀之间时，连接到输入相的多个电容器模块/一个电容器模块将被插入；并且当换向是在上晶闸管阀之间时，连接到输出相的多个电容器模块/一个电容器模块将被插入。

条款6、如果电容器模块都是基于半桥晶闸管的电容器模块，其中电容器电压被充电至第一极性，则在上晶闸管阀之间的换向开始前不久，多个电容器模块/一个电容器模块将被插入到输出相中，以用于平衡电容器电压。

条款7、如果电容器模块都是基于半桥晶闸管的电容器模块，其中电容器电压被充电至第二极性，则当换向是在下晶闸管阀之间时，连接到输出相的多个电容器模块将被插入；并且当换向是在上晶闸管阀之间时，连接到输入相的多个电容器模块/一个电容器模块将被插入。

条款8、如果电容器模块都是基于半桥晶闸管的电容器模块，其中电容器电压被充电至第二极性，则在下晶闸管阀之间的换向开始前不久，多个电容器模块/一个电容器模块将被插入到输出相中，以用于平衡电容器电压。

条款9、如果电容器模块都是基于全桥晶闸管的电容器模块，则在所有换向期间，将以相反的插入方向同时插入连接到输入相和输出相的多个电容器模块/一个电容器模块。插入的电容器电压提供额外的换向电压，并确保换向成功。

条款10、如果电容器模块都是基于全桥晶闸管的电容器模块，则在换相开始前不久，将插入连接到输出相的多个电容器模块/一个电容器模块，以用于平衡电容器电压。

第11条、如果电容器模块是混合的基于半桥晶闸管的电容器模块和基于全桥晶闸管的电容器模块的串联连接，则基于全桥晶闸管的电容器模块将根据条款9至条款10操作，而基于半桥晶闸管的电容器模块将根据条款5至条款8操作，取决于电容器的电压极性。

条款12、如果电容器模块是至少一个完全可控的基于晶闸管的电容器模块和至少一个基于具有Gate-Turn-Off功能的IGBT(或IGCT、GTO、MOSFET、IEGT等)拓扑的完全可控电容器模块的串联连接，则基于全桥晶闸管的电容器模块将根据条款9和条款10操作，而基于半桥晶闸管的电容器模块将根据条款5至条款8操作，取决于电容器的电压极性。

条款13、根据前述条款中任一项所述的LCC，其中每个基于晶闸管的电容器模块可操作为将电容器插入到桥式电路的分支中。

条款14、根据前述条款中任一项所述的方法，还包括控制触发角，其中，通过控制晶闸管的触发定时来控制所述触发角，从而控制与AC系统的无功功率的交换。

条款15、方法1：根据条款14所述的方法，还包括控制晶闸管阀触发的定时，使得可以实现逆变器的变化的关断角，从而向AC系统提供可控的无功功率，从而即使用于逆变器的关断角可以是负的，也向AC系统提供正无功功率。

条款16、方法2：无功功率/电压控制方法2，用于控制与AC系统的无功功率的交换或HVDC变压器的高压母线处的AC电压，可以通过改变晶闸管电容器模块或混合电容器模块的电容器电压电平来实现该无功功率/电压控制方法2。

条款17、方法3：通过插入可变数量的晶闸管电容器模块或混合电容器模块，并因此通过改变晶闸管电容器模块或混合电容器模块的总电容值来实现无功功率/电压控制方法3。

条款18、方法4：通过将以上条款15至条款17所述的任何方法组合起来得到无功功率/电压控制方法4。

条款19、方法1：根据条款14至条款18所述的方法，其中，LCC转换器用作用于将AC转换为DC的整流器，该方法还包括控制晶闸管触发的定时，使得可以实现整流器的变化的触发角，从而向AC系统提供可控的无功功率，从而即使用于整流器的触发角可以是负的，向AC系统提供正无功功率(如方法1所表示)。

条款20、方法2：无功功率/电压控制方法2，用于控制与AC系统的无功功率的交换或HVDC变压器的高压母线处的AC电压，可以通过改变晶闸管电容器模块或混合电容器模块的电容器电压电平来实现该无功功率/电压控制方法2。

条款21、方法3：通过插入可变数量的晶闸管电容器模块或混合电容器模块，并因此通过改变晶闸管电容器模块或混合电容器模块的总电容器电压电平来实现无功功率/电压控制方法3。

条款22、方法4：通过将条款20至条款21所述的方法中的任何两个组合起来或将条款19至条款21所述的三个方法全部组合起来得到无功功率/电压控制方法4。

条款23、根据条款4至13中任一项所述的方法，其中，在AC系统故障期间，有效换向电压防止所述HVDC的换向失败。

条款24、根据条款14至22中任一项所述的方法，其中所述LCC转换器被用作用于从AC转换成DC的整流器，并且被用作用于从DC转换成AC的逆变器，其中在AC系统故障期间，电容器插入可以分别通过整流器和逆变器向AC系统提供可控的无功功率支持，所述整流器和所述逆变器可以甚至向AC系统提供正的无功功率，其中分别地，对整流器而言是通过负的触发角控制，对逆变器而言是通过负的关断角控制。

Claims

1.一种用于高压直流HVDC电力转换器的线路换向转换器LCC，所述LCC包括用于与DC系统的至少一个端子相连的至少一个LCC桥式电路，每个桥式电路包括多个臂，每个臂与AC系统的相应相相关联，每个臂包括：

从上晶闸管和下晶闸管之间延伸的关联分支；以及

用于每一相的至少一个基于晶闸管的电容器模块，每个模块包括多个模块晶闸管，每个电容器模块可操作为通过触发所述模块晶闸管中的至少一个或多个来将主电容器插入到所述桥式电路的相应臂中。

2.根据权利要求1所述的LCC，其中，所述至少一个基于晶闸管的电容器模块的额定电流与所述模块晶闸管的额定电流一样高。

3.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，其中，至少一个基于晶闸管的电容器模块是处于半桥配置的模块桥式电路。

4.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，其中，至少一个基于晶闸管的电容器模块是处于全桥配置的模块桥式电路。

5.根据权利要求3所述的LCC，其中，每个半桥电容器模块还包括至少一个单向组件，每个单向组件形成模块半桥电路的臂，所述主电容器的输出被施加到所述模块半桥电路以及所述电容器模块外部的电路系统。

6.根据权利要求4所述的LCC，其中，每个全桥电容器模块还包括至少四个单向组件，并且其中，所述单向组件形成模块全桥电路的臂，所述主电容器的输出被施加到所述模块全桥电路以及所述电容器模块外部的电路系统。

7.根据权利要求5或6所述的LCC，其中，每个基于晶闸管的电容器模块还包括多个附属电容器和多个电感器，其中：

所述附属电容器和电感器可操作为在所述基于晶闸管的电容器模块内形成多个至少两个L-C振荡电路。

8.根据权利要求7所述的LCC，其中，每个L-C振荡电路包括模块晶闸管、附属电容器和电感器，所述模块晶闸管是旁路晶闸管，每个旁路晶闸管与所述模块桥式电路的臂并联设置，所述单向电子组件与相应的旁路晶闸管相反地被偏置。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的LCC，其中，所述单向电子组件是二极管。

10.根据权利要求5至8中的任一项所述的LCC，其中，所述单向电子组件是晶闸管。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的LCC，其中，每个旁路晶闸管可操作为允许电流旁路与所述旁路晶闸管并联的桥式电路的臂。

12.根据权利要求8至11中的任一项所述的LCC，其中，每个L-C振荡电路可操作为产生电流振荡，所述电流振荡引起相应L-C振荡电路的旁路晶闸管被关断。

13.根据权利要求12所述的LCC，还包括与每个L-C振荡电路相关联的第一附属模块晶闸管，所述第一附属模块晶闸管可操作为在被触发时通过引起相应L-C振荡电路中的电流振荡来关断所述相应振荡电路的旁路晶闸管。

14.根据权利要求13所述的LCC，还包括与每个L-C振荡电路相关联的第二附属模块晶闸管，所述第二附属模块晶闸管可操作为在被触发时通过允许电流流向相应振荡电路的附属电容器来对所述附属电容器充电。

15.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，包括至少一个全桥配置的基于晶闸管的电容器模块，所述电容器模块可操作为将所述主电容器充电至正极性或负极性，从而将任一极性的所述主电容器插入所述桥式电路的所述相应臂中。

16.根据权利要求15所述的LCC，其中，至少一个全桥配置的基于晶闸管的电容器模块可操作为通过触发一个或多个晶闸管来切换所述主电容器的极性。

17.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，其中，多个基于晶闸管的电容器模块与一个或多个臂串联连接。

18.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，其中，至少一个基于晶闸管的电容器模块与至少一个基于IGBT的电容器模块串联连接。

19.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，其中，至少一个基于晶闸管的电容器模块与基于IGCT、GTO、MOSFET、IEGT中的任何一个的至少一个电容器模块串联连接。

20.根据前述权利要求中任一项所述的LCC，其中，至少一个半桥配置的基于晶闸管的电容器模块与至少一个基于全桥晶闸管的电容器模块串联。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的LCC，其中，每个上晶闸管阀和每个下晶闸管阀是双向晶闸管阀，其中，每个双向晶闸管阀包括以反并联配置布置的第一双向组件晶闸管和第二双向组件晶闸管，并且其中，每个双向晶闸管阀可操作为允许电流沿任何方向跨所述双向晶闸管阀流动，从而提供流过要被切换的所述多个臂的电流方向。

22.一种操作用于高压直流HVDC转换器的线路换向转换器LCC的方法，其中所述LCC包括用于与DC系统的至少一个端子相连的至少一个桥式电路，每个桥式电路包括多个臂，每个臂与AC系统的相应相相关联，每个臂包括：

从上晶闸管与下晶闸管之间延伸的关联分支；以及

用于每一相的至少一个基于晶闸管的电容器模块，所述方法包括以下步骤：

通过触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个晶闸管，将主电容器插入到所述桥式电路的相应臂中。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述至少一个基于晶闸管的电容器模块具有全桥拓扑，并且所述方法还包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个晶闸管，以便使所述主电容器的极性反转。

24.根据权利要求22或23所述的方法，还包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个第一附属晶闸管，以关断旁路晶闸管，从而从所述基于晶闸管的电容器模块内的模块桥式电路的臂分流。

25.根据权利要求23或24所述的方法，还包括以下步骤：触发在所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的至少一个第二附属晶闸管，以便对至少一个附属电容器进行充电。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，还包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个第一附属晶闸管，以允许电流流过一个或多个L-C振荡电路，从而产生一个或更多个L-C振荡，每个L-C振荡引起旁路晶闸管和第一附属晶闸管两者关断。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，还包括以下步骤：触发所述至少一个基于晶闸管的电容器模块内的一个或多个晶闸管，所述一个或多个晶闸管是形成所述模块桥式电路的臂的单向组件。

28.根据权利要求22至27中的任一项所述的方法，其中，每个上晶闸管阀和每个下晶闸管阀是双向晶闸管阀，其中，每个双向晶闸管阀包括以反并联配置布置的第双向组件晶闸管和第二双向组件晶闸管，并且其中，所述方法还包括：通过触发所述第一双向组件晶闸管和第二双向组件晶闸管中的一个来切换流过所述多个臂的电流方向。

29.一种切换基于晶闸管的半桥电容器模块以用于线路换向转换器LCC的换向的方法，其中所述电容器模块包括晶闸管、主电容器、多个辅助电容器和多个二极管，所述方法包括：