CN111869071A - 转换器 - Google Patents

转换器 Download PDF

Info

Publication number
CN111869071A
CN111869071A CN201980020524.8A CN201980020524A CN111869071A CN 111869071 A CN111869071 A CN 111869071A CN 201980020524 A CN201980020524 A CN 201980020524A CN 111869071 A CN111869071 A CN 111869071A
Authority
CN
China
Prior art keywords
converter
switching
voltage level
switch
energy storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201980020524.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111869071B (zh
Inventor
C·M·索纳蒂
R·A·穆赫德卡尔
R·R·金纳雷迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
General Electric Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Technology GmbH filed Critical General Electric Technology GmbH
Publication of CN111869071A publication Critical patent/CN111869071A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111869071B publication Critical patent/CN111869071B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/125—Avoiding or suppressing excessive transient voltages or currents
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/02—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/2173—Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a biphase or polyphase circuit arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

转换器(20)包括：第一端子和第二端子(24,26)，该第一端子(24,26)被配置用于连接到第一网络，该第二端子(34)被配置用于连接到第二网络(40)；至少一个开关模块(44)，被布置成将第一端子(24,26)和第二端子(34)互连，所述或每个开关模块(44)包括至少一个模块开关元件(46)和至少一个能量存储装置(48)，所述或每个开关模块(44)中的所述或每个模块开关元件(46)以及所述或每个能量存储装置(48)被布置成可组合以选择性地提供电压源，所述或每个开关模块(44)可切换以控制第一与第二网络(40)之间的电力输送；所述或每个开关模块(44)包括放电电路，所述或每个放电电路包括放电开关元件(50)和放电电阻器(52)，所述或每个放电开关元件(50)可切换以将对应的放电电阻器(52)接入对应的开关模块(44)和从对应的开关模块(44)切断；以及控制器(54)，被配置成在正常模式中和在故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的切换。

Description

转换器
技术领域
本发明涉及用于在第一与第二网络之间输送电力的转换器，优选地供在高压直流（HVDC）传输（transmission）中使用。
背景技术
在HVDC输电网络中，交流（AC）电力通常经由架空线、海底电缆和/或地下电缆转换为直流（DC）电力以供传输。这个转换去除补偿输电媒介（即，传输线或电缆）所施加的AC电容性负载效应的需要，并且降低每公里线路和/或电缆的成本，并且因此在需要长距离传输电力时变得有成本效益。
在有必要将DC和AC网络互连的情况下在输电网络中利用DC电力与AC电力之间的转换。在任何这样的输电网络中，在AC与DC电力之间的每个接口处需要转换器来实现从AC到DC或从DC到AC的所需转换。
发明内容
根据本发明的方面，提供有转换器，其包括：
第一端子和第二端子，该第一端子被配置用于连接到第一网络，该第二端子被配置用于连接到第二网络；
至少一个开关（switching）模块，其被布置成将第一端子和第二端子互连，所述或每个开关模块包括至少一个模块开关元件和至少一个能量存储装置，所述或每个开关模块中的所述或每个模块开关元件以及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，所述或每个开关模块可切换以控制第一与第二网络之间的电力输送；
所述或每个开关模块包括放电电路，所述或每个放电电路包括放电开关元件和放电电阻器，所述或每个放电开关元件可切换以将对应的放电电阻器接入对应的开关模块和从对应的开关模块切断；以及
控制器，其被配置成在以下模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换：
正常模式，用于在转换器的正常操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的第一接入（switch-in）电压等级处将对应的放电电阻器接入对应的开关模块，使得在对应的开关模块中流动的正常操作电流分派（divided）在对应的放电电阻器与所述或每个对应的能量存储装置之间，所述或每个第一接入电压等级低于与所述或每个对应能量存储装置的最大电压容量对应的电压等级；以及
故障（fault）模式，用于在转换器的故障操作状态期间在所述或每个对应能量存储装置的第二接入电压等级处将对应的放电电阻器接入对应的开关模块，使得在对应的开关模块中流动的故障电流分派在对应的放电电阻器与所述或每个对应的能量存储装置之间，其中所述或每个第二接入电压等级低于对应的第一接入电压等级。
将控制器配置成执行正常模式确保所述或每个能量存储装置保持低于与它的最大电压容量对应的电压等级，因此带来安全且可靠的转换器操作。第一接入电压等级优选地保持尽可能高以便防止在转换器的正常操作状态期间由于所述或每个能量存储装置中存储的能量的量变化而引起正常模式的意外触发。
在转换器的故障操作状态期间，故障电流可以在转换器中流动以便对一个或多个能量存储装置充电，使得转换器经历比它的正常操作电压更高的故障电压。为了将故障电压保持在（一个或多个）能量存储装置的电压额定值内，有必要使（一个或多个）能量存储装置有足够的能量存储容量来适应（accommodate）由转换器中的故障电流流动引起的充电操作。
通过在故障模式中将故障电流的流动分派在所述或每个放电电阻器与所述或每个能量存储装置之间，（一个或多个）能量存储装置的充电速率较慢，这限制在故障模式中所述或每个能量存储装置的电压并且由此有效地降低为适应由转换器中故障电流的流动引起的充电操作所需的能量存储容量的量。这进而准许转换器的尺寸和占用空间（footprint）减少，从而在成本节省、较低损耗和较小的冷却硬件要求方面提供益处。
使用所述或每个第二接入电压等级代替所述或每个第一接入电压等级来触发故障模式有益地使故障电流的部分能够在较低电压等级处转向所述或每个放电电阻器以在转换器的故障操作状态期间提供减少对所述或每个能量存储装置充电的更高效且可靠的方式，同时保留使用所述或每个较高第一接入电压等级来防止在转换器的正常操作状态期间正常模式的意外触发。
因此，将控制器配置成在故障模式中在所述或每个对应的能量存储装置的第二接入电压等级处将所述或每个放电电阻器接入对应的开关模块使得能够优化（一个或多个）能量存储装置的能量存储容量，而没有危及（compromise on）转换器在它的正常和故障操作状态中高效且可靠操作的能力。
每个接入电压等级的最佳值取决于转换器配置和故障电流特性。
所述或每个开关模块可以在配置上变化，只要所述或每个开关模块能够执行开关功能来控制第一与第二网络之间的电力输送即可。
转换器中的所述或每个开关模块可以在配置上变化。
在开关模块的第一示范性配置中，开关模块中的所述或每个模块开关元件以及所述或每个能量存储装置可以被布置成可组合以选择性地提供单向电压源。例如，开关模块可以包括一对模块开关元件，其采用半桥布置与能量存储装置并联连接来定义可以提供零或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块。
在开关模块的第二示范性配置中，开关模块中的所述或每个模块开关元件以及所述或每个能量存储装置可以被布置成可组合以选择性地提供双向电压源。例如，开关模块可以包括两对模块开关元件，其采用全桥布置与能量存储装置并联连接来定义可以提供负、零或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
在本发明的优选实施例中，转换器可以包括多个开关模块。
如上文提到的，将控制器配置成在故障模式中在所述或每个对应的能量存储装置的第二接入电压等级处将所述或每个放电电阻器接入对应的开关模块使得能够优化（一个或多个）能量存储装置的能量存储容量，并且因此使得能够优化转换器中开关模块的数量，从而在转换器尺寸和占用空间以及成本节省、较低损耗和较小的冷却硬件要求方面提供节省，而没有危及转换器在它的正常和故障操作状态中高效且可靠操作的能力。
多个开关模块可以串联连接来定义链节（chain-link）转换器。该链节转换器的结构准许经由多个开关模块的能量存储装置（各自提供它自己的电压）插入链节转换器而跨链节转换器积累组合电压，其高于从它的个体开关模块中的每个可获得的电压。采用这种方式，每个开关模块中所述或每个模块开关元件的切换使链节转换器提供步进式可变电压源，其准许使用逐步近似跨链节转换器生成电压波形。因此，链节转换器能够提供广泛范围的复杂电压波形。
至少一个开关元件可以包括至少一个自换向开关装置。所述或每个自换向开关装置可以是绝缘栅双极晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入-增强栅极晶体管、集成栅极换向晶闸管或任何其他自换向开关装置。每个开关元件中开关装置的数量可以根据该开关元件的所需电压和电流额定值而变化。
至少一个开关元件可以进一步包括与所述或每个开关装置反并联连接的无源电流检查元件。所述或每个无源电流检查元件可以包括至少一个无源电流检查装置。所述或每个无源电流检查装置可以是能够限制电流仅在一个方向上流动的任何装置，例如二极管。每个无源电流检查元件中无源电流检查装置的数量可以根据该无源电流检查元件的所需电压和电流额定值而变化。
每个能量存储装置可以是能够存储和释放能量以选择性地提供电压的任何装置，例如电容器、燃料电池或蓄电池。
在本发明中，在正常模式中所述或每个第一接入电压等级可以从所述或每个对应的能量存储装置的正常操作电压等级到低于所述或每个对应的能量存储装置的最大电压容量的电压等级变动。
在本发明中，在故障模式中所述或每个第二接入电压等级可以从所述或每个对应的能量存储装置的正常操作电压等级到低于所述或每个对应的能量存储装置的最大电压容量的电压等级变动，只要所述或每个第二接入电压等级低于对应的第一接入电压等级即可。
优选地，所述或每个第一接入电压等级高于所述或每个对应的能量存储装置的正常操作电压等级。更优选地，所述或每个第一接入电压等级高于所述或每个对应的能量存储装置的目标平均操作电压等级。采用该方式配置所述或每个第一接入电压等级确保每个接入电压等级不干扰所述或每个开关模块控制第一与第二网络之间的电力输送的正常操作。
在本发明的实施例中，控制器可以被配置成在正常模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换以在转换器的正常操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的第一切断电压等级处将对应的放电电阻器从对应的开关模块切断，所述或每个第一切断电压等级低于对应的第一接入电压等级。所述或每个第一切断电压等级可以比对应的第一接入电压等级低一定的电压滞后（hysteresis）量。
在本发明的另外的实施例中，控制器可以被配置成在故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换以在转换器的故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的第二切断电压等级处将对应的放电电阻器从对应的开关模块切断，所述或每个第二切断电压等级低于对应的第二接入电压等级。所述或每个第二切断电压等级可以比对应的第二接入电压等级低一定的电压滞后量。
所述或每个切断电压等级的最佳值将取决于转换器配置和故障电流特性。
优选地，所述或每个第一切断电压等级高于所述或每个对应的能量存储装置的正常操作电压等级。更优选地，所述或每个第一切断电压等级高于所述或每个对应的能量存储装置的目标平均操作电压等级。采用该方式配置每个切断电压等级确保每个切断电压等级不干扰所述或每个开关模块控制第一与第二网络之间的电力输送的正常操作。
转换器可以包括单个第一端子或多个第一端子。转换器可以包括单个第二端子或多个第二端子。
所述或每个第一端子可以是DC端子。所述或每个第二端子可以是AC端子。
当第一端子定义DC端子时，控制器可以被配置成在DC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换以在转换器的DC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的DC侧故障接入电压等级处将对应的放电电阻器接入对应的开关模块，使得在对应的开关模块中流动的故障电流分派在对应的放电电阻器与所述或每个对应的能量存储装置之间。
在这样的实施例中，控制器可以被配置成在DC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换以在转换器的DC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的DC侧故障切断电压等级处将对应的放电电阻器从对应的开关模块切断，所述或每个DC侧故障切断电压等级低于对应的DC侧故障接入电压等级。所述或每个DC侧切断电压等级可以比对应的DC侧接入电压等级低一定的电压滞后量。
这允许针对转换器的DC侧故障优化故障模式。
当第二端子定义AC端子时，控制器可以被配置成在AC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换以在转换器的AC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的AC侧接入电压等级处将对应的放电电阻器接入对应的开关模块，使得在对应的开关模块中流动的故障电流分派在对应的放电电阻器与所述或每个对应的能量存储装置之间。
在这样的实施例中，控制器可以被配置成在AC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件的切换以在转换器的AC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置的AC侧故障切断电压等级处将对应的放电电阻器从对应的开关模块切断，所述或每个AC侧故障切断电压等级低于对应的AC侧故障接入电压等级。所述或每个AC侧切断电压等级可以比对应的AC侧接入电压等级低一定的电压滞后量。
这允许针对转换器的AC侧故障优化故障模式。
将理解，DC侧故障模式中的所述或每个DC侧故障接入电压等级可以与AC侧故障模式中的所述或每个AC侧故障接入电压等级相同或不同。还将理解，DC侧故障模式中的所述或每个DC侧故障切断电压等级可以与AC侧故障模式中的所述或每个AC侧故障切断电压等级相同或不同。
转换器的配置可以根据第一与第二网络之间的电力输送的要求而变化。
在本发明的实施例中，转换器可以包括至少一个转换器分支（limb）和多个开关模块，所述或每个转换器分支在定义第一和第二DC端子的一对第一端子之间延伸，所述或每个转换器分支包括由定义AC端子的第二端子分开的第一和第二分支部分，每个分支部分包括开关模块中的至少一个。
在本发明的优选实施例中，转换器包括三个转换器分支，其中的每个经由相应的AC端子可连接到三相AC网络的相应的相。将理解，转换器可以包括不同数量的转换器分支，其中的每个经由相应的AC端子可连接到AC网络的相应的相，所述AC网络具有对应数量的相。
当转换器包括多个转换器分支时，转换器的故障操作状态可以对应于多个转换器分支中的一个或一些转换器分支中故障的发生。
在本发明的另外的实施例中，控制器可以被配置成：选择性地控制所述或每个开关模块的切换，以在故障模式中控制所述或每个放电开关元件的切换来将对应的放电电阻器接入对应的开关模块之前阻断（block）转换器。
还将理解，除非另有规定，否则在本专利说明书中，术语“第一”和“第二”等等的使用仅意在帮助区分相似特征（例如，第一和第二分支部分），并且不意在指示一个特征大于另一个特征的相对重要性。
附图说明
现在将通过非限制性示例，参考附图来描述本发明的优选实施例，其中：
图1示意性示出根据本发明的实施例的电压源转换器；
图2图示图1的电压源转换器的正常和故障模式的接入和切断电压等级；
图3图示描绘图1的电压源转换器的正常和故障操作的流程图；
图4和5图示在没有执行故障模式时图1的电压源转换器的开关模块的特性；以及
图6和7图示在执行故障模式时图1的电压源转换器的开关模块的特性。
图不一定是按比例绘制的，并且图的某些特征和某些视图为了清楚和简洁起见而采用比例或示意性形式来夸大示出。
具体实施方式
本发明的以下实施例主要在HVDC应用中使用，但是将理解，本发明的以下实施例经适当修改后适用于在不同电压等级处操作的其他应用。
在图1中示出根据本发明的实施例的电压源转换器20。
该电压源转换器20包括第一和第二DC端子24、26以及多个转换器分支28。每个转换器分支28在第一与第二DC端子24、26之间延伸，并且包括由相应的AC端子34分开的第一和第二分支部分30、32。在每个转换器分支28中，第一分支部分30在第一DC端子24与AC端子34之间延伸，而第二分支部分32在第二DC端子26与AC端子34之间延伸。
在使用中，电压源转换器20的第一和第二DC端子24、26分别连接到第一和第二DC输电媒介36、38，其连接到DC网络。在使用中，电压源转换器20的每个转换器分支28的AC端子34经由星形-三角形（star-delta）变换器布置42和采取AC断路器形式的相应AC电路中断装置（未示出）连接到三相AC网络40的相应AC相。还提供有用于操作AC断路器断开或闭合的控制单元（未示出）。
设想在本发明的其他实施例中，变换器布置可以是星形-星形变换器布置。在这样的实施例中，星形-星形变换器布置可以具有它经由任何有源或无源电元件接地的中性点中的任一个或两个。有源电元件可以是或可以包括例如基于功率电子的组件。无源电元件可以是或可以包括例如电阻器、电感器、电容器或者电阻器、电感器和电容器中的任何两个的组合、或者电阻器、电感器和电容器全部三个的组合。
每个分支部分30、32包括链节转换器，其由多个串联连接的开关模块44定义。图1示意示出每个开关模块44的结构。
每个开关模块44包括一对模块开关元件46和电容器48。所述一对模块开关元件46采用半桥布置与电容器48并联连接以定义2象限单极模块，其可以提供零或正电压并且可以在两个方向上传导电流。
每个模块开关元件46采用与反并联二极管并联连接的绝缘栅双极晶体管（IGBT）的形式。
设想在本发明的其他实施例中，每个IGBT可以被门极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入-增强栅极晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其他自换向半导体装置代替。还设想在本发明的其他实施例中，每个二极管可以被多个串联连接的二极管代替。
通过改变模块开关元件46的状态，每个开关模块44的电容器48被选择性旁路或插入对应的链节转换器。这选择性地引导电流通过电容器48或使电流旁路电容器48，使得开关模块44提供零或正电压。
当开关模块44中的模块开关元件46被配置成在开关模块44中形成短路（shortcircuit）时，将开关模块44的电容器48旁路，由此该短路将电容器48旁路。这使对应的链节转换器中的电流经过短路并且将电容器48旁路，并且因此开关模块44提供零电压，即，开关模块44采用旁路模式配置。
当开关模块44中的模块开关元件46被配置成允许对应的链节转换器中的电流流入电容器48和从电容器48流出时，将开关模块44的电容器48插入对应的链节转换器。然后，电容器48充电或将它的存储的能量放电以便提供正电压，即，开关模块44采用非旁路模式配置。
采用该方式，每个开关模块44中的模块开关元件46可切换以控制电流流过对应的电容器48。
经由将多个开关模块44的电容器（各自提供它自己的电压）插入每个链节转换器，可能跨每个链节转换器积累组合电压，其高于从它的个体开关模块44中的每个可获得的电压。采用该方式，每个开关模块44中的模块开关元件46的切换使每个链节转换器提供步进式可变电压源，其准许使用逐步近似跨每个链节转换器生成电压波形。因此，每个分支部分30、32中的模块开关元件46可切换以选择性地准许和禁止电流流过对应的电容器48，以便控制跨对应的分支部分30、32的电压。
设想在本发明的其他实施例中，每个开关模块44可以被另一种类型的开关模块代替，所述另一种类型的开关模块包括多个模块开关元件和至少一个能量存储装置，每个这样的开关模块中的多个模块开关元件以及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。
还设想在本发明的其他实施例中，每个开关模块44中的电容器48可以被能够存储和释放能量来提供电压的另一种类型的能量存储装置（例如，蓄电池或燃料电池）代替。
每个开关模块44进一步包括采用放电开关元件50和放电电阻器52的串联连接形式的放电电路。在每个开关模块44中，放电开关元件50和放电电阻器52的串联连接与电容器48并联连接使得放电开关元件50可切换以将放电电阻器52接入开关模块44以及从开关模块44切断。
设想在本发明的其他实施例中，放电开关元件和放电电阻器可以在放电电路中不同地布置。还设想在本发明的又一些其他实施例中，放电电路可以包括不同数量的放电开关元件和/或不同数量的放电电阻器。
电压源转换器20进一步包括控制器54，其被编程以控制模块开关元件46和放电开关元件50的切换。
电压源转换器20的操作参考图2和3描述如下。
为了在DC与AC网络40之间输送电力，控制器54控制开关模块44的模块开关元件46的切换以将相应的分支部分30、32接入相应的DC和AC端子24、26、34之间的电路以及从该电路切断，从而将DC和AC网络40互连。当给定分支部分30、32接入相应的DC与AC端子24、26、34之间的电路时，控制器54切换给定分支部分30、32的开关模块44的模块开关元件46以提供步进式可变电压源并且由此生成电压波形以便控制对应的AC端子34处的AC电压波形的配置以促进DC与AC网络40之间的电力输送。
为了在给定转换器分支28的AC端子34处生成AC电压波形的正AC电压分量，第一分支部分30连接到第一DC端子24与对应的AC端子34之间的电路中，并且第二分支部分40从第二DC端子26与对应的AC端子34之间的电路切断。
为了在给定转换器分支28的AC端子34处生成AC电压波形的负AC电压分量，第一分支部分30从第一DC端子24与对应的AC端子34之间的电路切断，并且第二分支部分32连接到第二DC端子26与对应的AC端子34之间的电路中。
在电压源转换器20的正常操作状态期间，控制器54在正常模式中可以选择性地控制放电开关元件50的切换以在对应的电容器48的第一接入电压等级56处将一个或多个放电电阻器52接入对应的开关模块44使得在对应的开关模块44中流动的正常操作电流分派在接入放电电阻器52与对应的电容器48之间。每个第一接入电压等级56设置成低于与对应的电容器48的最大电压容量对应的电压等级。这确保每个电容器48保持低于与它的最大电压容量对应的电压等级。每个第一接入电压等级56优选地保持尽可能高以便防止电压源转换器20的正常操作状态期间由于电容器48中存储的能量的量变化而引起的正常模式的意外触发。
在对应的电容器48的电压等级Vc下降电压滞后量h到达第一切断电压等级58之后，控制器54在正常模式中控制放电开关元件50的切换以在对应的电容器48的第一切断电压等级58处将所述或每个接入放电电阻器52从对应的开关模块44切断，使得电压源转换器20可以恢复它的正常电力输送操作。
故障22可能发生使得导致电压源转换器20的故障操作状态，其中故障电流在电压源转换器20中流动。
将参考与转换器分支28之一相关联的相中故障22的发生来示范性地描述本发明。响应于这样的故障22，转换器54控制转换器分支28的开关模块44的切换以便阻断电压源转换器20，其使得基频故障电流流过转换器分支28以便对它们的开关模块44的电容器48充电。
根据故障的性质，在电压源转换器20的故障操作状态期间将执行DC侧故障模式或AC侧故障模式。
图2（a）图示电压源转换器20的AC侧故障模式的接入和切断电压等级60、62。
在由电压源转换器20的AC侧故障引起的电压源转换器20的故障操作状态期间，控制器54在AC侧故障模式中可以选择性地控制放电开关元件50的切换以在对应电容器48的AC侧故障接入电压等级60处将一个或多个放电电阻器52接入对应的开关模块44。通过将一个或多个放电电阻器52接入（一个或多个）对应的开关模块44，故障电流分派在所述或每个接入放电电阻器52与（一个或多个）对应的电容器48之间。这在电压源转换器20的故障操作状态期间降低了（一个或多个）对应的电容器48的充电速率。
在对应的电容器48的电压等级Vc下降电压滞后量h到达AC侧切断电压等级62之后，控制器54在正常模式中控制放电开关元件50的切换以在对应的电容器48的AC侧切断电压等级62处将所述或每个接入放电电阻器52从对应的开关模块44切断。
图2（b）图示电压源转换器20的DC侧故障模式的接入和切断电压等级64、66。
在由电压源转换器20的DC侧故障引起的电压源转换器20的故障操作状态期间，控制器54在DC侧故障模式中可以选择性地控制放电开关元件50的切换以在对应的电容器48的DC侧故障接入电压等级64处将一个或多个放电电阻器52接入对应的开关模块44。通过将一个或多个放电电阻器52接入（一个或多个）对应的开关模块44，故障电流分派在所述或每个接入放电电阻器52与（一个或多个）对应的电容器48之间。这在电压源转换器20的故障操作状态期间降低了（一个或多个）对应的电容器48的充电速率。
在对应的电容器48的电压等级Vc下降电压滞后量h到达DC侧切断电压等级66之后，控制器54在正常模式中控制放电开关元件50的切换以在对应电容器48的DC侧切断电压等级66处将所述或每个接入放电电阻器52从对应的开关模块44切断。
选择电压滞后量h来控制将每个放电电阻器52接入对应的开关模块44以及从对应的开关模块44切断的频率。优选地，将每个放电电阻器52接入对应的开关模块44和从对应的开关模块44切断的频率最小化。将理解，各种滞后量h可以相等或不同。
通过在故障模式中将故障电流的流动分派在所述或每个接入放电电阻器52与（一个或多个）对应的电容器48之间，（一个或多个）对应的电容器48的充电速率被降低。这进而具有在故障模式中限制对应的（一个或多个）电容器48的（一个或多个）电压Vc的效果，从而有效地降低为适应由电压源转换器20中故障电流的流动引起的充电操作所需的能量存储容量的量。这有利地准许开关模块44的数量降低，以降低电压源转换器20的尺寸和占用空间，从而在成本节省、较低损耗和较小的冷却硬件要求方面提供益处。
图4和5示出在没有执行故障模式时电压源转换器20的开关模块44的特性，而图6和7示出在执行故障模式时电压源转换器20的开关模块44的特性。
在图4和5中，根据来自正常模式的第一接入和切断电压等级56、58，实现放电电阻器52接入对应的开关模块44和从对应的开关模块44切断。从图4和5可以看到，在故障发生并且确保放电电阻器52基于正常模式切换之后，电容器48的电压等级Vc稳定在每单位约1.18的峰值电压，并且电压源转换器20每分支部分30、32需要有N个开关模块44。
在图6和7中，根据上文描述的故障模式的接入和切断电压等级60、62、64、66，实现放电电阻器52接入对应的开关模块44和从对应的开关模块44切断，这些接入和切断电压等级低于来自正常模式的第一接入和切断电压等级56、58。从图6和7可以看到，在发生故障以及确保放电电阻器52基于故障模式切换之后，电容器48的电压等级Vc稳定在每单位约1.18的峰值电压，并且电压源转换器20每分支部分30、32需要有N个开关模块44的86%。
因此，根据图4至7中的结果，明显的是，在电压源转换器20的故障操作状态期间在故障模式中的电压源转换器20的操作降低了为适应由电压源转换器20中的故障电流的流动引起的充电操作所需的能量存储容量的量，并且由此准许每分支部分30、32所需的开关模块44的量的降低。
AC侧和DC侧故障接入和切断电压等级60、62、64、66中的每个设置成低于第一接入和切断电压等级56、58。这使得可以在低于第一接入电压等级56的电压等级处触发故障模式。这具有下述益处：在电压源转换器20的故障操作状态期间提供减少每个电容器48的充电的更高效且可靠的方式，同时保留使用更高的第一接入电压等级56以防止在电压源转换器20的正常操作状态期间正常模式的意外触发。
将理解，在该特定实施例中，接入和切断电压等级56、58、60、62、64、66中的每个高于每个电容器48的目标平均操作电压等级68，使得接入和切断电压等级56、58、60、62、64、66中的每个不干扰开关模块44的正常操作以控制DC与AC网络40之间的电力输送。
设想在本发明的其他实施例中，在正常模式中的第一接入电压等级可以从对应的电容器的正常操作电压等级到低于对应的电容器的最大电压容量的电压等级变动。还设想在本发明的又一些其他实施例中，故障模式中的每个接入电压等级可以从对应的电容器的正常操作电压等级到低于对应的电容器的最大电压容量的电压等级变动，只要故障模式中的每个接入电压等级低于正常模式中的第一接入电压等级即可。每个切断电压等级设置成低于它的对应接入电压等级。
在DC侧故障模式中的DC侧故障接入电压等级64可以与在AC侧故障模式中的AC侧故障接入电压等级60相同或不同。在DC侧故障模式中的DC侧故障切断电压等级66可以与在AC侧故障模式中的AC侧故障切断电压等级62相同或不同。这将取决于由故障引起的在电压源转换器20中的故障电流的特性。
在实现故障模式之后，可以发出（dispatch）命令来断开可操作地连接到电压源转换器20的AC端子34的AC断路器。
将理解，本发明适用于连接到其他类型的变换器布置的电压源转换器，其他类型的变换器布置包括如上文提到的星形-星形变换器布置，并且还适用于对称和不对称电压源转换器，所述对称和不对称电压源转换器被配置用于相应地连接到对称和不对称单极网络。
还将理解，图2中示出的接入和切断电压等级56、58、60、62、64、66仅仅意在作为示例来说明本发明的工作，并且接入和切断电压等级56、58、60、62、64、66可以与图2中示出的不同。

Claims (14)

1.一种转换器(20)，包括：
第一端子和第二端子(24,26)，所述第一端子(24,26)被配置用于连接到第一网络，所述第二端子(34)被配置用于连接到第二网络(40)；
至少一个开关模块(44)，被布置成将所述第一端子(24,26)和所述第二端子(34)互连，所述或每个开关模块(44)包括至少一个模块开关元件(46)和至少一个能量存储装置(48)，所述或每个开关模块(44)中的所述或每个模块开关元件(46)以及所述或每个能量存储装置(48)被布置成可组合以选择性地提供电压源，所述或每个开关模块(44)可切换以控制所述第一与第二网络(40)之间的电力输送；
所述或每个开关模块(44)包括放电电路，所述或每个放电电路包括放电开关元件(50)和放电电阻器(52)，所述或每个放电开关元件(50)可切换以将对应的放电电阻器(52)接入对应的开关模块(44)以及从所述对应的开关模块(44)切断；以及
控制器(54)，被配置成在以下模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的切换：
正常模式，用于在所述转换器(20)的正常操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的第一接入电压等级(56)处将所述对应的放电电阻器(52)接入所述对应的开关模块(44)，使得在所述对应的开关模块(44)中流动的正常操作电流分派在所述对应的放电电阻器(52)与所述或每个对应的能量存储装置(48)之间，所述或每个第一接入电压等级(56)低于与所述或每个对应的能量存储装置(44)的最大电压容量对应的电压等级；以及
故障模式，用于在所述转换器(20)的故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的第二接入电压等级(60,64)处将所述对应的放电电阻器(52)接入所述对应的开关模块(44)，使得在所述对应的开关模块(44)中流动的故障电流分派在所述对应的放电电阻器(52)与所述或每个对应的能量存储装置(48)之间，其中所述或每个第二接入电压等级(60,64)低于所述对应的第一接入电压等级(56)。
2.如权利要求1所述的转换器(20)，其中，所述转换器(20)包括多个开关模块(44)。
3.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述或每个第一接入电压等级(56)高于所述或每个对应的能量存储装置(48)的正常操作电压等级，并且优选地，其中所述或每个第一接入电压等级(56)高于所述或每个对应的能量存储装置(48)的目标平均操作电压等级(68)。
4.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述控制器(54)被配置成在所述正常模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换以在所述转换器(20)的所述正常操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的第一切断电压等级(58)处将所述对应的放电电阻器(52)从所述对应的开关模块(44)切断，所述或每个第一切断电压等级(58)低于所述对应的第一接入电压等级(56)。
5.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述控制器(54)被配置成在所述故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换以在所述转换器(20)的所述故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的第二切断电压等级(62,66)处将所述对应的放电电阻器(56)从所述对应的开关模块(44)切断，所述或每个第二切断电压等级(62,66)低于所述对应的第二接入电压等级(60,64)。
6.如权利要求4或在从属于权利要求4时的权利要求5所述的转换器(20)，其中，所述或每个第一切断电压等级(58)高于所述或每个对应的能量存储装置(48)的正常操作电压等级，并且优选地，其中所述或每个第一切断电压等级(58)高于所述或每个对应的能量存储装置(48)的目标平均操作电压等级(68)。
7.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述第一端子(24,26)定义DC端子，并且所述控制器(54)被配置成在DC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换以在所述转换器(20)的DC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的DC侧故障接入电压等级(64)处将所述对应的放电电阻器(52)接入所述对应的开关模块，使得在所述对应的开关模块(44)中流动的故障电流分派在所述对应的放电电阻器(52)与所述或每个对应的能量存储装置(48)之间。
8.如权利要求7所述的转换器(20)，其中，所述控制器(54)被配置成在所述DC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换以在所述转换器(20)的所述DC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的DC侧故障切断电压等级(66)处将所述对应的放电电阻器(52)从所述对应的开关模块(44)切断，所述或每个DC侧故障切断电压等级(66)低于所述对应的DC侧故障接入电压等级(64)。
9.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述第二端子(34)定义AC端子，并且所述控制器(54)被配置成在AC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换以在所述转换器(20)的AC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的AC侧接入电压等级(60)处将所述对应的放电电阻器(56)接入所述对应的开关模块(44)，使得在所述对应的开关模块(44)中流动的故障电流分派在所述对应的放电电阻器(56)与所述或每个对应的能量存储装置(48)之间。
10.如权利要求9所述的转换器(20)，其中，所述控制器(54)被配置成在所述AC侧故障模式中选择性地控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换以在所述转换器(20)的所述AC侧故障操作状态期间在所述或每个对应的能量存储装置(48)的AC侧故障切断电压等级(62)处将所述对应的放电电阻器(52)从所述对应的开关模块(44)切断，所述或每个AC侧故障切断电压等级(62)低于所述对应的AC侧故障接入电压等级(60)。
11.如在从属于权利要求7或权利要求8时的权利要求9或权利要求10所述的转换器(20)，其中，所述DC侧故障模式中的所述或每个DC侧故障接入电压等级(64)与在所述AC侧故障模式中的所述或每个AC侧故障接入电压等级(60)相同或不同。
12.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述转换器(20)包括至少一个转换器分支(28)和多个开关模块(44)，所述或每个转换器分支(28)在定义第一和第二DC端子的一对第一端子(24,26)之间延伸，所述或每个转换器分支(28)包括被定义AC端子的第二端子(34)分开的第一和第二分支部分(30,32)，每个分支部分(30,32)包括所述开关模块(44)中的至少一个。
13.如权利要求12所述的转换器(20)，其中，所述转换器(20)包括多个转换器分支(28)，并且所述转换器(20)的所述故障操作状态对应于所述多个转换器分支(28)中的一个或一些中故障(22)的发生。
14.如前述权利要求中的任一项所述的转换器(20)，其中，所述控制器(54)被配置成选择性地控制所述或每个开关模块(44)的所述切换，以在所述故障模式中控制所述或每个放电开关元件(50)的所述切换来将所述对应的放电电阻器(52)接入所述对应的开关模块(44)之前，阻断所述转换器(20)。
CN201980020524.8A 2018-03-21 2019-03-07 转换器 Active CN111869071B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18163109.4 2018-03-21
EP18163109.4A EP3544163B1 (en) 2018-03-21 2018-03-21 Converter
PCT/EP2019/055773 WO2019179787A1 (en) 2018-03-21 2019-03-07 Converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111869071A true CN111869071A (zh) 2020-10-30
CN111869071B CN111869071B (zh) 2024-05-03

Family

ID=61731702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980020524.8A Active CN111869071B (zh) 2018-03-21 2019-03-07 转换器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11777401B2 (zh)
EP (1) EP3544163B1 (zh)
CN (1) CN111869071B (zh)
WO (1) WO2019179787A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2602923A (en) * 2019-10-30 2022-07-20 Hitachi Energy Switzerland Ag Condition monitoring of semiconductor devices in a converter
EP3859965B1 (en) * 2020-01-30 2023-09-06 General Electric Technology GmbH Improvements in or relating to chain-link modules for voltage source converters
EP3863168A1 (en) * 2020-02-07 2021-08-11 General Electric Technology GmbH Electrical assembly
EP4231518A1 (en) * 2022-02-17 2023-08-23 Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Converter and method for discharging a converter

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005055507A (ja) * 2003-08-05 2005-03-03 Nikon Corp 閃光装置
CN101842971A (zh) * 2008-12-12 2010-09-22 株式会社三社电机制作所 Dc-dc变换电路
CN102355154A (zh) * 2011-09-19 2012-02-15 中电普瑞科技有限公司 一种级联型变流器及其保护方法
CN103413680A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 无锡市锡容电力电器有限公司 一种自愈式低电压并联电容器
EP2913925A1 (en) * 2014-02-26 2015-09-02 Alstom Technology Ltd. Balancing and/or discharge resistor arrangements

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008045247A1 (de) * 2008-09-01 2010-03-04 Siemens Aktiengesellschaft Umrichter mit verteilten Bremswiderständen
CN102064555B (zh) * 2010-12-31 2014-03-12 中电普瑞科技有限公司 采用机械开关的链式statcom链节单元旁路结构
CN108111007B (zh) * 2018-01-31 2020-09-08 南京南瑞继保电气有限公司 一种功率模块冗余取能电路及控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005055507A (ja) * 2003-08-05 2005-03-03 Nikon Corp 閃光装置
CN101842971A (zh) * 2008-12-12 2010-09-22 株式会社三社电机制作所 Dc-dc变换电路
CN102355154A (zh) * 2011-09-19 2012-02-15 中电普瑞科技有限公司 一种级联型变流器及其保护方法
CN103413680A (zh) * 2013-08-13 2013-11-27 无锡市锡容电力电器有限公司 一种自愈式低电压并联电容器
EP2913925A1 (en) * 2014-02-26 2015-09-02 Alstom Technology Ltd. Balancing and/or discharge resistor arrangements

Also Published As

Publication number Publication date
US11777401B2 (en) 2023-10-03
EP3544163A1 (en) 2019-09-25
US20220109364A1 (en) 2022-04-07
WO2019179787A8 (en) 2020-11-26
CN111869071B (zh) 2024-05-03
WO2019179787A1 (en) 2019-09-26
EP3544163B1 (en) 2020-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101738032B1 (ko) 액티브 고장 전류 제한을 가진 변환기
KR102005104B1 (ko) 제어회로
CN111869071B (zh) 转换器
EP2975723B1 (en) Current flow controller
EP2755315A1 (en) Hybrid modular converter
US9847642B2 (en) Control circuit
EP2782239A1 (en) Power electronic converter
US20160164296A1 (en) Module
EP2996215A1 (en) A voltage source converter
CN115152136A (zh) 电组合件
US20180013290A1 (en) Control circuit
EP2852019B1 (en) Improvements in or relating to power modules for use in power transmission networks
EP2849330A1 (en) Modular Power Converter and module thereof
CN111869034A (zh) 电气组合件
WO2015039942A1 (en) Module
EP2849306A1 (en) Voltage source converter
CN114982120A (zh) 用于电压源转换器的链式链路模块中或与其相关的改进
EP3614543A1 (en) Switching valve
CN115004531A (zh) 电气组合件
WO2022084151A1 (en) Electrical assembly

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant