CN115152136A

CN115152136A - 电组合件

Info

Publication number: CN115152136A
Application number: CN202180018469.6A
Authority: CN
Inventors: J·奇维特-萨巴尔扎; J·欧特拉姆; C·戴维森
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-10-04
Also published as: EP3876414A1; EP3876414B1; US20230084187A1; WO2021175856A1

Abstract

一种电组合件，包括多个模块（44），每个模块（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），每个模块（44）中的所述或每个模块开关元件（46）和所述或每个能量存储装置（48）布置成可组合以选择性地提供电压源，每个模块（44）包括放电电路，每个放电电路包括放电开关元件（50）和放电电阻器（52），每个放电开关元件（50）可开关以便将对应的放电电阻器（52）切换到对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，其中所述电组合件包括控制器（54），所述控制器（54）配置成在所述模块（44）处于阻塞状态中时，选择性地控制所述放电开关元件（50），以在电压平衡模式下调制每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，使得每个模块（44）仿真电阻负载曲线以平衡所述多个模块（44）之间的电压的分配，其中所述电阻负载曲线包括至少一个正电阻斜率。

Description

电组合件

技术领域

本发明涉及一种电组合件，其优选供在高压直流（HVDC）传输中使用。

背景技术

在HVDC功率传输网络中，交流（AC）功率通常被转换成直流（DC）功率，以用于经由架空线，海底线缆和/或地下线缆进行传输。这种转换消除对补偿由功率传输介质（即，传输线路或线缆）施加的AC电容性负载效应的需要，并且降低每公里的线路和/或线缆的成本，并且因此当需要通过长距离传输功率时变得成本有效。。

DC功率与AC功率之间的转换用于其中必需互连DC和AC网络的功率传输网络中。在任何这种功率传输网络中，在AC与DC功率之间的每个接口处要求转换器，以实现从AC到DC或者从DC到AC的所要求转换。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供有一种包括多个模块的电组合件，每个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，每个模块中的所述或每个模块开关元件和所述或每个能量存储装置布置成可组合以选择性地提供电压源，每个模块包括放电电路，每个放电电路包括放电开关元件和放电电阻器，每个放电开关元件可开关以便将对应的放电电阻器切换到（switch into）对应的模块中和从对应的模块切换出（switch out of），其中所述电组合件包括控制器，所述控制器配置成在所述模块处于阻塞状态中时，选择性地控制所述放电开关元件，以在电压平衡模式下调制将每个放电电阻器切换到所述对应的模块中和从所述对应的模块切换出，使得每个模块仿真电阻负载曲线（profile）以平衡所述多个模块之间的电压的分配，其中所述电阻负载曲线包括至少一个正电阻斜率。

在阻塞状态中的模块的配置可以在电组合件的某些操作条件下发生。当模块处于阻塞状态中时，模块开关元件被关断并且模块表现为无源电路，其中模块之间的电压的分配由电路中的阻抗管理（govern）。

如果没有另外的能量从外部电路或网络供应到被阻塞的模块，则能量存储装置被有效地从外部电路或网络切断，并且将彼此独立地释放它们存储的能量。然而，如果能量继续从外部电路或网络向被阻塞的模块供应，则模块之间的电压的不稳定的无源分配可能导致模块的电压之间随时间的漂移。这又可能导致模块中的一些模块掉电，而其它模块中的一些其它模块占据更高的电压份额，这可能触发相关联的过电压保护系统，并由此导致可能损坏大量模块的模块的级联失效（failure）。

通过调制将每个放电电阻器切换到所述对应的模块和从所述对应的模块切换出，由每个模块对电阻负载曲线的仿真确保对于每个能量存储装置，电流随着电压降低而降低并且随着电压增加而增加，优选地只要对应的模块的电压处于或高于最小电压阈值，在所述最小电压阈值处或高于所述最小电压阈值，实现电压平衡模式。这提供防止模块的电压随时间漂移的电压平衡效应，并且由此确保多个模块之间的电压的稳定分配。

在本发明的实施例中，控制器可以配置成选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，使得每个放电电阻器呈现高于其实际电阻的仿真电阻。

在本发明的另外的实施例中，控制器可以配置成在模块进入阻塞状态的同时选择性地发起电压平衡模式。

在本发明的实施例中，所述电阻负载曲线可以包括：单个正电阻斜率；多个正电阻斜率；或多个正电阻斜率和至少一个不连续性的组合。当所述电阻负载曲线包括多个电阻斜率时，所述电阻斜率可被配置以使得在连续电阻斜率之间存在连续性或不连续性。不连续性可以采取负电阻斜率或阶跃变化的形式。当电阻负载曲线包括多个正电阻斜率时，每个正电阻斜率可以与所述或每个其它正电阻斜率相同或不同。当电阻负载曲线包括多个不连续性时，每个不连续性可以与所述或每个其它不连续性相同或不同。电阻斜率的数量可以改变以提供更适合于电组合件的特定配置或应用的更优化的电阻负载曲线。例如，电阻负载曲线可以包括多个正电阻斜率，以平衡多个模块之间的电压的分配，并且同时减少由放电电阻器进行的总功率消耗量。

在这样的实施例中，控制器可以配置成选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便当模块中的所有模块的电压高于预定最小转变电压时，发起在连续正电阻斜率之间的电阻负载曲线的转变。以这种方式发起连续正电阻斜率之间的电阻负载曲线的转变防止在电压平衡模式期间模块的电压之间加速漂移的风险。

在本发明的更进一步的实施例中，控制器可以配置成选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便将每个电阻负载曲线配置成抵消表现为恒定功率负载的每个模块的一个或多个组件的负阻抗特性。每个模块的所述或每个这样的组件（例如控制电子器件）的恒定功率负载行为可以是所述或每个这样的组件的功率供应装置从相同模块中的所述或每个对应的能量存储装置汲取电流同时在所述功率供应装置的一侧上维持恒定电压和功率的结果。这样的功率供应装置可以是开关模式功率供应装置。结果，当功率供应装置的另一侧的电压下降时，它汲取更多的电流，并且反之亦然。以这种方式，每个模块的所述或每个这样的组件表现为恒定功率负载。

然而，通过每个模块的所述或每个这样的组件的恒定功率负载行为可导致模块的电压之间的漂移，如上所述，该漂移可导致一个或多个模块的失效。通过将电阻负载曲线配置成抵消上述负阻抗特性，可以避免模块的电压之间的漂移的风险。

可选地，控制器可以配置成选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便根据电组合件中的对应的模块的物理位置来配置每个电阻负载曲线。

与电组合件中的每个模块的物理位置相关联的一个或多个环境因素可能对处于阻塞状态的模块之间的电压的分配施加不平衡效应。由于每个模块在电组合件中具有固定的物理位置，因此变得有可能从它们相应的物理位置预测模块的电压之间的不平衡程度。因此，可以基于电组合件中的每个模块的物理位置来配置由每个电阻负载曲线提供的补偿效果。

与多个模块操作地相关联的冷却剂系统内的冷却剂的电阻可以对处于阻塞状态的模块之间的电压的分配施加不平衡效应。因此，电组合件可以包括至少一个传感器，其用于测量与电组合件中的每个模块操作地相关联的冷却剂的传导率，并且控制器可以配置成选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式下调节将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便根据对应的冷却剂的所测量的传导率来配置每个电阻负载曲线。

电组合件可以结合到一系列电设备中。例如，开关阀可包括根据上文描述的实施例中任何一个实施例所述的电组合件，或者电压源转换器可包括这样的阀。本发明的电组合件可以应用于包括多个模块的任何其它设备，每个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，所述或每个模块中的所述或每个模块开关元件和所述或每个模块能量存储装置布置成可组合以选择性地提供电压源。这样的装置的示例包括静态同步补偿器、动态制动电阻器和电中断装置（诸如隔离器，隔离开关或电路断路器）。

根据本发明的第二方面，提供有一种操作包括多个模块的电组合件的方法，每个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，每个模块中的所述或每个模块开关元件和所述或每个能量存储装置布置成可组合以选择性地提供电压源，每个模块包括放电电路，每个放电电路包括放电开关元件和放电电阻器，每个放电开关元件可开关以便将对应的放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，其中所述方法包括下列步骤：在所述模块处于阻塞状态中时，选择性地控制所述放电开关元件，以在电压平衡模式下调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，使得每个模块仿真电阻负载曲线以平衡所述多个模块之间的电压的分配，其中所述电阻负载曲线包括至少一个正电阻斜率。

本发明的第一方面及其实施例的电组件的特征和优点加上必要的修改适用于本发明的第二方面及其实施例的方法。

所述方法可以包括以下步骤：选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，使得每个放电电阻器呈现高于其实际电阻的仿真电阻。

所述方法可以包括在模块进入阻塞状态的同时选择性地发起电压平衡模式的步骤。

在本发明的方法中，所述电阻负载曲线可以包括：单个正电阻斜率；多个正电阻斜率；或多个正电阻斜率和至少一个不连续性的组合。

当所述电阻负载曲线包括多个电阻斜率时，所述电阻斜率可被配置以使得在连续电阻斜率之间存在连续性或不连续性。

当电阻负载曲线包括多个正电阻斜率时，所述方法可以包括以下步骤：选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便当模块中的所有模块的电压高于预定最小转变电压时，发起在连续正电阻斜率之间的电阻负载曲线的转变。

所述方法可以包括以下步骤：选择性地控制放电开关元件，以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便将每个电阻负载曲线配置成抵消表现为恒定功率负载的每个模块的一个或多个组件的负阻抗特性。

所述方法可以包括以下步骤：选择性地控制放电开关元件以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便根据电组合件中的对应的模块的物理位置来配置每个电阻负载曲线。

所述方法可以包括以下步骤：测量与电组合件中的每个模块操作地相关联的冷却剂的传导率；以及选择性地控制所述放电开关元件，以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器切换到对应的模块中和从所述对应的模块切换出，以便根据对应的冷却剂的所测量的传导率来配置每个电阻负载曲线。

每个模块的配置可以变化，其非限制性示例阐述如下。

在模块的第一示范性配置中，模块中的所述或每个模块开关元件和所述或每个能量存储装置可以布置成可组合以选择性地提供单向电压源。例如，所述模块可以包括一对模块开关元件，所述一对模块开关元件在半桥布置中与能量存储装置并联连接，以限定可以提供零电压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。

在模块的第二示范性配置中，模块中的所述或每个模块开关元件和所述或每个能量存储装置可以布置成可组合以选择性地提供双向电压源。例如，所述模块可以包括两对模块开关元件，所述两对模块开关元件在全桥布置中与能量存储装置并联连接，以限定可以提供负电压、零电压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。

所述多个模块可以串联连接以限定链式链路转换器。所述链式链路转换器的结构允许经由将各自提供其自己的电压的多个模块的能量存储装置插入到所述链式链路转换器中而跨所述链式链路转换器积聚（build up）组合电压，所述组合电压高于可从其个别模块中的每个模块获得的电压。以这种方式，每个模块中的所述或每个模块开关元件的开关使所述链式链路转换器提供阶跃可变电压源。这允许使用阶跃近似跨所述链式链路转换器的电压波形的生成。因此，所述链式链路转换器能够提供大范围的复合波形。

至少一个开关元件可以是基于宽带隙材料的开关元件或基于硅半导体的开关元件。宽带隙材料的示例包括但不限于碳化硅、氮化硼、氮化镓和氮化铝。

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器件可以是绝缘栅双极晶体管（IGBT）、栅极可关断晶闸管（GTO）、场效应晶体管（FET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、注入增强栅极晶体管（IEGT）、集成栅极换向晶闸管（IGCT）、双模式绝缘栅极晶体管（BIGT）或任何其它自换向开关装置。每个开关元件中的开关装置的数量可以根据那个开关元件的所要求的电压额定值和电流额定值而变化。

至少一个开关元件还可以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仅在一个方向上限制电流流动的任何装置，例如二极管。每个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可以根据那个无源电流检查元件的的所要求的电压额定值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、燃料电池或电池。

电压源转换器的配置可以根据其操作要求而变化。

在本发明的实施例中，电压源转换器可以包括至少一个转换器分支和多个模块，所述或每个转换器分支包括根据上文描述的实施例中的任一个实施例的电组合件，所述或每个转换器分支在第一DC端子与第二DC端子之间延伸，所述或每个转换器分支包括由AC端子分开的第一分支部分和第二分支部分，每个分支部分包括模块中的至少一个模块。

在本发明的优选实施例中，电压源转换器包括三个转换器分支，所述三个转换器分支中的每个转换器分支可经由相应的AC端子连接到三相AC网络的相应相。将领会，电压源转换器可以包括不同数量的转换器分支，所述不同数量的转换器分支中的每个转换器分支可经由相应的AC端子连接到具有对应数量的相的AC网络的相应相。

将领会，本专利说明书中的术语“第一”和“第二”等的使用只是意图帮助区分类似特征（例如，第一和第二DC端子，第一和第二分支部分），而不是意图指示一个特征优于另一个特征的相对重要性，除非另有指定。

在本申请的范围内，明确地意图的是，在前述段落和权利要求书和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和备选方案，并且特别是其个体特征可以独立地或以任何组合来采用。也就是说，所有实施例和任何实施例的所有特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这样的特征不相容。申请人保留用来相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括下列权利：修改任何原始提交的权利要求以取决于任何其它权利要求的任何特征和/或并入任何其它权利要求的任何特征，尽管没有以那种方式原始地要求保护。

附图说明

现在将参照附图通过非限制性示例的方式来描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出根据本发明实施例的电压源转换器；

图2和图3分别示出图1的电压源转换器的模块的示范性半桥和全桥链式链路模块配置；

图4示出转换器分支的示范性表示，其中其模块处于阻塞状态中；

图5示出图4的模块的电压的时间变化；

图6图示当模块配置成仿真具有单个正电阻斜率的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的电流加载（loading）；

图7图示当模块配置成仿真具有单个正电阻斜率的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的放电电阻器的开关调制周期和平均耗散功率；

图8图示具有和不具有由仿真的电阻负载曲线提供的补偿效果的图4的模块的电压的时间变化的比较；

图9图示当模块配置成仿真具有多个正电阻斜率和不连续性的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的电流加载；

图10图示当模块配置成仿真具有多个正电阻斜率和不连续性的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的放电电阻器的开关调制周期和平均耗散功率；

图11和12图示当模块配置成仿真具有多个正电阻斜率和不连续性的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的示范性操作模式；

图13图示当模块配置成仿真具有单个正电阻斜率的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的电流加载；以及

图14图示当模块配置成仿真具有多个正电阻斜率并且没有不连续性的电阻负载曲线时的处于阻塞状态中的给定模块的电流加载。

附图是不一定按比例绘制，以及附图的某些特征和某些视图为了清楚和简洁而按比例或者以示意形式放大示出。

具体实施方式

本发明的以下实施例主要用于HVDC应用中，但是将领会，本发明的以下实施例加上必要修改可适用于操作在不同电压电平的其它应用。参考AC-DC电压源转换器来描述本发明的以下实施例，但是将领会，本发明的以下实施例加上必要的修改可适用于包括AC-AC转换器和DC-DC转换器的其它类型的转换器。

在图1中示出根据本发明实施例的采取电压源转换器形式的电组合件，并且所述电组合件一般由参考数字20指定。

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在第一和第二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和AC端子34之间延伸，而第二分支部分32在第二DC端子26和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DC网络36，38。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-三角形变压器布置42连接到三相AC网络40的相应AC相。设想的是，在本发明的其它实施例中，变压器布置42可以是星形-星形变压器布置，可以是另一类型的变压器布置或可以完全省略。三相AC网络40是AC功率电网40。

每个分支部分30，32包括开关阀，所述开关阀包括由多个串联连接的模块44限定的链式链路转换器。

每个模块44可以在拓扑上变化，其示例描述如下。

图1和2示意性地示出采取半桥模块44a形式的示范性模块44的结构。半桥模块44a包括一对模块开关元件46和电容器48。半桥模块44a的每个模块开关元件46采取IGBT的形式，其与反并联二极管并联连接。所述一对模块开关元件46在半桥布置中与电容器48并联连接以限定可以提供零电压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44a。

图3示意性地示出采取全桥模块44b形式的示范性模块44的结构。全桥模块44b包括两对模块开关元件46和电容器48。全桥模块44b的每个模块开关元件46采取IGBT的形式，其与反并联二极管并联连接。所述对模块开关元件46在全桥布置中与电容器48并联连接，以限定可以提供负电压、零电压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44b。

给定模块44的结构包括在给定模块44中使用的模块开关元件46和能量存储装置48的布置和类型。将领会，对于模块中的所有模块44来说，具有相同的模块结构不是必需的。例如，多个模块44可以包括半桥模块44a和全桥模块44b的组合。

设想的是，在本发明的其它实施例中，每个模块44的每个模块开关元件46可以由栅极可关断晶闸管（GTO）、场效应晶体管（FET）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、注入增强栅极晶体管（IEGT）、集成栅极换向晶闸管（IGCT）、双模式绝缘栅极晶体管（BIGT）或任何其它自换向半导体装置代替。还设想的是，在本发明的其它实施例中，每个二极管可以由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，每个模块44的电容器48选择性地旁路或插入到对应的链式链路转换器中。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，使得模块44提供零电压或非零电压。

当模块44中的模块开关元件46配置成在模块44中形成短路时，模块44的电容器48被旁路，由此短路旁路电容器48。这使对应的链式链路转换器中的电流通过短路并旁路电容器48，并且因此模块44提供零电压，即，模块44在旁路模式中被配置。

当模块44中的模块开关元件46配置成允许对应的链式链路转换器中的电流流入和流出电容器48时，模块44的电容器48被插入到对应的链式链路转换器中。然后，电容器48充电或放电其存储的能量，以便提供正电压，即，模块44在非旁路模式中被配置。

以这种方式，每个模块44中的模块开关元件46是可开关的，以控制通过对应的电容器48的电流的流动。

有可能经由将各自提供其自己的电压的多个模块44的电容器插入到每个链式链路转换器中来积聚跨每个链式链路转换器的组合电压，所述组合电压高于从其个体模块44的每个可得到的电压。按照这种方式，每个模块44中的模块开关元件46的开关使每个链式链路转换器提供阶跃可变电压源，所述阶跃可变电压源允许使用逐步近似、跨每个链式链路转换器来生成电压波形。因此，每个分支部分30、32中的模块开关元件46可开关以选择地允许和阻止电流经过对应的电容器48的流动，以便控制跨对应分支部分30、32的电压。

设想的是，在本发明的其它实施例中，每个模块44可以由包括至少一个模块开关元件和至少一个能量存储装置的另一类型的模块代替，每个这样的模块中的所述或每个模块开关元件和所述或每个能量存储装置布置成可组合以选择性地提供电压源。

还设想的是，在本发明的其它实施例中，每个模块44中的电容器48可以由能够存储和释放能量以提供电压的另一类型的能量存储装置（例如电池或燃料电池）代替。

每个模块44还包括采取放电开关元件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可开关以将放电电阻器52切换到模块44中和从模块44切换出。每个放电电路可用来为对应的模块44提供快速放电能力。

设想的是，在本发明的其它实施例中，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。还设想的是，在本发明的又一些实施例中，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。

电压源转换器还包括控制器54，其配置成（例如被编程成）控制模块开关元件46和放电开关元件50的开关。

为了简单性的目的，控制器54参考其作为单个控制单元的实现来示范性描述。在其它实施例中，控制器54可以实现为多个控制单元。控制器54的配置可以根据电压源转换器20的特定要求而变化。例如，控制器54可以包括多个控制单元，所述多个控制单元中的每个配置成控制模块44中的相应一个模块的模块开关元件46的开关。每个控制单元可以配置成在对应的模块44的内部或外部。备选地，控制器可包括对应的模块44内部的一个或多个控制单元和对应的模块44外部的一个或多个控制单元的组合。每个控制单元可以配置成经由电信链路与至少一个其它控制单元通信。

每个模块44还包括与电容器48和放电电路并联连接的泄放电阻器56。在每个模块44中，泄放电阻器56与放电电阻器52相比通常具有更高的欧姆值。例如，在每个模块44中，泄放电阻器56通常具有几百

的欧姆值，而放电电阻器52具有范围从几

到几

的欧姆值。优选地，放电电阻器52具有使其能够汲取与电压源转换器20本身的负载电流相当的电流的欧姆值，所述电流可以在1000A到2000A的范围中。这使得放电电阻器52能够用于快速放电。

电压源转换器20的操作参考图4到图14描述如下。

为了在DC和AC网络36，38，40之间传递功率，控制器54控制模块44的模块开关元件46的开关，以将相应的分支部分30，32的电容器48切换到相应的DC和AC端子24，26，34之间的电路中和从所述电路中切换出，以互连DC和AC网络36，38，40。控制器54开关每个分支部分30，32的模块44的模块切换元件46，以在相应的DC和AC端子24，26，34之间提供阶跃可变电压源，并且由此生成电压波形，以便控制在对应的AC端子34处的AC电压波形的配置，以促进在DC和AC网络36，38，40之间的功率传递。

在电压源转换器20的正常操作期间，模块44在解块状态下操作，其中开关模块开关元件46以在每个功率循环内维持模块44之间的电压的平衡分配。

每个模块44可以被切换到阻塞状态，在所述阻塞状态中，模块开关元件46被关断，并且每个模块44表现为无源电路，在所述无源电路中，模块44之间的电压的分配由电路中的阻抗来管理。图4示出转换器分支28的示范性表示，其中其模块44处于阻塞状态中，其中DC电压跨模块44施加。

在电压源转换器20的启动时，在阻塞状态中的模块44的配置可以发生很短的周期，通常是几秒钟，在电压源转换器20的启动期间，能量从DC网络36，38或AC网络40供应给电压源转换器20，以便对电容器48预充电。在阻塞状态中的模块44的配置也可以在电压源转换器20的关闭期间发生，其中电容器48通常在几分钟的过程内缓慢放电。在电压源转换器20的关闭期间，没有另外的能量从DC网络36，38或AC网络40供应给被阻塞的模块44，这导致电容器48被有效地从DC和AC网络36，38，40切断，并且彼此独立地释放它们存储的能量。

在模块44处于阻塞状态中并且能量继续从DC网络36，38、AC网络40或两个网络36，38，40供应到被阻塞的模块44的情况下，模块44之间的电压的不稳定无源分配可导致模块44的电压之间随时间的漂移，如图5中所示。从图5中的曲线图的左手侧开始，电压源转换器20中的模块44的电压的总和超过从DC和/或AC网络36，38，40施加到电压源转换器20的电压，这意味着能量不从DC和/或AC网络36，38，40供应到被阻塞的模块44。结果，模块44的电容器48都以基本相同的速率独立地放电。在图5中由'A'指示的时间点处，电压源转换器20中的模块44的电压总和下降到低于从DC和/或AC网络36，38，40施加到电压源转换器20的电压，这意味着现在将能量从DC和/或AC网络36，38，40馈送到被阻塞的模块44。此后，模块44的电压开始发散，从而导致模块44的电压之间的不平衡。这又可能导致模块中的一些模块44掉电，而其它模块中的一些其它模块44占据更高的电压份额，这可能触发相关联的过电压保护系统，并由此导致可能损坏大量的模块44的模块44的级联失效。

在点对点HVDC功率传输方案的正常操作期间，被阻塞的模块44的电压之间随时间的漂移的风险可能被忽视，因为在电压源转换器20的启动期间仅几秒钟内将能量供应到被阻塞的模块44，并且因为电容器48的相对大的尺寸意味着被阻塞的模块44的电压之间的发散可能花费几分钟来出现。然而，可能存在电压源转换器20的某些正常和故障操作条件，其可能要求模块44处于阻塞状态中并连接到DC网络36，38、AC网络40或两个网络36，38，40达延长的或不定的时间段。

由于被阻塞的模块44的控制电子器件表现为恒定功率负载CPL，被阻塞的模块44的电压随时间的漂移可能出现。特别地，在每个模块44中，由于控制电子器件的开关模式功率供应装置从对应的电容器48汲取电流，控制电子器件表现为恒定功率负载CPL。开关模式功率供应装置的高压侧连接到对应的电容器48。开关模式功率供应装置自然地试图在其低电压侧保持恒定的电压和功率。结果，当功率供应装置的高压侧上的电压下降时，它汲取更多的电流，而当功率供应装置的高压侧上的电压上升时，它汲取更少的电流。因此，当对应的电容器48的电压降低时，开关模式功率供应装置汲取更高的电流，而当对应的电容器48的电压增加时，开关模式功率供应装置汲取更低的电流。这导致每个模块44的控制电子器件具有负阻抗特性，这又由于来自DC网络36，38、AC网络40或两个网络36，38，40的能量供应而导致被阻塞的模块44的电压之间的漂移。在电容器48的某一电压下，由于因开关模式功率供应装置仅在电容器48的某一最小电压下或高于电容器48的某一最小电压下工作而控制电子器件掉电，恒定功率负载CPL消失。

模块44的电压之间漂移的风险可以通过使每个被阻塞的模块44能够通过仿真电阻负载曲线来改变其负载曲线来避免，所述电阻负载曲线抵消每个被阻塞的模块44的控制电子器件的负阻抗特性，所述控制电子器件表现为恒定功率负载。每个模块44的电阻负载曲线可以通过放电开关元件50的开关来仿真，以在电压平衡模式中优选地以低占空比调制将每个放电电阻器52切换到对应的模块44中和从所述对应的模块44切换出，使得每个放电电阻器52呈现高于其实际电阻

的仿真电阻

。

每个放电电阻器52切换到对应的模块44中和从所述对应的模块44切换处的调制优选地涉及固定对应的放电开关元件50的接通时间

并根据需要调整调制周期T（例如，调整到几十秒）以获得每个模块44的期望仿真电阻负载曲线。对于1Ω到2Ω范围中的放电电阻器52的欧姆值，接通时间

可以是几十

，例如100

。对于放电电阻器52的更大欧姆值，接通时间

将对应地更长。

用于给定模块44的需求参考电流

被给定为：

其中

是在电压平衡模式的开始时模块44的初始电流，v是模块44的瞬时电压，

是模块44的最小电压阈值，在所述最小电压阈值和高于所述最小电压阈值，实现电压平衡模式，并且

是模块44的仿真电阻负载曲线的电阻斜率。

放电电阻器52的电流

通过从需求参考电流

中减去由泄放电阻器56和模块44的控制电子器件汲取的负载电流来计算如下：

其中由泄放电阻器56汲取的负载电流由

给出，并且由模块44的控制电子器件汲取的负载电流由

给出。

放电电阻器52的电流

决不会是负的，并且对于

，等式（2）应当被限制为0。

由于放电电阻器52的仿真电阻

由

给出，并且通过从

和

中选择合适的占空比d来获得，所以调制周期T计算如下：

假设放电电阻器52的欧姆值足够低（例如几Ω），因为放电开关元件50的接通时间

显著小于调制周期T

，所以放电开关元件50的断开时间

可被假定为与调制周期T基本相同

。关于断开时间

的相同假设可以应用或可以不应用于放电电阻器52的更大欧姆值。

调制周期T的计算可以通过将其偏移限制在指定的最小值和最大值之间来增强，例如通过固件实现。这是要为了防止执行得出T的无限数量的值随后是负值的等式（4）。

优选地，电压平衡模式被配置以使得一旦模块44进入阻塞状态，它就开始起作用，更优选地，在模块44进入阻塞状态的同时它开始起作用。每当模块44处于阻塞状态中，电压平衡模式优选地保持在最小电压阈值

或高于最小电压阈值

实现。

在电压平衡模式中，每个模块44的最小电压阈值

可以由

示范性限定，其中VDC是跨电压源转换器20的第一和第二DC端子24，26的极间DC电压，并且

是给定转换器分支28中的模块数量。

最小电压阈值

优选地至少等于控制电子器件在其启动的电压，即高于每个模块44的控制电子器件在其掉电的电压。更优选地，为了降低功率消耗，只要当DC和/或AC网络36，38，40开始将能量馈送到电压源转换器20中时，模块44的电压将高于最小电压阈值

，最小电压阈值

可能高于控制电子器件在其启动的电压。

可选地，在其中DC和/或AC网络36，38，40开始将能量馈送到电压源转换器20的点处（如由图5中的'A'所指示），最小电压阈值

可以低于每个模块44的最低可能电压。尽管电压平衡模式直到电压源转换器20中的模块44的电压的总和下降到低于从DC和/或AC网络36，38，40施加到电压源转换器20的电压的时间点才具有任何平衡效应，但是在那个时间点之前发起电压平衡模式使得更容易控制电压平衡模式。

图6图示当被阻塞的模块44配置成仿真电阻负载曲线时，具有电容器电压的处于阻塞状态中的给定模块44的电流加载。虚线58，60分别指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流。虚线62指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流的总和。放电电阻器52的仿真电阻负载曲线由实线64给出，并且从由菱形标记66指示的最小电压阈值

开始。点划线68指示放电电阻器52的电流

。将领会，图6的x轴具有抑零，这就是为什么由泄放电阻器58汲取的负载电流58被示为在其穿过y轴时具有非零值的原因。最小电压阈值

被设置为与由三角形标记69指示的控制电子器件的启动电压相同。

图7图示当被阻塞的模块44配置成仿真电阻负载曲线时，具有电容器电压的放电电阻器52的调制周期T和对应的平均耗散功率

。调制周期由线70指示，并且对应的耗散功率由线72指示。

放电电阻器52的平均耗散功率

可以计算如下：

其中

。

优选地，仿真电阻负载曲线的电阻斜率

的值被选择（例如，被选择为在100

到500

的范围中）以产生稍微上升的电阻斜率。电阻斜率

的值可以被调整以考虑与模块44相关联的冷却系统的泄漏电阻，如在本说明书中稍后详述的。

通过调制将每个放电电阻器52切换到对应的模块44中和从所述对应的模块44切换出，由每个被阻塞的模块44对电阻负载曲线的仿真确保对于每个电容器48，只要对应的模块44的电压等于或高于最小电压阈值

，电流就随着电压降低而降低，并且随着电压增加而增加，在所述最小电压阈值

或高于所述最小电压阈值

，实现电压平衡模式。这提供防止被阻塞的模块44的电压之间的漂移的电压平衡效应，并且由此确保被阻塞的模块44之间的电压随时间的稳定分配。图8的顶部图图示当未应用仿真电阻负载曲线的补偿效果时被阻塞的模块44的电压之间的漂移，而图8的底部图图示当应用仿真电阻负载曲线的补偿效果时被阻塞的模块44的电压的平衡。

可选地，仿真电阻负载曲线可以包括多个电阻斜率。电阻斜率的数量可以变化以提供更适合于电压源转换器20的特定配置或应用的更优化的电阻负载曲线。

图9图示当被阻塞的模块44配置成仿真具有两个正电阻斜率和在其间的不连续性的电阻负载曲线时，具有电容器电压的处于阻塞状态中的给定模块44的的电流加载。不连续性布置在两个正电阻斜率之间，使得三个斜率组合以限定不连续的电阻斜率。在所示的实施例中，不连续性采取阶跃变化的形式，但是在其它实施例中可以改为采取负电阻斜率的形式。每个正电阻斜率可以与其它正电阻斜率相同或不同。虚线74，76分别指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流。虚线78指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流的总和。放电电阻器52的仿真电阻负载曲线由实线80给出，并且从由菱形标记82指示的最小电压阈值

开始。点划线84指示放电电阻器52的电流

。将领会，图9的x轴具有抑零，这就是为什么由泄放电阻器58汲取的负载电流74被示为在其穿过y轴时具有非零值的原因。最小电压阈值

被设置为与控制电子器件的启动电压相同，其由三角形标记85指示。

图10图示当被阻塞的模块44配置成仿真具有两个正电阻斜率和在其间的不连续性的电阻负载曲线时，具有电容器电压的放电电阻器52的调制周期T和相应的平均耗散功率

。调制周期由线86指示，并且对应的耗散功率由线88指示。

使用等式（4）、使用两个不同的断开时间

计算正电阻斜率中的每个正电阻斜率，等式（4）基于等式（1）中等效电流的两个不同计算。正电阻斜率之间的选择取决于给定时间点处模块44的电容器48的电压。图9的电阻负载曲线对被阻塞的模块44之间的电压的分配提供平衡效应，并且同时与图6的电阻负载曲线相比，减少每个放电电阻器52中的总功率耗散量。正电阻斜率之间的转变点可以根据被阻塞的模块44的电压平衡和功率耗散要求而变化。

考虑到任何相关联的滞后，当模块44中的所有模块44的电压高于预定的最小转变电压时，控制器54开关放电开关元件50以在电压平衡模式中调制将每个放电电阻器52切换到对应的模块44中和从所述对应的模块44切换出，以发起每个电阻负载曲线在连续正电阻斜率之间的转变。这在图9中图示，其中转变由连续正电阻斜率之间的不连续性90表示。以这种方式发起连续正电阻斜率之间的电阻负载曲线的转变防止模块44的电压之间的加速漂移的风险。相比之下，如果一个或多个模块44的电压低于转变电压，在所述转变电压，发起连续正电阻斜率之间的转变，则所述或每个这样的模块44的电压将迅速向零崩溃。为了确保只有当模块44中的所有模块44的电压都高于转变电压时才发起连续正电阻斜率之间的转变，控制器54必须保持完全有效并且能够监测模块44中的所有模块44的电容器48的电压。

在采用具有多个正电阻斜率和在其间的至少一个不连续性（阶跃变化或负电阻斜率）的电阻负载曲线的本发明的实施例中，控制器54可配置成在以下示范性模式中操作模块44。

在图11中所示的示范性第一模式中，每个模块44配置成具有包括两个正电阻斜率A-B和C-D的电阻负载曲线，所述两个正电阻斜率A-B和C-D经由负电阻斜率B-C连接。在其它实施例中，负电阻斜率B-C可以由阶跃变化代替。区域A-B和C-D中的每个可以由单个正电阻斜率组成，或者可以由在其间没有任何不连续性的多个正电阻斜率组成。

在当模块44重新连接到相关联的电网络36，38，40并因此由相关联的电网络36，38，40供电时的时间处，在给定的开关阀中的所有模块44优选地在区域A-B或区域C-D中，即，在给定的开关阀中的所有模块44在不连续性的相同侧上。在第一种情况下，当被阻塞的模块44由AC网络40供电时，模块44配置在区域C-D中。在第二种情况下，当被阻塞的模块44由DC网络36，38供电时，模块44配置在区域A-B中。这是因为电容器48稳定到的平均电压对于两种情况是不同的。通常，第一AC激励情况电容器48稳定到的平均电压是对于第二DC供电情况电容器44稳定到的平均电压的两倍。

因此，第一模式使得给定的开关阀能够通过将其模块44中的所有模块44配置成遵循相同的电阻负载曲线而自主地执行电压平衡模式，而不要求来自中央控制单元的任何输入。开关阀的自主电压平衡模式的可靠性可以通过选择电阻负载曲线中的不连续B-C的适当位置和适当值来改进。

在图12中所示的示范性第二模式中，每个模块44配置成具有“默认”正电阻斜率和“eco”正电阻斜率。每个模块44的操作将通常以“默认”正电阻斜率开始。在控制器54识别模块44中的所有模块44都高于对应于其中恒定功率负载开始支配总电流消耗的水平的某个最小水平的情况下，控制器54可以向所有模块44发送“换档”命令，以从“默认”正电阻斜率切换到“eco”正电阻斜率，其中正电阻斜率之间的转变采取不连续性124的形式。图12中的区域126指示用于每个模块44的不安全操作区域。

图13图示当被阻塞的模块44配置成仿真具有单个正电阻斜率的电阻负载曲线时，具有电容器电压的处于阻塞状态中的给定模块44的电流加载。虚线92，94分别指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流。虚线96指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流的总和。放电电阻器52的仿真电阻负载曲线由实线98给出，并且从由菱形标记100指示的最小电压阈值

开始。点划线102指示放电电阻器52的电流

。将领会，图13的x轴具有抑零，这就是为什么由泄放电阻器58汲取的负载电流92被示为在其穿过y轴时具有非零值的原因。最小电压阈值

被设置为高于由三角形标记104指示的控制电子器件的启动电压。如上所述，该方式具有降低功率消耗的益处。

图14图示当被阻塞的模块44配置成仿真具有两个正电阻斜率且在其间没有不连续性的电阻负载曲线时，具有电容器电压的处于阻塞状态中的给定模块44的电流加载。两个正电阻斜率组合以限定连续的电阻斜率。第一正电阻斜率比第二正电阻斜率陡。虚线106，108分别指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流。虚线110指示由模块44的控制电子器件和泄放电阻器56汲取的负载电流的总和。放电电阻器52的仿真电阻负载曲线的第一正电阻斜率由连续线112给出，并且从由菱形标记114指示的最小电压阈值

开始，并且在由圆形标记116指示的转变电压处结束。放电电阻器52的仿真电阻负载曲线的第二正电阻斜率由连续线118给出，并且从由圆形标记116指示的转变电压开始。点划线120指示放电电阻器52的电流

。将领会，图14的x轴具有抑零，这就是为什么由泄放电阻器58汲取的负载电流106被示为在其穿过y轴时具有非零值的原因。最小电压阈值

被设置为与由三角形标记122指示的控制电子器件的启动电压相同。

图14的电阻负载曲线中的两个正电阻斜率112，118的配置改进更高电压下的效率。设想的是，每个模块44的控制单元可以配置成自主地控制对应的模块44以仿真这样的电阻负载曲线，而不要求来自中央控制单元的命令。

除了由被阻塞的模块44的控制电子器件的恒定功率负载行为引入的不平衡效应之外或代替由被阻塞的模块44的控制电子器件的恒定功率负载行为引入的不平衡效应，与模块44操作地相关联的冷却剂系统（例如冷却剂管道）内的冷却剂的电阻可能对被阻塞的模块44之间的电压的分配施加不平衡效应，这可能导致模块44的电压之间的不期望的漂移。由于每个模块44在电压源转换器20中具有固定的物理位置，因此变得有可能使用它们的物理位置来预测由泄漏电阻引起的被阻塞的模块44的电压之间的不平衡程度。因此，可以基于每个模块44的物理位置来调整每个模块44的电阻负载曲线，以提供对与每个模块44相关联的泄漏电阻的相应不同程度的补偿。可选地，电压源转换器20可以包括一个或多个传感器，其用来测量冷却剂的传导率并将所测量的传导率传输到控制器54，并通过使用控制器来根据所测量的冷却剂传导率而配置每个电阻负载曲线。

如果控制器54包括固件，其用来控制在电压平衡模式中将每个放电电阻器52切换到对应的模块44中和从所述对应的模块切换出的调制，则可以在控制器54中为每个模块44预加载相应不同的固件设置，以提供补偿与每个模块44相关联的泄漏电阻的上述功能。

除非上下文另有指示，否则本发明的给定方面、特征或参数的优选和选项应被视为已与本发明的所有其它方面、特征和参数的任何和所有优选和选项组合公开。

Claims

1.一种包括多个模块（44）的电组合件，每个模块（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），每个模块（44）中的所述或每个模块开关元件（46）和所述或每个能量存储装置（48）布置成可组合以选择性地提供电压源，每个模块（44）包括放电电路，每个放电电路包括放电开关元件（50）和放电电阻器（52），每个放电开关元件（50）可开关以便将对应的放电电阻器（52）切换到对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，其中所述电组合件包括控制器（54），所述控制器（54）配置成在所述模块（44）处于阻塞状态中时，选择性地控制所述放电开关元件（50），以在电压平衡模式下调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，使得每个模块（44）仿真电阻负载曲线以平衡所述多个模块（44）之间的电压的分配，其中所述电阻负载曲线包括至少一个正电阻斜率。

2.根据权利要求1所述的电组合件，其中，所述控制器（54）配置成选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，使得每个放电电阻器（52）呈现高于其实际电阻的仿真电阻。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件，其中，所述控制器（54）配置成与所述模块（44）进入所述阻塞状态相同地选择性地发起所述电压平衡模式。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件，其中，所述电阻负载曲线包括：单一正电阻斜率、多个正电阻斜率；或多个正电阻斜率和至少一个不连续性的组合。

5.根据权利要求4所述的电组合件，其中，所述电阻负载曲线包括多个电阻斜率，所述电阻斜率被配置以使得在连续电阻斜率之间存在连续性或不连续性。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件，其中，所述电阻负载曲线包括多个正电阻斜率，并且所述控制器（54）配置成选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便当所述模块（44）中的所有所述模块（44）的电压高于预定最小转变电压时，发起所述电阻负载曲线在连续正电阻斜率之间的转变（90）。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件，其中，所述控制器（54）配置成选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便将每个电阻负载曲线配置成抵消表现为恒定功率负载（CPL）的每个模块（44）的一个或多个组件的负阻抗特性。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件，其中，所述控制器（54）配置成选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便根据所述电组合件中的所述对应的模块（44）的物理位置来配置每个电阻负载曲线。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件，包括至少一个传感器，其用于测量与所述电组合件中的每个模块（44）操作地相关联的冷却剂的传导率，其中，所述控制器（54）配置成选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便根据对应的冷却剂的所测量的传导率来配置每个电阻负载曲线。

10.一种开关阀，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的电组合件。

11.一种电压源转换器（20），其包括根据权利要求10所述的开关阀。

12.一种操作包括多个模块（44）的电组合件的方法，每个模块（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），每个模块（44）中的所述或每个模块开关元件（46）和所述或每个能量存储装置（48）布置成可组合以选择性地提供电压源，每个模块（44）包括放电电路，每个放电电路包括放电开关元件（50）和放电电阻器（52），每个放电开关元件（50）可开关以便将对应的放电电阻器（52）切换到对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，其中所述方法包括以下步骤：在所述模块（44）处于阻塞状态中时，选择性地控制所述放电开关元件（50），以在电压平衡模式下调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，使得每个模块（44）仿真电阻负载曲线以平衡所述多个模块（44）之间的电压的分配，其中所述电阻负载曲线包括至少一个正电阻斜率。

13.根据权利要求12所述的方法，包括以下步骤：选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，使得每个放电电阻器（52）呈现高于其实际电阻的仿真电阻。

14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，包括以下步骤：选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便将每个电阻负载曲线配置成抵消表现为恒定功率负载（CPL）的每个模块（44）的一个或多个组件的负阻抗特性。

15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，包括：

选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便根据所述电组合件中的所述对应的模块（44）的物理位置来配置每个电阻负载曲线的步骤；和/或

测量与所述电组合件中的每个模块（44）操作地相关联的冷却剂的传导率的步骤；和选择性地控制所述放电开关元件（50），以在所述电压平衡模式中调制将每个放电电阻器（52）切换到所述对应的模块（44）中和从所述对应的模块（44）切换出，以便根据对应的冷却剂的所测量的传导率来配置每个电阻负载曲线的步骤。