CN208241593U

CN208241593U - 电压源变流器

Info

Publication number: CN208241593U
Application number: CN201820046643.3U
Authority: CN
Inventors: 冈崎佑平; S·波伊亚德吉斯; P·巴卡斯; K·伊尔维斯
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2018-01-11
Filing date: 2018-01-11
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2028-01-11

Abstract

本公开涉及一种电压源变流器(10)。该电压源变流器(10)包括在两个DC端子(DC1，DC2)之间串联连接的变流器模块(12，14，16)，其中每个变流器模块包括两个AC端子(ACA1，ACA2)，第一阀部分(VS1)包括导流器开关的第一组串(ST1)，在作为第一与第二导流器开关(S1A，S2A)之间以及第三与第四导流器开关(S3A，S4A)之间的连接点的第一与第二连接点之间串联连接的子模块的第一和第二链式链路(CL1，CL2)，包括导流器开关的第二并联组串(ST2)的第二阀部分(VS2)，以及互连分支(BR)，其具有连接到第一阀部分的第一端以及连接到第二阀部分的第二端，其中第一AC端子(ACA1)由第一阀部分提供，并且第二AC端子(ACA2)由第二阀部分提供。

Description

电压源变流器

技术领域

本实用新型总体涉及电压源变流器。更具体地，本实用新型涉及一种在两个直流(DC)端子之间连接的电压源变流器，并且其包括在DC端子之间串联连接的多个变流器模块。

背景技术

最近已经开发了基于导流器阀的电压源变流器(VSC)，其中在两个直流(DC)极之间存在串联连接的导流器阀的组串以及与该阀组串并联连接的多电平子模块的组串。在这种结构中，导流器阀用于定向，多电平子模块用于波形成形。

EP 2999105公开了一种具有三个并联的相脚的模块化多电平变流器(MMC)，其中导流器开关被实现为反并联晶闸管。

US 2014/0092661公开了一种功率变流器，其包括具有第一组串的脚，其中第一组串包括多个可控半导体开关、第一连接节点和第二连接节点，并且其中第一组串跨第一母线和第二母线而可操作地耦合。此外，该至少一个脚包括经由第一连接节点和第二连接节点可操作地耦合到第一组串的第二组串，其中第二组串包括多个开关单元。

WO 2016/101985公开了一种模块化多电平变流器，其中多个串联连接的变流器模块彼此堆叠，并且因此这种类型的变流器也被称为串联MMC(SMMC)。

基于VSC的特高压、高功率HVDC(UHVDC)传输系统与传统的基于电流源变流器(CSC)的系统相比具有若干优点，诸如在不增加换流损耗情况下的黑启动能力和AC故障处理。传统的变流器拓扑 (例如MMC)需要大型电容器，这在UHVDC应用中需要特别注意。与MMC相比，带有晶闸管的MMC的混合电路拓扑，诸如桥臂交替导通变流器(诸如EP 2999105中的拓扑)及其混合结构(诸如US 2014/0092661中所示的结构)已经将电容降低了30％至50％。然而，输电能力被限制在与MMC相同的水平。诸如WO 2016/101985中的串联MMC(SMMC)可以提供损耗减少、电容性能量减少和增加的输电能力。

传统的MMC和混合拓扑具有如下几个缺点：

传统的MMC需要大型电容器，这在每个子模块的额定功率为几个MW的UHVDC应用中需要特别注意。

尽管混合拓扑可以减少电容性能量需求，但是混合拓扑应当处理固有的DC/AC耦合，这导致附加的滤波器要求。

与SMMC相比，在相同的DC环节电压下两种拓扑都需要更多的硅(Si)面积。这意味着这些基于并联变流器的拓扑不适用于UHVDC 系统。

因此需要一种改进的串联MMC变流器结构，特别是允许在不增加Si面积的情况下增加DC环节电压的结构。

实用新型内容

本实用新型旨在获得一种改进的串联模块化多电平变流器，其中克服了上述问题中的至少一些问题。

根据本实用新型的第一方面，该目的通过在两个直流DC端子之间连接的电压源变流器而实现，该电压源变流器包括：

多个变流器模块，每个变流器模块用于待生成的交流AC波形的每个相，该变流器模块在DC端子之间串联连接并且包括：

两个AC端子，

第一阀部分，包括

包括四个导流器开关的导流器开关的第一组串，

在第一连接点与第二连接点之间串联连接的子模块的第一链式链路和第二链式链路，其中第一连接点是第一组串中的第一导流器开关与第二导流器开关之间的连接点，第二连接点是第一组串中的第三导流器开关与第四导流器开关之间的连接点，

第二阀部分，包括具有两个导流器开关的导流器开关的第二组串，其中该第二组串与第一组串并联连接，以及

互连分支，其具有连接到第一阀部分的第一端和连接到第二阀部分的第二端，

其中第一AC端子由第一阀部分提供，并且第二AC端子由第二阀部分提供。

本实用新型具有许多优点。它允许减少用于链式链路的子模块的数目。它在不增加用于链式链路的Si面积的情况下增加了DC环节电压/功率，它减少了电容性能量需求。它无需直流环节滤波器即可实现。它也可以在零有功功率的情况下提供STATCOM的功能。

附图说明

参考附图，将在下面描述本实用新型，其中：

图1示意性地示出了带有第一、第二和第三堆叠的变流器模块的电压源变流器，

图2示意性地示出了根据第一实施例的第一变流器模块，

图3A和图3B示意性地示出了可以在第一变流器模块中使用的子模块的两种类型，

图4示出了第一变流器模块的第一和第三链式链路中的电压、电流和能量，

图5示意性地示出了图4中使用的第一变流器模块的电流和电压，

图6示意性地示出了根据第二实施例的第一变流器模块，

图7示意性地示出了根据第三实施例的第一变流器模块，

图8示意性地示出了根据第四实施例的第一变流器模块，

图9A和图9B示意性地示出了根据第一实施例的第一变流器模块中的电路换向开关的换向过程，

图10示出了第一变流器模块的另一个变型，

图11示出了图10的第一变流器模块变型的开关模式，

图12示出了图10的第一变流器模块变型中的电压、电流和能量，并且

图13示意性地示出了根据又一个变型的第一变流器模块。

具体实施方式

下面将给出本实用新型的优选实施例的详细描述。

图1示出了串联模块化多电平变流器(SMMC)10。变流器10 在直流(DC)与交流(AC)之间进行转换，并且可以有利地作为诸如特高压直流(UHVDC)网络的高压直流(HVDC)网络以及AC网络之间的接口来提供。该变流器具有两个直流端子DC1，DC2和用于提供多个AC电压相的多个交流端子ACA1，ACA2，ACB1，ACB2， ACC1，ACC2。

更具体地，变流器10包括多个变流器模块，每个变流器模块用于待生成交流波形的每个相。变流器模块也串联在DC端子之间。

变流器模块因此在第一DC端子DC1与第二DC端子DC2之间串联连接。在图1中示出了三个这样的模块12，14，16，其中第一模块12被提供用于第一相(A相)，第二模块14被提供用于第二相(B 相)，并且第三模块16被提供用于第三相(C相)。DC端子DC1和 DC2分别连接到相应的(DC)极P1和P2，其中第一极P1具有第一电压+U_DC/2，第二极P2具有第二电压-U_DC/2。还示出了输送到第一极 P1的DC电流I_DC。应当认识到的是，作为备选，其中一个DC端子可以接地。每个模块具有两个AC端子，即第一和第二AC端子ACA1、 ACA2、ACB1、ACB2、ACC1和ACC2。

在第一直流端子D1与第一极P1之间还连接有平滑电抗器。图中还示出了控制单元18，其设置成控制不同的变流器模块12、14和16，该控制涉及在变流器模块的两个AC端子之间形成AC电压以及减小或抵消DC电压纹波。有时该控制也可能涉及处理各种故障。

图2中示出了第一变流器模块12的第一变型的结构，该结构也是根据第一实施例的变流器模块的结构。

在该变流器模块12中存在两个并联的阀部分VS1和VS2，其中第一阀部分VS1包括导流器开关的第一组串ST1，并且第二阀部分 VS2包括导流器开关的第二组串ST2。

在图2所示的第一实施例中，第一组串ST1更具体地包括四个导流器开关，而第二组串包括两个导流器开关。导流器开关的第二组串 ST2也与第一组串并联连接。因此，在第一组串ST1中存在第一、第二、第三和第四导流器开关S1A、S2A、S3A和S4A，并且在第二组串ST2中存在第一导流器开关S1B和第二导流器开关S2B。

这里，第一组串ST1中的第一导流器开关S1A和第二导流器开关S2A之间的连接点是第一连接点，并且第一组串ST1中的第三导流器开关S3A和第四导流器开关S4A之间的连接点是第二连接点。

从图2中可以看出，第一阀部分VS1还包括连接在第一与第二连接点之间的第一链式链路CL1和第二链式链路CL2，其中每个链式链路包括多个子模块。作为示例，每个链式链路被示出为包括两个子模块。因此，第一链式链路CL1包括第一子模块SM1和第二子模块SM2，而第二链式链路CL2包括第三子模块SM3和第四子模块SM4。

第一阀部分VS1和第二阀部分VS2分别具有用于连接到第一DC 端子的第一端和用于连接到第二DC端子的第二端。第一阀部分VS1 的第一端在这里设置在第一组串ST1的第一开关S1A处，而第二阀部VS2的第一端设置在第二组串ST2的第一开关S1B处。阀部分的第一端更具体地设置在其自身的第一开关到其他阀部分的第一开关的连接点处。第一阀部分VS1的第二端在这里设置在第一组串ST1 的最后一个开关处，而第二阀部分的第二端设置在第二组串ST2的最后一个开关处。阀部分的第二端更具体地设置在其自身的最后一个开关到其他阀部分的最后一个开关的连接点处。在该实施例中，最后的开关是开关S4A和S2B。如可以从图1所理解的，第一变流器模块 12的第一端连接到第一DC端子DC1，而第二端连接到第二变流器模块14中的对应的第一端，第二变流器模块14的第二端连接到第三变流器模块16的第一端，第三变流器模块16的第二端最终连接到第二 DC端子DC2。

第一变流器模块12还包括互连分支BR，其具有连接到第一阀部分VS1的第一端和连接到第二阀部分VS2的第二端，其中该互连分支BR的第一端连接到第一阀部分的中点，即第一端与第二端之间的中点。互连分支的第二端也可以连接到第二阀部分的中点，即连接到第一端与第二端之间的中点。

在该第一实施例中，互连分支BR的第一端连接到导流器开关的第一组串ST1的中点，而互连分支BR的第二端连接到导流器开关的第二组串ST2的中点，这两个中点分别位于第一组串ST1的第二开关S2A与第三开关S3A之间以及第二组串ST2的第一开关S1B与第二开关S2B之间。

第一AC端子ACA1在这里设置在第一链式链路CL1和第二链式链路CL2之间的连接点处，而第二AC端子ACA2设置在第二组串 ST2的中点处。

最后可以看出，在该第一实施例中，互连分支BR还包括第三链式链路CL3，该第三链式链路CL3包括多个子模块，子模块的数目也被示出为两个。因此第三链式链路CL3包括第五子模块SM5和第六子模块SM6。

链式链路用于形成AC波形的多个离散的电压电平。因此，每个链式链路可以包括多于两个的子模块。

在图3A中可以看出，子模块可以被实现为半桥子模块SMA，其中两个开关与能量存储元件(例如实现为电容器)并联连接。然后将一个子模块端子设置在两个开关之间的连接点处，并且将另一个子模块端子设置在其中一个开关与能量存储元件之间的连接点处。半桥子模块被配置成提供零电压或者对应于子模块电容器两端的电压的单极电压。

在图3B中可以看出，作为备选，子模块也可以被实现为全桥子模块SMB，其中存在与能量存储元件并联连接的串联连接开关的两个组串，一个子模块端子在这里设置在其中一个组串的中点处，而另一个子模块端子设置在另一个组串的中点处。全桥子模块具有零电压贡献能力以及对应于电容器两端电压的双极电压的贡献能力。

导流器开关可以被实现为反并联自换向部件，诸如两个像绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 或集成门极换向晶闸管(IGCTS)这样的晶体管，该反并联自换向部件使用诸如连同二极管或晶闸管的IGBT或IGCT的带有反并联电路换向部件的自换向电路；或者被实现为反并联电路换向部件，诸如两个反并联晶闸管或带有反并联二极管的一个晶闸管。自换向部件在这里是可以通过接收控制信号而被直接关断以便停止导通电流的部件，而电路换向部件是需要施加负电压以阻止导通电流(例如通过使用专用电路)的部件。由于晶闸管是一类电路换向部件的示例，可以看出，除了需要施加外部负电压以用于被关断，这种类型的电路换向部件也具有通过接收控制信号而直接导通的能力。此外，组串可以通过上述类型的多个串联连接的部件的组合来实现。在下文中，通过带有反并联自换向部件的自换向部件(诸如一对反并联IGBT)形成的开关或者形成为带有反并联电路换向部件的自换向部件(诸如带有反并联二极管的IGBT)的开关，将被称为自换向开关，而带有两个反并联电路换向部件的开关(诸如一对反并联晶闸管)将被称为电路换向开关。

在图2中可以看出，第一组串ST1的导流器开关是自换向开关，而第二组串ST2的开关是电路换向开关。应当认识到的是，第二组串 ST2中的开关也可以是自换向开关。

子模块开关也可以通过使用自换向或电路换向开关或者这些开关的组合来实现。

在这里还可以提到的是，在导流器开关以电路换向开关的形式实现的情况下，可能需要全桥子模块来将其关断，该全桥子模块将是链式链路中连接到该开关的其中一个子模块。

在操作中，控制单元18控制变流器模块12，以用于在第一半周期中形成波形的第一部分并且用于在第二半周期中形成波形的第二部分，该波形在AC端子ACA1与ACA2之间形成。

因此，在第一变流器模块12中的第一半周期中，以及在导流器开关的第一组串ST1中，第一开关S1A导通，第二开关S2A关断，第三开关S3A导通并且第四开关S4A关断。与此同时，在第二组串 ST2中，第一开关S1B关断并且第二开关S2B导通。由此，第二链式链路CL2和第三链式链路CL3与第一AC端子ACA1和第二AC 端子ACA2并联连接。由此在AC端子之间连接一个组串，并且在该组串中，第二链式链路CL2和第三链式链路CL3彼此串联连接。该组串因此与AC侧并联连接。与此同时，第一链式链路CL1连接到第一DC端子DC1。由此，第二链式链路CL2和第三链式链路CL3的子模块可以由控制单元18控制，以在第一链式链路CL1可以被控制以补偿DC环节电压纹波的同时产生波形的第一半周期。

在第二半周期中，在导流器开关的第一组串ST1中，第一开关 S1A关断，第二开关S2A导通，第三开关S3a关断并且第四开关S4A 导通。与此同时，在第二组串ST2中，第一开关S1B接通并且第二开关S2B关断。由此，第一链式链路CL1和第三链式链路CL3与第一AC端子ACA1和第二AC端子ACA2并联连接。由此在AC端子之间连接一个组串，并且在该组串中，第一链式链路CL1和第三链式链路CL3彼此串联连接。该组串因此与AC侧并联连接。与此同时，第二链式链路CL2连接到第二DC端子DC2。由此，第一链式链路 CL1和第三链式链路CL3的子模块可以由控制单元18控制，以在第二链式链路CL2可以被控制以补偿DC环节电压纹波的同时产生波形的第二半周期。

因此可以看出，控制单元18控制第一组串ST1的第二开关S2A 和第三开关S3A以及第二组串ST2的开关S1B和S2B，以交替连接两个AC端子ACA1与ACA2之间的第一链式链路CL1和第二链式链路CL2，并且还控制第二链式链路CL2和第一链式链路CL1以在 AC端子ACA1与ACA2之间形成AC波形。由此，第一链式链路CL1 和第二链式链路CL2具有波形成形和非波形成形时间段。在第一实施例中，第三链式链路CL3也协助由第一链式链路CL1和第二链式链路CL2两者执行的波形成形。还可以看出，在第一链式链路和第二链式链路的非波形成形时间段期间，第一组串ST1的第一开关S1A和第四开关S4A被控制以交替地将第一链式链路CL1和第二链式链路 CL2连接到DC端子DC1和DC2，并且控制第一链式链路CL1和第二链式链路CL2以便补偿DC环节电压纹波。

图4示出了针对全部导流器开关均为自换向开关的情况，调制指数m＝1且功率因数PF＝1的第一变流器模块的归一化电压U_P(实曲线)、归一化电流i_P(实曲线)、归一化电压V_M(虚曲线)、归一化电流i_M(虚曲线)以及电容性能量E_P和E_M。在图5中可以看出，电压Vp是第一链式链路CL1两端的电压并且ip是通过第一链式链路 CL1的电流，因此电容性能量E_P是第一链式链路CL1的电容性能量。在图5中还可以看出，电压V_M是中间分支IM3中的第三链式链路 CL3两端的电压并且i_M是通过中间分支IM3中的第三链式链路CL3 的电流。因此，电容性能量E_M是中间分支BR中的第三链式链路CL3 的电容性能量。还可以看出，取决于调制指数和功率因数角(例如图 4中为13度)，与AC市电并联连接的两个CL在相位的特定时段期间分担AC电压，以在m＝1和PF＝1处实现能量平衡。注意，在调制指数等于π/3的情况下，该分担模式会一直发生。

与常规的SMMC相比，该电路具有以下优点：

因为所有的CL电压都是SMMC的CL电压的50％，所以子模块数目减少了25％。

由于CL3的均方根(rms)电流减少而使得损耗减少。

由于子模块数目减少而使得电容器能量需求减少。

在零有功功率情况下提供STATCOM功能。

该电路无需DC环节滤波器即可实现。

简单的换向过程。

注意在图4中不包括晶闸管换向过程。注意在使用诸如反并联晶闸管的电路换向开关的情况下，调整了i_M的di/dt率。

当使用诸如晶闸管的电路换向开关时，故障处理能力因而也得到改善。

DC故障：第二组串中的晶闸管应当被触发并被控制以限制 DC短路电流。

AC故障：内部AC故障可以以与通过诸如在WO 2016/101985中的常规SMMC相同的方式，通过使用晶闸管旁路来处理。

这表明，SMMC可以减少来自MMC的硅(Si)面积和电容性能量需求。通过带有使用上述由互连支路互连的阀部分的变流器模块结构的变流器，可以获得上述需求的进一步的减少，因为变流器模块结构具有更低的子模块要求。通过将自换向导流器开关替换为诸如基于晶闸管的导流器开关的电路换向导流器开关，可以实现关于损耗的进一步改善。

如果Si面积被设置成与MMC中相同，并且晶闸管被用于全部拓扑的导流器开关，那么SMMC可以在与MMC的Si面积相同的情况下将DC环节电压增加40％，而根据本实用新型的实施例，使用上述由互连支路互连的阀部分的结构，与诸如WO 2016/101985中的常规 SMMC相比，可以将DC环节电压增加25％。这可以被直接转换成增加25％的传输功率。

图2所示的变流器模块可以做出多种变型。

图6示出了第二实施例，其中第二阀部分VS2是第一阀部分VS1 的镜像。在该第二实施例中，互连分支BR也缺少子模块。因此，第二组串ST2也包括四个导流器开关：第一、第二、第三和第四导流器开关S1B、S2B、S3B和S4B，其中在第一开关S1B与第二开关S2B 之间形成第三连接点，并且在第三开关S3B与第四开关S4B之间形成第四连接点。在这种情况下，在第三连接点与第四连接点之间串联连接有子模块的第三链式链路CL3和第四链式链路CL4。第三链式链路CL3包括第五子模块SM5和第六子模块SM6，而第四链式链路CL4 包括第七子模块SM7和第八子模块SM8。此外，在该实施例中，第二AC端子ACA2被设置在第三链式链路CL3与第四链式链路CL4 之间的连接点处。第三链式链路CL3和第四链式链路CL4在这里可以交替地操作以形成波形，并且通过对导流器开关S1B、S2B、S3B 和S4B以及链式链路CL3和CL4的适当控制，以与第一链式链路CL1 和第二链式链路CL2相同的方式消除DC环节电压纹波。

有趣的是，由这些类型的变流器模块构成的变流器可以以与诸如 WO 2016/101985中所示的常规SMMC基本上相同的方式进行操作，这导致链式链路的相同功率、损耗和电容器额定值。然而，与常规 SMMC相反的是，不需要使用电路换向开关，而是可以使用自换向开关。然而，如果使用电路换向开关，那么该拓扑将必须处理复杂的换向过程。

图7示出了第三实施例，其中第二组串再次包括四个导流器开关 S1B、S2B、S3B和S4B。互连分支BR中也没有子模块。相反，互连支路BR的第二端连接到第三连接点以及第四连接点。此外，在这种情况下第二连接端子ACA2设置在第二组串ST2的中点处。第一组串ST1中的开关在这里是电路换向开关，而第二组串ST2中的开关是自换向开关。

此外，在这里仅使用第一链式链路CL1和第二链式链路CL2来形成波形并限制DC电压纹波。该拓扑可以通过将链式链路侧上的导流器开关替换为IGBT来减轻第二实施例的晶闸管换流过程的复杂性。

图8示出了第四实施例，其中与图2中的第一实施例相比，互连分支BR的第一端连接到第一链式链路CL1与第二链式链路CL2之间的连接点，并且第一AC端子ACA1设置在第一组串ST1的中点处。该电路拓扑从第一实施例的拓扑移动了链式链路的位置。然而，由于有效链式链路的一半没有连接到DC环节侧，所以该拓扑需要将直流侧电压减少一半。

到目前为止已讨论的四种变型中，图2中所示的共用臂拓扑在Si 面积、损耗和电容性能量需求方面是优选的。

如前所述，电路换向开关的使用需要特殊类型的换向。

图9B示出了以一对反并联晶闸管形式的电路换向开关中的一个晶闸管的换流过程，作为示例，该晶闸管是根据第一实施例的变流器模块12的第二组串ST2中的第二开关S2B中的晶闸管。此外，该晶闸管具有朝向第二阀部分的第二端的电流导通方向。在整个操作时间段期间，晶闸管电流为纯DC。这减少了反并联晶闸管换向过程的复杂性。换向模式可以发生在电压即将过零点或电流即将过零点之前。在换相时间段期间，互连支路BR中的共用链式链路CL3向晶闸管提供负电压Vth，而与AC端子ACA1和ACA2并联的另一个链式链路CL2抵消了不出现在AC端子上的负电压Vth。这种晶闸管换向的缺点是在已经导通晶闸管的相同方向上的晶闸管应当在换向之后被导通。这里，图9A示出了正常操作，而图9B示出了电流换向并且负电压施加到晶闸管的时间。灰色的开关被关断。

到目前为止所描述的本实用新型具有许多优点。

与普通SMMC相比，减少了用于链式链路的子模块的数目，减少幅度可高达15％。

在不增加用于CL的Si面积的情况下，增加了DC环节电压/功率，增加幅度可高达25％。

减少了电容性能量需求，与常规MMC相比减少了70％，与普通SMMC相比减少了25％。

当适用时，提供简单的晶闸管换向。

图10示出了变流器模块的另一个变型。

这里，变流器模块12可以被视为包括导流器阀相脚，该导流器阀相脚包括两个阀：与下阀V1n串联的上阀V1p，其中上阀V1p设置在上相臂中，并且下阀设置在下相臂中。导流器阀由此成对设置，其中每对导流器阀形成一个阀相脚。两个阀相臂之间以及因此两个导流器阀V1p与V1n之间的连接点还为相应的AC相提供第一AC端子 ACA1。在图10中，第一变流器模块12的第一AC端子ACA1连接到变压器TRA的次级绕组的第一端。

导流器阀可以通过一个或多个串联连接的开关形成，该开关为电路换向或自换向开关。

变流器模块12还包括与导流器相脚并联的波形成形器相脚，其中波形成形器相脚包括三个臂；具有电压Up的上阀臂或正阀臂VAp 和具有电压Un的下阀臂或负阀臂Van。在这两个臂之间还有一个中间臂或共用臂。该共用臂与上阀臂VAp和下阀臂Van串联连接并位于上阀臂VAp与下阀臂Van之间，并且连接到相应AC相的第二AC 端子ACA2。共用臂包括共用能量存储元件，该共用能量存储元件在这里以在正阀臂VAp与负阀臂Van之间串联连接的共用电容器CC和旁路开关BPS的形式，其中正阀臂VAP与共用电容器CC之间的连接点为第一连接点，旁路开关BPS与负阀臂Van之间的连接点为第二连接点。这里应当认识到的是，共用电容器和旁路开关连接的顺序可以颠倒。此外还有在第一连接点与第二AC端子ACA2之间连接的第一导流器开关DS1，其也可以被称为负开关。在第二AC端子 ACA2与第二连接点之间转而连接有第二导流器开关DS2，其也可以被称为正开关。最后，第二AC端子ACA2连接到变压器TRA的次级绕组的第二端，该变压器TRA的初级绕组提供三相AC电压的第一相A。图10中还示出了流过正阀臂VAP的电流Ip以及流过共用电容器CC的电流I_CC。

正阀臂VAp和负阀臂Van各自包括子模块的链式链路，该子模块为半桥子模块、全桥子模块或者半桥和全桥子模块的组合。

变流器模块12还在AC端子ACA1与ACA2之间形成AC波形。

在该波形的形成中，导流器阀通过对阀臂中的子模块进行适当控制来提供阀臂的方向或极性以及波的形状。由此例如可以在一对AC 端子上形成正弦波。

可以使用图10中所示的结构及其变型，以使得共用电容器与正阀臂VAp和负阀臂VAn的子模块一起使用。

控制单元18控制开关DS1、DS2以使得共用电容器CC有助于所形成的AC波形的电压电平。这意味着在电压的正半周或正半周期期间(0≤ωt≤π)，第一导流器阀V1p和第二开关DS2导通。与此同时，第二导流器阀V1n和第一开关DS1关断。正阀臂VAp的子模块由此被控制单元18控制以产生所需波形的正半周期并且从共用电容器CC 获得贡献。

在负半周期期间(π≤ωt≤2π)，下导流器阀V1n和第一开关DS1 导通，上导流器阀V1p和第二开关DS2关断。负阀臂VAn和共用电容器CC继而产生AC电压。负阀臂的子模块因此被用于形成波形的负半周期，并且该波形从共用电容器CC获得电压贡献。

在上述通用控制期间，旁路开关被用于选择性地旁路共用电容器 CC。

共用电容器CC因此在上阀臂VAp与下阀臂Van之间共享。由此，无效的臂(即不在波形成形中使用的臂)被利用以充分发挥其潜力。旁路开关BPS用于旁路电容器CC，以便在调制指数高于8/(3π)时保持电容器平衡。该拓扑具有以下特征：

在AC内部故障情况下的晶闸管旁路功能。

串联变流器配置。

链式链路、IGBT、晶闸管和电容器的混合概念。

无DC环节滤波器要求。

图11A至图11D示出了变流器模块的四种开关模式。用粗线表示电流的流动。图11(A)和(D)分别是当电容器CC被插入AC回路中时AC电压为正和负的情况。在图11(B)和(C)的情况下，电容器CC被旁路开关BPS旁路，并且该配置作为常规的SMMC进行操作。提到电流自然地从旁路开关换向到导流器开关(反之亦然) 这一点是重要的。此外，共用电容器被旁路的时间用于控制该电容器中的能量平衡。

在图12中，示出了电压Up、电流Ip和I_CC以及(子模块和共用电容器的)能量波动分量E_P和E_CC。开关模式也在图的底部被标出。共用电容器CC和两个阀臂的额定值在这里已经各自被选择为U_DC的 50％，因此正阀臂电压峰值为U_DC/2。注意，由于旁路开关的使用，调制指数可以增加8/(3π)以上。这种拓扑的最佳点(sweet spot)是π/3，其中子模块电容器和共用电容器在半个循环内达到平衡。

图10的-SMMC变型已被证明在上述操作点具有低的电容性能量需求和总导通损耗。共用电容器的使用允许了额定值的降低以及减少变流器中的损耗。

如图13所示，可以用共用的链式链路CCL来替代旁路开关。然而，硅面积将会增加。共用的链式链路CCL将提供以下额外的特性：

在开关状态期间，该电路可以减轻导流器开关的dv/dt压力并平滑过渡。

如果共用CL由全桥子模块组成，那么可以使用晶闸管作为导流器开关。该特性将要求共用CL，以获得比共用电容器更高的额定值以用于实现晶闸管换向。

与普通SMMC相比，带有旁路开关或共用链式链路的共用电容器的使用提供以下好处：

减少的损耗。

缩小的电容器大小。

更少的占用空间。

更低的成本。

控制单元可以以分立部件的形式实现。然而，控制单元也可以以带有相关程序存储器的处理器的形式来实现，该程序存储器包括在该处理器上运行时执行期望的控制功能的计算机程序代码。载有该代码的计算机程序产品可以被提供为数据载体，诸如一个或多个CD ROM 盘或者载有该计算机程序代码的一个或多个存储棒，该数据载体当被加载到处理器中时执行电压源变流器的控制单元的作用。

从前面的讨论中可以看出，本实用新型可以以多种方式变化。因此应当认识到，本实用新型仅由下面的权利要求所限定。

Claims

1.一种电压源变流器(10)，其特征在于，所述电压源变流器(10)连接在两个直流DC端子(DC1，DC2)之间并且包括：

多个变流器模块(12，14，16)，每个所述变流器模块用于待生成的交流AC波形的每个相，所述变流器模块在所述DC端子之间串联连接并且包括：

两个AC端子(ACA1，ACA2)，

第一阀部分(VS1)，其包括

包括四个导流器开关的导流器开关的第一组串(ST1)，

在第一连接点与第二连接点之间串联连接的子模块的第一链式链路(CL1)和第二链式链路(CL2)，其中所述第一连接点是所述第一组串中的第一导流器开关(S1A)与第二导流器开关(S2A)之间的连接点，所述第二连接点是所述第一组串中的第三导流器开关(S3A)与第四导流器开关(S4A)之间的连接点，

第二阀部分(VS2)，其包括具有两个导流器开关(S1B，S2B)的导流器开关的第二组串(ST2)，其中所述第二组串与所述第一组串并联连接，以及

互连分支(BR)，其具有连接到所述第一阀部分(VS1)的第一端和连接到所述第二阀部分(VS2)的第二端，

其中所述两个AC端子的第一AC端子(ACA1)由所述第一阀部分提供，并且所述两个AC端子的第二AC端子(ACA2)由所述第二阀部分提供。

2.根据权利要求1所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述互连分支(BR)的所述第一端连接到所述第一组串(ST1)的中点。

3.根据权利要求2所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述第一AC端子(ACA1)设置在所述第一链式链路(CL1)与所述第二链式链路(CL2)之间的连接点处。

4.根据权利要求2或3所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述第二组串(ST2)包括四个导流器开关，其中在所述第二组串中的第一导流器开关(S1B)与第二导流器开关(S2B)之间存在第三连接点，在所述第二组串中的第三导流器开关(S3B)与第四导流器开关(S4B)之间存在第四连接点。

5.根据权利要求4所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述第二阀部分(VS2)包括在所述第三连接点与所述第四连接点之间串联连接的子模块的第三链式链路(CL3)和第四链式链路(CL4)。

6.根据权利要求5所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述第二AC端子(ACA2)设置在所述第三链式链路(CL3)与所述第四链式链路(CL4)之间的连接点处。

7.根据权利要求4所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述互连分支的所述第二端连接到所述第三连接点和所述第四连接点。

8.根据权利要求1所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述互连分支的所述第一端连接到所述第一链式链路(CL1)与所述第二链式链路(CL2)之间的连接点处。

9.根据权利要求8所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述第一AC端子(ACA1)设置在所述第一组串(ST1)的中点处。

10.根据权利要求1、2、3、5、6、8和9中任一项所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述互连分支(BR)的所述第二端连接到所述第二组串(ST2)的中点处。

11.根据权利要求1、2、3、5、7、8和9中任一项所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述第二AC端子(ACA2)设置在所述第二组串(ST2)的中点处。

12.根据权利要求1、2、3、8和9中任一项所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述互连分支(BR)包括子模块的第三链式链路(CL3)。

13.根据权利要求1-3和5-9中任一项所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述导流器开关包括带有反并联电路换向部件的开关。

14.根据前述权利要求13所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述反并联部件是能够被导通的电路换向部件。

15.根据权利要求1-3、5-9和14中任一项所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述导流器开关包括带有自换向部件的开关。

16.根据权利要求1-3、5-9和14中任一项所述的电压源变流器(10)，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元被配置成交替地控制所述第一组串(ST1)的第二开关(S2A)和第三开关(S3A)以及所述第二组串的开关(S1B，S2B)，以交替地连接所述两个AC端子(ACA1，ACA2)之间的所述第一链式链路(CL1)和所述第二链式链路(CL2)，并且交替地控制所述第一链式链路(CL1)和所述第二链式链路(CL2)，以在所述AC端子(ACA1，ACA2)之间形成交流波形，以使得所述链式链路具有波形成形时间段和非波形成形时间段。

17.根据权利要求16所述的电压源变流器(10)，其特征在于，所述控制单元(18)还被配置成控制所述第一组串(ST1)的第一开关(SA1)和第四开关(SA4)，以交替地将所述第一链式链路(CL1)和所述第二链式链路(CL2)连接到所述DC端子(DC1，DC2)，并且控制所述第一链式链路(CL1)和所述第二链式链路(CL2)以在所述非波形成形时间段中补偿DC电压纹波。