JP6293379B2 - サイリスタバルブを伴うモジュラーマルチレベル変換器 - Google Patents

Description

本発明は一般的には、電力伝送システム、例えば、高電圧直流（ＨＶＤＣ）電力伝送システムの分野に関する。特に本発明は、交流（ＡＣ）電力システムと直流（ＤＣ）電力システムとの間のインターフェイス装置、例えば、ＡＣ電力システムとＤＣ電力システムとの間の変換器ステーションに関する。

ＨＶＤＣ電力伝送は、電力供給または送達、ならびに、相互接続される電力伝送および分配のシステムに対する増大する必要性に起因して、ますます重要になっている。電気的電力分配または伝送システムなどの電力システムは、一般的には、電力システムに含まれる他の構成要素の動作および／または機能性を、保護、監視、および制御するための保護システムを含み、それらの他の構成要素は、ゆえに、保護されるユニットと呼称され得る。そのような保護システムは例えば、電力システムの、電力線、変圧器、および／または、他の部分もしくは構成要素での、短絡、過電流、および過電圧を検出することができ得る。保護システムは、回路遮断器などの保護機器を含み得るものであり、それらの回路遮断器は、例えば電力伝送および分配線で発生する、任意の起こり得る障害を、回路遮断器を開放またはトリップすることにより切り離すためのものである。例えば、障害が検出された構成要素に関する修理および／または整備を実行することにより、障害が除去された後、電力潮流が、回路遮断器を閉成することにより回復され得る。

インターフェイス装置が、ＡＣ電力システムとＤＣ電力システムとの間に接続されることが知られている。そのような装置は典型的には、ＡＣ電力からＤＣ電力への、またはその逆の変換のための電圧源変換器などの変換器を含む。インターフェイス装置は、ＤＣ電力システムに結合するためのＤＣ側と、ＡＣ電力システムに結合するためのＡＣ側とを有する。装置は、ＡＣシステムに接続される１次側と、変換器に結合するための２次側とを有する変圧器を含むことが多い。

例えばＨＶＤＣ電力システムでは、一般的には、高電圧ＤＣからＡＣに、またはその逆に変換するように構成されるステーションのタイプであるＨＶＤＣ変換器ステーションを、含む、または構成する、インターフェイス装置が含まれる。ＨＶＤＣ変換器ステーションは、変換器それ自体（または、直列に、もしくは並列に接続される複数の変換器）、１つまたは複数の、変圧器、コンデンサ、フィルタ、および／または、他の補助要素などの、複数の要素を備え得る。変換器は、半導体デバイスなどの、複数の固体ベースのデバイスを備え得るものであり、例えば、変換器内で用いられるスイッチ（または、スイッチングデバイス）のタイプに依存して、他励転流（ｌｉｎｅ−ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ）変換器または電圧源変換器と分類され得る。ＩＧＢＴなどの複数の固体半導体デバイスは、ＨＶＤＣ変換器のビルディングブロックまたはセルを形成するために、一体に、例として直列に、接続され得る。

例えば、海上用途に対するＨＶＤＣ変換器に関しては、１つの関心事は変換器ステーションの体積であり得るものであり、その体積は一般的には、可能な限り小さいことを所望される。変換器ステーションの体積の低減は、一般的には、変換器ステーションのコストの、およびさらには例えば、海上プラットフォームのコストの低減を必然的に伴うことになる。モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）は普通、古典的な変換器と比較して、相対的に小さな体積または「設置面積」を有するものであり、なぜならばＭＭＣは一般的に、ＡＣフィルタまたはＤＣ受動フィルタを要さず、それらのフィルタは普通、相対的に大きな体積または設置面積を有するからである。ＭＭＣは例えば、カスケード型２レベル（ＣＴＬ：Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｔｗｏ Ｌｅｖｅｌ）変換器セルをビルディングブロックとして含み得る。変換器体積は、変換器セルの数に正比例する。各々のＣＴＬ変換器セルは普通、スイッチまたはスイッチングデバイスとしての２つのＩＧＢＴと、電気的エネルギー貯蔵要素とを備える。コンデンサなどの電気エネルギー貯蔵要素は、一般的に、相対的に大きな体積または設置面積を有する。変換器体積を低減するための１つの実現可能なことは、変換器セルの数を低減することである。

異なるＨＶＤＣ変換器接続形態が使用され得るものであり、それらの接続形態の例は、並列ＭＭＣおよび直列ＭＭＣである。並列ＭＭＣ接続形態を伴うＨＶＤＣ変換器では、変換器相レッグは、ＤＣ極の間に（ＨＶＤＣ変換器のバイポール装置との連関で）、電気的に並列に接続され、カスケード型変換器セルを含み、それらの変換器セルは例えば、ハーフブリッジ変換器セル（２レベル）またはフルブリッジ変換器セル（３レベル）であり得る。各々の相レッグは普通、２つの相アームを備え、それらの相アームは、正変換器アームおよび負変換器アーム、または、上方変換器アームおよび下方変換器アームと呼称され得る。各々の変換器アームは、ＤＣ極−ＤＣ極電圧に耐えることができるように構築され得る。直列ＭＭＣ接続形態を伴うＨＶＤＣ変換器では、変換器相レッグは、ＤＣ極の両端間に（再び、ＨＶＤＣ変換器のバイポール装置との連関で）、電気的に直列に接続される。並列ＭＭＣ接続形態変換器に関しては、各々の相レッグは普通、２つの相アームを備え、それらの相アームは、正変換器アームおよび負変換器アーム、または、上方変換器アームおよび下方変換器アームと呼称され得る。

直列ＭＭＣ接続形態変換器に対して要される変換器セルの総数は、並列ＭＭＣ接続形態変換器に対して要される変換器セルの総数の半分、または約半分であり得る。直列ＭＭＣ接続形態変換器を使用することは、ゆえに、並列ＭＭＣ接続形態変換器を使用することと比較して、より低いコストを必然的に伴い得るものであり、そのことは、要される構成要素の総数の低減、および、変換器ステーションに対して要される、より小さな体積の両方に基づくものである。直列ＭＭＣ接続形態変換器を使用することにより、変換器体積の有意な低減が、並列ＭＭＣ接続形態変換器を使用することと比較して達成され得るにしても、そのことは、さらに少ない空間を要する変換器ステーションによれば、望ましいことになる。

上記に鑑みると、本発明の関心事は、変換器体積の低減を容易にすることを可能とし得る、交流（ＡＣ）電力システムを直流（ＤＣ）電力システムと結合するように構成されるインターフェイス装置を提供することである。

この関心事、および他の関心事の、少なくとも１つに対処するために、独立請求項に従うインターフェイス装置が提供される。好ましい実施形態は、従属請求項により定義される。

第１の態様によれば、ＡＣ電力システムをＤＣ電力システムと、またはその逆に結合するように構成されるインターフェイス装置が提供される。インターフェイス装置は、ＡＣ電力からＤＣ電力への、またはその逆の変換のための複数の変換器モジュールを備える。変換器モジュールは、電気的に直列に接続される。各々の変換器モジュールは、ＡＣ波形、例えばＡＣ電圧波形の少なくとも一部分を提供するように構成される。各々の変換器モジュールは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルを備え、各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、例えばＤＣ電力システムの電圧に基づいて提供するように構成される。各々の変換器モジュールは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルに電気的に接続される、少なくとも１つの変換器バルブを備える。インターフェイス装置は、少なくとも１つの変換器バルブが、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御するように、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で、制御可能にスイッチ可能であるように構成または配置構成される。少なくとも１つの変換器バルブは、少なくとも２つの逆並列サイリスタを含む。

インターフェイス装置は例えば、変換器ステーション、例えばＨＶＤＣ変換器ステーションに含まれ得る、または、その変換器ステーションを構成し得る。

変換器モジュールであって、それらの各々が、電気的に直列に接続される少なくとも１つのマルチレベル変換器セルを備える、変換器モジュールの方法により、インターフェイス装置は、直列ＭＭＣ接続形態を用いる。並列ＭＭＣ接続形態を用いることと比較して、変換器体積の低減が達成され得る。同じく、このことは、インターフェイス装置に対する相対的に低いコストを、およびさらに、インターフェイス装置が例えばＨＶＤＣ変換器として海上用途で用いられる任意の設置の低減されるコストを可能とし得る。さらに、マルチレベル変換器セルを備える変換器モジュールの方法により、インターフェイス装置は、ＭＭＣ原理によって動作し得るものであり、そのことにより、総変換器体積は、相対的に低く保たれ得るものであり、なぜならばＭＭＣは一般的に、ＡＣフィルタまたはＤＣ受動フィルタを要さないからである。

各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、例えばＤＣ電力システムの電圧に基づいて提供するように構成される。マルチレベル変換器セルは、ゆえに、ＡＣ電力システムまたはＤＣ電力システムのいずれかの要件を満たすために、所望されるＡＣ電圧波形を合成するために使用され得る。インターフェイス装置は、ゆえに、電圧源変換器として動作させられ得るものであり、ＤＣ側電圧はＡＣ側電圧を確立する。

少なくとも１つの変換器バルブは、代替的に、ダイレクタバルブ（ｄｉｒｅｃｔｏｒ ｖａｌｖｅ）またはＡＣ波形整形器と呼称され得るものであり、なぜならば、少なくとも１つの変換器バルブは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御し得るからである。逆並列ダイオードと一体のＩＧＢＴなどのスイッチまたはスイッチングデバイスを含む変換器バルブを使用することと比較して、少なくとも２つの逆並列サイリスタを含む少なくとも１つの変換器バルブの使用は、いくつもの利点を供し得る。

例えば、所定の事態の間、一般的には、ＤＣ電力システムでの障害の間などの異常事態の間、インターフェイス装置では、および／または、ＤＣ電力システムでは、インターフェイス装置の構成要素がさらされ得る、相対的に高い電流、およびゆえに、電圧が存し得る。例えば、変換器モジュールのＡＣ側またはＡＣバス上の（例えば、変換器モジュールと、変換器モジュールとＡＣ電力システムとの間に配置構成される変圧器との間の電流経路での）単相−負ＤＣ極障害の間、変換器モジュールの少なくとも１つ（例えば、ＤＣ極に最も近いもの）の、上方または正変換器アームは、障害電流に起因して、相対的に高いＤＣ電圧を直接受け得るものであり、そのＤＣ電圧は、変換器アーム内のコンデンサなどの電気的エネルギー貯蔵要素を充電し得る。例えば、バイポーラ多相構成では、このことは、正ＤＣ極に最も近い変換器モジュールの上方または正変換器アームに、およびさらには、負ＤＣ極に最も近い変換器モジュールの下方負変換器アームに適用され得る。そのような状況を統御するための１つの解決策は、電気的エネルギー貯蔵要素を、ことによると発生し得るそのような高いＤＣ電圧を統御するための能力を有するように、過度に定格設定する（ｏｖｅｒｒａｔｅ）ことである。しかしながら、変換器アーム内のコンデンサなどの電気的エネルギー貯蔵要素の、過度に定格設定することは、変換器ステーションの総体積、および、その変換器ステーションのコストの両方を増大し得る。

少なくとも２つの逆並列サイリスタを含む少なくとも１つの変換器バルブの方途により、電流は、少なくとも１つの変換器バルブによって、例えば、変換器セルまたは変換器セルアームを、事態に依存して要される、または所望される際に、選択的に迂回するように、選択的に経路指定され得る。このことは、別の構成要素を迂回するような電流の選択的な経路指定の能力を供し得ない、または、その選択的な経路指定の制限された能力を供し得る、逆並列ダイオードと一体のＩＧＢＴなどのスイッチまたはスイッチングデバイスを含む変換器バルブを使用することとは対照的である。例えば、先に述べたような、変換器モジュールのＡＣ側またはＡＣバス上の単相−負ＤＣ極障害の間、少なくとも１つの変換器バルブは、障害電流を、少なくとも１つの変換器バルブによって、例えば、変換器モジュールの少なくとも１つの、上方または正変換器アームを迂回し、そのことにより、ことによると、変換器モジュール内のコンデンサなどの電気的エネルギー貯蔵要素の過充電を回避するように、経路指定するために使用され得るものであり、そのことにより、変換器モジュール内のそのような電気的エネルギー貯蔵要素を、過度に定格設定することに対する必要性が、低減される、または回避されることさえある。このように、少なくとも２つの逆並列サイリスタを含む少なくとも１つの変換器バルブの方途により、変換器ステーションの総体積、および、その変換器ステーションのコストは、相対的に低く保たれ得る。

複数の変換器モジュールは、直列に、例えば、第１のＤＣ極と第２のＤＣ極との間に、または、ＤＣ極と接地との間に、電気的に接続され得る。

インターフェイス装置は、インターフェイス装置の、１つまたは複数の他の構成要素の動作を制御するように構成される制御ユニットを備え得る。例えば制御ユニットは、少なくとも１つの変換器バルブを、少なくとも、その少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングに関して制御するように構成され得る。

例えばＤＣリンク障害などの、電力システムでの障害の発生の事例では、少なくとも１つの変換器バルブの逆並列サイリスタは、インターフェイス装置内部の障害電流経路を制御すること、すなわち、インターフェイス装置内部の障害電流を選択的に経路指定することを、少なくとも１つの変換器バルブ内の逆並列サイリスタの制御されるスイッチングの方途により、少なくとも１つの変換器バルブを、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で選択的にスイッチするように行うために使用され得る。

例えば制御ユニットは、インターフェイス装置での障害電流の存在を指示する指示を受信することに応答して、障害電流を少なくとも１つの変換器バルブを通して送り、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルの少なくとも一部分を迂回するように、少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングを制御するように構成され得る。好ましくは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セル内のコンデンサなどの任意の電気的エネルギー貯蔵要素は、この方法で、障害電流に起因する電気的エネルギー貯蔵要素の過充電を回避するように迂回され得る。インターフェイス装置での障害電流の存在を指示する指示は、例えば、制御ユニットに、一部の保護システムまたはモジュールからにより、電力システムに含まれる構成要素の動作および／または機能性を、保護、監視、および制御するために送信され得る。指示は、当技術分野で知られているような有線および／または無線通信経路を使用して送信され得る。障害は例えば、第１のＤＣ極および第２のＤＣ極の１つでの障害、または、変換器モジュールのＡＣ側もしくはＡＣバス上の単相−負ＤＣ極障害であり得る。制御ユニットは、第１のＤＣ極および第２のＤＣ極の１つでの障害により引き起こされる、インターフェイス装置での障害電流の存在を指示する指示を受信することに応答して、障害電流を、少なくとも１つの変換器バルブを通って、第１のＤＣ極および第２のＤＣ極の他方の１つに送るように、前記少なくとも１つ変換器バルブのスイッチングを制御し、同時に、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルの少なくとも一部分を迂回するように行うように構成され得る。例えば、変換器モジュールのＡＣ側またはＡＣバス上の単相−負ＤＣ極障害の間、少なくとも１つの変換器バルブは、障害電流を、少なくとも１つの変換器バルブによって、例えば、変換器モジュールの少なくとも１つの、上方または正変換器アームを迂回し、そのことにより、ことによると、変換器モジュール内のコンデンサなどの電気的エネルギー貯蔵要素の過充電を回避するように、経路指定するために使用され得る。障害電流は次いで、例えば、変換器モジュールの下方または負変換器アームのダイオードによって経路指定され得る。ダイオードサージ電流定格は好ましくは、推定される最大障害電流に基づく、または、その最大障害電流により定義される。変換器アームの迂回は、変換器モジュールのＡＣ側またはＡＣバスと、ＡＣ電力システムとの間の電流経路に配置構成されるＡＣ回路遮断器が、トリップまたは開放されてしまうまで遂行され得る。

先に述べたように、少なくとも１つの変換器バルブは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御するように、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で、制御可能にスイッチ可能である。少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングは、例えば、ＡＣ電力システムの基本周波数に基づき得る。少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングは、例えば、制御信号を、そのようなものとして当技術分野で知られている様式で（例えば、制御ユニットにより）生成し、制御信号を、少なくとも１つの変換器バルブ（のサイリスタ）に供給することの方途により、または、その生成し、供給することに基づいて遂行され得る。

例えば、少なくとも１つの変換器バルブは、電流が、逆並列サイリスタの対内のサイリスタの一方から、他方のサイリスタに転流を行われるようにスイッチされ得るものであり、スイッチングは好ましくは、電流が、一方のサイリスタから他方にシームレスに、ならびに原理的には、任意の負荷および力率条件のもとで、転流を行うように制御される。電流が、逆並列サイリスタの対内のサイリスタの一方から、他方のサイリスタに転流を行われるような、少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングは、ゼロ電圧で、または、相対的に低い電圧で遂行され得るものであり、そのことにより、スイッチング損失は、相対的に低く保たれ得る。このように、逆並列サイリスタを備える少なくとも１つの変換器バルブに鑑みると、少なくとも１つの変換器バルブ（のサイリスタ）のスイッチングは、相対的に低い周波数、電流、および／または電圧で遂行され得るものであり、そのことは、「ソフトスイッチング」と呼称され得るものであり、そのため、電圧および／または電流の相対的に小さな変化が、時間の所与の期間の間に存し得るものであり、そのことにより、スイッチング損失は、相対的に低く保たれ得る。さらには、サイリスタは一般的には、例えばＩＧＢＴと比較して、低い伝導損失を有する。

少なくとも１つの変換器バルブは、少なくとも２つの逆並列サイリスタを含み、本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、逆並列サイリスタ対を含むのみであり得るものであり、または、自己転流ではないスイッチング要素を含むのみであり得る。したがってインターフェイス装置は、少なくとも１つの変換器バルブが、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御するように、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で、制御可能にスイッチ可能であるように構成される。その最終目的で、インターフェイス装置、またはことによると、各々の変換器モジュールは、例えば、少なくとも１つの転流セルを備え得るものであり、その転流セルは、ＤＣ電力システムに電気的に接続され、少なくとも１つの変換器バルブに電気的に接続される。転流セルは、少なくとも１つの変換器バルブ、例えば、変換器モジュールであって、それに転流セルが含まれる、または、それに転流セルが関連付けられる変換器モジュールは、選択的に少なくとも１つの変換器バルブを非伝導状態にするようにスイッチ可能であり得る。すなわち転流セルは、少なくとも１つの変換器バルブ（のサイリスタ）の強制的な転流に対する電圧を提供し得る。

ＡＣ電力システムは、複数の相を備え得る。各々の変換器モジュールは、相の１つに対応し得る。変換器モジュールと相との間の対応関係は１対１であり得るものであり、そのため、各々の相に対応する、別々の、または個別の変換器モジュールが存し得る。インターフェイス装置は、ゆえに、多相装置であり得る。

ＤＣ電力システムに電気的に接続される複数の変換器モジュールは、例えば、直列に、第１のＤＣ極と第２のＤＣ極との間に、または、ＤＣ極と接地との間に、電気的に接続され得る。このようにインターフェイス装置は、例えば、モノポール構成またはバイポール構成によって構成され得る。インターフェイス装置は、しかしながら、それらの構成に制限されるのではなく、例えば代替的に、非対称モノポール構成によって構成され得る。

本出願の文脈では、マルチレベル変換器セルにより、ＡＣ電圧（波形）を形成する際に使用され得る、複数個の（２つ以上の）電圧レベルを提供する能力があるように構成される変換器セルが意味される。

マルチレベル変換器セルは例えば、ハーフブリッジもしくは２レベルセル、または、フルブリッジもしくは３レベルセルを備え得る。

マルチレベル変換器セルは例えば、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）−ダイオード対を含む、スイッチング要素の直列接続と、例えば、電気的に並列に接続される、少なくとも１つのコンデンサ、および／または、別のタイプの電気的エネルギー貯蔵要素を備え得るものであり、各々のＩＧＢＴ−ダイオード対は、１つまたは複数のＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに関して逆並列方式で配置構成されるダイオードとを備える。

本出願の文脈では、サイリスタなどの逆並列（または、反転並列）電気的デバイスにより、デバイスであって、電気的に並列に接続され、ただし、互いに関して逆にされたそれらのデバイスの極性を伴う、デバイスが意味される。このように本出願の文脈では、逆並列サイリスタにより、互いに関して逆並列方式で配置構成されるサイリスタが意味される。

インターフェイス装置は、ＤＣ電力システムへのインターフェイス装置の結合のためのＤＣ側と、ＡＣ電力システムへのインターフェイス装置の結合のためのＡＣ側とを備え得る。ＡＣ側および／またはＤＣ側は例えば、少なくとも１つの端子を含み得る。

本出願の文脈では、変換器バルブの非伝導状態により、変換器バルブによる電流の伝導が存しない、または、その電流の非常にわずかな伝導のみが存する状態が意味される。このように転流セルは、変換器バルブが電流を伝導することを（実質的に）停止するようにスイッチ可能であり得る。

少なくとも１つの転流セルは例えば、ＤＣ電力システムからのＤＣ電力によって選択的に充電され、選択的に放電され得る、少なくとも１つの電気的エネルギー貯蔵要素、例えばコンデンサを備え得る。転流セルのスイッチングにより、その転流セルは、変換器バルブ内のサイリスタの少なくとも１つの両端間に、選択された電圧を、少なくとも１つのサイリスタを非伝導状態にスイッチするために提供し得る。変換器バルブ内の他のサイリスタは、伝導状態であり得る。そのことにより変換器バルブは、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態にスイッチされ得る。

マルチレベル変換器セルは例えば、ＤＣ電力システムからのＤＣ電力によって選択的に充電され、選択的に放電され得る、少なくとも１つの電気的エネルギー貯蔵要素、例えばコンデンサを備え得る。各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、電気的エネルギー貯蔵要素の電圧、例えば、電気的エネルギー貯蔵要素の両端間の電圧に基づいて提供するように構成され得る。

少なくとも１つの、または各々の変換器モジュールは、マルチレベル変換器セルアーム内で電気的に接続される複数のマルチレベル変換器セル、および／または、変換器バルブアーム内で電気的に接続される複数の変換器バルブを備え得る。少なくとも１つの変圧器は、ＡＣ電力システムと、変換器バルブアームの中点、および、マルチレベル変換器セルアームの中点との間に接続され得る。マルチレベル変換器セルアームおよび変換器バルブアームは、例えば、電気的に並列に接続され得る。

本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、マルチレベル変換器セルアーム内のマルチレベル変換器セルの少なくとも１つは、フルブリッジセルを備え得る。１つの例によれば、少なくとも１つの転流セルは、フルブリッジセルを備える少なくとも１つのマルチレベル変換器セルを備え得る、または、その少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより構成され得る。別の例によれば、マルチレベル変換器セルアーム内の複数のマルチレベル変換器セルの各々は、フルブリッジセルを備え得るものであり、少なくとも１つの転流セルは、マルチレベル変換器セルアーム内のマルチレベル変換器セルのいずれか１つを備え得る、または、そのいずれか１つにより構成され得る。後者の例によれば、転流セルは、ゆえに、マルチレベル変換器セルアーム内で利用可能なマルチレベル変換器セルのいずれか１つを備え得る、または、そのいずれか１つにより構成され得る。

第２の態様によれば、ＡＣ電力システムをＤＣ電力システムと結合するように構成される変換器ステーションが提供される。変換器ステーションは、第１の態様によるインターフェイス装置を含む、または、そのインターフェイス装置により構成される。変換器ステーションは例えば、ＨＶＤＣ変換器ステーションに含まれ得る、または、ＨＶＤＣ変換器ステーションにより構成され得る。

第３の態様によれば、ＡＣ電力システムとＤＣ電力システムとを含む電力システムが提供される。第３の態様による電力システムは、ＡＣ電力システムをＤＣ電力システムと結合するように構成される、第１の態様によるインターフェイス装置を備える。電力システムは例えば、ＨＶＤＣ電力システムおよび／またはＤＣグリッドを含み得る。

本発明のさらなる目的および利点を、以下で、例示の実施形態の方途により説明する。本発明は、特許請求の範囲に詳述される特徴の、すべての可能な組み合わせに関するということに留意する。さらに、本発明の特徴、および、本発明に関する利点は、添付の特許請求の範囲、および、本明細書での説明を考究することで明らかになろう。当業者は、本発明の異なる特徴が、本明細書で説明するもの以外の実施形態を創出するために組み合わされ得るということを承知している。

本発明の例示の実施形態を、下記で、付随する図面の参照によって説明する。

本発明の実施形態によるインターフェイス装置の概略回路線図である。 本発明の実施形態に従うインターフェイス装置の一部分の概略回路線図である。 本発明の実施形態に従うマルチレベル変換器セルの概略回路線図である。 本発明の実施形態に従うマルチレベル変換器セルの概略回路線図である。 本発明の実施形態に従う変換器バルブの概略回路線図である。 本発明の実施形態に従う転流セルの概略回路線図である。 本発明の実施形態による電力システムの概略ブロック線図である。

すべての図は、概略的であり、必ずしも一定の縮尺ではなく、一般的には、本発明の実施形態を明瞭にするために必要である部分を示すのみであり、他の部分は、省略され得る、または、単に示唆され得る。

本発明をここで、本明細書では以降、本発明の例示の実施形態が示される、付随する図面の参照によって説明する。本発明は、しかしながら、多くの異なる形式で実施され得るものであり、本明細書で論述する本発明の実施形態に制限されると解釈されるべきではなく、むしろこれらの実施形態は、例の方法により提供され、そのことによって本開示は、本発明の範囲を当業者に伝えることになる。

図１は、本発明の実施形態によるインターフェイス装置１００の概略回路線図である。インターフェイス装置１００は、ＡＣ電力システム１０２をＤＣ電力システム１０３と、またはその逆に結合するように構成される。インターフェイス装置１００、ＡＣ電力システム１０２、およびＤＣ電力システム１０３は、電力システムに含まれ得る、または、電力システムを構成し得る。インターフェイス装置１００は、ＡＣ電力からＤＣ電力への、またはその逆の変換のための３つの変換器モジュール１０４、１０５、１０６を備える。

変換器モジュール１０４、１０５、１０６は、直列に、電気的に接続される。例えば、図１で例解される本発明の実施形態に従えば、変換器モジュール１０４、１０５、１０６は、第１のＤＣ極または端子Ｔ１と、第２のＤＣ極または端子Ｔ２との間に、電気的に直列に接続され得る。第１のＤＣ極または端子Ｔ１は、ＤＣ電圧＋Ｕ_ｄであり得る。第２のＤＣ極または端子Ｔ２は、ＤＣ電圧−Ｕ_ｄであり得る。代替的または追加的に（図１では指示されない）、変換器モジュール１０４、１０５、１０６は、直列に、ＤＣ極と接地との間に、電気的に接続され得る。このようにインターフェイス装置１００は、例えば、モノポール構成、またはバイポール構成、または非対称モノポール構成によって構成され得る。

変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、ＡＣ波形、例えばＡＣ電圧波形の少なくとも一部分を提供するように構成され得る。その最終目的で、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、少なくとも１つのマルチレベル変換器セル（図１では示されない）を備え得るものであり、各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、例えば（少なくとも）ＤＣ電力システムの電圧に基づいて提供するように構成される。

ＡＣ電力システム１０２は、複数の相を備え得る。例によればＡＣ電力システム１０２は、３相電力システムであり得る。図１で例解される本発明の実施形態に従えば、ＡＣ電力システム１０２は、ＡＣ電力システム１０２をＤＣ電力システム１０３と、またはその逆に結合するための、３つの導体または相を備える３相電力システムであり、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、変換器モジュール１０４、１０５、１０６と３つの相との間に１対１対応関係が存するように、１つの相に対応する。しかしながら、図１で（およびさらには、以下で説明する図２で）例解されるような、相の数、および、変換器モジュールの数は、例によるものであるということ、ならびに、原理的には、任意の数の相、および、任意の数の変換器モジュール、例えば、１つもしくは２つの相、および／または、２つもしくは４つの変換器モジュールが可能であるということを理解されたい。

図１で例解されるように、（３つの）相、および、（３つの）変換器モジュール１０４、１０５、１０６は、ＤＣ側上で、ＤＣリンク電圧を共有するように、電気的に直列に接続され得る。

インターフェイス装置１００は、変圧器を備え得るものであり、その変圧器は、ＡＣ電力システム１０２への変圧器の結合のための１次側と、変換器モジュール１０４、１０５、１０６への変圧器の結合のための２次側とを備え得る。図１で例解される本発明の実施形態に従えば、変圧器は、１つが各々の相のための、３つの（別々の）「相変圧器」１０７、１０８、１０９を備えると考えられ得る、３相変圧器である。相変圧器１０７、１０８、１０９の各々は、ＡＣ電力システム１０２への相変圧器１０７、１０８、１０９の結合のための１次側と、それぞれの変換器モジュール１０４、１０５、１０６への相変圧器１０７、１０８、１０９の結合のための２次側とを備え得る。それぞれの相変圧器１０７、１０８、１０９の１次側は、ＡＣ電力システム１０２に結合されるように配置構成される１次巻線のセットを備え得る。それぞれの相変圧器１０７、１０８、１０９の２次側は、それぞれの変換器モジュール１０４、１０５、１０６に結合されるように配置構成される２次巻線のセットを備え得る。相変圧器１０７、１０８、１０９の各々は、他のものとは独立して、制御され得る、および／または、動作させられ得る。

インターフェイス装置１００は、変換器モジュール１０４、１０５、１０６のＡＣ側またはＡＣバスと、ＡＣ電力システム１０２との間の電流経路に配置構成される回路遮断器を備え得る。ゆえに、回路遮断器はＡＣ回路遮断器であり得る。図１で例解される本発明の実施形態に従えば、回路遮断器は、１つが各々の相のための、３つの（別々の）「相回路遮断器」１１０、１１１、１１２を備えると考えられ得る。さらに、図１で例解される本発明の実施形態に従えば、相回路遮断器１１０、１１１、１１２は、それぞれの相変圧器１０７、１０８、１０９と、ＡＣ電力システム１０２との間の電流経路に配置構成され得る。相回路遮断器１１０、１１１、１１２の各々は、電流経路での電流の流れの中断を、相回路遮断器１１０、１１１、１１２の接点（図１では示されない）の開放を基に、制御可能に為すように構成される。相回路遮断器１１０、１１１、１１２は例えば、それぞれの相変圧器１０７、１０８、１０９の１次巻線のセットと、ＡＣ電力システム１０２との間の電流経路に配置構成され得る。相回路遮断器１１０、１１１、１１２の各々は、ことによると、他のものとは独立して、制御され得る、および／または、動作させられ得る。

図１で例解されるように、相の各々は、それぞれの相変圧器１０７、１０８、１０９と、ＡＣ電力システム１０２との間の電流経路に配置構成される、リアクトルまたはインダクタ１１３、１１４、１１５を含み得る。例えば図１によれば、リアクトルまたはインダクタ１１３、１１４、１１５は、それぞれの相回路遮断器１１０、１１１、１１２と、ＡＣ電力システム１０２との間の電流経路に配置構成され得る。

さらに図１で例解されるように、相の各々は、ＡＣ電力システム１０２に、それぞれ端子Ｔ３、Ｔ４、およびＴ５の方法により結合され得る。

図１で例解されない様々な構成要素が、インターフェイス装置１００に含まれ得るということを理解されたい。このように図１で示されない、そのような構成要素は、例えば、抵抗器、コンデンサ、フィルタ、追加的な変圧器、および／または、他の補助要素を含み得る。

図２は、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の例示的な構成を例解する、図１で例解されるインターフェイス装置１００の一部分の概略回路線図である。図１に関して先に述べたように、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、ＡＣ波形、例えばＡＣ電圧波形の少なくとも一部分を提供するように構成され得る。その最終目的で、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、複数のマルチレベル変換器セルを備え得るものであり、各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、例えば（少なくとも）ＤＣ電力システム１０３の電圧に基づいて提供するように構成される。

変換器モジュール１０４は、例えば、図２で例解されるように、電気的に直列に接続され、マルチレベル変換器セルアーム１６１内に配置構成される、複数のマルチレベル変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎ、および、１４２−１、…、１４２−Ｎを含み得る。マルチレベル変換器セルアーム１６１のマルチレベル変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎは、変換器モジュール１０４の上方マルチレベル変換器セルアームを構成し、マルチレベル変換器セルアーム１６１のマルチレベル変換器セル１４２−１、…、１４２−Ｎは、変換器モジュール１０４の下方マルチレベル変換器セルアームを構成する。

同様に、変換器モジュール１０５は、例えば、図２で例解されるように、電気的に直列に接続され、マルチレベル変換器セルアーム１６２内に配置構成される、複数のマルチレベル変換器セル１４３−１、…、１４３−Ｎ、および、１４４−１、…、１４４−Ｎを含み得る。マルチレベル変換器セルアーム１６２のマルチレベル変換器セル１４３−１、…、１４３−Ｎは、変換器モジュール１０５の上方マルチレベル変換器セルアームを構成し、マルチレベル変換器セルアーム１６２のマルチレベル変換器セル１４４−１、…、１４４−Ｎは、変換器モジュール１０５の下方マルチレベル変換器セルアームを構成する。

同様に、変換器モジュール１０６は、例えば、図２で例解されるように、電気的に直列に接続され、マルチレベル変換器セルアーム１６３内に配置構成される、複数のマルチレベル変換器セル１４５−１、…、１４５−Ｎ、および、１４６−１、…、１４６−Ｎを含み得る。マルチレベル変換器セルアーム１６３のマルチレベル変換器セル１４５−１、…、１４５−Ｎは、変換器モジュール１０６の上方マルチレベル変換器セルアームを構成し、マルチレベル変換器セルアーム１６３のマルチレベル変換器セル１４６−１、…、１４６−Ｎは、変換器モジュール１０６の下方マルチレベル変換器セルアームを構成する。

図２で例解される本発明の実施形態では、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の上方マルチレベル変換器セルアームおよび下方マルチレベル変換器セルアームは、各々、Ｎ個のマルチレベル変換器セルを含み、Ｎは、１０、１５、または２０などの整数である。しかしながら、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、原理的には、任意の数のマルチレベル変換器セルを含み得るということを理解されたい。例によれば、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、単一のマルチレベル変換器セルを含み得る。

ここで図３を参照すると、図２で示されるマルチレベル変換器セル１４１−１の例構成が示されている。図２で示される他のマルチレベル変換器セル１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、１４６−１、…、１４６−Ｎの任意のものは、図３で例解されるマルチレベル変換器セル１４１−１と同じ様式で、または、同様の様式で構成され得るということを理解されたい。図３で例解される例によれば、マルチレベル変換器セル１４１−１は、２つのスイッチまたはスイッチング要素１９１、１９２と、コンデンサ１９３とを備える。図３で例解される例によれば、スイッチまたはスイッチング要素１９１、１９２の各々は、ダイオードと一体のトランジスタを備える。トランジスタは例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を備え得る。図３で示されるスイッチング要素１９１、１９２は例によるものであるということ、および、他のタイプのスイッチング要素が使用され得るということを理解されたい。さらには、マルチレベル変換器セル１４１−１は、コンデンサ１９３を電気的エネルギー貯蔵要素として使用することに制限されるのではなく、他のタイプの電気的エネルギー貯蔵要素が用いられ得る。図２の参照によれば、コンデンサ１９３は、ＤＣ電力システム１０３からのＤＣ電力によって選択的に充電され、選択的に放電され得る。マルチレベル変換器セル１４１−１は、そのことにより、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、コンデンサ１９３（または、別の電気的エネルギー貯蔵要素）の電圧に基づいて提供するように制御され得る。

図３は、２つのスイッチまたはスイッチング要素１９１、１９２が、直列に、電気的エネルギー貯蔵要素１９３の両端間に接続される、ハーフブリッジ回路として構成され、スイッチまたはスイッチング要素１９１、１９２の間の中点接続、および、電気的エネルギー貯蔵要素１９３端子の１つを、外部接続として伴う、マルチレベル変換器セル１４１−１を例解する。しかしながら、この構成は非制限的な例によるものであるということ、および、変形が可能であるということを理解されたい。例えばマルチレベル変換器セル１４１−１は、フルブリッジ回路として構成され得る。マルチレベル変換器セル１４１−１をフルブリッジ回路として構成することは、いずれかの極性での回路内への電気的エネルギー貯蔵要素１９３の挿入を可能とし得る、または、容易にし得る。図４は、フルブリッジ回路として構成されるマルチレベル変換器セル１４１−１を例解する。図４で例解されるマルチレベル変換器セル１４１−１は、各々が、ダイオードと一体のトランジスタ（例えば、ＩＧＢＴ）を備える、４つのスイッチまたはスイッチング要素１９１、１９２、１９６、１９７を備える。図４で例解されるマルチレベル変換器セル１４１−１は、コンデンサ１９３の形式での電気的エネルギー貯蔵要素をさらに備える。

図２のさらなる参照によれば、マルチレベル変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、および、１４６−１、…、１４６−Ｎの任意のものは、例えば、ハーフブリッジもしくは２レベルセル、または、フルブリッジもしくは３レベルセルを備え得る。

図２のさらなる参照によれば、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、複数の変換器バルブを備え得る。複数の変換器バルブは、マルチレベル変換器セルに電気的に接続され、それぞれのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御するように、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で、制御可能にスイッチ可能である。

変換器モジュール１０４は、例えば、図２で例解されるように、電気的に直列に接続され、変換器バルブアーム１７１内に配置構成される、複数の変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎ、および、１５２−１、…、１５２−Ｎを含み得る。変換器バルブアーム１７１の変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎは、変換器モジュール１０４の上方変換器バルブアームを構成し、変換器バルブアームの変換器バルブ１５２−１、…、１５２−Ｎは、変換器モジュール１０４の下方変換器バルブアームを構成する。

同様に、変換器モジュール１０５は、例えば、図２で例解されるように、電気的に直列に接続され、変換器バルブアーム１７２内に配置構成される、複数の変換器バルブ１５３−１、…、１５３−Ｎ、および、１５４−１、…、１５４−Ｎを含み得る。変換器バルブアーム１７２の変換器バルブ１５３−１、…、１５３−Ｎは、変換器モジュール１０５の上方変換器バルブアームを構成し、変換器バルブアームの変換器バルブ１５４−１、…、１５４−Ｎは、変換器モジュール１０５の下方変換器バルブアームを構成する。

同様に、変換器モジュール１０６は、例えば、図２で例解されるように、電気的に直列に接続され、変換器バルブアーム１７３内に配置構成される、複数の変換器バルブ１５５−１、…、１５５−Ｎ、および、１５６−１、…、１５６−Ｎを含み得る。変換器バルブアーム１７３の変換器バルブ１５５−１、…、１５５−Ｎは、変換器モジュール１０６の上方変換器バルブアームを構成し、変換器バルブアームの変換器バルブ１５６−１、…、１５６−Ｎは、変換器モジュール１０６の下方変換器バルブアームを構成する。

図２で例解される本発明の実施形態では、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の上方変換器バルブアームおよび下方変換器バルブアームは、各々、Ｎ個の変換器バルブを含み、Ｎは、１０、１５、または２０などの整数である。しかしながら、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、原理的には、任意の数の変換器バルブを含み得るということを理解されたい。例によれば、変換器モジュール１０４、１０５、１０６の各々は、単一の変換器バルブを含み得る。

ここで図５を参照すると、図２で示される変換器バルブ１５１−１の例構成が示されている。図２で示される他の変換器バルブ１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎの任意のものは、図５で例解される変換器バルブ１５１−１と同じ様式で、または、同様の様式で構成され得るということを理解されたい。図５で例解される例によれば、変換器バルブ１５１−１は、少なくとも２つの逆並列サイリスタ１９４、１９５を含む。図５で例解されるように、サイリスタ１９４、１９５は、電気的に並列に接続され、互いに関して逆にされたそれらのサイリスタの極性を有する。そのことにより、変換器バルブ１５１−１は、制御可能な双方向スイッチの能力または潜在能力を呈し得る。

図１および２のさらなる参照によれば、相変圧器１０７、１０８、１０９は、ＡＣ電力システム１０２と、対応する変換器バルブアーム１７１、１７２、１７３の中点、および、対応するマルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３の中点との間に接続され得る。

マルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３の中点は、一方の側でのそれぞれのマルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３の上方マルチレベル変換器セルアーム、および、他方の側でのそれぞれのマルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３の下方マルチレベル変換器セルアームを接続する点であると定義され得る。例えば、マルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３内のマルチレベル変換器セルが、電気的に直列に接続されるとき、中点は、マルチレベル変換器セルの半分、または近似的に半分が、中点の一方の側で提供され、マルチレベル変換器セルの残りのものが、中点の他方の側で提供される、点と定義され得る。

同様に、変換器バルブアーム１７１、１７２、１７３の中点は、一方の側でのそれぞれの変換器バルブアーム１７１、１７２、１７３の上方変換器バルブアーム、および、他方の側でのそれぞれの変換器バルブアーム１７１、１７２、１７３の下方変換器バルブアームを接続する点であると定義され得る。例えば、変換器バルブアーム１７１、１７２、１７３内の変換器バルブが、電気的に直列に接続されるとき、中点は、変換器バルブの半分、または近似的に半分が、中点の一方の側で提供され、変換器バルブの残りのものが、中点の他方の側で提供される、点と定義され得る。

図２で例解されるように、変換器モジュール１０４、１０５、１０６のいずれか１つに対して、それぞれの変換器モジュール１０４、１０５、１０６内の、マルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３および変換器バルブアーム１７１、１７２、１７３は、例えば、電気的に並列に接続され得る。

図２のさらなる参照によれば、変換器モジュール１０４、１０５、１０６のいずれか１つは、それぞれの変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎに電気的に接続され、それぞれの変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎが、非伝導状態に入ることを引き起こすようにスイッチ可能である、転流セル１８１、１８２、１８３を備え得る。

ここで図６を参照すると、図２で示される転流セル１８１の例構成が示されている。図２で示される他の転流セル１８２、１８３のいずれか１つは、図６で例解される転流セル１８１と同じ様式で、または、同様の様式で構成され得るということを理解されたい。一般的に、転流セル１８１、１８２、１８３の各々は、ＤＣ電力システム１０３からのＤＣ電力によって選択的に充電され、選択的に放電され得る、コンデンサなどの、少なくとも１つの電気的エネルギー貯蔵要素を含み得るものであり、転流セル１８１、１８２、１８３のスイッチングにより、その転流セルは、選択された電圧を、変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎ内のサイリスタ１９４、１９５の少なくとも１つの両端間に提供し得、それぞれの変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎが、少なくとも１つのサイリスタ１９４、１９５を非伝導状態にスイッチすることを引き起こすようにスイッチ可能である。図６で例解される例によれば、転流セル１８１は、コンデンサの形式での２つの電気的エネルギー貯蔵要素１８６−１、１８６−２を備える。コンデンサ１８６−１、１８６−２の各々は、それぞれ、４つのスイッチング要素１８７−１から１８７−４、および、１８７−５から１８７−８を有する、対応するフルブリッジセル１８４、１８５内に配置構成される。図６で例解される例によれば、スイッチング要素１８７−１から１８７−８は、ダイオードと一体のトランジスタを備える。トランジスタは例えば、ＩＧＢＴを備え得る。図６で示されるスイッチング要素１８７−１から１８７−８は例によるものであるということ、および、他のタイプのスイッチング要素が使用され得るということを理解されたい。このように、転流セル１８１、１８２、１８３のいずれか１つは、好ましくは、図６で例解される本発明の実施形態に従うフルブリッジセルを備え得る。しかしながら、このことは必須ではない。転流セル１８１、１８２、１８３のいずれか１つは、例えばハーフブリッジセルを備え得る。転流セル１８１、１８２、１８３は、コンデンサ１８６−１、１８６−２を電気的エネルギー貯蔵要素として使用することに制限されるのではなく、他のタイプの電気的エネルギー貯蔵要素が用いられ得る。図２で例解されるように、転流セル１８１、１８２、１８３は例えば、それぞれ、マルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３の中点で配置構成され得る。

先に指示されたように、変換器モジュール１０４、１０５、１０６のマルチレベル変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、および、１４６−１、…、１４６−Ｎは、電圧寄与をＡＣ電圧波形に、例えば（少なくとも）ＤＣ電力システム１０３の電圧に基づいて提供するように構成される。マルチレベル変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、および、１４６−１、…、１４６−Ｎは、ゆえに、ＡＣ電力システム１０２またはＤＣ電力システム１０３のいずれかの要件を満たすために、所望されるＡＣ電圧波形を合成するために使用され得る。インターフェイス装置１００は、ゆえに、電圧源変換器として動作させられ得るものであり、ＤＣ側電圧はＡＣ側電圧を確立する。マルチレベル変換器セルである変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、および、１４６−１、…、１４６−Ｎの方法により、各々のマルチレベル変換器セル１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、および、１４６−１、…、１４６−Ｎは、ＡＣ電圧波形を形成する際に使用され得る、２つ以上の電圧レベルなどの、複数個の電圧レベルを提供する能力があるように構成される。

変換器モジュール１０４、１０５、１０６（の構成要素）の動作および制御によるＡＣ電圧波形の形成は、そのようなものとして当技術分野で知られている一般的な原理を使用して遂行され得る。各々の相に対して、各々のマルチレベル変換器セル内のスイッチまたはスイッチング要素１９１、１９２のどれがオンにスイッチされる（すなわち、伝導状態である）かに依存して、電気的エネルギー貯蔵要素１９３は、迂回されるか、回路内に接続されるかのいずれかであり得る。各々のマルチレベル変換器セルは、そのことにより、ことによると、独立した別々の制御可能な電圧源として働き得る。本発明の実施形態に従えば、マルチレベル変換器セル１４１−１は、ゼロ電圧、または、電気的エネルギー貯蔵要素（例えば、コンデンサ）１９３の両端間の電圧のいずれかを生成し得る、２レベル変換器である。例えば図２で例解されるものなどの、電気的に直列に接続される、いくつかのマルチレベル変換器セルによって、マルチレベル変換器セルアーム１６１、１６２、１６３を形成する、直列接続されるマルチレベル変換器セルによって、段階的な電圧波形を合成するために使用され得る、いくつかの電圧レベルが提供され得る。このことを説明するための別の方法は、各々の相のＡＣ出力での電圧は、いくつかの離散的な電圧レベルの間で、制御可能にスイッチされ得るものであり、それらの電圧レベルは、第１のＤＣ極もしくは端子Ｔ１での、および、第２のＤＣ極もしくは端子Ｔ２での電位、それぞれ＋Ｕ_ｄおよび−Ｕ_ｄに基づく、または、それらの電位に対応するということである。マルチレベル変換器セルにより提供される電圧寄与の極性は、変換器バルブにより（正または負電圧寄与を生み出すように）制御され得るものであり、そのことにより、例えば正弦波または正弦曲線に近似し得る、段階的な電圧波形が、合成されることを可能とする。

ここで図７を参照すると、本発明の実施形態による電力システム２００の概略ブロック線図が示されている。電力システム２００は、それぞれ、端子Ｔ１およびＴ３の方法により、インターフェイス装置１００に結合または接続される、ＡＣ電力システム１０２とＤＣ電力システム１０３とを含み、そのインターフェイス装置１００は、ＡＣ電力システム１０２をＤＣ電力システム１０３と、またはその逆に結合するように構成される。インターフェイス装置１００は例えば、図１〜５の参照によって上記で説明した本発明の実施形態のいずれか１つに従って構成され得る。図７で例解されるように、インターフェイス装置１００は、インターフェイス装置１００の、１つまたは複数の他の構成要素の動作を制御するように構成される制御ユニット１０１を備え得る。例えば図２の参照によれば、制御ユニット１０１は、変換器バルブ１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎを、例えばそれらの変換器バルブのスイッチングに関して制御するように構成され得る。

結論として、ＡＣ電力システムをＤＣ電力システムと、またはその逆に結合するように構成されるインターフェイス装置が開示される。インターフェイス装置は、複数の直列接続される変換器モジュールを備える。各々の変換器モジュールは、電圧寄与を、ＡＣ波形の少なくとも一部分に、例えばＤＣ電力システムの電圧に基づいて提供するように構成される、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルを備える。各々の変換器モジュールは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルに電気的に接続され、少なくとも２つの逆並列サイリスタを含む、少なくとも１つの変換器バルブを備える。少なくとも１つの変換器バルブは、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御するように、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で、制御可能にスイッチ可能である。

本発明は、添付の図面、および、先の説明で例解されたが、そのような例解は、例解的である、または例示のものである、および、制約的ではないと考えられるべきものであり、本発明は、開示される実施形態に制限されない。開示される実施形態に対する他の変形が、当業者により、請求される本発明を実践する際に、図面、本開示、および、添付の特許請求の範囲の考究から、理解され、為され得る。添付の特許請求の範囲では、単語「備える」は、他の要素またはステップを排除せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を排除しない。所定の手段が、相互に異なる従属請求項に詳述されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないということを指示しない。特許請求の範囲でのいずれの参照符号も、範囲を制限すると解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 複数の相を備える交流（ＡＣ）電力システム（１０２）を直流（ＤＣ）電力システム（１０３）と結合するように構成されるインターフェイス装置（１００）であって、
   ＤＣ電力からＡＣ電力への、またはその逆の変換のための、電気的に直列に接続された複数の変換器モジュール（１０４、１０５、１０６）を備え、各々の変換器モジュールは、前記相の１つに対応し、ＡＣ波形の少なくとも一部分を提供するように構成され、各々の変換器モジュールは、
   少なくとも１つのマルチレベル変換器セル（１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、１４６−１、…、１４６−Ｎ）であって、各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与を前記ＡＣ波形に、前記ＤＣ電力システムの電圧に基づいて提供するように構成される、少なくとも１つのマルチレベル変換器セルと、
   前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルに電気的に接続される、少なくとも１つの変換器バルブ（１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎ）と
   を備え、
   前記インターフェイス装置は、前記少なくとも１つの変換器バルブが、選択された電流伝導方向を伴う伝導状態と、非伝導状態との間で、制御可能にスイッチ可能であるように構成され、前記少なくとも１つの変換器バルブは、少なくとも２つの逆並列サイリスタ（１９４、１９５）を含み、
   前記インターフェイス装置は、前記少なくとも１つの変換器バルブの動作を、少なくとも、スイッチングに関して制御するように構成される制御ユニット（１０１）をさらに備え、前記スイッチングに関する前記制御は、前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより提供される任意の電圧寄与の極性を選択的に制御することを備え、前記制御ユニットは、前記インターフェイス装置での障害電流の存在を指示する指示を受信することに応答して、前記障害電流を前記少なくとも１つの変換器バルブを通して送り、前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルの少なくとも一部分を迂回するように、前記少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングを制御するように構成される、インターフェイス装置。
2. 各々の変換器モジュールは、前記少なくとも１つの変換器バルブに電気的に接続され、前記少なくとも１つの変換器バルブを前記非伝導状態にするようにスイッチ可能である、少なくとも１つの転流セル（１８１、１８２、１８３）をさらに備える、請求項１に記載のインターフェイス装置。
3. 前記少なくとも１つの転流セルは、前記ＤＣ電力システムからのＤＣ電力によって選択的に充電され、選択的に放電され得る、少なくとも１つの電気的エネルギー貯蔵要素（１８６−１、１８６−２）を備え、前記転流セルのスイッチングにより、それは、前記サイリスタの少なくとも１つの両端間に、選択された電圧を、前記少なくとも１つのサイリスタを非伝導状態にスイッチするために提供し得る、請求項２に記載のインターフェイス装置。
4. 前記少なくとも１つの転流セルは、フルブリッジセルを備える、請求項２または３に記載のインターフェイス装置。
5. 各々のマルチレベル変換器セルは、前記ＤＣ電力システムからのＤＣ電力によって選択的に充電され、選択的に放電され得る、少なくとも１つの電気的エネルギー貯蔵要素（１９３）を備え、各々のマルチレベル変換器セルは、電圧寄与を前記ＡＣ電圧波形に、前記電気的エネルギー貯蔵要素の電圧に基づいて提供するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のインターフェイス装置。
6. 前記複数の変換器モジュールは、第１のＤＣ極（Ｔ１）と第２のＤＣ極（Ｔ２）との間に、または、ＤＣ極と接地との間に、電気的に直列に接続される、請求項１から５のいずれか一項に記載のインターフェイス装置。
7. 前記制御ユニットは、前記第１のＤＣ極および前記第２のＤＣ極の１つでの障害により引き起こされる、前記インターフェイス装置での障害電流の存在を指示する指示を受信することに応答して、前記障害電流を、障害が存する前記第１のＤＣ極および前記第２のＤＣ極の前記１つから、前記少なくとも１つの変換器バルブを通って、前記第１のＤＣ極および前記第２のＤＣ極の他方の１つに送るように、前記少なくとも１つの変換器バルブのスイッチングを制御するように構成され、前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルの前記少なくとも一部分は迂回される、請求項６に記載のインターフェイス装置。
8. 各々の変換器モジュールは、
   マルチレベル変換器セルアーム（１６１、１６２、１６３）内で電気的に接続される複数のマルチレベル変換器セル（１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、１４６−１、…、１４６−Ｎ）と、
   変換器バルブアーム（１７１、１７２、１７３）内で電気的に接続される複数の変換器バルブ（１５１−１、…、１５１−Ｎ、１５２−１、…、１５２−Ｎ、１５３−１、…、１５３−Ｎ、１５４−１、…、１５４−Ｎ、１５５−１、…、１５５−Ｎ、１５６−１、…、１５６−Ｎ）と
   を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載のインターフェイス装置。
9. 前記ＡＣ電力システムと、前記変換器バルブアームの中点および前記マルチレベル変換器セルアームの中点との間に接続される、少なくとも１つの変圧器（１０７、１０８、１０９）をさらに備える、請求項８に記載のインターフェイス装置。
10. 前記マルチレベル変換器セルアームおよび前記変換器バルブアームは、電気的に並列に接続される、請求項８または９に記載のインターフェイス装置。
11. 各々の変換器モジュールは、
    マルチレベル変換器セルアーム（１６１、１６２、１６３）内で電気的に接続される複数のマルチレベル変換器セル（１４１−１、…、１４１−Ｎ、１４２−１、…、１４２−Ｎ、１４３−１、…、１４３−Ｎ、１４４−１、…、１４４−Ｎ、１４５−１、…、１４５−Ｎ、１４６−１、…、１４６−Ｎ）
    を備え、
    前記マルチレベル変換器セルアーム内の前記マルチレベル変換器セルの少なくとも１つは、フルブリッジセルを備え、前記少なくとも１つの転流セルは、フルブリッジセルを備える前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルを備える、または、前記フルブリッジセルを備える前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルにより構成される、請求項２から４のいずれか一項に記載の、または請求項２から４のいずれか一項に従属する請求項５から７のいずれか一項に記載のインターフェイス装置。
12. 前記マルチレベル変換器セルアーム内の前記複数のマルチレベル変換器セルの各々は、フルブリッジセルを備え、前記少なくとも１つの転流セルは、前記マルチレベル変換器セルアーム内の前記マルチレベル変換器セルのいずれか１つを備える、または、前記マルチレベル変換器セルアーム内の前記マルチレベル変換器セルのいずれか１つにより構成される、請求項１１に記載のインターフェイス装置。
13. 前記少なくとも１つのマルチレベル変換器セルは、ハーフブリッジセルまたはフルブリッジセルを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載のインターフェイス装置。
14. 交流電力システム（１０２）を直流電力システム（１０３）と結合するように構成される変換器ステーションであって、請求項１から１３のいずれか一項に記載のインターフェイス装置（１００）を備える、変換器ステーション。
15. 交流（ＡＣ）電力システム（１０２）と直流（ＤＣ）電力システム（１０３）とを含む電力システム（２００）であって、前記ＡＣ電力システムを前記ＤＣ電力システムと結合するように構成される、請求項１から１３のいずれか一項に記載のインターフェイス装置（１００）を備える、電力システム。

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