直流-直流轉(zhuǎn)換器組件的制作方法
【專利摘要】一種直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，用于連接第一和第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)，包括：第一和第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括具有第一和第二支路部分的第一轉(zhuǎn)換器支路，每個(gè)支路部分包括至少一個(gè)模塊，所述模塊為可切換的以選擇性地提供電壓源，因而改變對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換器的第一和第二端子兩端的直流電壓（V1，V2）與第三端子處的交流電壓（VAC）的幅度比，直流-直流轉(zhuǎn)換器組件進(jìn)一步包括將一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第三端子與另一轉(zhuǎn)換器的第三端子電連接的第一鏈路，并且至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括控制器，其被配置為將所述轉(zhuǎn)換器的第一轉(zhuǎn)換器支路中的第一和第二支路部分切換為同時(shí)導(dǎo)通，以將在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分（IDiV1）轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離第一鏈路。
【專利說明】直流-直流轉(zhuǎn)換器組件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，并且具體涉及用于連接第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)和第二高壓直流輸電網(wǎng)路的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著可再生能源發(fā)電機(jī)(例如離岸風(fēng)力發(fā)電機(jī))越來越普遍，越來越需要將直流(DC)電力從一個(gè)高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)。
[0003]目前，如圖1所示，可以實(shí)現(xiàn)這種高壓直流網(wǎng)路之間的傳輸?shù)奈ㄒ环绞绞峭ㄟ^提供第一和第二常規(guī)電壓轉(zhuǎn)換器10、12，第一和第二常規(guī)電壓轉(zhuǎn)換器10、12通過大功率變壓器14來互相連接。第一電壓轉(zhuǎn)換器10將來自第一電壓直流網(wǎng)絡(luò)16的輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，變壓器14增大或減小該交流電壓以允許通過第二電壓轉(zhuǎn)換器12轉(zhuǎn)換到所需的輸出直流電壓，正如第二電壓直流網(wǎng)路18中所要求的那樣。
[0004]大功率變壓器通常在50或60Hz下進(jìn)行操作，而通過在高得多的頻率下(通常在500Hz的范圍內(nèi))操作轉(zhuǎn)換器10、12,可以顯著降低構(gòu)成第一和第二電壓轉(zhuǎn)換器10、12的兀件以及功率變壓器本身的尺寸和重量。因此，上述在50或60Hz下進(jìn)行操作的方案需要非常大并且非常重的變壓器及其他無源儲(chǔ)能元件，其通常不適于安裝在所需的位置。
[0005]此外，大功率高頻(即大約500Hz)變壓器是一種昂貴的訂制元件，當(dāng)前在商業(yè)規(guī)模下不可用。
[0006]因此，需要一種改進(jìn)的用于連接第一和第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的裝置，其能夠免除對(duì)大、重且造價(jià)昂貴的大功率變壓器的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，用于連接第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)和第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)，包括:第一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器和第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括在使用時(shí)可連接到對(duì)應(yīng)的第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)或第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)的第一端子和第二端子，并且每個(gè)轉(zhuǎn)換器還包括第一轉(zhuǎn)換器支路，所述第一轉(zhuǎn)換器支路在所述第一端子與所述第二端子之間延伸，并且具有被第三端子隔開的第一支路部分和第二支路部分，每個(gè)支路部分包括至少一個(gè)模塊，所述模塊為可切換的以選擇性地提供電壓源，從而改變?cè)趯?duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器的所述第一端子和所述第二端子兩端的直流電壓與在所述對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器的第三端子處的交流電壓的幅度比，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器組件進(jìn)一步包括第一鏈路，所述第一鏈路將一個(gè)轉(zhuǎn)換器的所述第三端子與另一個(gè)轉(zhuǎn)換器的所述第三端子電連接，并且至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括控制器，所述控制器被配置為將所述轉(zhuǎn)換器的第一轉(zhuǎn)換器支路中的第一支路部分和第二支路部分切換為同時(shí)導(dǎo)通，以將在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第一鏈路。
[0008]在每個(gè)支路部分中提供這種模塊允許一個(gè)模塊化多電平轉(zhuǎn)換器根據(jù)在所述模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的第一端子和第二端子兩端所呈現(xiàn)的輸入直流電壓合成交流電壓。因此這樣的轉(zhuǎn)換器可控制交流電壓與直流電壓的幅度比。
[0009]所述第一鏈路因而能夠?qū)⑺鼋涣麟妷簜鲗?dǎo)到另一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器，所述另一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器使用其中的模塊來合成在所述另一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的第一端子和第二端子兩端的輸出直流電壓。因此，所述另一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器能夠控制來自所述第一鏈路的交流電壓與所述輸出直流電壓的幅度比。
[0010]因此，所述轉(zhuǎn)換器組件能夠改變所述輸入直流電壓與所述輸出直流電壓的比值，以便在第一和第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)中容納不同的直流電壓電平。
[0011]通過將所述轉(zhuǎn)換器的第一轉(zhuǎn)換器支路中的第一支路部分和第二支路部分切換為同時(shí)導(dǎo)通來將在所述轉(zhuǎn)換器中流動(dòng)的電流的一部分轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第一鏈路的另一性能意味著，還可以改變流經(jīng)所述第一鏈路的電流的幅度，從而改變從一個(gè)轉(zhuǎn)換器流向另一轉(zhuǎn)換器的電流幅度。
[0012]改變從一個(gè)轉(zhuǎn)換器通過所述第一鏈路傳輸?shù)搅硪晦D(zhuǎn)換器的電流和電壓兩者的幅度的綜合性能允許本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器組件維持所述第一轉(zhuǎn)換器與第二轉(zhuǎn)換器之間的功率平衡，因而無需在所述第一轉(zhuǎn)換器與第二轉(zhuǎn)換器之間使用大功率變壓器。因此，這樣的轉(zhuǎn)換器組件比上述常規(guī)的直流-直流連接方案更小、更輕并且更便宜。
[0013]優(yōu)選地，所述第一鏈路包括串聯(lián)電感。
[0014]在所述第一鏈路中包括串聯(lián)電感允許所述第一轉(zhuǎn)換器和第二轉(zhuǎn)換器選擇性地產(chǎn)生或吸收無功功率，從而允許本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器組件容納在所述第一鏈路的任一端處的不同幅度的交流電壓。這種功能增大了所述轉(zhuǎn)換器能夠處理的輸入直流電壓與輸出直流電壓的最大比值。
[0015]任選地，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括:第二轉(zhuǎn)換器支路，所述第二轉(zhuǎn)換器支路在所述第一端子和所述第二端子之間延伸，并且所述第二轉(zhuǎn)換器支路具有被第四端子隔開的第三支路部分和第四支路部分，一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第四端子和另一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第四端子通過第二鏈路彼此連接。
[0016]這樣的設(shè)置增加了靈活性，利用所述設(shè)置，所述轉(zhuǎn)換器組件能夠?qū)㈦妷汉碗娏鲝囊粋€(gè)轉(zhuǎn)換器通過所述第一鏈路和第二鏈路傳送到另一轉(zhuǎn)換器。
[0017]在至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的第三支路部分和第四支路部分中的每個(gè)支路部分可包括:至少一個(gè)模塊，所述模塊為可切換的以選擇性地提供電壓源，并且所述控制器可被進(jìn)一步配置為將所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第二轉(zhuǎn)換器支路中的第三支路部分和第四支路部分切換為同時(shí)導(dǎo)通，以使在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第二鏈路。
[0018]在至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的第三支路部分和第四支路部分中包括這種模塊提供了針對(duì)所述輸入直流電壓與所述輸出直流電壓之間的大范圍的不同比值，并且允許從一個(gè)轉(zhuǎn)換器到另一轉(zhuǎn)換器兩個(gè)方向上的功率傳輸。
[0019]優(yōu)選地，所述第二鏈路包括串聯(lián)電感。這樣的元件允許所述第一轉(zhuǎn)換器和第二轉(zhuǎn)換器選擇性地產(chǎn)生或吸收在所述轉(zhuǎn)換器之間傳輸?shù)慕涣麟妷旱牡诙鄡?nèi)的無功功率，從而針對(duì)所述第二鏈路的任一端處的可允許的交流電壓幅度提供改進(jìn)的靈活性。
[0020]在一轉(zhuǎn)換器中的所述第三支路部分和第四支路部分中的每個(gè)支路部分可包括無源電壓存儲(chǔ)元件。包括這種元件簡(jiǎn)化了所述第三支路部分和第四支路部分中的部件結(jié)構(gòu)，并且同時(shí)所述轉(zhuǎn)換器組件的功能維持在所需的程度。[0021]在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括:第三轉(zhuǎn)換器支路，所述第三轉(zhuǎn)換器支路在所述第一端子和所述第二端子之間延伸，并且具有被第五端子隔開的第五支路部分和第六支路部分，所述轉(zhuǎn)換器的第五端子通過第三鏈路彼此連接。
[0022]這樣的設(shè)置進(jìn)一步增加了靈活性，利用所述設(shè)置，所述轉(zhuǎn)換器組件能夠?qū)㈦妷汉碗娏鲝囊粋€(gè)轉(zhuǎn)換器通過所述第一鏈路、第二鏈路和第三鏈路傳送到另一轉(zhuǎn)換器。
[0023]任選地，至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的第五支路部分和第六支路部分中的每個(gè)支路部分包括:至少一個(gè)模塊，所述模塊為可切換的以選擇性地提供電壓源，并且所述控制器被進(jìn)一步配置為將所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第三轉(zhuǎn)換器支路中的第五支路部分和第六支路部分切換為同時(shí)導(dǎo)通，以使在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第三鏈路。
[0024]在至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第五支路部分和第六支路部分中的每個(gè)支路部分中包括至少一個(gè)模塊提供了針對(duì)所述輸入直流電壓與所述輸出直流電壓之間的大范圍的不同比值，同時(shí)允許從一個(gè)轉(zhuǎn)換器到另一轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)方向上的功率傳輸。
[0025]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述第三鏈路包括串聯(lián)電感。
[0026]這允許所述第一轉(zhuǎn)換器和第二轉(zhuǎn)換器選擇性地產(chǎn)生或吸收無功功率，從而針對(duì)所述轉(zhuǎn)換器組件能夠容納的、在所述第三鏈路的任一端處的不同交流電壓幅度提供改進(jìn)的靈活性。因此，增加了所述輸入直流電壓與所述輸出直流電壓之間的可能比值的范圍。
[0027]一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的所述第五支路部分和第六支路部分中的每個(gè)支路部分可包括無源電壓存儲(chǔ)元件。包括這種元件可簡(jiǎn)化所述第五支路部分和第六支路部分中的元件結(jié)構(gòu)，并且同時(shí)所述轉(zhuǎn)換器組件的功能維持在所需的程度。
[0028]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)模塊包括:至少一組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，所述組與至少一個(gè)儲(chǔ)能器件并聯(lián)連接。
[0029]上述特征提供了根據(jù)相關(guān)的電力傳輸應(yīng)用的要求對(duì)每個(gè)所述第一轉(zhuǎn)換器和第二轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置的靈活性。
[0030]優(yōu)選地，至少一個(gè)模塊包括:一組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，所述開關(guān)元件在半橋配置中與對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能器件并聯(lián)連接以限定二象限單極模塊，所述二象限單極模塊可以提供零電壓或正電壓，并且可以在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
[0031]這樣的設(shè)置使得所述至少一個(gè)模塊有助于降低該模塊所在的轉(zhuǎn)換器兩端的電壓幅度。
[0032]任選地，至少一個(gè)模塊包括:兩組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，每組與對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能器件并聯(lián)連接成全橋設(shè)置，以定義四象限雙極模塊，所述四象限雙極模塊能夠提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓，并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
[0033]這樣的設(shè)置使得所述至少一個(gè)模塊有助于增加或降低該模塊所在的轉(zhuǎn)換器兩端的電壓幅度。
[0034]在本發(fā)明的又一優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)模塊的所述或至少一個(gè)開關(guān)元件進(jìn)一步包括:與該開關(guān)元件并聯(lián)連接的反并聯(lián)二極管。
[0035]優(yōu)選地，所述或每個(gè)反并聯(lián)二極管被配置為，禁止電流從與該并聯(lián)二極管所在的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器在使用時(shí)相連接的高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)通過所述模塊化多電平轉(zhuǎn)換器流向發(fā)生故障的高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)。
[0036]包括這樣的反并聯(lián)二極管允許本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器組件處理在所述第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)或第二高壓直流輸電網(wǎng)路其中一個(gè)中的故障，并阻止向另一網(wǎng)絡(luò)的故障傳播。這是非常需要的，因?yàn)槠湓试S兩個(gè)現(xiàn)有的高壓直流電力網(wǎng)絡(luò)的連接而無需提高任一網(wǎng)絡(luò)中的故障電平。同樣地，可繼續(xù)使用現(xiàn)有電纜、傳輸線和保護(hù)設(shè)備而無需升級(jí)其性能以適應(yīng)否則可能來自新連接的網(wǎng)絡(luò)的增大的故障電流。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]現(xiàn)在接著通過非限制性的示例并參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，其中附圖為:
[0038]圖1示出了常規(guī)的直流-直流連接方案；
[0039]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件；
[0040]圖3示出了構(gòu)成圖2中所示轉(zhuǎn)換器組件的一部分的第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器；
[0041]圖4 (a)至圖4 (d)示出了構(gòu)成圖2中所示的轉(zhuǎn)換器組件中的各模塊化多電平轉(zhuǎn)換器的一部分的對(duì)應(yīng)模塊；
[0042]圖5示出了圖2中所示的轉(zhuǎn)換器組件內(nèi)的通用交流電壓的合成；
[0043]圖6示出了圖2中所示的轉(zhuǎn)換器組件的故障響應(yīng)；
[0044]與7示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件；
[0045]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件；
[0046]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件；以及
[0047]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件。
【具體實(shí)施方式】
[0048]如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件由附圖標(biāo)記30總體表不。
[0049]轉(zhuǎn)換器組件30包括第一和第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器32、34。
[0050]第一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器32具有第一和第二端子36a、38a,第一和第二端子36a、38a在使用時(shí)被連接到第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)16。第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器34包括類似的第一和第二端子36b、38b，第一和第二端子36b、38b在使用時(shí)被連接到第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)18。在所示的實(shí)施例中，第二網(wǎng)絡(luò)18在高于第一網(wǎng)絡(luò)16的電壓下操作。
[0051]第一轉(zhuǎn)換器32還包括在其第一和第二端子36a、38a之間延伸的第一、第二和第三轉(zhuǎn)換器支路40a、42a、44a。每個(gè)轉(zhuǎn)換器支路40a、42a、44a包括對(duì)應(yīng)的多個(gè)支路部分，每個(gè)轉(zhuǎn)換器支路的多個(gè)支路部分由一端子隔開。
[0052]具體地，第一轉(zhuǎn)換器支路40a包括由第三端子50a隔開的第一和第二支路部分46a、48a ;第二轉(zhuǎn)換器支路42a包括由第四端子56a隔開的第三和第四支路部分52a、54a ；以及，第三轉(zhuǎn)換器支路44a包括由第五端子62a隔開的第五和第六支路部分58a、60a。
[0053]在所示的實(shí)施例中，每個(gè)支路部分46a、48a、52a、54a、58a、60a包括電感器64和八個(gè)模塊66，這將在下文中更加詳細(xì)地描述。本發(fā)明的其他實(shí)施例可在每個(gè)支路部分46a、48a、52a、54a、58a、60a中包括多于或少于八個(gè)的模塊66。
[0054]第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器34包括在其第一和第二端子36b、38b之間延伸的大致相同配置的第一、第二和第三轉(zhuǎn)換器支路40b、42b、44b，即，第一轉(zhuǎn)換器支路40b包括由第三端子50b隔開的第一和第二支路部分46b、48b ;第二轉(zhuǎn)換器支路42b包括由第四端子56b隔開的第三和第四支路部分52b、54b ;以及，第三轉(zhuǎn)換器支路44b包括由第五端子62b隔開的第五和第六支路部分58b、60b。
[0055]第二轉(zhuǎn)換器34中的每個(gè)支路部分46b、48b、52b、54b、58b、60b包括電感器64和八個(gè)模塊66,但是在其他實(shí)施例中，模塊66的數(shù)量至少可以不同于八個(gè)。
[0056]每個(gè)模塊66是可切換的以選擇性地提供電壓源。具體地，每個(gè)模塊66包括第一組68串聯(lián)連接的開關(guān)元件72和第二組70串聯(lián)連接的開關(guān)元件72。兩組68、70串聯(lián)連接的開關(guān)元件72與儲(chǔ)能器件74并聯(lián)連接成全橋設(shè)置，以定義一四象限雙極模塊76，該四象限雙極模塊76能夠提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓，并可以在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
[0057]更詳細(xì)地示出第二轉(zhuǎn)換器34的圖3示出了第二轉(zhuǎn)換器34的每個(gè)支路部分46b、48b、52b、54b、58b、60b內(nèi)的上述四象限雙極模塊76的選擇。
[0058]在所示的實(shí)施例中，每個(gè)開關(guān)元件72是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 78形式的半導(dǎo)體器件，并且每個(gè)儲(chǔ)能元件74是電容器80。每個(gè)開關(guān)元件72包括與其并聯(lián)連接的反并聯(lián)二極管82。
[0059]在其他實(shí)施例(未示出)中，每個(gè)開關(guān)元件72可以是一不同的半導(dǎo)體器件。例如柵極可關(guān)斷晶閘管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、絕緣柵極換流晶閘管，或集成柵極換流晶閘管。儲(chǔ)能器件74還可以不同于所示的實(shí)施例中的儲(chǔ)能器件，并且可以包括下面中的任一個(gè)或多個(gè):燃料電池，光伏電池，或電池。
[0060]本發(fā)明的又一實(shí)施例中，如圖4 (b)所示，模塊66中的一個(gè)或多個(gè)可僅包括第一組68串聯(lián)連接的開關(guān)元件72，開關(guān)元件72例如為IGBT78，第一組68與儲(chǔ)能器件74并聯(lián)連接成半橋設(shè)置。在這樣的配置中，開關(guān)元件72和儲(chǔ)能器件74定義一二象限單極模塊，該二象限單極模塊可提供零電壓或正電壓，并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
[0061]如圖4 (C)和4 (d)所示，所述模塊中的一個(gè)或多個(gè)除了包括上述全橋設(shè)置或半橋設(shè)置之外，還可包括另一開關(guān)元件72。
[0062]所示的轉(zhuǎn)換器組件30還包括第一、第二和第三鏈路84、86、88，第一、第二和第三鏈路84、86、88分別電連接到第一轉(zhuǎn)換器32和第二轉(zhuǎn)換器34的第三端子50a、50b，第四端子56a、56b,以及第五端子62a、62b。
[0063]第一轉(zhuǎn)換器32還包括控制器(未示出)，該控制器被配置為:
[0064](a)將第一轉(zhuǎn)換器32的第一轉(zhuǎn)換器支路40a的第一和第二支路部分46a、48a切換成同時(shí)導(dǎo)通，以將在第一轉(zhuǎn)換器32內(nèi)流動(dòng)的電流Icxm中的電流部分Idivi轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離第一鏈路84，使得電流部分Iunki流經(jīng)第一鏈路84 (其中Ι^κ^Ια*)；
[0065](b)將第一轉(zhuǎn)換器32的第二轉(zhuǎn)換器支路42a的第三和第四支路部分52a、54a切換成同時(shí)導(dǎo)通，以將在第一轉(zhuǎn)換器32內(nèi)流動(dòng)的電流Iam中的電流部分Idiv2轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離第二鏈路86，使得電流部分Iunk2流經(jīng)第二鏈路86 (其中1_2〈1--)；以及
[0066](C)將第一轉(zhuǎn)換器32的第三轉(zhuǎn)換器支路44a的第五和第六支路部分58a、60a切換成同時(shí)導(dǎo)通，以將在第一轉(zhuǎn)換器32內(nèi)流動(dòng)的電流ΙωΝ1的電流部分Idiv3轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離第三鏈路88，使得電流部分Iunk3流經(jīng)第一鏈路84 (其中Ι?ΙΝΚ3〈Ια?)。
[0067]在使用時(shí)，轉(zhuǎn)換器組件30以如下方式運(yùn)行。
[0068]通過第一高壓直流輸電 網(wǎng)絡(luò)16將第一直流電壓V1呈到第一轉(zhuǎn)換器32的第一和第二端子36a、38a。
[0069]如圖5不意性地所不,第一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器32選擇性地切換在其第一轉(zhuǎn)換器支路40a中的四象限雙極模塊76，以增加電壓階梯數(shù)，即“提高”第一直流電壓V1,并在第一轉(zhuǎn)換器32的第三端子50a處合成第一交流電壓相分量Vaci。
[0070]合成的電壓相分量Vaci具有基本上正弦的波形，但在其它實(shí)施例中，波形的形狀可以是不同的，例如，趨向于方波形。
[0071]第一轉(zhuǎn)換器32以這種方式改變第一直流電壓V1的幅度與第一交流電壓相分量Vaci的幅度的比值，即改變第一直流電壓V1與交流電壓相分量VAa的幅度比。
[0072]第一轉(zhuǎn)換器32以上述方式合成交流電壓Va。的第一相，其中交流電SVa。通過第一鏈路84從第一轉(zhuǎn)換器32傳導(dǎo)到第二轉(zhuǎn)換器34。
[0073]在這點(diǎn)上，值得注意的是，功率通常在三相網(wǎng)絡(luò)中以彼此位移為120電角度的正弦電壓和電流來傳輸。每相分配以二次諧波分量跳動(dòng)的功率，但是當(dāng)三相被組合時(shí)，二次諧波分量被抵消，故總和是穩(wěn)定的了。
[0074]以與上述關(guān)于第一轉(zhuǎn)換器支路40a類似的方式,第一轉(zhuǎn)換器32切換在第二和第三轉(zhuǎn)換器支路42a、44a中的模塊，以在其第四和第五端子56a、62a處合成相應(yīng)的交流電壓相
分里 Vacs、Vacs。
[0075]第二和第三鏈路86、88將相應(yīng)的交流電壓相分量\C2、Vac3傳導(dǎo)到第二轉(zhuǎn)換器34。
[0076]同樣地，在第一、第二和第三鏈路84、86、88的每一端處，相應(yīng)的每個(gè)交流電壓相分量W Vac3的幅度是相同的，即這些幅度保持恒定。
[0077]應(yīng)該理解的是，在不同的配置中，第一、第二和第三轉(zhuǎn)換器支路40a、42a、44a中的每個(gè)的四象限雙極模塊76可被用于減少電壓階梯數(shù)，即“降低”第一直流電壓V1,并在第一轉(zhuǎn)換器32的第三、第四和第五端子50a、56a、62a處合成對(duì)應(yīng)的交流電壓Vac的對(duì)應(yīng)的相分量νΑα、VAC；2、VAC3，所述相分量具有低于第一直流電壓V1的幅度。
[0078]第二轉(zhuǎn)換器34選擇性地切換在其第一、第二和第三轉(zhuǎn)換器支路40b、42b、44b中的四象限雙極模塊76，來從相應(yīng)的交流電壓相分量VAa、VAK、VAra移除電壓階梯，以在第二轉(zhuǎn)換器34的第一和第二端子36b、38b兩端合成第二直流電壓\。該第二直流電壓V2被呈給第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)18。
[0079]模塊76 (通過操控每個(gè)相分量VAa、VAe2、VAe3)改變交流電壓VA。的幅度與第二直流電壓V2的幅度的比值。
[0080]同時(shí)，控制器將第一轉(zhuǎn)換器32的每個(gè)轉(zhuǎn)換器支路40a、42a、44a中的對(duì)應(yīng)的支路部分46a、48a、52a、54a、58a、60a切換為同時(shí)導(dǎo)通，以將在第一轉(zhuǎn)換器32周圍流動(dòng)的第一直流電流Iam的各個(gè)電流部分IDIV1、Idiv2> Idiv3轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離相應(yīng)鏈路84、86、88，以使通過每個(gè)鏈路84、86、88流向第二轉(zhuǎn)換器34的電流Ilink1、Iuffi2、Ilino減小。
[0081]進(jìn)入第二轉(zhuǎn)換器34的減小量的電流Ium、Ilink2> Ilink3通過第二轉(zhuǎn)換器34被合成為低于第一直流電流Iam的第二直流電流I.。
[0082]第一直流電流ΙωΝ1與第二直流電流ΙωΝ2之間的差允許轉(zhuǎn)換器組件30維持輸入功率(即IamW)與輸出功率(即I_*V2)之間的平衡，從而避免在第一轉(zhuǎn)換器32與第二轉(zhuǎn)換器34之間使用大功率變壓器。
[0083]在使用時(shí)，轉(zhuǎn)換器組件30還能夠響應(yīng)并隔離在第一或第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)16、18中發(fā)生的故障。
[0084]例如，如果在第二網(wǎng)絡(luò)18中故障，如圖6示意性地所示，在第一轉(zhuǎn)換器32與第二轉(zhuǎn)換器34之間的每個(gè)第一、第二和第三鏈路84、86、88兩端的電壓下降為零(即，存在在鏈路84、86、88處存在通過第二轉(zhuǎn)換器34內(nèi)的反并聯(lián)二極管82連通的對(duì)稱的三相短路)。
[0085]當(dāng)鏈路84、86、88崩潰時(shí)，第一轉(zhuǎn)換器32中的反并聯(lián)二極管變?yōu)榉聪蚱?，這是因?yàn)榈谝恢绷麟妷篤1高于鏈路84、86、88處的(零)交流電壓\c。
[0086]因此，電流不能從第一網(wǎng)絡(luò)16傳送到鏈路84、86、88或第二網(wǎng)絡(luò)18。
[0087]轉(zhuǎn)換器組件30因而防止故障從一個(gè)直流網(wǎng)絡(luò)傳播到另一個(gè)直流網(wǎng)絡(luò)。即使當(dāng)?shù)谝晦D(zhuǎn)換器32和第二轉(zhuǎn)換器34中的每個(gè)的模塊66包括半橋開關(guān)設(shè)置或串聯(lián)連接的IGBT閥時(shí)，轉(zhuǎn)換器組件30也能夠提供這樣的故障阻斷。
[0088]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器組件100。
[0089]第二轉(zhuǎn)換器組件100類似于第一轉(zhuǎn)換器組件30，并且相似的特征采用相同的附圖標(biāo)記。在這一點(diǎn)上，注意的是，為了清楚起見，圖7中省略了在第一轉(zhuǎn)換器組件30中所示的電感器64。
[0090]第二轉(zhuǎn)換器組件100與第一轉(zhuǎn)換器組件30的不同之處在于:每個(gè)鏈路84、86、88包括串聯(lián)連接在鏈路中的電感元件102，例如電感器104。
[0091]第二轉(zhuǎn)換器組件100以與第一轉(zhuǎn)換器組件30基本相同的方式運(yùn)行。然而，由于第二轉(zhuǎn)換器組件100的每個(gè)鏈路84、86、88中包括電感元件102，因此額外地，每個(gè)轉(zhuǎn)換器32、34能夠產(chǎn)生和/或吸收無功功率。
[0092]因此，第一和/或第二轉(zhuǎn)換器32、34可以操作為將每個(gè)鏈路84、86、88 —端處的交流電壓\c的幅度改變?yōu)樵谙鄳?yīng)鏈路84、86、88另一端處的交流電壓Vac的幅度。以這樣的方式，第二轉(zhuǎn)換器組件100能夠在每個(gè)鏈路的任一端處產(chǎn)生并適應(yīng)不同的電壓幅度，從而與第一轉(zhuǎn)換器組件32相比能夠以較大的第一直流電壓V1與第二直流電壓V2比操作。
[0093]根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器組件大體上由附圖標(biāo)記110表示。
[0094]如圖8所示，第三轉(zhuǎn)換器組件110類似于第一轉(zhuǎn)換器組件30，并且相似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。然而，第三轉(zhuǎn)換器組件110與第一轉(zhuǎn)換器組件30的不同之處在于:第一轉(zhuǎn)換器32和第二轉(zhuǎn)換器34中的每個(gè)僅包括兩個(gè)轉(zhuǎn)換器支路，即第一和第二轉(zhuǎn)換器支路40a、40b、42a、42b。為了清楚起見，再次在圖8中省略每個(gè)轉(zhuǎn)換器支路40a、40b、42a、42b的對(duì)應(yīng)支路部分中的電感器64。
[0095]第三轉(zhuǎn)換器組件110以與第一轉(zhuǎn)換器組件30類似的方式運(yùn)行，不同之處在于:交流電壓的僅兩個(gè)相分量VAa、Vac2通過第一和第二鏈路84、86進(jìn)行傳輸。
[0096]同樣地，第三轉(zhuǎn)換器組件110提供第一和第二高壓直流網(wǎng)絡(luò)16、18之間的所需的連接和功率傳送，同時(shí)與第一轉(zhuǎn)換器組件30相比，降低了元件數(shù)量。
[0097]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的又一轉(zhuǎn)換器組件120。
[0098]第四轉(zhuǎn)換器組件120類似于第三轉(zhuǎn)換器組件110，并且相似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0099]然而，第四轉(zhuǎn)換器組件120與第三轉(zhuǎn)換器組件110的不同之處在于:每個(gè)轉(zhuǎn)換器32、34中的每個(gè)第二轉(zhuǎn)換器支路42a、42b的第三和第四支路部分52a、52b、54a、54b中的每個(gè)支路部分包括以諸如電容器124之類的形式的無源電壓存儲(chǔ)元件122。[0100]盡管這樣的設(shè)置降低了第二鏈路86處的可用交流電壓幅度的范圍，但是通過僅提供固定的經(jīng)由第二鏈路86的電壓和電流傳送，該配置與第三轉(zhuǎn)換器組件110的結(jié)構(gòu)相t匕，簡(jiǎn)化了第四轉(zhuǎn)換器組件120的結(jié)構(gòu)。
[0101]第四轉(zhuǎn)換器組件120包括控制器，該控制器僅切換第一轉(zhuǎn)換器32的第一和第二支路部分46a、48a,以改變單一的第一交流電壓相分量VAa的幅度和第一電流部分Iumi的幅度，VAa和Ium都通過第一鏈路84傳輸?shù)降诙D(zhuǎn)換器34。該控制器改變電壓相分量VAa和電流部分Iunki的幅度，以額外地補(bǔ)償由第二鏈路86所傳輸?shù)墓β手械钠睢?br> [0102]圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的另一轉(zhuǎn)換器組件130。
[0103]第五轉(zhuǎn)換器組件130類似于第一轉(zhuǎn)換器組件30，并且相似的特征共用相同的附圖 己 O
[0104]然而，第五轉(zhuǎn)換器組件130不同之處在于:第二轉(zhuǎn)換器34的第三轉(zhuǎn)換器支路44b在其每個(gè)第五和第六支路部分58b、60b中僅包括無源電壓存儲(chǔ)元件122，例如電容器124。
[0105]在第五轉(zhuǎn)換器組件130中的控制器將第一轉(zhuǎn)換器32中的每個(gè)轉(zhuǎn)換器支路40a、42a中的對(duì)應(yīng)的支路部分46a、48a、52a、54a、58a、60a切換為同時(shí)導(dǎo)通，以提供在第一轉(zhuǎn)換器32與第二轉(zhuǎn)換器34之間的功率傳輸中所需的平衡。
【權(quán)利要求】
1.一種直流-直流轉(zhuǎn)換器組件(30，100，110，120，130)，用于連接第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)和第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)，包括:第一模塊化多電平轉(zhuǎn)換器和第二模塊化多電平轉(zhuǎn)換器(32，34)，每個(gè)轉(zhuǎn)換器(32，34)包括在使用時(shí)可連接到對(duì)應(yīng)的第一高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)或第二高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)(16，18)的第一端子和第二端子(36a，36b，38a，38b)，并且每個(gè)轉(zhuǎn)換器(32，34)還包括第一轉(zhuǎn)換器支路(40a、40b)，所述第一轉(zhuǎn)換器支路(40a、40b)在所述第一端子與所述第二端子(36&、3613、38&、3813)之間延伸，并且具有被第三端子(50&，5013)隔開的第一支路部分和第二支路部分(46a、46b、48a、48b)，每個(gè)支路部分(46a，46b，48a，48b)包括至少一個(gè)模塊(66)，所述模塊(66)為可切換的以選擇性地提供電壓源，從而改變?cè)趯?duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器(32，34)的所述第一端子和所述第二端子(36a，36b，38a，38b)兩端的直流電壓(VI，V2)與在所述對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器(32，34)的第三端子(50a，50b)處的交流電壓(VAC)的幅度比，所述直流-直流轉(zhuǎn)換器組件(30，100，110，120，130)進(jìn)一步包括第一鏈路(84)，所述第一鏈路(84)將一個(gè)轉(zhuǎn)換器(32，34)的所述第三端子(50a，50b)與另一個(gè)轉(zhuǎn)換器(32，34)的所述第三端子(50a，50b)電連接，并且至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器(32，34)進(jìn)一步包括控制器，所述控制器被配置為將所述轉(zhuǎn)換器(32，34)的第一轉(zhuǎn)換器支路(40a，40b)中的第一支路部分和第二支路部分(46a，46b，48a，48b)切換為同時(shí)導(dǎo)通，以將在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分(IDiVl)轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第一鏈路(84)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，所述第一鏈路(84)包括串聯(lián)電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器(32，34)包括:第二轉(zhuǎn)換器支路(42a)，所述第二轉(zhuǎn)換器支路(42a)在所述第一端子和所述第二端子之間延伸，并且所述第二轉(zhuǎn)換器支路(42a)具有被第四端子(56a)隔開的第三支路部分和第四支路部分(52a，54a)，一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第四端子和另一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第四端子通過第二鏈路(86)彼此連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，在至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的第三支路部分和第四支路部分(52a，54a)中的每個(gè)支路部分包括:至少一個(gè)模塊(66)，所述模塊(66)為可切換的以選擇性地提供電壓源，并且所述控制器被進(jìn)一步配置為將所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第二轉(zhuǎn)換器支路中的第三支路部分和第四支路部分(52a，54a)切換為同時(shí)導(dǎo)通，以將在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第二鏈路(86)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，所述第二鏈路(86)包括串聯(lián)電感。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，在一轉(zhuǎn)換器中的所述第三支路部分和第四支路部分(52a，54a)中的每個(gè)支路部分包括:無源電壓存儲(chǔ)元件(122)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中的任一項(xiàng)所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器包括:第三轉(zhuǎn)換器支路(44a)，所述第三轉(zhuǎn)換器支路(44a)在所述第一端子和所述第二端子之間延伸，并且所述第三轉(zhuǎn)換器支路(44a)具有被第五端子(62a)隔開的第五支路部分和第六支路部分(58a，60a)，一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第五端子和另一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第五端子通過第三鏈路(88)彼此連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直 流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，在至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器中的第五支路部分和第六支路部分(58a，60a)中的每個(gè)支路部分包括:至少一個(gè)模塊，所述模塊為可切換的以選擇性地提供電壓源，并且所述控制器被進(jìn)一步配置為將所述至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器的第三轉(zhuǎn)換器支路(44a)中的第五支路部分和第六支路部分(58a，60a)切換為同時(shí)導(dǎo)通，以將在所述轉(zhuǎn)換器內(nèi)流動(dòng)的電流的一部分轉(zhuǎn)向?yàn)檫h(yuǎn)離所述第三鏈路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，所述第三鏈路(44a)包括串聯(lián)電感。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，在一轉(zhuǎn)換器中的所述第五支路部分和第六支路部分(58a，60a)中的每個(gè)支路部分包括:無源電壓存儲(chǔ)元件。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，每個(gè)模塊(66)包括:至少一組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，所述組與至少一個(gè)儲(chǔ)能器件并聯(lián)連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，至少一個(gè)模塊(66)包括:一組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，所述開關(guān)元件在半橋配置中與對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能器件并聯(lián)連接以限定二象限單極模塊，所述二象限單極模塊可以提供零電壓或正電壓，并且可以在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，至少一個(gè)模塊(66)包括:兩組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，每組與對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能器件并聯(lián)連接成全橋設(shè)置，以定義四象限雙極模塊(76)，所述四象限雙極模塊(76)能夠提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓，并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項(xiàng)所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，每個(gè)模塊的所述或至少一個(gè)開關(guān)元件進(jìn)一步包括:與該開關(guān)元件并聯(lián)連接的反并聯(lián)二極管。
15.根據(jù)權(quán)利 要求14所述的直流-直流轉(zhuǎn)換器組件，其中，所述或每個(gè)反并聯(lián)二極管被配置為，禁止電流從與該并聯(lián)二極管所在的模塊化多電平轉(zhuǎn)換器在使用時(shí)相連接的高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)通過所述模塊化多電 平轉(zhuǎn)換器流向發(fā)生故障的高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)。
【文檔編號(hào)】H02J3/02GK103891121SQ201180072736
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月1日
【發(fā)明者】戴維·雷金納德·特雷納, 納姆迪·奧卡密 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司