具有降低功率損耗的轉(zhuǎn)換器單元、高壓多級轉(zhuǎn)換器及關(guān)聯(lián)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及供高壓多級轉(zhuǎn)換器中使用的轉(zhuǎn)換器單元。還提供關(guān)聯(lián)高壓多級轉(zhuǎn)換器 和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓直流（HVDC)的使用因與用于輸電的AC(交流）相比的多個優(yōu)點而不斷增加。 為了將HVDC環(huán)節(jié)或HVDC電網(wǎng)連接到AC電網(wǎng)，轉(zhuǎn)換需要從DC(直流）到AC或者AC到DC 進行。這個轉(zhuǎn)換例如能夠使用電壓源轉(zhuǎn)換器（VSC)來執(zhí)行。
[0003] 為了降低轉(zhuǎn)換器的輸出的諧波失真，引入了多級轉(zhuǎn)換器，其中輸出電壓能夠采取 若干分立的級。具體來說，提供轉(zhuǎn)換器，其中多個轉(zhuǎn)換器單元（各包含多個切換元件和能量 儲存元件）串聯(lián)連接以形成可變電壓源。
[0004] 始終存在降低這類轉(zhuǎn)換器的損耗、同時仍然提供切換控制和故障操控的適當能力 的推動力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -個目的是提供一種具有降低功率損耗的轉(zhuǎn)換器單元，同時至少在正常操作模式 中基本上保持可控性。
[0006] 按照第一方面，提供一種轉(zhuǎn)換器單元，其設(shè)置成用于高壓多級轉(zhuǎn)換器中。該轉(zhuǎn)換器 單元包括：能量儲存元件；以及多個切換元件。多個切換元件包括至少一個晶閘管和多個 晶體管；以及至少一個晶閘管的每一個設(shè)置在轉(zhuǎn)換器單元中的切換元件的位置，其中在轉(zhuǎn) 換器單元的正常操作期間，至少一個晶閘管處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)。通過將至少一個晶閘管放 置在通常處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)的位置，例如與僅具有晶體管的轉(zhuǎn)換器單元相比，導(dǎo)電損耗降 低。此外，不要求鉗位電感器，因為它們的主要功能是允許任意切換，其不是這至少一個晶 閘管所要求的。
[0007] 正常操作可以是轉(zhuǎn)換器單元沒有處于故障模式時的操作。在正常操作中，轉(zhuǎn)換器 單元是全功能的，并且其全部切換元件能夠由控制器按照切換計劃來控制。
[0008] 至少一個晶閘管可分別設(shè)置在轉(zhuǎn)換器單元的切換元件的每一個拓撲位置中，其中 在轉(zhuǎn)換器單元的正常操作期間，切換元件處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)。換言之，所有這類位置能夠填 充有晶閘管。
[0009] 至少一個晶閘管的每一個可以是集成門極換向晶閘管IGCT或者具有上述操作模 式的允許損耗降低的混合開關(guān)。
[0010] 多個晶體管的每一個可以是絕緣柵雙極晶體管（IGBT)。備選地，多個晶體管的每 一個可能是功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET)、功率雙極結(jié)晶體管（BJT)、雙 模絕緣柵晶體管（BIGT)或者任何其他適當?shù)母吖β示w管組件。
[0011] 至少一個晶閘管的每一個可設(shè)置成當故障在多級轉(zhuǎn)換器的DC側(cè)發(fā)生時被設(shè)置在 阻斷狀態(tài)。甚至在沒有鉗位電感器的情況下，晶閘管也能夠控制為處于阻斷狀態(tài)。例如，這 能夠大約在電流通過零時執(zhí)行。
[0012] 按照第二方面，提供一種高壓多級轉(zhuǎn)換器，其包括按照第一方面的多個轉(zhuǎn)換器單 J L 〇
[0013] 按照第三方面，提供一種用于控制高壓多級轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器單元的方法，該轉(zhuǎn)換 器單元包括：能量儲存元件；至少一個晶閘管；以及多個晶體管；其中至少一個晶閘管的每 一個設(shè)置在轉(zhuǎn)換器單元中的切換元件的拓撲位置，其中在轉(zhuǎn)換器單元的正常操作期間，至 少一個晶閘管處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)。該方法包括下列步驟：當故障在多級轉(zhuǎn)換器的DC側(cè)發(fā)生 時，將至少一個晶閘管的至少一個晶閘管設(shè)置在阻斷狀態(tài)。
[0014] 將至少一個晶閘管設(shè)置在阻斷狀態(tài)的步驟可延遲到通過至少一個晶閘管的電流 是可忽略的。
[0015] 將至少一個晶閘管設(shè)置在阻斷狀態(tài)的步驟可延遲到通過至少一個晶閘管的電流 經(jīng)過零值，即，直到所述的晶體管的電流的零交叉。
[0016] 該方法在將至少一個晶閘管設(shè)置在阻斷狀態(tài)的步驟之前還可包括下列步驟：檢測 多級轉(zhuǎn)換器的DC側(cè)的故障。將至少一個晶閘管設(shè)置在阻斷狀態(tài)的步驟則可基于檢測故障 的步驟。
[0017] 要注意，在適當?shù)那闆r下，第一、第二和第三方面的任何特征可適用于這些方面的 任何其他方面。
[0018] 一般來說，權(quán)利要求書中使用的所有術(shù)語將要按照它們在技術(shù)領(lǐng)域中的普通含意 來解釋，除非本文中另加明確說明。對"一 / 一個/該元件、設(shè)備、組件、部件、步驟等"的所 有提法開放式地理解為表示元件、設(shè)備、組件、部件、步驟等的至少一個實例，除非另加明確 說明。本文所公開的任何方法的步驟無需按照所公開的準確順序來執(zhí)行，除非另加明確說 明。
【附圖說明】
[0019] 現(xiàn)在作為示例、參照附圖來描述本發(fā)明，附圖包括： 圖1是示出用于在DC與AC之間進行轉(zhuǎn)換的多級轉(zhuǎn)換器的一個實施例的示意圖； 圖2是更詳細示出圖1的轉(zhuǎn)換器臂的示意圖； 圖3A-B是示出例如圖2的轉(zhuǎn)換器臂的轉(zhuǎn)換器單元的兩個實施例的示意圖； 圖4是示出串聯(lián)連接的兩個全橋單元的示意圖； 圖5是示出具有串聯(lián)連接的全橋單元和半橋單元的結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖6是示出與圖5相似的結(jié)構(gòu)的示意圖，作為串聯(lián)連接的全橋單元和半橋單元的修正 結(jié)構(gòu)； 圖7是示出與圖5相似但略有不同的結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖8A-B是示出如何能夠?qū)崿F(xiàn)圖3A-B和圖4-7的切換元件的示意圖；以及 圖9A-B是示出在本文所提供的實施例中能夠運行的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面將參照附圖更全面地描述本發(fā)明，附圖中示出本發(fā)明的某些實施例。但是，本 發(fā)明可通過許多不同形式來實施，而不應(yīng)被理解為局限于本文所提出的實施例；相反，這些 實施例作為示例來提供，以使得本公開將是透徹和全面的，并且將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員全 面地傳達本發(fā)明的范圍。描述中，相似標號通篇表示相似元件。
[0021] 圖1是示出用于在DC與AC之間進行轉(zhuǎn)換的多級轉(zhuǎn)換器8的一個實施例的示意圖。 DC連接包括正極端子DC+和負極端子DC，并且能夠是HVDC連接。這個實施例中的AC連接 是包括三個AC連接AC a、ACb和AC。的三相連接，并且能夠連接到例如AC電網(wǎng)。雖然多級轉(zhuǎn) 換器8在這里示為具有三相，但是多級轉(zhuǎn)換器8同樣完全能夠具有一相、二相、四相或更多 相。
[0022] 由于在這里存在三相，所以存在三個相臂7a_c。三個相臂7a_c并聯(lián)連接在DC連 接的端子DC +、DC之間。在這個實施例中，第一相臂7a包括串聯(lián)連接在DC連接的端子DC +、 DC之間的第一轉(zhuǎn)換器臂la、第一電感器9a、第二電感器9b和第二轉(zhuǎn)換器臂lb。類似地，第 二相臂7b包括串聯(lián)連接在DC連接的端子DC +、DC之間的第三轉(zhuǎn)換器臂lc、第三電感器9c、 第四電感器9d和第四轉(zhuǎn)換器臂ld，以及第三相臂7c包括串聯(lián)連接在DC連接的端子DC +、 DC之間的第五轉(zhuǎn)換器臂le、第五電感器9e、第六電感器9f和第六轉(zhuǎn)換器臂If。AC端子 ACa、ACb和AC。設(shè)置在相應(yīng)相臂7a-c的電感器9a-b之間。可選地，只有一個電感器設(shè)置在 各相臂7a_c中。
[0023] 主控制器6連接到所有轉(zhuǎn)換器臂la-f，并且發(fā)送控制轉(zhuǎn)換器臂la-f的操作的控制 信號。這樣，主控制器6控制用于從AC到DC和/或從DC到AC的轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器臂的操作。 多級轉(zhuǎn)換器8能夠沿AC與DC之間的任一方向是單向的或者是雙向的。在這個實施例中， 多級轉(zhuǎn)換器8是電壓源轉(zhuǎn)換器。
[0024] 雖然多級轉(zhuǎn)換器8在這里示為對各相臂具有兩個轉(zhuǎn)換器臂，但是每相可能包括由 主控制器6所控制的任何適當數(shù)量（1、2、3等）的串聯(lián)連接轉(zhuǎn)換器臂。
[0025] 圖2是更詳細示出圖1的轉(zhuǎn)換器臂1的示意圖。轉(zhuǎn)換器臂1能夠是圖1所示轉(zhuǎn)換 器臂la-f的任一個。轉(zhuǎn)換器臂1包括任何適當數(shù)量的轉(zhuǎn)換器單元10,其中各轉(zhuǎn)換器單元 10由主控制器6來控制。如下面更詳細說明，各轉(zhuǎn)換器單元10包括一個或多個切換元件， 其各能夠由主控制器6單獨控制，例如以取得包括轉(zhuǎn)換器臂1的轉(zhuǎn)換器裝置的AC與DC之 間的轉(zhuǎn)換的預(yù)期切換模式。
[0026] 圖3A-B是示出例如圖2的轉(zhuǎn)換器臂1的轉(zhuǎn)換器單元10的兩個實施例的示意圖。 圖3A示出實現(xiàn)半橋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器單元10。轉(zhuǎn)換器單元10在這里包括采取切換元件S1、S2 的形式的兩個串聯(lián)連接有源組件的臂。兩個串聯(lián)連接切換元件S1、S2的臂與能量儲存元件 16并聯(lián)連接。能量儲存元件16例如能夠使用電容器、超級電容器、電感器、電池等實現(xiàn)。由 轉(zhuǎn)換器單元所合成的輸出電壓因而能夠是零或者是能量儲存組件16的電壓（表示為V c)。 轉(zhuǎn)換器單元10的輸出電壓通過可選地經(jīng)由一個或多個選通單元從主控制器送往切換元件 S1-S2的控制信號來控制。
[0027] 圖3B示出實現(xiàn)全橋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器單元10。轉(zhuǎn)換器單元10在這里包括四個切換 元件S1-S4。能量儲存組件16也設(shè)置成并聯(lián)于兩個切換元件S1-S2的第一臂和兩個切換 元件S3-S4的第二臂。與圖3A的半橋相比，全橋結(jié)構(gòu)允許能夠取兩種符號的輸出電壓的合 成，由此轉(zhuǎn)換器單元的電壓能夠是零、是能量儲存組件16的電壓（即，Vc)或者是能量儲存 組件16的反向電壓（即，-Vc)。轉(zhuǎn)換器單元10的輸出電壓通過可選地經(jīng)由一個或多個選 通單元從主控制器送往切換元件S1-S4的控制信號來控制。
[0028] 圖4是示出串聯(lián)連接的兩個全橋單元10a-b的示意圖。兩個全橋單元10a-b的每 一個具有圖3B的全橋單元的結(jié)構(gòu)。因此，第一全橋單元IOa包括四個切換元件S1-S4和能 量儲存元件16a。第二全橋單元包括其自己的四個切換元件S5-S8和能量儲存元件16b。
[0029] 下表1示出如由主控制器對各種預(yù)期輸出電壓Vout所控制的圖4的兩個全橋單 元10a-b的切換模式。對所述的切換元件，'0'表示阻斷狀態(tài)，而'1'表示導(dǎo)通狀態(tài)。
[0030] 表1上部示出正常操作期間、即轉(zhuǎn)換器單元10a-b沒有處于故障模式時的切換 模式。在正常模式，主控制器控制兩個全橋單元l〇a-b的切換元件，以取得預(yù)期組合電壓 Vout。要注意，這個拓撲支持兩個方向的電流Iarm，即，larm〈0或者larm>0。
[0031] 觀察正常操作的模式能夠看到，第一全橋單元IOa的一個切換元件S3和第二全橋 單元IOb的一個切換元件S8始終接通。因此，在正常操作期間，這兩個切換元件S3、S8 (以 粗線所標記，并且以下稱作常通切換元件）處于連續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，而不管主控制器期望哪一 個輸出電壓。
[0032] 本文所提供的實施例通過使用處于導(dǎo)通狀態(tài)時具有較低電阻的組件提供常通切 換元件的任一個或兩者，來利用這種模式，即使這是以常通切換元件S3、S8需要設(shè)置