電壓源轉(zhuǎn)換器及其控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及一種電壓源轉(zhuǎn)換器以及控制電壓源轉(zhuǎn)換器的方法和裝置，并且尤其涉及用于高壓配電的電壓源轉(zhuǎn)換器，具體涉及具有帶有多個(gè)用于波形整形的單元和至少一個(gè)用于電壓阻斷的單元的轉(zhuǎn)換器臂的電壓源轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]HVDC(高壓直流）電功率傳輸使用直流來進(jìn)行電功率傳輸。這是比較常見的交流電功率傳輸?shù)膫溥x方案。使用HVDC電功率傳輸具有許多益處。
[0003]為了使用HVDC電功率傳輸，通常需要將交流電流（AC)轉(zhuǎn)換成直流電流（DC)，然后再轉(zhuǎn)換回來。過去，這會涉及到基于晶閘管的六脈沖橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（其有時(shí)也稱為線換向轉(zhuǎn)換器（LCC))。
[0004]功率電子領(lǐng)域的最新發(fā)展已經(jīng)帶來對用于AC-DC和DC-AC轉(zhuǎn)換的電壓源換流器(VSC)的使用增加。VSC通常包括多個(gè)轉(zhuǎn)換器臂，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂將一個(gè)DC端子連接到一個(gè)AC端子上。針對典型的三相交流輸入/輸出而具有六個(gè)轉(zhuǎn)換器臂，其中兩個(gè)臂部將給定的AC端子分別連接到高、低側(cè)DC端子上，從而構(gòu)成相位肢（phase limb)。每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂均包括通常被稱為閥并通常包括可以所需順序進(jìn)行切換的多個(gè)元件的裝置。
[0005]在一種已知的通常稱為六脈沖橋的VSC中，每個(gè)閥均包括一組串聯(lián)連接的開關(guān)元件，這通常是與各個(gè)反并聯(lián)二極管相連的絕緣柵雙極晶體管（IGBT)。閥的各個(gè)IGBT—起切換從而與相關(guān)的AC端子和DC端子進(jìn)行電連接或斷開，其中給定相位肢的閥通常以反相位進(jìn)行切換。通過對每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂使用脈沖寬度調(diào)制（PWM)型切換方案，可以實(shí)現(xiàn)交流和直流電壓之間的轉(zhuǎn)換。
[0006]然而，在需要大量串聯(lián)連接的IGBT的高壓應(yīng)用中，方法的確需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路以確保各個(gè)IGBT彼此同時(shí)進(jìn)行切換，而且的確需要大型的無源緩沖器組件以確保正確共享串聯(lián)連接的IGBT兩端的高電壓。此外，各個(gè)IGBT需要在交流電壓頻率的每個(gè)周期中進(jìn)行多次接通及斷開，以便控制諧波電流。這些因素可能會導(dǎo)致相對較高的轉(zhuǎn)換損耗、高電平的電磁干擾以及復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
[0007]在另一種已知類型的稱為模塊化多電平轉(zhuǎn)換器（MMC)的VSC中，每個(gè)閥均包括多個(gè)串聯(lián)連接的單元，其中每個(gè)單元包括例如電容器的能量存儲元件以及開關(guān)結(jié)構(gòu)，所述開關(guān)結(jié)構(gòu)經(jīng)控制可將能量存儲元件連接在單元的端子之間或者將能量存儲元件旁路。該單元有時(shí)還稱為子模塊，并且多個(gè)單元構(gòu)成閥模塊。閥的子模塊經(jīng)控制，以不同時(shí)間對其各自的能量存儲元件進(jìn)行連接或旁路，從而隨著時(shí)間來改變多個(gè)單元上的電壓差。通過使用相對大量的子模塊并適當(dāng)?shù)囟〞r(shí)進(jìn)行切換，使得閥能夠合成近似于所需波形（例如，正弦波）的階躍式波形，從而在較低的諧波失真等級的情況下將DC轉(zhuǎn)換成AC，或相反。由于各個(gè)子模塊單獨(dú)地進(jìn)行切換并且因切換單個(gè)子模塊而導(dǎo)致的電壓變化相對較小，因此避免了與六脈沖橋式轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的許多問題。
[0008]在MMC設(shè)計(jì)中，會在交流周期中連續(xù)地對每個(gè)閥進(jìn)行操作，其中同步地切換相位肢的兩個(gè)閥以提供所需的電壓波形。因此，至少對于AC波形的部分周期而言，每個(gè)閥的高側(cè)端子將連接到大致等于高直流母線電壓電壓上，而低側(cè)端子則連接到大致等于低直流母線電壓-VdJ^電壓上。因此，每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂的閥必須設(shè)計(jì)成能夠承受兩個(gè)DC端子之間的電壓差，即2VDe的電壓。這要求每個(gè)閥具有大量的子模塊。因此，MMC轉(zhuǎn)換器可能需要相對大量的部件，這增加了轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸。
[0009]近來，已經(jīng)提出了一種變型的轉(zhuǎn)換器，其中在轉(zhuǎn)換器臂中設(shè)置一系列相連的單元以提供所述的階躍式電壓波形，但是每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂會斷開長達(dá)交流周期的至少一部分。因此，多個(gè)串聯(lián)連接的用于電壓整形的單元與開關(guān)元件串聯(lián)連接，其中當(dāng)相關(guān)的轉(zhuǎn)換器臂處于關(guān)斷狀態(tài)且不導(dǎo)通時(shí)所述開關(guān)元件關(guān)斷。這種轉(zhuǎn)換器已被稱為交替臂轉(zhuǎn)換器(alternatearm converter)。這種轉(zhuǎn)換器的不例在W02010/149200中有所描述。
[0010]圖1示出了已知的交替臂轉(zhuǎn)換器(AAC) 100。示例性轉(zhuǎn)換器100具有三個(gè)相位肢lOla-c，其中每個(gè)相位肢具有將相關(guān)的AC端子102a-c連接到高側(cè)DC端子DC+的高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂，以及將相關(guān)的AC端子102a-c連接到低側(cè)DC端子DC-的低側(cè)轉(zhuǎn)換器臂。每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括多個(gè)串聯(lián)的單元103，其中每個(gè)單元具有可選擇性地被串聯(lián)連接在該單元的端子之間的能量存儲元件或者被旁路的能量存儲元件。在圖1所示的示例中，每個(gè)單元具有分別用于高側(cè)和低側(cè)連接的端子104a，104b，并包括作為能量存儲元件的電容器105。電容器105與開關(guān)元件106 (例如，具有反并聯(lián)二極管的IGBT)相連，以允許該單元的端子104a和104b經(jīng)由旁路了電容器105的路徑或經(jīng)由包括了串聯(lián)連接的電容器105的路徑來進(jìn)行連接。在圖1中所示的示例中，每個(gè)單元包括以全H橋式結(jié)構(gòu)配置的四個(gè)開關(guān)元件106，從而可在使用中連接電容器以在端子104a和104b之間提供正電壓差或負(fù)電壓差。然而，在一些實(shí)施例中，至少一些單元可包括半橋結(jié)構(gòu)中的開關(guān)元件，從而可對該電容器進(jìn)行旁路或連接以提供給定極性的電壓差。這種單元103的串聯(lián)連接有時(shí)稱為鏈?zhǔn)?chain-link)電路或鏈?zhǔn)睫D(zhuǎn)換器。
[0011]在AAC轉(zhuǎn)換器中，每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂中的串聯(lián)連接的單元103與臂開關(guān)元件107串聯(lián)連接，該臂開關(guān)元件例如可包括具有關(guān)斷能力的高壓元件，例如帶有反并聯(lián)二極管的IGBT或此類。當(dāng)特定的轉(zhuǎn)換器臂導(dǎo)通時(shí)，串聯(lián)連接的單元按順序切換從而以上面針對MMC型轉(zhuǎn)換器所描述的類似方式來提供所需的波形。然而，在AAC轉(zhuǎn)換器中，相位肢的轉(zhuǎn)換器臂的每個(gè)臂都被關(guān)斷長達(dá)一部分的交流周期，并且在此期間臂開關(guān)元件斷開。當(dāng)轉(zhuǎn)換器臂由此而處于關(guān)斷狀態(tài)并且不導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)換器臂兩端的電壓分擔(dān)在臂開關(guān)元件與串聯(lián)連接的單元(即鏈?zhǔn)诫娐?之間。這在使用中可減小串聯(lián)連接單元(即，鏈?zhǔn)诫娐?兩端的最大電壓。
[0012]例如，轉(zhuǎn)換器如此操作:使得AC端子處的電壓在交流周期期間在高側(cè)直流電壓+乂%與低側(cè)直流電壓-V De之間變化，并且使得高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂針對交流周期的正極性部分而接通，但針對直流周期的負(fù)極性部分而關(guān)斷(并且低側(cè)轉(zhuǎn)換器臂以反相來進(jìn)行控制)。在交流周期的正極性部分期間，AC端子上的電壓在零(S卩，中點(diǎn)電壓，通常是接地的電壓)與+Vdc之間變化。在此期間，高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂中的串聯(lián)連接單元上的最大電壓差的幅值將相應(yīng)等于Vdco
[0013]對于交流周期的負(fù)極性部分，AC端子上的電壓變?yōu)樨?fù)，這導(dǎo)致了高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂上更大的電壓差。然而，如果高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂的臂開關(guān)元件針對交流周期的負(fù)極性部分而斷開，那么轉(zhuǎn)換器臂兩端的電壓則分擔(dān)在臂開關(guān)元件與多個(gè)串聯(lián)連接單元之間。如果臂開關(guān)元件具有幅值為vDe的耐壓能力，那么交流周期的負(fù)半部分期間的高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂的串聯(lián)連接單元上的最大電壓也將為幅值VDC。相同原則也適用于低側(cè)相位臂。因此，轉(zhuǎn)換器臂的單元可設(shè)計(jì)為最大正常操作電壓為VDe，而不是MMC型轉(zhuǎn)換器可能需要的2VDe。這允許使用更少的部件，即使在需要臂開關(guān)元件的情況下也能相應(yīng)地降低成本并減少尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)換器和方法，以及用于對其進(jìn)行控制的裝置。
[0015]因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了具有至少一個(gè)相位肢的電壓源轉(zhuǎn)換器，其中每個(gè)相位肢包括將AC端子連接到高側(cè)DC端子的高側(cè)轉(zhuǎn)換器臂以及將AC端子連接到低側(cè)DC端子的低側(cè)轉(zhuǎn)換器臂，其中至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括:
[0016]第一多個(gè)單元，所述第一多個(gè)單元中的每個(gè)單元均包括能選擇性地被串聯(lián)連接在所述轉(zhuǎn)換器臂中或被旁路的能量存儲元件；和
[0017]與所述第一多個(gè)單元串聯(lián)連接的高壓模塊，高壓模塊包括能選擇性地被串聯(lián)連接在所述轉(zhuǎn)換器臂中或被旁路的至少一個(gè)能量儲存元件，
[0018]其中，高壓模塊的額定電壓大于所述第一多個(gè)單元中的任何單元上的電壓。
[0019]因此，本發(fā)明的實(shí)施例與AAC型轉(zhuǎn)換器的類似之處在于:每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂中具有帶有能量存儲元件的第一多個(gè)單元，能量存儲元件能夠在轉(zhuǎn)換器臂電路中選擇性地被連接以及斷開，從而提供電壓波形整形。在本發(fā)明的實(shí)施例中，至少一個(gè)轉(zhuǎn)換器臂(有利地為每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂)還具有高壓模塊，高壓模塊包括能與第一多個(gè)單元串聯(lián)連接的至少一個(gè)能量存儲元件，例如高壓電容器。所述高壓模塊的額定電壓(即，使用中由高壓模塊的至少一個(gè)能量存儲元件所存儲的操作電壓)大于所述第一多個(gè)單元的任何單元。有利的是，高壓模塊的額定電壓是與所述轉(zhuǎn)換器臂相連的DC端子在使用時(shí)的電壓幅值的至少一半。
[0020]如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，用于波形整形的轉(zhuǎn)換器臂設(shè)計(jì)為提供電壓階躍，該電壓階躍是DC端子處的直流電壓的幅值的相對小的部分。高壓模塊包括至少一個(gè)具有顯著較高的額定電壓的能量存儲元件。由高壓模塊所保持的電壓相應(yīng)為相關(guān)的DC端子的電壓幅值的顯著部分，例如為相關(guān)的DC端子的電壓幅值的至少一半、相關(guān)的DC端子的電壓幅值的至少四分之一。在一些應(yīng)用中，使用時(shí)由高壓模塊所存儲的電壓可大致等于DC端子處的電壓幅值。這顯著高于使用時(shí)由第一多個(gè)單元中的單元所存儲的電壓，例如高壓模塊的能量存儲元件在使用中所存儲的電壓或額定電壓可以比用于提供波形整形第一多個(gè)單元中的任何單元的能量存儲元件的電壓大至少10倍、至少20倍或至少50倍。
[0021]在使用中，高壓模塊的能量存儲元件可選擇性地串聯(lián)連接于所述第一多個(gè)單元，從而在所述轉(zhuǎn)換器臂關(guān)斷狀態(tài)下提供電壓阻斷支持，和/或相比于不具有高壓模塊的替代方案，減少了所述第一多個(gè)單元所需的單元數(shù)量。
[0022]高壓模塊可包括至少一個(gè)用于選擇性地提供對所述至少一個(gè)能量存儲元件進(jìn)行旁路的電路徑的第一開關(guān)元件，以及至少一個(gè)選擇性地提供將所述至少一個(gè)能量存儲元件串聯(lián)連接在所述轉(zhuǎn)換器臂中的電路徑的第二開關(guān)元件。在一