[发明专利]电压源转换器及其控制

说明书

技术领域

本申请涉及电压源转换器且涉及用于电压源转换器的控制的方法和设备，且特别地涉及用于在高电压配电中使用的电压源转换器，且尤其涉及具有可以在相支路的臂之间共享的用于电压波整形的元件的电压源转换器。

背景技术

高压直流电(high-voltage direct current，HVDC)电力传输使用直流电以供电力的传输。这是更普遍的交流电电力传输的替代方案。使用HVDC电力传输存在许多益处。

为了使用HVDC电力传输，通常必需将交流电(AC)转换为直流电(DC)并再次转换回交流电。历史上这涉及基于例如闸流晶体管等元件的六脉冲桥型拓扑，所述元件可在电力循环中的所需时刻接通，并且只要它们被正向偏置就保持导通。此转换器被称为线路换流转换器(line-commutated converter，LCC)。

电力电子器件领域中的最近发展已经带来用于AC-DC和DC-AC转换的电压源转换器(VSC)的增加使用。VSC利用能够可控地导通和断开的串联连接的切换元件，通常为与相应反并联二极管连接的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)。这些转换器有时被称作自换流转换器。

VSC通常包括多个转换器臂(converter arms)，其中的每一个将一个DC端子连接到一个AC端子，如图1所示。图1示出用于转换到三相AC/从三相AC转换的典型VSC 100。存在三个相支路(phase limb)101a、101b和101c，其中的每一个将相应AC端子102a-c连接到DC端子DC+和DC-。每一相支路具有两个转换器臂：将相应AC端子连接到高侧DC端子(high-side DC terminal)DC+的上臂103-U，以及将相应AC端子连接到低侧DC端子(l0w-side DC terminal)DC-的下臂103-L。

每一转换器臂包括常被称为阀(valve)且通常包括多个串联连接的元件104的设备，所述多个串联连接的元件可以按所需顺序切换。

在常常称为六脉冲桥的一种形式的已知VSC中，所述阀包括多个串联连接的切换元件，典型地为与相应反并联二极管106连接的IGBT 105，如实例元件104a所说明。每一阀的IGBT一起切换，即大体上同时切换，以电连接或断开相关的AC和DC端子。因此，转换器臂的阀有效地形成单个高电压开关。给定相支路的阀是以反相进行切换，且通过针对每一臂使用脉宽调制(PWM)型切换方案，可实现AC与DC电压之间的转换。

然而在需要大量串联连接的IGBT的高电压应用中，所述方法确实需要复杂的驱动电路以确保IGBT彼此同时切换，且可能需要额外的大量无源缓冲器组件以确保跨越串联连接的IGBT的高电压被均等地共享。另外，IGBT在AC电压频率的每一循环上需要导通和断开若干次以控制谐波电流。这些因素可导致相对高的转换损耗、高水平的电磁干扰以及复杂的设计。

在称为模块化多电平转换器(modular multilevel converter，MMC)的另一已知类型的VSC中，转换器臂的元件104是包括储能元件的单元，例如电容器107，且可控制IGBT 105的单元开关布置以便在单元的端子之间串联连接储能元件或者旁路(bypass)储能元件。图1示出此单元104b的实例。单元104b给出处于半桥布置的IGBT 105，但基于全桥布置的单元也是已知的且可以使用。

MMC的单元常常称为子模块，其中多个单元形成阀模块。这些单元104b的串联连接有时称为链节(chain-link)电路或链节转换器或简称为链节。

对MMC型转换器的阀的单元或子模块进行控制以在不同时间连接或旁路其相应储能元件，以便使跨越阀的电压差随着时间而变化。通过使用相对大数量的子模块且适当地对切换进行定时，阀可以合成近似于正弦波且包括低水平谐波失真的阶梯波形。由于各个子模块个自地切换且从切换个别子模块带来的电压改变相对较小，因此避免了与六脉冲桥转换器相关联的许多问题。

在MMC设计中，每一阀的高侧端子将至少在循环的一部分连接到大体上等于高侧DC端子的电压DC+的电压，同时所述阀的低侧端子连接到大体上等于低侧DC端子电压DC-的电压。换句话说，每一阀必须被设计成承受电压VDC，其中VDC是高侧与低侧DC端子之间的电压差。这需要带有具有相对高电容值的电容器的大量子模块。MMC转换器因此可能需要相对大数目的组件，从而增加转换器的成本和大小。