具有平頂pwm調(diào)制的模塊化多電平變換器支路、變換器和混合變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種電壓源變換器(30)，用于互連第一和第二電網(wǎng)(44，46)，該電壓源變換器(30)包括：第一和第二端子(32，34)，用于連接至第一電網(wǎng)(44)；以及初級變換器臂(36a)，在第一和第二端子(32，34)之間延伸，初級變換器臂(36a)包括由第三端子(42)分隔開的第一和第二初級臂部(38，40)，第三端子(42)能夠連接至第二電網(wǎng)(46)，每個初級臂部(38，40)包括至少一個開關(guān)元件(50)和/或第一鏈?zhǔn)阶儞Q器，每個初級臂部(38，40)能夠操作以被切換進(jìn)和切換出在第三端子(42)與第一和第二端子(32，34)中的相應(yīng)一個之間的電路，每個初級臂部(38，40)能夠操作以在第三端子(42)與第一和第二端子(32，34)中的相應(yīng)一個之間傳送電力；至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器(58)，連接至第三端子(42)，所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器(58)包括多個鏈?zhǔn)侥K(60)，多個鏈?zhǔn)侥K(60)中的每一個能夠選擇性地操作以提供電壓源，其中所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器(58)包括控制單元，配置為選擇性地操作多個鏈?zhǔn)侥K(60)以產(chǎn)生不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形；以及控制器(62)，配置為選擇性地操作所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器(58)以控制在第三端子(42)處的不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的形態(tài)，控制器(62)包括所述或每個控制單元，控制器(62)被配置為在不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的相應(yīng)未調(diào)制時間段期間選擇性地控制將每個初級臂部(38，40)切換進(jìn)在第三端子(42)與第一和第二端子(32，34)中的相應(yīng)一個之間的電路，控制器(62)被配置為選擇性地協(xié)調(diào)初級臂部(38，40)和所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器(58)的操作以控制在第三端子(42)處的不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的形態(tài)。
【專利說明】
具有平頂PWM調(diào)制的模塊化多電平變換器支路、變換器和混合變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種包括鏈?zhǔn)阶儞Q器的電壓源變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電力通常被轉(zhuǎn)換為經(jīng)由架空線路和/或海底電纜進(jìn)行傳輸?shù)闹绷?DC)電力。此轉(zhuǎn)換不需要補(bǔ)償由傳輸線路或電纜導(dǎo)致的AC電容性負(fù)載的影響，并因此降低了線路和/或電纜的每公里成本。當(dāng)需要長距離傳輸電力時，從AC到DC的變換因而變得具有成本效益。
[0003]AC電力到DC電力的變換還用于需要互連在不同頻率下運(yùn)行的AC網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。
[0004]在任何這種電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在AC電力與DC電力之間的每個交接處需要變換器來實(shí)現(xiàn)所需的變換，并且一種此類形式的變換器是電壓源變換器(VSC)。
[0005]已知在電壓源變換器中使用帶有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)H的六開關(guān)(兩電平)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)10和三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)12，如圖1a和圖1b所示。IGBT器件14串聯(lián)連接在一起并一同切換以實(shí)現(xiàn)1Mff至10Mff的高額定功率。另外，在AC電源頻率的每個周期中，IGBT器件14在高電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷若干次以控制被饋送到AC電網(wǎng)的諧波電流。這導(dǎo)致高損耗、高電平的電磁干擾和復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
[0006]還已知在電壓源變換器中使用多電平變換器布置，諸如如圖1c所示。多電平變換器布置包括串聯(lián)連接的單元18的相應(yīng)變換器橋16。每個變換器單元18包括與電容器22并聯(lián)連接的一對串聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 20。各個變換器單元18不同時切換并且變換器電壓階躍相對較小。在這種多電平變換器布置中，每個變換器單元18的電容器22被配置為具有足夠高的電容值以便限制電容器端子處的電壓變化，并且由于IGBT 20有限的額定電壓，所以需要大量的變換器單元18。在每個變換器橋16中還需要電抗器24，以限制在變換器臂26之間流動的瞬時電流，從而使變換器臂26的并聯(lián)連接和操作成為可能。這些因素導(dǎo)致具有大量的儲存電能的昂貴的、大型和重型的設(shè)備，這使得設(shè)備的預(yù)組裝、測試和運(yùn)輸困難。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]提供了一種鏈?zhǔn)阶儞Q器，包括多個鏈?zhǔn)侥K，所述多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個能夠選擇性地操作以提供電壓源，其中鏈?zhǔn)阶儞Q器包括控制單元，配置為選擇性地操作多個鏈?zhǔn)侥K以產(chǎn)生不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制(dPffM)電壓波形。
[0008]由多個鏈?zhǔn)侥K產(chǎn)生的dPWM電壓波形是使用脈沖寬度調(diào)制由多個鏈?zhǔn)侥K產(chǎn)生的電壓波形，并且包括未調(diào)制時間段，在該未調(diào)制時間段期間，多個鏈?zhǔn)侥K不主動地操作。
[0009]在鏈?zhǔn)阶儞Q器中提供控制單元使得鏈?zhǔn)阶儞Q器能夠產(chǎn)生dPWM電壓波形，從而導(dǎo)致在對應(yīng)的電流波形中的低總諧波失真(THD)。對應(yīng)的電流波形的低THD消除了對于用來滿足電網(wǎng)規(guī)程要求的昂貴和笨重的濾波設(shè)備的需要。這不僅降低了鏈?zhǔn)阶儞Q器的總體成本、尺寸和占用空間，而且還消除了由濾波設(shè)備的運(yùn)行導(dǎo)致的電力損耗的發(fā)生，因而提高了鏈?zhǔn)阶儞Q器的效率。此外，避免了對用于控制這種濾波設(shè)備的專用和精密控制系統(tǒng)的需要，因而簡化了鏈?zhǔn)阶儞Q器的總體控制。
[0010]另外，在由鏈?zhǔn)阶儞Q器產(chǎn)生的dPmi電壓波形中，未調(diào)制時間段的存在減少了鏈?zhǔn)阶儞Q器的主動操作的時間段，因而減少了由這種主動操作導(dǎo)致的損失。
[0011]控制單元可以被配置為選擇性地操作多個鏈?zhǔn)侥K，以將相移添加到dPWM電壓波形的零序分量，從而減少或消除了在以下二者之間的相位差:
[0012]在產(chǎn)生dPWM電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流;與
[0013]dPWM電壓波形的未調(diào)制時間段。
[0014]相移的大小可以由有功和無功功率需求計(jì)算得出。
[0015]將相移添加到dPWM電壓波形的零序分量的能力使得dPWM電壓波形的優(yōu)化能夠修改由多個鏈?zhǔn)侥K的主動操作導(dǎo)致的損失，以遵守相關(guān)電力應(yīng)用的具體要求。
[0016]減少或消除了在產(chǎn)生dpmi電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流與dpmi電壓波形的未調(diào)制時間段之間的相位差允許峰值電流更緊密或更精確地與多個鏈?zhǔn)侥K不主動地操作的未調(diào)制時間段保持一致。這因此減少或消除了接近峰值電流或在峰值電流處由多個鏈?zhǔn)侥K的主動操作導(dǎo)致的損失，從而降低了由多個鏈?zhǔn)侥K的主動操作導(dǎo)致的總體損失。與對應(yīng)于dPWM電壓波形而沒有額外相移的電流波形相比，對應(yīng)于dPWM電壓波形而沒有額外相移的電流波形的THD更高，但在絕對數(shù)量上仍是低的。
[0017]DPmi電壓波形的未調(diào)制時間段可以取決于所產(chǎn)生的dpmi電壓波形的所需特性而變化，以滿足相關(guān)電力應(yīng)用的具體要求。例如，dPWM電壓波形的未調(diào)制時間段可以小于、大于或等于60電角度。
[0018]每個鏈?zhǔn)侥K的配置可以改變，以滿足相關(guān)電力應(yīng)用的具體要求。例如，多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個可包括至少一個開關(guān)元件和至少一個能量儲存裝置，每個鏈?zhǔn)侥K中的所述或每個開關(guān)元件和所述或每個能量儲存裝置結(jié)合以選擇性地提供電壓源。
[0019]提供了一種電壓源變換器，用于互連第一和第二電網(wǎng)，該電壓源變換器包括至少一個鏈?zhǔn)阶儞Q器，其中所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器是根據(jù)鏈?zhǔn)阶儞Q器的任何前述說明。
[0020]由于用于產(chǎn)生dPWM電壓波形從而導(dǎo)致在相應(yīng)電流波形中的低THD的所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器的能力，在電壓源變換器中提供所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器使得電壓源變換器不僅能夠在第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)之間傳送高質(zhì)量電力，而且能夠減少電壓源變換器組件的主動操作所需的時間段，以便傳送這種高質(zhì)量電力，從而減少與電壓源變換相關(guān)的總體損失。
[0021]變壓器可用于將電壓源變換器連接至AC電網(wǎng)。變壓器可以被配置為能夠在電壓波形被呈現(xiàn)至AC電網(wǎng)(例如，變壓器可以被配置為星形-三角形變壓器)之前消除dPWM電壓波形中的零序分量。這因此降低了電壓源變換器的AC濾波要求。
[0022]電壓源變換器的配置可以取決于相關(guān)電力應(yīng)用的要求而變化。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種電壓源變換器，用于互連第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)，所述電壓源變換器包括:
[0024]第一端子和第二端子，用于連接至所述第一電網(wǎng)；以及
[0025]初級變換器臂，在所述第一端子與所述第二端子之間延伸，所述初級變換器臂包括由第三端子分隔開的第一初級臂部和第二初級臂部，所述第三端子能夠連接至所述第二電網(wǎng)，每個初級臂部包括至少一個開關(guān)元件和/或第一鏈?zhǔn)阶儞Q器，每個初級臂部能夠操作以被切換進(jìn)和切換出在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間的電路，每個初級臂部能夠操作以在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間傳送電力；
[0026]至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器，連接至所述第三端子，所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器包括多個鏈?zhǔn)侥K，所述多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個能夠選擇性地操作以提供電壓源，其中所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器包括控制單元，配置為選擇性地操作所述多個鏈?zhǔn)侥K以產(chǎn)生不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形；以及
[0027]控制器，配置為選擇性地操作所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器以控制在所述第三端子處的dPWM電壓波形的形態(tài)，所述控制器包括所述或每個控制單元，所述控制器被配置為在所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的相應(yīng)未調(diào)制時間段期間選擇性地控制將每個初級臂部切換進(jìn)在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間的電路，所述控制器被配置為選擇性地協(xié)調(diào)所述初級臂部和所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的操作以控制在所述第三端子處的所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的形態(tài)。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器可以是多相電壓源變換器。在電壓源變換器能夠連接至多相AC電網(wǎng)的本發(fā)明的實(shí)施例中，電壓源變換器可包括多個初級變換器臂，每個初級變換器臂的第三端子能夠連接至多相AC電網(wǎng)的相應(yīng)的相。
[0029]所述或每個控制單元可以是控制器整體組成的一部分。當(dāng)控制器包括多個控制單元時，所述或每個控制單元可以與所述或每個其它控制單元分離。
[0030]在使用中，初級臂部可用于提供初級電流路徑，用于在第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)之間傳送電力，而通過對第三端子處的dPWM電壓波形的形態(tài)的控制，所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器支持將每個初級臂部切換進(jìn)和切換出在第三端子與第一和第二端子中的相應(yīng)一個之間的電路。
[0031]以這種方式，在第三端子處的dPWM電壓波形的形態(tài)的控制提供了對每個初級臂部所經(jīng)受的電壓的控制，并因此降低了由超過初級臂部的額定電壓的電壓電平導(dǎo)致的損壞的風(fēng)險。因此，設(shè)計(jì)和優(yōu)化電壓源變換器變得更加簡單，因?yàn)槌跫壉鄄靠梢员慌渲枚鵁o需考慮超過初級臂部的額定電壓的電壓電平的可能性。
[0032]當(dāng)每個初級臂部包括至少一個自然換向開關(guān)元件(例如晶閘管)時，大緩沖電路通常需要在每個自然換向開關(guān)元件已經(jīng)被換向之后控制每個自然換向開關(guān)元件兩端的電壓的變化率。另外，需要大電抗器以適應(yīng)在每個自然換向開關(guān)元件的關(guān)斷與接通之間的長的恢復(fù)時間。然而，根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器中包括所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器允許精確控制每個自然換向開關(guān)元件兩端的電壓的變化率以及在每個自然換向開關(guān)元件的關(guān)斷與接通之間的恢復(fù)時間，從而減少或消除了包括緩沖電路和電抗器的需要。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器配置為包括至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器，使得能夠減少在第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)之間傳送電力期間招致的總體損失。
[0034]首先，在根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器的操作期間，在每個電力周期期間，電力在初級變換器臂與所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器之間分配。與具有相同數(shù)量的變換器臂的傳統(tǒng)電壓源變換器相比，通過在初級臂部中使用具有低傳導(dǎo)損耗的開關(guān)元件，可以減少根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器中的總體傳導(dǎo)損耗，每個變換器臂包括多個鏈?zhǔn)侥K，其示例在圖1c中示出。這提供了在根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器的成本、尺寸和占用空間方面的進(jìn)一步節(jié)省。
[0035]其次，包括至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的電壓源變換器的操作使得在第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)之間傳送電力期間，所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器不需要處于不斷的主動操作。
[0036]當(dāng)與在第三端子處產(chǎn)生的另一種類型的電壓波形(諸如梯形電壓波形)相比時，雖然在第三端子處產(chǎn)生的dPWM電壓波形可能由于減少的初級臂部的傳導(dǎo)時間而導(dǎo)致額外的損失，但dPWM電壓波形可以形成為具有低于其它類型的電壓波形的平均電壓電平，以便對由減少的初級臂部的傳導(dǎo)時間導(dǎo)致的上述損失進(jìn)行補(bǔ)償。
[0037]在使用至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的本發(fā)明的實(shí)施例中，每個初級臂部可以操作為將所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器切換進(jìn)和切換出具有第一和第二端子中的相應(yīng)一個的電路。在這樣的實(shí)施例中，所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器可以連接在第三端子與地之間，和/或可以連接在第三端子與第四端子之間，該第四端子連接在第一端子與第二端子之間。
[0038]在使用至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的本發(fā)明的其它實(shí)施例中，電壓源變換器可包括次級變換器臂，在第一端子與第二端子之間與初級變換器臂并聯(lián)連接。次級變換器臂可包括由連接點(diǎn)分隔開的第一和第二次級臂部。每個次級臂部可包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器。電壓源變換器還可包括連接件，互連第三端子和連接點(diǎn)以形成星形結(jié)構(gòu)，其中星形結(jié)構(gòu)的第一分支包括連接件，星形結(jié)構(gòu)的第二分支包括第一次級臂部，星形結(jié)構(gòu)的第三分支包括第二次級臂部并且連接點(diǎn)限定星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
[0039]當(dāng)這樣的電壓源變換器包括多個初級變換器臂時，電壓源變換器可包括對應(yīng)數(shù)量的次級變換器臂，所述次級變換器臂中的每一個在第一端子與第二端子之間與初級變換器臂中的相應(yīng)一個并聯(lián)連接。
[0040]在使用至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的本發(fā)明的其它實(shí)施例中，電壓源變換器可包括第一和第二次級臂部。每個次級臂部可包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器。第一和第二次級臂部中的每一個可以與第一和第二初級臂部中的相應(yīng)一個并聯(lián)連接。第一初級臂部和第三端子可以由第一初級電感器分隔開。第二初級臂部和第三端子可以由第二初級電感器分隔開。第一次級臂部還可包括第一次級電感器。第二次級臂部還包括第二次級電感器。
[0041]當(dāng)這樣的電壓源變換器包括多個初級變換器臂時，電壓源變換器可包括對應(yīng)數(shù)量的第一次級臂部，所述第一次級臂部中的每一個與第一初級臂部的相應(yīng)一個并聯(lián)連接；以及對應(yīng)數(shù)量的第二次級臂部，所述第二次級臂部中的每一個與第二初級臂部的相應(yīng)一個并聯(lián)連接。
[0042]第一初級電感器的電感值可以高于或低于第一次級電感器的電感值。第二初級電感器的電感值可以高于或低于第二次級電感器的電感值。
[0043]以這種方式，電壓源變換器的配置導(dǎo)致減少或消除了由在第三端子處產(chǎn)生的dPWM電壓波形導(dǎo)致的電力故障的電感器布置，從而使得能夠在第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)之間更平滑地傳送電力。
[0044]在本發(fā)明的又一些實(shí)施例中，控制器可以被配置為操作所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器以在兩個初級臂部都被切換出在第三端子與第一和第二端子的相應(yīng)一個之間的電路時控制在第三端子處的電壓的變化率。
[0045]在根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器中提供所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器允許精確控制在第三端子處的電壓的變化率，以防止電壓在不同的電壓電平之間斜升(ramp)太快，因此最大限度地減少或避免了快速前移和高電壓尖峰，否則可能損壞或降低組件或它們的絕緣性。
[0046]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述或每個控制單元可以被配置為選擇性地操作多個鏈?zhǔn)侥K，以將相移添加到不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的零序分量，從而減少或消除了在以下二者之間的相位差:
[0047]在產(chǎn)生不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流;與
[0048]不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的未調(diào)制時間段。
[0049]在本發(fā)明的又一些實(shí)施例中，不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的未調(diào)制時間段可以小于、大于或等于60電角度。
[0050]在本發(fā)明的又一些實(shí)施例中，多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個可包括至少一個開關(guān)元件和至少一個能量儲存裝置，每個鏈?zhǔn)侥K中的所述或每個開關(guān)元件和所述或每個能量儲存裝置結(jié)合以選擇性地提供電壓源。
[0051]每個能量儲存裝置可以是能夠儲存或釋放能量的任何裝置，例如電容器或電池。
[0052]每個鏈?zhǔn)侥K可以是能夠提供零或非零電壓并且優(yōu)選地能夠在兩個方向上傳導(dǎo)電流的單向電壓源，即每個鏈?zhǔn)侥K可以是2象限單極鏈?zhǔn)侥K。例如，每個鏈?zhǔn)侥K可包括以半橋布置與能量儲存裝置并聯(lián)連接的一對開關(guān)元件，以限定可提供零電壓或正電壓并且可在兩個方向上傳導(dǎo)電流的2象限單極鏈?zhǔn)侥K。
[0053]每個鏈?zhǔn)侥K可以是能夠提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且優(yōu)選地能夠在兩個方向上傳導(dǎo)電流的雙向電壓源，即每個模塊可以是4象限雙極鏈?zhǔn)侥K。例如，每個鏈?zhǔn)侥K可包括以全橋布置與能量儲存裝置并聯(lián)連接的兩對開關(guān)元件，以限定可提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且可在兩個方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極鏈?zhǔn)侥K。
[0054]所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器可包括2象限單極鏈?zhǔn)侥K和4象限雙極鏈?zhǔn)侥K的組合。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器的模塊化布置意味著能夠簡單的增加或減少所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器中的鏈?zhǔn)侥K的數(shù)量以實(shí)現(xiàn)期望的額定功率和/或額定電壓。
[0056]例如，每個開關(guān)元件可以是自換向開關(guān)元件，諸如絕緣柵雙極晶體管、柵極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)晶體管、注入增強(qiáng)柵晶體管或集成門極換向晶閘管。
[0057]例如，每個開關(guān)元件可以是自然換向開關(guān)元件，諸如晶閘管或二極管。使用每個初級臂部中的至少一個自然換向開關(guān)裝置不僅提高了初級臂部的魯棒性，而且還使得初級臂部能夠經(jīng)受由于(多個)電網(wǎng)中的故障而可能發(fā)生的浪涌電流。在使用自然換向開關(guān)元件作為開關(guān)元件的這種實(shí)施例中，所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的每個鏈?zhǔn)侥K優(yōu)選地為4象限雙極鏈?zhǔn)侥K，該4象限雙極鏈?zhǔn)侥K可以被切換以阻止前述的浪涌電流。
[0058]應(yīng)理解的是，針對初級臂部中的一個或兩者包括至少一個開關(guān)元件的實(shí)施例，控制器可以取決于所使用的開關(guān)元件的類型，通過將接通或關(guān)斷控制信號發(fā)送至所述或每個開關(guān)元件或者通過操作所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器來控制在第三端子處的電壓波形的形態(tài)，來控制對應(yīng)的初級臂部的所述或每個開關(guān)元件的切換，以選擇性地進(jìn)行所述或每個開關(guān)元件的切換。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器的配置允許簡化初級臂部的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)而不會對根據(jù)本發(fā)明的電壓源變換器產(chǎn)生不利影響。例如，每個初級臂部可包括在第三端子與第一和第二端子的相應(yīng)一個之間串聯(lián)連接的單個開關(guān)元件或多個開關(guān)元件。具有高額定電壓的開關(guān)元件可以被選擇用于在初級臂部中使用，以進(jìn)一步減少電壓源變換器的占用空間，并由此最大限度地減少相關(guān)發(fā)電站的實(shí)際房地產(chǎn)成本。
[0060]提供一種操作鏈?zhǔn)阶儞Q器的方法，所述鏈?zhǔn)阶儞Q器包括多個鏈?zhǔn)侥K，所述多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個能夠選擇性地操作以提供電壓源，所述方法包括操作多個鏈?zhǔn)侥K以產(chǎn)生dPWM電壓波形的步驟。
[0061 ]應(yīng)理解的是，用于描述本發(fā)明的特征的術(shù)語“第一”、“第二”、“初級”和“次級”的使用僅僅旨在幫助類似特征(例如第一和第二初級臂部)之間的區(qū)分，而不旨在表明一個特征相對于另一個特征的相對重要性。
[0062]還應(yīng)理解的是，鏈?zhǔn)阶儞Q器不限于在電壓源變換器中使用，而是可以被用作獨(dú)立的設(shè)備或其它裝置。
【附圖說明】
[0063]現(xiàn)將參照附圖，通過非限制性示例的方式來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中:
[0064]圖la、圖1b和圖1c以示意圖的形式示出現(xiàn)有技術(shù)的電壓源變換器；
[0065]圖2以示意圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電壓源變換器；
[0066]圖3以示意圖和曲線圖的形式示出用于產(chǎn)生dPWM電壓波形的圖2的電壓源變換器的操作；
[0067]圖4以曲線圖的形式示出在用于產(chǎn)生dPWM電壓波形的操作期間圖2的電壓源變換器的輸出AC電壓和電流波形；
[0068]圖5以曲線圖的形式將由圖2的電壓源變換器產(chǎn)生的dPWM電壓波形的正向部分與梯形電壓波形進(jìn)行比較；
[0069]圖6以曲線圖的形式示出在用于產(chǎn)生dPWM電壓波形的操作期間分別在圖2的電壓源變換器的第一初級和次級臂部中流動的電流波形；
[0070]圖7以曲線圖的形式示出在用于產(chǎn)生包括額外相移的dPWM電壓波形的操作期間圖2的電壓源變換器的輸出AC電壓和電流波形；
[0071]圖8以曲線圖的形式示出在用于產(chǎn)生包括額外相移的dPWM電壓波形的操作期間分別在圖2的電壓源變換器的第一初級和次級臂部中流動的電流波形；
[0072]圖9以示意圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電壓源變換器；
[0073]圖10以示意圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的電壓源變換器;以及
[0074]圖11以示意圖的形式示出電壓源變換器。
【具體實(shí)施方式】
[0075]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的第一電壓源變換器30。
[0076]第一電壓源變換器30包括第一 DC端子32和第二 DC端子34以及多個初級變換器臂36a和多個次級變換器臂36b。為了簡明的目的，圖2僅示出多個初級變換器臂36a中的一個和次級變換器臂36b中的一個，但應(yīng)理解的是，其它初級變換器臂36a中的每一個在結(jié)構(gòu)上與圖2所示的初級變換器臂36a是相同的，以及其它次級變換器臂36b中的每一個在結(jié)構(gòu)上與圖2所示的次級變換器臂36b是相同的。
[0077]初級變換器臂36a和次級變換器臂36b中的每一個在第一 DC端子32與第二 DC端子34之間延伸。多個次級變換器臂36b中的每一個在第一 DC端子32與第二 DC端子34之間與多個初級變換器臂36a中的相應(yīng)一個并聯(lián)連接。
[0078]每個初級變換器臂36a包括由第三端子42分隔開的第一初級臂部38和第二初級臂部40。在所示的實(shí)施例中，第一初級臂部38連接在第一DC端子32與第三端子42之間，以及第二初級臂部40連接在第二 DC端子34與第三端子42之間。
[0079]在使用中，第一DC端子32和第二DC端子34分別連接至DC電網(wǎng)44的正極和負(fù)極端子，DC電網(wǎng)44的正極和負(fù)極端子分別攜帶有+Vdc和-Vdc的電壓，并且每個初級變換器臂36a的第三端子42經(jīng)由相電抗48和星形-三角形變壓器(未示出)連接至多相AC電網(wǎng)46的相應(yīng)的相。星形-三角形變壓器的三角形部分限定連接至第一電壓源變換器30的變壓器次級，而星形-三角形變壓器的星形部分限定連接至AC電網(wǎng)46的變壓器初級?？商娲?，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，星形-三角形變壓器的星形部分可限定連接至第一電壓源變換器30的變壓器次級，而星形-三角形變壓器的三角形部分可限定連接至AC電網(wǎng)46的變壓器初級。
[0080]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，第一電壓源變換器可具有單個變換器臂或不同的多個變換器臂，以匹配與第一電壓源變換器連接的AC電網(wǎng)的相的數(shù)量。
[0081]每個初級臂部38，40包括導(dǎo)向器，該導(dǎo)向器包括多個串聯(lián)連接的開關(guān)元件50。每個開關(guān)元件50是以與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的形式。可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，每個IGBT可以由柵極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)晶體管、注入增強(qiáng)柵晶體管、集成門極換向晶閘管或任何其它自換向半導(dǎo)體器件來代替。
[0082]還可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，每組多個串聯(lián)連接的開關(guān)元件可以由單個開關(guān)元件來代替。
[0083]以這種方式，初級臂部38，40的配置意味著，在使用中，每個初級臂部38，40的每個開關(guān)元件50是可切換的，以將對應(yīng)的初級臂部38，40切換進(jìn)和切換出在第三端子42與相應(yīng)的DC端子32，34之間的電路。
[0084]每個次級變換器臂36b包括由連接點(diǎn)56分隔開的第一次級臂部52和第二次級臂部54。在所示的實(shí)施例中，第一次級臂部52連接在第一DC端子32與連接點(diǎn)56之間，以及第二次級臂部54連接在第二 DC端子34與連接點(diǎn)56之間。
[0085]每個次級臂部52，54包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58。每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58包括多個串聯(lián)連接的鏈?zhǔn)侥K60。每個鏈?zhǔn)侥K60包括一對開關(guān)元件和以電容器的形式的能量儲存裝置。在每個鏈?zhǔn)侥K60中，開關(guān)元件以半橋布置與電容器并聯(lián)連接，以限定可提供零電壓或負(fù)電壓并且可在兩個方向上傳導(dǎo)電流的2象限單極鏈?zhǔn)侥K60。
[0086]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，每個鏈?zhǔn)侥K可以是能夠提供負(fù)電壓、零電壓和正電壓的雙向電壓源。這樣的鏈?zhǔn)侥K優(yōu)選地可在兩個方向上傳導(dǎo)電流，即每個模塊可以是4象限雙極鏈?zhǔn)侥K。例如，每個鏈?zhǔn)侥K可包括以全橋布置與能量儲存裝置并聯(lián)連接的兩對開關(guān)元件，以限定可提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且可在兩個方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極鏈?zhǔn)侥K。
[0087]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，每個鏈?zhǔn)阶儞Q器可包括2象限單極鏈?zhǔn)侥K和4象限雙極鏈?zhǔn)侥K的組合。
[0088]每個鏈?zhǔn)侥K60的每個開關(guān)元件以與反向并聯(lián)二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的形式由半導(dǎo)體器件構(gòu)成?？梢栽O(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，每個鏈?zhǔn)侥K的每個開關(guān)元件可以是不同的開關(guān)裝置，諸如柵極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)晶體管、注入增強(qiáng)柵晶體管、集成門極換向晶閘管或任何其它自換向半導(dǎo)體器件。
[0089]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，電容器可以由能夠儲存和釋放能量的另一個能量儲存裝置(例如電池)來代替。
[0090]通過改變開關(guān)元件的狀態(tài)，每個鏈?zhǔn)侥K60的電容器被選擇性地繞過(S卩，被旁路)或插入到對應(yīng)的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中。這選擇性地引導(dǎo)電流通過電容器或者使電流繞過電容器，使得每個鏈?zhǔn)侥K60提供零電壓或正電壓。
[0091]當(dāng)每個鏈?zhǔn)侥K60中的一對開關(guān)元件被配置為在鏈?zhǔn)侥K60中形成短路時，每個鏈?zhǔn)侥K60的電容器被繞過，因此該短路使電容器被繞過。這導(dǎo)致第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中的電流穿過該短路并繞過電容器，因此，鏈?zhǔn)侥K60提供了零電壓，即鏈?zhǔn)侥K60被配置為旁路模式。
[0092]當(dāng)每個鏈?zhǔn)侥K60中的一對開關(guān)元件被配置為允許第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中的電流流入和流出電容器時，每個鏈?zhǔn)侥K60的電容器被插入到第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中。然后，電容器對其儲存的能量充電或放電，以便提供正電壓，即鏈?zhǔn)侥K60被配置為非旁路模式。
[0093]通過將每個提供器自身電壓的多個鏈?zhǔn)侥K60的電容器插入到每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中，能夠在每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58兩端建立組合電壓，該組合電壓高于從每個單個鏈?zhǔn)侥K60可獲得的電壓。
[0094]每個第一次級臂部52包括與其第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58串聯(lián)連接的電感器，以及每個第二次級臂部54包括與其第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58串聯(lián)連接的電感器。
[0095]第一電壓源變換器30還包括連接件，互連第三端子42和連接點(diǎn)56以形成星形結(jié)構(gòu)，其中星形結(jié)構(gòu)的第一分支包括該連接件，星形結(jié)構(gòu)的第二分支包括第一次級臂部52，星形結(jié)構(gòu)的第三分支包括第二次級臂部54，并且連接點(diǎn)56限定星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。互連第三端子42和連接點(diǎn)56的連接件允許第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58被操作以控制在第三端子42處的AC電壓波形的形態(tài)。
[0096]第一電壓源變換器30還包括控制器62，用于控制初級臂部38，40中的導(dǎo)向器和每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換。
[0097]每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58包括控制單元(未示出)。每個控制單元是控制器62的整體組成的一部分，并且被配置為控制對應(yīng)的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換?？梢栽O(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，每個控制單元可以彼此分離的控制單元。
[0098]參照圖3至圖8，對圖2的第一電壓源變換器30的操作進(jìn)行如下描述。
[0099]為了本說明書的目的，主要地，參照多個初級變換器臂36a中的一個和多個次級變換器臂36b中的一個來描述第一電壓源變換器30的操作。應(yīng)理解的是，第一電壓源變換器30的多個初級變換器臂36a中的一個和多個次級變換器臂36b中的一個的描述操作適于比照其它初級變換器臂36a和次級變換器臂36b中的每一個的操作。
[0100]為了在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間傳送電力，控制器62控制導(dǎo)向器以將初級臂部38，40切換進(jìn)和切換出在相應(yīng)的DC端子32，34與第三端子42之間的電路，從而提供在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間的電流路徑。
[0101]為了描述第一電壓源變換器30如何工作的目的，假設(shè)第一電壓源變換器30的操作的起始點(diǎn)是在控制器62接通第二初級臂部40的導(dǎo)向器并因此將第二初級臂部40切換進(jìn)在第二 DC端子34與第三端子42之間的電路的點(diǎn)處。應(yīng)理解的是，第一電壓源變換器30的操作的起始點(diǎn)可以取決于與第一電壓源變換器30相關(guān)的電力應(yīng)用的要求而不同。
[0102]當(dāng)?shù)诙跫壉鄄?0被切換進(jìn)在第二DC端子34與第三端子42之間的電路時，第二初級臂部40中的導(dǎo)向器是關(guān)閉的，而第一初級臂部38中的導(dǎo)向器是打開的。由于第一初級臂部38的反并聯(lián)二極管被反向偏置，因此，電流被阻止流入到第一初級臂部38中。將第二初級臂部40切換進(jìn)在第二 DC端子34與第三端子42之間的電路提供了將第二 DC端子34連接至第三端子42的電流路徑，并因此導(dǎo)致-Vdc的電壓被呈現(xiàn)在第三端子42處。在此階段，第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58不主動操作來控制在第三端子42處的電壓的形態(tài)，而是被配置為通過流經(jīng)每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的近零或零電流來跟蹤近零或零電壓基準(zhǔn)。
[0103]經(jīng)過一段時間之后，控制器62關(guān)斷第二初級臂部40的導(dǎo)向器。同時，控制器62控制第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換，以在第三端子42處呈現(xiàn)負(fù)電壓，此時，第三端子42由于第二初級臂部40的導(dǎo)向器被關(guān)斷且第二初級臂部40的反并聯(lián)二極管被反向偏置而與第二 DC端子34斷開。在此階段，在第三端子42處呈現(xiàn)的負(fù)電壓的幅值比-Vdc更低。
[0104]然后，控制器62控制第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換，以使第三端子42處的電壓在正方向上斜升(如圖3中的“a”所示)。第一初級臂部38和第二初級臂部40的反并聯(lián)二極管在斜升過程中保持反向偏置，這意味著在第一初級臂部38和第二初級臂部40中有零電流流動。
[0105]當(dāng)在第三端子42處的電壓經(jīng)過一段時間之后達(dá)到特定正電壓時，控制器62接通第一初級臂部38的導(dǎo)向器并因此將第一初級臂部38切換進(jìn)在第一 DC端子32與第三端子42之間的電路(如圖3中的“b”所示)。由于第二初級臂部40的反并聯(lián)二極管被反向偏置，因此，電流被阻止流入到第二初級臂部40中。將第一初級臂部38切換進(jìn)在第一DC端子32與第三端子42之間的電路提供了將第一 DC端子32連接至第三端子42的電流路徑，并因此導(dǎo)致+Vdc的電壓被呈現(xiàn)在第三端子42處。在此階段，第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58不主動操作來控制在第三端子42處的電壓的形態(tài)，而是被配置為通過流經(jīng)每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的近零或零電流來跟蹤近零或零電壓基準(zhǔn)。
[0106]經(jīng)過一段時間之后，控制器62關(guān)斷第一初級臂部38的導(dǎo)向器并控制第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換，以在第三端子42處呈現(xiàn)正電壓，此時，第三端子42由于第一初級臂部38的導(dǎo)向器被關(guān)斷且第一初級臂部38的反并聯(lián)二極管被反向偏置而與第一 DC端子32斷開。在此階段，在第三端子42處呈現(xiàn)的正電壓的幅值比+Vdc更低。
[0107]然后，控制器62控制第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換，以使在第三端子42處的電壓在反方向上斜升(如圖3中的“c”所示)，直到在第三端子42處的電壓經(jīng)過一段時間之后達(dá)到特定負(fù)電壓。此后，控制器62接通第二初級臂部40的導(dǎo)向器，以將第二初級臂部40切換回在第二 DC端子34與第三端子42之間的電路。
[0108]將第一初級臂部38和第二初級臂部40切換進(jìn)和切換出在第三端子42與相應(yīng)的DC端子32，34之間的電路允許在第三端子42處的電壓在+Vdc與-Vdc之間換向，從而在第三端子42處產(chǎn)生AC電壓波形。
[0109]在第三端子42處產(chǎn)生的AC電壓波形形成為dPWM電壓波形200的形式，如圖4所示。更具體地，控制器62選擇性地協(xié)調(diào)初級臂部38，40和第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的開關(guān)元件的切換，以將AC電壓波形的形態(tài)控制為dPWM電壓波形(其為零序分量和正弦電壓波形的結(jié)合)的形式。在第三端子30處產(chǎn)生的交流電流波形202是正弦曲線，如圖4所示。
[0110]在第三端子42處產(chǎn)生dPWM電壓波形期間，將每個導(dǎo)向器切換進(jìn)在第三端子42與相應(yīng)的DC端子32，34之間的電路發(fā)生在第三端子42處的dPWM電壓波形的相應(yīng)未調(diào)制時間段期間，因此，每個未調(diào)制時間段對應(yīng)于其中第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58不主動操作來控制在第三端子42處的電壓的形態(tài)而是被配置為通過流經(jīng)每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的近零或零電流來跟蹤近零或零電壓基準(zhǔn)的時間段。
[0111]在所示的實(shí)施例中，dPWM電壓波形的每個未調(diào)制時間段等于60電角度，但在其它實(shí)施例中可以取決于相關(guān)電力應(yīng)用的具體要求而小于或大于60電角度變化。
[0112]以這種方式，控制器62選擇性地協(xié)調(diào)初級臂部38，40和第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的操作，以控制在第三端子42處的dPWM電壓波形的形態(tài)。
[0113]應(yīng)理解的是，在第三端子42處產(chǎn)生的AC電壓波形形成為其它類型的dPWM電壓波形的形式。
[0114]因此，第一電壓源變換器30能夠執(zhí)行電力傳送功能，其中初級臂部38，40提供用于在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間傳送電力的初級電流路徑，而通過對第三端子42處的dPWM電壓波形的形態(tài)的控制，次級臂部52支持將每個初級臂部38，40切換進(jìn)和切換出在第三端子42與相應(yīng)的DC端子32，34之間的電路。
[0115]在第三端子42處的dPWM電壓波形的形態(tài)的控制提供了對每個初級臂部38，40所經(jīng)受的電壓的控制，并因此降低了由超過初級臂部38，40的額定電壓的電壓電平導(dǎo)致的損壞的風(fēng)險。因此，設(shè)計(jì)和優(yōu)化第一電壓源變換器30變得更加簡單，因?yàn)槌跫壉鄄?8，40可以被配置而無需考慮超過初級臂部38，40的額定電壓的電壓電平的可能性。
[0116]使用第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58來控制在第三端子42處的電壓的變化率防止在第三端子42處的電壓在不同的電壓電平之間斜升太快。使用第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58來控制在不同的電壓電平之間的斜升因此最大限度地減少或避免了快速前移和高電壓尖峰，否則可能損壞或劣化組件或它們的絕緣性。
[0117]提供用于互連第一電壓源變換器30和AC電網(wǎng)46的星形-三角形變壓器使得能夠在其呈現(xiàn)在AC電網(wǎng)46之前消除dPWM電壓波形中的零序分量。這因此降低了第一電壓源變換器30的AC濾波要求。應(yīng)理解的是，變壓器可以被省略，使得第一電壓源變換器30直接連接至AC電網(wǎng)46，優(yōu)選地，在第一電壓源變換器30的DC側(cè)處連接有DC濾波器。
[0118]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，星形-三角形變壓器可以由另一種類型的變壓器來代替，該變壓器被配置為能夠在其呈現(xiàn)在AC電網(wǎng)之前消除dPWM電壓波形中的零序分量。
[0119]如圖4所示，用于產(chǎn)生dPWM電壓波形200的第一電壓源變換器30的操作的模擬示出了在消除dPWM電壓波形200中的零序分量之后，對應(yīng)的電流波形202具有大約0.07%的相對低THD。相比之下，對應(yīng)于梯形電壓波形的電流波形的THD為大約3%。
[0120]因此，在第一電壓源變換器30中提供控制器62使得第一電壓源變換器30能夠產(chǎn)生dPWM電壓波形，從而導(dǎo)致當(dāng)與對應(yīng)于梯形電壓波形的電流波形的THD相比時，對應(yīng)的電流波形的THD較低。對應(yīng)的電流波形的低THD消除了對于用來滿足電網(wǎng)規(guī)程要求的昂貴和笨重的濾波設(shè)備的需要。這不僅降低了第一電壓源變換器30的總體成本、尺寸和占用空間，而且還消除了由濾波設(shè)備的運(yùn)行導(dǎo)致的電力損耗的發(fā)生，因而提高了第一電壓源變換器30的效率。此外，避免了對用于控制這種濾波設(shè)備的專用和精密控制系統(tǒng)的需要，因而簡化了第一電壓源變換器30的總體控制。
[0121]包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的第一電壓源變換器30的配置使得能夠減少在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間傳送電力期間招致的總體損失。
[0122]首先，在第一電壓源變換器30的操作期間，在每個電力周期期間，電力在初級變換器臂36a與次級變換器臂36b之間分配。與具有相同數(shù)量的變換器臂的傳統(tǒng)電壓源變換器(每個變換器臂包括多個鏈?zhǔn)侥K，其示例在圖1c中所示)相比，通過在初級臂部38，40中使用具有低傳導(dǎo)損耗的開關(guān)元件，可以減少第一電壓源變換器30中的總體傳導(dǎo)損耗。這提供了在第一電壓源變換器30的成本、尺寸和占用空間方面的進(jìn)一步節(jié)省。
[0123]其次，在第三端子42處產(chǎn)生的dPWM電壓波形中的每個未調(diào)制時間段的出現(xiàn)減少了第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的主動操作的時間段，從而消除了在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間傳送電力期間對處于不斷的主動操作的每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的需要。
[0124]圖5以曲線圖的形式將由第一電壓源變換器30產(chǎn)生的dPWM電壓波形的正向部分與梯形電壓波形的正向部分進(jìn)行比較。
[0125]從圖5可以推導(dǎo)出的是，對于電壓波形兩者，當(dāng)初級臂部38，40中的一個被切換進(jìn)在第三端子42與相應(yīng)的DC端子32，34之間的電路時，沒有開關(guān)損耗，因?yàn)樵诖穗A段第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58兩者均未主動操作，而是分別被配置為通過流經(jīng)每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的近零或零電流來跟蹤近零或零電壓基準(zhǔn)。然而，與在產(chǎn)生梯形電壓波形期間的每個初級臂部38，40的傳導(dǎo)時間100，102，104相比，在產(chǎn)生dPWM電壓波形期間的初級臂部38，40的傳導(dǎo)時間100被減少。當(dāng)與在第三端子42處產(chǎn)生的梯形電壓波形相比時，雖然在第三端子42處產(chǎn)生的dPWM電壓波形可能由于減少的初級臂部38，40的傳導(dǎo)時間而導(dǎo)致額外的損失，但dPWM電壓波形具有低于梯形電壓波形的平均電壓電平，并因此對由減少的初級臂部38，40的傳導(dǎo)時間導(dǎo)致的上述損失進(jìn)行補(bǔ)償。
[0126]因此，第一電壓源變換器30中提供控制器62和第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58使得第一電壓源變換器30不僅能夠在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間傳送高質(zhì)量電力，而且還能夠減少第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的所需主動操作，以便傳送這種高質(zhì)量電力，從而減少與電壓源變換相關(guān)的總體損失。
[0127]圖6以曲線圖的形式示出在用于在第三端子42處產(chǎn)生dPWM電壓波形的操作期間分別在第一電壓源變換器30的第一初級臂部38和第一次級臂部52中流動的電流波形204，206。
[0128]從圖6可以看出，dPWM電壓波形的每個未調(diào)制時間段106沒有與在產(chǎn)生dPWM電壓波形期間出現(xiàn)的相應(yīng)的峰值電流108，110對齊。這意味著第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58在相應(yīng)的峰值電流108，110處或者在接近相應(yīng)的峰值電流108，110處處于主動操作，從而導(dǎo)致第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的$父尚開關(guān)損耗。
[0129]在使用中，控制器62可以選擇性地控制第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換，以將相移添加到dP麗電壓波形的零序分量，并因此消除在產(chǎn)生dP麗電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流108，110與dPWM電壓波形的未調(diào)制時間段106之間的相位差。相移的大小可以由有功和無功功率需求計(jì)算得出。
[0130]圖7以曲線圖的形式示出在用于產(chǎn)生包括額外相移的dPWM電壓波形208的操作期間第一電壓源變換器30的輸出AC電壓和電流波形208，210。
[0131]從圖7可以看出，雖然dPWM電壓波形208的整體形狀通過相移的添加被改變，但每個未調(diào)制時間段是不變的并且在第三端子30處的交流電流波形210仍然是正弦。
[0132]圖8以曲線圖的形式示出在用于產(chǎn)生包括額外相移的dPWM電壓波形的操作期間分別在圖2的電壓源變換器的第一初級臂部38和第一次級臂部52中流動的電流波形212，214。
[0133]從圖8可以看出，消除在產(chǎn)生dPWM電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流108，110與dPWM電壓波形的未調(diào)制時間段106之間的相位差允許峰值電流108，110與其中第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58不主動操作的未調(diào)制時間段完全對齊。這減少和消除了否則將由在相應(yīng)的峰值電流108，110處的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的主動操作導(dǎo)致的損失，因此減少了由第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的主動操作導(dǎo)致的總體損失，但增加了對應(yīng)于dPWM電壓波形的電流波形的THD。如圖7所示，用于產(chǎn)生具有額外相移的dPWM電壓波形的第一電壓源變換器30的操作的模擬示出了在消除dPWM電壓波形中的零序分量之后，對應(yīng)于具有額外相移的dPWM電壓波形的電流波形具有大約0.2%的低THD。
[0134]在使用中，控制器62可以選擇性地控制第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60中的開關(guān)元件的切換，以將相移添加到dPWM電壓波形中的零序分量，并因此減少了在產(chǎn)生dPWM電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流與dPWM電壓波形的未調(diào)制時間段之間的相位差。這允許峰值電流與其中第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58未主動操作的未調(diào)制時間段更緊密地對齊，而不是完全對齊。
[0135]因此，將相移添加到dPWM電壓波形的零序分量的能力使得dPWM電壓波形的優(yōu)化能夠修改由第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的主動操作導(dǎo)致的損失，以遵守相關(guān)電力應(yīng)用的具體要求。
[0136]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的第二電壓源變換器130。圖9的第二電壓源變換器130在結(jié)構(gòu)和操作上與圖2的第一電壓源變換器30類似，并且類似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0137]第二電壓源變換器130與第一電壓源變換器30的區(qū)別在于:
[0138].第二電壓源變換器130省略了次級變換器臂36b;
[0139].第二電壓源變換器130省略了在每個第三端子42與相應(yīng)的連接點(diǎn)56之間的每個連接件；
[0140].第二電壓源變換器130包括多個第一次級臂部152和多個第二次級臂部154。
[0141]每個次級臂部152，154包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58。每個第一次級臂部152與第一初級臂部38的相應(yīng)一個并聯(lián)連接，以及每個第二次級臂部154與第二初級臂部40的相應(yīng)一個并聯(lián)連接。
[0142]第二電壓源變換器130的第一次級臂部152和第二次級臂部154的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58在結(jié)構(gòu)和操作上分別于第一電壓源變換器30的第一次級臂部52和第二次級臂部54的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58類似。
[0143]第一初級臂部38和第三端子42由第一初級電感器64分隔開。第二初級臂部40和第三端子由第二初級電感器66分隔開。第一次級臂部152還包括與其第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58串聯(lián)連接的第一次級電感器68。第二次級臂部還包括與其第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58串聯(lián)連接的第二次級電感器70。
[0144]第一初級電感器64的電感值低于第一次級電感器68的電感值。第二初級電感器66的電感值低于第二次級電感器70的電感值。
[0145]以這種方式，電壓源變換器的配置獲得了消除由在第三端子42處產(chǎn)生的dPWM電壓波形導(dǎo)致的電力故障的電感器布置，從而使得能夠在AC電網(wǎng)46與DC電網(wǎng)44之間更平滑地傳送電力。
[0146]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，第一初級電感器的電感值可以高于第一次級電感器的電感值，和/或第二初級電感器的電感值可以高于第二次級電感器的電感值。
[0147]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的第三電壓源變換器230。圖10的第三電壓源變換器230在結(jié)構(gòu)和操作上與圖2的第一電壓源變換器30類似，并且類似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0148]第三電壓源變換器230與第一電壓源變換器30的區(qū)別在于:
[0149].第三電壓源變換器230省略了次級變換器臂36b;
[0150].第三電壓源變換器230省略了在每個第三端子42與相應(yīng)的連接點(diǎn)56之間的每個連接件；
[0151].第三電壓源變換器230包括連接至第三端子42的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58。
[0152]第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58連接在第三端子42與分隔開一對DC鏈電容的第四端子72之間，所述一對DC鏈電容連接在第一DC端子32與第二DC端子34之間。第四端子72還接地。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以設(shè)想，第二鏈?zhǔn)阶儞Q器可以直接連接在第三端子與地之間。
[0153]第三電壓源變換器230的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58在結(jié)構(gòu)上與第一電壓源變換器30的每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58類似，除了第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60為4象限雙極鏈?zhǔn)侥K60，而不是2象限單極鏈?zhǔn)侥K60。
[0154]更具體地，第三電壓源變換器230的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的每個鏈?zhǔn)侥K60包括兩對開關(guān)元件和以電容器的形式的能量儲存裝置。在每個鏈?zhǔn)侥K60中，開關(guān)元件以全橋布置與電容器并聯(lián)連接，以限定可提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且可在兩個方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極鏈?zhǔn)侥K60。
[0155]通過改變開關(guān)元件的狀態(tài)，每個鏈?zhǔn)侥K60的電容器被選擇性地繞過或插入到第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中。這選擇性地引導(dǎo)電流通過電容器或者使電流繞過電容器，使得每個鏈?zhǔn)侥K60提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓。
[0156]當(dāng)每個鏈?zhǔn)侥K60中的一對開關(guān)元件被配置為在鏈?zhǔn)侥K60中形成短路時，每個鏈?zhǔn)侥K60的電容器被繞過，因此該短路使電容器被繞過。這導(dǎo)致第二鏈?zhǔn)阶儞Q器中的電流穿過該短路并繞過電容器，因此，鏈?zhǔn)侥K60提供了零電壓，即模塊60被配置為旁路模式。
[0157]當(dāng)每個鏈?zhǔn)侥K60中的一對開關(guān)元件被配置為允許第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中的電流流入和流出電容器時，每個鏈?zhǔn)侥K60的電容器被插入到第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58中。然后，電容器對其儲存的能量充電或放電，以便提供非零電壓，即鏈?zhǔn)侥K60被配置為非旁路模式。每個鏈?zhǔn)侥K60的開關(guān)元件的全橋布置允許開關(guān)元件的配置使電流在任何方向上流入和流出電容器，因此每個鏈?zhǔn)侥K60可以被配置以在非旁路模式下提供負(fù)電壓或正電壓。
[0158]用于控制在第三端子42處的dPWM電壓波形的形態(tài)的第三電壓源變換器230的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的操作與第一電壓源變換器30的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的組合操作類似。
[0159]圖11示出第四電壓源變換器330。圖11的第四電壓源變換器330在結(jié)構(gòu)和操作上與圖2的第一電壓源變換器30類似，并且類似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0160]第四電壓源變換器330與第一電壓源變換器30的區(qū)別在于:
[0161].第四電壓源變換器330省略了次級變換器臂36b;
[0162].第四電壓源變換器330省略了在每個第三端子42與相應(yīng)的連接點(diǎn)56之間的每個連接件；
[0163].第四電壓源變換器330的每個初級臂部38，40包括代替導(dǎo)向器的第一鏈?zhǔn)阶儞Q器 158。
[0164]第四電壓源變換器的第一鏈?zhǔn)阶儞Q器158的操作在操作上與第一電壓源變換器30的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58類似。
[0165]第四電壓源變換器的第一鏈?zhǔn)阶儞Q器158的操作與第一電壓源變換器30的第二鏈?zhǔn)阶儞Q器58的操作的區(qū)別在于，在dPWM電壓波形的相應(yīng)未調(diào)制時間段期間，每個第一鏈?zhǔn)阶儞Q器158跟蹤近零或零電壓基準(zhǔn)，但被配置為傳導(dǎo)電流，并因此將相應(yīng)的初級臂部38，40切換進(jìn)電路以連接第三端子42和相應(yīng)的DC端子32，34。
[0166]可以設(shè)想，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，初級臂部38，40中的至少一個還可包括電抗器。
[0167]還可以設(shè)想，第四電壓源變換器的每個初級臂部可包括串聯(lián)連接的第一鏈?zhǔn)阶儞Q器158和導(dǎo)向器。
[0168]應(yīng)理解的是，第一電壓源變換器30、第二電壓源變換器130、第三電壓源變換器230和第四電壓源變換器330的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅僅是選擇以幫助說明本發(fā)明的操作，并且每個電壓源變換器30，130，230，330可以由具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個電壓源變換器來代替。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電壓源變換器，用于互連第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)，所述電壓源變換器包括: 第一端子和第二端子，用于連接至所述第一電網(wǎng)；以及 初級變換器臂，在所述第一端子與所述第二端子之間延伸，所述初級變換器臂包括由第三端子分隔開的第一初級臂部和第二初級臂部，所述第三端子能夠連接至所述第二電網(wǎng)，每個初級臂部包括至少一個開關(guān)元件和/或第一鏈?zhǔn)阶儞Q器，每個初級臂部能夠操作以被切換進(jìn)和切換出在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間的電路，每個初級臂部能夠操作以在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間傳送電力； 至少一個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器，連接至所述第三端子，所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器包括多個鏈?zhǔn)侥K，所述多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個能夠選擇性地操作以提供電壓源，其中所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器包括控制單元，所述控制單元配置為選擇性地操作所述多個鏈?zhǔn)侥K以產(chǎn)生不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形；以及 控制器，配置為選擇性地操作所述或每個鏈?zhǔn)阶儞Q器以控制在所述第三端子處的不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的形態(tài)，所述控制器包括所述或每個控制單元，所述控制器被配置為在所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的相應(yīng)未調(diào)制時間段期間選擇性地控制將每個初級臂部切換進(jìn)在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間的電路，所述控制器被配置為選擇性地協(xié)調(diào)所述初級臂部和所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器的操作以控制在所述第三端子處的所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的形態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓源變換器，其中每個初級臂部能夠操作以將所述第二鏈?zhǔn)阶儞Q器切換進(jìn)和切換出具有所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個的電路。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓源變換器，包括次級變換器臂，在所述第一端子與所述第二端子之間與所述初級變換器臂并聯(lián)連接，所述次級變換器臂包括由連接點(diǎn)分隔開的第一次級臂部和第二次級臂部，每個次級臂部包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器，所述電壓源變換器還包括連接件，互連所述第三端子和所述連接點(diǎn)以形成星形結(jié)構(gòu)，其中所述星形結(jié)構(gòu)的第一分支包括所述連接件，所述星形結(jié)構(gòu)的第二分支包括所述第一次級臂部，所述星形結(jié)構(gòu)的第三分支包括所述第二次級臂部，并且所述連接點(diǎn)限定所述星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓源變換器，包括第一次級臂部和第二次級臂部，每個次級臂部包括第二鏈?zhǔn)阶儞Q器，所述第一次級臂部和所述第二次級臂部中的每一個與所述第一初級臂部和所述第二初級臂部中的相應(yīng)一個并聯(lián)連接，所述第一初級臂部和所述第三端子由第一初級電感器分隔開，所述第二初級臂部和所述第三端子由第二初級電感器分隔開，所述第一次級臂部還包括第一次級電感器，所述第二次級臂部還包括第二次級電感器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓源變換器，其中所述第一初級電感器的電感值高于或低于所述第一次級電感器的電感值，和/或所述第二初級電感器的電感值高于或低于所述第二次級電感器的電感值。6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中所述控制器被配置為操作所述或每個第二鏈?zhǔn)阶儞Q器以在兩個初級臂部都被切換出在所述第三端子與所述第一端子和所述第二端子中的相應(yīng)一個之間的電路時控制在所述第三端子處的電壓的變化率。7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中所述或每個控制單元被配置為選擇性地操作所述多個鏈?zhǔn)侥K，以將相移添加到所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的零序分量，從而減少或消除了在產(chǎn)生所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形期間出現(xiàn)的峰值電流與所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的未調(diào)制時間段之間的相位差。8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中所述不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制電壓波形的未調(diào)制時間段小于、大于或等于60電角度。9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中所述多個鏈?zhǔn)侥K中的每一個包括至少一個開關(guān)元件和至少一個能量儲存裝置，每個鏈?zhǔn)侥K中的所述或每個開關(guān)元件和所述或每個能量儲存裝置結(jié)合以選擇性地提供電壓源。
【文檔編號】H02M7/483GK106031011SQ201480076210
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2014年12月17日
【發(fā)明人】F·J·莫雷諾穆諾茲, O·F·賈西姆, S·丹格, S·費(fèi)克里亞所, K·戴克
【申請人】通用電氣技術(shù)有限公司