CN105359403A - 变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电压源型变换器(30)，包括：变换器臂(36)，在第一DC端子与第二DC端子(32,34)之间延伸且具有由AC端子(42)分隔开的第一臂部和第二臂部(38,40)，第一DC端子和第二DC端子(32,34)可连接至DC电网(44)并且AC端子(42)可连接至AC电网(46)，每个臂部(38,40)包括主开关元件(48)，每个臂部(38,40)的主开关元件(48)可被切换为将对应臂部(38,40)切换进和切换出对应DC端子(32,34)与AC端子(42)之间的电路，以控制AC端子(42)处AC电压的形态；辅助臂(50)，包括辅助变换器，辅助变换器包括至少一个辅助开关元件，辅助臂(50)连接至AC端子(42)，每个臂部(38,40)的主开关元件(48)可被切换为将辅助臂(50)切换进和切换出带有对应臂部(38,40)的电路并且从而将辅助臂(50)切换进和切换出带有对应DC端子(32,34)的电路；以及控制单元，选择性地控制辅助变换器的或每个辅助开关元件的切换，以在初级运行模式中将辅助臂(50)控制为电流源，以在第一臂部和第二臂部(38,40)中一个臂部中注入在一个方向上流动的环电流(68)，以使得该臂部(38,40)中在相反方向上流动的臂部电流(66)最小化，其中在从第一臂部和第二臂部(38,40)的一个到第一臂部和第二臂部(38,40)的另一个的电流换向过程中，当最小电流或零电流通过对应主开关元件时，在通过环电流(68)使得臂部电流(66)最小化之后，每个主开关元件(48)将相应臂部(38,40)切换进和切换出对应DC端子(32,34)与AC端子(42)之间的电路。

Description

变换器
技术领域
本发明涉及一种电压源型变换器。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电通常被变换为直流(DC)电，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这种变换免除了对由传输线或电缆造成的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。
AC电力到DC电力的变换还用于需要互连在不同频率中运行的AC电网的电力传输网络。
在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器来实现所需的变换，并且一种此类形式的变换器是电压源型变换器(VSC)。
已知在电压源型变换器中使用带有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)14的六开关(两电平)变换器拓扑结构10和三电平变换器拓扑结构12，如图1a和图1b所示。IGBT器件14串联连接在一起并一同切换以实现10MW至100MW的高额定功率。另外，在AC电源频率的每个周期中，IGBT器件14在高电压下导通和关断若干次以控制被馈送到AC电网的谐波电流。这导致高损耗、高电平的电磁干扰和复杂的设计。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供一种电压源型变换器，包括：
变换器臂，在第一DC端子和第二DC端子之间延伸且具有由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述第一DC端子和第二DC端子可连接至DC电网并且所述AC端子可连接至AC电网，每个臂部包括主开关元件，每个臂部的所述主开关元件可被切换为将对应臂部切换进和切换出对应DC端子与所述AC端子之间的电路，以控制所述AC端子处AC电压的形态；
辅助臂，包括辅助变换器，所述辅助变换器包括至少一个辅助开关元件，所述辅助臂连接至所述AC端子，每个臂部的主开关元件可被切换为将所述辅助臂切换进和切换出带有对应臂部的电路并且从而将所述辅助臂切换进和切换出带有对应DC端子的电路；以及
控制单元，选择性地控制所述辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在初级运行模式中将所述辅助臂控制为电流源，以在所述第一臂部和所述第二臂部的一个中注入在一个方向上流动的环电流，以使得该臂部中在相反方向上流动的臂部电流最小化，
其中在从所述第一臂部和第二臂部的一个到所述第一臂部和第二臂部的另一个的电流换向过程中，当最小电流或零电流通过对应主开关元件时，在通过环电流使得臂部电流最小化之后，每个主开关元件将相应臂部切换进和切换出对应DC端子与所述AC端子之间的电路。
在电压源型变换器在AC电网与DC电网之间转移电力的运行中，切换臂部的主开关元件以在占空比上交替地将臂部切换进AC端子与对应DC端子之间的电路。这意味着在占空比上电压源中的电流在臂部之间交替流动。于是，当臂部中的一个被切换进AC端子与对应DC端子之间的电路并且从而在AC端子与对应DC端子之间传导臂部电流时，臂部中的另一个被切换出AC端子与对应DC端子之间的电路并且从而在AC端子与对应DC端子之间不传导任何臂部电流。
在将电流从一个臂部换向到另一个臂部之前(即，在将每个臂部切换进或切换出AC端子与对应DC端子之间的电路之前)，在初级运行模式中将辅助臂控制为电流源以注入环电流，以最小化在导电臂部中流动的电流。这实现臂部的主开关元件的软切换，从而在运行电压源型变换器以在AC端子与对应DC端子之间转移电力的过程中最小化开关损耗。
相反地，从电压源型变换器中去除辅助臂和控制单元意味着在将电流从一个臂部换向到另一个臂部之前，导电臂部立即传导大量电流，从而导致之前参照图1a和图1b的传统电压源型变换器所述的问题。
因此，根据本发明的电压源型变换器的配置获得连接AC电网与DC电网并且在它们之间转移电力的有效方式。
仅需要在初级运行模式中将每个辅助臂控制为电流源，以在占空比上相对短的时间段内实现臂部的主开关元件的软切换。因此，通过针对该具体任务来优化辅助臂可以减小电压源型变换器的整个额定电压。
在本发明的实施例中，环电流和臂部电流的幅值可以相等。这使得导电臂部中的臂部电流被减小为零，以实现臂部的主开关元件的零电流切换。
取决于相关电力应用的要求，在AC电网的每个基频周期上，可以(例如，以脉宽调制方式)将每个臂部一次或多次地切换进和切换出对应DC端子与AC端子之间的电路。因此，在AC电网的每个基频周期上，在每个臂部的所述或每次切换进或切换出AC端子与对应DC端子之间的电路之前，可以相应地运行电压源型变换器以实现臂部的主开关元件的软切换。尤其，在本发明的实施例中，控制单元可以选择性地控制辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在AC电网的每个基频周期上一次或多次地在初级运行模式中将辅助臂控制为电流源。
在本发明的其他实施例中，控制单元可以选择性地控制辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换以在次级运行模式中将辅助臂控制为电流源，以将电流注入AC端子，以：
从提供给AC电网的交流电和/或提供给DC电网的直流电中滤除一个或多个电流分量(即，实施有源电流滤波)；和/或
将提供给AC电网的交流电修改为超前交流电或滞后交流电(即，实施无功功率补偿)。
换言之，控制单元可以选择性地控制辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在次级运行模式中将辅助臂控制为电流源，以将电流注入AC端子，以：
●仅实施有源电流滤波；
●仅实施无功功率补偿；
●顺序地实施有源电流滤波和无功功率补偿；
●同时实施有源电流滤波和无功功率补偿。
将电压源型变换器配置为能够实现进一步在次级运行模式中将辅助臂控制为电流源，为电压源型变换器提供了有源电流滤波能力和/或无功功率补偿能力。
为电压源型变换器提供有源电流滤波能力使得通过消除一个或多个不需要的电流分量(例如，谐波电流分量，DC波纹)，所述电压源型变换器能够在电压源型变换器的AC和/或DC端子处产生高质量的输出电流。相反地，从电压源型变换器中省去有源电流滤波能力意味着有必要将额外的滤波硬件连接至电压源型变换器的AC和/或DC端子，以得到期望的高质量输出电流，从而增加电压源型变换器的占地需求。
为电压源型变换器提供无功功率补偿能力使得电压源型变换器能够与AC电网交换无功功率，以满足期望的实际功率-无功功率运行包络线(operatingenvelope)。另外，如果AC端子在使用中连接至变压器，则无功功率可以与AV电网46交换以完成变压器的无功功率需求。相反地，从电压源型变换器中省去无功功率补偿能力意味着有必要将额外的变换器硬件连接至电压源型变换器的AC端子，以实现无功功率与AC电网的交换，从而还增加电压源型变换器的占地需求。
将电压源型变换器配置为能够实现进一步在次级运行模式B中将辅助臂控制为受控源，为电压源型变换器提供额外的电力转移功能，而无需连接额外的硬件至电压源型变换器，从而提高电压源型变换器的效率和可靠性。
控制单元可以选择性地控制辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以各种顺序在初级运行模式和次级运行模式中将辅助臂控制为电流源。
例如，在本发明的实施例中，控制单元可以选择性地控制辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以交替地在初级运行模式和次级运行模式中将辅助臂控制为电流源。
在初级运行模式和次级运行模式之间的交替使得辅助臂被控制为电流源以注入电流，以不仅在电压源型变换器在AC电网与DC电网之间转移电力的运行过程中实现臂部的主开关元件的软切换，还在将电流从一个臂部换向到另一个臂部之前和之后的时间段中实施有源电流滤波和/或无功功率补偿。以这种方式，在电压源型变换器在AC电网与DC电网之间转移电力的整个运行过程中均使用辅助臂，从而最大化辅助臂的使用并且从而还提高电压源型变换器的效率。
在本发明的实施例中，辅助臂还可以包括至少一个阻抗元件，并且控制单元选择性地控制辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以修改所述或每个电感元件两端的电压，以在所述或每个运行模式中将辅助臂控制为电流源。所述或每个阻抗元件可以包括，例如，电感器。
在辅助臂中包括所述或每个阻抗元件提供将AC端子处的AC电压与由辅助变换器产生的任何电压解耦合的可靠方法，以使得能够将辅助臂控制为电流源。
将辅助臂连接到AC端子的方式可以不同。
在本发明的实施例中，辅助臂的第一端可以连接至AC端子并且辅助臂的第二端可连接至地。
在本发明的其他实施例中，辅助臂的第一端可以连接至AC端子并且辅助臂的第二端连接至在第一DC端子与第二DC端子之间的第三DC端子。第三DC端子可以是两个DC链路电容元件之间的接合点，所述两个DC链路电容元件连接在第一DC端子与第二DC端子之间。
在本发明的实施例中，辅助变换器可以包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个辅助开关元件和至少一个能量储存器件，每个模块的所述或每个辅助开关元件和所述或每个能量存储器件接合以选择性地提供电压源。
在所述或每个运行模式中，在辅助变换器中包括所述或每个模块提供了将辅助臂控制为电流源的可靠方法。
在这种实施例中，所述或每个模块中的所述或每个辅助开关元件和所述或每个能量存储器件可以结合以选择性地提供能够提供负电压、零电压或正电压的双向电压源。所述或每个模块提供双向电压源的配置可以不同。例如，所述或每个模块可以包括以全桥结构与能量存储器件并联连接的两对辅助开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
在利用至少一个模块的实施例中，辅助变换器可以包括多个串联连接模块。多个串联连接模块限定链环式变换器。
通过将多个模块(每个提供其自己的电压)的电容器***链环式变换器，能够在链环式变换器两端建立组合电压，其高于从其单个模块可得的电压。以这种方式切换每个模块中的所述或每个辅助开关元件使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链环式变换器两端产生电压波形。这进而实现辅助臂注入高质量电流，从而提高电压源型变换器的有源电流滤波和无功功率能力。
此外，链环式变换器的模块化布置意味着很容易增加或减少链环式变换器中模块的数量以实现期望的额定电压、有源滤波能力和无功功率补偿能力。
每个能量存储器件可以是能够储存和释放能量的任意器件，例如电容器、燃料电池或蓄电池。
电压源型变换器在所述或每个运行模式中将每个辅助臂控制为电流源的能力允许简化臂部的设计和构造，同时在AC电网与DC电网之间提供高质量电力转移。
例如，在本发明的实施例中，每个臂部可以被布置为双态开关组的形式，所述第一臂部具有连接至所述第一DC端子的第一端，所述第一臂部具有连接至所述AC端子的第二端，所述第二臂部具有连接至所述第二DC端子的第一端，所述第二臂部具有连接至所述AC端子的第二端。
在臂部中可以选择使用具有高额定电压的开关元件，以进一步减小电压源型变换器的占用空间和电压源型变换器的占地成本。
至少一个主开关元件可以包括自然换向有源开关器件(例如，晶闸管)或无源电流逆止器件(例如，二极管)。在每个臂部中使用至少一个自然换向有源开关器件或无源电流逆止器件不仅改善臂部的鲁棒性，还使得臂部由于它们的构造能够经受在DC电网中故障时可能发生的浪涌电流。
至少一个开关元件可以包括自换向有源开关器件。自换向有源开关器件可以是绝缘栅双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其他自换向半导体器件。
每个开关元件可以包括开关子元件或多个串联连接开关子元件。所述或每个开关子元件可以包括单个有源开关器件或多个串联连接有源开关器件。
当每个开关元件包括开关子元件时，每个开关元件还可以包括无源电流逆止元件，无源电流逆止元件与单个有源开关器件或多个串联连接有源开关器件反并联连接。
当每个开关元件包括多个串联连接开关子元件时，每个开关元件可以包括多个无源电流逆止元件，多个无源电流逆止元件中的每个与相应一个串联连接开关子元件的单个有源开关器件或多个串联连接有源开关器件反并联连接。
每个开关元件中有源开关器件的数量可以根据开关元件所需的额定电压变化。
所述或每个无源电流逆止元件可以包括单个无源电流逆止器件或多个串联连接无源电流逆止器件。所述或每个无源电流逆止器件可以是能够仅在在一个方向上限制电流的任意器件，例如，二极管。
每个无源电流逆止元件中无源电流逆止器件的数量可以根据无源电流逆止元件所需的额定电压变化。
电压源型变换器可以是多相电压源型变换器。例如，在本发明的实施例中，电压源型变换器可以包括多个变换器臂和多个辅助臂，每个变换器臂的AC端子可连接至多相AC电网的相应相位，每个辅助臂连接至相应一个AC端子。
在本发明的这种实施例中，其中每个辅助臂的第一端连接至对应AC端子并且每个辅助臂的第二端连接至第三DC端子，其中所述第三DC端子连接在第一DC端子与第二DC端子之间，控制单元可以选择性地控制每个辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在次级运行模式中将每个辅助臂控制为电流源的过程中，最小化流入第三DC端子的电流。在次级运行模式中将每个辅助臂控制为电流源的过程中，这防止任何不需要的电流流入第三DC端子。
根据本发明的第二方案，提供一种DC到DC变换器组件，包括：
根据本发明的第一方案的任意实施例所述的第一电压源型变换器；以及
根据本发明的第一方案的任意实施例所述的第二电压源型变换器，
其中所述第一电压源型变换器的每个AC端子经由多个传输链路中的相应一个连接至所述第二电压源型变换器的相应一个AC端子。
第一电压源型变换器的每个AC端子可以经由多个传输链路中的相应一个被直接连接至第二电压源型变换器的相应一个AC端子。可替代地，第一电压源型变换器的每个AC端子可以经由变压器和多个传输链路中的相应一个连接至第二电压源型变换器的相应一个AC端子。
根据本发明的DC到DC变换器组件的布置导致连接单独DC电网且在它们之间转移电力的有效方式。
附图说明
现在将参照附图，通过非限制示例来描述本发明的优选实施例，附图中：
图1a和图1b以示意图形式示出现有技术的电压源型变换器；
图2以示意图形式示出根据本发明的第一实施例的电压源型变换器；
图3以示意图形式示出图2的电压源型变换器的第一臂部中电流的流动；
图4以示意图形式示出在初级运行模式中将辅助臂控制为电流源，从而辅助臂形成图2的电压源型变换器的一部分；
图5以示意图形式示出在次级运行模式中将辅助臂控制为电流源，从而辅助臂形成图2的电压源型变换器的一部分；
图6以示意图形式示出在图2的电压源型变换器运行以在AC电网与DC电网之间转移电力的过程中，在图2的电压源型变换器的AC端子处电压的变化；以及
图7以示意图形式示出根据本发明的第二实施例的DC到DC变换器组件。
具体实施方式
图2示出根据本发明的第一实施例的电压源型变换器30。
电压源型变换器30包括第一DC端子32、第二DC端子34和三个变换器臂36。每个变换器臂36在第一DC端子与第二DC端子之间延伸并且具有由AC端子42分隔开的第一臂部38和第二臂部40。特别地，第一臂部38连接在第一DC端子32与AC端子42之间，而第二臂部40连接在第二DC端子34与AC端子42之间。
在使用中，电压源型变换器30的第一DC端子32和第二DC端子34分别连接至DC电网44的正端子和负端子，正端子带有+Vdc的电压，负端子带有-Vdc的电压，并且每个变换器臂36的AC端子42连接至三相AC电网46的相应相位。
第一臂部38和第二臂部40中的每个包括主开关元件48。每个主开关元件48包括多个串联连接开关子元件，多个串联连接开关子元件中的每个包括单个有源开关器件。每个主开关元件48还包括多个无源电流逆止元件。在每个主开关元件48中，多个无源电流逆止元件中的每个与相应一个串联连接开关子元件的单个有源开关器件反并联连接。以这种方式，每个臂部38、40被布置为双态开关组。
在使用中，每个臂部38、40的主开关元件48可被切换为将对应臂部38、40切换进和切换出对应DC端子32、34与AC端子42之间的电路以控制AC端子42处AC电压的形态。
电压源型变换器30还包括三个辅助臂50。
每个辅助臂50的第一端52连接至相应一个AC端子42。每个辅助臂50的第二端54连接至第三DC端子56，其中第三DC端子56连接在第一DC端子32与第二DC端子34之间。特别地，第三DC端子56是两个DC链路电容元件58之间的接合点，其中两个DC链路电容元件58连接在第一DC端子32与第二DC端子34之间。
以这种方式将每个臂部50连接至对应AC端子42意味着，在使用中，每个臂部38、40的主开关元件48可切换以将对应辅助臂50切换进和切换出带有对应臂部38、40的电路并且从而将对应辅助臂50切换进和切换出带有对应DC端子32、34的电路。
每个辅助臂50包括辅助变换器。辅助变换器包括与以电感器62形式的阻抗元件串联连接的多个串联连接模块60。
多个串联连接模块60限定链环式变换器。
每个模块60包括两对辅助开关元件和电容器形式的能量储存器件。各对辅助开关元件与电容器以全桥结构并联连接。
可以设想，在本发明的其他实施例中，每个模块60可以被替换为包括至少一个辅助开关元件和至少一个能量储存器件的另一类模块，模块中的所述或每个辅助开关元件和所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供能够提供负电压、零电压或正电压的双向电压源。
每个辅助开关元件包括单个开关子元件，所述单个开关子元件包括单个有源开关器件。每个辅助开关元件还包括与单个有源开关器件反并联连接的无源电流逆止元件。
主和辅助开关元件48的每个有源开关器件是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的形式。
主和辅助开关元件48的每个无源电流逆止元件包括以二极管形式的单个无源电流逆止器件。可以设想，在本发明的其他实施例中，单个无源电流逆止器件可以被替换为多个串联连接无源电流逆止器件。
还可以设想，在本发明的其他实施例中，每个电容器可以被替换为能够储存和释放能量的另一类能量储存器件，例如燃料电池或蓄电池。
通过改变辅助开关元件的状态，每个模块60的电容器被选择性地旁路或***链环式变换器。这选择性地引导电流通过电容器或者使得电流旁路电容器，使得模块60提供负电压、零电压或正电压。
当模块60中的辅助开关元件被配置为在模块60中形成短路时，模块60的电容器被旁路。这使得链环式变换器中的电流穿过短路并且旁路电容器，所以模块60提供零电压，即模块60被配置为旁路模式。
当模块60中的辅助开关元件被配置为允许链环式变换器中的电流流入和流出电容器时，模块60的电容器被***链环式变换器。然后电容器将其储存的能量充电或放电以便提供非零电压，即模块60被配置为非旁路模式。模块60的全桥结构允许模块60中辅助开关元件的配置使得电流在任一方向上流入和流出电容器，并且因此模块60可以被配置为在非旁路模式中提供负电压或正电压。
以这种方式，各对辅助开关元件以全桥结构与电容器并联连接以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块60。
通过将多个模块60(每个提供其自己的电压)的电容器***链环式变换器，能够在链环式变换器两端建立组合电压，其高于从其单个模块60可得的电压。以这种方式切换每个模块60中的辅助开关元件使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链环式变换器两端产生电压波形。
在每个辅助臂50中包括电感器62允许在对应AC端子42处的AC电压与由对应辅助变换器产生的任何电压解耦合。这意味着，每个辅助变换器的每个模块60中的辅助开关元件可以被切换为在对应辅助变换器两端产生电压波形，以修改对应电感器62两端的电压以使得能够将辅助臂50控制为电流源。
电压源型变换器30还包括控制单元64，以选择性地控制每个辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以修改对应电感器62两端的电压，以将每个辅助臂50控制为电流源。
下面参照图3至图6描述图2的电压源型变换器的运行。
为了本说明书的目的，参照一个变换器臂36描述电压源型变换器30的运行。应该理解的是，电压源型变换器30的一个变换器臂36的运行稍作变动亦适用于其他两个变换器臂36的运行。
为了在AC电网46与DC电网44之间转移电力，切换主开关元件48以将臂部38、40切换进和切换出对应DC端子32、34与AC端子42之间的电路，以在AC电网46与DC电网44之间提供电流路径。
当第一臂部38被切换进第一DC端子32与AC端子42之间的电路时，第一臂部38中的IGBT闭合而第二臂部40中的IGBT断开。由于第二臂部40的反并联二极管被反向偏置，所以电流被阻止流入第二臂部40。将第一臂部38切换进电路提供了将第一DC端子32连接至AC端子42的电流路径，结果是在AC端子42处提供+Vdc的电压。在这个阶段，第一臂部38在AC端子42与第一DC端子32之间传导臂部电流66，而第二臂部40在AC端子42与第二DC端子34之间不传导任何臂部电流，如图3所示。
在一段时间之后，控制单元64控制辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以在初级运行模式A中将辅助臂50控制为电流源。在初级运行模式A中，辅助臂50注入环电流68，该环电流68在第一臂部38中在一个方向上流动并且其幅值与第一臂部38中流动的臂部电流66的幅值相等。环电流68与第一臂部38中流动的臂部电流66在相反的方向上流动，如图4所示，并且从而将臂部电流66减小至零。
随着臂部电流66减小至零，第一臂部38被切换出第一DC端子32与AC端子42之间的电路，并且第二臂部40被切换进第二DC端子34与AC端子42之间的电路。以这种方式，在从第一臂部38到第二臂部40的电流换向过程中，在零电流下切换主开关元件48，从而最小化开关损耗。
当第二臂部40被切换进第二DC端子34与AC端子42之间的电路时，第二臂部40中的IGBT闭合而第一臂部38中的IGBT断开。由于第一臂部38的反并联二极管被反向偏置，所以电流被阻止流入第一臂部38。将第二臂部40切换进电路提供了将第二DC端子34连接至AC端子42的电流路径，结果是在AC端子42处提供-Vdc的电压。在这个阶段，第二臂部40在AC端子42与第二DC端子34之间传导臂部电流，而第一臂部38在AC端子42与第一DC端子32之间不传导任何臂部电流。
在一段时间之后，控制单元64控制辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以在初级运行模式A中将辅助臂50控制为电流源。在初级运行模式A中，辅助臂50注入环电流，该环电流在第二臂部40中在一个方向上流动并且其幅值与第二臂部40中流动的臂部电流66的幅值相等。环电流与第二臂部40中流动的臂部电流在相反的方向上流动，并且从而将臂部电流减小至零。
随着臂部电流66减小至零，第二臂部40被切换出第二DC端子34与AC端子42之间的电路，并且第一臂部38被再次切换进第一DC端子32与AC端子42之间的电路。以这种方式，在从第二臂部40到第一臂部38的电流换向过程中，在零电流下切换主开关元件48，从而最小化开关损耗。
以这种方式将第一臂部38和第二臂部40切换进和切换出AC端子42与对应DC端子32、34之间的电路允许AC端子42处的电压在+Vdc与-Vdc之间换向，从而在AC端子42处产生AC电压。
在初级运行模式A中将每个辅助臂50控制为电流源的过程中，相互独立地控制三个辅助臂50。
取决于相关电力应用的要求，在AC电网46的每个基频周期上，可以(例如，以脉宽调制方式)将每个臂部38、40一次或多次地切换进和切换出对应DC端子32、34与AC端子42之间的电路。因此，为了实现主开关元件48的软切换，控制单元64可以选择性地控制辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以在AC电网46的每个基频周期上一次或多次地在初级运行模式A中将辅助臂50控制为电流源。
因此，通过将电压源型变换器30配置为能够实现主开关元件48的软切换，可得到用于连接AC电网46和DC电网44并且在它们之间转移电力的有效方式。
在从一个臂部到另一个臂部的电流换向之前和之后的时间段中(即，在将每个臂部38、40切换进或切换出AC端子42与对应DC端子32、34之间的电路之前和之后)，控制单元64控制辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以在次级运行模式B中将辅助臂50控制为电流源。在次级运行模式B中，辅助臂50注入电流至AC端子42，以同时实施有源电流滤波和无功功率补偿，如图5所示。
以这种方式，控制单元64控制辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以交替地在初级运行模式A和次级运行模式B中将辅助臂50控制为电流源，如图6所示，其以曲线图形式示出在电压源型变换器30在AC电网46与DC电网44之间转移电力的运行过程中，初级运行模式A和次级运行模式B之间的交替与AC端子42处的电压变化的对比。
为了实施有源电流滤波，辅助臂50将电流70注入AC端子42，该电流70包括将从提供给AC电网46的交流电和/或提供给DC电网44的直流电中滤除的一个或多个电流分量的反相电流分量。
为电压源型变换器30提供有源电流滤波能力使得通过消除一个或多个不需要的电流分量(例如，谐波电流分量，DC波纹)，电压源型变换器30能够在电压源型变换器30的AC和/或DC端子处产生高质量的输出电流。相反地，从电压源型变换器30中省去有源电流滤波能力意味着有必要将额外的滤波硬件连接至电压源型变换器30的AC和/或DC端子，以得到期望的高质量输出电流，从而增加电压源型变换器30的占地需求。
为了实施无功功率补偿，辅助臂50将电流70注入AC端子42，以将提供给AC电网46的交流电修改为超前交流电或滞后交流电。
为电压源型变换器30提供无功功率补偿能力使得电压源型变换器能够与AC电网46交换无功功率，以满足期望的实际功率-无功功率运行包络线。另外，如果AC端子42在使用中连接至变压器，则可以与AC电网46交换无功功率以完成变压器的无功功率需求。相反地，从电压源型变换器30中省去无功功率补偿能力意味着有必要将额外的变换器硬件连接至电压源型变换器30的AC端子42，以实现与AC电网46交换无功功率，从而还增加电压源型变换器30的占地需求。
在次级运行模式B中将辅助臂50控制为电流源的过程中，零电流流入第三DC端子56，如图5所示。这是因为如上所述的三个变换器臂50的布置使得三个变换器臂50以星形结构连接，其中辅助臂50的第二端54连接至共同接合点，共同接合点连接至第三DC端子56。因此，控制单元64可以控制每个辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，使得在次级运行模式B中将辅助臂50控制为电流源的过程中，在共同接合点处电流的总和得到流入第三DC端子56的零电流。这可以通过，例如使用控制单元64来控制每个辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，使得每个辅助臂50中的电流与其他两个辅助臂50中的每个电流偏移120电角度来实现，从而每个辅助臂50中的电流可以包括实际电流分量、无源电流分量和/或至少一个谐波电流分量。在次级运行模式B中将每个辅助臂50控制为电流源的过程中，这阻止任何不需要的电流流入第三DC端子56。
应该理解地是，控制单元64可以代替性地控制每个辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，使得在次级运行模式B中将辅助臂50控制为电流源的过程中，在共同接合点处电流的总和得到流入第三DC端子56的非零电流。
将电压源型变换器30配置为能够实现进一步在次级运行模式B中将每个辅助臂50控制为电流源，不仅为电压源型变换器30提供有源电流滤波和无功功率补偿能力，还意味着在电压源型变换器30在AC电网44与DC电网44之间转移电力的整个运行过程中均使用辅助臂50(如图6所示)，从而最大化辅助臂50的使用并且还提高电压源型变换器30的效率。
因此，将电压源型变换器30配置为能够实现进一步在次级运行模式B中将每个辅助臂50控制为受控源，为电压源型变换器30提供额外的电力转移功能，而无需连接额外的硬件至电压源型变换器30，从而提高电压源型变换器30的效率和可靠性。
可以设想，在本发明的其他实施例中，控制单元可以选择性地控制辅助变换器的每个模块中辅助开关元件的切换，以在次级运行模式中将辅助臂控制为电流源，以将电流注入AC端子，以：
●仅实施有源电流滤波；
●仅实施无功功率补偿；
●顺序地实施有源电流滤波和无功功率补偿。
电压源型变换器30能够在初级运行模式A和次级运行模式B中将每个辅助臂50控制为电流源的能力允许简化臂部38、40的设计和构造，同时在AC电网46与DC电网44之间提供高质量的电力转移。
在臂部38、40中可以选择使用具有高额定电压的开关元件，以进一步减小电压源型变换器30的占用空间并且从而最小化电压源型变换器30的占地成本。
可以设想，在本发明的其他实施例中，每个主开关元件和辅助开关元件的配置可以变化，如下所示。
至少一个主开关元件可以包括自然换向有源开关器件(例如，晶闸管)或无源电流逆止器件(例如，二极管)。在每个臂部中使用至少一个自然换向有源开关器件或无源电流逆止器件不仅改善臂部的鲁棒性，还使得臂部由于它们的构造能够经受在DC电网中故障时可能发生的浪涌电流。
至少一个开关元件可以包括自换向有源开关器件。自换向有源开关器件可以是栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其他自换向半导体器件。
每个开关元件可以包括开关子元件或多个串联连接开关子元件。所述或每个开关子元件可以包括单个有源开关器件或多个串联连接有源开关器件。
当每个开关元件包括开关子元件时，每个开关元件还可以包括无源电流逆止元件，无源电流逆止元件与单个有源开关器件或多个串联连接有源开关器件反并联连接。
当每个开关元件包括多个串联连接开关子元件时，每个开关元件可以包括多个无源电流逆止元件，多个无源电流逆止元件中的每个与相应一个串联连接开关子元件的单个有源开关器件或多个串联连接有源开关器件反并联连接。
每个开关元件中有源开关器件的数量可以根据开关元件所需的额定电压变化。
所述或每个无源电流逆止器件可以是能够限制电流仅在一个方向流动的任何器件。
每个无源电流逆止元件中无源电流逆止器件的数量可以根据无源电流逆止元件所需的额定电压变化。
可以设想，在本发明的其他实施例中，电压源型变换器中变换器臂的数量可以不同。在一个实施例中，电压源型变换器可以包括单个变换器臂和单个辅助臂。在另一个实施例中，电压源型变换器可以包括多个变换器臂36和多个辅助臂，每个变换器臂的AC端子可连接至多相AC电网的相应相位，每个辅助臂连接至相应的一个AC端子。
还可以设想，在本发明的其他实施例中，辅助变换器可以是包括至少一个辅助开关元件并且能够被切换为将辅助臂控制为电流源的任意其他类型变换器。
还可以设想，在本发明的其他实施例中，在电压源型变换器在AC电网与DC电网之间转移电力的运行过程中，控制单元可以选择性地控制每个辅助变换器的每个模块中辅助开关元件的切换，以仅在初级运行模式中将每个辅助臂控制为电流源。在这种情形下，每个辅助臂仅需要在初级运行模式中被控制为电流源，以在占空比上相对短的时间段内实现臂部的主开关元件的软切换。因此，通过针对该具体任务来优化辅助臂可以减小电压源型变换器的整个额定电压。
图7使出根据本发明的第二实施例的DC到DC变换器组件。
DC到DC变换器组件包括第一电压源型变换器130和第二电压源型变换器230。
电压源型变换器130和第二电压源型变换器230中的每个在结构和运行上与图2的电压源型变换器30类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。
第一电压源型变换器130的每个AC端子42经由变压器72和多个传输链路74中的相应一个连接至第二电压源型变换器230的AC端子42中的相应一个。
可以设想，在本发明的其他实施例中，第一电压源型变换器的每个AC端子可以经由多个传输链路中的相应一个被直接连接至第二电压源型变换器的相应一个AC端子。
在使用中，第一电压源型变换器130的第一DC端子32和第二DC端子34被分别连接至第一DC电网144的正端子和负端子，而第二电压源型变换器230的第一DC端子32和第二DC端子34被分别连接至第二DC电网244的正端子和负端子。
第一电压源型变换器130和第二电压源型变换器230中每个的运行与图2的电压源型变换器的运行的不同之处在于：
●电压源型变换器130的控制单元64控制每个对应辅助变换器的每个模块60中辅助开关元件的切换，以在次级运行模式B中将每个对应辅助臂50控制为电流源，以将电流70注入每个对应AC端子70，以将提供给变压器72的交流电修改为超前交流电或滞后交流电。以这种方式与变压器72交换无功功率，以实现变压器72的无功功率需求；
●第二电压源型变换器230的控制单元64控制每个对应辅助变换器的每个臂部60中辅助开关元件的切换，以在次级运行模式B中将每个对应辅助臂50控制为电流源，以将电流70注入每个对应AC端子70，以从提供给第二DC电网244的直流电中滤除DC波纹。

Claims (15)

1.一种电压源型变换器，包括：
变换器臂，在第一DC端子与第二DC端子之间延伸且具有由AC端子分隔开的第一臂部和第二臂部，所述第一DC端子和所述第二DC端子能够连接至DC电网并且所述AC端子能够连接至AC电网，每个臂部包括主开关元件，每个臂部的主开关元件能够切换为将对应臂部切换进和切换出对应DC端子与所述AC端子之间的电路，以控制所述AC端子处AC电压的形态；
辅助臂，包括辅助变换器，所述辅助变换器包括至少一个辅助开关元件，所述辅助臂连接至所述AC端子，每个臂部的主开关元件能够切换为将所述辅助臂切换进和切换出带有对应臂部的电路并且从而将所述辅助臂切换进和切换出带有对应DC端子的电路；以及
控制单元，选择性地控制所述辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在初级运行模式中将所述辅助臂控制为电流源，以在所述第一臂部和所述第二臂部的一个中注入在一个方向上流动的环电流，以使得在该臂部中在相反方向上流动的臂部电流最小化，
其中在从所述第一臂部和所述第二臂部的一个到所述第一臂部和所述第二臂部的另一个的电流换向过程中，当最小电流或零电流通过对应主开关元件时，在通过环电流使得臂部电流最小化之后，每个主开关元件将相应臂部切换进和切换出对应DC端子与所述AC端子之间的电路。
2.根据权利要求1所述的电压源型变换器，其中环电流和臂部电流的幅值相等。
3.根据权利要求1或2所述的电压源型变换器，其中所述控制单元选择性地控制所述辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在所述AC电网的每个基频周期上一次或多次地在初级运行模式中将所述辅助臂控制为电流源。
4.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制单元选择性地控制所述辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换以在次级运行模式中将所述辅助臂控制为电流源，以将电流注入所述AC端子，以：
从提供给所述AC电网的交流电和/或提供给所述DC电网的直流电中滤除一个或多个电流分量；和/或
将提供给所述AC电网的交流电修改为超前交流电或滞后交流电。
5.根据权利要求4所述的电压源型变换器，其中所述控制单元选择性地控制所述辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以交替地在初级运行模式和次级运行模式中将所述辅助臂控制为电流源。
6.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述辅助臂还包括至少一个阻抗元件，并且所述控制单元选择性地控制所述辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以修改所述或每个电感元件两端的电压，以在所述或每个运行模式中将所述辅助臂控制为电流源。
7.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述辅助臂的第一端连接至所述AC端子并且所述辅助臂的第二端能够连接至地。
8.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述辅助臂的第一端连接至所述AC端子并且所述辅助臂的第二端连接至第三DC端子，所述第三DC端子连接在所述第一DC端子与第二DC端子之间。
9.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述辅助变换器包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个辅助开关元件和至少一个能量储存器件，每个模块的所述或每个辅助开关元件和所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供电压源。
10.根据权利要求9所述的电压源型变换器，其中所述或每个模块中的所述或每个辅助开关元件和所述或每个能量储存器件结合以选择性地提供能够提供负电压、零电压或正电压的双向电压源。
11.根据权利要求9或10所述的电压源型变换器，其中所述辅助变换器包括多个串联连接模块。
12.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，其中每个臂部被布置为双态开关组的形式，所述第一臂部具有连接至所述第一DC端子的第一端，所述第一臂部具有连接至所述AC端子的第二端，所述第二臂部具有连接至所述第二DC端子的第一端，所述第二臂部具有连接至所述AC端子的第二端。
13.根据任一项前述权利要求所述的电压源型变换器，包括多个变换器臂和多个辅助臂，每个变换器臂的AC端子能够连接至多相AC电网的相应相位，每个辅助臂连接至相应一个AC端子。
14.根据从属于权利要求8并结合权利要求4或5的权利要求13所述的电压源型变换器，其中所述控制单元选择性地控制每个辅助变换器的所述或每个辅助开关元件的切换，以在次级运行模式中将每个辅助臂控制为电流源的过程中使得流入所述第三DC端子的电流最小化。
15.一种DC到DC变换器组件，包括：
第一电压源型变换器，为根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器；以及
第二电压源型变换器，为根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，
其中所述第一电压源型变换器的每个AC端子经由多个传输链路中的相应一个连接至所述第二电压源型变换器的相应一个AC端子。
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