CN108432135A - 电压源转换器的电压平衡 - Google Patents

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CN108432135A CN201680074285.0A CN201680074285A CN108432135A CN 108432135 A CN108432135 A CN 108432135A CN 201680074285 A CN201680074285 A CN 201680074285A CN 108432135 A CN108432135 A CN 108432135A
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Abstract

本申请涉及用于电压源转换器(VSC)的电压平衡并且尤其用于VSC的引导器开关的钳位电容器的电压平衡的方法和设备。通常，VSC(100)的引导器开关(104)包括多个串联连接的引导器开关单元(200；200‑1到200‑n)，每个引导器开关单元包括半导体开关元件(110)。在一些VSC设计中，每个引导器开关单元还具有关联钳位电容器(202)。所述控制方法涉及切换所述引导器开关单元的所述半导体开关元件以使所述引导器开关在导通状态与非导通状态之间转变，其中对切换半导体开关元件的定时基于所述关联钳位电容器的电压电平(Vc1到Vcn)以及还有所述引导器开关单元的所述钳位电容器之间的任何电压不平衡的程度。一种控制设备(901)可以确定适合的切换控制信号(CNT1到CNTn)。在浮置电源(205)从所述钳位电容器汲取电力的情况下，所述技术尤其适用。

Description

电压源转换器的电压平衡
本申请涉及电压源转换器(voltage source converter)且涉及用于控制电压源转换器的引导器开关(director switch)以进行电压平衡(voltage balancing)的方法和设备，并且尤其涉及用于高压配电(high voltage power distribution)的电压源转换器，且更具体地说涉及具有带引导器开关的转换器臂的电压源转换器，所述引导器开关具有多个开关元件，每个开关元件具有关联钳位电容器(associated clamp capacitor)。
HVDC(高压直流电)电力传输使用直流电以供电力传输。这是较为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，通常有必要将交流电(AC)转换成直流电(DC)并且再返回。到目前为止，大多数HVDC传输***一直基于线路整流转换器(LCC)，例如，如使用晶闸管阀的六脉冲桥式转换器。LCC使用元件，如可通过适当的触发信号接通并且只要其被正向偏置且电流保持流动即可保持导通的晶闸管。在LCC中，转换器依赖于连接的AC电压来提供从一个阀到另一个阀的换向。
然而，越来越多地提出将电压源转换器(VSC)用于HVDC传输。HVDC使用开关元件，如可独立于任何连接的AC***而可控制地接通和关断的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因此，VSC有时被称为自换向转换器。
VSC通常包括多个转换器臂，其中每个转换器臂将一个DC端连接到一个AC端。针对典型的三相AC输入/输出，有六个转换器臂，其中两个臂将给定的AC端分别连接到高DC端和低DC端，形成相分支。每个转换器臂包括常被称为阀且通常包括可按期望顺序开关的多个元件的设备。
在一种常被称为六开关转换器的形式的已知VSC中，每个阀包括串联连接的开关元件组，通常是与对应的反并联二极管连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)。阀的IGBT一起切换以电连接或断开相关AC和DC端，其中给定相分支的阀通常被反相地切换。通过针对每个臂使用脉宽调制(PWM)型开关方案，可实现AC电压与DC电压之间的转换。
在被称为模块化多电平转换器(MMC)的另一种已知类型的VSC中，每个阀包括具有串联连接的多个单元(cell)的链节电路，每个单元包括诸如电容器等储能元件以及开关布置，所述开关布置可被控制以便将储能元件连接在单元的两端之间或者绕过储能元件。单元有时被称为子模块，其中多个单元形成模块。控制阀的子模块，以便在不同时间连接或绕过其对应储能元件，从而使所述多个单元两端的电压差随时间推移而变化。通过使用相对大量的子模块并且对开关进行适当地定时，阀可合成近似期望波形的步长式波形，如正弦波，以便从DC转换到AC或从AC转换到DC，其中伴有低水平的谐波失真。由于各个子模块单独地开关并且从开关单独子模块带来的电压改变相对较小，因此避免了与六开关转换器相关联的许多问题。
在MMC设计中，每个阀不断地操作通过AC循环，其中相分支的两个阀同步切换以提供期望的电压波形。
最近，提出了变体转换器，其中转换器臂中提供了具有一系列所连接单元的链节以用于提供如所描述的步长式电压波形，但是每个转换器臂在AC循环的至少部分循环内关断。因此，用于电压波整形的所述多个串联连接的单元与臂开关串联连接，所述臂开关被称为引导器开关、可在相关转换器臂处于关断状态且不导通时关断。这种转换器被称为交变臂转换器(AAC)。WO2010/149200中描述了这种转换器的实例。
图1展示了已知的交变臂转换器(AAC)100。实例转换器100具有三个相分支101a到101c，每个相分支具有将相关AC端102a到102c连接到高侧DC端DC+的高侧转换器臂以及将相关AC端102a到102c连接到低侧DC端DC-的低侧转换器臂。每个转换器臂包括串联连接的单元的电路布置103，布置103与臂开关104以及电感105串联。将注意的是，图1展示了单个臂电感，但是本领域技术人员将了解到，臂电感在实践中可沿AC端与DC端之间的臂分布。
电路布置103包括串联连接的多个单元106。每个单元106具有可选择性地串联连接在单元两端之间或被绕过的储能元件。在图1所示实例中，每个单元106具有分别用于高侧连接和低侧连接的端107a、107b并且包括作为储能元件的电容器108。电容器108与例如具有反并联二极管的IGBT等单元开关元件109连接，以允许单元的端107a和107b经由绕过电容器108的路径或经由包括串联连接的电容器108的路径连接。在图1所展示的实例中，每个单元包括全H桥式布置的四个单元开关元件109，从而使得电容器可连接使用以在端107a与107b之间提供正或负电压差。然而，在一些实施例中，单元中的至少一些单元可包括半桥式布置的开关元件，从而使得可绕过或连接电容器以提供具有给定极性的电压差。这种串联连接的单元的电路布置103可因此操作以提供可随时间推移而变化以提供如上文讨论的用于波整形的步长式电压波形的电压电平。电路布置103有时被称为链节电路转换器或链节转换器或仅称为链节。在本公开中，这种串联连接的单元的用于提供受控电压的电路布置103应被称为链节。
在AAC转换器中，每个转换器臂中的链节103与臂开关104串联连接，臂开关104在本文中将被称为引导器开关，臂开关104可包括多个串联连接的臂开关元件110。转换器臂的引导器开关可例如包括具有关断能力的高电压元件，如具有反并联二极管的IGBT等等。当特定转换器臂导通时，链节103按顺序开关以便以类似于如上文关于MMC型转换器所描述的方式提供期望波形。然而，在AAC转换器中，相分支的每个转换器臂在AC循环的部分循环内关闭，并且在这种时期期间，引导器开关104关断。
在转换器臂因此处于关断状态且不导通时，臂两端的电压共享于引导器开关与链节电路之间。与MMC型VSC相比，AAC型转换器的每个转换器臂的链节的所需电压范围因此减小，因此节省了转换器的成本和大小。
如上所述，引导器开关104通常由多个串联连接的IGBT形成。IGBT通常与用于引导器开关的单独开关元件之间的静态电压共享的平衡电阻并联连接。另外，可存在靠近IGBT定位以减轻关断瞬时事件期间的电压过冲的钳位缓冲器电路，所述钳位缓冲器电路包括电容器和二极管。
这种布置可能出现的一个问题是，引导器开关的例如IGBT和关联钳位电容器等开关元件两端的电压不平衡。
本公开因此涉及处理电压不平衡问题的用于控制电压源转换器的方法和设备。
因此，根据本发明，提供了一种控制电压源转换器的引导器开关的方法，其中所述引导器开关包括多个串联连接的引导器开关单元，每个引导器开关单元包括半导体开关元件以及连接在所述半导体开关元件两端的关联钳位电容器，所述方法包括：
切换所述引导器开关单元的所述半导体开关元件以使所述引导器开关在导通状态(conducting)与非导通状态(non-conducting states)之间转变(transition)；
其中对切换半导体开关元件的定时基于所述关联钳位电容器的电压电平(thevoltage level)以及所述引导器开关单元的所述钳位电容器之间的任何电压不平衡的程度。
因此，对切换所述引导器开关的所述开关元件的定时基于与所述开关元件相关联的所述钳位电容器的电压电平、以及还有所述钳位电容器或IGBT之间的任何电压不平衡的程度两者。如将在下文更加详细地解释的，在不存在显著电压不平衡的情况下，所述引导器开关的所述开关元件可基本上同时开关。然而，如果显著电压不平衡存在，则与具有较低电压电平的钳位电容器相关联的那些开关元件可比具有较高电压电平的钳位电容器相关联的那些开关元件更早关断(be turned off earlier)、和/或更晚接通(turned on later)。本质上，对引导器开关的各个开关元件的开关的定时是根据需要多少电压平衡来进行控制的。
如将在下文更加详细地描述的，之前提出了用于电压平衡的各种技术，但是这样的技术并不适合用于引导器开关单元包括与开关元件并联连接(connected in parallel)的钳位电容器的构型。
在一些实施例中，每个引导器开关单元可进一步包括自供电(self-powered)的浮置电源(floating power supply)，所述自供电的浮置电源被配置成在使用时从所述钳位电容器汲取电力(draw power)。使用浮置电源从钳位电容器汲取电力是进一步意味着之前提出的用于电压平衡的技术可能不适合的复杂化因素。
所述方法可包括关断所述引导器开关单元的所述半导体开关元件，即，以使所述引导器开关从完全导通状态(所有开关元件接通)转变为完全非导通状态(所有开关元件关断)。
所述方法可因此涉及在第一关断时间(at a first turn-off time)关断第一组半导体开关元件。所述第一组半导体开关元件包括具有拥有最低电压电平的关联钳位电容器的半导体开关元件、以及具有拥有在最低电压电平的预定范围内的电压电平的关联钳位电容器的任何半导体开关元件。因此，第一组可仅包括单个半导体开关元件，所述开关元件与具有大大地低于所有其它钳位电容器的电压的钳位电容器相关联。然而，在一些情况下，在第一关断时间关断的第一组开关元件可包括多个开关元件。如果所有钳位电容器电压在预定范围内，即，不存在显著电压不平衡，则第一组可包括引导器开关的所有开关元件。
在并非所有半导体开关元件都作为所述第一组的一部分而在所述第一关断时间被关断的情况下，所述方法可以包括：逐步关断在以下时间中的最早时间仍接通的所有开关元件中具有拥有最低电压电平的所述关联钳位电容器的所述开关元件：(i)跨过(across)所述半导体开关元件(两端)的电压达到在与所述半导体开关元件相关联的所述钳位电容器的电压电平的预定范围内的电平、或(ii)跨过所述引导器开关(两端)的电压达到基于目前关断的半导体开关元件的数量的限制。
换句话说，一旦所述开关元件两端的电压达到关联钳位电容器电压的电平，就关断半导体开关元件。然而，如果关断的开关元件的数量不足以支持整个引导器开关两端的电压，具有最低钳位电容器电压的半导体开关元件可在所述点之前关断。
在一些类型的VSC中，所述引导器开关可在转换器臂中与用于电压波整形的链节电路(chain-link circuit)串联连接。在这种情况下，所述方法可包括调制由所述链节电路在所述引导器开关从导通状态转变为非导通状态期间生成的电压。所述链节电压可被调制成使所述引导器开关两端的电压增大的速率在给定半导体开关元件已经关断之后增大。
除了控制所述引导器开关的所述关断之外或可替代其的是，在一些实施例中，所述方法可包括接通所述引导器开关单元的所述半导体开关元件以使所述引导器开关从完全非导通状态转变为完全导通状态。
可控制所述引导器开关以在接通时间(at an on-time)完全导通。然而，在一些情况下，从完全非导通的转变可在此接通时间之前开始。因此，在开始于第一转变开始时间(即，转变的第一可能开始时间)并且继续到所述接通时间的一些实施例中，所述方法可涉及对所述钳位电容器的电压电平进行监测以判定最高电压电平与最低电压电平之差是否超过预定阈值，即，监测任何显著电压不平衡。在(i)此监测到的差确实超过所述阈值、且(ii)所述引导器开关两端的电压低得足以允许接通半导体开关元件的情况下，所述方法可包括接通与具有最高电压电平的钳位电容器相关联的半导体开关元件。
如上文所指出，在所述接通时间，所述引导器开关应完全导通，并且因此，所述方法可涉及在所述接通时间接通目前关断的所有半导体开关元件。
在半导体开关元件在所述接通时间之前接通的情况下，所述方法可以包括：判定与仍关断的半导体开关元件相关联的钳位电容器的电压电平是否超过与已接通的所述半导体开关元件相关联的所述钳位电容器的电压值，并且如果是，则假若所述引导器开关两端的电压低得足以允许接通半导体开关元件，所述方法包括接通所述半导体开关元件。与已接通的所述半导体开关元件相关联的所述钳位电容器的电压值可包括下列项中的一个：最高电压电平和平均电压电平中的一个电压电平、或反映不平衡程度的任何其它组合。
换句话说，如果仍关断(且因此在其两端具有电压差)的第一半导体开关元件具有超过已接通(且因此在其两端并无电压差)的那些开关元件的钳位电容器的最小或平均电压的钳位电容器电压电平，则可接通第一半导体开关元件(如果足够的开关元件保持关断以支持整个引导器开关两端的电压的话)以避免电压不平衡的任何增大。
如上文所指出的，在一些VSC中，所述引导器开关可在转换器臂中与用于电压波整形的链节电路串联连接。所述方法可包括调制由所述链节电路在所述引导器开关从所述非导通状态转变为所述导通状态期间生成的电压。例如，所述链节电压可被调制成使所述引导器开关两端的电压下降的速率在给定半导体开关元件已经接通之后下降。
然而，在一些实施例中，可在引导器开关的关断期间应用电压平衡方法，即，从完全导通转变为完全非导通，但是一旦引导器开关是完全非导通的，并且引导器开关两端的电压达到峰值电平，与引导器开关串联的链节就可被调制成将引导器开关两端的电压保持处于这个电平，直到恰好在引导器开关被接通从而变得完全导通之前。因此，所述方法可包括调制由所述链节电路在所述引导器开关关断的时期期间生成的电压，使得所述引导器开关两端的电压在第一时期期间增大为峰值、并且然后在第二时期期间基本上保持处于所述峰值。
本发明的各个方面还提供了一种用于控制电压源转换器的引导器开关的控制设备，所述引导器开关具有多个串联连接的引导器开关单元，每个引导器开关单元包括半导体开关元件以及连接在所述半导体开关元件两端的关联钳位电容器，其中所述控制设备被配置成：
接收对所述引导器开关单元的所述关联钳位电容器的电压电平的指示；并且
生成切换控制信号，所述切换控制信号用于控制切换所述引导器开关单元的所述半导体开关元件以使所述引导器开关在导通状态与非导通状态之间转变；
其中对切换半导体开关元件的定时基于所述关联钳位电容器的电压电平以及所述引导器开关单元的所述钳位电容器之间的任何电压不平衡的程度。
控制设备可被布置成根据上述变体中的任何变体的方法来操作引导器开关。
所述控制设备可以被配置成在整个引导器开关转变的时期期间从每个引导器开关单元接收所述关联钳位电容器的电压电平的重复测量结果，来作为对所述引导器开关单元的所述关联钳位电容器的电压电平的所述指示。换句话说，关于钳位电容器的测得电压电平的数据可由每个引导器开关提供到控制设备，使得控制设备可监测引导器开关单元的钳位电容器的电压的演变(evolution)。至少在可应用电压平衡的引导器开关转变之前和期间的时期期间，可相对连续地进行和通信/沟通(communicate)这种测量。
然而，在一些情况下，可优选地是，避免需要通信如此多数据。因此，在一些实施例中，所述控制设备可以被配置成在引导器开关转变之前从每个引导器开关单元接收所述关联钳位电容器的电压电平的测量结果，来作为对所述引导器开关单元的所述关联钳位电容器的电压电平的所述指示。在这种情况下，由控制设备生成的开关控制信号可包括引导器开关单元在特定钳位电压电平(at a particular clamp voltage level)，即激活电平，接通或关断的控制信号。在一些实施例中，所述控制设备可以被配置成基于所述引导器开关单元的所述关联钳位电容器的电压电平的所述接收的测量结果来预测所述引导器开关单元的电压的电压演变，并且基于所预测电压演变来生成所述切换控制信号。预测可以基于在相关转变之前进行的单个测量结果。然而，在一些实施例中，所述控制设备可以被配置成基于所述引导器开关单元的所述钳位电容器的电压电平的在引导器开关转变的所述时期期间接收到的一个或多个测量结果，来更新所述所预测的电压演变。
各个方面还涉及一种用于电压源转换器的转换器臂设备，所述转换器臂设备包括：引导器开关，所述引导器开关包括多个串联连接的引导器开关单元，每个引导器开关单元包括半导体开关元件以及连接在所述半导体开关元件两端的关联钳位电容器；以及如上所述的控制设备。
每个引导器开关单元可进一步包括浮置电源，所述浮置电源被配置成在使用时从所述钳位电容器汲取电力。
所述转换器臂设备进一步包括与所述引导器开关串联的用于电压波整形的链节电路。
各个方面还涉及一种电压源转换器，其包括具有两个转换器臂的至少一个相分支，每个转换器臂包括如所述的转换器臂设备。
现在将仅通过举例的方式关于附图来描述本发明，在附图中：
图1展示了交变臂转换器(AAC)型电压源转换器(VSC)的一个实例；
图2展示了与VSC的引导器开关的开关元件相关联的电路***的一个实例；
图3a和图3b展示了分别用于引导器开关的电压平衡的第一技术和第二技术的电压和开关控制波形；
图4a和图4b展示了模拟图3a和图3b所展示的第一技术和第二技术的结果；
图5展示了根据本发明的实施例的分别用于引导器开关的电压平衡的技术的电压和开关控制波形；
图6a和图6b进一步展示了用于根据本发明的实施例的方法的电压和开关控制波形；
图7展示了根据实施例的使用电压平衡技术进行模拟的结果；
图8展示了根据本发明的另一实施例的用于引导器开关的电压平衡的电压和开关控制波形；并且
图9展示了根据实施例的引导器开关控制设备。
如上所述，诸如图1所展示的交变臂转换器(alternate-arm-converter，AAC)等一些类型的电压源转换器(VSC)包括VSC的转换器臂中的臂开关(arm switch)104，臂开关104用于在电力循环期间在导通或非导通之间切换转换器臂。这种臂开关在本文中被称为引导器开关(director switch)。为了提供必需的额定电压，引导器开关通常将包括多个开关元件110，如串联连接的IGBT。
在使用时，转换器臂的引导器开关可在电力循环的部分电力循环内关断。在AAC型转换器中，在每个转换器臂包括与用于电压波整形的链节电路103串联的引导器开关104的情况下，转换器臂的引导器开关在电力循环中的期望点处关断。在正常操作中，当相分支(the phase limb)的转换器臂的链节(chain-links)正在提供适合的电压时，关断(或接通)引导器开关，从而使得被关断(或接通)的引导器开关两端的电压基本上为零。还一起控制相分支的两个转换器臂，使得在正常操作中，在引导器开关关断时基本上并无电流通过引导器开关。
一旦关断，引导器开关两端的电压随着相分支的AC端处的电压变化而增大。为了确保引导器开关的各个开关元件之间的正确电压共享，通常存在与每个开关元件并联连接的平衡电阻(balancing resistor)。另外，通常存在至少包括电容器和二极管以减轻关断瞬时事件(a turn-off transient event)期间的电压过冲(voltage overshoot)的钳位缓冲器电路(clamp snubber circuit)。
图2展示了与引导器开关的单独开关元件110相关联的引导器开关单元200的一个实例。如本文中所使用的，术语引导器开关单元应该用于指代单独开关元件110及其关联的电路***。开关元件110包括半导体开关元件，如具有反并联二极管(antiparallel diode)的IGBT。与IGBT 110并联的是平衡电阻201。钳位缓冲器电路(clamp snubber circuit)包括经由缓冲器二极管(snubber diode)203与IGBT 110并联连接的钳位电容器202。IGBT110由包括适合的栅极驱动器(gate driver)的局部控制电子设备204控制。
将了解到，图2仅展示了本公开感兴趣的那些部件，并且在实践中，可以存在例如与引导器开关的单独开关元件相关联的许多附加部件和电路***，如撬棒电路(crowbarcircuits)或电涌放电器。
最近提出了，局部控制电子设备可由浮置电源205供电，浮置电源205从电容器202汲取电力，电容器202形成钳位缓冲器电路的一部分。在图2所展示的实例中，浮置电源205因此包括用于从IGBT/钳位电容器202两端的高电压转换成中间电压的第一DC-DC 206转换器、以及用于转换成适合于向IGBT 110的例如栅极驱动器等控制电子设备204供电的低电压的第二DC-DC转换器207。浮置电压还可包括某个长期储能设备208，如用于在引导器开关两端可能暂无电压的故障事件期间提供电力的适合的电容器布置。
由于不管输入电压的任何变化如何都保持输出电压恒定的DC-DC转换器206和207的控制回路，浮置电源205通常展现出恒定的电力负载特性。因此，如果控制电子设备204的栅极驱动器所需的负载电流保持恒定，通常情况是，浮置电源205所需的输入电流将会改变以保持电压V和电流I的恒定乘积，即，恒定的V*I乘积。因此，如果到浮置电源的输入电压，即，钳位电容器202两端的电压，增大或减小，输入电流将分别成比例地减小或增大。
已了解到，这一效果可促进IGBT两端与引导器开关的引导器开关单元的相应钳位电容器两端之间的任何电压不平衡。如果给定IGBT 110或其关联钳位电容器202两端的电压减小，则浮置电源将会需要更大的电流，这将会促进电压进一步减小。相反，如果IGBT/钳位电容器两端的电压正在增大，则浮置电源所需的输入电流将会减小，从而促进IGBT/钳位电容器两端的电压进一步增大。
由于钳位电容器202的可例如具有1μF的量级的相对较小的电容，这个效果可能是显著的。已发现，对于由包括被布置成从钳位电容器获取电力的浮置电源的引导器开关单元形成的引导器开关，则引导器开关单元之间例如与不同IGBT相关联的电压平衡电阻之间的任何部件的错配、或者引导器开关单元两端的瞬时电压的任何差异可能导致在VSC操作的多个循环内生成相对较大的电压不平衡。在由浮置电源汲取的电力相对而言大于正常操作期间汲取的电力时，如果浮置电源205正在对长期存储设备207进行充电，那么情况就尤其是这样。
如所提及的，浮置电源的效果可以是加剧任何电压差，最后结果是，一些引导器开关单元两端产生过电压，同时其它引导器开关单元的控制电子设备存在电力损失。
已提出了用于处理引导器开关的串联连接元件两端的电压不平衡的各种技术。
在针对AAC型转换器提出的第一技术中，控制转换器臂的链节以便将所述转换器臂的引导器开关两端的电压调制成在引导器开关关断时期的大部分时期内基本上恒定。这与通常的方法形成对比，在所述通常方法中，引导器开关两端的电压可在基本上整个关断状态时期内变化。
参考回图1，将了解到，转换器臂的引导器开关104在相分支的电力循环的部分电力循环内关断，使得转换器臂不导通。作为简单实例，相分支的高侧转换器臂的引导器开关104可在循环的正半循环期间接通，其中高侧转换器臂的链节提供波整形，并且高侧臂的引导器开关可在循环的负半循环内关断。在此简单实例中，高侧引导器开关因此在AC端处的电压处于中间点电压(例如零伏特)时关断。此时，由高侧链节产生的电压将会等于VDC/2——其中VDC是极间(pole-to-pole)DC电压——并且因此最初高侧引导器开关两端将不存在电压。通常，高侧链节在高侧引导器开关关断的整个时期内将会保持处于此电压电平，以使引导器开关两端的电压应力(voltage stress)最小化。引导器开关两端的电压因此将会随着AC端处的电压降到最大负值-VDC/2而在整个循环内上升，并且然后随着AC端处的电压增大回到零而再次下降。这在图3a中由虚线绘图301展示。然而，将了解到，这恰好是AAC型转换器的一个操作实例。在其它实例中，在所谓的重叠操作模式下，转换器臂的引导器开关在电力循环的部分电力循环内均可在同一时间接通。在任何情况下，转换器臂的引导器开关可在电力循环中的给定点处关断，其中相关链节产生电压，从而使得最初引导器开关两端不存在电压，并且在引导器开关关断期间，引导器开关两端的电压可以与图3a所展示的方式类似的方式变化。
在用于电压平衡的第一技术中，高侧引导器开关在电力循环中的适当点处、在时间TOFF关断。在该点，高侧链节的电压为使得引导器开关两端的电压基本上为零。然而，一旦引导器开关关断，就迅速调制高侧链节的电压，使得引导器开关两端的电压以恒定斜变率dV/dt斜变至峰值电压差，如绘图301所展示的。然后，调制高侧链节的电压，以便在AC端处的电压变化时引导器开关两端维持恒定电压。实际上，高侧链节的电压与低侧链节的电压同时进行调制，提供了针对有功转换器臂的电压波整形。恰好在高侧引导器开关在时间TON往回接通之前，高侧链节的电压可以发生变化使引导器开关两端的电压斜降到零，从而使得引导器开关在引导器开关两端无电压的情况下接通。引导器开关两端的电压在引导器开关接通之前的斜变(ramp)具有与关断之后相同的斜变率，但是是相反符号。这导致关断状态时期内引导器开关的电压波形有效地是方波，所述方波具有在引导器开关关断的同时在引导器开关两端的很大程度上恒定的电压、以及仅短时期的受控电压梯度。对于常规VSC，这可以帮助保持各个引导器开关单元平衡。
在用于电压平衡的第二技术中，引导器开关的各个开关元件可如图3b所展示的以交错的方式按期望顺序关断，而非如图3a中的情况那样同时关断。出于说明的目的，图3b展示了具有恰好三个引导器开关单元，即，三个开关元件SW1、SW2和SW3的引导器开关的开关顺序(switching sequence)。然而，将了解到，在实践中，可以存在更多个开关元件形成引导器开关。在待关断引导器开关的时间T1，关断引导器开关的开关元件中的一个开关元件。待关断的相关开关元件是基于对相关钳位电容器的目前电压电平的指示。在图3b所展示的实例中，开关单元SW1具有最低电压电平并且首先被关断。
在此技术中，转换器臂的链节维持使引导器开关两端的电压最小化的电压电平，并且因此，引导器开关两端的电压遵循如上所述绘图301。因此，最初，引导器开关两端的电压相对较低、且处于可由单个开关元件承受的电平。在达到特定阈值时，另一个开关元件在时间T2关断以承受增大的电压，再次基于最低钳位电容器电压来选择相关开关元件。这一顺序继续，其中基于哪个开关单元具有最低电压而在达到阈值时逐步关断开关元件。这意味着，随着引导器开关两端的电压斜升(ramping up)，开关元件按顺序关断，其中具有较低钳位电容器电压的那些开关元件较早地接通、并且因此暴露于开关单元两端的电压差更长时间且因此经受更大的电压增大。引导器开关的关断过程因此具有从完全导通到完全非导通的延长的转变，即从所有开关元件接通到所有开关元件关断的延长转变。
从完全非导通到完全导通的接通转变以类似的顺序但相反地操作，其中首先接通具有最高钳位电容器电压的开关单元。因此，可在引导器开关两端的电压降到阈值电平、并且所选定的开关单元是具有钳位电容器的最高电压的开关单元时接通第一开关元件。在图3b的实例中，随着达到各个阈值，首先接通开关元件SW2，随后是SW1和SW3。
进行排序的这一方法因此提供了一定程度的电压平衡，因为在每个循环内，相比于具有较高钳位电容器电压的那些开关元件，具有较低钳位电容器电压的开关元件将会充电到更大程度。
然而，已了解到，上文讨论的第一和第二技术有缺点，在与诸如图2所展示的引导器开关单元一起使用时尤其如此，其中浮置电源从钳位电容器汲取电力。
图4a和图4b分别示出了对在开关元件之间具有电压不平衡且根据上文讨论的第一技术和第二技术进行操作的引导器开关进行模拟的结果。仅用第一和第二引导器开关单元来模拟引导器开关，其中第一开关单元具有高于第二开关单元的开始瞬时电压，并且所述模拟涵盖了转换器臂的若干个电力循环。第一开关单元的钳位电容器的开始电压被模拟为1500V，其中，第二开关单元的电容器为500V。用22W的电力汲取来模拟浮置电源。
图4a示出了经受第一调制技术的引导器开关的模拟波形，即，在关断状态期间施加在引导器开关两端的方波电压波形。图4a的顶部绘图分别展示了整个引导器开关两端的电压波形401以及第一和第二开关单元的开关元件两端的电压波形402和403。中间绘图分别示出了第一和第二开关单元的钳位电容器的电压404。下部绘图展示了第一开关单元的浮置电源的电流需量406和第二开关单元的浮置电源的电流需量407。
可见，初始开始电压差很快造成增大的电压不平衡，并且***很快变得不稳定。这表明，这种调制方案可能不适合与具有钳位电容器的引导器开关的开关单元一起使用，且尤其不适合于引导器开关的开关单元包括从钳位电容器汲取电力的浮置电源的VSC设计。
图4b展示了相同的绘图并且将相同的附图标记用于电压波形、但模拟了引导器开关的开关元件以交错的方式按顺序进行的关断和接通。可见，在此模拟时间尺度内，在第一循环中，第二开关单元首先接通(在第一开关单元之前)并且最后接通(在第一开关元件之后)。然而，针对每个随后的循环，第二开关单元在第一开关单元之前关断、但是然后在第一开关单元之前接通。此方法因此在多个循环之后实现了稳定操作。然而，IGBT从未完全平衡，电容器之间的电压差在瞬时一直是不同的并且电容器两端的波纹比不使用特殊调制时更大。这是由于两个原因：不管钳位电容器的任何不平衡的程度如何，平衡策略总是起作用；以及就快速且有效的平衡效果而言并非，从以预定步长开关导出的开关实例并不是最佳的。
本发明的实施例因此涉及用于电压平衡的方法和设备，所述方法和设备至少减轻了上文提及的问题中的一些问题，并且可令人满意地与具有从钳位电容器汲取电力的浮置电源的开关单元一起使用。
在根据本发明的方法中，与其它开关单元的电压电平相比，可在由引导器开关单元的钳位电容器的目前电压电平确定的时间关断(和/或接通)引导器开关的引导器开关单元。然而，不像上文关于图3b所描述的交错关断，其中顺序的时间/电压阈值是固定的，在本发明的方法中，对各个引导器开关元件何时关断或接通的定时可基于目前的钳位电容器电压电平以及任何电压不平衡的程度而变化。
因此，如果引导器开关的引导器开关单元之间不存在显著电压不平衡，则所有这种引导器开关单元可同时关断和/或接通。仅在引导器开关单元中的至少一些引导器开关单元的钳位电容器电压之间存在显著电压不平衡时，相关关断/接通时间发生变化并且引导器开关的关断或接通变得交错。
在一些实施例中，可以此方式来控制引导器开关单元的关断。在此情况下，在与引导器开关应该关断的时期的开始相对应的第一时间T1，关断引导器开关元件中的至少一个引导器开关元件。具有最低钳位电容器电压的引导器开关单元被识别出，并且所述引导器开关单元与处于基本上相同的电压和/或在最低钳位电容器电压的预先限定的电压范围内的任何开关单元可被关断。因此，如所提及的，如果引导器开关单元之间不存在显著电压不平衡，则引导器开关单元的所有开关元件可同时关断。然而，如果存在电压不平衡，则具有最低钳位电容器电压的开关单元以及具有在电压上与此最低电压大大地不同的钳位电容器电压的任何开关单元一起被关断并且(多个)剩余开关单元保持接通。引导器开关两端的电压因此将共享于已关断的这些引导器开关单元两端，并且这种引导器开关单元的钳位电容器的电压将倾向于增大。随后，经受以下一般约束：任何一个引导器开关单元两端的电压不应超过安全操作电平、并且应存在处于关断状态的引导器开关的足够开关单元来支持引导器开关两端的电压，则进一步地引导器开关单元在所述开关元件两端的电压变得基本上等于所关联钳位电容器的电压电平时关断。这应该意味着，已关断的引导器开关单元的钳位电容器的电压已上升到仍接通的相关引导器开关的相同电平。以此方式，引导器开关单元可逐步地关断，其中在关断点处，相关引导器开关单元的钳位电容器电压处于相同的电平、或在还在关断或已关断的其它引导器开关单元的限定范围内。
引导器开关单元的接通可另外或可替代地以类似的方式进行控制。方法可布置成使得在引导器开关需要完全导通时，在接通时间TON接通所有引导器开关单元(但至少一个引导器开关单元保持非导通，直到这种接通时间)。然而，在此接通时间之前，一个或多个引导器开关单元可更早地接通，如果引导器开关单元的钳位电容器的电压之间的任何差变得显著的话，例如，如果两个不同开关单元的钳位电容器电压之间的电压差超过预先限定的阈值。因此，如果随着引导器开关两端的电压斜降引导器开关单元之间基本上不存在电压不平衡，则并无引导器开关单元可早早地接通、并且所有引导器开关单元可在时间TON同时接通。然而，从第一转变时间或转变开始时间开始，例如，在引导器开关两端的电压的斜降时期期间，如果显著电压不平衡存在，则至少一个引导器开关单元可早早地接通。
经受足够的开关元件保持关断以支持整个引导器开关两端的电压的约束，具有最高钳位电容器电压的引导器开关单元被识别出，并且所述引导器开关单元与处于基本上相同的电压和/或在最高钳位电容器电压的预先限定的电压范围内的可能地任何引导器开关单元可接通。这将会导致引导器开关两端的电压共享于保持关断的引导器开关单元之间，增大了相关钳位电容器的电压并且降低了电压下降的速率。随后，再次经受以下一般约束：任何一个引导器开关单元两端的电压不应超过安全操作电平、并且应存在处于关断状态的引导器开关的足够开关单元来支持引导器开关两端的电压，如果进一步引导器开关单元的电压基本上大于已接通的(多个)开关单元的电压电平的话，则进一步引导器开关单元可接通。在一些实施例中，此电压值可以是已接通的引导器开关单元中的任何引导器开关单元的最低钳位电容器电压，但在其它实施例中，所述电压值可以是平均电压值或某个其它导出的电压值。
此方法因此目的在于在需要时且只要需要，就通过开关IGBT来平衡钳位电容器。如所指出的，这仅造成了开关元件的交错接通或关断，如果且当钳位电容器之间存在足够的不平衡时。因此，在正常操作期间，关断或接通顺序并不是预先确定的、而是基于钳位电容器电压的瞬时测量结果。应注意的是，此技术不可用于可能需要引导器阀的快速操作的异常事件。
图5再次关于假设具有分别属于第一引导器开关单元、第二引导器开关单元和第三引导器开关单元的三个开关元件SW1、SW2和SW3的引导器开关而展示了操作原理。图5展示了如之前关于图3a和图3b所描述的引导器开关两端的电压波形301在引导器开关非导通时期期间如何。图5还展示了第一引导器开关单元、第二引导器开关单元和第三引导器开关单元的钳位电容器的电压VC1、VC2和VC3分别如何变化。
如上所述，在时间T1，开关引导器开关以变得非导通。此时，第一引导器开关单元的电压VC1是最低的，并且大大地低于电压VC2和VC3。因此，开关SW1在此时关断。因此，引导器开关两端的开始上升的电压最初仅被施加到第一开关单元并且电压VC1开始增大。在时间T2，电压VC1达到电压VC2的目前电平，并且因此开关SW2然后被关断。对关断此开关元件的定时以及所述关断发生时的电压电平并不是预先确定的并且取决于实际电压VC1和VC2。因此，引导器开关两端的电压现在共享于以同一电压电平开始的第一引导器开关单元与第二引导器开关单元之间。钳位电容器的电压因此上升，直到在关断开关SW3的时间T3处达到电压电平VC3。此时，已关断所有引导器开关单元。
随后，引导器开关将在时间TON再次接通。在那之前，在引导器开关两端的电压下降时，对钳位电容器的电压进行监测以判定在某个预定阈值之上是否存在任何电压不平衡。在此实例中，在时间T4，最高电容器电压与最低电容器电压之差超过预定阈值，并且因此具有最高电容器电压的引导器开关在此实例中SW3被接通。事实上，在此实例中，电容器之间的大于阈值的电压不平衡存于T4之前的时间，但在此时间之前，整个引导器开关两端的电压为使得引导器开关单元全部都不可接通，即，所有引导器开关单元需要保持关断以支持电压。在时间T4，整个引导器开关两端的电压低得足够以使得引导器开关单元中的一个引导器开关单元可接通。此时，由于大于阈值的电压不平衡存在，控制接通了开关SW3。
一旦开关SW3接通，引导器开关两端的电压就共享于处于关断状态的剩余开关之间，即，在SW1与SW2之间。这造成了这些开关元件两端的电压的跳变。然后，可针对从接通的(多个)开关在此情况下开关SW3导出的电压电平对处于关断状态的这些开关两端的电压进行监测。然而，再次，引导器开关的开关元件将仅在剩余的关断状态开关元件能够支持引导器开关两端的电压时接通。在图5所展示的实例中，一旦电压电平充分地下降，开关SW2就在时间T5接通，从而造成剩余关断开关即SW1两端的电压的跳变。然后，SW1维持关断，直到接通SW1的接通时间TON。
将了解到，用于平衡引导器开关两端的电压减小时期，即负电压斜度时期，期间的电压的这一策略可在显著电压不平衡的情况下造成展现出相对较突然的步长的引导器开关单元的至少一些开关元件/钳位电容器两端的电压波形改变。在这个意义上，在引导器开关两端的负电压斜度期间施加的调制策略不像在引导器开关的正电压斜度时期期间施加的调制策略那样顺利。
然而，如所指出的，如果引导器开关的钳位电容器电压之间不存在显著电压不平衡，则可在同一时间操作引导器开关单元的开关元件。例如，图6a展示了实例，其中引导器开关单元的钳位电容器电压VC1、VC2和VC3在在时间T1关断引导器开关之前具有显著不平衡、并且因此相关开关元件以如参考图5所描述的交错方式关断，但是在引导器开关两端的下降电压期间，钳位电容器的电压保持在彼此的预先限定限制内、并且因此所述开关元件保持关断直到同时接通所述所有开关元件的时间TON。图6b展示了另一个实例，其中钳位电容器的电压在关断引导器开关的点处并未展现出任何显著不平衡并且因此所有引导器开关单元在时间T1同时关断。
在一些实施例中，可如上文所描述地在引导器开关两端的正电压斜度时期期间应用上述技术，但是可优选地是不在引导器开关两端的负电压斜度期间应用所述技术。换句话说，如果正电压斜度时期期间存在任何电压不平衡，则控制可被配置成延迟一个或多个开关元件的关断以提供电压平衡，从而造成开关元件的交错关断。然而，控制被配置成使得开关元件随后同时往回接通。如上所述，早于接通时间接通引导器开关的开关元件可能造成不那么顺利的电压转变。在一些实施例中，可在这个时期期间调制链节的电压以试着维持钳位电容器电压的平衡，如将在下文更加详细地描述的。
为了演示技术的操作，模拟了在开关元件之间具有电压不平衡且根据本方法操作的引导器开关。根据与参考图4a和图4b所讨论的模拟相同的条件来模拟引导器开关，即，具有仅第一开关单元和第二开关单元，其中第一开关单元具有高于第二开关单元的开始瞬时电压。第一开关单元的钳位电容器的开始电压被模拟为1500V，其中，第二开关单元的电容器为500V。用22W的电力汲取来模拟浮置电源。
图7中示出了模拟的结果。顶部绘图分别展示了整个引导器开关两端的电压波形701以及第一引导器开关单元和第二引导器开关单元两端的电压波形702和703。中间绘图分别示出了第一开关单元和第二开关单元的钳位电容器的电压704和705。下部绘图展示了第一开关单元的浮置电源的电流需量706和第二开关单元的浮置电源的电流需量707。
可见，第二开关单元的钳位电容器的电压开始得较低并且因此第二开关单元在第一开关单元之前关断。然而，在仅几个循环之后，很快补偿了初始的不平衡，并且IGBT和钳位电容器两者两端实现了平衡条件。
为了进一步证明技术的有效性，对具有更大量的开关元件的引导器开关执行了进一步模拟，其中所述引导器开关具有电压不平衡并且良好平衡再次很快实现且得以维持。进一步模拟还示出了针对其它部件错配情况的良好响应，如具有不同值的钳位电容器或共享电阻以及汲取不同瞬时功率电平的电源。
在上文所讨论的实施例中，假设控制相关转换器臂的链节以便在引导器开关关断且转换器臂不导通时期期间维持基本上恒定的电压。因此，整个引导器开关两端的电压波形主要是由于AC端/其它转换器臂处的电压变化。
然而，在一些实施例中，可控制转换器臂的链节以使处于关断状态的引导器开关所支持的电压的形状发生变化。可对引导器开关所经历的电压波形进行修改，从而使得在结合开关策略时，可以提高钳位电容器两端的平衡效果。
例如，图8展示了可应用的替代性电压调制的一个可能实例。在关断引导器开关的时间T1，控制链节的电压，使得如常规那样，引导器开关两端不存在电压。可以实施上述开关策略，使得开关元件SW1首先被关断，因为相关钳位电容器的电压VC1大大地低于其它钳位电容器的电压。一旦电压VC1增大到相等的VC2，开关元件SW2也被关断。此时，控制链节电压，从而使得引导器开关两端的电压增大的速率比正常情况快，以促进第二引导器开关单元的钳位电容器的快速平衡。一旦电压VC1和VC2达到电压VC3，就可降低增大速率，直到达到峰值电压。再次，将会存在一般约束：关断的开关元件的数量必须足以支持引导器开关两端的电压。
另外或可替代地，可调制电压波形的下降部分的电压。例如，图8展示了在电压波形的(正常地)下降部分期间，电压尽可能长时间地保持处于其峰值，以保持钳位电容器带电和平衡。然后，电压恰好在引导器开关在时间TON接通之前以恒定速率斜降，其中所有开关元件同时被接通。
然而，将了解到，结合引导器阀IGBT的适合开关顺序，任何其它波形轮廓还可根据钳位电容器当时的特定条件来进行选择。
本发明的实施例因此涉及用于VSC的引导器开关的电压平衡的方法，所述VSC包括多个引导器开关单元，每个引导器开关单元包括与钳位电容器并联的开关元件。所述方法包括控制引导器开关单元的开关元件的操作，从而使得对开关元件的操作的定时基于引导器开关单元的钳位电容器的电压以及引导器开关单元组的钳位电容器之间的任何电压不平衡的程度。
实施例还涉及用于VSC的引导器开关和/或转换器臂的控制设备。图9展示了控制设备的一个实例。图9展示了具有与引导器开关104串联的链节103的转换器臂。引导器开关包括多个引导器开关单元200-1到200-n，其中每个引导器开关单元可具有图2总体上指示的形成，例如，具有连接在引导器开关单元的开关元件两端的钳位电容器以及从钳位电容器汲取电力的浮置电源。
引导器开关控制器901被配置成接收对每个引导器开关单元的钳位电容器的电压电平VC1到VCn的指示，并且确定用于在适当时间切换引导器开关单元的开关元件的适当控制信号CNT1到CNTn。引导器开关控制器901还可接收对引导器开关104两端的电压的指示VDS，以确定适当数量的开关元件是关断的从而支持电压。
每个引导器开关单元可包括局部控制单元，如图2所展示的控制电子设备204，所述局部控制单元用于若干个目的，如将电力转换到IGBT的栅极驱动器电子设备、测量诸如钳位电容器电压等关键物理变量、以及通信到引导器开关控制器901。
如所指出的，引导器开关控制器901接收对引导器开关单元的钳位电容器的电压的指示，并且确定用于控制引导器开关单元的开关元件的适当控制信号。存在引导器开关控制器901可被布置成与引导器开关单元的局部控制电子设备204通信的各种方式。
在一些实施例中，对钳位电容器电压的局部测量可在每个引导器开关单元中进行并通信到引导器开关控制器901。在一些实施例中，局部控制电子设备204可在可应用电压平衡策略的整个时期内提供这种测量。例如，以足够的采样速率对钳位电容器电压的测量结果进行采样并通信到引导器开关控制器901，以允许引导器开关控制器901确定任何电压不平衡的程度并确定对适当控制信号的定时。
局部控制单元204可因此被配置成以周期性采样间隔将钳位电容器电压的瞬时电压读数发送到引导器开关控制器。对于典型的VSC，施加在引导器开关两端的电压波形通常不会在快于约100μs左右的时间发生变化，并且用于通信钳位电容器电压的采样时间可因此相对较低且可容易地实现。然而，这确实需要转移相对较大量的数据。
所交换的通信信号和数据量可通过采取更多分布控制层次来降低，例如，通过利用一些VSC布置中的硬件的分布构型。在一些VSC中，引导器开关单元成组成具有约十个左右IGBT的堆叠。在这种构型中，一个或多个堆叠可以由顶级控制***基于堆叠的待切换紧迫性以及判定应操作相关堆叠的其IGBT中的哪一个较低级别控制来进行选择。较低水平控制可至少部分地由堆叠内的局部控制来实施。
在一些实施例中，为了降低通信需求，来自引导器开关单元的钳位电容器电压的测量值可恰好在引导器开关的相关开关转变之前被提供到引导器开关引导器开关控制器901。然后，引导器开关控制器901可确定任何电压不平衡的程度以及对任何电压平衡的需要。在一些实施例中，引导器开关控制器901然后可确定在引导器开关的随后转变期间相关开关元件应接通或关断的适当电压电平。这可以基于引导器开关两端的电压电平，在这种情况下，引导器开关控制器901可在适当的时间生成开关控制信号，或者在一些实施例中，电压电平可以是开关单元的钳位电容器的电压电平，在这种情况下，引导器开关控制器901可提供控制信号到局部控制单元，指示相关引导器开关单元应操作的激活电平。
因此，在一些实施例中，在引导器开关关断或接通过程之前，来自所有引导器开关单元的钳位电容器电压可由引导器开关控制器901读取和分类。即，恰好在施加在引导器开关两端的波形之前开始上升或下降。然后，引导器开关的局部控制单元中的每一个可被控制信号CNT1到CNTn预先编程成对某个钳位电容器电压起作用，使得局部控制单元可局部地决定何时关断或接通引导器开关的关联IGBT。
在指示钳位电容器电压在引导器开关转变期间的进展的相对连续的测量结果并未被提供到引导器开关控制器901的实施例中，用于控制开关元件的控制信号可以基于电压的预测进展。因此，如所提及的，在引导器开关关断或接通过程之前，来自所有引导器开关单元的钳位电容器电压可由引导器开关控制器901读取和分类。这种测得的值可用于例如通过使用适合的模型来预测引导器开关单元两端的电压的进展。基于此预测，可生成适当的控制信号，由引导器开关控制器901在适当的时间或以整个引导器开关两端的电压电平生成信号、或者由引导器开关控制器901用适合的激活电平对引导器开关单元的局部控制单元进行预先编程。在一些实施例中，实际钳位电容器电压的至少一些测量结果可在引导器开关的转变期间获得并被通信到引导器开关控制器901以更新转变时期期间的预测。仅几个实际测量结果可能需要在引导器开关的转变时期期间进行通信，这可能因此不表示过度的通信负担，并且这种更新预测可以给出对引导器开关单元的钳位电压的进展的相当精确的指示。
如之前所指出的，可在引导器开关104的关断时期期间基于切换需要对由链节103产生的电压进行调制。因此，引导器开关控制器901还可提供用于控制链节的调制的调制控制信号MOD。
上述方法和设备因此实现了钳位电容器的平衡，即便是在极端操作条件下，如在显著电路错配的存在下汲取高恒定电力负载。本文中所描述的技术还允许在钳位电容器被外部干扰扰乱之后恢复钳位电容器的平衡。然而，仅在钳位电容器不平衡时采取任何校正动作，然后返回理想开关图案。这在正常条件下提供了非常稳定的操作。各个半导体开关元件两端的电压因此由于使钳位电容器平衡而平衡。
针对AAC型转换器描述了各个实施例，但是将了解到，技术适用于任何类型的VSC，所述VSC包括由引导器开关单元形成的引导器开关，所述引导器开关单元具有开关元件以及连接在开关元件两端的钳位电容器。具体地说，在这种引导器开关单元还具有从钳位电容器汲取电力的浮置电源的情况下，技术是适合的。
应注意，上述实施例展示而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代性实施例。词语“包括”不排除除权利要求书中列出的那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一(a/an)”不排除多个，并且单个特征或其它单元可实现权利要求书中所列举的若干个单元的功能。权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为限制其范围。

Claims (38)

1.一种控制电压源转换器的引导器开关(104)的方法，其中所述引导器开关(104)包括多个串联连接的引导器开关单元(200)，每个引导器开关单元包括半导体开关元件(110)以及连接在所述半导体开关元件(110)两端的关联钳位电容器(202)，所述方法包括：
切换所述引导器开关单元(200)的所述半导体开关元件(110)以使所述引导器开关(104)在导通状态与非导通状态之间转变；
其中对切换半导体开关元件(110)的定时基于所述关联钳位电容器(202)的电压电平以及所述引导器开关单元(200)的所述钳位电容器(202)之间的任何电压不平衡的程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，每个引导器开关单元(200)进一步包括浮置电源，所述浮置电源被配置成在使用时从所述钳位电容器汲取电力。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述方法包括：关断所述引导器开关单元(200)的所述半导体开关元件(110)以使所述引导器开关(104)从完全导通状态转变为完全非导通状态。
4.根据权利要求3所述的方法，包括：在第一关断时间关断第一组半导体开关元件(110)，其中所述第一组半导体开关元件(110)包括具有拥有最低电压电平的所述关联钳位电容器(202)的所述半导体开关元件(110)以及具有拥有在所述最低电压电平的预定范围内的电压电平的关联钳位电容器(202)的任何半导体开关元件(110)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在并非所有半导体开关元件(110)都作为所述第一组的一部分而在所述第一关断时间被关断的情况下，所述方法包括：逐步关断在以下时间中的最早时间仍接通的所有开关元件中具有拥有最低电压电平的所述关联钳位电容器(202)的所述开关元件(110)：(i)所述半导体开关元件(110)两端的电压达到在与所述半导体开关元件(110)相关联的所述钳位电容器(202)的电压电平的预定范围内的电平，或(ii)所述引导器开关(104)两端的电压达到基于目前关断的半导体开关元件(110)的数量的限制。
6.根据权利要求3到5中任一项所述的方法，其中，所述引导器开关(104)在转换器臂中与用于电压波整形的链节电路(103)串联连接，并且所述方法包括：调制由所述链节电路(103)在所述引导器开关(104)从完全导通状态转变为完全非导通状态期间生成的电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述链节电压被调制成使所述引导器开关(104)两端的电压增大的速率在给定半导体开关元件(110)已经关断之后增大。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述方法包括：接通所述引导器开关单元(200)的所述半导体开关元件(110)以使所述引导器开关(104)从完全非导通状态转变为完全导通状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，包括：从第一转变开始时间到接通时间，对所述钳位电容器(202)的电压电平进行监测以判定电压不平衡的测量值是否超过预定阈值，并且在(i)所述差确实超过所述阈值、且(ii)所述引导器开关(104)两端的电压低得足以允许接通半导体开关元件(110)的情况下，所述方法包括：接通与具有最高电压电平的所述钳位电容器(202)相关联的所述半导体开关元件(110)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，包括：在所述接通时间接通目前关断的所有半导体开关元件(110)。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，在半导体开关元件(110)在所述接通时间之前接通的情况下，所述方法包括：判定与仍关断的半导体开关元件(110)相关联的钳位电容器(202)的电压电平是否超过与已接通的所述半导体开关元件(110)相关联的所述钳位电容器(202)的电压值，并且如果是，则假若所述引导器开关(104)两端的电压低得足以允许接通半导体开关元件(110)，所述方法包括接通所述半导体开关元件(110)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，与已接通的所述半导体开关元件(110)相关联的所述钳位电容器(202)的所述电压值包括最高电压电平和平均电压电平之一。
13.根据权利要求8到12中任一项所述的方法，其中，所述引导器开关(104)在转换器臂中与用于电压波整形的链节电路(103)串联连接，并且所述方法包括：调制由所述链节电路(103)在所述引导器开关(104)从完全非导通状态转变为完全导通状态期间生成的电压。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述链节电压被调制成使所述引导器开关(104)两端的电压下降的速率在给定半导体开关元件(110)已经接通之后下降。
15.根据权利要求1到7中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：所述引导器开关(104)在转换器臂中与用于电压波整形的链节电路(102)串联连接，并且所述方法包括：调制由所述链节电路(103)在所述引导器开关(104)关断的时期期间生成的电压，使得所述引导器开关(104)两端的电压在第一时期期间增大为峰值，然后在第二时期期间基本上保持处于所述峰值。
16.一种用于控制电压源转换器的引导器开关(104)的控制设备，所述引导器开关具有多个串联连接的引导器开关单元(200)，每个引导器开关单元包括半导体开关元件(110)以及连接在所述半导体开关元件(110)两端的关联钳位电容器(202)，其中所述控制设备被配置成：
接收对所述引导器开关单元(200)的所述关联钳位电容器(202)的电压电平的指示；并且
生成切换控制信号，所述切换控制信号用于控制切换所述引导器开关单元(200)的所述半导体开关元件(110)以使所述引导器开关(104)在导通状态与非导通状态之间转变；
其中，对切换半导体开关元件(110)的定时基于所述关联钳位电容器(202)的电压电平以及所述引导器开关单元(200)的所述钳位电容器(202)之间的任何电压不平衡的程度。
17.根据权利要求16所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成生成切换控制信号，所述切换控制信号用于关断所述引导器开关单元(200)的所述半导体开关元件(110)以使所述引导器开关(104)从导通状态转变为非导通状态，从而关断所述引导器开关(104)。
18.根据权利要求17所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成生成开关控制信号以便在第一关断时间关断第一组半导体开关元件(110)，其中所述第一组半导体开关元件(110)包括具有拥有最低电压电平的所述关联钳位电容器(202)的所述半导体开关元件(110)以及具有拥有在所述最低电压电平的预定范围内的电压电平的关联钳位电容器(202)的任何半导体开关元件(110)。
19.根据权利要求18所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成生成开关控制信号，使得在并非所有半导体开关元件(110)都作为所述第一组的一部分而在所述第一关断时间被接通的情况下，所述开关控制信号逐步关断在以下时间中的最早时间仍接通的所有开关元件(110)中具有拥有最低电压电平的所述关联钳位电容器(202)的所述开关元件(110)：(i)所述开关元件(110)两端的电压达到在与所述半导体开关元件(110)相关联的所述钳位电容器的电压电平的预定范围内的电平，或(ii)所述引导器开关(104)两端的电压达到基于目前关断的半导体开关元件(110)的数量的限制。
20.根据权利要求17到19中任一项所述的控制设备，其中，所述控制设备被进一步配置成生成调制控制信号，所述调制控制信号用于控制对调制由与所述引导器开关(104)串联连接的用于电压波整形的链节电路(103)在所述引导器开关(104)从完全导通状态转变为完全非导通状态的时期期间生成的电压的调制。
21.根据权利要求20所述的控制设备，其中，生成所述调制控制信号以调制所述链节电压来使所述引导器开关(104)两端的电压增大的速率在给定半导体开关元件(110)已经关断之后增大。
22.根据权利要求16所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成生成切换控制信号，所述切换控制信号用于接通所述引导器开关单元(200)的所述半导体开关元件(110)以使所述引导器开关(104)从完全非导通状态转变为完全导通状态。
23.根据权利要求22所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成从第一转变开始时间到接通时间，对所述钳位电容器(202)的电压电平进行监测以判定最高电压电平与最低电压电平之差是否超过预定阈值，并且在(i)所述差确实超过所述阈值且(ii)所述引导器开关(104)两端的电压低得足以允许接通半导体开关元件(110)的情况下，生成开关控制信号以接通与具有最高电压电平的所述钳位电容器(202)相关联的所述半导体开关元件(110)。
24.根据权利要求23所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成在所述接通时间接通目前关断的所有半导体开关元件(110)。
25.根据权利要求23或权利要求24所述的控制设备，其中，在半导体开关元件(110)在所述接通时间之前接通的情况下，所述控制设备被配置成判定与仍关断的半导体开关元件(110)相关联的钳位电容器(202)的电压电平是否超过与已接通的所述半导体开关元件(110)相关联的所述钳位电容器(202)的电压值，并且如果是，则假若所述引导器开关(104)两端的电压低得足以允许接通半导体开关元件(110)，生成开关控制信号以接通所述半导体开关元件(110)。
26.根据权利要求25所述的控制设备，其中，与已接通的所述半导体开关元件(110)相关联的所述钳位电容器(202)的所述电压值包括最高电压电平和平均电压电平之一。
27.根据权利要求21到26中任一项所述的控制设备，其中，所述控制设备被进一步配置成生成调制控制信号，所述调制控制信号用于控制对调制由与所述引导器开关串联连接的用于电压波整形的链节电路(103)在所述引导器开关(104)从完全非导通状态转变为完全导通状态期间生成的电压的调制。
28.根据权利要求27所述的控制设备，其中，生成所述调制控制信号以调制所述链节电压来使所述引导器开关两端的电压减小的速率在给定半导体开关元件(110)已经接通之后减小。
29.根据权利要求16到21中任一项所述的方法，其中，所述控制设备被进一步被配置成生成调制控制信号，所述调制控制信号用于控制对由与所述引导器开关(104)串联连接的用于电压波整形的链节电路(103)在所述引导器开关(104)关断的时期期间生成的电压的调制，使得所述引导器开关(104)两端的电压在第一时期期间增大为峰值，然后在第二时期期间基本上保持处于所述峰值。
30.根据权利要求16到29中任一项所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成在整个引导器开关转变的时期期间从每个引导器开关单元(200)接收所述关联钳位电容器(202)的电压电平的重复测量结果作为对所述引导器开关单元(200)的所述关联钳位电容器(202)的电压电平的所述指示。
31.根据权利要求16到29中任一项所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成在引导器开关转变之前从每个引导器开关单元(200)接收所述关联钳位电容器(202)的电压电平的测量结果作为对所述引导器开关单元(200)的所述关联钳位电容器(202)的电压电平的所述指示。
32.根据权利要求31所述的控制设备，其中，所述切换控制信号包括使引导器开关单元(200)在特定钳位电压电平下接通或关断的控制信号。
33.根据权利要求31或权利要求32所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成基于所述引导器开关单元(200)的所述关联钳位电容器(202)的电压电平的所述所接收测量结果来预测所述引导器开关单元(200)的电压的电压演变，并且基于所述所预测电压演变来生成所述切换控制信号。
34.根据权利要求33所述的控制设备，其中，所述控制设备被配置成基于在引导器开关转变的时期期间接收到的所述引导器开关单元(110)的所述钳位电容器(202)的电压电平的一个或多个测量结果来更新所述所预测电压演变。
35.一种用于电压源转换器的转换器臂设备，包括：
引导器开关(104)，其包括多个串联连接的引导器开关单元(200)，每个引导器开关单元包括半导体开关元件(110)以及连接在所述半导体开关元件(110)两端的关联钳位电容器(202)；以及
根据权利要求16到34中任一项所述的控制设备(204)。
36.根据权利要求35所述的转换器臂设备，其中，每个引导器开关单元(200)进一步包括浮置电源(205)，所述浮置电源被配置成在使用时从所述钳位电容器(202)汲取电力。
37.根据权利要求35或权利要求36所述的转换器臂设备，进一步包括与所述引导器开关(104)串联的用于电压波整形的链节电路(103)。
38.一种电压源转换器，其包括具有两个转换器臂的至少一个相分支，每个转换器臂包括根据权利要求35到37中任一项所述的转换器臂设备。
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