CN109874387A - 具有组织成集群的单元的模块化多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

一种模块化多电平变流器包括具有组织成集群的单元的相臂和变流器控制结构，变流器控制结构包括控制目标控制装置(12)、至少一个集群选择装置(14A，4B)和集群控制装置(16A，16J)，每个集群一个集群控制单元，其中控制目标控制装置(12)确定为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目并且通知集群选择装置(14A)，集群选择装置(14A)从每个集群控制装置(16A，16J)获取集群电压测量值使用集群间优先级方案、基于所获取的集群电压测量值来选择至少一个第一集群(CL1)，并且命令第一集群控制装置(16A)控制第一集群的单元，第一集群然后根据集群内单元优先级方案来选择单元并且控制它们改变导电状态。

Description

具有组织成集群的单元的模块化多电平变流器
技术领域
本发明涉及模块化多电平变流器，以及用于控制该模块化多电平变流器中的单元的方法和计算机程序产品。
背景技术
模块化多电平变流器在很多不同的电力传输环境中使用是有意义的。它们可以例如用作直流(DC)电力传输***(诸如高压直流(HVDC))和交流(AC)电力传输***(诸如柔***流传输***(FACTS))中的电压源变流器。
在这些变流器中有多个级联单元，每个级联单元包括多个开关和提供单元电压的能量存储元件，其中单元可以被控制，以通过向相臂中***单元电压或从相臂中退出单元电压来帮助在相臂中形成波形。
同时，这些变流器要提供的电压电平已经增加，例如以便以相同或更低的变流器损耗获取增加的电力传递能力。已知800kV及以上的电压电平已经被用于例如超高压直流(UHVDC)***。
一种增强传输能力的明显方法是通过简单地将多个单元堆叠在一起。但是，当这样做时，可能会出现另外的问题。
可能难以以合理的低开关频率来调制合成多个单元的电压。可能难以为每个单元实现足够的***时间以便实现适当的开关动作。可能难以获取能够处理多个输入/输出(I/O)信号的控制结构。
提供本发明以用于解决这些问题中的一个或多个。
发明内容
本发明旨在为具有多个单元的模块化多电平变流器提供足够的单元***时间。
根据第一方面，该目的通过一种模块化多电平变流器来实现，该模块化多电平变流器包括具有多个串联连接的单元的至少一个相臂，其中单元被配置用于提供至少一个电压贡献，该至少一个电压贡献帮助交流波形的形成，并且其中相臂的单元被组织成集群，变流器还包括变流器控制结构，该变流器控制结构包括控制目标控制装置、至少一个集群选择装置和多个集群控制装置，每个集群一个集群控制装置，
其中控制目标控制装置被配置为确定在当前时间间隔期间为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目，并且向集群选择装置通知该数目，
集群选择装置被配置为：
从每个集群控制装置获取集群电压测量值，
使用集群间优先级方案、基于所获取的集群电压测量值来选择至少一个第一集群，以及
命令第一集群控制装置控制所选择的第一集群的单元，以用于允许控制目标被满足，以及
第一集群控制装置被配置为：根据集群内单元优先级方案，选择第一集群的单元并且控制所选择的单元改变在当前时间间隔中的导电状态。
根据第二方面，该目的通过一种控制模块化多电平变流器中的单元的方法来实现，该模块化多电平变流器包括具有多个串联连接的单元的至少一个相臂，该单元被配置用于提供至少一个电压贡献，该至少一个电压贡献帮助交流波形的形成，并且其中相臂的单元被组织成集群，该方法在变流器控制结构中被执行并且包括：
确定在当前时间间隔期间为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目，
从每个集群获取集群电压测量值，
使用集群间优先级方案、基于所获取的集群电压测量值来选择至少一个第一集群，以及
根据集群内单元优先级方案，选择第一集群的单元并且控制所选择的单元改变当前时间间隔中的导电状态，以用于允许变流器控制结构满足控制目标。
根据第三方面，该目的通过一种用于控制模块化多电平变流器中的单元的计算机程序产品来实现，该模块化多电平变流器包括具有多个串联连接的单元的至少一个相臂，该单元被配置用于提供至少一个电压贡献，该至少一个电压贡献帮助交流波形的形成，并且其中相臂的单元被组织成集群，该计算机程序产品包括具有计算机程序代码的数据载体，该计算机程序代码被配置为使变流器控制结构：
确定在当前时间间隔期间为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目，
从每个集群获取集群电压测量值，
使用集群间优先级方案、基于所获取的集群电压测量值来选择至少一个第一集群，以及
根据集群内单元优先级方案，选择第一集群的单元并且控制所选择的单元改变在当前时间间隔中的导电状态，以用于允许变流器控制结构满足控制目标。
本发明具有很多优点。分布式控制结构可以降低针对各个控制装置的I/O要求和计算任务。该变流器可以实现低损耗、小的三相交流滤波器要求、独立的无功功率控制和黑启动能力。而且，可以增加每个臂的单元数目而不增加控制结构能力、控制复杂性，并且不降低电容器电压平衡能力。通过使用集群概念，可以在更大程度上进行工厂装配。也可以在要安装变流器的地方进行集群组装，以符合这些要求。可以使集群适合最大合适尺寸和重量以便运输(例如，集装箱)。此外，还可以以集群的形式对较大装置进行工厂测试和烧焊，从而加快现场工作和调试，并且降低新手失败(infant failures)的可能性。由于整个集群可以作为备用而被保存并且易于被更换，因此可以更轻松地进行维护和维修。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明，在附图中：
图1示意性地示出了连接在极与地之间并且包括被分组成集群的单元的模块化多电平电压源变流器，
图2示意性地示出了为电压源变流器和控制单元集群而提供的变流器控制结构，
图3示意性地示出了第一和第二上限电压电平与第一和第二下限电压电平之间的集群电压测量值和单元电压的变化，
图4示出了由变流器控制结构的控制目标控制装置执行的多个方法步骤的流程图，
图5示出了由变流器控制结构的集群选择装置执行的多个方法步骤的流程图，
图6示出了由变流器控制结构的集群控制装置执行的多个方法步骤，
图7示意性地示出了控制集群的单元的第一方式，
图8示意性地示出了控制集群的单元的第二方式，
图9示意性地示出了控制集群的单元的第三方式，以及
图10示意性地示出了包括用于实现控制结构的至少部分的计算机程序代码的计算机程序产品计算机程序介质。
具体实施方式
在下文中，将给出本发明的优选实施例的详细描述。
图1示出了以基于单元的电压源变流器10或模块化多电平变流器(MMC)形式的多电平变流器的简化变型。变流器用于在交流(AC)与直流(DC)之间进行转换。图1中的变流器10包括由多个相脚组成的三相桥。在这种情况下有三个相脚。然而，应当认识到，作为替代方案，可以存在例如仅两个相脚。因此，存在第一相脚PL1、第二相脚PL2和第三相脚PL3。相脚更具体地连接在第一DC端子DC1与第二DC端子DC2之间，其中第一DC端子可以连接到DC电力传输***(诸如高压直流(HVDC)电力传输***)的第一极P1，并且第二DC端子DC2可以连接到地，其中相脚的中点连接到对应应的交流端子ACA、ACB、ACC。在该示例中，相脚分成两个半部：第一上半部分和第二下半部分，其中这样的半部也称为相臂。
此外，第一DC极P1具有可以是正的第一电位Udp。因此，第一极P1也可以称为正极。AC端子ACA、ACB、ACC又可以例如经由变压器而连接到AC***，诸如柔***流传输***(FACTS)。第一极P1与第一AC端子ACA、ACB和ACC之间的相臂可以被称为第一相臂或上部相臂，而第一AC端子与地之间的相臂可以被称为第二相臂或下部相臂。
HVDC***可以更具体地是在800kV及以上运行的超高压直流***(UHVDC)。
如上所述，图1所示的类型的电压源变流器仅是可以使用本发明的模块化多电平变流器的一个示例。例如，可以将变流器用作无功补偿器件，诸如静态VAR补偿器。
图1中描绘的电压源变流器10具有不对称的单极配置。它因此连接在极与地之间。作为替代方案，它可以以对称的单极配置或对称的双极配置连接。在对称的单极配置中，第二DC端子DC2将连接到具有第二负电位的第二极，该第二负电位可以与第一电位一样大但具有相反的极性。在对称的双极配置中，也存在第二极。在双极配置中，在相脚中还将存在第三和第四相臂，其中第二和第三相臂将连接到地，第一相臂连接在第一极P1的正电压与第二相臂之间，并且第四相臂连接在第二极的负电压与第三相臂之间。相脚的第一AC端子在对称双极配置中将设置在第一相臂与第二相臂之间，而同一相脚的第二AC端子将设置在第三相臂与第四相臂之间。此外，相臂经由相电抗器而连接到AC端子。
图1中的示例中的电压源变流器10的相臂包括单元(cell)。单元是可以被切换以用于对在对应的AC端子上形成的电压提供电压贡献的单位(unit)。然后，单元包括与具有开关的一个或两个分支并联的一个或多个能量存储元件、例如以电容器的形式，其中开关可以切换以开始通过***与能量存储元件的电压相对应的电压贡献来有助于波形的形成。当单元要停止有助于波形的形成时，同样可以通过开关的操作来退出该单元。
单元有利地串联或级联连接在相臂中。
在图1中给出的简化示例中，每个相臂中有六个串联连接或级联的单元。因此，第一相脚PL1的上部相臂包括六个单元C1p1、C2p1、C3p1、C4p1、C5p1和C6p1，而第一相脚PL1的下部相臂包括六个单元C1n1、C2n1、C3n1、C4n1、C5n1和C6n1。在上部相臂的单元两端存在第一相臂电压Uvppa，并且上部相臂中有第一相臂电流Ivppa流过。当上部相臂连接到第一极P1时，它也可以被认为是正相臂。在下部相臂的单元两端存在第二相臂电压Uvpna，并且下部相臂中有第二相臂电流Ivpna流过。此外，上部相臂经由第一或上臂电抗器Laarm1而连结到AC端子ACA，而下部相臂经由第二或下臂电抗器Laarm2而连结到相同的AC端子ACA。以类似的方式，第二相脚PL2的上部相臂包括六个单元C1p2、C2p2、C3p2、C4p2、C5p2和C6p2，而第二相脚PL2的下部相臂包括六个单元C1n2、C2n2、C3n2、C4n2、C5n2和C6n2。最后，第三相脚PL3的上部相臂包括六个单元C1p3、C2p3、C3p3、C4p3、C5p3和C6p3，而第三相脚PL3的下部相臂包括六个单元C1n3、C2n3、C3n3、C4n3、C5n3和C6n3。此外，上部相臂分别经由对应的第一或上臂电抗器Lbarm1和Lcarm1而连结到对应的AC端子ACB和ACC，而下部相臂分别经由对应的第二或下臂电抗器Lbarm2和Lcarm2而连结到相同的AC端子ACB和ACC。
图1中提供的单元数目仅是用于示出用于组织单元的原理的示例。因此必须强调的是，相臂中的单元的数目可以相当高，诸如例如一千个。
为了改进处理这种高数目的单元的方式，将单元分组或组织成集群，并且每个集群可以包括物理上彼此靠近的固定数目的相臂单元。在图1中，仅示出了上部相中的集群。在该示例中，单元C1n1和C2n1形成第一集群CL1，单元C3n1和C4n1形成第二集群CL2，并且单元C5n1和C6n1形成第三集群CL3。必须强调的是，集群可以包括两个以上的单元。稍后给出的一个示例性替代数目是10个。
在其他相臂中也进行相同类型的聚类。
通常通过向单元提供控制信号来控制相臂中的单元，从而控制该单元对满足电压参考的贡献，其中电压参考可以被设置为提供满足控制目标的波形，以便获取某种电力传递，如有功或无功电力传递。因此可以控制单元以用于实现各种目标，其中波形的形状可以是一个目标。为了控制单元，提供了变流器控制结构。用于相臂的变流器控制结构包括控制目标控制装置12、一个或多个集群选择装置14和多个集群控制装置16a、16B、16C，每个集群一个集群控制装置。因此，存在用于控制第一集群CL1中的单元C1p1和C2p1的第一集群控制装置16A，用于控制第二集群CL2中的单元C3p1和C4p1的第二集群控制装置16B，以及用于控制第三集群CL3中的单元C5p1和C6o1的第三集群控制装置16C。单元C1p1、C2p1、C3p1、C4p1、C5p1和C6p1向对应的集群控制装置16A、16B和16C报告单元电压、电流和温度，并且从该集群控制装置16A、16B和16C接收控制信号，这通过双向虚线箭头来指示。集群控制装置16A、16B和16C还与集群选择装置14通信，该通信也用虚线双向箭头来指示。集群选择装置14又与控制目标控制装置12通信，这也用双向虚线箭头来指示。通信可以经由通信信道、例如光通信信道而提供。
如上所述，为一个相臂提供了所示的控制结构。可以为每个相臂提供类似的控制结构。在这种情况下，控制目标控制装置12可以是两个集群选择装置14共用的，其中一个集群选择装置被提供用于上部相臂，并且另一集群选择装置被提供用于下部相臂。作为替代方案，可能的是，对于整个相脚仅存在一个集群选择装置，这在使用全桥单元的情况下特别地有利。此外，可以为所有相脚提供相同类型的结构。在这种情况下，控制目标控制装置12对于所有相脚也是共用的。替代地，可以为每个相脚提供一个控制目标控制装置。
控制结构可以通过一个或多个计算机来实现。作为示例，它还可以通过使用一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)来实现。
在控制结构中，集群控制装置16A、16B、16C通常靠近单元的集群设置，而其他装置位于距该单元一定距离处。集群控制装置16A、16B、16C可以经由电缆(例如通过光纤)而连接到集群选择装置。
图2示意性地示出了相脚的控制结构，其中存在共用的控制目标控制装置12、两个集群选择装置14A和14B(每个相臂一个集群选择单元)以及多个集群控制装置，其中唯一示出的集群控制装置是上部相臂的集群控制装置并且然后仅示出了第一集群控制装置16A和最后集群控制装置16J。此外，在该示例中，每个相臂中有1000个单元，其中每个集群包括10个单元。为了简化该图，仅示出了第一集群的第一单元和第十单元以及(第十集群)的第一千单元。此外，在由集群控制装置16A和16J提供的控制中，仅指示由与第一集群CL1相关联的第一集群控制装置16A执行的控制。所有这些仅仅是为了简化对本发明各个方面的理解。
在该图中，控制目标控制装置12被示出为获取作为期望的有功功率值和无功功率值的控制值P*、Q*以及期望的单元电容器值(即，能量存储元件的期望的单元电压值)。控制目标控制装置12还被示出为向第一集群选择装置14A提供上限电压索引或相臂电压参考并且向第二集群选择装置14B提供下限电压索引或相臂电压参考
控制目标控制装置14还被示出为从第一集群选择装置14A接收平均上部相臂电压并且从第二集群选择装置14B接收平均下部相臂电压此外，第一集群选择装置14A被示出为向第一集群控制装置16A提供集群索引并且从第一集群控制装置16A接收平均单元电压电平以及指示潜在被排除的单元的信息。指示潜在被排除的单元的信息在此处是最大允许索引nmax和最小允许索引nmin的形式。第一集群选择装置14A还被示出为向上部相臂的最后集群控制装置14J发送集群索引第一集群控制装置16A又被示出为向第一集群CL1的第一单元和第十单元发送控制信号S1和S10，并且从这些单元获取单元电压测量值vC1和vC10。
如在图2中可以看出，变流器应当包括大量的单元，诸如一千个单元。这将导致各种问题，诸如难以以合理的低开关频率来调制电压，难以为每个单元实现足够的***时间以便实现适当的切换动作，以及难以获取能够处理数千个输入/输出(I/O)信号的控制结构。
在这些问题中，***时间可能是最严重的。
为了解决这一点，建议由变流器控制结构执行控制策略。
现在将参考图3、图4、图5和图6来描述如何执行根据控制策略的这种控制，其中图3示出了单元电压变化，图4示出了由控制目标控制装置12执行的多个方法步骤的流程图，图5示出了由第一集群选择装置14A执行的多个方法步骤的流程图，并且图6示出了由所选择的集群控制装置(例如，第一集群控制装置16A)执行的方法步骤。
从图3中可以理解，单元电压不是静态的，而是变化的。被***相臂中的单元的电容器通常被充电或放电，这取决于通过相臂的电流的方向，其中正电流通常对单元电容器充电，而负电流对单元电容器放电。此外，允许单元电压在第一上限电压电平V1UL与第一下限电压电平V1LL之间变化，其中已经达到第一上限电压电平V1UL的单元不允许被充电，并且已经达到第一下限电压电平V1LL的单元不允许被放电。这表示，处于第一上限电压电平V1UL的单元不被***用于正臂电流，而处于第一下限电压电平V1LL的单元不被***用于负臂电流。然后，具有接近第一上限电压电平的单元电压的单元可以具有单元电压变化VCMAX，而具有接近第一下限电压电平V1LL的单元电压的单元可以具有单元电压变化VCMIN。
此外，这个原则也可以在集群层面上遵循。集群控制装置16可以获取单元的单元电压并且形成集群电压测量值，诸如单元电压平均值VCAVE，该集群电压测量值被允许在第二上限电压电平V2UL与第二下限电压电平V2LL之间变化，其中第二上限电压电平V23UL有利地低于第一上限电压电平V1UL并且第二下限电压电平V2LL高于第一下限电压电平V1LL。集群电压测量值可以用于指导选择集群。
因此，每个单元控制装置获取集群中的单元的单元电压并且执行三个活动。第一活动是将各个单元电压与第一上限电压电平V1UL进行比较以便确定是否存在任何单元电压等于或高于该第一上限电压电平V1UL，并且第二活动是将各个单元电压与第一下限电压电平V1LL进行比较以便确定是否存任何单元电压等于或低于该第一下限电压电平V1LL。以这种方式，在集群将用于分别利用正臂电流和负臂电流来控制单元的情况下，确定要排除哪些单元。可以通过确定先前提到的最大集群索引nmax和最小集群索引nmin来确定潜在被排除的单元，并且将这些索引提供给第一集群选择装置14A。在没有排除任何单元的情况下，这些索引的值将等于集群单元和零集群单元的总数目。然而，在任何单元已经达到第一上限电压电平V1UL的情况下，则最大集群索引nmax将减小与标称单元电压相对应的量。以类似的方式，达到或低于第一下限电压电平V1LL的单元将导致最小集群索引nmin增加与标称单元电压相对应的量。然后最大和最小集群索引被报告给集群选择装置14A。可以看出，以这种方式，就两个电流方向而言的关于潜在被排除的单元的信息被确定，并且被报告给集群选择装置，步骤32。这里应当认识到，可以使用其他潜在被排除的单元的通知方式，诸如直接给出对于第一电流臂方向的被排除的单元的数目，以及对于相反的电流方向的被排除的单元的另一数目。
由每个单元控制装置执行的第三活动是组合单元电压的值以便获取前面提到的集群电压测量值，然后该集群电压测量值表示集群的电压电平。这可以被获取作为单元电压的平均值或平均单元电压。另一种可能性是使用总和。作为替代方案，可以确定单元电压的中值。然后集群电压测量值还被报告给第一集群选择装置14A。由此，集群电压测量值也被确定并且被报告给第一集群选择装置14A，步骤34。
现在，将关于第一相脚的上部相臂来更详细地描述由控制结构执行的控制。
控制目标控制装置12首先确定要在上部相臂中提供以用于在当前时间间隔中实现控制目标的电压，步骤18。在该示例中，控制目标是使期望的有功功率P*和期望的无功功率Q*与期望的平衡单元电压相匹配。该控制仅仅是控制目标的示例，并且是已知的。电容器电压控制可以更具体地是开环控制或闭环控制。
有功和无功功率控制可以基于有功功率和无功功率的常规测量值(未示出)，而单元电压平衡可以基于上部和下部相臂中的测量的单元电压平均电压和来进行。基于该数据，控制目标控制装置12然后以本身已知的方式来确定用于上部相臂的电压参考和用于下部相臂的电压参考
上部相臂电压参考实质上规定了有助于在当前时间间隔中满足参考(即，为了满足控制目标)所需要的上部相臂中的电压或单元数目。基于先前时间间隔中需要多少单元，然后可以知道在当前时间间隔中要***或退出多少单元。
然后，将向第一集群选择装置14A发送参考并且从而向第一集群选择装置14A通知要控制的单元电压，步骤20。
由于控制可以用于形成波形，因此一些单元可能已经被***相臂中，并且因此集群选择装置知道需要***多少附加的单元、或者需要退出或移除多少已经***的单元。
因此，第一集群选择装置14A从控制目标控制装置12接收电压参考，即，关于在当前时间间隔中需要多少个单元以用于满足控制目标的电压***信息，步骤22。它还以最大集群索引nmax和最小集群索引nmin的形式从每个集群控制装置接收关于平均单元电压和与潜在被排除的单元相关的指示的信息，步骤24。
集群选择装置14A还具有关于相臂电流的方向的知识。基于电压参考、电流方向和与相臂电流方向相关的集群间优先级方案(inter-cluster priority scheme)，集群选择装置14A然后选择要***或退出的集群，步骤26。集群选择装置14A在这里通常选择具有最高或最低平均单元电压的集群以用于***或退出，其中在电流是对单元充电的正相臂电流的情况下，可以选择具有最低单元电压平均值的集群以用于***、或者可以选择具有最高单元电压平均值的集群以用于退出，并且在电流是对单元放电的负臂电流的情况下，可以选择具有最高单元电压平均值的集群以用于***、或者可以选择具有最低单元电压平均值的集群以用于退出。
此后，集群选择装置14A命令所选择的集群控制装置控制所选择的第一集群的单元以用于允许满足控制目标，并且以避免使用被排除的单元的方式，步骤28。作为示例，该集群控制装置可以是第一集群控制装置16A。该命令可以通过向集群控制装置16A发送被修改的集群索引来完成。
集群的单元通常作为一个实体而***作。通常可以在当前时间间隔中***或退出除了被排除的单元之外的所有单元。这表示，如果没有单元被排除，则集群索引将与集群中所有单元的***相对应。然而，当存在要被排除、即不使用的单元时，那么可以将该集群索引降低与被排除的单元的数目相对应的量。这表示，第一集群控制装置的用于控制单元的命令可以包括用以从该控制中省略被排除的单元的命令。
此外，如果没有单元被排除，则可能不需要其他集群参与单元***或退出以便达到期望的电压电平。但是，如果在集群中排除一个或多个单元，则很有可能无法获取该电平。
因此，为了达到期望的电压电平，集群选择装置可以命令另一集群控制装置来控制到达相臂的单元的期望数目所需要的单元，例如以便补偿被排除的单元的电压，步骤30。这表示，如果例如需要***另外两个单元，则集群选择装置14A命令另一集群控制装置***两个单元，并且如果需要退出两个单元，则集群选择装置命令另一集群控制装置退出两个单元(先前已被***所选择的集群)。这表示，被排除的单元可以被另一集群补偿。与该另一集群控制装置相关联的集群可以是优先级比第一集群低的集群，例如按照优先级顺序的下一集群。它也可以是特殊的专用单元补偿集群。
换言之，集群控制装置因此在电压限制处***单元，而不论集群选择装置处的原始参考电压如何。因此，实际的***索引可能不再相同。可以在集群选择装置处以使得实际***索引可以尽可能接近参考电压的方式来校正集群控制装置的参考***索引。该校正可以通过向参考电压添加额外的***索引或从参考电压减去额外的***索引来完成。
这里还可以提到，集群选择装置可以不进行集群索引的改变，而是集群控制装置本身基于被排除的单元的数目进行自适应。然而，集群选择装置可能仍然必须补偿被排除的单元。
这里可以进一步提到，所需要的电压变化也可能需要比集群中的单元更多的单元。在这种情况下，有可能命令另一集群控制装置来控制一个或多个单元，即使所选择的集群的所有单元都不潜在被排除。
所选择的集群控制装置(在给定的示例中可以是第一集群控制装置16A)然后继续并且选择要操作的单元，并且此后控制所选择的单元改变当前时间间隔中的导电状态(即，***相臂或从相臂退出)，其中***/退出可以根据与臂电流方向相关的集群内单元优先级方案(intra-cluster cell priority scheme)来执行，步骤36。因此，选择在第一上限或第一下限电压电平内的单元，并且排除处于、高于或低于该电压电平的单元，并且控制其他单元。例如，可以以由各个单元电压定义的优先级顺序来处理所选择的单元。当存在负相臂电流时，可以首先***具有最高单元电压的单元，而当存在正相臂电流时，可以首先***具有最低单元电压的单元。以类似的方式，当存在负相臂电流时，可以首先退出具有最低单元电压的单元，而当存在正相臂电流时，可以首先退出具有最高单元电压的单元。
单元的优先级顺序也可以在电压过零点处组织。因此，集群选择装置以及每个集群控制装置可以在电流过零点处改变优先级。
在图3中可以看出，集群选择装置通过将集群的集群电压测量值(例如，平均电容器电压)调节到特定频带内来获取集群内平衡。集群控制装置又获取内集群平衡，该平衡将集群中的各个电容器电压调节到另一频带内，其中每个频带可以根据可接受的电容器电压来设计。
此外，在当前时间间隔中***或退出集群中的单元的方式可以根据一些方案来执行。例如，可以使用两电平方案(two-level scheme)，使得能够同时***或退出所有单元，可以使用多阶方案(multistep scheme)，其中逐阶顺序地***单元，或者可以使用随机电平方案(random level scheme)，其中首先***第一组单元并且然后***第二组单元。第一种情况如图7中所示，其中对于十个单元的第一集群CL1同时进行20kV的变化，每个单元具有2.5kV的单元电压。第二种情况如图8中所示，其中从0到20kV的变化以多个相等大小的阶中进行，其中每个单元一个阶。第三种情况如图9中所示，其中使用随机电平进行从0到20kV的变化，该随机电平这里以两个阶的形式，对于第一集群CL1都是10kV。在这种情况下，一半的单元可以用于第一阶，并且一半的单元可以用于第二阶。这里，可以提到的是，也可以使用2.5kV的电压电平(其也是示例)以便为操作提供误差容限。
此外，可能的是，当单元电压平衡时，使用图7中所示的第一种方案，而当单元电压不平衡时，使用第二种和第三种方案。因此，可以基于各个单元电压是否平衡来进行方案的选择。
方案的选择还可以根据三相变流器电压所要求的总谐波畸变(THD)以及计算和通信所要求的时间来确定。
本发明具有很多优点。
可以看出，集群可以被视为可变电压源，其中谐波消除发生在集群内部。也就是说，调制和单元电压平衡发生在集群内部，从而使得显著的简化和益处成为可能。
分布式控制结构可以降低单个控制器的I/O要求和计算任务。因此，可以利用基于MMC的变流器来替换当前安装的额定为几GW的基于电流源的晶闸管变流器。控制器可以实现低损耗、小的三相ac滤波器要求、独立的无功功率控制和黑启动能力。而且，可以增加每个臂的单元数目而不增加控制结构能力、控制复杂性，并且不降低电容器电压平衡能力。
通过使用集群概念，可以在更大程度上进行工厂装配。也可以在要安装设备的地方进行集群组装，以符合这些要求。可以使集群适合最大合适尺寸和重量以便运输(例如，集装箱)。此外，还可以以集群的形式对较大装置进行工厂测试和烧焊，从而加快现场工作和调试，并且降低新手失败的可能性。
因为整个集群可以作为备用集群而被保存、并且由于使用用于冷却和控制信号的简单的接口而易于更换，因此可以更轻松地进行维护和维修。给定简单的接口，甚至可以设想在操作期间(热插拔)自动地(通过机器人)交换集群。以这种方式，可以避免维护中断，从而降低甚至逆转与传统的基于AC的电网技术相比的可靠性的差距。
在优选实施例中，可以在靠近集群中的单元的电势处提供集群控制装置。这样，光纤链路对接开关的控制以及用于收集信号，不必对全电压进行测量。集群控制装置的功能可以包括调制、单元电容器电压平衡和保护特征。因此，至少一些低延迟通信可以保持在集群内。
集群所要求的辅助电源可以例如取自单元中的一个或多个单元的电容器电压。其他选项包括冷却水回路中的光纤供电(power-over-fiber)或微型涡轮机。
集群控制装置可能只要求一个双向通信信道。因此，各自能够处理集群的通信需求的两个或更多个冗余光纤可以沿着不同的物理路径被路由到每个集群控制装置，而没有过多的成本。这样可以增加容错性，从而提高可靠性。总之，这相当于光纤通信链路的低得多的成本以及提高的可靠性。
通过实施标准接口(冷却介质、控制、电气)，可以实现来自不同制造商的互操作性集群。
另一选项是使集群被内部冷却并且通过除了空气之外的替代介质(例如，油、SF6气体、或者其他优质绝缘材料或冷却介质)而被绝缘。这可以为更紧凑的设计铺平道路。
根据另外的变型，集群可以包括具有不同拓扑和/或半导体技术的单元。一个示例是使用90％的配备有HV栅极换向晶闸管(GCT)的半桥单元和10％的配备有较低阻断电压的SiC MOSFET的全桥单元的组合。在这种配置中，GCT可以以基频操作，而SiC MOSFET以更高的频率操作。这样就可以满足谐波要求，尽管大多数半导体以基频操作。结果将是实现了HV半导体的使用并且降低了整体半导体损耗。
此外，集群可以与晶闸管开关并联连接。然后可以通过晶闸管开关来旁路要被旁路的集群，即其中所有单元将提供波形的零电压贡献的集群。这具有降低变流器中的传导损耗的优点。
在上面的描述中假设了半桥单元。但是，同样可以使用全桥单元。
如上所述，控制结构可以以分立组件的形式实现。然而，它也可以以一个或多个处理器的形式实现，其中伴随的程序存储器包括当在处理器上运行时执行所需控制功能的计算机程序代码。可以提供携带这种代码的计算机程序产品作为数据载体，诸如携带计算机程序代码的一个或多个CD ROM盘或者一个或多个记忆棒，其在被加载到波形分析器中时执行上述波形分析器功能。携带计算机程序代码40的CD ROM盘38形式的一个这样的数据载体如图10中所示。
从前面的讨论可以明显看出，本发明可以以多种方式变化。因此应当认识到，本发明仅受以下权利要求的限制。

Claims (15)

1.一种模块化多电平变流器(10)，包括具有多个串联连接的单元(C1p1，C2p1，C3p1，C4p1，C5p1，C6p1)的至少一个相臂，所述单元被配置用于提供至少一个电压贡献，所述至少一个电压贡献帮助交流波形的形成，并且其中相臂的所述单元被组织成集群(CL1，CL2，CL3)，
所述变流器还包括变流器控制结构，所述变流器控制结构包括控制目标控制装置(12)、至少一个集群选择装置(14，14A，14B)和多个集群控制装置(16A，16B，16C，16J)，每个集群一个集群控制装置，
其中
所述控制目标控制装置(12)被配置为：确定在当前时间间隔期间为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目并且向所述集群选择装置(14A)通知所述数目，
所述集群选择装置(14A)被配置为：
从每个集群控制装置(16A，16J)获取集群电压测量值
使用集群间优先级方案、基于所获取的所述集群电压测量值来选择至少一个第一集群(CL1)，以及
命令第一集群控制装置(16A)控制所选择的所述第一集群的单元，以用于允许所述控制目标被满足，以及
所述第一集群控制装置(16A)被配置为：根据集群内单元优先级方案，选择所述第一集群的单元并且控制所选择的所述单元改变所述当前时间间隔中的导电状态。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器(10)，其中所述集群选择装置还可操作以命令至少一个其他集群控制装置对达到所述相臂的单元的期望数目所需要的任何另外的单元进行控制。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平变流器(10)，其中所述集群选择装置还可操作以从每个集群控制装置获取与对应集群内的潜在被排除的单元相关的指示，其中第二集群控制装置的命令包括用以补偿被排除的单元的电压的命令。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平变流器(10)，其中所述被排除的单元包括由于具有等于或高于第一上限电压电平(V1UL)的单元电压、针对第一电流方向而被排除的单元，和/或由于具有等于或低于第一下限电压电平(V1LL)的单元电压、针对第二电流方向而被排除的单元。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平变流器(10)，其中所述集群电压测量值被允许在第二上限电压电平(V2UL)与第二下限电压电平(V2LL)之间变化，其中所述第二上限电压电平(V2UL)低于所述第一上限电压电平(V1UL)，并且所述第二下限电压电平(V2LL)高于所述第一下限电压电平(V1LL)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的模块化多电平变流器(10)，其中所述集群选择装置和每个集群控制装置被配置为在电流过零点处改变优先级方案。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模块化多电平变流器(10)，其中所选择的所述集群控制装置可操作以基于单个单元电压是否平衡、根据两电平方案或随机电平方案来控制所述单元。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模块化多电平变流器(10)，其中每个集群还包括与集群并联的晶闸管开关，所述晶闸管开关可操作以在所述集群要被旁路的情况下导通。
9.一种控制模块化多电平变流器(10)中的单元的方法，所述控制模块化多电平变流器(10)包括具有多个串联连接的单元(C1p1，C2p1，C3p1，C4p1，C5p1，C6p1)的至少一个相臂，所述单元被配置用于提供至少一个电压贡献，所述至少一个电压贡献帮助交流波形的形成，并且其中相臂的所述单元被组织成集群(CL1，CL2，CL3)，所述方法在变流器控制结构(12，14，14A，14B，16A，16B，16C，16J)中执行并且包括：
确定(18)在当前时间间隔期间为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目
从每个集群(CL1，CL2，CL3)获取(24)集群电压测量值
使用集群间优先级方案、基于所获取的所述集群电压测量值来选择(26)至少一个第一集群(CL1)，以及
根据集群内单元优先级方案，选择(36)所述第一集群的单元并且控制所选择的所述单元改变所述当前时间间隔中的导电状态，以用于允许所述变流器控制结构满足所述控制目标。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括对达到所述相臂的单元的期望数目所需要的任何另外的单元进行控制(30)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括从每个集群获取(24)与所述集群内的潜在被排除的单元相关的指示，并且任何另外的单元的所述控制包括控制所述另外的单元以便补偿被排除的单元的电压。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述被排除的单元包括由于具有等于或高于第一上限电压电平(V1UL)的单元电压、针对第一电流方向而被排除的单元，和/或由于具有等于或低于第一下限电压电平(V1LL)的单元电压、针对第二电流方向而被排除的单元。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述集群电压测量值被允许在第二上限电压电平(V2UL)与第二下限电压电平(V2LL)之间变化，其中所述第二上限电压电平(V2UL)低于所述第一上限电压电平(V1UL)，并且所述第二下限电压电平(V2LL)高于所述第一下限电压电平(V1LL)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中对所选择的所述第一集群中的单元的所述控制包括：基于单个单元电压是否平衡、根据两电平方案或随机电平方案来控制所述单元。
15.一种用于控制模块化多电平变流器(10)中的单元的计算机程序产品，所述模块化多电平变流器(10)包括具有多个串联连接的单元(C1p1，C2p1，C3p1，C4p1，C5p1，C6p1)的至少一个相臂，所述单元被配置用于提供至少一个电压贡献，所述至少一个电压贡献帮助交流波形的形成，并且其中相臂的所述单元被组织成集群(CL1，CL2，CL3)，所述计算机程序产品包括具有计算机程序代码(40)的数据载体(38)，所述计算机程序代码(40)被配置为使变流器控制结构(12，14，14A，14B，16A，16B，16C，16J)：
确定在当前时间间隔期间为了满足控制目标所需要使用的相臂的单元的数目
从每个集群(CL1，CL2，CL3)获取集群电压测量值
使用集群间优先级方案、基于所获取的所述集群电压测量值来选择至少一个第一集群(CL1)，以及
根据集群内单元优先级方案，选择所述第一集群的单元并且控制所选择的所述单元改变所述当前时间间隔中的导电状态，以用于允许所述变流器控制结构满足所述控制目标。
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