專利名稱：用于級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器單元、用于旁路故障轉(zhuǎn)換器單元的控制系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，且尤其涉及級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
包括半導(dǎo)體閥的電力轉(zhuǎn)換器被廣泛地用來(lái)借助于控制電壓、電流和/或頻率而改變電能特性。電力轉(zhuǎn)換器例如被越來(lái)越多地用在電力傳輸應(yīng)用中，諸如用于公共電網(wǎng)或工業(yè)電網(wǎng)的HVDC傳輸系統(tǒng)或靜態(tài)VAR補(bǔ)償系統(tǒng)中。 在這種應(yīng)用中，將轉(zhuǎn)換器的停機(jī)時(shí)間減低到最小是十分重要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的故障可能導(dǎo)致停電，這對(duì)于社會(huì)和電力供應(yīng)商來(lái)說(shuō)是成本高昂的。盡管做出很多努力來(lái)改善電子組件的壽命和循環(huán)能力，仍不能確保這種組件的無(wú)故障操作。因此，冗余是設(shè)計(jì)電力傳輸系統(tǒng)時(shí)的重要概念。在DE 101 03 031 中以及在 Fang Zheng Peng 等人在 IEEE IAS Conf 1995 Proc上的文章 “A multilevel Voltage-Source Inverter with Separate DC Sources forStatic Var Generation”中，已經(jīng)提出了具有以級(jí)聯(lián)方式串聯(lián)連接的多個(gè)單元的多級(jí)電力轉(zhuǎn)換器。級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器提供多個(gè)離散的轉(zhuǎn)換器輸出電壓級(jí)，由此有利于正弦電壓波形的合成。此外，這種級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器本質(zhì)上以較低的代價(jià)提供冗余故障單元的端子可以被短路且故障單元可以被旁路，而其余單元可以繼續(xù)正常操作。因而，盡管出現(xiàn)故障單元，只要其余單元的數(shù)目足夠，其余單元仍可以繼續(xù)傳送所需的電壓。已經(jīng)提出了用于短路半導(dǎo)體器件的端子的不同機(jī)制，例如參見WO 2007/023064,其中保護(hù)組件與整流器電路并聯(lián)連接，以在故障情況下提供對(duì)整流器電路的端子的短路；或者參見WO 2007/095873，其中在短路操作中使用火工元件/機(jī)械元。這些機(jī)制需要附加硬件，且因而增加了半導(dǎo)體器件的成本和體積。在Wenchao Song 等人在 2008 年的 Twenty-Third Annual IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition 上的文章 “Fault-Tolerant TransformerlessPower Flow Controller Based-on ETO Light Converter” 中，公開了一種具有 H 橋構(gòu)建單元的級(jí)聯(lián)多級(jí)轉(zhuǎn)換器。其建議當(dāng)H橋的頂部/底部開關(guān)故障短路時(shí)，另一頂部/底部開關(guān)接通，而兩個(gè)互補(bǔ)開關(guān)關(guān)斷，因而使得H橋構(gòu)建單元進(jìn)入短路狀態(tài)。獲得單元端點(diǎn)之間的AC短路的這種方法可以不使用任意附加硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，該機(jī)制要求向另一頂部/底部開關(guān)的門驅(qū)動(dòng)單元提供電力以保持該開關(guān)接通。在該單元完全短路的情況下，則沒有DC電壓可為該單元所用，而且不能容易地在單元內(nèi)提供維持另一頂部/底部開關(guān)處于接通狀態(tài)的電力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供在級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器中旁路故障轉(zhuǎn)換器單元的備選方式。一個(gè)實(shí)施方式提供一種級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器，其包括轉(zhuǎn)換器單元，該轉(zhuǎn)換器單元包括單元電容器和具有至少兩個(gè)電動(dòng)閥的至少一個(gè)相支路，其中該至少一個(gè)相支路與該單元電容器并聯(lián)連接。級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器還包括用于控制至少一個(gè)相支路的電動(dòng)閥的切換的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)被配置成在檢測(cè)到需要旁路轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，以如下方式控制轉(zhuǎn)換器單元的電動(dòng)閥的切換，該方式使得單元電容器經(jīng)由相支路被短路，從而獲得通過(guò)相支路的電流浪涌，由此創(chuàng)建通過(guò)轉(zhuǎn)換器單元的永久電流路徑。還提供一種在級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器中旁路轉(zhuǎn)換器單元的方法。該方法可應(yīng)用于轉(zhuǎn)換器單元，該轉(zhuǎn)換器單元具有單元電容器和與單元電容器并聯(lián)連接的至少一個(gè)相支路，其中該相支路具有至少兩個(gè)串聯(lián)連接的電動(dòng)閥。該方法包括以如下方式控制電動(dòng)閥的切換，該方式使得單元電容器經(jīng)由相支路被短路，從而獲得通過(guò)相支路的電流浪涌，由此創(chuàng)建通過(guò)相支路的永久電流路徑。通過(guò)級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器和旁路轉(zhuǎn)換器單元的方法實(shí)現(xiàn)既使在不向單元中的任何門驅(qū)動(dòng)單元提供電力時(shí)，仍可以旁路故障轉(zhuǎn)換器單元。再者，可以不使用任何附加硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián) 轉(zhuǎn)換器和旁路轉(zhuǎn)換器單元的方法所提供的旁路機(jī)制。因而，通過(guò)本技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)為級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器提供旁路可能性的簡(jiǎn)單和空間有效的方式。在一個(gè)實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)換器單元還包括在單元電容器和相支路之間串聯(lián)連接的電抗器，以在單元電容器短路時(shí)限制峰值電流。由此，可以避免單元電容器短路時(shí)相支路120的部件的過(guò)于快速加熱，由此減小不希望損壞的風(fēng)險(xiǎn)。在本實(shí)施方式中，還可以進(jìn)一步提供鉗位電路，該鉗位電路被連接為在關(guān)斷時(shí)限制閥兩端的電壓。轉(zhuǎn)換器單元可以是包括兩個(gè)相支路的全橋轉(zhuǎn)換器單元，或者包括一個(gè)相支路的半橋轉(zhuǎn)換器單元。當(dāng)轉(zhuǎn)換器單元是全橋轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，轉(zhuǎn)換器單元還可以包括配置成為電動(dòng)閥的切換提供電力的第一電源單元和第二電源單元，其中第一電源單元配置成為第一相支路的電動(dòng)閥的切換提供電力，且第二電源單元配置成為第二相支路的電動(dòng)閥的切換提供電力，且其中第一電源單元和第二電源單元彼此獨(dú)立。由此實(shí)現(xiàn)既使電源之一故障，如有需要，可以確保能夠控制至少一個(gè)相支路120的閥以便短路單元電容器。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)被配置成接收指示轉(zhuǎn)換器單元的狀態(tài)的至少一個(gè)狀態(tài)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到需要旁路轉(zhuǎn)換器單元是且依賴于接收的至少一個(gè)狀態(tài)信號(hào)，控制系統(tǒng)還被配置成選擇將要接通的至少一個(gè)電動(dòng)閥，其中以如下方式執(zhí)行所述選擇，該方式使得所選一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥的接通將創(chuàng)建通過(guò)相支路的路徑，單元電容器將通過(guò)該相支路被短路；以及向所選一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥產(chǎn)生信號(hào)以切換到接通狀態(tài)從而短路單元電容器。在另一實(shí)施方式中，控制系統(tǒng)被配置成在檢測(cè)到需要旁路轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，向預(yù)定組的一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥產(chǎn)生信號(hào)，這些電動(dòng)閥在接通時(shí)將創(chuàng)建通過(guò)相支路的路徑，單元電容器將通過(guò)該相支路被短路。級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器可以包括以級(jí)聯(lián)方式布置的任意合適數(shù)目的轉(zhuǎn)換器單元?？刂葡到y(tǒng)可以配置成在檢測(cè)到需要旁路特定轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，以如下方式控制特定轉(zhuǎn)換器單元的電動(dòng)閥的切換，該方式使得特定轉(zhuǎn)換器單元的單元電容器經(jīng)由相支路短路。本發(fā)明還涉及包括該級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器的HVDC站、包括該級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器的SVC站以及包括級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器的電力傳輸系統(tǒng)(例如HVDC站或SVC站中)。本發(fā)明的其他方面在下面的詳細(xì)描述和所附權(quán)利要求書中陳述。


圖Ia示 出全橋轉(zhuǎn)換器單元的示例。圖Ib示出半橋轉(zhuǎn)換器單元的示例。圖Ic示出半橋轉(zhuǎn)換器單元的另一示例。圖2a示出全橋轉(zhuǎn)換器單元的級(jí)聯(lián)的示例。圖2b_2d示出半橋轉(zhuǎn)換器單元的級(jí)聯(lián)的不同示例 。圖3a示出例如適于在靜態(tài)VAR補(bǔ)償系統(tǒng)中使用的三相級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器的示例。圖3b示出例如適于在HVDC系統(tǒng)中使用的三相級(jí)聯(lián)AC/DC轉(zhuǎn)換器的示例。圖4a_b示出了通過(guò)全橋轉(zhuǎn)換器單元的單元相支路之一來(lái)短路單元電容器的效果O圖4c_d示出了分別通過(guò)如圖Ib和Ic所示類型的半橋轉(zhuǎn)換器單元的單元相支路來(lái)短路單元電容器的效果。圖5是示意性示出操作用于控制級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器的控制器系統(tǒng)的方法的實(shí)施方式的流程圖。圖6a_b是示出圖5的流程圖的短路步驟的不同實(shí)施方式的流程圖。圖7a示出了包括用于電流斜率限制的電抗器以及鉗位電路的全橋轉(zhuǎn)換器單元的示例。圖7b示出了包括用于電流斜率限制的電抗器以及鉗位電路的半橋轉(zhuǎn)換器單元的示例。圖8示出了其中相支路設(shè)置有獨(dú)立的電源系統(tǒng)的全橋轉(zhuǎn)換器單元的示例。圖9示出了配置成控制轉(zhuǎn)換器單元的閥的切換的控制系統(tǒng)的實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式圖Ia示出轉(zhuǎn)換器單元100A的實(shí)施方式的示例，其例如可以用在如圖3a所示的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器中。轉(zhuǎn)換器單元100A包括4個(gè)電動(dòng)閥105a-105d，這4個(gè)電動(dòng)閥105a_105d被配置成能夠在兩個(gè)方向中傳導(dǎo)電流且在一個(gè)方向中阻斷電壓。圖Ia的電動(dòng)閥105a_105d包括單向開關(guān)11，或用于短路的開關(guān)11，以及反向并聯(lián)二極管12，其中單向開關(guān)11可以控制以關(guān)斷和接通。4個(gè)閥105a-105d以全橋配置(也成為H橋配置)進(jìn)行布置，該全橋配置包括兩個(gè)相支路相支路120:1，其中閥105a和閥105b串聯(lián)連接；以及相支路120:2，其中閥105c和105d串聯(lián)連接。在相支路120:1或120:2內(nèi)，閥被連接為能夠在相同的方向中阻斷電壓。兩個(gè)相支路120:1或120:2以如下方式與單元電容器110并聯(lián)連接，該方式使得兩個(gè)相支路120:1或120:2能夠從單元電容器110的相同端阻斷電壓。單元電容器110兩端的電壓此處標(biāo)記為Uc。單元端子X和Y分別設(shè)置在相支路120:1或120:2的中點(diǎn)，即在兩個(gè)閥105a&105b或105c&105d之間的點(diǎn)。根據(jù)表la，以Uxy表示的端子X和Y之間的電壓可以取決于哪個(gè)閥接通和關(guān)斷而具有不同值。
權(quán)利要求
1.一種級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器(300A，300B)，包括 轉(zhuǎn)換器單元(100A，100B，100C)，包括單元電容器(110)和具有至少兩個(gè)電動(dòng)閥(105)的至少一個(gè)相支路(120)，所述至少一個(gè)相支路與所述單元電容器并聯(lián)連接；以及 控制系統(tǒng)(135)，用于控制所述至少一個(gè)相支路的電動(dòng)閥的切換；其中 所述控制系統(tǒng)配置成在檢測(cè)到需要旁路所述轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，以如下方式控制所述轉(zhuǎn)換器單元的電動(dòng)閥的切換，該方式使得所述單元電容器經(jīng)由相支路被短路，從而獲得通過(guò)所述相支路的電流浪涌，由此創(chuàng)建通過(guò)所述相支路的永久電流路徑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器單元還包括 電抗器(700)，串聯(lián)連接在所述單元電容器和相支路之間，以便在所述單元電容器短路時(shí)限制峰值電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器單元還包括 鉗位電路(705)，其被連接為在關(guān)斷期間限制所述閥兩端的電壓。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求其中任一項(xiàng)所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其中 所述轉(zhuǎn)換器單元是包括以全橋布置的兩個(gè)相支路(120:1,120:2)的全橋轉(zhuǎn)換器單元(100A)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器單元還包括 第一電源單元(800:1)和第二電源單元(800:2)，被配置成為電動(dòng)閥的切換供應(yīng)電力，其中 所述第一電源單元被配置成為第一相支路的電動(dòng)閥的切換供應(yīng)電力，以及所述第二電源單元配置成為第二相支路的電動(dòng)閥的切換供應(yīng)電力，且其中所述第一電源單元和第二電源單元彼此獨(dú)立。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求其中任一項(xiàng)所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其中所述控制系統(tǒng)被配置成 接收指示所述轉(zhuǎn)換器單元的狀態(tài)的至少一個(gè)狀態(tài)信號(hào)(140);以及 當(dāng)檢測(cè)到需要旁路所述轉(zhuǎn)換器單元時(shí)且依賴于接收的所述至少一個(gè)狀態(tài)信號(hào) 選擇將要接通的至少一個(gè)電動(dòng)閥，其中以如下方式執(zhí)行所述選擇，該方式使得所選一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥的接通將創(chuàng)建通過(guò)相支路的路徑，所述單元電容器將通過(guò)所述相支路被短路；以及 向所述所選一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥產(chǎn)生信號(hào)(125)，以切換到接通狀態(tài)，從而短路所述單元電容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5其中任一項(xiàng)所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器，其中所述控制系統(tǒng)被配置成在檢測(cè)到需要旁路所述轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，向預(yù)定組的一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥產(chǎn)生信號(hào)(125)，這些電動(dòng)閥在接通時(shí)將創(chuàng)建通過(guò)所述相支路的路徑，所述單元電容器將通過(guò)所述相支路被短路。
8.—種SVC站，包括根據(jù)權(quán)利要求1-7其中任一項(xiàng)所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器。
9.一種HVDC站，包括根據(jù)權(quán)利要求1-7其中任一項(xiàng)所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器。
10.一種電力傳輸系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-7其中任一項(xiàng)所述的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器。
11.一種在級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器(300A;300B)中旁路轉(zhuǎn)換器單元(100A ; 100B ; 100C)的方法，其中所述轉(zhuǎn)換器單元包括單元電容器(110)和與所述單元電容器并聯(lián)連接的至少一個(gè)相支路(120)，其中相支路具有至少兩個(gè)串聯(lián)連接的電動(dòng)閥(105a-f)，該方法包括 以如下方式控制(505)所述電動(dòng)閥的切換，該方式使得所述單元電容器經(jīng)由所述相支路被短路，從而獲得通過(guò)所述相支路的電流浪涌，由此創(chuàng)建通過(guò)所述相支路的永久電流路徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括 接收指示所述轉(zhuǎn)換器單元的狀態(tài)的至少一個(gè)狀態(tài)信號(hào)(140);以及依賴于接收的所述至少一個(gè)狀態(tài)信號(hào)，選擇(605)將要接通的至少一個(gè)電動(dòng)閥，其中以如下方式執(zhí)行所述選擇，該方式使得所選一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥的接通將創(chuàng)建通過(guò)所述相支路的路徑，所述單元電容器將通過(guò)所述相支路被短路；且其中所述短路包括 向所述所選一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥產(chǎn)生(610)信號(hào)(125)，以切換到接通狀態(tài)，從而短路所述單元電容器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述短路包括 向預(yù)定組的一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)閥產(chǎn)生￠15)信號(hào)(125)，這些電動(dòng)閥在接通時(shí)將創(chuàng)建通過(guò)所述相支路的路徑，所述單元電容器將通過(guò)所述相支路被短路。
全文摘要
公開了一種級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器和操作級(jí)聯(lián)電力轉(zhuǎn)換器的方法。該級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換器包括轉(zhuǎn)換器單元，該轉(zhuǎn)換器單元包括單元電容器和具有至少兩個(gè)電動(dòng)閥的至少一個(gè)相支路，該至少一個(gè)相支路與單元電容器并聯(lián)連接；以及控制系統(tǒng)，用于控制該至少一個(gè)相支路的電動(dòng)閥的切換。該控制系統(tǒng)配置成在檢測(cè)到需要旁路轉(zhuǎn)換器單元時(shí)，以如下方式控制電動(dòng)閥的切換，該方式使得單元電容器經(jīng)由相支路被短路，從而獲得通過(guò)相支路的電流浪涌，由此創(chuàng)建通過(guò)轉(zhuǎn)換器單元的永久電流路徑。
文檔編號(hào)H02M7/797GK102823126SQ201080065539
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2010年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月18日
發(fā)明者S·諾爾加, F·迪杰克慧澤恩, T·U·瓊森, T·塞茨 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司