電流控制器的制造方法
【專利摘要】一種電流控制器(10)，包括：多個端子(12a、12b、14a、14b)，用于在使用中連接至多個DC輸電介質(zhì)(16、18)，使得每個DC輸電介質(zhì)(16、18)被連接至所述多個DC端子(12a、12b、14a、14b)中的至少一個；以及電流控制單元，互連所述多個端子(12a、12b、14a、14b)，所述電流控制單元包括多個電流控制子單元(20、22、23)，每個電流控制子單元(20、22、23)在使用中被連接至相應(yīng)的DC輸電介質(zhì)(16、18)，每個電流控制子單元(20、22、23)包括至少一個開關(guān)元件(24、28)，每個電流控制子單元(20、22、23)的所述開關(guān)元件或每個開關(guān)元件(24、28)被連接至相同的能量存儲裝置(26；56)以選擇性地提供電壓源；以及開關(guān)控制單元(100)，用以控制所述電流控制單元的每個開關(guān)元件(24、28)的切換，以在使用中將電壓降(V1、V2)選擇性地注入每個DC輸電介質(zhì)(16、18)，以便同時調(diào)節(jié)每個DC輸電介質(zhì)(16、18)中的電流(I1、I2)并且經(jīng)由所述電流控制單元將能量從至少一個DC輸電介質(zhì)(16、18)轉(zhuǎn)移到至少一個其他的DC輸電介質(zhì)(16、18)。
【專利說明】電流控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電流控制器以及電流控制電路。

【背景技術(shù)】
[0002]DC電網(wǎng)絡(luò)可以包括經(jīng)由一個或多個載流導(dǎo)體連接至負(fù)載的電源(諸如電池)、或者使用載流導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)連接至多個負(fù)載的多個電源。
[0003]DC電網(wǎng)絡(luò)的一個示例是需要HVDC變換器的多端互連的DC電力網(wǎng)，從而可以使用電連接在一起的兩個或更多HVDC變換器在DC側(cè)交換電力。每個HVDC變換器作用為源或蓄能庫(sink)以維持DC電力網(wǎng)的整個輸入-輸出的電力平衡，同時交換所需的電力。DC電力網(wǎng)依賴于DC輸電線路或電纜的網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)HVDC變換器的多端互連。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種電流控制器，包括:
[0005]多個端子，用于在使用中連接至多個DC輸電介質(zhì)，使得每個DC輸電介質(zhì)被連接至所述多個端子中的至少一個；以及
[0006]電流控制單元，互連所述多個端子，所述電流控制單元包括多個電流控制子單元，每個電流控制子單元在使用中被連接至相應(yīng)的DC輸電介質(zhì)，每個電流控制子單元包括至少一個開關(guān)元件，每個電流控制子單元的所述開關(guān)元件或每個開關(guān)元件被連接至相同的能量存儲裝置以選擇性地提供電壓源；以及
[0007]開關(guān)控制單元，用以控制所述電流控制單元的每個開關(guān)元件的切換，以在使用中將電壓降選擇性地注入每個DC輸電介質(zhì)，以便同時調(diào)節(jié)每個DC輸電介質(zhì)中的電流并且經(jīng)由所述電流控制單元將能量從至少一個DC輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移到至少一個其他的DC輸電介質(zhì)。
[0008]DC輸電介質(zhì)可以是能夠在兩個或更多電氣元件之間傳輸電功率的任意介質(zhì)。這種介質(zhì)可以是水下DC輸電電纜、架空DC輸電線路或電纜以及地下DC輸電電纜，但不限于此。這種電氣元件可以是DC電源、負(fù)載、DC電力網(wǎng)的DC端子、或DC電網(wǎng)絡(luò)，但不限于此。
[0009]在使用中，每個DC輸電介質(zhì)可以經(jīng)由單個端子或多個端子被連接至電流控制器。
[0010]在通過多個DC輸電介質(zhì)傳輸電力的過程中，由于例如不同DC輸電介質(zhì)之間導(dǎo)體阻抗的變化，一個DC輸電介質(zhì)可以帶有比至少一個其他的DC輸電介質(zhì)更高的電流。
[0011]電流控制單元中包括電壓源允許在每個DC輸電介質(zhì)中注入電壓降。注入電壓降至DC輸電介質(zhì)造成電壓降相反從而減小此DC輸電介質(zhì)中電流的正阻抗效果、或者電壓降有助于增大此DC輸電介質(zhì)中電流的負(fù)阻抗效果。
[0012]經(jīng)由電流控制單元互連多個端子允許能量經(jīng)由電流控制單元在多個DC輸電介質(zhì)之間傳遞。由此，在如上所述調(diào)節(jié)多個DC輸電介質(zhì)中電流的過程中，從正經(jīng)歷電流減少的一個DC輸電介質(zhì)中去除能量，并且經(jīng)由電流控制單元將能量轉(zhuǎn)移至正經(jīng)歷電流增大的另一個DC輸電介質(zhì)。
[0013]電流控制單元中包括多個電流控制子單元允許獨(dú)立地控制每個電流控制子單元，以增大或減小相應(yīng)DC輸電介質(zhì)中的電流，這進(jìn)而允許簡化電流控制器的控制程序。當(dāng)連同大量DC輸電介質(zhì)一起使用電流控制器時，這是特別有利的。
[0014]同時，使得所有的電流控制子單元共用相同的單個能量存儲裝置為所得到的電流控制器提供了相當(dāng)大的成本、重量和空間節(jié)約。
[0015]取決于多個DC輸電介質(zhì)的拓?fù)浜?或電流調(diào)節(jié)要求，可以使用電流控制單元以將能量從單個DC輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移至單個其他的DC輸電介質(zhì)、從單個DC輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移至多個其他的DC輸電介質(zhì)、從多個DC輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移至單個其他的DC輸電介質(zhì)、或者從多個DC輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移至多個其他的DC輸電介質(zhì)。
[0016]電流控制單元可以是能夠在不同的DC輸電介質(zhì)之間僅在一個方向上轉(zhuǎn)移能量的單向電流控制單元?？商娲?，電流控制單元可以是能夠在不同的DC輸電介質(zhì)之間在兩個方向上轉(zhuǎn)移能量的雙向電流控制單元。當(dāng)對于一組電流控制條件需要在一個方向上轉(zhuǎn)移能量并且對于另一組電流控制條件需要在另一個方向上轉(zhuǎn)移能量時，雙向電流控制單元是有用的。
[0017]電流控制單元可以為恒定的操作，以對多個DC輸電介質(zhì)中的電流實(shí)施連續(xù)調(diào)節(jié)，或者可以被間歇地操作以調(diào)節(jié)多個DC輸電介質(zhì)中的電流。
[0018]因此，通過在每個DC輸電介質(zhì)中注入電壓降，根據(jù)本發(fā)明的電流控制器允許動態(tài)地、選擇性地控制每個DC輸電介質(zhì)中的電流。對每個DC輸電介質(zhì)中電流的這種控制的優(yōu)點(diǎn)在于可以將每個DC輸電介質(zhì)中的電流控制在特定操作范圍內(nèi)，以改善多個DC輸電介質(zhì)的輸電性能。
[0019]可以利用通過在每個DC輸電介質(zhì)中注入電壓降以修改多個DC輸電介質(zhì)中電流的能力來調(diào)節(jié)電流，以便最小化散熱損耗并且減小每個DC輸電介質(zhì)超過其額定熱量的風(fēng)險。優(yōu)選地，調(diào)節(jié)每個DC輸電介質(zhì)中的電流包括平衡多個DC輸電介質(zhì)中的電流。
[0020]另外，使用電流控制器導(dǎo)致可以以節(jié)能方式調(diào)節(jié)多個DC輸電介質(zhì)中的電流。這是因?yàn)?，如上所述，在調(diào)節(jié)每個DC輸電介質(zhì)中電流的過程中，能量的轉(zhuǎn)移包括將從一個DC輸電介質(zhì)中去除的能量傳遞至另一個DC輸電介質(zhì)。當(dāng)增大或減小每個DC輸電介質(zhì)中的電流時，這從而無需用以將能量增加至DC輸電介質(zhì)的額外能量源以及無需用以存儲或耗散從DC輸電介質(zhì)去除的能量的額外能量蓄能庫(諸如存儲電容器或耗散電阻器)。使用額外的能量源或蓄能庫將給多個DC輸電介質(zhì)添加非常大的花費(fèi)、尺寸和重量。另外，使用損耗電阻器將不僅增大電流控制器中的損耗，還可能需要使用冷卻系統(tǒng)，這將增加電流控制器的整體復(fù)雜性。
[0021]另外，在每個DC輸電介質(zhì)的任一端處，可以獨(dú)立于電氣元件的操作來實(shí)施調(diào)節(jié)每個DC輸電介質(zhì)中電流的電流控制器的使用。這無需為電氣元件重新設(shè)計控制程序以便適應(yīng)調(diào)節(jié)每個DC輸電介質(zhì)中電流的需要。
[0022]為了進(jìn)一步改善電流控制器的效率，由電流控制單元從至少一個DC輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移的能量或能量的總和優(yōu)選地等于由電流控制單元轉(zhuǎn)移到至少一個其他的DC輸電介質(zhì)的能量或能量的總和。
[0023]電壓降可以是可變的。電壓降還可以是正DC電壓降或負(fù)DC電壓降。
[0024]使用可變電壓降允許調(diào)節(jié)正經(jīng)歷可變電流條件的每個DC輸電介質(zhì)中的電流。
[0025]電流控制單元可以包括多個開關(guān)元件，其可以包括串聯(lián)連接的多個開關(guān)元件、并聯(lián)連接的多個開關(guān)元件、和/或串聯(lián)連接和并聯(lián)連接開關(guān)元件的組合，但不限于此。
[0026]為了實(shí)施其電流調(diào)節(jié)作用，電流控制器可以被布置具有不同的配置，如下為其一些示例。
[0027]在本發(fā)明的實(shí)施例中，至少一個電流控制子單元可以在兩個方向上傳導(dǎo)電流。這使得在多個DC輸電介質(zhì)中的一個或更多的電流方向相反的環(huán)境中，電流控制器可以兼容使用。
[0028]至少一個電流控制子單元可以包括串聯(lián)連接的多個開關(guān)元件。
[0029]至少一個電流控制子單元可以包括以全橋布置與能量存儲裝置并聯(lián)連接的多個開關(guān)元件，以便能夠提供雙向電壓。
[0030]每個能量存儲裝置可以是，例如，電容器、燃料電池、電池或能夠存儲或釋放其電能以提供電壓的任何其他能量存儲裝置。
[0031]每個開關(guān)元件可以是或可以包括半導(dǎo)體器件，例如絕緣柵雙極型晶體管、柵極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)晶體管、絕緣門極換向晶閘管、注入增強(qiáng)柵晶體管、集成門極換流晶閘管或任何其他串聯(lián)或并聯(lián)的自換向半導(dǎo)體器件。
[0032]在其他實(shí)施例中，多個電流控制子單元可以包括第一電流控制子單元和第二電流控制子單元，所述第一電流控制子單元包括以全橋布置與所述能量存儲裝置并聯(lián)連接的多個第一開關(guān)元件，并且所述第二電流控制子單元包括以全橋布置與所述相同能量存儲裝置并聯(lián)連接的多個第二開關(guān)元件。
[0033]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，所述電流控制單元還可以包括:
[0034]第一端口，用于限定在使用中連接至第一 DC輸電介質(zhì)的第一端子；
[0035]第二端口，用于限定在使用中連接至第二 DC輸電介質(zhì)的第二端子；
[0036]第三端口，用于限定在使用中連接至第三DC輸電介質(zhì)的第三端子；
[0037]第一電流控制子單元包括跨接在所述能量存儲裝置兩端的一對第一開關(guān)元件，所述一對第一開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至所述第一端口 ；
[0038]第二電流控制子單元包括跨接在所述能量存儲裝置兩端的一對第二開關(guān)元件，所述一對第二開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至所述第二端口 ；以及
[0039]第三電流控制子單元包括跨接在所述能量存儲裝置兩端的一對第三開關(guān)元件，所述一對第三開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至所述第三端口。
[0040]以這種方式配置電流控制單元導(dǎo)致形成三端口電流控制器。
[0041]三端口電流控制器的電流控制單元的模塊化拓?fù)浜徒M件的數(shù)量可以延伸至適應(yīng)一個或更多額外端口(例如，第四端口、第五端口等)以限定多端口電流控制器。例如，電流控制單元可以被延伸至包括用于限定在使用中連接至額外DC輸電介質(zhì)的額外端子的額外端口，并且電流控制單元還可以包括跨接在能量存儲裝置兩端的一對額外開關(guān)元件，從而所述一對額外開關(guān)元件的中點(diǎn)被連接至額外端口。這種電流控制單元中端口的數(shù)量可以取決于相關(guān)的DC輸電線路的數(shù)量和相關(guān)的DC電路的拓?fù)涠兓?br> [0042]所述電流控制單元還可以包括電子濾波電路，以在使用中對每個DC輸電介質(zhì)中的電流選擇性地進(jìn)行電子濾波。電子濾波電路可以包括一個或多個串聯(lián)電感器、一個或多個并聯(lián)電容器、多個串聯(lián)電容器和串聯(lián)電感器、和/或一個或多個電阻元件，但不限于此。電子濾波電路可以被調(diào)制為待被最小化的一個或多個諧頻。
[0043]在使用中，所述開關(guān)控制單元可以切換每個開關(guān)元件以選擇性地限定電子濾波電路以對每個DC輸電介質(zhì)中的所述電流進(jìn)行電子濾波。
[0044]具有對每個DC輸電介質(zhì)中的電流進(jìn)行電子濾波的能力允許從每個DC輸電介質(zhì)中的電流去除不需要的組件。這種不需要的組件可以包括在操作電流控制器以調(diào)節(jié)多個DC輸電介質(zhì)中電流的過程中出現(xiàn)的DC諧波，但不限于此。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種電流控制電路，包括:
[0046]多個DC輸電介質(zhì)，用于互連多個電氣元件；以及
[0047]根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，
[0048]其中每個DC輸電介質(zhì)被連接至所述電流控制器的所述多個端子中的至少一個。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的電流控制器和電流控制電路適應(yīng)于需要經(jīng)由兩個或更多個DC輸電介質(zhì)在兩個電氣元件之間傳輸DC電力的低壓、中壓和高壓DC應(yīng)用。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的電流控制器和電流控制電路適應(yīng)于具有不同數(shù)量的電氣元件和DC輸電介質(zhì)、以及不同拓?fù)涞亩鄠€DC輸電介質(zhì)以互連電氣元件的不同DC電路。這種DC電網(wǎng)絡(luò)可以是網(wǎng)狀連接DC電力網(wǎng)或射線狀連接DC電力網(wǎng)，但不限于此。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]現(xiàn)在將參照附圖，通過非限制示例來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，附圖中:
[0052]圖1以示意圖形式示出包括電流控制器的第一布置的電流控制電路；
[0053]圖2示出圖1的電流控制器的操作；
[0054]圖3以示意圖形式示出圖1的電流控制電路的示例性EMTDC/PSCAD模型，用于模擬如圖2所示的電流控制器的操作；
[0055]圖4示出圖3的EMTDC/PSCAD模型的模擬結(jié)果；
[0056]圖5以示意圖形式示出包括根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電流控制器的電流控制電路；以及
[0057]圖6以示意圖形式示出包括根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電流控制器的電流控制電路。

【具體實(shí)施方式】
[0058]圖1示出電流控制器10的第一布置(未形成本發(fā)明的一部分)。
[0059]電流控制器10包括多個端子以及電流控制單元。
[0060]多個端子限定一對第一端子12a、12b以及一對第二端子14a、14b。在使用中，所述一對第一端子12a、12b與第一 DC輸電線路16串聯(lián)連接，同時所述一對第二端子14a、14b與第二 DC輸電線路18串聯(lián)連接。
[0061]電流控制單元包括第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22。第一電流控制子單元20包括以全橋布置與第一電容器26并聯(lián)連接的多個第一開關(guān)元件24，并且第二電流控制子單元22包括以全橋布置與第二電容器30并聯(lián)連接的多個第二開關(guān)元件28。
[0062]第一開關(guān)元件24和第二開關(guān)元件28中的每個由以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)形式的半導(dǎo)體器件構(gòu)成。第一開關(guān)元件24和第二開關(guān)元件28中的每個還包括與其并聯(lián)連接的反平行二極管32。
[0063]在其他布置中(未示出)，應(yīng)設(shè)想到一個或多個開關(guān)元件可以是或者可以包括不同的半導(dǎo)體器件，諸如柵極可關(guān)斷晶閘管、場效應(yīng)晶體管、絕緣門極換向晶閘管、注入增強(qiáng)柵晶體管、集成門極換流晶閘管或任何其他串聯(lián)或并聯(lián)的自換向半導(dǎo)體器件。
[0064]還應(yīng)設(shè)想到，在其他布置中(未示出)，每個電容器可以被替換為不同的能量存儲裝置，諸如燃料電池、電池或能夠存儲或釋放其電能以提供電壓的任何其他能量存儲裝置。
[0065]第一電流控制子單元20串聯(lián)連接在所述一對第一端子12a、12b之間，而第二控制子單元22串聯(lián)連接在所述一對第二端子14a、14b之間。因此，在使用中，第一電流控制子單元20與第一 DC輸電線路16串聯(lián)連接，并且第二電流控制子單元22與第二 DC輸電線路18串聯(lián)連接。每個電流控制子單元20、22與相應(yīng)DC輸電線路16、18之間的串聯(lián)連接意味著每個電流控制子單元20、22可以具有明顯低于相應(yīng)DC輸電線路16、18與地之間電壓差的電壓等級。
[0066]在使用中，通過改變每個電流控制子單元20、22的相應(yīng)開關(guān)元件24、28的狀態(tài)，每個電流控制子單元20、22的電容器26、30被選擇性地旁路或者插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18的電路。
[0067]特別地，當(dāng)每個電流控制子單元20、22中的相應(yīng)開關(guān)元件24、28被配置為形成每個電流控制子單元20、22中的短路時，每個電流控制子單元20、22的電容器26、30被旁路。這使得在相應(yīng)DC輸電線路16、18中的電流Ip I2經(jīng)過短路并且旁路電容器，并且因而每個電流控制子單元20、22在相應(yīng)的一對端子12a、12b、14a、14b兩端注入零電壓降'、V2并且與相應(yīng)DC輸電線路16、18串聯(lián)。
[0068]特別地，當(dāng)每個電流控制子單元20、22中的相應(yīng)開關(guān)元件24、28被配置為允許相應(yīng)DC輸電線路16、18中的電流I1、12流入和流出電容器26、30時，每個電流控制子單元20、22的電容器26、30被插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18的電路。然后每個電容器26、30充電或放出其存儲的能量以便提供非零電壓降'、\。每個電容器26、30可以正向或反向插入電路以便在相應(yīng)的一對端子12a、12b、14a、14b兩端注入正電壓降V1或負(fù)電壓降V 2并且與相應(yīng)DC輸電線路16、18串聯(lián)。
[0069]以這種方式，每個電流控制子單元20、22能夠在相應(yīng)的一對端子12a、12b、14a、14b兩端提供雙向電壓降，并且在兩個方向上傳導(dǎo)電流，即每個電流控制子單元20、22能夠在四個象限中操作。
[0070]因此，在每個電流控制子單元20、22中開關(guān)元件24、28和電容器26、30的配置允許每個電流控制子單元20、22選擇性地提供電壓源。
[0071]第一電容器26和第二電容器30并聯(lián)連接以電耦合第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22以允許在使用中在第一電流控制子單元20與第二電流控制子單元22之間傳遞能量。
[0072]電流控制器10還包括開關(guān)控制單元100以控制第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22的開關(guān)元件24、28的切換。
[0073]參照圖2，如下描述圖1的電流控制器10的操作。
[0074]在使用中，所述一對第一端子12a、12b經(jīng)由第一 DC端子36與位于第一 DC電網(wǎng)絡(luò)34和第二 DC電網(wǎng)絡(luò)38之間的第一 DC輸電線路16串聯(lián)連接，同時所述一對第二端子14a、14b經(jīng)由第一 DC端子36與第一 DC電網(wǎng)絡(luò)34和第二 DC電網(wǎng)絡(luò)38串聯(lián)連接。以這種方式，第一 DC輸電線路16和第二 DC輸電線路18在第一 DC電網(wǎng)絡(luò)34與第二 DC電網(wǎng)絡(luò)38之間并聯(lián)連接。這允許第一 DC輸電線路16和第二 DC輸電線路18將電力從第一 DC電網(wǎng)絡(luò)34傳輸至第二 DC電網(wǎng)絡(luò)38。
[0075]在通過第一 DC輸電線路16和第二 DC輸電線路18傳輸電力的過程中，第一 DC輸電線路中的電流I1可以高于第二 DC輸電線路中的電流12。由于第一 DC輸電線路16與第二 DC輸電線路18之間導(dǎo)體阻抗的變化，可能出現(xiàn)電流I1' 12的差別。
[0076]為了減小第一 DC輸電線路16中的電流I1，開關(guān)控制單元100切換第一電流控制子單元20的第一開關(guān)元件24以注入與第一 DC輸電線路16串聯(lián)的第一非零電壓降％。第一非零電壓降V1的方向被設(shè)置為使得與第一 DC輸電線路16串聯(lián)的第一非零電壓降V ^勺施加造成正阻抗效果，其中第一非零電壓降V1相反(oppose)并且從而減小在第一 DC輸電線路16中流動的電流Ip
[0077]同時，為了增大第二 DC輸電線路18中的電流I2，開關(guān)控制單元100切換第二電流控制子單元22的第二開關(guān)元件28以注入與第二 DC輸電線路18串聯(lián)的第二非零電壓降V2。第二非零電壓降V2的方向被設(shè)置為使得與第二 DC輸電線路18串聯(lián)的第二非零電壓降%的施加造成負(fù)阻抗效果，其中第二非零電壓降V2有助于增大在第二 DC輸電線路18中流動的電流I2。
[0078]同時，與第一電流控制子單元20與第二電流控制子單元22之間的電耦合一同施加第一非零電壓降V1和第二非零電壓降V2，允許能量經(jīng)由電流控制單元在DC輸電線路16、18之間傳遞。以這種方式，從正經(jīng)歷電流I1減小的第一 DC輸電線路16中去除能量E1，并且通過電流控制單元轉(zhuǎn)移能量的方式，該能量E1被添加至正經(jīng)歷電流I 2增大的第二 DC輸電線路18。由電流控制單元從第一 DC輸電線路16轉(zhuǎn)移的能量選地等于由電流控制單元轉(zhuǎn)移至第二輸電線路18的能量E2,以便最小化在能量轉(zhuǎn)移過程中由電流控制單元造成的損耗。
[0079]通過示例，圖3示出圖1的電流控制電路的EMTDC/PSCAD模型，用于模擬電流控制器10的操作。圖3的模型在結(jié)構(gòu)和操作上與圖1所示的電流控制電路類似，并且相似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0080]圖3的模型還包括以下特征:
[0081]?第一 DC電網(wǎng)絡(luò)34是第一 DC變換器；
[0082]?第二 DC電網(wǎng)絡(luò)38包括由第三DC輸電線路44互連的第二 DC端子40和第三DC端子42 ;
[0083]?第二 DC端子40和第三DC端子42被分別連接至第二 DC變換器46和第三DC變換器48;并且
[0084].選取DC變換器34、46、48的電壓以在第一 DC變換器34處產(chǎn)生l.0pu的額定電流并且在第二 DC變換器46和第三DC變換器48處產(chǎn)生0.5pu的額定電流。
[0085]然后減小第一 DC輸電線路16的阻抗以產(chǎn)生第一 DC輸電線路16與第二 DC輸電線路18之間的電流不平衡，從而第一 DC輸電線路16和第二 DC輸電線路18中的電流分別為 0.628puA 和 0.372pUo
[0086]圖4示出圖3的EMTDC/PSCAD模型的模擬結(jié)果。在t = O處，電流控制器10被禁用(disabled)。在t = I秒處，啟用(enable)電流控制器10以調(diào)節(jié)第一 DC輸電線路16和第二 DC輸電線路18中的電流Ip 12。如上文參照圖2所述，電流控制器10的操作導(dǎo)致從第一 DC輸電線路16轉(zhuǎn)移能量至第二 DC輸電線路18，結(jié)果使得第一 DC輸電線路16和第二 DC輸電線路18中的電流I1U2均衡至0.5pu的電流電平。同時，除了當(dāng)啟用電流控制器10時電流的初始瞬值上升之外，第三DC輸電線路44中的電流I3保持在0.0puO
[0087]應(yīng)當(dāng)理解的是，調(diào)節(jié)DC輸電線路16、18中的電流不總包括平衡DC輸電線路16、18中的電流Ip I2O例如，可以控制電流控制器10以將第一 DC輸電線路16中的電流1^咸小至高于或低于第二 DC輸電線路18中的電流12的值，而不是將DC輸電線路16、18中的電流I1' I2平衡至相同的電流電平。
[0088]可以連續(xù)不斷地或間歇地操作電流控制器10以調(diào)節(jié)DC輸電線路16、18中的電流
I1.12。電流控制器10的間歇操作包括每當(dāng)相應(yīng)的DC輸電線路16、18中不需要電流調(diào)節(jié)時，周期地旁路第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22的兩個電容器26、30以在相應(yīng)的一對端子12a、12b、14a、14b兩端注入零電壓降\、\。
[0089]因此，以這種方式操作電流控制器10能夠調(diào)節(jié)DC輸電線路16、18中的電流I1U2,并且從而允許動態(tài)地、選擇性地控制每個DC輸電線路16、18中的電流Ip 12。對每個DC輸電線路16、18中電流I1U2的這種控制的優(yōu)點(diǎn)在于可以將每個DC輸電線路16、18中的電流Ip 12控制在特定操作范圍內(nèi)以改善DC輸電線路16、18的輸電性能。
[0090]可以利用電流控制器10以調(diào)節(jié)DC輸電線路16、18中的電流I1U2,以便最小化耗散性損耗并且減小每個DC輸電線路16、18超過其額定熱量的風(fēng)險。
[0091]每個電流控制子單元20、22注入與相應(yīng)DC輸電線路16、18串聯(lián)的雙向電壓的能力形成具有彈性的電流控制器10，其還能夠解決第一 DC輸電線路16與第二 DC輸電線路18之間在相反方向上的電流不平衡，其中第二 DC輸電線路18帶有高于第一 DC輸電線路16的電流。
[0092]每個電流控制子單元20、22在兩個方向上傳導(dǎo)電流的能力使得電流控制器10可以在第一 DC電網(wǎng)絡(luò)34與第二 DC電網(wǎng)絡(luò)38之間的電流方向是相反的環(huán)境中兼容使用。
[0093]另外，使用電流控制器10導(dǎo)致可以以節(jié)能方式調(diào)節(jié)DC輸電線路16、18中的電流In I2O這是因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)每個DC輸電線路16、18中電流Ip I2的過程中能量的轉(zhuǎn)移包括將從一個DC輸電線路16中去除的能量E1傳遞至另一個DC輸電線路18。當(dāng)增大或減小每個DC輸電線路16、18中的電流I1UJt，這從而無需用以將能量增加至DC輸電線路16、18的額外能量源以及無需用以存儲或耗散從DC輸電線路16、18去除的能量的額外能量蓄能庫(諸如存儲電容器或耗散電阻器)。使用額外的能量源或蓄能庫將顯著增加電流控制器10的成本、尺寸和重量。另外，使用耗散電阻器將不僅增大DC輸電線路16、18中的耗散性損失，還可能需要使用冷卻系統(tǒng)，這將增加電流控制器10的整體復(fù)雜性。
[0094]另外，在每個DC輸電線路Ip I2的任一端處，可以獨(dú)立于DC電網(wǎng)絡(luò)34、36的操作來實(shí)施調(diào)節(jié)每個DC輸電線路16、18中電流Ip I2的電流控制器10的使用。這無需為DC電網(wǎng)絡(luò)34、36重新設(shè)計控制程序以便適應(yīng)調(diào)節(jié)每個DC輸電線路16、18中電流Ip 12的需要。
[0095]開關(guān)控制單元100可以切換每個開關(guān)元件24、28以選擇性地限定電子濾波電路，以在使用中對每個DC輸電線路16、18中的電流^、^進(jìn)行電子濾波。
[0096]具有對每個DC輸電線路16、18中的電流I1' I2進(jìn)行電子濾波的能力允許從每個DC輸電線路16、18中的電流Ip 12中去除不需要的分量。這種不需要的分量可以包括但不限于:在操作電流控制器10以調(diào)節(jié)多個DC輸電線路16、18中電流Ip 12的過程中出現(xiàn)的DC諧波。
[0097]應(yīng)設(shè)想到，在其他實(shí)施例中，電流控制單元還可以包括電子濾波電路，以在使用中對每個DC輸電線路16、18中電流I1、I2選擇性地進(jìn)行電子濾波。這種電子濾波電路可以包括但不限于一個或多個串聯(lián)電感器、一個或多個并聯(lián)(shunt)電容器、多個串聯(lián)電容器和串聯(lián)電感器、和/或一個或多個電阻元件。電子濾波電路可以被調(diào)制為待被最小化的一個或多個諧頻。
[0098]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電流控制器110。圖5中電流控制器110的第一實(shí)施例與圖1所示的前述電流控制器10的結(jié)構(gòu)和操作類似，并且相似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0099]第一電流控制器110與前述電流控制器10的不同之處在于，在第一電流控制器110 中:
[0100].第一電流控制子單元20包括以全橋布置與第一電容器26并聯(lián)連接的多個第一開關(guān)元件24;以及
[0101].第二電流控制子單元22包括以全橋布置與相同的第一電容器26并聯(lián)連接的多個第二開關(guān)元件28。
[0102]因此，第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22共用相同的第一電容器
26 ο
[0103]在使用中，通過改變每個電流控制子單元20、22的相應(yīng)開關(guān)元件24、28的狀態(tài)，第一電容器26被選擇性地旁路或者插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18的電路。
[0104]第一電流控制器110的第一電容器26與前述電流控制器10的每個電流控制子單元20、22的電容器26、30相似的方式被旁路，如上所述。
[0105]當(dāng)每個電流控制子單元20、22中的開關(guān)元件24、28被配置為允許相應(yīng)DC輸電線路16、18中的電流IP 12流入和流出第一電容器26時，第一電容器26被插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18的電路。然后第一電容器26充電或放出其存儲的能量以便提供非零電壓降VPV2。第一電容器26可以正向或反向插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18的電路，以便在相應(yīng)的一對端子12a、12b、14a、14b兩端注入正電壓降V\或負(fù)電壓降V2，并且與相應(yīng)DC輸電線路16、18串聯(lián)。
[0106]共用相同的第一電容器26導(dǎo)致第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22被電耦合，并且從而允許能量在第一電流控制子單元20和第二電流控制子單元22之間傳遞。
[0107]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電流控制器210。圖6中電流控制器210的第二實(shí)施例與圖5中的電流控制器110的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作類似，并且相似的特征共用相同的附圖標(biāo)記。
[0108]第二電流控制器210與第一電流控制器110的不同之處在于，在第二電流控制器210 中:
[0109].電流控制單元還包括第一端口 50、第二端口 52以及第三端口 54 ；
[0110].第一端口 50限定第一端子，用于在使用中連接至第一 DC輸電線路16 ;
[0111].第二端口 52限定第二端子，用于在使用中連接至第二 DC輸電線路18 ;
[0112].第三端口 54限定第三端子，用于在使用中連接至第三DC輸電線路44。在使用中，第三DC輸電線路44被連接在第三端口 54與DC端子36之間；
[0113].電流控制單元包括以電容器56形式的能量存儲裝置，第一電流控制子單元20包括一對第一開關(guān)元件58a、58b，第二電流控制子單元22包括一對第二開關(guān)元件60a、60b，并且第三電流控制子單元23包括一對第三開關(guān)元件62a、62b ;
[0114]?所述一對第一開關(guān)元件58a、58b被跨接在電容器56兩端。所述一對第一開關(guān)元件58a、58b的中點(diǎn)被連接至第一端口 50 ；
[0115]?所述一對第二開關(guān)元件60a、60b被跨接在電容器56兩端。所述一對第二開關(guān)元件60a、60b的中點(diǎn)被連接至第二端口 52 ；
[0116]?所述一對第三開關(guān)元件62a、62b被跨接在電容器56兩端。所述一對第三開關(guān)元件62a、62b的中點(diǎn)被連接至第三端口 54。
[0117]每個開關(guān)元件58a、58b、60a、60b、62a、62b由以IGBT形式的半導(dǎo)體器件構(gòu)成。每個開關(guān)元件58a、58b、60a、60b、62a、62b還包括與其并聯(lián)連接的反平行二極管32。
[0118]以這種方式配置電流控制單元導(dǎo)致形成三端口電流控制器210。
[0119]在使用中，通過改變相應(yīng)開關(guān)元件58a、58b、60a、60b、62a、62b的狀態(tài)，電容器56被選擇性地旁路或者插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18、44的電路。
[0120]如上所述，以與第一電流控制器110的第一電容器26類似的方式來旁路第二電流控制器210的電容器56。
[0121]當(dāng)開關(guān)元件58a、58b、60a、60b、62a、62b被配置為允許相應(yīng)DC輸電線路16、18、44中的電流I1、I2、I3流入和流出電容器56時，電容器56被插入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18、44的電路。然后電容器56充電或放出其存儲的能量以便將非零電壓降V1、V2注入具有相應(yīng)DC輸電線路16、18、44的電路。
[0122]開關(guān)控制單元110控制電流控制單元的開關(guān)元件58a、58b、60a、60b、62a、62b的切換。
[0123]因此，三端口電流控制器210的配置允許在調(diào)節(jié)DC輸電線路16、18、44中電流Ip12、13的過程中，能量經(jīng)由電流控制單元在第一 DC輸電線路16、第二 DC輸電線路18與第三DC輸電線路44之間傳遞。
[0124]應(yīng)設(shè)想到，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，三端口電流控制器210的電流控制單元的模塊化拓?fù)浜徒M件的數(shù)量可以延伸至適應(yīng)一個或更多額外端口(例如，第四端口、第五端口等)以限定多端口電流控制器。例如，電流控制單元可以被延伸至包括用于限定在使用中連接至額外DC輸電介質(zhì)的額外端子的額外端口，并且電流控制單元還可以包括跨接在電容器56兩端的一對額外開關(guān)元件，從而所述一對額外開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至額外端口。這種電流控制單元中端口的數(shù)量可以取決于相關(guān)的DC輸電線路的數(shù)量和相關(guān)的DC電路的拓?fù)涠兓?br> [0125]在圖1至圖3、圖5和圖6所示的電流控制單元中，DC輸電線路16、18、44在地面電位處為具有回流導(dǎo)體(return conductor)的單極點(diǎn)配置。這種電流控制器10、100、210還可以與具有對稱單極點(diǎn)或雙極配置的DC輸電線路一同使用。
[0126]根據(jù)本發(fā)明的電流控制器110、210和電流控制電路適應(yīng)于具有不同數(shù)量的電氣元件和DC輸電線路、以及不同拓?fù)涞亩鄠€DC輸電線路以互連電氣元件的不同DC電路。這種DC電網(wǎng)絡(luò)可以是網(wǎng)狀連接DC電力網(wǎng)或射線狀連接DC電力網(wǎng)，但不限于此。
[0127]在這種DC電路中，取決于DC輸電線路的拓?fù)浜?或電流調(diào)節(jié)要求，可以使用電流控制單元以將能量從單個DC輸電線路轉(zhuǎn)移至單個其他的DC輸電線路、從單個DC輸電線路轉(zhuǎn)移至多個其他的DC輸電線路、從多個DC輸電線路轉(zhuǎn)移至單個其他的DC輸電線路、或者從多個DC輸電線路轉(zhuǎn)移至多個其他的DC輸電線路。
[0128]應(yīng)設(shè)想到，在其他實(shí)施例中，每個DC輸電線路可以被替換為水下DC輸電電纜、架空DC輸電電纜、地下DC輸電電纜、或者傳輸兩個或多個電氣元件之間電力的任何DC輸電介質(zhì)，但不限于此。
【權(quán)利要求】
1.一種電流控制器，包括: 多個端子，用于在使用中連接至多個IX:輸電介質(zhì)，使得每個IX:輸電介質(zhì)被連接至所述多個端子中的至少一個； 電流控制單元，互連所述多個端子，所述電流控制單元包括多個電流控制子單元，每個電流控制子單元在使用中被連接至相應(yīng)的IX:輸電介質(zhì)，每個電流控制子單元包括至少一個開關(guān)元件，每個電流控制子單元的所述開關(guān)元件或每個開關(guān)元件被連接至相同的能量存儲裝置以選擇性地提供電壓源；以及 開關(guān)控制單元，用以控制所述電流控制單元的每個開關(guān)元件的切換，以在使用中將電壓降選擇性地注入每個IX:輸電介質(zhì)，以便同時調(diào)節(jié)每個IX:輸電介質(zhì)中的電流并且經(jīng)由所述電流控制單元將能量從至少一個IX:輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移到至少一個其他的IX:輸電介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流控制器，其中調(diào)節(jié)每個IX:輸電介質(zhì)中的電流包括平衡所述多個IX:輸電介質(zhì)中的電流。
3.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中由所述電流控制單元從至少一個IX:輸電介質(zhì)轉(zhuǎn)移的所述能量或所述能量的總和，等于由所述電流控制單元轉(zhuǎn)移到至少一個其他的IX:輸電介質(zhì)的所述能量或所述能量的總和。
4.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中所述電壓降是可變的。
5.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中所述電壓降是正IX:電壓降或負(fù)00電壓降。
6.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中至少一個電流控制子單元在兩個方向上傳導(dǎo)電流。
7.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中至少一個電流控制子單元包括串聯(lián)連接的多個開關(guān)元件。
8.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中至少一個電流控制子單元包括以全橋布置與能量存儲裝置并聯(lián)連接的多個開關(guān)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電流控制單元，其中所述多個電流控制子單元包括第一電流控制子單元和第二電流控制子單元，所述第一電流控制子單元包括以全橋布置與所述能量存儲裝置并聯(lián)連接的多個第一開關(guān)元件，并且所述第二電流控制子單元包括以全橋布置與所述相同能量存儲裝置并聯(lián)連接的多個第二開關(guān)元件。
10.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中所述電流控制單元還包括: 第一端口，用于限定在使用中連接至第一 IX:輸電介質(zhì)的第一端子； 第二端口，用于限定在使用中連接至第二 IX:輸電介質(zhì)的第二端子； 第三端口，用于限定在使用中連接至第三IX:輸電介質(zhì)的第三端子； 第一電流控制子單元包括跨接在所述能量存儲裝置兩端的一對第一開關(guān)元件，所述一對第一開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至所述第一端口； 第二電流控制子單元包括跨接在所述能量存儲裝置兩端的一對第二開關(guān)元件，所述一對第二開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至所述第二端口 ；以及 第三電流控制子單元包括跨接在所述能量存儲裝置兩端的一對第三開關(guān)元件，所述一對第三開關(guān)元件之間的中點(diǎn)被連接至所述第三端口。
11.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中所述電流控制單元還包括電子濾波電路，以在使用中對每個IX:輸電介質(zhì)中的電流選擇性地進(jìn)行電子濾波。
12.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器，其中在使用中所述開關(guān)控制單元切換每個開關(guān)元件以選擇性地限定電子濾波電路，以對每個IX:輸電介質(zhì)中的所述電流進(jìn)行電子濾波。
13.一種電流控制電路，包括: 多個％輸電介質(zhì)，用于互連多個電氣元件；以及 根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的電流控制器， 其中每個IX:輸電介質(zhì)被連接至所述電流控制器的所述多個端子中的至少一個。
【文檔編號】H02J1/10GK104508934SQ201380040411
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2013年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月1日
【發(fā)明者】羅伯特·懷特豪斯, 卡爾·大衛(wèi)·巴爾克 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司