链式链路转换器中或与其相关的改进的制作方法

1.本发明涉及链式链路转换器，所述链式链路转换器包括多个串联连接的链式链路模块，每个链式链路模块具有模块控制器，其编程为控制对应的链式链路模块的操作以选择性地提供电压源，由此所述链式链路转换器能够提供阶跃（stepped）可变电压源。另外，本发明涉及一种操作这样的链式链路转换器的方法。


背景技术：

2.在hvdc功率传输网络中，ac功率通常被转换成dc功率，以用于经由架空线路、海底线缆和/或地下线缆进行传输。这种转换消除对补偿由功率传输介质（即，传输线路或线缆）施加的ac电容性负载效应的需要，并且降低每公里的线路和/或线缆的成本，并且因此当需要通过长距离传输功率时变得成本有效。dc功率也可以直接从离岸风电场传输到岸上ac功率传输网络。
3.dc功率与ac功率之间的转换用于其中必需互连dc和ac网络的地方。在任何这样的功率传输网络中，在ac与dc功率之间的每个接口处要求转换器（即，功率转换器），以实现从ac到dc或者从dc到ac的所要求转换。
4.一种类型的功率转换器是电压源转换器，尽管其它类型的功率转换器也是可能的。


技术实现要素：

5.这样的电压源转换器包括第一dc端子和第二dc端子，在所述第一dc端子和所述第二dc端子之间延伸至少一个转换器分支并且典型地延伸三个转换器分支，所述三个转换器分支中的每个转换器分支对应三相电功率系统的给定相。
6.所述或每个转换器分支包括由ac端子分开的第一分支部分和第二分支部分。
7.在使用中，第一dc端子和第二dc端子连接到dc网络，并且所述或每个ac端子连接到ac网络的对应相。
8.每个分支部分包括在相关联的ac端子和第一dc端子或第二dc端子中的对应一个dc端子之间延伸的链式链路转换器。每个链式链路转换器包括多个串联连接的链式链路模块，而每个链式链路模块包括多个开关元件，其与通常采用电容器形式的能量存储装置并联连接。然而，也可以使用其它类型的能量存储装置，即，能够存储和释放能量以选择性地提供电压的任何装置，例如，燃料电池或电池。
9.供应多个链式链路模块意味着有可能经由插入多个链式链路模块(其中每个链式链路模块提供其自己的电压)的能量存储装置(即，电容器)跨每个链式链路转换器积聚（build up）组合电压，所述组合电压高于可从每个个别链式链路模块获得的电压。
10.因此，所述链式链路模块中的每个链式链路模块一起工作，以允许链式链路转换器提供阶跃可变电压源。这允许使用逐步近似、跨每个链式链路转换器来生成电压波形。因此，每个链式链路转换器能够提供宽范围的复杂波形。
11.例如，每个链式链路转换器以前述方式的操作可用来在所述或每个ac端子处生成ac电压波形，并且由此使电压源转换器能够在ac和dc网络之间提供前述功率传递功能性。
12.根据本发明的第一方面，提供有一种链式链路转换器，包括：多个串联连接的链式链路模块，每个链式链路模块具有模块控制器，其编程为控制对应的链式链路模块的操作以选择性地提供电压源，由此所述链式链路转换器能够提供阶跃可变电压源；以及链式链路转换器控制器，其布置成与每个模块控制器通信并且编程为在使用中将流经所述链式链路转换器的测量的转换器电流传递到多个模块控制器，接收所述测量的转换器电流的所述模块控制器各自还编程为在使用中将所述测量的转换器电流与流经所述对应的链式链路模块的电流的测量的变化率进行组合，以便建立流经所述对应的链式链路模块的瞬时模块电流。
13.供应这样的链式链路转换器控制器和这样的模块控制器允许本发明的链式链路转换器：利用单个转换器电流测量装置以及另一个测量装置，所述单个转换器电流测量装置是昂贵的并且能够仅在相对低的频率下操作，但仍然是高度精确的，所述另一个测量装置能够在更高的测量频率下操作并且是便宜得多的，因此能够部署在多个链式链路模块上，但其仅对电流流动的快速变化敏感，并且因此不能在稳态条件期间提供电流流动的进行中的指示；并且仍然组合这两个测量装置的输出以建立流经给定链式链路模块的瞬时模块电流，所述瞬时模块电流进而对于辅助控制和保护给定链式链路模块是极其有用的。
14.特别地，这样的布置允许给定链式链路模块中的每个链式链路模块更接近其额定电流操作特性进行操作，因为可以迅速地检测到由故障偶然引起（occasion）的通过这样的链式链路模块的电流流动的任何增加，并且容易地建立流经所述链式链路模块的实际的瞬时模块电流，以便如果必要的话可以类似地快速地部署保护措施。由于能够更接近其额定值、安全地操作这样的链式链路模块，因此，任何电压源转换器（所述链式链路模块并入在其中）需要包括更少的这样的链式链路模块，以便提供给定的功率传递能力，这进而允许更成本有效地提供这样的电压源转换器。
15.优选地，接收测量的转换器电流的模块控制器中的每个模块控制器编程为通过将所述测量的转换器电流用作基线电流测量并将从流经对应的链式链路模块的电流的测量的变化率导出的积分电流测量加到所述基线电流测量来建立瞬时模块电流。
16.以此方式，所述链式链路转换器能够利用在最近过去的已知时间的精确电流测量（即，所述测量的转换器电流），以及在最近过去的那个参考点之后很快建立并且不遭受延迟（因为它是在所述链式链路模块处本地进行的（即，从流经所述链式链路模块的电流的测量的变化率导出的积分电流测量））的高带宽电流测量，以便建立（例如，计算）极其精确的瞬时模块电流。
17.在本发明的优选实施例中，接收测量的转换器电流的模块控制器中的每个模块控制器另外编程为将最新接收的测量的转换器电流与建立的瞬时模块电流进行比较，并且如果在最新接收的测量的转换器电流与建立的瞬时模块电流之间存在差异，则调整流经对应的链式链路模块的电流的变化率的测量。
18.使模块控制器以上述方式另外编程有助于例如使用迭代过程提高建立的瞬时模块电流随时间的精度。
19.如果测量的转换器电流超过预定安全转换器阈值，则链式链路转换器控制器可以另外编程为采取保护动作。
20.优选地，每个模块控制器另外编程为如果其建立的瞬时模块电流偏离一个或多个预定参数，则采取保护动作。
21.与预定参数的偏离可以包括下列中的至少一个：所述瞬时模块电流超过预定安全模块阈值，所述预定安全模块阈值大于所述预定安全转换器阈值；以及所述瞬时模块电流以大于预定安全速率的速率增加。
22.这样的特征有助于确保在出现高于正常的故障电流的情况下，本发明的链式链路转换器被保护，例如，被阻断并与在使用中与其所连接的任何能量源断开连接。
23.此外，使每个模块控制器以上述方式编程以及仔细选择相关联的预定参数意味着由链式链路转换器控制器提供的保护优先于由每个模块控制器提供的保护。这是期望的，因为例如在适度的过电流故障事件的情况下，链式链路转换器控制器由此能够继续提供转换器的协调保护，而模块控制器能够对更极端且更快发生的故障事件作出反应。
24.在本发明的另一个优选实施例中，每个模块控制器还编程为将对其采取保护动作的需要报告给链式链路转换器控制器，所述链式链路转换器控制器进而还编程为监测提供这样的报告的模块控制器的数量。
25.在本发明的又一个优选实施例中，所述链式链路转换器控制器（26）还进一步编程为下列中的至少一个：如果少于预定数量的模块控制器提供这样的报告，则指示提供对于采取保护动作的需要的报告的所述或每个模块控制器避免采取保护动作；以及如果所述预定数量或更多的模块控制器（14）提供这样的报告，则发起所述链式链路转换器的阻断和/或电压源转换器的阻断，所述链式链路转换器在使用中位于所述电压源转换器内。
26.包括这样的特征使得链式链路转换器控制器能够确定一个或多个模块控制器是否虚假地在操作，例如在仅一个或少量模块控制器报告对于采取保护动作的需要的情况下，并且由此在由一个或几个模块控制器发生这样的失灵的情况下避免链式链路转换器或电压源转换器的不必要且不方便的关闭，所述链式链路转换器在使用中位于所述电压源转换器内。
27.可选地，所述链式链路转换器还包括至少一个电流变换器，其用来提供流经所述链式链路转换器的测量的转换器电流。
28.使电流变换器提供测量的转换器电流有助于确保测量的电流准确和精确到对于接收这个测量的模块控制器的相关联操作所需的程度。
29.具有接收测量的转换器电流的模块控制器的每个链式链路模块还可以包括电流测量换能器，其用来提供流经对应的所述链式链路模块的电流的测量的变化率。
30.电流测量换能器具有高带宽，即，能够在高频下操作，并且因此有利地能够测量电流流动中的非常快速的变化，例如比如，在某些类型的故障中可能出现的变化。
31.另外，供应这样的变换器还意味着在不包括上述电流变换器的路径中流动的故障电流，并且因此通常将不会被这样的电流变换器拾取的故障电流仍然还可以被一个或多个
这样的变换器检测，由此允许采取适当的保护动作。
32.根据本发明的第二方面，提供有一种操作链式链路转换器的方法，所述链式链路转换器包括多个串联连接的链式链路模块，每个链式链路模块具有模块控制器，其编程为控制对应的链式链路模块的操作以选择性地提供电压源，由此所述链式链路转换器能够提供阶跃可变电压源，并且所述链式链路转换器控制器布置成与每个模块控制器通信，所述方法包括下列步骤：（a）使所述链式链路转换器控制器将流经所述链式链路转换器的测量的转换器电流传递到多个模块控制器；以及（b）使接收测量的转换器电流的模块控制器将所述测量的转换器电流与流经对应的链式链路模块的电流的测量的变化率进行组合，以便建立流经所述对应的链式链路模块的瞬时模块电流。
33.本发明的方法共享本发明的链式链路转换器的对应特征的益处。
34.在本技术的范围内，明确地意图的是，在前述段落和权利要求书和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和备选方案，并且特别是其个别特征可以独立地或以任何组合来采用。也就是说，所有实施例和任何实施例的所有特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这样的特征不相容。申请人保留用来相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括下列权利：修改任何原始提交的权利要求以取决于任何其它权利要求的任何特征和/或并入任何其它权利要求的任何特征，尽管没有以那种方式原始地要求保护。
附图说明
35.现在接下来是参照图1、通过非限制性示例的方式的本发明的优选实施例的简要描述，图1示出根据本发明第一实施例的链式链路转换器的一部分的示意图。
具体实施方式
36.如图1中所示，根据本发明第一实施例的链式链路转换器的一部分通常由参考数字10指定。
37.特别地，尽管本发明的链式链路转换器10包括64个串联连接的链式链路模块12，但在图1中仅示出4个。然而，在本发明的其它实施例中，链式链路转换器可包括少于或多于64个链式链路模块。
38.在任何情况下，每个链式链路模块12具有模块控制器14，其编程为控制对应的链式链路模块12的操作以选择性地提供电压源，由此链式链路转换器10能够提供阶跃可变电压源。
39.更特别地，每个链式链路模块12包括与采用电容器20形式的能量存储装置18并联连接的多个开关元件16。然而，也可以使用其它类型的能量存储装置，即，能够存储和释放能量以选择性地提供电压的任何装置，例如，燃料电池或电池。
40.每个开关元件16包括采用绝缘栅双极晶体管（igbt）22形式的半导体装置，虽然可以改为使用其它类型的自换向半导体装置，例如，栅极可关断晶闸管（gto）、场效应晶体管（fet）、金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）、注入增强栅极晶体管（iegt）、集成栅极
换向晶闸管（igct）、双模绝缘栅极晶体管（bigt）或任何其它自换向开关装置。另外，半导体装置中的一个或多个可以改为包括宽带隙材料，例如但不限于碳化硅、氮化硼、氮化镓和氮化铝。
41.每个开关元件16中的半导体装置的数量可以根据那个开关元件16的所要求的电压和电流额定值而变化。
42.开关元件16中的每个开关元件16还包括无源电流检查元件，其在所示的实施例中采取二极管24的形式，其与对应的半导体装置反并联连接。在本发明的其它实施例中，无源电流检查元件可以包括另一类型的无源电流检查装置，即，能够限制仅在一个方向上的电流流动的任何装置。另外，每个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可以根据那个无源电流检查元件的所要求的电压和电流额定值而变化。
43.所示的链式链路模块12是第一示范性链式链路模块，其包括第一对开关元件16，所述第一对开关元件16在已知的半桥布置中与电容器20并联连接以限定2象限单极模块。开关元件16的开关选择性地引导电流通过电容器20或使电流旁路电容器20，使得第一示范性链式链路模块12可提供零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流。
44.第二示范性链式链路模块（未示出）包括第一和第二对开关元件和电容器，它们在已知的全桥布置中连接以限定4象限双极模块。以类似于第一示范性链式链路模块的方式，开关元件的开关再次选择性地引导电流通过电容器或使电流旁路电容器，使得第二示范性链式链路模块可提供零电压、正电压或负电压并且可在两个方向上传导电流。
45.所示的链式链路转换器10仅包括第一示范性链式链路模块12，但在本发明的其它实施例中，链式链路转换器可仅包括第二示范性链节模块或第一和第二示范性链式链路模块的组合。
46.在任何情况下，供应多个链式链路模块12意味着有可能经由插入多个链式链路模块12（其中每个链式链路模块12提供其自己的电压）的能量存储装置（即，电容器20）跨链式链路转换器10积聚组合电压，所述组合电压高于可从每个个别链式链路模块12获得的电压。
47.因此，链式链路模块12中的每个链式链路模块12一起工作以允许链式链路转换器10提供阶跃可变电压源。这允许使用逐步近似、跨链式链路转换器10来生成电压波形。因此，链式链路转换器10能够提供宽范围的复杂波形，其当与其它链式链路转换器组合以限定电压源转换器时允许ac和dc功率之间的转换。
48.返回到所示的实施例，链式链路转换器10还包括链式链路转换器控制器26，其布置成与每个模块控制器14通信，并且更特别地，所述链式链路转换器控制器26布置成经由无源光网络28与每个模块控制器14通信，尽管可以使用其它通信管道。
49.链式链路转换器10还进一步包括电流变换器30，并且更特别地包括dc电流变换器，在所示的实施例中，其安装在母线32上，即，安装在主导电管道上，所述主导电管道在使用中将链式链路转换器10与外部dc或ac网络互连。在任何情况下，电流变换器30测量流入（或流出）（即，通过）链式链路转换器10的转换器电流i
dc
，并将那个测量传递到链式链路转换器控制器26。这可以经由上述无源光网络28，但也可以经由诸如保护系统或其它控制系统之类的的某个其它设备。
50.另外，每个链式链路模块12包括电流测量换能器，其在所示实施例中采取
rogowski线圈34的形式，其测量流经相关联的链式链路模块12的电流i
ac
的变化率。然而，可以使用其它类型的电流测量换能器，并且并非链式链路模块12中的所有链式链路模块12都一定需要包括这样的换能器。
51.在使用中，链式链路转换器控制器26编程为将其从电流变换器30接收的测量的转换器电流i
dc
传递到模块控制器14中的每个模块控制器14。这样的通信跨无源光网络28发生，并且仅表示由转换器控制器26通过这个介质向每个模块控制器14发送的通常个体控制命令中的小的开销增加。这是因为相同的测量转换器电流i
dc
广播到每个模块控制器14。无源光网络28通常允许以大约10khz的频率进行通信，并且这与电流变换器30的带宽一起意味着在实际术语中，可以由转换器控制器26大约每100μs向每个模块控制器14提供更新的测量的转换器电流i
dc
。
52.在本发明的其它实施例中，转换器控制器可以不必将测量的转换器电流传递到每个模块控制器。例如，如果对应的链式链路模块不另外包括电流测量换能器，例如，rogowski线圈，则转换器控制器可以不将测量的转换器电流传递到那些模块控制器，一个或多个模块控制器位于所述对应的链式链路模块内。
53.同时，返回到所示的实施例，接收测量的转换器电流i
dc
的模块控制器14中的每个模块控制器14（即，在所示的实施例中的模块控制器14中的所有模块控制器14）还编程为在使用中将测量的转换器电流i
dc
（它从转换器控制器26接收所述测量的转换器电流i
dc
）与流经链式链路模块12（它位于所述链式链路模块12内）的电流i
ac
的测量的变化率（每个模块控制器14从对应的rogowski线圈34接收所述电流i
ac
）组合以建立流经所述链式链路模块12的瞬时模块电流ii。
54.更特别地，每个模块控制器14编程为通过将测量的转换器电流i
dc
用作基线电流测量并将从流经对应的链式链路模块12的电流i
ac
的测量的变化率导出的积分电流测量加到所述基线电流测量来建立这样的瞬时模块电流ii。在本发明的其它实施例中，模块控制器中的一个或多个模块控制器可以编程为将流经对应的链式链路模块的电流的直接测量的变化率添加到基线电流测量以建立瞬时模块电流。
55.除了上述之外，模块控制器14中的每个模块控制器14还编程为将最新接收的测量的转换器电流i
dc
与建立的瞬时模块电流ii进行比较，并且如果在最新接收的测量的转换器电流i
dc
与建立的瞬时模块电流ii之间存在差异，则调整流过对应的链式链路模块的电流i
ac
的变化率的测量。每个模块控制器14可以调节这样的测量的一种方式是通过改变rogowski线圈34的校准，例如，通过使用比例积分控制。
56.由此得出，本发明的链式链路转换器10能够利用在最近过去的已知时间的精确电流测量（即，测量的转换器电流i
dc
）以及在最近过去的那个参考点之后很快建立并且不会遭受延迟（因为它是在链式链路模块12处本地进行的（即，从流经链式链路模块12的电流i
ac
的测量的变化率导出的积分电流测量））的高带宽电流测量，以建立（例如计算）极其精确的瞬时模块电流ii。
57.此后，本发明的链式链路转换器10能够利用那个极其精确的瞬时模块电流ii来保护其自身和任何电压源转换器免于不同故障条件范围，所述链式链路转换器10在使用中位于所述任何电压源转换器内。
58.更特别地，转换器控制器26另外编程为如果测量的转换器电流i
dc
超过预定安全转
换器阈值，则采取保护动作。这样的预定安全转换器阈值通常可以是大约2000a（尽管这将根据特定的链式链路转换器设计而变化），并且转换器控制器26在那些情况下可能采取的保护动作是阻断链式链路转换器10所位于的电压源转换器的整体，并且将所述电压源转换器与它所连接的任何能量源断开连接。
59.而且，每个模块控制器14另外编程为如果其建立的瞬时模块电流ii偏离一个或多个预定参数，则采取保护动作。与预定参数的这样的偏离包括：如果瞬时模块电流ii超过预定安全模块阈值，所述预定安全模块阈值大于前述预定安全转换器阈值；以及如果瞬时模块电流以大于预定安全速率的速率增加。
60.在这点上，预定安全模块阈值通常是大约3000a，而瞬时模块电流ii增加的预定安全速率通常是每微秒几安培，例如，每微秒约5a（尽管再次地，这将根据链式链路转换器的特定设计而变化）。在每种情况下，如果出现这样的偏离，则由给定模块控制器14所采取的保护动作类似地开始阻断链式链路转换器10所位于的电压源转换器的整体，并且使所述电压源转换器与它所连接的任何能量源断开连接。
61.由此得出，利用仔细选择上述相关联的预定参数，由转换器控制器26提供的保护优先于由每个模块控制器14提供的保护，其中例如在适度的过电流故障事件的情况下，转换器控制器26继续提供链式链路转换器10的协调保护，而模块控制器14对更极端和更快发生的故障事件作出反应。
62.每个模块控制器14还进一步编程为向转换器控制器26报告对其采取保护动作的需要。进而，转换器控制器26还编程为监测提供这样的报告的模块控制器14的数量，并且如果少于预定数量的模块控制器14提供这样的报告，则指示提供这样的报告的所述或每个模块控制器14避免采取保护动作。这样的模块控制器14的预定数量可以低至仅两个或三个，尽管这可以根据在使用中链式链路转换器10所位于的电压源转换器的控制器参数和操作环境而变化。在本发明的其它实施例中，如果预定数量的模块控制器或更多的模块控制器报告对于采取保护动作的需要，则转换器控制器可以另外进一步编程为开始阻断链式链路转换器，和/或阻断链式链路转换器所位于的电压源转换器的整体。