[发明专利]电压源转换器的电压平衡

说明书

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(V_c1到V_cn)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CNT_n)。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。

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传输系统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系统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。