电压源链式链节转换器中的方法、计算机程序和计算机程序产品

摘要

本发明涉及一种电压源链式链节转换器（1）中的方法。该方法包括：检测（41）一个转换器单元模块（10,20,…,n）的设备（24）的故障；阻断（42）包括故障的位置（24）的相位脚（A）；将包括故障的位置（POS4）的转换器单元模块（20）的电容器部件（29）放电（43）至零；并且对于通过具有故障的位置（POS4）的转换器单元模块（20）的相位电流提供（44）电流路径（30），该电流路径（30）包括第一分支（30），进而包括全H桥布置中的第一相位脚（A）和第二相位脚（B）的相对应的位置（POS1,POS2），该第一分支（30）与包括故障的位置（POS4）的第二分支（31）并联连接，该第二分支（31）包括全H桥布置的其余两个位置（POS3,POS4）。本发明还包含了相对应的计算机程序和计算机程序产品。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及转换器领域，并且尤其涉及链式链节 （chain-link）转换器及其保护。

背景技术

供应电力的电力系统的可靠操作被例如家庭和工业的所有用 户所期待。为了提供所请求的可靠操作，电力系统的装置需要是容 错的，并且即使在装置组件出现故障的情况下也能够继续操作。

作为这样的装置的特定示例，能够提到静态补偿器 （STATCOM）。STATCOM包括电压源转换器（VSC），其具有连 接至AC网络的AC侧和连接至诸如电容器的电力存储的DC侧。来 自STATCOM的AC侧的电压输出受到控制并且STATCOM因此作 用为供应或吸收来自AC网络的无功功率。STATCOM因此能够对电 力系统提供电压稳定性。

一种类型的VSC包括链式链节转换器，其也被称作级联H桥 转换器。在这样的VSC中，多个单元模块串联连接。容易理解的是， 当增加单元模块的数量（功率半导体的数量）时，故障的风险增加。

作为电力系统的装置的VSC需要是容错的，因此即使在出现 故障的情况下也能够继续操作。这样的容错性能够以不同方式来实 现。一种方式是例如通过旁通包含故障设备的单元模块提供冗余度 并且利用未损坏的单元模块继续进行操作。

WO2010/102666公开了针对电压源链式链节转换器的操作的 故障模式的方法和装置。所描述的电压源链式链节转换器包括多个 串联连接的转换器单元模块，并且提供了一个或多个冗余转换器单 元模块。每个转换器单元模块包括两个相位脚。为了旁通故障转换 器单元模块，包括故障转换器单元模块的相位脚被阻断，并且其它 的相位脚被驱动为提供零AC电压。

WO2010/102666的设备和方法功能良好，但是将期望提供一种 用于提供这样的电压源链式链节转换器的容错性的可替换装置和方 法。

发明内容

本发明的目标是提供一种容错的电压源转换器，并且尤其是提 供一种可靠的旁通模式。

该目标依据通过一种包括一个或多个相位的电压源链式链节 转换器中的方法而实现的第一方面。每个相位包括多个串联连接的 全桥转换器单元模块，全桥转换器单元模块包括在全H桥布置中与 电容器单元相连接的半导体开关。每个半导体开关具有与之并联连 接的相应续流二极管，并且每个全H桥布置包括第一相位脚和第二 相位脚。该方法包括步骤：检测转换器单元模块中的一个转换器单 元模块的位置的故障，该故障位置包括故障半导体开关、故障续流 二极管或故障门部件；阻断包括该故障位置的相位脚；将包括该故 障位置的转换器单元模块的电容器部件放电至零；并且为通过具有 该故障位置的转换器单元模块的相位电流提供电流路径，该电流路 径包括第一分支，其进而包括该全H桥布置中的第一相位脚和第二 相位脚的相对应位置。该第一分支与包括故障位置的第二分支并联 连接，该第二分支包括该全H桥布置中的剩余两个位置。利用本发 明，无需在检测到故障位置时使链式链节转换器跳闸（trip）。故障 单元模块能够保持在电路之中并且旁通相位电流，并且提供链式链 节转换器的可靠操作。

在一个实施例中，检测故障的步骤包括从每个半导体开关位置 的门部件的传感器接收信息并且对该信息进行分析以便检测故障条 件。

在另一个实施例中，阻断的步骤包括关断包括故障位置的相位 脚的其它位置的半导体开关。

在另一个实施例中，放电的步骤包括在电流过零点处切换工作 的第二相位脚，同时根据故障位置的故障条件而将第一相位脚的非 故障的半导体开关保持在ON或OFF状态。

在另一个实施例中，依据第一分支和第二分支各自的特性而在 第一分支和第二分支之间共享相位电流。

该目标依据通过一种用于控制包括一个或多个相位的链式链 节转换器的计算机程序而实现的第二方面。每个相位包括多个串联 连接的全桥转换器单元模块，全桥转换器单元模块包括在全H桥布 置中与电容器部件相连接的半导体开关。每个半导体开关具有与之 并联连接的相应续流二极管，每个全H桥布置包括第一相位脚和第 二相位脚。该计算机程序包括计算机程序代码，当在处理器上执行 时该计算机程序代码时使得控制该链式链节转换器的控制设备执行 以下步骤：检测转换器单元模块中的一个转换器单元模块的位置的 故障；阻断包括该故障位置的相位脚，该故障位置包括故障半导体 开关、故障续流二极管或故障门部件；将包括该故障位置的转换器 单元模块的电容器部件放电至零；并且为通过具有该故障位置的转 换器单元模块的相位电流提供电流路径，该电流路径包括第一分支， 其进而包括该全H桥布置中的第一相位脚和第二相位脚的相对应位 置，该第一分支与包括故障位置的第二分支并联连接，该第二分支 包括该全H桥布置中的其余两个位置。

本发明还包含包括上述计算机程序的计算机程序产品，以及该 计算机程序存储于其上的计算机可读装置。

通过阅读以下详细描述和附图，其另外的特征和优势将会清 楚。

附图说明

图1图示了链式链节转换器。

图2图示了图1的链式链节转换器的单元模块。

图3图示了链式链节转换器及其控制和保护。

图4a和4b图示了有短路故障模式中的故障设备的放电模式期 间的电流途径。

图5图示了在故障出现时作为时间函数的转换器单元模块的 电容器的电容器电压。

图6图示了有短路故障模式中的故障设备的在旁通模式中的 单元模块中的电流路径。

图7a和7b图示了有在开路故障模式的故障设备的放电模式期 间的电流路径。

图8图示了有在开路故障模式的故障设备的在旁通模式中的 单元模块中的电流路径。

图9图示了根据本发明一个方面的方法的步骤的流程图。

具体实施方式

为了提供对本发明的总体理解，将首先参考图1-3对链式链节 转换器及其与本发明相关的部分进行描述。

图1图示了包括三个相位L1、L2、L3的链式链节转换器1。 每个相位包括多个串联连接的全桥单元模块；例如，相位L1包括转 换器单元模块10、20、…、n。图1的链式链节转换器1被图示为三 角连接的布置，但是相位L1、L2、L3可以以不同形式进行布置，例 如以Y型连接布置。链式链节转换器1的相位L1、L2、L3可以经 由相位电抗器4以及可能通过变压器5而连接至AC电力网络，其 也被表示为电网。链式链节转换器1利用以附图标记2示意性图示 的控制设备进行控制。

图2图示了图1的链式链节转换器的转换器单元模块10，其 在下文中被表示为单元模块10。有时也被表示为转换器链路或链式 链节单元模块的单元模块10包括四个阀11、12、13、14。每个阀包 括半导体开关，诸如绝缘栅双极晶体管（IGBT）。或者另外地，为 了对高电压进行管理，每个阀包括多个串联连接的半导体开关。在 下文中，使用IGBT对本发明进行描述，但是可替换地能够使用其它 半导体设备，例如门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换向晶闸 管（IGCT）、MOSFET或其它自换向设备。阀的IGBT能够利用某 个开关频率导通或关断。也被表示为反并联二极管的续流二极管与 每个IGBT并联连接。该二极管在IGBT的相反方向导通。阀11、12、 13、14在具有电容器部件15的全桥（全H桥的简称）布置中进行 连接。每个转换器单元模块10、20、…、n能够被示为包括两个相 位脚，每个相位脚包括两个阀并且每个阀具有反并联二极管。特别 地，阀11和14构成第一相位脚，并且阀12和13构成第二相位脚。

图3图示了图1的链式链节转换器的一个相位并且还图示了其 控制和保护。相位L1的每个单元模块10、20、…、n，每个单元模 块10、20、…、n被分配连接至控制设备2的单元控制和保护部件。 每个单元模块的每个阀包括能够利用其对阀进行控制的门部件 （GU）。控制设备2提供用于开关每个IGBT“ON/OFF”的控制信 号。控制设备2进一步负责维护链式链节转换器的安全，将参考其 余的图4-7对这方面进行描述。

链式链节转换器1另外的相位L2、L3以与以上所描述相同的 方式布置。

简言之，在本发明的不同方面，提供了具有故障位置的单元模 块的旁通模式。在链式链节转换器（级联H桥）的单元模块的旁通 模式中，在与故障IGBT相反的分支（即，与故障IGBT并联的分支） 中通过工作的IGBT针对故障单元模块中的相位电流提供替换路径。 故障单元模块因此能够保持在电路之中并且在不令链式链节转换器 跳闸的情况下旁通相位电流。注意到，出现故障的设备并不局限于 IGBT，而是可替换地例如可能是门部件。

为了对相位电流提供所期望的替换路径，单元模块中的电容器 部件（在下文中被表示为单元电容器）必须首先以受控方式被放电 至零，因为设备（例如，IGBT）否则可能被损坏。特别地，单元电 容器的能量可能通过故障相位脚而不受控地进行放电，因此导致相 位角的设备损坏。图4a和4b图示了在单元电容器的这种受控放电 模式期间的电流路径。

在图4a中，由于其具有故障模块而参考单元模块20。依据之 前的描述，单元模块20包括四个IGBT21、22、23、24，它们具有 相应的并联连接的续流二极管25、26、27、28。第一相位脚A包括 IGBT21、其二极管25、IGBT24及其二极管28，并且第二相位脚B 则包括IGBT22、其二极管26、IGBT23及其二极管27。

每个相位脚最上方的IGBT及其相应二极管和门部件，即IGBT 21、二极管25、门部件GU1以及IGBT22、二极管26、门部件GU2， 有时被表示为相应相位脚的上部的IGBT位置。相对应地，每个相位 脚下部的IGBT、二极管和门部件，即IGBT23、二极管27、门部件 GU3以及IGBT24、二极管28、门部件GU4，则被表示为相应的相 位脚的下部的IGBT位置。这些位置在图6中被包围地进行图示并且 表示为POS1（IGBT21、二极管25、门部件GU1）、POS2（IGBT22、 二极管26、门部件GU2）、POS3（IGBT23、二极管27、门部件 GU3）和POS4（IGBT24、二极管28、门部件GU4）。

在图4a、4b所图示的情形中，第一相位脚A的下部的IGBT24 （POS3）出现故障并且进入了短路故障模式。包括故障设备的第一 相位脚A在检测到故障时立即被阻断，即上部的IGBT21被关断。 随后通过控制第二相位脚对单元电容器29进行放电。特别地，通过 开关该健全的第二相位脚的IGBT22、23，在过零点处单元电容器 29被放电至零。

在图4a中，图示了第一半个开关周期的单元模块中的电流流 动，该电流因此具有第一电流方向（由箭头以常规方式指示）。在 这半个开关周期期间，单元电容器29可以被放电。电流流动通过第 二相位脚B的上部的IGBT22、通过单元电容器29以及通过第一相 位脚的故障的下部的IGBT24（处于短路）。单元电容器29因此而 被放电。

图4b图示了紧跟下一个过零点的第二半开关周期期间的电流 路径，并且提供的相反的电流方向。该电流方向同样由箭头以常规 方式进行指示。在该第二半开关周期期间，电流流动通过故障的 IGBT24（处于短路）和第二相位脚的下部的IGBT23。在这半个开 关周期期间，单元电容器29并不放电。

图5是图示单元电容器29的上述放电的图形。特别地，单元 电容器29的电压被示为时间的函数。当检测到故障时，单元电容器 的放电开始。具有故障设备的相位脚A被阻断，但是链式链节转换 器1并未跳闸。其它相位脚（即，健全的相位脚B）受到控制，即 在过零点处进行切换（零电流切换），以便将单元电容器放电至零。 故障设备必须能够保持在稳定的短路故障模式足够长的时间以便单 元电容器的放电得以完成。作为示例，能够使用诸如StakPak^TM的紧 压包装设备（压力装配设备）。如果故障设备处于稳定的短路故障 模式，则单元电容器能够被放电，同时恒定地将具有故障设备的相 位脚A的工作的IGBT21（POS1）保持为OFF。否则，如果故障IGBT 在放电模式期间进入开路故障模式，则该相位脚A中其它的IGBT （POS1）将必须导通以便对单元电容器29进行放电。具有故障设备 击穿为短路故障的风险的在满单元电压处切换该位置（POS1）将带 来具有高di/dt的潜在危险情形。如果能够安全假设故障设备将在短 路故障模式保持足够长的时间以便完成电容器单元的放电，则该风 险就得以避免。

当单元模块电压为零时，可以开始旁通模式，这将在以下参考 图6进行描述。

图6图示了处于其旁通模式的单元模块20的电流路径，并且 尤其是在故障IGBT24处于短路故障模式时的电流路径。一旦单元 电容器29已经被放电进入该IGBT旁通模式。在下文中，使用术语 “分支”。上部的分支包括上部的IGBT21、22（POS1，POS2）， 而下部的分支包括下部的IGBT23、24（POS3，POS4）。与故障IGBT 24并联的分支中的健全的IGBT21、22（POS1，POS2）导通。与故 障IGBT24并联的该分支为相位L1的相位电流（以附图标记30指 示）提供了电流路径，相位L1包括具有故障设备24的转换器单元 模块20。该相位电流将与两个分支（30，31）各自的特性有关而在 两个分支（30，31）之间进行共享。该电流的主要部分将通过下部 的分支（31），其具有处于短路故障模式的故障设备。

与故障IGBT相同分支中的健全的IGBT23（POS3）可以为 ON或OFF，上述分支在所图示的情况下为下部的分支。如果下部的 分支的健全的IGBT23保持为OFF，则故障芯片（该芯片是IGBT24 或其续流二极管28的一部分）中的rms（均方根）电流减小，因为 该电流仅以一个方向流过故障芯片，也就是在二极管27的正方向。 通过该芯片的rms电流越低通常意味着该芯片能够在进入开路故障 模式之前在短路故障模式中保持更久。

例如IGBT的故障设备能够处于任意状态，即低或高的电阻性 短路故障模式（SFCM）或开路故障模式（OCFM）。该芯片的电阻 趋于朝着其服务寿命终点而增大；该芯片因此将典型地处于（更） 高的电阻性短路故障模式之中。

与背景技术部分中所提到的文献WO2010/102666中的单元模 块旁通相反，WO2010/102666其中单元模块的（多个）电容器被用 于激励门部件，本发明对故障单元模块的（多个）电容器放电。本 发明的旁通模式概念因此需要从自身单元模块以外对门部件进行激 励，这是因为单元模块电源必须为零。为了进行该激励，相邻的单 元模块可以被用于对故障单元模块的门部件供电。其它可替换形式 包括使用电池或光学电源对故障单元模块进行供电。

在上文中，单元模块20中的故障已经被描述为一个相位脚的 IGBT的故障。如之前所提到的，在这样的情况下，能够安全地假设 该设备（IGBT）将在一定时间内处于短路故障模式之中。因此能够 对电容器单元29进行放电，同时在放电阶段期间将故障相位脚中的 其它位置恒定地保持为OFF。

然而，本发明还包含了认为IGBT处于开路故障模式的情形。 例如，如果该位置的故障实际上由门部件故障所导致，则这可能会 导致故障位置变为OFF，这等同于IGBT处于开路故障模式。在这 种情况下，IGBT仍然具有完好的电压耐受能力（因为故障设备实际 上是门部件而非IGBT）。因此，故障相位脚中的健全位置（POS1） 可以在放电模式期间导通而没有故障相位脚中短路的风险。

图7a和7b图示了故障设备为门部件对单元电容器进行放电时 针对上述情形的电流路径，上述情况导致了故障位置的开路条件。

图7a图示了第一半开关周期，在第一半开关周期期间电容器 单元29不放电。电流因此流动通过POS2的IGBT22和POS1的二 极管25。

图7b图示了第二半开关周期，在第二半开关周期期间电容器 单元29放电。电流因此流动通过POS3的IGBT23、单元电容器29 和POS1的IGBT21。

图8图示了处于其旁通模式中尤其是故障设备为门部件时的 单元模块20的电流路径。在这种情况下，由于POS4开路，所以电 流在两个半开关周期期间都流动通过POS1和POS2。在第一电流方 向（第一半开关周期）中，电流流动通过POS1的二极管25和POS2 的IGBT22。在第二电流方向（第二半开关周期）中，电流流动通过 POS2的二极管26和POS1的IGBT21。

无论故障是短路故障模式还是开路故障模式，都提供了包括与 具有故障设备（IGBT或GU）的分支相对的分支的电流路径。

图9图示了依据本发明一个方面的方法的步骤的流程图。

如之前所描述的，方法40在电压源链式链节转换器1中执行， 其例如由控制电压源链式链节转换器1的控制设备2来执行。方法 40包括检测41单元模块10、20、…、n之一的位置（POS4）的故 障的第一步骤。故障位置（POS4）可以由故障半导体开关24、故障 续流二极管28或故障门部件GU4所组成。

该故障检测例如可以包括从每个半导体开关位置（POS1、 POS2、POS3、POS4）的门部件GU1、GU2、GU3、GU4的传感器 （未图示）接收信息并且对该信息进行分析以便检测故障条件。

方法40包括阻断42包括故障位置的相位脚A的第二步骤， 该故障位置例如是故障IGBT24。该阻断步骤包括关断包括故障位置 （例如，IGBT24）的相位脚A的其它位置（POS1）的半导体开关 21。

方法40包括将包括故障位置（例如，IGBT24）的单元模块 20的电容器单元29放电43为零的第三步骤。该放电步骤44在之前 已经进行了全面描述，例如参考图4a、4b、5、7a、7b，并且实质上 包括在电流过零点处切换工作的第二相位脚B。

方法40包括针对通过具有故障位置（例如，IGBT24）的单元 模块20的相位电流提供44电流路径30的第四步骤。如之前所描述 的，电流路径30包括第一分支30。第一分支30包括全H桥布置中 的第一相位脚A和第二相位脚B的相对应位置。也就是说，根据哪 个设备出现了故障，第一分支包括相位脚的上部位置或下部位置。 第一分支30与包括故障位置（例如，IGBT24）的第二分支31并联 连接。第二分支31包括全H桥布置的其余两个位置，即同样地，上 部或下部位置取决于哪个设备出现了故障。

本发明还包含了一种用于如所描述的那样对电压源链式链节 转换器进行控制的计算机程序4（参考图1）。计算机程序4包括计 算机程序代码，当计算机程序代码在处理器3上运行时使得被配置 为控制电压源链式链节转换器1的控制设备2用以：检测转换器单 元模块10、20、…、n中的一个转换器单元模块的设备24的故障； 阻断包括故障位置24的相位脚A；将包括故障位置24的转换器单 元模块20的电容器单元29放电至零；并且为通过具有故障位置24 的转换器单元模块20的相位电流提供电流路径30，该电流路径30 包括第一分支30，其进而包括全H桥布置中的第一相位脚A和第二 相位脚B的相应位置（POS1,POS2），该第一分支30与包括故障位 置24的第二分支31并联连接，该第二分支31包括全H桥布置的其 余两个位置（POS3,POS4）。

本发明进一步包含一种计算机程序产品5，该计算机程序产品 5包括上述计算机程序4以及其上存储有计算机程序4的计算机可读 装置。控制设备2包括能够执行存储在例如存储器形式的计算机程 序产品5之中的软件指令的任意适当的中央处理器（CPU）、微控 制器、数字信号处理器（DSP）等。计算机程序产品5可以是存储器， 诸如磁性存储器、光学存储器或者固态存储器或甚至远程安装存储 器中任意单一的一个或组合，或者读写存储器（RAM）和只读存储 器（ROM）的任意组合。计算机程序产品5可以是诸如CD（压缩磁 盘）或DVD（数字多功能盘）或蓝光盘之类的光盘。

计算机程序4能够存储在计算机可读装置上，该计算机程序能 够使得控制设备2执行根据这里所描述实施例的方法。