阅读说明：本技术 模块化多电平转换器中的dc偏移补偿 (DC migration in modular multilevel converter ) 是由 I·科莱克 柯新花 于 2017-04-05 设计创作，主要内容包括：本公开涉及一种补偿来自包括至少一个相支路的模块化多电平转换器(MMC)的高压AC输出的DC偏移的方法。MMC经由电网变压器被连接到三相高压AC电网。该方法包括,在至少一个DC偏移校正装置(10)中,通过以下在至少一个DC偏移校正装置的每个DC偏移校正装置中测量DC偏移：在MMC中获得高压AC信号,通过无源高阶滤波器(11)从获得的高压AC信号中去除高压AC分量以获得模拟滤波信号,通过模拟-数字转换器将模拟滤波信号转换为数字信号,通过数字滤波器(12)从数字信号中去除剩余的AC分量以获得DC偏移,以及在控制器(13)中将获得的偏移与参考值进行比较,并基于所述比较形成控制信号。该方法还包括将控制信号从至少一个DC偏移校正装置的每个DC偏移校正装置传送到MMC的控制装置(20)。该方法还包括,控制装置将来自至少一个DC偏移校正装置的控制信号映射到至少一个相支路。该方法还包括,基于映射,控制装置向至少一个相支路的每个相支路中的MMC单元的半导体开关发送切换命令以补偿DC偏移。(This disclosure relates to a kind of method of the DC offset of high pressure AC output of compensation from the modular multilevel converter (MMC) for including at least one phase branch.MMC is connected to three-phase high-voltage AC power grid via network transformer.This method includes, in at least one DC offset correction device (10), by the way that DC offset is measured in each DC offset correction device of at least one DC offset correction device below: obtaining voltage in MMC, high pressure AC component is removed from the voltage obtained by passive higher order filter (11) to obtain analog filtering signal, analog filtering signal is converted into digital signal by analogue-to-digital converters, remaining AC component is removed from digital signal by digital filter (12) to obtain DC offset, and the offset of acquisition is compared with reference value in controller (13), and control signal is formed based on the comparison.This method further includes the control device (20) that control signal is transmitted to MMC from each DC offset correction device of at least one DC offset correction device.This method further includes that the control signal from least one DC offset correction device is mapped at least one phase branch by control device.This method further includes, and based on mapping, the semiconductor switch of MMC unit of the control device into each phase branch of at least one phase branch sends switching command to compensate DC offset.)

模块化多电平转换器中的DC偏移补偿

技术领域

本公开涉及一种用于校正来自模块化多电平转换器(MMC)的高压(HV)交流电(AC)输出的直流(DC)偏移的方法和装置。

背景技术

在许多电力电子应用中，变压器被用于转换器的一侧或两侧，在该处电网或负载的电压辐值不同于转换器输入和/或输出电压。转换器中的半导体之间的有意或无意的时间滞后在其切换时间上显示出一定的不精确性。因此，转换器中可能会出现不对称或不均匀的操作。这可能会导致流经变压器绕组的不期望的直流电流。由于系统反馈在没有任何测量装置的情况下不能感测该直流电流，或者系统不受电流控制，因此DC分量导致磁化电流增加，使磁芯饱和，增加热，并因此导致变压器的损耗的增加。

尽管与AC输出电压的幅值相比，该DC偏移非常小(例如几伏或是其分数)，但DC偏移可以使变压器饱和。这大大降低了待被传输的功率，或者甚至使操作变得不可能。

已经尝试通过昂贵的高精度DC电流变压器来测量和校正DC偏移。然而，这同样产生不令人满意的偏移校正，并且控制相应地复杂且昂贵。

US 5,870,297公开了低通滤波器的使用，其后跟随DC测量单元以产生测量信号来校正DC偏移，其可以被用于小于3.6kV的低压至中压的应用中。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测量和补偿具有超过3.6kV，例如高达36kV的输出电压的高压MMC功率转换器的输出中的DC偏移电流的方法和装置。

MMC的输出电压包括非常大的(HV)AC分量和非常小的(例如，小于1V或小于100mV)DC分量，本文中DC分量被称为DC偏移。为了正确地测量DC偏移，需要从输出电压中去除足够的HV AC分量以允许DC分量被检测和测量。发明人现在已经认识到，这可以通过无源高阶滤波器(即具有高于二阶的滤波器)并在其后跟随数字滤波器的组合来实现。

根据本发明的方面，提供一种补偿来自MMC的高压AC输出的DC偏移的方法，该MMC包括至少一个AC相的至少一个相支路。至少一个相支路的每个相支路包括多个级联转换器单元。每个单元包括多个半导体开关和在单元中形成中间DC电路的能量存储器。MMC经由电网变压器被连接到三相HV AC电网。该方法包括，在MMC(1)的至少一个DC偏移校正装置中，通过以下在至少一个DC偏移校正装置的每个DC偏移校正装置中测量DC偏移：在MMC中获得高压AC信号，通过无源高阶滤波器从获得的高压AC信号中去除高压AC分量以获得模拟滤波信号，通过模拟-数字转换器将模拟滤波信号转换为数字信号，通过数字滤波器从数字信号中去除剩余的AC分量以获得DC偏移，以及在控制器中，将获得的偏移与参考值进行比较，并基于所述比较形成控制信号。该方法还包括将控制信号从至少一个DC偏移校正装置的每个DC偏移校正装置传送到MMC的控制装置。该方法还包括，控制装置将来自至少一个DC偏移校正装置的控制信号映射到至少一个相支路，并且基于映射，控制装置向至少一个相支路的每个相支路中的单元的半导体开关发送切换命令以补偿DC偏移。

根据本发明的另一方面，提供一种MMC，其包括至少一个AC相的至少一个相支路。至少一个相支路的每个相支路包括多个级联转换器单元。每个单元包括多个半导体开关和在单元中形成中间DC电路的能量存储器。MMC经由电网变压器被连接到三相HV AC电网。MMC包括至少一个DC偏移校正装置，其被配置为通过以下在至少一个DC偏移校正装置的每个DC偏移校正装置中测量DC偏移：在MMC中获得高压AC信号，通过无源高阶滤波器从获得的高压AC信号中去除高压AC分量以获得模拟滤波信号，通过模拟-数字转换器将模拟滤波信号转换为数字信号，通过数字滤波器从数字信号中去除剩余的AC分量以获得DC偏移，在控制器(13)中，将获得的偏移与参考值进行比较，并基于所述比较形成控制信号，将控制信号从至少一个DC偏移校正装置的每个DC偏移校正装置传送到MMC的控制装置。MCC还包括控制装置，其被配置为将来自至少一个DC偏移校正装置的控制信号映射到至少一个相支路，并且基于映射向至少一个相支路的每个相支路中的单元的半导体开关发送切换命令以补偿DC偏移。

要注意的是，任何方面的任何特征可以在适当的情况下被应用于任何其它方面。同样，任何方面的任何优点可以被应用于任何其它方面。从以下的公开中，从所附的从属权利要求以及附图中，所附的实施例的其它目的，特征和优点将变得显而易见。

通常，除非本文另外明确定义，否则将根据其在技术领域中的普通含义来解释权利要求中使用的所有术语。除非另外明确陈述，所有对“一/一个/所述元件、设备、组件、装置、步骤等”的参考应被开放地解释为参考元件、设备、组件、装置、步骤等的至少一种情况。除非明确陈述，否则本文公开的任何方法的步骤不一定按照公开的准确顺序执行。对于本公开的不同特征/组件，“第一”、“第二”等的使用仅旨在将特征/组件与其它类似的特征/组件区分开，并且不赋予特征/组件任何顺序或层次。

附图说明

将通过参照附图以示例的方式来描述实施例，其中：

图1是根据本发明的与MMC的控制通信的DC偏移校正装置的实施例的示意性功能框图。

图2a是根据本发明的包括DC偏移校正装置的MMC的实施例的示意性框图。

图2b是根据本发明的与图2a的MMC的控制通信的DC偏移校正装置的实施例的示意性功能框图。

图3a是根据本发明的包括DC偏移校正装置的MMC的另一实施例的示意性框图。

图3b是根据本发明的与图3a的MMC的控制通信的DC偏移校正装置的实施例的示意性功能框图。

图3c是根据本发明的与图3a的MMC的控制通信的DC偏移校正装置的另一实施例的示意性功能框图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图来更全面地描述实施例，在附图中示出了特定实施例。然而，在本公开的范围内，许多不同形式的其它实施例也是可能的。相反，以下实施例通过示例的方式被提供，使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。在整个说明书中，相同的标号表示相同的元件。

本发明的实施例可以被用于具有任何拓扑的任何类型的MMC。在本文中，针对三相AC电网和单相AC电网之间的MMC，也被称为双星形的双Y(Y)拓扑被作为示例。本发明的实施例可以使用的MMC拓扑的其它示例包括三角形连接的MMC和(单)Y形连接的MMC。

根据合适的拓扑，MMC通常包括至少一个相支路的任意数量的相支路，该至少一个相支路包括多个串联连接(也被称为级联或链连接)的转换器单元。每个转换器单元包括多个半导体开关，其形成针对双极性单元的例如全桥(也被称为H-桥)拓扑或针对单极性单元的半桥拓扑。每个转换器单元还包括能量存储器，其形成本文中被称为中间DC电路的一部分的。能量存储器可以例如包括电池，或者优选地包括至少一个电容器的任意数量电容器的电容器装置。

本文中的AC电压通常按平方根电压给出，其还可以被表示为V_rms或V_AC。

参照图1，其示出了包括多个DC偏移校正装置10₁至10_n的DC偏移校正装置的总体轮廓。本发明的目的是提供一种用于抑制MMC应用的HV输出中的DC分量的方案。这通过使用适当数量的DC偏移校正装置10(根据应用)测量MMC中某处的DC偏移电压、处理所测量的DC偏移并将DC偏移校正装置的输出施加到转换器相支路来完成。该方法和用于实现该方法的装置优选地应尽可能简单、操作可靠、需要最少的外部组件(诸如分压电阻器、高压线缆、绝缘部、电源等)以便宜地实现。

每个DC偏移校正装置10包括测量输入端子，以用于从MMC中的某处获得高压，例如HV AC信号。HV AC信号具有高于3.6kV的电压(V_rms)，例如至少4kV或至少10kV，高达36kV，诸如在4-36kV范围内。HV AC信号通过无源高阶滤波器11处理，以去除HV AC分量。滤波器是无源的表示其基本上没有偏移。无源滤波器可以例如是低通滤波器，其被设计为衰减超过预定截止频率的HV AC信号的分量。无源滤波器11可以例如被设计为级联的电阻和电容(RC)元件的形式，例如用于三阶低通滤波器的RC元件的三级级联。

在高压应用中，无源滤波器11不足以充分去除HV AC信号中的AC分量并获得HV AC信号的DC偏移分量。因此，在已经应用无源滤波器11之后，信号(模拟信号)通过模拟-数字转换器(ADC)被转换为数字信号，并通过数字滤波器12进行处理。因此，AC分量被充分抑制以允许通过控制器13足够精确地测量DC偏移。然后，控制器13可以将测量的DC偏移与所述偏移的参考值(通常为0)进行比较，并基于测量的DC偏移与参考之间的差将控制信号输出到MMC的控制装置20。控制器13可以例如是P(比例)控制器、以及I(积分)控制器或PI(比例积分)控制器。由于DC偏移校正装置10通常可以处于与MMC控制20不同的电势，因此其之间的控制信令可以优选地经由光缆/光纤21被光学地执行。

MMC控制20通过映射并施加到MMC的相支路，考虑从DC偏移校正装置10接收的控制信号，控制MMC的半导体开关。这种控制可以通过MMC控制20来实现，MMC控制20被连接到MMC的每个相支路的转换器单元的半导体开关的各自的驱动电路。例如可以通过根据来自DC偏移校正装置10的电压控制信号，延迟接通和断开的命令，来校正DC偏移。例如，如果正DC偏移被测量到，则用于接通正半波的开关可能被延迟，直到在一个时间段内的测量不能够再确定任何DC偏移。在负DC偏移的情况下，接通负半波的命令可能被延迟。

图2a图示了具有包括相支路9的三相8的双Y形拓扑的MMC₁的实施例。相8_A、8_B和8_C中的每个相包括上相支路9_U和下相支路9_L，使得MMC中总共六个相支路9。每个相支路9包括多个N级联转换器单元2以及相支路电抗器(在图中示意性地被图示为线圈)。MMC₁经由各个功率变压器3被连接在两个HV AC电网之间，第一电网变压器3a在其初级侧连接到第一HVAC电网，并且在其次级侧连接到MMC₁，第二电网变压器3b在其初级侧连接到第二HV AC电网，并且在其次级侧连接到MMC₁。在图2a的示例中，第一HV AC电网是三相电网，例如公共电网(例如具有50Hz的基本频率)。第一HV AC电网可以具有高于36kV、诸如高于100kV或高于200kV，例如220kV的电压。在图2a的示例中，第二HV AC电网是单相电网，例如轨道电网(例如具有16.7Hz或50/3Hz的基本频率)。第二HV AC电网可以具有高于36kV、诸如高于100kV，例如132kV，或高于200kV的电压。如上所述，在变压器3a和3b的次级侧上的各个电压，即MMC₁的输出电压，高于3.6kV，例如至少4kV或至少10kV、高达36kV。应该注意的是，变压器3a和3b的次级侧上的各个电压(即分别朝向第一和第二HV AC电网的MMC输出电压)不必须相同，尽管在一些应用中它们可以相同。由于HV相支路9通常位于阀室中，因此相支路可以经由通过阀室壁的衬套7被连接到阀室的外部。

在图2a的实施例中，DC偏移校正装置10经由衬套7和分压电阻器6被连接到MMC₁各个输出端子，一个连接到三相输出端子，而一个连接到单相输出端子，以允许DC偏移校正装置10从所述输出端子获得其各个HV AC信号。DC偏移校正装置10经由AC-DC转换器4和变压器5(例如降压变压器)在MMC内部被供电，将各个输出端子的HV转换成低压(LV)，例如数百伏特，诸如在200-500V的范围内，以为DC偏移校正装置10供电。所有低压设备可以被安装在隔离的平台上，并且低压组件和高压设备之间给定足够的所需的绝缘距离。

在图2a所示的实施例中，MMC₁的第一侧经由第一电网变压器3a被连接到三相公共电网，而MMC的第二侧经由第二电网变压器3b被连接到单相电网。然而，在本发明中，MMC₁的第二侧的许多其它选择可以是相关的。例如，MMC的第二侧可以经由线路电抗器而不是经由变压器3b被连接到单相HV电网，在这种情况下，在MMC的第二侧可以不需要DC偏移校正装置10。在另一示例中，MMC的第二侧可以根本不被连接到电网，MMC仅在其第一侧被连接到三相HV电网。在又一个示例中，MMC₁的第二侧可以通常经由第二变压器3b被连接到第二三相HV电网，由此MMC₁连接在两个不同的三相电网之间(或可能在相同的三相电网中的两个不同的点之间)。当然，MMC₁的拓扑被相应地适配，当MMC被连接在三相电网和单相电网之间时，在图中用作示例的双Y形拓扑通常被使用。

图2b图示了可以在图2a的MMC示例中使用的DC偏移校正装置的实施例。在该装置中使用两个DC偏移校正装置10，一个在三相变压器3a的次级侧上，而另一个在单相变压器3b的次级侧上。第一DC校正装置10₁在这里在图2a中被连接到三相输出端子，第二DC校正装置10₂在这里在图2a中被连接到单相输出端子。

如上所述，通过无源滤波器11和数字滤波器12，DC偏移(mV)从高压AC(高达36kV)中被滤出。

上、下相支路9_U和9_L之间以及相邻相支路之间的平衡电压以及在系统的MMC控制20中实施的电流控制器使得变压器次级侧的DC分量特别低，但其仍可能足够大以使电网变压器3饱和。

测量MMC输出端子的HV AC信号可能是有利的，因为信号将具有电网基本频率(例如50Hz)和较小的DC偏移。为了滤出DC，则仅一个AC频率必须被衰减，从而提供简单的滤波器设计。在如图2b中所示的双Y形拓扑的示例应用中，两个不同的无源滤波器11a和11b被设计以衰减公共电网频率(通常为50Hz)，而轨道电网频率(通常为16.7Hz)在单独的DC偏移校正装置中被衰减。

控制器13的输出可以经由光纤21被传输到其它MMC控制20。在那里，首先，DC偏移校正装置10的输出将被映射到相支路9。例如，在双Y形拓扑的示例中，DC偏移校正装置10的三个输出被映射到六个相支路。映射被进行使得被施加到相支路的补偿DC分量不被MMC的其它控制器消除。第二，施加到相支路的补偿DC分量可以是被添加到相支路设定点或包括修改点火脉冲的其等效方案的DC偏移的形式。

在每个DC偏移校正装置10上，可以具有两个独立的测量通道。对于三相侧，两个通道都被用于测量两个信号(一个在相8_A和相8_C之间被测量，而另一个在相8_B和相8_C之间被测量)。因此，示出了两个无源滤波器11a和11b以及用于三相校正装置10₁的两个控制器13a和13b。对于单相侧，可以测量仅一个信号。因此，仅使用一个通道。另一个通道也可以在那里但未被使用，未在图中示出。

图3a图示了MMC₁的实施例，其中DC偏移校正装置被跨越连接到每个相支路9，而不是如图2a的实施例中被连接到输出端子。

对于图2a的实施例，图3a示图示了具有包括相支路9的三相8的双Y形拓扑的MMC₁的实施例。相8_A、8_B和8_C中的每个相包括上相支路9_U和下相支路9_L，使得MMC中总共六个相支路9。每个相支路9包括多个N级联转换器单元2以及相支路电抗器(在图中示意性地被图示为线圈)。MMC₁经由各个电源变压器3被连接在两个HV AC电网之间，第一电网变压器3a在其初级侧被连接到第一HV AC电网，并且在其次级侧被连接到MMC₁，而第二电网变压器3b在其初级侧被连接到第二HV AC电网，并且在其次级侧被连接到MMC₁。在图2a的示例中，第一HVAC电网是三相电网，例如公共电网(例如具有50Hz的基本频率)。第一HV AC电网可以具有高于36kV、诸如高于100kV或高于200kV的电压，例如220kV。在图2a的示例中，第二HV AC电网是单相电网，例如轨道电网(例如具有16.7Hz或50/3Hz的基本频率)。第二HV AC电网可以具有高于36kV、诸如高于100kV，例如132kV，或高于200kV的电压。如上所述，在变压器3a和3b的次级侧上各个电压，即MMC₁的输出电压，高于3.6kV，例如至少4kV或至少10kV，高达36kV。应该注意的是，变压器3a和3b的次级侧上的各个电压(即分别朝向第一和第二HV AC电网的MMC输出电压)不必须相同，尽管在一些应用中它们可以相同。由于HV相支路9通常位于阀室中，因此相支路可以经由通过阀室壁的衬套7被连接到阀室的外部。

在图3a的实施例中，DC偏移校正装置10经由套管7和分压电阻器6被跨越连接到MMC₁的每个相支路9，在该示例中，产生总共六个DC偏移校正装置10，以允许DC偏移校正装置10从跨越的所述相支路获得其各个HV AC信号。在这种情况下，DC偏移校正装置10也在MMC内部被供电，但是这里可以经由被连接到转换器单元2的中间DC电路的DC-DC转换器4来供电，而不是必须需要任何变压器5(例如降压变压器)，以为DC偏移校正装置10供电。所有低压设备可以被安装在隔离的平台上，并且低压组件和高压设备之间给定足够的所需的绝缘距离。

当跨越转换器相支路测量时，与在输出端子处测量相反，DC偏移校正装置10的测量输入端子跨越转换器相支路9被连接到相支路端子。该方案提供使用转换器单元的电源的机会。因此，其不需要降压型变压器5和具有高绝缘性的AC/DC转换器。然而，其可能需要极低的功率DC/DC电源，以隔离单元开关的半导体栅极单元和DC偏移校正装置接地之间的地电势。另一点是，在该实施例中，可能不需要长的高压线缆，因为分压电阻器6将被分配给相支路。

用于上、下相支路9_U和9_L的偏移校正装置10可以被彼此物理地集成到如图3c所示的具有两个测量通道的一个装置，或者如图3b所示的两个单独的装置。对于前者，DC偏置装置在这种情况下可能具有冗余电源。

类似于图2a和2b的实施例，DC偏移分量(mV)必须从高压AC分量(高达36kV)中被滤出。待测量的DC分量被期望大于图2a和2b的实施例中的DC分量。然而，更具挑战的是，在这种情况下，到DC偏移校正装置10的信号可以包含多于一个基本频率。与图2a和2b的实施例相比，这可能是不利的(滤波器设计可能更具挑战)。在如图3a所示的双Y形拓扑的示例应用中，来自三相公共电网的基本频率(通常为50Hz)和单相轨道电网的基本频率(通常为16.7Hz)都将出现在DC偏移校正装置10的测量中，并且这两个频率分量必须通过滤波器11和12被衰减到可接受的水平。

控制器13的输出可以经由光纤21被传输到MMC控制20。在那里，首先，DC偏移校正装置10的输出将被映射到相支路9。在双Y形MMC拓扑的示例应用中，DC偏移校正装置的六个输出将被映射到六个相支路。这在某种程度上比图2a和2b的实施例更直接，因为在图3a-c的实施例中，每个相支路9具有专用DC偏移校正装置10。然而，关注映射机制使得被施加到相支路的补偿DC分量将不被MMC中的其它控制器消除。类似地，被施加到相支路的补偿DC分量可以是添加到相支路设定点或包括修改点火脉冲的其等效方案的DC偏移的形式。

本发明的实施例可以与任何MMC拓扑一起使用。然而，在本发明的一些实施例中，HV AC电网是三相(例如公共)电网。另外地或可选地，在一些实施例中，MMC还经由第二电网变压器3b和/或经由线路电抗器被连接到第二HV AC电网。在一些实施例中，第二HV AC电网是单相电网(例如轨道电网)，由此MMC可以具有双Y形拓扑。在其它实施例中，第二HV AC电网是第二三相(例如公共)电网。

在本发明的一些实施例中，高压AC信号被从MMC₁的输出端子获得。在一些实施例中，第一DC偏移校正装置10被连接到MMC的三相输出端子，以连接到第一电网变压器3a。如果MMC被连接到单相HV AC电网，则第二DC偏移校正装置10可以被连接到MMC的单相输出端子，以连接到第二电网变压器3b或线路电抗器。

在一些其它实施例中，高压AC信号被跨越MMC₁的相支路9获得。在一些实施例中，对于MMC的每个相支路9，至少一个DC偏移校正装置10中的一个DC偏移校正装置被跨越所述相支路连接。

在本发明的一些实施例中，至少一个DC偏移校正装置10的每个DC偏移校正装置经由电源在MMC₁中被内部供电。电源可以包括经由降压变压器5被连接到MMC₁的输出端子的AC-DC转换器，或被连接到MMC₁的转换器单元2的中间DC电路的DC-DC转换器。

在本发明的一些实施例中，控制信号经由光缆21从每个DC偏移校正装置10被传输到MMC控制装置20。

以上主要参照一些实施例描述了本公开。然而，如本领域技术人员容易理解的，在由所附权利要求限定的本公开的范围内，除了以上公开的实施例以外的其它实施例同样是可能的。