CN105191110A - 包括链环式变换器的电压源型变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电压源型变换器(30)，包括：至少两个变换器臂(36)，每个变换器臂(36)在第一DC端子和第二DC端子(32,34)之间延伸且具有由AC端子(42)隔开的第一臂部和第二臂部(38,40)，第一DC端子和第二DC端子(32,34)可被连接至DC电网(46)并且每个AC端子(42)可被连接至AC电网(48)，每个臂部(38,40)包括至少一个开关元件(50)；至少一个链环式变换器(52)，所述或每个链环式变换器(52)包括多个串联连接的模块，每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源，所述或每个链环式变换器(52)形成分支以互连AC端子(42)中的两个，每个变换器臂(36)的每个臂部(38,40)可切换为将所述或每个对应链环式变换器(52)切换进和切换出带有该臂部(38,40)的电路并且从而将所述或每个对应链环式变换器(52)切换进和切换出带有相应DC端子(32,34)的电路，所述或每个链环式变换器(52)可切换为控制每个对应AC端子(42)处AC电压的形态；以及控制单元(54)，其中所述控制单元(54)协调臂部(38,40)和所述或每个链环式变换器(52)的切换以引起所述AC电网与DC电网(48,46)之间真实电力的转移。

Description

包括链环式变换器的电压源型变换器
技术领域
本发明涉及一种电压源型变换器。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电通常被变换为直流(DC)电，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这种变换免除了对由传输线或电缆施加的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。
AC电力到DC电力的变换还用于需要互连在不同频率中运行的AC电网的电力传输网络。
在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器来产生所需的变换，并且一种此类形式的变换器是电压源型变换器(VSC)。
已知在电压源型变换器中使用带有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)14的六开关(两电平)变换器拓扑结构10和三电平变换器拓扑结构12，如图1a和图1b所示。IGBT装置14串联连接在一起并一同切换以实现10MW至100MW的高额定功率。另外，在AC电源频率的每个周期中，IGBT装置14在高电压下导通和关断若干次以控制被馈送到AC网络的谐波电流。这导致高损耗、高电平的电磁干扰和复杂的设计。
还已知在电压源型变换器中使用多电平变换器布置，诸如图1c中所示。多电平变换器布置包括串联连接的单元18的相应变换器桥16。每个变换器单元18包括与电容器22并联连接的一对串联连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)20。各个变换器单元18不同时切换并且变换器电压阶跃相当小。在这种多电平变换器布置中，每个变换器单元18的电容器22被配置为具有足够高的电容值以便限制电容器端子处的电压变化，并且由于IGBT20有限的额定电压，所以需要大量的变换器单元18。在每个变换器桥16中还需要DC侧电抗器24，以限制各个变换器臂26之间的瞬时电流，并且从而使变换器臂26的并联连接和操作成为可能。这些因素导致具有大量储存能量的昂贵、大型和重型的装备，这使得装备的预装配、测试和运输很困难。
还已知使用线路换向变换器，如图1d所示，以实现AC电力与DC电力之间所需的变换。图1d的线路换向变换器包含互连三相AC电网和DC电网的多个晶闸管28和电感器29。
发明内容
根据本发明的一个方案，提供一种电压源型变换器，包括：
至少两个变换器臂，每个变换器臂在第一DC端子和第二DC端子之间延伸且具有由AC端子隔开的第一臂部和第二臂部，所述第一DC端子和第二DC端子可被连接至DC电网并且每个AC端子可被连接至AC电网，每个臂部包括至少一个开关元件；
至少一个链环式变换器，所述或每个链环式变换器包括多个串联连接的模块，每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源，所述或每个链环式变换器形成分支以互连AC端子中的两个，每个变换器臂的每个臂部可切换为将所述或每个对应链环式变换器切换进和切换出带有所述臂部的电路并且从而将所述或每个对应链环式变换器切换进和切换出带有相应DC端子的电路，所述或每个链环式变换器可切换为控制每个对应AC端子处AC电压的形态；以及
控制单元，其中所述控制单元协调臂部和所述或每个链环式变换器的切换以引起所述AC电网与DC电网之间真实电力的转移。
协调臂部和所述或每个链环式变换器的切换以引起AC电网与DC电网之间真实电力的转移，这使得在AC电网与DC电网之间能够转移高质量的电力。这是因为所述或每个链环式变换器能够提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似来在所述或每个链环式变换器两端产生电压波形，并且从而在每个对应AC端子处形成高质量的AC电压波形。相反地，从电压源型变换器省略所述或每个链环式变换器将导致之前参照图1a和图1b的常规电压源型变换器所描述的问题。
切换臂部和所述或每个链环式变换器的这种协调允许臂部设计和构造简单化，而不会不利地影响根据本发明的电压源型变换器的性能。例如，每个臂部可以包括在对应AC端子与相应的一个DC端子之间串联连接的单个开关元件或多个开关元件。在臂部中可以选择使用具有高额定电压的开关元件以进一步减小电压源型变换器的占用空间并且从而最小化相关发电站的占地成本。
所述或每个链环式变换器的模块化布置意味着很容易增大或减小所述或每个链环式变换器中模块的数量以实现电压源型变换器的期望额定电压。
另外，与具有相同数量的变换器臂(每个变换器臂包括多个模块)的常规电压源型变换器(图1c示出其示例)相比，用以连接AC端子中的两个之间的所述或每个链环式变换器的电压源型变换器的配置减少每变换器臂和每AC相位所需模块的数量。因此，模块总数量的减少还提供电压源型变换器的成本、尺寸和占用空间方面的节约。
此外，在操作电压源型变换器以转移AC网络与DC网络之间电力的过程中，在AC端子中的两个之间所述或每个链环式变换器的连接导致所述或每个链环式变换器中AC电流和DC电流的结合。因此，所述或每个链环式变换器中的峰值电流明显地减小。这不仅减小了电阻性损耗且因此提高了所述或每个链环式变换器的效率，还允许在所述或每个链环式变换器中使用带有较低额定电流的开关元件。
因此，根据本发明的电压源型变换器的配置导致带有高电压能力的、经济的、节约空间的电压源型变换器。
电压源型变换器中变换器臂的数量可以变化以对应于多相AC电网中相位的数量。
在本发明的实施例中，电压源型变换器可以包括三个变换器臂和三个链环式变换器，每个链环式变换器形成分支以互连三个AC端子中的两个，三个分支被布置为形成三角形布置，其中每个AC端子限定三个分支中两个之间的相应接合点。在操作电压源型变换器以转移AC电网与DC电网之间电力的过程中，电压源型变换器的这种配置还减小所述或每个链环式变换器中的峰值电流，从而允许进一步优化电压源型变换器的设计和构造以减小其成本、尺寸和占用空间。
优选地，所述电压源型变换器还包括至少一个电感器。所述或每个电感器的第一端可以被连接至所述第一DC端子或第二DC端子并且所述或每个电感器的第二端可以被连接至DC电网。在电压源型变换器中所述或每个电感器的这种连接提供电流源，该电流源允许如同电流源线路换向变换器一样来操作变换器臂，从而增强所述或每个链环式变换器的操作。
在本发明的实施例中，控制单元可以切换所述或每个链环式变换器以从每个对应AC端子处的所述AC电压过滤一个或多个不需要的分量，即谐波量。这消除了对单独滤波装备的需求，而滤波装备将增加相关发电站的占地成本。
在本发明的其它实施例中，所述控制单元可以切换所述或每个链环式变换器以在每个对应AC端子处产生正弦电压波形。在每个AC端子处产生正弦电压波形不仅能够在每个对应AC端子处形成高质量的AC电压波形，还允许每个臂部的软切换，从而减小开关损耗。
可以理解地是，在每个对应AC端子处，控制单元可以切换所述或每个链环式变换器以产生其它类型的电压波形，优选地带有低的非三次N谐波含量的电压波形。
在本发明的另外其它实施例中，每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置可以结合以选择性地提供可以在两个方向上传导电流的双向电压源。在这种实施例中，每个模块可以包括以全桥结构与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
在根据本发明的电压源型变换器中，每个臂部可以包括在对应AC端子与DC端子中的相应一个DC端子之间串联连接的单个开关元件或多个开关元件。
至少一个开关元件可以包括自然换向开关装置，例如，晶闸管或二极管。在每个臂部中使用至少一个自然换向开关装置不仅改善了臂部的鲁棒性，还使得臂部由于它们的构造能够经受在DC电网中的故障时可能发生的浪涌电流。
至少一个开关元件可以包括自换向开关装置。自换向开关装置可以是绝缘栅双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件。
可选地，每个臂部可以包括反并联连接的至少一对开关元件，使得每个臂部可以在两个方向上传导电流。这允许电压源型变换器被配置为在两个方向上转移AC电网与DC电网之间的电力。所述或每对开关元件的每个开关元件可以包括单个开关装置或多个串联和/或并联连接的开关装置。
在根据本发明的电压源型变换器中，每个能量储存装置可以是能够储存或释放能量的任何装置，例如，电容器或蓄电池。
附图说明
现将参考附图，通过非限制性示例的方式描述本发明的优选实施例，其中：
图1a、图1b和图1c以示意图的形式示出现有技术的电压源型变换器；
图1d以示意图的形式示出现有技术的线路换向变换器；
图2a以示意图的形式示出根据本发明实施例的电压源型变换器；
图2b示出形成图2a的电压源型变换器的链环式变换器的一部分的4象限双极模块的结构；
图3至图5以曲线图的形式示出图2a的电压源型变换器的操作；以及
图6以曲线图的形式示出在图2的电压源型变换器的AC端子处产生的AC相电流的频率分析。
具体实施方式
图2a示出根据本发明的实施例的电压源型变换器30。
电压源型变换器30包括第一DC端子32、第二DC端子34和三个变换器臂36。
每个变换器臂36在第一DC端子32与第二DC端子34之间延伸，并且具有由AC端子42隔开的第一臂部38和第二臂部40。换言之，在每个变换器臂36中，第一臂部38被连接在第一DC端子32与AC端子42之间，并且第二臂部40被连接在第二DC端子34与AC端子42之间。
电压源型变换器30还包括两个电感器44。每个电感器44的第一端被连接到第一DC端子32和第二DC端子34中相应的一个DC端子上。
在使用中，电感器44的第二端分别被连接到DC电网46的正端子和负端子，并且每个AC端子42经由变压器被连接到三相AC电网48的相应相位。以这种方式，每个电感器44提供电流源。
每个臂部38、40包括导向开关50，其包括单个开关元件。每个开关元件包括晶闸管。在臂部38、40中使用晶闸管不仅提高臂部38、40的鲁棒性，而且还使得臂部38、40能够经受由于DC电网46中的故障而可能发生的浪涌电流。
可以设想，在本发明的其它实施例中，每个晶闸管可以由绝缘栅双极型晶体管、二极管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自然换向半导体器件或自换向半导体器件代替。
还可以设想，在本发明的其它实施例中，每个开关元件可以由多个串联连接的开关元件代替，以增大每个臂部38、40的额定电压。
电压源型变换器30还包括三个链环式变换器52。每个链环式变换器52形成分支以互连三个AC端子42中的两个，使得三个分支被布置为形成三角形(delta)布置，其中每个AC端子42限定三个分支中两个之间的相应接合点。
在两个AC端子42之间连接每个链环式变换器52意味着在使用中，每个变换器臂36的每个臂部38、40可切换为将每个对应链环式变换器52切换进和切换出带有该臂部38、40的电路，并且从而将对应链环式变换器52切换进和切换出带有相应DC端子32、34的电路。
每个链环式变换器52包括多个串联连接的模块52a。每个模块52a包括两对开关元件(本文将其每个称为“模块开关53a”)以及电容器53b形式的能量储存装置，如图2b所示。模块开关53a以全桥结构与电容器53b并联连接以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
每个模块开关53a由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成。每个IGBT与反并联二极管并联连接。可以设想，在本发明的其它实施例中，每个模块开关可以是不同的开关装置，诸如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向半导体器件。
可以设想，在本发明的其它实施例中，电容器53b可以由能够储存和释放能量的另一能量储存装置(例如，蓄电池)来代替。
通过改变模块开关53a的状态，每个模块52a的电容器53b被选择性地旁路或***到对应链环式变换器52。这选择性地引导电流通过电容器53b或使得电流旁路电容器53b，使得每个模块52a提供负电压、零电压或正电压。
当每个模块52a中的各对模块开关53a被配置为形成模块52a中的短路时，每个模块52a的电容器53b被旁路。这使得链环式变换器52中的电流经过短路且旁路电容器53b，所以模块52a提供零电压，即模块52a被配置为旁路模式。
当每个模块52a中的各对模块开关53a被配置为允许链环式变换器52中的电流流入和流出电容器53b时，每个模块52a的电容器53b被***链环式变换器52。电容器53b则将其储存的能量充电或放电以便提供非零电压，即模块52a被配置为非旁路模式。每个模块的模块开关53a的全桥结构允许模块开关53a的配置使得电流在任一方向上流入和流出电容器53b，所以每个模块52a可以被配置为在非旁路模式中提供负电压或正电压。
通过将每个提供自身电压的多个模块52a的电容器53b***每个链环式变换器52，能够在每个链环式变换器52两端建立组合电压，其高于从每个单个模块52a可得的电压。以这种方式切换每个模块52a的模块开关53a使得每个链环式变换器52提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在每个链环式变换器52两端产生电压波形。可以实施每个模块52a的这种切换以控制每个对应AC端子处AC电压的形态。
电压源型变换器30还包括控制单元54以协调臂部38、40和链环式变换器52的切换。
如下参照图3至图5描述图2a的电压源型变换器30的操作。
如上所述，控制单元54切换每个链环式变换器52，以提供步阶式可变电压源，以便通过变压器电抗56参照AC电网48的电源电压在每个对应AC端子42处产生正弦电压波形。每个正弦电压波形与其它两个正弦电压波形相差120电角度。每个正弦电压波形的特性被配置为允许对应链环式变换器52吸取所需的电流量以实现与AC电网48交换期望水平的功率。
可以理解地是，在实际电网条件下，上述方式(其中每个链环式变换器52在每个对应AC端子42处产生正弦电压波形)将在每个AC端子42处的AC电压中引起不需要的变化，所以电压源型变换器30的操作可以利用带有分接开关(tapchanger)的变压器来补偿每个AC端子42处AC电压中不需要的变化。
在电压源型变换器30中包括电感器44允许将变换器臂36操作为如同电流源线路换向变换器，图1d中示出电流源线路换向变换器的常规示例。以与实施三相AC电压到DC电压的整流的常规三相线路换向变换器的切换相同的方式，控制单元54将导向开关50切换为导通和关断。这使得在每个导向开关50中在功率周期的π/3弧度上发生换向，从而在功率周期的π/6弧度之后，导电状态下的导向开关50经受至非导电状态的瞬间转变。
以相位控制方式与链环式变换器52的切换相协调地切换导向开关50，以控制链环式变换器52与变换器臂36之间的电力交换。还控制导向开关50和链环式变换器52的这种切换来最小化每个链环式变换器52中每个模块52a的电容器电压水平中的任何净变化。
在每个AC端子42处产生正弦电压波形使得臂部38、40的软切换成为可能，从而减小开关损耗。
图3将由图2a的电压源型变换器30的一个链环式变换器52在AC端子42处产生的AC相位电压58与DC电网46的DC电压60、AC电网48的AC电压62和基频AC电压波形64进行比较。
从图3可以看出，当在AC电网48的AC电压62中存在显著水平的谐波时，链环式变换器52仍能够在AC端子42处产生正弦电压波形的高质量的AC相位电压58。
图4示出图2a的电压源型变换器30的一个变换器臂36的每个臂部38、40中电流66、68的变化、以及对应链环式变换器52中电流70的变化。图5将对应的、测量到的AC相电流72与AC参考电流74以及将对应的、测量到的DC相电流76、78与DC参考电流80进行比较。
从图4和图5可以看出链环式变换器52中电流70的峰值为大约1.3kA而对应AC相电流72的峰值为2kA以上。这是因为在操作电压源型变换器30以从AC电网48转移电力至DC电网46的过程中，链环式变换器52的三角形布置导致每个链环式变换器52中AC电流与DC电流的组合。这具有减小每个链环式变换器52中峰值电流的效果。
从图5还可以看出操作电压源型变换器30导致形成高质量的、正弦AC相电流72。
图6以曲线图的形式示出在图2a的电压源型变换器30的AC端子处产生的AC相电流的频率分析。AC相电流中的低阶谐波表示AC相电流的高纯度。
因此，图2a的电压源型变换器30的配置使得其操作能够通过协调臂部38、40和链环式变换器52的切换来将高质量的电力从AC电网48转移至DC电网46，以使得真实电力从AC电网48至DC电网46的转移具有最小的滤波需求。相反地，如前所述，从电压源型变换器30省略链环式变换器52将导致上文参照图1a和图1b的常规电压源型变换器所述的问题。
臂部38、40和链环式变换器52的切换的这种协调允许臂部38、40的设计和构造简单化，而不会不利地影响电压源型变换器30的性能。另外，在臂部38、40中可以选择使用带有高额定电压的开关元件以进一步减小电压源型变换器30的占用空间并且从而最小化相关发电站的占地成本。
每个链环式变换器52的模块化布置意味着很容易增大或减小每个链环式变换器52中模块52a的数量以实现电压源型变换器30的期望额定电压。
另外，与具有相同数量变换器臂(每个变换器臂包括多个模块)的常规电压源型变换器(图1c示出其示例)相比，用以连接两个AC端子42之间的每个链环式变换器52的电压源型变换器30的配置减小每变换器臂36和每AC相位所需模块52a的数量。因此，模块52a的总数量的减小还实现电压源型变换器30的成本、尺寸和占用空间方面的进一步节约。
此外，每个链环式变换器52中减小的峰值电流不仅减小电阻性损耗并且因此提高每个链环式变换器52的效率，还允许在每个链环式变换器52中使用具有低额定电流的开关元件。另外，在操作电压源型变换器30的过程中，每个链环式变换器52中减小的峰值电流减小其每个模块52a的电容器电压水平中的净变化，从而提高链环式变换器52的可靠性并且因此提高电压源型变换器30的可靠性。
因此，图2a的电压源型变换器30的配置得到带有高电压能力的、经济的、节约空间的电压源型变换器30。
可以理解地是，控制单元54可以切换每个链环式变换器52以在每个对应AC端子42处产生其它类型的电压波形，优选地带有低的非三次N谐波含量的电压波形。
可选地，每个开关元件可以以相反方向来连接，以使得电压源型变换器能够从DC电网转移电力至AC电网。在这种配置中，以与实施DC电压到三相AC电压的倒置的常规三相线路换向变换器的切换相同的方式，控制单元可以将导向开关切换至导通和关断。
另外，可选地，每个开关元件可以由一对反并联连接的开关元件代替以形成双向导向开关，使得每个臂部可以在两个方向上传导电流。这允许电压源型变换器被配置为在两个方向上在AC电网与DC电网之间转移电力。各对开关元件的每个开关元件可以包括单个晶闸管或多个串联和/或并联连接的晶闸管。

Claims (10)

1.一种电压源型变换器，包括：
至少两个变换器臂，每个变换器臂在第一DC端子和第二DC端子之间延伸且具有由AC端子隔开的第一臂部和第二臂部，所述第一DC端子和所述第二DC端子能够连接至DC电网并且每个AC端子能够连接至AC电网，每个臂部包括至少一个开关元件；
至少一个链环式变换器，所述或每个链环式变换器包括多个串联连接的模块，每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源，所述或每个链环式变换器形成分支以互连AC端子中的两个AC端子，每个变换器臂的每个臂部能够切换为将所述或每个对应链环式变换器切换进和切换出带有每个臂部的电路并且从而将所述或每个对应链环式变换器切换进和切换出带有相应DC端子的电路，所述或每个链环式变换器能够切换为控制每个对应AC端子处AC电压的形态；以及
控制单元，其中所述控制单元协调臂部和所述或每个链环式变换器的切换以引起AC电网与DC电网之间真实电力的转移。
2.根据权利要求1所述的电压源型变换器，包括三个变换器臂和三个链环式变换器，每个链环式变换器形成分支以互连三个AC端子中的两个AC端子，三个分支被布置为形成三角形布置，其中每个AC端子限定所述三个分支中两个分支之间的相应接合点。
3.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，还包括至少一个电感器，其中所述或每个电感器的第一端被连接至所述第一DC端子或所述第二DC端子，并且所述或每个电感器的第二端能够连接至DC电网。
4.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制单元切换所述或每个链环式变换器以从每个对应AC端子处的AC电压过滤一个或多个不需要的分量。
5.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，其中所述控制单元切换所述或每个链环式变换器以在每个对应AC端子处产生正弦电压波形。
6.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，其中每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供能够在两个方向上传导电流的双向电压源。
7.根据权利要求6所述的电压源型变换器，其中至少一个模块包括以全桥结构与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
8.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，其中每个臂部包括在对应AC端子与相应一个DC端子之间串联连接的单个开关元件或多个开关元件。
9.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，其中至少一个开关元件包括自然换向开关装置或自换向开关装置。
10.根据任一前述权利要求所述的电压源型变换器，其中每个臂部包括反并联连接的至少一对开关元件，使得每个臂部能够在两个方向上传导电流。
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