專利名稱：變換器的制作方法
變換器本發(fā)明涉及在高壓直流(HVDC)電力輸送以及無功功率補(bǔ)償中使用的電壓源變換
ο在HVDC電力輸送中，將交流(AC)電力變換成高壓直流(DC)電力，以經(jīng)由架空線路和/或海底電纜進(jìn)行輸送。這種變換降低了每千米線路和/或電纜的成本，從而當(dāng)需要長(zhǎng)距離輸送電力時(shí)，這種變換是成本有效的。一旦所輸送的電力達(dá)到其目標(biāo)目的地，就會(huì)在分配給本地網(wǎng)絡(luò)之前將高壓DC電力變換回AC電力。在需要互連兩個(gè)以不同頻率工作的AC網(wǎng)絡(luò)的情況下，通常也在電力輸送網(wǎng)絡(luò)中使用AC電力到DC電力的變換。在AC和DC網(wǎng)絡(luò)之間的每個(gè)接口處，都需要變換器來實(shí)現(xiàn)AC電力和DC電力之間所需的變換，并且，一種這類形式的變換器是電壓源變換器(VSC)。在圖Ia中示出了一種形式的已知電壓源變換器，并且該電壓源變換器包括六組串聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)24和反并聯(lián)二極管(anti-paralletl diode)。將 IGBT 24 一起串聯(lián)地連接并切換，使得能夠?qū)崿F(xiàn)10到100MW的高功率等級(jí)。然而，這種方法需要復(fù)雜的且有源的IGBT驅(qū)動(dòng)，并且需要大型無源緩沖元件 (passive snubber component)來確保串接的IGBT 24串上的高壓在變換器切換期間適當(dāng)?shù)鼐?。此外，在AC電源頻率的每個(gè)周期，IGBT 24需要以高壓開啟和關(guān)斷若干次，以控制饋送到AC網(wǎng)絡(luò)20的諧波電流。這些因素導(dǎo)致了較高的損耗、較高級(jí)別的電磁干擾以及復(fù)雜的設(shè)計(jì)。在圖Ib中示出了另一種已知的電壓源變換器，并且該電壓源變換器包括多級(jí)變換器布置。多級(jí)變換器布置包括串聯(lián)連接的變換器橋或變換器單元26，每個(gè)變換器單元26 包括與電容器28并聯(lián)連接的一對(duì)串聯(lián)連接的IGBT 27。每個(gè)變換器單元26在不同的時(shí)刻進(jìn)行切換，并且這種布置消除了與直接切換串聯(lián)連接的IGBT相關(guān)聯(lián)的問題，原因在于各個(gè)變換器單元26不是同時(shí)切換的，并且變換器步進(jìn)是相當(dāng)小的。然而，每個(gè)變換器單元26的電容器28必須具有較高的電容值來抑制多級(jí)變換器中的電容器端的電壓變化。還需要六個(gè)DC側(cè)電抗器30來實(shí)現(xiàn)變換器分支(limb)的并聯(lián)連接和操作，并且這六個(gè)DC側(cè)電抗器30主要用于限制變換器分支之間的瞬變電流。這些因素導(dǎo)致了具有大量?jī)?chǔ)能的昂貴的、較大的以及較重的設(shè)備，使得該設(shè)備的預(yù)組裝、測(cè)試和運(yùn)輸都很困難。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種在高壓DC電力輸送和無功功率補(bǔ)償補(bǔ)償中使用的電壓源變換器，該電壓源變換器包括至少一個(gè)變換器分支，該至少一個(gè)變換器分支包括用于在使用時(shí)連接到DC網(wǎng)絡(luò)的第一和第二 DC端和用于在使用時(shí)連接到AC網(wǎng)絡(luò)的AC 端，所述或每個(gè)變換器分支限定了第一和第二分支部分，每個(gè)分支部分包括至少一個(gè)開關(guān)元件，所述至少一個(gè)開關(guān)元件與鏈?zhǔn)阶儞Q器串聯(lián)連接在所述第一和第二 DC端中的相應(yīng)一端與AC端之間，所述第一和第二分支部分中的開關(guān)元件能夠操作用于在相應(yīng)的DC端和所述AC端之間將相應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器接入電路以及將鏈?zhǔn)阶儞Q器從該電路斷開，并且鏈?zhǔn)阶儞Q器能夠操作用于在AC端產(chǎn)生電壓波形。
在每個(gè)分支部分中與鏈?zhǔn)阶儞Q器串聯(lián)連接的、用于在相應(yīng)的DC端和AC端之間將該分支部分接入電路以及將該分支部分從電路斷開的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)元件的串聯(lián)組合是有優(yōu)勢(shì)的，這是因?yàn)槠浣档土嗣總€(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器需要產(chǎn)生的電壓范圍。這進(jìn)而允許最小化每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器中的元件的數(shù)量。優(yōu)選地，每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器在相應(yīng)的分支部分從電路斷開時(shí)可操作用于產(chǎn)生用于抵消該分支部分兩端的電壓并從而使相應(yīng)開關(guān)元件兩端的電壓最小化的電壓。該特征是有優(yōu)勢(shì)的，在于其允許電壓源變換器以比開關(guān)元件的額定電壓更高的電壓電平進(jìn)行操作。這允許構(gòu)造操作范圍獨(dú)立于可用開關(guān)元件的額定電壓的電壓源變換器。 因而，其允許構(gòu)造具有比其它可能的更大的操作范圍的電壓源變換器，并且還允許使用具有相對(duì)較低的額定電壓的開關(guān)元件。在各分支部分從電路斷開時(shí)降低該分支部分的開關(guān)元件兩端的電壓也是有益的， 在于其在相應(yīng)的開關(guān)元件在斷開和閉合位置之間進(jìn)行切換時(shí)使開關(guān)損失最小化。優(yōu)選地，每個(gè)分支部分的鏈?zhǔn)阶儞Q器包括串聯(lián)連接的模塊的鏈，每個(gè)模塊包括與蓄能設(shè)備并聯(lián)連接的至少一對(duì)次級(jí)開關(guān)元件，次級(jí)開關(guān)元件在使用中是可操作的，使得模塊的鏈限定步進(jìn)式的可變電壓源。使用串聯(lián)連接的模塊的鏈允許每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器通過將額外的模塊插入到該鏈中來提供可以以遞增的步長(zhǎng)增加的電壓，以提供比每個(gè)單獨(dú)模塊提供的電壓更高的電壓。因而，這樣的布置允許每個(gè)分支部分的鏈?zhǔn)阶儞Q器所提供的電壓發(fā)生變化，以允許在AC端產(chǎn)生電壓波形。在連接到電壓源變換器的電網(wǎng)中發(fā)生故障，導(dǎo)致在電壓源變換器中產(chǎn)生較高的故障電流的情況下，可以操作鏈?zhǔn)阶儞Q器中的模塊的次級(jí)開關(guān)元件，以將模塊插入鏈，以提供與其它非故障電網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)抗并從而降低電壓源變換器中的故障電流的電壓。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，鏈?zhǔn)阶儞Q器中的所述或每個(gè)模塊可以包括兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件，該兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件以全橋布置與相應(yīng)的蓄能設(shè)備并聯(lián)連接，以限定能夠提供正或負(fù)電壓并能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極性模塊。4象限雙極性模塊的提供正或負(fù)電壓的能力意味著每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器兩端的電壓可以由提供正或負(fù)電壓的模塊的組合來構(gòu)成。因此通過控制所述模塊在提供正或負(fù)電壓之間進(jìn)行交替，可以將單獨(dú)蓄能設(shè)備中的能量級(jí)別維持在理想級(jí)別。在每個(gè)分支部分的鏈?zhǔn)阶儞Q器中使用全橋模塊還使得該鏈?zhǔn)阶儞Q器能夠提供AC 端的輸出電壓，該輸出電壓超過連接到第一和第二 DC端的DC網(wǎng)絡(luò)的DC電壓。 所述或每個(gè)蓄能設(shè)備可以是能夠存儲(chǔ)并釋放其電能以提供電壓的任何設(shè)備，并且因而可以包括電容器、燃料電池、電池組或具有相關(guān)聯(lián)的整流器的輔助AC發(fā)電機(jī)。這種靈活性在于不同位置處設(shè)計(jì)變換器站時(shí)是有用的，在不同的位置處設(shè)備的可用性可能由于交通問題的地點(diǎn)而發(fā)生變化。例如，在近海風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)上，每個(gè)模塊的蓄能設(shè)備可以是連接到風(fēng)力渦輪機(jī)的輔助AC發(fā)電機(jī)。每個(gè)分支部分的所述或每個(gè)開關(guān)元件優(yōu)選地包括半導(dǎo)體器件，并且可以包括絕緣柵雙極晶體管、柵極可關(guān)斷晶間管或集成柵極換流晶閘管。每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器還優(yōu)選地包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件，并且可以包括絕緣柵雙極晶體管、柵極可關(guān)斷晶閘管或集成柵極換流晶閘管。
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使用半導(dǎo)體器件是有優(yōu)勢(shì)的，這是因?yàn)檫@種設(shè)備在大小和重量上是較小的，并且具有相對(duì)較低的功率損耗，這將冷卻設(shè)備的需要最小化。因而，這帶來了電力變換器成本、 大小和重量的顯著降低。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，電壓源變換器可以包括多個(gè)變換器分支，每個(gè)分支包括用于連接到多相AC網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)相的AC端。在這種電壓源變換器中，每個(gè)變換器分支中的開關(guān)元件和鏈?zhǔn)阶儞Q器的串聯(lián)連接獨(dú)立于其它變換器分支中的串聯(lián)連接而操作，并且因而只影響連接到相應(yīng)AC端的相，并且對(duì)連接到其它變換器分支的AC端的相沒有影響。優(yōu)選地，每個(gè)分支部分中的鏈?zhǔn)阶儞Q器可操作用于產(chǎn)生在使用時(shí)對(duì)抗AC或DC網(wǎng)絡(luò)中故障產(chǎn)生的電流流動(dòng)的電壓。在每個(gè)分支中，鏈?zhǔn)阶儞Q器的額定電壓和所述或每個(gè)開關(guān)元件的額定電壓可以相等。然而，在其它實(shí)施方式中，在每個(gè)分支中，鏈?zhǔn)阶儞Q器的額定電壓和所述或每個(gè)開關(guān)元件的額定電壓可以不相等，以優(yōu)化變換器的成本、大小、重量、效率和/或性能。第一和第二分支部分中的開關(guān)元件優(yōu)選地可操作用于將鏈?zhǔn)阶儞Q器同時(shí)接入電路，以重新設(shè)置鏈?zhǔn)阶儞Q器元件中的任何電壓漂移。現(xiàn)在將參考附圖，通過非限制性示例的方式來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，在附圖中圖Ia和圖Ib以示意性的形式示出了用于HVDC電力輸送的現(xiàn)有電壓源變換器；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的電壓源變換器；圖3示出了圖2中的電壓源變換器的鏈?zhǔn)阶儞Q器的結(jié)構(gòu)；圖4示出了使用圖3中所示的鏈?zhǔn)阶儞Q器對(duì)50Hz波形的合成；圖5示出了圖3中所示的鏈?zhǔn)阶儞Q器的全橋模塊；圖6示出了

圖1中所示的電壓源變換器的AC相連接端的正弦電壓波形的產(chǎn)生；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的電壓源變換器。在圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的電壓源變換器37。電壓源變換器37包括變換器分支34，該變換器分支34具有第一 DC端36、第二 DC 端38以及AC端44。變換器分支34限定第一分支部分34a和第二分支部分34b，各分支部分包括開關(guān)元件40，該開關(guān)元件40在第一 DC端36和第二 DC端38中的相應(yīng)一端與AC端 44之間與鏈?zhǔn)阶儞Q器42串聯(lián)連接。在圖2中所示的實(shí)施方式中，第一分支部分34a和第二分支部分34b中的每一個(gè)的開關(guān)元件40連接到AC端44，并且第一分支部分34a和第二分支部分34b中的每一個(gè)的鏈?zhǔn)阶儞Q器42連接到相應(yīng)的DC端36、38。第一分支部分34a和第二分支部分34b中的每一個(gè)的鏈?zhǔn)阶儞Q器42與開關(guān)元件 40的串聯(lián)連接意味著，在其它實(shí)施方式中，它們可以以反向順序在AC端44和相應(yīng)的DC端 36、38之間連接。AC端44連接到變壓器32。在其它實(shí)施方式中，AC端44可以連接到一個(gè)或更多個(gè)額外的變壓器和/或一個(gè)或更多個(gè)電感器。第一 DC端36連接到DC網(wǎng)絡(luò)22的正端46，該正端46攜帶的電壓為+VDC/2，其中，Vdc是DC網(wǎng)絡(luò)22的DC電壓范圍。第二 DC端38連接到DC網(wǎng)絡(luò)22的負(fù)端48，該負(fù)端48攜帶的電壓為_Vdc/2。一對(duì)DC側(cè)電容器50a、50b串聯(lián)連接在第一 DC端36和第二 DC端38之間，在DC 側(cè)電容器50a、50b之間的接合處提供到地52的連接。到地52的連接確保在連接到AC端 44的變壓器32上存在零凈DC電壓。在其它實(shí)施方式中，設(shè)想到的是，可以將到地52的連接移動(dòng)到連接到AC端44的變壓器32的中性點(diǎn)(星點(diǎn))。參考圖3，第一分支部分3 和第二分支部分34b中的每一個(gè)的鏈?zhǔn)阶儞Q器42包括串聯(lián)連接的模塊M的鏈，每個(gè)模塊M包括兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件陽，該兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件 55以全橋布置與電容器58并聯(lián)連接，以形成能夠提供正、零或負(fù)電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極性模塊。能夠操作次級(jí)開關(guān)元件55，使得模塊M的鏈提供步進(jìn)式的可變電壓源，并且次級(jí)開關(guān)元件55以AC網(wǎng)絡(luò)20的基頻進(jìn)行開關(guān)。設(shè)想到的是，在其它實(shí)施方式中，可以用不同的蓄能設(shè)備(例如燃料電池、電池組或具有相關(guān)聯(lián)的整流器的輔助AC發(fā)電機(jī))來代替每個(gè)模塊M的電容器58。可以通過改變次級(jí)開關(guān)元件55的狀態(tài)，來將每個(gè)模塊M的電容器58設(shè)為旁路， 或者將每個(gè)模塊M的電容器58插入到相應(yīng)的鏈?zhǔn)阶儞Q器42中。當(dāng)一對(duì)次級(jí)開關(guān)元件55被配置為在模塊M中形成短路時(shí)，模塊M的電容器58 被設(shè)為旁路，使得電壓源變換器中的電流流過該短路，并繞過電容器58。當(dāng)所述一對(duì)次級(jí)開關(guān)元件55被配置為允許變換器電流流入并流出電容器58時(shí)， 模塊M的電容器58被插入到鏈?zhǔn)阶儞Q器42，電容器58隨后能夠?qū)ζ浯鎯?chǔ)的能量進(jìn)行充電或放電，并提供電壓。因而，可以通過將多個(gè)模塊M的電容器58插入到鏈?zhǔn)阶儞Q器42中，來構(gòu)成鏈?zhǔn)阶儞Q器42上的組合電壓，該組合電壓高于來自單獨(dú)模塊中的每一個(gè)的可用電壓，其中每個(gè)電容器提供其自己的電壓。還可以改變每個(gè)模塊M的開關(guān)操作的時(shí)序，使得將單獨(dú)模塊M的電容器58插入到鏈?zhǔn)阶儞Q器42中和/或使電容器58變?yōu)榕月穼?dǎo)致產(chǎn)生電壓波形。在圖4中示出了使用鏈?zhǔn)阶儞Q器42產(chǎn)生的電壓波形的示例，其中，單獨(dú)模塊M的電容器58的插入是交錯(cuò)的，以產(chǎn)生50Hz的正弦波形。通過調(diào)整鏈?zhǔn)阶儞Q器42中的各模塊M的開關(guān)操作的時(shí)序，可以產(chǎn)生其它波形形狀。在圖3中所示的實(shí)施方式中，每個(gè)次級(jí)開關(guān)元件55包括附有反向并聯(lián)連接的二極管的絕緣柵雙極晶體管。在其它實(shí)施方式中，設(shè)想到的是，各個(gè)次級(jí)開關(guān)元件55可以包括附有反向并聯(lián)連接的二極管的不同的半導(dǎo)體開關(guān)，例如柵極可關(guān)斷晶閘管或集成柵極換流晶閘管。每個(gè)模塊M的次級(jí)開關(guān)元件55a、55b、55c、55d(圖5)的狀態(tài)決定通過模塊M的電流的路徑以及模塊M所提供的電壓。更具體地，當(dāng)通過閉合次級(jí)開關(guān)元件5 和55c或者閉合次級(jí)開關(guān)元件55b、55d 來將電容器58設(shè)為旁路時(shí)，模塊M提供零電壓。當(dāng)次級(jí)開關(guān)元件5 和55d閉合而次級(jí)開關(guān)元件5 和55c斷開使得電流經(jīng)由次級(jí)開關(guān)元件55a和55d流入并流出電容器58時(shí)，模塊54為電流流動(dòng)的兩個(gè)方向提供正電壓。當(dāng)開關(guān)55b和55c閉合而開關(guān)55a和55d斷開使得電流經(jīng)由開關(guān)55b和55c流入并流出電容器58時(shí)，模塊54為電流流動(dòng)的兩個(gè)方向提供負(fù)電壓。每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42中模塊54的數(shù)量是由電源變換器37的所需額定電壓確定的。在使用時(shí)，第一分支部分34a和第二分支部分34b的開關(guān)元件40和鏈?zhǔn)阶儞Q器42 可操作用于在相應(yīng)DC端36、38與AC端44之間將每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42接入電路和將每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42從電路斷開。鏈?zhǔn)阶儞Q器42可操作用于在AC端44產(chǎn)生電壓波形。優(yōu)選地，鏈?zhǔn)阶儞Q器42可操作用于使用步進(jìn)式近似來產(chǎn)生正弦電壓波形。鏈?zhǔn)阶儞Q器42由于其有能力提供用于增加或減小AC端44的輸出電壓的電壓階躍，而適用于在步進(jìn)式波形產(chǎn)生中使用。如前面所描述的，可以對(duì)鏈?zhǔn)侥K54中的開關(guān)操作進(jìn)行配置，使得對(duì)電容器58的插入和旁路是交錯(cuò)的，以形成正弦波形的步進(jìn)式近似，如圖4中所示?？梢酝ㄟ^使用更多數(shù)量的電壓電平較低的模塊54增加電壓階躍62的數(shù)量來改善電壓波形的步進(jìn)式近似，如圖 6中所示。閉合第一分支部分34a的開關(guān)元件40，同時(shí)斷開第二分支部分34b的開關(guān)元件 40。對(duì)第一分支部分34a中的鏈?zhǔn)阶儞Q器42進(jìn)行控制，以提供+VDC/2的電壓，使得該電壓對(duì)抗DC網(wǎng)絡(luò)22的正端46的電壓。因而，AC相連接端44的輸出電壓為零伏特，即正端46 的正DC電壓(+Vdc/2)與負(fù)端48的負(fù)DC電壓(_Vdc/2)之間的中點(diǎn)。任何未用的鏈?zhǔn)侥K 54處于旁路模式。為了產(chǎn)生正弦電壓波形的正電壓分量60，通過減少插入到鏈?zhǔn)阶儞Q器42中的模塊54的電容器58的數(shù)量并從而減小鏈?zhǔn)阶儞Q器電壓，來緩慢地增加輸出電壓。可以在AC 端44的輸出電壓的步進(jìn)式增量中觀察到鏈?zhǔn)阶儞Q器電壓的變化。在正電壓分量66的峰值 64，鏈?zhǔn)阶儞Q器42可以被設(shè)為旁路，以產(chǎn)生等于正DC電壓46(+Vdc/2)的峰值，或者其可以產(chǎn)生加到DC網(wǎng)絡(luò)22的正DC電壓46的電壓。因而，如果需要的話，所產(chǎn)生的正電壓分量66 可以具有比DC網(wǎng)絡(luò)22的正DC電壓46更高的峰值64。在產(chǎn)生正弦電壓波形的正電壓分量66期間，第二分支部分34b兩端的電壓等于輸出電壓與DC網(wǎng)絡(luò)22的負(fù)端48的負(fù)DC電壓(_VDC/2)之間的差。然后對(duì)第一分支部分34a的鏈?zhǔn)阶儞Q器42進(jìn)行控制，以通過控制鏈?zhǔn)阶儞Q器42 上的組合電壓來以步進(jìn)式減量減小輸出電壓，直到輸出電壓返回至零為止。當(dāng)輸出電壓返回至零時(shí)，在第二分支部分34b的開關(guān)元件40閉合的情況下并且在斷開第一分支部分34a的開關(guān)元件40之前，第一分支部分34a中的開關(guān)元件40可以保持閉合。這種臨時(shí)的重疊時(shí)段提供了將多個(gè)模塊54直接與DC網(wǎng)絡(luò)22并聯(lián)連接的方法，并且提供了重新設(shè)置電容器58的電壓電平的任何漂移的方便方法。在兩個(gè)開關(guān)元件40a、40b從一個(gè)狀態(tài)到另一狀態(tài)的切換操作期間，兩個(gè)分支部分 34a,34b中的鏈?zhǔn)阶儞Q器42所提供的電壓對(duì)抗DC網(wǎng)絡(luò)22的全電壓范圍VDC。 對(duì)第一分支部分34a中的鏈?zhǔn)阶儞Q器42進(jìn)行控制以提供+Vdc/2的電壓，同時(shí)對(duì)第二分支部分34b中的鏈?zhǔn)阶儞Q器42進(jìn)行控制以提供_Vdc/2的電壓。結(jié)果，當(dāng)開關(guān)元件40 從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)時(shí)，在第一分支部分34a和第二分支部分34b的開關(guān)元件40上存在零或最小電壓。各分支部分34a、34b的開關(guān)元件40上的低電壓導(dǎo)致較低的開關(guān)損失。正弦波形的負(fù)電壓分量68的產(chǎn)生與正電壓分量66的產(chǎn)生類似，除了第一分支部分34a的開關(guān)元件40保持?jǐn)嚅_而第二開關(guān)元件40保持閉合，以及電壓波形的產(chǎn)生是通過第二分支部分34的鏈?zhǔn)阶儞Q器42中對(duì)模塊M的插入和對(duì)模塊M的旁路而引起的。在產(chǎn)生正弦電壓波形的負(fù)電壓分量68期間，第一分支部分3 兩端的電壓等于輸出電壓與DC網(wǎng)絡(luò)22的正端46的正DC電壓(+VDC/2)之間的差。當(dāng)分支部分34a、34b中的開關(guān)元件40處于斷開狀態(tài)時(shí)，開關(guān)元件40的額定電壓是AC端44的峰值輸出電壓64與相同分支部分34a、34b的鏈?zhǔn)阶儞Q器42的最大電壓能力之間的差。例如當(dāng)峰值輸出電壓64是+Vdc/2時(shí)，第二分支部分34b的開關(guān)元件40和鏈?zhǔn)阶儞Q器42兩端的電壓等于VDC，其是峰值輸出電壓64與DC網(wǎng)絡(luò)22的負(fù)端48的負(fù)DC電壓之間的差。因此，第二分支部分34b必須具有能夠在峰值輸出電壓64超過DC網(wǎng)絡(luò)22的DC 電壓時(shí)支持更高的電壓電平Vdc的電壓能力。每個(gè)分支部分34a、34b的電壓能力是相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器42的電壓能力與相應(yīng)開關(guān)元件40的額定電壓的組合，并且如果需要?jiǎng)t可以以非對(duì)稱的方式分布。通過增加鏈?zhǔn)侥KM的數(shù)量或者增加單獨(dú)電容器58中和半導(dǎo)體開關(guān)元件^a、 55b,55c,55d中的每一個(gè)的電壓，來最大化每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42的電壓能力。因此，如果鏈?zhǔn)阶儞Q器42的電壓能力接近VDC，則可以降低開關(guān)元件40的所需額定電壓。在一些應(yīng)用中， 降低開關(guān)元件40的額定電壓是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槠湓试S使用能夠耐受比AC網(wǎng)絡(luò)20和/或DC 網(wǎng)絡(luò)22低或低得多的電壓的開關(guān)元件40。然而，還設(shè)想到的是，可以在每個(gè)分支部分34a、34b中使用具有更高額定電壓的開關(guān)元件40，使得可以降低每個(gè)分支部分34a、34b中鏈?zhǔn)阶儞Q器42的所需電壓能力。這意味著，可以減少每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42中模塊M的數(shù)量，這導(dǎo)致電壓源變換器37的大小和重量的顯著降低。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，全橋模塊56的次級(jí)開關(guān)元件55可以被配置為在相反方向上提供電壓，使得AC相連接端44的輸出電壓超過DC網(wǎng)絡(luò)22的正端46和負(fù)端48的電壓電平。對(duì)于電壓源變換器37的給定電流等級(jí)，這導(dǎo)致更大的功率輸出。全橋模塊M提供正電壓或負(fù)電壓的能力意味著每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42兩端的電壓可以由提供正電壓或負(fù)電壓而不是僅提供正電壓的模塊M的組合構(gòu)成。因而，通過控制模塊 54在提供正電壓或負(fù)電壓之間進(jìn)行交替，可以將單獨(dú)電容器58中的電壓電平維持在理想的電平。在一個(gè)電網(wǎng)中發(fā)生故障導(dǎo)致在電壓源變換器37中產(chǎn)生較高的故障電流的情況下，可以操作鏈?zhǔn)阶儞Q器42—個(gè)或另一個(gè)中每個(gè)模塊M的次級(jí)開關(guān)元件55，以插入全橋模塊M，以提供與其它非故障電網(wǎng)的驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)抗并從而降低電壓源變換器37的故障電流的電壓。例如，連接到DC網(wǎng)絡(luò)22的DC側(cè)電容器50a、50b上發(fā)生的短路導(dǎo)致正端46和負(fù)端48的電壓都下降到零伏特。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，高故障電流可以從AC網(wǎng)絡(luò)20流過變換器分支34的第一分支部分34a，并且通過該短路和變換器分支34的第二分支部分34b返回至Ij AC網(wǎng)絡(luò)20。短路的低阻抗意味著在電壓源變換器37中流動(dòng)的故障電流可能超過電壓源變換器37的電流等級(jí)?？梢酝ㄟ^對(duì)抗來自AC網(wǎng)絡(luò)20的驅(qū)動(dòng)電壓來最小化故障電流。這是通過以下方式執(zhí)行的對(duì)每個(gè)鏈?zhǔn)侥KM的次級(jí)開關(guān)元件55進(jìn)行配置，使得將模塊M插入到相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器42中，以提供對(duì)抗并從而降低驅(qū)動(dòng)電壓的電壓。在每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器42中使用全橋模塊M的實(shí)施方式中，每個(gè)模塊M能夠提供對(duì)抗AC驅(qū)動(dòng)電壓的電壓，這是因?yàn)槟KM能夠提供正或負(fù)電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。圖2中所示的電壓源變換器37適合于連接到單相AC網(wǎng)絡(luò)。在其它實(shí)施方式中，例如圖7中所示的，電壓源變換器70可以包括多個(gè)變換器分支34，每個(gè)變換器分支34包括用于連接到多相AC網(wǎng)絡(luò)20的單個(gè)相的AC端44。在這樣的實(shí)施方式中，所提供的變換器分支34的數(shù)量依賴于AC網(wǎng)絡(luò)20的相的數(shù)量。圖7中所示的電壓源變換器70包括三個(gè)變換器分支34，以允許在三相AC網(wǎng)絡(luò)20 的情況下使用該電壓源變換器70。每個(gè)變換器分支；34包括第一 DC端36、第二 DC端38以及AC端44。每個(gè)變換器分支34還限定第一分支部分3 和第二分支部分34b，每個(gè)分支部分包括開關(guān)元件40，開關(guān)元件40在第一 DC端36和第二 DC端38中的相應(yīng)端與AC端44之間與鏈?zhǔn)阶儞Q器42串聯(lián)連接。第一分支部分3 和第二分支部分34b中的每一個(gè)的開關(guān)元件40連接到AC端 44，并且第一分支部分3 和第二分支部分34b中的每一個(gè)的鏈?zhǔn)阶儞Q器42連接到相應(yīng)DC 端 36,380在使用時(shí)，每個(gè)變換器分支34的端36、38連接到DC網(wǎng)絡(luò)22，使得每個(gè)變換器分支34的第一 DC端36處的電壓為+Vdc/2，并且每個(gè)變換器分支34的第二 DC端38處的電
壓為-VDC/2。每個(gè)AC端44經(jīng)由變壓器72連接到多相AC網(wǎng)絡(luò)20的一個(gè)相，使得AC端44連接至IJ AC網(wǎng)絡(luò)20的相應(yīng)相。每個(gè)變換器分支34的第一分支部分3 和第二分支部分34b的開關(guān)元件40在使用時(shí)可操作用于在相應(yīng)DC端和AC端之間將相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器42接入電路和將鏈?zhǔn)阶儞Q器 42從電路斷開。每個(gè)變換器分支34的鏈?zhǔn)阶儞Q器42可操作用于在相應(yīng)AC端44產(chǎn)生電壓波形，使得產(chǎn)生三相電壓波形。對(duì)三相電壓源變換器的控制類似于上面描述的對(duì)單相電壓源變換器37的控制， 因?yàn)閷?duì)變換器分支34中的開關(guān)元件40與鏈?zhǔn)阶儞Q器42的串聯(lián)組合的操作只影響連接到該變換器分支34的相，而不影響連接到其它變換器分支34的相。
10
權(quán)利要求
1.一種在高壓DC電力輸送和無功功率補(bǔ)償中使用的電壓源變換器(37)，所述電壓源變換器包括至少一個(gè)變換器分支(34)，所述至少一個(gè)變換器分支(34)包括用于在使用時(shí)連接到DC網(wǎng)絡(luò)(22)的第一和第二 DC端(36、38)以及用于在使用時(shí)連接到AC網(wǎng)絡(luò)的AC端 (44)，所述或每個(gè)變換器分支限定了第一和第二分支部分(34a、34b)，每個(gè)分支部分包括至少一個(gè)開關(guān)元件(40)，所述至少一個(gè)開關(guān)元件(40)與鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)串聯(lián)連接在所述第一和第二 DC端中的相應(yīng)DC端與所述AC端之間，所述第一和第二分支部分的開關(guān)元件能夠操作用于在所述相應(yīng)DC端和所述AC端之間將相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器接入電路以及將相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器從電路斷開，并且所述鏈?zhǔn)阶儞Q器能夠操作用于在所述AC端產(chǎn)生電壓波形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓源變換器，其中，每個(gè)鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)能夠操作用于在相應(yīng)分支部分(34a、34b)從電路被斷開時(shí)產(chǎn)生抵消該分支部分兩端的電壓并從而使相應(yīng)開關(guān)組件(40)兩端的電壓最小化的電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的電壓源變換器，其中，所述分支部分(34a、34b) 中的每一個(gè)的鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)包括串聯(lián)連接的模塊(54)的鏈，每個(gè)模塊包括與蓄能設(shè)備 (58)并聯(lián)連接的至少一對(duì)次級(jí)開關(guān)元件(55)，所述次級(jí)開關(guān)元件在使用時(shí)能夠操作用于使得所述模塊的鏈限定步進(jìn)式的可變電壓源。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電壓源變換器，其中，所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)中的所述或每個(gè)模塊(54)包括兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件(55)，所述兩對(duì)次級(jí)開關(guān)元件(55)以全橋布置與相應(yīng)蓄能設(shè)備并聯(lián)連接，以限定能夠提供正或負(fù)電壓并能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的4象限雙極性模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的電壓源變換器，其中，所述或每個(gè)蓄能設(shè)備 (58)包括電容器、燃料電池、電池組或具有相關(guān)聯(lián)的整流器的輔助AC發(fā)電機(jī)。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中，每個(gè)分支部分(34a、34b)的所述或每個(gè)開關(guān)元件(40)包括半導(dǎo)體器件。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中，每個(gè)分支部分(34a、34b)的所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或權(quán)利要求7所述的電壓源變換器，其中，所述或每個(gè)半導(dǎo)體器件包括絕緣柵雙極晶體管、柵極可關(guān)斷晶間管或集成柵極換流晶閘管。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，所述電壓源變換器包括多個(gè)變換器分支(42)，每個(gè)分支包括用于在使用時(shí)連接到多相AC網(wǎng)絡(luò)(20)的相應(yīng)相的AC端(44)。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中，每個(gè)分支部分(34a、34b)的鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)能夠操作用于在使用時(shí)產(chǎn)生對(duì)抗所述AC或DC網(wǎng)絡(luò)(20、22)中故障所產(chǎn)生的電流流動(dòng)的電壓。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中，在每個(gè)分支部分(34a、34b) 中，所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)的額定電壓與所述或每個(gè)開關(guān)元件(40)的額定電壓相等。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至權(quán)利要求10中的任一項(xiàng)所述的電壓源變換器，其中，在每個(gè)分支部分(34a、34b)中，所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)的額定電壓與所述或每個(gè)開關(guān)元件(40)的額定電壓不相等。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的電壓源變換器，其中，所述第一和第二分支部分 (34a,34b)中的所述開關(guān)元件(40)能夠操作用于將所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)同時(shí)接入電路，以重新設(shè)置鏈?zhǔn)阶儞Q器元件中的任何電壓漂移。
全文摘要
一種在高壓DC電力輸送和無功功率補(bǔ)償中使用的電壓源變換器(37)。所述電壓源變換器(37)包括至少一個(gè)變換器分支(34)，該至少一個(gè)變換器分支(34)包括用于在使用時(shí)連接到DC網(wǎng)絡(luò)(22)的第一和第二DC端(36、38)以及用于在使用時(shí)連接到AC網(wǎng)絡(luò)(20)的AC端(44)。所述或每個(gè)變換器分支(34)限定了第一和第二分支部分(34a、34b)，每個(gè)分支部分(34a、34b)包括至少一個(gè)開關(guān)元件(40)，所述至少一個(gè)開關(guān)元件(40)與鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)串聯(lián)連接在所述第一和第二DC端(36、38)中的相應(yīng)DC端與AC端(44)之間。所述第一和第二分支部分(34a、34b)的開關(guān)元件(40)能夠操作用于在相應(yīng)DC端(36、38)和所述AC端(44)之間將相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)接入電路以及將相應(yīng)鏈?zhǔn)阶儞Q器從該電路斷開。所述鏈?zhǔn)阶儞Q器(42)能夠操作用于在所述AC端(44)產(chǎn)生電壓波形。
文檔編號(hào)H02M7/483GK102460933SQ200980159998
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者C·奧特斯, D·特拉內(nèi)爾, W·克魯克斯 申請(qǐng)人:阿海琺T&D 英國有限公司