專利名稱：混合二級(jí)及多級(jí)高壓直流換流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種供在高壓直流(high voltage direct current, HVDC)功率傳輸和無功功率補(bǔ)償中使用的電壓源換流器(voltage source converter)以及一種操作電壓源換流器的方法。
背景技術(shù)：
在功率傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)功率通常轉(zhuǎn)換為直流(DC)功率以通過架空線路和/或海底電纜傳輸。經(jīng)過這種轉(zhuǎn)換，無需補(bǔ)償由這些線路和/或電纜所施加的交流電容負(fù)載效應(yīng)，從而降低這些線路和/或電纜的每千米的費(fèi)用。因此，當(dāng)需要在長距離上傳輸功率時(shí)，從交流到直流的轉(zhuǎn)換變得劃算。從交流到直流功率的轉(zhuǎn)換還在功率傳輸網(wǎng)絡(luò)中被使用，在該功率傳輸網(wǎng)絡(luò)中需要 互連在不同的頻率下工作的交流網(wǎng)絡(luò)。在任何這樣的功率傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在交流和直流功率之間的每一個(gè)接口處都需要換流器來實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)換，其中一種該形式的換流器為電壓源換流器(VSC)。交流功率通常取決于交流相位的數(shù)量以一個(gè)或多個(gè)正弦波形的形式被傳輸。但是，電壓源換流器的交流側(cè)的正弦交流波形會(huì)在電壓源換流器的直流側(cè)和相關(guān)聯(lián)的直流網(wǎng)絡(luò)中導(dǎo)致高水平的直流電壓紋波。在直流網(wǎng)絡(luò)中存在直流紋波使低成本的電纜無法使用。低成本的電纜通常難以容忍交變電壓應(yīng)力，從而增加直流功率傳輸線路的安裝成本。此外，直流紋波的交變性質(zhì)導(dǎo)致直流功率傳輸線路和鄰近的電話線路之間的不希望有的干擾，這增大了對(duì)直流功率傳輸線路的布局設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。常規(guī)地，發(fā)電站在電壓源換流器的直流側(cè)上利用直流過濾設(shè)備(比如無源電感和電容元件)以最小化直流紋波。分別將并聯(lián)的電容和串聯(lián)的電感與電壓源換流器結(jié)合使用使電壓和電流紋波減少。然而，功率傳輸?shù)母唠妷盒再|(zhì)意味著必須采用較大的無源電感和電容元件，而這增加了相關(guān)聯(lián)的發(fā)電站的尺寸、重量和成本。這在具有有限空間封裝的位置(比如近海風(fēng)電場)中尤其是不可取的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于高壓直流功率傳輸和無功功率補(bǔ)償?shù)碾妷涸磽Q流器，所述電壓源換流器包括用于在使用中連接到直流網(wǎng)絡(luò)上的第一和第二直流端子、連接在所述第一和第二直流端子之間的三個(gè)相位元件以及至少一個(gè)輔助換流器，每一個(gè)相位元件都包括多個(gè)一次開關(guān)元件和至少一個(gè)用于在使用中連接到多相交流網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)相上的交流端子，所述多個(gè)一次開關(guān)元件在使用中是可控的，以便于所述交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)之間的功率轉(zhuǎn)換，所述或每一個(gè)輔助換流器在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改(modify)被提供給所述直流網(wǎng)絡(luò)的第一直流電壓，以便最小化所述直流電壓中的紋波。
輔助換流器的提供使電壓源換流器具有靈活的直流側(cè)有源過濾器，所述直流側(cè)有源過濾器能夠合成一系列具有不同形狀和大小的波形以最小化直流紋波，其根據(jù)交流和直流網(wǎng)絡(luò)的特性而變化。直流網(wǎng)絡(luò)中的直流紋波的減少不僅通過使得能夠使用難以容忍交變電壓應(yīng)力的低成本的電纜而減小了安裝成本，而且通過最小化與位于直流網(wǎng)絡(luò)附近的電話線路之間的不希望的干擾而簡化了與直流網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)問題(比如位置)。直流紋波以這種方式的減少還排除了以無源電感和電容元件形式的直流側(cè)過濾元件的需要。這去除了安裝和維護(hù)直流側(cè)過濾元件的額外成本，通過最小化換流器硬件的數(shù)量改善了相關(guān)聯(lián)的發(fā)電站的可靠性和效率，并且減小了硬件大小和重量，這適用于具有有限空間封裝的位置(比如近海風(fēng)電場)。優(yōu)選地，每一個(gè)相位元件都包括兩串并聯(lián)連接的串聯(lián)一次開關(guān)元件，每串串聯(lián)連接的一次開關(guān)元件的中點(diǎn)限定用于在使用中連接到所述交流網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)相上的交流端子。
這樣的電壓源換流器布置可以被利用，以便于交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)之間的功率轉(zhuǎn)換。在其他的實(shí)施例中，所述電壓源換流器可以包括連接在所述第一和第二直流端子之間的三個(gè)輔助換流器，其中，每一個(gè)輔助換流器都與所述相位元件中的各個(gè)相位元件并聯(lián)連接，以限定單相換流器分支，并且所述三個(gè)單相換流器分支在電路的直流側(cè)串聯(lián)連接，以限定用于三相功率傳輸?shù)膬啥酥绷骶W(wǎng)絡(luò)。除了適用于便于交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)之間的功率轉(zhuǎn)換外，這樣的電壓源換流器布置還使每一個(gè)輔助換流器能夠被控制，以便對(duì)連接到對(duì)應(yīng)相位元件的交流端子上的相位產(chǎn)生直接的影響而對(duì)連接到其他兩個(gè)相位元件的交流端子上的相位產(chǎn)生有限的影響。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述或每一個(gè)輔助換流器在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改被提供到所述各個(gè)相位元件的直流側(cè)上的第二直流電壓。在這樣的實(shí)施例中，所述或每一個(gè)輔助換流器在使用中能夠操作為合成用于提供到所述各個(gè)相位元件的所述直流側(cè)上的整流正弦波形的近似逼近(nearapproximation)。所述或每一個(gè)輔助換流器可被用于對(duì)將轉(zhuǎn)移到電壓源換流器的交流側(cè)上的直流電壓進(jìn)行整形。否則，恒定的直流側(cè)電壓會(huì)在所述或每一個(gè)相位元件上產(chǎn)生方波電壓，伴隨顯著的諧波分量及半導(dǎo)體器件的硬切換(hard switching)。但是，提供一個(gè)或多個(gè)輔助換流器能夠產(chǎn)生具有更小諧波失真的更合適的交流波形(比如正弦波形)，并且還能夠在低水平的電壓和電流下實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件的軟切換(soft-switching)。為了最小化所述第一直流電壓中的一個(gè)或多個(gè)諧波紋波分量，所述或每一個(gè)輔助換流器在使用中能夠操作為合成一個(gè)包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量(triplen harmonic component)的波形，以抵消所述第一直流電壓中的一個(gè)或多個(gè)諧波紋波分量。當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷喊ㄋ龅谝恢绷麟妷褐幸越涣麟娫搭l率的諧波(比如第六諧波、第十二諧波和第十八諧波)形式存在的不希望的紋波分量時(shí)，將更高階的零相位序列、三倍次數(shù)諧波分量添加到合成波形抵消了每一個(gè)諧波紋波分量從而最小化第一直流電壓中的直流紋波。例如，分別將第九諧波和第十五諧波零相位序列分量包含在合成波形中使第一直流電壓中的第六和第十二諧波紋波分量被消除。
諧波分量的零相位序列性質(zhì)意味著當(dāng)變壓器被用于將電壓源換流器和交流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連時(shí)，額外調(diào)制的效果被局限于連接到電壓源換流器上的變壓器的二次側(cè)，并且對(duì)連接到電壓源換流器上的變壓器的一次側(cè)處的交流電壓和電流沒有影響。為了最小化所述第一直流電壓中的一個(gè)或多個(gè)諧波紋波分量，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括直流電壓分量和至少一個(gè)諧波交流電壓分量的波形，每一個(gè)波形與其他兩個(gè)波形之間的相位差為120電角度。合成波形之間的120電角度的相位差意味著對(duì)三個(gè)合成波形進(jìn)行求和將使諧波交流電壓分量互相抵消，從而留下由直流電壓分量構(gòu)成的無紋波直流側(cè)電壓。這樣的波形進(jìn)行合成更直接，這在合成波形時(shí)簡化了對(duì)每個(gè)輔助換流器的控制。盡管使用非零相位序列諧波交流電壓分量可以導(dǎo)致交流網(wǎng)絡(luò)處的低水平的諧波失真，但是在具有不是很嚴(yán)格的電能質(zhì)量要求的交流網(wǎng)絡(luò)中低水平的諧波失真還是可接受的。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，電壓源換流器可以進(jìn)一步包括至少一個(gè)三級(jí)換流器(tertiary converter),所述或每一個(gè)三級(jí)換流器在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改一個(gè)或多個(gè)第二直流電壓，每一個(gè)第二直流電壓都被提供到所述各個(gè)相位元件的所述直流側(cè)上。在這樣的實(shí)施例中，所述或每一個(gè)三級(jí)換流器可以在使用中操作為合成抵消整流正弦波形(offset rectified sinusoidal waveform)的近似逼近,所述抵消整流正弦波形用于提供到所述各個(gè)相位元件的所述直流側(cè)上。在采用單相換流器分支的實(shí)施例中，每一個(gè)單相換流器分支可包括至少一個(gè)三級(jí)換流器。至少一個(gè)三級(jí)換流器可與各個(gè)單相換流器分支中的所述相位元件串聯(lián)連接。在采用三級(jí)換流器的其他實(shí)施例中，所述相位元件可以級(jí)聯(lián)布置的方式連接以限定第一分支，三個(gè)輔助換流器可以級(jí)聯(lián)布置的方式連接以限定第二分支，所述第一和第二分支并聯(lián)連接在所述第一和第二直流端子之間的所述電路的所述直流側(cè)，并且三級(jí)換流器可被連接在所述相位元件之間的各個(gè)接合點(diǎn)和所述輔助換流器之間的各個(gè)接合點(diǎn)之間。提供所述或每一個(gè)三級(jí)換流器使得在每一個(gè)相位元件的交流側(cè)處能夠生成期望的交流波形形狀，而不論由所述或每一個(gè)輔助換流器合成的波形形狀如何。例如，當(dāng)輔助換流器被用于合成包含非零相位序列交流分量的波形，以修改第一直流電壓并且從而最小化直流紋波，所述或每一個(gè)三級(jí)換流器能夠被控制為修改合成波形，以形成用于提供到相位元件的直流側(cè)上的抵消整流正弦波形。因此，這使得電壓源換流器能夠在最小化直流紋波的同時(shí)維持具有最小諧波失真的高質(zhì)量的交流正弦波形。優(yōu)選地，所述或每一個(gè)三級(jí)換流器和/或所述或每一個(gè)輔助換流器包括鏈連接(chain-1 ink)換流器。這種鏈連接換流器可包括串聯(lián)連接的模塊(19)的鏈，每一個(gè)模塊都包括與儲(chǔ)能裝置并聯(lián)連接的至少一對(duì)第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件在使用中是可控的，使得串聯(lián)連接的模塊的所述鏈表示階梯式可變電壓源。為限定能夠提供零電壓或正電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的二象限單極性模塊，所述或每一個(gè)模塊可包括與所述儲(chǔ)能裝置以半橋布置的方式并聯(lián)連接的一對(duì)第二開關(guān)元件。為限定能夠提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的四象限雙極性模塊，所述或每一個(gè)模塊可包括與所述儲(chǔ)能裝置以全橋布置的方式并聯(lián)連接的兩對(duì)第二開關(guān)元件。
所述鏈連接換流器的結(jié)構(gòu)使得通過將多個(gè)模塊插入到鏈連接換流器中能夠建立聯(lián)合電壓，每一個(gè)模塊都提供一個(gè)電壓，該聯(lián)合電壓高于由單個(gè)模塊所提供的電壓。通過改變?cè)撀?lián)合電壓的值，鏈連接換流器能夠被操作為生成可變幅度和相位角的電壓波形。優(yōu)選地，每一個(gè)儲(chǔ)能裝置都包括電容器、燃料電池、蓄電池、光伏電池或者具有關(guān)聯(lián)的整流器的輔助交流發(fā)電機(jī)。這樣的靈活性在設(shè)計(jì)不同位置中的換流器站時(shí)是有利的，其中設(shè)備的實(shí)用性可以因位置和運(yùn)輸難度而改變。例如，在近海風(fēng)電場上的每一個(gè)模塊的儲(chǔ)能裝置可以以連接到風(fēng)力渦輪機(jī)上的輔助交流發(fā)電機(jī)的形式被提供。優(yōu)選地，每一個(gè)開關(guān)元件都包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件或者包括多個(gè)串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件。所述或每一個(gè)半導(dǎo)體器件可以是絕緣柵雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、門極換流晶閘管、集成的門極換流晶閘管或晶體管。在采用半導(dǎo)體器件的實(shí)施例中，每一個(gè)半導(dǎo)體器件都可以與反向并聯(lián)二極管并聯(lián) 連接。使用半導(dǎo)體器件是有利的，因?yàn)檫@樣的器件具有較小的尺寸和重量并且具有相對(duì)低的功率損耗，這將使冷卻設(shè)備的需要最小化。因此，大大降低了換流器的成本、尺寸和重量。這種半導(dǎo)體器件的快速開關(guān)能力使得所述或每一個(gè)輔助換流器不僅能夠當(dāng)修改第一和/或第二直流電壓時(shí)合成復(fù)雜的波形，而且能夠合成高質(zhì)量的波形以進(jìn)一步最小化諧波失真和直流紋波水平。此外，包含這樣的半導(dǎo)體器件使得所述或每一個(gè)輔助換流器能夠快速地響應(yīng)交流和直流電壓的變化并且相應(yīng)地修改合成的波形。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述或每一個(gè)輔助換流器在使用中能夠操作為合成包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形，以產(chǎn)生補(bǔ)償直流電壓分量來補(bǔ)償對(duì)所述各個(gè)相位元件的所述交流側(cè)的有功和/或無功功率要求中的變化。在使用中，所述波形的合成可以產(chǎn)生負(fù)的補(bǔ)償直流電壓分量，以補(bǔ)償從所述交流網(wǎng)絡(luò)生成無功功率所需的所述第一直流電壓的增大；或者可以產(chǎn)生正的補(bǔ)償直流電壓分量，以補(bǔ)償從所述交流網(wǎng)絡(luò)吸收無功功率所需的所述第一直流電壓的減小。通過控制每一個(gè)輔助換流器，能夠產(chǎn)生補(bǔ)償直流電壓分量，從而確保當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷旱膬粼龃蠡驕p小被控制為零的同時(shí)交流電壓能夠被改變，以便無源功率控制成為可倉泛。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種控制電壓源換流器的方法，所述電壓源換流器包括多個(gè)在連接到直流網(wǎng)絡(luò)上的第一和第二直流端子之間連接的相位元件，所述或每一個(gè)相位元件包括多個(gè)一次開關(guān)元件和至少一個(gè)連接到多相交流網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)相上的交流端子，所述方法包括控制所述多個(gè)一次開關(guān)元件，以便于所述交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)之間的功率轉(zhuǎn)換；以及修改被提供給所述直流網(wǎng)絡(luò)的第一直流電壓，以最小化所述第一直流電壓中的紋波。本發(fā)明的其他有利的特征被記載在從屬權(quán)利要求27至32中。


現(xiàn)在通過非局限性的實(shí)施例并且結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，其中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電壓源換流器的示意圖；圖2示出了利用鏈連接換流器來合成50Hz正弦波形；圖3示出了為便于對(duì)電壓源換流器進(jìn)行無功功率控制所需的第一直流電源與交流側(cè)電壓的基波分量的比值、在存在恒定的平均第一直流電源的情況下所需的第三諧波調(diào)制量、以及為完全地消除來自第一直流電壓中的第六和第十二諧波紋波分量所需的第九和第十五諧波調(diào)制的相對(duì)水平；圖4示出了針對(duì)接近于O. 8調(diào)制指數(shù)的工作條件的合成波形和相應(yīng)的交流側(cè)波形，其中需要大量的第三、第九和第十五諧波調(diào)制量； 圖5示出了為最小化直流紋波而對(duì)圖I中的電壓源換流器進(jìn)行操作的示意圖；圖6示出了包括三級(jí)換流器的單相換流器分支的示意圖；以及圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電壓源換流器的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的電壓源換流器10a。電壓源換流器IOa包括第一和第二直流端子12、14，三個(gè)相位元件16以及三個(gè)輔助換流器18。在使用中，第一和第二直流端子12、14被分別連接到直流網(wǎng)絡(luò)20的正端子和負(fù)端子上，所述正端子和負(fù)端子分別攜帶+Vdc/2和-Vdc/2的電壓，其中Vdc為直流網(wǎng)絡(luò)20的電壓范圍。每一個(gè)相位元件16都包括兩個(gè)并聯(lián)連接的串聯(lián)一次開關(guān)元件22對(duì)。每一個(gè)一次開關(guān)元件22都以一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管的形式存在，每一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管與反向并聯(lián)二極管并聯(lián)連接。每串串聯(lián)一次開關(guān)元件22的中點(diǎn)限定用于在使用中連接到三相交流網(wǎng)絡(luò)26的各個(gè)相上的交流端子24。在使用中，一次開關(guān)元件22是可控的，以便于交流和直流網(wǎng)絡(luò)26、20之間的功率轉(zhuǎn)換。例如，在交流網(wǎng)絡(luò)26的每一個(gè)頻率周期，一次開關(guān)元件22可被控制為導(dǎo)通和斷開一次，以使得被提供到各個(gè)相位元件16的直流側(cè)上的直流電壓能夠轉(zhuǎn)換為交流電壓。每一個(gè)輔助換流器18都以包括串聯(lián)連接的模塊19的鏈的鏈連接換流器形式存在，并且與各個(gè)相位元件16并聯(lián)連接，以限定單相換流器分支27。三個(gè)單相換流器分支27被串聯(lián)連接在第一和第二直流端子12、14之間的電路的直流側(cè)上，以限定用于三相功率傳輸?shù)膬啥酥绷骶W(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)單相換流器分支27的相位元件16和輔助換流器18獨(dú)立于其他的單相換流器分支27工作并且因此僅直接地影響與相應(yīng)相位元件16的交流端子24相連接的相，而對(duì)與其他相位元件16的交流端子24相連接的相產(chǎn)生有限的影響。在使用中，電壓源換流器IOa的操作導(dǎo)致第一直流電壓提供到直流網(wǎng)絡(luò)20中，其中第一直流電壓等于橫跨相位元件16的各個(gè)直流電壓的總和。在本發(fā)明的實(shí)施例中，每一個(gè)鏈連接換流器18中的每一個(gè)模塊19可包括一對(duì)與電容器以半橋布置的方式并聯(lián)連接的二次開關(guān)元件，以限定二象限單極性模塊，所述二象限單極性模塊能夠提供零電壓或正電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。
在其他的實(shí)施例中，每一個(gè)鏈連接換流器18中的每一個(gè)模塊19可包括兩對(duì)與電容器以全橋布置的方式并聯(lián)連接的二次開關(guān)元件，以限定四象限單極性模塊，所述四象限單極性模塊能夠提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流。每一個(gè)模塊19的二次開關(guān)元件都是可操作的，使得模塊19的鏈提供階梯式可變電壓源。每一個(gè)二次開關(guān)元件都包括與反向并聯(lián)二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管。絕緣柵雙極型晶體管的快速開關(guān)能力使得所述或每一個(gè)輔助換流器18不僅能夠合成復(fù)雜的波形以修改第一直流電壓，而且能夠合成高質(zhì)量的波形以進(jìn)一步最小化諧波失 真和直流紋波水平。此外，包含這樣的半導(dǎo)體器件使得輔助換流器18能夠快速地響應(yīng)交流和直流電壓的變化并且相應(yīng)地修改合成的波形的特性。可以想到的是，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，每一個(gè)一次和二次開關(guān)元件都可包括不同的半導(dǎo)體器件，例如場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、門極換流晶閘管、集成的門極換流晶閘管、晶體管、或伴隨著反向并聯(lián)連接的二極管的其他的強(qiáng)制換流或自換流半導(dǎo)體開關(guān)。還可以想到的是，在其他的實(shí)施例中，每一個(gè)一次和二次開關(guān)元件都可包括單個(gè)的半導(dǎo)體器件或串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件的串。串聯(lián)布置使得使用具有低額定功率的半導(dǎo)體器件能夠提供組合的額定功率，該組合的額定功率與功率傳輸?shù)母唠妷盒再|(zhì)是兼容的。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，可以想到的是，每一個(gè)模塊19中的電容器都可由不同的儲(chǔ)能裝置(例如燃料電池、蓄電池、光伏電池或者具有關(guān)聯(lián)的整流器的輔助交流發(fā)電機(jī))替換。每一個(gè)模塊19中的電容器都可通過改變二次開關(guān)元件的狀態(tài)被旁路或插入到鏈連接換流器18中。當(dāng)一對(duì)二次開關(guān)元件被配置為在模塊19中形成短路電路時(shí)，模塊19中的電容器被旁路，導(dǎo)致電壓源換流器IOa中的電流通過該短路電路并且將該電容器旁路。當(dāng)一對(duì)二次開關(guān)元件被配置為使得換流器的電流流入或流出電容器時(shí)，模塊19中的該電容器被插入到鏈連接換流器18中，這之后能夠?qū)﹄娙萜鞔鎯?chǔ)的能量進(jìn)行充電或放電并且提供電壓。在使用四象限雙極性模塊的實(shí)施例中，二次開關(guān)元件可被配置為沿正向或反向插入電容器，以便提供正電壓或負(fù)電壓。因此，能夠橫跨鏈連接換流器18建立聯(lián)合電壓，該聯(lián)合電壓高于通過將多個(gè)模塊19的電容器插入到鏈連接換流器18從各個(gè)模塊19 (每一個(gè)模塊提供它自己的電壓)中獲得的電壓。四象限雙極性模塊提供正電壓或負(fù)電壓的能力意味著每一個(gè)鏈連接換流器18兩端的電壓可通過組合提供正電壓或負(fù)電壓的模塊19被建立。通過控制模塊19在提供正電壓或提供負(fù)電壓之間交替變化，將各個(gè)電容器的能級(jí)保持在最優(yōu)水平。還能夠針對(duì)每一個(gè)模塊19改變開關(guān)操作的時(shí)序，使得在鏈連接換流器18中插入和/或旁路各個(gè)模塊19中的電容器導(dǎo)致電壓波形的生成。圖2中示出了使用鏈連接換流器18生成電壓波形的例子，其中各個(gè)模塊19中的電容器被交錯(cuò)地插入以生成50Hz的正弦波形。通過針對(duì)鏈連接換流器18中每一個(gè)模塊19調(diào)節(jié)開關(guān)操作的時(shí)序，可以生成其他的波形形狀。
可以想到的是，在其他的實(shí)施例中，每一個(gè)鏈連接換流器18可由具有類似波形合成能力的其他功率換流器替換。在使用中，每一個(gè)輔助換流器18可被用于通過合成用于提供到相位元件16的直流側(cè)上的整流正弦波形的近似逼近來修改被提供到各個(gè)相位元件16的直流側(cè)上的第二直流電壓。這會(huì)在相位元件16的交流側(cè)上產(chǎn)生具有最小諧波失真的接近完美的正弦波。電壓源換流器IOa從而在換流器IOa的交流側(cè)上不需要諧波濾波器來控制電能質(zhì)量。這還使得一次開關(guān)元件22能夠在接近零電壓處被切換，從而在換流器的正常工作期間的開關(guān)損耗幾乎為零。使用輔助換流器18意味著被提供到每一個(gè)相位元件16中的一次開關(guān)元件22的電壓輪廓由各個(gè)輔助換流器18施加和控制，并且是一個(gè)緩變的波形，而不是將被提供到絕緣柵雙極型晶體管上的高電壓階躍。因此，在主換流器設(shè)計(jì)內(nèi)不需要復(fù)雜的有緣柵極驅(qū)動(dòng)以及大的電壓共享組件，從而獲得更簡單、更便宜和更有效的硬件。
此外，使用輔助換流器18能夠在默認(rèn)情況下使施加到每一個(gè)相位元件16中的一次開關(guān)元件22的電壓在需要時(shí)被快速地下降到零(或最小值)，以便于折算電壓處的軟切換。為了補(bǔ)償對(duì)相位元件16的交流側(cè)上的有效功率和/或無功功率要求的變化，輔助換流器18優(yōu)選地被操作為合成包括三倍次數(shù)諧波電壓的波形，以修改第一直流電壓。這會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償直流電壓分量以補(bǔ)償相位元件16的直流側(cè)上的直流電壓的合成變化。例如，在需要在相位元件16的交流側(cè)上生成無功功率的情況下，輔助換流器18可操作為合成包括整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形。這會(huì)產(chǎn)生負(fù)的補(bǔ)償直流電壓分量以補(bǔ)償?shù)谝恢绷麟妷旱暮铣稍龃?。在需要吸收來自相位元件的交流?cè)的無功功率的情況下，輔助換流器18可操作為合成包括整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形。這會(huì)產(chǎn)生正的補(bǔ)償直流電壓分量以補(bǔ)償?shù)谝恢绷麟妷旱暮铣蓽p小。通過控制每一個(gè)輔助換流器18，能夠產(chǎn)生補(bǔ)償直流電壓分量，以便確保第一直流電壓的凈增大或減小被控制為零，同時(shí)交流電壓可被改變，以使得能夠進(jìn)行無功功率控制。將輔助換流器18操作為合成包括整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形還可被用于在不需要或者需要較小的無功功率需求的情況下增大相位元件16的交流側(cè)上的交流電壓。對(duì)于給定的功率變換，這在整流以及逆變器工作模式下減小了換流器IOa所吸收的電流。這是有利的，因?yàn)榈碗娖降碾娏鳒p小了將另外出現(xiàn)在換流器設(shè)備中的功率損耗。它還能減小連接到相位元件16的交流側(cè)上的任何電容器(未示出)中的紋波電流分量，從而降低電容量要求和相關(guān)聯(lián)的功率損耗。在一次線間電壓波形或者在一次或二次側(cè)電流波形中看不到零相位序列第三諧波分量。其他的三倍次數(shù)波形(例如，第九、第十五、第二十一，等等)也能夠被應(yīng)用，具有類似的效果。整流的三倍次數(shù)諧波分量的零相位序列性質(zhì)意味著當(dāng)變壓器被用于將電壓源換流器IOa和交流網(wǎng)絡(luò)26互連時(shí)，附加調(diào)制的影響被局限于與電壓源換流器IOa相連接的變壓器的二次側(cè)，并且在與交流網(wǎng)絡(luò)26相連接的變壓器的一次側(cè)處對(duì)交流線電壓和電流沒有影響。但是，將整流的三倍次數(shù)諧波分量添加到合成波形中導(dǎo)致第一直流電壓中的直流紋波。例如，添加第三諧波分量導(dǎo)致出現(xiàn)在第一直流電壓中的直流紋波分量，其是以交流電源頻率的第六、第十二、第十八等諧波的形式出現(xiàn)的。為最小化由添加整流的三倍次數(shù)諧波分量引起的直流紋波，每一個(gè)輔助換流器18能夠操作為合成包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形。在每一個(gè)合成波形中包含一個(gè)或多個(gè)整流的零相位序列三倍次數(shù)諧波分量消除第一直流電壓中的一個(gè)或多個(gè)諧波紋波分量。例如，當(dāng)?shù)谝恢绷麟妷褐械闹绷骷y波包括第六和第十二諧波紋波分量時(shí)，在每一個(gè)合成波形中包含第九和第十五零相位序列諧波分量可消除該第六和第十二諧波紋波分量，從而最小化第一直流電壓中的直流紋波。圖3示出了為便于對(duì)電壓源換流器進(jìn)行無功功率控制所需的第一直流電源與交流側(cè)電壓的基波分量的比值以及在存在恒定的平均第一直流電源的情況下所需的第三諧 波調(diào)制28。還示出了為完全地消除來自由于第三諧波調(diào)制而出現(xiàn)在直流網(wǎng)絡(luò)處的總計(jì)電壓中的第六和第十二諧波紋波分量所需的相應(yīng)的第九和第十五諧波調(diào)制30、32的相對(duì)水平。圖4中示出了合成波形的例子，其中，對(duì)于接近于O. 8的調(diào)制指數(shù)的工作條件，合成波形34和相應(yīng)的交流側(cè)波形36包括第三、第九和第十五諧波分量。綜上所述，將零相位序列三倍次數(shù)諧波分量引入到合成波形中對(duì)交流網(wǎng)絡(luò)具有最小的影響。圖5中示出了最小化第一直流電壓中的直流紋波的另一種方法。在該方法中，每一個(gè)輔助換流器18能夠在使用中被控制為合成包括直流電壓分量和第二諧波交流電壓分量的波形38，每一個(gè)合成波形38與其他兩個(gè)合成波形38之間的相位差為120電角度。這三個(gè)合成波形38的和使第二諧波交流電壓分量互相抵消，從而在直流網(wǎng)絡(luò)20處產(chǎn)生包括直流電壓分量的無紋波直流側(cè)電壓40。在其他的實(shí)施例中，每一個(gè)合成波形38都可包括多于一個(gè)諧波交流電壓分量。這樣的波形是更直接地進(jìn)行合成的，這簡化了當(dāng)合成所述波形時(shí)對(duì)輔助換流器18的控制。每一個(gè)合成波形38還被提供到各個(gè)相位元件16的直流側(cè)。合成波形中存在的非零相位序列諧波交流電壓分量在交流網(wǎng)絡(luò)處產(chǎn)生具有低水平諧波失真的交流側(cè)波形42。為了消除因非零相位序列諧波交流電壓分量的存在而引起的諧波失真，電壓源換流器可進(jìn)一步包括三級(jí)換流器的使用。圖I中示出的電壓源換流器IOa中的每一個(gè)單相換流器分支27都能夠被改進(jìn)成包括一個(gè)或兩個(gè)三級(jí)換流器44，每一個(gè)三級(jí)換流器被連接到相位元件16的一側(cè)上，以限定串聯(lián)連接，如圖6中所示。每一個(gè)單相換流器分支27中的每一個(gè)三級(jí)換流器44都獨(dú)立于其他的單相換流器分支27中的三級(jí)換流器44工作，因此僅直接地影響與各個(gè)相位元件16的交流端子24相連接的相，而對(duì)與其他相位元件16的交流端子24相連接的相產(chǎn)生有限的影響。每一個(gè)三級(jí)換流器44都以鏈連接換流器的形式存在，所述鏈連接換流器包括串聯(lián)連接的模塊45的鏈，并且能夠以參見圖I在上文中描述的鏈連接換流器18類似的方式工作。綜上所述，鏈連接換流器的結(jié)構(gòu)使得能夠合成用于提供到各個(gè)相位元件16的直流側(cè)上的整流正弦波形的近似逼近，從而使得第二直流電壓能夠具有與由輔助換流器18合成的波形形式不同的形式。當(dāng)每一個(gè)輔助換流器18在使用中被控制為合成包括直流電壓分量和至少一個(gè)諧波交流電壓分量的波形以最小化第一直流電壓中的直流紋波時(shí)，以這種方式使用三級(jí)換流器44以在相位元件16的交流側(cè)上生成具有最小諧波失真的交流正弦波形42，從而將非零相位序列諧波交流電壓分量對(duì)交流網(wǎng)絡(luò)的上述影響最小化。圖7中示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的電壓源換流器10b。圖7中的電壓源換流器IOb與圖I中的電壓源換流器IOa類似，除了相位元件16按級(jí)聯(lián)布置的方式連接以限定第一分支46，三個(gè)輔助換流器18按級(jí)聯(lián)布置的方式連接以限定第二分支48，第一和第二分支46、48被并聯(lián)連接在第一和第二端子12、14之間的電路的直流側(cè)上，以及每一個(gè)三級(jí)換流器44被連接在相位元件16之間的各個(gè)接合點(diǎn)和輔助換流器18之間的各個(gè)接合點(diǎn)之間。
該換流器布置是有利的，因?yàn)槊恳粋€(gè)三級(jí)換流器44都在使用中能夠操作為修改多個(gè)第二直流電壓，每一個(gè)第二直流電壓被提供到各個(gè)相位元件16的直流側(cè)上，而不是將三級(jí)換流器44分配給各個(gè)相位元件16。三級(jí)換流器44數(shù)量的減少使硬件的尺寸、重量和成本減少。因此，將輔助和/或三級(jí)換流器包含在所述換流器布置中為電壓源換流器提供了用于最小化直流紋波的直流側(cè)有源濾波能力，從而無需以無源電感和電容元件形式存在的直流側(cè)濾波設(shè)備。這減少了換流器硬件成本、尺寸和重量，同時(shí)提高了相關(guān)聯(lián)的發(fā)電站的可靠性和效率。
權(quán)利要求
1.一種用于高壓直流功率傳輸和無功功率補(bǔ)償?shù)碾妷涸磽Q流器(10a)，所述電壓源換流器包括用于在使用中連接到直流網(wǎng)絡(luò)(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、連接在所述第一和第二直流端子(12、14)之間的三個(gè)相位元件(16)以及至少一個(gè)輔助換流器(18)，每一個(gè)相位元件(16)包括多個(gè)一次開關(guān)元件(22)和至少一個(gè)用于在使用中連接到多相交流網(wǎng)絡(luò)(26)的各個(gè)相上的交流端子(24)，所述多個(gè)一次開關(guān)元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)(26、20)之間的功率轉(zhuǎn)換，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改被提供給所述直流網(wǎng)絡(luò)(20)的第一直流電壓，以便最小化所述直流電壓中的紋波。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，每一個(gè)相位元件(16)包括兩串并聯(lián)連接的串聯(lián)一次開關(guān)元件(22)，每串串聯(lián)一次開關(guān)元件的中點(diǎn)限定用于在使用中連接到所述交流網(wǎng)絡(luò)(26)的各個(gè)相上的交流端子(24)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，包括連接在所述第一和第二直流端子(12、14)之間的三個(gè)輔助換流器(18)，其中，每一個(gè)輔助換流器(18)與所述相位元件(16)中的各個(gè)相位元件并聯(lián)連接，以限定單相換流器分支(27)，并且所述三個(gè)單相換流器分支在電路的直流側(cè)串聯(lián)連接，以限定用于三相功率傳輸?shù)膬啥酥绷骶W(wǎng)絡(luò)(20)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改被提供到所述各個(gè)相位元件的直流側(cè)上的第二直流電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成用于提供到所述各個(gè)相位元件的所述直流側(cè)上的整流正弦波形的近似逼近。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形，以抵消所述第一直流電壓中的一個(gè)或多個(gè)諧波紋波分量。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括直流電壓分量和至少一個(gè)諧波交流電壓分量的波形，每一個(gè)波形與其他兩個(gè)波形之間的相位差為120電角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電壓源換流器，進(jìn)一步包括至少一個(gè)三級(jí)換流器(44)，所述或每一個(gè)三級(jí)換流器在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改一個(gè)或多個(gè)第二直流電壓，每一個(gè)第二直流電壓都被提供到所述各個(gè)相位元件(16)的所述直流側(cè)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電壓源換流器，其中，所述三級(jí)換流器(44)在使用中能夠操作為合成抵消整流正弦波形的近似逼近，所述抵消整流正弦波形用于提供到所述各個(gè)相位元件(16)的所述直流側(cè)上。
10.根據(jù)從屬于權(quán)利要求4時(shí)的權(quán)利要求8或9所述的電壓源換流器，其中，每一個(gè)單相換流器分支(27)包括至少一個(gè)三級(jí)換流器(44)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電壓源換流器，其中，至少一個(gè)三級(jí)換流器(44)與所述各個(gè)相位元件串聯(lián)連接。
12.根據(jù)從屬于權(quán)利要求I或權(quán)利要求2時(shí)的權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述相位元件(16)以級(jí)聯(lián)布置的方式連接以限定第一分支(46)，三個(gè)輔助換流器(18)以級(jí)聯(lián)布置的方式連接以限定第二分支(48)，所述第一和第二分支(46、48)并聯(lián)連接在所述第一和第二直流端子(12、14)之間的所述電路的所述直流側(cè)，并且三級(jí)換流器(44)被連接在所述相位元件(16)之間的各個(gè)接合點(diǎn)和所述輔助換流器(18)之間的各個(gè)接合點(diǎn)之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)三級(jí)換流器(44)包括鏈連接換流器。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)包括鏈連接換流器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的電壓源換流器，其中，所述鏈連接換流器(18)包括串聯(lián)連接的模塊(19)的鏈，每一個(gè)模塊都包括與儲(chǔ)能裝置并聯(lián)連接的至少一對(duì)第二開關(guān)元件，所述第二開關(guān)元件在使用中是可控的，使得串聯(lián)連接的模塊的所述鏈表示階梯式可變電壓源。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)模塊(19)包括一對(duì)與所述儲(chǔ)能裝置以半橋布置的方式并聯(lián)連接的第二開關(guān)元件，以限定能夠提供零電壓或正電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的二象限單極性模塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)模塊(19)包括兩對(duì)與所述儲(chǔ)能裝置以全橋布置的方式并聯(lián)連接的第二開關(guān)元件，以限定能夠提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且能夠在兩個(gè)方向上傳導(dǎo)電流的四象限雙極性模塊。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，每一個(gè)儲(chǔ)能裝置包括電容器、燃料電池、蓄電池、光伏電池或者具有關(guān)聯(lián)的整流器的輔助交流發(fā)電機(jī)。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，每一個(gè)開關(guān)元件包括至少一個(gè)半導(dǎo)體器件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電壓源換流器，其中，每一個(gè)開關(guān)元件包括多個(gè)串聯(lián)連接的半導(dǎo)體器件。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)半導(dǎo)體器件是絕緣柵雙極型晶體管、場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、門極換流晶閘管、集成的門極換流晶閘管或晶體管。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，所述或每一個(gè)半導(dǎo)體器件與反向并聯(lián)二極管并聯(lián)連接。
23.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形，以產(chǎn)生補(bǔ)償直流電壓分量來補(bǔ)償對(duì)所述各個(gè)相位元件的所述交流側(cè)的有功和/或無功功率要求中的變化。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓源換流器，其中，在使用中，所述波形的合成產(chǎn)生負(fù)的補(bǔ)償直流電壓分量，以補(bǔ)償從所述交流網(wǎng)絡(luò)生成無功功率所需的所述第一直流電壓的增大。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的電壓源換流器，其中，在使用中，所述波形的合成產(chǎn)生正的補(bǔ)償直流電壓分量，以補(bǔ)償從所述交流網(wǎng)絡(luò)吸收無功功率所需的所述第一直流電壓的減小。
26.一種控制電壓源換流器的方法，所述電壓源換流器包括在連接到直流網(wǎng)絡(luò)(20)上的第一和第二直流端子(12、14)之間連接的多個(gè)相位元件(16)，所述或每一個(gè)相位元件(16)包括多個(gè)一次開關(guān)元件(22)和至少一個(gè)連接到多相交流網(wǎng)絡(luò)(26)的各個(gè)相上的交流端子(24)，所述方法包括以下步驟 (a)控制所述多個(gè)一次開關(guān)元件(22)，以便于所述交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)(26、20)之間的功率轉(zhuǎn)換；以及 (b)修改被提供給所述直流網(wǎng)絡(luò)(20)的第一直流電壓，以最小化所述第一直流電壓中的紋波。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方 法，其中，通過注入一個(gè)或多個(gè)包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形，以抵消所述第一直流電壓中的一個(gè)或多個(gè)諧波紋波分量來修改所述第一直流電壓。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，通過注入三個(gè)包括直流電壓分量和至少一個(gè)諧波交流電壓分量的波形來修改所述第一直流電壓，每一個(gè)波形與其他兩個(gè)波形之間的相位差為120電角度。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟修改被提供給所述各個(gè)相位元件的所述直流側(cè)的第二直流電壓，以形成抵消整流正弦波形的近似逼近。
30.根據(jù)權(quán)利要求26至29中任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過注入一個(gè)或多個(gè)包括至少一個(gè)整流的、零相位序列三倍次數(shù)諧波分量的波形，產(chǎn)生補(bǔ)償直流電壓分量以補(bǔ)償對(duì)所述各個(gè)相位元件的所述交流側(cè)的有功和/或無功功率要求的變化來修改所述第一直流電壓。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述或每一個(gè)波形被注入以產(chǎn)生負(fù)的補(bǔ)償直 流電壓分量，以補(bǔ)償從所述交流網(wǎng)絡(luò)生成無功功率所需的所述直流電壓的增大。
32.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中，所述或每一個(gè)波形被注入以產(chǎn)生正的補(bǔ)償直流電壓分量，以補(bǔ)償從所述交流網(wǎng)絡(luò)吸收無功功率所需的所述直流電壓的減小。
全文摘要
一種電壓源換流器(10a)被用于高壓直流功率傳輸和無功功率補(bǔ)償。該電壓源換流器(10a)包括用于在使用中連接到直流網(wǎng)絡(luò)(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、三個(gè)相位元件(16)以及至少一個(gè)連接在第一和第二直流端子(12、14)之間的輔助換流器(18)，每一個(gè)相位元件(16)都包括多個(gè)一次開關(guān)元件(22)和至少一個(gè)用于在使用中連接到多相交流網(wǎng)絡(luò)(26)的各個(gè)相上的交流端子(24)，所述多個(gè)一次開關(guān)元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流網(wǎng)絡(luò)和直流網(wǎng)絡(luò)(26、20)之間的功率轉(zhuǎn)換，所述或每一個(gè)輔助換流器(18)在使用中能夠操作為充當(dāng)波形合成器來修改被提供給直流網(wǎng)絡(luò)(20)的第一直流電壓，以便最小化所述直流電壓中的紋波。
文檔編號(hào)H02M1/15GK102906984SQ201080066222
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者喬納森·查爾斯·克萊爾, 馬泰奧·托馬西尼, 戴維·特雷納, 羅伯特·懷特豪斯 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司