专利名称：用于高电压直流电力传输的电压源换流器的制作方法
用于高电压直流电力传输的电压源换流器本发明涉及高电压AC/DC或DC/AC电力转换系统(powerconversion system)，包括带有至少两个串联连接的换流阀桥和至少两个电抗器的电压源换流器，其中每个电抗器 连接至所述至少两个桥的AC相位端子中的一个。在高电压直流(HVDC)电力传输系统中，使用两种基本的电力换流器技术 来执行从AC到DC以及从DC到AC的电压变换。一种换流器技术或类型是线换向 电流源换流器(CSC)，另一种技术是强制换向或者自换向电压源换流器(VSC)。在 IEEE Power&Energy MagzineMarch/April 2007, vol.5, no. 2 的“The ABC of HVDC transmissiontechnologies"中介绍了当今包括这两种技术及其应用的HVDC系统的概况。
图1中示出了在HVDC系统中使用的带有CSC的公知电力转换系统的简化单线图。 CSCl包括两个三相六脉冲桥2，每个桥2包括六个晶闸管阀。两个桥2的DC端子串联连接， 并且它们的DC输出在一侧上耦合至DC传输线或者电缆3，而在另一侧上耦合至地4。DC滤 波器5对DC电压中的谐波进行平滑。这两个桥2的AC端子各经由变压器6连接至AC母 线7。分路连接的AC滤波器8对AC电压谐波进行滤波。在WO 96/09678中公开了带有CSC的电力转换系统，如图2所示，该电力转换系统 除了图1的系统之外还包括各个相中的串联电容器9，其中电容器9放置于两个换流桥2的 AC端子和变压器之间。不用两个双绕组变压器6，而使用一个三绕组变压器10。串联的电 容器9提供无功功率以补偿由CSC 1产生的无功功率。当不用CSC而使用VSC时，不需要这样的无功功率补偿，这是因为VSC允许独立控 制有功功率和无功功率以使得能够通过VSC控制来直接处理无功功率。图3中示出了现代HVDC系统中使用的带有VSC的三相电力转换系统的简化单线 图。VSC 11包括按照已知六脉冲桥配置来连接的换流阀12，其中每个换流阀12包括与续 流二极管14反并联连接的IGBT 13 (绝缘栅双极晶体管)。VSC 11在其AC侧上连接至换 流电抗器15，其后是分路连接的谐波滤波器16和变压器17。换流电抗器15阻止由于VSC 11的切换而产生的谐波电流，并且换流电抗器15连同谐波滤波器16 —起使变压器17免 于受到任何高频分量的损害。变压器17耦合至AC母线18。两个完全相同的串联连接的 电容器单元19连接在VSC 11的DC侧上的第一电极20和第二电极21之间，以提供恒定的 DC电压源。这两个电容器单元19之间的中点可以连接至地。这两个电极20和21之间的 DC电压在正电压电平+队。和负电平_队。之间对称平衡。因此，连接点28处的DC电位为零。 由于连接点28代表VSC 11的AC相位端子，因而可以注意到在VSC 11的AC侧上没有出现 DC电位，即换流电抗器15、谐波滤波器16以及变压器17都只“看见”纯的AC电压。根据图3的电力转换系统表示一种针对相对低的功率的非常节省成本的良好的 解决方案。如果要求高功率，则已知使用两个或更多个串联连接的换流桥22，如图4所示。 这种配置导致每桥22的功率降低，因而导致了切换电压的降低，这降低了 VSC 23的切换损 失。此外，由于在桥22之间切换成为可能，因而切换频率可以降低，例如，如在DE 101 03 031 Al中所述的那样。降低的切换频率导致了低次谐波的消除。在图4中，在每个桥22的 AC侧上使用与图3的单个桥的情况下所使用的排列相同的换流电抗器24、谐波滤波器25和变压器26的排列。桥22的AC侧并联连接至AC母线27。再次需要换流电抗器24和谐 波滤波器25以使变压器26不暴露于切换频率。这种配置的弊端是，在η个串联桥的情况 下也需要η个换流电抗器和η个谐波滤波器，这将相当大地增加成本。此外要注意到在桥 22的AC相位端子29处有DC电位出现，这是因为现在在这两个桥22之间的中点30处形成 了零DC电位。中点30也可以直接连接至地。这导致必须针对DC来设计变压器26，即没有 标准变压器可用，这构成了进一步的成本因素。本发明的目的是提供根据权利要求1的前序部分的高电压AC/DC或DC/AC电力转 换系统，相比于上述系统该系统能降低成本。通过权利要求1的特征部分达到该目的。本发明基于认识到以下事实与各电抗器串联连接的电容器阻止DC电压从VSC传递至与VSC的AC侧上的AC供电电压相连接的任何设备，如变压器。因此，不再要求针对DC 所专门设计的变压器。相反地，当设计具有串联连接的换流阀桥的电力转换系统时，可使用 标准变压器，这降低了成本和努力。还认识到由于DC电压被串联连接的电容器所阻止，因 而在不需要电压电平变换的那些情况下(即AC供电电压已经提供有所要求的电压电平) 可以省略图4的变压器。通常，除了电压变换外，DC变压器还会执行DC电压隔离的任务。如上所述，如果使用不能承受高频率的变压器，则将需要分路连接至变压器的谐 波滤波器。串联连接至换流电抗器的电容器的另一个优势是电容器优异的高频性能，该性 能允许将所有高频分量传递至仅一个通用谐波滤波器。根据优选的实施例，谐波滤波器的 数量因此可以减少到1，与图4的配置相比这省去了额外的滤波器成本。因此，可使用一个 公共变压器，更进一步降低了成本。当仅使用一个谐波滤波器和一个变压器时，电抗器和电 容器的至少两个串联连接彼此并联连接，然后所述至少两个串联连接的公共连接点连接至 上述一个变压器和一个谐波滤波器。在另一实施例中，换流电抗器的任务被分开。在直接连接至各换流阀桥的AC相位 端子时总需要至少一个小换流电抗器。余下的阻止电流谐波的任务可以通过额外的电抗器 和谐波滤波器来执行，该额外的电抗器连接在公共连接点和上述一个变压器之间。变压器可以是双绕组变压器或三绕组变压器。在VSC包括至少四个串联连接的换 流阀桥的情况下，优选使用三绕组变压器。因此，电抗器和电容器的至少四个串联连接被连 接至至少四个桥的AC相位端子。上述至少四个串联连接分成两组并联连接，然后变压器的 两个次级绕组中的每一个连接至两组中的一个的公共连接点。根据又一实施例，可以通过将电涌放电器跨接于(connect across)每个电容器， 使串联电容器免于受到过压(例如，在短路的情况下可能发生的过压)的损害。关于串联电容器的尺寸，可以将电容器选择为具有比对应换流电抗器更高的标幺 (per-unit, p. u.)值，这是因为对VSC的控制确保了所导致的无功功率会被VSC吸收。例 如，如果换流电抗器具有大约0. 15p.U.的值。则当串联电容器在经济上最优化时，串联电 容器可以具有约0.3p.u.的值。这意味着电力转换系统将具有全面的电容特性，其量级从 控制观点看是可接受的。现通过参考附图以举例的方式来描述本发明，其中图1示出一种已知的带有CSC的电力转换系统；图2示出另一种已知的带有CSC的电力转换系统；
图3示出一种已知的带有VSC的电力转换系统；图4示出一种针对具有多级VSC的电力转换系统的可能解决方案；图5示出具有多级VSC和串联电容器的电力转换系统的第一实施例；图6示出具有多级VSC和串联电容器的电力转换系统的第二实施例；图7示出具有多级VSC和串联电容器的电力转换系统的第三实施例；图8示出具有多级VSC和串联电容器的电力转换系统的第四实施例。图5示出了具有多级VSC的电力转换系统的第一实施例，在此情况下，VSC 47具有两个串联连接的换流阀桥31，与图4的系统相比，该系统提供了相当大的改善。这两个系 统之间的主要区别在于，图5的系统包括与每个换流电抗器33串联的电容器34。电容器 34阻止桥31的AC相位端子32处所出现的DC电压传递到变压器45，使得可以使用标准变 压器。此外可以在两个桥31之间的中点46处分配(measure)零DC电压，并且此外可以将 中点46直接连接至地。可替换地，还可以以电极49或50中的一个连接至地、而另一个连 接至正的或负的DC电压的方式来操作VSC 47。这将导致不同于图5的实施例中在AC相 位端子32上的DC电压电平，但串联电容器34仍将使变压器45免于受到这些DC电位的损 害。在图5的实施例中，假设变压器45能够承受由VSC 47的切换引起的未被换流电抗器 33平滑掉的高频分量。在那种情况下，图4的谐波滤波器可以省略。串联连接的换流电抗 器33、电容器34和变压器45并联连接至经由AC母线44提供的AC供电电压。在具有多级VSC 47和串联电容器34的电力转换系统的第二实施例中，根据图6， 引入分路连接的谐波滤波器35。由于串联电容器34的出现，仅用一个谐波滤波器35就足 以滤除剩余的高频分量。可能的将多个谐波滤波器合并为仅一个滤波器直接导致将变压器 45合并为一个变压器36。如在图6所看到的，这种部件上的减少导致了一种配置，在该配 置中换流电抗器33和电容器34的两个串联连接彼此并联连接并且一个变压器36和一个 分路连接的谐波滤波器35直接耦合至这两个串联连接的公共连接点40。图6另外示出了 两个电涌放电器43，各跨接于一个电容器34，使电容器34免于受到过压的损害。图7中示出了具有多级VSC 48和串联电容器34的电力转换系统的第三实施例。 VSC 48包括四个串联连接的换流阀桥31。所有已在图5或图6中引入的部件都标以相同 的附图标记。换流电抗器33和电容器34的一个串联连接再次连接至四个桥的各个AC相 位端子。这四个串联连接都彼此并联，并且一个谐波滤波器35和一个变压器36经由额外 的电抗器38耦合至公共连接点41。该额外的电抗器38允许减小换流电抗器33的尺寸，这 导致进一步的成本降低(尤其随着串联连接的桥31的数量增长)。根据图8的具有多级VSC 48和串联电容器34的电力转换系统的第四实施例不同 于图7的系统，原因在于设立了换流电抗器33和电容器34的串联连接的两组并联连接。每 组具有公共连接点42，并且一个谐波滤波器34和一个变压器39经由额外的电抗器38耦合 至这些连接点42中的每一个。该一个变压器39是三相绕组变压器，并且它的次级绕组各 耦合至公共连接点42之一。
权利要求
一种高电压AC/DC或DC/AC电力转换系统，包括电压源换流器，具有至少两个串联连接的换流阀桥(31)，至少两个电抗器(33)，其中所述电抗器(33)中的每一个连接至所述至少两个桥(31)的AC相位端子(32)中的一个，其特征在于，所述系统还包括至少两个电容器(34)，其中每个电容器(34)与所述至少两个电抗器(33)中的一个串联连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其中至少一个变压器(45，36，39)连接至AC供电电压 (44)，并且其中所述至少两个电容器(34)中的每一个连接在对应的电抗器(33)和所述至 少一个变压器(45，36，39)之间。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中至少一个谐波滤波器(35)分路连接至所述变 压器(45，36，39)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中电抗器(33)和电容器(34)的至少两个串联连接 彼此并联连接，并且其中所述至少两个串联连接的公共连接点(40，41，42)连接至一个变 压器(36，39)和一个谐波滤波器(35)。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述公共连接点(40，41，42)经由额外的电抗器 (38)连接至所述一个变压器(36，39)和所述一个谐波滤波器(35)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中所述至少一个变压器是双绕组变压 器(45，36)。
7.根据权利要求4或5所述的系统，其中所述系统包括至少四个串联连接的换流阀桥 (31)以及电抗器(33)和电容器(34)的至少四个串联连接，其中，所述至少四个串联连接分 成两组来并联连接；并且其中所述至少一个变压器是三绕组变压器(39)且所述三绕组变 压器(39)的两个次级绕组的每一组连接至所述两组中的一组的公共连接点(42)，或者其 中双绕组变压器连接至所述两组中的每一组。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中电涌放电器(43)跨接于所述电容器 (34)中的每一个。
全文摘要
一种高电压AC/DC或DC/AC电力转换系统，包括电压源换流器，具有串联连接的至少两个换流阀桥(31)，至少两个电抗器(33)，其中每个电抗器(33)连接至所述至少两个桥(31)的AC相位端子(32)中的一个，以及至少一个变压器(45，36，39)，连接至AC供电电压(44)。为了阻止DC电压影响至少一个变压器，至少两个电容器(34)中的一个与至少两个电抗器(33)中的每一个串联连接，并且连接在对应的电抗器(33)与至少一个变压器(45，36，39)之间。
文档编号H02J3/36GK101803169SQ200780100507
公开日2010年8月11日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者拉尔斯-埃里克·尤林, 贡纳尔·阿斯普隆德 申请人:Abb技术有限公司