专利名称：混合二级及多级高压直流换流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种供在高压直流(high voltage direct current, HVDC)功率传输和无功功率补偿中使用的电压源换流器(voltage source converter)以及一种操作电压源换流器的方法。
背景技术：
在功率传输网络中，交流(AC)功率通常转换为直流(DC)功率以通过架空线路和/或海底电缆传输。经过这种转换，无需补偿由这些线路和/或电缆所施加的交流电容负载效应，从而降低这些线路和/或电缆的每千米的费用。因此，当需要在长距离上传输功率时，从交流到直流的转换变得划算。从交流到直流功率的转换还在功率传输网络中被使用，在该功率传输网络中需要 互连在不同的频率下工作的交流网络。在任何这样的功率传输网络中，在交流和直流功率之间的每一个接口处都需要换流器来实现所需的转换，其中一种该形式的换流器为电压源换流器(VSC)。交流功率通常取决于交流相位的数量以一个或多个正弦波形的形式被传输。但是，电压源换流器的交流侧的正弦交流波形会在电压源换流器的直流侧和相关联的直流网络中导致高水平的直流电压纹波。在直流网络中存在直流纹波使低成本的电缆无法使用。低成本的电缆通常难以容忍交变电压应力，从而增加直流功率传输线路的安装成本。此外，直流纹波的交变性质导致直流功率传输线路和邻近的电话线路之间的不希望有的干扰，这增大了对直流功率传输线路的布局设计的复杂性。常规地，发电站在电压源换流器的直流侧上利用直流过滤设备(比如无源电感和电容元件)以最小化直流纹波。分别将并联的电容和串联的电感与电压源换流器结合使用使电压和电流纹波减少。然而，功率传输的高电压性质意味着必须采用较大的无源电感和电容元件，而这增加了相关联的发电站的尺寸、重量和成本。这在具有有限空间封装的位置(比如近海风电场)中尤其是不可取的。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源换流器，所述电压源换流器包括用于在使用中连接到直流网络上的第一和第二直流端子、连接在所述第一和第二直流端子之间的三个相位元件以及至少一个辅助换流器，每一个相位元件都包括多个一次开关元件和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络的各个相上的交流端子，所述多个一次开关元件在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改(modify)被提供给所述直流网络的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。
辅助换流器的提供使电压源换流器具有灵活的直流侧有源过滤器，所述直流侧有源过滤器能够合成一系列具有不同形状和大小的波形以最小化直流纹波，其根据交流和直流网络的特性而变化。直流网络中的直流纹波的减少不仅通过使得能够使用难以容忍交变电压应力的低成本的电缆而减小了安装成本，而且通过最小化与位于直流网络附近的电话线路之间的不希望的干扰而简化了与直流网络相关联的设计问题(比如位置)。直流纹波以这种方式的减少还排除了以无源电感和电容元件形式的直流侧过滤元件的需要。这去除了安装和维护直流侧过滤元件的额外成本，通过最小化换流器硬件的数量改善了相关联的发电站的可靠性和效率，并且减小了硬件大小和重量，这适用于具有有限空间封装的位置(比如近海风电场)。优选地，每一个相位元件都包括两串并联连接的串联一次开关元件，每串串联连接的一次开关元件的中点限定用于在使用中连接到所述交流网络的各个相上的交流端子。
这样的电压源换流器布置可以被利用，以便于交流网络和直流网络之间的功率转换。在其他的实施例中，所述电压源换流器可以包括连接在所述第一和第二直流端子之间的三个辅助换流器，其中，每一个辅助换流器都与所述相位元件中的各个相位元件并联连接，以限定单相换流器分支，并且所述三个单相换流器分支在电路的直流侧串联连接，以限定用于三相功率传输的两端直流网络。除了适用于便于交流网络和直流网络之间的功率转换外，这样的电压源换流器布置还使每一个辅助换流器能够被控制，以便对连接到对应相位元件的交流端子上的相位产生直接的影响而对连接到其他两个相位元件的交流端子上的相位产生有限的影响。在进一步的实施例中，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供到所述各个相位元件的直流侧上的第二直流电压。在这样的实施例中，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为合成用于提供到所述各个相位元件的所述直流侧上的整流正弦波形的近似逼近(nearapproximation)。所述或每一个辅助换流器可被用于对将转移到电压源换流器的交流侧上的直流电压进行整形。否则，恒定的直流侧电压会在所述或每一个相位元件上产生方波电压，伴随显著的谐波分量及半导体器件的硬切换(hard switching)。但是，提供一个或多个辅助换流器能够产生具有更小谐波失真的更合适的交流波形(比如正弦波形)，并且还能够在低水平的电压和电流下实现半导体器件的软切换(soft-switching)。为了最小化所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为合成一个包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量(triplen harmonic component)的波形，以抵消所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量。当第一直流电压包括所述第一直流电压中以交流电源频率的谐波(比如第六谐波、第十二谐波和第十八谐波)形式存在的不希望的纹波分量时，将更高阶的零相位序列、三倍次数谐波分量添加到合成波形抵消了每一个谐波纹波分量从而最小化第一直流电压中的直流纹波。例如，分别将第九谐波和第十五谐波零相位序列分量包含在合成波形中使第一直流电压中的第六和第十二谐波纹波分量被消除。
谐波分量的零相位序列性质意味着当变压器被用于将电压源换流器和交流网络进行互连时，额外调制的效果被局限于连接到电压源换流器上的变压器的二次侧，并且对连接到电压源换流器上的变压器的一次侧处的交流电压和电流没有影响。为了最小化所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括直流电压分量和至少一个谐波交流电压分量的波形，每一个波形与其他两个波形之间的相位差为120电角度。合成波形之间的120电角度的相位差意味着对三个合成波形进行求和将使谐波交流电压分量互相抵消，从而留下由直流电压分量构成的无纹波直流侧电压。这样的波形进行合成更直接，这在合成波形时简化了对每个辅助换流器的控制。尽管使用非零相位序列谐波交流电压分量可以导致交流网络处的低水平的谐波失真，但是在具有不是很严格的电能质量要求的交流网络中低水平的谐波失真还是可接受的。
在本发明的实施例中，电压源换流器可以进一步包括至少一个三级换流器(tertiary converter),所述或每一个三级换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改一个或多个第二直流电压，每一个第二直流电压都被提供到所述各个相位元件的所述直流侧上。在这样的实施例中，所述或每一个三级换流器可以在使用中操作为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个相位元件的所述直流侧上。在采用单相换流器分支的实施例中，每一个单相换流器分支可包括至少一个三级换流器。至少一个三级换流器可与各个单相换流器分支中的所述相位元件串联连接。在采用三级换流器的其他实施例中，所述相位元件可以级联布置的方式连接以限定第一分支，三个辅助换流器可以级联布置的方式连接以限定第二分支，所述第一和第二分支并联连接在所述第一和第二直流端子之间的所述电路的所述直流侧，并且三级换流器可被连接在所述相位元件之间的各个接合点和所述辅助换流器之间的各个接合点之间。提供所述或每一个三级换流器使得在每一个相位元件的交流侧处能够生成期望的交流波形形状，而不论由所述或每一个辅助换流器合成的波形形状如何。例如，当辅助换流器被用于合成包含非零相位序列交流分量的波形，以修改第一直流电压并且从而最小化直流纹波，所述或每一个三级换流器能够被控制为修改合成波形，以形成用于提供到相位元件的直流侧上的抵消整流正弦波形。因此，这使得电压源换流器能够在最小化直流纹波的同时维持具有最小谐波失真的高质量的交流正弦波形。优选地，所述或每一个三级换流器和/或所述或每一个辅助换流器包括链连接(chain-1 ink)换流器。这种链连接换流器可包括串联连接的模块(19)的链，每一个模块都包括与储能装置并联连接的至少一对第二开关元件，所述第二开关元件在使用中是可控的，使得串联连接的模块的所述链表示阶梯式可变电压源。为限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的二象限单极性模块，所述或每一个模块可包括与所述储能装置以半桥布置的方式并联连接的一对第二开关元件。为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四象限双极性模块，所述或每一个模块可包括与所述储能装置以全桥布置的方式并联连接的两对第二开关元件。
所述链连接换流器的结构使得通过将多个模块插入到链连接换流器中能够建立联合电压，每一个模块都提供一个电压，该联合电压高于由单个模块所提供的电压。通过改变该联合电压的值，链连接换流器能够被操作为生成可变幅度和相位角的电压波形。优选地，每一个储能装置都包括电容器、燃料电池、蓄电池、光伏电池或者具有关联的整流器的辅助交流发电机。这样的灵活性在设计不同位置中的换流器站时是有利的，其中设备的实用性可以因位置和运输难度而改变。例如，在近海风电场上的每一个模块的储能装置可以以连接到风力涡轮机上的辅助交流发电机的形式被提供。优选地，每一个开关元件都包括至少一个半导体器件或者包括多个串联连接的半导体器件。所述或每一个半导体器件可以是绝缘栅双极型晶体管、场效应晶体管、门极可关断晶闸管、门极换流晶闸管、集成的门极换流晶闸管或晶体管。在采用半导体器件的实施例中，每一个半导体器件都可以与反向并联二极管并联 连接。使用半导体器件是有利的，因为这样的器件具有较小的尺寸和重量并且具有相对低的功率损耗，这将使冷却设备的需要最小化。因此，大大降低了换流器的成本、尺寸和重量。这种半导体器件的快速开关能力使得所述或每一个辅助换流器不仅能够当修改第一和/或第二直流电压时合成复杂的波形，而且能够合成高质量的波形以进一步最小化谐波失真和直流纹波水平。此外，包含这样的半导体器件使得所述或每一个辅助换流器能够快速地响应交流和直流电压的变化并且相应地修改合成的波形。在进一步的实施例中，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为合成包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形，以产生补偿直流电压分量来补偿对所述各个相位元件的所述交流侧的有功和/或无功功率要求中的变化。在使用中，所述波形的合成可以产生负的补偿直流电压分量，以补偿从所述交流网络生成无功功率所需的所述第一直流电压的增大；或者可以产生正的补偿直流电压分量，以补偿从所述交流网络吸收无功功率所需的所述第一直流电压的减小。通过控制每一个辅助换流器，能够产生补偿直流电压分量，从而确保当第一直流电压的净增大或减小被控制为零的同时交流电压能够被改变，以便无源功率控制成为可倉泛。根据本发明的第二方面，提供了一种控制电压源换流器的方法，所述电压源换流器包括多个在连接到直流网络上的第一和第二直流端子之间连接的相位元件，所述或每一个相位元件包括多个一次开关元件和至少一个连接到多相交流网络的各个相上的交流端子，所述方法包括控制所述多个一次开关元件，以便于所述交流网络和直流网络之间的功率转换；以及修改被提供给所述直流网络的第一直流电压，以最小化所述第一直流电压中的纹波。本发明的其他有利的特征被记载在从属权利要求27至32中。
现在通过非局限性的实施例并且结合附图对本发明的优选实施例进行描述，其中图I示出了根据本发明的第一实施例的电压源换流器的示意图；图2示出了利用链连接换流器来合成50Hz正弦波形；图3示出了为便于对电压源换流器进行无功功率控制所需的第一直流电源与交流侧电压的基波分量的比值、在存在恒定的平均第一直流电源的情况下所需的第三谐波调制量、以及为完全地消除来自第一直流电压中的第六和第十二谐波纹波分量所需的第九和第十五谐波调制的相对水平；图4示出了针对接近于O. 8调制指数的工作条件的合成波形和相应的交流侧波形，其中需要大量的第三、第九和第十五谐波调制量； 图5示出了为最小化直流纹波而对图I中的电压源换流器进行操作的示意图；图6示出了包括三级换流器的单相换流器分支的示意图；以及图7示出了根据本发明的第二实施例的电压源换流器的示意图。
具体实施例方式图I中示出了根据本发明的第一实施例的电压源换流器10a。电压源换流器IOa包括第一和第二直流端子12、14，三个相位元件16以及三个辅助换流器18。在使用中，第一和第二直流端子12、14被分别连接到直流网络20的正端子和负端子上，所述正端子和负端子分别携带+Vdc/2和-Vdc/2的电压，其中Vdc为直流网络20的电压范围。每一个相位元件16都包括两个并联连接的串联一次开关元件22对。每一个一次开关元件22都以一个或多个串联连接的绝缘栅双极型晶体管的形式存在，每一个绝缘栅双极型晶体管与反向并联二极管并联连接。每串串联一次开关元件22的中点限定用于在使用中连接到三相交流网络26的各个相上的交流端子24。在使用中，一次开关元件22是可控的，以便于交流和直流网络26、20之间的功率转换。例如，在交流网络26的每一个频率周期，一次开关元件22可被控制为导通和断开一次，以使得被提供到各个相位元件16的直流侧上的直流电压能够转换为交流电压。每一个辅助换流器18都以包括串联连接的模块19的链的链连接换流器形式存在，并且与各个相位元件16并联连接，以限定单相换流器分支27。三个单相换流器分支27被串联连接在第一和第二直流端子12、14之间的电路的直流侧上，以限定用于三相功率传输的两端直流网络。每一个单相换流器分支27的相位元件16和辅助换流器18独立于其他的单相换流器分支27工作并且因此仅直接地影响与相应相位元件16的交流端子24相连接的相，而对与其他相位元件16的交流端子24相连接的相产生有限的影响。在使用中，电压源换流器IOa的操作导致第一直流电压提供到直流网络20中，其中第一直流电压等于横跨相位元件16的各个直流电压的总和。在本发明的实施例中，每一个链连接换流器18中的每一个模块19可包括一对与电容器以半桥布置的方式并联连接的二次开关元件，以限定二象限单极性模块，所述二象限单极性模块能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。
在其他的实施例中，每一个链连接换流器18中的每一个模块19可包括两对与电容器以全桥布置的方式并联连接的二次开关元件，以限定四象限单极性模块，所述四象限单极性模块能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。每一个模块19的二次开关元件都是可操作的，使得模块19的链提供阶梯式可变电压源。每一个二次开关元件都包括与反向并联二极管并联连接的绝缘栅双极型晶体管。绝缘栅双极型晶体管的快速开关能力使得所述或每一个辅助换流器18不仅能够合成复杂的波形以修改第一直流电压，而且能够合成高质量的波形以进一步最小化谐波失 真和直流纹波水平。此外，包含这样的半导体器件使得辅助换流器18能够快速地响应交流和直流电压的变化并且相应地修改合成的波形的特性。可以想到的是，在本发明的其他实施例中，每一个一次和二次开关元件都可包括不同的半导体器件，例如场效应晶体管、门极可关断晶闸管、门极换流晶闸管、集成的门极换流晶闸管、晶体管、或伴随着反向并联连接的二极管的其他的强制换流或自换流半导体开关。还可以想到的是，在其他的实施例中，每一个一次和二次开关元件都可包括单个的半导体器件或串联连接的半导体器件的串。串联布置使得使用具有低额定功率的半导体器件能够提供组合的额定功率，该组合的额定功率与功率传输的高电压性质是兼容的。在进一步的实施例中，可以想到的是，每一个模块19中的电容器都可由不同的储能装置(例如燃料电池、蓄电池、光伏电池或者具有关联的整流器的辅助交流发电机)替换。每一个模块19中的电容器都可通过改变二次开关元件的状态被旁路或插入到链连接换流器18中。当一对二次开关元件被配置为在模块19中形成短路电路时，模块19中的电容器被旁路，导致电压源换流器IOa中的电流通过该短路电路并且将该电容器旁路。当一对二次开关元件被配置为使得换流器的电流流入或流出电容器时，模块19中的该电容器被插入到链连接换流器18中，这之后能够对电容器存储的能量进行充电或放电并且提供电压。在使用四象限双极性模块的实施例中，二次开关元件可被配置为沿正向或反向插入电容器，以便提供正电压或负电压。因此，能够横跨链连接换流器18建立联合电压，该联合电压高于通过将多个模块19的电容器插入到链连接换流器18从各个模块19 (每一个模块提供它自己的电压)中获得的电压。四象限双极性模块提供正电压或负电压的能力意味着每一个链连接换流器18两端的电压可通过组合提供正电压或负电压的模块19被建立。通过控制模块19在提供正电压或提供负电压之间交替变化，将各个电容器的能级保持在最优水平。还能够针对每一个模块19改变开关操作的时序，使得在链连接换流器18中插入和/或旁路各个模块19中的电容器导致电压波形的生成。图2中示出了使用链连接换流器18生成电压波形的例子，其中各个模块19中的电容器被交错地插入以生成50Hz的正弦波形。通过针对链连接换流器18中每一个模块19调节开关操作的时序，可以生成其他的波形形状。
可以想到的是，在其他的实施例中，每一个链连接换流器18可由具有类似波形合成能力的其他功率换流器替换。在使用中，每一个辅助换流器18可被用于通过合成用于提供到相位元件16的直流侧上的整流正弦波形的近似逼近来修改被提供到各个相位元件16的直流侧上的第二直流电压。这会在相位元件16的交流侧上产生具有最小谐波失真的接近完美的正弦波。电压源换流器IOa从而在换流器IOa的交流侧上不需要谐波滤波器来控制电能质量。这还使得一次开关元件22能够在接近零电压处被切换，从而在换流器的正常工作期间的开关损耗几乎为零。使用辅助换流器18意味着被提供到每一个相位元件16中的一次开关元件22的电压轮廓由各个辅助换流器18施加和控制，并且是一个缓变的波形，而不是将被提供到绝缘栅双极型晶体管上的高电压阶跃。因此，在主换流器设计内不需要复杂的有缘栅极驱动以及大的电压共享组件，从而获得更简单、更便宜和更有效的硬件。
此外，使用辅助换流器18能够在默认情况下使施加到每一个相位元件16中的一次开关元件22的电压在需要时被快速地下降到零(或最小值)，以便于折算电压处的软切换。为了补偿对相位元件16的交流侧上的有效功率和/或无功功率要求的变化，辅助换流器18优选地被操作为合成包括三倍次数谐波电压的波形，以修改第一直流电压。这会产生补偿直流电压分量以补偿相位元件16的直流侧上的直流电压的合成变化。例如，在需要在相位元件16的交流侧上生成无功功率的情况下，辅助换流器18可操作为合成包括整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形。这会产生负的补偿直流电压分量以补偿第一直流电压的合成增大。在需要吸收来自相位元件的交流侧的无功功率的情况下，辅助换流器18可操作为合成包括整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形。这会产生正的补偿直流电压分量以补偿第一直流电压的合成减小。通过控制每一个辅助换流器18，能够产生补偿直流电压分量，以便确保第一直流电压的净增大或减小被控制为零，同时交流电压可被改变，以使得能够进行无功功率控制。将辅助换流器18操作为合成包括整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形还可被用于在不需要或者需要较小的无功功率需求的情况下增大相位元件16的交流侧上的交流电压。对于给定的功率变换，这在整流以及逆变器工作模式下减小了换流器IOa所吸收的电流。这是有利的，因为低电平的电流减小了将另外出现在换流器设备中的功率损耗。它还能减小连接到相位元件16的交流侧上的任何电容器(未示出)中的纹波电流分量，从而降低电容量要求和相关联的功率损耗。在一次线间电压波形或者在一次或二次侧电流波形中看不到零相位序列第三谐波分量。其他的三倍次数波形(例如，第九、第十五、第二十一，等等)也能够被应用，具有类似的效果。整流的三倍次数谐波分量的零相位序列性质意味着当变压器被用于将电压源换流器IOa和交流网络26互连时，附加调制的影响被局限于与电压源换流器IOa相连接的变压器的二次侧，并且在与交流网络26相连接的变压器的一次侧处对交流线电压和电流没有影响。但是，将整流的三倍次数谐波分量添加到合成波形中导致第一直流电压中的直流纹波。例如，添加第三谐波分量导致出现在第一直流电压中的直流纹波分量，其是以交流电源频率的第六、第十二、第十八等谐波的形式出现的。为最小化由添加整流的三倍次数谐波分量引起的直流纹波，每一个辅助换流器18能够操作为合成包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形。在每一个合成波形中包含一个或多个整流的零相位序列三倍次数谐波分量消除第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量。例如，当第一直流电压中的直流纹波包括第六和第十二谐波纹波分量时，在每一个合成波形中包含第九和第十五零相位序列谐波分量可消除该第六和第十二谐波纹波分量，从而最小化第一直流电压中的直流纹波。图3示出了为便于对电压源换流器进行无功功率控制所需的第一直流电源与交流侧电压的基波分量的比值以及在存在恒定的平均第一直流电源的情况下所需的第三谐 波调制28。还示出了为完全地消除来自由于第三谐波调制而出现在直流网络处的总计电压中的第六和第十二谐波纹波分量所需的相应的第九和第十五谐波调制30、32的相对水平。图4中示出了合成波形的例子，其中，对于接近于O. 8的调制指数的工作条件，合成波形34和相应的交流侧波形36包括第三、第九和第十五谐波分量。综上所述，将零相位序列三倍次数谐波分量引入到合成波形中对交流网络具有最小的影响。图5中示出了最小化第一直流电压中的直流纹波的另一种方法。在该方法中，每一个辅助换流器18能够在使用中被控制为合成包括直流电压分量和第二谐波交流电压分量的波形38，每一个合成波形38与其他两个合成波形38之间的相位差为120电角度。这三个合成波形38的和使第二谐波交流电压分量互相抵消，从而在直流网络20处产生包括直流电压分量的无纹波直流侧电压40。在其他的实施例中，每一个合成波形38都可包括多于一个谐波交流电压分量。这样的波形是更直接地进行合成的，这简化了当合成所述波形时对辅助换流器18的控制。每一个合成波形38还被提供到各个相位元件16的直流侧。合成波形中存在的非零相位序列谐波交流电压分量在交流网络处产生具有低水平谐波失真的交流侧波形42。为了消除因非零相位序列谐波交流电压分量的存在而引起的谐波失真，电压源换流器可进一步包括三级换流器的使用。图I中示出的电压源换流器IOa中的每一个单相换流器分支27都能够被改进成包括一个或两个三级换流器44，每一个三级换流器被连接到相位元件16的一侧上，以限定串联连接，如图6中所示。每一个单相换流器分支27中的每一个三级换流器44都独立于其他的单相换流器分支27中的三级换流器44工作，因此仅直接地影响与各个相位元件16的交流端子24相连接的相，而对与其他相位元件16的交流端子24相连接的相产生有限的影响。每一个三级换流器44都以链连接换流器的形式存在，所述链连接换流器包括串联连接的模块45的链，并且能够以参见图I在上文中描述的链连接换流器18类似的方式工作。综上所述，链连接换流器的结构使得能够合成用于提供到各个相位元件16的直流侧上的整流正弦波形的近似逼近，从而使得第二直流电压能够具有与由辅助换流器18合成的波形形式不同的形式。当每一个辅助换流器18在使用中被控制为合成包括直流电压分量和至少一个谐波交流电压分量的波形以最小化第一直流电压中的直流纹波时，以这种方式使用三级换流器44以在相位元件16的交流侧上生成具有最小谐波失真的交流正弦波形42，从而将非零相位序列谐波交流电压分量对交流网络的上述影响最小化。图7中示出了根据本发明的第二实施例的电压源换流器10b。图7中的电压源换流器IOb与图I中的电压源换流器IOa类似，除了相位元件16按级联布置的方式连接以限定第一分支46，三个辅助换流器18按级联布置的方式连接以限定第二分支48，第一和第二分支46、48被并联连接在第一和第二端子12、14之间的电路的直流侧上，以及每一个三级换流器44被连接在相位元件16之间的各个接合点和辅助换流器18之间的各个接合点之间。
该换流器布置是有利的，因为每一个三级换流器44都在使用中能够操作为修改多个第二直流电压，每一个第二直流电压被提供到各个相位元件16的直流侧上，而不是将三级换流器44分配给各个相位元件16。三级换流器44数量的减少使硬件的尺寸、重量和成本减少。因此，将辅助和/或三级换流器包含在所述换流器布置中为电压源换流器提供了用于最小化直流纹波的直流侧有源滤波能力，从而无需以无源电感和电容元件形式存在的直流侧滤波设备。这减少了换流器硬件成本、尺寸和重量，同时提高了相关联的发电站的可靠性和效率。
权利要求
1.一种用于高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源换流器(10a)，所述电压源换流器包括用于在使用中连接到直流网络(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、连接在所述第一和第二直流端子(12、14)之间的三个相位元件(16)以及至少一个辅助换流器(18)，每一个相位元件(16)包括多个一次开关元件(22)和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)，所述多个一次开关元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络(26、20)之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供给所述直流网络(20)的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。
2.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，每一个相位元件(16)包括两串并联连接的串联一次开关元件(22)，每串串联一次开关元件的中点限定用于在使用中连接到所述交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，包括连接在所述第一和第二直流端子(12、14)之间的三个辅助换流器(18)，其中，每一个辅助换流器(18)与所述相位元件(16)中的各个相位元件并联连接，以限定单相换流器分支(27)，并且所述三个单相换流器分支在电路的直流侧串联连接，以限定用于三相功率传输的两端直流网络(20)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供到所述各个相位元件的直流侧上的第二直流电压。
5.根据权利要求4所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成用于提供到所述各个相位元件的所述直流侧上的整流正弦波形的近似逼近。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形，以抵消所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量。
7.根据权利要求I至3中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括直流电压分量和至少一个谐波交流电压分量的波形，每一个波形与其他两个波形之间的相位差为120电角度。
8.根据权利要求7所述的电压源换流器，进一步包括至少一个三级换流器(44)，所述或每一个三级换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改一个或多个第二直流电压，每一个第二直流电压都被提供到所述各个相位元件(16)的所述直流侧上。
9.根据权利要求8所述的电压源换流器，其中，所述三级换流器(44)在使用中能够操作为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个相位元件(16)的所述直流侧上。
10.根据从属于权利要求4时的权利要求8或9所述的电压源换流器，其中，每一个单相换流器分支(27)包括至少一个三级换流器(44)。
11.根据权利要求10所述的电压源换流器，其中，至少一个三级换流器(44)与所述各个相位元件串联连接。
12.根据从属于权利要求I或权利要求2时的权利要求7至9中任一项所述的电压源换流器，其中，所述相位元件(16)以级联布置的方式连接以限定第一分支(46)，三个辅助换流器(18)以级联布置的方式连接以限定第二分支(48)，所述第一和第二分支(46、48)并联连接在所述第一和第二直流端子(12、14)之间的所述电路的所述直流侧，并且三级换流器(44)被连接在所述相位元件(16)之间的各个接合点和所述辅助换流器(18)之间的各个接合点之间。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个三级换流器(44)包括链连接换流器。
14.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)包括链连接换流器。
15.根据权利要求13或14所述的电压源换流器，其中，所述链连接换流器(18)包括串联连接的模块(19)的链，每一个模块都包括与储能装置并联连接的至少一对第二开关元件，所述第二开关元件在使用中是可控的，使得串联连接的模块的所述链表示阶梯式可变电压源。
16.根据权利要求15所述的电压源换流器，其中，所述或每一个模块(19)包括一对与所述储能装置以半桥布置的方式并联连接的第二开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的二象限单极性模块。
17.根据权利要求15所述的电压源换流器，其中，所述或每一个模块(19)包括两对与所述储能装置以全桥布置的方式并联连接的第二开关元件，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四象限双极性模块。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的电压源换流器，其中，每一个储能装置包括电容器、燃料电池、蓄电池、光伏电池或者具有关联的整流器的辅助交流发电机。
19.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，每一个开关元件包括至少一个半导体器件。
20.根据权利要求19所述的电压源换流器，其中，每一个开关元件包括多个串联连接的半导体器件。
21.根据权利要求19或20所述的电压源换流器，其中，所述或每一个半导体器件是绝缘栅双极型晶体管、场效应晶体管、门极可关断晶闸管、门极换流晶闸管、集成的门极换流晶闸管或晶体管。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的电压源换流器，所述或每一个半导体器件与反向并联二极管并联连接。
23.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形，以产生补偿直流电压分量来补偿对所述各个相位元件的所述交流侧的有功和/或无功功率要求中的变化。
24.根据权利要求23所述的电压源换流器，其中，在使用中，所述波形的合成产生负的补偿直流电压分量，以补偿从所述交流网络生成无功功率所需的所述第一直流电压的增大。
25.根据权利要求23所述的电压源换流器，其中，在使用中，所述波形的合成产生正的补偿直流电压分量，以补偿从所述交流网络吸收无功功率所需的所述第一直流电压的减小。
26.一种控制电压源换流器的方法，所述电压源换流器包括在连接到直流网络(20)上的第一和第二直流端子(12、14)之间连接的多个相位元件(16)，所述或每一个相位元件(16)包括多个一次开关元件(22)和至少一个连接到多相交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)，所述方法包括以下步骤 (a)控制所述多个一次开关元件(22)，以便于所述交流网络和直流网络(26、20)之间的功率转换；以及 (b)修改被提供给所述直流网络(20)的第一直流电压，以最小化所述第一直流电压中的纹波。
27.根据权利要求26所述的方 法，其中，通过注入一个或多个包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形，以抵消所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量来修改所述第一直流电压。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，通过注入三个包括直流电压分量和至少一个谐波交流电压分量的波形来修改所述第一直流电压，每一个波形与其他两个波形之间的相位差为120电角度。
29.根据权利要求28所述的方法，进一步包括以下步骤修改被提供给所述各个相位元件的所述直流侧的第二直流电压，以形成抵消整流正弦波形的近似逼近。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的方法，其中，通过注入一个或多个包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形，产生补偿直流电压分量以补偿对所述各个相位元件的所述交流侧的有功和/或无功功率要求的变化来修改所述第一直流电压。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述或每一个波形被注入以产生负的补偿直 流电压分量，以补偿从所述交流网络生成无功功率所需的所述直流电压的增大。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，所述或每一个波形被注入以产生正的补偿直流电压分量，以补偿从所述交流网络吸收无功功率所需的所述直流电压的减小。
全文摘要
一种电压源换流器(10a)被用于高压直流功率传输和无功功率补偿。该电压源换流器(10a)包括用于在使用中连接到直流网络(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、三个相位元件(16)以及至少一个连接在第一和第二直流端子(12、14)之间的辅助换流器(18)，每一个相位元件(16)都包括多个一次开关元件(22)和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)，所述多个一次开关元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络(26、20)之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供给直流网络(20)的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。
文档编号H02M1/15GK102906984SQ201080066222
公开日2013年1月30日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者乔纳森·查尔斯·克莱尔, 马泰奥·托马西尼, 戴维·特雷纳, 罗伯特·怀特豪斯 申请人:阿尔斯通技术有限公司