高压DC/DC转换器的制作方法与工艺

本发明涉及高压DC/DC转换器。

背景技术：
对于HVDC（高压DC）网络，使用适合的高压DC/DC转换器来寻求DC电网互连器的合适拓扑。WO2011/029566A1公开了DC/DC转换器单元。每个DC/DC转换器单元由采用适合的功率半导体开关装置和作为无源整流器操作的二极管桥的常规全H桥DC/AC转换器块组成。DC/AC和AC/DC转换器块在提供流电隔离的中或高频变压器的每个侧上提供。DC/DC转换器单元通常将配置成用于单向功率流（即，从ac供应网络到海底电负载）并且对用于提供逆变器功能的AC/DC转换器块没有要求。然而，呈现的DC/DC转换器的结构是复杂的并且通过从DC到AC到DC添加更多的链路而仅在容量方面增加。

技术实现要素：
目标是提供成本减少和灵活性更大的DC/DC转换器。在第一方面中，呈现用于在第一DC连接与第二DC连接之间转换的高压DC/DC转换器。该高压DC/DC转换器包括：第一组DC端子；第二组DC端子；多相变压器装置，其包括多个一次绕组和对应的多个二次绕组；设置成将DC转换成AC的第一转换器，其包括在第一组DC端子之间串联连接的多个相臂，其中每个相臂包括多个转换器单元（400）并且每个相臂连接到相应的一次绕组的AC连接；和第二转换器，其设置成将来自二次绕组的AC转换成在第二组DC端子上的DC。通过在每个相臂中提供多个转换器单元，引入较大的灵活性。特别地，更多的转换器单元可以串联添加来支持更高的电压和/或并联添加来支持更高的电流。串联的更多转换器单元还提高电压波形质量，其从而使对用于滤波的额外部件的需要减少，这从而使成本降低。第二转换器可包括在第二组DC端子之间并联连接的多个桥臂，其中每个桥臂可连接到多个二次绕组的相应的AC连接端子。第二转换器可包括在第二组DC端子之间串联连接的多个相臂，其中每个相臂可连接到相应的二次绕组的AC连接。第二转换器可以能被控制来提供恒定DC电压。第一转换器可以能被控制来对一次绕组提供限定的电压和频率。DC/DC转换器可以是可逆的，从而允许双向功率传输。第一转换器的每个相臂可包括：第一AC连接端子和第二AC连接端子；相支路，其包括至少两个转换器单元并且具有第一和第二支路末端端子；和电容器；其中该电容器可在第一支路末端端子与第一AC连接端子之间连接，电容器形成DC阻断电容器；第二AC连接端子可连接到第二支路末端端子；并且其中这些相臂在第一组DC端子之间的串联连接可使得相臂中的第一串联连接点定位在第一支路末端端子与DC阻断电容器之间，而第二串联连接点可定位在第二支路末端端子与第二AC连接之间。第一转换器的每个相臂的相支路可包括至少两个串联连接且独立能开关的转换器单元的级联。第二转换器的每个相臂的相支路可包括转换器单元的至少两个并联连接的级联。高压DC/DC转换器可进一步包括控制系统，其配置成控制第一转换器的相臂的相支路的转换器单元的开关以根据下面表达式来提供相臂的第一与第二串联连接点之间的电压：其中k指示第k个相臂，k∈[1,P]，P是第一转换器20的相的数量；指示第一与第二连接点之间的预定期望DC电压，其中，UDC是DC连接端子之间的电压；是第一与第二连接点之间的期望峰值AC电压，t是时间，ω是在AC连接处的期望角频率并且是期望的相角。预定期望DC电压可对应于，其中V1是DC连接端子之间的电压并且P是第一转换器20的相的数量。转换器单元的至少部分可符合半桥结构。转换器单元的至少部分可符合全桥结构。说明书和权利要求中的词“多个”要解释为意指“超过一个”。大体上，在权利要求中使用的所有术语要根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。对“一/一个/该元件、设备、部件、装置、步骤等”的全部引用要开放地解释为元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另外明确规定。在本文公开的任何方法的步骤不一定按公开的确切顺序来进行，除非明确规定。附图说明现在通过实例参照附图描述本发明，其中：图1是HVDC传输系统的示意图示；图2A-B是如在图1中图示的高压DC/DC转换器的两个实施例的示意图示；图3是图2的用于从AC转换成DC的转换器的相臂的示意图示；图4A是示出根据第一实施例的图3的转换器的转换器单元的示意图；图4B是示出根据第二实施例的图3的转换器的转换器单元的示意图；图5是第一DC转换器的示例的示意图示，其中对于每个相，DC阻断电容器与AC连接串联连接，这样的串联连接与转换器单元的相支路并联连接；图6A是根据图5的第一转换器的实施例的示意图示，其中相支路包括单个转换器单元；图6B是相臂的实施例的示意图，其中相支路包括全桥转换器单元的级联；以及图6C是相臂的实施例的示意图，其中相支路包括半桥转换器单元的级联。具体实施方式本发明现在将在下文参考附图（其中示出本发明的某些实施例）在下文更充分地描述。然而，本发明可以许多不同形式体现并且不应解释为受到本文阐述的实施例的限制；相反，通过示例提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。类似的数字指整个说明中类似的元件。图1是HVDC传输系统的示意图示。图1图示HVDC传输系统100的示例，其中存在四个独立DC网络。在图1的左边，存在+-320kV单极系统，其中转换器AC/DC转换器2a用于将DC转换成AC和/或从AC转换成DC。在图1的中右方，存在双极+-640kV系统。在这里，两个AC/DC转换器2c-d用于将DC转换成AC和/或从AC转换成DC。在+-320kV单极系统和+-640kV双极系统之间存在高压DC/DC转换器1a，其可以是单向或双向的。在图1的右上方，存在经由高压DC/DC转换器1b而连接到+-640kV双极系统的正传输线和接地的不对称单极+150kV系统。AC/DC转换器2b用于将DC转换成AC和/或从AC转换成DC。图2A是如在图1中图示的高压DC/DC转换器1的示意图示。该高压DC/DC转换器1可以用于图1的高压DC/DC转换器1a-b中的全部。在一侧上，高压DC/DC转换器1具有第一组207的DC端子，其连接到具有电压V1的DC连接。在另一侧上，高压DC/DC转换器1具有第二组208的DC端子，其连接到具有电压V2的DC连接。高压DC/DC转换器1在任一个或两个方向上在第一组207的DC端子与第二组208的DC端子之间转换DC电力。高压DC/DC转换器1包括能够从DC转换到AC的第一转换器20，和能够从AC转换到DC的第二转换器21。该第一和第二转换器20、21在它们相应的AC侧上连接到多相变压器装置10。高压DC/DC转换器1从而可以通过经由变压器将DC电力转换到多相AC并且转换回到DC而将电力从一个电压变换到另一个电压。此外，变压器提供在变压器的一侧上出现的一些故障与另一侧上的隔离。不同相上的信号在相角上互相偏移。例如，在存在三个相的情况下，这些相相应地偏移120度。多相变压器装置10包括多个一次绕组17i-iii和对应的多个二次绕组18i-iii。尽管这里示出具有三个相的高压DC/DC转换器的AC段，可以选择任何适合数量的相，只要存在至少两个即可。此外，如将由本领域内技术人员意识到的，多相变压器装置10的图示是非常示意性且实际的布局、特别是绕组17i-iii、18i-iii的实际布局将在实现方面与这里所示出的最有可能不同。多相变压器装置10可以由单个多相变压器或多个单相变压器组成。第一转换器20包括在第一组207的DC端子之间串联连接的多个相臂301i-iii。每个相臂301i-iii连接到相应的一次绕组17i-iii的AC连接，每个AC连接包括第一和第二AC连接端子。第二转换器21包括在第二组208的DC端子之间并联连接的多个桥臂23i-iii。桥臂23i-iii中的每一个连接到多相变压器10的二次绕组18i-iii的相应AC连接端子。要注意桥臂23i-iii对应于相，就像第一转换器20的相臂一样。然而为了能够容易地区分本文的正文中的转换器臂，第一转换器20的转换器臂指示为相臂301i-iii并且第二转换器21的转换器臂指示为桥臂23i-iii。控制器600经由第一控制连接610连接到相臂301i-iii并且经由第二控制连接611连接到桥臂23i-iii。控制器可以实现许多控制策略中的任一个或多个。特别地，第一转换器20可以被控制来对一次绕组17i-iii提供限定的电压和频率。这与用于对无源AC电网馈电的转换器的策略相似。此外，第二转换器可以被控制来保持恒定DC侧电压（V2）或维持任一方向上的限定的有功功率流。如果维持恒定DC侧电压，有功功率流将由连接到DC端子207、208的其他转换器（例如，图1的AC/DC转换器2a-f）确定。V1与V2之间的比率通过选择下面的参数来限定：－第一转换器20中的相臂301i-iii（串联连接的相）的数量，－多相变压器装置10的匝数比－第一转换器20的AC电压幅度，其由第一转换器20的调制指数限定。通过使调制指数并且从而使AC电压幅度保持为高，与对于给定有功功率水平的较低电流有关的损耗减少。－第二转换器21的AC电压幅度，其由第二转换器21的调制指数限定。通过使调制指数并且从而使AC电压幅度保持为高，与对于给定有功功率水平的较低电流有关的损耗减少。如果高压DC/DC转换器1配置成是单向的，通过控制第一转换器20的AC电压幅度来进行控制。上文限定的控制策略备选方案还可以反过来使用，使得第二转换器21如对于上文的第一转换器20描述的那样被控制，并且反之亦然。图2B是如在图1中示出的高压DC/DC转换器1的一个实施例的示意图示。在这里，第二转换器21包括在第二组208的DC端子之间串联连接的多个相臂401i-iii。每个相臂401i-iii连接到相应的二次绕组18i-iii的AC连接，每个AC连接包括第一和第二AC连接端子。控制器600经由第一控制连接610连接到第一转换器20的相臂301i-iii并且经由第二控制连接611连接到第二转换器21的相臂401i-iii。图3是图2A的第二转换器21的桥臂23的示意图示。该桥臂23可以用于图2A的第二转换器21的桥臂23i-iii中的全部。桥臂23包括若干转换器单元12a-d。在该示例中，两个转换器单元12a-b在第二转换器的DC端子208中的一个与AC连接72之间串联连接用于与多相变压器装置10的二次绕组的AC连接端子连接。类似地，两个转换器单元12c-d在第二转换器的DC端子208中的另一个与AC连接72之间串联连接。更多的转换器单元可以串联添加来支持更高的电压和/或并联添加来支持更高的电流。串联的更多的转换器单元还提高电压波形质量，这进而使对于用于滤波的额外部件的需要减少。图4A是示出根据第一实施例的图3的转换器的转换器单元12的示意图。转换器单元12可以用于图3的桥臂23的转换器单元12a-d中的全部。转换器单元12在这里使用包括串联连接的两个晶体管30a-b（例如，绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、门极可关断晶闸管（GTO），等）的半桥单元来实现。两个二极管31a-b每个与晶体管30a-b中的相应一个并联连接。还跨两个晶体管30a-b和两个二极管31a-b并联地提供电容器32。转换器单元是半导体开关（例如晶体管）和可选地能量存储元件（例如电容器、超级电容器、电感器、电池，等）的组合。可选地，单元可以是多级转换器结构，例如快速电容器或NPC多级结构。图4B是示出根据第二实施例的图3的转换器的转换器单元12的示意图。转换器单元12可以用于图3的桥臂23的转换器单元12a-d中的全部，在没有内部电容器的情况下使用该类型的单元时，可以跨DC侧（在图2A的端子208之间）提供外部DC电容器。转换器单元12在这里使用多个串联连接的晶体管34a-b（例如，绝缘栅双极晶体管（IGBT））以及可选的辅助部件（例如采用缓冲器配置（未示出）的电阻器、电容器等）来实现。在这样的结构中，所有IGBT串联连接并且共享电压。相比之下，在图4A的半桥结构中，仅一半的IGBT用于共享电压。也就是说，图4B的结构与图4A的结构相比仅需要一半数量的IGBT。与图4B相比，由于允许更低开关频率的多级配置，图4A的结构的损耗将更低。可选地，转换器单元12可以使用全桥单元（例如如在图6B中对于第一转换器示出的）来实现。通过将转换器单元12实现为全桥单元，电压可以反转。在一个实施例中，使用半桥和全桥的组合。可选地，转换器单元12可以使用无源二极管桥来实现。在这样的实施例中，功率流可以仅在一个方向上流动，即从第一组207的DC端子通过DC/DC转换器到第二组208的DC端子。参照图5和6A-C，现在在这里接着是具有串联连接的相臂的第一转换器的更详细描述。图5示意地图示图2A和图2B的第一转换器20的示例，该第一转换器20具有三个相臂301i、301ii和301iii，其在DC连接的两个极柱207、208之间的DC侧上串联连接。第一转换器20进一步具有每相臂一个AC连接，分别指示为210i、210ii和210iii，该AC连接具有两个AC连接端子。当参照相臂301i、301ii和301iii中的任一个（或全部），将使用通用术语相臂301；在参照AC连接210i、210ii和210iii中的任一个（或全部），使用通用术语AC连接210，等等。图5的每个相臂301包括相支路303，其具有至少一个转换器单元。相支路303在它相应的末端具有两个支路末端连接端子E。在图5的第一转换器20的每个相臂301中，相支路303与DC阻断电容器305和AC连接210的串联连接并联连接（经由末端连接端子E）。DC连接207的两个端子之间的相臂301的串联连接使得相臂中的第一连接点P1定位在第一支路末端端子E与电容器305之间，而第二连接点P2定位在第二支路末端端子E与AC连接210的第二端子之间。这样，相臂301还经由AC连接210而串联连接。这降低了对管（valve）的要求，由此可以利用例如半桥结构。串联相单元需要对应于2*V1/P的管额定电压。将这与并联转换器比较，在并联转换器中每个相单元必须能够经受2*V1的额定电压。因此，在串联连接的转换器中需要总额定电压的1/P（P在该示例中是3）。另一方面，串联连接需要额定电流的三倍。然而，额定电压比额定电流对成本具有更高的影响，由此部件成本在串联配置的情况下降低。可选地，第二DC阻断电容器306在AC连接210与第二连接点P2之间提供。这确保DC连接207的两个端子仅经由电容器305、306而连接到AC连接210，并且由此连接到变压器的绕组。这实现DC连接207的两个端子的DC阻断。为了限制在第一转换器20所连接的HVDC系统中出现的任何故障电流，第一转换器20可以例如包括与相臂301和DC连接207的极柱串联的无源滤波器，其包括例如电抗器以及可能的另外部件。由电抗器310形成的这样的无源滤波器在图5中示出。与相臂301和DC连接207的极柱串联连接的无源滤波器将称为DC线路滤波器310，其电抗器310（称为DC线路电抗器310）形成一个实施例。可选地，可包括与每个相支路303和/或电容器305串联的电抗器或其他无源滤波器部件。相支路303可以由单个转换器单元或由串联连接的两个或以上的独立可开关转换器单元（采用级联方式设置）形成。通过使用串联连接的转换器单元的级联，实现在相臂301的AC侧处获得多个电压水平，使得可以获得比如果使用由单个转换器单元形成的相支路303的话要更平滑的AC电压合成。从而，如果相支路303包括转换器单元的级联，则将比如果单个转换器单元用作相支路303需要更少的滤波部件和更低的开关频率。相支路303的转换器单元可以是半桥转换器单元、全桥转换器单元或半桥和全桥转换器单元的组合。如上文描述的，半桥转换器单元包括两个串联连接的整流管（electricvalve）单元215，其形成所谓的单元元件，该单元元件采用半桥配置与单元电容器并联连接。全桥转换器单元包括两个这样的单元元件，两者都与单元电容器并联连接（采用全桥或H桥样式）。如上文描述的，整流管215可以有利地包括单向开关，或简称为开关，和反并联二极管，其中单向开关可以被控制来切断以及接通。根据转换器单元的管215的开关状态，跨转换器单元的电压可以取两个（半桥单元）或三个（全桥单元）不同值中的一个。在半桥转换器单元中，两个值是0和+Uc，或0和-Uc，（根据使用两个等同的半桥拓扑中的哪个），其中Uc是跨单元电容器的电压。在全桥转换器单元中，三个值是+Uc、0和-Uc。转换器单元的管215的开关状态可以例如通过将开关控制信号（例如，脉宽调制（PWM）信号）发送到管215的开关而被控制。典型地提供驱动单元用于发送这样的开关控制信号。在图5中示出的转换器也可以是图2B的第二转换器的示例。与在该示例中示出的一个差异是转换器连接到第二组208的DC端子。三相第一转换器20的实施例的示例（其中相支路303包括单个转换器单元400）在图6A中示出。在图6A中示出的第一转换器20的转换器单元400是半桥单元400。在图6A的第一转换器20的相臂301i中，转换器单元400、单元电容器405和两个管215（每个包括单向开关和反并联二极管）已经由标号指示。在图6B和6C中，示意地示出具有相支路303（其包括独立能开关的转换器单元400的级联415）的相臂301的不同实施例的示例。两个或以上的相臂301（如分别在图6B和6C中示出的）可以在DC侧上串联连接来形成第一转换器20。在图6B的示例中，支路303包括全桥转换器单元400的级联415。在图6C中，支路303包括半桥转换器单元400的级联415。在图6B和6C中，已经对每个相支路303示出两个转换器单元400，其中粗线420连接两个转换器单元400，该粗线指示在级联415中可存在另外的转换器单元400。事实上，级联415可以包括任何数量N（N≥2）的半桥转换器单元400的串联连接，或任何数量N（N≥2）的全桥转换器单元400，或半桥和全桥转换器单元400的组合。接触引线可以根据以下两个不同的拓扑连接到半桥转换器单元400：或跨“顶部”管，或跨“底部”管。此外，半桥转换器单元400的管可以具有相同或不同极性。在级联415中，可使用具有相同或不同拓扑和/或具有相同或不同极性的半桥单元400。因为需要较少的部件，并且第一极性的非零开关状态通常是足够的，具有相同拓扑和相同极性的半桥转换器单元400在第一转换器20的相支路303中的使用常常比使用全桥转换器单元400或具有不同拓扑和/或不同极性的半桥转换器单元更加成本高效。作为在图6B-C中示出的转换器单元400的备选方案，若干IGBT可以串联连接，如在图4B中对第二转换器示出的。为了改进相支路303的电流耐受性质，两个或以上级联415可以并联连接来形成单相支路303。每个相臂301i-iii的AC连接210i-iii分别连接到多相变压器装置10的一次绕组17i-iii。整流管215在图6A-C中示出来包括单向开关和反并联二极管，其中该单向开关可以被控制成切断，以及接通。单向开关可以例如是IGBT、集成门极换向晶闸管（IGCT）、门极可关断晶闸管（GTO）等。在一些实现中，该反并联二极管可以集成在该开关中，该开关从而是反向导通的。这样的反向导通开关（其自身可以提供管215的功能性）的示例是反向导通IGCT和双模绝缘栅晶体管（BIGT）。此外，整流管215可以包括串联和/或并联连接并且设置成同时开关的多个开关，，和/或多个反并联整流元件。在图6A-C中，连接点P2示出位于AC连接210和相支路303的单向开关能够朝其传导电流的端点E之间。然而，连接点P2备选地可以位于AC连接210和相支路303的单向开关不能朝其传导电流的端点E之间。也就是说，电容器305可以与相支路303的单向开关能够传导电流的方向相关地定位在AC连接210的任一侧上。操作中跨第一转换器20的DC阻断电容器305的AC压降将对应于：（1），其中IAC是AC相电流的大小，并且C305是DC阻断电容器305的电容。适合的电容C305可以例如基于在例如接地故障场景中对电容器305提供的AC阻抗的要求结合电容器制造成本来选择。相臂301的DC阻断电容器305应该设计成除了预期的AC电压分量外还至少耐受跨DC阻断电容器305的预期DC电压（常常对应于）。在短路或接地故障情况下，在第一转换器20形成其一部分的系统中，通过相臂301的电流可以快速增加到相当大的值，并且可以例如达到额定AC相电流的10倍，其中多达该电流大小的一半可以是DC电流。这样的故障电流可以损坏DC阻断电容器305，除非该方面在HVDC站301的设计中考虑到。DC阻断电容器305的损坏就断电持续时间而言可以是代价高昂的，因为损坏的DC阻断电容器305将典型地必须在HVDC站301在故障后可以正常操作之前替换。为了保护DC阻断电容器305免受过度过电压的影响，放电器（没有示出）可以并联连接到DC阻断电容器305中的每个。要注意到本文在功率传输中使用的AC可以是正弦或方波形。本发明在上文主要参照几个实施例描述。然而，如容易被本领域内技术人员意识到的，除上文公开的那些之外的其他实施例在如由附上的专利权利要求所限定的本发明的范围内同样是可能的。