专利名称：电压源换流器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于交流(简称为AC)电路中的无功功率补偿的电压源换流器(简称为VSC)。
背景技术：
在由源和负载组成的交流电路中，电流和电压都是正弦波。电阻性负载意味着有功功率被传送，即，电流和电压同时倒转它们的极性而能量流的方向不倒转。然而，电抗性负载，诸如电容性和/或电感性负载，导致无功功率，其中电压和电流相位上相差90度。对于每个周期的半个周期，电压和电流的乘积是正的，但在每个周期的另半个周期上，电压和电流的乘积是负的，表示在一个周期上没有净能量流。有效负载通常具有电阻、电感和电容，意味着有功功率和无功功率二者，并且视在功率是有功功率与无功功率的向量和的幅度。同样地，非线性负载在功率电路中引起谐波频率。诸如静止同步补偿器(STATC0M)、静止同步电容器(STATC0N)或电压源逆变器(VSI)的电压源换流器可以用作为到功率电路的无功交流功率的源或汇(sink)。电压源换流器可以是灵活交流输电系统(FACTS)的一部分。级联的多电平换流器(CascadedMultilevel Converter,简称为CMC),例如级联的多电平逆变器,是H-桥的级联，即，串联配置的H-桥。在论文“Investigations on a Unified Controller for a Practical HybridMultilevel Power Converter，，,Tilak Gopalarathnam et al., 17th annual IEEE appliedpower electronics conference and exposition,Dallas,Texas,10_14March 2002 中，使
用辅助换流器来消除由主换流 器产生的谐波。两个换流器共同地仅仅涉及到无功功率补m
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实用新型内容本实用新型的目的是改进交流电路中的无功功率的补偿和减小谐波。按照本实用新型的方面，提供了一种电压源换流器，用于交流电路中的无功功率补偿和谐波减小，其中电压源换流器被连接到在电源与负载之间的所述交流电路。电压源换流器包括第一换流器，被配置成用于以低切换频率工作，该频率在一些实施例中是与交流电路的基波频率相同的，并且具有至少是与交流电路的电压相同的电压额定值，所述第一换流器被连接到所述交流电路以用于提供电压到所述交流电路以便补偿无功功率。电压源换流器还包括第二换流器，被配置成用于以比起第一换流器更高的切换频率工作，并且具有低于交流电路的电压的电压额定值，所述第二换流器借助于变压器而被连接到所述交流电路以用于减小谐波。第一和第二换流器串联连接。通过使用用于减小或消除交流电路中的谐波的换流器，减小或消除对于使用用于减小谐波的滤波器的需要。因此，电压源换流器可以做得更紧凑，并且可以避免如由于参数失配和在轻负载处的过无功功率补偿而造成的失谐那样的问题，这些问题是在使用滤波器时常见的问题。电压源换流器可以被动态调节以消除谐波，这与如果条件改变则其必须被改变的滤波器的静态效果不同。电压源换流器替代地例如可以通过动态控制算法被控制。另外，通过使用与用于补偿无功功率的换流器分开的、用于减小谐波的换流器，允许减小电压源换流器中的功率损耗。这是因为用于减小谐波的换流器是以高频(对于减小谐波所必须的)但以低电压工作的。另一方面，用于补偿无功功率的换流器是以高电压(电路的电压)但以低频(与电路频率相同的频率)工作的。因此，借助于本实用新型，避免了与高电压结合高频切换相关联的高损耗。由于第二换流器具有较低的电压额定值，生产成本可以被降低。通常，在权利要求中使用的所有术语按照它们在技术领域中通常的意义被解释，除非这里另外明确定义的。对于“一 / 一个/元件、设备、部件、装置、步骤等等”的所有引用应当开放地解释为是指元件、设备、部件、装置、步骤等等的至少一个示例，除非另外明确地阐述的。这里公开的任何方法的步骤不一定以正好是所公开的次序执行，除非明确地阐述的。使用“第一”、“第二”等等用于本公开内容的不同的特征/部件意图仅在于将所述特征/部件与其它类似的特征/部件区分开，而不是对于特征/部件强加上任何次序或分级。
现在参 照附图，通过例子描述本实用新型，其中:图1是被连接到本实用新型的电压源换流器的交流电路的示意性概观。图2是被连接到三相交流电路的、本实用新型的电压源换流器的一个实施例的示意图。图3是被连接到三相交流电路的、本实用新型的电压源换流器的另一个实施例的示意图。图4是被连接到三相交流电路的、本实用新型的电压源换流器的另一个实施例的示意图。图5是被连接到单相电路的、本实用新型的电压源换流器的一个实施例的示意图。图6是本实用新型的电压源换流器的示意性相量图。
具体实施方式
此后参照附图更全面地描述本实用新型，图中显示本实用新型的某些实施例。然而，本实用新型可以以许多不同的形式被体现并且不应当将本实用新型解释为限于这里阐述的实施例；而是这些实施例作为例子被提供，以使得本公开内容将是透彻的和全面的，并将本实用新型的范围充分地传递给本领域技术人员。在整个说明书中相同的标号是指相同的元件。术语电压额定值是指换流器或换流器的一部分必须能够操控的电压。被配置成提供基本市电电压到电路的第一换流器因此必须具有至少是其被连接到的电路的工作电压的电压额定值。另一方面，第二换流器仅仅经由变压器而与电路交互作用以用于减小/消除谐波，这允许第二换流器以比第一换流器低的电压工作，并且因此可以具有较低的电压额定值并且包括较便宜的部件。[0018]图1提供被连接在交流电源101与负载102之间的电压源换流器110所连接到的电路或电网的概观。取决于负载102的特性和复杂性，在电路100中产生不同的无功功率和谐波。在现有技术中，使用滤波器来消除谐波，但按照本实用新型，电压源换流器110除了补偿由负载102注入到电路的无功功率以外，还被用来消除由负载102产生的谐波。对于单相电路，电压源换流器作用在单相上，如果在电路中包括更多的相，诸如三相(a，b，c)电路，则电压源换流器可以独立地作用在一相、某些相或所有的相上。图2-图4显示被连接到三相电路/电网的本实用新型的电压源换流器的不同的实施例。图2显示本实用新型的电压源换流器的一个实施例。电压源换流器包括用于补偿无功功率的第一换流器111，和用于减小谐波的第二换流器112。第二换流器112经由变压器113与电路100连接/交互。按照图2的实施例，级联的多电平换流器被用作为用于生成基本市电电压以便供应无功功率给电路100的第一换流器111。电路100的第一相a在点a处被连接到第一换流器111，电路100的第二相b在点b处被连接到第一换流器111，以及电路100的第三相c在点c处被连接到第一换流器111。二电平(two-level)换流器被用作为用于谐波补偿的第二换流器112。两个换流器111和112都被串联连接。级联的多电平换流器111以低切换频率工作，因为基本市电电压是由它生成的。级联的多电平换流器111因此工作在高电压，但由于具有多个电平的级联的多电平换流器的设计，可以使用工业IGBT,由此级联的多电平换流器的制造成本可以被降低。相反，二电平换流器112在低电压下以高切换频率工作。Vconl是第一换流器111的电压，Vran2是第二换流器112的电压，Il是负载102的电流，Is是源101的电流，Ia 是第一相a的电流，Ib是第二相b的电流，I。是第二相c的电流，10是零序电流，Iba是第一换流器111的点b与a之间的电流，Iac是第一换流器111的点a与c之间的电流，Icb是第一换流器111的点c与b之间的电流。在X处的期望的电位(S卩，Vx)由Vranl和V_2决定，如在下面的公式中表达的:Vx = Vconl+Vcon2图3显示本实用新型的电压源换流器的另一个实施例。再次地，电压源换流器包括用于补偿无功功率的第一换流器111，和用于减小谐波的第二换流器112。第二换流器112经由变压器113与电路100连接/交互。按照图3的实施例，二电平换流器被用作为用于生成基本市电电压以便供应无功功率给电路100的第一换流器111。级联的多电平换流器被用作为用于谐波补偿的第二换流器112。两个换流器111和112都被串联连接。这里，用于级联的多电平换流器112的线路电压的切换频率可以高于单元电平(cell-level)切换频率。因此，更高阶的谐波可以通过由级联的多电平换流器112保持单元电平以相对低的值切换、减小损耗并且使得级联的多电平换流器对于谐波减小也是良好的选择而被消除。二电平换流器111在本实施例中被额定用于全市电电压并以低切换频率工作，因为它被使用来生成基波电压分量。二电平换流器111甚至可以以方波模式工作以便进一步减小切换损耗。二电平换流器111的电压额定值可以通过IGBT的串联连接而实现。Ica是在第二换流器112的点c与a之间的电流，Iab是在第二换流器112的点a与b之间的电流，Ibc是在第二换流器112的点b与c之间的电流。图4显示本实用新型的电压源换流器的另一个实施例。再次地，电压源换流器包括用于补偿无功功率的第一换流器111，和用于减小谐波的第二换流器112。第二换流器112经由变压器113与电路100连接/交互。按照图4的实施例，级联的多电平换流器被用作为第一换流器111，以及另一个级联的多电平换流器被用作为第二换流器112。正如以上参照图2和3讨论的，级联的多电平换流器可以适用于在高电压和低频率下工作，正如对于第一换流器111所需要的，并且适用于在低电压和高频率下工作，正如对于第二换流器112所需要的，由此切换功率损耗可以进一步减小。第二换流器112可以具有比起第一换流器111更少的H-桥单元，因为它可以具有较低的电压额定值，以降低成本。图5显示被连接到单相电路100的、本实用新型的电压源换流器的一个实施例。对应的相量(相位向量)图显示于图6。第一换流器111主要以基波频率供应无功功率。它也承受市电电压。由第一换流器111供应的无功功率通过改变VMnl的幅度而被控制。少量的有功功率被第一换流器111吸收以提供相关的损耗。因此，角度Θ保持在稍小于90°。第二换流器112只供应减小谐波的分量。因此，它的电压额定值与第一换流器111相比是相当低的。另外，第二换流器112以高切换频率工作。这意味着第二换流器112以高切换频率和低电压电平工作。因此，与第二换流器112相关联的损耗被减小。应当指出，由于第一换流器111的低频率切换，第一换流器111的切换损耗是低的，即使它的电压额定值是高的。流过第二换流器112的电流可以通过选择变压器113的匝数比而被设置。
Ls是源101的阻抗，Vs是源101的电压，Is是源101的电流，Iconl是流过第一换流器111的电流，Icon2是流过第二换流器112的电流，L是平滑电感器，VT是功率控制中心(PCC)处的电压，Θ是在图6的相量图上在Vconl和Iranl之间的角度。现在，关于本实用新型更一般地说，电压源换流器110被连接到的电路100可以是电力配电网。本实用新型可以方便地结合配电网和在这样的电网中使用的中压(小于50kV)被使用。电路100因此可以工作在5与50kV之间的电压，诸如33，11或6.6kV。因此，第一换流器111可以方便地具有在5与50kV之间的电压额定值，诸如33，11或6.6kV。而且，电路100，例如配电网，可以具有配电网的典型交流频率，诸如在10与IOOHz之间的频率，诸如16.6，25，50或60Hz。因此，第一换流器111可以方便地被配置成用于在10与IOOHz之间的、诸如16.6，25，50或60Hz的与交流电路的频率相同的切换频率下工作。另一方面，第二换流器112具有较高的切换频率和较低的电压额定值。第二换流器112例如可以具有约为第一换流器111的电压额定值的1/10的电压额定值。第二换流器112因此可以具有在0.5与5kV之间的电压额定值，诸如3.3,1.1或0.66kV。为了减小/消除谐波，第二换流器112具有相对高的切换频率。第二换流器112例如可被配置成用于在0.5与5kHz之间的切换频率，诸如1.5kHz下工作。电压源换流器110可以动态地被控制并且因此可以适用于借助于改变控制算法或通过直接从功率控制中心改变电压源换流器110的操作而改变条件。控制中心可以通过控制控制算法或通过直接控制而控制电压源换流器。控制中心使得其在电压源换流器110上的控制基于对于电路100的电流和电压(具体地是负载电流k和负载电压VJ的测量结果。无功功率可以作为在电流和电压之间的相量角被测量，并且谐波可以借助于负载电流的快速傅立叶变换分析而被测量。控制算法因此可以通过确定所述负载电流的电流与电压之间的相量角而基于负载电流中的无功功率的测量结果。而且，控制算法可以通过傅立叶变换分析基于在负载电流中的谐波的测量结果。[0032]按照本实用新型的实施例，提供了一种用于交流电路100中的无功功率补偿和谐波减小的电压源换流器110，其中电压源换流器被连接到电源101与负载102之间的所述交流电路。电压源换流器包括第一换流器111，被配置成用于以与交流电路的基波频率相同的切换频率工作并且具有至少是与交流电路的电压相同的电压额定值。电压源换流器还包括第二换流器112，被配置成用于以比起第一换流器更高的切换频率工作并且具有低于交流电路的电压的电压额定值。本实用新型在以上主要是参照几个实施例被描述的。然而，正如本领域技术人员容易意识到的，在如由所附专利权利要求限定的本实用新型的范围内，不同于以上公开的实施例的其它实 施例同样是可能的。
权利要求1.一种电压源换流器(110)，用于交流电路(100)中的无功功率补偿和谐波减小，其中所述电压源换流器(110)被连接到电源(101)与负载(102)之间的所述交流电路，其特征在于，所述电压源换流器包括: 第一换流器(111)，被配置成用于以低切换频率工作并且具有至少是与所述交流电路(100)的电压相同的电压额定值，所述第一换流器(111)被连接到所述交流电路(100)以用于提供电压到所述交流电路(100)以便补偿无功功率； 第二换流器(112)，被配置成用于以比所述第一换流器(111)更高的切换频率工作并且具有低于所述交流电路(100)的电压的电压额定值，所述第二换流器(112)借助于变压器(113)被连接到所述交流电路(100)以用于减小谐波； 所述第一和第二换流器(111，112)串联连接。
2.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述第一换流器(111)被配置成用于以与所述交流电路(100)的频率相同的切换频率工作。
3.根据权利要求1或2的电压源换流器，其特征在于，所述第一换流器(111)是级联的多电平换流器，并且 所述第二换流器(112)是二电平换流器。
4.根据权利要求1或2的电压源换流器，其特征在于，所述第一换流器(111)是二电平换流器，并且所述第二换流器(112)是级联的多电平换流器。
5.根据权利要求3的电压源换流器，其特征在于，所述二电平换流器包括串联连接的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)。
6.根据权利要求3的电压源换流器，其特征在于，所述二电平换流器被配置成用于以方波模式工作。
7.根据权利要求4的电压源换流器，其特征在于，所述级联的多电平换流器被配置成用于具有高于其单独的H-桥单元的切换频率的切换频率。
8.根据权利要求1或2的电压源换流器，其特征在于，所述第一换流器(111)是级联的多电平换流器，并且所述第二换流器(112)是另一个级联的多电平换流器。
9.根据权利要求8的电压源换流器，其特征在于，所述第二换流器(112)包括比所述第一换流器(111)更少的H-桥单元。
10.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述交流电路(100)是三相电路，并且所述第一和第二换流器(111，112)被连接到三相的每一相。
11.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述电压源换流器(110)被连接到的交流电路(100)是配电网。
12.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述第一换流器(111)具有在5与50kV之间的电压额定值。
13.根据权利要求12的电压源换流器，其特征在于，所述电压额定值是33，11或6.6kV。
14.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述第一换流器(111)被配置成用于以在10与IOOHz之间的切换频率工作。
15.根据权利要求14的电压源换流器，其特征在于，所述切换频率是16.6，25，50或60Hz。
16.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述第二换流器(112)具有在0.5与5kV之间的电压额定值。
17.根据权利要求16的电压源换流器，其特征在于，所述电压额定值是3.3，1.1或0.66kV。
18.根据权利要求1的电压源换流器，其特征在于，所述第二换流器(112)被配置成用于以在0.5与5kHz之间的切换频率工作。
19.根据权利要求18的 电压源换流器，其特征在于，所述切换频率是1.5kHz。
专利摘要一种用于交流电路100中的无功功率补偿和谐波减小的电压源换流器110，其中电压源换流器被连接到电源101与负载102之间的所述交流电路。电压源换流器包括第一换流器111，被配置成用于以与所述交流电路的基波频率相同的切换频率工作并且具有至少是与所述交流电路的电压相同的电压额定值。电压源换流器还包括第二换流器112，被配置成用于以比起第一换流器更高的切换频率工作并且具有低于所述交流电路的电压的电压额定值。
文档编号H02J3/01GK203103961SQ201220330358
公开日2013年7月31日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者G·伯帕拉朱, M·萨胡, S·萨布拉玛尼安, S·麦蒂 申请人:Abb技术有限公司