用于高压直流传输系统的换流站的制作方法

本公开一般地涉及功率传输系统。更具体地，本公开涉及包括可连接到第一极的第一转换器部分和可连接到第二极的第二转换器部分的换流站，其中，转换器部分具有多于一个的电压源转换器。

背景技术：

由于其较低的损耗和成本，所以对于高压功率的主干传输，直流 (DC)功率传输系统已经成为针对于其交流(AC)竞争者的优选选择。在现代高压直流(HVDC)功率传输系统(具有几百kV的电压) 中，功率可以达到几千兆瓦的大小，并且在高达几千公里的距离上被传递。

由于其相对低的成本和低损耗，使用晶闸管作为开关器件的电流源转换器(CSC)广泛地用于HVDC应用中，以在AC和DC功率之间进行转换。由于CSC不是自换向的，所以然而，基于CSC的HVDC 转换器可能对例如在AC电压下降期间可能发生的换向故障是敏感的，并且这进而可能触发在其他互连的HVDC转换器中的换向故障，导致不可接受的功率系统干扰。

随着半导体技术的最新发展，使用例如绝缘栅双极晶体管(IGBT) 作为开关器件的电压源转换器(VSC)已经流行。因为VSC是自换向的，所以VSC可能对换向故障不太敏感。然而，基于VSC的HVDC 转换器可能比其基于晶闸管的CSC对应物更昂贵并且效率更低，并且替代地对例如短路更敏感。

鉴于上述，因此需要改进的功率传输系统和方法。

技术实现要素：

为了至少部分地满足上述要求，本公开寻求提供至少与高压和高功率VSC换流站装置相关的改进的系统。

为了实现这一点，提供了如独立权利要求中限定的换流站。在从属权利要求中提供了本公开的其他实施例。

根据一个方面，提供了一种用于高压直流传输系统的换流站。换流站包括可连接到第一极的第一转换器部分和可连接到第二极的第二转换器部分。第一转换器部分和第二转换器部分中的每一个可以包括串联连接的多于一个的电压源转换器(VSC)，并且换流站的至少一个VSC包括至少一个全桥模块化多电平转换器(FB-MMC)，并且另一VSC包括至少一个半桥模块化多电平转换器(HB-MMC)。

根据实施例，跨至少一个FB-MMC的直流电流DC电压可以不低于跨至少一个FB-MMC所属于的转换器部分的电压的一半。

根据实施例，第一转换器部分和第二转换器部分中的每一个可以包括至少一个FB-MMC和至少一个HB-MMC。

应当理解，第二转换器部分可以经由中性母线连接到第一转换器部分，中性母线可以被接地或间接接地。根据实施例，在第一转换器部分和第二转换器部分之间的连接节点可以被连接到地或中性母线。

根据实施例，第一极可以相对于地具有正电位，并且第二极可以相对于地具有负电位，或反之亦然。

根据实施例，至少一个FB-MMC可以相较于至少一个HB-MMC 被连接为更接近其所属于的转换器部分的极。

根据实施例，换流站可以操作为逆变器和/或整流器。

根据实施例，换流站可以操作为逆变器，并且可以经由DC传输链路连接到基于电流源转换器(CSC)的换流站。

根据实施例，换流站的第一和第二转换器部分中的每一个包括多个VSC转换器块，并且基于CSC的换流站在每个相应的转换器部分中包括相同数目的CSC转换器块。换流站的转换器块可以例如是 FB-MMC或HB-MMC。

根据实施例，换流站可以操作为逆变器和/或整流器，并且可以经由DC传输链路连接到相同类型和配置的另一换流站。

本公开还提供一种包括如前述实施例中任一个所限定的换流站的功率传输系统。

功率传输系统可以包括CSC，其可连接到第一AC系统并且至少可操作为整流器。功率传输系统可以包括如前述实施例中任一个所限定的换流站，使得全桥模块化多电平转换器(FB-MMC)可以被连接到第二AC系统，并且可以至少作为逆变器进行操作。功率传输系统可以包括半桥模块化多电平转换器(HB-MMC)，其可连接到第二 AC系统或另一AC系统并且至少可操作为逆变器。FB-MMC和 HB-MMC可以串联连接。

串联连接两个VSC可以允许更高的可用性和可靠性，因为如果 VSC中的一个故障，则仅总功率供应能力的一部分可能丢失。而且，串联连接的多个VSC可以允许例如连接到将制造的VSC的变压器具有减小的尺寸。这可以提供变压器的降低的成本和空间需求以及更容易运输。

FB-MMC可以具有阻断DC故障电流并且以任何(例如减小的) DC线路电压进行操作的能力。然而，由于每个转换器子单元需要更多的半导体，所以FB-MMC可能具有增加的成本、增加的损耗和增加的故障率。

HB-MMC可以提供减小的成本，因为每个转换器子单元需要较少的半导体。然而，HB-MMC的控制稳定性可能小于FB-MMC的控制稳定性，因为它可能例如无法阻断故障电流。

通过在如前述实施例中任一个所限定的换流站中将FB-MMC和 HB-MMC二者串联组合，获得具有多个串联连接的VSC的优点。同时，换流站或得到的功率传输系统可能没有遭受仅具有串联连接的 FB-MMC(这可能导致更高的损耗和更高的成本)或仅具有串联连接的HB-MMC(这可能导致较低的控制稳定性)的缺点。DC故障电流可以在多个条件下被清除，换流站(并且因此功率传输系统)还可以以降低的DC电压进行操作，并且可以实现更高的可用性和可靠性。

如上所述，在一个实施例中，FB-MMC可以相较于HB-MMC被连接为更接近DC传输线。

在一个实施例中，功率传输系统可以是双极功率传输系统，并且 FB-MMC和HB-MMC可以构成换流站的第一或第二部分，并且可以被连接到换流站的同一极。

本公开涉及权利要求中所述的特征的所有可能的组合。下面将通过示例性实施例来描述本公开的各种实施例的其他目的和优点。

附图说明

下面将参考附图描述示例性实施例，在附图中：

图1a和图1b示出了功率传输系统的示意图；

图2a和图2b示出了不同的模块化多电平转换器子单元装置的示意图，

图3示出了根据本公开的功率传输系统的示意图。

在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记将用于相同的元件。除非明确地相反指出，附图仅示出了说明示例性实施例所需要的这些元件，而为了清楚起见，其他元件可以被省略或仅仅被提出。如图所示，为了说明的目的，元件和区域的大小可以被夸大，并且因此被提供以示出实施例的一般结构。

具体实施方式

图1a示出了功率传输系统100，其中DC功率可以从第一AC系统140被传递到第二AC系统150。AC系统140和150可以包括多个变压器，其可以用于在需要时在较低和较高AC电压之间变换。变压器进而可以连接到例如涡轮机、发电机、电机或提供和/或消耗AC功率的其他组件。AC系统140可以例如是发电厂的一部分，并且AC 系统150可以例如是消耗由发电厂生成的功率的城市、城镇或工厂的一部分。

功率传输系统100是双极传输系统，并且使用接地返回路径以及两个DC传输线130和132。应当理解，双极传输系统可以使用接地返回路径或专用金属返回路径。每个DC传输线130和132表示一个极，并且可以假设例如DC传输线130被布置为承载正DC电压，而 DC传输线132被布置为承载相对于地的负DC电压。AC系统140经由变压器连接到多个CSC 110，多个CSC 110作为整流器进行操作，以便于从AC到DC进行转换。CSC 110中的一些串联连接到由DC 传输线130表示的极，而CSC 110中的一些串联连接到由DC传输线 132表示的另一极。通过使用串联连接的多个转换器，例如变压器的功率要求可以被减少，并且可以更紧凑地构建变压器，这进而可以允许更容易的运输。另外，串联连接多个转换器还可以向传输系统提供更高的操作可靠性和可用性。

在功率传输系统100的另一侧，由DC传输线130和132传输的 DC功率通过作为逆变器操作的多个VSC 120转换回至AC功率，多个VSC 120进而连接到第二AC系统150。VSC 120中的一些串联连接到由DC传输线130表示的极，而其他VSC 120串联连接到由DC 传输线132表示的极。通过串联连接VSC 120，与连接到CSC 110的变压器相同的益处也可以应用于连接到VSC 120的变压器。

VSC 120全部被布置为FB-MMC，其可以提供阻断故障DC电流的能力。然而，由于例如在每个FB-MMC 120的子单元内的增加的半导体的需求，仅使用FB-MMC 120可能导致增加的成本、更高的损耗和更高的故障率。

图1b示出了类似于图1a中所示的功率传输系统100的功率传输系统101。然而，在功率传输系统101中，VSC 122全部被布置为 HB-MMC。所有HB-MMC 122的使用可以提供较低成本的优点，但是代价是由于例如HB-MMC 122无法如例如FB-MMC有效地阻断 DC故障电流而导致的较低的稳定性控制为代价。

图2a示出了FB-MMC的子单元200。在子单元200中，每一个都包括绝缘栅极双极晶体管(IGBT)以及并联续流二极管的四个开关单元202以H桥配置与充电电容器204连接在一起。FB-MMC的子单元200可以以任一极性插入到电路中，并且可以阻断可能例如由于从正极到地或从负极到地的短路而出现的故障电流。

图2b示出了HB-MMC的子单元201。在子单元201中，两个开关单元202与并联充电电容器204串联连接。由于子单元201的配置，参考图2a电流描述的DC故障电流可能不由HB-MMC的子单元201 阻断。然而，由于子单元201包括较少数目的半导体(例如，与 FB-MMC的子单元200的四个相比，仅有两个IGBT)，所以HB-MMC 制造成本较低，并且可以提供较低的损失。应当理解，开关组件不限于IGBT，并且其例如还可以是集成的栅极换向晶闸管(IGCT)、双模绝缘栅晶体管(BIGT)等。

参考图3，将在下面描述根据本公开的改进的功率传输系统。

图3示出了类似于图1a中所示的功率传输系统100和图1b中所示的功率传输系统101的功率传输系统300，但是其中FB-MMC 120 和HB-MMC 122二者串联连接到相应的DC传输线130和132。

更具体地，提供了用于高压直流传输系统300的换流站350。换流站350包括可连接到第一极130的第一转换器部分325和可连接到第二极132的第二转换器部分375。为此，换流站350的第一转换器部分325可以包括用于连接到第一极(或第一DC传输链路)130的第一DC端子330，并且换流站350的第二转换器部分375可以包括用于连接到第二极(或第二DC传输链路)132的第二DC端子332。

第二转换器部分375可以经由中性母线连接到第一转换器部分 325，中性母线没有具体示出，但是对于本领域技术人员是公知的。第一转换器部分325和第二转换器部分375可以包括多于一个串联连接的电压源转换器(VSC)，其中换流站350的至少一个VSC包括至少一个全桥模块化多电平转换器(FB-MMC)120，并且另一VSC 包括至少一个半桥模块化多电平转换器(HB-MMC)122。例如，第一转换器部分325包括至少一个FB-MMC 120和至少一个HB-MMC 122。

根据实施例，跨至少一个FB-MMC 120的直流电流DC电压可以不低于跨至少一个FB-MMC所属于的转换器部分的电压的一半。换言之，跨第一转换器部分325的FB-MMC 120的DC电压不低于跨整个第一转换器部分325的DC电压。

还如图3所示，根据实施例，第一转换器部分325和第二转换器部分375中的每一个可以包括至少一个FB-MMC 120和至少一个 HB-MMC 122。虽然图3仅示出在第一和第二转换器部分325和375 中的每一个中串联连接的一个FB-MMC 120和一个HB-MMC 122，但是多于一个的FB-MMC和多于一个的HB-MMC是可能的。

第一转换器部分325的第一DC端子330可以被连接到相对于地具有正电位的第一DC传输线130，并且第二转换器部分375的第二 DC端子332可以被连接到具有相对于地的负电位的第二DC传输线 132(或反之亦然)。

DC故障电流可以通过FB-MMC 120阻断，这可以提供在多个条件下清除DC故障的可能性。因为多个FB-MMC 120不用于每个极，所以与例如图1a中的功率传输系统100的系统相比，可以降低 FB-MMC 120的成本，其中多个FB-MMC 120被串联连接到每个极 (DC传输线130或132)。类似地，使用较少数目的FB-MMC 120 可以提供增加的可靠性的优点(因为可以降低总体功率传输系统300 的故障率)。同时，以减小的DC电压进行操作的灵活性是可用的，并且可以实现稳健的控制。

因为最终的DC故障电流可以由FB-MMC 120阻断，所以其他 VSC可以是HB-MMC 122，同时避免了降低的控制稳定性的问题(如对于图1b中的功率传输系统101，其中仅HB-MMC 122串联连接到每个极)

虽然在图3中未示出，但是多于一个的HB-MMC 122可以与 FB-MMC 120串联连接到每个极。通过使用多于一个的HB-MMC 122，可以进一步增加如前所述使用串联连接的多个VSC的益处。

在图3中，第一转换器部分325的FB-MMC 120相较于HB-MMC 375被连接为更接近转换器部分325的极330。将认识到，可能的是，HB-MMC可以相较于相应的串联连接的FB-MMC被连接为更接近其相应的极。

功率传输系统300中的相应FB-MMC 120可以相较于相应的串联连接的HB-MMC 122被连接为更接近其相应极(即，DC传输线130 或132)。

可以设想，串联连接的FB-MMC 120和HB-MMC 122可以被包括在同一逆变器站(或更一般地，相同的换流站)中。尽管在图3中未示出，但是逆变器站可以例如包括安装有串联连接的FB-MMC 120 和HB-MMC 122的外壳，该外壳可以保护VSC和其他组件免于例如天气要素。

尽管在上文中提到换流站350可以用作逆变器，但是应当理解，换流站350也可以用作整流器或者用作整流器和用作逆变器两者。

如图3所示，换流站350可以作为逆变器进行操作，并且可以经由DC传输链路连接到基于电流源转换器(CSC)的换流站。具体地，应当理解，换流站350的第一和第二转换器部分包括与基于CSC的换流站的CSC转换器块的数目相同数目的VSC转换器块(120、122) (在每个相应的转换器部分中)。基于VSC的换流站和基于CSC的换流站可以以对称的方式被设计。

尽管图中未示出，但是根据实施例，换流站350可以经由DC传输链路连接到相同类型和配置的另一换流站。换流站然后可以作为逆变器和/或整流器进行操作。

应当理解，换流站350还可以包括用于连接到AC系统150的变压器。

本领域技术人员认识到，本公开绝限于上述实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。

虽然在上面以具体组合描述了特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有其他特征和元件的情况下被单独使用或者与具有或不具有其他特征和元件的各种组合一起使用。

此外，本领域技术人员在实践要求保护的本实用新型时，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，能够理解和实现所公开的实施例的变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中阐述特定特征的仅有事实不表示这些特征的组合不能被有利地使用。