HVDC功率转换器中或与之有关的改进的制作方法

本发明涉及高压直流（hvdc）功率转换器。

背景技术：

在hvdc输电中，交流（ac）电力被转换成高压直流（dc）电力以经由架空线和/或海底线缆传输。该转换将每公里线和/或线缆的成本降低并且因此当需要远距离传输电力时是具有成本效益的。一旦所传输的电力到达它的目标目的地，高压dc电力在分配到本地网络之前就被转换回ac电力。

在必需互连以不同频率操作的两个ac网络的情况下，在输电网络中通常还利用ac电力到dc电力的转换。

在ac与dc网络之间的每个接口处需要hvdc功率转换器来实行ac电力与dc电力之间所需的转换。

技术实现要素：

根据本发明的方面，提供hvdc功率转换器，其包括：

第一和第二dc端子，用于连接到dc网络；

至少一个转换器分支（limb），该或每个转换器分支在第一与第二端子之间延伸，该或每个转换器分支包括被相应ac端子分开的第一和第二分支部分，该或每个转换器分支的ac端子用于连接到ac网络的相应ac相，该或每个第一分支部分在第一dc端子与对应的ac端子之间延伸，该或每个第二分支部分在第二dc端子与对应的ac端子之间延伸，每个分支部分包括相应的阀，其可操作以选择性地准许电流流过对应的分支部分并且因此在相应dc端子与对应ac端子之间流动，以由此在使用中在dc与ac网络之间输送电力；以及

至少一个放电电路，其在至少一个转换器分支与地之间电连接，以选择性地提供从该或每个转换器分支到地的电流放电路径。

包括一个或多个这样的放电电路，这些放电电路以前面提到的方式在功率转换器内连接，这准许dc传输管道的电压水平通过将所述dc传输管道中流动的电流经由所述一个或多个放电电路向地放电而快速降低，其中所述dc传输管道即dc传输线或电缆，其在使用中连接到功率转换器的第一或第二dc端子中的一个。

可能例如由于安全原因，如果传输管道设置于其内的给定dc输电网络需要断电以便修理或维护，则需要dc传输管道的操作电压中的这种快速降低。特别是对于对称单极传输方案也可能是期望的，在该对称单极传输方案中，到地的单个传输管道故障导致有故障的管道中的电流被放电到零而另外健康的管道则被过度充电到接近传输管道的绝缘保护的水平，并且因此需要使它的电压水平至少一定程度上降低。

另外，给定转换器分支与地之间的该或每个放电电路的电连接提供了使功率转换器控制放电过程的选项，例如通过控制位于需要快速放电的传输管道所连接到的dc端子之间的对应阀的操作，即，通过控制对应放电阀的操作，以便选择性地准许放电电流从所述dc端子经由相关联的分支部分流到地。放电过程的这种控制允许例如在任何时间停止放电电流的流动（通过控制所述阀来防止放电电流通过其流动）。因此，例如关于在对称单极传输方案中从单极故障恢复方面，一旦感兴趣的传输管道的电压降到只需要是额定操作电压的某一百分比的期望值，就可以停止放电过程。这进而允许传输方案的启动比例如常规dc传输管道放电布置要快得多，其中常规dc传输管道放电布置需要感兴趣的传输管道的电压完全放电到零。

此外，在本发明的布置中，该或每个放电电路内的放电开关元件未暴露于较长持续时间的例如跨开路触点的dc电压应力（stress），但其另外在给定dc端子或dc传输管道与地之间直接电连接的常规dc传输管道放电布置中出现。因此，本发明所包括的放电开关元件比常规dc传输管道放电布置中所并入的那些可能更简单且更便宜。

此外，放电开关元件仅需要在零（或几乎零）电流操作并且因此它不必实施电流形成或断开能力。因此，关于本发明所包括的放电开关元件的更进一步降低的性能要求，可能有更进一步的成本节省。

优选地，至少一个放电电路包括选择性可开和可闭放电开关元件。

例如，在相关联hvdc功率转换器的正常操作条件下，这样的开关元件可期望地促进电流放电路径的阻断。尤其优选的放电开关元件的一个示例是ac接地开关。这样的接地开关未提供dc电压应力耐受能力并且因此比例如常规dc传输管道放电布置中所需要的dc接地开关要便宜得多。

可选地，至少一个放电电路包括接地电抗器。

这样的电抗器的阻抗取决于对它施加的电信号的频率，例如根据：

其中

zx(w)是处于角频率w的电抗器阻抗；并且

l是处于相同的角频率w的电抗器阻抗。

因此，在本发明的功率转换器的正常操作下，即当第一和第二dc端子处的电压平衡时，这样的接地电抗器在基频处暴露于ac电压并且因此接地电抗器在对应的转换器分支与地之间呈现高阻抗。因此，可以选择接地电抗器的电感使得它对功率转换器的正常操作几乎没有影响。

同时，接地电抗器跨过它施加dc电压时提供基本上零（或非常小）阻抗，并且因此这种电抗器能够根据需要提供到地的低阻抗路径，这时决定通过相关联的dc传输管道来降低给定第一或第二dc端子处呈现的dc电压。

至少一个放电电路可以另外包括串联连接的电阻器。

包括这样的电阻器提供额外帮助来耗散与期望降低的给定dc端子处的dc电压相关联的能量。

在本发明的另一个优选实施例中，一个或多个串联连接的电阻器选择性地可接通和断开对应放电电路。

这样的布置准许该或每个这样的电阻器在功率转换器的某一其他操作期间执行额外功能，例如，诸如预插（pre-insertion）电阻器，其可以被包括在一些hvdc功率转换器中来限制可能在功率转换器初始通电期间从所连接的ac网络流动的不受控涌入（inrush）电流的幅度。

可选地，至少一个放电电路电连接到对应转换器分支内的ac端子的ac网络侧。

用这样的方式来布置一个或多个放电电路有助于确保单个放电电路可以用于将第一和第二dc端子的任一个处出现的dc电压减少和/或放电。

优选地，hvdc功率转换器包括多个放电电路，其中的每个在相应的单转换器分支与地之间电连接。

这样的布置提供具有一个或多个冗余放电电路的益处，这虑及更高的操作可靠性以及维修或修理给定放电电路同时继续操作功率转换器的选项两者。

另外，这样的多个放电电路可以提供更短的dc电压放电时间。

hvdc功率转换器可以进一步包括控制单元，对该控制单元编程来控制功率转换器内每个阀的开关，并且当期望降低在使用中电连接到第一和第二dc端子中的一个或另一个的感兴趣的dc传输管道的电压时，进一步对该控制单元编程以：

（a）控制每个阀，以防止电流通过其流动；以及

（b）控制设置于位于所述dc端子与放电电路之间的至少一个分支部分内的阀，以允许放电电流流过所述阀并且因此流过该或每个对应分支部分并且继续流过放电电路，其中感兴趣的dc传输管道电连接到所述dc端子。

包括这样的控制电路有利地允许功率转换器控制放电过程的所有方面，即通过根据需要选择合适的阀来充当指定的放电阀，其具有上文提到的这样的放电过程所带来的所有伴随的益处。

优选地，其中的每个阀包括由多个串联连接的链节模块形成的链节转换器，该链节模块中的每个包括与能量存储设备电连接的多个个体开关元件。

在每个阀内包括这样的链节转换器允许每个阀按所期望的那样操作以提供步进式可变电压源，其有助于提高功率转换器能够在相应的ac与dc网络之间运输电力的效率。

可选地，对控制单元编程来控制设置于位于所述dc端子与放电电路之间的至少一个所述分支部分内的链节转换器，以通过选择性地将该或每个所述链节转换器内的每个链节模块切换成旁路状态来允许电流通过其流动，其中感兴趣的dc传输管道电连接到所述dc端子。

将每个链节模块切换成旁路状态，优选地同时对所有实际目的，形成了通过对应链节转换器并且因此通过相关联的分支部分的低阻抗路径，并且由此在对应dc端子与地之间建立这样的低阻抗路径。

可以对控制单元编程来控制设置于位于所述dc端子与放电电路之间的至少一个所述分支部分内的链节转换器，以通过选择性地将该或每个所述链节转换器内的每个链节模块在相应旁路和完全阻断状态之间切换来允许电流通过其流动，其中感兴趣的dc传输管道电连接到所述dc端子。

用这样的方式对控制单元编程允许本发明的功率转换器选择性地准许和防止电流流过该或每个给定链节转换器，并且由此使功率转换器能够控制流过该或每个相关联放电电路的所得放电电流的形状和幅度。

在本发明的又一个优选实施例中，对控制单元编程来控制设置于位于所述dc端子与放电电路之间的至少一个所述分支部分内的链节转换器，以通过选择性地使该或每个所述链节转换器内的一个或多个链节模块提供电压源同时该或每个所述链节转换器内的另一个或每个其他链节模块切换成旁路状态，由此跨该或每个所述链节转换器出现累积电压而允许电流通过其流动，其中感兴趣的dc传输管道电连接到所述dc端子。

用这样的方式控制该或每个所述链节转换器，即，作为受控电压源，准许非常精确地控制流过相关联放电电路的所得放电电流的形状和幅度。

附图说明

现在接着通过非限制示例参考下面的图来简要描述本发明的优选实施例，在图中：

图1（a）示出根据本发明的第一实施例第一操作模式中的hvdc功率转换器的示意图；

图1（b）示出形成图1（a）中所示出的功率转换器的一部分的链节转换器的示意图；

图1（c）示出图1（b）的链节转换器，其中的链节模块中的若干个提供电压源；

图1（d）示出图1（b）中所示出的链节转换器，其中的每个链节模块切换成旁路状态；

图1（e）示出图1（a）的在第二操作模式中的hvdc功率转换器；

图2示出根据本发明的第二实施例的hvdc功率转换器的示意图；

图3示出根据本发明的第三实施例的hvdc功率转换器的示意图；

图4示出根据本发明的第四实施例的hvdc功率转换器的示意图；以及

图5示出根据本发明的第五实施例的hvdc功率转换器的示意图。

具体实施方式

根据本发明的第一实施例的hvdc功率转换器一般由参考标号10标示。

第一功率转换器10具有第一和第二dc端子12、14，其在使用中连接到dc网络16。

第一功率转换器10包括三个转换器分支18a、18b、18c，其中的每个与第一功率转换器10在使用中与其连接的三相ac网络20的相应的相a、b、c相关联。

更具体地，在所示出的实施例中，每个转换器分支1a、18b、18c在第一与第二dc端子12、14之间延伸并且包括被相应的对应ac端子26a、26b、26c分开的第一和第二分支部分22a、24a、22b、24b、22c、24c，其中每个ac端子26a、26b、26c在使用中连接到前面提到的ac网络20的相应相位a、b、c。又更加具体地，每个第一分支部分22a、22b、22c在第一dc端子12与对应的ac端子26a、22b、22c之间延伸，而每个第二分支部分24a、24b、24c在第二dc端子14与对应的ac端子26a、26b、26c之间延伸。

每个分支部分22a、24a、22b、24b、22c、24c包括相应的阀28，其可操作以选择性地准许电流流过对应的分支部分22a、24a、22b、24b、22c、24c并且因此在相应的dc端子12、14与对应的ac端子26a、26b、26c之间流动，以由此在使用中在dc与ac网络16、20之间运输电力。

根据本发明的其他实施例的功率转换器可以配置成处理少于或超过三个相并且因此可以具有更少或更大数量的对应转换器分支。

在所示出的实施例中，每个阀28由相应的链节转换器30定义，该链节转换器30由多个串联连接的链节模块32形成，如在图1（b）中示意示出的。

每个链节模块32包括多个个体开关元件34，其与能量存储设备36电连接。更具体地，在图1（a）和1（b）中示出的实施例中，每个能量存储设备36采取电容器38的形式并且前面提到的开关元件34中的每个采取与反并联二极管42并联连接的半导体开关40的形式，例如绝缘栅双极晶体管（igbt）。

另外，如示出的，每个链节模块32内的半导体开关40、反并联二极管42和电容器38采用已知的半桥布置互相连接，以便定义2象限单极模块，其可以提供零或正电压并且可以在两个方向上传导电流。

在本发明的其他实施例（未示出）中，链节模块32中的一个或多个可以采用已知的全桥布置来配置以便定义4象限双极模块，其能够提供零、正或负电压并且可以在两个方向上传导电流。

此外，在本发明的再更多实施例（也未示出）中，阀28中的一个或多个可以包括单个开关元件，例如二极管、晶闸管、光触发晶闸管（ltt）、门极可关断晶闸管（gto）、门极换向晶闸管（gct）或集成门极换向晶闸管（igct）或这种个体开关元件的串联连接串。

回到所示实施例，第一功率转换器10还包括单个放电电路44，其进而仅包括采用ac接地开关48形式的选择性可开和可闭放电开关元件46。优选地，ac地开关48是机械式的，但不需要一定是这种情况。

放电电路44（即ac接地开关48）在与ac网络20的第二相b相关联的转换器分支18b与地50之间电连接。更具体地，ac接地开关48连接到对应ac端子26b的ac网络侧52。

然而，在本发明的其他实施例中，放电电路可以采用不同方式连接，可以在不同的转换器分支与地之间和/或在超过一个转换器分支与地之间连接。

在任何情况下，放电电路44（即ac接地开关48）在相关联的转换器分支18，即，与图示实施例中的ac网络20的第二相b相关联的转换器分支18b到地50之间选择性地提供电流放电路径54。在该方面，ac接地开关48在第一功率转换器10的正常操作期间保持断开。

除上文之外，第一功率转换器10还包括控制单元56，其与每个阀28（即每个链节转换器30）可操作通信地布置，并且对控制单元56编程来控制每个所述阀28的开关，即每个所述链节转换器30的开关。

此外，当期望降低感兴趣的dc传输管道的电压时，即当期望降低在使用中电连接到例如第一dc端子12的感兴趣的dc传输线或线缆（未示出）的电压时，另外对控制单元56编程以：

（a）控制每个阀28，即每个链节转换器30，来防止电流通过其流动；以及

（b）控制设置于位于所述dc端子与放电电路44之间的分支部分22b内的阀28，即控制所谓的放电阀28’，以允许放电电流id流过所述放电阀28’并且因此流过对应的分支部分22b且继续流过放电电路44，所述dc端子在该示例实施例中即是第一dc端子12，其中感兴趣的dc传输管道电连接到所述dc端子。

除上文之外，在首先控制每个阀28来防止电流通过其流动之后，即，在每个阀28中的链节模块32中的每个切换成其中两个半导体开关40都被关断的全阻断状态之后，ac接地开关48还从它的常开位置移到闭合位置。可操作以保护第一功率转换器10的任何ac断路器58，例如通过使它与输电网络内的其他功率转换器隔离，也操作以提供这样的保护。

之后，对控制单元56编程来控制放电阀28’（并且仅放电阀28’），即，其中包括的链节转换器30，以通过选择性地使放电阀28’的所述链节转换器30内的一个或多个链节模块32提供电压源同时所述给定链节转换器30内的另一个或每个其他链节模块32切换成旁路状态而允许放电电流id流过通过其流动，如图1（c）中所示。

更具体地，给定链节模块32v在其中的上半导体开关40u被导通且其中的下半导体开关40l被关断时提供电压源，而给定链节模块32b在其中的上半导体模块40u被关断且其中的下半导体开关40l被导通时切换成旁路状态。以此方式，跨放电阀28’内的链节转换器30出现变化的累积电压。

可以调节累积电压的水平，即通过更改提供电压源的链节模块32v的数量，以便精确控制流过放电电路44的放电电流id的形状和幅度。例如，控制单元56可以并入比例积分（pi）控制模块以便使放电电流id跟踪期望的电流参考值。这样的电流参考值可以上升到目标值，或它可以下降到目标值。另外，提供电压源的相应链节模块32v优选地交替使得可能被其中的电容器38吸收的任何能量跨放电阀28’的链节控制内的各种链节模块32均匀分布。

在任何情况下，放电电流id通过放电电路44的流动，即通过ac接地开关48的流动使与第一dc端子12电连接的dc传输管道的电压水平降低。

控制单元56可以继续采用前述方式选择性地准许放电电流id流动直到所述dc传输管道的电压水平达到零，或备选地某一其他期望值。一旦实现期望电压水平，控制单元56就控制放电阀28’的链节转换器30来防止放电电流id进一步通过其流动，即，放电阀28’中的链节模块32中的每个切换成其中两个半导体开关40都关断的全阻断状态。

在本发明的其他实施例中，可以改为或另外对第一功率转换器10内的控制单元56编程来控制设置于放电阀28’内的链节转换器30，以通过选择性地使所述链节转换器30内的每个链节模块32b切换成旁路状态即通过选择性地关断上半导体开关40u并且导通每个链节模块内的下半导体开关40l而允许电流通过其流动，如图1（d）中所示。

以此方式，放电阀28’，即，对应的链节转换器30，在相应的dc端子12、14与放电电路44之间形成低阻抗路径以便促进放电电流id流到地50。

放电阀28’内的每个链节模块32仍然处于前面提到的旁路状态直到感兴趣的dc传输管道的电压水平再次降到期望值，其可以是或可以不是零。之后，放电阀28’内的所有链节模块32切换成它们相应的全阻断状态，即其中的上和下半导体开关40u、40l都被关断。

在本发明的更进一步的实施例中，可以改为或另外对第一功率转换器10内的控制单元56编程来控制设置于放电阀28’内的链节转换器30，以通过选择性地使每个链节模块32在相应的旁路与全阻断状态之间切换而允许电流通过其流动，即，在其中每个链节模块32b中的上半导体开关40u被关断并且每个链节模块32b内的下半导体开关40l被导通的旁路状态与其中每个链节模块32中的上和下半导体开关40u、40l都被关断的全阻断状态之间切换而允许电流通过其流动。

以此方式，放电阀28’，即，对应的链节转换器30，仅周期性地在相应dc端子12、14与放电电路44之间形成低阻抗路径，并且因此放电电流id到地50的流动同样仅周期性地发生使得放电电流id的形状和幅度得到控制。例如，滞后控制模块可以并入第一功率转换器10的控制单元56以采用限制流过放电电路44的放电电流id的幅度的这种方式来控制放电阀28’内的链节转换器30。

放电阀28’内的每个链节模块32在所述旁路与全阻断状态之间的这种重复切换继续直到感兴趣的dc传输管道的电压水平再次降到期望值，其可以是或可以不是零。之后，放电阀28’内的所有链节模块32切换成它们相应的全阻断状态，即其中的上和下半导体开关40u、40l都被关断。

除上文中的全部之外，图1（a）中示出的第一功率转换器10由于其中的放电电路44电连接到与ac网络20的第二相b相关联的转换器分支18b的ac端子26b的ac网络侧52所采用的方式，也可以用于降低在使用中电连接到第二dc端子14的dc传输管道的电压水平，即，如在图1（e）中所示。

第一功率转换器10并且更具体地，其中的控制单元56可以基本上采用上文阐述的方式中的任一个来执行，例外情况是放电阀28’被指定为位于第二dc端子14与放电电路44之间的阀28中的一个或多个，例如位于与ac网络20的第二相b相关联的转换器分支18b的第二分支部分24b中的单个阀28’。

根据本发明的第二实施例的功率转换器70在图2中示意示出。

第二功率转换器70与第一功率转换器10非常相似并且类似的特征共享相同参考标号。

然而，第二功率转换器70与第一功率转换器10的不同之处在于，第二功率转换器70内的放电电路44另外包括串联连接的电阻器72（或某一其他电阻部件），如图2中所示。

示出的电阻器72是线性电阻器，但可以改为使用非线性电阻器。此外，示出电阻器72在放电电路44的放电开关元件46（即ac接地开关48）与地50之间串联连接，但再次不需要一定是这种情况。

在第二功率转换器70中包括这种电阻器72允许和与第一和第二dc端子12、14中的一个或另一个电连接的特定dc传输管道的电压水平相关联的能量被电阻器而不是功率转换器70的对应放电阀28’耗散，或者被电阻器以及在功率转换器70的对应放电阀28’内耗散，即作为过多的热。

除此之外，可以对第二功率转换器70以及更具体地设置于其中的控制单元56编程以采用在上文针对第一功率转换器10和其各种不同的实施例描述的各种方式中的任一个或多个来操作。

根据本发明的另一个实施例的第三功率转换器80在图3中示意示出。

第三功率转换器80与第二功率转换器70相似并且类似的特征再次共享相同参考标号。然而，第三功率转换器80与第二功率转换器70的不同之处在于，它的放电电路44包括串联连接的电阻器72，其选择性地可接通和断开所述放电电路44。

通过将电阻器72与电阻器开关82并联布置而使这样的选择性切换成为可能，该电阻器开关82可以选择性地被断开（即被关断）以迫使电流流过电阻器72，或闭合（即被导通）以使得电流将电阻器72旁路。

用其他方式对第三功率转换器80和设置于其中的控制单元56编程以采用在上文针对第一功率转换器10和其各种不同的实施例所描述的各种方式中的任一个或多个来操作。

图4示出根据本发明的另外的实施例的第四功率转换器90。

第四功率转换器90与第一功率转换器10相似并且类似的特征共享相同参考标号。

然而，第四功率转换器90与第一功率转换器10的不同之处在于，它包括第一、第二和第三放电电路44、44’和44’’，其中的每个在相应的单个对应转换器分支18a、18b、18c与地50之间连接。更具体地，每个放电电路44、44’、44’’电连接到对应转换器分支18a、18b、18c内的ac端子26a、26b、26c的ac网络侧52，但不需要一定是这种情况。

在使用中，放电电路44、44’、44’’中的任一个或多个可以用于将电连接到第一和第二dc端子12、14中的一个或另一个的dc传输管道的电压水平降低。

例如，如在图4中示出的，第一和第三放电电路44、44’可以通过将与ac网络20的第二和第三相b、c相关联的转换器分支18b、18c的第一分支部分22b、22c中的阀28指定为相应的放电阀28’而用于这样的目的。

之后，可以对第四功率转换器90的控制单元56编程以采用在上文针对第一功率转换器10和其各种实施例所描述的各种方式中的任一个或多个来操作，以选择性地允许放电电流流过所述分支部分22b、22c中的每个，并且因此流过对应的第一和第三放电电路44、44’’中的每个。

此外，在另外的实施例中，基于第四功率转换器90，放电电路44、44’、44’’中的一个或多个可以另外包括串联连接的电阻器，其可以或可以不选择性地可接通和断开对应的放电电路44、44’、44’’。

第五功率转换器一般由参考标号100标示，如图5中所示。

第五功率转换器100与第一功率转换器10相似，并且类似的特征共享相同的参考标号。然而，第五功率转换器100与第一功率转换器10的不同之处在于，在单个放电电路44内，放电开关元件46，即，ac地开关48，改为被接地电抗器102替代。

在使用中，提供dc电压或仅缓慢变化的电压波形被施加于接地电抗器102，则它的有效阻抗较低，并且因此放电电流id可能再次从例如第一dc端子12通过第五功率转换器100的所述放电电路44流到地50。

再次对第五功率转换器100的控制单元56编程以采用在上文针对第一功率转换器10和其实施例所描述的各种方式中的任一个或多个来操作，以选择性地允许放电电流流过例如与ac网络20的第二相b相关联的转换器分支18b的第一分支部分22b，并且因此流过放电电路44。

此外，在另外的实施例中，基于第五功率转换器100，放电电路44可以另外包括串联连接的电阻器，其可以或可以不选择性地可接通和断开放电电路44。这样的另外的实施例可以还包括多个放电电路，其中的每个至少包括接地电抗器。

由此可见，如果给定dc传输网络包括根据上文描述的本发明的实施例的至少一个功率转换器10；70；80；90；100，即具有采用上文阐述的方式中的一个来配置的放电电路44、44’、44’’的至少一个功率转换器10；70；80；90；100，则这样的网络中的dc传输管道中的任一个的电压水平将根据需要降低或完全被耗散。