变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电压源型变换器、一种静态同步补偿器、一种AC到AC变换器组件以及一种DC到DC变换器组件。
【背景技术】
[0002]在电力传输网络中，交流(AC)电力通常被转换为经由架空线路和/或海底电缆进行传输的直流(DC)电力。此转换不需要补偿由传输线路或电缆导致的AC电容性负载的影响，并因此降低了线路和/或电缆的每公里成本，当需要长距离传输电力时，从AC到DC的变换因而变得具有成本效益。
[0003]AC电力到DC电力的变换还用于需要互连在不同频率下运行的AC网络的电力传输网络。
[0004]在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器来实现所需的变换，并且一种此类形式的变换器是电压源型变换器(VSC)。
[0005]已知在电压源型变换器中使用带有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)14的六开关(两电平)变换器拓扑结构10和三电平变换器拓扑结构12，如图la和图lb所示。IGBT装置14串联连接在一起并一同切换以实现10MW至100MW的高额定功率。另外，在AC电源频率的每个周期中，IGBT装置14在高电压下导通和关断若干次以控制被馈送到AC网络的谐波电流。这导致高损耗、高电平的电磁干扰和复杂的设计。
[0006]还已知在电压源型变换器中使用多电平变换器布置，诸如如图lc所示。多电平变换器布置包括串联连接的单元18的相应变换器桥16。每个变换器单元18包括与电容器22并联连接的一对串联连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 20。各个变换器单元18不同时切换并且变换器电压阶跃相对较小。在这种多电平变换器布置中，每个变换器单元18的电容器22被配置为具有足够高的电容值以便限制电容器端子处的电压变化，并且由于IGBT 20有限的额定电压，所以需要大量的变换器单元18。在每个变换器桥16中还需要臂电抗器24，以限制在变换器臂26之间流动的瞬时电流，并且从而使变换器臂26的并联连接和操作成为可能。这些因素导致具有大量储存电能的昂贵的、大型和重型的装备。
【发明内容】
[0007]根据本发明的第一方面，提供一种电压源型变换器，包括:
[0008]第一DC端子和第二DC端子，用于连接至DC电网；以及
[0009]变换器臂，直接连接在第一DC端子与第二DC端子之间，该变换器臂包括:
[0010]AC端子，用于连接至AC电网；
[0011 ]第一臂部，直接连接在第一DC端子与AC端子之间；以及
[0012]第二臂部，直接连接在第二DC端子与AC端子之间，
[0013]其中只有第一臂部和第二臂部中的一个包括多级变换器块，第一臂部和第二臂部中的另一个包括开关块，该开关块是可切换的，以选择性地允许电流在对应的臂部中的至少一个方向上流动并抑制电流在对应的臂部中的至少一个方向上流动，并且第一臂部和第二臂部中的至少一个是可控制的，以控制在AC端子处的AC电压波形的形态。
[0014]根据本发明的电压源型变换器的配置意味着只有变换器臂的第一臂部和第二臂部中的一个包括多级变换器块，而变换器臂的第一臂部和第二臂部中的另一个不包括多级变换器块。因此，变换器臂的第一臂部和第二臂部中的另一个的开关块不是多级变换器块。
[0015]多级变换器块可以是任何装置，该装置能够在多电平(两个、三个或更多个)之间切换在其输入和/或输出端子处的电压或电流。开关块可以是任何开关装置，该开关装置是可切换的，以选择性地允许和抑制电流在对应的臂部的至少一个方向上流动。
[0016]在操作电压源型变换器以在AC电网与DC电网之间传送电力期间，开关块在AC电网的一个周期中被切换进和切换出在AC端子与对应的DC端子之间的电路。这意味着在位于臂部之间的电压源型变换器中流动的电流的分布在该周期中变化。因此，当开关块被切换出在AC端子与对应的DC端子之间的电路并因此在AC端子与对应的DC端子之间不传导臂部电流时，多级变换器块传导在位于AC端子与对应的DC端子之间的电压源型变换器中流动的全部电流，且多级变换器块可以被操作以控制在AC端子处的AC电压波形的形态，使得AC电压波形由多个电压电平构成。以这种方式，电压源型变换器能够在AC端子处产生高质量的AC电压波形，并因此使得电压源型变换器能够在AC电网与DC电网之间传送高质量的电力。在AC端子处的AC电压波形的质量可以取决于多级变换器块和相关滤波器元件中的电平的数量而变化。
[0017]当开关块被切换进在AC端子与对应的DC端子之间的电路并因此连接AC端子和对应的DC端子时，多级变换器块在DC端子之间传导变换器臂电流，且多级变换器块可以被操作为控制在DC端子处的DC电流波形的形态。以这种方式，电压源型变换器能够产生高质量的DC电流波形，并因此使得电压源型变换器能够在AC电网与DC电网之间传送高质量的电力。DC电流波形的质量可以取决于多级变换器块和相关滤波器元件中的电平的数量而变化。
[0018]变换器臂中包括多级变换器块避免了在高频率下切换开关块以在AC端子处产生高质量的AC电压波形的需要。这不仅允许减小开关块的开关频率从而减小了开关损耗和电磁干扰，而且还减少或消除了对谐波滤波硬件的需要，因此提高了电压源型变换器的可靠性和效率。与此相反，用另一个开关块来代替多级变换器块将导致之前参照图la和图lb的传统电压源型变换器描述的问题。
[0019]此外，多级变换器块通常切换比AC电网的AC频率快。与此相反，开关块只需每个周期切换有限次数。因此，与传统电压源型变换器的变换器臂(其示例在图lc中示出)相比，根据本发明的电压源型变换器的配置减少了变换器臂中的组件和开关动作的数量。因此，变换器臂中的组件和开关动作的数量的减少还提供在变换器损耗、尺寸、重量和成本方面的减小。
[0020]此外，多级变换器块可以被操作为控制电流流入和流出开关块。这种多级变换器块的操作与使用该开关块的减少了的开关频率一起，允许在开关块中使用不受控制或半控制的开关设备(诸如二极管和晶闸管)。因此，这导致减小了变换器损耗、尺寸、重量和成本，同时提高了电压源型变换器的可靠性和故障阻断能力。
[0021]由根据本发明的电压源型变换器的配置导致的变换器损耗的减小降低了电压源型变换器的冷却要求，从而减小了相关冷却设备的尺寸、重量和成本。
[0022]因此，根据本发明的电压源型变换器的配置导致具有高电压能力的经济的、节省空间的电压源型变换器。
[0023]多级变换器块的布置可以取决于相关电力应用的要求而变化。
[0024]在本发明的实施例中，多级变换器块可包括中性点箝位变换器或飞跨电容变换器。在本发明的另一个实施例中，多级变换器块可包括至少一个模块，所述模块或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，所述模块或每个模块中的所述开关元件或每个开关元件和所述能量储存装置或每个能量储存装置选择性地结合以提供电压源。
[0025]多级变换器块的这种布置提供了产生在AC端子处的高质量的AC电压波形和在DC端子处的高质量的DC电流波形的可靠手段。
[0026]多级变换器块中的所述模块或每个模块的布置可以取决于相关电力应用的要求而变化。
[0027]所述模块或每个模块中的所述开关元件或每个开关元件和所述能量储存装置或每个能量储存装置可结合以选择性地提供单向或双向电压源，和/或所述模块或每个模块中的所述开关元件或每个开关元件和所述能量储存装置或每个能量储存装置可结合以选择性地提供单极或双极电压源。
[0028]在多级变换器块中的所述模块或每个模块的第一示例性布置中，所述模块或每个模块可包括以半桥布置与能量储存装置并联连接的一对开关元件，以限定可提供近零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流的2象限单极模块。
[0029]在多级变换器块中的所述模块或每个模块的第二示例性布置中，所述模块或每个模块可包括以全桥布置与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定可提供负电压、近零电压或正电压并且可在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
[0030]在本发明的实施例中，使用多级变换器块中的一个或多个模块，多级变换器块可包括多个串联连接的模块。多个串联连接的模块限定链环式变换器。
[0031]通过将每个提供其自身电压的多个模块的能量储存装置插入到链环式变换器中，能够在链环式变换器两端建立组合电压，其高于从每个单个模块可获得的电压。以这种方式切换每个模块中的所述开关元件或每个开关元件使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似在链环式变换器两端产生电压波形，从而使得能够在AC端子处产生高质量的AC电压波形。
[0032]此外，链环式变换器的模块化布置意味着很容易增加或减少链环式变换器中的模块的数量以实现电压源型变换器的期望额定电压。
[0033]每个能量储存装置可以是能够储存和释放能量的任何装置，例如电容器、燃料电池或蓄电池。
[0034]开关块的布置可以取决于相关电力应用的要求而变化。
[0035]在本发明的实施例中，开关块可包括无源电流检测元件和/或有源开关元件。
[0036]所述无源电流检测元件或每个无源电流检测元件可包括单个无源电流检测装置或多个串联连接的无源电流检测装置。所述无源电流检测装置或每个无源电流检测装置可以是能够限制电流仅在一个方向上流动的任何装置，例如二极管。
[0037]每个无源电流检测元件中的无源电流检测装置的数量可以取决于该无源电流检测元件的所需额定电压而变化。
[0038]至少一个开关元件可包括自然换向有源开关装置(例如晶闸管)。
[0039]在臂部中使用至少一个自然换向有源开关装置或无源电流检测装置不仅提高了该臂部的鲁棒性，而且还使该臂部由于它们的构造能够经受由于DC电网中的故障而可能发生的浪涌电流。这提供了具有阻断流经电压源型变换器的故障电流的简单和可靠手段的电压源型变换器，从而避免了操作多级变换器块来阻断故障电流的需要。
[0040]至少一个开关元件可包括自换向有源开关装置。自换向有源开关装置可以是绝缘栅双极晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其它自换向有源开关装置。
[0041]每个开关元件可包括开关子元件或多个串联连接的开关子元件。所述开关子元件或每个开关子元件可包括单个有源开关装置或多个串联连接的有源开关装置。
[0042]当每个开关元件包括