变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电压源型变换器。
【背景技术】
[0002] 在电力传输网络中，交流（AC)电通常被变换为直流值C)电，用于经由架空线和/ 或海底电缆进行传输。运种变换免除了对由传输线或电缆施加的AC电容性载荷效应进行 补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时，从AC 到DC的变换因而变得有成本效益。
[000引AC电力到DC电力的变换还用于需要互连在不同频率中运行的AC电网的电力传输 网络。
[0004] 在任何运种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器 来产生所需的变换，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S电平变换器拓扑结构12,如图Ia和图化所示。IGBT装置 14串联连接在一起并一同切换W实现IOMW至IOOMW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W控制被馈送到AC电网的谐波 电流。运导致高损耗、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，诸如图Ic中所示。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当小。在运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W便限制电容器端子处的电压变化，并且由于IGBT20有 限的额定功率，所W需要大量的变换器单元18。在每个变换器桥16中还需要DC侧电抗器 24,W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。运些因素导致具有大量储存电能的昂贵的、大型和重型的设备，运使得设备的预 装配、测试和运输困难。
【发明内容】
[0007] 根据本发明的一个方案，提供一种电压源型变换器，包括：变换器臂，所述变换器 臂在第一DC端子与第二DC端子之间延伸且具有在所述第一DC端子与第二DC端子之间并 联连接的主臂元件和次臂元件，每个DC端子能够连接至DC电网，
[0008] 所述主臂元件包括由第=端子分隔开的第一主臂元件部和第二主臂元件部，所述 第=端子能够连接至AC电网，每个主臂元件部包括至少一个主开关元件，每个主开关元件 能够切换为将对应的主臂元件部切换进和切换出相应一个DC端子与所述第S端子之间的 电路，所述次臂元件包括由接合点分隔开的第一次臂元件部和第二次臂元件部，每个次臂 元件部包括DC侧链环式变换器，每个链环式变换器包括多个串联连接的模块，每个链环式 变换器的每个模块包括至少一个次开关元件和至少一个能量储存装置，每个模块中的所述 或每个次开关元件和所述或每个能量储存装置组合W选择性地提供电压源，
[0009] 所述变换器臂还包括将所述第=端子与所述接合点互连W形成星形配置的连接， 其中所述星形配置的第一分支包括所述连接，所述星形配置的第二分支包括所述第一次臂 元件部，所述星形配置的第=分支包括所述第二次臂元件部并且所述接合点限定所述星形 配置的中点，
[0010] 其中所述电压源型变换器还包括控制单元，所述控制单元控制每个主开关元件的 切换W将对应的主臂元件部切换进和切换出对应的DC端子与所述第S端子之间的电路， W经由每个所述主臂元件部选择性地在AC电网与DC电网之间传送电力，所述控制单元还 控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换W控制所述第S 端子处AC电压波形的形态。 W11] 在使用中，主臂元件部为AC电网与DC电网之间电力的传送提供主电流路径，而次 臂元件部通过控制第S端子处AC电压波形的形态来支持将每个主臂元件部切换进和切换 出对应的DC端子与第S端子之间的电路。
[0012] 控制第S端子处AC电压波形的形态提供了对每个主臂元件部中所述或每个主开 关元件所承受的电压的控制并且从而减少由电压水平超过主开关元件的额定电压所引起 的损坏的风险。正是运样，因为可W不考虑电压水平超过主开关元件的额定电压的可能性 而来选择主开关元件，所W设计和最优化电压源型变换器更为简单。
[0013] 另外，根据本发明的电压源型变换器的配置使得能够用降低的或零滤波要求在AC 电网与DC电网之间传送高质量的电力。运是因为每个DC侧链环式变换器能够提供步阶式 可变电压源，运允许使用步进式近似在每个链环式变换器两端产生电压波形且从而在第= 端子处形成高质量的AC电压波形。与此相反，从电压源型变换器省略每个DC侧链环式变 换器将导致上文参照图Ia和图化的传统电压源型变换器所描述的问题。
[0014] 根据本发明的电压源型变换器的配置实现了关于成本、尺寸和占用空间方面的节 约，如下所述。
[0015] 在操作电压源型变换器的过程中，在每个电力周期中，电力在主臂元件与次臂元 件之间分配。与具有相同数量的变换器臂（每个变换器臂包括多个模块并且在图Ic中示 出其示例）的传统电压源型变换器相比较，通过在主臂元件部中使用带有低导通损耗的主 开关元件可W减小根据本发明的电压源型变换器的总导通损耗。运实现了根据本发明的电 压源型变换器的成本、尺寸和占用空间方面的进一步节约。
[0016] 在整个电力周期中，可W控制次臂元件部的DC侧链环式变换器W供应DC电流至 DC电网或吸收来自DC电网的DC电流并且从而调节DC波纹，由此限制或消除了可能是大型 的和昂贵的DC环电容器的需要。
[0017]当每个主开关元件是自然换向开关元件（例如，晶闽管）时，通常需要大的缓冲电 路W在每个自然换向开关元件被换向关断之后控制其两端的电压的变化率。另外，需要大 的电抗器来调解主开关元件的关断与导通之间长的恢复时间。然而，包括DC侧链环式变换 器允许对每个自然换向开关元件两端电压的变化率和每个自然换向开关元件的关断与导 通之间恢复时间的精细控制，从而减小或消除包括缓冲电路和电抗器的需要。
[0018] 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、节约 空间的电压源型变换器。
[0019] 在本发明的实施例中，当两个主臂元件部被切换出相应的DC端子与第S端子之 间的电路时，控制单元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关 元件的切换W控制第=端子处电压的变化率。换言之，在将主臂元件部之一切换出对应的 DC端子与第S端子之间的电路之后且在将另一个主臂元件切换进对应的DC端子与第S端 子之间的电路之前的时间段中，控制单元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中 所述或每个次开关元件的切换W控制第S端子处电压的变化率。优选地，每个DC侧链环式 变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换导致在第=端子处形成大致梯形的电 压波形。也可W形成其它电压波形，包括在波形的正峰值与负峰值之间具有至少两个不同 斜率的电压波形。
[0020]DC侧链环式变换器提供步阶式电压源的能力允许对第S端子处电压变化率的精 细控制W防止电压在不同的电压水平之间提升太快，从而避免出现损坏或降低部件或它们 绝缘的快前移和高的电压尖峰。
[0021] 当两个主臂元件部均被切换出相应的DC端子与第S端子之间的电路时，控制单 元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换W控制第 S端子处电压的变化率W修改第S端子处总AC电压波形的特性。
[0022] 可选地，控制单元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次 开关元件的切换W修改AC电压波形的每个截角的值W控制AC电压波形的基波幅值。
[0023] 另外，可选地，控制单元可W控制DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次 开关元件的切换W修改AC电压波形的每个截角的值W从AC电压波形滤除谐波分量。
[0024] 为了本说明书的目的，截角被定义为对应于AC电压波形的两个不同的电压曲线 (即，电压斜率）之间公共交叉点的相位角，从而，电压斜率在限定周期上具有恒定的电压 变化率（其可W是负的、零或正的）。
[0025] 简单的谐波分析示出，随着每个截角的幅值增大，AC电压波形的总谐波含量在 0. 61弧度处减小至最小值，其接近于5次谐波在0. 6128弧度处穿过零的点。简单的谐波 分析还示出随着每个截角的幅值进一步增大至0. 628弧度之外，AC电压波形的总谐波含量 上升。当控制电压源型变换器W从AC电压波形滤除谐波分量时，每个截角的幅值优选地为 0. 61弧度、0. 628弧度或在0. 61弧度至0. 628弧度的范围内。
[00%] 应该注意到，AC电压波形的基波幅值不随着每个截角的幅值明显变化。因此，为 了获得电压源型变换器所期望的某一操作水平，可W结合选定范围上基波幅值的小的变化 使用带有分接开关的变压器来提供对分接头步骤的连续控制。
[0027] 可替代地，为了获得电压源型变换器所期望的某一操作水平，可W控制AC电压波 形W包括大约对应于零电压的相位角的电压平台。为了获得运种AC电压波形，当两个主臂 元件部均被切换出相应的DC端子与第S端子之间的电路时，控制单元可W控制每个DC侧 链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换W在第S端子处产生关于AC电 压波形的相位角n，（3i+(l))对称的电压平台，其中n是整数且d)是表示所述AC电网的AC 电压的第一矢量与表示所述第S端子处所述AC电压波形的第二矢量之间的相移。因此将 运种电压平台加入AC电压波形不仅提供了对AC电压波形的基波幅值的控制，还允许减少 AC电压波形的总谐波失真灯皿）。
[0028] 在本发明的实施例中，在主臂元件部之一在被切换进或切换出对应的DC端子与 第S端子之间的电路之前，控制单元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述 或每个次开关元件的切换W控制第=端子处AC电压波形的形态W最小化主臂元件部两端 的电压。运允许在接近零电压和零电流处切换所述或每个主开关元件，从而最小化开关损 耗。
[0029] 在本发明的进一步实施例中，电压源型变换器还可W包括AC侧链环式变换器，AC 侧链环式变换器的第一端被连接至第=端子且AC侧链环式变换器的第二端能够连接至AC 电网，控制单元控制AC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换W修 改用W提供出给AC电网的AC电压波形。
[0030] 在电源变换器的输出端处包括无源滤波器是标准惯例。然而，对于并网变换器，包 含无源滤波器对于变换器的正交端阻抗（qua化atureterminationimpedance)具有严重 影响。由此，根据负载条件通常使用开关装置来将无源滤波器切换进和切换出带有变换器 的电路。包含无源滤波器和开关装置构成相关电力站的大部分占地需求。
[0031] 另一方面，AC侧链环式变换器为电压源型变换器提供有源滤波能力且由此减少 或消除电压源型变换器的第=端子处无源滤波的要求，从而减少电压源型变换器的占地要 求。
[0032] 在利用使用AC侧链环式变换器的实施例中，控制单元可W控制AC侧链环式变换 器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换W修改AC电压波形W符合仅仅包括AC电压 波形的基波分量和至少一个选定谐波分量的电压轨迹。因为需要执行AC电压波形的复杂 谐波分析W分离出所述或每个不想要的谐波分量，所W运允许简化AC侧链环式变换器的 控制方案。
[0033] 每个能量储存装置可W是能够储存或释放能量的任何装置，例如，电容器或蓄电 池。每个能量储存装置的额定值必须考虑在控制第S端子处AC电压波形的形态的操作过 程中，由每个DC侧链环式变换器中AC电流和DC电流的组合引起的电压水平上升或下降。 每个能量储存装置的电压水平的上升或下降也可能作为控制每个DC侧链环式变换器W平 衡能量储存装置的电压水平的结果而发生。
[0034] 当两个主臂元件部均被分别切换出对应的DC端子与第S端子之间的电路时，由 于每个DC侧链环式变换器的能量水平中的上升或下降，可W控制每个DC侧链环式变换器 W校正能量中的任何净变化，W维持其每个能量储存装置的特定电压水平。例如，控制单元 可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换W当所述第 一主臂元件部不导电且所述第二主臂元件部导电时从所述第一次臂元件部的DC侧链环式 变换器释放过剩能量，或者将来自所述DC电网的能量注入所述第一次臂元件部的DC侧链 环式变换器，且当所述第二主臂元件部不导电且所述第一主臂元件部导电时从所述第二次 臂元件部的DC侧链环式变换器释放过剩能量或者将来自所述DC电网的能量注入所述第二 次臂元件部的DC侧链环式变换器。
[0035] 每个模块可W是能够提供零电压和非零电压并且可W在两个方向上传导电流的 单向电压源，即，每个模块可W是2象限单极模块。例如，每个模块可W包括W半桥结构与 能量储存装置并联连接的一对次开关元件W限定能够提供零电压或正电压并且可W在两 个方向上传导电流的2象限单极模块。
[0036] 每个模块可W是能够提供负电压、零电压或正电压并且可W在两个方向上传导电 流的双向电压源，即，每个模块可W是4象限双极模块。例如，每个模块可W包括W全桥结 构与能量储存装置并联连接的两对次开关元件W限定能够提供负电压、零电压或正电压并 且可W在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
[0037] 每个链环式变换器的模块化布置意味着很容易增大或减小每个链环式变换器中 模块的数量W实现期望的额定电压或滤波能力。
[0038] 每个次开关元件可W是自换向开关元件，诸如，例如绝缘栅双极型晶体管、栅极可 关断晶闽管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管或集成口极换向晶闽管。
[0039] 每个主开关元件可W是自然换向开关元件，诸如，例如，晶闽管或二极管。在每个 主臂元件部中采用至少一个自然换向开关元件不仅提高了主臂元件部的鲁棒性，还使得主 臂元件部能够经受由于DC电网中的故障可能发生的浪涌电流。在利用使用自然换向开关 元件作为主开关元件的运种实施例中，每个DC侧链环式变换器的每个模块优选地为可W 被切换W阻断上述浪涌电流的4象限双极模块。
[0040] 应该理解地是，通过发送导通或关断控制信号至每个主开关元件或通过控制每个 DC侧链环式变换器的每个模块中所述或每个次开关元件的切换，控制单元可W控制每个主 开关元件的切换W控制第S端子的AC电压波形的形态，W根据所使用的主开关元件的类 型选择性地引起每个主开关元件的切换。
[0041] 根据本发明的电压源型变换器的配置允许主臂元件部设计和构造的简单化，而不 会不利地影响根据本发明的电压源型变换器的性能。例如，每个主臂元件部可W包括在对 应的DC端子与第S端子之间串联连接的单个主开关元件或多个主开关元件。在主臂元件 部中可W选择使用具有高额定电压的开关元件W进一步减小电压源型变换器的占用空间 并且从而最小化相关发电站的占地成本。
[0042] 在本发明的实施例中，控制单元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中 所述或每个次开关元件的切换，W控制第S端子处AC电压波形的形态W选择性地将电力 从电压源型变换器传送至AC电网。运使得电压源型变换器为AC电网提供少量的电力，用 于例如在启动阶段为形成AC电网的一部分的风电场的辅助电子设备提供能量，从而无需 额外的设备W为辅助电子设备提供能量。
[0043] 可选地，当每个主臂开关元件是自然换向开关元件时，响应于在使用中在AC电网 或DC电网中发生的故障，控制单元可W控制每个DC侧链环式变换器的每个模块中所述或 每个次开关元件的切换W控制第S端子处AC电压波形的形态W选择性地换向每个主开关 元件。 W44] 取决于实现换向所花费的时间，在使用中在AC电网或DC电网中发生故障的情况 下，可W控制每个DC侧链环式变换器W快速换向关断对应的主臂元件部的所述或每个主 开关元件W限制或防止故障电流。
[0045] 另外，可选地，响应于在使用中在AC电网或DC电网中发生的故障，控制单元可W 控制所述或每个主开关元件的切换W形成电流旁路W允许在电压源型变换器中流动的电 流流经电流旁路路径且从而旁路每个DC侧链环式变换器。运防止了故障电流损坏每个DC 侧链环式变换器的每个模块的部件。
[0046] 由此，使用电压源型变换器部件来限制或防止故障电流，减少或消除了安装单独 的故障保护设备的需要。运导致关于硬件尺寸、重量和成本方面的节约。
[0047] 可选地，每个主臂元件部可W包括反并联连接的至少一对主开关