包括链环式变换器的电压源型变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电压源型变换器。
【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(DC)电，用于经由架空线和/或海底电缆进行传输。这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。
[0003]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和三电平变换器拓扑结构12，如图1a和图1b所示。IGBT装置14串联连接在一起并一同切换以实现1Mff至10Mff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，诸如图1c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IGBT20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DC侧电抗器24，以限制各个变换器臂26之间的瞬时电流，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能量的昂贵、大型和重型的装备，这使得装备的预装配、测试和运输很困难。
[0007]还已知使用线路换向变换器，如图1d所示，以实现AC电力与DC电力之间所需的变换。图1d的线路换向变换器包含互连三相AC电网和DC电网的多个晶闸管28和电感器29 ο
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方案，提供一种电压源型变换器，包括:
[0009]至少两个变换器臂，每个变换器臂在第一 DC端子和第二 DC端子之间延伸且具有由AC端子隔开的第一臂部和第二臂部，所述第一 DC端子和第二 DC端子可被连接至DC电网并且每个AC端子可被连接至AC电网，每个臂部包括至少一个开关元件；
[0010]至少一个链环式变换器，所述或每个链环式变换器包括多个串联连接的模块，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，每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源，所述或每个链环式变换器形成分支以互连AC端子中的两个，每个变换器臂的每个臂部可切换为将所述或每个对应链环式变换器切换进和切换出带有所述臂部的电路并且从而将所述或每个对应链环式变换器切换进和切换出带有相应DC端子的电路，所述或每个链环式变换器可切换为控制每个对应AC端子处AC电压的形态；以及
[0011]控制单元，其中所述控制单元协调臂部和所述或每个链环式变换器的切换以引起所述AC电网与DC电网之间真实电力的转移。
[0012]协调臂部和所述或每个链环式变换器的切换以引起AC电网与DC电网之间真实电力的转移，这使得在AC电网与DC电网之间能够转移高质量的电力。这是因为所述或每个链环式变换器能够提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似来在所述或每个链环式变换器两端产生电压波形，并且从而在每个对应AC端子处形成高质量的AC电压波形。相反地，从电压源型变换器省略所述或每个链环式变换器将导致之前参照图1a和图1b的常规电压源型变换器所描述的问题。
[0013]切换臂部和所述或每个链环式变换器的这种协调允许臂部设计和构造简单化，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，每个臂部可以包括在对应AC端子与相应的一个DC端子之间串联连接的单个开关元件或多个开关元件。在臂部中可以选择使用具有高额定电压的开关元件以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。
[0014]所述或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所述或每个链环式变换器中模块的数量以实现电压源型变换器的期望额定电压。
[0015]另外，与具有相同数量的变换器臂(每个变换器臂包括多个模块)的常规电压源型变换器(图1c示出其示例)相比，用以连接AC端子中的两个之间的所述或每个链环式变换器的电压源型变换器的配置减少每变换器臂和每AC相位所需模块的数量。因此，模块总数量的减少还提供电压源型变换器的成本、尺寸和占用空间方面的节约。
[0016]此外，在操作电压源型变换器以转移AC网络与DC网络之间电力的过程中，在AC端子中的两个之间所述或每个链环式变换器的连接导致所述或每个链环式变换器中AC电流和DC电流的结合。因此，所述或每个链环式变换器中的峰值电流明显地减小。这不仅减小了电阻性损耗且因此提高了所述或每个链环式变换器的效率，还允许在所述或每个链环式变换器中使用带有较低额定电流的开关元件。
[0017]因此，根据本发明的电压源型变换器的配置导致带有高电压能力的、经济的、节约空间的电压源型变换器。
[0018]电压源型变换器中变换器臂的数量可以变化以对应于多相AC电网中相位的数量。
[0019]在本发明的实施例中，电压源型变换器可以包括三个变换器臂和三个链环式变换器，每个链环式变换器形成分支以互连三个AC端子中的两个，三个分支被布置为形成三角形布置，其中每个AC端子限定三个分支中两个之间的相应接合点。在操作电压源型变换器以转移AC电网与DC电网之间电力的过程中，电压源型变换器的这种配置还减小所述或每个链环式变换器中的峰值电流，从而允许进一步优化电压源型变换器的设计和构造以减小其成本、尺寸和占用空间。
[0020]优选地，所述电压源型变换器还包括至少一个电感器。所述或每个电感器的第一端可以被连接至所述第一 DC端子或第二 DC端子并且所述或每个电感器的第二端可以被连接至DC电网。在电压源型变换器中所述或每个电感器的这种连接提供电流源，该电流源允许如同电流源线路换向变换器一样来操作变换器臂，从而增强所述或每个链环式变换器的操作。
[0021]在本发明的实施例中，控制单元可以切换所述或每个链环式变换器以从每个对应AC端子处的所述AC电压过滤一个或多个不需要的分量，即谐波量。这消除了对单独滤波装备的需求，而滤波装备将增加相关发电站的占地成本。
[0022]在本发明的其它实施例中，所述控制单元可以切换所述或每个链环式变换器以在每个对应AC端子处产生正弦电压波形。在每个AC端子处产生正弦电压波形不仅能够在每个对应AC端子处形成高质量的AC电压波形，还允许每个臂部的软切换，从而减小开关损耗。
[0023]可以理解地是，在每个对应AC端子处，控制单元可以切换所述或每个链环式变换器以产生其它类型的电压波形，优选地带有低的非三次N谐波含量的电压波形。
[0024]在本发明的另外其它实施例中，每个模块的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置可以结合以选择性地提供可以在两个方向上传导电流的双向电压源。在这种实施例中，每个模块可以包括以全桥结构与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的4象限双极模块。
[0025]在根据本发明的电压源型变换器中，每个臂部可以包括在对应AC端子与DC端子中的相应一个DC端子之间串联连接的单个开关元件或多个开关元件。
[0026]至少一个开关元件可以包括自然换向开关装置，例如，晶闸管或二极管。在每个臂部中使用至少一个自然换向开关装置不仅改善了臂部的鲁棒性，还使得臂部由于它们的构造能够经受在DC电网中的故障时可能发生的浪涌电流。
[0027]至少一个开关元件可以包括自换向开关装置。自换向开关装置可以是绝缘栅双极型晶体管、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半导体器件。