混合二级及多级高压直流换流器制造技术

一种电压源换流器(10a)被用于高压直流功率传输和无功功率补偿。该电压源换流器(10a)包括用于在使用中连接到直流网络(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、三个相位元件(16)以及至少一个连接在第一和第二直流端子(12、14)之间的辅助换流器(18)，每一个相位元件(16)都包括多个一次开关元件(22)和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)，所述多个一次开关元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络(26、20)之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供给直流网络(20)的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种供在高压直流(high voltage direct current, HVDC)功率传输和无功功率补偿中使用的电压源换流器(voltage source converter)以及一种操作电压源换流器的方法。
技术介绍
在功率传输网络中，交流(AC)功率通常转换为直流(DC)功率以通过架空线路和/或海底电缆传输。经过这种转换，无需补偿由这些线路和/或电缆所施加的交流电容负载效应，从而降低这些线路和/或电缆的每千米的费用。因此，当需要在长距离上传输功率时，从交流到直流的转换变得划算。从交流到直流功率的转换还在功率传输网络中被使用，在该功率传输网络中需要 互连在不同的频率下工作的交流网络。在任何这样的功率传输网络中，在交流和直流功率之间的每一个接口处都需要换流器来实现所需的转换，其中一种该形式的换流器为电压源换流器(VSC)。交流功率通常取决于交流相位的数量以一个或多个正弦波形的形式被传输。但是，电压源换流器的交流侧的正弦交流波形会在电压源换流器的直流侧和相关联的直流网络中导致高水平的直流电压纹波。在直流网络中存在直流纹波使低成本的电缆无法使用。低成本的电缆通常难以容忍交变电压应力，从而增加直流功率传输线路的安装成本。此外，直流纹波的交变性质导致直流功率传输线路和邻近的电话线路之间的不希望有的干扰，这增大了对直流功率传输线路的布局设计的复杂性。常规地，发电站在电压源换流器的直流侧上利用直流过滤设备(比如无源电感和电容元件)以最小化直流纹波。分别将并联的电容和串联的电感与电压源换流器结合使用使电压和电流纹波减少。然而，功率传输的高电压性质意味着必须采用较大的无源电感和电容元件，而这增加了相关联的发电站的尺寸、重量和成本。这在具有有限空间封装的位置(比如近海风电场)中尤其是不可取的。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源换流器，所述电压源换流器包括用于在使用中连接到直流网络上的第一和第二直流端子、连接在所述第一和第二直流端子之间的三个相位元件以及至少一个辅助换流器，每一个相位元件都包括多个一次开关元件和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络的各个相上的交流端子，所述多个一次开关元件在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改(modify)被提供给所述直流网络的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。辅助换流器的提供使电压源换流器具有灵活的直流侧有源过滤器，所述直流侧有源过滤器能够合成一系列具有不同形状和大小的波形以最小化直流纹波，其根据交流和直流网络的特性而变化。直流网络中的直流纹波的减少不仅通过使得能够使用难以容忍交变电压应力的低成本的电缆而减小了安装成本，而且通过最小化与位于直流网络附近的电话线路之间的不希望的干扰而简化了与直流网络相关联的设计问题(比如位置)。直流纹波以这种方式的减少还排除了以无源电感和电容元件形式的直流侧过滤元件的需要。这去除了安装和维护直流侧过滤元件的额外成本，通过最小化换流器硬件的数量改善了相关联的发电站的可靠性和效率，并且减小了硬件大小和重量，这适用于具有有限空间封装的位置(比如近海风电场)。优选地，每一个相位元件都包括两串并联连接的串联一次开关元件，每串串联连接的一次开关元件的中点限定用于在使用中连接到所述交流网络的各个相上的交流端子。 这样的电压源换流器布置可以被利用，以便于交流网络和直流网络之间的功率转换。在其他的实施例中，所述电压源换流器可以包括连接在所述第一和第二直流端子之间的三个辅助换流器，其中，每一个辅助换流器都与所述相位元件中的各个相位元件并联连接，以限定单相换流器分支，并且所述三个单相换流器分支在电路的直流侧串联连接，以限定用于三相功率传输的两端直流网络。除了适用于便于交流网络和直流网络之间的功率转换外，这样的电压源换流器布置还使每一个辅助换流器能够被控制，以便对连接到对应相位元件的交流端子上的相位产生直接的影响而对连接到其他两个相位元件的交流端子上的相位产生有限的影响。在进一步的实施例中，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供到所述各个相位元件的直流侧上的第二直流电压。在这样的实施例中，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为合成用于提供到所述各个相位元件的所述直流侧上的整流正弦波形的近似逼近(nearapproximation)。所述或每一个辅助换流器可被用于对将转移到电压源换流器的交流侧上的直流电压进行整形。否则，恒定的直流侧电压会在所述或每一个相位元件上产生方波电压，伴随显著的谐波分量及半导体器件的硬切换(hard switching)。但是，提供一个或多个辅助换流器能够产生具有更小谐波失真的更合适的交流波形(比如正弦波形)，并且还能够在低水平的电压和电流下实现半导体器件的软切换(soft-switching)。为了最小化所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为合成一个包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量(triplen harmonic component)的波形，以抵消所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量。当第一直流电压包括所述第一直流电压中以交流电源频率的谐波(比如第六谐波、第十二谐波和第十八谐波)形式存在的不希望的纹波分量时，将更高阶的零相位序列、三倍次数谐波分量添加到合成波形抵消了每一个谐波纹波分量从而最小化第一直流电压中的直流纹波。例如，分别将第九谐波和第十五谐波零相位序列分量包含在合成波形中使第一直流电压中的第六和第十二谐波纹波分量被消除。谐波分量的零相位序列性质意味着当变压器被用于将电压源换流器和交流网络进行互连时，额外调制的效果被局限于连接到电压源换流器上的变压器的二次侧，并且对连接到电压源换流器上的变压器的一次侧处的交流电压和电流没有影响。为了最小化所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括直流电压分量和至少一个谐波交流电压分量的波形，每一个波形与其他两个波形之间的相位差为120电角度。合成波形之间的120电角度的相位差意味着对三个合成波形进行求和将使谐波交流电压分量互相抵消，从而留下由直流电压分量构成的无纹波直流侧电压。这样的波形进行合成更直接，这在合成波形时简化了对每个辅助换流器的控制。尽管使用非零相位序列谐波交流电压分量可以导致交流网络处的低水平的谐波失真，但是在具有不是很严格的电能质量要求的交流网络中低水平的谐波失真还是可接受的。 在本专利技术的实施例中，电压源换流器可以进一步包括至少一个三级换流器(tertiary converter),所述或每一个三级换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改一个或多个第二直流电压，每一个第二直流电压都被提供到所述各个相位元件的所述直流侧上。在这样的实施例中，所述或每一个三级换流器可以在使用中操作为合成抵消整流正弦波形(offset rectified sinusoidal waveform)的近似逼近,所述抵消整流正弦波形用于提供到所述各个相位元件的所述直流侧上。在采用单相换流器分支的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源换流器(10a)，所述电压源换流器包括用于在使用中连接到直流网络(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、连接在所述第一和第二直流端子(12、14)之间的三个相位元件(16)以及至少一个辅助换流器(18)，每一个相位元件(16)包括多个一次开关元件(22)和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)，所述多个一次开关元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络(26、20)之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供给所述直流网络(20)的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。2.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，每一个相位元件(16)包括两串并联连接的串联一次开关元件(22)，每串串联一次开关元件的中点限定用于在使用中连接到所述交流网络(26)的各个相上的交流端子(24)。3.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，包括连接在所述第一和第二直流端子(12、14)之间的三个辅助换流器(18)，其中，每一个辅助换流器(18)与所述相位元件(16)中的各个相位元件并联连接，以限定单相换流器分支(27)，并且所述三个单相换流器分支在电路的直流侧串联连接，以限定用于三相功率传输的两端直流网络(20)。4.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为充当波形合成器来修改被提供到所述各个相位元件的直流侧上的第二直流电压。5.根据权利要求4所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成用于提供到所述各个相位元件的所述直流侧上的整流正弦波形的近似逼近。6.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括至少一个整流的、零相位序列三倍次数谐波分量的波形，以抵消所述第一直流电压中的一个或多个谐波纹波分量。7.根据权利要求I至3中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)在使用中能够操作为合成包括直流电压分量和至少一个谐波交流电压分量的波形，每一个波形与其他两个波形之间的相位差为120电角度。8.根据权利要求7所述的电压源换流器，进一步包括至少一个三级换流器(44)，所述或每一个三级换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改一个或多个第二直流电压，每一个第二直流电压都被提供到所述各个相位元件(16)的所述直流侧上。9.根据权利要求8所述的电压源换流器，其中，所述三级换流器(44)在使用中能够操作为合成抵消整流正弦波形的近似逼近，所述抵消整流正弦波形用于提供到所述各个相位元件(16)的所述直流侧上。10.根据从属于权利要求4时的权利要求8或9所述的电压源换流器，其中，每一个单相换流器分支(27)包括至少一个三级换流器(44)。11.根据权利要求10所述的电压源换流器，其中，至少一个三级换流器(44)与所述各个相位元件串联连接。12.根据从属于权利要求I或权利要求2时的权利要求7至9中任一项所述的电压源换流器，其中，所述相位元件(16)以级联布置的方式连接以限定第一分支(46)，三个辅助换流器(18)以级联布置的方式连接以限定第二分支(48)，所述第一和第二分支(46、48)并联连接在所述第一和第二直流端子(12、14)之间的所述电路的所述直流侧，并且三级换流器(44)被连接在所述相位元件(16)之间的各个接合点和所述辅助换流器(18)之间的各个接合点之间。13.根据权利要求8至12中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个三级换流器(44)包括链连接换流器。14.根据前述权利要求中任一项所述的电压源换流器，其中，所述或每一个辅助换流器(18)包括链连接换流器。15.根据权利要求13或14所述的电压源换流器，其中，所述链连接换流器(18)包...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·查尔斯·克莱尔，马泰奥·托马西尼，戴维·特雷纳，罗伯特·怀特豪斯，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：
国别省市：