混合二級及多級高壓直流換流器制造技術

一種電壓源換流器(10a)被用于高壓直流功率傳輸和無功功率補償。該電壓源換流器(10a)包括用于在使用中連接到直流網絡(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、三個相位元件(16)以及至少一個連接在第一和第二直流端子(12、14)之間的輔助換流器(18)，每一個相位元件(16)都包括多個一次開關元件(22)和至少一個用于在使用中連接到多相交流網絡(26)的各個相上的交流端子(24)，所述多個一次開關元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流網絡和直流網絡(26、20)之間的功率轉換，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改被提供給直流網絡(20)的第一直流電壓，以便最小化所述直流電壓中的紋波。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及一種供在高壓直流(high voltage direct current, HVDC)功率傳輸和無功功率補償中使用的電壓源換流器(voltage source converter)以及一種操作電壓源換流器的方法。
技術介紹
在功率傳輸網絡中，交流(AC)功率通常轉換為直流(DC)功率以通過架空線路和/或海底電纜傳輸。經過這種轉換，無需補償由這些線路和/或電纜所施加的交流電容負載效應，從而降低這些線路和/或電纜的每千米的費用。因此，當需要在長距離上傳輸功率時，從交流到直流的轉換變得劃算。從交流到直流功率的轉換還在功率傳輸網絡中被使用，在該功率傳輸網絡中需要 互連在不同的頻率下工作的交流網絡。在任何這樣的功率傳輸網絡中，在交流和直流功率之間的每一個接口處都需要換流器來實現所需的轉換，其中一種該形式的換流器為電壓源換流器(VSC)。交流功率通常取決于交流相位的數量以一個或多個正弦波形的形式被傳輸。但是，電壓源換流器的交流側的正弦交流波形會在電壓源換流器的直流側和相關聯的直流網絡中導致高水平的直流電壓紋波。在直流網絡中存在直流紋波使低成本的電纜無法使用。低成本的電纜通常難以容忍交變電壓應力，從而增加直流功率傳輸線路的安裝成本。此外，直流紋波的交變性質導致直流功率傳輸線路和鄰近的電話線路之間的不希望有的干擾，這增大了對直流功率傳輸線路的布局設計的復雜性。常規地，發電站在電壓源換流器的直流側上利用直流過濾設備(比如無源電感和電容元件)以最小化直流紋波。分別將并聯的電容和串聯的電感與電壓源換流器結合使用使電壓和電流紋波減少。然而，功率傳輸的高電壓性質意味著必須采用較大的無源電感和電容元件，而這增加了相關聯的發電站的尺寸、重量和成本。這在具有有限空間封裝的位置(比如近海風電場)中尤其是不可取的。
技術實現思路
根據本專利技術的第一方面，提供了一種用于高壓直流功率傳輸和無功功率補償的電壓源換流器，所述電壓源換流器包括用于在使用中連接到直流網絡上的第一和第二直流端子、連接在所述第一和第二直流端子之間的三個相位元件以及至少一個輔助換流器，每一個相位元件都包括多個一次開關元件和至少一個用于在使用中連接到多相交流網絡的各個相上的交流端子，所述多個一次開關元件在使用中是可控的，以便于所述交流網絡和直流網絡之間的功率轉換，所述或每一個輔助換流器在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改(modify)被提供給所述直流網絡的第一直流電壓，以便最小化所述直流電壓中的紋波。輔助換流器的提供使電壓源換流器具有靈活的直流側有源過濾器，所述直流側有源過濾器能夠合成一系列具有不同形狀和大小的波形以最小化直流紋波，其根據交流和直流網絡的特性而變化。直流網絡中的直流紋波的減少不僅通過使得能夠使用難以容忍交變電壓應力的低成本的電纜而減小了安裝成本，而且通過最小化與位于直流網絡附近的電話線路之間的不希望的干擾而簡化了與直流網絡相關聯的設計問題(比如位置)。直流紋波以這種方式的減少還排除了以無源電感和電容元件形式的直流側過濾元件的需要。這去除了安裝和維護直流側過濾元件的額外成本，通過最小化換流器硬件的數量改善了相關聯的發電站的可靠性和效率，并且減小了硬件大小和重量，這適用于具有有限空間封裝的位置(比如近海風電場)。優選地，每一個相位元件都包括兩串并聯連接的串聯一次開關元件，每串串聯連接的一次開關元件的中點限定用于在使用中連接到所述交流網絡的各個相上的交流端子。 這樣的電壓源換流器布置可以被利用，以便于交流網絡和直流網絡之間的功率轉換。在其他的實施例中，所述電壓源換流器可以包括連接在所述第一和第二直流端子之間的三個輔助換流器，其中，每一個輔助換流器都與所述相位元件中的各個相位元件并聯連接，以限定單相換流器分支，并且所述三個單相換流器分支在電路的直流側串聯連接，以限定用于三相功率傳輸的兩端直流網絡。除了適用于便于交流網絡和直流網絡之間的功率轉換外，這樣的電壓源換流器布置還使每一個輔助換流器能夠被控制，以便對連接到對應相位元件的交流端子上的相位產生直接的影響而對連接到其他兩個相位元件的交流端子上的相位產生有限的影響。在進一步的實施例中，所述或每一個輔助換流器在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改被提供到所述各個相位元件的直流側上的第二直流電壓。在這樣的實施例中，所述或每一個輔助換流器在使用中能夠操作為合成用于提供到所述各個相位元件的所述直流側上的整流正弦波形的近似逼近(nearapproximation)。所述或每一個輔助換流器可被用于對將轉移到電壓源換流器的交流側上的直流電壓進行整形。否則，恒定的直流側電壓會在所述或每一個相位元件上產生方波電壓，伴隨顯著的諧波分量及半導體器件的硬切換(hard switching)。但是，提供一個或多個輔助換流器能夠產生具有更小諧波失真的更合適的交流波形(比如正弦波形)，并且還能夠在低水平的電壓和電流下實現半導體器件的軟切換(soft-switching)。為了最小化所述第一直流電壓中的一個或多個諧波紋波分量，所述或每一個輔助換流器在使用中能夠操作為合成一個包括至少一個整流的、零相位序列三倍次數諧波分量(triplen harmonic component)的波形，以抵消所述第一直流電壓中的一個或多個諧波紋波分量。當第一直流電壓包括所述第一直流電壓中以交流電源頻率的諧波(比如第六諧波、第十二諧波和第十八諧波)形式存在的不希望的紋波分量時，將更高階的零相位序列、三倍次數諧波分量添加到合成波形抵消了每一個諧波紋波分量從而最小化第一直流電壓中的直流紋波。例如，分別將第九諧波和第十五諧波零相位序列分量包含在合成波形中使第一直流電壓中的第六和第十二諧波紋波分量被消除。諧波分量的零相位序列性質意味著當變壓器被用于將電壓源換流器和交流網絡進行互連時，額外調制的效果被局限于連接到電壓源換流器上的變壓器的二次側，并且對連接到電壓源換流器上的變壓器的一次側處的交流電壓和電流沒有影響。為了最小化所述第一直流電壓中的一個或多個諧波紋波分量，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括直流電壓分量和至少一個諧波交流電壓分量的波形，每一個波形與其他兩個波形之間的相位差為120電角度。合成波形之間的120電角度的相位差意味著對三個合成波形進行求和將使諧波交流電壓分量互相抵消，從而留下由直流電壓分量構成的無紋波直流側電壓。這樣的波形進行合成更直接，這在合成波形時簡化了對每個輔助換流器的控制。盡管使用非零相位序列諧波交流電壓分量可以導致交流網絡處的低水平的諧波失真，但是在具有不是很嚴格的電能質量要求的交流網絡中低水平的諧波失真還是可接受的。 在本專利技術的實施例中，電壓源換流器可以進一步包括至少一個三級換流器(tertiary converter),所述或每一個三級換流器在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改一個或多個第二直流電壓，每一個第二直流電壓都被提供到所述各個相位元件的所述直流側上。在這樣的實施例中，所述或每一個三級換流器可以在使用中操作為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個相位元件的所述直流側上。在采用單相換流器分支的本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于高壓直流功率傳輸和無功功率補償的電壓源換流器(10a)，所述電壓源換流器包括用于在使用中連接到直流網絡(20)上的第一和第二直流端子(12、14)、連接在所述第一和第二直流端子(12、14)之間的三個相位元件(16)以及至少一個輔助換流器(18)，每一個相位元件(16)包括多個一次開關元件(22)和至少一個用于在使用中連接到多相交流網絡(26)的各個相上的交流端子(24)，所述多個一次開關元件(22)在使用中是可控的，以便于所述交流網絡和直流網絡(26、20)之間的功率轉換，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改被提供給所述直流網絡(20)的第一直流電壓，以便最小化所述直流電壓中的紋波。2.根據前述權利要求中任一項所述的電壓源換流器，其中，每一個相位元件(16)包括兩串并聯連接的串聯一次開關元件(22)，每串串聯一次開關元件的中點限定用于在使用中連接到所述交流網絡(26)的各個相上的交流端子(24)。3.根據前述權利要求中任一項所述的電壓源換流器，包括連接在所述第一和第二直流端子(12、14)之間的三個輔助換流器(18)，其中，每一個輔助換流器(18)與所述相位元件(16)中的各個相位元件并聯連接，以限定單相換流器分支(27)，并且所述三個單相換流器分支在電路的直流側串聯連接，以限定用于三相功率傳輸的兩端直流網絡(20)。4.根據前述權利要求中任一項所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改被提供到所述各個相位元件的直流側上的第二直流電壓。5.根據權利要求4所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成用于提供到所述各個相位元件的所述直流側上的整流正弦波形的近似逼近。6.根據前述權利要求中任一項所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括至少一個整流的、零相位序列三倍次數諧波分量的波形，以抵消所述第一直流電壓中的一個或多個諧波紋波分量。7.根據權利要求I至3中任一項所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個輔助換流器(18)在使用中能夠操作為合成包括直流電壓分量和至少一個諧波交流電壓分量的波形，每一個波形與其他兩個波形之間的相位差為120電角度。8.根據權利要求7所述的電壓源換流器，進一步包括至少一個三級換流器(44)，所述或每一個三級換流器在使用中能夠操作為充當波形合成器來修改一個或多個第二直流電壓，每一個第二直流電壓都被提供到所述各個相位元件(16)的所述直流側上。9.根據權利要求8所述的電壓源換流器，其中，所述三級換流器(44)在使用中能夠操作為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個相位元件(16)的所述直流側上。10.根據從屬于權利要求4時的權利要求8或9所述的電壓源換流器，其中，每一個單相換流器分支(27)包括至少一個三級換流器(44)。11.根據權利要求10所述的電壓源換流器，其中，至少一個三級換流器(44)與所述各個相位元件串聯連接。12.根據從屬于權利要求I或權利要求2時的權利要求7至9中任一項所述的電壓源換流器，其中，所述相位元件(16)以級聯布置的方式連接以限定第一分支(46)，三個輔助換流器(18)以級聯布置的方式連接以限定第二分支(48)，所述第一和第二分支(46、48)并聯連接在所述第一和第二直流端子(12、14)之間的所述電路的所述直流側，并且三級換流器(44)被連接在所述相位元件(16)之間的各個接合點和所述輔助換流器(18)之間的各個接合點之間。13.根據權利要求8至12中任一項所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個三級換流器(44)包括鏈連接換流器。14.根據前述權利要求中任一項所述的電壓源換流器，其中，所述或每一個輔助換流器(18)包括鏈連接換流器。15.根據權利要求13或14所述的電壓源換流器，其中，所述鏈連接換流器(18)包...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喬納森·查爾斯·克萊爾，馬泰奧·托馬西尼，戴維·特雷納，羅伯特·懷特豪斯，
申請(專利權)人：阿爾斯通技術有限公司，
類型：
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