變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電壓源型變換器、一種靜態同步補償器、一種AC到AC變換器組件以及一種DC到DC變換器組件。
【背景技術】
[0002]在電力傳輸網絡中，交流(AC)電力通常被轉換為經由架空線路和/或海底電纜進行傳輸的直流(DC)電力。此轉換不需要補償由傳輸線路或電纜導致的AC電容性負載的影響，并因此降低了線路和/或電纜的每公里成本，當需要長距離傳輸電力時，從AC到DC的變換因而變得具有成本效益。
[0003]AC電力到DC電力的變換還用于需要互連在不同頻率下運行的AC網絡的電力傳輸網絡。
[0004]在任何這種電力傳輸網絡中，在AC電力與DC電力之間的每個交接處需要變換器來實現所需的變換，并且一種此類形式的變換器是電壓源型變換器(VSC)。
[0005]已知在電壓源型變換器中使用帶有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)14的六開關(兩電平)變換器拓撲結構10和三電平變換器拓撲結構12，如圖la和圖lb所示。IGBT裝置14串聯連接在一起并一同切換以實現10MW至100MW的高額定功率。另外，在AC電源頻率的每個周期中，IGBT裝置14在高電壓下導通和關斷若干次以控制被饋送到AC網絡的諧波電流。這導致高損耗、高電平的電磁干擾和復雜的設計。
[0006]還已知在電壓源型變換器中使用多電平變換器布置，諸如如圖lc所示。多電平變換器布置包括串聯連接的單元18的相應變換器橋16。每個變換器單元18包括與電容器22并聯連接的一對串聯連接的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 20。各個變換器單元18不同時切換并且變換器電壓階躍相對較小。在這種多電平變換器布置中，每個變換器單元18的電容器22被配置為具有足夠高的電容值以便限制電容器端子處的電壓變化，并且由于IGBT 20有限的額定電壓，所以需要大量的變換器單元18。在每個變換器橋16中還需要臂電抗器24，以限制在變換器臂26之間流動的瞬時電流，并且從而使變換器臂26的并聯連接和操作成為可能。這些因素導致具有大量儲存電能的昂貴的、大型和重型的裝備。
【發明內容】
[0007]根據本發明的第一方面，提供一種電壓源型變換器，包括:
[0008]第一DC端子和第二DC端子，用于連接至DC電網；以及
[0009]變換器臂，直接連接在第一DC端子與第二DC端子之間，該變換器臂包括:
[0010]AC端子，用于連接至AC電網；
[0011 ]第一臂部，直接連接在第一DC端子與AC端子之間；以及
[0012]第二臂部，直接連接在第二DC端子與AC端子之間，
[0013]其中只有第一臂部和第二臂部中的一個包括多級變換器塊，第一臂部和第二臂部中的另一個包括開關塊，該開關塊是可切換的，以選擇性地允許電流在對應的臂部中的至少一個方向上流動并抑制電流在對應的臂部中的至少一個方向上流動，并且第一臂部和第二臂部中的至少一個是可控制的，以控制在AC端子處的AC電壓波形的形態。
[0014]根據本發明的電壓源型變換器的配置意味著只有變換器臂的第一臂部和第二臂部中的一個包括多級變換器塊，而變換器臂的第一臂部和第二臂部中的另一個不包括多級變換器塊。因此，變換器臂的第一臂部和第二臂部中的另一個的開關塊不是多級變換器塊。
[0015]多級變換器塊可以是任何裝置，該裝置能夠在多電平(兩個、三個或更多個)之間切換在其輸入和/或輸出端子處的電壓或電流。開關塊可以是任何開關裝置，該開關裝置是可切換的，以選擇性地允許和抑制電流在對應的臂部的至少一個方向上流動。
[0016]在操作電壓源型變換器以在AC電網與DC電網之間傳送電力期間，開關塊在AC電網的一個周期中被切換進和切換出在AC端子與對應的DC端子之間的電路。這意味著在位于臂部之間的電壓源型變換器中流動的電流的分布在該周期中變化。因此，當開關塊被切換出在AC端子與對應的DC端子之間的電路并因此在AC端子與對應的DC端子之間不傳導臂部電流時，多級變換器塊傳導在位于AC端子與對應的DC端子之間的電壓源型變換器中流動的全部電流，且多級變換器塊可以被操作以控制在AC端子處的AC電壓波形的形態，使得AC電壓波形由多個電壓電平構成。以這種方式，電壓源型變換器能夠在AC端子處產生高質量的AC電壓波形，并因此使得電壓源型變換器能夠在AC電網與DC電網之間傳送高質量的電力。在AC端子處的AC電壓波形的質量可以取決于多級變換器塊和相關濾波器元件中的電平的數量而變化。
[0017]當開關塊被切換進在AC端子與對應的DC端子之間的電路并因此連接AC端子和對應的DC端子時，多級變換器塊在DC端子之間傳導變換器臂電流，且多級變換器塊可以被操作為控制在DC端子處的DC電流波形的形態。以這種方式，電壓源型變換器能夠產生高質量的DC電流波形，并因此使得電壓源型變換器能夠在AC電網與DC電網之間傳送高質量的電力。DC電流波形的質量可以取決于多級變換器塊和相關濾波器元件中的電平的數量而變化。
[0018]變換器臂中包括多級變換器塊避免了在高頻率下切換開關塊以在AC端子處產生高質量的AC電壓波形的需要。這不僅允許減小開關塊的開關頻率從而減小了開關損耗和電磁干擾，而且還減少或消除了對諧波濾波硬件的需要，因此提高了電壓源型變換器的可靠性和效率。與此相反，用另一個開關塊來代替多級變換器塊將導致之前參照圖la和圖lb的傳統電壓源型變換器描述的問題。
[0019]此外，多級變換器塊通常切換比AC電網的AC頻率快。與此相反，開關塊只需每個周期切換有限次數。因此，與傳統電壓源型變換器的變換器臂(其示例在圖lc中示出)相比，根據本發明的電壓源型變換器的配置減少了變換器臂中的組件和開關動作的數量。因此，變換器臂中的組件和開關動作的數量的減少還提供在變換器損耗、尺寸、重量和成本方面的減小。
[0020]此外，多級變換器塊可以被操作為控制電流流入和流出開關塊。這種多級變換器塊的操作與使用該開關塊的減少了的開關頻率一起，允許在開關塊中使用不受控制或半控制的開關設備(諸如二極管和晶閘管)。因此，這導致減小了變換器損耗、尺寸、重量和成本，同時提高了電壓源型變換器的可靠性和故障阻斷能力。
[0021]由根據本發明的電壓源型變換器的配置導致的變換器損耗的減小降低了電壓源型變換器的冷卻要求，從而減小了相關冷卻設備的尺寸、重量和成本。
[0022]因此，根據本發明的電壓源型變換器的配置導致具有高電壓能力的經濟的、節省空間的電壓源型變換器。
[0023]多級變換器塊的布置可以取決于相關電力應用的要求而變化。
[0024]在本發明的實施例中，多級變換器塊可包括中性點箝位變換器或飛跨電容變換器。在本發明的另一個實施例中，多級變換器塊可包括至少一個模塊，所述模塊或每個模塊包括至少一個開關元件和至少一個能量儲存裝置，所述模塊或每個模塊中的所述開關元件或每個開關元件和所述能量儲存裝置或每個能量儲存裝置選擇性地結合以提供電壓源。
[0025]多級變換器塊的這種布置提供了產生在AC端子處的高質量的AC電壓波形和在DC端子處的高質量的DC電流波形的可靠手段。
[0026]多級變換器塊中的所述模塊或每個模塊的布置可以取決于相關電力應用的要求而變化。
[0027]所述模塊或每個模塊中的所述開關元件或每個開關元件和所述能量儲存裝置或每個能量儲存裝置可結合以選擇性地提供單向或雙向電壓源，和/或所述模塊或每個模塊中的所述開關元件或每個開關元件和所述能量儲存裝置或每個能量儲存裝置可結合以選擇性地提供單極或雙極電壓源。
[0028]在多級變換器塊中的所述模塊或每個模塊的第一示例性布置中，所述模塊或每個模塊可包括以半橋布置與能量儲存裝置并聯連接的一對開關元件，以限定可提供近零電壓或正電壓并且可在兩個方向上傳導電流的2象限單極模塊。
[0029]在多級變換器塊中的所述模塊或每個模塊的第二示例性布置中，所述模塊或每個模塊可包括以全橋布置與能量儲存裝置并聯連接的兩對開關元件，以限定可提供負電壓、近零電壓或正電壓并且可在兩個方向上傳導電流的4象限雙極模塊。
[0030]在本發明的實施例中，使用多級變換器塊中的一個或多個模塊，多級變換器塊可包括多個串聯連接的模塊。多個串聯連接的模塊限定鏈環式變換器。
[0031]通過將每個提供其自身電壓的多個模塊的能量儲存裝置插入到鏈環式變換器中，能夠在鏈環式變換器兩端建立組合電壓，其高于從每個單個模塊可獲得的電壓。以這種方式切換每個模塊中的所述開關元件或每個開關元件使得鏈環式變換器提供步階式可變電壓源，這允許使用步進式近似在鏈環式變換器兩端產生電壓波形，從而使得能夠在AC端子處產生高質量的AC電壓波形。
[0032]此外，鏈環式變換器的模塊化布置意味著很容易增加或減少鏈環式變換器中的模塊的數量以實現電壓源型變換器的期望額定電壓。
[0033]每個能量儲存裝置可以是能夠儲存和釋放能量的任何裝置，例如電容器、燃料電池或蓄電池。
[0034]開關塊的布置可以取決于相關電力應用的要求而變化。
[0035]在本發明的實施例中，開關塊可包括無源電流檢測元件和/或有源開關元件。
[0036]所述無源電流檢測元件或每個無源電流檢測元件可包括單個無源電流檢測裝置或多個串聯連接的無源電流檢測裝置。所述無源電流檢測裝置或每個無源電流檢測裝置可以是能夠限制電流僅在一個方向上流動的任何裝置，例如二極管。
[0037]每個無源電流檢測元件中的無源電流檢測裝置的數量可以取決于該無源電流檢測元件的所需額定電壓而變化。
[0038]至少一個開關元件可包括自然換向有源開關裝置(例如晶閘管)。
[0039]在臂部中使用至少一個自然換向有源開關裝置或無源電流檢測裝置不僅提高了該臂部的魯棒性，而且還使該臂部由于它們的構造能夠經受由于DC電網中的故障而可能發生的浪涌電流。這提供了具有阻斷流經電壓源型變換器的故障電流的簡單和可靠手段的電壓源型變換器，從而避免了操作多級變換器塊來阻斷故障電流的需要。
[0040]至少一個開關元件可包括自換向有源開關裝置。自換向有源開關裝置可以是絕緣柵雙極晶體管、柵極可關斷晶閘管、場效應晶體管、注入增強柵晶體管、集成門極換向晶閘管或任何其它自換向有源開關裝置。
[0041]每個開關元件可包括開關子元件或多個串聯連接的開關子元件。所述開關子元件或每個開關子元件可包括單個有源開關裝置或多個串聯連接的有源開關裝置。
[0042]當每個開關元件包括