專利名稱：包括用于處理dc側(cè)短路的全橋單元的hvdc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高壓直流(HVDC)電力傳輸和無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娮愚D(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電通常被轉(zhuǎn)換為直流(DC)電以便經(jīng)由高架線和/或海底電纜傳輸。這種轉(zhuǎn)換去除了對由傳輸線或電纜施加的交流電容負(fù)載效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男枰?，并且由此減少了每公里電線和/或電纜的成本。因此，當(dāng)電力需要遠(yuǎn)距離傳輸時，從AC到DC的轉(zhuǎn)換變得節(jié)約成本。
從AC電到DC電的轉(zhuǎn)換也被用在有必要將以不同頻率工作的AC網(wǎng)絡(luò)互連的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。
在任何這種電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在AC電和DC電之間的每個接口都需要轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)要求的轉(zhuǎn)換，并且一個此種形式的轉(zhuǎn)換器是電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)。
如圖1所示，電壓源轉(zhuǎn)換器的一個實(shí)例是使用具有使DC網(wǎng)絡(luò)22和AC網(wǎng)絡(luò)24互連的絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 20的六開關(guān)(兩級)和三級多級轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?。IGBT裝置20被串聯(lián)地連接和切換，以使能夠?qū)崿F(xiàn)IOMW至100MW的高額定功率。
這種傳統(tǒng)的方法需要復(fù)雜的和有源的IGBT驅(qū)動，并且可能需要大型的無源緩沖組件來補(bǔ)償，以確保在轉(zhuǎn)換器切換期間，一 IGBT裝置20串聯(lián)串上的高電壓被適當(dāng)?shù)胤峙洹４送?，IGBT裝置20需要以高電壓在每個AC供電頻率周期上連通和斷開多次，來控制供給AC網(wǎng)絡(luò)24的諧波電流。
電壓源轉(zhuǎn)換器的另一個示例存在于連接DC網(wǎng)絡(luò)22和AC網(wǎng)絡(luò)24的多級轉(zhuǎn)換器布置中，如圖2中所示的。在傳統(tǒng)的多級轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器橋或單元26被串聯(lián)連接，每個單元26在不同時間被切換。每個單兀26包括一對在半橋布置中與電容器30并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)28，以限定二象限單極模塊，該二象限單極模塊能夠提高零電壓或正電壓并且能夠在兩個方向上都導(dǎo)通電流。傳統(tǒng)的多級轉(zhuǎn)換器布置消除了直接切換串聯(lián)的IGBT裝置相關(guān)的問題，因?yàn)閱蝹€橋接單元26不同時切換，并且轉(zhuǎn)換器電壓階躍相對小。
然而，在HVDC電力傳輸網(wǎng)絡(luò)操作期間，電壓源轉(zhuǎn)換器容易遭受表現(xiàn)在DC電力傳輸線或電纜上具有低阻抗的短路的DC側(cè)故障。這種故障可以由于絕緣的毀壞或損壞、導(dǎo)體的移動或者因外來物在導(dǎo)體間出現(xiàn)其它意外橋接而發(fā)生。
DC電力傳輸線或電纜上出現(xiàn)的低阻抗對電壓源轉(zhuǎn)換器是有害的，因?yàn)檫@可能引起在電壓源轉(zhuǎn)換器中流經(jīng)的電流增大至高于其初始值很多倍的故障電流水平。在電壓源轉(zhuǎn)換器的電流水平僅被設(shè)計為容忍低于故障電流水平的情況下，這種高故障電流就會損壞電壓源轉(zhuǎn)換器的組件。
傳統(tǒng)地，為了減小短路對裝置產(chǎn)生的風(fēng)險，應(yīng)當(dāng)打開一個或多個開關(guān)以將裝置切離電路。然而，諸如在圖3中所示的電壓源切換器的電壓源轉(zhuǎn)換器的切換元件，通常包括當(dāng)絕緣柵雙極晶體管20打開時保持導(dǎo)電的反并聯(lián)二極管32。因此，即使當(dāng)絕緣柵雙極晶體管20打開時，二極管32也允許從連接到電壓源轉(zhuǎn)換器的DC網(wǎng)絡(luò)38中的短路36產(chǎn)生的故障電流34如圖3所示持續(xù)地流經(jīng)轉(zhuǎn)換器。
用于減小短路對電壓源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的風(fēng)險的另一個選擇是將電壓源轉(zhuǎn)換器設(shè)計為容忍導(dǎo)致的故障電流，使得有足夠的時間來檢測故障并通過打開另一側(cè)(電壓源轉(zhuǎn)換器的AC側(cè))的斷路器來消除電流。
然而，連接到電壓源轉(zhuǎn)換器的DC網(wǎng)絡(luò)中的短路所產(chǎn)生的故障電流通常大于轉(zhuǎn)換器額定值的許多倍。為了增大電壓源轉(zhuǎn)換器的容忍度，導(dǎo)通轉(zhuǎn)換器二極管的尺寸和容量必須增加，必須并聯(lián)若干轉(zhuǎn)換器二極管或者必須包括能夠承載高故障電流的快速旁路裝置。在任何情況下，無論采用哪種選擇，幾乎都一定需要額外的電感元件來限制高故障電流，并且元件的增加導(dǎo)致了轉(zhuǎn)換器尺寸和重量的增加。這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致了相關(guān)HVDC變換器站的尺寸和面積的增加。
此外，打開電壓源轉(zhuǎn)換器的相對側(cè)(無故障側(cè))的斷路器是不利的，因?yàn)檫@將其它網(wǎng)絡(luò)從HVDC電力傳輸網(wǎng)絡(luò)上斷開了。因此，當(dāng)故障被修復(fù)之后，在其它網(wǎng)絡(luò)能被重新連接至HVDC電力傳輸網(wǎng)絡(luò)之前，轉(zhuǎn)換器站必須經(jīng)歷啟動序列和一系列檢查。這導(dǎo)致了潮流中斷的延長以及那些依賴于電源供應(yīng)方案的電力傳輸方案因此而不可利用。
另一個選擇是打開電壓源轉(zhuǎn)換器DC側(cè)的斷路器以允許DC網(wǎng)絡(luò)中的故障被隔離并被修復(fù)。然而，當(dāng)使用傳統(tǒng)的機(jī)械電路斷開觸頭時，在電壓源轉(zhuǎn)換器中流過的非零直流導(dǎo)致了持續(xù)電弧的形成。因此，必須使用昂貴的、專用的DC電路斷開設(shè)備來中斷DC側(cè)故障電流，這導(dǎo)致了轉(zhuǎn)換器尺寸、重量和成本的增加。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于高壓直流電力傳輸和無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娮愚D(zhuǎn)換器，該電力電子轉(zhuǎn)換器包括三個轉(zhuǎn)換器分支，每個轉(zhuǎn)換器分支都包括用于在使用中連接至DC網(wǎng)絡(luò)的第一 DC端和第二 DC端，以及用于在使用中連接至三相AC網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)相的AC端,每個轉(zhuǎn)換器分支限定在相應(yīng)的AC端與第一 DC端和第二 DC端中的相應(yīng)端之間串聯(lián)連接的第一分支部分和第二分支部分，每個分支部分都包括在使用中可控制以方便在AC網(wǎng)絡(luò)與DC網(wǎng)絡(luò)之間的電力轉(zhuǎn)換的至少一個切換元件，該電力電子轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括多個輔助單元，每個輔助單元都可操作地與AC網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)狀態(tài)可操作地關(guān)聯(lián)，每個輔助單元都包括至少一個包括電壓源的模塊，分支部分在使用中是可控制的以限定在星形結(jié)構(gòu)的每個支路上包括所述多個輔助單元中的至少一個的至少一個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，每個第一 DC端和/或第二 DC端都限定相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
在電力電子轉(zhuǎn)換器中提供多個輔助單元和分支部分允許如果在DC網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的情況下，電力電子轉(zhuǎn)換器可以以受控的方式與AC網(wǎng)絡(luò)一起繼續(xù)交換無功功率。由多個輔助單元形成的所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的操作獨(dú)立于DC網(wǎng)絡(luò)，這允許在不影響電力電子轉(zhuǎn)換器的情況下使DC網(wǎng)絡(luò)中的故障能夠被隔離并且修復(fù)。一旦故障被修復(fù)，便可以控制輔助單元以恢復(fù)AC與DC網(wǎng)絡(luò)之間的電力轉(zhuǎn)換。
如前面概述的，在DC網(wǎng)絡(luò)中諸如短路故障的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致在電力電子轉(zhuǎn)換器中的高故障電流。然而，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成提供了對電力電子轉(zhuǎn)換器中流過的電流的控制，并且由此使電力電子轉(zhuǎn)換器組件損壞的風(fēng)險最小化。此外，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器可以操作為使從與AC網(wǎng)絡(luò)交換無功功率的相應(yīng)中性點(diǎn)流到DC網(wǎng)絡(luò)的電流最小化。這減小了 DC網(wǎng)絡(luò)組件損壞的風(fēng)險，而且還防止了能量流動到由DC網(wǎng)絡(luò)中的故障產(chǎn)生的任何電弧中。
省略所述多個輔助單元將會使得有必要將電力電子轉(zhuǎn)換器從AC網(wǎng)絡(luò)斷開連接，這不僅導(dǎo)致電力電子轉(zhuǎn)換器由于前面概述的原因的離線時期的延長，還導(dǎo)致可能不利地影響電力電子轉(zhuǎn)換器的突然的電壓擾動。
分支部分可以如以下操作，以形成電力電子轉(zhuǎn)換器的多種結(jié)構(gòu)，以根據(jù)AC網(wǎng)絡(luò)的特性限定所述或每個靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，分支部分可以是在使用中可控制的，以同時限定具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，所述第一 DC端和第二 DC端限定相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。在這種實(shí)施例中，第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的每個輔助單元在使用中可以是可控制的，以使第一靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二靜態(tài)同步補(bǔ)償器的操作同步。
第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成都是有利的，這使得能夠從AC網(wǎng)絡(luò)中提取高達(dá)兩倍的額定無功電流，這可以被用來減小存在于AC網(wǎng)絡(luò)中的大電壓瞬變。使第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的操作同步允許在它們相應(yīng)中性點(diǎn)處的電壓大約相等，這使存在于DC網(wǎng)絡(luò)中的電壓最小化。
在其它實(shí)施例中，分支部分可以是在使用中可控制的，以交替地限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。在這種實(shí)施例中，分支部分可以是在使用中可控制的，以便以50: 50的占空比交替地限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
在另外的實(shí)施例中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的各輔助單元在使用中都是可控制的，以在星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中產(chǎn)生電壓波形，該電壓波形相對于由相應(yīng)三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的其它輔助單元產(chǎn)生的其它電壓波形具有120電角度的相位角位移。優(yōu)選地，每個產(chǎn)生的電壓波形幾乎近似于正弦波形。
在所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的中性點(diǎn)上的電壓等于在相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的每個支路中產(chǎn)生的平均電壓。這樣，當(dāng)產(chǎn)生的電壓波形接近具有相等幅度并且相距120電角度的理想的正弦曲線時，中性點(diǎn)電壓將名義上為零，這使流入DC網(wǎng)絡(luò)的電流量最小化。
優(yōu)選地，每個模塊包括:以至少一個能量存儲裝置形式的電壓源；以及用于將所述或每個能量存儲裝置切換至電路中或切離電路的至少一個初級切換元件。
在該實(shí)施例中，每個模塊都可以包括與能量存儲裝置并聯(lián)的兩對初級切換元件，以限定提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并且可以沿著兩個方向傳導(dǎo)電流的四象限雙極模塊。
提供零電壓、正電壓或負(fù)電壓的四象限雙極模塊的能力與相應(yīng)的三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的星形結(jié)構(gòu)的每個支路中的AC電壓波形的產(chǎn)生兼容。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，每個輔助單元都可以包括用于限定鏈接轉(zhuǎn)換器的串聯(lián)連接的多個模塊。
鏈接轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)允許經(jīng)由每個都將電壓提供到鏈接轉(zhuǎn)換器中的多個模塊的插入積累高于由單個模塊提供的電壓的結(jié)合電壓。通過改變結(jié)合電壓的值，鏈接轉(zhuǎn)換器可以被操作以產(chǎn)生可變振幅和相位角的電壓波形。
在這樣的利用使用包括至少一個能量存儲裝置和至少一個初級切換元件的至少一個模塊的實(shí)施例中，每個鏈接轉(zhuǎn)換器的各模塊的所述或每個初級切換元件在使用中可以是可控制的，以使相應(yīng)的能量存儲裝置切換到電路中或切離電路以使鏈接轉(zhuǎn)換器提供階梯式可變電壓源。
該多級布置允許通過調(diào)整對連接轉(zhuǎn)換器中的每個模塊的切換操作的時序使具有不同形狀的電壓波形合成。通過改變結(jié)合電壓的值，鏈接轉(zhuǎn)換器可以操作為產(chǎn)生可變振幅和相位角的電壓波形。
當(dāng)鏈接轉(zhuǎn)換器包括一個或多個四象限雙極模塊時，四象限雙極模塊提供正電壓或負(fù)電壓的能力意味著所述或每個鏈接轉(zhuǎn)換器上的電壓可以從提供正電壓或負(fù)電壓的模塊的結(jié)合積聚。因此，通過控制模塊在正電壓或負(fù)電壓之間交替使得在單個能量存儲裝置中的能量級別可以保持在最佳級別。
在其它實(shí)施例中，每個分支部分都可以包括在連接到相應(yīng)分支部分的相應(yīng)的AC端與DC端之間串聯(lián)連接的至少一個二級切換元件。
在每個分支部分中的所述或每個二級切換元件都可以操作為執(zhí)行整流和逆變處理，以在AC網(wǎng)絡(luò)與DC網(wǎng)絡(luò)之間傳送電力。
在其它實(shí)施例中，所述多個輔助單元中的一個可以被連接至相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支的AC端以便在使用中連接在相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支與AC網(wǎng)絡(luò)之間。
該布置使以第一 DC端和/或第二 DC端作為相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)限定所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器所需要的輔助單元的數(shù)量最小化。
每個分支部分都可以包括所述多個輔助單元中的一個。
將輔助單元集成到分支部分中允許分支部分能執(zhí)行電力轉(zhuǎn)換和所述或每個靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成。這導(dǎo)致在硬件尺寸、重量和成本方面上的節(jié)省。
每個分支部分可以包括與分支部分的相應(yīng)的輔助單元串聯(lián)連接的至少一個二級切換元件。
在每個部分中與輔助單元串聯(lián)連接的一個或多個二級切換元件的串聯(lián)結(jié)合是有利的，因?yàn)槠錅p少了用于在AC和DC網(wǎng)絡(luò)之間執(zhí)行電壓轉(zhuǎn)換所需要的輔助單元中組件的數(shù)量。
在利用在每個分支部分中都使用輔助單元的實(shí)施例中，各分支部分的輔助單元在使用中都可以是可控制的以提供電壓，以使相應(yīng)分支部分的所述或每個二級切換元件上的電壓最小化。
在不形成三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的一部分的各分支部分中，當(dāng)分支部分還包括與輔助單元串聯(lián)連接的至少一個二級切換元件時，以這種方式的每個分支部分的輔助單元的操作也可以不僅被用來使所述或每個打開的二級切換元件上的電壓應(yīng)力最小化，而且當(dāng)分支部分不形成三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的一部分時，還使相應(yīng)的反并聯(lián)二極管保持在反向偏置和非導(dǎo)通狀態(tài)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，每個分支部分的所述或每個切換元件在使用中都可以可控制的，以將相應(yīng)的分支部分切換至電路中或切離電路，以便限定所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
在其它實(shí)施例中，每個分支部分的所述或每個二級切換元件可以在使用中可控制為接通或斷開以限定所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
切換元件以這種形式的操作導(dǎo)致了具有星形結(jié)構(gòu)的所述或每個靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成，其中，第一 DC端和/或第二 DC端限定了相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
優(yōu)選地，每個切換元件都包括至少一個半導(dǎo)體器件。這種半導(dǎo)體器件可以是優(yōu)選地與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管、場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、門極換向晶閘管、絕緣門極換向晶閘管或集成門極換向晶閘管。
半導(dǎo)體器件的使用是有利的，因?yàn)檫@種器件尺寸和重量小并且具有相對低的功率損耗，這使得對制冷設(shè)備的需要最小化。因此，其導(dǎo)致了電力轉(zhuǎn)換器成本、尺寸和重量上的顯著減少。
該半導(dǎo)體器件的快速切換能力允許電力電子轉(zhuǎn)換器合成復(fù)雜的波形以便注入電力電子轉(zhuǎn)換器的AC側(cè)和/或DC側(cè)。這種復(fù)雜波形的注入可以被用于，例如使通常與基于線性換向晶閘管的電力電子轉(zhuǎn)換器相關(guān)的諧波失真的等級最小化。此外，包含這種半導(dǎo)體器件允許輔助單元快速響應(yīng)DC側(cè)故障的發(fā)展，并由此改進(jìn)電力電子轉(zhuǎn)換器的故障保護(hù)。
在利用使用包括至少一個能量存儲裝置的至少一個模塊的實(shí)施例中，各能量存儲裝置都包括電容器、燃料電池、電池、光伏電池或具有相關(guān)整流器的輔助AC發(fā)生器。
能量存儲裝置可以是能夠存儲與釋放其電能以提供電壓的任何裝置。在其中設(shè)備的性能可以根據(jù)地點(diǎn)或運(yùn)輸難度而變化的不同地點(diǎn)設(shè)計轉(zhuǎn)換器站時該靈活性是有用的。例如，在近海風(fēng)電場，能量存儲裝置可以是與風(fēng)輪機(jī)連接的輔助AC發(fā)生器。
在采用了使用至少一個能量存儲裝置的其它實(shí)施例中，每個能量存儲裝置都可以在使用中是可控制的以調(diào)整其電壓輸出。
這允許電力電子轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生不同幅度的AC電壓波形以便修正提供給AC網(wǎng)絡(luò)的無功功率。例如，每個能量存儲裝置的電壓輸出可以增加，以允許轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生比AC網(wǎng)絡(luò)更高幅度的電壓波形以便提供超前無功功率。這去除了對包括額外的輔助單元模塊的需要，其中，該輔助單元模塊僅為增加電壓波形的幅度而被需要，但是在AC網(wǎng)絡(luò)與DC網(wǎng)絡(luò)之間的電力轉(zhuǎn)換期間保持未使用。這由此導(dǎo)致了硬件尺寸、重量和成本上的減少。
在利用使用至少一個能量存儲裝置的其它實(shí)施例中，每個模塊的所述或每個切換元件都可以在使用中可被控制以調(diào)整相應(yīng)的能量存儲裝置的電壓。
電壓電平的調(diào)整對每個模塊的能量存儲裝置的電壓電平提供了額外的控制。這種形式的控制可以用于例如平衡單個模塊的電壓電平。這是有利的，因?yàn)槠湟馕吨魏翁囟K的電壓都可以被保持約等于平均模塊電壓以簡化控制并且提高使用平均模塊電壓作為反饋以控制輔助單元的模塊的切換的電壓源轉(zhuǎn)換器的性能。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器在使用中可以是可控制的以與AC網(wǎng)絡(luò)交換無功功率。在這種實(shí)施例中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器在使用中是可控制的以向AC網(wǎng)絡(luò)提供滯后或超前無功功率。
在電力電子轉(zhuǎn)換器與AC網(wǎng)絡(luò)之間的無功功率交換允許由AC和DC網(wǎng)絡(luò)之間的真實(shí)潮流的突然中斷產(chǎn)生的或是由于DC網(wǎng)絡(luò)中的故障的開始和/或去除從其它連接的負(fù)載或電源中發(fā)生的變化產(chǎn)生的任何電壓擾動都能夠穩(wěn)定。
在其它實(shí)施例中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器都可以在使用中是可控制的，以便在使用中在DC網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生故障的情況下向DC網(wǎng)絡(luò)供電。
向DC網(wǎng)絡(luò)中的故障點(diǎn)供電不僅使操作者能夠確定DC網(wǎng)絡(luò)中的故障位置，而且還允許與DC網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的保護(hù)設(shè)備能夠正常工作。
在其它實(shí)施例中，電力電子轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括具有可操作地連接到每個AC端以便在使用中連接在相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器分支與AC網(wǎng)絡(luò)之間的星形結(jié)構(gòu)的包括多個繞組的三相變壓器。
在星形結(jié)構(gòu)中提供多個繞組允許第一 DC端或第二 DC端通過連接到多個繞組的星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)而被接地。直接連接到接地DC端的分支部分可以由此被控制以限定靜態(tài)同步補(bǔ)償器的電壓。


現(xiàn)將通過非限制性的實(shí)例，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述，在附圖中:
圖1和圖2以示意的形式示出了現(xiàn)有技術(shù)的電壓源轉(zhuǎn)換器；
圖3示出了在連接的DC網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生故障之后在三相電壓源轉(zhuǎn)換器中故障電流的形成；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電力電子轉(zhuǎn)換器；
圖5示出了使用鏈接轉(zhuǎn)換器的50Hz電壓波形的合成；
圖6示出了階梯近似的正弦電壓波形；
圖7至圖10示出了在圖4的電力電子轉(zhuǎn)換器中的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和/或第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成；
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電力電子轉(zhuǎn)換器；
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電力電子轉(zhuǎn)換器；以及
圖13示出了圖4中的電力電子轉(zhuǎn)換器的第一 DC端到變壓器的多個繞組的中性點(diǎn)的連接。
具體實(shí)施方式
在圖4中顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電力電子轉(zhuǎn)換器40。
電力電子轉(zhuǎn)換器40包括三個轉(zhuǎn)換器分支42和多個輔助單元44。
每個轉(zhuǎn)換器分支42包括第一 DC端46和第二 DC端48以及AC端50。
在使用中，在每個轉(zhuǎn)換器分支中，第一 DC端46和第二 DC端48被分別連接到DC網(wǎng)絡(luò)52的正端子和負(fù)端子，正端子和負(fù)端子分別承載+Vdc/2和-Vdc/2電壓，而AC端50被連接到三相AC網(wǎng)絡(luò)54的相應(yīng)相。
每個轉(zhuǎn)換器分支42都限定第一分支部分56和第二分支部分58。在每個轉(zhuǎn)換器分支42中，第一分支部分56在第一 DC端46和AC端50之間串聯(lián)連接,而第二分支部分58在第二 DC端48和AC端50之間串聯(lián)連接。
各轉(zhuǎn)換器分支42的第一分支部分56和第二分支部分58中的每一個包括輔助單元44。每個分支部分56、58的輔助單元44都包括用于限定鏈接轉(zhuǎn)換器44的串聯(lián)連接的多個模塊60。通過相應(yīng)分支部分56、58需要的額定電壓確定每個鏈接轉(zhuǎn)換器44中模塊60的數(shù)量。每個模塊60包括兩對與電容器64并聯(lián)連接的初級切換元件62以限定提供負(fù)電壓、零電壓或正電壓并可以沿著兩個方向傳導(dǎo)電流的四象限雙極模塊60。
每個分支部分56、58進(jìn)一步包括與分支部分56、58的輔助單元44串聯(lián)連接的多個串聯(lián)連接的二級切換元件66?？梢约傧氲氖?，在其它實(shí)施例中，在每個分支部分56、58中的串聯(lián)連接的二級切換元件66的數(shù)量可以變化。
在多個串聯(lián)連接的二級切換元件66和與第一分支部分56和第二分支部分58中的每一個的輔助單元44之間的串聯(lián)意味著，在其它實(shí)施例中，它們可以在AC端50和相應(yīng)的DC端46、48之間以相反的順序連接。
電力電子轉(zhuǎn)換器40還包括串聯(lián)連接在第一端46與第二 DC端48之間并且與各轉(zhuǎn)換器分支42并聯(lián)連接的DC連接電容器68。
每個鏈接轉(zhuǎn)換器44的模塊60的初級切換元件62在使用中是可操作的，使得每個鏈接轉(zhuǎn)換器44都提供階梯式可變的電壓源，并且在接近AC網(wǎng)絡(luò)的基本頻率被切換。
每個模塊60的電容器64可以通過改變初級切換元件62的狀態(tài)而繞過或插入到相應(yīng)的鏈接轉(zhuǎn)換器44中。
當(dāng)成對的初級切換元件62被構(gòu)造為在模塊60中形成短路時，每個模塊60的電容器64都被繞過，致使電力電子轉(zhuǎn)換器40中的電流通過短路并且繞過電容器64。這使模塊60能夠提供零電壓。
當(dāng)成對的第二切換元件66被構(gòu)造為允許轉(zhuǎn)換器電流流入和流出電容器64時，每個模塊60的電容器64被插入相應(yīng)的鏈接轉(zhuǎn)換器44中，該電容器64隨后能夠?qū)ζ浯鎯Φ哪芰砍潆娀蚍烹姴⑻峁╇妷?。四象限雙極模塊60的雙向特性意味著電容器64可以以前向或反向方向被插入模塊60中以便提供正電壓或負(fù)電壓。
因此，能夠在鏈接轉(zhuǎn)換器44上經(jīng)由多個模塊60的電容器的插入積累高于從每個單個模塊60可獲得電壓的結(jié)合的電壓，其中，每個模塊60都提供其自身的電壓到鏈結(jié)轉(zhuǎn)換器44中。
四象限雙極模塊60提供正電壓或負(fù)電壓的能力意味著每個鏈接轉(zhuǎn)換器44上的電壓可以從提供正電壓或負(fù)電壓的模塊60的結(jié)合積聚。因此，可以通過控制模塊60在提供正電壓或負(fù)電壓之間交替使單個電容器64中的能量等級保持在最佳等級。
還可以改變用于每個模塊的切換操作的時序，使得插入和/或繞過鏈接轉(zhuǎn)換器中的單個模塊的電容器導(dǎo)致產(chǎn)生電壓波形。在圖5中示出了使用鏈接轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電壓波形的實(shí)例，其中，單個模塊的電容器的插入是交錯的，以產(chǎn)生50Hz的正弦波形。通過調(diào)整對鏈接轉(zhuǎn)換器中的每個模塊的切換操作的時序，可以產(chǎn)生其它波形形狀。
在圖4中所示的實(shí)施例中，每個切換元件62、66都包括與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管。
設(shè)想在其它實(shí)施例中，每個切換元件62、66可以包括例如場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、絕緣門極換向晶閘管、集成門極換向晶閘管或其它強(qiáng)制換向或自換向半導(dǎo)體開關(guān)的優(yōu)選地與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接不同的半導(dǎo)體器件。
該半導(dǎo)體器件的快速切換能力允許電力電子轉(zhuǎn)換器40能夠合成復(fù)雜波形，以便注入到電力電子轉(zhuǎn)換器40的AC側(cè)和/或DC側(cè)。這種復(fù)雜波形的注入可以被使用，例如以使通常與基于線性換向晶閘管的電壓源轉(zhuǎn)換器相關(guān)的和諧失真的等級最小化。此外，包含這種半導(dǎo)體器件允許輔助單元44快速響應(yīng)DC側(cè)故障的發(fā)展，并且由此改進(jìn)電力電子轉(zhuǎn)換器40的故障保護(hù)。
還假想，在其它實(shí)施例中，每個模塊60的電容器64可以被例如燃料電池、電池、光伏電池或具有相關(guān)整流器的輔助AC發(fā)生器的不同的能量存儲裝置替換。
在使用中，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66和鏈接轉(zhuǎn)換器44可操作為將每個鏈接轉(zhuǎn)換器44切換至相應(yīng)DC端46、48與AC端50之間的電路中或切離電路。鏈接轉(zhuǎn)換器44可操作為在相應(yīng)AC端50產(chǎn)生電壓波形以方便AC網(wǎng)絡(luò)52和DC網(wǎng)絡(luò)54之間的電力轉(zhuǎn)換。
鏈接轉(zhuǎn)換器44優(yōu)選地可操作為使用階梯近似產(chǎn)生正弦電壓波形。由于他們能夠提供以增加或減少在相應(yīng)AC端50的輸出電壓的電壓階梯，因此鏈接轉(zhuǎn)換器44適于在階梯波的形成中使用。
參照圖6對圖4的電力電子轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行進(jìn)行描述。
如前面所描述的，在模塊60中的切換操作可以構(gòu)造為使得電容器64的插入與繞過交替以形成如圖6中所示的正弦波形70的階梯近似?？梢酝ㄟ^使用較高數(shù)量的具有較低電壓電平的模塊60以增加電壓階梯72的數(shù)量改進(jìn)電壓波形70的階梯近似。
如圖7至圖12中所示，在DC網(wǎng)絡(luò)52中發(fā)生故障79的情形中，串聯(lián)連接的二級切換元件66和分支部分56、58的輔助單元44可以操作為形成電力電子轉(zhuǎn)換器40的不同構(gòu)造，以便限定在星形結(jié)構(gòu)的每個支路中包括多個輔助單元44中的一個的至少一個靜態(tài)同步補(bǔ)償器，第一 DC端46和/或第二 DC端47限定相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
在圖7中，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66分別接通與斷開。這導(dǎo)致具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80的形成，其中，每個第一分支部分56的各輔助單元44位于星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中，并且第一 DC端46限定星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
當(dāng)?shù)谝蝗囔o態(tài)同步補(bǔ)償器80形成時，每個第一分支部分56的各輔助單元44被控制以產(chǎn)生相對于由其它第一分支部分56的輔助單元44產(chǎn)生的其它電壓波形具有120電角度的相位角度位移的幾乎近似的正弦電壓波形。這導(dǎo)致在第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80的星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)46處幾乎為零的電壓，這是由于中性點(diǎn)電壓等于在星形結(jié)構(gòu)的各支路中產(chǎn)生的電壓的平均值。
因此，電流僅在第一分支部分56內(nèi)以及AC端50與AC網(wǎng)絡(luò)54之間流動。由于流ADC網(wǎng)絡(luò)52的電流是零或最小，因此存在對DC網(wǎng)絡(luò)組件損壞減小的的風(fēng)險，而且也防止了能量流到由DC網(wǎng)絡(luò)52中的故障79產(chǎn)生的任何電弧中。
以這種方式的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80的操作允許在DC網(wǎng)絡(luò)52中發(fā)生故障79的情形中，電力電子轉(zhuǎn)換器40繼續(xù)與AC網(wǎng)絡(luò)54交換無功功率。在使用中，第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80的輔助單元44可以被控制以向AC網(wǎng)絡(luò)54提供滯后或超前無功功率。電力電子轉(zhuǎn)換器40與AC網(wǎng)絡(luò)54之間的無功功率交換允許從AC網(wǎng)絡(luò)54和DC網(wǎng)絡(luò)52之間的真實(shí)潮流的意外中斷或者從由于在DC網(wǎng)絡(luò)52中的故障79的開始和/或去除在其它連接負(fù)載或電源中發(fā)生的變化產(chǎn)生的任何電壓干擾的穩(wěn)定。
由多個輔助單元44形成的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80的操作獨(dú)立于DC網(wǎng)絡(luò)52，這允許在不影響電力電子轉(zhuǎn)換器40的情況下DC網(wǎng)絡(luò)52中的故障79能夠被隔離與修復(fù)。一旦故障79被修復(fù)，分支部分56、58便可以被控制以恢復(fù)AC與DC網(wǎng)絡(luò)54、52之間的電力轉(zhuǎn)換。
在圖7中，第二分支部分58被切離電路并且由此不形成第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80的一部分。每個第二分支部分58的輔助單元44可以被控制以提供電壓以便不僅僅使相應(yīng)第二分支部分44的打開次級切換元件66上電壓應(yīng)力最小化，而且還使相應(yīng)的反并聯(lián)二極管保持在反向偏置與不導(dǎo)電狀態(tài)中。
在圖8中，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66相應(yīng)地被關(guān)閉與打開。這導(dǎo)致了具有星形結(jié)構(gòu)的第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器82的形成，其中，每個第二分支部分58的各輔助單元44位于星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中，并且第二 DC端48限定星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
第一三相同步補(bǔ)償器80的操作在細(xì)節(jié)上作必要的修改后應(yīng)用于第二三相同步補(bǔ)償器82的操作。
在圖9中，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66接通。這導(dǎo)致第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器82的形成。同時形成的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器82的操作與上述單獨(dú)形成的第一相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器82中的每個的操作相似。
第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器82的形成都是有利的，因?yàn)檫@使得高達(dá)兩倍的額定無功電流能夠從AC網(wǎng)絡(luò)54中輸出，這可以被用來減少AC網(wǎng)絡(luò)54中大電壓瞬間的出現(xiàn)。
在DC網(wǎng)絡(luò)52中的故障79可能采取將第一 DC端46接地到DC網(wǎng)絡(luò)52的接地端84的形式，如圖10所示。第二 DC端48未接地并且由此繼續(xù)承載其工作電壓。
第一分支部分56的輔助單元可以被操作為形成具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器80，其中，接地的DC端46限定了星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)，同時通過斷開相應(yīng)的串聯(lián)連接的二級切換元件66，與未接地的DC端48直接連接的第二分支部分58被切離電路。在這種情況下，直接連接到未接地DC端48的每個分支部分58都必須充分地定額以經(jīng)受在未接地DC端48與相應(yīng)AC端50處呈現(xiàn)的交流電壓之間的電壓差。
兩組分支部分還都可以操作為形成具有星形結(jié)構(gòu)的第一靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二靜態(tài)同步補(bǔ)償器，其中，接地的DC端形成第一靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二靜態(tài)同步補(bǔ)償器之一的星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)，未接地DC端形成第一靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二靜態(tài)同步補(bǔ)償器中的另一個的星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。在這種情況下，與未接地DC端直接連接的每個分支部分的輔助單元必須充分地定額，以經(jīng)受未接地DC端與在相應(yīng)AC端呈現(xiàn)的交流電壓之間的電壓差。為了提供所需的分支部分的額定電壓，輔助單元可以包括額外的模塊以增加其額定電壓。
在其它實(shí)施例中，在DC網(wǎng)絡(luò)中的故障可以采取將第二 DC端接地到DC網(wǎng)絡(luò)的接地端的形式，而第一 DC端保持未接地并且由此繼續(xù)承載其工作電壓。在這樣的實(shí)施例中，分支部分可以在使用中可控制以限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和/或第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
在圖11中示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電力電子轉(zhuǎn)換器40。除了圖10中的電力電子轉(zhuǎn)換器40的各分支部分56、58省略了串聯(lián)連接的二級切換元件以外，該實(shí)施例與電力電子轉(zhuǎn)換器40的第一實(shí)施例相似。
為了限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，每個第二分支部分58的每個輔助單元44可以被操作來產(chǎn)生電壓波形，以抵消在相應(yīng)的AC端50處的電壓，來最小化流經(jīng)每個第二分支部分58的電流。
相似地，為了限定第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，每個第一分支部分56的每個輔助單元44可以操作為產(chǎn)生電壓波形以抵消在相應(yīng)AC端50處的電壓以使流經(jīng)每個第一分支部分56的電流最小化。
分支部分56、58的輔助單元44還可以操作為限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
當(dāng)在DC網(wǎng)絡(luò)中的故障采取將第一 DC端或第二 DC端中的一個的接地到接地端，并且未接地DC端保持未接地并且由此繼續(xù)承載其工作電壓時，每個分支部分的輔助單元在使用中都是可控制的以切換相應(yīng)的分支部分到電路中以及切離電路以限定具有星形結(jié)構(gòu)的第一和/或第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，其中，接地和/或未接地DC端限定相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
在本發(fā)明第二實(shí)施例中的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的輔助單元44的操作與本發(fā)明第一實(shí)施例中的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的輔助單元44的操作相同。
在圖12中示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電力電子轉(zhuǎn)換器40。除了圖11中的電力電子轉(zhuǎn)換器40的各分支部分56、58省略了輔助單兀以外，該實(shí)施例與電力電子轉(zhuǎn)換器40的第一實(shí)施例相似。
在圖11中的電力電子轉(zhuǎn)換器40還包括連接到相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支42的AC端50的多個輔助單元44中的一個，以便在使用中連接在相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器分支42和AC網(wǎng)絡(luò)54之間。
為了限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66分別接通或斷開。這導(dǎo)致形成具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，其中，連接到每個AC端50的各輔助單元44都位于星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中并且第一 DC端46限定星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
為了限定第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66被分別地斷開與接通。這導(dǎo)致了具有星形結(jié)構(gòu)的第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成，其中，連接至每個AC端50的每個輔助單元44位于星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中并且第二DC端48限定星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
為了限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，第一分支部分56和第二分支部分58的二級切換元件66接通。這導(dǎo)致具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的形成，其中，連接至每個AC端50的各輔助單元44位于星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中并且第一DC端46和第二DC端48限定了相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)中的中性點(diǎn)。
這種布置以第一 DC端46和/或第二 DC端48作為相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)使限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和/或第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器所需要的輔助單元44的數(shù)量最小化，并因此降低了硬件尺寸、重量和成本。
在本發(fā)明第三實(shí)施例中的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的輔助單元44的操作與本發(fā)明第一實(shí)施例中的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的輔助單元44的操作相同。
當(dāng)DC網(wǎng)絡(luò)中的故障表現(xiàn)出將第一或第二 DC端中的一個接地到接地端的形式并且未接地DC端保持未接地而由此繼續(xù)承載其工作電壓時，分支部分的二級切換元件在使用中可以是可控制的以接通或斷開以切換相應(yīng)的分支部分到電路中或切離電路以限定具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和/或第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，其中，接地的和/或未接地的DC端限定相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，當(dāng)?shù)谝蝗囔o態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器都形成時，當(dāng)產(chǎn)生AC電壓波形以使在第一 DC端與第二 DC端(即第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器與第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的相應(yīng)中性點(diǎn))處的電壓大約相等以使DC網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)的電壓差最小化時，可以使第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器與第二三相靜態(tài)補(bǔ)償器的輔助單元的切換操作同步。
在其它實(shí)施例中，分支部分在使用中是可控制的，以便以50: 50的占空比交替地限定第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
第一靜態(tài)同步補(bǔ)償器和/或第二靜態(tài)同步補(bǔ)償器在使用中是可控制的以在DC網(wǎng)絡(luò)中在使用中在故障的情況下向DC網(wǎng)絡(luò)供電。
向DC網(wǎng)絡(luò)中的故障點(diǎn)供電不僅允許操作者確定DC網(wǎng)絡(luò)中的故障位置，還允許與DC網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的保護(hù)設(shè)備正常工作。
在其它實(shí)施例中，電力電子轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括星形結(jié)構(gòu)的包括多個繞組的三相變壓器，所述三相變壓器可操作地連接到每個AC端以便在使用中連接在相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支與AC網(wǎng)絡(luò)之間。
如在圖13中所示的，在星形結(jié)構(gòu)中多個繞組86的提供允許第一 DC端46通過連接到所述多個繞組86的星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)88而被接地。直接連接到接地DC端46的分支部分56可以因此被控制以限定第一靜態(tài)同步補(bǔ)償器。在此情形中，未接地DC端48將承載與DC網(wǎng)絡(luò)52的工作電壓相等的電壓。這意味著，直接連接到未接地DC端48的分支部分58必須充分地定額，以承受在未接地DC端48的電壓與在相應(yīng)AC端50的交流電壓之間的電壓差。
可以假想的是，在其它實(shí)施例中，第二 DC端可以通過連接到所述多個繞組的星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)接地，并且直接連接到接地DC端的分支部分可以被控制以限定第二靜態(tài)同步補(bǔ)償器，同時第一 DC端保持未接地。
在其它實(shí)施例中，每個模塊的每個能量存儲裝置在使用中都可以是可控制的以調(diào)整其電壓輸出。例如，每個能量存儲裝置的電壓輸出都可以增加，以允許轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生比AC網(wǎng)絡(luò)更高幅度的電壓波形，以便提供超前無功功率。這消除了在每個輔助單元中包括額外模塊的需要，所述額外模塊僅被增加電壓波形的幅度所需要，但是在AC網(wǎng)絡(luò)與DC網(wǎng)絡(luò)之間電力轉(zhuǎn)換期間保持未使用。因此，這導(dǎo)致了硬件尺寸、重量和成本的減少。
權(quán)利要求
1.一種用于高壓直流電力傳輸和無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娮愚D(zhuǎn)換器，該電力電子轉(zhuǎn)換器包括三個轉(zhuǎn)換器分支，每個轉(zhuǎn)換器分支都包括用于在使用中連接至DC網(wǎng)絡(luò)的第一 DC端和第二DC端，以及用于在使用中連接至三相AC網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)相的AC端，每個轉(zhuǎn)換器分支限定串聯(lián)連接在相應(yīng)AC端與所述第一 DC端與第二 DC端中的相應(yīng)端之間的第一分支部分和第二分支部分，每個分支部分包括至少一個在使用中可控制以方便在所述AC網(wǎng)絡(luò)與DC網(wǎng)絡(luò)之間的電力轉(zhuǎn)換的切換元件，所述電力電子轉(zhuǎn)換器還具有多個輔助單元，每個輔助單元都可操作地與所述AC網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)相可操作地關(guān)聯(lián)，每個輔助單元都包括至少一個具有電壓源的模塊，所述分支部分在使用中可控制以限定在星形結(jié)構(gòu)中的每個支路中包括所述多個輔助單元中的至少一個的至少一個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，所述第一 DC端和/或第二 DC端中的每個都限定所述相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)中的中性點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述分支部分在使用中是可控制的，以同時限定具有星形結(jié)構(gòu)的第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，所述第一 DC端和所述第二 DC端限定了所述相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和所述第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的每個輔助單元在使用中可控制的，以使所述第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和所述第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的操作同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述分支部分在使用中是可控制的，以交替地限定所述第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和所述第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述 的電子電力轉(zhuǎn)換器，其中，所述分支部分在使用中是可控制的以便以50: 50的占空比交替地限定所述第一三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器和所述第二三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的各輔助單元在使用中是可控制的，以在所述星形結(jié)構(gòu)的相應(yīng)支路中產(chǎn)生電壓波形，所述電壓波形相對于由所述相應(yīng)三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器的其它輔助單元產(chǎn)生的所述電壓波形具有120電角度的相位角位移。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個產(chǎn)生的電壓波形幾乎接近正弦波形。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個模塊包括:以至少一個能量存儲裝置形式的電壓源；以及用于將所述或每個能量存儲裝置切換到電路中或切離電路的至少一個初級切換元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個模塊都包括與能量存儲裝置并聯(lián)連接的兩對初級切換元件以限定提供負(fù)、零或正電壓并且可以沿著兩個方向傳導(dǎo)電流的四象限雙極模塊。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個輔助單元都包括串聯(lián)連接以限定鏈接轉(zhuǎn)換器的多個模塊。
11.根據(jù)權(quán)利要求8和10所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述每個鏈接轉(zhuǎn)換器的每個模塊的所述或每個初級切換元件在使用中都是可控制的以將所述相應(yīng)能量存儲裝置切換至電路中或外，以使所述鏈接轉(zhuǎn)換器提供階梯式可變電壓源。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個分支部分都包括串聯(lián)連接在連接到相應(yīng)分支部分的相應(yīng)AC端與DC端之間的至少一個二級切換元件。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述多個輔助單元中的一個連接到所述相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支的AC端以便在使用中連接在所述相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支和AC網(wǎng)絡(luò)之間。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個分支部分都包括所述多個輔助單元中的一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或14所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個分支部分包括至少一個與所述分支部分的相應(yīng)輔助單元串聯(lián)連接的二級切換元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個分支部分的輔助單元在使用中都是可控制的以提供電壓，使得相應(yīng)分支部分的所述或每個二級切換元件上的電壓最小化。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個分支部分的所述或每個切換元件在使用中是可控制的以將相應(yīng)分支部分切換至電路中或切離電路以便限定所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
18.根據(jù)權(quán)利要求12或17所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個分支部分的所述或每個二級切換元件在使用中可控制為接通或斷開以便限定所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個切換元件都包括至少一個半導(dǎo)體器件。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述或每個半導(dǎo)體器件是絕緣柵雙極晶體管、場效應(yīng)晶體管、I 極可關(guān)斷晶閘管、門極換向晶閘管、絕緣11極換向晶閘管或集成門極換向晶閘管。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或權(quán)利要求20所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述或每個半導(dǎo)體器件與反并聯(lián)二極管并聯(lián)連接。
22.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)和權(quán)利要求8所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個能量存儲裝置包括電容器、燃料電池、電池、光伏電池或具有關(guān)聯(lián)整流器的輔助AC產(chǎn)生器。
23.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)和權(quán)利要求8所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個能量存儲裝置在使用中可被控制以調(diào)整其電壓輸出。
24.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)和權(quán)利要求8所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，每個模塊的所述或每個切換元件在使 用中可被控制以調(diào)節(jié)相應(yīng)能量存儲裝置的電壓。
25.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器在使用中都是可控制的，以與所述AC網(wǎng)絡(luò)交換無功功率。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器在使用中是可控制的，以向所述AC網(wǎng)絡(luò)提供滯后或超前無功功率。
27.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，其中，所述或每個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器在使用中是可控制的，以在使用中在所述DC網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生故障的情況下，向所述DC網(wǎng)絡(luò)供電。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電力電子轉(zhuǎn)換器，還包括可操作地連接到每個AC端以便在使用中連接在所述相應(yīng)轉(zhuǎn)換器分支與所述AC網(wǎng)絡(luò)之間的星形結(jié)構(gòu)的包括多個繞組的三相變壓器。
全文摘要
用于高壓直流電力傳輸和無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娮愚D(zhuǎn)換器(40)包括三個轉(zhuǎn)換器分支(42)，每個轉(zhuǎn)換器分支(42)都包括用于在使用中連接至DC網(wǎng)絡(luò)(52)的第一DC端(46)和第二DC端(48)，以及用于在使用中連接至三相AC網(wǎng)絡(luò)(54)的相應(yīng)相的AC端(50)，每個轉(zhuǎn)換器分支(42)都限定串聯(lián)連接在所述相應(yīng)的AC端(60)與所述第一DC端(46)與第二DC端(48)中的相應(yīng)端之間的第一分支部分(56)和第二分支部分(58)，每個分支部分(56，58)都包括在使用中可控制以方便在所述AC網(wǎng)絡(luò)(52)與DC網(wǎng)絡(luò)(54)之間的電力轉(zhuǎn)換的至少一個切換元件(62，66)，所述電力電子轉(zhuǎn)換器(40)還包括多個輔助單元(44)，每個輔助單元(44)都可操作地與所述AC網(wǎng)絡(luò)(52)的相應(yīng)相可操作地關(guān)聯(lián)，每個輔助單元(44)都包括至少一個包括電壓源的模塊(60)，所述分支部分(56，58)在使用中可控制以限定在星形結(jié)構(gòu)中的每個支路中包括所述多個輔助單元(44)中的至少一個的至少一個三相靜態(tài)同步補(bǔ)償器，所述第一DC端(46)和/或第二DC端(48)中的每一個都限定所述相應(yīng)星形結(jié)構(gòu)中的中性點(diǎn)。
文檔編號H02J3/18GK103141018SQ201080068196
公開日2013年6月5日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者戴維·雷金納德·特雷納, 威廉·克魯克斯, 蒂莫西·查爾斯·格林, 米夏埃爾·馬克·克洛德·梅蘭 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司