[發明專利]帶無功功率補償的變換器

有效

• 申請號: 200980160796.4
• 申請日: 2009-08-03
• 公開（公告）號: CN102577066A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 大衛·特瑞納;查諾克·科林·戴維森
• 申請（專利權）人: 阿爾斯通電網英國有限公司
• 主分類號: H02M5/293
• 分類號: H02M5/293;H02M5/458;H02M1/42
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 楊生平;鐘錦舜

技術領域

本發明涉及用于高壓直流(High?Voltage?Direct?Current，HVDC)電力傳輸的電壓源變換器。

背景技術

在電力傳輸網絡中，交流(AC)電通常被變換為直流(DC)電，以通過架空線路和/或海底電纜進行傳輸。這種變換不需要對受傳輸線路或電纜影響的交流電容性負載作用進行補償，因而減少了每公里線路和/或電纜的成本。因此，當電力需要長距離傳輸時，從交流變換到直流可體現出經濟效益。

在需要將工作于不同頻率下的交流網絡進行互連的電力傳輸網絡中，也將交流電變換為直流電。

在任何這樣的電力傳輸網絡中，在交流電和直流電之間的每個接口都需要變換器，以實現所需變換，這種形式的變換器之一是電壓源變換器(Voltage?Source?Converter，VSC)。

一種形式的已知電壓源變換器如圖1a所示，且包括六組串聯的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated?Gate?Bipolar?Transistor，IGBT)10和反并行二極管12。IGBT?10通過串聯在一起連接和切換，以使得能夠實現數十至數百兆瓦(MW)的大額定功率。

然而，這種方式需要復雜的有源IGBT驅動，且需要大的無源緩沖器元件，以保證串聯的IGBT?10串兩端的高電壓在變換器切換期間可適當地共享。另外，在交流電源頻率的每個周期上，IGBT?10需要在高電壓下進行數次接通和關斷，以控制饋送至交流網絡16的諧波電流。這些因素導致損耗高、電磁干擾的級別高以及設計復雜。

另一種已知電壓源變換器如圖1b所示，其包括多級變換器布置。該多級變換器布置包括串聯的變換器橋或單元18，每個變換器單元18包括一對串聯的IGBT?20，這對串聯的IGBT?20與電容器22并聯。每個變換器單元18在不同時間切換，且這種布置消除了與直接切換串聯的IGBT有關的問題，這是因為各變換器單元18并非同時切換且變換器階躍相對較小。

然而，每個變換器單元18的電容器22必須具有高電容值，以抑制多級變換器布置中電容器端子上的電壓變化。此外還需要六個直流側電抗器24，以使得實現變換器支路的并聯連接及操作，且直流側電抗器24主要用來限制在變換器支路之間的瞬變電流。

這些因素導致設備昂貴、巨大且笨重，具有相當大量的存儲能量，使得該設備的預裝配、測試及運輸困難。

另外，使用大量單獨控制的單元意味著在地電平控制和高電壓變換器之間常需要很多光纖通信通道。這很復雜、昂貴，且需要繁雜的設計及非常快速而精確的處理。

發明內容

根據本發明的一方面，提供一種用于高壓直流電力傳輸的電壓源變換器，該電壓源變換器包括單獨由串聯的二極管構成的至少一個相元件和至少一個輔助變換器，所述相元件用于在使用中使直流網絡與交流網絡互連，所述輔助變換器作為波形合成器，用于對呈現于所述相元件或每個相元件的直流側的直流電壓進行修正。

使用單獨由串聯的二極管組成的相元件可運行電壓源變換器作為1象限整流器操作，該1象限整流器中，電力僅單向流動。因此，這允許產生一種電壓源變換器，僅用于從連接至該變換器的交流側的交流網絡向連接至該變換器的直流側的直流網絡傳遞電力。

在交流網絡和直流網絡之間的這種非對稱的電力輸出-輸入使得電壓源變換器適用于高電壓應用如近海風電場中，所述高電壓應用顯著偏向于來自交流網絡的電力的輸出且僅需最小的電力輸入。

由于使用單獨由串聯的二極管組成的至少一個相元件可確保電力僅從交流網絡流向直流網絡，所以可以省略在未使用相元件的情況下會需要的用于促使從直流網絡向交流網絡傳遞電力的其它元件，即半導體開關。由此，這會導致提高效率，這是因為這個相元件或每個相元件中的二極管不要求任何形式的控制。因此，在未使用相元件的情況下需要的用于控制半導體開關的柵極驅動、光纖通信鏈路和電源也可省略。

因此，在非對稱應用中，與有利于對稱電力傳輸的電壓源變換器相比，使用本發明的高電壓變換器會導致尺寸、重量和成本減小。

包括至少一個輔助變換器允許對呈現于電壓源變換器的直流側的直流電壓進行整形，從而減小低階諧波的作用。因此，包括至少一個輔助變換器允許在電壓源變換器的交流側產生帶有較少諧波畸變的交流波形。

優選地，這個輔助變換器或每個輔助變換器是可控制的，用于合成預定波形以呈現于這個相元件或每個相元件的直流側。在一個這樣的實施例中，這個輔助變換器或每個輔助變換器是可控制的，用于合成與偏置整流正弦曲線波形極為接近的波形以呈現于所述相元件或每個相元件的直流側。