[發明專利]包括用于處理DC側短路的全橋單元的HVDC轉換器

有效

• 申請號: 201080068196.8
• 申請日: 2010-07-30
• 公開（公告）號: CN103141018A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 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（專利權）人: 阿爾斯通技術有限公司
• 主分類號: H02M1/32
• 分類號: H02M1/32;H02J3/18;H02M7/797
• 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

本發明涉及一種用于高壓直流(HVDC)電力傳輸和無功補償的電力電子轉換器。

背景技術

在電力傳輸網絡中，交流(AC)電通常被轉換為直流(DC)電以便經由高架線和/或海底電纜傳輸。這種轉換去除了對由傳輸線或電纜施加的交流電容負載效應進行補償的需要，并且由此減少了每公里電線和/或電纜的成本。因此，當電力需要遠距離傳輸時，從AC到DC的轉換變得節約成本。

從AC電到DC電的轉換也被用在有必要將以不同頻率工作的AC網絡互連的電力傳輸網絡。

在任何這種電力傳輸網絡中，在AC電和DC電之間的每個接口都需要轉換器以實現要求的轉換，并且一個此種形式的轉換器是電壓源轉換器(VSC)。

如圖1所示，電壓源轉換器的一個實例是使用具有使DC網絡22和AC網絡24互連的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)20的六開關(兩級)和三級多級轉換器的拓撲。IGBT裝置20被串聯地連接和切換，以使能夠實現10MW至100MW的高額定功率。

這種傳統的方法需要復雜的和有源的IGBT驅動，并且可能需要大型的無源緩沖組件來補償，以確保在轉換器切換期間，一IGBT裝置20串聯串上的高電壓被適當地分配。此外，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網絡24的諧波電流。

電壓源轉換器的另一個示例存在于連接DC網絡22和AC網絡24的多級轉換器布置中，如圖2中所示的。在傳統的多級轉換器中，轉換器橋或單元26被串聯連接，每個單元26在不同時間被切換。每個單元26包括一對在半橋布置中與電容器30并聯的半導體開關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通電流。傳統的多級轉換器布置消除了直接切換串聯的IGBT裝置相關的問題，因為單個橋接單元26不同時切換，并且轉換器電壓階躍相對小。

然而，在HVDC電力傳輸網絡操作期間，電壓源轉換器容易遭受表現在DC電力傳輸線或電纜上具有低阻抗的短路的DC側故障。這種故障可以由于絕緣的毀壞或損壞、導體的移動或者因外來物在導體間出現其它意外橋接而發生。

DC電力傳輸線或電纜上出現的低阻抗對電壓源轉換器是有害的，因為這可能引起在電壓源轉換器中流經的電流增大至高于其初始值很多倍的故障電流水平。在電壓源轉換器的電流水平僅被設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換器的組件。

傳統地，為了減小短路對裝置產生的風險，應當打開一個或多個開關以將裝置切離電路。然而，諸如在圖3中所示的電壓源切換器的電壓源轉換器的切換元件，通常包括當絕緣柵雙極晶體管20打開時保持導電的反并聯二極管32。因此，即使當絕緣柵雙極晶體管20打開時，二極管32也允許從連接到電壓源轉換器的DC網絡38中的短路36產生的故障電流34如圖3所示持續地流經轉換器。

用于減小短路對電壓源轉換器產生的風險的另一個選擇是將電壓源轉換器設計為容忍導致的故障電流，使得有足夠的時間來檢測故障并通過打開另一側(電壓源轉換器的AC側)的斷路器來消除電流。

然而，連接到電壓源轉換器的DC網絡中的短路所產生的故障電流通常大于轉換器額定值的許多倍。為了增大電壓源轉換器的容忍度，導通轉換器二極管的尺寸和容量必須增加，必須并聯若干轉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，并且元件的增加導致了轉換器尺寸和重量的增加。這轉而導致了相關HVDC變換器站的尺寸和面積的增加。

此外，打開電壓源轉換器的相對側(無故障側)的斷路器是不利的，因為這將其它網絡從HVDC電力傳輸網絡上斷開了。因此，當故障被修復之后，在其它網絡能被重新連接至HVDC電力傳輸網絡之前，轉換器站必須經歷啟動序列和一系列檢查。這導致了潮流中斷的延長以及那些依賴于電源供應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換器DC側的斷路器以允許DC網絡中的故障被隔離并被修復。然而，當使用傳統的機械電路斷開觸頭時，在電壓源轉換器中流過的非零直流導致了持續電弧的形成。因此，必須使用昂貴的、專用的DC電路斷開設備來中斷DC側故障電流，這導致了轉換器尺寸、重量和成本的增加。

發明內容