[发明专利]转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于高压直流(HVDC)电力传输和无功功率补偿的多电平电压源转换器。

背景技术

在电力传输网络中，交流(AC)电一般被转换为直流(DC)电，为了通过架空线路和/或海底电缆传输。这一转换消除了对由传输线路或电缆施加的交流电容负载效应的补偿的需要，以及降低了每公里线路/电缆的消耗，因此当电力需要长距离传输时变得有成本效益。

交流电到直流电的转换也用在必须互联两个以不同频率操作的交流网络的电力传输网络内。

在任何一个这样的电力传输网络内，在每一个交流和直流电之间的交界处都需要转换器来实现所需转换，转换器的一种这样的形式是电压源转换器。在HVDC电力传输网络内使用电压源转换器，由于其可控性、灵活性以及其通常紧凑而模块化的设计的结果，是值得做的。

交流网络需要提供无功功率，以适应连接的电力设备的需要和提供网络电压控制，尤其是在故障和干扰期间。因此，如果主要为有功功率传输而设计的电压源转换器也能向交流网络提供无功功率是有益的。

控制由电压源转换器提供的无功功率需要改变在转换器的交流侧上产生的电压的大小。按照惯例，这基本是通过增加或减少转换器的直流侧上的电压，以分别产生超前或者滞后无功功率来实现的。然而，在互联两个交流网络的HVDC电力传输方案中，在保持直流电压接近恒定的同时在每个交流网络处独立地改变无功功率流，是值得做的。

因此提供一种如所要求地，在保持恒定的直流网络电压的同时，能够从交流网络生成或者吸收无功功率的电压源转换器，变得是值得做的。

一种可能的解决办法示意性地显示于图1a和1b中，所述办法应用了常规6-开关(2-电平)和3-电平的多电平转换器技术，以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)串联连接和共同开关来使数十到数百兆瓦的高额定功率能够实现。

然而，这种解决办法需要复杂而且有源的IGBT门极驱动以及大型的无源缓冲器部件，来保证在转换器开关期间成串的IGBT器件两端的高电压正确地分享。另外，在每一个交流频率的周期，IGBT器件需要开和关多次(在高压下)来控制提供给交流网络的谐波电流。

这些因素导致高损耗、高电磁干扰水平以及复杂设计。

另一个可能的解决办法显示于图2中，所述办法应用了串联的简单转换器桥或单元，每一个单元在不同时间开关。

因为独立的桥单元不会同时开关，这种解决办法消除了许多与串联IGBT器件的直接开关有关的问题，且这种转换器的电压阶跃相对较小。然而，每一个单元都需要一个定级为承载基频和直流分量的大型直流链电容。还需要六个直流侧电抗器来使转换器臂能够并联以及操作，这主要用于限制电容性的转换器臂之间的瞬变电流。

这些因素导致带有大量存储能量的昂贵、大型并且笨重的设备。因此它们使预组装、测试以及运输到位变得困难。

另外，使用大量独立控制的单元意味着在地面水平控制和高压转换器之间需要高数量的光纤通信通道。这是复杂、昂贵的并且需要精细的设计以及很快速而精确的处理。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于高压直流电力传输和无功功率补偿的多电平电压源转换器，所述电压源转换器包含至少一个包括多个半导体开关的相位元件，以互联直流网络和交流网络，以及至少一个辅助转换器，作为波形合成器来改变出现到所述相位元件的直流侧的直流电压。

一个辅助转换器的提供允许用于转移到交流侧的直流电压的形成。在缺乏一个或者多个辅助转换器以改变出现到所述或者每一个相位元件的直流侧的直流电压时，恒定的直流侧电压将在所述或者每一个相位元件的所述交流侧上产生方波电压，所述方波电压带有显著的谐波分量和所述半导体器件的硬开关。然而，所述一个或者多个辅助转换器的提供允许产生带有较少谐波形变的更符合期望的交流波形。

优选地，所述或者每一个相位元件包括四个半导体开关，在正常操作中，每一个开关被控制以最少次数接通及断开，最优选地，在每一个交流频率周期仅一次。

这些主要的转换器元件的同步开关允许分组交换技术的使用，在此技术中，在地面水平控制和所述高压转换器设备间需要较少的光纤通信通道。

优选地，半导体开关由串联的绝缘栅双极型晶体管构成。然而，在其他实施例中，所述开关可以由门极可关断晶闸管或场效应晶体管构成。

优选地，所述或者每一个辅助转换器合成近似接近于偏置的整流的正弦曲线的波形，或其他优选的波形，以为了出现到所述或者每一个相位元件的所述直流侧。