[发明专利]变换器

说明书

本发明涉及在高压直流(HVDC)电力输送以及无功功率补偿中使用的电压源变换器。

在HVDC电力输送中，将交流(AC)电力变换成高压直流(DC)电力，以经由架空线路和/或海底电缆进行输送。这种变换降低了每千米线路和/或电缆的成本，从而当需要长距离输送电力时，这种变换是成本有效的。一旦所输送的电力达到其目标目的地，就会在分配给本地网络之前将高压DC电力变换回AC电力。

在需要互连两个以不同频率工作的AC网络的情况下，通常也在电力输送网络中使用AC电力到DC电力的变换。

在AC和DC网络之间的每个接口处，都需要变换器来实现AC电力和DC电力之间所需的变换，并且，一种这类形式的变换器是电压源变换器(VSC)。

在图1a中示出了一种形式的已知电压源变换器，并且该电压源变换器包括六组串联连接的绝缘栅双极晶体管(IGBT)24和反并联二极管(anti-paralletl diode)。将IGBT 24一起串联地连接并切换，使得能够实现10到100MW的高功率等级。

然而，这种方法需要复杂的且有源的IGBT驱动，并且需要大型无源缓冲元件(passive snubber component)来确保串接的IGBT 24串上的高压在变换器切换期间适当地均分。此外，在AC电源频率的每个周期，IGBT 24需要以高压开启和关断若干次，以控制馈送到AC网络20的谐波电流。这些因素导致了较高的损耗、较高级别的电磁干扰以及复杂的设计。

在图1b中示出了另一种已知的电压源变换器，并且该电压源变换器包括多级变换器布置。多级变换器布置包括串联连接的变换器桥或变换器单元26，每个变换器单元26包括与电容器28并联连接的一对串联连接的IGBT 27。每个变换器单元26在不同的时刻进行切换，并且这种布置消除了与直接切换串联连接的IGBT相关联的问题，原因在于各个变换器单元26不是同时切换的，并且变换器步进是相当小的。

然而，每个变换器单元26的电容器28必须具有较高的电容值来抑制多级变换器中的电容器端的电压变化。还需要六个DC侧电抗器30来实现变换器分支(limb)的并联连接和操作，并且这六个DC侧电抗器30主要用于限制变换器分支之间的瞬变电流。

这些因素导致了具有大量储能的昂贵的、较大的以及较重的设备，使得该设备的预组装、测试和运输都很困难。

根据本发明的一个方面，提供了一种在高压DC电力输送和无功功率补偿补偿中使用的电压源变换器，该电压源变换器包括至少一个变换器分支，该至少一个变换器分支包括用于在使用时连接到DC网络的第一和第二DC端和用于在使用时连接到AC网络的AC端，所述或每个变换器分支限定了第一和第二分支部分，每个分支部分包括至少一个开关元件，所述至少一个开关元件与链式变换器串联连接在所述第一和第二DC端中的相应一端与AC端之间，所述第一和第二分支部分中的开关元件能够操作用于在相应的DC端和所述AC端之间将相应的链式变换器接入电路以及将链式变换器从该电路断开，并且链式变换器能够操作用于在AC端产生电压波形。

在每个分支部分中与链式变换器串联连接的、用于在相应的DC端和AC端之间将该分支部分接入电路以及将该分支部分从电路断开的一个或多个开关元件的串联组合是有优势的，这是因为其降低了每个链式变换器需要产生的电压范围。这进而允许最小化每个链式变换器中的元件的数量。

优选地，每个链式变换器在相应的分支部分从电路断开时可操作用于产生用于抵消该分支部分两端的电压并从而使相应开关元件两端的电压最小化的电压。

该特征是有优势的，在于其允许电压源变换器以比开关元件的额定电压更高的电压电平进行操作。这允许构造操作范围独立于可用开关元件的额定电压的电压源变换器。因而，其允许构造具有比其它可能的更大的操作范围的电压源变换器，并且还允许使用具有相对较低的额定电压的开关元件。

在各分支部分从电路断开时降低该分支部分的开关元件两端的电压也是有益的，在于其在相应的开关元件在断开和闭合位置之间进行切换时使开关损失最小化。

优选地，每个分支部分的链式变换器包括串联连接的模块的链，每个模块包括与蓄能设备并联连接的至少一对次级开关元件，次级开关元件在使用中是可操作的，使得模块的链限定步进式的可变电压源。

使用串联连接的模块的链允许每个链式变换器通过将额外的模块插入到该链中来提供可以以递增的步长增加的电压，以提供比每个单独模块提供的电压更高的电压。因而，这样的布置允许每个分支部分的链式变换器所提供的电压发生变化，以允许在AC端产生电压波形。