變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電壓源型變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電通常被變換為直流(DC)電，用于經(jīng)由架空線和/或海底電纜進(jìn)行傳輸。這種變換免除了對由傳輸線或電纜造成的AC電容性載荷效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男枰⑶覐亩档碗娋€和/或電纜的每公里成本。當(dāng)需要長距離傳輸電力時(shí)，從AC到DC的變換因而變得有成本效益。
[0003]AC電力到DC電力的變換還用于需要互連在不同頻率中運(yùn)行的AC電網(wǎng)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)。
[0004]在任何這種電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，在AC電力與DC電力之間的每個(gè)交接處需要變換器來實(shí)現(xiàn)所需的變換，并且一種此類形式的變換器是電壓源型變換器(VSC)。
[0005]已知在電壓源型變換器中使用帶有絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 14的六開關(guān)(兩電平)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)10和三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)12，如圖1a和圖1b所示。IGBT器件14串聯(lián)連接在一起并一同切換以實(shí)現(xiàn)1Mff至10Mff的高額定功率。另外，在AC電源頻率的每個(gè)周期中，IGBT器件14在高電壓下導(dǎo)通和關(guān)斷若干次以控制被饋送到AC電網(wǎng)的諧波電流。這導(dǎo)致高損耗、高電平的電磁干擾和復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供一種電壓源型變換器，包括:
[0007]變換器臂，在第一 DC端子和第二 DC端子之間延伸且具有由AC端子分隔開的第一臂部和第二臂部，所述第一 DC端子和第二 DC端子可連接至DC電網(wǎng)并且所述AC端子可連接至AC電網(wǎng)，每個(gè)臂部包括主開關(guān)元件，每個(gè)臂部的所述主開關(guān)元件可被切換為將對應(yīng)臂部切換進(jìn)和切換出對應(yīng)DC端子與所述AC端子之間的電路，以控制所述AC端子處AC電壓的形態(tài)；
[0008]輔助臂，包括輔助變換器，所述輔助變換器包括至少一個(gè)輔助開關(guān)元件，所述輔助臂連接至所述AC端子，每個(gè)臂部的主開關(guān)元件可被切換為將所述輔助臂切換進(jìn)和切換出帶有對應(yīng)臂部的電路并且從而將所述輔助臂切換進(jìn)和切換出帶有對應(yīng)DC端子的電路；以及
[0009]控制單元，選擇性地控制所述輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換，以在初級運(yùn)行模式中將所述輔助臂控制為電流源，以在所述第一臂部和所述第二臂部的一個(gè)中注入在一個(gè)方向上流動的環(huán)電流，以使得該臂部中在相反方向上流動的臂部電流最小化，
[0010]其中在從所述第一臂部和第二臂部的一個(gè)到所述第一臂部和第二臂部的另一個(gè)的電流換向過程中，當(dāng)最小電流或零電流通過對應(yīng)主開關(guān)元件時(shí)，在通過環(huán)電流使得臂部電流最小化之后，每個(gè)主開關(guān)元件將相應(yīng)臂部切換進(jìn)和切換出對應(yīng)DC端子與所述AC端子之間的電路。
[0011]在電壓源型變換器在AC電網(wǎng)與DC電網(wǎng)之間轉(zhuǎn)移電力的運(yùn)行中，切換臂部的主開關(guān)元件以在占空比上交替地將臂部切換進(jìn)AC端子與對應(yīng)DC端子之間的電路。這意味著在占空比上電壓源中的電流在臂部之間交替流動。于是，當(dāng)臂部中的一個(gè)被切換進(jìn)AC端子與對應(yīng)DC端子之間的電路并且從而在AC端子與對應(yīng)DC端子之間傳導(dǎo)臂部電流時(shí)，臂部中的另一個(gè)被切換出AC端子與對應(yīng)DC端子之間的電路并且從而在AC端子與對應(yīng)DC端子之間不傳導(dǎo)任何臂部電流。
[0012]在將電流從一個(gè)臂部換向到另一個(gè)臂部之前(即，在將每個(gè)臂部切換進(jìn)或切換出AC端子與對應(yīng)DC端子之間的電路之前)，在初級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源以注入環(huán)電流，以最小化在導(dǎo)電臂部中流動的電流。這實(shí)現(xiàn)臂部的主開關(guān)元件的軟切換，從而在運(yùn)行電壓源型變換器以在AC端子與對應(yīng)DC端子之間轉(zhuǎn)移電力的過程中最小化開關(guān)損耗。
[0013]相反地，從電壓源型變換器中去除輔助臂和控制單元意味著在將電流從一個(gè)臂部換向到另一個(gè)臂部之前，導(dǎo)電臂部立即傳導(dǎo)大量電流，從而導(dǎo)致之前參照圖1a和圖1b的傳統(tǒng)電壓源型變換器所述的問題。
[0014]因此，根據(jù)本發(fā)明的電壓源型變換器的配置獲得連接AC電網(wǎng)與DC電網(wǎng)并且在它們之間轉(zhuǎn)移電力的有效方式。
[0015]僅需要在初級運(yùn)行模式中將每個(gè)輔助臂控制為電流源，以在占空比上相對短的時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)臂部的主開關(guān)元件的軟切換。因此，通過針對該具體任務(wù)來優(yōu)化輔助臂可以減小電壓源型變換器的整個(gè)額定電壓。
[0016]在本發(fā)明的實(shí)施例中，環(huán)電流和臂部電流的幅值可以相等。這使得導(dǎo)電臂部中的臂部電流被減小為零，以實(shí)現(xiàn)臂部的主開關(guān)元件的零電流切換。
[0017]取決于相關(guān)電力應(yīng)用的要求，在AC電網(wǎng)的每個(gè)基頻周期上，可以(例如，以脈寬調(diào)制方式)將每個(gè)臂部一次或多次地切換進(jìn)和切換出對應(yīng)DC端子與AC端子之間的電路。因此，在AC電網(wǎng)的每個(gè)基頻周期上，在每個(gè)臂部的所述或每次切換進(jìn)或切換出AC端子與對應(yīng)DC端子之間的電路之前，可以相應(yīng)地運(yùn)行電壓源型變換器以實(shí)現(xiàn)臂部的主開關(guān)元件的軟切換。尤其，在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制單元可以選擇性地控制輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換，以在AC電網(wǎng)的每個(gè)基頻周期上一次或多次地在初級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源。
[0018]在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，控制單元可以選擇性地控制輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換以在次級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源，以將電流注入AC端子，以:
[0019]從提供給AC電網(wǎng)的交流電和/或提供給DC電網(wǎng)的直流電中濾除一個(gè)或多個(gè)電流分量(即，實(shí)施有源電流濾波)；和/或
[0020]將提供給AC電網(wǎng)的交流電修改為超前交流電或滯后交流電(即，實(shí)施無功功率補(bǔ)償)。
[0021]換言之，控制單元可以選擇性地控制輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換，以在次級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源，以將電流注入AC端子，以:
[0022]籲僅實(shí)施有源電流濾波；
[0023]籲僅實(shí)施無功功率補(bǔ)償；
[0024]?順序地實(shí)施有源電流濾波和無功功率補(bǔ)償；
[0025].同時(shí)實(shí)施有源電流濾波和無功功率補(bǔ)償。
[0026]將電壓源型變換器配置為能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步在次級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源，為電壓源型變換器提供了有源電流濾波能力和/或無功功率補(bǔ)償能力。
[0027]為電壓源型變換器提供有源電流濾波能力使得通過消除一個(gè)或多個(gè)不需要的電流分量(例如，諧波電流分量，DC波紋)，所述電壓源型變換器能夠在電壓源型變換器的AC和/或DC端子處產(chǎn)生高質(zhì)量的輸出電流。相反地，從電壓源型變換器中省去有源電流濾波能力意味著有必要將額外的濾波硬件連接至電壓源型變換器的AC和/或DC端子，以得到期望的高質(zhì)量輸出電流，從而增加電壓源型變換器的占地需求。
[0028]為電壓源型變換器提供無功功率補(bǔ)償能力使得電壓源型變換器能夠與AC電網(wǎng)交換無功功率，以滿足期望的實(shí)際功率-無功功率運(yùn)行包絡(luò)線(operating envelope)。另外，如果AC端子在使用中連接至變壓器，則無功功率可以與AV電網(wǎng)46交換以完成變壓器的無功功率需求。相反地，從電壓源型變換器中省去無功功率補(bǔ)償能力意味著有必要將額外的變換器硬件連接至電壓源型變換器的AC端子，以實(shí)現(xiàn)無功功率與AC電網(wǎng)的交換，從而還增加電壓源型變換器的占地需求。
[0029]將電壓源型變換器配置為能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步在次級運(yùn)行模式B中將輔助臂控制為受控源，為電壓源型變換器提供額外的電力轉(zhuǎn)移功能，而無需連接額外的硬件至電壓源型變換器，從而提高電壓源型變換器的效率和可靠性。
[0030]控制單元可以選擇性地控制輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換，以各種順序在初級運(yùn)行模式和次級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源。
[0031]例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，控制單元可以選擇性地控制輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換，以交替地在初級運(yùn)行模式和次級運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源。
[0032]在初級運(yùn)行模式和次級運(yùn)行模式之間的交替使得輔助臂被控制為電流源以注入電流，以不僅在電壓源型變換器在AC電網(wǎng)與DC電網(wǎng)之間轉(zhuǎn)移電力的運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)臂部的主開關(guān)元件的軟切換，還在將電流從一個(gè)臂部換向到另一個(gè)臂部之前和之后的時(shí)間段中實(shí)施有源電流濾波和/或無功功率補(bǔ)償。以這種方式，在電壓源型變換器在AC電網(wǎng)與DC電網(wǎng)之間轉(zhuǎn)移電力的整個(gè)運(yùn)行過程中均使用輔助臂，從而最大化輔助臂的使用并且從而還提高電壓源型變換器的效率。
[0033]在本發(fā)明的實(shí)施例中，輔助臂還可以包括至少一個(gè)阻抗元件，并且控制單元選擇性地控制輔助變換器的所述或每個(gè)輔助開關(guān)元件的切換，以修改所述或每個(gè)電感元件兩端的電壓，以在所述或每個(gè)運(yùn)行模式中將輔助臂控制為電流源。所述