CN102577066A - 带无功功率补偿的变换器 - Google Patents

带无功功率补偿的变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN102577066A
CN102577066A CN2009801607964A CN200980160796A CN102577066A CN 102577066 A CN102577066 A CN 102577066A CN 2009801607964 A CN2009801607964 A CN 2009801607964A CN 200980160796 A CN200980160796 A CN 200980160796A CN 102577066 A CN102577066 A CN 102577066A
Authority
CN
China
Prior art keywords
converter
voltage source
phase
auxiliary
phase element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2009801607964A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102577066B (zh
Inventor
大卫·特瑞纳
查诺克·科林·戴维森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Power UK Holdings Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Power UK Holdings Ltd filed Critical Alstom Power UK Holdings Ltd
Publication of CN102577066A publication Critical patent/CN102577066A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102577066B publication Critical patent/CN102577066B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4233—Arrangements for improving power factor of AC input using a bridge converter comprising active switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/453—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/4835—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels comprising two or more cells, each including a switchable capacitor, the capacitors having a nominal charge voltage which corresponds to a given fraction of the input voltage, and the capacitors being selectively connected in series to determine the instantaneous output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

用于高压直流电力传输的电压源变换器(30)，包括单独由串联的二极管(40)组成的至少一个相元件(32)，该相元件用于使直流网络(34)和交流网络(36)互连。电压源变换器(30)进一步包括至少一个辅助变换器(38)，用于对这个或每个相元件(32)的直流侧的脉冲电压进行修正。

Description

带无功功率补偿的变换器
技术领域
本发明涉及用于高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)电力传输的电压源变换器。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电通常被变换为直流(DC)电，以通过架空线路和/或海底电缆进行传输。这种变换不需要对受传输线路或电缆影响的交流电容性负载作用进行补偿，因而减少了每公里线路和/或电缆的成本。因此，当电力需要长距离传输时，从交流变换到直流可体现出经济效益。
在需要将工作于不同频率下的交流网络进行互连的电力传输网络中，也将交流电变换为直流电。
在任何这样的电力传输网络中，在交流电和直流电之间的每个接口都需要变换器，以实现所需变换，这种形式的变换器之一是电压源变换器(VoltageSource Converter，VSC)。
一种形式的已知电压源变换器如图1a所示，且包括六组串联的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)10和反并行二极管12。IGBT10通过串联在一起连接和切换，以使得能够实现数十至数百兆瓦(MW)的大额定功率。
然而，这种方式需要复杂的有源IGBT驱动，且需要大的无源缓冲器元件，以保证串联的IGBT 10串两端的高电压在变换器切换期间可适当地共享。另外，在交流电源频率的每个周期上，IGBT 10需要在高电压下进行数次接通和关断，以控制馈送至交流网络16的谐波电流。这些因素导致损耗高、电磁干扰的级别高以及设计复杂。
另一种已知电压源变换器如图1b所示，其包括多级变换器布置。该多级变换器布置包括串联的变换器桥或单元18，每个变换器单元18包括一对串联的IGBT 20，这对串联的IGBT 20与电容器22并联。每个变换器单元18在不同时间切换，且这种布置消除了与直接切换串联的IGBT有关的问题，这是因为各变换器单元18并非同时切换且变换器阶跃相对较小。
然而，每个变换器单元18的电容器22必须具有高电容值，以抑制多级变换器布置中电容器端子上的电压变化。此外还需要六个直流侧电抗器24，以使得实现变换器支路的并联连接及操作，且直流侧电抗器24主要用来限制在变换器支路之间的瞬变电流。
这些因素导致设备昂贵、巨大且笨重，具有相当大量的存储能量，使得该设备的预装配、测试及运输困难。
另外，使用大量单独控制的单元意味着在地电平控制和高电压变换器之间常需要很多光纤通信通道。这很复杂、昂贵，且需要繁杂的设计及非常快速而精确的处理。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种用于高压直流电力传输的电压源变换器，该电压源变换器包括单独由串联的二极管构成的至少一个相元件和至少一个辅助变换器，所述相元件用于在使用中使直流网络与交流网络互连，所述辅助变换器作为波形合成器，用于对呈现于所述相元件或每个相元件的直流侧的直流电压进行修正。
使用单独由串联的二极管组成的相元件可运行电压源变换器作为1象限整流器操作，该1象限整流器中，电力仅单向流动。因此，这允许产生一种电压源变换器，仅用于从连接至该变换器的交流侧的交流网络向连接至该变换器的直流侧的直流网络传递电力。
在交流网络和直流网络之间的这种非对称的电力输出-输入使得电压源变换器适用于高电压应用如近海风电场中，所述高电压应用显著偏向于来自交流网络的电力的输出且仅需最小的电力输入。
由于使用单独由串联的二极管组成的至少一个相元件可确保电力仅从交流网络流向直流网络，所以可以省略在未使用相元件的情况下会需要的用于促使从直流网络向交流网络传递电力的其它元件，即半导体开关。由此，这会导致提高效率，这是因为这个相元件或每个相元件中的二极管不要求任何形式的控制。因此，在未使用相元件的情况下需要的用于控制半导体开关的栅极驱动、光纤通信链路和电源也可省略。
因此，在非对称应用中，与有利于对称电力传输的电压源变换器相比，使用本发明的高电压变换器会导致尺寸、重量和成本减小。
包括至少一个辅助变换器允许对呈现于电压源变换器的直流侧的直流电压进行整形，从而减小低阶谐波的作用。因此，包括至少一个辅助变换器允许在电压源变换器的交流侧产生带有较少谐波畸变的交流波形。
优选地，这个辅助变换器或每个辅助变换器是可控制的，用于合成预定波形以呈现于这个相元件或每个相元件的直流侧。在一个这样的实施例中，这个辅助变换器或每个辅助变换器是可控制的，用于合成与偏置整流正弦曲线波形极为接近的波形以呈现于所述相元件或每个相元件的直流侧。
为相元件的直流侧合成并呈现偏置整流正弦曲线波形会产生具有最小谐波失真的近乎完美的正弦波。因此，在电压源变换器的交流侧不需要谐波滤波器来控制电力质量。
为相元件的直流侧合成并呈现该偏置整流正弦曲线波形还使得二极管可在接近零电压处切换，由此减小了变换器正常操作中的切换损失，同时确保受辅助变换器影响和控制的提供给串联二极管的电压曲线是缓慢变化的波形，而非正常施加的高电压阶跃。
优选地，这个辅助变换器或每个辅助变换器包括用作高精度波形合成器的单相多级变换器。
优选地，单相多级变换器是链式型变换器。然而，在其它实施例中，单相多级变换器可以是二极管钳位变换器或飞跨电容型变换器。
使用多级变换器可允许合成高精度波形，因此，在主变换器设计内部无需复杂的有源栅极驱动和大电压共享元件。因此产生更简单、更经济且更高效的硬件。
优选地，这个或每个链式变换器包括串联的一串模块，每个模块包括与能量存储设备并联的至少一对半导体开关，该半导体开关在使用中是可控的，使得串联连接的这串模块提供连续可变电压源。
通过将多个模块插入链式变换器中，链式变换器的结构使得可建立组合电压，该组合电压比各模块所提供的电压大。通过连续改变该组合电压的值，链式变换器可用于产生复杂的电压波形。
链式型变换器的使用还允许使用单向(即，产生仅一个极性的电压阶跃)或双向(即，产生正极和负极的电压阶跃)变换器。
为了提供单向单相多级变换器，链式型变换器可包括串联的一串模块，每个模块包括以半桥布置方式并联的一对半导体开关和能量存储设备，以限定能够产生零电压或正电压的2象限单级模块。
为了提供双向单相多级变换器，链式型变换器可包括串联的一串模块，每个模块包括以全桥布置方式并联的两对半导体开关和能量存储设备，以限定能够产生正电压或负电压的4象限双极模块。
在应用一个或多个双向单相多级变换器的实施例中，优选地，链式变换器包括对变换器加偏压的能量源。例如，该能量源可采用蓄电池、燃料电池或带电电容器的形式。
类似地，每个模块的能量存储设备可采用蓄电池、燃料电池或带电电容器的形式。
能量源和能量存储设备可实际上包括任何能够存储和释放电能以提供电压的设备。这种灵活性在设计处于不同地方的变流器站时非常有用，因为在不同地方，设备的可用性随着位置和运输难度而变。
优选地，每个半导体开关是绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
使用半导体开关是有优势的，因为此设备的尺寸和重量小，并具有相对较低的功率消耗，从而减小了对冷却装置的需要。因此，可有效减少电力变换器的成本、尺寸和重量。
这个相元件或每个相元件可与这个辅助变换器或每个辅助变换器串联或并联。
在一个这样的实施例中，多个相元件与电路直流侧的至少一个辅助变换器串联，以限定用于多相电力传输的两端直流网络。
在其它实施例中，辅助变换器可与这个相元件或每个相元件串联，从而这个相元件或每个相元件及相应的辅助变换器形成单相变换器支路。
在进一步的实施例中，辅助变换器可与这个相元件或每个相元件并联，从而这个相元件或每个相元件和相应的辅助变换器形成单相变换器支路。
不论辅助变换器与每个单相变换器支路中的这个相元件或每个相元件是串联还是并联，通过在电路的直流侧串联或并联连接多个变换器支路可构建多相电压源变换器，以限定用于多相电力传输的两端直流网络。
在多个变换器支路并联的实施例中，优选地，在每个支路和相邻支路或每个相邻支路之间互连缓冲电抗器，从而使每个变换器支路和相邻支路或每个相邻支路之间的动态交互作用最小化。
如上概述，使用单独由串联二极管构成的至少一个相元件意味着：在使用中，电压源变换器仅可从连接至变换器的交流侧的交流网络向连接至变换器的直流侧的直流网络传递电力。然而，可预想到，在这个辅助变换器或每个辅助变换器包括链式变换器的实施例中，这个辅助变换器或每个辅助变换器可被配置为在使用中使得有限量的有效功率能够从直流网络传递到交流网络。
这是因为通过控制交流侧变换器产生的波形的相角和幅度，多级变换器能够以4象限操作，因此能够吸收或产生有效功率和无功功率。
在一个这种实施例中，这个相元件或每个相元件被连接到交流变压器的主绕组而辅助变压器包括与这个相元件或每个相元件串联的一对链式变换器，且这对链式变换器与交流变压器的次绕组以全桥(或半桥)方式布置。
辅助变换器在使用中通过交流变压器的次绕组连接到交流网络，使得在直流网络和交流网络之间交换有效功率。
在这个相元件或每个相元件连接至交流变压器的主绕组的另一个这样的实施例中，辅助变换器可包括与这个相元件或每个相元件并联的链式变换器，该链式变换器与交流变压器的次绕组以半桥方式布置。
优选地，在这样的实施例中，这个辅助变换器或每个辅助变换器包括切换布置，且切换布置是可控制的，用于按要求将交流变压器的次绕组接入电路和与电路断开。然后，在电压源变换器正常操作期间次绕组可从这个辅助变换器或每个辅助变换器上断开，而当需要从直流网络向交流网络传递电力时次绕组连接到这个辅助变换器或每个辅助变换器。
任何这样的切换布置可包括机械开关和/或半导体开关。
附图说明
现通过非限制性示例，参考下述附图对本发明的优选实施例进行描述，附图中：
图1a和图1b示意性示出现有技术中用于高压直流电力传输的电压源变换器；
图2和图3示意性示出了根据本发明实施例的电压源变换器；
图4到图8示出了图2和图3所示电压源变换器的特定实施例；
图9示意性示出了根据本发明实施例的电压源变换器；及
图10和图11表示图9所示电压源变换器的特定实施例。
具体实施方式
在图2中示例性示出了根据本发明的电压源变换器30。
电压源变换器30包括单独由串联的二极管40构成的相元件32，用于在使用时使直流网络34和交流网络36互连。电压源变换器30还包括辅助变换器38作为波形合成器，用于对呈现给相元件32的直流侧的直流电压进行修正。
相元件32包括两对串联二极管40，这两对串联二极管40以全桥方式并联，以形成桥式整流器。在交流到直流电压变换期间，每对串联二极管40在180个电度内导通。因此，电压源变换器30的相元件32作为一象限整流器，这使得电力能够从交流网络36流向直流网络38。
相元件32的二极管40由于它们的无源特性而不需要任何形式的控制。因此，图2所示的相元件32提供了用于高电压应用中的特别高效的结构，所述高电压应用显著偏向于来自交流网络的电力的输出且仅需最小的电力输入。
参考图3，可预想到在其它实施例中，电压源变换器30的该相元件32或每个相元件32可包括二极管40串，以利于所需的交流到直流电压变换。
辅助变换器38包括单相多级变换器，该单相多级变换器在使用中对呈现给相元件32的直流侧的电压进行修正，以合成与偏置整流正弦曲线波形极为接近的波形。这会导致在相元件32的交流侧产生具有最小谐波失真的近乎完美的正弦波。
因此，电压源变换器30在相元件32的交流侧不需要谐波滤波器来控制电力质量。在没有辅助变换器38时，相元件32会从交流网络36引出包含很大低阶谐波(诸如3阶、5阶、7阶和9阶谐波)的电流，这会在交流侧波形中产生不希望有的谐波失真，除非引入谐波滤波器。
在相元件32的交流侧产生近乎完美的正弦波形会使得二极管40在接近零电压处切换(也称为“软切换”)，因此使电压源变换器30的正常操作中的切换损失最小化。
在其它实施例中，可以想到，取决于电压源变换器30的期望的功能，可控制辅助变换器38以合成其它波形。
使用辅助变换器38意味着呈现给相元件的二极管40的电压曲线受辅助变换器38影响和控制，该电压曲线是缓慢变化的波形，而非未使用辅助变换器38时会呈现给二极管40的高电压阶跃。因此，在主变换器设计内无需复杂的有源栅极驱动和大电压共享元件，而是产生更简单、更经济及更高效的硬件。
辅助变换器38的使用还使得施加给二极管40的电压能够在故障情况期间根据需要而迅速斜变至零(或最小值)，以利于在降低的电压下的软切换。
在如图3、4和5所示的实施例中，辅助变换器32为链式(Chain-LinkConverter)变换器形式，包括串联的一串模块42。每个模块42包括与能量存储设备并联的至少一对半导体开关44，该半导体开关44在使用中是可控的，使得该串模块42提供连续可变的电压源，且因此可用于合成所需的波形。
参考图4，链式变换器的每个模块42的能量存储设备采用电容器46形式，电容器46与两对半导体开关44以全桥布置连接，以形成4象限双极模块，该4象限双极模块能够生成正电压、零电压或负电压且可双向导电。
模块42的每个半导体开关44包括伴有反并联连接的二极管的绝缘栅双极晶体管。
参考图5，链式变换器的每个模块42的能量存储设备也采用电容器46形式，该电容器46与一对半导体开关44以半桥布置方式连接，以限定能够生成零电压或正电压且能够双向导电的2象限单级模块。
在其它实施例中，可预想到图4所示的每个双极模块42的电容器46或图5所示的每个单级模块42的电容器46可由蓄电池、燃料电池或其它能够存储和释放能量的设备代替。
也能预想到每个绝缘栅双极晶体管可由伴有反向并联连接的二极管的不同半导体开关例如门极可关断晶闸管、场效应晶体管或者集成门极换流晶闸管来代替。
在图4和图5中所示的每个电压源变换器30中，可通过改变半导体开关44的状态将每个模块42与相应的链式变换器旁路或插入相应的链式变换器中。
当模块42的半导体开关44被配置为在模块42中形成短路时，模块42被旁路，这导致电压源变换器30中的电流流过该短路且旁路相应的电容器46。
当模块42的半导体开关44被配置为允许变换器电流流入和流出相应电容器46时，模块42被插入到相应的链式变换器中，该电容器于是能够释放其存储的能量并提供电压。
因此，通过将多个模块42插入链式变换器中，可建立跨过每个链式变换器的组合电压，该组合电压比相应各模块42中的每一个的电压大。通过控制半导体开关44的切换也可控制每个链式变换器，从而构建复杂的波形，并由此允许相应的辅助变换器合成与偏置整流正弦曲线波形极为接近的波形，以呈现给相元件32的直流侧。
可预想到在应用双极模块42的实施例中，能量源可用于向辅助变换器38施加偏压，以合成所需的偏置波形。参考图4，能量源采用充电的电容器48的形式。在其它实施例中，能量源可采用蓄电池或燃料电池的形式。
在其它实施例中，可预想到所述辅助变换器或每个辅助变换器可包括其它单相多级变换器，例如能够合成高精度波形的飞跨电容型变换器或中性点二极管变换器。
在如图2所示的实施例中，辅助变换器38与相元件32并联，以限定适于直流网络38与单相交流网络36之间的连接的单相变换器30。
在其它实施例中，如图3所示，可预想到多个相元件32可互连，以提供适于直流网络34与多级交流网络36之间的连接的电压源变换器30。参考图3，在这样的实施例中，一个或多个辅助变换器38可与相元件32串联或并联。
根据本发明实施例的三相多级电源源变换器50如图6所示。
三相多级变换器50包括串联连接以形成用于电传输的两端直流网络的三个单相变换器30a、30b、30c。
三相变换器50的每个单相变换器30a、30b、30c的结构和功能与图4所示的单相变换器30相同，每个单相变换器30a、30b、30c的辅助变换器38a、38b、38c包括全桥双极模块42。
图7示出根据本发明实施例的另一个三相多级变换器52，其包括串联的三个单相变换器30a、30b、30c。
每个单相变换器30a、30b、30c的结构和功能与图5所示的单相变换器30相同，每个单相变换器30a、30b、30c的辅助变换器38a、38b、38c包括半桥单极模块42。
在如图6和图7所示的每个实施例中，辅助变换器38a、38b、38c独立操作且彼此间隔120电度。
在使用中，图6和图7所示的每个实施例中的直流输出电压是分开操作120电度的各合成波形的总和。在正常操作中，这些在每个电压源变换器50、52的输出共计为6阶谐波波纹电压。
变换器50、52中的每一个可看作产生直流传输方案的一个“极”(pole)。通过在所述装置的直流侧串联连接两个这样的极可构建双极方案。
通过将3相星形绕组配置为三角形(△)(这在主侧可行)，或者通过引入次级的更复杂的互连星形(或者Z字形)，可通过变压器连接而引入附加的30电度的相移。这具有直流输出波纹幅度减小而变成12阶谐波波形的优点。
图6和图7所示的变换器50、52的辅助变换器38a、38b、38c的直流电容器46、48(链模块内的所有电容器)传导2阶谐波电流分量，而不是图1b所示多级变换器的现有技术方案所遇到的基本电流分量。因此，对于相同的额定电流，控制波纹电压漂移所需的电容约为所述值的一半。
另外，图6和图7所示的变换器50、52的每个辅助变换器38a、38b、38c需要的模块42比图1b所示的现有技术方案中所需的明显更少。
图8示出了根据本发明的进一步实施例的电压源变换器54，该电压变换器54中三个单相变换器30a、30b、30c并联以形成三相变换器。
单相变换器30a、30b、30c可具有如图4或图5所示的形式。
为了减小动态交互作用，在每个单相变换器30a、30b、30c与其邻居之间连接有缓冲电抗器56。
参考图9，可以想到，在所述辅助变换器38或每个辅助变换器38包括与所述相元件32或每个相元件32并联的链式变换器的实施例中，所述辅助变换器38或每个辅助变换器38可被配置为在使用中使得有限量的有效功率能够从直流网络34传送到交流网络36。
这是因为通过控制交流侧变换器产生的波形的相角和幅度，多级变换器能够以4象限操作，因此能够吸收或产生有效功率。
图10示出根据本发明的实施例的单相电压源变换器58，其具有将有效功率从直流网络60传送到交流网络62的能力。
电压源变换器58包括相元件64和辅助变换器68，相元件64由以全桥布置方式并联的两对串联二极管66单独组成，辅助变换器68与相元件64和直流网络60并联。
相元件64与交流变压器的主绕组70连接，而辅助变换器68与该交流变压器的次绕组72连接，辅助变换器68包括与交流变压器的次绕组72以全桥(或半桥)布置方式连接的两个链式变换器68a、68b。
交流变压器的次绕组72连接在链式变换器68a、68b的中点之间，使得连接点每侧的模块74的数目相等。
尽管图10所示的电压源变换器58的每个链式变换器68a、68b包括半桥单级模块74，但可预想到在其它实施例中，半桥单级模块74可由全桥双极模块代替。
图11示出根据本发明的另一实施例的单相电压源变换器76，其具有将有效功率从直流网络78传送到交流网络80的能力。
电压源变换器76包括相元件82和辅助变换器86，相元件82由以全桥布置方式并联的两对串联二极管84单独组成，辅助变换器86与相元件82和直流网络78并联。
相元件82与交流变压器的主绕组88连接而辅助变换器86与该交流变压器的次绕组90连接，辅助变换器86包括与交流变压器的次绕组90以半桥布置方式连接的链式变换器。
在图11所示的实施例中，电压源变换器76进一步包括与相元件82和直流网络78并联的一对关联电容器92。交流变压器的次绕组90被连接在辅助变换器86的链式变换器的中点与两个关联电容器92之间的中点之间，使得连接点每侧的模块94的数量相等。
尽管图11所示的电压源变换器76的辅助变换器86的链式变换器包括半桥单级模块94，但可预想到在其它实施例中，半桥单级模块94可由全桥双极模块代替。
优选地，在图10和图11所示的每个实施例中，辅助变换器68、86包括切换组件，该组件可包括机械开关和/或半导体开关，以利于切换交流变压器的次绕组72、90，使其根据需要而被接入电路或与电路断开。于是，在正常操作期间可将交流变压器的次绕组72、90从电压源变换器58、76断开，而当需要从直流网络60、78向交流网络62、80传递电力时将交流变压器的次绕组72、90连接到辅助变换器68、86。
可预想到，多个单相电压源变换器58、72可采用与图6、8所示布置相似的方式互连，以产生具有从直流网络向交流网络传递电力的能力的多相电压源变换器。

Claims (23)

1.一种用于高压直流电力传输的电压源变换器，该电压源变换器包括单独由串联的二极管构成的至少一个相元件，该相元件用于在使用中使直流网络与交流网络互连，且该电压源变换器包括至少一个辅助变换器，该辅助变换器作为波形合成器，用于对呈现给所述相元件或每个相元件的直流侧的直流电压进行修正。
2.根据权利要求1所述的电压源变换器，其中，所述辅助变换器或每个辅助变换器是可控制的，用于合成预定波形以呈现给所述相元件或每个相元件的直流侧。
3.根据权利要求2所述的多级电压源变换器，其中，所述辅助变换器或每个辅助变换器合成与偏置整流正弦曲线波形极为接近的波形以呈现给所述相元件或每个相元件的直流侧。
4.根据权利要求2或3所述的多级电压源变换器，其中，所述辅助变换器或每个辅助变换器包括单相多级变换器。
5.根据权利要求4所述的多级电压源变换器，其中，所述单相多级变换器或每个单相多级变换器是飞跨电容型变换器或中性点二极管钳位变换器。
6.根据权利要求4所述的多级电压源变换器，其中，所述单相多级变换器或每个单相多级变换器是链式变换器。
7.根据权利要求6所述的多级电压源变换器，其中，所述链式变换器或每个链式变换器包括串联的一串模块，每个模块包括与能量存储设备并联的至少一对半导体开关，且所述半导体开关在使用中是可控的，使得所述串联的一串模块提供连续可变电压源。
8.根据权利要求7所述的多级电压源变换器，其中，所述链式变换器包括串联的一串模块，每个模块包括以半桥布置方式并联的一对半导体开关和能量存储设备，以限定能够生成零电压或正电压的2象限单级模块。
9.根据权利要求7所述的多级电压源变换器，其中，所述链式变换器包括串联的一串模块，每个模块包括以全桥布置方式并联的两对半导体开关和能量存储设备，以限定能够生成正电压或负电压的4象限双极模块。
10.根据权利要求9所述的多级电压源变换器，其中，所述链式变换器包括使所述变换器偏置的能量源。
11.根据权利要求10所述的多级电压源变换器，其中，所述能量源是蓄电池、燃料电池或充电的电容器。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的多级电压源变换器，其中，所述能量存储设备是蓄电池、燃料电池或电容器。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的多级电压源变换器，其中，每个半导体开关是绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管。
14.根据任一前述权利要求所述的多级电压源变换器，其中，多个相元件和至少一个辅助变换器在电路的直流侧串联，以限定用于多相电力传输的两端直流网络。
15.根据权利要求1至13中任一项所述的多级电压源变换器，其中，辅助变换器与所述相元件或每个相元件串联，所述相元件或每个相元件与相应的辅助变换器形成单相变换器支路。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的多级电压源变换器，其中，辅助变换器与所述相元件或每个相元件并联，所述相元件或每个相元件与相应的辅助变换器形成单相变换器支路。
17.根据权利要求6至13、16中任一项所述的多级电压源变换器，其中，所述相元件或每个相元件连接至交流变压器的主绕组，所述辅助变换器包括与所述相元件或每个相元件并联的一对链式变换器，这对链式变换器与所述交流变压器的次绕组以全桥方式布置。
18.根据权利要求6至13、16中任一项所述的多级电压源变换器，其中，所述相元件或每个相元件连接至交流变压器的主绕组，所述辅助变换器包括与所述相元件或每个相元件并联的链式变换器，该链式变换器与所述交流变压器的次绕组以半桥方式布置。
19.根据权利要求17或18所述的多级电压源变换器，其中，所述辅助变换器或每个辅助变换器包括切换布置，该切换布置是可控制的，用于根据需要将交流变压器的次绕组接入电路或与电路断开。
20.根据权利要求19所述的多级电压源变换器，其中，所述切换布置包括一个或多个机械开关和/或半导体开关。
21.根据权利要求15到20中任一项所述的多级电压源变换器，其中，在所述电路的直流侧串联多个单相变换器支路，以限定用于多相电力传输的两端直流网络。
22.根据权利要求15到20中任一项所述的多级电压源变换器，其中，在所述电路的直流侧并联多个单相变换器支路，以限定用于多相电力传输的两端直流网络。
23.根据权利要求22所述的多级电压源变换器，进一步包括在每个支路与相邻支路或每个相邻支路之间互连的缓冲电抗器。
CN200980160796.4A 2009-08-03 2009-08-03 带无功功率补偿的变换器 Expired - Fee Related CN102577066B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2009/060051 WO2011015227A1 (en) 2009-08-03 2009-08-03 Converter with reactive power compensation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102577066A true CN102577066A (zh) 2012-07-11
CN102577066B CN102577066B (zh) 2015-05-27

Family

ID=41559564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200980160796.4A Expired - Fee Related CN102577066B (zh) 2009-08-03 2009-08-03 带无功功率补偿的变换器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8837176B2 (zh)
EP (1) EP2462687A1 (zh)
CN (1) CN102577066B (zh)
WO (1) WO2011015227A1 (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103828211A (zh) * 2011-07-04 2014-05-28 Abb技术有限公司 高压dc/dc转换器
CN104685775A (zh) * 2012-10-11 2015-06-03 西门子公司 用于hvdc应用的模块化多电平dc/dc转换器
WO2015188673A1 (zh) * 2014-06-12 2015-12-17 国家电网公司 一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路
CN105191110A (zh) * 2013-01-11 2015-12-23 阿尔斯通技术有限公司 包括链环式变换器的电压源型变换器
CN105849994A (zh) * 2013-10-30 2016-08-10 阿尔斯通技术有限公司 断路器电路
CN105874691A (zh) * 2013-10-30 2016-08-17 通用电气技术有限公司 电压源变换器
CN107076799A (zh) * 2014-08-19 2017-08-18 通用电器技术有限公司 合成测试电路
CN111194520A (zh) * 2017-08-11 2020-05-22 通用电器技术有限公司 电压源转换器及其控制

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2416486B1 (en) 2009-03-30 2018-05-30 Hitachi, Ltd. Power conversion device
CN102804571B (zh) 2009-06-15 2015-05-13 阿尔斯通技术有限公司 转换器
EP2446527B1 (en) * 2009-06-22 2015-07-01 ALSTOM Technology Ltd Converter
WO2011012171A1 (en) 2009-07-31 2011-02-03 Areva T&D Uk Limited Configurable hybrid converter circuit
EP2486645B1 (en) * 2009-10-06 2018-01-10 ABB Research Ltd. Modified voltage source converter structure
US8861231B2 (en) * 2010-02-09 2014-10-14 Alstom Technology Ltd Converter
CN102792544B (zh) 2010-03-15 2016-01-20 阿尔斯通技术有限公司 具有多级转换器的静止无功补偿器
KR101727778B1 (ko) * 2010-04-08 2017-04-17 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하 하이브리드 ｈｖｄｃ 컨버터
CN102906984B (zh) * 2010-04-15 2015-10-07 阿尔斯通技术有限公司 混合二级及多级高压直流换流器
CN103026603B (zh) 2010-06-18 2016-04-13 阿尔斯通技术有限公司 用于hvdc传输和无功功率补偿的转换器
KR101797796B1 (ko) 2010-07-30 2017-11-15 제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하 Ｄｃ측 단락을 핸들링하기 위해 풀브리지 셀을 포함하는 ｈｖｄｃ 컨버터
CA2808884A1 (en) * 2010-08-24 2012-03-01 Alstom Technology Ltd Hvdc converter with neutral-point connected zero-sequence dump resistor
CA2815394A1 (en) 2010-10-27 2012-05-03 Alstom Technology Ltd Modular multilevel converter
WO2012072168A2 (de) 2010-11-30 2012-06-07 Technische Universität München Neue multilevelkonvertertopologie mit der möglichkeit zur dynamischen seriell- und parallelschaltung von einzelmodulen
US8995151B2 (en) * 2011-02-03 2015-03-31 Alstom Technology Ltd Power electronic converter
DE102011001147A1 (de) * 2011-03-08 2012-09-13 Sma Solar Technology Ag Vormagnetisierte AC-Drossel mit Polwender
AU2011370308A1 (en) 2011-06-08 2013-12-19 Alstom Technology Ltd High voltage DC/DC converter with cascaded resonant tanks
AU2011370315B2 (en) 2011-06-10 2015-07-23 Abb Technology Ag Methods for de-energizing a chain-link converter, controller, computer programs and computer program products
US9509218B2 (en) 2011-08-01 2016-11-29 Alstom Technology Ltd. DC to DC converter assembly
US9209693B2 (en) 2011-11-07 2015-12-08 Alstom Technology Ltd Control circuit for DC network to maintain zero net change in energy level
CN103959634B (zh) 2011-11-17 2017-09-01 通用电气技术有限公司 用于hvdc应用的混合ac/dc转换器
GB201120640D0 (en) * 2011-11-30 2012-01-11 Univ Birmingham Power converter
CN102522913A (zh) * 2011-12-04 2012-06-27 中国科学院电工研究所 基于h全桥子单元的混合多电平变流拓扑及其控制方法
US9294003B2 (en) * 2012-02-24 2016-03-22 Board Of Trustees Of Michigan State University Transformer-less unified power flow controller
CN104160572B (zh) 2012-03-01 2017-03-01 阿尔斯通技术有限公司 控制电路
CN103066587B (zh) * 2012-12-13 2015-08-05 国网智能电网研究院 一种模块化多电平柔性直流系统的优化配置方法
EP2755315A1 (en) * 2013-01-11 2014-07-16 Alstom Technology Ltd Hybrid modular converter
GB2518853B (en) * 2013-10-02 2016-01-27 Alstom Technology Ltd Voltage source converter
EP2887529A1 (en) 2013-12-23 2015-06-24 Alstom Technology Ltd Modular multilevel converter leg with flat-top PWM modulation, converter and hybrid converter topologies
EP2916447B1 (en) * 2014-03-05 2019-05-08 General Electric Technology GmbH Voltage source converter
US10116159B1 (en) * 2015-06-02 2018-10-30 The Florida State University Research Foundation, Inc. Family of isolated battery energy storage system (BESS) with multiple functions for DC grid application
US20160365727A1 (en) * 2015-06-10 2016-12-15 Gridco, Inc. System For Cancelling Fundamental Neutral Current On A Multi-Phase Power Distribution Grid
GB2541410A (en) * 2015-08-18 2017-02-22 Alstom Technology Ltd Voltage source converter and control thereof
EP3188335A1 (en) * 2015-12-30 2017-07-05 Openhydro IP Limited Electrical generator unit
EP3352354B1 (en) * 2017-01-19 2019-12-18 General Electric Technology GmbH A voltage source converter
GB202110246D0 (en) * 2021-07-16 2021-09-01 Rolls Royce Plc Rectifier

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003023933A1 (es) * 2001-09-13 2003-03-20 Made Tecnologías Renovables, S.A. Sistema acondicionador, generador/almacenador, de potencia en redes de distribución eléctrica, para mejora de su estabilidad dinámica y control de frecuencia
US20030202367A1 (en) * 2001-03-22 2003-10-30 Dejan Schreiber Power converter circuit arrangement for generators with dynamically variable power output

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE882449C (de) * 1938-08-24 1953-07-09 Siemens Ag Gleichstromkraftuebertragungsanlage mit Stromrichtern an den Enden der UEbertragungsleitung
JPS5194529A (zh) * 1975-02-15 1976-08-19
US5499178A (en) * 1991-12-16 1996-03-12 Regents Of The University Of Minnesota System for reducing harmonics by harmonic current injection
US6295216B1 (en) * 2000-04-06 2001-09-25 Powerware Corporation Power supply apparatus with selective rectifier harmonic input current suppression and methods of operation thereof
DE102004016034A1 (de) * 2004-03-30 2005-10-20 Alstom Technology Ltd Baden Elektrische Anlage zur Kopplung eines Stromversorgungsnetzes und eines zentralen Gleichspannungsstrangs sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage
US7710082B2 (en) * 2007-10-18 2010-05-04 Instituto Potosino De Investigacion Cientifica Y Technologica (Ipicyt) Controller for the three-phase cascade multilevel converter used as shunt active filter in unbalanced operation with guaranteed capacitors voltages balance

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030202367A1 (en) * 2001-03-22 2003-10-30 Dejan Schreiber Power converter circuit arrangement for generators with dynamically variable power output
WO2003023933A1 (es) * 2001-09-13 2003-03-20 Made Tecnologías Renovables, S.A. Sistema acondicionador, generador/almacenador, de potencia en redes de distribución eléctrica, para mejora de su estabilidad dinámica y control de frecuencia

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KONSTANTINOU, G.S.等: "Performance evaluation of half-bridge cascaded multilevel converters operated with multicarrier sinusoidal PWM techniques", 《INDUSTRIAL ELECTRONICS AND APPLICATIONS, 2009. ICIEA 2009. 4TH IEEE CONFERENCE ON INDUSTRIAL ELECTRONICS AND APPLICATIONS, 2009. ICIEA 2009. 4TH IEEE CONFERENCE ON 》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103828211A (zh) * 2011-07-04 2014-05-28 Abb技术有限公司 高压dc/dc转换器
CN103828211B (zh) * 2011-07-04 2017-07-14 Abb 技术有限公司 高压dc/dc转换器
CN104685775A (zh) * 2012-10-11 2015-06-03 西门子公司 用于hvdc应用的模块化多电平dc/dc转换器
US9748848B2 (en) 2012-10-11 2017-08-29 Siemens Aktiengesellschaft Modular multilevel DC/DC converter for HVDC applications
CN105191110A (zh) * 2013-01-11 2015-12-23 阿尔斯通技术有限公司 包括链环式变换器的电压源型变换器
CN105849994A (zh) * 2013-10-30 2016-08-10 阿尔斯通技术有限公司 断路器电路
CN105874691A (zh) * 2013-10-30 2016-08-17 通用电气技术有限公司 电压源变换器
CN105849994B (zh) * 2013-10-30 2018-11-02 通用电气技术有限公司 断路器电路
CN105874691B (zh) * 2013-10-30 2018-12-07 通用电气技术有限公司 电压源变换器
WO2015188673A1 (zh) * 2014-06-12 2015-12-17 国家电网公司 一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路
CN107076799A (zh) * 2014-08-19 2017-08-18 通用电器技术有限公司 合成测试电路
CN111194520A (zh) * 2017-08-11 2020-05-22 通用电器技术有限公司 电压源转换器及其控制

Also Published As

Publication number Publication date
CN102577066B (zh) 2015-05-27
US8837176B2 (en) 2014-09-16
EP2462687A1 (en) 2012-06-13
US20120188803A1 (en) 2012-07-26
WO2011015227A1 (en) 2011-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102577066B (zh) 带无功功率补偿的变换器
CN102460933B (zh) 变换器
CN102334274B (zh) 转换器
JP5509348B2 (ja) マルチレベルコンバータを有する静止型無効電力補償装置
KR101507560B1 (ko) 구성 가능한 하이브리드 컨버터 회로
US9362848B2 (en) Hybrid AC/DC converter for HVDC applications
US9344010B2 (en) Power electronic converter
CN104115391A (zh) 使用非对称性的模块化多电平变流器
CN103001242B (zh) 一种基于模块化多电平换流器的hvdc兼upfc系统
CN103283140A (zh) 模块化多电平变换器
CN104348376A (zh) 多电平变流器系统
US20160141962A1 (en) Converter
CN105191110A (zh) 包括链环式变换器的电压源型变换器
CN103715930A (zh) 一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置
CN105191091A (zh) 电压源型变换器
WO2014154265A1 (en) Hybrid power converter with modular multilevel strings (m2lc) in neutral point clamping topology
EP3157120B1 (en) Modular multi-level flexible direct-current topology circuit suitable for fault ride-through
Mohamed DC-DC Converter for Large-Scale DC Grid
EP2828967B1 (en) Power electronic converter
Adam et al. Theoretical analysis of a five-level voltage source modular inverter for renewable energy applications

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: ALSTOM TECHNOLOGY LTD.

Free format text: FORMER OWNER: ALSTOM POWER UK LTD.

Effective date: 20130820

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20130820

Address after: Swiss Baden Brown

Applicant after: ALSTOM TECHNOLOGY Ltd.

Address before: Staffordshire

Applicant before: ALSTOM GRID UK LTD.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150527

Termination date: 20210803

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee