CN102804571B - 转换器 - Google Patents

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Abstract

一种在高电压DC电力输送中使用的DC电压源转换器(30)，该DC电压源转换器(30)包括：至少一个链式转换器(32)，其连接在第一和第二DC端(34、36)之间。所述或每个链式转换器(32)包括串联连接的模块(38)链，并且每个模块包括与蓄能设备(42)并联连接的至少一对半导体开关(40)。所述或每个链式转换器(32)能够在DC网络连接到所述第一和第二DC端(34、36)时进行操作以控制这些模块(38)的开关，以根据需要选择性地对这些模块(38)中的一个或更多个模块的蓄能设备(42)进行充电或放电，从而抵消DC网络的DC电压电平的任何差异。

Description

转换器
本发明涉及一种在高压直流(HVDC)电力输送中使用的直流(DC)电压源转换器。
在电力输送网络中，通常将AC电力变换成直流(DC)电力，以经由架空电线和/或海底电缆进行输送。这种变换意味着不必对另外的情况下输送电线或电缆所强加的AC电容负载效应进行补偿。这进而降低了每千米的电线和/或电缆的成本，因而当需要长距离输送电力时，将AC电力变换到DC电力变得成本有效。
需要DC输送和分配网络来支持HVDC电力输送的出现。然而，这些DC输送和分配网络通常以不同的电压电平进行操作，这在将DC网络互连以形成DC电力网时会产生困难。
因此，期望提供一种在HVDC电力输送中使用的、能够进行操作以有助于在以不同电压电平工作的DC网络之间进行电力传送的DC电压源转换器。
一个方案在于在DC到DC的电力转换器中使用变压器。
变压器用于对AC电压进行升压或降压，并且从而有助于以不同电压电平工作的AC网络的互连。为了使用变压器来互连以不同电压电平工作的DC网络，必须在变压器的每一侧上将DC电力变换成AC电力，以便使得变压器能够实现两个网络之间的AC电压的必要升压或降压。
除了变压器以外，还包括AC到DC电压转换器，这增加了DC电力输送基础设施的大小、重量以及成本，并因而导致了不理想的布置。
另一方案在于使用直接的DC到DC电力转换器布置20，例如图1中所示的，该DC到DC电力转换器布置20包括两个DC端26、28之间并联连接的电容器24以及串联连接的电感器22。在诸如牵引驱动的应用中经常使用这种类型的布置来对DC电压进行升压或降压，以优化DC网络以及所连接的电力负载的操作。
图1中所示的布置避免了对中间的DC到AC转换器的需要，因而与另外通过使用变压器所获得的相比，带来了更小、更轻以及成本更小的布置。
然而，常规的DC到DC电力转换器(例如图1中所示的DC到DC电力转换器)被设计为以10或100KW进行操作。相比而言，HVDC电力输送通常涉及10或100MW。
可以将图1中所示的直接的DC到DC电力转换器修改为以更高的功率电平进行操作。这可以通过用高功率电子开关来替换连接在DC端之间的并联和串联支路中的电子开关21、23来实现，其中高功率电子开关是以串联连接的多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式提供的。然而，成串联串的IGBT设备的连接通常需要复杂的有源栅极驱动和较大的无源组件来控制多个晶体管之间的电压共享，并且因而又导致了不理想的布置。
根据本发明的一个方面，提供了一种在高压DC电力输送中使用的DC电压源转换器，该DC电压源转换器包括连接在第一DC端和第二DC端之间的至少一个链式转换器，所述或每个链式转换器包括串联连接的模块链，并且每个模块包括与蓄能设备并联连接的至少一对半导体开关，其中，所述或每个链式转换器能够在DC网络连接到所述第一DC端和第二DC端时进行操作以控制所述模块的开关，以根据需要选择性地对所述模块中的一个或更多个模块的蓄能设备进行充电或放电，从而抵消DC网络的DC电压电平的任何差异。
使用包括多个单独模块的链式转换器允许构造不同电平的电压。因而，可以通过增加链式转换器中的模块的数量来适应电力输送中的高电压电平。
通过借由将邻近模块置于旁路状态来允许链的每个模块中的蓄能设备独立地对电源电压轨充电，可以使链式转换器作为电压倍增器电路简单地进行工作。然后，可以通过串联连接多个单独模块的蓄能设备以产生受控的输出电压，来构造输出电源电压。假设到单独的蓄能设备在这个周期期间会固有地放电，可以在需要时逐渐地增加串联连接的模块的数量，以维持期望的输出电压分布。
为了确保电压均衡化，在充电和放电周期期间使电荷传送均衡化的开关策略是必要的。
半导体开关优选地由绝缘栅双极晶体管构成。然而，在其它实施例中，开关可以由栅极可关断晶闸管或场效应晶体管构成。
每个模块中的所述或每对半导体开关是可控制的，以将蓄能设备插入到电路中，或引起短路以将蓄能设备设为旁路。
每个模块中提供的蓄能设备优选是电容器，但是在其它实施例中可以是燃料电池、电池组或AC发电机和整流器，每个设备附加地能够提供有效功率源。
使用链式类型的转换器允许使用单向(即，只产生一个极性的电压阶跃)或双向(即，产生正和负两个极性的电压阶跃)的转换器。
为了提供单向单相多级转换器，每个模块的半导体开关可以优选地以半桥式布置与相应的蓄能设备连接，以定义2象限单极性模块，其可以产生零或正电压，但是可以在两个方向上传导电流。
为了提供双向单相多级转换器，每个模块的半导体开关可以优选地以全桥布置与相应的蓄能设备连接，以定义4象限双极性模块，其可以产生正或负电压，并且也可以在两个方向上传导电流。
4象限双极性模块的双向特性是具有优势的，原因在于其可以用于在相同的DC电压电源转换器中提供电压反相，并且用于提供电压升压和降压能力。
优选的是，DC电压源转换器包括用于在所述或每个模块的充电和放电之间进行切换的开关组件。
开关组件允许以受控的方式操纵充电操作和放电操作的时序，并且在本发明的实施例中，开关组件可以包括一个或更多个二极管。
使用一个或更多个二极管提供了一种自动开关系统，由此，通过对二极管进行前向或逆向偏压，DC电压源转换器的操作在模块充电和放电之间进行切换，这改变了电流流动的方向。
在本发明的实施例中，链式转换器可以与第一DC端并联连接，并且可以与第二DC端和开关组件的串联布置并联连接。
这样的布置创建了并联转换器，该并联转换器允许电力从较低的DC电压传送到较高的DC电压。
在本发明的其它实施例中，链式转换器和第二DC端的串联布置可以与第一DC端并联连接，并且可以与开关组件并联连接。
这样的布置创建了并联转换器，该并联转换器允许电力从较高的DC电压传送到较低的DC电压。
在本发明的另一实施例中，第一链式转换器可以与第一DC端并联连接，并且可以与第二DC端和第二链式转换器的串联布置并联连接。
这样的布置将并联和串联转换器的功能组合起来，带来了灵活的DC电压源转换器。
在又一实施例中，DC电压源转换器可以包括一个或更多个电感器，其与第一DC端和第二DC端中的任一个或每一个串联连接。包括电感器有助于调节流入DC网络的电流的流动。
现在将参考附图，通过非限制性例子来描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1以示意性的形式示出了用于在10到100KW范围内进行DC到DC电压变换的现有技术的电压源转换器；
图2A示出了2象限单极性模块的结构及其在链式转换器中的位置；
图2B示出了4象限双极性模块的结构及其在链式转换器中的位置；
图3示出了根据本发明第一实施例的并联DC电压源转换器；
图4A和图4B示出了并联DC电压源转换器的充电和放电步骤；
图5A和图5B示出了基于全桥元件的并联DC电压电源转换器的放电能力；
图6示出了根据本发明第二实施例的串联DC电压源转换器；
图7示出了串联DC电压源转换器的充电和放电步骤；以及
图8示出了根据本发明第三实施例的DC电压源转换器。
在图3中示出了根据本发明实施例的在高压DC电力输送中使用的DC电压源转换器30。转换器30包括连接在第一DC端34和第二DC端36之间的链式转换器32。链式转换器32包括串联连接的模块38链，每个模块38包括与蓄能设备42并联连接的至少一对半导体开关40(图2A和图2B)。
链式转换器32能够在DC网络连接到第一DC端34和第二DC端36时进行操作，以控制模块38的开关，以根据需要选择性地对模块38中的一个或更多个模块的蓄能设备42进行充电或放电，从而抵消DC网络的DC电压电平的任何差异。
在连接到第一DC端34和第二DC端36的DC网络之间电力的传送需要降低或升高这些网络中一个网络的DC电压，以与另一网络的DC电压相匹配。
使用链式转换器32允许对单个链式模块38独立地进行开关，以将每个模块38设置为旁路或将每个模块38插入到电路中。
将模块38插入到电路中使得未充电模块38能够通过输入电压充电，或者使得已充电模块38被放电至输出电压。此外，使用链式转换器32允许将多个模块38插入到电路中，以进行同时充电或放电。
在图2A所示的实施例中，链式转换器32中的模块38可以由半桥元件44形成，由此，在每个元件44中，半导体开关40以半桥布置与相应的蓄能设备42连接，以定义2象限单极性模块38，该2象限单极性模块38可以产生零或正电压，并且可以在两个方向上传导电流。
在图2B所示的实施例中，链式转换器32中的模块38可以由全桥元件46形成，由此，在每个元件46中，每个模块38的半导体开关40以全桥布置与相应的蓄能设备42连接，以定义4象限双极性模块38，该4象限双极性模块38可以产生零、正或负电压，并且可以在两个方向上传导电流。
在图2A和图2B所示的每个实施例中，每个模块38的蓄能设备42是电容器。设想的到的是。在其它实施例中，蓄能设备42可以是燃料电池、电池组、本地整流的AC发电机。
在图3所示的转换器30中，链式转换器32与第一DC端34并联连接，并且与第二DC端36和开关组件48的串联布置并联连接。第一电感器50与第一DC端34串联连接，而第二电感器52与第二DC端36串联连接。
开关组件48用于在所述或每个模块38的充电和放电之间进行切换，模块38优选地是半桥元件44或全桥元件46。
在图3中所示的实施例中，开关组件48包括二极管54，但是在其它实施例中，开关组件48可以包括提供类似功能的任何无源或有源开关装置。
现在将参考图4A和图4B来描述转换器30的操作，其中，连接到第一DC端34的DC网络所具有的DC电压低于连接到第二DC端36的DC网络。
参考图4A，通过使模块M1的下部半导体开关40处于断开的位置，并闭合上部半导体开关40来插入模块M1，同时通过闭合M2...Mn-1、Mn相应的下部半导体开关40，来将M2...Mn-1、Mn设为旁路。
然后，由连接到第一DC端34的DC电压对插入的模块M1进行充电，如充电电流56所示，直到电容器42达到预定电压电平为止，该预定电压电平可以等于连接到第一DC端34的DC电压。
然后通过闭合已充电模块M1的半导体开关40来将该模块设为旁路，然后将不同的未充电模块M2插入到电路中进行充电。在用户认为必要时，为多个模块重复该充电过程。在充电步骤期间，对二极管54进行逆向偏压，这意味着没有电流流入连接到第二DC端36的DC网络。
在充电步骤期间，可以动态地增加和减少插入的链式模块38的数量，以确保所有已充电模块接收相同量的电荷。
在放电步骤期间，链式转换器32由多个已充电模块M1，M2...Mn-1，Mn构成，使得链式转换器32上的电压高于连接到第二DC端36的DC网络的DC电压。链式转换器32上的电压是插入的已充电模块38的电压之和。
通过使构建链式转换器32所需要的已充电模块38的下部半导体开关40处于断开位置，并使它们的上部半导体开关处于闭合位置，而将这些已充电模块插入到电路中，而通过闭合任何未用的已充电或未充电模块38相应的下部半导体开关40来将这些未用的已充电或未充电模块设为旁路。链式转换器32与连接到第二DC端36的DC网络的DC电压之间的电压差使得二极管54被前向偏压，从而使得存储在插入的模块38中的电能向连接到第二DC端36的DC网络放电，如放电电流58所示。
假设电容器42将在放电周期期间固有地放电，并因而使得链式转换器32上的电压下降，则可以逐渐地增加链式转换器32中使用的已充电模块38的数量，以维持期望的输出电压分布。
因而，可以通过对并联DC电压源转换器30中的链式模块38进行充电和放电，来将电力从连接到第一DC端34的较低DC网络传送到连接到第二DC端36的较高DC网络。
参考图4B，将多个模块38插入到电路中，以在充电过程期间同时进行充电，而不是每次插入单个模块。这使得DC网络能够连接到第一DC端34，该第一DC端34所具有的DC电压超过了单独链式模块38中的每一个的容量。插入的模块38的数量取决于连接到第一DC端34的DC网络的DC电压值以及各单独的链式模块38的电压容量。
在链式转换器32中使用全桥元件46的实施例中，4象限双极性模块46的双向特性不仅允许并联的DC电压源转换器30将电力从具有较低DC电压的DC网络传送到具有较高DC电压的DC网络，而且其还具有在DC网络之间提供电压反相的能力。
由于全桥元件46的双向特性，将开关组件48修改为串联并反向地连接两个二极管，由此在放电电流58的优选方向使得任意二极管被逆向偏压的情况下，则可以将该二极管设为旁路。
在正常操作中，如图5A中所示，将每个已充电的全桥元件46中的电容器42插入到链式转换器32中，使得二极管54a前向偏压，并且二极管54b逆向偏压。这是通过以下方式执行的：在每个插入的全桥元件46中使半导体开关40a、40c处于断开位置并闭合半导体开关40b、40d，以及用机械或半导体旁路开关55使逆向偏压的二极管54b短路。
为了提供电压反相，如图5B所示，在相反的方向上将各已充电全桥元件46中的电容器42插入链式转换器32中，使得二极管54b前向偏压，而二极管54a逆向偏压。这是通过以下方式执行的：在每个插入的全桥元件46中使半导体开关40b、40d处于断开位置并闭合半导体开关40a、40c，并用机械或半导体旁路开关55使逆向偏压的二极管54a短路。
因而，放电电流58可以根据每个全桥元件46中半导体开关40a、40b、40c、40d的位置而处于不同的方向上。
因而，可以通过基于全桥元件46的使用对并联DC电压源转换器30中的链式模块38进行充电和放电，来以反相的形式从具有较低DC电压的DC网络向具有较高DC电压的DC网络传送电力。
在图6中示出了根据本发明第二实施例的串联DC电压源转换器60。
链式转换器32与连接到第二DC端36的DC网络的DC电压串联连接。转换器32和第二DC端36的这种串联布置与开关组件62和连接到第一DC端34的DC网络的DC电压并联连接。第一电感器50与第一DC端34串联连接，而第二电感器52与第二DC端36串联连接。
开关装置62用于在所述或每个模块38的充电和放电之间进行切换，模块38优选为半桥元件44或全桥元件46。在这个实施例中，开关组件62是由二极管64构造的。然而，在其它实施例中，可以用提供类似功能的任何无源或有源开关装置来替换开关组件62。
现在将参考图7来描述转换器60的操作，其中，连接到第一DC端34的DC网络所具有的DC电压低于连接到第二DC端36的DC网络的DC电压。
使每个链式模块38处于最小电压电平，该最小电压电平是在设计阶段设置的。
在充电步骤中，将多个模块38插入到链式转换器32中，使得链式转换器32上的电压支持第一DC端34和第二DC端36之间的差分电压。链式转换器32上的电压是插入的已充电模块38的电压之和。
在用充电电流56不断地对链式模块38进行充电时，各链式模块38上的电压随着时间增加。因而，可以以受控循环方式来减少插入的模块38的数量，直到维持链式转换器32上的总电压的同时将各插入的模块38充电至预定电平为止。
在放电周期期间，链式转换器32是由多个已充电模块36构建的，使得链式转换器32上的电压高于连接到第二DC端36的DC网络的DC电压。
通过使构建链式转换器32所需要的已充电模块38的下部半导体开关40处于断开位置而使上部半导体开关40处于闭合位置，来将这些已充电模块插入到电路中，而通过闭合任何未用的已充电或未充电模块38相应的下部半导体开关40来将这些未用的已充电或未充电模块设为旁路。当链式转换器32上的电压高于连接到第二DC端36的DC网络的DC电压时，对二极管64进行前向偏压，并且还导致形成用于链式模块38的第一放电电流58a和第二放电电流58b。
第一放电电流58a流经二极管64和链式转换器32，进入到连接至第二DC端36的DC网络，而第二放电电流58b流经二极管64，进入到连接至第一DC端34的DC网络。
因而，通过对串联DC电压源转换器60中的链式模块38进行充电和放电，可以将电力从连接到第二DC端36的较高DC网络传送到连接到第一DC端34的较低DC网络。链式转换器32是可控的，用于通过模块38进行循环，以确保全部模块38都平等地放电。在放电周期结束时，全部模块38都返回到它们的最小电压电平，并且充电周期再次开始。
在链式转换器32中使用全桥元件46的实施例中，4象限双极性模块46的双向特性不仅允许串联的DC电压源转换器60提供如图7所示的电压降压功能，而且还具有提供电压升压功能的能力。
电压升压功能是通过以下方式执行的：闭合和断开特定半导体开关，以改变全桥元件46中的电流流动方向，并因而在相反的方向上将各全桥元件46中的电容器42插入链式转换器32中。这种动作导致将链式转换器32上的电压加到连接到第二DC端36的DC网络的DC电压上，而不是相减，并因而将链式转换器32和串联转换器60的电压组合，从而将连接到第二DC端36的DC网络的DC电压升高到较高的电压电平。
因而，通过基于全桥元件46的双向特性对串联DC电压源转换器60中的链式模块38进行充电和放电，可以将电力从较低的DC网络传送到较高的DC网络。
使用全桥元件46的串联DC电压源转换器60还具有以下优点：能够限制连接到第一DC端34的DC网络和连接到第二DC端36的DC网络中的任一网络的故障所导致的损坏。
当DC网络中的任一个存在故障时，使半导体开关40处于断开位置，各链式模块38中的电容器42自然地插入电压，该电压阻止驱动电压通过飞轮二极管64。此外，电流流动使得电容器42继续以这种模式进行充电，直到任一DC网络中的故障电流被消除为止。
图8中示出了根据本发明第三实施例的DC电压源转换器66。
DC电压源转换器66包括：第一链式转换器32a，其与连接到第一Dc端34的DC网络并联连接，并与第二链式转换器32b和连接到第二DC端36的DC网络的串联布置并联连接。第一电感器50与第一DC端34串联连接，而第二电感器52与第二DC端36串联连接。
在这个实施例中，用链式转换器32a、32b来替换组合开关，其中链式转换器32a、32b是可控的，用于执行先前由各种开关装置48、62执行的开关操作。
组合的DC电压转换器66提供了一种灵活的布置，该布置能够在单个封装中实现并联转换器30和串联转换器60这两种功能。

Claims (9)

1.一种在高电压DC电力输送中使用的DC电压源转换器(30)，所述DC电压源转换器包括：至少一个链式转换器(32)，其连接在第一DC端(34)和第二DC端(36)之间，所述链式转换器包括串联连接的模块(38)链，并且每个模块包括与蓄能设备(42)并联连接的至少一对半导体开关(40)，其中所述链式转换器能够在DC网络连接到所述第一DC端和所述第二DC端时进行操作以控制所述模块的开关，以根据需要选择性地对所述模块的一个或多个模块的蓄能设备进行充电或放电，从而抵消所述DC网络的DC电压电平的任何差异，并且其中，所述DC电压源转换器还包括开关组件(48)，其与所述链式转换器的所述模块协作，用于在所述链式转换器的每个模块的充电和放电之间进行切换，
所述链式转换器(32)与所述第一DC端(34)并联连接，并且与所述第二DC端(36)和所述开关组件(48)的串联布置并联连接，或者
所述链式转换器(32)和所述第二DC端(36)的串联布置与所述第一DC端(34)并联连接，并且与所述开关组件(64)并联连接，所述开关组件(64)与所述第一DC端(34)并联地安装。
2.根据权利要求1所述的DC电压源转换器，其中，每个半导体开关(40)包括绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的DC电压源转换器，其中，每个蓄能设备(42)是电容器、电池组、燃料电池、能够整流的AC电机、DC电机或能够提供有效功率源的另一电压源。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的DC电压源转换器，其中，每个模块中的半导体开关对(40)按照半桥布置方式与相应的蓄能设备并联连接，以限定能够产生零电压或正电压并能够在两个方向上传导电流的2象限单极性模块。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的DC电压源转换器，其中，每个模块中的半导体开关对(40)按照全桥布置方式与相应的蓄能设备并联连接，以限定能够产生正电压或负电压并能够在两个方向上传导电流的4象限双极性模块。
6.根据权利要求5所述的DC电压源转换器，其中，每个模块的半导体开关能够在故障条件下进行操作以保持在断开位置。
7.根据权利要求6所述的DC电压源转换器，其中，所述开关组件(48)包括一个或多个二极管。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的DC电压源转换器，其中，所述开关组件(48)是第二链式转换器(32a、32b)，所述链式转换器(32)被称为第一链式转换器。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的DC电压源转换器，其中，所述DC电压源转换器(30)包括一个或更多个电感器(50、52)，所述一个或多个电感器(50、52)与所述第一DC端(34)和所述第二DC端(36)中的一个或两个串联连接。
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