CN103026603A - 用于hvdc传输和无功功率补偿的转换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于高压直流电力传输和无功功率补偿的电力电子转换器包括在使用中将直流网络(48)和一个或多个交流网络(52)互相连接的多个开关元件(58)，所述多个开关元件(58)在使用中可在控制之下便于所述交流网络和直流网络之间的电力转换，其中在使用中，所述多个开关元件(58)可在控制之下在所述电力电子转换器内形成一个或多个短路，以便限定一条或多条主电流路径，该主电流路径或每条主电流路径包括所述交流网络(52)中的相应一个交流网络和所述电力电子转换器，并且将所述直流网络(48)旁路。

Description

用于HVDC传输和无功功率补偿的转换器
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流(high voltage direct current，HVDC)电力传输和无功功率补偿的电力电子转换器(power electronic converter)。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电通常转换为直流(DC)电以通过架空线路和/或海底电缆传输。经过这种转换，无需补偿由这些传输线和/或电缆所施加的交流电容负载效应，从而降低了这些线路和/或电缆的每千米的费用。因此，当需要在长距离上传输电力时，从交流到直流的转换变得划算。
从交流电到直流电的转换还在电力传输网络中被使用，在该电力传输网络中需要互连在不同的频率下工作的交流网络。
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一个接口处都需要转换器来实现所需的转换，并且其中一种该形式的转换器为电压源转换器(VSC)。
电压源转换器的一个实例是使用具有绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)20的六开关(两电平)和三电平的多电平转换器拓扑结构，如图1a和图1b所示。IGBT器件20被串联连接在一起，并且切换成能够实现数十到数百兆瓦的高额定功率。
这种传统方法需要复杂和有源的IGBT驱动，并且可能需要大的无源缓冲器部件，以确保串联成串的IGBT器件20两端的高电压在转换器转换的期间适当地分配。此外，IGBT器件20需要在交流电源频率的每个周期期间的高电压下开启并且关闭多次，以控制谐波电流馈送到交流网络24中。
电压源转换器的另一实例是图2中示出的多级转换器布置。在传统的多电平转换器中，转换器桥或单元(cell)26串联连接，每个单元26在不同的时间处被切换。每个单元26包括一对半导体开关28，该对半导体开关28与电容器30以半桥布置的形式并联连接，以限定二象限单极性模块，所述二象限单极性模块能够产生零或正电压并且能够在两个方向上传导电流。因为各个桥单元26不会同时切换并且转换器电压阶跃(voltage step)相对较小，所以传统的多电平转换器布置消除了与直接切换串联连接的IGBT器件相关联的问题。
然而在HVDC功率传输网络的工作过程中，电压源转换器可能容易受到直流侧故障的影响，所述直流侧故障呈现出具有横跨直流功率传输线或电缆的低阻抗的短路。由于绝缘的损坏或击穿、导体的移动或通过外物导致的导体之间的其他意外的桥接，可能会出现这些故障。
横跨直流功率传输线或电缆的低阻抗的存在对电压源转换器是不利的，因为它可以造成在该电压源转换器中流动的电流增加到高于其初始值许多倍的故障电流水平。在电压源转换器仅被设计成容忍低于故障电流水平的电流水平的情况下，这样的高故障电流会损坏电压源转换器的部件。
常规地，为了减小短路对器件造成的风险，一个或多个开关将被断开以将该设备切换出电路。然而，电压源转换器(例如，图1a中所示的电压源转换器)的开关元件通常包括反向并联的二极管22，当绝缘栅极双极型晶体管20被打开时，反向并联的二极管22保持导通。因此，即使当绝缘栅极双极型晶体管20被打开时，二极管22也使得由直流网络36中的短路34引起的故障电流32能够连续地流过电压源转换器，如图3所示。
用于减小短路对电压源转换器造成的风险的另一选择是将电压源转换器设计成容忍导致的故障电流，以便有足够的时间来检测故障并且通过打开在另一侧即交流侧电压源转换器上的断路器使该电流消失。
然而，由连接到电压源转换器的直流网络中的短路引起的故障电流通常比该转换器的额定值大许多倍。为了增大电压源转换器的容限，必须增大传导转换器二极管的尺寸和容量，必须并联连接多个转换器二极管或者必须包含快速的旁路器件，该旁路器件能够承载高故障电流。在任何情况下，无论进行哪一选择，几乎必定需要额外的电感性部件以限制高故障电流，并且部件的增多会导致转换器尺寸和重量的增大。这反过来会导致相关联的HVDC转换器站的尺寸和面积的增大。
另外，打开电压源转换器的对面的无故障侧上的断路器是不利的，因为它将其他网络与HVDC电力传输网络断开。因此，在故障被修复后，在其他的网络可以重新连接到HVDC电力传输网络之前，转换器站必须经过启动程序和一系列检查。这导致了功率流的中断延长，并且因此对于取决于用于电力供应的电力传输方案的转换器，这导致了电力传输方案的不可利用性。
另一选择是打开电压源转换器的直流侧上的断路器，以使得直流网络中的故障能够被隔离和修复。然而，当使用传统的机械断路触点时，在电压源转换器中流动的非零直流会导致持续的电弧的形成。因此，必须使用昂贵的、专门的直流断路设备以中断直流侧故障电流，这会导致转换器尺寸、重量和成本的增加。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于高压直流功率传输和无功功率补偿的电力电子转换器，所述电力电子转换器包括：在使用中将直流网络和一个或多个交流网络互相连接的多个开关元件，所述多个开关元件在使用中可在控制之下便于所述交流网络和直流网络之间的电力转换，其中在使用中，所述多个开关元件可在控制之下在所述电力电子转换器内形成一个或多个短路，以便限定一条或多条主电流路径，所述主电流路径或每条主电流路径包括所述交流网络中的相应一个交流网络和所述电力电子转换器，并且该主电流路径或每条主电流路径将所述直流网络旁路。
提供以这种方式受控的开关元件使在直流网络中出现故障的期间流入和流出该直流网络的电流最小化，该故障导致电力电子转换器中的高故障电流。这反过来使得在接近于零电流处能够将直流网络中的故障隔离，将直流网络中的故障隔离防止了持续的电弧的形成，并且允许使用标准的交流侧断路器，而不是昂贵的、专门的直流断路器。
此外，形成所述电流路径或每条电流路径意味着不需要打开电压源转换器的非故障交流侧上的断路器以将非故障交流电网络与电压源转换器隔离。因此，一旦直流侧故障被修复，就可以重新开始电压源转换器的正常操作，而无需启动程序和一系列检查。
而且，使用电力电子转换器部件来进行电压转换和直流侧故障的隔离可以最小化或排除对单独的保护电路设备(例如，消弧电路)的需要。这导致了硬件大小、重量和成本的节约。
在本发明的实施例中，电力电子转换器可进一步包括多个转换器分支，每个转换器分支包括用于在使用中连接到所述直流网络上的第一直流端子和第二直流端子以及用于在使用中连接到交流网络上的交流端子，每个转换器分支限定第一分支部分和第二分支部分，每个分支部分包括串联连接在所述第一直流端子和第二直流端子中相应的直流端子和相应的交流端子之间的电子块，每个电子块包括至少一个开关元件，每个电子块的该开关元件或每个开关元件在使用中可在控制之下将所述各个的分支部分接入(switch in)和切出(switch out of)电路，以便于所述交流到直流的电力转换过程。
在这样的实施例中，每个电子块(electronic block)可包括至少一个一次开关元件，该一次开关元件或每个一次开关元件串联连接在所述第一直流端子和第二直流端子中相应的直流端子和相应的交流端子之间。
这些布置适合于进行整流和逆变(inversion)过程，以便于在交流网络和直流网络之间的电力转换。
在使用至少一个一次开关元件的实施例中，所述第一分支部分和/或第二分支部分的所述一次开关元件在使用中可在控制之下同时或分别地接通，以便并发地处于导通状态。
以这种方式形成所述短路或每个短路会导致大部分电流在交流网络和电力电子转换器的转换器分支内流通，并且因此限制流过直流网络的电流的水平。
此外，接通两个分支部分的一次开关元件以并发地处于导通状态使得故障电流能够在两个分支部分的一次开关元件之间进行分配，并且因此有效地使流过每个分支部分的故障电流减半。这将损坏分支部分的一次开关元件的风险最小化，并且允许使用更低额定的(lower-rated)开关元件。
在这样的实施例中，所述第一分支部分和/或第二分支部分的所述一次开关元件在使用中可在控制之下同时或分别地关断，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
在直流侧故障已经被隔离并且修复之后，可以关断一次开关元件以将所述短路或每个短路移除，以便重新开始电力电子转换器的正常操作。
在使用多个转换器分支的其他实施例中，每个电子块可进一步包括至少一个串接(chain-link)转换器。
串接转换器的结构使得通过将多个模块插入串接转换器中能够累积组合电压，每个模块都提供一个电压，该组合电压高于由单个模块所提供的电压。通过改变该组合电压的值，串接转换器能够被操作为生成可变幅度和相位角的电压波形。
每个电子块可包括至少一个一次开关元件，所述至少一个一次开关元件与所述串接转换器或每个串接转换器串联连接。
将串联连接的一个或多个一次开关元件与每个分支部分中的所述串接转换器或每个串接转换器进行串联组合以将该分支部分接入到各个直流端子和交流端子之间的电路中以及将该分支部分从该电路中断开是有利的，因为它减小了每个串接转换器将被要求产生的电压范围。这反过来使每个串接转换器中的部件的数量最小化。
在其他的实施例中，电力电子转换器可包括至少一个相位元件，所述相位元件包括两组开关元件，这两组彼此并联连接，每组中的开关元件串联连接，以在使用中将交流电压和直流电压互相连接，每组中串联连接的开关元件之间的接合点限定用于连接到所述交流网络上的交流端子。
在这样的实施例中，电力电子转换器可包括多个相位元件，每个相位元件的所述交流端子在使用中被连接到多相交流网络的相应相上。
在这样的电压源转换器中，每个转换器分支的开关元件与串接转换器的串联连接独立于其他的转换器分支的开关元件与串接转换器的串联连接并且因此仅直接影响与相应的交流端子相连接的相，而且对与其他的转换器分支的交流端子相连接的相产生最小的影响。
在使用至少一个相位元件的实施例中，该相位元件或每个相位元件中的所述串联连接的开关元件在使用中可在控制之下同时或分别地接通，以便并发地处于导通状态。在这样的实施例中，每个相位元件中的所述串联连接的开关元件在使用中可在控制之下使得所述相位元件中的一个相位元件的所述串联联接的开关元件与其他相位元件的所述串联联接的开关元件同时或分别地切换到并发地处于导通状态。
以这种方式形成所述短路或每个短路会导致大部分电流在交流网络和该相位元件或每个相位元件内流通，并且因此限制流过直流网络的电流的水平。
优选地，该相位元件或每个相位元件中的所述串联连接的开关元件在使用中可在控制之下同时或分别地断开，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。在电力电子转换器包括多个相位元件这样的实施例中，每个相位元件中的所述串联连接的开关元件在使用中是可控的，使得所述相位元件中的一个相位元件的所述串联联接的开关元件与其他相位元件中的所述串联连接的开关元件同时地或分别地从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
在直流侧故障已经被隔离并且修复之后，可以关断该相位元件或每个相位元件的串联联接的开关元件以将所述短路或每个短路去除，以便重新开始电力电子转换器的正常操作。
在使用至少一个相位元件的其他实施例中，电力电子转换器可进一步包括至少一个辅转换器，其用作修改被提供到该相位元件或每个相位元件的直流侧上的直流电压的波形合成器。
提供辅转换器能够对用于转移到交流侧的直流电压进行整形。在缺少一个或多个辅转换器以修改被提供到该相位元件或每个相位元件的直流侧的直流电压的情况下，恒定的直流侧电压会在该相位元件或每个相位元件上产生方波电压，伴随显著的谐波分量以及半导体器件的硬切换(hard switching)。但是，提供一个或多个辅转换器允许产生具有更小谐波失真的更合适的交流波形。
在这样的实施例中，能够与该相位元件或每个相位元件能够与一辅转换器并联或串联连接，该相位元件或每个相位元件和相应的辅转换器形成单相转换器分支。
无论每个单相转换器分支中的该相位元件或每个相位元件是否与一辅转换器串联或并联连接，可通过在电路的直流侧上串联或并联连接多个转换器分支，以限定用于多相电力传输的二端直流网络而构造多相电压源转换器。
所述辅转换器或每个辅转换器可以是串接(chain-link)转换器。
在使用至少一个串接转换器的实施例中，所述串接转换器或每个串接转换器可包括一串串联连接的模块，每个模块包括与储能器件并联连接的至少一对二次开关元件，所述二次开关元件在使用中可在控制之下使得该串串联连接的模块提供阶梯式可变电压源。
为限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的二象限单极性模块，每个模块可包括与储能器件以半桥布置的方式并联连接的一对二次开关元件。
为限定能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的四象限双极性模块，每个模块包括与储能器件以全桥布置的方式并联连接的两对二次开关元件。
在电力电子转换器包括多个转换器分支这样的实施例中，每个模块中的所述二次开关元件在使用中可在控制之下使得所述第一分支部分和/第二分支部分的串接转换器并发地提供零电压。
这使得在具有一个或多个串接转换器的每个分支部分中能够形成短路，以便限定所述电流路径或每条电流路径。
优选地，所述储能器件或每个储能器件是电容器、燃料电池、蓄电池、光伏电池或者具有关联的整流器的辅交流发电机。
这样的灵活性在设计不同位置中的转换器站时是有利的，其中设备的实用性可以因位置和运输难度而改变。例如，可以以连接到风力涡轮机上的辅交流发电机的形式提供在近海风电场上的每一个模块的储能器件。
优选地，每个开关元件包括半导体器件，所述半导体器件可以是绝缘栅极双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅极换向晶闸管或集成栅极换向晶闸管。
优选地，每个开关元件中的所述半导体器件与反向并联二极管并联连接。
使用半导体器件是有利的，因为这样的器件具有较小的尺寸和较轻的重量并且具有相对低的功率损耗，这将使对冷却设备的需要最小化。因此，大大降低了功率转换器的成本、尺寸和重量。
这种半导体器件的快速开关能力使得开关元件能够合成用于注入到电压源转换器的交流侧和/或直流侧中的复杂波形。例如，可以利用注入这样的复杂波形来使通常与基于晶闸管的电压源转换器相关联的谐波失真的水平最小化。此外，包含这样的半导体器件使得所述电压源转换器能够快速地响应直流侧故障和/或其他异常的工作条件的发展，并且因此改善电压源转换器的故障保护。
优选地，当开关元件能够在使用中控制成关断，以便并发地被关断，每个开关元件在使用中可在控制之下在流过相应的开关元件的电流处于预定水平时关断。所述电流的预定水平可以低于流过相应的开关元件的电流的峰值和/或可以是零电流。
每个开关元件在低电流或零电流处的软切换使各个开关元件中的开关损耗最小化，并且因此改善电力电子转换器的总效率。
根据本发明的第二方面，提供了一种操作根据前述任一项权利要求的电力电子转换器的方法，所述方法包括步骤：在检测到所述直流网络中存在故障时，控制所述多个开关元件以在所述电力电子转换器内形成一个或多个短路，以便限定一条或多条主电流路径，所述电流路径或每条电流路径包括所述交流网络中的相应交流网络和所述电力电子转换器，并且该电流路径或每条电流路径将所述直流网络旁路。
在本发明的实施例中，所述方法可进一步包括步骤：在形成所述短路或每个短路之后，隔离所述直流网络中的所述故障。在这样的实施例中，所述直流网络中的所述故障是利用一个或多个隔离器和/或一个或多个断路器将进行隔离的。
优选地，所述方法进一步包括步骤：在隔离所述直流网络中的所述故障之后，控制所述开关元件将以消除该短路或每个短路。
在其他的实施例中，所述方法可进一步包括步骤：在检测到所述直流网络中存在故障时，形成一个或多个辅短路以限定一条或多条辅电流路径，所述一条或多条辅电流路径包括所述交流网络中的相应一个交流网络，并且所述一条或多条辅电流路径将所述电力电子转换器和所述直流网络旁路。在这样的实施例中，该辅短路或每个辅短路跨越所述交流网络的两相或更多相而形成，优选地，该辅短路或每个辅短路可以通过控制至少一个外部的消弧电路而形成，该消弧电路或每个消弧电路包括一个或多个机械开关或半导体开关。
提供该辅电流路径或每条辅电流路径不仅使得故障电流能够在主电流路径和辅电流路径之间进行分配，而且改善了当借助于机械开关形成所述辅电流路径或每条辅电流路径时操作的速度。
本发明的其他有利的特征被记载在权利要求31至33以及权利要求37至42中。
附图说明
现在通过非限制性示例并且结合附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1a、图1b和图2示出了现有技术的电压源转换器；
图3示出了在直流网络发生故障期间图1a的转换器中的故障电流的流动；
图4a、图4b和图4c示出了为了使流入和流出直流网络的故障电流最小化，电力电子转换器的操作；
图5示出了利用串接转换器的50z正弦波形的合成；
图6示出了根据本发明的第三实施例的电力电子转换器；
图7示出了根据本发明的第四实施例的电力电子转换器；
图8示出了二象限单极性模块在图7的电力电子转换器中的使用；
图9示出了根据本发明的第五实施例的电力电子转换器；
图10示出了根据本发明的第六实施例的电力电子转换器；以及
图11示出了为了使流入和流出直流网络的故障电流最小化，图9的电力电子转换器的操作。
具体实施方式
电力电子转换器的第一实施例包括：多个转换器分支40，如图4A至图4C中所示。每个转换器分支40包括第一直流端子42和第二直流端子44以及交流端子46。
在使用中，每个转换器分支40的第一直流端子42连接到直流网络48的正端子上，所述正端子携带+VDC/2的电压，其中VDC为直流网络48的DC电压范围；而将每个转换器分支40的第二直流端子44连接到直流网络48的负端子上，所述负端子携带-VDC/2的电压。可以想到的是，在其他实施例中，每个转换器分支的第一直流端子和第二直流端子可以分别连接到直流网络的负端子和正端子上。
直流链电容器(DC link capacitor)50串联连接在第一直流端子和第二直流端子42、44之间并且与每个转换器分支40并联连接。
在使用中，每个交流端子46连接到三相交流网络52的相应相上。在其他的实施例中，可以想到的是，每个交流端子可以连接到一个或多个变压器和/或一个或多个电感器上。
每个转换器分支40包括第一分支部分54和第二分支部分56，每个分支部分54、56包括电子块，所述电子块串联连接在第一直流端子54和第二直流端子56中的相应的一个直流端子和相应的交流端子46之间。每个电子块包括一次开关元件58，每个电子块的一次开关元件58在使用中可在控制之下将相应的分支部分54、56接入和切出电路，以便于交流到直流电力转换过程。
在其他的实施例中，每个电子块可包括串联连接的多个一次开关元件，而不是单个一次开关元件。这使得相应电子块两端的电压能够在多个一次开关元件之间进行分配，并且因此允许使用具有低额定电流的一次开关元件。
每个一次开关元件58包括与反向并联二极管并联连接的绝缘栅极双极型晶体管。
多个转换器分支40的一次开关元件58在使用中可在控制之下依次接通和关断以进行整流和/或逆变过程，从而便于交流和直流网络52、48之间的电力转换。
在直流网络48中的故障60在电力电子转换器中导致高故障电流62的情况下，第一和/或第二分支部分54、56的一次开关元件58能够在使用中控制成接通，以便并发地处于导通状态。
如图4A、图4B和图4C所示，接通第一和/或第二分支部分54、56的一次开关元件58(以便并发地处于导通状态)，使得多条主电流路径被形成，所述多条主电流路径包括交流网络52以及转换器分支40的第一和/或第二分支部分54、56的各个相，并且将直流网络48旁路。因此，大部分故障电流62在交流网络52和第一和/或第二分支部分54、56内流通，即，电流从交流网络52通过第一和/或第二分支部分54、56流入到转换器分支40的交流端子46，并且经由交流端子46流回到交流网络52中。
当电流路径包括每个转换器分支的第一和/或第二分支部分54、56(如图4C中所示)时，流过每个分支部分54、56的故障电流62被有效地减半。这将第一和/或第二分支部分54、56的一次开关元件58的故障风险最小化，并且允许使用更低额定的一次开关元件58。
第一和/或第二分支部分54、56的一次开关元件58可以同时或分别地接通，以便并发地处于导通状态。
以这样的方式操作一次开关元件58将流过直流网络48的电流的量减小到近零电流，这使得直流网络48中的故障60能够与电力电子转换器隔离。
可以使用隔离器或断路器64(例如，通常用于在零电流处断路的标准的交流侧断路器)进行故障60的隔离。
在直流网络48中的故障60已经被隔离并且修复后，第一和/或第二分支部分54、56的一次开关元件58能够在使用中控制成同时或分别地关断，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
这去除了短路，并且因此去除了转换器分支40中的主电流路径，从而使得电力电子转换器能够重新开始正常操作。
在电力电子转换器的第二实施例中，除了每个电子块包括串接转换器外，电力电子转换器与图4A、图4B和图4C中的电力电子转换器完全相同。在这样的实施例中，每个电子块中的单个串接转换器可以由多个串接转换器取代。
每个串接转换器包括串联连接的一串模块，每个模块包括与电容器并联连接的至少一对二次开关元件。每个模块的二次开关元件是可操作为使得该串模块提供阶梯式可变电压源，并且在接近于交流网络的基波频率处被切换。
每个串接转换器中的模块的数量由电压源转换器的所需的额定电压确定。
在使用一个或多个串接转换器的实施例中，每个模块可包括一对二次开关元件，该对二次开关元件与电容器以成半桥布置的方式并联连接，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的二象限单极性模块。
在使用一个或多个串接转换器的实施例中，每个模块包括与电容器以全桥布置的方式并联连接的两对二次开关元件，以限定能够提供零电压、负电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的四象限双极性模块。
可以想到的是，在其他的实施例中，每个模块的电容器可由不同的储能器件(例如，燃料电池、蓄电池、光伏电池或者具有关联的整流器的辅交流发电机)取代。
这样的灵活性有助于设计位于不同位置的转换器站，在不同位置处的设备的可用性可能因位置和运输难度而有所不同。例如，在近海风电场上的每个模块的储能器件可以以连接到风力涡轮机上的辅交流发电机的形式被提供。
每个模块的电容器可以通过改变二次开关元件的状态被旁路或者插入到相应的串接转换器中。
当一对二次开关元件被配置成在模块内形成短路时，该模块的电容器被旁路，导致电压源转换器中的电流通过该短路并且绕过该电容器。
当一对二次开关元件被配置成使得转换器能够流入并且流出电容器时，模块的电容器被插入到串接转换器中，该电容器随后能够充电或释放它所存储的能量并且提供一电压。在四象限双极性模块中，可以沿任一方向插入电容器，以便提供正电压或负电压。
因此，能够累积串接转换器两端的组合电压，该组合电压高于通过将多个模块的电容器插入到该串接转换器中从这些独立模块中的每个模块(每个模块提供它自己的电压)获得的电压。
还能够针对每个模块改变开关操作的时序，使得在串接转换器中插入和/或旁路各个模块的电容器能够生成电压波形。图5中示出了使用串接转换器生成电压波形的例子，其中各个模块中的电容器被交错地插入以生成50Hz的正弦波形。通过针对串接转换器中的每个模块调节开关操作的时序，可以生成其他的波形形状。
每个二次开关元件包括绝缘栅极双极型晶体管以及随之的反向并联二极管。
在其他的实施例中，可以想到的是，每个开关元件可包括不同的半导体开关，例如栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅极换向晶闸管、集成栅极换向晶闸管或其他的强制换向或自换向半导体器件(优选地与反向并联二极管并联连接的强制换向或自换向半导体器件)。
使用半导体器件是有利的，因为这样的器件具有较小的尺寸和重量并且具有相对低的功率损耗，这使得对冷却设备的需求最小化。因此，大大降低了功率转换器的成本、尺寸和重量。
这种半导体器件的快速开关能力使得开关元件能够合成复杂波形以注入到电压源转换器的交流侧和/或直流侧。例如，可以利用注入这样的复杂波形来使通常与基于晶闸管的电压源转换器相关联的谐波失真的水平最小化。此外，包含这样的半导体器件使得所述电压源转换器能够快速地响应直流侧故障和/或其他异常的操作状况的发展，并且因此改善电压源转换器的故障保护。
在使用中，第一分支部分和第二分支部分的串接转换器可操作成将每个串接转换器切入或切出相应的直流端子和交流端子之间的电路。串接转换器由于它们的提供电压阶梯以增大或减小交流端子处的输出电压的能力而适合于在交流端子处生成电压波形。
在直流网络中的故障导致电力电子转换器中的高故障电流的情况下，每个模块的二次开关元件在使用中是可控的，使得第一分支部分和/或第二分支部分的串接转换器并发地提供零电压。这导致多条主电流路径的形成，所述多条主电流路径包括交流网络以及转换器分支的第一分支部分和/或第二分支部分的相应相，并且将直流网络旁路。因此，大部分故障电流在交流网络和第一分支部分和/或第二分支部分内流通，即，电流从交流网络通过第一分支部分和/或第二分支部分流入到转换器分支的交流端子，并且经由交流端子流回到交流网络中。
类似于第一实施例的电力电子转换器的操作，以这种方式的操作二次开关元件将流过直流网络的电流的量减小到近零电流，这使得直流网络中的故障能够与电力电子转换器隔离，并且可以使用隔离器或断路器(例如，通常用于在零电流处断路的标准的交流侧断路器)进行故障的隔离。
在直流网络中的故障已经被隔离并且修复后，每个模块的二次开关元件在使用中是可控的，使得第一分支部分和/或第二分支部分的串接转换器从并发地提供零电压切换到并发地提供正电压，以便抵消各个直流和交流端子之间的电压差。这去除了短路，并且因此去除了转换器分支中的主电流路径，从而使得电力电子转换器能够重新开始正常操作。
图6中示出了电力电子转换器的第三实施例。每个电子块包括与串接转换器66串联连接的一次开关元件58。在图6中，第一分支部分54和第二分支部分56中的每个分支部分的一次开关元件58与交流端子46相连接，交流端子46在使用中与交流网络52相连接，并且第一分支部分54和第二分支部分56中的每个分支部分的串接转换器66与相应的直流端子42、44相连接，直流端子42、44在使用中与直流网络48相连接。
一次开关元件58与第一分支部分和第二分支部分中的每个分支部分的串接转换器的串联连接意味着在其他的实施例中，它们可以相反的顺序连接在交流端子和相应的直流端子之间。
还可以想到的是，在其他的实施例中，一次开关元件和每个分支部分的电子块中的串接转换器的布置与数量可以取决于电力电子转换器的电压需求而改变。
在电子块包括至少一个一次开关元件和至少一个串接转换器的实施例中，在使用中可以通过按照以上概述的方式控制所述一次开关元件或每个一次开关元件和所述串接转换器或每个串接转换器形成短路，以便限定主电流路径。
图7示出了根据本发明的第四实施例的电力电子转换器。该电力电子转换器包括相位元件68，相位元件68包括两组开关元件(70)，这两组彼此并联连接，每组中的开关元件串联连接，以将直流网络48和交流网络52互相连接。每个串联连接的开关元件70包括绝缘栅极双极型晶体管以及随之的反向并联二极管。每组中串联连接的开关元件70之间的接合点限定用于连接到交流网络52上的交流端子46。
该电力电子转换器还包括辅转换器72，其用作修改被提供到相位元件68的直流侧上的直流电压的波形合成器。相位元件68与一辅转换器72并联连接，以形成单相转换器分支。在其他的实施例中，相位元件68可以与一辅转换器72串联连接，以形成单相转换器分支。
在交流网络52的频率的每个周期，串联连接的开关元件70能够控制成接通和关断一次，该频率通常是50Hz或60Hz。
串联连接的开关元件70的同步切换使得块切换(block switching)技术的使用成为可能，并且从而能够使地平面控制和电力电子转换器设备之间的光纤通信信道的数量最小化。
串联连接的开关元件72修改直流电压以合成波形，该波形近似逼近于用于提供到相位元件68的直流侧上的经整流的正弦曲线。这导致在相位元件68的交流侧上产生近似完美的正弦波形，伴随着最小的谐波失真。因此，电力电子转换器在电力电子转换器的交流侧上不需要谐波滤波器来控制电能质量。
这也使得串联连接的开关元件70能够在接近零电压处被切换，并且因此在电力电子转换器的正常操作过程中几乎导致零开关损耗。
可以想到的是，在其他的实施例中，辅转换器可以修改直流电压以合成其他的波形，以便产生其他的纹波分量或使相位元件的直流侧上的纹波电源的幅值最小化。
使用辅转换器72意味着被提供到绝缘栅极双极型晶体管70上的电压外形由辅转换器72施加和控制，并且是一个缓变的波形而不是高电压阶跃，否则，所述高电压阶跃将被提供到串联连接的开关元件70上。因此，在主要的转换器设计内不需要复杂的有缘栅极驱动以及大的分压部件，并且得到更简单、更便宜并且更有效率的硬件。
此外，使用辅转换器72能够在默认的条件下使施加到串联连接的开关元件70上的电压在需要时被快速地下降到零(或最小值)，以便于在降低的电压(reduced voltage)处进行软切换。
图7中的辅转换器72是串接转换器。串接转换器66由串联连接的二象限单极性模块74构成，如图8所示。可以想到的是，在使用一个或多个辅转换器的其他实施例中，串接转换器可以由串联连接的四象限双极性模块构成。
使用由一串模块74构成的辅转换器72允许修改被提供到相位元件68的直流侧上的直流电压，以便追踪复杂的波形。因此，提供了有源的滤波能力，因为它使得基波频率电压和谐波频率电压能够在相位元件68的直流侧上被构造并且在单相基础上被传递到相位元件68的交流侧。
通过简单地使用更少的单元来构造被提供到开关元件68的直流侧上的输出波形，在本地和远程故障状态出现的情况下，使用由一串模块74构成的辅转换器72还允许开关元件68的交流侧上的电压快速降低。
图9示出了根据本发明的第五实施例的三相多电平电力电子转换器。
三相多电平电力电子转换器包括三个单相转换器分支，这三个单相转换器分支串联连接以形成用于电力传输的二端直流网络。
三相转换器的每个单相转换器分支的结构和功能与图7和图8中所示的单相转换器分支的结构和功能一样。在其他的实施例中，二象限单极性模块可以由四象限双极性模块取代。
在使用多个辅转换器的每个实施例中，辅转换器独立地操作并且彼此相差120电角度。
在使用中，每个三相多电平电力电子转换器中的直流输出电压是相差120电角度操作的各个合成波形的和。在正常操作下，这些波形在每个转换器的输出端处相加为六次谐波纹波电压。
如上所述，可以想到的是，在其他的实施例中，可以合成其他的波形以产生其他的纹波分量或将每个电力电子转换器的输出端处的纹波电压的幅值最小化。
每个电力电子转换器可以被认为是产生直流传输方案的一个“极(pole)”。可以通过在装置(installation)的直流侧上串联连接两个这样的极来构造双极方案。
可以利用变压器连接76，通过将三相星形绕组配置成Δ(delta)形绕组(其可能在一次侧上是实用的)或者引入更复杂的互连的星形(或之字形(zig-zag))二次侧，引入30电角度的额外的相移。这具有这样的优势：直流输出纹波的幅值被减小并且变成十二次谐波波形。
辅转换器72的电容器(在串接模块内的所有的电容器)传导二次谐波电流分量，而不是由以图2中所示的现有技术布置的多电平转换器所经受的基波电流分量。因此，对于相同的额定电流，控制纹波电压偏移所需的电容量是该值的大约一半。
此外，在电力电子转换器的每个辅转换器72中所需的模块明显少于在图2中所示的现有技术布置中所需的模块。
由于通过控制交流侧转换器生成的电压的相位角和幅值，基于使用辅转换器72的转换器在所有的四象限上操作，因此它可以被控制成用作整流器、逆变器并且吸收或生成无功功率。
在其他的实施例(例如，图10中所示的第六实施例)中，可以将三个单相转换器并联连接以形成三相电力电子转换器。
为最小化动态交互，在每个单相转换器分支和它的相邻的单相转换器分支之间连接缓冲器反应器(buffer reactor)78。
图11示出了在直流网络中出现故障期间，图9中的电压源转换器的操作。
在直流网络48中出现故障60(故障60导致电力电子转换器中的高故障电流62)的情况下，一个或多个相位元件68中每个相位元件68中的串联连接的开关元件70在使用中可在控制之下同时或分别地接通，以便并发地处于导通状态。这导致主电流路径形成，所述主电流路径包括交流网络52和相位元件68的相应相，并且将直流网络48旁路，如图12所示。因此，大部分故障电流62在交流网络48和相位元件68内流通，即，电流62从AC网络52的相应的相通过串联连接的开关元件70流入到相位元件68的交流端子46，并且经由相应的交流端子46流回到交流网络52中。
在使用中，每个相位元件68的串联连接的开关元件70可以与其他的相位元件68中的串联连接的开关元件70同时地或分别地从并发地处于导通状态进行切换。
以这样的方式操作串联连接的开关元件70将流过直流网络48的电流的量减小到接近零电流，这使得直流网络48中的故障62能够与电力电子转换器隔离。
可以使用隔离器或断路器(例如，通常用于在零电流处断路的标准的交流侧断路器)进行故障60的隔离。
在直流网络48中的故障60已经被隔离并且修复后，可以将相位元件68的串联连接的开关元件70同时或分别地关断，以从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态，从而使得电力电子转换器能够重新开始正常操作。
在使用中，每个相位元件68中的串联连接的开关元件70可以与其他的相位元件68中的串联连接的开关元件70同时地或分别地从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
在本发明的实施例中，每个开关元件在流过所述各个开关元件的电流处于预定水平时被关断。优选地，电流的预定水平低于流过相应开关元件的电流的峰值和/或电流的预定水平是零电流。
每个开关元件在低电流或零电流处的软切换使相应的开关元件中的开关损耗最小化，并且因此改善电力电子转换器的总效率。
除了上述方法中的每种方法外，还可以通过形成一个或多个辅助的短路以限定一条或多条辅电流路径，使流入直流网络中的故障电流最小化，所述一条或多条辅电流路径包括交流网络中的相应交流网络，并且所述一条或多条辅电流路径将电力电子转换器和直流网络旁路。
例如，可以通过控制外部的消弧电路以形成跨越交流网络的两相或更多相的辅短路，所述消弧电路包括机械开关元件或串联连接的开关元件。
提供辅电流路径不仅使得故障电流能够在主电流路径和辅电流路径之间进行分配，而且改善了当借助于机械开关形成辅电流路径时操作的速度。

Claims (49)

1.一种电力电子转换器，用于高压直流电力传输和无功功率补偿，所述电力电子转换器包括在使用中将直流网络(48)和一个或多个交流网络(52)互相连接的多个开关元件(58)，所述多个开关元件(58)在使用中可在控制之下便于所述交流网络和所述直流网络之间的电力转换，其特征在于，在使用中，所述多个开关元件(58)可在控制之下在所述电力电子转换器内形成一个或多个短路，以便限定一条或多条主电流路径，该主电流路径或每条主电流路径包括所述交流网络(52)中的相应一个交流网络和所述电力电子转换器，并且该主电流路径或每条主电流路径将所述直流网络(48)旁路。
2.根据权利要求1所述的电力电子转换器，进一步包括多个转换器分支(40)，每个转换器分支(40)包括用于在使用中连接到所述直流网络(48)上的第一直流端子和第二直流端子以及用于在使用中连接到交流网络(52)上的交流端子，每个转换器分支(40)限定第一分支部分(54)和第二分支部分(56)，每个分支部分包括串联连接在所述第一直流端子和第二直流端子中相应的直流端子和相应的交流端子之间的电子块，每个电子块包括至少一个开关元件(58)，每个电子块的该开关元件或每个开关元件在使用中可在控制之下将相应的分支部分(54、56)接入和切出电路，以便于交流到直流的电力转换过程。
3.根据权利要求2所述的电力电子转换器，其中，每个电子块包括至少一个一次开关元件(58)，该一次开关元件(58)或每个一次开关元件(58)串联连接在所述第一直流端子和第二直流端子中相应的直流端子和相应的交流端子之间。
4.根据权利要求3所述的电力电子转换器，其中，所述第一分支部分和/或第二分支部分的所述一次开关元件(58)在使用中可在控制之下同时或分别地接通，以便并发地处于导通状态。
5.根据权利要求4所述的电力电子转换器，其中，所述第一分支部分和/或第二分支部分的所述一次开关元件(58)在使用中可在控制之下同时或分别地关断，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个电子块进一步包括至少一个串接转换器(66)。
7.根据当从属于权利要求3至6中任一项时的权利要求6所述的电力电子转换器，其中，每个电子块包括至少一个一次开关元件(58)，所述至少一个一次开关元件(58)与该串接转换器(66)或每个串接转换器(66)串联连接。
8.根据权利要求1所述的电力电子转换器，包括至少一个相位元件(68)，所述相位元件(68)包括两组开关元件(70)，这两组彼此并联连接，每组中的开关元件串联连接，以在使用中将交流电压和直流电压互相连接，每组中串联连接的开关元件之间的接合点限定用于连接到所述交流网络上的交流端子。
9.根据权利要求8所述的电力电子转换器，包括多个相位元件(68)，每个相位元件的所述交流端子在使用中被连接到多相交流网络的相应相上。
10.根据权利要求8或9所述的电力电子转换器，其中，该相位元件(68)或每个相位元件(68)中的所述串联连接的开关元件(70)在使用中可在控制之下同时或分别地接通，以便并发地处于导通状态。
11.根据当从属于权利要求9时的权利要求10所述的电力电子转换器，其中，每个相位元件(68)中的所述串联连接的开关元件(70)在使用中可在控制之下使得所述相位元件之一中的所述串联连接的开关元件与其他相位元件中的所述串联连接的开关元件同时地或分别地切换到并发地处于导通状态。
12.根据权利要求10或11所述的电力电子转换器，其中，该相位元件或每个相位元件中的所述串联连接的开关元件(70)在使用中可在控制之下同时或分别地断开，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
13.根据当从属于权利要求9时的权利要求12所述的电力电子转换器，其中，每个相位元件(68)中的所述串联连接的开关元件(70)在使用中可在控制之下，使得所述相位元件之一中的所述串联连接的开关元件与其他相位元件中的所述串联连接的开关元件同时地或分别地从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的电力电子转换器，进一步包括至少一个辅转换器(72)，其用作修改被提供到该相位元件或每个相位元件的直流侧上的直流电压的波形合成器。
15.根据权利要求14所述的电力电子转换器，其中，该相位元件或每个相位元件与一辅转换器(72)并联连接，该相位元件或每个相位元件和相应的辅转换器形成单相转换器分支。
16.根据权利要求14所述的电力电子转换器，其中，该相位元件或每个相位元件与一辅转换器(72)串联连接，该相位元件或每个相位元件和相应的辅转换器形成单相转换器分支。
17.根据权利要求15或16所述的电力电子转换器，其中，在所述电路的所述直流侧上有多个单相转换器分支并联连接，以限定用于多相电力传输的二端直流网络。
18.根据权利要求15或16所述的电力电子转换器，其中，在所述电路的所述直流侧上有多个单相转换器分支串联连接，以限定用于多相电力传输的二端直流网络。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的电力电子转换器，其中，该辅转换器(72)或每个辅转换器(72)是串接转换器。
20.根据权利要求6、7或19所述的电力电子转换器，其中，该串接转换器(66)或每个串接转换器(66)包括一串串联连接的模块，每个模块包括与储能器件并联连接的至少一对二次开关元件，所述二次开关元件在使用中可在控制之下使得该串串联连接的模块提供阶梯式可变电压源。
21.根据权利要求20所述的电力电子转换器，其中，每个模块包括一对二次开关元件，该对二次开关元件与储能器件以半桥布置的方式并联连接，以限定二象限单极性模块，所述二象限单极性模块能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。
22.根据权利要求20所述的电力电子转换器，每个模块包括两对二次开关元件，这两对二次开关元件与储能器件以全桥布置的方式并联连接，以限定四象限单极性模块，所述四象限单极性模块能够提供零电压、负电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流。
23.根据当从属于权利要求6或7时的权利要求20至22中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个模块中的所述二次开关元件在使用中可在控制之下使得所述第一分支部分和/第二分支部分的串接转换器并发地提供零电压。
24.根据权利要求23所述的电力电子转换器，其中，每个模块中的所述二次开关元件在使用中可在控制之下使得所述第一分支部分和/第二分支部分的所述串接转换器从并发地提供零电压切换到并发地提供正电压，以便抵消所述相应的直流和交流端子之间的电压差。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述储能器件或每个储能器件是电容器、燃料电池、光伏电池、蓄电池或具有关联的整流器的辅交流发电机。
26.根据前述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个开关元件包括半导体器件。
27.根据权利要求26所述的电力电子转换器，其中，所述半导体器件是绝缘栅极双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅极换向晶闸管或集成栅极换向晶闸管。
28.根据权利要求26或27所述的电力电子转换器，其中，所述半导体器件与反向并联二极管并联连接。
29.根据权利要求4、12、13或从属于权利要求4、12或13的前述任一项权利要求所述的电力电子转换器，其中，每个开关元件(58)在使用中可在控制之下在流过相应的开关元件的电流处于预定水平时关断。
30.根据权利要求28所述的电力电子转换器，其中，所述电流的预定水平低于流过相应的开关元件的电流的峰值。
31.根据权利要求28或29所述的电力电子转换器，其中，所述电流的预定水平是零电流。
32.一种操作根据前述任一项权利要求的电力电子转换器的方法，所述方法包括步骤：在检测到所述直流网络(48)中存在故障时，控制所述多个开关元件(58)以在所述电力电子转换器内形成一个或多个短路，以便限定一条或多条主电流路径，该电流路径或每条电流路径包括所述交流网络(52)中的相应交流网络和所述电力电子转换器，并且该电流路径或每条电流路径将所述直流网络(48)旁路。
33.根据当从属于权利要求3或从属于权利要求3的前述任一项权利要求时的权利要求32所述的方法，其中，该短路或每个短路通过如下方式形成：控制所述第一分支部分和/或第二分支部分的所述一次开关元件(58)同时或分别地接通以并发地处于导通状态。
34.根据当从属于权利要求10或从属于权利要求10的前述任一项权利要求时的权利要求32所述的方法，其中，该短路或每个短路通过如下方式形成：控制该相位元件或每个相位元件中的所述串联连接的开关元件同时或分别地接通以并发地处于导通状态。
35.根据当从属于权利要求11或从属于权利要求11的前述任一项权利要求时的权利要求33所述的方法，其中，每个相位元件(68)中的所述串联连接的开关元件(70)被控制为使得所述相位元件之一中的所述串联连接的开关元件与其他相位元件中的所述串联连接的开关元件同时地或分别地切换到并发地处于导通状态。
36.根据当从属于权利要求22或从属于权利要求22的前述任一项权利要求时的权利要求31所述的方法，其中，每个模块的所述二次开关元件被控制为使得所述第一分支部分和/或第二分支部分的串接转换器并发地提供零电压。
37.根据权利要求32至35中任一项所述的方法，进一步包括步骤：在形成该短路或每个短路之后，隔离所述直流网络中的所述故障。
38.根据权利要求36所述的方法，其中，所述直流网络(48)中的所述故障是利用一个或多个隔离器和/或一个或多个断路器进行隔离的。
39.根据权利要求36或37所述的方法，进一步包括步骤：在隔离所述直流网络(48)中的所述故障之后，控制所述开关元件以消除该短路或每个短路。
40.根据当从属于权利要求4或从属于权利要求4的前述任一项权利要求时的权利要求38所述的方法，其中，该短路或每个短路是通过如下方式被消除：控制所述第一分支部分(54)和/或第二分支部分(56)的所述一次开关元件同时或分别地关断，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
41.根据当从属于权利要求12或从属于权利要求12的前述任一项权利要求时的权利要求38所述的方法，其中，该短路或每个短路通过如下方式被消除：控制该相位元件(68)或每个相位元件(68)中的所述串联连接的开关元件(70)同时或分别地关断，以便从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
42.根据当从属于权利要求13或从属于权利要求13的前述任一项权利要求时的权利要求40所述的方法，其中，每个相位元件中的所述串联连接的开关元件(70)被控制为，使得所述相位元件之一中的所述串联连接的开关元件(70)与其他相位元件中的所述串联连接的开关元件同时地或分别地，从并发地处于导通状态切换到并发地处于断开状态。
43.根据当从属于权利要求23或从属于权利要求23的前述任一项权利要求时的权利要求38所述的方法，其中，每个模块的所述二次开关元件被控制为，使得所述第一分支部分(54)和/第二分支部分(56)的所述串接转换器从并发地提供零电压切换到并发地提供正电压，以便抵消相应的直流和交流端子之间的电压差。
44.根据权利要求38至42中任一项所述的方法，其中，每个开关元件在流过相应的开关元件的电流处于预定水平时关断。
45.根据权利要求43所述的方法，其中，所述电流的预定水平低于流过相应的开关元件的电流的峰值。
46.根据权利要求43或44所述的方法，其中，所述电流的预定水平是零电流。
47.根据权利要求31至45中任一项所述的方法，进一步包括步骤：在检测到所述直流网络(48)中存在故障时，形成一个或多个辅短路以限定一条或多条辅电流路径，所述一条或多条辅电流路径包括所述交流网络(52)中相应的交流网络(52)，并且所述一条或多条辅电流路径将所述电力电子转换器和所述直流网络(48)旁路。
48.根据权利要求46所述的方法，其中，该辅短路或每个辅短路跨越所述交流网络(52)的两相或更多相而形成。
49.根据权利要求46或47所述的方法，其中，该辅短路或每个辅短路通过控制至少一个外部的消弧电路而形成，该消弧电路或每个消弧电路包括一个或多个机械开关或半导体开关。
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