CN103141018A - 包括用于处理dc侧短路的全桥单元的hvdc转换器 - Google Patents

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Abstract

用于高压直流电力传输和无功补偿的电力电子转换器(40)包括三个转换器分支(42)，每个转换器分支(42)都包括用于在使用中连接至DC网络(52)的第一DC端(46)和第二DC端(48)，以及用于在使用中连接至三相AC网络(54)的相应相的AC端(50)，每个转换器分支(42)都限定串联连接在所述相应的AC端(60)与所述第一DC端(46)与第二DC端(48)中的相应端之间的第一分支部分(56)和第二分支部分(58)，每个分支部分(56，58)都包括在使用中可控制以方便在所述AC网络(52)与DC网络(54)之间的电力转换的至少一个切换元件(62，66)，所述电力电子转换器(40)还包括多个辅助单元(44)，每个辅助单元(44)都可操作地与所述AC网络(52)的相应相可操作地关联，每个辅助单元(44)都包括至少一个包括电压源的模块(60)，所述分支部分(56，58)在使用中可控制以限定在星形结构中的每个支路中包括所述多个辅助单元(44)中的至少一个的至少一个三相静态同步补偿器，所述第一DC端(46)和/或第二DC端(48)中的每一个都限定所述相应星形结构中的中性点。

Description

包括用于处理DC侧短路的全桥单元的HVDC转换器
技术领域
本发明涉及一种用于高压直流(HVDC)电力传输和无功补偿的电力电子转换器。
背景技术
在电力传输网络中，交流(AC)电通常被转换为直流(DC)电以便经由高架线和/或海底电缆传输。这种转换去除了对由传输线或电缆施加的交流电容负载效应进行补偿的需要，并且由此减少了每公里电线和/或电缆的成本。因此，当电力需要远距离传输时，从AC到DC的转换变得节约成本。
从AC电到DC电的转换也被用在有必要将以不同频率工作的AC网络互连的电力传输网络。
在任何这种电力传输网络中，在AC电和DC电之间的每个接口都需要转换器以实现要求的转换，并且一个此种形式的转换器是电压源转换器(VSC)。
如图1所示，电压源转换器的一个实例是使用具有使DC网络22和AC网络24互连的绝缘栅双极晶体管(IGBT)20的六开关(两级)和三级多级转换器的拓扑。IGBT装置20被串联地连接和切换，以使能够实现10MW至100MW的高额定功率。
这种传统的方法需要复杂的和有源的IGBT驱动，并且可能需要大型的无源缓冲组件来补偿，以确保在转换器切换期间，一IGBT装置20串联串上的高电压被适当地分配。此外，IGBT装置20需要以高电压在每个AC供电频率周期上连通和断开多次，来控制供给AC网络24的谐波电流。
电压源转换器的另一个示例存在于连接DC网络22和AC网络24的多级转换器布置中，如图2中所示的。在传统的多级转换器中，转换器桥或单元26被串联连接，每个单元26在不同时间被切换。每个单元26包括一对在半桥布置中与电容器30并联的半导体开关28，以限定二象限单极模块，该二象限单极模块能够提高零电压或正电压并且能够在两个方向上都导通电流。传统的多级转换器布置消除了直接切换串联的IGBT装置相关的问题，因为单个桥接单元26不同时切换，并且转换器电压阶跃相对小。
然而，在HVDC电力传输网络操作期间，电压源转换器容易遭受表现在DC电力传输线或电缆上具有低阻抗的短路的DC侧故障。这种故障可以由于绝缘的毁坏或损坏、导体的移动或者因外来物在导体间出现其它意外桥接而发生。
DC电力传输线或电缆上出现的低阻抗对电压源转换器是有害的，因为这可能引起在电压源转换器中流经的电流增大至高于其初始值很多倍的故障电流水平。在电压源转换器的电流水平仅被设计为容忍低于故障电流水平的情况下，这种高故障电流就会损坏电压源转换器的组件。
传统地，为了减小短路对装置产生的风险，应当打开一个或多个开关以将装置切离电路。然而，诸如在图3中所示的电压源切换器的电压源转换器的切换元件，通常包括当绝缘栅双极晶体管20打开时保持导电的反并联二极管32。因此，即使当绝缘栅双极晶体管20打开时，二极管32也允许从连接到电压源转换器的DC网络38中的短路36产生的故障电流34如图3所示持续地流经转换器。
用于减小短路对电压源转换器产生的风险的另一个选择是将电压源转换器设计为容忍导致的故障电流，使得有足够的时间来检测故障并通过打开另一侧(电压源转换器的AC侧)的断路器来消除电流。
然而，连接到电压源转换器的DC网络中的短路所产生的故障电流通常大于转换器额定值的许多倍。为了增大电压源转换器的容忍度，导通转换器二极管的尺寸和容量必须增加，必须并联若干转换器二极管或者必须包括能够承载高故障电流的快速旁路装置。在任何情况下，无论采用哪种选择，几乎都一定需要额外的电感元件来限制高故障电流，并且元件的增加导致了转换器尺寸和重量的增加。这转而导致了相关HVDC变换器站的尺寸和面积的增加。
此外，打开电压源转换器的相对侧(无故障侧)的断路器是不利的，因为这将其它网络从HVDC电力传输网络上断开了。因此，当故障被修复之后，在其它网络能被重新连接至HVDC电力传输网络之前，转换器站必须经历启动序列和一系列检查。这导致了潮流中断的延长以及那些依赖于电源供应方案的电力传输方案因此而不可利用。
另一个选择是打开电压源转换器DC侧的断路器以允许DC网络中的故障被隔离并被修复。然而，当使用传统的机械电路断开触头时，在电压源转换器中流过的非零直流导致了持续电弧的形成。因此，必须使用昂贵的、专用的DC电路断开设备来中断DC侧故障电流，这导致了转换器尺寸、重量和成本的增加。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于高压直流电力传输和无功补偿的电力电子转换器，该电力电子转换器包括三个转换器分支，每个转换器分支都包括用于在使用中连接至DC网络的第一DC端和第二DC端，以及用于在使用中连接至三相AC网络的相应相的AC端，每个转换器分支限定在相应的AC端与第一DC端和第二DC端中的相应端之间串联连接的第一分支部分和第二分支部分，每个分支部分都包括在使用中可控制以方便在AC网络与DC网络之间的电力转换的至少一个切换元件，该电力电子转换器进一步包括多个辅助单元，每个辅助单元都可操作地与AC网络的相应状态可操作地关联，每个辅助单元都包括至少一个包括电压源的模块，分支部分在使用中是可控制的以限定在星形结构的每个支路上包括所述多个辅助单元中的至少一个的至少一个三相静态同步补偿器，每个第一DC端和/或第二DC端都限定相应星形结构的中性点。
在电力电子转换器中提供多个辅助单元和分支部分允许如果在DC网络发生故障的情况下，电力电子转换器可以以受控的方式与AC网络一起继续交换无功功率。由多个辅助单元形成的所述或每个三相静态同步补偿器的操作独立于DC网络，这允许在不影响电力电子转换器的情况下使DC网络中的故障能够被隔离并且修复。一旦故障被修复，便可以控制辅助单元以恢复AC与DC网络之间的电力转换。
如前面概述的，在DC网络中诸如短路故障的出现，可能导致在电力电子转换器中的高故障电流。然而，所述或每个三相静态同步补偿器的形成提供了对电力电子转换器中流过的电流的控制，并且由此使电力电子转换器组件损坏的风险最小化。此外，所述或每个三相静态同步补偿器可以操作为使从与AC网络交换无功功率的相应中性点流到DC网络的电流最小化。这减小了DC网络组件损坏的风险，而且还防止了能量流动到由DC网络中的故障产生的任何电弧中。
省略所述多个辅助单元将会使得有必要将电力电子转换器从AC网络断开连接，这不仅导致电力电子转换器由于前面概述的原因的离线时期的延长，还导致可能不利地影响电力电子转换器的突然的电压扰动。
分支部分可以如以下操作，以形成电力电子转换器的多种结构，以根据AC网络的特性限定所述或每个静态同步补偿器。
在本发明的实施例中，分支部分可以是在使用中可控制的，以同时限定具有星形结构的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器，所述第一DC端和第二DC端限定相应星形结构的中性点。在这种实施例中，第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的每个辅助单元在使用中可以是可控制的，以使第一静态同步补偿器和第二静态同步补偿器的操作同步。
第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的形成都是有利的，这使得能够从AC网络中提取高达两倍的额定无功电流，这可以被用来减小存在于AC网络中的大电压瞬变。使第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的操作同步允许在它们相应中性点处的电压大约相等，这使存在于DC网络中的电压最小化。
在其它实施例中，分支部分可以是在使用中可控制的，以交替地限定第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器。在这种实施例中，分支部分可以是在使用中可控制的，以便以50∶50的占空比交替地限定第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器。
在另外的实施例中，所述或每个三相静态同步补偿器的各辅助单元在使用中都是可控制的，以在星形结构的相应支路中产生电压波形，该电压波形相对于由相应三相静态同步补偿器的其它辅助单元产生的其它电压波形具有120电角度的相位角位移。优选地，每个产生的电压波形几乎近似于正弦波形。
在所述或每个三相静态同步补偿器的中性点上的电压等于在相应星形结构的每个支路中产生的平均电压。这样，当产生的电压波形接近具有相等幅度并且相距120电角度的理想的正弦曲线时，中性点电压将名义上为零，这使流入DC网络的电流量最小化。
优选地，每个模块包括：以至少一个能量存储装置形式的电压源；以及用于将所述或每个能量存储装置切换至电路中或切离电路的至少一个初级切换元件。
在该实施例中，每个模块都可以包括与能量存储装置并联的两对初级切换元件，以限定提供负电压、零电压或正电压并且可以沿着两个方向传导电流的四象限双极模块。
提供零电压、正电压或负电压的四象限双极模块的能力与相应的三相静态同步补偿器的星形结构的每个支路中的AC电压波形的产生兼容。
在本发明的实施例中，每个辅助单元都可以包括用于限定链接转换器的串联连接的多个模块。
链接转换器的结构允许经由每个都将电压提供到链接转换器中的多个模块的插入积累高于由单个模块提供的电压的结合电压。通过改变结合电压的值，链接转换器可以被操作以产生可变振幅和相位角的电压波形。
在这样的利用使用包括至少一个能量存储装置和至少一个初级切换元件的至少一个模块的实施例中，每个链接转换器的各模块的所述或每个初级切换元件在使用中可以是可控制的，以使相应的能量存储装置切换到电路中或切离电路以使链接转换器提供阶梯式可变电压源。
该多级布置允许通过调整对连接转换器中的每个模块的切换操作的时序使具有不同形状的电压波形合成。通过改变结合电压的值，链接转换器可以操作为产生可变振幅和相位角的电压波形。
当链接转换器包括一个或多个四象限双极模块时，四象限双极模块提供正电压或负电压的能力意味着所述或每个链接转换器上的电压可以从提供正电压或负电压的模块的结合积聚。因此，通过控制模块在正电压或负电压之间交替使得在单个能量存储装置中的能量级别可以保持在最佳级别。
在其它实施例中，每个分支部分都可以包括在连接到相应分支部分的相应的AC端与DC端之间串联连接的至少一个二级切换元件。
在每个分支部分中的所述或每个二级切换元件都可以操作为执行整流和逆变处理，以在AC网络与DC网络之间传送电力。
在其它实施例中，所述多个辅助单元中的一个可以被连接至相应转换器分支的AC端以便在使用中连接在相应转换器分支与AC网络之间。
该布置使以第一DC端和/或第二DC端作为相应星形结构的中性点限定所述或每个三相静态同步补偿器所需要的辅助单元的数量最小化。
每个分支部分都可以包括所述多个辅助单元中的一个。
将辅助单元集成到分支部分中允许分支部分能执行电力转换和所述或每个静态同步补偿器的形成。这导致在硬件尺寸、重量和成本方面上的节省。
每个分支部分可以包括与分支部分的相应的辅助单元串联连接的至少一个二级切换元件。
在每个部分中与辅助单元串联连接的一个或多个二级切换元件的串联结合是有利的，因为其减少了用于在AC和DC网络之间执行电压转换所需要的辅助单元中组件的数量。
在利用在每个分支部分中都使用辅助单元的实施例中，各分支部分的辅助单元在使用中都可以是可控制的以提供电压，以使相应分支部分的所述或每个二级切换元件上的电压最小化。
在不形成三相静态同步补偿器的一部分的各分支部分中，当分支部分还包括与辅助单元串联连接的至少一个二级切换元件时，以这种方式的每个分支部分的辅助单元的操作也可以不仅被用来使所述或每个打开的二级切换元件上的电压应力最小化，而且当分支部分不形成三相静态同步补偿器的一部分时，还使相应的反并联二极管保持在反向偏置和非导通状态。
在本发明的实施例中，每个分支部分的所述或每个切换元件在使用中都可以可控制的，以将相应的分支部分切换至电路中或切离电路，以便限定所述或每个三相静态同步补偿器。
在其它实施例中，每个分支部分的所述或每个二级切换元件可以在使用中可控制为接通或断开以限定所述或每个三相静态同步补偿器。
切换元件以这种形式的操作导致了具有星形结构的所述或每个静态同步补偿器的形成，其中，第一DC端和/或第二DC端限定了相应星形结构的中性点。
优选地，每个切换元件都包括至少一个半导体器件。这种半导体器件可以是优选地与反并联二极管并联连接的绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管、门极可关断晶闸管、门极换向晶闸管、绝缘门极换向晶闸管或集成门极换向晶闸管。
半导体器件的使用是有利的，因为这种器件尺寸和重量小并且具有相对低的功率损耗，这使得对制冷设备的需要最小化。因此，其导致了电力转换器成本、尺寸和重量上的显著减少。
该半导体器件的快速切换能力允许电力电子转换器合成复杂的波形以便注入电力电子转换器的AC侧和/或DC侧。这种复杂波形的注入可以被用于，例如使通常与基于线性换向晶闸管的电力电子转换器相关的谐波失真的等级最小化。此外，包含这种半导体器件允许辅助单元快速响应DC侧故障的发展，并由此改进电力电子转换器的故障保护。
在利用使用包括至少一个能量存储装置的至少一个模块的实施例中，各能量存储装置都包括电容器、燃料电池、电池、光伏电池或具有相关整流器的辅助AC发生器。
能量存储装置可以是能够存储与释放其电能以提供电压的任何装置。在其中设备的性能可以根据地点或运输难度而变化的不同地点设计转换器站时该灵活性是有用的。例如，在近海风电场，能量存储装置可以是与风轮机连接的辅助AC发生器。
在采用了使用至少一个能量存储装置的其它实施例中，每个能量存储装置都可以在使用中是可控制的以调整其电压输出。
这允许电力电子转换器产生不同幅度的AC电压波形以便修正提供给AC网络的无功功率。例如，每个能量存储装置的电压输出可以增加，以允许转换器产生比AC网络更高幅度的电压波形以便提供超前无功功率。这去除了对包括额外的辅助单元模块的需要，其中，该辅助单元模块仅为增加电压波形的幅度而被需要，但是在AC网络与DC网络之间的电力转换期间保持未使用。这由此导致了硬件尺寸、重量和成本上的减少。
在利用使用至少一个能量存储装置的其它实施例中，每个模块的所述或每个切换元件都可以在使用中可被控制以调整相应的能量存储装置的电压。
电压电平的调整对每个模块的能量存储装置的电压电平提供了额外的控制。这种形式的控制可以用于例如平衡单个模块的电压电平。这是有利的，因为其意味着任何特定模块的电压都可以被保持约等于平均模块电压以简化控制并且提高使用平均模块电压作为反馈以控制辅助单元的模块的切换的电压源转换器的性能。
在本发明的实施例中，所述或每个三相静态同步补偿器在使用中可以是可控制的以与AC网络交换无功功率。在这种实施例中，所述或每个三相静态同步补偿器在使用中是可控制的以向AC网络提供滞后或超前无功功率。
在电力电子转换器与AC网络之间的无功功率交换允许由AC和DC网络之间的真实潮流的突然中断产生的或是由于DC网络中的故障的开始和/或去除从其它连接的负载或电源中发生的变化产生的任何电压扰动都能够稳定。
在其它实施例中，所述或每个三相静态同步补偿器都可以在使用中是可控制的，以便在使用中在DC网络中发生故障的情况下向DC网络供电。
向DC网络中的故障点供电不仅使操作者能够确定DC网络中的故障位置，而且还允许与DC网络相关的保护设备能够正常工作。
在其它实施例中，电力电子转换器可以进一步包括具有可操作地连接到每个AC端以便在使用中连接在相应的转换器分支与AC网络之间的星形结构的包括多个绕组的三相变压器。
在星形结构中提供多个绕组允许第一DC端或第二DC端通过连接到多个绕组的星形结构的中性点而被接地。直接连接到接地DC端的分支部分可以由此被控制以限定静态同步补偿器的电压。
附图说明
现将通过非限制性的实例，参照附图对本发明的优选实施例进行描述，在附图中：
图1和图2以示意的形式示出了现有技术的电压源转换器；
图3示出了在连接的DC网络中发生故障之后在三相电压源转换器中故障电流的形成；
图4示出了根据本发明第一实施例的电力电子转换器；
图5示出了使用链接转换器的50Hz电压波形的合成；
图6示出了阶梯近似的正弦电压波形；
图7至图10示出了在图4的电力电子转换器中的第一三相静态同步补偿器和/或第二三相静态同步补偿器的形成；
图11示出了根据本发明第二实施例的电力电子转换器；
图12示出了根据本发明第三实施例的电力电子转换器；以及
图13示出了图4中的电力电子转换器的第一DC端到变压器的多个绕组的中性点的连接。
具体实施方式
在图4中显示了根据本发明第一实施例的电力电子转换器40。
电力电子转换器40包括三个转换器分支42和多个辅助单元44。
每个转换器分支42包括第一DC端46和第二DC端48以及AC端50。
在使用中，在每个转换器分支中，第一DC端46和第二DC端48被分别连接到DC网络52的正端子和负端子，正端子和负端子分别承载+Vdc/2和-Vdc/2电压，而AC端50被连接到三相AC网络54的相应相。
每个转换器分支42都限定第一分支部分56和第二分支部分58。在每个转换器分支42中，第一分支部分56在第一DC端46和AC端50之间串联连接，而第二分支部分58在第二DC端48和AC端50之间串联连接。
各转换器分支42的第一分支部分56和第二分支部分58中的每一个包括辅助单元44。每个分支部分56、58的辅助单元44都包括用于限定链接转换器44的串联连接的多个模块60。通过相应分支部分56、58需要的额定电压确定每个链接转换器44中模块60的数量。每个模块60包括两对与电容器64并联连接的初级切换元件62以限定提供负电压、零电压或正电压并可以沿着两个方向传导电流的四象限双极模块60。
每个分支部分56、58进一步包括与分支部分56、58的辅助单元44串联连接的多个串联连接的二级切换元件66。可以假想的是，在其它实施例中，在每个分支部分56、58中的串联连接的二级切换元件66的数量可以变化。
在多个串联连接的二级切换元件66和与第一分支部分56和第二分支部分58中的每一个的辅助单元44之间的串联意味着，在其它实施例中，它们可以在AC端50和相应的DC端46、48之间以相反的顺序连接。
电力电子转换器40还包括串联连接在第一端46与第二DC端48之间并且与各转换器分支42并联连接的DC连接电容器68。
每个链接转换器44的模块60的初级切换元件62在使用中是可操作的，使得每个链接转换器44都提供阶梯式可变的电压源，并且在接近AC网络的基本频率被切换。
每个模块60的电容器64可以通过改变初级切换元件62的状态而绕过或插入到相应的链接转换器44中。
当成对的初级切换元件62被构造为在模块60中形成短路时，每个模块60的电容器64都被绕过，致使电力电子转换器40中的电流通过短路并且绕过电容器64。这使模块60能够提供零电压。
当成对的第二切换元件66被构造为允许转换器电流流入和流出电容器64时，每个模块60的电容器64被插入相应的链接转换器44中，该电容器64随后能够对其存储的能量充电或放电并提供电压。四象限双极模块60的双向特性意味着电容器64可以以前向或反向方向被插入模块60中以便提供正电压或负电压。
因此，能够在链接转换器44上经由多个模块60的电容器的插入积累高于从每个单个模块60可获得电压的结合的电压，其中，每个模块60都提供其自身的电压到链结转换器44中。
四象限双极模块60提供正电压或负电压的能力意味着每个链接转换器44上的电压可以从提供正电压或负电压的模块60的结合积聚。因此，可以通过控制模块60在提供正电压或负电压之间交替使单个电容器64中的能量等级保持在最佳等级。
还可以改变用于每个模块的切换操作的时序，使得插入和/或绕过链接转换器中的单个模块的电容器导致产生电压波形。在图5中示出了使用链接转换器产生电压波形的实例，其中，单个模块的电容器的插入是交错的，以产生50Hz的正弦波形。通过调整对链接转换器中的每个模块的切换操作的时序，可以产生其它波形形状。
在图4中所示的实施例中，每个切换元件62、66都包括与反并联二极管并联连接的绝缘栅双极晶体管。
设想在其它实施例中，每个切换元件62、66可以包括例如场效应晶体管、门极可关断晶闸管、绝缘门极换向晶闸管、集成门极换向晶闸管或其它强制换向或自换向半导体开关的优选地与反并联二极管并联连接不同的半导体器件。
该半导体器件的快速切换能力允许电力电子转换器40能够合成复杂波形，以便注入到电力电子转换器40的AC侧和/或DC侧。这种复杂波形的注入可以被使用，例如以使通常与基于线性换向晶闸管的电压源转换器相关的和谐失真的等级最小化。此外，包含这种半导体器件允许辅助单元44快速响应DC侧故障的发展，并且由此改进电力电子转换器40的故障保护。
还假想，在其它实施例中，每个模块60的电容器64可以被例如燃料电池、电池、光伏电池或具有相关整流器的辅助AC发生器的不同的能量存储装置替换。
在使用中，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66和链接转换器44可操作为将每个链接转换器44切换至相应DC端46、48与AC端50之间的电路中或切离电路。链接转换器44可操作为在相应AC端50产生电压波形以方便AC网络52和DC网络54之间的电力转换。
链接转换器44优选地可操作为使用阶梯近似产生正弦电压波形。由于他们能够提供以增加或减少在相应AC端50的输出电压的电压阶梯，因此链接转换器44适于在阶梯波的形成中使用。
参照图6对图4的电力电子转换器的运行进行描述。
如前面所描述的，在模块60中的切换操作可以构造为使得电容器64的插入与绕过交替以形成如图6中所示的正弦波形70的阶梯近似。可以通过使用较高数量的具有较低电压电平的模块60以增加电压阶梯72的数量改进电压波形70的阶梯近似。
如图7至图12中所示，在DC网络52中发生故障79的情形中，串联连接的二级切换元件66和分支部分56、58的辅助单元44可以操作为形成电力电子转换器40的不同构造，以便限定在星形结构的每个支路中包括多个辅助单元44中的一个的至少一个静态同步补偿器，第一DC端46和/或第二DC端47限定相应星形结构的中性点。
在图7中，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66分别接通与断开。这导致具有星形结构的第一三相静态同步补偿器80的形成，其中，每个第一分支部分56的各辅助单元44位于星形结构的相应支路中，并且第一DC端46限定星形结构的中性点。
当第一三相静态同步补偿器80形成时，每个第一分支部分56的各辅助单元44被控制以产生相对于由其它第一分支部分56的辅助单元44产生的其它电压波形具有120电角度的相位角度位移的几乎近似的正弦电压波形。这导致在第一三相静态同步补偿器80的星形结构的中性点46处几乎为零的电压，这是由于中性点电压等于在星形结构的各支路中产生的电压的平均值。
因此，电流仅在第一分支部分56内以及AC端50与AC网络54之间流动。由于流入DC网络52的电流是零或最小，因此存在对DC网络组件损坏减小的的风险，而且也防止了能量流到由DC网络52中的故障79产生的任何电弧中。
以这种方式的第一三相静态同步补偿器80的操作允许在DC网络52中发生故障79的情形中，电力电子转换器40继续与AC网络54交换无功功率。在使用中，第一三相静态同步补偿器80的辅助单元44可以被控制以向AC网络54提供滞后或超前无功功率。电力电子转换器40与AC网络54之间的无功功率交换允许从AC网络54和DC网络52之间的真实潮流的意外中断或者从由于在DC网络52中的故障79的开始和/或去除在其它连接负载或电源中发生的变化产生的任何电压干扰的稳定。
由多个辅助单元44形成的第一三相静态同步补偿器80的操作独立于DC网络52，这允许在不影响电力电子转换器40的情况下DC网络52中的故障79能够被隔离与修复。一旦故障79被修复，分支部分56、58便可以被控制以恢复AC与DC网络54、52之间的电力转换。
在图7中，第二分支部分58被切离电路并且由此不形成第一三相静态同步补偿器80的一部分。每个第二分支部分58的辅助单元44可以被控制以提供电压以便不仅仅使相应第二分支部分44的打开次级切换元件66上电压应力最小化，而且还使相应的反并联二极管保持在反向偏置与不导电状态中。
在图8中，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66相应地被关闭与打开。这导致了具有星形结构的第二三相静态同步补偿器82的形成，其中，每个第二分支部分58的各辅助单元44位于星形结构的相应支路中，并且第二DC端48限定星形结构的中性点。
第一三相同步补偿器80的操作在细节上作必要的修改后应用于第二三相同步补偿器82的操作。
在图9中，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66接通。这导致第一三相静态同步补偿器80和第二三相静态同步补偿器82的形成。同时形成的第一三相静态同步补偿器80和第二三相静态同步补偿器82的操作与上述单独形成的第一相静态同步补偿器80和第二三相静态同步补偿器82中的每个的操作相似。
第一三相静态同步补偿器80和第二三相静态同步补偿器82的形成都是有利的，因为这使得高达两倍的额定无功电流能够从AC网络54中输出，这可以被用来减少AC网络54中大电压瞬间的出现。
在DC网络52中的故障79可能采取将第一DC端46接地到DC网络52的接地端84的形式，如图10所示。第二DC端48未接地并且由此继续承载其工作电压。
第一分支部分56的辅助单元可以被操作为形成具有星形结构的第一三相静态同步补偿器80，其中，接地的DC端46限定了星形结构的中性点，同时通过断开相应的串联连接的二级切换元件66，与未接地的DC端48直接连接的第二分支部分58被切离电路。在这种情况下，直接连接到未接地DC端48的每个分支部分58都必须充分地定额以经受在未接地DC端48与相应AC端50处呈现的交流电压之间的电压差。
两组分支部分还都可以操作为形成具有星形结构的第一静态同步补偿器和第二静态同步补偿器，其中，接地的DC端形成第一静态同步补偿器和第二静态同步补偿器之一的星形结构的中性点，未接地DC端形成第一静态同步补偿器和第二静态同步补偿器中的另一个的星形结构的中性点。在这种情况下，与未接地DC端直接连接的每个分支部分的辅助单元必须充分地定额，以经受未接地DC端与在相应AC端呈现的交流电压之间的电压差。为了提供所需的分支部分的额定电压，辅助单元可以包括额外的模块以增加其额定电压。
在其它实施例中，在DC网络中的故障可以采取将第二DC端接地到DC网络的接地端的形式，而第一DC端保持未接地并且由此继续承载其工作电压。在这样的实施例中，分支部分可以在使用中可控制以限定第一三相静态同步补偿器和/或第二三相静态同步补偿器。
在图11中示出了根据本发明第二实施例的电力电子转换器40。除了图10中的电力电子转换器40的各分支部分56、58省略了串联连接的二级切换元件以外，该实施例与电力电子转换器40的第一实施例相似。
为了限定第一三相静态同步补偿器，每个第二分支部分58的每个辅助单元44可以被操作来产生电压波形，以抵消在相应的AC端50处的电压，来最小化流经每个第二分支部分58的电流。
相似地，为了限定第二三相静态同步补偿器，每个第一分支部分56的每个辅助单元44可以操作为产生电压波形以抵消在相应AC端50处的电压以使流经每个第一分支部分56的电流最小化。
分支部分56、58的辅助单元44还可以操作为限定第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器。
当在DC网络中的故障采取将第一DC端或第二DC端中的一个的接地到接地端，并且未接地DC端保持未接地并且由此继续承载其工作电压时，每个分支部分的辅助单元在使用中都是可控制的以切换相应的分支部分到电路中以及切离电路以限定具有星形结构的第一和/或第二三相静态同步补偿器，其中，接地和/或未接地DC端限定相应星形结构的中性点。
在本发明第二实施例中的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的辅助单元44的操作与本发明第一实施例中的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的辅助单元44的操作相同。
在图12中示出了根据本发明第三实施例的电力电子转换器40。除了图11中的电力电子转换器40的各分支部分56、58省略了辅助单元以外，该实施例与电力电子转换器40的第一实施例相似。
在图11中的电力电子转换器40还包括连接到相应转换器分支42的AC端50的多个辅助单元44中的一个，以便在使用中连接在相应的转换器分支42和AC网络54之间。
为了限定第一三相静态同步补偿器，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66分别接通或断开。这导致形成具有星形结构的第一三相静态同步补偿器，其中，连接到每个AC端50的各辅助单元44都位于星形结构的相应支路中并且第一DC端46限定星形结构的中性点。
为了限定第二三相静态同步补偿器，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66被分别地断开与接通。这导致了具有星形结构的第二三相静态同步补偿器的形成，其中，连接至每个AC端50的每个辅助单元44位于星形结构的相应支路中并且第二DC端48限定星形结构的中性点。
为了限定第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器，第一分支部分56和第二分支部分58的二级切换元件66接通。这导致具有星形结构的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的形成，其中，连接至每个AC端50的各辅助单元44位于星形结构的相应支路中并且第一DC端46和第二DC端48限定了相应星形结构中的中性点。
这种布置以第一DC端46和/或第二DC端48作为相应星形结构的中性点使限定第一三相静态同步补偿器和/或第二三相静态同步补偿器所需要的辅助单元44的数量最小化，并因此降低了硬件尺寸、重量和成本。
在本发明第三实施例中的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的辅助单元44的操作与本发明第一实施例中的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器的辅助单元44的操作相同。
当DC网络中的故障表现出将第一或第二DC端中的一个接地到接地端的形式并且未接地DC端保持未接地而由此继续承载其工作电压时，分支部分的二级切换元件在使用中可以是可控制的以接通或断开以切换相应的分支部分到电路中或切离电路以限定具有星形结构的第一三相静态同步补偿器和/或第二三相静态同步补偿器，其中，接地的和/或未接地的DC端限定相应星形结构的中性点。
在本发明的实施例中，当第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器都形成时，当产生AC电压波形以使在第一DC端与第二DC端(即第一三相静态同步补偿器与第二三相静态同步补偿器的相应中性点)处的电压大约相等以使DC网络上出现的电压差最小化时，可以使第一三相静态同步补偿器与第二三相静态补偿器的辅助单元的切换操作同步。
在其它实施例中，分支部分在使用中是可控制的，以便以50∶50的占空比交替地限定第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器。
第一静态同步补偿器和/或第二静态同步补偿器在使用中是可控制的以在DC网络中在使用中在故障的情况下向DC网络供电。
向DC网络中的故障点供电不仅允许操作者确定DC网络中的故障位置，还允许与DC网络相关的保护设备正常工作。
在其它实施例中，电力电子转换器可以进一步包括星形结构的包括多个绕组的三相变压器，所述三相变压器可操作地连接到每个AC端以便在使用中连接在相应转换器分支与AC网络之间。
如在图13中所示的，在星形结构中多个绕组86的提供允许第一DC端46通过连接到所述多个绕组86的星形结构的中性点88而被接地。直接连接到接地DC端46的分支部分56可以因此被控制以限定第一静态同步补偿器。在此情形中，未接地DC端48将承载与DC网络52的工作电压相等的电压。这意味着，直接连接到未接地DC端48的分支部分58必须充分地定额，以承受在未接地DC端48的电压与在相应AC端50的交流电压之间的电压差。
可以假想的是，在其它实施例中，第二DC端可以通过连接到所述多个绕组的星形结构的中性点接地，并且直接连接到接地DC端的分支部分可以被控制以限定第二静态同步补偿器，同时第一DC端保持未接地。
在其它实施例中，每个模块的每个能量存储装置在使用中都可以是可控制的以调整其电压输出。例如，每个能量存储装置的电压输出都可以增加，以允许转换器产生比AC网络更高幅度的电压波形，以便提供超前无功功率。这消除了在每个辅助单元中包括额外模块的需要，所述额外模块仅被增加电压波形的幅度所需要，但是在AC网络与DC网络之间电力转换期间保持未使用。因此，这导致了硬件尺寸、重量和成本的减少。

Claims (28)

1.一种用于高压直流电力传输和无功补偿的电力电子转换器，该电力电子转换器包括三个转换器分支，每个转换器分支都包括用于在使用中连接至DC网络的第一DC端和第二DC端，以及用于在使用中连接至三相AC网络的相应相的AC端，每个转换器分支限定串联连接在相应AC端与所述第一DC端与第二DC端中的相应端之间的第一分支部分和第二分支部分，每个分支部分包括至少一个在使用中可控制以方便在所述AC网络与DC网络之间的电力转换的切换元件，所述电力电子转换器还具有多个辅助单元，每个辅助单元都可操作地与所述AC网络的相应相可操作地关联，每个辅助单元都包括至少一个具有电压源的模块，所述分支部分在使用中可控制以限定在星形结构中的每个支路中包括所述多个辅助单元中的至少一个的至少一个三相静态同步补偿器，所述第一DC端和/或第二DC端中的每个都限定所述相应星形结构中的中性点。
2.根据权利要求1所述的电力电子转换器，其中，所述分支部分在使用中是可控制的，以同时限定具有星形结构的第一三相静态同步补偿器和第二三相静态同步补偿器，所述第一DC端和所述第二DC端限定了所述相应星形结构的中性点。
3.根据权利要求2所述的电力电子转换器，其中，所述第一三相静态同步补偿器和所述第二三相静态同步补偿器的每个辅助单元在使用中可控制的，以使所述第一三相静态同步补偿器和所述第二三相静态同步补偿器的操作同步。
4.根据权利要求1所述的电力电子转换器，其中，所述分支部分在使用中是可控制的，以交替地限定所述第一三相静态同步补偿器和所述第二三相静态同步补偿器。
5.根据权利要求4所述的电子电力转换器，其中，所述分支部分在使用中是可控制的以便以50∶50的占空比交替地限定所述第一三相静态同步补偿器和所述第二三相静态同步补偿器。
6.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述或每个三相静态同步补偿器的各辅助单元在使用中是可控制的，以在所述星形结构的相应支路中产生电压波形，所述电压波形相对于由所述相应三相静态同步补偿器的其它辅助单元产生的所述电压波形具有120电角度的相位角位移。
7.根据权利要求6所述的电力电子转换器，其中，每个产生的电压波形几乎接近正弦波形。
8.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个模块包括：以至少一个能量存储装置形式的电压源；以及用于将所述或每个能量存储装置切换到电路中或切离电路的至少一个初级切换元件。
9.根据权利要求8所述的电力电子转换器，其中，每个模块都包括与能量存储装置并联连接的两对初级切换元件以限定提供负、零或正电压并且可以沿着两个方向传导电流的四象限双极模块。
10.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个辅助单元都包括串联连接以限定链接转换器的多个模块。
11.根据权利要求8和10所述的电力电子转换器，其中，所述每个链接转换器的每个模块的所述或每个初级切换元件在使用中都是可控制的以将所述相应能量存储装置切换至电路中或外，以使所述链接转换器提供阶梯式可变电压源。
12.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个分支部分都包括串联连接在连接到相应分支部分的相应AC端与DC端之间的至少一个二级切换元件。
13.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述多个辅助单元中的一个连接到所述相应转换器分支的AC端以便在使用中连接在所述相应转换器分支和AC网络之间。
14.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个分支部分都包括所述多个辅助单元中的一个。
15.根据权利要求12或14所述的电力电子转换器，其中，每个分支部分包括至少一个与所述分支部分的相应辅助单元串联连接的二级切换元件。
16.根据权利要求15所述的电力电子转换器，其中，每个分支部分的辅助单元在使用中都是可控制的以提供电压，使得相应分支部分的所述或每个二级切换元件上的电压最小化。
17.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个分支部分的所述或每个切换元件在使用中是可控制的以将相应分支部分切换至电路中或切离电路以便限定所述或每个三相静态同步补偿器。
18.根据权利要求12或17所述的电力电子转换器，其中，每个分支部分的所述或每个二级切换元件在使用中可控制为接通或断开以便限定所述或每个三相静态同步补偿器。
19.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，每个切换元件都包括至少一个半导体器件。
20.根据权利要求19所述的电力电子转换器，其中，所述或每个半导体器件是绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管、门极可关断晶闸管、门极换向晶闸管、绝缘门极换向晶闸管或集成门极换向晶闸管。
21.根据权利要求19或权利要求20所述的电力电子转换器，其中，所述或每个半导体器件与反并联二极管并联连接。
22.根据上述权利要求中任一项和权利要求8所述的电力电子转换器，其中，每个能量存储装置包括电容器、燃料电池、电池、光伏电池或具有关联整流器的辅助AC产生器。
23.根据上述权利要求中任一项和权利要求8所述的电力电子转换器，其中，每个能量存储装置在使用中可被控制以调整其电压输出。
24.根据上述权利要求中任一项和权利要求8所述的电力电子转换器，其中，每个模块的所述或每个切换元件在使用中可被控制以调节相应能量存储装置的电压。
25.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述或每个三相静态同步补偿器在使用中都是可控制的，以与所述AC网络交换无功功率。
26.根据权利要求25所述的电力电子转换器，其中，所述或每个三相静态同步补偿器在使用中是可控制的，以向所述AC网络提供滞后或超前无功功率。
27.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，其中，所述或每个三相静态同步补偿器在使用中是可控制的，以在使用中在所述DC网络中发生故障的情况下，向所述DC网络供电。
28.根据上述权利要求中任一项所述的电力电子转换器，还包括可操作地连接到每个AC端以便在使用中连接在所述相应转换器分支与所述AC网络之间的星形结构的包括多个绕组的三相变压器。
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