CN103250340B

CN103250340B - 用于在dc电力线与ac电力线之间传输电力的装置

Info

Publication number: CN103250340B
Application number: CN201080070707.XA
Authority: CN
Inventors: S.穆克赫杰; T.琼森; S.苏布拉马尼安
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: CN103250340A; US20130258726A1; EP2628238B1; WO2012048754A1; US9007792B2; EP2628238A1

Abstract

本发明关于用于在DC电力线（12）与AC电力线（22A，22B，22C）之间传输电力的装置（23），其携带具有多个相的电压。该装置包括：多个变压器（20A，20B，20C），每个相一个；和多个电力传递模块，每个相一个，其在DC电力线与地之间串联连接，其中每个模块包括：第一支路，其包括串联连接的转换器单元（CA1，CA2，CB1，CB2，CC1，CC2）和第二支路，其包括串联连接的开关元件（SW1A，SW2A，SW1B，SW2B，SW3A，SW3B）。变压器（20A，20B，20C）的一次绕组连接到AC电力线的对应AC相导体（22A，22B，22C）并且二次绕组连接在对应的电力传递模块的第一支路的中点与第二支路的中点之间。

Description

用于在 DC 电力线与 AC 电力线之间传输电力的装置

技术领域

本发明一般来说涉及电压源转换器。更具体地，本发明涉及用于在DC电力线与AC电力线之间传输电力的装置。

背景技术

直流（DC）输电系统有意义地在各种情形中使用，例如当长距离传递电力时。

已知在DC电力线和三相交流（AC）电力线之间传输电力，其中三个相在DC电力线与地或负DC母线之间串联连接。

在例如US 6,519,169中，在DC电力线与地之间存在多个串联连接的电力传递模块，其中每AC相存在一个这样的模块。每个模块由两级转换器组成并且在模块的两个并行支路的中点处提供AC相输出，其中一个支路包括具有反并联二极管的开关和其他电容器。

在近些年，已经更频繁地使用基于级联二级单元的多级转换器。这些具有减少或限制对AC侧上设备滤波的需要的优点。

在例如WO 2007/028349中，描述有在DC电力线和地之间串联连接的多个电力传递模块。这些模块每个由两个并行支路组成，其中每个支路包括转换器单元的串联连接并且其中变压器绕组在这两个支路的中点之间连接。

然而，以该方式提供的开关元件的数量相当大并且因此降低该数量将是有意义的。

限制单元数量的一个方式在D.R. Trainer等人的（来自2010年8月27日，法国巴黎的Cigré 2010 Sessions）的“A New Hybrid Voltage-Sourced Converter for HVDC Power Transmission”中描述。在这里，电力传递模块每个由三个支路组成，其中两个由半导体开关和三分之一的两级单元组成。在这里，变压器绕组连接在两个半导体开关支路的中点之间。WO 2010/088969公开了相同类型的装置。

发明内容

本发明针对使在用于在直流电力线和交流电力线之间传输电力的装置中使用的开关元件的数量减少。

该目的根据本发明通过用于在直流电力线和交流电力线之间传输电力（其携带具有多个相的电压）的装置实现，所述装置包括：

多个变压器，每个相一个，

多个电力传递模块，每个相一个，其在直流电力线与地或负直流母线之间串联连接，其中每个模块包括

第一支路，其包括转换器单元，和

第二支路，其包括串联连接的开关元件，

其中变压器的一次绕组连接到交流电力线的对应交流相导体并且二次绕组连接在对应的电力传递模块的第一支路的中点与第二支路的中点之间。

本发明具有许多优点。开关元件的数量保持为非常低，单元的数量也一样，由此降低装置的成本。因为跨变压器绕组将不出现公共模式DC电压，在第一支路中不需要有任何隔直流（DC）电容器。开关损耗此外将非常小并且提供的输出级的数量仅取决于串联连接的单元的数量。

附图说明

本发明将在下面参照附图描述，其中

图1示意地示出DC输电系统，其包括逆变器和整流器之间的DC电力线以及用于在DC电力线与AC电力线之间传输电力的装置，

图2示意地更详细示出来自图1的装置，

图3示意地示出装置的一个电力传递模块，其由控制部件控制并且经由变压器连接到AC源，

图4示意地示出第一类型的电压源转换器单元的结构，

图5示意地示出第二类型的电压源转换器单元的结构，以及

图6示意地示出第三类型的电压源转换器单元的结构。

具体实施方式

在下面，将给出本发明的优选实施例的详细描述。

图1示出简化的直流（DC）输电系统10的单线图，该直流（DC）输电系统10包括第一转换器14、第二转换器16和DC电力线12。该第一转换器14在这里可连接到第一AC电力线，其可以是第一交流（AC）电力系统的一部分（在其中产生能量），并且第二转换器16可连接到第二AC电力线，其可以是第二AC电力系统的一部分（在其中消耗能量）。

DC电力线12在这里可以是覆盖长距离地传递电力的电力线。一个示例性距离是500km的距离。在这里应该认识到作为备选，DC电力系统10可包括几个以上的电力线和转换器。该系统从而也可以是所谓的DC电网。DC电力系统在这里是单极系统。然而，应该认识到在本发明的一些变化形式中，它相反是双极系统，其中存在正和负DC母线。

到该DC电力线12连接有用于在DC电力线12与另外的AC电力线22之间传输电力的装置。该装置在这里包括转换部件18，其经由变压器20连接到另外的AC电力线22，该变压器是三相变压器并且该另外的AC电力线22是三相电力线并且因此包括三相导体。另外的电力线在这里可以是另外的AC电力系统的一部分。根据本发明，转换部件18和变压器在这里组成用于在DC电力线与AC电力线之间传输电力的装置。

作为示例，跨DC电力线12传输的电力可以在1200MW的范围内，而由另外的AC电力线22提供或使用的电力可以在200MW或更低的范围内。与另外的AC系统关联的电力因此可以小于DC系统电力的20%。另外的AC电力系统从而可支持小于DC电力系统能力的20%。

作为示例，另外的AC电力系统可以是由第一DC电力线12所经过的城市的系统。

因为该另外的AC系统的功率比DC系统10的功率低得多，使AC系统的相串联连接到DC电力线12，这是可能的。

可如何根据本发明来进行此示意地在图2中示出。

因为DC电力系统在该实施例中是单极系统，装置23包括连接在DC电力线12与地之间的多个电力传递模块。

在这里，每个相有一个模块。这些模块进一步串联连接在DC电力线和地之间。在双极系统中，这些模块将串联连接在DC电力线与负DC母线之间。

在图2中，还存在第一断路器BR1（DC断路器），其在一个末端处连接到DC电力线12并且在另一个末端处连接到第一电抗器L1，该第一电抗器L1连接到模块中的第一个。

每个模块在这里包括：第一支路，其包括串联连接的两级转换器单元；和第二支路，其包括串联连接的开关元件。在这里，每个模块还包括第三支路，其包括电容器。所有这些支路并联连接在第一和第二连接点之间，其中第一模块的第一连接点连接到第一电抗器L1，而第二连接点连接到第二模块的第一连接点。第二模块的第二连接点进而连接到第三模块的第一连接点，而第三模块的第二连接点接地。第一模块的并行支路从而与第二模块的并行支路串联连接以及与第三模块的并行支路串联。

这意指在该示例中提供有第一串两级单元，其包括第一模块的第一和第二单元CA1和CA2、第二模块的第一和第二单元CB1和CB2以及第三模块的第一和第二单元CC1和CC2。还提供有第二串开关元件，其包括第一模块的第一和第二开关元件SW1A和SW2A、第二模块的第一和第二开关元件SW1B和SW2B以及第三模块的第一和第二开关元件SW1C和SW2C。最后存在第三串电容器，其包括第一、第二和第三模块的电容器CA、CB和CC。开关元件可采用IGBT（绝缘栅双极晶体管）晶体管连同反并联二极管的形式来实现。然而，应该认识到可使用其他类型的开关元件，例如集成栅极换向晶闸管（IGCT）、双模式绝缘栅极晶体管（BIGT）、栅极可关断晶闸管（GTO）和强迫换向晶闸管。而且还可使用其他适合的晶闸管。这些串从而在单极系统的DC电力线和地之间彼此并联运行用于形成装置23。

在这里应该认识到描述的单元的数量只是示例性的并且每个第一支路可包括超过这两个，例如10个。

每个模块的第一和第二支路具有中点。这意指在这样的中点的一侧上提供模块支路的单元中的一半并且在另一侧上提供另一半。这还意指第二支路的中点在支路中点的一侧上具有一个开关元件并且在另一侧上具有另一个。此外，因为AC系统是三相系统，变压器20可以视为三个独立相变压器20A、20B和20C，每个具有一次绕组和二次绕组。

根据本发明，此外，上文提到的模块的中点中的一个连接到对应的相变压器的二次绕组的一个末端，其中另一中点连接到二次绕组的另一个末端。因为存在三个模块和三个相，这意指第一相变压器20A的二次绕组的第一末端连接到第一单元CA1与第二单元CA2之间的第一模块的第一支路并且相同的二次绕组的第二末端连接到第一开关元件SW1A与第二开关元件SW2A之间的第二支路。此外，这些连接中的一个包括电抗器。在该第一实施例中，第一相变压器20A的二次绕组的第一末端经由对应的电抗器XA连接到第一支路的中点。该第一相变压器20A的一次绕组然后连接到另外的AC电力线的第一相导体22A。在该实施例中，一次绕组的第一末端连接到该第一相导体22A，而该一次绕组的第二末端接地。相似地，第二相变压器20B的二次绕组的第一末端经由对应的电抗器XB连接到第一单元CB1和第二单元CB2之间的第二模块的第一支路，并且该二次绕组的第二末端连接到第一开关元件SW1B与第二开关元件SW2B之间的第二支路。该第二相变压器20B的一次绕组然后连接到另外的AC系统中的另外的AC电力线的第二相导体22B，并且在这里该一次绕组的第一末端连接到第二相导体22B，而第二末端接地。同样，第三相变压器20C的二次绕组的第一末端经由对应的电抗器XC连接到第一单元CC1和第二单元CC2之间的第三模块的第一支路，并且该二次绕组的第二末端连接到第一开关元件SW1C与第二开关元件SW2C之间的第二支路。该第三相变压器22C的一次绕组然后连接到另外的AC电力线的第三相导体22C。在该实施例中，该一次绕组的第一末端连接到该第一相导体22C，而第二末端接地。在该实施例中，相变压器的一次绕组是Y-连接的。应该认识到，作为备选，它们还可以是delta-连接的。

图3示意地示出连接到第一相变压器20A的第一模块24。在这里，第一模块示出为具有四个单元CA1A、CA1B、CA2A和CA2B，其中两个在第一支路中点的每个侧上，其中该中点经由电抗器XA连接到变压器20A的二次绕组。在该图中，还存在与第一相变压器20A的一次绕组并联连接的AC侧滤波器。此外，变压器一次绕组的第一末端经由第二断路器BR2和AC断路器的串联连接而连接到另外的AC系统。此外，另外的AC系统示出为对该第一相提供电压源V_ACA连同第二电抗器L2。此外，还示出有控制部件26，其控制单元CA1A、CA1B、CA2A、CA2B以及开关元件SW1A和SW1B的开关。

第二和第三模块在这里将通常包括处于与第一模块相同的位置并且采用与第一模块相同的数量的相同组件。

应该认识到控制部件26还可控制第二和第三模块。作为备选，这些模块具有它们自己的控制部件，这也是可行的。

图4示意地示出可在装置中使用的第一类型的转换器单元CCA。单元CCA是半桥转换器单元，也指示为两级转换器单元，并且包括能量存储元件（在这里采用电容器C的形式），其与第一组开关部件并联连接。第一组中的开关部件彼此串联连接。第一组在这里包括第一开关部件SU1和第二开关部件SU2（示出为虚线框），其中每个开关部件SU1、SU2可采用晶体管（其可以是IGBT（绝缘栅双极晶体管））连同反并联二极管的形式实现。在单元中使用上文描述的开关元件中的任一个来代替IGBT，这是可能的。第一开关部件SU1从而包括第一晶体管T1连同反并联第一二极管D1。第二开关部件SU2包括第二晶体管T2与反并联第二二极管D2。在图4中，第二开关部件SU2的二极管D2在图中向上取向，该二极管D2朝向电容器C，并且并联连接在第二晶体管T2的发射极与集电极之间。第二开关部件SU2与第一开关单元SU1串联连接并且跟在其后，该第一开关部件SU1具有与第二二极管D2相同取向并且与第一晶体管T1并联连接的第一二极管D1。

单元具有第一连接端TE1A和第二连接端TE2A，每个为单元提供到第一支路的连接。在该第一类型的单元中，第一连接端TE1A更特定地提供从第一支路到第一与第二开关部件SU1和SU2之间的结的连接，而第二连接端TE2A提供从第一支路到第一开关部件SU1与电容器C之间的结的连接。这些连接端TE1A和TE2A从而提供在其处单元可以连接到第一支路的点。

电力传递模块从而包括第一支路，其具有彼此级联的适合数量的这样的单元。

如在图3中示出的采用第一类型单元的模块例如可通过以下而获得：将第一单元CA1A的第一连接端经由第一电抗器和第一DC断路器（未示出）连接到DC线路、将第一模块的第二单元CA1B的第一连接端连接到第一单元CA1A的第二连接端、将第三单元CA2A的第一连接端连接到第二单元CA1B的第二连接端、将第四单元CA2B的第一连接端连接到第三单元CA2A的第二连接端并且最后将第四单元CA2B的第二端连接到第二模块的第一连接点。该单元提供零或具有一个类型极性的电压的电压贡献，其在该情况下是正贡献。

图5示意地示出第二类型的半桥转换器单元CCB，其具有与第一类型相同类型的组件并且以相同的方式互连。然而，在这里，第一开关部件SU1后跟第二开关部件SU2。在该第二类型的单元CCB中还存在：连接端TE2B（第二连接端），其在支路与第一和第二开关部件SU1和SU2之间的连接点之间提供连接；以及连接端（第一连接端TE1B），其在支路与第一开关部件SU1和电容器C之间的结之间提供连接。该类型的单元提供零电压贡献或具有与由第一类型的单元提供的电压贡献的极性相同的电压的电压贡献。

图6示意地示出第三类型的转换器单元CCC，其包括具有采用与第一类型单元相同的方式的相同取向的相同类型的组件，即第一和第二开关部件SU1和SU2每个包括在与能量存储元件（在这里也实现为电容器C）并联提供的第一组开关部件中具有反并联的第一和第二二极管D1和D2的第一和第二晶体管T1和T2。然而，在这里还存在彼此串联连接的第二组开关部件。该第二组在这里与第一组以及与能量存储元件并联连接。该第二组在这里包括第三和第四开关部件SU3和SU4，这通过与第三二极管D3反并联的第三晶体管T3并且通过与第四二极管D4（其具有与第一和第二二极管相同的取向）反并联的第四晶体管T4来提供它们。从而在与电容器C并联的另外的支路中提供该第二组。在这里采用与第二类型的单元的第一和第二开关部件相同的方式提供第三和第四开关部件。如在第一类型的单元中，在这里在第一支路与第一和第二开关部件SU1和SU2之间的结之间的连接处提供第一连接端TE1C。在这里采用与第二类型的单元中的第二连接端相同的方式提供第二连接端TE2C。在该第三类型的单元中，第二连接端TE2C从而在第一支路与第三和第四开关元件SU3和SU4之间的结之间提供连接。

如与第一和第二类型的单元相对，该单元CCC是全桥单元，其提供零电压贡献、正电压贡献或负电压贡献。

现在将参考图3更详细地描述根据本发明的装置的功能性。在这里，初始假设使用第一类型的单元。DC电容器（仅其中的第一模块的DC电容器在图3中示出）具有双重功能性，其中第一功能是划分DC线路12上的DC电压使得三分之一的电力线DC电压用于向对应的AC相供电。将简短地描述第二功能。

控制部件26控制开关元件SW1A、SW1B和单元CA1A、CA1B、CA2A和CA2B，用于将AC电力转换成DC电力或反之亦然。示例性装置在这里可在两个功率方向上操作。控制典型地牵涉基于PWM调制以已知的方式由控制部件26产生控制信号，并且将这些控制信号供应给单元CA1A、CA1B、CA2A、CA2B和开关元件SW1A和SW1B。使用装置执行实际电力传递并且每个相模块用于提供一个AC相，其中相电压的相彼此移动了120度。

对于给定相，例如由第一模块24提供的第一相，控制部件26将第一模块的第二开关元件SW1B控制成接通同时控制单元CA1A、CA1B、CA2A和CA2B来形成随时间变化的电压，其中变化是从零到峰值（其对应于跨电容器CA的电压）并且然后回到零。在该第一示例中，峰值是正峰值。在第一支路中，一些单元被绕过（通过提供零电压贡献）并且其他连接到支路内（提供具有正极性的电压贡献）以便提供该变化。从而控制它们来提供正弦半周期以便代表AC电压周期的一半。该变化电压施加在第一相变压器20A的二次绕组的第一末端上。同时，由于第二开关元件SW1B导通，变压器的第二末端与电容器CA有关地具有“零”电压（其对应于跨电容器CB和CC两者的电压）。因此，跨第一相变压器的二次绕组将存在从零变到正峰值并且回到零的电压，这是明显的。

如果接着第一开关元件SW1A导通而第二开关元件SW1B关断，（这在跨二次绕组的第一末端的电压为零时进行）并且之后第一支路上的电压采用与上文描述的相似的方式变化，二次绕组经历电压从零变到峰值的电压（然而，现在具有负极性）并且然后回到零。

因此可以看到相变压器20A的二次绕组经历AC电压。

利用该类型的控制，电容器CA具有许多用途。除用于分压目的外，它还用于切换AC电压的极性。此外，电容器在换向期间对开关SW1A和SW1B提供低磁阻路径。执行的开关也是经济的，因为第二支路中的每个开关元件每基波周期仅开关两次，一次导通一次关断。

第二和第三模块采用相同的方式操作以便获得三相AC电压。

在上文描述的示例中使用的单元是具有第一类型的单元。也使用在图5中示出的第二类型的单元，这是可能的。然后，单元将向相变压器提供电压贡献，其在零与负峰值之间变化。在该情况下，开关元件采用与在上文描述的相反的顺序操作。然而，最后结果是相同的（提供正弦AC电压）。开关损耗由此保持为低的。使用在图6中示出的第三类型的单元，这也是可能的。在这里应该提出，控制部件可控制装置以在转换中注入三次谐波零序列。这些使在装置中执行的转换的效率提高。通过控制动作在转换器中注入三次谐波。利用适合的变压器连接，例如使用delta连接或接地（如果起点浮动），在这些谐波到达AC系统之前去除它们，这是可能的。

在故障情况下，例如在接地故障情况下，断路器用于使装置与另外的AC电力线和DC电力线隔离。

根据本发明的装置具有许多优点。开关元件的数量保持为非常低，单元的数量也一样，由此使装置的成本保持为低的。因为跨变压器绕组将不出现公共模式DC电压，在第一支路中也不需要有任何隔直流电容器。因为串联连接的开关元件的开关脉冲数量是一并且在AC输出电压的每个零交叉处发生切换，开关损耗将非常小。DC电容器对AC电流提供路径。从而，在两个半周期中在上下单元之间共享AC电流。DC电容器对开关的通信电流提供低电感路径。此外，它们在三个电力传递模块之间提供必要的电压分级。当使用第三类型的单元时，可以另外控制它们来提供DC故障电流限制。

控制部件可采用分立组件的形式实现。然而，它还可采用具有随附的程序储存器的处理器的形式实现，该随附的程序处理器包括计算机程序代码，当它在处理器上运行时执行期望的控制功能性。携带该代码的计算机程序产品可以提供作为数据载体，例如携带计算机程序代码的一个或多个CD ROM盘或一个或多个存储器棒，该数据载体在装载到电压源转换器的控制部件内时执行上文描述的控制功能性。

本发明可以采用许多方式改变，这从前面的讨论中显而易见。因此应该认识到本发明仅由下面的权利要求限制。

Claims

1.一种装置（23），用于在直流电力线（12）与交流电力线（22）之间传输电力，其携带具有多个相的电压，所述装置包括：

多个变压器（20A，20B，20C），每个相一个，

多个电力传递模块（24），每个相一个，其在所述直流电力线与地或负直流母线之间串联连接，其中每个模块包括

级联的转换器单元（CA1，CA2，CB1，CB2，CC1，CC2；CA1A，CA1B，CA2A，CA2B），位于第一支路中，所述单元包括与第一组开关部件（SU1，SU2）并联连接的能量存储元件（C），其中每个模块中包含的提供所述模块的电压贡献的所有所述单元设置在该第一支路中，以及

串联连接的开关元件（SW1A，SW2A，SW1B，SW2B，SW1C，SW2C），位于第二支路中，

其中所述第一支路和所述第二支路在模块的第一和第二连接点之间并联连接，变压器（20A，20B，20C）的一次绕组连接到所述交流电力线的对应交流相导体（22A，22B，22C）并且二次绕组连接在对应的电力传递模块的第一支路的中点与第二支路的中点之间，

所述装置（23）进一步包括控制部件（26），所述控制部件（26）配置成控制所述单元的开关以及所述开关元件的开关，

其中所述控制部件在执行所述控制时配置成控制所述单元以在一半周期中在零与峰值电压之间变化并且控制所述开关元件来改变该变化的极性。

2.如权利要求1所述的装置，其中，每个模块进一步包括与所述支路并联的电容器（CA，CB，CC）。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，每个模块进一步包括在所述支路中点中的一个与对应的变压器的二次绕组之间的电抗器（XA，XB，XC）。

4.如权利要求1或2所述的装置，其中，在所述单元和开关元件的控制中的所述控制部件配置成将零序列三次谐波添加到基波AC频率。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述变压器是delta-连接的。

6.如权利要求1或2所述的装置，进一步包括连接在所述直流电力线与所述模块之间的第一断路器（BR1）和所述变压器与所述交流电力线之间的第二断路器（BR2）。

7.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述单元是半桥转换器单元。

8.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述单元是全桥转换器单元。