CN104160607A - 用于hvdc背靠背换流器的变压器配置 - Google Patents

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Abstract

一种AC-AC换流器系统(500)包括分别在系统的初级和次级侧(550a、550b的)变压器布置和HVDC换流器单元(540a、b)。该换流器系统连接至第一和第二AC网络(550a、b)并且换流器单元通过DC链路(560、562)来互连。通过将分别连接至第一和第二网络的两个变压器的至少一部分集成在一个变压器单元(530a-c)中，可以实现成本有效的变压器配置。换流器系统优选地为背靠背HVDC系统。

Description

用于HVDC背靠背换流器的变压器配置
技术领域
本发明一般地涉及AC-AC换流器高压直流(HVDC)系统，并且更具体地涉及，包括变压器布置和换流器单元的AC-AC换流器系统。
背景技术
从1954年称为经典HVDC的第一个HVDC传输投入使用开始，HVDC部件的优点已经在商业上被采用。汞弧阀最终被高功率晶闸管取代，并且DC传输装置已经达到数GW，超过+/-800kV，并且距离约1000公里。1997年，引入了称为轻型HVDC的新类型的HVDC换流站和HVDC传输。
HVDC换流器桥与线路或电缆可以被布置成多种配置以供有效利用。为了例如互连两个异步AC电力网或调节AC电力网中的功率流，在背靠背配置中，两个HVDC换流器在DC侧或多或少地彼此直接连接。在例如日本、巴西、阿根廷，使用背靠背DC链路来用于在不同的频率(50和60 Hz)的电力系统网络之间的互连。
HVDC功率换流器的主要部分是阀或阀臂。如果阀或阀臂由串联的一个或多个功率二极管串联来构成，则可能是不可控的，或者如果由串联的一个或多个晶闸管来构成，则可以是可控的。图1a示意性地示出了用于传统六脉动换流器单元5的电路网络。经典HVDC中的标准桥或换流器阀组10被定义为包括如图1a中所示的连接到一个或多个物理变压器单元30的6个阀20或阀臂的双路连接。在HVDC阀组和AC系统之间流动的电力是三相的。当功率从AC系统流动到DC阀组中时，那么其被认为是整流器。如果功率从DC阀组流动到AC系统，则其是逆变器。每个阀由晶闸管模块中很多串联连接的晶闸管组成。图1a表示对于六脉动阀组配置的电路网络描绘。图1 b是六脉动换流器单元的图形符号。
如今，几乎所有的具有晶闸管阀的HVDC功率换流器都被装配在十二脉动配置的换流器桥中。图2a示出了具有2个三相换流器变压器31、32的十二脉动换流器，其中一个DC侧绕组作为未接地的星形连接31并且另一个为三角形配置32。因此，对构成十二脉动阀组40的每个六脉动阀组10施加的AC电压具有30°的相位差，这用于消除AC侧的五次和七次谐波电流以及DC侧的六次谐波电压，从而使得显著节省谐波滤波器。图2a还示出了围绕单个垂直堆叠中的4个阀的三个组中的每一个的概况50。这些被称为“四重阀(quadrivalves)”，并且通过串联堆叠4个阀来被装配为单阀结构。因为晶闸管的额定电压是数kV，所以500kV的四重阀可能具有串联连接的数百个单个晶闸管的阀组或晶闸管模块。图2b是十二脉动换流器单元的图形符号。
图3是通过传统背靠背十二脉动AC-AC换流器的方案，包括AC入口50a、AC出口50b、假设以背靠背配置布置的两个十二脉动HVDC换流器单元40。换流器单元由控制单元来控制(未示出)。根据图2a，每个换流器单元包括串联的2个六脉动阀组。入口阀组经由单独的入口变压器30a连接到AC入口，并且出口阀组经由单独的出口变压器30b连接到AC出口。
一起形成变压布置的十二脉动HVDC换流器设置的换流器变压器可以采取不同的配置，参见图4a-d。其中示出的配置包括一个单十二脉动组，这用作用于HVDC换流器系统的基本构成块。十二脉动组可从中性点施加到极(单极配置)，其中2个十二脉动组施加到不同的电压极性的极(双极配置)，或者在换流器的中间的中性点具有中点接地，使得六脉动组在中性点和极之间。在不同的配置中使用的变压器是三相三绕组变压器(图4a)、三相两绕组变压器(图4b)、单相三绕组变压器(图4c)和单相两绕组变压器(图4d)。
HVDC系统是昂贵的，所以期望能够在考虑到需要备用HVDC变压器的情况下对给定的HVDC系统拓扑选择最成本有效的HVDC变压器配置。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于具有约25kV的DC电压范围的传输系统的成本有效的HVDC变压器配置。
本发明是基于下述认识：在诸如HVDC换流器系统中的变压器的背靠背AC-AC换流器系统中的不同侧的变压器的地理接近、或者具有在不同物理变压器单元之间的地理接近的其他系统，产生了将不同变压器功能集成到一个单个变压器单元中的可能性。
根据本发明，提供了一种如所述权利要求1中定义的AC-AC换流器系统。因此，提供了一种AC-AC换流器系统，包括：至少一个第一变压器布置，具有可连接到第一三相AC网络的初级侧和次级侧；至少一个第一HVDC换流器单元，连接到第一变压器布置的次级侧；至少一个第二变压器布置，具有可连接到第二三相AC网络的初级侧和次级侧；至少一个第二HVDC换流器单元，连接到第二变压器布置的次级侧，其中，第一和第二HVDC换流器单元通过DC连接来互连，该系统的特征在于，两个变压器布置的至少一部分被集成在一个变压器单元中。
在优选实施例中，变压器单元包括两相变压器。在本说明书中，表述“两相变压器”应当被宽泛地解释，并且从而包括具有来自同一三相网络中的两相的变压器以及具有来自两个不同的AC网络的两相的变压器。通过提供具有两相变压器的AC-AC换流器系统，特别是在考虑到备用变压器单元时，执行HVDC系统中的变压器功能所需要的变压器单元的总数目通常被减少。
换流器单元优选地是十二脉动换流器单元，并且变压器布置中的每一个连接到十二脉动换流器单元中的一个换流器单元。
在一个实施例中，第一和第二HVDC换流器单元通过DC连接来背靠背地互连。这允许第一和第二AC网络的变压器功能的集成。
在另一优选实施例中，两相变压器是两相三绕组变压器。
在一个实施例中，至少一个第一变压器布置的两个第一变压器布置的一部分被集成在一个变压器单元中。这消除了在单极或双极电能传输系统中的设备的限制，诸如换流器的最大电压和电流、变压器的传输限制等。
其他优选实施例由从属权利要求来限定。
附图说明
现在参考附图通过示例的方式来描述本发明，在附图中：
图1a示意性地示出了用于传统六脉动阀组换流器单元的电路网络。
图1b示出了根据图1a的六脉动换流器单元的图形符号。
图2a示意性地示出了用于传统十二脉动阀组换流器单元的电路网络。
图2b示出了根据图2a的十二脉动换流器单元的图形符号。
图3是通过传统背靠背十二脉动AC-AC换流器系统的方案。
图4a-4d示出了不同HVDC变压器布置配置。
图5是根据本发明的AC-AC换流器系统的方案。
图5a是包括在图5的AC-AC换流器系统中的变压器功能的具体方案。
图6-9示出了将不同变压器功能集成到一个变压器单元的实现的不同实施例。
具体实施方式
在下文中，将给出根据本发明的AC-AC换流器系统的不同实施例的详细描述。在该上下文中，表述“变压器布置”应当被解释为可连接到同一AC网络的变压器组。而且，表述“变压器单元”应当被解释为设置有一个或多个变压器的物理单元或箱。“AC”将用作“交流”的缩写并且“DC”用作“直流”的缩写。因此，表述“DC连接”是通过直流传送电能的两个位置之间的电连接。
图5是根据本发明的通过使用图4c的一般变压器配置的背靠背十二脉动AC-AC换流器系统的方案，通常表示为500。该系统包括AC入口550a、AC出口550b、以及以背靠背配置布置的两个十二脉动HVDC换流器单元540a、540b。该换流器单元由控制单元(未示出)来控制。根据图2a，每个换流器单元包括串联的两个六脉动阀组。
入口换流器单元540a经由由第一变压器布置提供的入口变压器功能来连接到AC入口550a，并且出口换流器单元540b经由由第二变压器布置提供的出口变压器功能来连接到AC出口。这些变压器功能或布置对应于图4c中示出的单相三绕组配置。然而，背靠背换流器系统500的每一侧的变压器功能的地理接近产生了将换流器的两个不同侧的变压器功能集成到一个单个变压器单元中——两相变压器的可能性(因为其所连接到的AC网络彼此分离)。特别有吸引力的配置是两相三绕组变压器，因为服务变压器功能所需要的变压器单元的数目仅仅是三个变压器。在图5中，示出了如何将变压器功能集成到三个两相三绕组变压器中，表示为530a、530b和530c。
在一个实施例中，两相变压器被实现为在同一箱中的两个独立的有源部件，即，芯部和绕组。因此，在同一变压器壳体内设置两个单独的变压器芯部。参考图5a，示出了用圆圈圈出的一个单相三绕组芯部，在一个实施例中，两个这样的单相三绕组芯部共同位于一个变压器箱中。
在替代实施例中，所有绕组被设置在芯式变压器的一个单个物理变压器芯部上。在该情况下，芯部的一部分用作用于磁通的返回路径。两相变压器在同一变压器芯部的解决方案的一个示例可以是变换成一个单个芯部设计的两个单相芯部设计，两个单相芯部设计中的每一个都具有一个绕线柱以及用于磁通的两个非绕线返回柱，一个单个芯部设计具有两个绕线柱、用于返回磁通的两个非绕线柱以及用于返回磁通的非绕线中心柱。可以设想，芯部类型类似于不具有中心芯柱上的绕组的非绕线外部芯柱的三相芯部。单芯部设计减少了产生芯部以及组合的铁芯和绕组所需要的劳动。
与传统系统相比，根据本发明的具有三相三绕组变压器的AC-AC换流器系统的优点从下表中是显而易见的。
图6是根据本发明的通过使用图4d的变压器配置的替代背靠背十二脉动AC-AC换流器系统的方案，通常表示为600。该系统包括AC入口650a、AC出口650b、以及以背对被配置布置的两个十二脉动HVDC换流器单元640a、640b。该换流器单元由控制单元(未示出)来控制。根据图2a，每个换流器单元包括串联的两个六脉动阀组。
入口换流器单元640a经由入口变压器功能来连接到AC入口650a，并且出口换流器单元640b经由出口变压器功能来连接到AC出口。这些变压器功能对应于图4d中示出的单相两绕组配置。而且，在该实施例中，变压器功能的地理接近产生了将换流器的两个不同侧的变压器功能集成到一个单个变压器单元中的可能性。在图6中，示出了如何将在两侧的一个单相两绕组功能的变压器功能集成到一个两相两绕组变压器630a中。其他变压功能相应地被集成到两相两绕组变压器单元中，得到6个变压器单元630a-630f。
现在参考图7，其中示出了通常表示为700的双极系统。该系统包括4个十二脉动换流器单元740a-d，两个设置在AC入口侧750A并且两个设置AC出口侧750b。两侧通过中性线760、正极线762和负极线764来互连。该系统通常用于电能的长距离传输。这意味着，两侧的变压器的功能：AC入口侧和AC出口侧，没有被设置在在地理上彼此接近。然而，AC入口侧750a的两个换流器单元740a、740b以及相应地AC出口侧750b的两个换流器单元740c、740d被设置为在地理上彼此接近的事实使得本发明的原理也可以适用于这种系统。
在该实施例中，双极中的两个极的同一变压器功能被集成到同一变压器单元中。因此，一个示例是，在图7中圈出的变压器功能被集成到同一物理变压器单元730a中。其他变压器功能以相同的方式被集成，产生了总共12个变压器单元：6个在AC入口侧750a并且6个在AC出口侧750b。这消除了设备中的限制，诸如换流器的最大电压和电流、变压器的传输限制等。
现在参考图8，其中示出了通常表示为800的单极系统。该系统包括4个十二脉动换流器单元840a-d，两个设置在AC入口侧850a，并且两个设置在AC出口侧850b。两侧通过正极线860和中性线862来互连。该系统的装置通常用于电能的远距离传输。
入口换流器单元840a、840b经由单独的入口变压器功能来连接到AC入口850a，并且出口换流器单元840c、840d经由单独的出口变压器功能来连接到AC出口侧850b。该变压器配置对应于图4d中示出的那些。
在该情况下，设置在一侧，即AC入口侧850a或AC出口侧850b的变压器功能，被设置在同一地理位置并且彼此接近。
在该实施例中，变压器将双极的两个极的相同变压器功能集成在同一变压器单元中。因此，一个示例是，图8中圈出的变压器功能被集成在同一物理单元830a中。其他变压器功能以相同的方式被集成，集成在相同的方式，产生了总共12个变压器单元：6个在AC入口侧850a并且6个在AC出口侧850b。这可以消除设备中的限制，诸如换流器的最大电压和电流、变压器的传输限制等。
本发明的原理还适用于并联连接的换流器单元。图9中示出了一个这样的示例，其中示出了通常表示为900的单极系统。该系统包括三个十二脉动换流器单元940a-c，两个940a、940b被并联设置在AC入口侧950a，并且一个940c被设置在AC出口侧950b。两侧通过正极线960和中性线962来互连。该系统的装置通常用于电能的远距离传输。
入口换流器单元940a、940b经由单独的入口变压器功能来连接到AC入口950a，并且出口换流器单元940c经由单独的出口变压器功能来连接到AC出口侧950b。该变压器配置对应于图4d中示出的那些。
在该情况下，设置在一个AC入口侧950a的变压器功能被设置在同一地理位置并且彼此接近。
在该实施例中，变压器将AC入口侧950的两个并联支柱的相同变压器功能集成在同一变压器单元中。因此，一个示例是，图9中圈出的变压器功能被集成在同一物理单元930a中。其他变压器功能以相同的方式被集成，导致在AC入口侧的总共6个变压器单元。这可以消除设备中的限制，诸如换流器的最大电压和电流、变压器的传输限制等。
在所描述的HVDC系统的实施例中，已经示出了在经典HVDC中使用的LLC型换流器。应当理解，本发明的原理还适用于使用VSC换流器的轻型HVDC。
虽然已经参考HVDC应用产生了示例性实施例，但是应当认识到，本发明原理适用于具有背靠背布置的换流器的任何AC-AC换流器系统。在该上下文中，术语“背靠背”应当被解释为来自两侧的换流器的一部分处于同一地理位置并且彼此接近的任何配置。

Claims (11)

1.一种AC-AC换流器系统(500；600；700；800；900)，包括：
-至少一个第一变压器布置，具有可连接到第一三相AC网络(550a；650a；750a；850a；950a)的初级侧并且具有次级侧；
-至少一个第一HVDC换流器单元(540a；640a；740a、b；840a、b；940a、b)，连接到所述第一变压器布置的所述次级侧；
-至少一个第二变压器布置，具有可连接到第二三相AC网络(550b；650b；750b；850b；950b)的初级侧并具有次级侧；
-至少一个第二HVDC换流器单元(540b；640b；740c、d；840c、d；940c)，连接到所述第二变压器布置的所述次级侧，
其中，所述第一HVDC换流器单元和所述第二HVDC换流器单元通过DC连接(560、562；660、662；760、762、764；860、862；960、962)来互连，
其特征在于，两个变压器布置的至少一部分被集成在一个变压器单元(530a-c；630a-f；730a-f；830a-f；930a-f)中。
2.根据权利要求1所述的AC-AC换流器系统，其中，所述第一HVDC换流器单元(540a；640a)和所述第二HVDC换流器单元(540b；640b)通过所述DC连接(560、562；660、662)来背靠背地互连。
3.根据权利要求2所述的AC-AC换流器系统，其中，所述至少一个第一变压器布置中的第一变压器布置的一部分和所述至少一个第二变压器布置中的第二变压器布置的一部分被集成在一个变压器单元(530a-c；630a-f)中。
4.根据权利要求1-3中的任何一项所述的AC-AC换流器系统，其中，所述变压器单元包括两相变压器(530a-c；630a-f；730a-f；830a-f；930a-f)。
5.根据权利要求4所述的AC-AC换流器系统，其中，所述变压器是两相三绕组变压器(530a-c)。
6.根据权利要求4所述的AC-AC换流器系统，其中，所述变压器是两相两绕组变压器(630a-f；730a-f；830a-f；930a-f)。
7.根据权利要求1-6中的任何一项所述的AC-AC换流器系统，其中，两个单独的变压器芯部被设置在同一变压器壳体内。
8.根据权利要求1-6中的任何一项所述的AC-AC换流器系统，其中，所有绕组都被设置在一个单个物理变压器芯部上。
9.根据权利要求8所述的AC-AC换流器系统，其中，所述变压器单元包括下述芯部设计：所述芯部设计具有两个绕线柱和两个外部返回柱以及用于返回通量的非绕线中心柱。
10.根据权利要求1所述的AC-AC换流器系统，其中，所述至少一个第一变压器布置中的两个第一变压器布置的一部分被集成在一个变压器单元(730a-f；830a-f；930a-f)中。
11.根据权利要求1-10中的任何一项所述的AC-AC换流器系统，其中，所述HVDC换流器单元(540a、b；640a、b；740a-d；840a-b；940a-c)中的每一个是十二脉动换流器单元，并且所述变压器布置中的每一个变压器布置连接到所述十二脉动换流器单元中的一个十二脉动换流器单元。
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