轉(zhuǎn)換器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種轉(zhuǎn)換器(2a)，具體來說，公開一種電流源轉(zhuǎn)換器(CSC)。所述轉(zhuǎn)換器包括橋(14a)，所述橋(14a)具有：用于一條或多條AC線路中每條的AC端子(16a至16c)；以及第一和第二DC端子(18a、18b)。轉(zhuǎn)換器臂連接在每個(gè)相應(yīng)AC端子(16a至16c)與所述第一DC端子(18a)之間，并且連接在每個(gè)相應(yīng)AC端子(16a至16c)與所述第二DC端子(18b)之間。每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括能夠通過柵極控制而‘接通’和‘?dāng)嚅_’并具有恢復(fù)時(shí)間的第一功率半導(dǎo)體切換裝置(24)。所述轉(zhuǎn)換器(2a)適于在一個(gè)或多個(gè)逆變模式下運(yùn)行。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
轉(zhuǎn)換器
本專利技術(shù)是涉及轉(zhuǎn)換器(converter)，并且具體涉及電流源轉(zhuǎn)換器(CSC)，所述電流源轉(zhuǎn)換器尤其用于要求最大功率轉(zhuǎn)換效率和可用性的高壓直流(HVDC)點(diǎn)到點(diǎn)式傳輸鏈路和HVDC多端子式電網(wǎng)。
技術(shù)介紹
線路換向轉(zhuǎn)換器(LCC,或稱為“電網(wǎng)換相換流器”;line commutated (!converter)屬于電流源轉(zhuǎn)換器(CSC)類型并且可用于高壓交流(HVAC)電力網(wǎng)絡(luò)或者電網(wǎng)間的高壓直流(HVDC)傳輸鏈路。LCC在整流(功率傳送)和逆變(功率接收)端子中采用了自然換向晶閘管橋(commutated thyristor bridges)。通過此類HVDC傳輸鏈路的功率流可以是可逆的，同時(shí)HVDC傳輸電流是單極的。HVDC傳輸鏈路電壓同樣必須是可逆的，并且這可使用所熟知的相控原理實(shí)現(xiàn)。對(duì)可逆HVDC傳輸鏈路電壓的要求在HVDC電纜絕緣選擇上施加嚴(yán)格限制，并且這使得接近理想的彈性體電纜絕緣系統(tǒng)的使用成為不可能。對(duì)可逆HVDC傳輸鏈路電壓的要求也在潛在采用多端子式HVDC電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)方面施加嚴(yán)格限制，當(dāng)采用單極HVDC傳輸鏈路電壓時(shí)，所述多端子式HVDC電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)僅僅在允許所有端子處的可逆功率流的情況下完全有效。自然換向晶閘管橋是用于AC至DC以及DC至AC功率轉(zhuǎn)換的最有效率且最可靠的手段，但此優(yōu)點(diǎn)因?qū)πＵ褂孟嗫卦碓斐傻腍VAC電網(wǎng)端子功率因數(shù)和諧波畸變的要求而在很大程度上受到抵制 。相控用于調(diào)節(jié)通過HVDC傳輸鏈路的功率流，同時(shí)相應(yīng)HVAC電網(wǎng)電壓變化，并且以往，已經(jīng)使用非常大的切換無源濾波器和功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)來對(duì)使用相控造成的HVAC電網(wǎng)端子功率因數(shù)和諧波畸變進(jìn)行補(bǔ)償。最近，已經(jīng)采用靜態(tài)補(bǔ)償器來簡化并且減少對(duì)切換補(bǔ)償系統(tǒng)的需要。對(duì)補(bǔ)償諧波畸變和功率因數(shù)的要求隨著相應(yīng)HVAC電網(wǎng)電壓范圍和關(guān)聯(lián)的相控范圍增大而加劇。在嚴(yán)重HVAC電網(wǎng)電壓驟降過程中，無法實(shí)現(xiàn)安全逆變LCC通信,這是因?yàn)樗蟮南嗫胤秶c晶閘管換向(commutation)要求不一致，并且出于同一原因，逆變LCC無法使得已斷電(de-energised)的HVAC電網(wǎng)系統(tǒng)通電(energise)。盡管存在上述缺點(diǎn)，LCC功率傳輸效率仍使得LCC通常是高功率的點(diǎn)到點(diǎn)式HVDC傳輸鏈路的優(yōu)選解決方案。標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)H) IEC/TR62544-2011 (高壓直流(HVDC)系統(tǒng)-有源濾波器的應(yīng)用)預(yù)期:使用串并聯(lián)模式并混合的DC側(cè)有源濾波器的DC側(cè)諧波抑制(mitigation);使用并串聯(lián)模式并混合的AC側(cè)有源濾波器的AC側(cè)諧波抑制；以及混合有源濾波器系統(tǒng)的并串聯(lián)模式部件之間的DC鏈路耦合。這些有源系統(tǒng)采用強(qiáng)制換向電力電子電路，其對(duì)本質(zhì)簡單且穩(wěn)健的LCC拓?fù)湓鎏砹藦?fù)雜性。采用強(qiáng)制換向晶閘管的CSC已被提出作為用于抑制LCC的部分上述缺陷的手段，但是所提出的電路除了本質(zhì)簡單且穩(wěn)健的LCC拓?fù)渫膺€包括了大而復(fù)雜的輔助換向電路。最近，電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)已越來越多地用在具有適度高的功率額定值的HVDC傳輸鏈路系統(tǒng)中。VSC通過允許HVDC傳輸鏈路電流逆向來實(shí)現(xiàn)可逆功率流，從而允許使用單極HVDC傳輸鏈路電壓和具有接近理想的彈性體絕緣系統(tǒng)的電纜。VSC還解決了 LCC的HVAC電網(wǎng)諧波和功率因數(shù)限制。另外，在對(duì)有功和無功功率的接近獨(dú)立的控制中，VSC已經(jīng)能有助于HVAC電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定性。所有轉(zhuǎn)換器都受到折衷。盡管VSC克服了 LCC的已知限制性，但其引發(fā)功率損耗增加或效率降低的不利情況。在多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，VSC尚未能夠限制HVDC傳輸鏈路短路(或低電阻)故障電流。因此，在VSC方面的近期發(fā)展活動(dòng)涉及嘗試克服這些不利情況。VSC技術(shù)已經(jīng)在以下四個(gè)演化階段中得到發(fā)展:?帶有串聯(lián)連接IGBT的兩電平脈寬調(diào)制(PWM)VSC首先解決LCC的限制性，但是效率下降嚴(yán)重并且DC故障電流不能被限制。已使用大型高性能的無源濾波器來最小化PWM臂電壓的影響。HVDC傳輸鏈路短路故障電流包括來自DC鏈路電容器的大量突波(inrush)分量。.帶有串聯(lián)連接IGBT的三電平PWM VSC改進(jìn)效率、無源濾波器規(guī)格和VSC益處之間的平衡。HVDC傳輸鏈路短路故障電流包括來自DC鏈路電容器的經(jīng)減少但仍大量的突波分量。?通過串聯(lián)連接各自包含基礎(chǔ)VSC元件的模塊鏈，最近已從現(xiàn)有兩電平VSC元件得出多電平模塊化轉(zhuǎn)換器(MMC)VSC。這些模塊鏈以橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接起來，并且正弦電壓和反相(ant1-phase)正弦電壓的步進(jìn)近似而分別在每個(gè)特定相的正臂和負(fù)臂中合成。最原始的半橋MMC所具有的效率大于三電平PWM VSC,但不能限制DC故障電流，而H橋MMC能限制DC故障電流，但所具有的功率損耗是半橋MMC的近兩倍。每個(gè)MMC模塊具有DC鏈路電容器，所述DC鏈路電容 器的電壓必須通過調(diào)節(jié)MMC模塊功率流來控制并且其電容足以限制模塊DC鏈路電壓紋波。這些MMC采用極復(fù)雜的IGBT點(diǎn)火序列以便合成步進(jìn)電壓波形，所述步進(jìn)電壓波形必須適于HVAC電網(wǎng)電壓和線路電流，同時(shí)還適于MMC模塊內(nèi)的部件故障影響并且調(diào)節(jié)DC鏈路電容器電壓。正由于單獨(dú)IGBT在HVAC電網(wǎng)基頻下切換并且切換損耗是最小的，因此MMC VSC效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PWM VSC效率。臂電壓的步進(jìn)合成已經(jīng)允許無源濾波器的大小和復(fù)雜性相對(duì)于PWM VSC中的無源濾波器有所減小。通過模塊化且可縮放至高功率和高電壓額定值，MMC VSC已經(jīng)徹底改變了 VSC應(yīng)用范圍。HVDC傳輸鏈路短路故障電流仍然包括來自DC鏈路電容器的大量突波分量，但這可通過采用保護(hù)性點(diǎn)火序列得到部分抑制。?最近，將包括串聯(lián)連接IGBT的常規(guī)準(zhǔn)方波VSC橋與配置用于充當(dāng)DC鏈路并聯(lián)模式或臂內(nèi)串聯(lián)模式有源濾波器的MMC VSC混合已公開為一種將MMC VSC的諧波和功率因數(shù)抑制能力與準(zhǔn)方波VSC的有效率功率處理組合的手段。零電壓切換在準(zhǔn)方波VSC電路中的IGBT中實(shí)現(xiàn)。帶有DC并聯(lián)模式MMC VSC有源濾波的混合布置無法限制DC故障電流，但受益于相對(duì)三相MMC VCSC而復(fù)雜性減小的MMC，并且具有比三相MMC VSC大的效率。并聯(lián)模式MMC VSC有源濾波器同時(shí)抑制DC和AC側(cè)諧波效應(yīng)的能力存在明顯折衷。帶有臂內(nèi)串聯(lián)模式MMC VSC有源濾波的混合布置可限制DC故障電流，但存在所具有的MMC復(fù)雜性與三相MMC VSC的復(fù)雜性相當(dāng)?shù)牟焕闆r，并且具有比經(jīng)DC并聯(lián)模式MMC濾波混合更低的效率。由于這些混合電路中采用了 VSC技術(shù)，HVDC傳輸鏈路短路故障電流仍然包括來自MMC模塊DC鏈路電容器的大量突波分量，但這可通過采用保護(hù)性點(diǎn)火序列得到部分抑制。因此，本專利技術(shù)是尋求更好地將可快速限制AC和DC側(cè)故障電流的、有效率的整流和逆變功率轉(zhuǎn)換電路與有源DC紋波、AC諧波和功率因數(shù)抑制電路混合。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)是提供一種電流源轉(zhuǎn)換器(CSC)，所述電流源轉(zhuǎn)換器保留常規(guī)線路換向轉(zhuǎn)換器(LCC)在效率、可用性和DC故障電流限制優(yōu)點(diǎn)上的益處，同時(shí)克服了其運(yùn)行缺點(diǎn)，所述運(yùn)行缺點(diǎn)已知包括對(duì)DC鏈路電壓逆向以實(shí)現(xiàn)可逆功率流的要求、對(duì)逆變器換向故障的敏感性和不良AC功率因數(shù)。同時(shí)，本專利技術(shù)的轉(zhuǎn)換器能以類似于常規(guī)電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)的方式來使用，例如，在點(diǎn)到點(diǎn)式DC傳本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種轉(zhuǎn)換器(2a)，所述轉(zhuǎn)換器(2a)包括：橋(14a)，所述橋(14a)具有：用于一條或多條AC線路中每條的AC端子(16a至16c)；第一和第DC端子(18a、18b)；連接在每個(gè)相應(yīng)AC端子(16a至16c)與所述第一DC端子(18a)之間的轉(zhuǎn)換器臂；以及連接在每個(gè)相應(yīng)AC端子(16a至16c)與所述第二DC端子(18b)之間的轉(zhuǎn)換器臂，每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括能夠通過柵極控制而‘接通’和‘?dāng)嚅_’并具有恢復(fù)時(shí)間的第一功率半導(dǎo)體切換裝置(24)；其中所述轉(zhuǎn)換器(2a)適于在以下逆變模式中的一個(gè)或多個(gè)下運(yùn)行：(a)自然換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置在參考時(shí)間前的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘接通’，以使所述傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下增加并且傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下減少，所述傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置在所述參考時(shí)間上通過柵極控制而‘?dāng)嚅_’，并且所述可用電路換向斷開時(shí)間大于在施加開路柵極端子偏置時(shí)所適用的所述恢復(fù)時(shí)間，(b)自然換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置在參考時(shí)間前的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘接通’，以使所述傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下增加并且傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下減少，所述傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置在所述參考時(shí)間上通過柵極控制而斷開’，并且所述可用電路換向斷開時(shí)間短于施加開路柵極端子偏置時(shí)所適用的所述恢復(fù)時(shí)間，所述可用電路換向斷開時(shí)間可選地為零或者接近于零，以及(c)組合的自然換向和柵極換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置在參考時(shí)間前的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘接通’，以使所述傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下增加并且傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下減少，所述傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置在所述參考時(shí)間上或者在延遲超過所述參考時(shí)間的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘?dāng)嚅_’，并且所述可用電路換向斷開時(shí)間要比零小。...

【技術(shù)特征摘要】
2013.03.01 EP 13157461.81.一種轉(zhuǎn)換器(2a)，所述轉(zhuǎn)換器(2a)包括: 橋(14a),所述橋(14a)具有:用于一條或多條AC線路中每條的AC端子(16a至16c)；第一和第DC端子(18a、18b);連接在每個(gè)相應(yīng)AC端子(16a至16c)與所述第一 DC端子(18a)之間的轉(zhuǎn)換器臂；以及連接在每個(gè)相應(yīng)AC端子(16a至16c)與所述第二 DC端子(18b)之間的轉(zhuǎn)換器臂，每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂包括能夠通過柵極控制而‘接通’和‘?dāng)嚅_’并具有恢復(fù)時(shí)間的第一功率半導(dǎo)體切換裝置(24)； 其中所述轉(zhuǎn)換器(2a)適于在以下逆變模式中的一個(gè)或多個(gè)下運(yùn)行: (a)自然換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置在參考時(shí)間前的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘接通’，以使所述傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下增加并且傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下減少，所述傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置在所述參考時(shí)間上通過柵極控制而‘?dāng)嚅_’，并且所述可用電路換向斷開時(shí)間大于在施加開路柵極端子偏置時(shí)所適用的所述恢復(fù)時(shí)間， (b)自然換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置在參考時(shí)間前的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘接通’，以使所述傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下增加并且傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下減少，所述傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置在所述參考時(shí)間上通過柵極控制而斷開’，并且所述可用電路換向斷開時(shí)間短于施加開路柵極端子偏置時(shí)所適用的所述恢復(fù)時(shí)間，所述可用電路換向斷開時(shí)間可選地為零或者接近于零，以及 (C)組合的自然換 向和柵極換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置在參考時(shí)間前的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘接通’，以使所述傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下增加并且傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置中陽極電流在確定速率下減少，所述傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置在所述參考時(shí)間上或者在延遲超過所述參考時(shí)間的時(shí)間點(diǎn)上通過柵極控制而‘?dāng)嚅_’，并且所述可用電路換向斷開時(shí)間要比零小。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器(2a)，其進(jìn)一步適于在以下模式下運(yùn)行: (d)柵極換向逆變模式，其中在每個(gè)換向事件期間，傳出第一功率半導(dǎo)體切換裝置通過柵極控制而‘?dāng)嚅_’，而無需傳入第一功率半導(dǎo)體切換裝置通過柵極控制而‘接通’。3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換器(2a)，其進(jìn)一步適于在自然換向整流模式下運(yùn)行。4.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器(2a)，其中所述第一功率半導(dǎo)體切換裝置(24)全部屬于同一類型，可選地是柵極斷開晶閘管(GTO)或者柵極換向斷開晶閘管(GCT)。5.根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器(2a)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂進(jìn)一步包括能夠通過柵極控制而‘接通’的第二功率半導(dǎo)體切換裝置(26)，可選地是晶閘管，并且其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器臂中的所述第一和第二半導(dǎo)體切換裝置(24、26)反并聯(lián)地連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器(2a)，其中當(dāng)所述轉(zhuǎn)換器(2a)作為逆變器運(yùn)行時(shí)，所述第二功率半導(dǎo)體切換裝置(26)未通過柵極控制而‘接通’。7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)換器(2a)，其中...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：AD克雷恩，WM布勒維特，
申請(專利權(quán))人：通用電氣能源能量變換技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：英國;GB