[发明专利]用于HVDC传输和无功功率补偿的转换器

说明书

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。