電壓源轉換器的製作方法

2024-03-06 18:36:15 1

本發明涉及電壓源轉換器。

在高壓直流(hvdc)輸電網中，交流(ac)電力通常轉換成直流(dc)電力，以用於經由高架線和/或海底電纜的傳輸。這個轉換消除對於補償輸電介質（即輸電線或電纜）所施加的ac電容負載效應的需要，以及降低每公裡線路和/或電纜的成本，並且因而在電力需要通過長距離傳送時變為成本有效的。

dcc電力與ac電力之間的轉換還用於必需互連dc和ac電網的輸電網中。在任何這種輸電網中，在ac與dc電力之間的每個接口處要求轉換器以實現要求的轉換：ac到dc或者dc到ac。一種這樣的轉換器是電壓源轉換器(vsc)。

按照本發明的第一方面，提供一種用於互連第一和第二電網的電壓源轉換器，該電壓源轉換器包括轉換器結構，其包括：

用於到第一電網的連接的第一端子；

用於到第二電網的連接的第二端子；

連接在第一與第二端子之間的至少一個模塊，該或每個模塊包括至少一個能量存儲裝置和至少一個開關元件，該或每個能量存儲元件和開關元件可操作以便有選擇地提供電壓源；以及

集成無源故障電流限制器，配置成在電壓源轉換器的正常操作期間對電壓源轉換器中流動的正常電流呈現第一阻抗，並且配置成在故障狀況期間對電壓源轉換器中流動的故障電流呈現第二阻抗，第一阻抗低於第二阻抗。

故障電流限制器的無源性質自動準許其操作，即第一較低阻抗或第二較高阻抗的選擇性呈現，而無需例如通過人或控制算法的任何形式的有源控制，即持續監控。

同時，與常規電壓源轉換器相比，呈現第一較低阻抗或第二較高阻抗的所述能力改進本發明的電壓源轉換器的性能。

這種改進性能是顯然的，首先因為較低的第一阻抗在電壓源轉換器的正常操作期間提供對電網之一中的電壓的更好利用，並且由此準許給定電力量以比否則在例如包含較高固定阻抗時會發生的損耗要低的損耗在第一與第二電網之間傳遞。

其次，第二較高阻抗在故障狀況期間對第一與第二端子之間的該或每個模塊中的該或每個開關元件提供一定程度的保護，並且因此準許使用較低電流定額的開關元件(其因而不太笨重並且不太昂貴)，同時避免對附加固定阻抗的需要(其如上所述否則在其正常操作期間會使電壓源轉換器的效率降級)。

優選地，第二阻抗充分高，以便將故障電流的增加率限制到預定級別。

呈現這種第二阻抗的能力允許故障電流的預定增加率被選擇成使得在故障狀況的開始之後提供充分延遲，以便在故障電流超過該或每個模塊中的該或每個開關元件的電流定額之前準許較慢行動的保護元件的操作，例如電網之一中的斷路器的斷開。

依靠較慢行動的保護元件的所產生能力準許從該或每個模塊中省略快速行動的保護元件（例如晶閘管），並且由此極大地降低該或每個這種模塊的複雜度和成本。

可選地，第二阻抗充分高，以便還將故障電流限制到處於或低於該或每個模塊中的該或每個開關元件的電流定額的級別。

這種第二阻抗為本發明的電壓源轉換器提供故障穿越能力，由此轉換器能夠耐受故障狀況，而甚至無需操作較慢行動的保護元件（例如斷路器）。避免操作這種保護元件的需要是特別期望的，因為它通常中斷第一與第二電網之間的電力流，並且由此使關聯輸電方案的用戶感到不便（因為此後需要電壓源轉換器在對應電網能夠被重新連接之前經過啟動序列和檢查）。

故障電流限制器可以是或者包括按照流經其的電流的級別在第一低阻抗狀態與第二高阻抗狀態之間轉變的材料。

作為或者包括這種材料的故障電流限制器合乎需要地準許第一較低阻抗或第二較高阻抗的自動呈現，而無需通過人或控制算法的任何監控，並且因此易於促進本發明的電壓源轉換器的複雜度的顯著降低。

在本發明的優選實施例中，材料是或者包括超導材料，其具有在流經其的電流超過電流閾值時發生變化的電阻。

這種超導材料能夠提供第一與第二阻抗之間的合乎需要的高比率，以便允許正常操作期間的電壓源轉換器的改進效率，同時還提供故障狀況期間的高故障電流阻斷性能。

優選地，超導材料配置成為故障電流限制器提供非線性電阻特性。

具有非線性電阻特性的故障電流限制器當交流或直流流經其時按照流經其的電流的級別在第一低阻抗狀態與第二高阻抗狀態之間轉變，並且因此在它能夠集成於轉換器結構中的位置方面提供許多靈活性。

超導材料可配置成為故障電流限制器提供非線性電感特性。

具有非線性電感特性的故障電流限制器能夠被優化成當交流電流流經其時在第一低阻抗狀態與第二高阻抗狀態之間轉變。

可選地，材料是或者包括磁性材料，其隨著流經其的電流增加而耗散更大量的能量。

由這種磁性材料對能量的耗散等同於電阻。因此，磁性材料能夠提供期望的第一較低阻抗，以允許正常操作期間的電壓源轉換器的有效操作，以及在故障狀況期間提供具有良好故障電流阻斷性能的第二較高阻抗。

在本發明的另一優選實施例中，磁性材料是未磁化的，並且隨著流經其的電流的級別增加而變得被磁化。

未磁化磁性材料能夠被優化成當交流電流流經其時在第一低阻抗狀態與第二高阻抗狀態之間轉變。

優選地，磁性材料經過預磁化，並且隨著流經其的電流的級別增加而變得被消磁。

預磁化磁性材料能夠被優化成當直流電流流經其時在第一低阻抗狀態與第二高阻抗狀態之間轉變。

可選地，電壓源轉換器包括與該或每個模塊串聯連接在第一與第二端子之間的集成無源故障電流限制器。

按照這種方式布置第一集成無源故障電流限制器允許故障電流限制器使交流和直流的組合經過其中，並且因此增加可形成故障電流限制器或者故障電流限制器可包括的不同類型的材料的數量。

另外，這種布置準許從第一與第二端子之間省略電抗器元件。這降低了第一與第二端子之間的電壓降，並且因此類似地降低在第一與第二電網之間的給定電力量的傳遞期間的轉換器中引起的損耗。

電壓源轉換器可包括串聯連接在第一端子與第一電網(其在使用中與第一端子連接)之間的集成無源故障電流限制器。

優選地，電壓源轉換器包括串聯連接在第二端子與第二電網(其在使用中與第二端子連接)之間的集成無源故障電流限制器。

集成無源故障電流限制器相對於第一和第二端子其中之一或另一個的這類布置合乎需要地準許所述故障電流限制器按照流經其的電流的性質（即交流或直流）的優化。

另外，在本發明的某些實施例中的轉換器結構中多於一個無源故障電流限制器的集成允許每個這種故障電流限制器是或者包括不同類型的材料，其具有按照轉換器結構中的故障電流限制器的不同位置以及流經其的電流的對應性質（即交流和/或直流）所優化的性能特性。

下面是對附圖進行參照的、作為非限制性示例的本發明的優選實施例的概要描述，附圖中：

圖1示出按照本發明的第一實施例的電壓源轉換器；

圖2示意示出形成圖1中所示電壓源轉換器的一部分的相應無源故障電流限制器中包含的第一材料的電阻特性；

圖3示意示出所述無源故障電流限制器在故障狀況期間對流經圖1中所示電壓源轉換器中的相應開關元件的故障電流的影響；

圖4示意示出適合於包含在圖1中所示電壓源轉換器的相應無源故障電流限制器中的第二材料的特性；

圖5示意示出適合於包含在圖1中所示電壓源轉換器的相應無源故障電流限制器中的第三材料的特性；

圖6示出按照本發明的第二實施例的電壓源轉換器；

圖7示出在電壓源轉換器在使用中與其連接的第一電網中發生故障狀況的情況下、在圖6中所示電壓源轉換器的第一端子的故障電流；

圖8示出按照本發明的第三實施例的電壓源轉換器；以及

圖9示出在電壓源轉換器使用時與其連接的第一電網中發生故障狀況的情況下、在圖8中所示電壓源轉換器的第二端子的故障電流。

按照本發明的第一實施例的電壓源轉換器一般通過引用標號10來表示。

第一電壓源轉換器10具有轉換器結構12，其包括：兩個第一端子14，其每個在使用中與第一電網16連接；以及第二端子18，其在使用中與第二電網20連接。在所示實施例中，第一電網16是直流(dc)電網22，以及兩個第一端子14定義相應第一和第二dc端子24、26。同時，第二電網20是交流(ac)電網28，並且第二端子18定義ac端子30。

第一轉換器分支（limb）部分32在第一dc端子24與ac端子30之間延伸，以及第二轉換器分支部分34在第二dc端子26與ac端子30之間延伸。更具體來說，第一電壓源轉換器10具有轉換器結構12，其包括三對36a、36b、36c的第一和第二轉換器分支部分32a、34a、32b、34b、32c、34c，所述對36a、36b、36c的每個對應於三相電力系統的給定相。每個轉換器分支部分32a、34a、32b、34b、32c、34c在對應的第一或第二dc端子24a、24b、24c、26a、26b、26c與對應的ac端子30a、30b、30c之間延伸。

在本發明的其它實施例中，電壓源轉換器可包括少於或多於三對第一和第二轉換器分支部分，這取決於它預計在其中操作的關聯電力系統的相數。

在每個第一和第二端子14、18之間、即在對應的第一或第二dc端子24a、24b、24c、26a、26b、26c與對應的ac端子30a、30b、30c之間延伸的每個轉換器分支部分32a、34a、32b、34b、32c、34c中包含的是多個串聯連接模塊38。

每個模塊38包括採取電容器42的形式的能量存儲元件40（雖然能量存儲元件的其它形式也是可能的），以及第一和第二開關元件46、48（它們與能量存儲元件40、即電容器42並聯連接）。

在所示實施例中，每個開關元件46、48包括採取例如絕緣柵雙極電晶體(igbt)的形式的半導體裝置50，其與反並聯二極體52並聯連接。但是，有可能使用其它半導體裝置來代替igbt。

能量存儲元件40和開關元件46、48可操作以便有選擇地提供電壓源。更具體來說，開關元件46、48按照已知半橋布置與電容器42並聯連接，以定義2象限單極模塊38。開關元件46、48有選擇地引導電流經過電容器42，或者使電流繞過電容器42，使得模塊38能夠提供零或正電壓，並且能夠沿兩個方向傳導電流。

在每個第一和第二端子14、18之間、即在對應的第一或第二dc端子24a、24b、24c、26a、26b、26c與對應的ac端子30a、30b、30c之間延伸的每個轉換器分支部分32a、34a、32b、34b、32c、34c中還包含的是集成無源故障電流限制器54。每個這種集成無源故障電流限制器54與對應的多個串聯連接模塊38串聯連接。

集成每個無源故障電流限制器54，因為它形成第一電壓源轉換器10的轉換器結構12的組成的完整部分。此外，在它無需通過人或控制算法的任何形式的主動控制（即持續監控）的情況下自動運轉的意義上，它是無源的。

每個無源故障電流限制器54配置成在第一電壓源轉換器10的正常操作期間對第一電壓源轉換器10中流動的正常電流in呈現第一阻抗。每個無源故障電流限制器54還配置成對第一電壓源轉換器10中流動的故障電流if呈現第二阻抗。第一阻抗低於第二阻抗，如以下更詳細解釋的。

每個無源故障電流限制器54包括按照流經無源故障電流限制器54的電流的級別在第一低阻抗與第二高阻抗之間轉變的材料。

在圖1中所示的實施例中，每個無源故障電流限制器54包括超導材料，其具有電阻r(其在流經其的電流i超過電流閾值56時發生變化，如圖2中所示)。當低電流i（即低於電流閾值56的電流）流經超導材料時，它採用超導狀態58，其中其電阻r接近零，而當較高電流i（即超過電流閾值56的電流）流經超導材料時，它採用高電阻狀態60，其中其電阻r很高。每個無源故障電流限制器54中的超導材料直接利用其電阻的上述變化來為每個所述對應無源故障電流限制器54提供非線性電阻特性。

由於每個無源故障電流限制器54中的超導材料配置成為所述關聯無源故障電流限制器54提供非線性電阻特性，所以每個這種無源故障電流限制器54將阻抗的變化主要表現為電阻的變化，並且因此每個這種無源故障電流限制器54能夠具有針對交流和直流的電流限制效果。

在第一電壓源轉換器10的正常操作期間，組合電壓在每個轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c中經由多個模塊38(其中每個模塊38提供其自己的電壓)的電容器42的插入來建立，它比從每個單獨模塊38可用的電壓要高。以此方式，每個轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c能夠提供階躍的可變電壓源，其準許使用逐步逼近來生成跨所述轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c的電壓波形。轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c按照此方式的操作在每個相應ac端子30a、30b、30c生成ac電壓波形，並且由此使第一電壓源轉換器10能夠在ac與dc電網28、22之間傳遞電力。

在第一電壓源轉換器10的這種正常操作期間，正常電流in在流經上述電容器42、對應開關元件46、48並且進而流經每個對應無源故障電流限制器54。

如圖3中示意所示，這個正常電流in小於電流閾值56，並且因此每個無源故障電流限制器54中包含的超導材料採用其超導狀態58。因而，每個無源故障電流限制器54對所述正常電流in呈現極低的第一阻抗。這種低的第一阻抗比常規電壓源轉換器的每個分支部分中正常包含的固定阻抗要低，並且因此實現例如dc電網22中的dc電壓的更好利用，由此準許給定電力量在dc與ac電網22、28之間傳遞，其中具有比常規電壓源轉換器中會產生的損耗要低的損耗。

在例如dc電網22中的短路故障62的情況下，所產生故障電流if能夠流經相應轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c中的每個模塊38的第二開關元件48中的反並聯二極體52。

當故障電流if超過每個對應無源故障電流限制器54中包含的超導材料的電流閾值58時，所述超導材料轉變為高電阻狀態60。相應無源故障電流限制器54此後對故障電流if呈現極高的第二阻抗。由每個這種無源故障電流限制器54所呈現的第二阻抗充分高，以便限制故障電流if的增加率以及更具體來說還將故障電流if限制到低於每個開關元件46、48的電流定額64(即，在故障狀況期間故障電流if所流經的每個反並聯二極體52的電流定額)的級別，如圖3中所示。

無源故障電流限制器54的這種操作準許從每個模塊38中省略快速行動的保護元件（例如晶閘管），並且還提供故障穿越能力，由此第一電壓源轉換器10能夠耐受故障狀況，而甚至無需操作ac電網28中的較慢行動的保護元件（例如斷路器），即，如圖3中所示，故障電流if甚至在故障狀況發生後的20毫秒之後也沒有超過開關元件46、48的電流定額64(即，關聯反並聯二極體52的電流定額)。

在本發明的其它實施例(未示出)中，每個無源故障電流限制器54中包含的超導材料轉而可配置成在故障狀況期間呈現第二阻抗，其充分高以便僅將故障電流if的增加率限制到預定級別，使得在故障狀況的開始之後提供充分延遲，以便在故障電流if超過每個模塊38中的每個開關元件46、48的電流定額64之前準許較慢行動的保護元件的操作，即ac電網26中的斷路器的斷開。

在本發明的進一步實施例中，無源故障電流限制器54的一個或多個中包含的超導材料轉而可配置成為對應無源故障電流限制器54提供非線性電感特性，使得該或每個這種對應無源故障電流限制器54將阻抗的變化主要表現為電感的變化。更具體來說，超導材料的電阻的變化可用來構建非線性電感。電感的阻抗效應在交流存在的情況下是顯然的，並且因此包括超導材料(其配置成為所述無源故障電流限制器54提供非線性電感特性)或者由其所形成的無源故障電流限制器54能夠被優化成對交流具有限制效果。

在本發明的還有的進一步實施例中，無源故障電流限制器54的一個或多個限制器中包含的材料或者可從其來形成故障電流限制器54的一個或多個限制器的材料可以是磁性材料，其隨著流經它的電流增加而耗散更大量的能量。

這種磁性材料的第一示例是最初未磁化並且隨著流經它的電流的級別增加而變得被磁化的磁性材料。更具體來說，並且如圖4中所示，當低電流（即，例如將在按照本發明的電壓源轉換器的正常操作期間流動的正常電流）流經材料時，電流的級別沒有大到足以磁化材料。因此，在對應的正常狀況磁滯迴路ln中耗散的能量(其中所耗散能量相當於所述迴路ln所包圍的面積)是小的。此外，由於所耗散能量能夠被等同於電阻，所以對應無源故障電流限制器54的所產生阻抗也是低的。

但是，當流經未磁化材料的電流開始上升(即，如對於產生於例如本發明的電壓源轉換器可與其連接的dc電網中的短路的故障電流if所發生)時，未磁化材料的特性轉變到寬故障狀況磁滯迴路lf，也如圖4中所示。如上所述，當未磁化材料圍繞故障狀況磁滯迴路lf來循環時，裝置中耗散的能量相當於迴路lf所包圍的面積，它因此是大的，並且因此等同於高阻抗。未磁化材料的這種操作要求材料圍繞故障狀況磁滯迴路lf來循環，並且因此阻抗主要表現為一種形式的電感。因此，這種未磁化材料完全適合限制交流。

這種磁性材料的第二示例是最初預磁化並且隨著流經它的電流的級別增加而變得被消磁的磁性材料。

如圖5中所示，當低電流流經材料時，即在按照本發明的電壓源轉換器的正常操作期間，預磁化材料操作在第一操作點66，以及流經它的電流沒有足以大到對所述預磁化材料消磁。極少能量被材料耗散，並且因而其中包含預磁化材料的關聯無源故障電流限制器54的阻抗是低的。

當流經預磁化材料的電流開始上升(即，如對於產生於例如本發明的電壓源轉換器可與其連接的dc電網中的短路的故障電流if所發生)時，預磁化材料開始被消磁，並且其特性跟隨關聯寬故障狀況磁滯迴路lf的上曲線。

這個過程耗散相當於例如對應轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c中的關聯無源故障電流限制器54所呈現的大阻抗的能量。

一旦對應轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c暫時斷開，所述無源故障電流限制器54中的材料將沿相反方向來磁化，並且無源故障電流限制器54端子(未示出)的極性將必須反轉。

因此，這種無源故障電流限制器適合於限制直流，但是僅沿一個方向。

按照本發明的第二實施例的電壓源轉換器80在圖6中被示意示出。第二電壓源轉換器80與第一電壓源轉換器相似，並且相似特徵共用相同引用標號。

第二電壓源轉換器80與第一電壓源轉換器10的不同之處在於，不是每個轉換器分支部分32a、32b、32c、34a、34b、34c包括無源故障電流限制器54，無源故障電流限制器54轉而串聯連接在每個第一端子14與第一電網16之間，即第一和第二dc端子24a、24b、24c、26a、26b、26c的每個與dc電網22之間。

在所述dc電網22中的短路62的情況下，每個這種無源故障電流限制器54具有流經它的故障電流if，其最初上升，並且然後安定到穩態電流級別，即，如圖7中所示。

鑑於流經每個無源故障電流限制器54的故障電流if的穩態性質，即故障電流if的基本直流性質，應當從其製作每個所述無源故障電流限制器54的材料或者每個所述無源故障電流限制器54應當包括的材料是將阻抗的變化主要表現為其電阻的變化的材料或者是以其它方式特別優化以用於限制直流的材料。

按照本發明的第三實施例的電壓源轉換器90在圖8中被示意示出。第三電壓源轉換器90與第一和第二電壓源轉換器10、80的每個相似，並且相似特徵共用相同的引用標號。

第三電壓源轉換器90與第一和第二電壓源轉換器10、80的每個的不同之處在於，無源故障電流限制器54轉而串聯連接在每個第二端子18與第二電網20之間，即與每相對應的ac端子30a、30b、30c與ac電網28之間。

在dc電網22中的短路62的情況下，每個這種無源故障電流限制器54具有流經它的故障電流if，其沿第一和第二相反方向振蕩，即，如圖9中所示。

鑑於流經每個無源故障電流限制器54的故障電流if的振蕩性質（即交流性質），應當從其製成每個所述無源故障電流限制器54的材料或者每個所述無源故障電流限制器54應當包括的材料能夠是將阻抗的變化主要表現為其電阻的變化或者其電感的變化的材料。

按照本發明的還有的進一步實施例的電壓源轉換器(未示出)可包括無源故障電流限制器54，其按照上文所述的第一、第二和第三電壓源轉換器10、80、90中採用的定位的任何組合來布置。

例如，按照本發明的一實施例的另一電壓源轉換器可包括每個轉換器分支部分中的第一無源故障電流限制器以及串聯連接在該或每個ac端子與ac電網之間的第二無源故障電流限制器。

這種實施例中的所述第一和第二無源故障電流限制器均可相同，即，均可以是或者包括相同材料，或者它們可以是或者包括不同材料，其經過優化以便按照電壓源轉換器中的故障電流限制器的位置來限制流經其的電流的特定類型(即交流或直流)，即，當串聯連接在ac端子與ac電網之間時的交流、當串聯連接在dc端子與dc電網之間時的直流以及當連接在轉換器分支部分中時的交流和直流的組合。