转换器制造技术

本发明专利技术公开一种转换器(2a)，具体来说，公开一种电流源转换器(CSC)。所述转换器包括桥(14a)，所述桥(14a)具有：用于一条或多条AC线路中每条的AC端子(16a至16c)；以及第一和第二DC端子(18a、18b)。转换器臂连接在每个相应AC端子(16a至16c)与所述第一DC端子(18a)之间，并且连接在每个相应AC端子(16a至16c)与所述第二DC端子(18b)之间。每个转换器臂包括能够通过栅极控制而‘接通’和‘断开’并具有恢复时间的第一功率半导体切换装置(24)。所述转换器(2a)适于在一个或多个逆变模式下运行。

【技术实现步骤摘要】
转换器
本专利技术是涉及转换器(converter)，并且具体涉及电流源转换器(CSC)，所述电流源转换器尤其用于要求最大功率转换效率和可用性的高压直流(HVDC)点到点式传输链路和HVDC多端子式电网。
技术介绍
线路换向转换器(LCC,或称为“电网换相换流器”;line commutated (!converter)属于电流源转换器(CSC)类型并且可用于高压交流(HVAC)电力网络或者电网间的高压直流(HVDC)传输链路。LCC在整流(功率传送)和逆变(功率接收)端子中采用了自然换向晶闸管桥(commutated thyristor bridges)。通过此类HVDC传输链路的功率流可以是可逆的，同时HVDC传输电流是单极的。HVDC传输链路电压同样必须是可逆的，并且这可使用所熟知的相控原理实现。对可逆HVDC传输链路电压的要求在HVDC电缆绝缘选择上施加严格限制，并且这使得接近理想的弹性体电缆绝缘系统的使用成为不可能。对可逆HVDC传输链路电压的要求也在潜在采用多端子式HVDC电网网络方面施加严格限制，当采用单极HVDC传输链路电压时，所述多端子式HVDC电网网络仅仅在允许所有端子处的可逆功率流的情况下完全有效。自然换向晶闸管桥是用于AC至DC以及DC至AC功率转换的最有效率且最可靠的手段，但此优点因对校正使用相控原理造成的HVAC电网端子功率因数和谐波畸变的要求而在很大程度上受到抵制 。相控用于调节通过HVDC传输链路的功率流，同时相应HVAC电网电压变化，并且以往，已经使用非常大的切换无源滤波器和功率因数校正网络来对使用相控造成的HVAC电网端子功率因数和谐波畸变进行补偿。最近，已经采用静态补偿器来简化并且减少对切换补偿系统的需要。对补偿谐波畸变和功率因数的要求随着相应HVAC电网电压范围和关联的相控范围增大而加剧。在严重HVAC电网电压骤降过程中，无法实现安全逆变LCC通信,这是因为所要求的相控范围与晶闸管换向(commutation)要求不一致，并且出于同一原因，逆变LCC无法使得已断电(de-energised)的HVAC电网系统通电(energise)。尽管存在上述缺点，LCC功率传输效率仍使得LCC通常是高功率的点到点式HVDC传输链路的优选解决方案。标准编号H) IEC/TR62544-2011 (高压直流(HVDC)系统-有源滤波器的应用)预期:使用串并联模式并混合的DC侧有源滤波器的DC侧谐波抑制(mitigation);使用并串联模式并混合的AC侧有源滤波器的AC侧谐波抑制；以及混合有源滤波器系统的并串联模式部件之间的DC链路耦合。这些有源系统采用强制换向电力电子电路，其对本质简单且稳健的LCC拓扑增添了复杂性。采用强制换向晶闸管的CSC已被提出作为用于抑制LCC的部分上述缺陷的手段，但是所提出的电路除了本质简单且稳健的LCC拓扑外还包括了大而复杂的辅助换向电路。最近，电压源转换器(VSC)已越来越多地用在具有适度高的功率额定值的HVDC传输链路系统中。VSC通过允许HVDC传输链路电流逆向来实现可逆功率流，从而允许使用单极HVDC传输链路电压和具有接近理想的弹性体绝缘系统的电缆。VSC还解决了 LCC的HVAC电网谐波和功率因数限制。另外，在对有功和无功功率的接近独立的控制中，VSC已经能有助于HVAC电网频率和电压稳定性。所有转换器都受到折衷。尽管VSC克服了 LCC的已知限制性，但其引发功率损耗增加或效率降低的不利情况。在多数实际应用中，VSC尚未能够限制HVDC传输链路短路(或低电阻)故障电流。因此，在VSC方面的近期发展活动涉及尝试克服这些不利情况。VSC技术已经在以下四个演化阶段中得到发展:?带有串联连接IGBT的两电平脉宽调制(PWM)VSC首先解决LCC的限制性，但是效率下降严重并且DC故障电流不能被限制。已使用大型高性能的无源滤波器来最小化PWM臂电压的影响。HVDC传输链路短路故障电流包括来自DC链路电容器的大量突波(inrush)分量。.带有串联连接IGBT的三电平PWM VSC改进效率、无源滤波器规格和VSC益处之间的平衡。HVDC传输链路短路故障电流包括来自DC链路电容器的经减少但仍大量的突波分量。?通过串联连接各自包含基础VSC元件的模块链，最近已从现有两电平VSC元件得出多电平模块化转换器(MMC)VSC。这些模块链以桥式拓扑结构连接起来，并且正弦电压和反相(ant1-phase)正弦电压的步进近似而分别在每个特定相的正臂和负臂中合成。最原始的半桥MMC所具有的效率大于三电平PWM VSC,但不能限制DC故障电流，而H桥MMC能限制DC故障电流，但所具有的功率损耗是半桥MMC的近两倍。每个MMC模块具有DC链路电容器，所述DC链路电容 器的电压必须通过调节MMC模块功率流来控制并且其电容足以限制模块DC链路电压纹波。这些MMC采用极复杂的IGBT点火序列以便合成步进电压波形，所述步进电压波形必须适于HVAC电网电压和线路电流，同时还适于MMC模块内的部件故障影响并且调节DC链路电容器电压。正由于单独IGBT在HVAC电网基频下切换并且切换损耗是最小的，因此MMC VSC效率远远大于PWM VSC效率。臂电压的步进合成已经允许无源滤波器的大小和复杂性相对于PWM VSC中的无源滤波器有所减小。通过模块化且可缩放至高功率和高电压额定值，MMC VSC已经彻底改变了 VSC应用范围。HVDC传输链路短路故障电流仍然包括来自DC链路电容器的大量突波分量，但这可通过采用保护性点火序列得到部分抑制。?最近，将包括串联连接IGBT的常规准方波VSC桥与配置用于充当DC链路并联模式或臂内串联模式有源滤波器的MMC VSC混合已公开为一种将MMC VSC的谐波和功率因数抑制能力与准方波VSC的有效率功率处理组合的手段。零电压切换在准方波VSC电路中的IGBT中实现。带有DC并联模式MMC VSC有源滤波的混合布置无法限制DC故障电流，但受益于相对三相MMC VCSC而复杂性减小的MMC，并且具有比三相MMC VSC大的效率。并联模式MMC VSC有源滤波器同时抑制DC和AC侧谐波效应的能力存在明显折衷。带有臂内串联模式MMC VSC有源滤波的混合布置可限制DC故障电流，但存在所具有的MMC复杂性与三相MMC VSC的复杂性相当的不利情况，并且具有比经DC并联模式MMC滤波混合更低的效率。由于这些混合电路中采用了 VSC技术，HVDC传输链路短路故障电流仍然包括来自MMC模块DC链路电容器的大量突波分量，但这可通过采用保护性点火序列得到部分抑制。因此，本专利技术是寻求更好地将可快速限制AC和DC侧故障电流的、有效率的整流和逆变功率转换电路与有源DC纹波、AC谐波和功率因数抑制电路混合。
技术实现思路
本专利技术是提供一种电流源转换器(CSC)，所述电流源转换器保留常规线路换向转换器(LCC)在效率、可用性和DC故障电流限制优点上的益处，同时克服了其运行缺点，所述运行缺点已知包括对DC链路电压逆向以实现可逆功率流的要求、对逆变器换向故障的敏感性和不良AC功率因数。同时，本专利技术的转换器能以类似于常规电压源转换器(VSC)的方式来使用，例如，在点到点式DC传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转换器(2a)，所述转换器(2a)包括：桥(14a)，所述桥(14a)具有：用于一条或多条AC线路中每条的AC端子(16a至16c)；第一和第DC端子(18a、18b)；连接在每个相应AC端子(16a至16c)与所述第一DC端子(18a)之间的转换器臂；以及连接在每个相应AC端子(16a至16c)与所述第二DC端子(18b)之间的转换器臂，每个转换器臂包括能够通过栅极控制而‘接通’和‘断开’并具有恢复时间的第一功率半导体切换装置(24)；其中所述转换器(2a)适于在以下逆变模式中的一个或多个下运行：(a)自然换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传入第一功率半导体切换装置在参考时间前的时间点上通过栅极控制而‘接通’，以使所述传入第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下增加并且传出第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下减少，所述传出第一功率半导体切换装置在所述参考时间上通过栅极控制而‘断开’，并且所述可用电路换向断开时间大于在施加开路栅极端子偏置时所适用的所述恢复时间，(b)自然换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传入第一功率半导体切换装置在参考时间前的时间点上通过栅极控制而‘接通’，以使所述传入第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下增加并且传出第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下减少，所述传出第一功率半导体切换装置在所述参考时间上通过栅极控制而断开’，并且所述可用电路换向断开时间短于施加开路栅极端子偏置时所适用的所述恢复时间，所述可用电路换向断开时间可选地为零或者接近于零，以及(c)组合的自然换向和栅极换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传入第一功率半导体切换装置在参考时间前的时间点上通过栅极控制而‘接通’，以使所述传入第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下增加并且传出第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下减少，所述传出第一功率半导体切换装置在所述参考时间上或者在延迟超过所述参考时间的时间点上通过栅极控制而‘断开’，并且所述可用电路换向断开时间要比零小。...

【技术特征摘要】
2013.03.01 EP 13157461.81.一种转换器(2a)，所述转换器(2a)包括: 桥(14a),所述桥(14a)具有:用于一条或多条AC线路中每条的AC端子(16a至16c)；第一和第DC端子(18a、18b);连接在每个相应AC端子(16a至16c)与所述第一 DC端子(18a)之间的转换器臂；以及连接在每个相应AC端子(16a至16c)与所述第二 DC端子(18b)之间的转换器臂，每个转换器臂包括能够通过栅极控制而‘接通’和‘断开’并具有恢复时间的第一功率半导体切换装置(24)； 其中所述转换器(2a)适于在以下逆变模式中的一个或多个下运行: (a)自然换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传入第一功率半导体切换装置在参考时间前的时间点上通过栅极控制而‘接通’，以使所述传入第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下增加并且传出第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下减少，所述传出第一功率半导体切换装置在所述参考时间上通过栅极控制而‘断开’，并且所述可用电路换向断开时间大于在施加开路栅极端子偏置时所适用的所述恢复时间， (b)自然换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传入第一功率半导体切换装置在参考时间前的时间点上通过栅极控制而‘接通’，以使所述传入第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下增加并且传出第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下减少，所述传出第一功率半导体切换装置在所述参考时间上通过栅极控制而断开’，并且所述可用电路换向断开时间短于施加开路栅极端子偏置时所适用的所述恢复时间，所述可用电路换向断开时间可选地为零或者接近于零，以及 (C)组合的自然换 向和栅极换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传入第一功率半导体切换装置在参考时间前的时间点上通过栅极控制而‘接通’，以使所述传入第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下增加并且传出第一功率半导体切换装置中阳极电流在确定速率下减少，所述传出第一功率半导体切换装置在所述参考时间上或者在延迟超过所述参考时间的时间点上通过栅极控制而‘断开’，并且所述可用电路换向断开时间要比零小。2.根据权利要求1所述的转换器(2a)，其进一步适于在以下模式下运行: (d)栅极换向逆变模式，其中在每个换向事件期间，传出第一功率半导体切换装置通过栅极控制而‘断开’，而无需传入第一功率半导体切换装置通过栅极控制而‘接通’。3.根据权利要求1或权利要求2所述的转换器(2a)，其进一步适于在自然换向整流模式下运行。4.根据任何前述权利要求所述的转换器(2a)，其中所述第一功率半导体切换装置(24)全部属于同一类型，可选地是栅极断开晶闸管(GTO)或者栅极换向断开晶闸管(GCT)。5.根据任何前述权利要求所述的转换器(2a)，其中每个转换器臂进一步包括能够通过栅极控制而‘接通’的第二功率半导体切换装置(26)，可选地是晶闸管，并且其中每个转换器臂中的所述第一和第二半导体切换装置(24、26)反并联地连接。6.根据权利要求5所述的转换器(2a)，其中当所述转换器(2a)作为逆变器运行时，所述第二功率半导体切换装置(26)未通过栅极控制而‘接通’。7.根据权利要求5或权利要求6所述的转换器(2a)，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：AD克雷恩，WM布勒维特，
申请(专利权)人：通用电气能源能量变换技术有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB