[发明专利]混合二级及多级高压直流换流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种供在高压直流(high voltage direct current，HVDC)功率传输和无功功率补偿中使用的电压源换流器(voltage source converter)以及一种操作电压源换流器的方法。

背景技术

在功率传输网络中，交流(AC)功率通常转换为直流(DC)功率以通过架空线路和/或海底电缆传输。经过这种转换，无需补偿由这些线路和/或电缆所施加的交流电容负载效应，从而降低这些线路和/或电缆的每千米的费用。因此，当需要在长距离上传输功率时，从交流到直流的转换变得划算。

从交流到直流功率的转换还在功率传输网络中被使用，在该功率传输网络中需要互连在不同的频率下工作的交流网络。在任何这样的功率传输网络中，在交流和直流功率之间的每一个接口处都需要换流器来实现所需的转换，其中一种该形式的换流器为电压源换流器(VSC)。

交流功率通常取决于交流相位的数量以一个或多个正弦波形的形式被传输。但是，电压源换流器的交流侧的正弦交流波形会在电压源换流器的直流侧和相关联的直流网络中导致高水平的直流电压纹波。

在直流网络中存在直流纹波使低成本的电缆无法使用。低成本的电缆通常难以容忍交变电压应力，从而增加直流功率传输线路的安装成本。此外，直流纹波的交变性质导致直流功率传输线路和邻近的电话线路之间的不希望有的干扰，这增大了对直流功率传输线路的布局设计的复杂性。

常规地，发电站在电压源换流器的直流侧上利用直流过滤设备(比如无源电感和电容元件)以最小化直流纹波。分别将并联的电容和串联的电感与电压源换流器结合使用使电压和电流纹波减少。然而，功率传输的高电压性质意味着必须采用较大的无源电感和电容元件，而这增加了相关联的发电站的尺寸、重量和成本。这在具有有限空间封装的位置(比如近海风电场)中尤其是不可取的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于高压直流功率传输和无功功率补偿的电压源换流器，所述电压源换流器包括：用于在使用中连接到直流网络上的第一和第二直流端子、连接在所述第一和第二直流端子之间的三个相位元件以及至少一个辅助换流器，每一个相位元件都包括多个一次开关元件和至少一个用于在使用中连接到多相交流网络的各个相上的交流端子，所述多个一次开关元件在使用中是可控的，以便于所述交流网络和直流网络之间的功率转换，所述或每一个辅助换流器在使用中能够操作为充当波形合成器来修改(modify)被提供给所述直流网络的第一直流电压，以便最小化所述直流电压中的纹波。

辅助换流器的提供使电压源换流器具有灵活的直流侧有源过滤器，所述直流侧有源过滤器能够合成一系列具有不同形状和大小的波形以最小化直流纹波，其根据交流和直流网络的特性而变化。

直流网络中的直流纹波的减少不仅通过使得能够使用难以容忍交变电压应力的低成本的电缆而减小了安装成本，而且通过最小化与位于直流网络附近的电话线路之间的不希望的干扰而简化了与直流网络相关联的设计问题(比如位置)。

直流纹波以这种方式的减少还排除了以无源电感和电容元件形式的直流侧过滤元件的需要。这去除了安装和维护直流侧过滤元件的额外成本，通过最小化换流器硬件的数量改善了相关联的发电站的可靠性和效率，并且减小了硬件大小和重量，这适用于具有有限空间封装的位置(比如近海风电场)。

优选地，每一个相位元件都包括两串并联连接的串联一次开关元件，每串串联连接的一次开关元件的中点限定用于在使用中连接到所述交流网络的各个相上的交流端子。

这样的电压源换流器布置可以被利用，以便于交流网络和直流网络之间的功率转换。

在其他的实施例中，所述电压源换流器可以包括连接在所述第一和第二直流端子之间的三个辅助换流器，其中，每一个辅助换流器都与所述相位元件中的各个相位元件并联连接，以限定单相换流器分支，并且所述三个单相换流器分支在电路的直流侧串联连接，以限定用于三相功率传输的两端直流网络。

除了适用于便于交流网络和直流网络之间的功率转换外，这样的电压源换流器布置还使每一个辅助换流器能够被控制，以便对连接到对应相位元件的交流端子上的相位产生直接的影响而对连接到其他两个相位元件的交流端子上的相位产生有限的影响。