CN105474497B - 电气组件 - Google Patents

Abstract

一种电气组件(20)，包括：电压源型变换器(22)，包括第一DC端子和第二DC端子(26,28)以及至少一个AC端子，所述第一DC端子和第二DC端子(26,28)分别可连接至第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质(38,40)，所述第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质(38,40)连接至DC电网(41)；所述AC端子或每个AC端子可连接至AC电网(46)；DC抽头(24)，包括第一抽头端子和第二抽头端子(52,54)，所述第一抽头端子和第二抽头端子(52,54)分别可连接至所述第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质(38,40)，所述DC抽头(24)包括在所述第一抽头端子与第二抽头端子(52,54)之间延伸的抽头臂(48)，所述抽头臂(48)具有由第三抽头端子(56)分隔开的第一抽头臂部和第二抽头臂部(48a,48b)，每个抽头臂部(48a,48b)包括相应的隔直电容器，所述第三抽头端子(56)可连接至电气负载(64)；电流返回路径(58)，被配置为将所述AC端子或每个AC端子电互连至所述第三抽头端子(56)；变换器单元(22)；以及控制器(100)，被配置为选择性地控制变换器单元(22)，以在所述AC端子或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量(70a,70b,70c)，以驱动非基频交流电(72)通过所述电流返回路径(58)并在所述第三抽头端子(56)中流动，以及选择性地控制所述电压源型变换器(22)，以修改在所述AC端子或每个AC端子处的所述或每个第一非基频交流分量(70a,70b,70c)，以便形成在所述第一DC端子(26)与所述第一抽头端子(52)之间流动的第一电流(74a)以及形成在所述第二DC端子(28)与所述第二抽头端子(54)之间流动的第二电流(74b)，所述第一电流和第二电流(74a,74b)中的每一个包括直流分量和至少一个第二非基频交流分量，以便使得所述DC抽头(24)能够从所述DC电网(41)汲取电力，以供应到所述电气负载(64)。

Description

电气组件

技术领域

本发明涉及一种电气组件。

背景技术

在电力传输网络中，交流(AC)电力通常被变换为经由架空线路和/或海底电缆进行传输的直流(DC)电力。这种转换不需要补偿由传输线路或电缆导致的AC电容性负载的影响，并因此降低了线路和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传电力传输力时，从AC到DC的变换因而变得有成本效益。

AC电力到DC电力的变换还用于需要互连在不同频率下运行的AC网络的电力传输网络。在任何这种电力传输网络中，在AC电力与DC电力之间的每个交接处需要变换器来实现所需的变换，并且一种此类形式的变换器是电压源型变换器(VSC)。

发明内容

根据本发明的方案，提供一种电气组件，包括：

电压源型变换器，包括第一DC端子和第二DC端子以及至少一个AC端子，所述第一DC端子和第二DC端子分别可连接至第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质，所述第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质连接至DC电网；所述或每个AC端子可连接至AC电网；

DC抽头，包括第一抽头端子和第二抽头端子，所述第一抽头端子和第二抽头端子分别可连接至所述第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质，所述DC抽头包括在所述第一抽头端子与第二抽头端子之间延伸的抽头臂，所述抽头臂具有由第三抽头端子分隔开的第一抽头臂部和第二抽头臂部，每个抽头臂部包括相应的隔直电容器，所述第三抽头端子可连接至电气负载；

电流返回路径，被配置为将所述或每个AC端子电互连至所述第三抽头端子；

变换器单元；以及

控制器，被配置为选择性地控制变换器单元，以在所述或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量，以驱动非基频交流电通过所述电流返回路径并在所述第三抽头端子中流动，以及选择性地控制所述电压源型变换器，以修改在所述或每个AC端子处的所述或每个第一非基频交流分量，以便形成在所述第一DC端子与所述第一抽头端子之间流动的第一电流以及形成在所述第二DC端子与所述第二抽头端子之间流动的第二电流，所述第一电流和第二电流中的每一个包括直流分量和至少一个第二非基频交流分量，以便使得所述DC抽头能够从所述DC电网汲取电力，用于供应到所述电气负载。

DC电力传输介质可以是能够在两个或更多个电气元件之间传电力传输力的任何介质。这种介质可以是，但不限于，水下DC电力传输电缆、架空DC电力传输线路或电缆以及地下DC电力传输电缆。这种电气元件可以是，但不限于，DC电源、负载、DC电力网的DC端子或DC电网。

以上述方式配置控制器以选择性地控制变换器单元和电压源型变换器，连同布置电压源型变换器和DC抽头，使得变换器单元和电压源型变换器被控制为使第一和第二电流分别通过第一和第二抽头臂部流动。第一和第二电流的直流分量用于放电，并由此分别减小了第一和第二抽头臂部的隔直电容器的电压。

然而，由于抽头臂被布置为与DC电网并联连接，隔直电容器的结合电压必须被维持在DC电网的DC电压处。因此，充电直流分量从DC电网流入隔直电容器，以便阻止第一和第二电流中的每一个的直流分量，并由此维持隔直电容器的结合电压。这意味着每个隔直电容器，并因此DC抽头，仅经受非基频交流电。充电直流分量从DC电网流入隔直电容器使得DC抽头从DC电网获取电力，以供应到电气负载。

因此，在电气组件中包括变换器单元和DC抽头使得利用在使用中正常运行的电压源型变换器和DC电力传输介质能够提供低电平功率(例如，在20kV处20MW)，以提供高电平功率(例如，在600kV处600MW)。这提供了传输和分配在适合于位于偏远地区终端用户消费的水平下的电力的方式，通过该方式来传递DC电力传输介质。

与此相反，省略变换器单元和DC抽头将需要在每个偏远位置处安装具有高压降压能力的装置(诸如高电压DC到DC变换器)，以降低在DC电力传输介质中传输的电力的电压电平，以便传输和分配在适合于前述终端用户消费的水平下的电力。安装多个这种装置将明显增加硬件尺寸、重量和成本，从而不利地影响了相关电力传输和配电网络的经济可行性。

此外，由于在电气组件中包括变换器单元和DC抽头避免了改变电压源型变换器和DC电力传输介质的额定值以使得它们能够供应低电平功率的需要，所以将变换器单元和DC抽头添加至现有的电压源型变换器和DC电力传输介质以形成电气组件不需要明显地修改现有的电压源型变换器和DC电力传输介质。

在使用中，电压源型变换器被控制以在所述或每个AC端子处产生基频交流分量，以便经由DC电力传输介质传输高电平功率。

优选地，所述控制器被配置为选择性地控制所述电压源型变换器以在所述或每个AC端子处产生基频交流分量，同时所述变换器单元在所述或每个AC端子处产生所述或每个第一非基频交流分量。以这种方式操作电气组件使得能够通过DC电力传输介质同时传输高电平和低电平功率，从而提高电气组件的效率。

因此，配置根据本发明的电气组件导致能够使用正常操作的硬件来传输和分配低电平功率的经济的、节省空间的和高效的电气组件，用于供应高电平功率。

在使用中，可以操作变换器单元以在所述或每个AC端子处产生任何类型的第一非基频交流分量，以驱动非基频交流电通过电流返回路径并在第三抽头端子中流动。例如，所述或每个第一非基频交流分量可以是谐频交流分量和/或所述或每个第一非基频交流分量可以是零相序交流分量(例如，3次、9次、15次谐频交流分量等)。

在本发明的实施例中，所述电压源型变换器可以包括在所述第一DC端子与第二DC端子之间延伸的至少一个变换器臂，所述或每个变换器臂具有由AC端子分隔开的第一变换器臂部和第二变换器臂部，每个变换器臂部包括至少一个开关元件，每个变换器臂部中的所述或每个开关元件使可切换的，以将对应变换器臂部切换进和切换出在所述AC端子与所述对应DC端子之间的电路，从而控制在所述对应AC端子处AC电压的形态。

以这种方式配置电压源型变换器意味着，在操作电压源型变换器以在AC电网与DC电力传输介质之间转移电力的过程中，变换器臂部的开关元件可以被切换为在一个占空比上将变换器臂部交替地切换进在AC端子与对应DC端子之间的电路中。这意味着在一个占空比上，在电压源型变换器中，电流的流动在变换器臂部之间交替变化。因此，当变换器臂部中的一个被切换进在AC端子与对应的DC端子之间的电路时，变换器臂部中的另一个被切换出在AC端子与对应的DC端子之间的电路。

在一个占空比上，在变换器臂部之间电流的交替流动导致“斩断”对应的AC端子处的所述或每个第一非基频交流分量，以产生在DC端子与抽头端子之间流动的第一和第二电流。

可选地，所述控制器被配置为选择性地控制所述变换器臂部中的所述开关元件的切换，以便以标称50:50占空比将所述变换器臂部交替地切换进在所述AC端子与对应的DC端子之间的电路。以这种方式控制变换器臂部中开关元件的切换使得AC端子处的交流电被分开，使得AC端子处的正半交流电在第一和第二变换器臂部的一个中流动以及AC端子处的负半交流电在第一和第二变换器臂部的另一个中流动，从而简化了电压源型变换器的控制，以修改在所述或每个AC端子处的所述或每个第一非基频交流分量，从而形成第一和第二电流。

每个变换器臂部的配置可以变化，只要其包括至少一个开关元件，该开关元件是可切换的，以将对应的变换器臂部切换进和切换出在AC端子与对应DC端子之间的电路，从而控制在对应的AC端子处的AC电压的形态。

例如，每个变换器臂部可以包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合，以选择性地提供电压源。

所述或每个模块的配置可以变化，只要所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置可以结合，以选择性地提供电压源。

在所述或每个模块的示例性布置中，所述或每个模块可包括以全桥结构与能量储存装置并联连接的两对开关元件，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4象限双极模块。

在所述或每个模块的又一个示例性布置中，所述或每个模块可以包括以半桥结构与能量储存装置并联连接的一对开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2象限单极模块。

在所述或每个模块的再一个示例性布置中，所述或每个模块可以包括与至少一个能量储存装置并联连接的第一组和第二组串联连接电流流动控制元件，每组电流流动控制元件包括开关元件，以选择性地引导电流通过能量储存装置以及无源电流检测元件，从而在单一方向上限制电流通过合理化模块流动。

在每个变换器臂部中包括所述或每个模块为每个变换器臂提供控制在对应的AC端子处的AC电压形态的可靠手段。

每个变换器臂部可以包括限定链环式变换器的多个串联连接模块。通过将每个提供自身电压的多个模块的能量储存装置插入链环式变换器，链环式变换器的结构允许在链环式变换器两端建立结合电压，其高于从每个其单个模块可获得的电压。以这种方式切换每个模块中的所述或每个开关元件使得链环式变换器能够提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似以在链环式变换器两端产生电压波形。因此，链环式变换器能够提供大范围的复杂电压波形，以使得能够在所述或每个AC端子处配置高质量的AC电压。

至少一个开关元件可以包括至少一个自换向开关装置。所述或每个自换向开关装置可以是绝缘栅双极型晶体管、栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其他自换向半导体器件。每个开关元件中开关装置的数量可以取决于该开关元件所需的额定电压和额定电流而变化。

所述或每个无源电流检测元件可以包括至少一个无源电流检测装置。所述或每个无源电流检测装置可以是能够限制电流仅在一个方向上流动的任何装置，例如二极管。每个无源电流检测元件中的无源电流检测装置的数量可以取决于该无源电流检测元件所需的额定电压和额定电流而变化。

每个能量储存装置可以是能够储存和释放能量的任何装置，例如电容器、燃料电池或蓄电池。

在本发明的实施例中，电压源型变换器可以包括变换器单元。在电压源型变换器包括至少一个变换器臂的这种实施例中，变换器单元可以包括所述或每个变换器臂。

因此，在使用中，电压源型变换器是可控制的，以执行变换器单元的功能，即在所述或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量，以驱动非基频交流电通过电流返回路径并在第三抽头端子中流动。变换器单元与电压源型变换器的整合减少了操作电气组件所需的硬件数量，从而还提供在硬件尺寸、重量和成本方面的节省。

在电压源型变换器包括变换器臂的本发明的实施例中，因为链环式变换器提供大范围的复杂电压波形的能力使得其适合于在对应的AC端子处产生交流电(该交流电包括所述或每个第一非基频交流分量)，所以在每个变换器臂部中包括链环式变换器与变换器单元和电压源型变换器的整合是兼容的。

在本发明的其他实施例中，所述变换器单元可以与所述电压源型变换器分隔开。在本发明的这种实施例中，所述电流返回路径可以包括所述变换器单元。

在这种实施例中，变换器单元的配置可以变化，只要在使用中变换器单元能够被控制以在所述或每个AC端子处产生所述或每个第一非基频交流分量，并且电气组件中变换器单元到电压源型变换器的连接可以变化，只要在使用中变换器单元被控制以在所述或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量，以驱动非基频交流电通过电流返回路径并在第三抽头端子中流动。例如，变换器单元可以包括至少一个模块，所述或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合，以选择性地提供电压源。

将变换器单元从电压源型变换器分隔开意味着电压源型变换器不需要在所述或每个AC端子处产生所述或每个第一非基频交流分量。因此，从硬件和控制观点来看，电压源型变换器和变换器单元可以被优化，以执行它们的相应功能，从而提高电气组件的效率和可靠性。

电流返回路径的配置可以取决于硬件的可用性，特别是当电气组件是基于适应现有的电压源型变换器和DC电力传输介质时。例如，所述电流返回路径可以包括下述中的至少一个：

·接地回路(例如，单线接地回路(single wire earth return，SWER))；

·导电线路或电缆；

·导电护套(例如，金属护套)，用于包封所述或每个DC电力传输介质；

·避雷针(例如，被安装至DC电力传输塔的接地避雷针)。

电气组件的配置可以变化，只要电压源型变换器和变换器单元被布置为使得在使用中变换器单元能够被控制以在所述或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量，从而驱动非基频交流电通过电流返回路径并在第三抽头端子中流动。

例如，在本发明的实施例中，电气组件可以包括以星形结构连接的多个相位元件，在星形结构中每个相位元件的第一端连接至公共接合点，所述电流返回路径被配置为电互连所述公共接合点和所述第三抽头端子，所述电压源型变换器包括多个AC端子，每个AC端子连接至所述多个相位元件中的相应一个的第二端。在使用中，操作变换器单元以在所述或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量导致在公共接合点处出现非基频AC电压，以驱动非基频交流电通过电流返回路径并在第三抽头端子中流动。

在利用使用多个相位元件的本发明实施例中，每个相位元件可以包括第一变压器绕组。

当需要在AC电网与电压源型变换器的所述或每个AC端子之间连接变压器时，使用变压器绕组作为多个相位元件不需要额外的硬件来形成多个相位元件，从而还提供在硬件尺寸、重量和成本方面的节省。

在这种实施例中，电气组件还可以包括多个第二变压器绕组，每个第一变压器绕组与所述多个第二变压器绕组中的相应一个相互耦合，每个第二变压器绕组的第一端连接至不同的第二变压器绕组的第二端，使得所述第二变压器绕组的互连限定闭合环路。

以上述方式布置第二变压器绕组限定无中性线的连接(例如三角形连接)。连接中无中性线防止零相序交流分量行进到中性线。这意味着零相序电流分量被困于由第二变压器绕组形成的闭合环路中并且由此不能进入所连接的AC电网。因此，在所述或每个AC端子处产生零相序交流分量对所连接的AC电网的影响可以忽略。

每个第一变压器绕组可以限定变压器二次绕组，而每个第二变压器绕组可以限定变压器的一次绕组或者三次绕组。

在本发明的其他实施例中，所述电气组件可以包括至少一个阻抗元件，所述或每个阻抗元件形成用于控制所述或每个第一非基频交流分量的电流控制元件。在本发明的这种实施例中，所述电流返回路径可以包括至少一个阻抗元件。

在电气组件中包括至少一个电流控制元件增强了变换器单元控制在所述或每个AC端子处产生所述或每个第一非基频交流分量的能力。

在采用使用多个相位元件并且其中每个相位元件包括第一变压器绕组的本发明的实施例中，每个第一变压器绕组可以限定阻抗元件，其形成用于控制所述或每个第一非基频交流分量的电流控制元件。

在本发明的实施例中，所述DC抽头还可以包括变压器，所述第三抽头端子经由所述变压器可连接至所述电气负载。

在DC抽头中包括变压器允许修改由DC抽头供应的功率的电压电平，以匹配电气负载的电压需求。通过控制变换器单元来配置在第三抽头端子中流动的非基频交流电使得由DC抽头供应的电力的电压电平紧密匹配电气负载的电压需求，可以减小所需的升压或降压能力，并因此减小这种变压器的尺寸。

在本发明的其他实施例中，所述DC抽头还可以包括变频器。

在DC抽头中包括变频器允许在DC抽头供应AC电力至电气负载之前，将在第三抽头端子处的非基频交流电转换为基频交流电。此外，使用谐频交流分量特别是零相序交流分量作为在所述或每个AC端子处的所述或每个第一非基频交流分量，使得更简单地改变在第三抽头端子处的非基频交流电，从而产生基频交流电。

在种实施例中，所述变频器可以是1相到多相变频器(诸如1相、150Hz到3相、50Hz变频器)。使用这种变频器允许修改由DC抽头供应的电力的相数，以匹配电气负载所需的电力的相数。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例来描述本发明的优选实施例，附图中：

图1以示意图形式示出根据本发明的第一实施例的电气组件；

图2以示意图形式示出形成图1的电气组件的一部分的电压源型变换器；

图3以曲线图形式示出图2的电压源型变换器的操作以修改出现在其AC端子处的3次谐频交流分量从而形成第一电流；

图4以示意图形式示出根据本发明的第二实施例的电气组件；

图5以示意图形式示出根据本发明的第三实施例的电气组件；以及

图6以示意图形式示出根据本发明的第四实施例的电气组件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的第一实施例的第一电气组件20。

电气组件包括电压源型变换器22和DC抽头24。

电压源型变换器22包括第一端子26和第二DC端子28以及三个变换器臂30，如图2所示。每个变换器臂30在第一DC端子26与第二DC端子28之间延伸，且具有由AC端子36分隔开的第一变换器臂部32和第二变换器臂部34。特别地，第一变换器臂部32连接在第一DC端子26与AC端子36之间，以及第二变换器臂部34连接在第二DC端子28与AC端子36之间。

在使用中，电压源型变换器22的第一端子26和第二DC端子28被分别连接至第一DC电力传输线38和第二DC电力传输线40(其连接至DC电网41)，第一DC电力传输线38连接至DC电网41的第一端子，第一端子携带正DC电压，以及第二DC电力传输线40连接至DC电网41的第二端子，第二端子携带负DC电压。

第一电气组件20还包括多个相位元件。每个相位元件包括第一变压器绕组42a。多个相位元件以第一星形结构连接，其中每个相位元件的第一端连接至公共接合点44。每个AC端子36连接到多个相位元件中的相应一个的第二端。

第一电气组件20还包括多个第二变压器绕组42b。多个第二变压器绕组42b以第二星形结构连接，其中，每个第二变压器绕组42b的第一端连接至公共接合点。在使用中，每个第二变压器绕组42b连接到三相AC电网46的相应相位。

每个第一变压器绕组42a限定第一变压器的二次绕组，而每个第二变压器绕组42b限定第一变压器的一次绕组。每个第一变压器绕组42a与多个第二变压器绕组42b中的相应一个相互耦合。以这种方式，在使用中，每个AC端子36连接到三相AC电网46的相应相位。

在相位元件中布置每个第一变压器绕组42a意味着每个第一变压器绕组42a可以限定阻抗元件，其形成用于控制在对应相位元件中流动的交流电的电流控制元件。这增强了每个变换器臂30控制在对应AC端子38处产生交流电的能力。

DC抽头24包括抽头臂48、第二变压器和变频器50。

抽头臂48在第一抽头端子52与第二抽头端子54之间延伸。在使用中，第一抽头端子52连接到第一DC电力传输线38，以及第二抽头端子54连接到第二DC电力传输线40，使得抽头臂48形成在第一DC电力传输线38与第二DC电力传输线40之间延伸的分支。抽头臂48具有由第三抽头端子56分隔开的第一抽头臂部48a和第二抽头臂部48b。每个抽头臂部48a、48b包括隔直电容器。

第一电气组件20还包括以单线接地回路形式的电流返回路径58，其被配置为电互连第一星形结构的公共接合点44和DC抽头24的第三抽头端子56。

可以设想，在本发明的其他实施例中，电流返回路径的配置可以根据硬件的可用性，特别是当第一电气组件是基于适应现有的电压源型变换器和DC电力传输线时。例如，除了或替代单线接地回路，所述电流返回路径可以包括下述中的至少一个：

·导电线路或电缆；

·导电护套(例如，金属护套)，用于包封所述或每个DC电力传输介质；

·避雷针(例如，被安装至DC电力传输塔的接地避雷针)。

第二变压器包括相互耦合的一次变压器绕组60和二次变压器绕组62。第二变压器的一次变压器绕组60连接到DC抽头24的第三抽头端子56且连接在电流返回路径58中，使得在电流返回路径58中流动的任何电流通过第二变压器的一次变压器绕组60。

变频器50是150Hz、1相到50Hz、3相变频器50。变频器50包括用于携带1相交流电的输入AC端子和用于携带3相交流电的输出AC端子。第二变压器的二次变压器绕组62连接在变频器50的输入AC端子两端，同时在使用中，变频器50的输出AC端子连接至AC电气负载64。

图2以示意图形式示出电压源型变换器22的每个变换器臂30的结构。

在每个变换器臂30中，第一变换器臂32和第二变换器臂34中的每个包括与多个串联连接模块68串联连接的导向开关66。

每个导向开关66是多个串联连接开关元件的形式。可以设想，在本发明的其他实施例中，每个导向开关可以包括单个开关元件。

每个模块68包括两对开关元件和以电容器形式的能量储存装置。各对开关元件以全桥结构与电容器并联连接。

每个变换器臂部32、34中的导向开关66和模块68的每个开关元件包括单个开关装置。每个开关元件还包括与每个开关装置反并联连接的无源电流检测元件。

每个开关装置为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的形式。可以设想，在本发明的其他实施例中，每个IGBT可以由栅极可关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成门极换向晶闸管或任何其他自换向半导体器件来代替。每个开关元件中开关装置的数量可以取决于该开关元件所需的额定电压而变化。

每个无源电流检测元件包括以二极管形式的无源电流检测装置。可以设想，在其他实施例中，每个二极管可以由能够限制电流仅在一个方向上流动的任何其它装置来代替。每个无源电流检测元件中无源电流检测装置的数量可以取决于该无源电流检测元件所需的额定电压而变化。

还可以设想，在本发明的其他实施例中，每个电容器可以由能够储存和释放能量的任何类型能量储存装置(例如燃料电池或蓄电池)来代替。

每个变换器臂部32、34中的多个串联连接模块68限定链环式变换器。

通过改变开关元件的状态，每个模块68的电容器被选择性地绕过或插入链环式变换器。这选择性地引导电流通过电容器或使得电流绕过电容器，从而模块68提供了负电压、零电压或正电压。

当模块68中的开关元件被配置为在模块68形成短路时，模块68的电容器被绕过。这使得链环式变换器中的电流通过短路且绕过电容器，所以模块68提供零电压，即模块68被配置为旁路模式。

当模块68中的开关元件被配置为允许链环式变换器中的电流流入和流出电容器时，模块68的电容器被插入链环式变换器。电容器对其储存的电能进行充电或放电以便提供非零电压，即模块68被配置为非旁路模式。模块68的全桥结构允许模块68中的开关元件的配置使得电流在任一方向流入和流出电容器，所以在非旁路模式中模块68能够被配置为提供正电压或负电压。

以这种方式，各对开关元件与电容器以全桥结构并联连接，以限定能够提供负电压、零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的4象限双极模块68。

通过将每个提供自身电压的多个模块68的电容器插入链环式变换器中，能够在链环式变换器两端建立结合电压，其高于从每个其单个模块68可获得的电压。以这种方式切换每个模块68中的开关元件使得链环式变换器提供步阶式可变电压源，这允许使用步进式近似以在链环式变换器两端产生电压波形。因此，链环式变换器能够提供大范围的复杂电压波形。

可以设想，在本发明的其他实施例中，每个模块68可以由包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置的另一类型模块来代替，所述或每个模块中的所述或每个开关元件和所述或每个能量储存装置结合以选择性地提供电压源。

在一个示例性替代布置中，每个模块可以包括以半桥结构与能量储存装置并联连接的一对开关元件，以限定能够提供零电压或正电压并且能够在两个方向上传导电流的2象限单极模块。在另一个示例性替代布置中，每个模块可以包括与至少一个能量储存装置并联连接的第一组和第二组串联连接电流流动控制元件，每组电流流动控制元件包括开关元件，以选择性地引导电流通过能量储存装置以及无源电流检测元件，从而在单一方向上限制电流通过合理化模块流动。

第一电气组件20还包括控制器100，其被配置为选择性地控制电压源型变换器22以及选择性地控制DC抽头24的变频器50。

参照图2和图3，如下描述图1的第一气组件20的操作。

如上所述，在使用中，电压源型变换器22的第一DC端子26连接到第一DC电力传输线38(其连接至DC电网41的第一端子)，第一端子携带正DC电压，电压源型变换器22的第二DC端子28连接到第二DC电力传输线40(其连接至DC电网41的第二端子)，第二端子携带负DC电压，并且每个AC端子36连接至三相AC电网46的相应相位。

对于本说明书而言，在适当情况下，参照变换器臂30中的一个来描述电压源型变换器22的操作。应该理解的是，电压源型变换器22的一个变换器臂30的上述操作稍作变动亦适用于其他两个变换器臂30的操作。

第一变换器臂部32和第二变换器臂部34中的导向开关66指示哪个变换器臂部32、34处于导电状态并且在使用中控制在AC端子36处的AC电压的形态。通过结合第一和第二AC电压来控制在AC端子36处的AC电压的形态，如下所示。

为了构造第一AC电压分量，通过导通其导向开关66使得第一变换器臂部32处于导电状态，并且控制器100控制第一变换器臂部32中的每个模块68的开关元件的切换，以将电压阶跃增加和减少(即“提高”和“降低”)到在第一DC端子26处的正DC电压。第一AC电压分量被构造为以正的、半正弦电压波形的形式，同时正半交流电流入AC端子36中。同时，通过关断其导向开关66使得第二变换器臂部34处于非导电状态。

为了构造第二AC电压分量，通过导通其导向开关66使得第二变换器臂部34处于导电状态，并且控制器100控制第二变换器臂部34中每个模块68的开关元件的切换，以将电压阶跃增加和减少(即“提高”和“降低”)到在第二DC端子28处的负DC电压。第二AC电压分量被构造为以负的、半正弦电压波形的形式，同时负半交流电流入AC端子36。同时，通过关断其导向开关66使得第一变换器臂部32处于非导电状态，

此外，控制器100控制变换器臂部32、34的导向开关66的开关元件的切换，以便以标称50:50占空比将变换器臂部32、34交替地切换进在AC端子36与对应DC端子之间的电路。这意味着电压源型变换器22中电流的流动以标称50:50占空比在变换器臂部32、34之间交替。

在构造第一和第二AC电压分量的过程中，控制器100还控制每个链环式变换器中的每个模块68的开关元件的切换，以控制在AC端子36处的AC电压的形态，AC电压为包括基频和3次谐频AC电压分量的正弦AC电压的形式。

在第一星形结构中，其公共接合点44处的电压等于多个相电压的平均值，其每个落在多个相位元件中的相应一个的两端。因此，配置AC端子36处的AC电压以包括基频和3次谐频AC电压分量意味着基频AC电压分量在第一星形结构的公共接合点44处彼此取消，并且由于零相序特性的结果，3次谐频AC电压分量在第一星形结构的公共接合点44处被加和。因此，3次谐频AC电压出现在第一星形结构的公共接合点44处。

出现在第一星形结构的公共接合点44处的3次谐频AC电压驱动在每个AC端子36处以3次谐频交流分量70a、70b、70c形式的第一非基频交流分量的流动，并且从而驱动3次谐频交流电72通过电流返回路径58且在第三抽头端子56中流动。在每个AC端子36处的3次谐频交流分量70a、70b、70c具有+1的正峰值和-1的负峰值，所以电流返回路径58中的3次谐频交流电72具有+3的正峰值和-3的负峰值。

因此，电压源型变换器22被控制以产生在每个AC端子36处流动的交流电，其包括基频和3次谐频交流分量70a、70b、70c。

可以设想，在本发明的其他实施例，代替3次谐频交流分量，AC端子处的第一非基频交流分量可以是任何其他谐频和/或零相序交替电流分量。

如上所述，电压源型变换器22中电流的流动以标称50:50占空比在变换器臂部32、34之间交替。以这种方式控制变换器臂部32、34中开关元件的切换使得AC端子36处的交流电被分开，使得AC端子36处的正半交流电在第一变换器臂部32中流动并且AC端子36处的负半交流电在第二变换器臂部34中流动。这意味着在一个占空比上电流在变换器臂部32、34之间的交替流动导致“斩断”对应AC端子36处的基频和3次谐频交流分量70a、70b、70c。

“斩断”对应AC端子36处的3次谐频交流分量70a、70b、70c形成在第一DC端子26与第一抽头端子52之间流动的第一电流74a，以及在第二DC端子28与第二抽头端子54之间流动的第二电流74b。第一和第二电流74a、74b中的每个包括直流分量和第二非基频交流分量。

在操作电压源型变换器22过程中的任何给定时间点处，在第一DC端子26与第一抽头端子52之间流动的第一电流74a是在变换器臂30的第一变换器臂部32中流动的3次谐频交流分量的总和，而在第二DC端子28与第二抽头端子54之间流动的第二电流74b是在变换器臂30的第二变换器臂部34中流动的3次谐频交流分量的总和。

从图3可以看出，由于在第一变换器臂30的第一变换器臂部34中流动的3次谐频交流分量的总和，在第一DC端子26与第一抽头端子54之间流动的第一电流74a具有+2的正峰值和-1的负峰值。

以这种方式，变换器臂30形成可以被控制以在每个AC端子36处产生第一非基频交流分量70a、70b、70c的变换器单元，然后由电压源型变换器对其“斩断”(即，修改)以形成在第一DC端子26和第二DC端子28与第一抽头端子52和第二抽头端子54之间流动的第一电流74a和第二电流74b。每个变换器臂部32、34中的链环式变换器提供大范围的复杂电压波形的能力使得其适合于在对应AC端子36处产生交流电(该交流电包括基频和3次谐频交流分量)。

上述电压源型变换器22的操作意味着包含直流分量和3次谐频交流分量的第一电流74a在第一DC端子26与第一抽头端子52之间流动，并且包含直流分量和3次谐频交流分量的第二电流74b在第二DC端子28与第二抽头端子54之间流动。

以上述方式操作电压源型变换器使得第一和第二电流74a、74b分别通过第一抽头臂部48a和第二抽头臂部48b流动。第一电流74a和第二电流74b的直流分量作用为放电，并由此分别减小第一抽头臂部48a和第二抽头臂部48b的隔直电容器的电压。

然而，因为抽头臂48被布置为与DC电网41并联连接，所以隔直电容器的结合电压必须被维持在DC电网41的DC电压处。因此，充电直流分量76从DC电网41流入隔直电容器中，以便阻止第一和第二电流74a、74b中每个的直流分量并且由此维持隔直电容器的结合电压。这意味着每个隔直电容器并因此DC抽头24仅经受具有+1.5正峰值和-1.5负峰值的非基频交流电77。充电直流分量76从DC电网41流入隔直电容器中，使得DC抽头24从DC电网41获取电力。

通过第二变压器的一次变压器绕组60和二次变压器绕组62的相互耦合的方式，非基频交流分量72在电流返回路径58中的流动，使得1相交流电流入变频器50的输入AC端子。控制器控制变频器50将1相交流电转换为从变频器50的输出AC端子流出且流入AC电气负载64的3相交流电。以这种方式，DC抽头24为AC电气负载64提供电力。

同时，“斩断”对应AC端子36处的基频交流分量形成在第一DC端子26和第一DC电力传输线38中流动的直流电(未示出)，并且形成在第二DC端子28和第二DC电力传输线40中流动的另一直流电(未示出)。这使得通过第一DC电力传输线38和第二DC电力传输线40传输高电平功率。

因此，在第一电气组件20中包括变换器单元(即，第一电气组件20的变换器臂30)和DC抽头24使得利用在使用中正常运行的电压源型变换器22和DC电力传输线38、40能够提供低电平功率(例如，在20kV处20MW)，以提供高电平功率(例如，在600kV处600MW)。这提供了传输和分配适合于位于偏远地区终端用户消费的水平下的电力的方式，通过该方式来传递DC电力传输线38、40。

与此相反，如果从第一电气组件20省略DC抽头并且变换器臂30没有被操作为变换器单元以在每个AC端子36处产生第一非基频交流分量从而驱动非基频交流分量通过电流返回路径并在第三抽头端子中流动，则在每个偏远位置处需要安装具有高压降压能力的装置(诸如高电压DC到DC变换器)，以降低在DC电力传输线38、40中传输的电力的电压电平，以便传输和分配在适合于前述终端用户消费的水平下的功率。安装多个这种装置将明显增加硬件尺寸、重量和成本，从而不利地影响相关电力传输和配电网络的经济可行性。

此外，由于在第一电气组件20中包括变换器单元和DC抽头24避免了改变电压源型变换器22和DC电力传输线38、40的额定值以使得它们能够供应低电平DC功率的需求，所以将变换器单元和DC抽头24添加至现有的电压源型变换器和DC电力传输线，以形成第一电气组件20不需要明显地修改现有的电压源型变换器和DC电力传输线。

上述DC抽头24的简单配置实现了为AC电气负载64提供AC电力的简单的、有成本效益的和可靠的机制。

在DC抽头24中包括第二变压器允许修改由DC抽头24供应的功率的电压电平，以匹配AC电气负载64的电压需求。通过控制变换器单元来配置在第三抽头端子56中流动的非基频交流电72使得由DC抽头24供应的功率的电压电平紧密匹配AC电气负载64的电压需求，可以减小所需的升压或降压能力，并因此减小这种变压器的尺寸。

在DC抽头24中包括变频器50允许在DC抽头24供应AC电力至AC电气负载64之前，将第三抽头端子56处的非基频交流电72转换为基频交流电。此外，使用3次谐频交流分量70a、70b、70c作为每个AC端子36处的每个第一非基频交流分量使得更简单地改变第三抽头端子56处的非基频交流电72以产生基频交流电。另外，使用变频器50允许修改由DC抽头24供应的电力的相数，以匹配AC电气负载64所需的电力的相数。

因此，根据本发明的第一电气组件20的配置得到经济的、节省空间的和高效的第一电气组件20，其能够利用在使用中正常操作的硬件来传输和分配低电平功率以供应高电平功率。此外，变换器单元与电压源型变换器22的整合减少了操作第一电气组件22所需的硬件数量，从而还提供在硬件尺寸、重量和成本方面的节省。

可以设想，在本发明的其他实施例中，电压源型变换器的拓扑可以变化，只要电压源型变换器包括至少一个DC端子和至少一个AC端子，并且能够控制AC端子处AC电压的形态，AC电压为包括基频和3次谐频AC电压分量的正弦AC电压的形式。例如，每个变换器臂可以省略导向开关。

还可以设想，在本发明的其他实施例中，电压源型变换器中变换器臂的数量可以变化。在一个实施例中，电压源型变换器可以包括单个变换器臂。在另一个实施例中，电压源型变换器可以包括多个变换器臂和多个相位元件，变换器臂和相位元件的数量对应于多相AC电网的相数。

在再一个实施例中，可以设想，每个DC电力传输线可以由能够在两个或更多电气元件之间传电力传输力的任何其他介质来代替。这种介质可以是，但不限于，水下DC电力传输电缆、架空DC电力传输线路或电缆以及地下DC电力传输电缆。这种电气元件可以是，但不限于，DC电源、负载、DC电力网的DC端子或DC电网。

图4示出根据本发明第二实施例的第二电气组件120。图4的第二电气组件120在结构和操作上与图1的第一电气组件20类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第二电气组件120与第一电气组件20的不同之处在于，在第二电气组件120中，每个第二变压器绕组42b的第一端连接至不同的第二变压器绕组42b的第二端，使得第二变压器绕组42b的互连限定闭合环路，以及第二变压器绕组42b限定第一变压器的三次绕组。

第二电气组件120与第一电气组件20的不同之处还在于，第二电气组件120还包括多个第三变压器绕组42c。多个第三变压器绕组42c以第三星形结构连接，其中每个第三变压器绕组42c的第一端连接至公共接合点。第三变压器绕组42c限定第一变压器的一次绕组。在使用中，每个第三变压器绕组42c连接至三相AC电网46的相应相位。

每个第一变压器绕组42a与多个第三变压器绕组42c中的相应一个相互耦合。每个第二变压器绕组42b与多个第三变压器绕组42c中的相应一个相互耦合。以这种方式，在使用中，每个AC端子36连接至三相AC电网46的相应相位。

以这种方式布置第二变压器绕组42b限定三角形连接。三角形连接中无中性线防止3次谐频交流分量70a、70b、70c由于它们的零相序特性行进到中性线。这意味着3次谐频交流分量70a、70b、70c被困于由第二变压器绕组42b形成的闭合环路中并由此不能进入所连接的AC电网46。因此，在每个AC端子36处产生3次谐频交流分量70a、70b、70c对所连接的AC电网46的影响可以忽略。

可以设想，在本发明的其他实施例中，第二电气组件可以省略多个第三变压器绕组，并且多个第二变压器绕组可以限定第一变压器的一次绕组，每个第二变压器绕组连接至三相AC电网的相应相位。

图5示出根据本发明第三实施例的第三电气组件220。图5的第三电气组件220在结构和操作上与图1的第一电气组件20类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第三电气组件220与第一电气组件20的不同之处在于，第三电气组件220还包括两个额外的阻抗元件78。每个额外的阻抗元件78是以电感器的形式且连接在电流返回路径58中。特别地，额外的阻抗元件78中的一个连接至第一星形结构的公共接合点44，并且额外的阻抗元件78中的另一个经由第二变压器的一次变压器绕组60连接至DC抽头24的第三抽头端子56。

可以设想，在本发明的其他实施例中，第三电气组件可以包括额外的阻抗元件中的一个并且可以省略额外的阻抗元件中的另一个，使得剩余的额外阻抗元件连接至第一星形结构的公共接合点或者经由第二变压器的一次变压器绕组连接至DC抽头的第三抽头端子。

每个额外的阻抗元件78形成用于控制在每个AC端子36处流动的交流电的电流控制元件。因此，包括额外的阻抗元件78还增强了每个变换器臂30控制在对应AC端子36处产生第一非基频交流分量的能力。

图6示出根据本发明第四实施例的第四电气组件320。图6的第四电气组件320在结构和操作上与图5的第三电气组件220类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

第四电气组件320与第三电气组件220的不同之处在于，第四电气组件320包括两个变换器单元80，第四电气组件320的每个变换器单元80与电压源型变换器22分隔开，并且三个变换器臂30不形成变换器单元80。

在第四电气组件320中，控制器100被配置为选择性地控制每个变换器单元80。

在示出的实施例中，每个变换器单元80为链环式变换器的形式并且连接在电流返回路径58中。特别地，变换器单元80中的一个连接至第一星形结构的公共接合点44，并且变换器单元80中的另一个经由第二变压器的一次变压器绕组60连接至DC抽头24的第三抽头端子56。

在构造第一和第二AC电压分量的过程中，控制器100控制每个变换器臂部的每个链环式变换器中每个模块68的开关元件的切换，以控制AC端子36处AC电压的形态，AC电压为包括基频AC电压分量而无3次谐频交流电压分量70a、70b、70c的正弦AC电压的形式。因此，电压源型变换器22被控制为在AC端子36处产生基频交流电分量。

如下在每个AC端子36处产生3次谐频交流电压分量70a、70b、70c。

当电压源型变换器22被控制以在每个AC端子36处产生基频交流分量时，控制器100控制每个变换器单元80的链环式变换器中每个模块68的开关元件的切换，以在第一星形结构的公共接合点44处产生3次谐频AC电压，以驱动每个AC端子36处3次谐频交流电压分量70a、70b、70c的流动，并且从而驱动3次谐频交流电压分量72通过电流返回路径58并在第三抽头端子56中流动。

因此，电压源型变换器22和变换器单元80被结合操作以在AC端子36处产生交流电，交流电包括基频和3次谐频交流电压分量70a、70b、70c。

将每个变换器单元80与电压源型变换器22分隔开意味着无需电压源型变换器22以在每个AC端子36处产生3次谐频交流电压分量70a、70b、70c。因此，从硬件和控制观点来看，电压源型变换器22和变换器单元80可以被优化以执行它们的相应功能，从而提高第四电气组件320的效率和可靠性。

可以设想，在本发明的其他实施例中，第四电气组件可以包括变换器单元中的一个并且可以省略变换器单元中的另一个，使得剩余的变换器单元连接至第一星形结构的公共接合点或者经由第二变压器的一次变压器绕组连接至DC抽头的第三抽头端子。

可以设想，在本发明的其他实施例中，变换器单元的配置可以变化，只要在使用中变换器单元能够被控制以在每个AC端子处产生3次谐频交流分量，并且电气组件中变换器单元到电压源型变换器的连接可以变化，只要在使用中变换器单元能够被控制以在每个AC端子处产生3次谐频交流分量，以驱动3次谐频交流分量通过电流返回路径且在第三抽头端子中流动。

Claims (21)

1.一种电气组件，包括：

电压源型变换器，包括第一DC端子和第二DC端子以及至少一个AC端子，所述第一DC端子和第二DC端子分别连接至第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质，所述第一DC电力传输介质和第二DC电力传输介质连接至DC电网；所述AC端子或每个AC端子连接至AC电网；

DC抽头，包括第一抽头端子和第二抽头端子，所述第一抽头端子和所述第二抽头端子分别连接至所述第一DC电力传输介质和所述第二DC电力传输介质，所述DC抽头包括在所述第一抽头端子与所述第二抽头端子之间延伸的抽头臂，所述抽头臂具有由第三抽头端子分隔开的第一抽头臂部和第二抽头臂部，每个抽头臂部包括相应的隔直电容器，所述第三抽头端子连接至电气负载；

电流返回路径，被配置为将所述AC端子或每个AC端子电互连至所述第三抽头端子；

变换器单元；以及

控制器，被配置为选择性地控制所述变换器单元，以在所述AC端子或每个AC端子处产生至少一个第一非基频交流分量，以驱动非基频交流电通过所述电流返回路径并在所述第三抽头端子中流动，以及选择性地控制所述电压源型变换器，以修改在所述AC端子或每个AC端子处的所述第一非基频交流分量或每个第一非基频交流分量，以便形成在所述第一DC端子与所述第一抽头端子之间流动的第一电流以及形成在所述第二DC端子与所述第二抽头端子之间流动的第二电流，所述第一电流和第二电流中的每一个包括直流分量和至少一个第二非基频交流分量，以便使得所述DC抽头能够从所述DC电网获取电力，用于供应到所述电气负载。

2.根据权利要求1所述的电气组件，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述电压源型变换器，以在所述AC端子或每个AC端子处产生基频交流分量，同时所述变换器单元在所述AC端子或每个AC端子处产生所述第一非基频交流分量或每个第一非基频交流分量。

3.根据权利要求2所述的电气组件，其中所述第一非基频交流分量或每个第一非基频交流分量是谐频交流分量。

4.根据权利要求2所述的电气组件，其中所述第一非基频交流分量或每个第一非基频交流分量是零相序交流分量。

5.根据权利要求1所述的电气组件，其中所述电压源型变换器包括在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间延伸的至少一个变换器臂，所述变换器臂或每个变换器臂具有由AC端子分隔开的第一变换器臂部和第二变换器臂部，每个变换器臂部包括至少一个开关元件，每个变换器臂部中的所述开关元件或每个开关元件是切换的，以将对应的变换器臂部切换进和切换出在所述AC端子与对应的DC端子之间的电路，从而控制在对应的AC端子处的AC电压的形态。

6.根据权利要求5所述的电气组件，其中所述控制器被配置为选择性地控制所述变换器臂部中的所述开关元件的切换，以便以标称50：50占空比将所述变换器臂部交替地切换进在所述AC端子与所述对应的DC端子之间的电路。

7.根据权利要求6所述的电气组件，其中每个变换器臂部包括至少一个模块，所述模块或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，所述模块或每个模块中的所述开关元件或每个开关元件和所述能量储存装置或每个能量储存装置结合，以选择性地提供电压源。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的电气组件，其中所述电压源型变换器包括变换器单元。

9.根据权利要求8所述的电气组件，其中所述变换器单元包括所述变换器臂或每个变换器臂。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的电气组件，其中所述变换器单元与所述电压源型变换器分隔开。

11.根据权利要求10所述的电气组件，其中所述电流返回路径包括所述变换器单元。

12.根据权利要求11所述的电气组件，其中所述变换器单元包括至少一个模块，所述模块或每个模块包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，所述模块或每个模块中的所述开关元件或每个开关元件和所述能量储存装置或每个能量储存装置结合，以选择性地提供电压源。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的电气组件，其中所述电流返回路径包括下述中的至少一个：

接地回路；

导电线路或电缆；

导电护套，用于包封所述DC电力传输介质或每个DC电力传输介质；

避雷针。

14.根据权利要求13所述的电气组件，包括以星形结构连接的多个相位元件，其中每个相位元件的第一端连接至公共接合点，所述电流返回路径被配置为电互连所述公共接合点和所述第三抽头端子，所述电压源型变换器包括多个AC端子，每个AC端子连接至所述多个相位元件中的相应一个的第二端。

15.根据权利要求14所述的电气组件，其中每个相位元件包括第一变压器绕组。

16.根据权利要求15所述的电气组件，还包括多个第二变压器绕组，每个第一变压器绕组与所述多个第二变压器绕组中的相应一个相互耦合，每个第二变压器绕组的第一端连接至不同的第二变压器绕组的第二端，使得所述第二变压器绕组的互连限定闭合环路。

17.根据权利要求1至7中任一项所述的电气组件，包括至少一个阻抗元件，所述阻抗元件或每个阻抗元件形成用于控制所述第一非基频交流分量或每个第一非基频交流分量的电流控制元件。

18.根据权利要求17所述的电气组件，其中所述电流返回路径包括至少一个阻抗元件。

19.根据权利要求1至7中任一项所述的电气组件，其中所述DC抽头还包括变压器，所述第三抽头端子经由所述变压器连接至所述电气负载。

20.根据权利要求1至7中任一项所述的电气组件，其中所述DC抽头还包括变频器。

21.根据权利要求20所述的电气组件，其中所述变频器是1相到多相变频器。