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CN102084571A - 用于传输电力的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于传输电力的设备，包括：直流电压网(100)和经由站(102)连接到直流电压网的至少一个三相交流电压网(101)。该站包括电压源换流器(103)。单元(104)被配置为根据PWM模式来控制换流器，以生成具有加到基波电压部分的三次谐波电压部分的交流电压。在换流器的相输出(106)与交流电压网(101)之间没有布置变压器。装置(107)被配置为阻挡所述三次谐波电压部分并防止三次谐波电压部分到达交流电压网。

Description

用于传输电力的设备
技术领域和背景技术
本发明涉及一种用于传输电力的设备，其包括用于高压直流的直流电压网和经由站连接到直流电压网的至少一个三相交流电压网，其中，站被配置为执行直流电压网与交流电压网之间的电力传输，并且站包括被配置为将直流电压转换为交流电压以及将交流电压转换为直流电压的至少一个电压源换流器以及这样的单元：该单元被配置为根据脉宽调制(PWM)模式来控制所述换流器，以在换流器的三个相腿(phase leg)的每一个中生成具有加到基波电压的三次谐波电压部分的交流电压，其中，基波电压部分具有与所述交流电压网上的交流电压相同的频率。
以下将参照图1至图4讨论仅将三次谐波电压部分加到基波电压部分的这种已知的脉宽调制的一个类型，以形成阐明本发明的基础，但不以任何方式将范围限制于此。这种类型的控制单元可以利用将其它零序电压部分加到基波电压部分的其它类型的脉宽调制，诸如六次和九次谐波电压部分，还包括这些。
此外，所述电压源换流器可以是诸如两电平、三电平、多电平电压源换流器的任何已知类型，并且还可以是所谓的M2LC的模块化多电平换流器类型。用于所述脉宽调制模式的脉冲的频率取决于使用哪种类型的电压源换流器，使得对于两电平换流器，该频率通常是大约1kHz到5kHz，而对于M2LC换流器，通常是大约100Hz到500Hz，其中，所述交流网上的交流电压的频率通常是50Hz或者60Hz。
在图1中示意性地示出了两电平电压源换流器。换流器1具有连接在直流电压网7的相反电极5、6之间的三个相腿2-4。每个相腿具有串联连接的两个电流阀8-13、以及形成相输出14-16并通过相电抗器17和变压器18连接到交流电压网19的两个电流阀之间的中点。
单元20被配置为控制诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的可关断型半导体器件21接通或者关断，以将各输出连接到电极5或者电极6的电位，并且通过其根据脉宽调制模式在各相输出生成电压脉冲。这如何实现是本领域技术人员已知的常规技术。相电抗器17将有助于使如此产生的交流电压平滑。
图2是电压U对时间t的关系曲线图，其针对一相示出在不将任何谐波电压部分加到基波电压部分的情况下执行脉宽调制时图1中的相应相电抗器的左侧的电压A，而B示出了可加到基波电压部分的三次谐波电压部分，并且C示出了在将三次谐波电压部分加到基波电压部分时(即，通过将曲线A与曲线B相加)所获得的电压。可见三次谐波电压部分降低换流器的峰值电压。这意味着对于未与三次谐波电压部分相加的情形，基波电压部分可增加差不多15％，并且通过这样的相加而获得的电压将仍然保持在换流器电压极限之下。这意味着可以增加高达15％的额定功率，并且还可使换流器损失降低大约15％。这就是在所述脉宽调制过程中加入这样的三次谐波电压部分的原因。图3示出了对于将三次谐波电压部分加到每相的基波电压部分的这样的脉宽调制，三个相2-4的换流器交流电压U对时间的外观。
图4示出了图3的相电压在通过变压器19之后在交流电压网19上的外观。可见在变压器的交流电压网侧去掉三次谐波电压部分，从而产生目标的正弦交流相电压，并且该正弦交流相电压具有比在未加入所述三次谐波电压部分的情况下可获得的电压更高的峰值电压值。
发明内容
本发明的目的是提供相对于已知的这种设备在至少某一方面被改进的引言所定义的类型的设备。
根据本发明，通过提供这种设备来达到该目的，在该设备中，所述单元被配置为控制换流器，以针对所述脉宽调制模式的脉冲使用适配于所述交流电压网的交流电压的峰值的直流电压，交流电压网在没有任何中间完整的变压器的情况下连接到每个所述相腿的相输出，并且该设备还包括连接到每个所述相腿的装置，其被配置为阻挡所述三次谐波电压部分并防止所述三次谐波电压部分到达交流电压网。
本发明人认识到，为了改进这种类型的设备，可以利用这样的事实：使用电压源换流器的HVDC应用中的完整变压器(full transformer)主要具有对交流电压网与换流器之间的电压进行适配的功能，而不是如在线换向HVDC传输中一样作为换流器的组成部分。随着换流器额定值和电压增加，在许多情况下可能没有强有力的理由具有用于对交流电压网与直流电压网之间的电压进行适配的变压器，这是由于这些电压完全相同。通过去掉完整的变压器，于是将具有降低成本和降低损失的益处。然而，为了仍然能够利用在所述脉宽调制中将三次谐波电压部分加到基波电压部分的优点，提供了具有被配置为阻挡所述三次谐波电压部分的所述装置的设备。因此，当通过省略完整变压器来节省成本时，同时可维持由于加入所述三次谐波电压部分而产生的额定功率的增加。要指出的是，根据本发明的设备不具有完整变压器，但是本发明覆盖了设备根本不具有任何变压器的情况、以及具有除完整变压器之外的其它变压器(如将交流电压网连接到每个所述相腿的相输出的调压变压器和/或自控变压器)的情况。
根据本发明的实施例，针对每个所述相腿，所述装置包括具有电感和电容的至少一个三次谐波阻挡滤波器。这种三次谐波阻挡滤波器可通过使所述电感和电容(诸如具有电感器和电容器的形式)调谐到所述三次谐波，有效地消除叠加到由换流器产生的基波电压的所述三次谐波电压部分。这样的三次谐波阻挡滤波器的成本显著低于变压器的成本。
根据本发明的另一实施例，所述装置包括零序电抗器，其被配置为阻挡由于所述脉宽调制而加到所述基波电压部分的任何零序电压部分。通过用这样的零序电抗器来替换变压器也使得大量节省成本，并且所述该类型的装置使得可使用将任何类型的零序电压部分加到基波电压部分的脉宽调制模式(例如像所谓的最佳PWM)，并且在交流电压网上仍然获得纯正弦交流电压。
根据本发明的另一实施例，所述零序电抗器包括具有三个腿的铁芯、以及在每个腿上的一个导体绕组，并且在该相腿和所述交流电压网的其相应相线之间，每个所述绕组串联连接到换流器的单个所述相腿。这种零序电抗器将有效地消除在PWM中加到所述基波电压部分的任何零序电压部分，并且它可被基本比作具有如下额定值的变压器：其小于在该类HVDC设备中通常使用的变压器的额定值的10％。
根据本发明的另一实施例，所述单元被配置为控制换流器，以在每个所述相腿上生成还具有加到所述基波电压部分的除三次谐波电压部分之外的其它零序电压部分的交流电压，当所述装置包括零序电抗器时，这可有利地被完成。
根据本发明的另一实施例，所述站的所述电压源换流器是这样的类型：所述三个相腿的每一个连接到换流器的直流电压侧的相反电极，并且包括开关元件的串联连接，每个开关元件一方面具有至少两个半导体组件，并且另一方面具有至少一个储能电容器，该至少两个半导体组件均具有可关断型半导体器件和与可关断型半导体器件反并联连接的续流二极管，所述串联连接的中点形成所述相输出，每个所述开关元件被配置为通过控制每个开关元件的所述半导体器件来获得两个开关状态，即第一开关状态和第二开关状态，其中，所述至少一个储能电容器上的电压和零电压被分别施加到开关元件的端子上，以在所述相输出获得确定的所述交流电压。当利用这样的电压源换流器时，将可获得具有许多不同电平的电压脉冲，使得可借助于比在其它类型的已知电压源换流器中通常使用的显著更低的开关频率，在执行任何滤波之前已经获得非常接近正弦电压的交流电压，从而导致这样的换流器的低损失。这是指进一步节省根据本发明的设备的成本。
根据本发明的另一实施例，所述装置包括三次谐波阻挡滤波器，其将开关元件的所述串联连接的每一半连接到各相的所述相输出。在这样的实施例中，相电抗器可包括在三次谐波阻挡滤波器中。
根据本发明的另一实施例，换流器的每个所述相腿中的所述开关元件的串联连接的开关元件数是≥4、≥12、≥30或≥50。如已经提到的那样，当所述相腿的开关元件数相当高而导致在所述相输出传递的电压脉冲的高可能电平数时，该类型的换流器特别令人感兴趣。
根据本发明的另一实施例，所述装置串联连接在换流器的每个所述相腿的相输出与所述交流电压网的相应相线之间，这构成连接所述装置的有利方式，以在所述交流电压网上获得目标的交流电压。
根据本发明的另一实施例，由所述单元根据所述脉宽调制模式控制的所述换流器中的可关断型半导体器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)或者GTO(门极可关断晶闸管)。这些是用于这样换流器的适当的半导体器件，但是还可想到其它可关断型半导体器件。
根据本发明的另一实施例，所述直流电压网在其两电极之间具有10kV到1200kV、100kV到1200kV或者300kV到1200kV的标称的所述直流电压。这些是用于根据本发明的设备的典型电压，并且要指出的是，所述直流电压越高，则该类设备越令人感兴趣。
根据本发明的另一实施例，交流电压网在没有任何中间变压器的情况下连接到每个所述相腿的相输出。
根据本发明的另一实施例，交流电压网经由调压变压器连接到每个所述相腿的相输出。
根据本发明的另一实施例，交流电压网经由自控变压器连接到每个所述相腿的相输出。
最后提到的所有三个实施例相对于完整变压器的布置显著节省成本。
根据以下的描述，将呈现本发明的其它优点和有利特征。
附图说明
参照附图，下面是作为示例而列举的本发明的实施例的描述。
在附图中：
图1是已知的用于传输电力的设备的示意图，
图2至图4是用于说明在脉宽调制中将三次谐波电压部分加到基波电压部分的原因的电压对时间的示图，
图5至图8是示出根据本发明的第一到第四实施例的设备的示意图，
图9是示出包括在根据本发明的第五实施例的设备中的零序电抗器的示意图。
具体实施方式
现在将参照图5至图9简要说明本发明的不同实施例，但要强调的是，其大量修改当然可在本发明的范围之内。此外，这些图是非常简化的，几乎仅用于示出对于说明本发明是必要的项目，从而省略多个额外装备等。
图5示意性地示出了根据本发明的第一实施例的用于传输电力的设备，其包括用于高压直流的直流电压网100和连接到直流电压网100的一个交流电压网101。交流电压网经由站连接到直流电压网，该站被配置为执行直流电压网与交流电压网之间电力的传输，并且包括至少一个电压源换流器103，这里电压源换流器103是两电平型或者像M2LC换流器那样的不具有内置于其开关元件中的电容器的其它类型。换流器被配置为将直流电压转换为交流电压以及将交流电压转换为直流电压。该设备还包括单元104，单元104被配置为根据脉宽调制(PWM)模式控制所述换流器，以在换流器的三个相腿105(这里由单根线概括)的每一个中生成具有加到基波电压部分的三次谐波电压部分的交流电压，其中，该基波电压部分具有与所述交流电压网101上的交流电压相同的频率，如50Hz或者60Hz。
此外，单元104被配置为控制换流器，以使用用于所述脉宽调制模式的脉冲的、被适配于交流电压网的交流电压的峰值的直流电压，使得在换流器的每个所述相腿105的相输出106之间不需要变压器，以将由换流器生成的电压变换为交流电压网101上的电压的电平。另外，这里通过仅示出一相来概括交流电压网101的三相和相应的相输出106。
该设备还包括装置107，装置107连接到每个所述相腿，并被配置为阻挡所述三次谐波电压部分并防止其到达交流电压网。该装置107在这种情况下是具有电感器108和电容器109的三次谐波阻挡滤波器。该滤波器将调谐到所述三次谐波电压，以从来自换流器的所述相输出106且具有根据图3的外观的电压基本完全去除三次谐波电压部分，使得在滤波器107的交流电压网侧得到的电压将具有根据图4的外观。
在图5中还表示了相电抗器110以及具有电容器112、电感器113以及电阻114的可能的交流电压滤波器111，用于使从所述相输出106到达的电压平滑。
图6示出了根据本发明的第二实施例的设备，其与图5中示出的设备不同仅在于：所述交流电压滤波器111连接在三次谐波阻挡滤波器107的交流电压网侧。
图7示出了根据本发明的三次实施例的设备，其中，换流器103′是例如在DE 101 03 031 A1中公开的类型的所谓的M2LC换流器，其中，连接到直流电压网100的相反电极115、116的三个相腿的每一个包括开关元件117的串联连接，其中，每个开关元件117一方面具有至少两个半导体组件，并且另一方面具有至少一个储能电容器120，其中，该至少两个半导体组件各具有诸如IGBT、IGCT或者GTO的可关断型半导体器件118和与可关断型半导体器件118反并联连接的续流二极管119，其中，所述串联连接的中点形成所述相输出106′。每个开关元件被配置为通过控制每个开关元件的所述半导体器件来获得两个开关状态，即第一开关状态和第二开关状态，其中，所述至少一个储能电容器上的电压和零电压被分别施加到开关元件的端子之间，以在所述相输出获得确定的所述交流电压。这里，电感器121将开关元件的所述串联连接的每一半连接到相输出106′，以构成相电抗器，但是这些电感器还可内置于开关元件中。
三次谐波阻挡滤波器107串联地布置于换流器的每个相腿的相输出106′与交流电压网101的相应相线之间。被配置为控制开关元件的控制单元104将利用比用于根据图5和图6的换流器的相对更低的频率(诸如相对1kHz-5kHz的大约100Hz-500Hz)来控制这些开关元件。
图8示出了根据本发明的第四实施例的设备，其与图7中示出的设备不同在于：三次谐波阻挡滤波器107″被布置为将开关元件的串联连接的每一半连接到各相的所述相输出106″，其中，所述相输出106″然后直接连接到交流电压网101。这里，相电抗器122内置于所述三次谐波阻挡滤波器107″中。
最后，图9示出了零序电抗器，其可替换在本发明的其它实施例中示出的所述三次谐波阻挡滤波器，以滤除由于由控制单元104执行所述脉宽调制而加到所述基波电压部分的任何零序电压部分，而不仅滤除三次谐波电压部分。例如，在所谓的最佳PWM中生成多个不同的零序谐波，并且在图9中示出的零序电抗器123可处理所有这些零序谐波。该零序电抗器可以是油绝缘装置，由具有三个相腿125-127的铁芯124以及在每个腿上的一个导体绕组128-130组成。在相腿与所述交流电压网101的相应相线之间，每个所述绕组128-130串联连接到换流器的单个所述相腿105。这种零序电抗器可用作用于任何类型电压源换流器的零序阻挡滤波器。该零序电抗器可比作具有这样的额定值的变压器：该额定值小于在用于通过高压直流传输电力的设备中通常使用的变压器的额定值的10％。
当然不以任何方式将本发明限于上述实施例，而是在不脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员将理解对其修改的许多可能。

Claims (14)

1.一种用于传输电力的设备，包括用于高压直流的直流电压网(100)和经由站(102)连接到所述直流电压网的至少一个三相交流电压网(101)，其中，所述站被配置为执行所述直流电压网与所述交流电压网之间的电力传输，并且所述站包括被配置为将直流电压转换为交流电压以及将交流电压转换为直流电压的至少一个电压源换流器(103、103′)以及这样的单元(104)：所述单元被配置为根据脉宽调制(PWM)模式来控制所述换流器，以在所述换流器的三个相腿(105)的每一个中生成具有加到基波电压部分的三次谐波电压部分的交流电压，其中，所述基波电压部分具有与所述交流电压网上的所述交流电压相同的频率，
其特征在于，所述单元(104)被配置为控制所述换流器，以针对所述脉宽调制模式的脉冲使用适配于所述交流电压网的所述交流电压的峰值的直流电压，所述交流电压网(101)在没有任何中间完整的变压器的情况下连接到每个所述相腿的相输出(106)，并且所述设备还包括连接到每个所述相腿的装置(107、107″、123)，其被配置为阻挡所述三次谐波电压部分并防止所述三次谐波电压部分到达所述交流电压网。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，针对每个所述相腿(105)，所述装置包括具有电感器(108)和电容器(109)的至少一个三次谐波阻挡滤波器(107、107″)。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述装置包括零序电抗器(123)，其被配置为阻挡由于所述脉宽调制而加到所述基波电压部分的任何零序电压部分。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述零序电抗器(123)包括具有三个腿(125-127)的铁芯(124)、以及在每个腿上的一个导体绕组(128-130)，并且在所述相腿与所述交流电压网(101)的相应相线之间，每个所述绕组串联连接到所述换流器的单个所述相腿(105)。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，所述单元(104)被配置为控制所述换流器，以在每个所述相腿上生成还具有加到所述基波电压部分的除三次谐波电压部分之外的其它零序电压部分的交流电压。
6.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述站的所述电压源换流器(103′)是这样的类型：所述三个相腿的每一个连接到所述换流器的直流电压侧的相反电极(115、116)并且包括开关元件(117)的串联连接，每个开关元件一方面具有至少两个半导体组件，并且另一方面具有至少一个储能电容器(120)，所述至少两个半导体组件各具有可关断型半导体器件(118)和与所述可关断型半导体器件反并联连接的续流二极管(119)，所述串联连接的中点形成所述相输出(106′、106″)，每个所述开关元件被配置为通过控制每个开关元件的所述半导体器件获得两个开关状态，即第一开关状态和第二开关状态，其中，所述至少一个储能电容器上的电压和零电压被分别施加到所述开关元件的端子上，以在所述相输出获得确定的所述交流电压。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述装置包括三次谐波阻挡滤波器(107″)，其将开关元件(117)的所述串联连接的每一半连接到相应相的所述相输出。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述换流器的每个所述相腿中的所述开关元件的串联连接的开关元件(117)的数量是≥4、≥12、≥30或≥50。
9.根据权利要求1-6以及8中的任一项所述的设备，其特征在于，所述装置(107、123)串联连接在所述换流器的每个所述相腿的相输出(106、106′)与所述交流电压网(101)的所述相应相线之间。
10.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，由所述单元根据所述脉宽调制模式而控制的所述换流器中的可关断型半导体器件是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)或者GTO(门极可关断晶闸管)。
11.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述直流电压网在其两电极之间具有10kV到1200kV、100kV到1200kV或者300kV到1200kV的标称的所述直流电压。
12.根据以上权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述交流电压网(101)在没有任何中间变压器的情况下连接到每个所述相腿的相输出(106)。
13.根据权利要求1-11中的任一项所述的设备，其特征在于，所述交流电压网经由调压变压器连接到每个所述相腿的相输出。
14.根据权利要求1-11中的任一项所述的设备，其特征在于，所述交流电压网经由自控变压器连接到每个所述相腿的相输出。
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