專利名稱：用于傳輸電力的設備的制作方法
用于傳輸電力的設備技術領域和
背景技術：
本發明涉及一種用于傳輸電力的設備，其包括用于高壓直流的直流電壓網和經由 站連接到直流電壓網的至少一個三相交流電壓網，其中，站被配置為執行直流電壓網與交 流電壓網之間的電力傳輸，并且站包括被配置為將直流電壓轉換為交流電壓以及將交流電 壓轉換為直流電壓的至少一個電壓源換流器以及這樣的單元該單元被配置為根據脈寬調 制(PWM)模式來控制所述換流器，以在換流器的三個相腿(phase leg)的每一個中生成具 有加到基波電壓的三次諧波電壓部分的交流電壓，其中，基波電壓部分具有與所述交流電 壓網上的交流電壓相同的頻率。以下將參照圖1至圖4討論僅將三次諧波電壓部分加到基波電壓部分的這種已知 的脈寬調制的一個類型，以形成闡明本發明的基礎，但不以任何方式將范圍限制于此。這種 類型的控制單元可以利用將其它零序電壓部分加到基波電壓部分的其它類型的脈寬調制， 諸如六次和九次諧波電壓部分，還包括這些。此外，所述電壓源換流器可以是諸如兩電平、三電平、多電平電壓源換流器的任何 已知類型，并且還可以是所謂的M2LC的模塊化多電平換流器類型。用于所述脈寬調制模式 的脈沖的頻率取決于使用哪種類型的電壓源換流器，使得對于兩電平換流器，該頻率通常 是大約IkHz到5kHz，而對于M2LC換流器，通常是大約IOOHz到500Hz，其中，所述交流網上 的交流電壓的頻率通常是50Hz或者60Hz。在圖1中示意性地示出了兩電平電壓源換流器。換流器1具有連接在直流電壓網 7的相反電極5、6之間的三個相腿2-4。每個相腿具有串聯連接的兩個電流閥8-13、以及形 成相輸出14-16并通過相電抗器17和變壓器18連接到交流電壓網19的兩個電流閥之間 的中點。單元20被配置為控制諸如IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)的可關斷型半導體器件 21接通或者關斷，以將各輸出連接到電極5或者電極6的電位，并且通過其根據脈寬調制 模式在各相輸出生成電壓脈沖。這如何實現是本領域技術人員已知的常規技術。相電抗器 17將有助于使如此產生的交流電壓平滑。圖2是電壓U對時間t的關系曲線圖，其針對一相示出在不將任何諧波電壓部分 加到基波電壓部分的情況下執行脈寬調制時圖1中的相應相電抗器的左側的電壓A，而B示 出了可加到基波電壓部分的三次諧波電壓部分，并且C示出了在將三次諧波電壓部分加到 基波電壓部分時(即，通過將曲線A與曲線B相加)所獲得的電壓。可見三次諧波電壓部 分降低換流器的峰值電壓。這意味著對于未與三次諧波電壓部分相加的情形，基波電壓部 分可增加差不多15%，并且通過這樣的相加而獲得的電壓將仍然保持在換流器電壓極限之 下。這意味著可以增加高達15%的額定功率，并且還可使換流器損失降低大約15%。這就 是在所述脈寬調制過程中加入這樣的三次諧波電壓部分的原因。圖3示出了對于將三次諧 波電壓部分加到每相的基波電壓部分的這樣的脈寬調制，三個相2-4的換流器交流電壓U 對時間的外觀。圖4示出了圖3的相電壓在通過變壓器19之后在交流電壓網19上的外觀。可見在變壓器的交流電壓網側去掉三次諧波電壓部分，從而產生目標的正弦交流相電壓，并且 該正弦交流相電壓具有比在未加入所述三次諧波電壓部分的情況下可獲得的電壓更高的 峰值電壓值。

發明內容
本發明的目的是提供相對于已知的這種設備在至少某一方面被改進的引言所定 義的類型的設備。根據本發明，通過提供這種設備來達到該目的，在該設備中，所述單元被配置為控 制換流器，以針對所述脈寬調制模式的脈沖使用適配于所述交流電壓網的交流電壓的峰值 的直流電壓，交流電壓網在沒有任何中間完整的變壓器的情況下連接到每個所述相腿的相 輸出，并且該設備還包括連接到每個所述相腿的裝置，其被配置為阻擋所述三次諧波電壓 部分并防止所述三次諧波電壓部分到達交流電壓網。本發明人認識到，為了改進這種類型的設備，可以利用這樣的事實使用電壓源換 流器的HVDC應用中的完整變壓器(full transformer)主要具有對交流電壓網與換流器之 間的電壓進行適配的功能，而不是如在線換向HVDC傳輸中一樣作為換流器的組成部分。隨 著換流器額定值和電壓增加，在許多情況下可能沒有強有力的理由具有用于對交流電壓網 與直流電壓網之間的電壓進行適配的變壓器，這是由于這些電壓完全相同。通過去掉完整 的變壓器，于是將具有降低成本和降低損失的益處。然而，為了仍然能夠利用在所述脈寬調 制中將三次諧波電壓部分加到基波電壓部分的優點，提供了具有被配置為阻擋所述三次諧 波電壓部分的所述裝置的設備。因此，當通過省略完整變壓器來節省成本時，同時可維持由 于加入所述三次諧波電壓部分而產生的額定功率的增加。要指出的是，根據本發明的設備 不具有完整變壓器，但是本發明覆蓋了設備根本不具有任何變壓器的情況、以及具有除完 整變壓器之外的其它變壓器(如將交流電壓網連接到每個所述相腿的相輸出的調壓變壓 器和/或自控變壓器)的情況。根據本發明的實施例，針對每個所述相腿，所述裝置包括具有電感和電容的至少 一個三次諧波阻擋濾波器。這種三次諧波阻擋濾波器可通過使所述電感和電容(諸如具有 電感器和電容器的形式)調諧到所述三次諧波，有效地消除疊加到由換流器產生的基波電 壓的所述三次諧波電壓部分。這樣的三次諧波阻擋濾波器的成本顯著低于變壓器的成本。根據本發明的另一實施例，所述裝置包括零序電抗器，其被配置為阻擋由于所述 脈寬調制而加到所述基波電壓部分的任何零序電壓部分。通過用這樣的零序電抗器來替換 變壓器也使得大量節省成本，并且所述該類型的裝置使得可使用將任何類型的零序電壓部 分加到基波電壓部分的脈寬調制模式(例如像所謂的最佳PWM)，并且在交流電壓網上仍然 獲得純正弦交流電壓。根據本發明的另一實施例，所述零序電抗器包括具有三個腿的鐵芯、以及在每個 腿上的一個導體繞組，并且在該相腿和所述交流電壓網的其相應相線之間，每個所述繞組 串聯連接到換流器的單個所述相腿。這種零序電抗器將有效地消除在PWM中加到所述基波 電壓部分的任何零序電壓部分，并且它可被基本比作具有如下額定值的變壓器其小于在 該類HVDC設備中通常使用的變壓器的額定值的10%。根據本發明的另一實施例，所述單元被配置為控制換流器，以在每個所述相腿上生成還具有加到所述基波電壓部分的除三次諧波電壓部分之外的其它零序電壓部分的交 流電壓，當所述裝置包括零序電抗器時，這可有利地被完成。根據本發明的另一實施例，所述站的所述電壓源換流器是這樣的類型所述三個 相腿的每一個連接到換流器的直流電壓側的相反電極，并且包括開關元件的串聯連接，每 個開關元件一方面具有至少兩個半導體組件，并且另一方面具有至少一個儲能電容器，該 至少兩個半導體組件均具有可關斷型半導體器件和與可關斷型半導體器件反并聯連接的 續流二極管，所述串聯連接的中點形成所述相輸出，每個所述開關元件被配置為通過控制 每個開關元件的所述半導體器件來獲得兩個開關狀態，即第一開關狀態和第二開關狀態， 其中，所述至少一個儲能電容器上的電壓和零電壓被分別施加到開關元件的端子上，以在 所述相輸出獲得確定的所述交流電壓。當利用這樣的電壓源換流器時，將可獲得具有許多 不同電平的電壓脈沖，使得可借助于比在其它類型的已知電壓源換流器中通常使用的顯著 更低的開關頻率，在執行任何濾波之前已經獲得非常接近正弦電壓的交流電壓，從而導致 這樣的換流器的低損失。這是指進一步節省根據本發明的設備的成本。根據本發明的另一實施例，所述裝置包括三次諧波阻擋濾波器，其將開關元件的 所述串聯連接的每一半連接到各相的所述相輸出。在這樣的實施例中，相電抗器可包括在 三次諧波阻擋濾波器中。根據本發明的另一實施例，換流器的每個所述相腿中的所述開關元件的串聯連接 的開關元件數是彡4、彡12、彡30或彡50。如已經提到的那樣，當所述相腿的開關元件數相 當高而導致在所述相輸出傳遞的電壓脈沖的高可能電平數時，該類型的換流器特別令人感 興趣。根據本發明的另一實施例，所述裝置串聯連接在換流器的每個所述相腿的相輸出 與所述交流電壓網的相應相線之間，這構成連接所述裝置的有利方式，以在所述交流電壓 網上獲得目標的交流電壓。根據本發明的另一實施例，由所述單元根據所述脈寬調制模式控制的所述換流器 中的可關斷型半導體器件是IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)、IGCT (集成門極換流晶閘管)或 者GT0(門極可關斷晶閘管)。這些是用于這樣換流器的適當的半導體器件，但是還可想到 其它可關斷型半導體器件。根據本發明的另一實施例，所述直流電壓網在其兩電極之間具有IOkV到1200kV、 IOOkV到1200kV或者300kV到1200kV的標稱的所述直流電壓。這些是用于根據本發明的 設備的典型電壓，并且要指出的是，所述直流電壓越高，則該類設備越令人感興趣。根據本發明的另一實施例，交流電壓網在沒有任何中間變壓器的情況下連接到每 個所述相腿的相輸出。根據本發明的另一實施例，交流電壓網經由調壓變壓器連接到每個所述相腿的相 輸出。根據本發明的另一實施例，交流電壓網經由自控變壓器連接到每個所述相腿的相 輸出。最后提到的所有三個實施例相對于完整變壓器的布置顯著節省成本。根據以下的描述，將呈現本發明的其它優點和有利特征。


參照附圖，下面是作為示例而列舉的本發明的實施例的描述。在附圖中圖1是已知的用于傳輸電力的設備的示意圖，圖2至圖4是用于說明在脈寬調制中將三次諧波電壓部分加到基波電壓部分的原 因的電壓對時間的示圖，圖5至圖8是示出根據本發明的第一到第四實施例的設備的示意圖，圖9是示出包括在根據本發明的第五實施例的設備中的零序電抗器的示意圖。
具體實施例方式現在將參照圖5至圖9簡要說明本發明的不同實施例，但要強調的是，其大量修改 當然可在本發明的范圍之內。此外，這些圖是非常簡化的，幾乎僅用于示出對于說明本發明 是必要的項目，從而省略多個額外裝備等。圖5示意性地示出了根據本發明的第一實施例的用于傳輸電力的設備，其包括用 于高壓直流的直流電壓網100和連接到直流電壓網100的一個交流電壓網101。交流電 壓網經由站連接到直流電壓網，該站被配置為執行直流電壓網與交流電壓網之間電力的傳 輸，并且包括至少一個電壓源換流器103，這里電壓源換流器103是兩電平型或者像M2LC換 流器那樣的不具有內置于其開關元件中的電容器的其它類型。換流器被配置為將直流電壓 轉換為交流電壓以及將交流電壓轉換為直流電壓。該設備還包括單元104，單元104被配置 為根據脈寬調制(PWM)模式控制所述換流器，以在換流器的三個相腿105(這里由單根線概 括)的每一個中生成具有加到基波電壓部分的三次諧波電壓部分的交流電壓，其中，該基 波電壓部分具有與所述交流電壓網101上的交流電壓相同的頻率，如50Hz或者60Hz。此外，單元104被配置為控制換流器，以使用用于所述脈寬調制模式的脈沖的、被 適配于交流電壓網的交流電壓的峰值的直流電壓，使得在換流器的每個所述相腿105的相 輸出106之間不需要變壓器，以將由換流器生成的電壓變換為交流電壓網101上的電壓的 電平。另外，這里通過僅示出一相來概括交流電壓網101的三相和相應的相輸出106。該設備還包括裝置107，裝置107連接到每個所述相腿，并被配置為阻擋所述三次 諧波電壓部分并防止其到達交流電壓網。該裝置107在這種情況下是具有電感器108和電 容器109的三次諧波阻擋濾波器。該濾波器將調諧到所述三次諧波電壓，以從來自換流器 的所述相輸出106且具有根據圖3的外觀的電壓基本完全去除三次諧波電壓部分，使得在 濾波器107的交流電壓網側得到的電壓將具有根據圖4的外觀。在圖5中還表示了相電抗器110以及具有電容器112、電感器113以及電阻114的 可能的交流電壓濾波器111，用于使從所述相輸出106到達的電壓平滑。圖6示出了根據本發明的第二實施例的設備，其與圖5中示出的設備不同僅在于 所述交流電壓濾波器111連接在三次諧波阻擋濾波器107的交流電壓網側。圖7示出了根據本發明的三次實施例的設備，其中，換流器103'是例如在DE 101 03 031 Al中公開的類型的所謂的M2LC換流器，其中，連接到直流電壓網100的相反電極 115,116的三個相腿的每一個包括開關元件117的串聯連接，其中，每個開關元件117—方 面具有至少兩個半導體組件，并且另一方面具有至少一個儲能電容器120，其中，該至少兩個半導體組件各具有諸如IGBT、IGCT或者GTO的可關斷型半導體器件118和與可關斷型 半導體器件118反并聯連接的續流二極管119，其中，所述串聯連接的中點形成所述相輸出 106'。每個開關元件被配置為通過控制每個開關元件的所述半導體器件來獲得兩個開關 狀態，即第一開關狀態和第二開關狀態，其中，所述至少一個儲能電容器上的電壓和零電壓 被分別施加到開關元件的端子之間，以在所述相輸出獲得確定的所述交流電壓。這里，電感 器121將開關元件的所述串聯連接的每一半連接到相輸出106'，以構成相電抗器，但是這 些電感器還可內置于開關元件中。三次諧波阻擋濾波器107串聯地布置于換流器的每個相腿的相輸出106'與交流 電壓網101的相應相線之間。被配置為控制開關元件的控制單元104將利用比用于根據圖 5和圖6的換流器的相對更低的頻率(諸如相對lkHz-5kHz的大約100Hz-500Hz)來控制這 些開關元件。圖8示出了根據本發明的第四實施例的設備，其與圖7中示出的設備不同在于三 次諧波阻擋濾波器107"被布置為將開關元件的串聯連接的每一半連接到各相的所述相輸 出106"，其中，所述相輸出106"然后直接連接到交流電壓網101。這里，相電抗器122內 置于所述三次諧波阻擋濾波器107〃中。最后，圖9示出了零序電抗器，其可替換在本發明的其它實施例中示出的所述三 次諧波阻擋濾波器，以濾除由于由控制單元104執行所述脈寬調制而加到所述基波電壓部 分的任何零序電壓部分，而不僅濾除三次諧波電壓部分。例如，在所謂的最佳PWM中生成 多個不同的零序諧波，并且在圖9中示出的零序電抗器123可處理所有這些零序諧波。該 零序電抗器可以是油絕緣裝置，由具有三個相腿125-127的鐵芯124以及在每個腿上的一 個導體繞組U8-130組成。在相腿與所述交流電壓網101的相應相線之間，每個所述繞組 128-130串聯連接到換流器的單個所述相腿105。這種零序電抗器可用作用于任何類型電 壓源換流器的零序阻擋濾波器。該零序電抗器可比作具有這樣的額定值的變壓器該額定 值小于在用于通過高壓直流傳輸電力的設備中通常使用的變壓器的額定值的10%。當然不以任何方式將本發明限于上述實施例，而是在不脫離如在所附權利要求中 限定的本發明的范圍的情況下，本領域的普通技術人員將理解對其修改的許多可能。
權利要求
1.一種用于傳輸電力的設備，包括用于高壓直流的直流電壓網(100)和經由站(102) 連接到所述直流電壓網的至少一個三相交流電壓網(101)，其中，所述站被配置為執行所述 直流電壓網與所述交流電壓網之間的電力傳輸，并且所述站包括被配置為將直流電壓轉換 為交流電壓以及將交流電壓轉換為直流電壓的至少一個電壓源換流器(103、103')以及 這樣的單元(104)所述單元被配置為根據脈寬調制(PWM)模式來控制所述換流器，以在所 述換流器的三個相腿(10 的每一個中生成具有加到基波電壓部分的三次諧波電壓部分 的交流電壓，其中，所述基波電壓部分具有與所述交流電壓網上的所述交流電壓相同的頻 率，其特征在于，所述單元(104)被配置為控制所述換流器，以針對所述脈寬調制模式 的脈沖使用適配于所述交流電壓網的所述交流電壓的峰值的直流電壓，所述交流電壓網 (101)在沒有任何中間完整的變壓器的情況下連接到每個所述相腿的相輸出(106)，并且 所述設備還包括連接到每個所述相腿的裝置(107、107"、123)，其被配置為阻擋所述三次 諧波電壓部分并防止所述三次諧波電壓部分到達所述交流電壓網。
2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，針對每個所述相腿(105)，所述裝置包括 具有電感器(108)和電容器(109)的至少一個三次諧波阻擋濾波器(107、107")。
3.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述裝置包括零序電抗器(123)，其被配 置為阻擋由于所述脈寬調制而加到所述基波電壓部分的任何零序電壓部分。
4.根據權利要求3所述的設備，其特征在于，所述零序電抗器(12 包括具有三個腿 (125-127)的鐵芯(IM)、以及在每個腿上的一個導體繞組(1觀-130)，并且在所述相腿與 所述交流電壓網(101)的相應相線之間，每個所述繞組串聯連接到所述換流器的單個所述 相腿(105)。
5.根據權利要求3或4所述的設備，其特征在于，所述單元(104)被配置為控制所述換 流器，以在每個所述相腿上生成還具有加到所述基波電壓部分的除三次諧波電壓部分之外 的其它零序電壓部分的交流電壓。
6.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其特征在于，所述站的所述電壓源換流 器(103')是這樣的類型所述三個相腿的每一個連接到所述換流器的直流電壓側的相 反電極(115、116)并且包括開關元件(117)的串聯連接，每個開關元件一方面具有至少兩 個半導體組件，并且另一方面具有至少一個儲能電容器(120)，所述至少兩個半導體組件各 具有可關斷型半導體器件(118)和與所述可關斷型半導體器件反并聯連接的續流二極管 (119)，所述串聯連接的中點形成所述相輸出(106' ,106")，每個所述開關元件被配置為 通過控制每個開關元件的所述半導體器件獲得兩個開關狀態，即第一開關狀態和第二開關 狀態，其中，所述至少一個儲能電容器上的電壓和零電壓被分別施加到所述開關元件的端 子上，以在所述相輸出獲得確定的所述交流電壓。
7.根據權利要求6所述的設備，其特征在于，所述裝置包括三次諧波阻擋濾波器 (107")，其將開關元件(117)的所述串聯連接的每一半連接到相應相的所述相輸出。
8.根據權利要求6或7所述的設備，其特征在于，所述換流器的每個所述相腿中的所述 開關元件的串聯連接的開關元件(117)的數量是彡4、彡12、彡30或彡50。
9.根據權利要求1-6以及8中的任一項所述的設備，其特征在于，所述裝置(107、123) 串聯連接在所述換流器的每個所述相腿的相輸出(106、106')與所述交流電壓網(101)的所述相應相線之間。
10.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其特征在于，由所述單元根據所述脈寬 調制模式而控制的所述換流器中的可關斷型半導體器件是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、 IGCT(集成門極換流晶閘管)或者GT0(門極可關斷晶閘管)。
11.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其特征在于，所述直流電壓網在其兩電 極之間具有IOkV到1200kV、IOOkV到1200kV或者300kV到1200kV的標稱的所述直流電壓。
12.根據以上權利要求中的任一項所述的設備，其特征在于，所述交流電壓網(101)在 沒有任何中間變壓器的情況下連接到每個所述相腿的相輸出(106)。
13.根據權利要求1-11中的任一項所述的設備，其特征在于，所述交流電壓網經由調 壓變壓器連接到每個所述相腿的相輸出。
14.根據權利要求1-11中的任一項所述的設備，其特征在于，所述交流電壓網經由自 控變壓器連接到每個所述相腿的相輸出。
全文摘要
一種用于傳輸電力的設備，包括直流電壓網(100)和經由站(102)連接到直流電壓網的至少一個三相交流電壓網(101)。該站包括電壓源換流器(103)。單元(104)被配置為根據PWM模式來控制換流器，以生成具有加到基波電壓部分的三次諧波電壓部分的交流電壓。在換流器的相輸出(106)與交流電壓網(101)之間沒有布置變壓器。裝置(107)被配置為阻擋所述三次諧波電壓部分并防止三次諧波電壓部分到達交流電壓網。
文檔編號H02M7/483GK102084571SQ200880129756
公開日2011年6月1日 申請日期2008年6月12日 優先權日2008年6月12日
發明者貢納爾·阿斯普隆德 申請人:Abb技術有限公司