转换器站中或与其相关的改进的制作方法

转换器站中或与其相关的改进
1.本发明涉及用于双极功率传输方案的转换器站，并且涉及操作这种转换器站的方法。
2.在高压直流(hvdc)功率传输网络中，ac功率通常被转换成dc功率，以用于经由架空线路、海底线缆和/或地下线缆的传输。这种转换消除补偿由功率传输介质(即传输线路或线缆)施加的ac电容性负载效应的需要，并且降低每公里的线路和/或线缆的成本，并且因此当需要通过长距离传输功率时变得成本有效。dc功率也可以直接从离岸风电场传输到岸上ac功率传输网络。
3.dc功率和ac功率之间的转换用于其中必需互连dc和ac网络的地方。在任何这种功率传输网络中，在ac和dc功率之间的每个接口处要求转换器(即功率转换器)以实现从ac到dc或从dc到ac的所要求的转换。一种类型的功率转换器是电压源转换器。
4.同时，在hvdc功率传输网络内最合适的hvdc功率传输方案的选择取决于应用和方案特征而不同。这种方案的一种类型是双级功率传输方案。
5.根据本发明的第一方面，提供用于双极功率传输方案的转换器站，所述转换器站包括：
6.第一电压源转换器，其具有：用于连接到第一传输管道的第一端子；用于连接到返回管道的第二端子；以及在第一和第二端子之间延伸的至少一个转换器分支,所述或每个转换器分支包括由对应的第一ac端子分开的第一和第二分支部分，所述第一ac端子用于连接到第一ac网络的相应相，所述或每个第一分支部分包括在关联的第一ac端子和第一端子之间延伸的第一链式链路转换器，所述或每个第二分支部分包括在关联的第一ac端子和第二端子之间延伸的第二链式链路转换器，以及每个链式链路转换器包括多个串联连接的链式链路模块，每个链式链路模块具有与能量存储装置并联连接的多个开关元件，由此每个链式链路转换器可控制以提供阶跃可变电压源；以及
7.第二电压源转换器，其具有：用于连接到第二传输管道的第三端子；用于连接到返回管道的第四端子；以及在第三和第四端子之间延伸的至少一个转换器分支,所述或每个转换器分支包括由对应的第二ac端子分开的第三和第四分支部分，所述第二ac端子用于连接到第二ac网络的相应相，所述或每个第三分支部分包括在关联的第二ac端子和第三端子之间延伸的第三链式链路转换器，所述或每个第四分支部分包括在关联的第二ac端子和第四端子之间延伸的第四链式链路转换器，以及每个链式链路转换器包括多个串联连接的链式链路模块，每个链式链路模块具有与能量存储装置并联连接的多个开关元件，由此每个链式链路转换器可控制以提供阶跃可变电压源，
8.第二和第三链式链路转换器中的每个链式链路转换器包括第一数量的串联连接的链式链路模块，以及第一和第四链式链路转换器中的每个链式链路转换器包括第二数量的串联连接的链式链路模块，第二数量大于第一数量。
9.为第一和第四链式链路转换器中的每个链式链路转换器提供有第二较大数量的串联连接的链式链路模块允许组合的第一和第二电压源转换器在单独能量存储装置上的电压应力方面承受最坏情况下的瞬态故障条件，即内部ac相到返回管道，例如地，故障。
10.同时，将第二和第三链式链路转换器中的每个链式链路转换器中所包括的串联连接的链式链路模块的数量限制成较低的第一数量提供给定程度的转换器性能，但减少每个电压源转换器中链式链路模块的总数量，并且从而导致转换器站的资金成本显著减少。
11.此外，具有减少的链式链路模块的总数量提供减少每个链式链路转换器的整体结构和占地面积的大小的选项，以及降低与每个链式链路转换器关联的开关损耗，这允许使用较小的冷却设备来服务链式链路转换器，并且由此仍提供另外的选项以用于减少关联的转换器站的整体占地面积并且因此减少关联的转换器站的成本。
12.具有减少的链式链路模块的总数量也减轻维护负担并且允许操作者携带较少的备用链式链路模块以供失效的情况下使用。
13.优选地，第二和第三链式链路转换器中的每个链式链路转换器包括相同的第一数量的串联连接的链式链路模块。
14.第一和第四链式链路转换器中的每个链式链路转换器可包括相同的第二数量的串联连接的链式链路模块。
15.上述特征有助于简化每个电压源转换器的整体控制，并且又简化转换器站作为整体的控制。
16.可选地，每个链式链路模块具有相同的拓扑结构。
17.包括具有相同拓扑结构的链式链路模块进一步协助简化每个电压源转换器的控制，以及在单独链式链路模块的生产方面提供规模经济。
18.在本发明的优选实施例中，每个链式链路模块包括第一对开关元件，其采取半桥布置与能量存储装置并联连接，以定义2-象限单极模块。
19.利用遍及每个电压源转换器的2-象限单极模块有助于通过减少提供给定程度的转换器性能所需要的链式链路模块的总数量来实现最大的成本节省。
20.优选地，至少一个电压源转换器包括对应的电压源转换器控制器，其被编程成控制由所述对应的电压源转换器提供的阶跃可变电压源，并且当这样做时，以将由所述电压源转换器的一个分支部分中的能量存储装置存储的总能量与由电压源转换器的其他对应的分支部分中的能量存储装置存储的总能量相平衡。
21.平衡存储在对立的分支部分(opposed limb portion)中的总能量有助于确保只有最小的环流在分支部分之间流动。
22.至少一个电压源转换器控制器可编程成促使具有较高第二数量的链式链路模块的分支部分中的链式链路模块以存储比由其他对应的分支部分中的链式链路模块中的每个链式链路模块存储的单独能量平均量成比例地更低的单独能量平均量。
23.这种特征容易在对应的、对立分支部分之间实现所期望的能量平衡。
24.根据本发明的第二方面，提供操作转换器站的方法，所述转换器站包括：
25.第一电压源转换器，其具有：用于连接到第一传输管道的第一端子；用于连接到返回管道的第二端子；以及在第一和第二端子之间延伸的至少一个转换器分支,所述或每个转换器分支包括由对应的第一ac端子分开的第一和第二分支部分，所述第一ac端子用于连接到第一ac网络的相应相，所述或每个第一分支部分包括在关联的第一ac端子和第一端子之间延伸的第一链式链路转换器，所述或每个第二分支部分包括在关联的第一ac端子和第二端子之间延伸的第二链式链路转换器，以及每个链式链路转换器包括多个串联连接的链
式链路模块，每个链式链路模块具有与能量存储装置并联连接的多个开关元件，由此每个链式链路转换器可控制以提供阶跃可变电压源；以及
26.第二电压源转换器，其具有：用于连接到第二传输管道的第三端子；用于连接到返回管道的第四端子；以及在第三和第四端子之间延伸的至少一个转换器分支,所述或每个转换器分支包括由对应的第二ac端子分开的第三和第四分支部分，所述第二ac端子用于连接到第二ac网络的相应相，所述或每个第三分支部分包括在关联的第二ac端子和第三端子之间延伸的第三链式链路转换器，所述或每个第四分支部分包括在关联的第二ac端子和第四端子之间延伸的第四链式链路转换器，以及每个链式链路转换器包括多个串联连接的链式链路模块，每个链式链路模块具有与能量存储装置并联连接的多个开关元件，由此每个链式链路转换器可控制以提供阶跃可变电压源，
27.所述方法包括以下步骤：
28.为第二和第三链式链路转换器中的每个链式链路转换器提供有第一数量的串联连接的链式链路模块；以及
29.为第一和第四链式链路转换器中的每个链式链路转换器提供有第二数量的串联连接的链式链路模块，第二数量大于第一数量。
30.该方法共享本发明的转换器站的对应特征的益处。
31.将领会到，本专利说明书中的术语“第一”和“第二”等的使用只是旨在帮助区分类似特征(例如，第一和第二传输管道，以及第一和第二电压源转换器)，而不是旨在指示一个特征优于另一个特征的相对重要性，除非另有指定。
32.在本技术的范围内，明确地打算，在前述段落和权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各种方面、实施例、示例和备选方案，并且特别是其单独特征可独立地或以任何组合来采用。即，所有实施例和任何实施例的所有特征可以以任何方式和/或组合来组合，除非这种特征不相容。申请人保留用来相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括以下权利：修改任何原始提交的权利要求以从属于任何其他权利要求和/或并入任何其他权利要求的任何特征，尽管没有以那种方式原始地要求保护。
33.现在接下来是参考以下附图通过非限制性示例的方式的本发明的优选实施例的简要描述，其中：
34.图1示出根据本公开的第一实施例的转换器站的示意视图；以及
35.图2图示由形成图1中示出的转换器站的一部分的电压源转换器的相应分支部分中的能量存储装置存储的总能量的平衡。
36.如图1中示出，根据本发明的第一实施例的转换器站一般由附图标记10指定。
37.转换器站10供双极功率传输方案(未显示)中使用，该方案通常将包括另外的转换器站，取决于方案的性质，该转换器站可以接近或远离本发明的转换器站10定位，并且该转换器站通过第一和第二传输管道(即第一“极”和第二“极”(因此构成“双极”方案的方案))与本发明的转换器站10互连，所述第一和第二传输管道允许在转换器站之间的功率传输。
38.第一和第二传输管道中的每个传输管道可以是或包括海底线缆，然而一个或其他传输管道可以是或包括地下线缆、架空线路或这种线缆和线路的混合物。
39.在使用中，转换器站还通过返回管道互连，所述返回管道正常是或包括专用的金属返回件，所述金属返回件通常采用另外的海底线缆的形式，然而可以改为使用某种其他
形式的电导体，以及(尽管不太理想)地径(earth patch)。
40.在示出的实施例中，转换器站10包括第一电压源转换器12，其具有在使用中连接到前述第一传输管道的第一端子14。
41.第一电压源转换器12还包括在使用中连接到前述返回管道的第二端子16，所述返回管道如所指示的可采取地径的形式。
42.三个转换器分支18a、18b、18c在第一和第二端子14、16之间延伸，然而本发明的其他实施例可包括少于或多于三个转换器分支。
43.每个转换器分支18a、18b、18c包括由对应的第一ac端子24a、24b、24c分开的第一和第二分支部分20a、20b、20c、22a、22b、22c，所述第一ac端子在使用中各自连接到第一三相ac网络的相应相a、b、c。
44.每个第一分支部分20a、20b、20c包括在关联的第一ac端子24a、24b、24c和第一端子14之间延伸的第一链式链路转换器26，而每个第二分支部分22a、22b、22c包括在关联的第一ac端子24a、24b、24c和第二端子16之间延伸的第二链式链路转换器28。
45.第一和第二链式链路转换器26、28中的每一个链式链路转换器又包括多个串联连接的链式链路模块30(为清楚起见，仅示意性地示出其中一个)。链式链路模块30的每个链式链路模块具有与能量存储装置并联连接的多个开关元件，由此每个对应的链式链路转换器26、28可控制以提供阶跃可变电压源。
46.更具体地，每个链式链路模块30具有相同的拓扑结构，并且仍更具体地，每个链式链路模块30包括第一对开关元件，其采取已知的半桥布置与能量存储装置并联连接，以定义2-象限单极模块。开关元件的开关选择性地引导电流通过能量存储装置或促使电流绕过能量存储装置，使得每个链式链路模块30可以提供零电压或正电压，并且可以在两个方向上传导电流。
47.能量存储装置采用电容器的形式，然而也可使用其他类型的能量存储装置(即能够存储和释放能量以选择性地提供电压的任何装置，例如燃料电池或电池组)。在每个链式链路模块中可使用多于一个能量存储装置。
48.此外，每个开关元件包括通常采取绝缘栅双极晶体管(igbt)的形式的半导体装置。
49.然而，有可能使用其他类型的自换向半导体装置，诸如栅关断晶闸管(gto)、场效应晶体管(fet)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、注入增强栅晶体管(iegt)、集成栅换向晶闸管(igct)、双模绝缘栅晶体管(bigt)或任何其他自换向开关装置。此外，半导体装置的一个或多个半导体装置可改为包括宽带隙材料，诸如但不限于碳化硅、氮化硼、氮化镓和氮化铝。
50.每个开关元件中的半导体装置的数量可取决于那个开关元件所要求的额定电压和电流而变化。
51.开关元件中的每个开关元件还包括与对应的半导体装置反并联连接的无源电流检查元件。所述或每个无源电流检查元件可包括至少一个无源电流检查装置。所述或每个无源电流检查装置可以是能够仅在一个方向上限制电流流动的任何装置，例如二极管。每个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可取决于那个无源电流检查元件所要求的额定电压和电流而变化。
52.本发明的其他实施例可包括不同的示例性链式链路模块，其包括采取已知的全桥布置相连接的第一和第二对开关元件与电容器，以定义4-象限双极模块。以与上述链式链路模块30类似的方式，开关元件的开关再次选择性地引导电流通过电容器或促使电流绕过电容器，使得其他示例性链式链路模块可以提供零电压、正电压或负电压并且可以在两个方向上传导电流。
53.仍在本发明的另外的实施例中，第一和第二链式链路转换器26、28中的每个链式链路转换器可仅仅包括其他示例性链式链路模块，或者链式链路模块20和其他示例性链式链路模块的组合。
54.回到示出的实施例，转换器站10还包括第二电压源转换器32，其具有在使用中连接到前述第二传输管道的第三端子34，以及在使用中连接到前述返回管道的第四端子36。
55.类似地，第二电压源转换器32还包括在第三和第四端子34、36之间延伸的三个转换器分支18a、18b、18c。再次类似地，每个转换器分支18a、18b、18c包括由对应的第二ac端子42a、42b、42c分开的第三和第四分支部分38a、38b、38c、40a、40b、40c，所述第二ac端子在使用中连接到第二三相ac网络的相应相a、b、c。
56.每个第三分支部分38a、38b、38c包括在关联的第二ac端子42a、42b、42c和第三端子34之间延伸的第三链式链路转换器44，而每个第四分支部分40a、40b、40c包括在关联的第二ac端子42a、42b、42c和第四端子36之间延伸的第四链式链路转换器46。
57.第三和第四链式链路转换器44、46中的每个链式链路转换器类似地包括多个串联连接的链式链路模块30，其具有与第一和第二链式链路转换器26、28中的每个链式链路转换器中的链式链路模块30相同的拓扑结构和构造，即采取已知的半桥布置与电容器并联连接以定义2-象限单极模块的第一对开关元件(以具有反并联二极管的igbt形式)。
58.第二和第三链式链路转换器28、44中的每个链式链路转换器包括相同的第一数量的串联连接的链式链路模块30，并且第一和第四链式链路转换器26、46中的每个链式链路转换器包括相同的第二数量的串联连接的链式链路模块30，其中第二数量大于第一数量。
59.更具体地，第二数量通常大于第一数量约5％到10％。
60.在本发明的其他实施例中(未示出)，第二和第三链式链路转换器的每个链式链路转换器可具有彼此不同的第一数量的链式链路模块，并且第一和第四链式链路转换器的每个链式链路转换器可具有彼此不同的第二数量的链式链路模块，但是不同的第二数量仍然保持大于不同的第一数量。
61.第一电压源转换器12包括对应的第一电压源转换器控制器48，并且第二电压源转换器32包括对应的第二电压源转换器控制器50。
62.在使用中,第一控制器48被编程成控制由第一电压源转换器12提供的阶跃可变电压源，并且当这样做时，以将由所述第一电压源转换器12的一个分支部分20a、20b、20c中的能量存储装置30存储的总能量与由第一电压源转换器12的其他对应的分支部分22a、22b、22c中的能量存储装置30存储的总能量相平衡。
63.更具体地，如图2中示意性地示出，第一控制器48被编程成促使具有较高第二数量的链式链路模块30(即第二数量52的模块)的第一分支部分20a、20b、20c中的链式链路模块30以存储比由具有较低第一数量的链式链路模块30(即第一数量58的模块)的其他对应的第二分支部分22a、22b、22c中的链式链路模块30中的每个链式链路模块存储的单独能量平
均量56成比例地更低的单独能量平均量54。然而，平衡存储在对立的分支部分中的能量的其他方式也是可能的。
64.类似地，第二控制器50在使用中被编程成控制由第二电压源转换器32提供的阶跃可变电压源，并且当这样做时，以将由所述第二电压源转换器38的一个分支部分38a、38b、38c中的能量存储装置30存储的总能量与由第二电压源转换器32的其他对应的分支部分40a、40b、40c中的能量存储装置30存储的总能量相平衡。第二控制器50可类似地通过以下方式实现这一点：使第三分支部分38a、38b、38c中的链式链路模块30存储比由其他对应的第四分支部分40a、40b、40c中的较高数量的链式链路模块30中的每个链式链路模块存储的单独能量平均量成比例地更高的单独能量平均量。