用于hvdc背靠背換流器的變壓器配置的制作方法
【專利摘要】一種AC-AC換流器系統(tǒng)(500)包括分別在系統(tǒng)的初級和次級側(cè)(550a、550b的)變壓器布置和HVDC換流器單元(540a、b)。該換流器系統(tǒng)連接至第一和第二AC網(wǎng)絡(550a、b)并且換流器單元通過DC鏈路(560、562)來互連。通過將分別連接至第一和第二網(wǎng)絡的兩個變壓器的至少一部分集成在一個變壓器單元(530a-c)中，可以實現(xiàn)成本有效的變壓器配置。換流器系統(tǒng)優(yōu)選地為背靠背HVDC系統(tǒng)。
【專利說明】用于HVDC背靠背換流器的變壓器配置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及AC-AC換流器高壓直流（HVDC)系統(tǒng)，并且更具體地涉及，包括 變壓器布置和換流器單元的AC-AC換流器系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 從1954年稱為經(jīng)典HVDC的第一個HVDC傳輸投入使用開始，HVDC部件的優(yōu)點已 經(jīng)在商業(yè)上被采用。汞弧閥最終被高功率晶閘管取代，并且DC傳輸裝置已經(jīng)達到數(shù)GW，超 過+/-800kV，并且距離約1000公里。1997年，引入了稱為輕型HVDC的新類型的HVDC換流 站和HVDC傳輸。
[0003] HVDC換流器橋與線路或電纜可以被布置成多種配置以供有效利用。為了例如互連 兩個異步AC電力網(wǎng)或調(diào)節(jié)AC電力網(wǎng)中的功率流，在背靠背配置中，兩個HVDC換流器在DC 側(cè)或多或少地彼此直接連接。在例如日本、巴西、阿根廷，使用背靠背DC鏈路來用于在不同 的頻率（50和60 Hz)的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡之間的互連。
[0004] HVDC功率換流器的主要部分是閥或閥臂。如果閥或閥臂由串聯(lián)的一個或多個功率 二極管串聯(lián)來構(gòu)成，則可能是不可控的，或者如果由串聯(lián)的一個或多個晶閘管來構(gòu)成，則可 以是可控的。圖la示意性地示出了用于傳統(tǒng)六脈動換流器單元5的電路網(wǎng)絡。經(jīng)典HVDC 中的標準橋或換流器閥組10被定義為包括如圖la中所示的連接到一個或多個物理變壓器 單元30的6個閥20或閥臂的雙路連接。在HVDC閥組和AC系統(tǒng)之間流動的電力是三相的。 當功率從AC系統(tǒng)流動到DC閥組中時，那么其被認為是整流器。如果功率從DC閥組流動到 AC系統(tǒng)，則其是逆變器。每個閥由晶閘管模塊中很多串聯(lián)連接的晶閘管組成。圖la表示對 于六脈動閥組配置的電路網(wǎng)絡描繪。圖1b是六脈動換流器單元的圖形符號。
[0005] 如今，幾乎所有的具有晶閘管閥的HVDC功率換流器都被裝配在十二脈動配置的 換流器橋中。圖2a示出了具有2個三相換流器變壓器31、32的十二脈動換流器，其中一 個DC側(cè)繞組作為未接地的星形連接31并且另一個為三角形配置32。因此，對構(gòu)成十二脈 動閥組40的每個六脈動閥組10施加的AC電壓具有30°的相位差，這用于消除AC側(cè)的五 次和七次諧波電流以及DC側(cè)的六次諧波電壓，從而使得顯著節(jié)省諧波濾波器。圖2a還示 出了圍繞單個垂直堆疊中的4個閥的三個組中的每一個的概況50。這些被稱為"四重閥 (quadrivalves) "，并且通過串聯(lián)堆疊4個閥來被裝配為單閥結(jié)構(gòu)。因為晶閘管的額定電 壓是數(shù)kV，所以500kV的四重閥可能具有串聯(lián)連接的數(shù)百個單個晶閘管的閥組或晶閘管模 塊。圖2b是十二脈動換流器單元的圖形符號。
[0006] 圖3是通過傳統(tǒng)背靠背十二脈動AC-AC換流器的方案，包括AC入口 50a、AC出口 50b、假設以背靠背配置布置的兩個十二脈動HVDC換流器單元40。換流器單元由控制單元 來控制（未示出）。根據(jù)圖2a，每個換流器單元包括串聯(lián)的2個六脈動閥組。入口閥組經(jīng) 由單獨的入口變壓器30a連接到AC入口，并且出口閥組經(jīng)由單獨的出口變壓器30b連接到 AC 出口。
[0007] -起形成變壓布置的十二脈動HVDC換流器設置的換流器變壓器可以采取不同的 配置，參見圖4a-d。其中示出的配置包括一個單十二脈動組，這用作用于HVDC換流器系統(tǒng) 的基本構(gòu)成塊。十二脈動組可從中性點施加到極（單極配置），其中2個十二脈動組施加到 不同的電壓極性的極（雙極配置），或者在換流器的中間的中性點具有中點接地，使得六脈 動組在中性點和極之間。在不同的配置中使用的變壓器是三相三繞組變壓器（圖4a)、三相 兩繞組變壓器（圖4b)、單相三繞組變壓器（圖4c)和單相兩繞組變壓器（圖4d)。
[0008] HVDC系統(tǒng)是昂貴的，所以期望能夠在考慮到需要備用HVDC變壓器的情況下對給 定的HVDC系統(tǒng)拓撲選擇最成本有效的HVDC變壓器配置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，提供一種用于具有約25kV的DC電壓范圍的傳輸系統(tǒng)的成本 有效的HVDC變壓器配置。
[0010] 本發(fā)明是基于下述認識：在諸如HVDC換流器系統(tǒng)中的變壓器的背靠背AC-AC換流 器系統(tǒng)中的不同側(cè)的變壓器的地理接近、或者具有在不同物理變壓器單元之間的地理接近 的其他系統(tǒng)，產(chǎn)生了將不同變壓器功能集成到一個單個變壓器單元中的可能性。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明，提供了一種如所述權(quán)利要求1中定義的AC-AC換流器系統(tǒng)。因此，提 供了一種AC-AC換流器系統(tǒng)，包括：至少一個第一變壓器布置，具有可連接到第一三相AC網(wǎng) 絡的初級側(cè)和次級側(cè)；至少一個第一 HVDC換流器單元，連接到第一變壓器布置的次級側(cè)； 至少一個第二變壓器布置，具有可連接到第二三相AC網(wǎng)絡的初級側(cè)和次級側(cè)；至少一個第 二HVDC換流器單元，連接到第二變壓器布置的次級側(cè)，其中，第一和第二HVDC換流器單元 通過DC連接來互連，該系統(tǒng)的特征在于，兩個變壓器布置的至少一部分被集成在一個變壓 器單元中。
[0012] 在優(yōu)選實施例中，變壓器單元包括兩相變壓器。在本說明書中，表述"兩相變壓器" 應當被寬泛地解釋，并且從而包括具有來自同一三相網(wǎng)絡中的兩相的變壓器以及具有來自 兩個不同的AC網(wǎng)絡的兩相的變壓器。通過提供具有兩相變壓器的AC-AC換流器系統(tǒng)，特別 是在考慮到備用變壓器單元時，執(zhí)行HVDC系統(tǒng)中的變壓器功能所需要的變壓器單元的總 數(shù)目通常被減少。
[0013] 換流器單元優(yōu)選地是十二脈動換流器單元，并且變壓器布置中的每一個連接到 十二脈動換流器單元中的一個換流器單元。
[0014] 在一個實施例中，第一和第二HVDC換流器單元通過DC連接來背靠背地互連。這 允許第一和第二AC網(wǎng)絡的變壓器功能的集成。
[0015] 在另一優(yōu)選實施例中，兩相變壓器是兩相三繞組變壓器。
[0016] 在一個實施例中，至少一個第一變壓器布置的兩個第一變壓器布置的一部分被集 成在一個變壓器單元中。這消除了在單極或雙極電能傳輸系統(tǒng)中的設備的限制，諸如換流 器的最大電壓和電流、變壓器的傳輸限制等。
[0017] 其他優(yōu)選實施例由從屬權(quán)利要求來限定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 現(xiàn)在參考附圖通過示例的方式來描述本發(fā)明，在附圖中：
[0019] 圖la示意性地示出了用于傳統(tǒng)六脈動閥組換流器單元的電路網(wǎng)絡。
[0020] 圖lb示出了根據(jù)圖la的六脈動換流器單元的圖形符號。
[0021] 圖2a示意性地示出了用于傳統(tǒng)十二脈動閥組換流器單元的電路網(wǎng)絡。
[0022] 圖2b示出了根據(jù)圖2a的十二脈動換流器單元的圖形符號。
[0023] 圖3是通過傳統(tǒng)背靠背十二脈動AC-AC換流器系統(tǒng)的方案。
[0024] 圖4a_4d示出了不同HVDC變壓器布置配置。
[0025] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的AC-AC換流器系統(tǒng)的方案。
[0026] 圖5a是包括在圖5的AC-AC換流器系統(tǒng)中的變壓器功能的具體方案。
[0027] 圖6-9示出了將不同變壓器功能集成到一個變壓器單元的實現(xiàn)的不同實施例。

【具體實施方式】
[0028] 在下文中，將給出根據(jù)本發(fā)明的AC-AC換流器系統(tǒng)的不同實施例的詳細描述。在 該上下文中，表述"變壓器布置"應當被解釋為可連接到同一 AC網(wǎng)絡的變壓器組。而且，表 述"變壓器單元"應當被解釋為設置有一個或多個變壓器的物理單元或箱。"AC"將用作"交 流"的縮寫并且"DC"用作"直流"的縮寫。因此，表述"DC連接"是通過直流傳送電能的兩 個位置之間的電連接。
[0029] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的通過使用圖4c的一般變壓器配置的背靠背十二脈動AC-AC 換流器系統(tǒng)的方案，通常表示為500。該系統(tǒng)包括AC入口 550a、AC出口 550b、以及以背靠 背配置布置的兩個十二脈動HVDC換流器單元540a、540b。該換流器單元由控制單元（未示 出）來控制。根據(jù)圖2a，每個換流器單元包括串聯(lián)的兩個六脈動閥組。
[0030] 入口換流器單元540a經(jīng)由由第一變壓器布置提供的入口變壓器功能來連接到AC 入口 550a，并且出口換流器單元540b經(jīng)由由第二變壓器布置提供的出口變壓器功能來連 接到AC出口。這些變壓器功能或布置對應于圖4c中示出的單相三繞組配置。然而，背靠 背換流器系統(tǒng)500的每一側(cè)的變壓器功能的地理接近產(chǎn)生了將換流器的兩個不同側(cè)的變 壓器功能集成到一個單個變壓器單元中--兩相變壓器的可能性（因為其所連接到的AC 網(wǎng)絡彼此分離）。特別有吸引力的配置是兩相三繞組變壓器，因為服務變壓器功能所需要的 變壓器單元的數(shù)目僅僅是三個變壓器。在圖5中，示出了如何將變壓器功能集成到三個兩 相三繞組變壓器中，表示為530a、530b和530c。
[0031] 在一個實施例中，兩相變壓器被實現(xiàn)為在同一箱中的兩個獨立的有源部件，即，芯 部和繞組。因此，在同一變壓器殼體內(nèi)設置兩個單獨的變壓器芯部。參考圖5a，示出了用圓 圈圈出的一個單相三繞組芯部，在一個實施例中，兩個這樣的單相三繞組芯部共同位于一 個變壓器箱中。
[0032] 在替代實施例中，所有繞組被設置在芯式變壓器的一個單個物理變壓器芯部上。 在該情況下，芯部的一部分用作用于磁通的返回路徑。兩相變壓器在同一變壓器芯部的解 決方案的一個示例可以是變換成一個單個芯部設計的兩個單相芯部設計，兩個單相芯部設 計中的每一個都具有一個繞線柱以及用于磁通的兩個非繞線返回柱，一個單個芯部設計具 有兩個繞線柱、用于返回磁通的兩個非繞線柱以及用于返回磁通的非繞線中心柱?？梢栽O 想，芯部類型類似于不具有中心芯柱上的繞組的非繞線外部芯柱的三相芯部。單芯部設計 減少了產(chǎn)生芯部以及組合的鐵芯和繞組所需要的勞動。
[0033] 與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，根據(jù)本發(fā)明的具有三相三繞組變壓器的AC-AC換流器系統(tǒng)的優(yōu) 點從下表中是顯而易見的。
[0034]

【權(quán)利要求】
1. 一種 AC-AC 換流器系統(tǒng)（500 ;600 ;700 ;800 ;900)，包括： -至少一個第一變壓器布置，具有可連接到第一三相AC網(wǎng)絡（550a ;650a ;750a ;850a ; 950a)的初級側(cè)并且具有次級側(cè)； -至少一個第一 HVDC換流器單元（540a ;640a ;740a、b ;840a、b ;940a、b)，連接到所述 第一變壓器布置的所述次級側(cè)； -至少一個第二變壓器布置，具有可連接到第二三相AC網(wǎng)絡（550b ;650b ;750b ;850b ; 950b)的初級側(cè)并具有次級側(cè)； -至少一個第二HVDC換流器單元（540b ;640b ;740c、d ;840c、d ;940c)，連接到所述第 二變壓器布置的所述次級側(cè)， 其中，所述第一 HVDC換流器單元和所述第二HVDC換流器單元通過DC連接（560、562 ; 660、662 ;760、762、764 ;860、862 ;960、962)來互連， 其特征在于，兩個變壓器布置的至少一部分被集成在一個變壓器單元（530a-c ; 630a_f ;730a_f ;830a_f ;930a_f)中。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述第一 HVDC換流器單元（540a; 640a)和所述第二HVDC換流器單元（540b ;640b)通過所述DC連接（560、562 ;660、662)來 背靠背地互連。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一變壓器布置中的 第一變壓器布置的一部分和所述至少一個第二變壓器布置中的第二變壓器布置的一部分 被集成在一個變壓器單元（530a_c ;630a_f)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任何一項所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述變壓器單元包 括兩相變壓器（530a_c ;630a_f ;730a_f ;830a_f ;930a-f)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述變壓器是兩相三繞組變壓器 (530a_c)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述變壓器是兩相兩繞組變壓器 (630a_f ;730a_f ;830a_f ;930a_f)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任何一項所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，兩個單獨的變壓器 芯部被設置在同一變壓器殼體內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任何一項所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所有繞組都被設置 在一個單個物理變壓器芯部上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述變壓器單元包括下述芯部設 計：所述芯部設計具有兩個繞線柱和兩個外部返回柱以及用于返回通量的非繞線中心柱。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一變壓器布置中 的兩個第一變壓器布置的一部分被集成在一個變壓器單元（730a-f ;830a-f ;930a-f)中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中的任何一項所述的AC-AC換流器系統(tǒng)，其中，所述HVDC換流 器單元（540a、b ;640a、b ;740a_d ;840a_b ;940a_c)中的每一個是十二脈動換流器單元，并 且所述變壓器布置中的每一個變壓器布置連接到所述十二脈動換流器單元中的一個十二 脈動換流器單元。
【文檔編號】H01F30/12GK104160607SQ201380010724
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月24日
【發(fā)明者】M·伯格倫德, B·阿克松 申請人:Abb技術(shù)有限公司