專利名稱：電壓源換流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及用于交流(簡稱為AC)電路中的無功功率補償?shù)碾妷涸磽Q流器(簡稱為VSC)。
背景技術(shù)：
在由源和負(fù)載組成的交流電路中，電流和電壓都是正弦波。電阻性負(fù)載意味著有功功率被傳送，即，電流和電壓同時倒轉(zhuǎn)它們的極性而能量流的方向不倒轉(zhuǎn)。然而，電抗性負(fù)載，諸如電容性和/或電感性負(fù)載，導(dǎo)致無功功率，其中電壓和電流相位上相差90度。對于每個周期的半個周期，電壓和電流的乘積是正的，但在每個周期的另半個周期上，電壓和電流的乘積是負(fù)的，表示在一個周期上沒有凈能量流。有效負(fù)載通常具有電阻、電感和電容，意味著有功功率和無功功率二者，并且視在功率是有功功率與無功功率的向量和的幅度。同樣地，非線性負(fù)載在功率電路中引起諧波頻率。諸如靜止同步補償器(STATC0M)、靜止同步電容器(STATC0N)或電壓源逆變器(VSI)的電壓源換流器可以用作為到功率電路的無功交流功率的源或匯(sink)。電壓源換流器可以是靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的一部分。級聯(lián)的多電平換流器(CascadedMultilevel Converter,簡稱為CMC),例如級聯(lián)的多電平逆變器,是H-橋的級聯(lián)，即，串聯(lián)配置的H-橋。在論文“Investigations on a Unified Controller for a Practical HybridMultilevel Power Converter，，,Tilak Gopalarathnam et al., 17th annual IEEE appliedpower electronics conference and exposition,Dallas,Texas,10_14March 2002 中，使
用輔助換流器來消除由主換流 器產(chǎn)生的諧波。兩個換流器共同地僅僅涉及到無功功率補m
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實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是改進(jìn)交流電路中的無功功率的補償和減小諧波。按照本實用新型的方面，提供了一種電壓源換流器，用于交流電路中的無功功率補償和諧波減小，其中電壓源換流器被連接到在電源與負(fù)載之間的所述交流電路。電壓源換流器包括第一換流器，被配置成用于以低切換頻率工作，該頻率在一些實施例中是與交流電路的基波頻率相同的，并且具有至少是與交流電路的電壓相同的電壓額定值，所述第一換流器被連接到所述交流電路以用于提供電壓到所述交流電路以便補償無功功率。電壓源換流器還包括第二換流器，被配置成用于以比起第一換流器更高的切換頻率工作，并且具有低于交流電路的電壓的電壓額定值，所述第二換流器借助于變壓器而被連接到所述交流電路以用于減小諧波。第一和第二換流器串聯(lián)連接。通過使用用于減小或消除交流電路中的諧波的換流器，減小或消除對于使用用于減小諧波的濾波器的需要。因此，電壓源換流器可以做得更緊湊，并且可以避免如由于參數(shù)失配和在輕負(fù)載處的過無功功率補償而造成的失諧那樣的問題，這些問題是在使用濾波器時常見的問題。電壓源換流器可以被動態(tài)調(diào)節(jié)以消除諧波，這與如果條件改變則其必須被改變的濾波器的靜態(tài)效果不同。電壓源換流器替代地例如可以通過動態(tài)控制算法被控制。另外，通過使用與用于補償無功功率的換流器分開的、用于減小諧波的換流器，允許減小電壓源換流器中的功率損耗。這是因為用于減小諧波的換流器是以高頻(對于減小諧波所必須的)但以低電壓工作的。另一方面，用于補償無功功率的換流器是以高電壓(電路的電壓)但以低頻(與電路頻率相同的頻率)工作的。因此，借助于本實用新型，避免了與高電壓結(jié)合高頻切換相關(guān)聯(lián)的高損耗。由于第二換流器具有較低的電壓額定值，生產(chǎn)成本可以被降低。通常，在權(quán)利要求中使用的所有術(shù)語按照它們在技術(shù)領(lǐng)域中通常的意義被解釋，除非這里另外明確定義的。對于“一 / 一個/元件、設(shè)備、部件、裝置、步驟等等”的所有引用應(yīng)當(dāng)開放地解釋為是指元件、設(shè)備、部件、裝置、步驟等等的至少一個示例，除非另外明確地闡述的。這里公開的任何方法的步驟不一定以正好是所公開的次序執(zhí)行，除非明確地闡述的。使用“第一”、“第二”等等用于本公開內(nèi)容的不同的特征/部件意圖僅在于將所述特征/部件與其它類似的特征/部件區(qū)分開，而不是對于特征/部件強加上任何次序或分級。

現(xiàn)在參 照附圖，通過例子描述本實用新型，其中:圖1是被連接到本實用新型的電壓源換流器的交流電路的示意性概觀。圖2是被連接到三相交流電路的、本實用新型的電壓源換流器的一個實施例的示意圖。圖3是被連接到三相交流電路的、本實用新型的電壓源換流器的另一個實施例的示意圖。圖4是被連接到三相交流電路的、本實用新型的電壓源換流器的另一個實施例的示意圖。圖5是被連接到單相電路的、本實用新型的電壓源換流器的一個實施例的示意圖。圖6是本實用新型的電壓源換流器的示意性相量圖。
具體實施方式
此后參照附圖更全面地描述本實用新型，圖中顯示本實用新型的某些實施例。然而，本實用新型可以以許多不同的形式被體現(xiàn)并且不應(yīng)當(dāng)將本實用新型解釋為限于這里闡述的實施例；而是這些實施例作為例子被提供，以使得本公開內(nèi)容將是透徹的和全面的，并將本實用新型的范圍充分地傳遞給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在整個說明書中相同的標(biāo)號是指相同的元件。術(shù)語電壓額定值是指換流器或換流器的一部分必須能夠操控的電壓。被配置成提供基本市電電壓到電路的第一換流器因此必須具有至少是其被連接到的電路的工作電壓的電壓額定值。另一方面，第二換流器僅僅經(jīng)由變壓器而與電路交互作用以用于減小/消除諧波，這允許第二換流器以比第一換流器低的電壓工作，并且因此可以具有較低的電壓額定值并且包括較便宜的部件。[0018]圖1提供被連接在交流電源101與負(fù)載102之間的電壓源換流器110所連接到的電路或電網(wǎng)的概觀。取決于負(fù)載102的特性和復(fù)雜性，在電路100中產(chǎn)生不同的無功功率和諧波。在現(xiàn)有技術(shù)中，使用濾波器來消除諧波，但按照本實用新型，電壓源換流器110除了補償由負(fù)載102注入到電路的無功功率以外，還被用來消除由負(fù)載102產(chǎn)生的諧波。對于單相電路，電壓源換流器作用在單相上，如果在電路中包括更多的相，諸如三相(a，b，c)電路，則電壓源換流器可以獨立地作用在一相、某些相或所有的相上。圖2-圖4顯示被連接到三相電路/電網(wǎng)的本實用新型的電壓源換流器的不同的實施例。圖2顯示本實用新型的電壓源換流器的一個實施例。電壓源換流器包括用于補償無功功率的第一換流器111，和用于減小諧波的第二換流器112。第二換流器112經(jīng)由變壓器113與電路100連接/交互。按照圖2的實施例，級聯(lián)的多電平換流器被用作為用于生成基本市電電壓以便供應(yīng)無功功率給電路100的第一換流器111。電路100的第一相a在點a處被連接到第一換流器111，電路100的第二相b在點b處被連接到第一換流器111，以及電路100的第三相c在點c處被連接到第一換流器111。二電平(two-level)換流器被用作為用于諧波補償?shù)牡诙Q流器112。兩個換流器111和112都被串聯(lián)連接。級聯(lián)的多電平換流器111以低切換頻率工作，因為基本市電電壓是由它生成的。級聯(lián)的多電平換流器111因此工作在高電壓，但由于具有多個電平的級聯(lián)的多電平換流器的設(shè)計，可以使用工業(yè)IGBT,由此級聯(lián)的多電平換流器的制造成本可以被降低。相反，二電平換流器112在低電壓下以高切換頻率工作。Vconl是第一換流器111的電壓，Vran2是第二換流器112的電壓，Il是負(fù)載102的電流，Is是源101的電流，Ia 是第一相a的電流，Ib是第二相b的電流，I。是第二相c的電流，10是零序電流，Iba是第一換流器111的點b與a之間的電流，Iac是第一換流器111的點a與c之間的電流，Icb是第一換流器111的點c與b之間的電流。在X處的期望的電位(S卩，Vx)由Vranl和V_2決定，如在下面的公式中表達(dá)的:Vx = Vconl+Vcon2圖3顯示本實用新型的電壓源換流器的另一個實施例。再次地，電壓源換流器包括用于補償無功功率的第一換流器111，和用于減小諧波的第二換流器112。第二換流器112經(jīng)由變壓器113與電路100連接/交互。按照圖3的實施例，二電平換流器被用作為用于生成基本市電電壓以便供應(yīng)無功功率給電路100的第一換流器111。級聯(lián)的多電平換流器被用作為用于諧波補償?shù)牡诙Q流器112。兩個換流器111和112都被串聯(lián)連接。這里，用于級聯(lián)的多電平換流器112的線路電壓的切換頻率可以高于單元電平(cell-level)切換頻率。因此，更高階的諧波可以通過由級聯(lián)的多電平換流器112保持單元電平以相對低的值切換、減小損耗并且使得級聯(lián)的多電平換流器對于諧波減小也是良好的選擇而被消除。二電平換流器111在本實施例中被額定用于全市電電壓并以低切換頻率工作，因為它被使用來生成基波電壓分量。二電平換流器111甚至可以以方波模式工作以便進(jìn)一步減小切換損耗。二電平換流器111的電壓額定值可以通過IGBT的串聯(lián)連接而實現(xiàn)。Ica是在第二換流器112的點c與a之間的電流，Iab是在第二換流器112的點a與b之間的電流，Ibc是在第二換流器112的點b與c之間的電流。圖4顯示本實用新型的電壓源換流器的另一個實施例。再次地，電壓源換流器包括用于補償無功功率的第一換流器111，和用于減小諧波的第二換流器112。第二換流器112經(jīng)由變壓器113與電路100連接/交互。按照圖4的實施例，級聯(lián)的多電平換流器被用作為第一換流器111，以及另一個級聯(lián)的多電平換流器被用作為第二換流器112。正如以上參照圖2和3討論的，級聯(lián)的多電平換流器可以適用于在高電壓和低頻率下工作，正如對于第一換流器111所需要的，并且適用于在低電壓和高頻率下工作，正如對于第二換流器112所需要的，由此切換功率損耗可以進(jìn)一步減小。第二換流器112可以具有比起第一換流器111更少的H-橋單元，因為它可以具有較低的電壓額定值，以降低成本。圖5顯示被連接到單相電路100的、本實用新型的電壓源換流器的一個實施例。對應(yīng)的相量(相位向量)圖顯示于圖6。第一換流器111主要以基波頻率供應(yīng)無功功率。它也承受市電電壓。由第一換流器111供應(yīng)的無功功率通過改變VMnl的幅度而被控制。少量的有功功率被第一換流器111吸收以提供相關(guān)的損耗。因此，角度Θ保持在稍小于90°。第二換流器112只供應(yīng)減小諧波的分量。因此，它的電壓額定值與第一換流器111相比是相當(dāng)?shù)偷摹Ａ硗?，第二換流器112以高切換頻率工作。這意味著第二換流器112以高切換頻率和低電壓電平工作。因此，與第二換流器112相關(guān)聯(lián)的損耗被減小。應(yīng)當(dāng)指出，由于第一換流器111的低頻率切換，第一換流器111的切換損耗是低的，即使它的電壓額定值是高的。流過第二換流器112的電流可以通過選擇變壓器113的匝數(shù)比而被設(shè)置。
Ls是源101的阻抗，Vs是源101的電壓，Is是源101的電流，Iconl是流過第一換流器111的電流，Icon2是流過第二換流器112的電流，L是平滑電感器，VT是功率控制中心(PCC)處的電壓，Θ是在圖6的相量圖上在Vconl和Iranl之間的角度。現(xiàn)在，關(guān)于本實用新型更一般地說，電壓源換流器110被連接到的電路100可以是電力配電網(wǎng)。本實用新型可以方便地結(jié)合配電網(wǎng)和在這樣的電網(wǎng)中使用的中壓(小于50kV)被使用。電路100因此可以工作在5與50kV之間的電壓，諸如33，11或6.6kV。因此，第一換流器111可以方便地具有在5與50kV之間的電壓額定值，諸如33，11或6.6kV。而且，電路100，例如配電網(wǎng)，可以具有配電網(wǎng)的典型交流頻率，諸如在10與IOOHz之間的頻率，諸如16.6，25，50或60Hz。因此，第一換流器111可以方便地被配置成用于在10與IOOHz之間的、諸如16.6，25，50或60Hz的與交流電路的頻率相同的切換頻率下工作。另一方面，第二換流器112具有較高的切換頻率和較低的電壓額定值。第二換流器112例如可以具有約為第一換流器111的電壓額定值的1/10的電壓額定值。第二換流器112因此可以具有在0.5與5kV之間的電壓額定值，諸如3.3,1.1或0.66kV。為了減小/消除諧波，第二換流器112具有相對高的切換頻率。第二換流器112例如可被配置成用于在0.5與5kHz之間的切換頻率，諸如1.5kHz下工作。電壓源換流器110可以動態(tài)地被控制并且因此可以適用于借助于改變控制算法或通過直接從功率控制中心改變電壓源換流器110的操作而改變條件?？刂浦行目梢酝ㄟ^控制控制算法或通過直接控制而控制電壓源換流器。控制中心使得其在電壓源換流器110上的控制基于對于電路100的電流和電壓(具體地是負(fù)載電流k和負(fù)載電壓VJ的測量結(jié)果。無功功率可以作為在電流和電壓之間的相量角被測量，并且諧波可以借助于負(fù)載電流的快速傅立葉變換分析而被測量?？刂扑惴ㄒ虼丝梢酝ㄟ^確定所述負(fù)載電流的電流與電壓之間的相量角而基于負(fù)載電流中的無功功率的測量結(jié)果。而且，控制算法可以通過傅立葉變換分析基于在負(fù)載電流中的諧波的測量結(jié)果。[0032]按照本實用新型的實施例，提供了一種用于交流電路100中的無功功率補償和諧波減小的電壓源換流器110，其中電壓源換流器被連接到電源101與負(fù)載102之間的所述交流電路。電壓源換流器包括第一換流器111，被配置成用于以與交流電路的基波頻率相同的切換頻率工作并且具有至少是與交流電路的電壓相同的電壓額定值。電壓源換流器還包括第二換流器112，被配置成用于以比起第一換流器更高的切換頻率工作并且具有低于交流電路的電壓的電壓額定值。本實用新型在以上主要是參照幾個實施例被描述的。然而，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易意識到的，在如由所附專利權(quán)利要求限定的本實用新型的范圍內(nèi)，不同于以上公開的實施例的其它實 施例同樣是可能的。
權(quán)利要求1.一種電壓源換流器(110)，用于交流電路(100)中的無功功率補償和諧波減小，其中所述電壓源換流器(110)被連接到電源(101)與負(fù)載(102)之間的所述交流電路，其特征在于，所述電壓源換流器包括: 第一換流器(111)，被配置成用于以低切換頻率工作并且具有至少是與所述交流電路(100)的電壓相同的電壓額定值，所述第一換流器(111)被連接到所述交流電路(100)以用于提供電壓到所述交流電路(100)以便補償無功功率； 第二換流器(112)，被配置成用于以比所述第一換流器(111)更高的切換頻率工作并且具有低于所述交流電路(100)的電壓的電壓額定值，所述第二換流器(112)借助于變壓器(113)被連接到所述交流電路(100)以用于減小諧波； 所述第一和第二換流器(111，112)串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述第一換流器(111)被配置成用于以與所述交流電路(100)的頻率相同的切換頻率工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電壓源換流器，其特征在于，所述第一換流器(111)是級聯(lián)的多電平換流器，并且 所述第二換流器(112)是二電平換流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電壓源換流器，其特征在于，所述第一換流器(111)是二電平換流器，并且所述第二換流器(112)是級聯(lián)的多電平換流器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的電壓源換流器，其特征在于，所述二電平換流器包括串聯(lián)連接的絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的電壓源換流器，其特征在于，所述二電平換流器被配置成用于以方波模式工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的電壓源換流器，其特征在于，所述級聯(lián)的多電平換流器被配置成用于具有高于其單獨的H-橋單元的切換頻率的切換頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2的電壓源換流器，其特征在于，所述第一換流器(111)是級聯(lián)的多電平換流器，并且所述第二換流器(112)是另一個級聯(lián)的多電平換流器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的電壓源換流器，其特征在于，所述第二換流器(112)包括比所述第一換流器(111)更少的H-橋單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述交流電路(100)是三相電路，并且所述第一和第二換流器(111，112)被連接到三相的每一相。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述電壓源換流器(110)被連接到的交流電路(100)是配電網(wǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述第一換流器(111)具有在5與50kV之間的電壓額定值。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的電壓源換流器，其特征在于，所述電壓額定值是33，11或6.6kV。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述第一換流器(111)被配置成用于以在10與IOOHz之間的切換頻率工作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的電壓源換流器，其特征在于，所述切換頻率是16.6，25，50或60Hz。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述第二換流器(112)具有在0.5與5kV之間的電壓額定值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電壓源換流器，其特征在于，所述電壓額定值是3.3，1.1或0.66kV。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓源換流器，其特征在于，所述第二換流器(112)被配置成用于以在0.5與5kHz之間的切換頻率工作。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的 電壓源換流器，其特征在于，所述切換頻率是1.5kHz。
專利摘要一種用于交流電路100中的無功功率補償和諧波減小的電壓源換流器110，其中電壓源換流器被連接到電源101與負(fù)載102之間的所述交流電路。電壓源換流器包括第一換流器111，被配置成用于以與所述交流電路的基波頻率相同的切換頻率工作并且具有至少是與所述交流電路的電壓相同的電壓額定值。電壓源換流器還包括第二換流器112，被配置成用于以比起第一換流器更高的切換頻率工作并且具有低于所述交流電路的電壓的電壓額定值。
文檔編號H02J3/01GK203103961SQ201220330358
公開日2013年7月31日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者G·伯帕拉朱, M·薩胡, S·薩布拉瑪尼安, S·麥蒂 申請人:Abb技術(shù)有限公司