功率變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模塊化功率變換器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中，交流(AC)電力通常被轉(zhuǎn)換為經(jīng)由架空線路和/或海底電纜進(jìn) 行傳輸?shù)闹绷?DC)電力。此轉(zhuǎn)換不需要補(bǔ)償由傳輸線路或電纜導(dǎo)致的AC電容性負(fù)載的影 響，并因此降低了線路和/或電纜的每公里成本，當(dāng)需要長(zhǎng)距離傳輸電力時(shí)，從AC到DC的轉(zhuǎn) 換因而變得具有成本效益。
[0003] AC電力到DC電力的變換還用于需要互連在不同頻率下運(yùn)行的AC網(wǎng)絡(luò)的電力傳輸 網(wǎng)絡(luò)。在任何這樣的電氣組件中，在AC電力與DC電力之間的每個(gè)交接處需要變換器來(lái)實(shí)現(xiàn) 所需的變換，并且一種此類形式的變換器是功率變換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供一種模塊化功率變換器，包括：
[0005] 第一端子，用于連接至第一電網(wǎng)；
[0006] 第二端子，用于連接至第二電網(wǎng)；
[0007] 至少一個(gè)模塊，連接在所述第一端子與所述第二端子之間，所述或每個(gè)模塊包括 至少一個(gè)開(kāi)關(guān)元件和至少一個(gè)能量?jī)?chǔ)存器件，所述或每個(gè)模塊中的所述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件和 所述或每個(gè)能量?jī)?chǔ)存器件組合以選擇性地提供電壓源，所述或每個(gè)模塊中的所述或每個(gè)開(kāi) 關(guān)元件是可切換的，以在所述第一端子與所述第二端子之間傳輸電力；以及
[0008] 控制單元，被配置為選擇性地控制所述或每個(gè)模塊中的所述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的切 換，以儲(chǔ)存來(lái)自所述第一端子和所述第二端子中的任何一個(gè)或兩者的能量或者將能量釋放 到所述第一端子和所述第二端子中的任何一個(gè)或兩者，以便對(duì)所述第一端子和所述第二端 子處的各功率流去耦，從而抑制在所述第一端子和所述第二端子中的一個(gè)處的功率流的調(diào) 制對(duì)所述第一端子和所述第二端子中的另一個(gè)處的功率流的改變。
[0009] 為了此說(shuō)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的針對(duì)功率變換器的術(shù)語(yǔ)"模塊化"的使用意在指 包括根據(jù)本發(fā)明的功率變換器中的至少一個(gè)模塊。
[0010] 應(yīng)理解，第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)中的每個(gè)可以是AC電網(wǎng)或DC電網(wǎng)。因此，模塊化功率 變換器可以是AC-AC、AC-DC或DC-DC模塊化功率變換器。
[0011]包括模塊化功率變換器中的控制單元使得能夠控制所述或每個(gè)模塊，以瞬時(shí)儲(chǔ)存 來(lái)自第一端子和第二端子中的任何一個(gè)或兩者的能量或者將能量釋放到第一端子和第二 端子中的任何一個(gè)或兩者，以便對(duì)第一端子和第二端子處(并因此在第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng) 中）的各功率流去耦。因此，當(dāng)對(duì)第一端子和第二端子處的功率流進(jìn)行調(diào)制時(shí)(并因此當(dāng)對(duì) 第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)中的功率流進(jìn)行調(diào)制時(shí)），對(duì)第一端子和第二端子處的各功率流的去 耦抑制功率流的調(diào)制對(duì)第一端子和第二端子中的另一個(gè)中（并因此在第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng) 中的另一個(gè)中）的功率流的改變。這因此防止了由功率流的調(diào)制導(dǎo)致的第一電網(wǎng)和第二電 網(wǎng)中的另一個(gè)中的功率流的任何不期望的變化。
[0012]實(shí)際上，所述或每個(gè)模塊可以被設(shè)計(jì)為在其控制使得模塊化功率變換器能夠在第 一端子與第二端子之間（并因此在第一電網(wǎng)與第二電網(wǎng)之間）傳輸電力的過(guò)程中使用小于 其最大能量?jī)?chǔ)存容量。這意味著所述或每個(gè)模塊的任何未使用的能量?jī)?chǔ)存能力在模塊化功 率變換器的操作期間可用于臨時(shí)能量存儲(chǔ)，以對(duì)第一端子和第二端子處的各功率流去耦。 [0013]此外，在第一端子與第二端子之間傳輸電力以及使得能夠?qū)Φ谝欢俗雍偷诙俗?處的各功率流去耦的功能均涉及所述或每個(gè)模塊中的所述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的切換。
[0014]因此，這不僅不需要改變所述或每個(gè)模塊以使得模塊化功率變換器能夠執(zhí)行這兩 種功能，而且用于執(zhí)行這兩種功能的所述或每個(gè)模塊中的所述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的這種切換 可以在相同的控制單元內(nèi)實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需顯著的添加控制硬件以適應(yīng)這兩種功能。
[0015] 與此相反，省略模塊化功率變換器中的控制單元意味著需要使用與模塊化功率變 換器分離的大型能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，以將電網(wǎng)與功率流的調(diào)制的影響隔離。大型能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng) 的使用不僅為相關(guān)的電網(wǎng)增加尺寸、重量和成本，而且還存在許多其它問(wèn)題(諸如維修中的 經(jīng)營(yíng)損失、維護(hù)和可靠性和可用性方面的考慮），從而導(dǎo)致低效率和低可靠性的替代方案。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的模塊化功率變換器的配置因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)具有成本效率并且節(jié) 省空間的模塊化功率變換器，其不僅能夠在第一端子與第二端子之間傳輸電力，而且還能 夠選擇性地使得能夠?qū)Φ谝欢俗雍偷诙俗又械母鞴β柿魅ヱ?，以便抑制在第一端子和?二端子中的一個(gè)處的功率流的調(diào)制對(duì)第一端子和第二端子中的另一個(gè)處的功率流的改變。
[0017] 可以針對(duì)各種目的（諸如優(yōu)化功率流質(zhì)量)對(duì)第一端子和第二端子中的一個(gè)處的 功率流進(jìn)行調(diào)制。
[0018] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，在第一端子和第二端子中的一個(gè)處的功率流的調(diào)制可包括 衰減至少一個(gè)功率振蕩。這樣的衰減可以通過(guò)調(diào)制在第一端子和第二端子中的一個(gè)處的功 率流的幅值、頻率和/或相來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0019] 電力系統(tǒng)由各種電力系統(tǒng)部件(諸如發(fā)電機(jī)、傳輸線路和負(fù)載)構(gòu)成。因此，在各種 電力系統(tǒng)部件之間存在多種可能的相互作用。通常，電力系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為在電力系統(tǒng)部件之 間的給定相互作用的特定頻率下衰減。然而，在某些情況下，在電力系統(tǒng)部件之間的相互作 用可能不會(huì)衰減，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的功率振蕩的積累。功率振蕩是在電力系統(tǒng)的有源 電力系統(tǒng)部件之間的有功功率的交換。
[0020] 功率振蕩的頻率取決于相互作用的模式。對(duì)于單獨(dú)的發(fā)電機(jī)之間或者多組發(fā)電機(jī) 之間的相互作用（即次同步振蕩），功率振蕩的頻率典型地處于1到2Hz的區(qū)間內(nèi)。對(duì)于大面 積電力系統(tǒng)之間的相互作用（即區(qū)間振蕩），功率振蕩的頻率典型地在0.1Hz的區(qū)間內(nèi)。
[0021] 如上所述，用于對(duì)第一端子和第二端子中的各功率流去耦的模塊化功率變換器的 能力使得任何功率流的調(diào)制能夠衰減第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)中的一個(gè)中的至少一個(gè)功率振 蕩，以抑制對(duì)第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)中的另一個(gè)中的功率流改變。
[0022 ]例如，當(dāng)連接至模塊化功率變換器的第一電網(wǎng)包括相對(duì)小、弱、低慣性AC電力系統(tǒng) (例如風(fēng)力發(fā)電廠)時(shí)，模塊化功率變換器的上述能力可能是有用的。在缺少對(duì)第一電網(wǎng)和 第二電網(wǎng)的各功率流的去耦的情況下，第二電網(wǎng)中的任何功率流的調(diào)制將直接傳送至弱、 低慣性的AC電力系統(tǒng)中的功率流的調(diào)制。在弱的低慣性AC電力系統(tǒng)為風(fēng)力發(fā)電廠的情況 下，第二電網(wǎng)中的任何功率流的調(diào)制將直接傳送至風(fēng)力渦輪機(jī)的功率調(diào)制，其可具有對(duì)相 關(guān)聯(lián)的發(fā)電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的不良影響的頻率。當(dāng)前的風(fēng)力渦輪機(jī)在阻尼電阻不消耗能量的 情況下不能容易地吸收功率波動(dòng)，這導(dǎo)致能量損失;或者在沒(méi)有不停地改變其葉片槳距的 情況下導(dǎo)致支撐(多個(gè))風(fēng)力渦輪機(jī)的塔的機(jī)械磨損和應(yīng)力。
[0023] 當(dāng)模塊化功率變換器例如為AC-DC模塊化功率變換器，且功率流的調(diào)制需要衰減 模塊化功率變換器的弱的海上AC電力系統(tǒng)內(nèi)的功率振蕩時(shí)，模塊化功率變換器的上述能力 也可能是有用的。在缺少對(duì)第一電網(wǎng)和第二電網(wǎng)的各功率流的去耦的情況下，模塊化功率 變換器的AC側(cè)處的這樣的功率流的調(diào)制將導(dǎo)致在模塊化功率變換器的DC側(cè)的功率流的調(diào) 制，而可能有不期望的后果。
[0024] 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，控制單元可以被配置為選擇性地控制所述或每個(gè)模 塊中的所述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的切換，以對(duì)第一端子和第二端子中的一個(gè)處的功率流進(jìn)行調(diào) 制。用這種方式配置控制單元實(shí)現(xiàn)了具有對(duì)第一端子和第二端子中的一個(gè)處的功率流進(jìn)行 調(diào)制的能力的模塊化功率變換器，從而減少或避免了對(duì)于額外的功率流調(diào)制硬件的需要。
[0025] 在這樣的實(shí)施例中，控制單元可以被配置為選擇性地控制所述或每個(gè)模塊中的所 述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件的切換，以同時(shí)進(jìn)行以下操作：
[0026] 對(duì)所述第一端子和所述第二端子中的一個(gè)處的功率流進(jìn)行調(diào)制；以及
[0027] 儲(chǔ)存來(lái)自所述第一端子和所述第二端子中的任何一個(gè)或兩者的能量或者將能量 釋放到所述第一端子和所述第二端子中的任何一個(gè)或兩者，以便對(duì)所述第一端子和所述第 二端子處的各功率流去耦，從而抑制在所述第一端子和所述第二端子中的一個(gè)處的功率流 的調(diào)制對(duì)所述第一端子和所述第二端子中的另一個(gè)處的功率流的改變。
[0028] 用于在第一端子和第二端子中的一個(gè)處同時(shí)進(jìn)行功率流的調(diào)制和對(duì)第一端子和 第二端子處的各功率流去耦的能力使得能夠同步在第一端子和第二端子中的一個(gè)處的功 率流的調(diào)制和對(duì)第一端子和第二端子處的各功率流去耦。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的模塊化功率變換器可以根據(jù)相關(guān)聯(lián)的電力應(yīng)用的要求而出現(xiàn)各種 不同的配置。例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，模塊化功率變換器可包括：
[0030] 一對(duì)DC端子，可連接至DC電網(wǎng)；
[0031] 至少一個(gè)變換器臂，在所述一對(duì)DC端子之間延伸且包括由AC端子分隔開(kāi)的第一臂 部和第二臂部，所述AC端子可連接至AC電網(wǎng)，每個(gè)臂部包括至少一個(gè)模塊，每個(gè)模塊中的所 述或每個(gè)開(kāi)關(guān)元件是可切換的，以控制在AC端子處的AC電壓的配置，從而在所述AC電網(wǎng)與 所述DC電網(wǎng)之間傳輸電力，
[0032]其中所述DC端子限定第一端子以及所述AC端子限定所述第二端子，或者所述DC端 子限定第二端子以及所述AC端子限定第一端子。
[0033] 這樣的模塊化功率變換器中的變換器臂的數(shù)量