直流输电系统和组装该系统的方法

直流输电系统和组装该系统的方法
【专利说明】直流输电系统和组装该系统的方法
【背景技术】
[0001] 本公开的领域大体涉及用于传输直流（DC)功率给负载的系统和方法，并且更具 体地涉及具有转换器的直流输电系统，该转换器具有相对于地不需要重直流绝缘的有源交 流（AC)级和无源交流至直流转换级。
[0002] 多数基于陆地的传输系统从电源、例如发电机传输交流功率到电负载，例如马达。 任何转换为直流功率典型地是通过尽可能的靠近电负载来执行。交流输电系统比直流输电 系统更普遍，是因为降低了交流变压器和开关装置的成本并改进了其效率。然而，交流输电 系统具有不在直流输电系统中存在的与传输电缆相关的无功损耗。因此，当长距离传输功 率，在无功损耗超过较昂贵的直流变压器设备时，直流输电系统可以是更有效并节省成本 的。在海底电缆尤其如此，其中无功损耗被复合。
[0003] 高压直流（HVDC)传输系统和中压直流（MVDC)传输系统可被用于有效地长距离传 输功率。然而，已知的直流输电系统有一些效率低下，导致运营商成本增加。具体而言，已 知的直流输电系统有交流/直流整流器，诸如二极管整流器，将如从电网所接收的交流功 率，转换为直流功率。直流功率随后通过有源元件被调节，例如具有例如绝缘栅双极晶体管 (IGBT)和晶闸管的有源半导体为基础的设备的直流/直流转换器。直流功率也通过无源 元件被调节，例如，电容器、电阻器、二极管和变压器，以控制直流功率的直流电压电平。然 而，在已知的系统中，有源元件和无源元件必须很强地与地直流绝缘，以防止在直流故障事 件中损坏元件。例如，在典型的系统中，有源和无源元件是被绝缘以承受相当于约2倍的传 输电压电平的过电压条件，传输电压电平可以是在几十千伏（kV)的直流至数百千伏直流 的范围。无源元件的直流绝缘是相对便宜的，但有源直流/直流转换器的绝缘要求所有的 辅助功率元件相对于地被绝缘，包括栅极驱动器和所有传感器。此外，用于这种有源直流/ 直流转换器的冷却系统和任何其它辅助支持设备也需要相对于地的同样水平的直流绝缘。 因此，具有相对于地的直流绝缘的有源元件的尺寸、材料量和成本都很巨大。直流输电系统 的一些应用中具有有限的可用空间，例如，石油和天然气平台，目前的直流输电系统对于单 一平台来说可能过大，显著增加了资本投资和运行成本。

【发明内容】

[0004] -方面，提供了一种直流（DC)输电系统。直流输电系统被配置为产生电场，其包 括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量。直流输电系统包 括被配置为接收交流电功率的交流（AC)级。交流级包括变压器，其包括配置为彼此电磁耦 合并相互电隔离的初级绕组和次级绕组。交流级还包括至少一个交流/交流转换器，其相 对于电场的至少一个基本恒定的分量基本上没有绝缘特征。交流/交流转换器电耦合到初 级绕组的至少一个初级绕组。直流输电系统还包括交流/直流转换级，其位于交流级的下 游。交流/直流转换级包括交流/直流整流器，其配置成将交流电功率转换为直流电功率 而无需外部控制。该交流/直流整流器被耦合到次级绕组的至少一个次级绕组。
[0005] 另一方面，提供一种用于直流输电系统的传输端转换器。传输端转换器被配置为 产生电场，其包括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量。 直流输电系统包括被配置为接收交流电功率的交流（AC)级。交流级包括变压器，其包括配 置为彼此电磁耦合并互相电隔离的初级绕组和次级绕组。交流级还包括交流/交流转换 器，其相对于电场的至少一个基本恒定的分量基本上没有绝缘特征。交流/交流转换器被 电耦合到初级绕组的至少一个初级绕组。传输端转换器还包括交流/直流转换级，其位于 交流级的下游。交流/直流转换级包括交流/直流整流器，其配置为将交流电功率转换为直 流电功率而无需外部控制。该交流/直流整流器被耦合到次级绕组的至少一个次级绕组。
[0006] 又一方面，提供了一种组装传输端转换器的方法。传输端转换器被配置成接收交 流（AC)电功率，并将交流电功率转换成直流（DC)电功率。传输端转换器也被配置成产生 电场，其包括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量。该方 法包括将交流/交流转换器电耦合到变压器的多个初级绕组的至少一个初级绕组，由此至 少部分地形成交流级。交流/交流转换器与初级绕组相对于电场的至少一个基本恒定的分 量基本上没有绝缘特征。该方法还包括将变压器的次级绕组电磁耦合到初级绕组。该方法 进一步包括将交流/直流整流器电耦合到次级绕组的至少一个次级绕组，由此至少部分地 形成交流/直流转换级。该交流/直流整流器位于变压器的下游。
【附图说明】
[0007] 当参考附图读取以下的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变 得更好地理解，在整个附图中类似的字符表示类似的元件，其中：
[0008] 图1是包括直流输电系统的示范性电力系统的示意图；
[0009] 图2是示范性传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起使 用；
[0010]图3是可选的传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起使 用；
[0011] 图4是另一可选传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起 使用，其具有包括至少一个细功率转换部和至少一个粗功率转换部的多个功率转换部；
[0012] 图5是又一可选传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起 使用，其具有多个交流隔离开关；
[0013] 图6是又一可选传输端转换器的示意图，其可以与图1所示的直流输电系统一起 使用，其具有包括具有短路故障模式的多个二极管的交流/直流整流器；
[0014] 图7是无源直流/直流整流器的一部分的示意图，其可与图1所示的直流输电系 统一起使用；
[0015] 图8是可选的无源直流/直流整流器的一部分的示意图，其可与图1所示的直流 输电系统一起使用；
[0016] 图9是另一可选的无源直流/直流整流器的一部分的示意图，其可与图1所示的 直流输电系统一起使用；以及
[0017] 图10是可与图1所示的直流输电系统一起使用的短路装置的示意图。
[0018] 除非另有说明，本文所提供的附图是为了说明本公开的实施例的特征。这些特征 被认为是适用于各种不同的系统，包括本公开的一个或多个实施例。因此，附图并不意味着 包括本领域普通技术人员已知的需要为本文所公开的实施例的实施中的所有常规特征。【具体实施方式】
[0019] 在以下的说明书和权利要求书中，将提及一些术语，这些术语应定义为具有以下 含义。
[0020] 单数形式"一"，"一个"，和"该"包括复数引用，除非上下文另有明确说明。
[0021] "任选的"或"任选地"是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该 描述包括其中该事件发生和不发生的情况。
[0022] 近似类的用语，如这里在整个说明书和权利要求书所使用的那样，可用于修饰任 何定量表达，这些表达可容许改变，而不引起其所相关基本功能的改变。因此，通过一个或 多个术语修饰的值，例如"大约"和"基本上"，并不限定于指定的精确值。在至少一些情况 下，近似类的用语可对应于仪器测量值的精确度。在这里和在整个说明书和权利要求书，范 围限制可组合和/或互换；这种范围是确定的，并包括包含在其中的所有子范围，除非上下 文或语言指明。
[0023] 定向类的用语，如这里在整个说明书和权利要求中所使用的那样，被单独使用，以 促进元件相互间的描述，并且不相对于任何其他参考系定义它们的取向。因此，通过如"顶" 和"底"的术语修饰的元件可以相对于外部参考系定向在任何其他方向，除非上下文或语言 另有明确说明。
[0024] 此外，参考此处所描述的主题一个"实施方式"或一个"实施例"并不意味着被解 释为排除还结合了所述特征的额外实施方式的存在。
[0025] 本文描述的实施例公开了一种直流输电系统，其从交流电源传输电功率到电负 载，例如直流马达。直流输电系统包括传输端转换器，其将交流功率转换为直流功率。具 体地，本文所描述的传输端转换器包括交流级，其包括交流/交流转换器和交流/直流转换 级，其包括通过变压器耦合到交流级的交流/直流整流器，该变压器包括彼此电磁耦合的 初级和次级绕组。这样，传输端转换器被配置为产生包括至少一个相对于时间基本恒定的 场分量和至少一个随时间变化的场分量的电场。本文所描述的传输端转换器有利于降低需 要相对于地的高电压直流绝缘的交流/直流转换级元件的数量。此外，至少一些本文所描 述的传输端转换器内的元件针对该电场的基本恒定的分量基本上没有绝缘，即它们基本上 没有到地的直流绝缘。更具体地，交流/交流转换器和变压器的初级绕组与在相同的传输 电压电平操作的直流/直流转换器相比具有到地的总绝缘量减少。所以，交流/交流转换 器和变压器与已知的直流/直流转换器相比，降低了直流绝缘的成本以及减小了占用的尺 寸。
[0026] 图1是示范性的直流输电系统100的示意图。直流输电系统100从电源102,例 如但不限于，电网或交流发电机，传输电功率到电负载104,例如但不限于，马达。直流输电 系统100包括传输端转换器106,用于从电源102接收输入交流功率112以及转换交流功 率为直流功率。直流输电系统100还包括传输电缆108用于承载直流功率。传输电缆108 为多个能够承载电流，如高压直流功率114的导电电缆。在示范性实施例中，传输电缆108 包括正极性的高电压线（未示出）和负极性的返回线（未示出）。直流输电系统100还包 括接收端转换器110。接收端转换器110将高压直流功率114转换为低压功率116,其可被 电负载104使用。在示范性实施例中，接收端转换器110包括降压变压器和逆变器（均未 示出）中的至少一个，使得低压功率116是低压直流功率和低压交流功率中的至少一个。
[0027] 在该示范性实施例中，电源102和传输端转换器106被定位在非埋植型平台。另 外，电负载104和接收端转换器110被定位在埋植型船只内，并且传输电缆108被基本上淹 没。可替代地，直流输电系统1〇〇被定位在任何具有如本文中所述有利于操作的任何配置 的地方。
[0028] 在操作中，传输端转换器106从电源102接收输入交流功率112并将输入的交流 功率112转换成用于通过传输电缆108传输的中至高压直流功率114。在该示范性实施例 中，输入交流功率112是三相功率，并且传输端转换器106将三相功率的每一相都转换为中 至高压直流功率114。中至高压直流功率114通过传输电缆108承载到接收端转换器110， 其中其被转换成低压功率116,并提供给电负载104 。
[0029] 图2是示范性传输端转换器200的示意图，其可与直流传输系统100 -起使用（示 于图1)。传输端转换器200被配置成接收具有预定输入电压的交流功率，并且以预定传输 电压、也被称为直流链电压传输直流功率。在示范性实施例中，传输端转换器200包括有源 交流级202和无源交流/直流转换级204。有源交流级202包括交流/交流转换器206和升 压变压器208。升压变压器208包括多个初级绕组210和多个次级绕组212,其中绕组210 和212在通电时电磁耦合。无源交流/直流转换级204包括交流/直流整流器214。在示 范性实施例中，交流/直流整流器214是12脉冲二极管桥式整流器，其配置成将从升压变 压器208升压后的交流功率转换为中压直流（MVDC)和/或高压直流（HVDC)功率。如本文 所用，术语"有源"指的是利用有源控制特征来调节交流/交流转换器206的操作，例如但 不限于，绝缘栅双极晶体管（IGBT)和晶闸管。此外，如本文中所使用的，术语"无源"指的 是利用例如12脉冲二极管桥式整流器的装置，其不需要通过外部控制系统和设备的调节 来将输入的三相交流功率整流为直流功率。可选地，交流/直流整流器214具有任何使转 换器200如本文所述操作的配置。
[0030] 在一些实施例中，交流/交流转换器206和升压变压器208中的任一或两者包括 相移特征，以帮助控制通过传输端转换器200和直流输电系统100的至少一部分的实际功 率流，并且有利于减少直流纹波。
[0031] 此外，在示范性实施例中，无源交流/直流转换级204包括定位在交流/直流整流 器214下游的至少一个滤波元件216以对直流谐波和纹波电压进行滤波。可替换地，无源 交流/直流转换级204不包括滤波元件216。
[0032] 此外，在示范性实施例中，交流/交流转换器206被定位在升压变压器208的上 游，使得交流/交流转换器206的输入端218电耦合到电源102 (示于图1中）。交流/交 流转换器206的输出端220被耦合到初级绕组210的至少一个绕组。
[0033] 此外，在示范性实施例中，次级绕组212具有比初级绕组210更大的匝数，使得输 出交流功率224的电压被升压到升压交流功率226中较高的电压。在一个实施例中，升压 变压器208是被配置在高频下，例如但不限于，100赫兹和20千赫兹之间，进行操作的高频 变压器。在这种实施例中，变压器208的尺寸与在标准频率、例如50赫兹或60赫兹下操作 的标准变压器相比显著降低。因此，传输端转换器200的尺寸可以减小。
[0034] 交流/直流整流器214被定位于交流/交流转换器206和升压变压器208的下 游，使得交流/直流整流器214的输入端228与次级绕组212的至少一个绕组电耦合。在 示范性实施例中，交流/直流整流器214的输出端230耦合到滤波元件216。可选地，输出 端230直接耦合到传输电缆108。在操作中，交流/直流整流器214接收升压的交流功率 226并将升压交流功率226转换为输出直流功率232。
[0035] 由交流/直流整流器214输出的直流功率232可以包含谐波和/或基本上直流的 纹波电压作为转换过程的残余部分。传输端转换器200包括滤波元件216,其位于交流/直 流整流器214的下游，使得滤波元件216的输入端234接收输出直流功率232。滤波元件 216被配置为对输出直流功率232滤波以有利于减少在直流功率中的谐波和/或纹波电压， 以产生经滤波的直流功率238。滤波元件216提供滤波后的直流功率238给输出端236,其 中它随后被提供到传输电缆108。滤波元件216包括本文中所描述的使传输端转换器200 操作的任何设备，包括但不限于，二极管、电容器和电感器，或它们的任意组合，以使得滤波 元件216有利于减小输出直流功率232的纹波电压和/或谐波。
[0036] 在操作中，交流/交流转换器206从电源102在输入端218接收输入交流功率222， 并从输出端220传输输出交流功率224。在该示范性实施例中，交流/交流转换器206控制 输出交流功率224的电压。此外，在示范性实施例中，交流/交流转换器206控制输出交流 功率224的频率，使得输入交流功率222具有比输入交流功率222更高或更低的频率。例 如，在一些实施例中，交流/交流转换器206提升输入交流功率222的频率，使得输出交流 功率224的频率是高频，即在100赫兹至20千赫的范围内。可选地，交流/交流转换器206 控制输出交流功率224的电压和频率中的一个。
[0037] 此外，在操作中，交流/直流整流器214接收升压交流功率226并将升压交流功率 226转换为输出直流功率232,其被传输到滤波元件216。滤波元件216传输滤波后的直流 功率238到传输电缆108。这样，传输端转换器200产生的电场包括至少一个相对于时间基 本上恒定的场分量和至少一个随时间变化的场分量。
[0038] 有源交流级202中的元件的至少一部分通过升压变压器208与无源交流/直流转 换级204中的直流功率电隔离。具体地，在交流/直流转换级204的直流故障期间，升压变 压器208将次级绕组212上游的传输端转换器200的一部分与初级绕组210下游的传输端 转换器200的一部分电隔离。更具体地，在无源交流/直流转换级204的直流故障期间，直 流电流通过次级绕组212,但不通过初级绕组210。因此，初级绕组210具有用于直流传输 电压的相对于地的显著减小的直流绝缘量，而次级绕组212是用于直流传输电压的相对于 地的直流绝缘。在一些实施例中，初级绕组210基本上没有到地的直流绝缘。
[0039] 此外，相应地，绝缘240有利于对初级绕组210的下游元件提供到地的直流绝缘， 艮P，绝缘240从次级绕组212延伸到接收端转换器110。可替代地，如果接收端转换器110 是从滤波元件216延伸一定距离，使得传输电缆108长，绝缘240将正好在滤波元件216下 游就结束。
[0040] 此外，相应地，次级绕组212上游的有源交流级202中元件并不需要到地的直流绝 缘，并且，因此，初级绕组210和交流/交流转换器206相对于由传输端转换器200产生的 电场的基本恒定的分量基本上没有绝缘，即它们基本上没有到地的直流绝缘，这有利于减 少传输端转换器200中直流绝缘的量。然而，次级绕组212上游的有源交流级202的这些 元件中具有用于随时间变化的场分量必要的交流绝缘。
[0041] 这样的配置有利于减少在传输端转换器200中直流绝缘的量。此外，在示范性实 施例中，在无源交流/直流转换级204的所有元件是无源元件，例如，但不限于，二极管、变 压器绕组和电容器，并且需要比有源直流元件更少的直流绝缘。减少了的绝缘有利于减少 传输端转换器200的成本和占用的尺寸。在一些实施例中，使用绝缘240的那些元件，即， 次级绕组212、交流/直流整流器214和滤波元件216可被定位于共同的油浴中从而有利于 由此散热。
[0042] 在示范性实施例中，传输端转换器200是模块化系统。具体而言，在一些实施例 中，传输端转换器200是一个或多个模块的一个一体化整体模块。此外，在一些实施例中， 传输端转换器200的每个元件是模块化的，使得快速组装和元件更换变得容易。此外，在其 他实施例中，有源交流级202和/或无源交流/直流转换级204各自是独立的一体化整体 的模块，其彼此耦合到接近交流/直流整流器214。此外，在一些实施例中，有源交流级202 和/或无源交流/直流转换级204各自是独立的一体化整体的子模块，其彼此耦合到接近 交流/直流整流器214,以形成传输端转换器200。
[0043] 图3是可选的传输端转换器300的示意图，其可与直流输电系统100(图1所示） 一起使用。在该可选实施例中，传输端转换器300具有有源交流级302和无源交流/直流 转换级304。有源交流级302包括多个并联的交流/交流转换器306和多个并联的升压变 压器308,其中每一交流/交流转换器306被耦合到一个升压变压器308。升压变压器308 包括多个初级绕组310和多个次级绕组312,其中绕组310和312通电时电磁耦合。无源交 流/直流转换级304包括多个并联的交流/直流整流器314和滤波元件316。传输端转换 器300的元件以类似传输端转换器200(示于图2)的元件的方式工作。具体地说，交流/ 交流转换器306类似于上述关于图2所描述的交流/交流转换器206操作，升压变压器308 类似于上述关于图2所描述的升压变压器208操作，交流/直流整流器314类似于上述关 于图2所描述的交流/直流整流器214操作，滤波元件316类似于上述关于图2所描述的 滤波元件216操作。在示范性实施例中，多个元件被布置为与功率转换部340并联，每个功 率转换部340包括交流/交流转换器306、升压变压器308、交流/直流整流器314和滤波 元件316。
[0044] 每个滤波元件316的输出端子336通过多个开关337 (常闭并示出处于断开位置） 串联耦合在一起，使得由每个功率转换部340输出的滤波后的直流功率338的电压电平求 和以产生用于传输端转换器110的总传输电压。在该不范性实施例中，每一个交流/交流 转换器306被配置成控制由每个独立的功率转换部340输出的滤波直流功率338的电压。 例如，在一个实施例中，由每个功率转换部340输出的电压基本上是相似的。可替代地，每 个交流/交流转换器306被配置成以任何方式控制由每个功率转换部340输出的电压，使 得传输端转换器300输出直流功率为预定的传输电压。每个功率转换部340的操作基本上 类似于传输端转换器200的操作。
[0045] 有源交流级302的元件的至少一部分通过升压变压器308与无源交流/直流转换 级304的直流功率电隔离。具体地，在交流/直流转换级304直流故障期间，每个升压变压 器308将次级绕组312上游的功率转换部分340的一部分与初级绕组310下游的功率转换 部分340的一部分电隔离。更具体地，在无源交流/直流转换级304直流故障期间，直流电 流通过次级绕组312,但不通过初级绕组310。因此，初级绕组310具有用于直流传输电压 的相对于地的显著减小的直流绝缘的量，而次级绕组312是用于直流传输电压的相对于地 的直流绝缘。在一些实施例中，初级绕组310基本上没有到地的直流绝缘。
[0046] 此外，相应地，绝缘342有利于为初级绕组310的下游元件提供到地的直流绝缘， 艮P，绝缘342从次级绕组312延伸到接收端转换器110。可替代地，如果接收端转换器110 是从滤波元件316延伸一定距离，使得传输电缆108长，绝缘342将正好在滤波元件316的 下游就结束。
[0047] 此外，相应地，次级绕 组312上游的有源交流级302中的元件不需要到地的直流绝 缘，并且，因此，初级绕组310和交流/交流转换器306相对于由传输端转换器200产生的 电场的基本恒定分量基本上没有绝缘，即它们基本上没有到地的直流绝缘，这有利于减少 传输端转换器300中直流绝缘的量。然而，次级绕组312上游的有源交流级302的这些元 件中具有用于随时间变化的场分量必要的交流绝缘。
[0048] 此外，在示范性实施例中，在无源交流/直流转换级304的所有元件是无源元件， 例如，但不限于，二极管、变压器绕组和电容器，并且需要的直流绝缘比有源直流元件更少。 减少了的绝缘有利于减少传输端转换器300的成本和占用的尺寸。在一些实施例中，使用 绝缘342的那些元件，即，次级绕组312、交流/直流整流器314和滤波元件316可被定位于 共同的油浴中从而有利于由此散热。
[0049] 在示范性实施例中，传输端转换器300是模块化系统。具体而言，传输端转换器 300由多个并联功率转换部340形成，其中每个部分340是一个一体化整体模块。此外，在 一些实施例中，功率转换部340的每个元件是模块化的，使得快速组装和元件更换变得容 易。此外，在其他实施例中，有源交流级302和/或无源交流/直流转换级304各自是独立 的一体化整体的模块，其彼此耦合到接近交流/直流整流器314。此外，在一些实施例中，每 个有源交流级302和/或每个无源交流/直流转换级304各自是独立的一体化整体的子模 块，其彼此耦合到接近交流/直流整流器314,以形成每个功率转换部340。
[0050] 图4是另一可选的传输端转换器400的示意图，其可与直流输电系统100(图1所 示）一起使用。在该可选实施例中，传输端转换器400包括多个并联的功率转换部，包括至 少一个细功率转换部440和至少一个粗功率转换部442。每个细的功率转换部440包括交 流/交流转换器406、升压变压器408、交流/直流整流器414和滤波元件416。升压变压器 408包括多个初级绕组410和多个次级绕组412,其中绕组410和412在通电时电磁耦合。 每个粗功率转换部442包括开关444、升压变压器408、交流/直流整流器414和滤波元件 416。开关444是任何开关装置，其使粗功率转换部442和传输端转换器400如本文所描述 的操作，包括但不限于，半导体开关器件和机电开关装置。否则，传输端转换器400的元件 以与传输端转换器200 (示于图2)中类似元件类似的方式工作。具体地说，交流/交流转 换器406类似于上述关于图2所描述的交流/交流转换器206操作，升压变压器408类似 于上述关于图2所描述的升压变压器208操作，交流/直流整流器414类似于上述关于图2 所描述的交流/直流整流器214操作，滤波元件416类似于上述关于图2所描述的滤波元 件216操作。
[0051] 每个滤波元件416的输出端子436通过多个开关437 (常闭和示出处于断开位置） 串联耦合在一起，使得由每个功率转换部440和442输出的滤波直流功率438的电压电平 相加，以产生用于传输端转换器400的总的传输电压。在不范性实施例中，传输电压可在块 部分中通过断开和/或闭合粗功率转换部442的开关444来控制和/或通过改变交流/交 流转换器406的参数来细控制。
[0052] 在操作中，细功率转换部440控制具有交流/交流转换器406的传输端转换器400 的传输电压。更具体而言，交流/交流转换器406使细功率转换部440能够通过调节从有 源交流级402输出到无源的交流/直流转换级404的电压来控制传输端转换器400的传输 电压。另外，粗调功率转换部442基于开关444的断开和闭合来控制传输端转换器400的 传输电压。更具体地，当闭合时，开关444导通输入交流功率422到升压变压器408,其中它 被升压到升压交流功率426,并提供给交流/直流整流器414。交流/直流整流器414整流 升压交流功率426,并输出输出直流功率432。输出直流功率432可接着通过滤波元件416 滤波，并输出到传输电缆108。当断开时，开关444充当开路，以防止输入交流功率422到达 交流/直流整流器414。因此，当开关444被断开时，没有直流功率从粗的功率转换部442 输出。
[0053] 有源交流级402的元件的至少一部分通过升压变压器408与无源交流/直流转换 级404的直流功率电隔离。具体地，在交流/直流转换级404直流故障期间，每个升压变压 器408将次级绕组412上游的功率转换部分440和/或442的一部分与初级绕组410下游 的功率转换部分440的一部分电隔离。更具体地，在无源交流/直流转换级404直流故障 期间，直流电流流过次级绕组412,但不流过初级绕组410。因此，初级绕组410具有用于直 流传输电压的相对于地的显著减小的直流绝缘的量，而次级绕组412是用于直流传输电压 的相对于地的直流绝缘。在一些实施例中，初级绕组410基本上没有到地的直流绝缘。
[0054] 此外，相应地，绝缘446有利于对初级绕组410的下游元件提供到地的直流绝缘， 艮P，绝缘446从次级绕组412延伸到接收端转换器110。可替代地，如果接收端转换器110 是从滤波元件416延伸一定距离，使得传输电缆108长，绝缘446将在滤波元件416的下游 就结束。
[0055] 此外，相应地，次级绕组412上游的有源交流级402的元件并不需要到地的直流绝 缘，并且，因此，初级绕组410和交流/交流转换器406基本上没有到地的直流绝缘，其有利 于减少传输端转换器400的直流绝缘的量。
[0056] 此外，相应地，次级绕组412上游的有源交流级402中的元件并不需要到地的直流 绝缘，并且，因此，初级绕组410和交流/交流转换器406相对于由传输端转换器400产生 的电场的基本恒定分量基本上没有绝缘，即它们基本上没有到地的直流绝缘，这有利于减 少传输端转换器400中直流绝缘的量。然而，次级绕组412上游的有源交流级402的这些 元件中具有用于随时间变化的场分量必要的交流绝缘。
[0057] 此外，在示范性实施例中，在无源交流/直流转换级404中的所有元件是无源元 件，例如，但不限于，二极管、变压器绕组和电容器，并且需要的直流绝缘比有源直流元件更 少。减少了的绝缘有利于减少传输端转换器400的成本和占用的尺寸。在一些实施例中， 使用绝缘446的那些元件，即，次级绕组412、交流/直流整流器414和滤波元件416可被定 位于共同的油浴中从而有利于由此散热。
[0058] 在示范性实施例中，传输端转换器400是模块化系统。具体而言，传输端转换器 400由多个细功率转换部440和粗功率转换部442形成，其中每个部分440和442是一个一 体化的整体模块。此外，在一些实施例中，功率转换部分440和/或442的每个元件是模块 化的，使得快速组装和元件更换变得容易。此外，在其他实施例中，有源交流级402和/或 无源交流/直流转换级404各自是独立的一体化整体模块，其彼此耦合到接近交流/直流 整流器414。此外，在一些实施例中，每个有源交流级402和/或每个无源交流/直流转换 级404各自是独立的一体化整体的子模块，其彼此耦合到接近交流/直流整流器414,以形 成每个功率转换部分440和442。
[0059] 图5是又一可选传输端转换器500的不意图，其可与直流输电系统100 -起使用 (示于图1)。在该可选实施例中，传输端转换器500类似于传输端转换器300(图3中示 出），其具有下述的例外。每个功率转换部540 (示于图5中的四个）是大致相同的，并且， 在该示范性实施例中，包括位于每个并联的交流/交流转换器506上游并与其串联的交流 禁用开关550。此外，每个功率转换部540包括接地装置552,其包括耦合到每一交流/交 流转换器506下游的接地开关554。
[0060] 此外，在该可选实施例中，传输端转换器500具有有源交流级502和无源交流/直 流转换级504。有源交流级502包括并联的交流/交流转换器506和多个并联的升压变压 器508,其中每一交流/交流转换器506耦合到一个升压变压器508。升压变压器508包括 多个初级绕组510和多个次级绕组512,其中绕组510和512通电时电磁耦合。无源交流/ 直流转换级504包括多个并联的交流/直流整流器514。然而，不同于无源交流/直流转换 级304 (示于图3)，传输端转换器500不包括任何直流滤波元件。传输端转换器500的元 件的功能类似于传输端转换器300的元件。具体地说，交流/交流转换器506类似于关于 图3的交流/交流转换器306操作，升压变压器508类似于关于图3的升压变压器308操 作，交流/直流整流器514类似于关于图3的交流/直流整流器314操作。在示范性实施 例中，多个元件被布置为与每个功率转换部540并联，每个功率转换部540包括交流/交流 转换器506、升压变压器508和交流/直流整流器514,以及交流禁用开关550和包括接地 开关554的接地装置552。一些实施例可以包括直流禁用开关（未示出），其邻近和/或在 交流/直流整流器514下游，其中直流禁用开关类似于交流禁用开关550。
[0061] 每个交流/直流整流器514的输出端子536通过多个开关537 (常闭和示出处于 断开位置）串联耦合在一起，使得由每个功率转换部540输出的直流功率538的电压电平 求和以产生用于传输端转换器110的总传输电压。在该不范性实施例中，每一个交流/交 流转换器506被构造为控制由每个相应的功率转换部540输出的直流功率538的电压。例 如，在一个实施例中，由每个功率转换部540输出的电压基本上是相似的。可替代地，每个 交流/交流转换器506被配置成以任何方式控制由每个功率转换部540输出的电压，使得 传输端转换器500在预定的传输电压上输出直流功率。每个功率转换部540的操作基本上 类似于功率转换部340的操作。
[0062] 有源交流级502的元件的至少一部分通过升压变压器508与无源交流/直流转换 级504的直流功率电隔离。具体地，在交流/直流转换级504直流故障期间，每个升压变压 器508将次级绕组512上游的功率转换部540的一部分与初级绕组510下游的功率转换部 540的一部分电隔离。更具体地，在无源交流/直流转换级504直流故障期间，直流电流流 过次级绕组512,但不流过初级绕组510。因此，初级绕组510具有用于直流传输电压的相 对于地的显著减小的直流绝缘的量，而次级绕组512是用于直流传输电压的相对于地的直 流绝缘。在一些实施例中，初级绕组510基本上没有到地的直流绝缘。
[0063] 此外，相应地，绝缘542有利于对初级绕组510的下游元件提供到地的直流绝缘， 艮P，绝缘542从次级绕组512延伸到恰好 交流/直流整流器514的下游。可替代地，如果接 收端转换器110距离交流/直流整流器514是短距离，使得传输电缆108短，绝缘542可延 伸到恰好接收端转换器110。
[0064] 此外，相应地，次级绕组512上游的有源交流级502中的元件不需要到地的直流绝 缘，并且，因此，初级绕组510和交流/交流转换器506基本上没有到地的直流绝缘，其利于 减少在传输端转换器500的直流绝缘的量。
[0065] 此外，相应地，次级绕组512上游的有源交流级502中元件不需要到地的直流绝 缘，并且，因此，初级绕组510和交流/交流转换器506相对于由传输端转换器500产生的 电场的基本恒定分量基本上没有绝缘，即它们基本上没有到地的直流绝缘，这有利于减少 传输端转换器500中直流绝缘的量。然而，次级绕组512上游的有源交流级502的这些元 件中具有用于随时间变化的场分量必要的交流绝缘。
[0066] 此外，在示范性实施例中，在无源交流/直流转换级504中的所有元件是无源元 件，例如，但不限于，二极管、变压器绕组和电容器，并且所需要的直流绝缘比有源直流元件 更少。减少了的绝缘有利于减少传输端转换器500的成本和占用的尺寸。在一些实施例中， 使用绝缘542的那些元件，即，次级绕组512和交流/直流整流器514可被定位于共同的油 浴中从而有利于由此散热。
[0067]倘若并联的交流/交流转换器506中的一个需要从服务中删除，关联的功率转换 部540通过断开相关联的交流禁用开关550和/或相关联的直流禁用开关并且闭合相关联 的接地开关554来隔离。关联的开关537可以保持闭合，剩下的功率转换部540可以继续 服务。
[0068] 在示范性实施例中，传输端转换器500是模块化系统。具体而言，传输端转换器 500由多个功率转换部分540形成，其中每一部540是一个一体化整体模块。此外，在一些 实施例中，功率转换部540的每个元件是模块化的，使得快速组装和元件更换变得容易。此 外，在其他实施例中，有源交流级502和/或无源交流/直流转换级504各自是独立的一体 化的整体模块，其彼此耦合到接近交流/直流整流器514。此外，在一些实施例中，每个有源 交流级502和/或每个无源交流/直流转换级504各自是独立的一体化的整体子模块，其 彼此耦合到接近交流/直流整流器514,以形成每个功率转换部540。
[0069] 图6是又一可选传输端转换器600的不意图，其可与直流输电系统100 -起使用 (示于图1)，其具有交流/直流整流器614,交流/直流整流器614具有具有短路故障模式 的多个二极管660。传输端转换器600类似于传输端转换器500 (图5中示出），下述说明 例外情况。每个功率转换部640 (示于图6中的四个）是大致相同的，并且不包括位于每个 并联的交流/交流转换器606上游并与其串联的交流禁用开关550 (图5所示）。此外，每 个功率转换部640不包括接地装置552 (图5所示）。相反，为了适应无源交流/直流转换 级604中潜在的短路故障，在不增加传输端转换器600的尺寸和重量的前提下，二极管660 配置成通过能与正向导通正常二极管660相比通过电阻而失效至稳定短路状态来响应于 示范性的与短路相关的预定电流值。另外，交流/直流整流器614通过直流母线662耦合， 直流母线662配置为将交流/直流整流器614串联耦合在直流侧，以方便电流继续流过失 效的二极管660,从而有效地从服务除去受影响的功率转换部640,同时功率转换部640的 剩余部分继续服务。
[0070] 在示范性实施例中，传输端转换器600是模块化系统。具体而言，传输端转换器 600由多个功率转换部640形成，其中每一部640是一个一体化的整体模块。此外，在一些 实施例中，功率转换部640的每个元件是模块化的，使得快速组装和元件更换变得容易。此 外，在其他实施例中，有源交流级602和/或无源交流/直流转换级604各自是独立的一体 化的整体模块，其彼此耦合到接近交流/直流整流器614。此外，在一些实施例中，每个有源 交流级602和/或每个无源交流/直流转换级604各自是独立的一体化的整体子模块，其 彼此耦合到接近交流/直流整流器614,以形成每个功率转换部640。
[0071] 图7是一种无源直流/直流整流器714的一部分的示意图，可与直流输电系统 100 (示于图1) 一起使用。直流/直流整流器714包括多个串联耦合的二极管760。直流/ 直流整流器714还包括至少一个有源可控开关770 (在图7中示出了两个），其与每个二极 管760并联，并且被配置为旁路每个二极管760。开关770为有源半导体开关器件，例如但 不限于，IGBT和晶闸管。二极管760和开关770位于正极端772和负极端774之间。端子 772以及774被耦合到传输电缆114 (示于图1)。可选择地，端子772以及774以任何配置 被耦合到任何传输电缆中，其能够如这里所描述的操作直流/直流整流器714和直流输电 系统100。直流/直流整流器714可以用作直流/直流整流器214、314、414、514和614 (分 别地示于图2-图6)。
[0072] 非埋植型开关770有利于在直流故障的情况（例如，直流输电系统100直流部分 的短路状态）下减少通过埋植型传输电缆114(均示于图1)传输到埋植型接收端转换器 110中的电流。另外，开关770还有利于在电缆110中电容性电荷的放电。这样，一旦这样 的故障条件被感测到，开关770被操作以从正极端772传送电流到负极端774,从而旁路被 反向偏置的二极管760。这种受控操作有利于通过预定的非埋植型部分以至少部分可控的 方式至少部分地耗散在电缆110中存储的能量，而不是以不可控方式通过该故障的未知位 置（如埋植部分）耗散能量。因此，对于系统100中故障位置或其它埋植型部分的损坏的 可能性下降。
[0073] 图8是可选的无源直流/直流整流器814的一部分的示意图，可与直流输电系统 1〇〇 (示于图1) 一起使用。直流/直流整流器814包括多个串联耦合的二极管860。直流/ 直流整流器814还包括多个相互串联的有源可控开关870 (在图8中示出了两个），其与所 有二极管860并联，并且被配置为旁路所有二极管860。开关870为有源半导体开关器件， 例如但不限于，IGBT和晶闸管。二极管860和开关870位于正极端872和负极端874之间。 端子872以及874被耦合到传输电缆114 (示于图1)。可选择地，端子872以及874以任何 配置被耦合到任何传输电缆中，其能够如这里所描述的操作直流/直流整流器814和直流 输电系统100。开关870的操作类似于上面所描述的开关770的操作（示于图7)。直流/ 直流整流器814可以用作直流/直流整流器214、314、414、514和614 (分别地示于图2-图 6) 〇
[0074] 图9是可选的无源直流/直流整流器914的一部分的示意图，可与直流输电系统 1〇〇(示于图1) 一起使用。直流/直流整流器914包括多个二极管960。直流/直流整流 器914还包括多个模块，即，第一模块965、第二模块967和第三模块969。直流/直流整流 器914进一步包括多个有源可控开关970。开关970是有源半导体开关装置，例如但不限 于，IGBT和晶闸管。开关970的操作类似于上面所描述的开关770的操作（示于图7)。直 流/直流整流器914可以用作直流/直流整流器214、314、414、514和614(分别地示于图 2-图 6)。
[0075] 每个开关970在模块965、967和969中以略微不同的配置与每个二极管960并联 耦合。在该示范性实施例中，模块965、967和969在正极端972和负极端974之间串联耦 合。可替代地，使用模块965、967和969的任何配置使得直流/直流整流器914和直流输 电系统100如本文所描述的操作。端子972和974耦合到传输电缆114(图1中示出）。可 选择地，端子972和974以任何配置耦合到任何传输电缆中，其能够如这里所描述的操作直 流/直流整流器914和直流输电系统100。
[0076] 模块965包括二极管/开关结构980,其包括多个串联耦合的二极管/开关子模块 982 (图9中示出了两个）。每个二极管/开关子模块982包括彼此并联耦合的二极管960 和开关970,开关970被配置为旁路二极管960。可替代地，使用任何数量的二极管960和 开关970的任何组合，使得直流/直流整流器914、模块965和直流输电系统100如本文中 所描述的操作。
[0077] 模块967包括二极管/开关配置984,其包括多个串联耦合的二极管/开关子模块 986 (图9中示出了两个）。每个二极管/开关子模块986包括彼此并联耦合的二极管960 和开关970,开关970被配置为芳路二极管960。与子模块982相反，二极管960和开关970 彼此物理交换，同时保持相似的极性和方向。可替代地，可以使用任何数量的二极管960和 开关970中的任何组合，使直流/直流整流器914、模块967和直流输电系统100如本文所 述的操作。
[0078] 模块969包括二极管/开关配置988,其包括串联耦合的二极管/开关子模块982 和986(在图9中各示出一个）的组合。可替代地，使用任何数量的二极管960和开关970 的任何组合，使直流/直流整流器914、模块969和直流输电系统100如本文所述的操作。
[0079] 图10是一种短路设备990的示意图，其可与直流输电系统100 (示于图1) 一起使 用。短路装置990被定位在交流/交流转换器202和升压变压器206之间。类似的配置也 可分别用于交流/交流转换器302、402、502和602以及变压器306、406、506和606。短路 装置990包括至少一个开关992 (只有一个在图10中示出），其常开并在断开位置示出。开 关992是任何开关装置，它使短路装置990和直流输电系统100如本文所述的操作，包括但 不限于，半导体开关装置和机电开关装置。相比于包括多个配置为耦合并短路所有三相A、 B和C的短路装置，短路装置990仅包括一个开关992,其被配置为仅短路两相（相B和C 如示于图10)。因此，短路装置990比三相短路器件更简单更小而且更轻。
[0080] 本文描述的实施例公开了一种直流输电系统，其从交流电源传输电功率到电负 载，例如直流马达。直流输电系统包括传输端转换器，其将交流功率转换为直流功率。具 体地，本文所描述的传输端转换器包括交流级，其包括交流/交流转换器和交流/直流转换 级，其包括通过变压器耦合到交流级的交流/直流整流器，该变压器包括彼此电磁耦合的 初级和次级绕组。这样，传输端转换器被配置为产生电场，包括至少一个相对于时间基本上 恒定的场 分量和至少一个随时间变化的场分量。本文所描述的传输端转换器有利于减少需 要相对于地的高电压直流绝缘的交流/直流转换级元件的数量。具体地，本文中所描述的 直流输电系统包括传输端转换器，有利于减少需要高电压直流绝缘的有源元件的量。
[0081] 此外，本文所描述的传输端转换器内的至少一些元件基本上没有相对于电场基本 恒定分量的绝缘，即，它们基本上没有到地的直流绝缘。更具体地，交流/交流转换器和变 压器的初级绕组相比以相同的传输电压电平操作的直流/直流转换器具有减少的对地的 总绝缘量。所以，与已知的直流/直流转换器相比，交流/交流转换器和变压器在直流绝缘 方面降低了成本和减小了占用的尺寸。另外，有源电压和电流控制装置被定位在传输系统 的交流侧，而只有无源元件被定位在输电系统的直流侧。无源元件比有源元件需要更少的 绝缘，传输端转换器甚至可以更小、更轻。
[0082]另外，本文中所描述的直流输电系统和传输端转换器包括交流/交流转换器，还 控制提供给交流/直流转换级的交流功率的频率。在一个实施例中，交流/交流转换器将频 率提升为高频，例如，从100赫兹（Hz)提升至100千赫，并且更优选100-20千赫之间。在 这样的实施方式中，直流输电系统包括交流级和交流/直流转换级之间的高频变压器，其 以无源方式提升交流功率的电压。高频变压器需要更少的导线并降低了电感损耗，从而使 高频变压器比标准的50赫兹或60赫兹变压器占据更少的空间。
[0083]此外，本公开的传输端转换器还能够通过并联耦合多个功率转换部来微调控制传 输电压。在一个实施例中，交流级包括多个并联的交流/交流转换器。在另一个实施例中， 交流级包括一个交流/交流转换器和并联操作的至少一个电开关。接通时，电开关提供传 输电压大的变化，而交流/交流转换器提供传输电压的精细控制。在每个实施例中，交流级 的一部分基本上没有到地的直流绝缘。
[0084]此外，本文中所描述的传输端转换器的一些实施例有利于使得转换器的部分停止 服务，而经由隔离开关、接地开关和失效至稳定短路状态的二极管而使得大部分设备保持 服务。
[0085]本文中所描述的方法、系统和装置的示范性技术效果包括下列中的至少一者：(a) 减少传输端转换器所使用的对地的直流绝缘量；(b)减少传输端转换器的物理占用空间； (c)使用有源交流级提供传输端转换器的传输电压的精细和粗调控制；和（d)提供从服务 中移除传输端转换器的一部分的机制，同时保持了转换器其余部分的服务。
[0086] 在上面详细描述了直流传输系统和传输端转换器的示范性实施例。传输端转换器 及其操作和制造方法不局限于本文描述的具体实施例，而是，系统的元件和/或方法的步 骤可独立地及分开地从本文所描述的其它构件和/或步骤来使用。
[0087]虽然各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出，而没有示于其他附图，这仅 是为了方便。附图的任何特征可以结合任何其它附图的任何特征来参考和/或要求保护。 [0088] 本书面描述使用示例来描述本公开的实施例，包括最佳模式，并且还使任何本领 域技术人员能够实践本文所描述的系统和方法，包括制造和使用任何装置或系统，以及执 行在任何结合的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可包括对于本领域技术人 员来说可能发生的其他实施例。这些其他示例如果它们具有不与权利要求的字面语言不同 的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效的结构元件则旨 在处于权利要求的范围内。
[0089] 以下是本公开的其他示例。
[0090] 示例1提供了配置成产生电场的直流0)0输电系统（100)，该电场包括至少一种 相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量，所述直流输电系统包括：交 流（AC)级（202 ;302 ;402 ;502 ;602)，被配置成接收交流电功率，所述交流级包括：变压器 (208 ;308 ;408 ;508 ;608)，其包括配置成彼此电磁耦合并且彼此电隔离的初级绕组（210; 310 ;410 ;510 ;610)和次级绕组（212 ;312 ;412 ;512 ;612);以及交流 / 交流转换器（206; 306 ;406 ;506 ;606)，其针对电场的至少一个基本上恒定分量基本没有绝缘特征并且被电 耦合到所述初级绕组的至少一个初级绕组；以及交流/直流转换级（204 ;304 ;404 ;504; 604)，位于所述交流级的下游，所述交流/直流转换级包括交流/直流整流器（214 ;314 ; 414 ;514 ;614)，配置成将交流电功率转换为直流电功率而无需外部控制，所述交流/直流 整流器耦合到所述次级绕组的所述至少一个次级绕组。
[0091]示例2提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述交流/交流转换器 (506)和所述交流/直流整流器（514)至少部分地形成功率转换部（540)，所述功率变换部 包括至少一个禁用装置（550 ;554)，配置为选择性地禁用所述功率转换部的至少一部分。
[0092] 示例3提供了根据示例2的直流输电系统（100)，其中，所述至少一个禁用装置 (550 ;554)包括以下至少一个：与所述至少一个交流/交流转换器（506)串联耦合的禁用 开关（550);和与所述至少一个交流/交流转换器耦合的接地开关（554)。
[0093] 示例4提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述至少一个交流/直流 转换级（204 ;304 ;404 ;504 ;604)还包括可控开关（770 ;870 ;970)，其有利于电流从具有正 极性的端子（772 ;872 ;972)传输到具有负极性的端子（774 ;874 ;974)。
[0094]示例5提供了根据示例4的直流输电系统（100)，其中，所述可控开关（770 ;870; 970)包括晶闸管。
[0095] 示例6提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述交流电功率从具有交 流电网频率的交流电网传输，所述交流/交流转换器（206 ;306 ;406 ;506 ;606)被配置为增 加来自交流电网的交流电功率的频率。
[0096]示例7提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，交流电功率从具有交流电 网频率的交流电网传输，所述变压器（208 ;308 ;408 ;508 ;608)配置为在不同于交流电网 频率的基频下操作。
[0097] 示例8提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述交流/交流转换器 (206 ;306 ;406 ;506 ;606)包括多个并联的交流/交流转换器。
[0098] 示例9提供了根据示例8的直流输电系统（100)，其中，所述交流/直流整流器 (214 ;314 ;414 ;514 ;614)包括位于所述多个并联的交流/交流转换器（206 ;306 ;406; 506 ;606)下游的多个并联的交流/直流整流器。
[0099]示例10提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述交流级（402)还包括 与所述交流/交流转换器（406)并联耦合的开关（444)，其中，所述开关被选择性地控制以 进行以下至少其中之一：增加和降低所述交流级的传输电压电平。
[0100] 示例11提供了根据示例10的直流输电系统（100)，其中，所述开关（444)有利于 传输电压的粗调控制并且所述交流/交流转换器（406)有利于传输电压的精细控制。
[0101] 示例12提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述交流/直流转换级 (204 ;304 ;404)还包括位于所述交流/直流整流器（214 ;314 ;414)下游的滤波元件（216; 316 ;416)，所述滤波元件配置成有利于减小直流电功率上的直流纹波和交流谐波中的至少 一个。
[0102] 示例13提供了根据示例1的直流输电系统（100)，其中，所述交流/直流整流器 (614)包括构造为获得稳定短路状态的二极管（660)。
[0103] 示例14提供了一种用于直流输电系统（100)的传输端转换器（106 ;200 ;300; 400 ;500 ;600)，所述传输端转换器配置为产生电场，该电场包括至少一个相对于时间基本 恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量，所述传输端转换器包括：交流（AC)级（202 ; 302 ;402 ;502 ;602)，被配置成接收交流电功率，所述交流级包括：变压器（208 ;308 ;408 ; 508 ;608)，其包括配置成彼此电磁耦合并且彼此电隔离的初级绕组（210 ;310 ;410 ;510; 610)和次级绕组（212 ;312 ;412 ;512 ;612);以及交流 / 交流转换器（206 ;306 ;406 ;506 ; 606)，其针对电场的至少一个基本恒定的分量基本没有绝缘特征并且被电耦合到所述初级 绕组的至少一个初级绕组；以及交流/直流转换级（204 ;304 ;404 ;504 ;604)，位于所述交 流级的下游，所述交流/直流转换级包括交流/直流整流器（214 ;314 ;414 ;514 ;614)，配置 成将交流电功率转换为直流电功率而无需外部控制，所述交流/直流整流器耦合到所述次 级绕组的至少一个次级绕组。
[0104] 示例2-1提供了一种直流（DC)输电系统，其配置为产生电场，该电场包括至少一 个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量，所述直流输电系统包括： 交流（AC)级，被配置成接收交流电功率，所述交流级包括：变压器，其包括配置成彼此电磁 耦合并且彼此电隔离的初级绕组和次级绕组；以及交流/交流转换器，其针对电场的至少 一个基本恒定的分量基本没有绝缘特征并且被电耦合到所述初级绕组的至少一个初级绕 组；以及交流/直流转换级，位于所述交流级的下游，所述交流/直流转换级包括交流/直 流整流器，配置成将交流电功率转换为直流电功率而无需外部控制，所述交流/直流整流 器耦合到所述次级绕组的至少一个次级绕组。
[0105] 示例2-2提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，所述交流/交流转换器和 所述交流/直流整流器至少部分地形成功率转换部，所述功率转换部包括至少一个禁用装 置，配置为选择性地禁用所述功率转换部的至少一部分。
[0106] 示例2-3提供了根据示例2-2的直流输电系统，其中，所述至少一个禁用装置包括 以下的至少一个：与所述至少一个交流/交流转换器串联耦合的禁用开关；和与所述至少 一个交流/交流转换器耦合的接地开关。
[0107] 示例2-4提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，所述至少一个交流/直流转 换级还包括可控开关，其有利于电流从具有正极性的端子传输到具有负极性的端子。
[0108] 示例2-5提供了根据示例2-4的直流输电系统，其中，所述可控开关包括晶闸管。
[0109] 示例2-6提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，交流电功率从具有交流电网 频率的交流电网传输，所述交流/交流转换器被配置为增加来自交流电网的交流电功率的 频率。
[0110] 示例2-7提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，所述交流电功率从具有交流 电网频率的交流电网传输，所述变压器被配置为在不同于交流电网频率的基频下操作。
[0111] 示例2-8提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中所述交流/交流转换器包括 多个并联的交流/交流转换器。
[0112] 示例2-9提供了根据示例2-8的直流输电系统，其中，所述交流/直流整流器包括 位于所述多个并联的交流/交流转换器下游的多个并联的交流/直流整流器。
[0113] 示例2-10提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，所述交流级还包括与所述 交流/交流转换器并联耦合的开关，其中，所述开关被选择性地控制以进行如下至少其中 之一：增加和降低所述交流级的传输电压电平。
[0114] 示例2-11提供了根据示例2-10的直流输电系统，其中，所述开关有利于传输电压 的粗调控制并且所述交流/交流转换器有利于传输电压的精细控制。
[0115] 示例2-12提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，所述交流/直流转换级还 包括位于所述交流/直流整流器下游的滤波元件，所述滤波元件配置成有利于减小直流电 功率上的直流纹波和交流谐波中的至少一个。
[0116] 示例2-13提供了根据示例2-1的直流输电系统，其中，所述交流/直流整流器包 括配置成获得稳定短路状态的二极管。
[0117] 示例2-14提供了一种用于直流输电系统的传输端转换器，所述传输端转换器配 置为产生电场，该电场包括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化 的分量，所述传输端转换器包括：交流（AC)级，被配置成接收交流电功率，所述交流级包 括：变压器，其包括配置成彼此电磁耦合并且彼此电隔离的初级绕组和次级绕组；以及交 流/交流转换器，其针对电场的至少一个基本恒定的分量基本没有绝缘特征并且被电耦合 到所述初级绕组的至少一个初级绕组；以及交流/直流转换级，位于所述交流级的下游，所 述交流/直流转换级包括交流/直流整流器，配置成将交流电功率转换为直流电功率而无 需外部控制，所述交流/直流整流器耦合到所述次级绕组的至少一个次级绕组。
[0118] 示例2-15提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流/交流转换器和 所述交流/直流整流器至少部分地形成功率转换部，所述功率变换部包括禁用装置，配置 为选择性地禁用所述功率转换部的至少一部分。
[0119] 示例2-16提供了根据示例2-15的传输端转换器，其中，所述禁用装置包括以下的 至少一个：与所述交流/交流转换器串联耦合的禁用开关；和与所述交流/交流转换器耦 合的接地开关。
[0120] 示例2-17提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流/直流转换级还 包括可控开关，其有利于电流从具有正极性的端子传输到具有负极性的端子。
[0121] 示例2-18提供了根据示例2-17的传输端转换器，其中，所述可控开关包括晶闸 管。
[0122] 示例2-19提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，交流电功率从具有交流电 网频率的交流电网传输，所述交流/交流转换器被配置为增加来自交流电网的交流电功率 的频率。
[0123] 示例2-20提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流电功率从具有交 流电网频率的交流电网传输，所述变压器被配置为在不同于交流电网频率的基频下操作。
[0124] 示例2-21提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流/交流转换器包 括多个并联的交流/交流转换器。
[0125] 示例2-22提供了根据示例2-21的传输端转换器，其中，所述交流/直流整流器包 括位于所述多个并联的交流/交流转换器下游的多个并联的交流/直流整流器。
[0126] 示例2-23提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流级还包括与所述 交流/交流转换器并联耦合的开关，其中，所述开关被选择性地控制以进行以下至少其中 之一：增加和降低所述交流级的传输电压电平。
[0127] 示例2-24提供了根据示例2-23的传输端转换器，其中，所述开关有利于传输电压 的粗调控制并且所述交流/交流转换器有利于传输电压的精细控制。
[0128] 示例2-25提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流/直流转换级还 包括位于所述交流/直流整流器下游的滤波元件，所述滤波元件配置成有利于减小直流电 功率上的直流纹波和交流谐波中的至少一个。
[0129] 示例2-26提供了根据示例2-14的传输端转换器，其中，所述交流/直流整流器包 括配置成获得稳定短路状态的二极管。
[0130] 示例2-27提供了一种组装传输端转换器的方法，该传输端转换器配置为接收交 流（AC)电功率，并将交流电功率转换成直流（DC)电功率，传输端转换器还配置为产生电 场，该电场包括至少一个相对于时间基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量，所 述方法包括：将交流/交流转换器电耦合到变压器的多个初级绕组的至少一个初级绕组， 从而至少部分地形成交流级，其中交流/交流转换器与初级绕组针对电场的至少一个基本 恒定的分量基本没有绝缘特征；将变压器的次级绕组与初级绕组电磁耦合；并且将交流/ 直流整流器电耦合到次级绕组的至少一个次级绕组，由此至少部分地形成交流/直流转换 级，其中，交流/直流整流器位于变压器的下游。
[0131] 直流输电系统和组装该系统的方法
[0132] _u I〇〇」
[0134] CN104882912A 说明书 19/21 页
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【主权项】
1. 一种直流（DC)输电系统（100)，配置为产生电场，该电场包括至少一个相对于时间 基本恒定的分量以及至少一个随时间变化的分量，所述直流输电系统包括： 交流（AC)级（202 ;302 ;402 ;502 ;602)，被配置成接收交流电功率，所述交流级包括： 变压器（208 ;308 ;408 ;508 ;608)，其包括配置成彼此电磁耦合并且彼此电隔离的初级 绕组（210 ;310 ;410 ;510 ;610)和次级绕组（212 ;312 ;412 ;512 ;612);以及 交流/交流转换器（206 ;306 ;406 ;506 ;606)，其针对电场的所述至少一个基本恒定的 分量基本没有绝缘特征并且被电耦合到所述初级绕组的至少一个初级绕组；以及 交流/直流转换级（204 ;304 ;404 ;504 ;604)，位于所述交流级的下游，所述交流/直 流转换级包括交流/直流整流器（214 ;314 ;414 ;514 ;614)，配置成将交流电功率转换为直 流电功率而无需外部控制，所述交流/直流整流器耦合到所述次级绕组的至少一个次级绕 组。2. 根据权利要求1所述的直流输电系统（100)，其中，所述交流/交流转换器（506)和 所述交流/直流整流器（514)至少部分地形成功率转换部（540)，所述功率转换部包括至少 一个禁用装置（550 ;554)，配置为选择性地禁用所述功率转换部的至少一部分。3. 根据权利要求2所述的直流输电系统（100)，其中，所述至少一个禁用装置（550 ; 554)包括以下至少其中之一： 与所述至少一个交流/交流转换器（506)串联耦合的禁用开关（550);以及 与所述至少一个交流/交流转换器耦合的接地开关（554)。4. 根据权利要求1所述的直流输电系统（100)，其中，所述至少一个交流/直流转换级 (204 ;304 ;404 ;504 ;604)还包括可控开关（770 ;870 ;970)，其有利于电流从具有正极性的 端子（772 ;872 ;972)传输到具有负极性的端子（774 ;874 ;974)。5. 根据权利要求4所述的直流输电系统（100)，其中，所述可控开关（770 ;870 ;970)包 括晶闸管。6. 根据权利要求1所述的直流输电系统（100)，其中，所述交流电功率从具有交流电网 频率的交流电网传输，所述交流/交流转换器（206 ;306 ;406 ;506 ;606)被配置为增加来自 交流电网的交流电功率的频率。7. 根据权利要求1所述的直流输电系统（100)，其中，交流电功率从具有交流电网频率 的交流电网传输，所述变压器（208 ;308 ;408 ;508 ;608)配置为在不同于交流电网频率的 基频下操作。8. 根据权利要求1所述的直流输电系统（100)，其中，所述交流/交流转换器（206 ; 306 ;406 ;506 ;606)包括多个并联的交流/交流转换器。9. 根据权利要求8所述的直流输电系统（100)，其中，所述交流/直流整流器（214; 314 ;414 ;514 ;614)包括位于所述多个并联的交流/交流转换器（206 ;306 ;406 ;506 ;606) 下游的多个并联的交流/直流整流器。10. 根据权利要求1所述的直流输电系统（100)，其中，所述交流级（402)还包括与所 述交流/交流转换器（406)并联耦合的开关（444)，其中，所述开关被选择性地控制以进行 以下至少其中之一：增加和降低所述交流级的传输电压电平。
【专利摘要】本公开涉及直流输电系统和组装该系统的方法。一种直流输电系统，其配置为产生电场，该电场包括相对于时间基本恒定的分量以及随时间变化的分量。直流输电系统包括交流级，被配置成接收交流电功率。交流级包括变压器，其包括配置成彼此电磁耦合并且彼此电隔离的初级绕组和次级绕组。交流级还包括交流/交流转换器，其针对电场的该至少一个基本恒定的分量基本没有绝缘特征。交流/交流转换器电耦合到初级绕组。直流输电系统还包括交流/直流转换级，位于交流级的下游。交流/直流转换级包括交流/直流整流器，配置成将交流电功率转换为直流电功率而无需外部控制。交流/直流整流器耦合到次级绕组。
【IPC分类】H02J5/00
【公开号】CN104882912
【申请号】CN201510149469
【发明人】P·T·B·维杰库恩, C·M·西勒, S·施勒德, 沈捷, P·滕卡
【申请人】通用电气公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年2月27日
【公告号】CA2881664A1, EP2913905A1, US20150249402