CN102484430A - 直流输电***中的故障电流限制 - Google Patents

直流输电***中的故障电流限制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于限制直流输电***20中的电流的方法、电压源换流器和计算机程序产品。该电压源换流器12具有AC侧和DC侧以及位于这些侧之间的故障电流通路。此外，它还包括控制单元34和至少一个设置在故障电流通路中并且包括初级开关元件和反并联次级可控整流元件的第一种开关单元。基于在DC电力***检测到的故障，当换流器的初级开关元件被阻断时，该控制单元将可控整流元件的控制从用作非可控整流改变为用作可控整流元件。

Description

直流输电***中的故障电流限制
技术领域
本发明总体涉及电压源换流器。更具体地，本发明涉及一种用于限制直流输电***中的电流的方法、电压源换流器和计算机程序产品。
背景技术
在各种情况下，例如，当通过长距离输送电力时，考虑采用直流(DC)输电***。
在此，可以提供一种通过一个或更多个电压源换流器作为电网连接到一个或更多个交流电(AC)***或者AC电网的DC输电***。
在此，DC***可以以几种不同方式连接到AC***。例如，DC***可以经由一个电压源换流器和变压器连接，以使得在DC侧不存在接地。还可以利用在正DC电位与地之间以及负DC电位与地之间分别连接在DC侧的单独电压源换流器，将DC***连接到AC***。在第一种情况下，当存在极-极故障时，AC侧发生故障电流，而在第二种情况下，当存在极-地故障时，AC侧发生故障电流。如果变压器的两侧均接地，或者如果没有使用变压器，则第一种情况也会导致极-地故障的故障电流。大型DC电网的一个问题涉及故障部件的选择性断开。如果存在例如“大型”双极DC电网，则如果发生极-地故障，则在电网上的各个位置处该极上的电压都将严重降低，这是因为与相应AC电网中的网络阻抗相比，DC电网的电阻小。因此，只要不断开该故障，就根本不能在该极上输送电能。为了将对周围AC电网和所连接的端用户的影响最小化，重要的是迅速断开该故障。此外，为了在故障之后的时段内有同样可用的输电能力，重要的是仅断开设备的故障件。这些问题在极-极故障中也存在。
然而，难以中断大DC电流，当移除DC输电***中的故障时，这可能是需要的。此外，连接到这种DC输电***的电压源换流器越多，则该问题就越严重。因此，需要对这种情况进行改善。
简化故障移除的一种方式是通过降低故障电流，因此，该移除可以包括断开DC输电***中的连接。
可以以多种方式执行DC电流的限制。
JP 11027853例如描述了一种包括连接到DC电力线的二极管的整流器。该整流器由晶闸管构成。二极管用于测量通过DC电力线的电流，而晶闸管被控制用于限制该电流。
在“A Novel Solid State Fault Current Limiter for DC PowerDistribution”，Applied Power Electronics Conference and Exposition，APEC 2008 by LUO，et al中，描述了一种故障电流限制器。该故障电流限制器与DC电力线串联设置，并且包括与晶体管比如绝缘栅双极晶体管(IGBT)并联的晶闸管。还有电容器。在工作中，发生故障时晶闸管断开而晶体管导通。这样使得流过晶体管和电容器的电流逐步升高，而流过晶闸管的电流逐步降低到0，从而可靠地断开晶闸管。一旦晶闸管被可靠地断开，晶体管就导通和断开，用于控制故障电流。
JP 04138063描述了一种桥式整流器电路，其一个支路上具有晶闸管，而另一个支路上具有开关。
US 6624993描述了一种用于直流电路的故障电流限制***。在此，二极管与传输线串联设置。如果故障电流超过来自电流源的将二极管偏压到断开的电流，则二极管将停止导通，并使故障电流通过电流源和电感器。
然而，利用电压源换流器降低故障电流受到关注。电压源换流器是基于开关单元的换流器，其中开关单元是初级开关元件与反并联次级整流元件的组合。
发明内容
本发明涉及通过控制电压源换流器中的开关单元来减小故障电流。
本发明的一个目的是提供一种利用电压源换流器的开关单元限制DC输电网络中的故障电流的方法。
该目的基于本发明的第一方面，通过一种用于使用电压源换流器限制DC输电***中的电流的方法实现，该电压源换流器包括位于换流器的AC侧与DC侧之间的故障电流通路，该故障电流通路包括至少一个第一种开关单元，其中每个第一种开关单元包括初级开关元件和反并联次级可控整流元件，该方法包括步骤：
-阻断该换流器的初级开关元件，
-检测该DC电力***中的故障，
-将该故障电流通路中的可控整流元件的控制从第一控制模式改变为第二控制模式，该第一控制模式用于控制可控整流元件用作非可控整流元件，而该第二控制模式用于控制可控整流元件用作可控整流元件，以及
-根据该第二控制模式，控制该故障电流通路的可控整流元件，以限制换流器的DC侧的电流。
本发明的另一个目的是提供一种用于限制DC输电网络中的故障电流的电压源换流器，该换流器利用其自己的开关单元用于该故障电流限制。
该目的基于本发明的第二方面，通过用于限制DC输电***中的电流的电压源换流器实现，该电压源换流器设置有AC侧和DC侧并且在该AC侧和该DC侧之间具有故障电流通路，该电压源换流器包括：
-至少一个第一种开关单元，设置在该故障电流通路中，其中每个第一种开关单元包括初级开关元件和反并联次级可控整流元件，以及
-控制单元，被配置为：基于当所述换流器的所述初级开关元件被阻断时，在直流电力***中检测到的故障(F_DTC)：
-将可控整流元件的控制从第一控制模式改变为第二控制模式，该第一控制模式用于控制可控整流元件用作非可控整流元件，而第二控制模式用于控制可控整流元件用作可控整流元件，以及
-根据该第二控制模式，控制故障电流通路上的可控整流元件，以限制换流器的DC侧的电流。
本发明的另一个目的是提供一种用于限制DC输电网络中的故障电流的计算机程序产品，它将电压源换流器的开关单元用于故障电流限制。
该目的基于本发明的第三方面，通过利用电压源换流器来限制DC输电***中的电流的计算机程序产品实现，所述电压源换流器包括位于换流器的AC侧与DC侧之间的故障电流通路，该故障电流通路包括至少一个第一种开关单元，其中每个第一种开关单元包括初级开关元件和反并联次级可控整流元件。该计算机程序加载到电压源换流器的控制单元内并且包括计算机程序代码装置，当程序被加载到控制单元中时使控制单元：基于当该换流器的初级开关元件被阻断时在DC输电***检测到的故障，将可控整流元件的控制从第一控制模式改变为第二控制模式，该第一控制模式用于控制可控整流元件用作非可控整流元件，而该第二控制模式用于控制可控整流元件用作可控整流元件；以及根据第二控制模式，控制故障电流通路的可控整流元件，以限制该换流器的DC侧的电流。
本发明具有多个优点。它限制DC输电***中的故障电流，简化了故障的移除。这样使得可以较简单并且较经济地实现断路器。由于在电压源换流器的次级整流元件中进行了电流限制，所以在DC输电***中未设置附加电流限制元件。这样可以在不显著限制正常工作的DC输电***的效率的情况下，实现电流限制。还可以在不附加元件的情况下，提供电流限制功能块，而相同的电压源换流器元件可以用于电压变换和电流限制。
根据第二控制模式控制该可控整流元件可以包括利用预定控制信号控制元件。它还可以基于该换流器的DC侧的电流的检测，并且根据该检测电流控制该故障电流通路的可控整流元件。
根据第二控制模式控制故障电流通路的可控整流元件可以包括将换流器的DC侧的平均电流控制到设置的电流限制值。
检测该DC电力***中的故障可以包括：将电压源换流器的DC侧的至少一个电力分量的至少一个特性与至少一个电力分量阈值进行比较；以及在该电力分量的特性超过该阈值的情况下，确定存在故障。在此，电力分量可以是电压，并且特性可以是该电压的电平，而相应的电力分量阈值可以是第一电压电平基准。在这种情况下，基于如果该电压降低到低于第一电压电平基准，则确定存在故障。对于该电力分量，所使用的另一个特性可以是变化率，并且相应电力分量阈值则是电压变化率阈值。在这种情况下，基于如果该电压的变化率降低到低于该电压变化率阈值，则确定存在故障。另一个电力分量可以是电流，并且特性可以是该电流的水平，其中相应的电力分量阈值是电流水平阈值。在这种情况下，基于如果该电流升高到高于该电流水平阈值，则确定存在故障。还可以用于该电力分量的另一个特性是电流的变化率，其中相应的阈值是电流变化率阈值。在这种情况下，基于如果该电流的变化率升高到高于该电流变化率阈值，则确定存在故障。
根据本发明，还可以检测故障的移除，并且基于检测到的故障的移除恢复根据第一控制模式对故障电流通路中的可控整流元件的控制。故障的移除的检测可以包括将DC侧的平均电压与第二电压基准进行比较，并且在该平均电压升高到高于该第二电压基准的情况下，确定故障已经被移除。
第二控制模式下的控制可以包括可控整流元件的相角控制。在该控制中，可以控制可控整流元件，以提供换流器的DC侧的电流的过零点。在相角控制中，这可以在大约90度的相角处获得。这样甚至更简化了DC断路器的设计。
第一种开关单元可以是电压源换流器组件的一部分，所述电压源换流器组件包括能量存储元件和第二种开关单元并且包括初级开关元件和反并联次级非可控整流元件，其中开关单元互相串联，并且这些串联连接的开关单元与能量存储元件并联连接。
附图说明
下面将参照附图描述本发明，其中
图1示意性地示出了通过四个电压源换流器连接到AC电力线的DC输电***；
图2示意性地示出了具有多个分别设置了由控制单元控制的开关装置的相支路形式的并联分支的第一种电压源换流器；
图3示意性地示出了其中相支路设置有多个电压源换流器组件的第二种电压源换流器；
图4示意性地示出了第一种电压源换流器组件的结构；
图5示意性地示出了第二种电压源换流器组件的结构；
图6示意性地示出了多个沿位于使用第二种组件的基于组件的电压源换流器的AC侧与DC侧之间的故障电流通路连接的电压源换流器组件；
图7示出概括控制单元的晶闸管控制部分的示意框图；
图8示意性地示出了包括用于限制DC输电***中的电流并且在电压源换流器中执行的方法中的多个方法步骤的流程图；以及
图9示意性地示出了在发生故障时DC侧的第一电压源换流器的平均电流和平均电压。
具体实施方式
下面将给出本发明的优选实施例的详细描述。
图1示出了通过电压源换流器12、14、16和18连接到四条不同交流(AC)电力线的简化直流(DC)输电***20的单线图。有利的是，输电***可以是高压直流(HVDC)***。在此，存在第一电压源换流器12，其AC侧连接到第一AC电力线13，而其DC侧连接到第一DC电力线22与第二DC电力线24之间的第一接合点23。还存在第二电压源换流器14，其AC侧连接到第二AC电力线15，而其DC侧连接到第二DC电力线24与第三DC电力线26之间的第二接合点25。还存在第三电压源换流器16，其AC侧连接到第三AC电力线17，而其DC侧连接到第一DC电力线22与第四DC电力线28之间的第三接合点27。此外，存在第四电压源换流器18，其AC侧连接到第四AC电力线19，而其DC侧连接到第三DC电力线26与第四DC电力线28之间的第四接合点29。在此，AC电力线13、15、17和19可以设置在不同的AC输电***和/或者配电***中。DC输电***20还可称为DC电网。此外，在第一电力线22上在第一接合点23处设置了第一断路器30，还在DC输电***20的第一电力线22上在第三接合点27处设置了第二断路器32。最后，图1示出了第一电压源换流器12将DC电流iDC和DC电压uDC提供给DC输电网10。在此，第一和第二断路器30和32与第一、第二、第三和第四DC电力线22、24、26和28一起形成DC输电***20，而电压源换流器12、14、16和18是AC输电线13、15、17和19与DC输电***20之间的接口。
在此，应当明白，DC输电***可以更复杂，并且包括若干更多的DC电力线。它也可以包括较少的电力线，例如，一条。此外，应当明白，在DC***中可以存在若干更多的断路器。为了简化本发明的描述，图1中仅示出两个。也可以有更多或者更少的电压源换流器接合在DC输电***中。
图2示出了概括说明第一种电压源换流器12的示例的示意框图。在此，电压源换流器12包括一组为了连接到DC输电***而并联连接在两个DC端DC+和DC-之间的相支路形式的分支。在这里给出的示例中，存在3个这种分支或者相支路PL1、PL2、PL3，从而能够连接到三相AC输电***。然而，应当明白，作为替选，可以存在例如仅两个相支路。各个相支路PL1、PL2、PL3可以具有第一端点和第二端点。在图2所示的类型的换流器中，所有相支路PL1、PL2和PL3的第一端点都连接到第一DC端DC+，而第二端点均连接到第二DC端DC-。每个相支路分别包括下半部相支路和上半部相支路，并且在各半支路相遇的接合点，设置了三相连接点AC1、AC2和AC3。在此，三相连接点AC1、AC2、AC3分别通过相应电感器LAC1、LAC2、LAC3连接到相应相支路。每个半支路包括由控制单元34控制的开关装置SW1A、SW2A、SW1B、SW2B、SW1C、SW2C。最后，还存在与相支路并联连接的电容器C1。
可以以初级开关元件和反并联次级整流元件的一个或者更多个串联连接的组合的形式，分别设置该开关装置，其中开关元件可以是例如IGBT晶体管。在此，将初级开关元件和反并联次级整流元件的每个这种组合称为开关单元。
控制单元34控制开关装置的开关元件，用于将AC电变换为DC电，反之亦然。
在此，两个DC端DC+和DC-构成电压源换流器12的DC侧，而AC端AC1、AC2和AC3构成电压源换流器的AC侧。
在此，举例说明的换流器12可以在两个电力方向上工作。控制通常包括由控制单元34例如利用三角形锯齿波作为基准信号基于PWM调制以已知方式产生控制信号，并且将这些控制信号提供给开关装置SW1A、SW1B、SW1C、SW2A、SW2B和SW2C。控制单元34还具有DC故障电流限制功能，这将在后面描述。
根据本发明的另一种变型，可以以互相串联连接的电压源换流器组件的形式实现电压源换流器。这通过图3例示，它示出了第二种电压源换流器12，其中图1中的电压源换流器的每个相支路的开关装置已经由多个或者一串电压源换流器组件代替。因此，第二种电压源换流器是基于组件的电压源换流器。还应当注意，移除了两个DC端DC+和DC-之间的电容器。
在本示例中，在每个半相支路中有3个组件。因此，第一相支路PL1的上半部包括三个组件CA1、CA2和CA3，而第一相支路PL1的下半部包括三个组件CA4、CA5和CA6。以同样的方式，第二相支路PL2的上半部包括三个组件CB1、CB2和CB3，而第二相支路PL2的下半部包括三个组件CB4、CB5和CB6。最后，第三相支路PL3的上半部包括三个组件CC1、CC2和CC3，而第三相支路PL3的下半部包括三个组件CC4、CC5和CC6。在此，数量仅是为了举例说明本发明的原理而选择的。通常，优选地在每个相支路上具有更多个组件，特别是在HVDC应用中。
图4示意性地示出了可以用于第二种电压源换流器的第一种换流器组件CCA。组件CCA是半桥式换流器组件，并且包括此处为电容器C形式的能量存储元件，它与第一组开关单元并联连接。第一组中的开关单元互相串联连接。在此，第一组包括第一开关单元SU1和第二开关单元SU2(如虚线框所示)，其中分别以可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)的初级开关元件与反并联次级整流元件一起的方式实现每个开关单元SU1、SU2。第一开关单元SU1是第一种，而该开关元件是第一晶体管T，并且在此是IGBT，而整流元件是可控整流元件，并且在此是晶闸管TH。初级开关元件还可以有阻止负电压的能力。因此，晶体管可以有经受施加在集电极与发射极之间的负电压的能力。这可以通过对晶体管提供固有负电压阻断能力或者通过使晶体管与二极管串联来实现。在此，第二开关单元SU2是第二种，其中，开关元件是同一种类型的，并且在此是第二晶体管T2，而整流元件是非可控整流元件，在此是二极管D。在图4中，第二开关单元SU2的二极管D在该图中是向上的，它向着电容器C，并且并联连接在第二晶体管T2的发射极与集电极之间。第二开关单元SU2与第一开关单元SU1串联，并且之后是第一开关单元SU1，第一开关单元SU1具有与二极管的方向相同的晶闸管TH，并且晶闸管TH与第一晶体管T1并联连接。
该组件具有第一连接端TE1A和第二连接端TE2A，它们分别提供该组件到电压源换流器的相支路的连接。在该第一种组件中，更具体地，第一连接端TE1A提供从相支路到第一开关单元SU1与第二开关单元SU2之间的接合点的连接，而第二连接端TE2A提供从相支路到第一开关单元SU1与电容器C之间的接合点的连接。因此，这些连接端TE1A和TE2A提供该组件可以连接到相支路的点。因此，第一连接端TE1A的连接使相支路与第一组的两个串联连接的开关单元、在此为第一开关单元SU1和第二开关单元SU2之间的连接点或者接合点接合，而第二连接端TE2A的连接使相支路与第一组的串联连接的开关单元和能量存储元件之间的连接点、在此为第一开关单元SU1和电容器C之间的连接点接合。
通过在相支路中以互相级联或者串联的方式连接适当数量的这种组件，可以获得第二种电压源换流器。例如通过经由电感器将第一组件的第一连接端连接到第一DC端、将第二组件的第一连接端连接到第一组件的第二连接端、将第三组件的第一连接端连接到第二组件的第二连接端、将第四组件的第一连接端连接到第三组件的第二连接端、将第五组件的第一连接端连接到第四组件的第二连接端、将第六组件的第一连接端连接到第五组件的第二连接端、以及将第六组件的第二端通过电感器连接到第二DC端，可以获得例如图3所示的相支路。
图5示意性地示出了与第一种具有相同类型的部件并且以相同方式互连的第二种半桥式换流器组件CCB。然而，在此，第二开关单元SU2在第一开关单元SU1之后。此外，在该第二种组件CCB中，存在：连接端TE2B，即第二连接端，它提供分支与第一开关单元SU1和第二开关单元SU2之间的连接点之间的连接；以及连接端，即第一连接端TE1B，它提供分支与第一开关单元SU1和电容器C之间的接合点之间的连接。
此外，在此，还应当明白，可以在AC***与DC***中的接合点之间成对连接两个电压源换流器，该电压源换流器是图2和3所示的第一种或者是第二种。这种换流器对的第一换流器的第一DC端将连接到正DC电位，而第二DC端将连接到地。该换流器对的第二换流器的第一DC端将连接到地，而第二DC端将连接到负DC电位。
根据本发明的原理，第一种电压源换流器至少在上半部相支路上设置了由第一种开关单元构成的开关装置，而第二种电压源换流器至少在上半部相支路中包括第一种或者第二种组件，即，也包括该第一种开关单元。这意味着，在两种情况下，开关单元包括存在初级开关元件和反并联次级可控元件的单元。可以对采用大电流和电压的高压DC应用设置根据本发明的电压源换流器。在HVDC***中，在DC输电***中，例如在图1所示的第一电力线上可能发生故障。这种DC故障在DC输电***中难以处理。难以处理它们的一个原因是在发生故障的情况下电流可能变得非常高。另一个问题是该***是DC输电***，其中电流是DC电流。这使得断开电力线成为相当复杂的事情。
本发明意在解决这些问题。
提供电压源换流器的常规方式是，提供所有开关单元设置作为开关元件和非可控整流元件对，即，晶体管和二极管组合。如果情况是这样，则当发生DC故障时，流过电压源换流器的电流将升高，并且晶体管被阻断，以避免热损伤。如果相支路仅由晶体管-二极管对构成，则该换流器将相当于二极管桥，即，故障电流不受控制(在主动意义上)。
本发明基于的想法是，用可控整流元件、在这种情况下用晶闸管，替换故障电流承载通路上出现的开关单元的非可控整流元件，即二极管。在此，故障电流通路是故障电流通过电压源换流器采取的通路。在此，可以存在：该通路的电流输送部分，电流通过该部分输送到DC输电***；和返回部分，电流通过该部分返回。应当明白，在此，可以仅在输送部分执行该替换。然而，也可以在返回部分执行该替换。
当电压源换流器是诸如图2所示换流器的传统电压源换流器时，这是直观的，包括用晶闸管替换相支路的至少一个半部上的所有二极管。
然而，当采用基于组件的电压源换流器时，故障电流仅通过组件的开关单元的半部。这意味着，仅需要在该半部进行上述替换。这在图6中举例示出，图6示意性地示出了连接在图3的电压源换流器的第一支路的第一AC端AC1与正DC端DC+之间的第二种的第一CCB1和第n CCBn组件。
可以看出，如果正电压施加在第一AC端AC1，并且晶体管T1-n、T2-n、T1-1和T2-1被断开或者阻断，则电流仅流过晶闸管THn和TH1。
图7示出了实现控制单元的晶闸管控制功能块35的一种方式的示意框图。在图7中，存在第一减法单元36，它接收两个信号idc和ilim，并且将减法运算的结果提供给放大单元38，放大单元38以增益k放大该差值，并且将相角δ作为输出提供给开关40。开关40还接收0相角δ0，并且可以基于表示故障检测的控制信号F_DTC和表示故障移除的控制信号F_RMV，在两个位置切换。作为其输出，该开关提供为两个相角δ或者δ0的任一个的相角δc。
现在，将参照图1、3、6和7以及图8和图9，更详细描述第一换流器12提供的本发明的功能，图8示意性地示出了包括用于限制DC输电***中的电流并且在第一电压源换流器12中执行的方法中的多个方法步骤的流程图，图9示意性地示出了在第一电力线上发生故障时DC侧的第一电压源换流器的平均电流和平均电压。
第一换流器12的换流器组件元件CCB内的晶闸管TH1和THn正常运行，即，当DC网络20内没有故障上，作为二极管工作。这意味着，控制单元34根据第一控制模式控制它们，以使得在对它们施加正电压时，它们始终导通电流。这意味着，在这种模式下，控制单元34的晶闸管控制功能块35的开关40被设置为提供是0相角δ0的相角δc，用于启动晶闸管TH1和THn。在这种模式下，控制单元可以将还被称为“栅栏(picketfence)”的连续栅极电流脉冲序列发送给晶闸管，从而每当它们获得正向偏置时，确保它们导通。作为一种选择，每当晶闸管被正向偏置时，控制单元可以不自动提供栅极驱动脉冲。这样，晶闸管以与用作开关的晶体管T1-1和T1-n的电流通路的方向相反的方向提供电流通路。这意味着，在该第一控制模式下，将第一种开关单元控制用作具有反并联二极管的晶体管。
因此，在DC电网或者DC输电***20内发生DC故障时的时间t1之前，正常工作。作为示例，在第一电力线22上发生极-地故障。此时，在时间t1，DC电流开始升高，而DC电压开始降低。这意味着，第一换流器12的DC侧的DC电流iDC和DC电压vDC也以相同方式变化。随着电流升高，流过组件的开关元件的电流可能高于基准水平。因此，可能检测到流过晶体管的电流高于基准水平，即，步骤42，这样导致在时间t2晶体管被阻断，即，步骤44。为了防止晶体管被热损伤，可以这样做。因此，控制单元34可以确定流过晶体管的电流伤害它们，并且因此阻断它们。然而，该电流仍继续升高，而电压也继续降低。因此，故障被检测到，该检测可以由第一换流器12本身或者由设置在DC输电***20中的专用故障检测设备执行。这意味着，控制单元可以从这种设备接收故障检测指示信号，或可以自己确定存在故障。因此，可以以多种方式执行故障的检测。例如，这可以通过如下执行：通过将电压源换流器的DC侧的电力分量的特性与相应的电力分量阈值进行比较，并且在该电力分量的特性超过该阈值的情况下，确定存在故障。在本发明的一个实施例中，电力分量是电压，并且该电压的一个特性是与电压电平阈值进行比较的电压电平。这意味着，随着电压源换流器12的DC侧的电压电平降低，可以通过检测到该电压电平从而DC网络上的电压降低到低于第一阈值UREF1，步骤46，检测到故障，因此，该第一阈值是第一电压电平基准。在时间t3，检测到该跨过第一阈值。这意味着，在这种情况下故障的检测包括：将换流器的DC侧的电压与第一电压基准进行比较，以及如果该电压降低到低于第一电压基准，则确定存在故障。在这种情况下，如果电压电平降低到低于该电压电平阈值，则确定存在故障。或者，可以如下检测故障：感测其他特性，即电压源换流器的DC侧的电压的变化率；将该变化率与相应的第一变化率阈值进行比较；在该变化率低于该第一变化率阈值的情况下，则确定存在故障，其中，该第一变化率阈值通常为负。这意味着，如果是负数的变化率降低到低于该负阈值，则检测到故障。这意味着，该变化率的绝对值高于该阈值的绝对值。这样，可以检测到电压的迅速下降。还可以检测另一个电力分量即电流的特性，该特性可以是电流水平。在此，可以检测电压源换流器的DC侧的电流水平，将该电流水平与相应的电流水平阈值进行比较，并且如果超过该电流水平阈值，则确定存在故障。此外，可以检测电压源换流器的DC侧的电流的另一种特性即变化率，将该变化率与相应的变化率阈值进行比较，并且在该变化率高于该变化率阈值的情况下，确定存在故障，该阈值通常是正数。这意味着，将检测到电流的快速上升。最后，应当注意，还可以利用这些检测技术的任意组合来检测故障。
在已经检测到故障时，此后，控制单元34将故障电流通路上的开关单元的晶闸管的控制模式从第一控制模式改变为第二控制模式，该第二控制模式用于控制这些晶闸管用作可控整流元件，即正常晶闸管控制，或者换句言之，相角控制。因此，控制单元34将控制模式从二极管改变为相角控制，步骤48，这是基于可以在控制单元34的内部产生的故障检测信号F_DTC或者从控制单元34以外的实体接收到的信号实现的。在控制单元34的晶闸管控制功能块35中，该信号被提供给开关40，然后，开关40从提供0相角δ0作为输出信号δc改变为提供由放大单元38供给的相角δ作为输出信号δc。基于第一换流器12的DC侧的电流iDC，更具体而言基于DC侧的平均电流，进行相角控制。因此，在步骤50，检测或测量换流器12的DC侧的电流iDC。然后，控制单元34基于检测到的电流控制第一换流器的可控整流元件。这包括在步骤52控制晶闸管，以获得设置电流限制值iLIM。这是通过将平均测量电流iDC与该电流限制值iLIM在减法单元36中进行比较以及基于差值改变相角实现的。在此，例如，可以采用P、PI或者PID调节。在图7中，在放大单元58中，利用增益k执行比例调节，以获得作为用于控制晶闸管的输出相角δc提供的相角δ。这意味着，当晶闸管根据相角要导通时，它们分别接收开关脉冲。该控制继续执行，直到故障被移除。因此，电流水平降低。这样通常导致晶体管去阻断，并且恢复工作。然而，因为仍存在故障，所以它们必须保持阻断。因此，控制单元34继续阻断所有晶体管，直到该故障被安全移除。这还意味着，在该第二控制模式下，电流不用于指示故障。
在此，电流限制值iLIM可以被设置为0。然而，可能期望继续将一些电流馈送到DC输电***中。例如，在DC输电***中可能需要有一些电流，以便执行对故障位于***内的什么位置的选择性检测，从而找到DC输电***内的哪些部分发生故障并且需要断开。还可能需要保持一些电流，从而一旦故障部分被断开则对电缆电容充电。故障电流影响基本上低于正常负载电流，这是因为故障指示是通过DC电压获得的。如果DC输电***中允许的总故障电流是ILIM，例如可以为4kA，则来自第一电压源换流器的故障电流的影响可以是ILIM/m，其中m是与DC输电***接合的电压源换流器的数量。因此，可以根据：iLIM＝ILIM/m设置电流限制值iLIM。对于四个换流器，因此，电流限制值iLIM是1kA。
此后，在***中移除故障，这通常是通过第一断路器30和第二断路器32使第一DC电力线12与DC输电***20断开来实现的。这是在时间t4执行的。然后，检测到故障的移除。还可以在换流器之外的***中或者在换流器本身内执行该检测。由于故障被移除，所以DC输电***20的电压开始升高。因此，为了检测该移除，在步骤54，控制单元34将第一换流器12的DC侧的平均电压<uDC>与第二电压基准UREF2进行比较，并且如果超过，则控制单元34确定该故障已经被移除，并且在步骤56，返回晶闸管二极管控制模式，即将晶闸管控制作为二极管，这是在时间t5执行的。因此，控制单元34恢复根据第一控制模式控制故障电流通路上的可控整流元件。然后，晶体管也可以被去阻断，从而恢复正常工作。然而，如果在步骤54，平均电压不超过该第二基准电压UREF2，则在步骤50、52，继续晶闸管控制模式。可以通过产生或者接收表示故障已经被移除的控制信号F_RMV，实现使开关返回第一控制模式，该信号被提供给开关40，该开关40切换，以便再一次提供0相角δ0作为用于控制晶闸管的输出信号。
可以提供用于检测故障的移除的替换方式。例如，可以如下检测故障的移除：感测电压源换流器的DC侧的电压的变化率、将该变化率与第二变化率阈值进行比较、以及在变化率大于该第二变化率阈值的情况下检测到故障的移除，其中，该阈值通常是正数。这意味着，将检测到电压的快速升高。最后，应当说明，可以利用这些检测技术的组合来检测故障的移除。
因此，以这种方式减小电流，简化了故障的移除。因此，DC输电***中的故障电流受到限制，简化了故障的移除。这样可以较简单并且较经济地实现断路器。由于在电压源换流器的整流元件中实现了电流限制，所以在DC输电***中未设置附加电流限制元件。这样可以在不显著限制正常工作的DC输电***的效率的情况下，实现电流限制。还可以在不附加元件的情况下，提供电流限制功能块，但是相同的电压源换流器元件可以用于电压变换和电流限制。
在此，应当明白，时间间隔t4-t3应当足够大，以允许安全确定故障的位置，从而不发生错误断开。
根据本发明的变型，可以将电流限制设置到非常低，以致可以将相角调节到大约90度，并且优选地稍小于90度。这样做的优点是，在换流器的DC侧获得过零点的电流。因为DC侧的电流过零点，所以可以简化DC输电***中的断路器。因为存在过零点，所以可以利用AC断路器，与常规DC断路器相比，其结构简单并且通常较便宜。
存在多个变型可以实现本发明。可以采用可控整流元件的直接控制，以基于在DC侧检测到的电流，在换流器的DC侧而非在上述控制环，获得特定电流水平。例如，可以采用例如70-90度范围内的预定相角。还可以根据预定改变方案改变该相角，例如，类似于从0逐步改变相角，直到它达到例如70-90度范围内的预定端相角为止。还可以在返回通路即在相支路的下半部中设置可控整流元件。在电压换流器组件的情形中，该组件的所有开关单元都可以是第一种开关单元。在第一种电压源换流器中，所有开关单元也可以是第一种。在上面描述的方法中，在检测到故障之前，执行阻断开关元件的步骤。然而，应当明白，作为一种选择，可以同时也可以在阻断该开关元件之前，检测该故障。
另一种可能的变型是使用：缓冲器，以便在断开时限制电压的变化率；以及电抗器，用于在导通时限制电流的变化率。这还可以与箝位装置组合。这种缓冲器可以例如与晶闸管并联放置，而电抗器可以与它串联布置。
组件内采用的开关单元已经被描述为使用晶体管。有利的是，这些是IGBT。应当明白，可以采用其他类型的开关元件，比如基于晶闸管、MOSFET晶体管、GTO(栅极关断晶闸管)或者IGCT(集成栅换向晶闸管)的元件。此外，可控整流元件可以被设置为GTO或者IGCT。
控制单元不需要被设置为电压源换流器的一部分。它可以被设置为用于将控制信号提供给电压源换流器的分立器件。可以以离散部件的方式实现该控制单元，如图7所示。然而，它也可以以具有附带程序存储器的处理器的方式实现，该程序存储器包括计算机程序代码，当该计算机程序代码在处理器上运行时，执行期望的控制功能。该计算机程序产品可以设置为用于承载计算机程序代码的数据载体，比如一个或更多个CD ROM光盘或者一个或更多个记忆棒，该计算机程序代码当被加载到电压源换流器的控制单元中时执行上述电流限制控制功能。
根据上面的讨论，显然，可以以多种方式改变本发明。因此，应当明白，本发明仅由下面的权利要求限制。

Claims (29)

1.一种用于使用电压源换流器(12)限制直流输电***(20)中的电流的方法，所述电压源换流器(12)包括所述换流器的交流侧与直流侧之间的故障电流通路，所述故障电流通路包括至少一个第一种开关单元(SU1)，其中每个所述第一种开关单元包括初级开关元件(T1)和反并联次级可控整流元件(TH)，所述方法包括步骤：
-阻断(44)所述换流器的初级开关元件(T1、T2)，
-检测(46)直流电力***中的故障，
-将所述故障电流通路中的所述可控整流元件的控制从第一控制模式改变(48)为第二控制模式，所述第一控制模式用于控制所述可控整流元件用作非可控整流元件，所述第二控制模式用于控制所述可控整流元件用作可控整流元件，以及
-根据所述第二控制模式，控制(52)所述故障电流通路中的所述可控整流元件，以限制所述换流器的直流侧的电流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括检测(50)所述换流器的直流侧的电流(iDC)的步骤，并且控制所述故障电流通路中的所述可控整流元件的步骤包括基于所检测的电流控制(52)所述故障电流通路中的所述可控整流元件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中控制所述可控整流元件的步骤包括将所述换流器的直流侧的平均电流(<iDC>)控制到设置的电流限制值(iLIM)。
4.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中检测所述直流电力***中的故障的步骤包括：将所述电压源换流器的直流侧的至少一个电力分量的至少一个特性与至少一个电力分量阈值进行比较；以及在所述电力分量的所述特性超过该阈值的情况下，确定存在故障。
5.根据权利要求4所述的方法，其中一个电力分量是电压(uDC)，一个特性是该电压的电平，一个电力分量阈值是第一电压电平基准(UREF1)，并且基于如果所述电压降低到低于所述第一电压电平基准，确定存在故障。
6.根据权利要求4或者5所述的方法，其中一个电力分量是所述电压(uDC)，一个特性是该电压的变化率，一个电力分量阈值是电压变化率阈值，并且基于如果所述电压的变化率降低到低于该电压变化率阈值，则确定存在故障。
7.根据权利要求4至6中的任何一项所述的方法，其中一个电力分量是电流(iDC)，一个特性是该电流的水平，一个电力分量阈值是电流水平阈值，并且基于如果所述电流升高到高于该电流水平阈值，则确定存在故障。
8.根据权利要求4至7中的任何一项所述的方法，其中一个电力分量是所述电流(iDC)，一个特性是该电流的变化率，一个电力分量阈值是电流变化率阈值，并且基于如果所述电流的变化率升高到高于该电流变化率阈值，则确定存在故障。
9.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，还包括如下步骤：检测(54)所述故障的移除，并且基于检测(F_RMV)到的所述故障的移除恢复(56)根据所述第一控制模式对所述故障电流通路中的所述可控整流元件的控制。
10.根据权利要求9所述的方法，其中检测所述故障的移除的步骤包括：将直流电侧的平均电压(<uDC>)与第二电压基准(UREF2)进行比较，并且在该平均电压升高到高于所述第二电压基准的情况下，确定所述故障已经被移除。
11.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中在所述第二控制模式下进行控制的步骤包括控制所述可控整流元件，以提供所述换流器的直流侧的电流的过零点。
12.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中根据所述第二控制模式的控制包括所述可控整流元件的相角控制。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述相角被控制到大约90度。
14.根据上述权利要求中的任何一项所述的方法，其中每个所述第一种开关单元是电压源换流器组件的一部分，所述电压源换流器组件包括能量存储元件和第二种开关单元(SU2)，并且包括初级开关元件(T2)和反并联次级非可控整流元件(D)，其中所述开关单元(SU1、SU2)互相串联连接，并且这些串联连接的开关单元与所述能量存储元件(C1C)并联连接。
15.一种用于限制直流输电***(20)中的电流的电压源换流器(12)，所述电压源换流器(12)设置有交流侧和直流侧，并且在所述交流侧和所述直流侧之间具有故障电流通路，所述电压源换流器包括：
-至少一个第一种开关单元(SU1)，设置在所述故障电流通路上，其中每个所述第一种开关单元都包括初级开关元件(T1)和反并联次级可控整流元件(TH)，以及
-控制单元(34)，被配置为：基于当所述换流器的所述初级开关元件被阻断时，在直流电力***中检测到的故障(F_DTC)：
-将所述可控整流元件的控制从第一控制模式改变(40)为第二控制模式，所述第一控制模式用于控制所述可控整流元件用作非可控整流元件，所述第二控制模式用于控制所述可控整流元件用作可控整流元件，以及
-根据所述第二控制模式，控制所述故障电流通路中的所述可控整流元件，以限制所述换流器的直流侧的电流。
16.根据权利要求15所述的电压源换流器，其中所述控制单元在控制所述故障电流通路中的所述可控整流元件时还被配置为基于所述换流器的直流侧的检测电流(iDC)，控制所述可控整流元件。
17.根据权利要求16所述的电压源换流器(12)，其中所述控制单元在被配置为基于所述换流器的直流侧的检测电流(iDC)控制所述故障电流通路中的整流元件时被配置为将所述换流器的直流侧的平均电流(<iDC>)控制(36，38)到设置的电流限制值(iLIM)。
18.根据权利要求15至17中的任何一项所述的电压源换流器(12)，其中所述控制单元在检测所述直流电力***中的故障时被配置为：将所述电压源换流器的直流侧的至少一个电力分量的至少一个特性与至少一个电力分量阈值进行比较，并且在所述电力分量的所述特性超过该阈值的情况下，确定存在故障。
19.根据权利要求18所述的电压源换流器(12)，其中一个电力分量是电压(uDC)，一个特性是该电压的电平，一个电力分量阈值是第一电压电平基准(UREF1)，并且所述控制单元在检测所述直流电力***中的故障时被配置为基于如果所述电压降低到低于所述第一电压电平基准，则确定存在故障。
20.根据权利要求18或者19所述的电压源换流器(12)，其中一个电力分量是所述电压(uDC)，一个特性是该电压的变化率，一个电力分量阈值是电压变化率阈值，并且所述控制单元在检测所述直流电力***中的故障时被配置为基于如果所述电压的变化率降低到低于该电压变化率阈值，则确定存在故障。
21.根据权利要求18至20中的任何一项所述的电压源换流器(12)，其中一个电力分量是电流(iDC)，一个特性是该电流的水平，一个电力分量阈值是电流水平阈值，并且所述控制单元在检测所述直流电力***中的故障时被配置为基于如果所述电流升高到高于该电流水平阈值，则确定存在故障。
22.根据权利要求18至21中的任何一项所述的电压源换流器(12)，其中一个电力分量是所述电流(iDC)，一个特性是该电流的变化率，一个电力分量阈值是电流变化率阈值，并且所述控制单元在检测所述直流电力***中的故障时被配置为基于如果所述电流的变化率升高到高于该电流变化率阈值，则确定存在故障。
23.根据权利要求15至22中的任何一项所述的电压源换流器(10)，其中所述控制单元还被配置为：检测所述故障的移除，并且基于检测(F_RMV)到的所述故障的移除，恢复根据所述第一控制模式对所述故障电流通路中的所述可控整流元件的控制。
24.根据权利要求23所述的电压源换流器(10)，其中所述控制单元在被配置为检测所述故障的移除时被配置为：将直流电侧的平均电压(<uDC>)与第二电压基准(UREF2)进行比较，并且在该平均电压升高到高于该第二电压基准的情况下，确定所述故障已经被移除。
25.根据权利要求15至24中的任何一项所述的电压源换流器(12)，其中所述控制单元在以所述第二控制模式进行控制时被配置为控制所述可控整流元件，以提供所述换流器的直流侧的电流的过零点。
26.根据权利要求15至25中的任何一项所述的电压源换流器(12)，其中所述控制单元在根据所述第二控制模式进行控制时被配置为执行所述可控整流元件的相角控制。
27.根据权利要求26所述的电压源换流器(12)，其中所述相角被控制到大约90度。
28.根据权利要求15至27中的任何一项所述的电压源换流器(12)，其中每个所述第一种开关单元是电压源换流器组件的一部分，所述电压源换流器组件包括能量存储元件和第二种开关单元(SU2)，并且包括初级开关元件(T2)和反并联次级非可控整流元件(D)，其中所述开关单元(SU1、SU2)互相串联连接，并且这些串联连接的开关单元与所述能量存储元件(C1C)并联连接。
29.一种用于使用电压源换流器(12)限制直流输电***(20)中的电流的计算机程序产品，所述电压源换流器(12)包括位于换流器的交流侧与直流侧之间的故障电流通路，所述故障电流通路包括至少一个第一种开关单元(SU1)，其中每个所述第一种开关单元包括初级开关元件(T1)和反并联次级可控整流元件(TH)，所述计算机程序能够加载到所述电压源换流器的控制单元内并且包括计算机程序代码装置，当所述程序被加载到所述控制单元内时使所述控制单元：
-基于当所述换流器的所述初级开关元件被阻断时在所述直流输电***检测到的故障，将所述可控整流元件的控制从第一控制模式改变为第二控制模式，所述第一控制模式用于控制所述可控整流元件用作非可控整流元件，所述第二控制模式用于控制所述可控整流元件用作可控整流元件，以及
-根据所述第二控制模式，控制所述故障电流通路中的所述可控整流元件，以限制所述换流器的直流侧的电流。
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