CN103403991A - Dc电网和限制dc电网中故障的影响的方法 - Google Patents

Dc电网和限制dc电网中故障的影响的方法 Download PDF

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Abstract

提供DC电网(100),其包括经由DC线路(115)而互连的多个AC/DC转换器(105),其中为了限制DC电网中故障的影响,DC电网凭借至少一个电流限制器(205)采用一定方式而分成至少两个区(200),使得电流限制器在一个或多个DC线路(115z)中的每个中连接,通过其两个区而互连。还提供通过将DC电网分成至少两个区而限制DC电网中的故障的影响的方法。

Description

DC电网和限制DC电网中故障的影响的方法
技术领域
本发明涉及电力传输的领域,并且更具体地涉及使用高压直流(HVDC)技术的电力传输。
背景技术
长距离电力传输可以使用HVDC传输线而有利地进行。在AC传输***中,传输损耗取决于有功和无功功率传递两者。对于长的传输线,由于无功功率传递引起的损耗将是明显的。另一方面,在HVDC传输***中,仅传递有功功率。HVDC传输线中的损耗从而将低于具有相同长度的AC传输线中的损耗。对于长距离传输,HVDC***中必需的转换设备的较高投入通常是合理的。
现今在使用的大部分HVDC传输***是点到点传输***,其中电力从一个AC***传输到另一个。这是将电力传输到远程区域/从远程区域传输电力、跨水、在两个不同步AC电网之间传输电力等的高效方法。然而,在许多境况下,期望多点HVDC传输***,其中电力可以传输到一个或若干AC网络中的至少三个不同的点/从其处传输。多点HVDC传输***在这里将称为DC电网。DC电网何时可以有用的一个示例是在将(多个)离岸风电场连接到(多个)岸上电力网的时候。另一个示例是在现有的AC电网中长距离地传输大量电力的时候,在该情况下低传输损耗可以通过将DC电网用作骨干或对于现有AC电网的过捻电网而实现。
与AC传输相比,DC传输的缺点是故障电流的中断更困难。AC***中的故障电流固有地展现频率零交叉,这便于快速电流中断。在DC***中,没有出现固有的零交错。为了阻断DC电流,DC电流的零交叉大体上必须强加于***。
此外,在AC***中,故障电流将受到传输线的电抗的限制。另一方面,在DC***中,传输线的电抗将仅在瞬态阶段有关系。当瞬态(相当快地)减少时,仅线路的电抗将限制DC侧上的故障电流的水平。从而,故障电流可以在DC电网中非常快地增长。因此期望故障电流的快速阻断。
此外,来自AC侧的电力将馈送到在DC侧上出现的故障。典型地,这暗指故障电流在DC侧上是高的,而DC电压在整个DC电网中将是低的,从而使得在出故障的时段期间有组织的功率传递变得不可能。在则会转换器中的至少一些是基于电压源转换器(VSC)技术时特别明显,因为VSC转换器的开关典型地将必须在电流上升到某一水平之上时被阻断,从而使VSC转换器基本上作为二极管桥而操作。连接到DC电网的转换器越多,故障中的DC电流越高。具有受抑制的DC电压的情形(没有随之的功率传递能力)如果持续很久的话可对AC***稳定性具有严重影响。AC***不稳定将导致灯火管制,这对于社会成本非常高。为了防止AC***不稳定,AC***可以设计成具有极大的保存传递能力。然而,AC***的这样的过大尺寸成本很高并且大体上不是期望的。因此,在DC电压已经崩溃之前,期望DC故障电流的快速阻断。
从而,为了限制线路故障的影响,HVDC断路器应该非常快地起反应,典型地在故障电流仍在增加时以及DC电压已经崩溃太多之前的瞬态阶段中。已经投入开发快速且可靠的HVDC断路器,并且当前提供电流的最快中断的HVDC断路器基于半导体技术。半导体HVDC断路器例如在EP0867998中公开。然而,半导体HVDC断路器经历比在机械断路器中的更高的功率损耗。此外,设计成阻断大电流的半导体HVDC断路器比机械断路器明显要贵。然而,现有的机械断路器无法提供足够的阻断速度。从而,在DC电网中需要有成本且能量有效的故障电流处理。
发明内容
本发明所涉及的问题是如何高效地限制DC电网中出现的故障的消极后果。
该问题由DC电网解决,该DC电网包括经由DC线路而互连的多个AC/DC转换器,其中DC电网进一步包括至少一个电流限制器,并且其中DC电网凭借至少一个电流限制器采用使得电流限制器在HVDC线路中的每个中连接这样的方式而分成至少两个区,这两个区通过HVDC线路而互连。
通过凭借电流限制器将DC电网分成互连的不同区,DC电网中故障的影响可以受到限制。如果故障在第一区中出现,将该第一区200与它的相邻区互连的电流限制器将在故障持续期期间限制从相邻区流入故障的故障电流,从而使其中出现故障的区中的故障电流减少。此外,故障电流的限制将减轻环绕有故障区的健康区中的影响。如果允许故障电流不受干扰地流动,环绕区200中的DC电压将崩溃,从而使得持续的电力传输几乎不可能。除非已经采取措施,这样的电压崩溃典型地将在出现故障后非常快地达到大的地理扩散。通过限制第一区中的故障引起的故障电流,环绕区200中的DC电压基本上可以不受干扰,并且环绕区200中的电力传输可在没有较大中断的情况下继续。
该问题进一步通过限制DC电网中故障的影响的方法来解决,该DC电网包括经由DC线路而互连的多个AC/DC转换器。该方法包括通过使至少一个电流限制器在DC线路中的每个中串联连接而将DC电网分成至少两个区,这两个区通过该DC线路而互连。DC电网例如可以包括与至少一个分区电流限制器连接的控制***,其中这样的控制***能操作成控制电流限制器的电流限制强度。
在方法的一个实施例中,方法进一步包括在这样的控制***中检测故障。方法进一步包括响应于故障的检测采用使得如果通过断路器的电流超出第一电流阈值(Imax)则电流限制强度增加并且如果通过断路器的电流下降到第二电流阈值(Imin)以下则电流限制强度减小这样的方式来调整电流限制器的电流限制强度。
故障的检测可以基于检查电流限制器侧上的电压是否已经下降到第一电压阈值以下,如果第一电压阈值设置成在正常操作时的电压以下的值处则其将指示出现故障。备选地,当第一和第二电流阈值位于额定传输电流以上时,故障的检测可以基于检查通过电流限制器的电流是否上升到第一电流阈值以上。
限定调节范围的第一和第二电流阈值两者都可以位于额定传输电流以上。一旦已经清除故障,与如果调节范围位于额定电流以下的情况相比,将提供充电更高的电缆和/或架空线路(其在有故障区中形成DC线路)。从而可以进行有故障区的健康部分快速回到正常操作。
在另一个实现中,调节范围位于额定传输电流以下。在该实现中,在电流限制器205中产生的功率损耗将低于在调节范围位于额定电流以上时的,从而允许设计具有较低能量吸收能力的电流限制器,和/或允许电流限制器可以在更长的时段期间携带电流。较低故障电流水平还对DC电网中存在的DC断路器的电流阻断能力产生较低的要求。此外,因为失去的功率将必须由环绕区提供,电流限制器中较低的功率损耗可在故障持续期期间产生更稳定的健康区操作。
在一个实施例中,电流限制器包括串联连接的独立可控断路器段,其中断路器段包括并联连接的非线性电阻器和关断型半导体开关。这样的电流限制器的电流限制强度可通过改变断开的断路器段的数量而改变,并且从而具有接通的非线性电阻器(即,形成通过电流限制器的电流路径的一部分)。电流限制器备选地可以是超导导体,或任何其他电流限制装置。
在该实施例的一个方面中,估计非线性电阻器的当前能量吸收能力;并且依赖不同的非线性电阻器当前能量吸收能力来选择应该断开或闭合哪个(些)断路器段(如有的话)。从而实现电流限制器的能量吸收能力的高效利用。
本发明的另外的方面在下面的详细描述以及附上的权利要求中阐述。
附图说明
图1是DC电网示例的示意图。
图2是图1的DC电网的示意图,其中DC电网已经凭借电流限制器205而分成两个区。
图3a图示基于串联连接的独立可控断路器段的电流限制器的示例。
图3b图示包括转换开关的电流限制器的示例。
图4图示图2的DC电网中两个不同的线路故障的出现。
图5图示设置成控制电流限制器的电流限制强度的控制***的示例,其中该控制***包括限制确定***。
图6a是图示对于在调节范围位于额定传输电流以上时的情况确定需要的电流限制器的电流限制强度的方法的实施例的流程图。
图6b是图示对于在调节范围的最大电流位于额定传输电流以上或以下时的情况确定需要的电流限制器的电流限制强度的方法的实施例的流程图。
图7是其中电流限制器与电抗器串联连接以在调节电流限制强度时减少电流的时间导数的配置的示例。 
图8a是图示控制转换开关的方法的示例的流程图。
图8b示出这样的流程图,其图示控制转换开关的方法的另一个示例。
图9示出这样的流程图,其图示用于一旦已经确定需要的电流限制强度则生成控制信号来发送给电流限制器的过程的实施例。
图10示意地示出在图5中示出的限制确定***的备选图示。
图11a-d图示从对于确定需要的电流限制器的电流限制强度的方法的不同实施例作为时间的函数的电流和电压方面来看的事件序列。
图12是DC电网的示意图,该DC电网被分成两个区,并且其中一个区中的连接HVDC线路配备有电流限制器。
具体实施方式
图1是对于HVDC传输的DC电网100的示例的示意图示。该DC电网100包括十个不同的高压AC/DC转换器105(在这里称为HVDC转换器105),其经由DC开关场120和DC线路115(在这里称为HVDC线路115)而互连用于高压传输。HVDC转换器105在一端处连接到AC电力***(未示出),并且在另一端处经由连接110连接到DC开关场120。在图1中,为了说明目的,DC开关场120已经示出为具有单个母线配置,但备选地可使用其他配置,例如双母线、两个断路器开关场、一个半断路器开关场等。HVDC线路115可以是电缆或架空线路或其组合。连接110和HVDC线路115可以是双极或单极的。
转换器105例如可以是电压源转换器(VSC)或电流源转换器(CSC)。近些年来,已经开发基于点到点HVDC传输***的电压源转换器(VSC)。除其他事物外,VSC技术对于建造DC电网特别有利,因为VSC技术允许通过简单地进行DC电流反向的功率反向。
高压DC电网中的连接110典型地在高压DC断路器130i(在下文称为HVDC断路器130i)上连接到DC开关场120。HVDC转换器105与AC开关场(在HVDC转换器105的另一侧处)之间的连接典型地在AC断路器(未示出)上进行。HVDC断路器130ii典型地在HVDC线路115到DC开关场120的连接处提供,使得每个HVDC线路115配备有两个HVDC断路器130ii,其定位在HVDC线路115的相应端处。在下面,当大体上提及HVDC断路器时,将使用术语HVDC断路器130。各种HVDC断路器130i和130ii可以采用相同的方式实现(如期望的话),并且标号中的差异仅指示DC电网拓扑中的位点中的差异。
保护***135典型地在每个开关场120处提供,保护***135设计成检测故障情形并且如需要的话则将跳闸信号发送给适合的HVDC断路器130。从而,在HVDC线路115上有故障的情况下,HVDC线路115的每个端处的HVDC断路器130ii将从这样的保护***135接收跳闸信号。线路故障可以是例如极接地故障或极到极故障,或其组合。相似地,如果在连接110上或在HVDC转换器105中检测到故障, HVDC断路器130i将接收跳闸信号。在后面的这些情景中,AC侧上的AC断路器也将接收跳闸信号。然而,在下面,为了便于描述,将仅参考HVDC断路器130的跳闸。保护***135典型地设计成在故障情况下仅去除有故障的设备件,从而在故障清除后使余下的***完好无损。保护***在本领域内是众所周知的,并且典型地包括测量设备和用于确定故障存在的软件算法。这样的算法例如可以基于电压和电流测量、它们采用各种组合的幅值和/或它们的导数,和/或基于所谓的差动保护,其基于对象(例如HVDC线路115或HVDC转换器105)的每个侧处的电流比较。
图1的DC电网100仅是示范性的,并且DC电网100在这里可以包括采用任何样式互连的任何数量(N)的HVDC转换器105,其中N≥3。DC电网100典型地包括另外的设备(例如测量装置、DC电抗器、滤波器等),其还未在图1中示出。
如上文提到的,HVDC断路器130操作所处的速度将确定在DC电网110断开之前故障电流在它之中上升得有多高。大体上期望使阻断速度保持为尽可能高。现今,基于半导体技术的HVDC断路器可以变得足够快,其具有低至μs标度的阻断速度。然而,因为基于功率电子技术的半导体HVDC断路器与速度较低的备选物相比典型地成本很高,在使用操作更慢的HVDC断路器时,将期望高效地限制在DC电网100中出现的故障的消极后果的方法。
根据本发明,DC电网100凭借至少一个电流限制***采用使得电流限制器在HVDC线路115中的每个中连接这样的方式而分成两个区,这两个区通过HVDC线路115而互连。从而,可以说电流限制器限定区的边界。分区电流限制器205典型地在两个DC开关场120之间连接。
已经被分成区的DC电网100的示例在图2中示出,其中两个区200已经由虚线指示。两个HVDC线路115使两个区200互连,并且这些HVDC线路115中的每个配备有串联连接的电流限制器205。配备有分区电流限制器205的HVDC线路在下面将称为分区HVDC线路115z。在图2中,电流限制器205取代分区HVDC线路115z的一端中的HVDC断路器130ii。为了说明目的,在图2中未示出保护***135,但这样的保护***典型地将存在。
通过将DC电网分成凭借电流限制器205而互连的不同区200,DC电网100中故障的影响可以受到限制。如果故障在第一区200中出现,根据本发明,使该第一区200与它的相邻区200互连的电流限制器205将限制在故障持续期期间从相邻区200流入故障的故障电流,从而使其中出现故障的区200中的故障电流减少。此外,故障电流的限制将减轻环绕有故障区200的健康区200中的影响。如果允许故障电流不受干扰地流动,环绕区200中的DC电压将崩溃,从而使得持续的电力传输几乎不可能。因为HVDC线路115中的电阻大体上是低的,除非已经采取措施,这样的电压崩溃典型地将在出现故障后非常快地达到大的地理分布-通常,整个DC电网100受到影响。通过限制第一区200中的故障引起的故障电流,环绕区200中的DC电压基本上可以不受干扰,并且环绕区200中的电力传输可在没有较大中断的情况下继续。
因此,故障对AC***稳定性的影响可以在控制下很好地保持。也就是说,功率传递可以在DC电网100的大部分中维持,即使DC电网中已经出现故障也如此。从而,连接的AC***中的反向传递能力与其中在DC电网中没有实现电流限制器205的***相比大致上可以减小。另外,具有受抑制电压并且不能在有故障区中传递功率的故障持续期可以被允许更长,并且从而,较慢且不太昂贵的HVDC断路器130可以在区200内使用。
故障的清除将通过使环绕有故障对象的适合的HVDC断路器130跳闸而进行。这样的跳闸典型地将由监测有故障对象的保护***135发起。其中可能出现故障的对象例如可以是HVDC线路115、HVDC转换器105、连接110或DC开关场120。
通过对通过分区HVDC线路115z的故障电流提供有限的贡献,在清除故障之后,来自多个区200(其环绕有故障区200)的电流将有助于有故障区中的电缆和/或架空线路的充电。从而,一旦有故障对象已经被断开,正常操作也可以在出现故障的区中快速恢复。
通过使用快速电流限制器205,DC电网100内的其他HVDC断路器130可以具有提供更慢操作的设计。因为有故障区200中的故障电流可以凭借电流限制器205而被限制,可以使用相对低阻断速度的HVDC断路器。此外,因为要阻断的电流将更低(即使出现故障情形也如此),DC电网100中的HVDC断路器130的阻断能力可以降低。DC电网100(其被分成区200)中的HVDC断路器130上的阻断速度要求例如取决于电流限制器205可以操作成使电流持续多长时间地保持在可接受水平处;在区200中连接的AC***的稳定性;电流限制器205将电流控制在哪个电流水平;以及HVDC断路器130上的电流阻断能力。合适的具有较低阻断速度的HVDC断路器的设计的示例是例如在“Cigré technical brochure 114, Circuit-breakers for meshed multiterminal HYDC systems(Cigré技术手册114,网状多端HVDC***的断路器)”中描述的那些等机械HVDC断路器设计,其的阻断速度在AC断路器的范围内,例如30-60ms。
在图2中示出的DC电网100中,由电流限制器205限定的区边界穿过两个HVDC线路115。区边界代表传输界面,在其中提供电流限制可能性。区边界可穿过任意数量的HVDC线路115(至少一个),并且每个这样的分区HVDC线路115z应该配备有电流限制器205。此外,区200可以界定任意数量的相邻区200。区200的尺寸(并且从而数量)将除了其他外还基于HVDC断路器130的电流阻断能力以及AC***稳定性而设计。
另一方面,电流限制器205应该能够快速起作用,以便在故障情况下避免电流限制器205的健康侧上的电压的严重干扰,以及避免故障电流上升超出可接受水平。高速半导体电流限制器已经在EP0867998中描述,并且这样的电流限制器205的示例在图3a中示出。图3a的电流限制器205包括一组n个串联连接的断路器段300,其中每个断路器段包括并联连接的非线性、电压依赖型电阻器310和关断型半导体开关305。这些断路器段300可以独立于彼此地受到控制。在这里,具有闭合的半导体开关305的断路器段300称为闭合断路器段300,并且反之亦然。不同的断路器段300可以相同,但这不是要求。
在图3a中,半导体开关305是两个关断型反并联单向开关的串联连接,每个与整流元件(例如,二极管)反并联连接。在另一个实现中,半导体开关305可以是双向开关。备选地,两个单向电流限制器可以反并联地串联连接来形成电流限制器205,其中每个具有单方向的单向开关305。如果单向电流限制将是足够的,例如如果通过电流限制器205而互连的区中的一个显著地比另一个更易于出故障,单个单方向电流限制器可以是足够的。关断型半导体开关305例如可以是IGBT型(绝缘栅双极晶体管)或IGCT型(集成门换向晶闸管)或GTO(门极可关断型晶闸管)型。所有这些类型属于具有导通和关断能力的功率半导体开关的群组,并且也可以使用属于该群组的其他开关。(典型地,半导体开关305典型地形成为许多开关单元的串联和/或并联连接。)非线性电阻器310例如可以是止动器,并且可以由例如氧化锌或碳化硅制成。
图3a的电流限制器205的故障电流限制功能性通过将开关305阻断在仅n个段的子集(在下文,其中半导体开关305处于阻断状态中的断路器段300将称为断开断路器段300)中而获得。断开段300的非线性电阻器310设置这样的电压,其抵消通过非线性电阻器310的电流的流。断开的段300的数量越高,电流将越小,其中零电流作为极端。通过断开n个串联连接的断路器段300的合适的子集,跨对应止动器的反电压可以变得比阻断电流所需要的电压更小,但大到足以将电流限制在合适的水平。然而,只要电流仅受到限制(而不是被阻断),断开段300的子集中的非线性电阻器310将耗散能量。段300的数量n和每个非线性电阻器310的开关脉冲保护水平(SIPL)将确定电流可被阻断所针对的最大电压。为了确保故障电流可以被阻断,段300的数量n可以有利地达到或超出用于阻断标称电压处的电流所需要的数量。然而,如果仅期望电流限制性质,并且未预期来自电流限制器205的阻断操作,可以使用较小数量的段300。能够阻断电流的电流限制器205可以称为电流限制断路器。
在出现故障时,电流限制器205将使非线性电阻器310接通来限制流入有故障区200的电流使得它下降到某一水平以下,从而使区200内的(可能更简单的)HVDC断路器上的应力减少。当电流限制器205通过跨断开段的非线性电阻器310建立电压而使电流减少时,有故障区200外部的电网电压将维持在接近正常电压的电压处,使得可以在剩余的电网100中维持有组织的功率传递。
图3b示意地图示高速电流限制器205的备选实施例,其中图3b的电流限制器205包括转换开关315,其与串联连接的断路器段300并联连接。该串联连接的断路器段300在该配置中可以称为主开关317。转换开关315包括串联连接的辅助开关4325和切断器320。在正常操作期间,辅助开关325和切断器320闭合,使得通过电流限制器205的电流流过转换开关315而不是流过主开关317。主开关317的段300可以有利地在正常操作期间断开。
在激活电流限制器205来限制或阻断电流时,辅助开关325将断开使得电流换向到主开关317。在辅助开关325断开之前,主开关317应该闭合(如果在正常操作期间未闭合的话)。当辅助开关325已经断开来使电流换向到主开关317时,切断器320将断开,以便使辅助开关与将跨主开关317出现的任何高电压隔离。合适数量的断路器段300然后将被激活,因为这些断路器段300的半导体开关305将采取行动来阻断电流,从而迫使电流经由非线性电阻器310而流动。图3b的电流限制器205的主开关317应该直到切断器320已经断开才被激活。从而,具有转换开关315的电流限制器205大体上要比仅具有主开关317的电流限制器205更慢。然而,已经出现故障的指示通常将必须作出限制(或阻断)电流的决定之前被分析。通过使用接收这样的故障指示与对转换开关315的预备断开作出决定之间的时间,主开关317的激活通常可以在已经作出决定时立即发生。有利地,转换器开关315的断开可以在接收故障指示时进行,并且主开关317的激活可以在接收主开关激活决定时进行。如果未接收到这样的决定,例如在某一时段内,转换开关315可以闭合。
用于断开转换开关315所需要的额外的时间对于基于电压和/或电流的导数的保护算法可是有益的,因为在出现电流限制之前,断开转换开关315将提供具有快速变化的电流和/或电压的时间窗口。基于时间导数的保护算法然后将给予时间来识别故障并且来将跳闸信号发送到适合的DC断路器130。当未提供转换开关315时,如期望的话,可以由于此目的引入适合的持续时间的时间延迟。对于一些保护算法(例如差动保护算法),这样的具有快速变化的电流和电压的时间窗口没有额外的益处。
转换开关315的切断器320优选地应该是快速的。因为在断开时将没有通过切断器320的电流,快速机械切断器比快速机械断路器要稍微容易地设计成用于阻断电流。切断器320的合适的设计示例在EP1377995中公开。
通过使电流在正常操作期间流过转换开关315,电流限制器205中的功率损耗与仅具有主开关317的电流限制器205相比要明显减少。辅助开关325可以明显小于主开关317,并且从而功耗是明显少的。然而,关于本发明,转换开关315是可选的。
使用基于串联连接的断路器段300的电流限制器205的优势是可以容易地调整电流限制强度。此外,如果提供充足数量的断路器段300,这样的电流限制器205可以操作成阻断电流。然而,该电流限制器类型仅作为示例而给出,并且可使用其他类型的电流限制装置,例如超导导体。
现在回到凭借电流限制器205而被分成区200的DC电网100。图4示出图2的DC电网100,其中已经指示两个不同的可能dc故障400a和400b。DC故障400a(其在下文将称为区故障400a)将图示故障在区200内出现的情形。DC故障400b(其在下文将称为区边界故障400b)图示线路故障沿分区HVDC线路115z而出现的情形。
如果区内故障400a在第一区200(图4中的区200:1)中出现,限定第一区200的电流限制器205将操作成限制电流。电流限制器205具有控制***,其设置成检测故障并且响应于故障的检测而激活电流限制器205的电流限制功能性,如关于图5描述的。在故障持续期期间,由环绕区(图4中的区200:2)对区200(其中出现故障)的故障电流贡献从而将受到限制,从而改善对于有故障区200中的HVDC断路器130的情形。此外,环绕区200中的DC电压将基本上不受干扰,并且环绕区200中的操作可在没有较大中断的情况下继续。
一旦故障电流已经凭借电流限制器205而受到限制,在有故障对象周围连接的HVDC断路器130可以清除故障。在图4中给出的示例中,这对应于在有故障HVDC线路115中连接的HVDC断路器130的断开。一旦环绕故障的HVDC断路器130已经成功断开并且由此采取行动来隔离故障400a,电流限制器205的断路器段300可以回到闭合状态。第一区200中的DC电压将再次开始增加,并且来自环绕区200的故障电流贡献将趋于减小。开始闭合断路器段300的指令将由相应电流限制器205的控制***本地生成,如关于图5进一步描述的。
设置成激活电流限制器205的电流限制的控制***有利地独立于保护***135,并且反之亦然。HVDC断路器130响应于故障的跳闸从而将独立于电流限制器205的激活。根据实现,HVDC断路器130的跳闸将与电流限制器205的激活同时、在这之前或之后发起。电流限制器205的激活和控制可以有利地依赖在电流限制器205的位点处获得的电压和/或电流的局部测量而触发
图5提供用于控制电流限制器205(其对区200限定边界)的电流限制***500的示例的图示。控制***500包括电流测量装置505,其设置成测量通过电流限制器205的电流并且生成指示测量电流的信号I。控制***500进一步包括电压测量装置510,其设置在电流限制器205的每个侧上、设置成测量电流限制器205的每个侧上的电压并且分别生成信号U1和U2,其分别指示电流限制器的第一和第二侧上的电压。电流测量装置505例如可以是光学电流互感器(OCT)或DC电流反馈补偿互感器(DCCT)或任何其他合适的电流互感器或传感器。电压测量装置510例如可以是直流分压器,或任何其他合适的电压测量装置。如将在下文看到的,电压测量装置和用于分别接收信号U1和U2的输入在控制***500的一些实施例中可以省略。
控制***500进一步包括限制确定***515,其设置成接收信号I、U1&U2并且生成要输送到电流限制器205的控制信号520,该控制信号520指示要断开/闭合的断路器段300的数量。从而,图5的限制确定***515的输入连接到电流测量装置505和电压控制装置510的相应输出,这时限制确定***515的输出连接到电流限制器205的控制输入。
用于传送信号I、U1、U2、520和530的连接典型地是有线连接以便获得足够的速度和可靠性,但也可以预想无线连接。
图5的限制确定***515示出为包括限制强度确定机构535和控制信号发生器540。该限制强度确定机构535设置成确定电流限制器205的当前限制强度是应该增加还是减小。为了控制具有如在图3a和3b中示出的一组串联连接的断路器段300的电流限制器205,限制强度确定机构535设置成确定断开的断路器段300的数量k是应该增加还是减小。此外,限制强度确定机构535设置成将指示当前需要的限制强度(或备选地,需要的限制强度中的变化)的信号545输送到控制信号发生器540。当电流限制器205是具有n个独立可控断路器段300的电流限制器时,信号545将指示应该断开的断路器段的数量k(或备选地,数量k中的变化)。
控制信号发生器540设置成响应于指示断开的断路器段300的期望数量k中的变化的信号545而生成控制信号520。在电流限制器205是基于断路器段的情况下(与图3a和3b相比),控制信号发生器540此外可以设置成选择应该断开或闭合断路器段300中的哪个。控制信号发生器540的操作将关于图9进一步论述。
电流限制器205可以有利地进一步连接到保护***135,如在图5中示出的。保护***135优选地独立于控制***502并且设置成检测故障400b,其将需要电流限制器205断开,即电流限制器205阻断电流。这样的故障400b例如可以是沿分区线路115z(其中连接电流限制器)的线路故障,或电流限制器205所连接的DC开关场120中的故障。在检测到这样的故障时,保护***135将响应于哪个电流限制器205将阻断电流而发送跳闸信号530-在图3a和3b的电流限制器205中,这将牵涉将跳闸信号发送到断路器段300中的每个的半导体开关305(或至少,在多余的断路器段300的情况下,发送到足够数量的断路器段300来设置足够的电压以阻断电流)。
在其中分区HVDC线路115z除电流限制器205外还配备有两个HVDC断路器130ii的配置中,保护***135不必连接到电流限制器205。相反,两个HVDC断路器130ii都可以连接到保护***135。在该配置中,基于段的电流限制器205的段300的数量不必足以设置能够阻断电流的电压,但段的数量可以设计成仅对于电流限制情景。
尽管具有任何合适设计的电流限制器205可以在本发明中使用,在下文为了说明目的将假设使用基于独立可控断路器段300的电流限制器205。
现在将论述限制强度确定机构535的不同实施例的操作。电流限制器205的限制强度(其在这里由断开的断路器段300的数量k确定)例如可以依赖通过电流限制器205的当前电流I的测量(即,依赖由信号I传达给限制强度确定机构535的值)而受到控制。确定过程的示例在图6a中图示,其中控制断开的断路器段300的数量k来将通过电流限制器205的电流I调节到位于调节范围内:                                                
Figure 2011800691678100002DEST_PATH_IMAGE001
。调节范围代表在故障情况下的期望电流范围-在检测到故障的情况下,如果电流位于Imax以上,断开至少一个断路器段300(除非所有都已经断开);并且如果电流位于Imin以下,闭合至少一个断路器段300(如果任何一个断开的话)。
在图6a的步骤600处,过程因为指示应该断开的断路器段300的数量的参数k设置成零而发起。典型地,在对于正常操作发起电流限制器205时首先进入该步骤。在步骤605中,则检查当前电流I是否超出代表调节范围的最大电流水平Imax的电流阈值。如果是这样的话,进入步骤606,其中检查断开的断路器段300的数量(由数量k表示)是否超出零。如果否的话,即如果没有断路器段300断开,k设置成预定数量k0,其例如可以选择使得跨k0个非线性电阻器310的电压将近似对应于标称电压或额定电压。因此,如果在进入步骤605时没有断路器段310接通,在步骤607中将开关预定数量k0。然后进入步骤615a,其中生成指示k的信号545并且将其发送到控制信号发生器540。然后进入步骤620a,其中引入延迟以便使电流水平调节到新的电压情形。在延迟步骤620a后,重新进入步骤605。
另一方面,如果在步骤606中发现k已经超出零,则进入步骤610,其中代表断开的断路器段300的期望数量的数量k增加一。然后进入步骤615a。
相反如果在步骤605中发现当前电流水平I位于Imax以下,则进入步骤625,其中检查I是否在代表调节范围的最小电流Imin的电流阈值以下。如果否的话,不需要动作并且重新进入步骤605。然而,如果发现当前电流水平I位于Imin以下,则进入步骤630,其中检查k是否具有大于0的值。如果否的话,电流限制器205的限制强度无法进一步减少,并且因此重新进入步骤605。然而,如果k>0(其指示至少一个断路器段300断开),则进入步骤640,其中k的值减少一。然后进入步骤615b,其中生成指示k的信号545并且在进入延迟步骤620b之前将它发送到控制信号发生器540。在步骤620b后,重新进入步骤605。
一旦第一区200中的故障已经由故障的任一侧上的HVDC断路器130断开,该第一区200中的DC电压将开始增加并且来自环绕区200的故障电流贡献将趋于降到下阈值Imin以下,这时断开的断路器段300将开始闭合来使电流维持在两个阈值内。一旦所有段闭合,恢复正常操作。
调节范围[Imax,Imin]可以设置成完全位于额定传输电流Irated以上;调节范围可以设置成完全位于额定电流Irated以下;或调节范围可以设置成使得Irated下降到调节范围内。额定传输电流Irated在这里典型地是电流限制器205所连接的分区HVDC线路115z的额定电流,其取决于DC电网100的部件的尺寸制定。
在图6a中图示的电流调节过程中,电流I的当前水平是是否应该更改电流限制器205的限制强度的决定因子。如果I位于调节范围的最小电流以下并且没有断开的断路器段300,则将不采取进一步的动作来修改电流。也就是说,如果电流水平在额定电流处或以下,在调节范围位于额定电流以上时,电流限制器205将采取行动来修改电流水平。因此,如果已经出现故障并且其稍后已经被清除,图6a中的过程将操作成使当前电流水平返回到正常操作期间的电流水平。从而,如果额定电流Irated位于调节范围以下,图6a的电流调节过程是合适的。如可以在图6a中看到的,不需要关于电流限制器205的任一侧上的电压的信号,并且从而,当调节范围完全位于额定电流以上时,电压测量装置610可以从控制***500中省略。然而,如期望的话,电压测量以及电流测量可以用于检测故障情形。 
然而,当额定电流位于调节范围以上时,情形是不同的,并且电流已经超出调节范围的最大电流这一事实不是电流限制器205应该被激活的适合的指示。在出现故障时,以及在出现任何故障之前&已经清除故障后的正常操作期间,在图6a中图示的方法将在该情形中将电流调节到位于额定电流以下(在调节范围内)。为了避免正常操作期间这样的不期望的电流抑制,额外的条件可以包括在图6a的方法中。这样的额外的条件例如可以基于电流限制器205的一个或两个侧上的电压水平,其取决于电流限制器是单向还是双向的。
关于图6a论述的调节过程(已经添加这样的额外条件的检查)的实施例在图6b中示出。图6b的实施例包括步骤603,在步骤600后、在进入步骤605之前进入该步骤603。在步骤603中,检查电流限制器的第一侧上的电压U1和电流限制器205的第二侧上的电压U2两者是否都超出较低电压水平Ulow。如果是这样的话,推断在电流限制器205所互连的区200中的任一个中没有故障出现,并且将重新进入步骤600。然而,如果在步骤603中发现电流限制器205的任一侧(或两侧)上的电压水平已经下降到较低电压水平Ulow以下,这是已经出现故障并且电流限制器205应该被激活的指示。然后进入步骤606。Ulow例如可以位于
Figure 896298DEST_PATH_IMAGE002
范围内。在步骤606中,检查k是否超出零。如果否的话,即如果没有断路器段300断开,则k设置成预定数量k0,其例如可以选择使得跨k0个非线性电阻器310的电压将近似对应于额定电压。然后进入步骤615a,其中生成指示k的信号545并且将其发送到控制信号发生器540。然后进入步骤620a,其中引入延迟以便使电流水平调节到新的电压情形。在延迟步骤620a后,重新进入步骤603。
另一方面,如果在步骤606中发现k已经超出零,则进入步骤605,其中代表断开的断路器段300的期望数量的数量k增加一。然后进入步骤615a。
一旦已经进入步骤605,程序与图6a的程序相似。然而,重新进入步骤603来确保故障仍存在,而不是在步骤620a/620b中的延迟后或在步骤625或630中的否定结论后重新进入步骤605。从而,在图6b的故障电流强度确定方法中,电流限制器205处的电压水平用作故障情形的指示符,而在图6a的方法中,通过电流限制器205的电流水平用作这样的指示符。如可以看到的,在其中期望故障电流范围位于额定电流以下的实施例中,电流限制器205的相应侧上的电压U1和U2的测量是有用的。
如果在步骤603中推断两侧上的电压超出Ulow,这指示故障已经被清除,在步骤600中限制强度指示符k设置成零。从而,电流限制器205失效。在备选实现中,在步骤603中发现电压超出Ulow后,限制强度指示符k将逐渐减少到零。
在调节范围包括额定传输电流Irated时,图6b的调节方法也是合适的。通过引入步骤603的条件,确保电流限制器205将在正常操作期间停用。如期望的话,图6b的调节方法也可以在调节范围位于额定电流Irated以下时使用。如将关于图9论述的,调节范围可以包括其中电流被限制为零的极端情况。
在图6a和6b中图示的调节方法中,电流和/或电压的幅值用作用于确定是否已经出现故障并且从而是否限制电流的基础。另一方面,万一使用双向电流限制器205,可以有利地使用电流的方向(符号)以便确定应该在哪个方向上阻断闭合的断路器段300。
调节通过分区电流限制器205的故障电流使得它下降在额定电流水平以上的调节范围内具有这样的优势:一旦故障已经被清除则提供电缆和/或架空线路(其形成有故障区200中的HVDC线路115)的更高充电。另一方面,调节通过分区电流限制器205的故障电流使得它下降在额定电流水平以下的调节范围内导致电流限制器205中较低的功率损耗,从而允许电流限制器205的不太耐热的设计(例如,在图3a和3b中示出的电流限制器205的非线性电阻器310的更简单的设计)和/或允许电流限制器205可以在较长的时段期间携带电流(从而便于使用较慢的HVDC断路器130)。较低的故障电流水平还对HVDC断路器130的电流阻断能力产生较低的要求。此外,电流限制器205中失去的功率将由环绕有故障区200的健康区200提供。从而,电流限制器205中较低的功率损耗可在故障持续期期间产生更稳定的健康区200的操作。如果调节范围包括额定电流Irated,一旦故障被清除则HVDC线路充电更高的优势以及较低功率损耗和较低故障电流的优势将存在但不太明显。根据最期望上文的优势中的哪个(些),调节范围可以选择成位于额定线路电流以上或以下,或包括额定电流Irated
由图6a和6b图示的过程仅是示范性的并且可以采用不同的方式改变。例如,在步骤610中获得的增加可以与一不同,并且例如可以取决于Imax与当前I值之间的差-如果该差是大的,则k可以比如果差是小的增加更高数量的步骤。相似地,k在步骤640中的减小可以大于一,并且例如可以取决于Imin与当前值I之间的差。此外,信号545可以指示k中的期望变化,而不是k本身。此外,在另一个类型的电流限制器205中,步骤610(640)可以代表使电流限制器205的限制强度增加(减小)的手段。图6a中的参数k用于代表断开的断路器段300的数量。然而,在一般情况下,参数k代表电流限制器205的当前限制强度的度量,并且可以称为限制强度指示符。信号545可以称为限制强度信号545。
图6a和6b的步骤606和607通过断开预定数量的断路器段而起到开启电流限制的作用。在另一个实现中,例如可以在步骤607中对k赋值,这取决于电流和/或电压的时间导数。在再另一个实现中,可以省略步骤606和607,并且可以仅在步骤610和640中确定电流限制强度。
延迟步骤620a和620b可以实现为相同的步骤。然而,根据DC电网100的电感,在使限制强度指示符k增加(620a)和减少(620b)的情况下使用不同的延迟持续时间,这可以是有益的。例如在电流位于Imax以上以便确保故障电流未以不期望的速率上升,这可是有益的,而在电流减小时,使用较长的延迟期使得电流可以稳定电流限制强度的不必要接通和切断,这可是有益的。因此,在一个实施例中,步骤620a中的延迟的持续时间要短于步骤620b中的。作为非限制性示例,步骤620a和620b中的延迟的持续时间可以位于50μs-10ms的范围内。然而,可以使用延迟的其他持续时间。
在本发明的一个实现中,电抗器700与电流限制器205串联连接,如在图7中示出的。通过使电抗器700与电流限制器205串联连接,电流的时间导数将减少。这例如在故障已经在位点中出现使得故障电流路径的电感是低的并且可用k中没有一个使故障电流保持在调节范围内的情景中可以是有益的。与电流限制器205串联的电抗器700在该情景中可以防止在不同k值之间开关的高频率。因为半导体开关305的开关典型地生成热,为了冷却目的使开关频率保持为低,这可是可取的。电抗器700的电感例如可以位于从大约十至几百mH的范围内。
由在图6a和6b中示出的限制强度确定机构535进行的过程的不同实施例仅涉及电流限制器205的主开关317的操作。然而,如关于图3a和3b论述的,使用进一步包括转换开关315的电流限制器205,这通常是有用的。一旦转换开关315已经断开并且电流已经换向到主开关317,由图6a和6b中的实施例描述的过程也适用于具有转换开关315的电流限制器205。
用于断开转换开关315的过程的实施例在图8a中图示。图8a的过程可以有利地与在图6a中示出的用于在调节范围位于额定传输电流以上时确定限制强度的过程一起使用。
图8a的过程基于转换开关315应该在检测到故障的第一指示(其中在比步骤605的故障检测更早的阶段接收该第一指示)时断开(其对应于对电流限制器205“布防”)这一思想。该故障指示因此大体上是不太确定的,但因为断开转换开关315不影响电网100的其他操作(因为功耗在短的时段期间增加),转换开关的不正确断开是可接受的。
在图8a的步骤600处,参数k首先设置成零,如在上文关于图6a论述的。然后进入步骤800,其中检查当前电流水平是否在布防电流水平Iarm以下。如果是这样的话,重新进入步骤800。然而,如果当前电流的幅值已经上升到Iarm以上,进入步骤805,其中转换开关315断开。在步骤810a中,检查当前电流是否在Iarm以下并且限制强度指示符k是否取零值。如果是这样的话,转换开关315闭合,并且重新进入步800。如果否的话,进入主开关激活决定步骤(与图6a的步骤605相比),其中开始确定电流限制器205的适合的限制强度的过程。
步骤810a在步骤805后被直接进入时可以视为多余的,并且然后可以省略。然而,也可以有利地在步骤630中已经发现限制强度指示符k是零(这时电流位于调节范围中的最小电流以下)之后进入步骤810。在该情形中,电流限制器205的电流限制功能性不再有效,并且可以有利地进行关于是否应该闭合转换开关315的检查。在该情形中,如果电流仍位于Iarm以上,使转换开关315保持在断开状态,以便很快能够再次限制电流(如需要的话),这将是有利的。然而,如果Iarm位于调节范围的最小电流以上,或如果不期望转换开关315的预防性维持,可以在步骤830中确定k已经取零值后直接进入步骤815。
图8b图示用于断开转换开关315的过程(其例如可以与在图6b中示出的用于在调节范围位于或部分位于额定传输电流以下时确定限制强度的过程一起使用)的示例。图8b的过程与图8a的相似。在限制强度指示符已经在步骤600中设置成零后,进入步骤800,其中检查电流是否位于布防电流Iarm以下。如果是这样的话,重新进入步骤800。如果电流水平大于Iarm,转换开关在步骤805中断开。然后进入步骤810b,其中检查电流水平是否位于布防电流以下。如果是这样的话,进入步骤815,其中转换开闭合合。然后重新进入步骤800。然而,如果在步骤810b中发现电流位于Iarm以下,进入主开关激活决定步骤(与图6b的步骤603相比),其中开始确定电流限制器205的适合的限制强度的过程。
与图8a相似,如果在转换开关已经在步骤805中断开后直接进入步骤810b则可以省略它。然而,也可以有利地在已经在步骤603中确定电流限制器205的两个侧上的电压位于较低电压水平Ulow以上时进入步骤810b。在该情形中,电流限制器205的电流限制功能性应该被停用,并且可以有利地进行关于转换开关315是否应该闭合的检查。在进入步骤810b之前可以引入步骤820,从步骤603的y分支进入该步骤820。因此,通过在步骤603中的肯定决定后进入步骤820而不是步骤600,在转换开关315将明确断开的情形中不必进行步骤800和805。在图8b中,步骤810b与图8a的步骤810a的不同之处在于未进行关于k是否是零的检查,因为k已经在步骤820中设置成零。然而,如期望的话,也可以在步骤810b中进行k检查。
图8a和8b的程序仅是示例,并且可以采用不同的方式更改。例如在图8a的一个实现中,省略步骤810a的检查,并且在步骤630中的否定决定后直接进入步骤815。相似地,图8b中可以省略步骤810b的检查,并且在步骤603中的肯定决定后可以直接进入步骤815-在该实现中,可以包括步骤820或省略它。
在图8a和8b中,故障的第一指示由当前电流水平I(其上升到布防电流水平Iarm以上)表示,Iarm可以是例如在Irated<Iarm<2Irated范围内。故障的第一指示的备选表示可以是电流限制器205的任一侧处的电压下降到布防电压水平Uarm以下。Uarm例如可以位于0.5Urated<Uarm<0.8Urated范围内。
如期望的话,与用于断开转换开关315不同的阈值可以用于闭合转换开关315,使得在电流用作故障的第一指示时步骤810a/810b的阈值高于步骤800的,或在电压用作故障的第一指示时低于步骤805的。
由控制信号发生器540进行的过程的实施例示意地在图9的流程图中图示。在步骤900处,从限制强度确定机构535接收限制强度信号545。在步骤905处,依赖限制强度信号(在确定过程中也可使用其他信息)确定需要的动作。当电流限制器205基于串联连接的断路器段300时,步骤300牵涉确定应该断开的断路器段300的数量。确定典型地还包括确定应该断开或闭合哪个(些)断路器段300。在步骤910中,然后在电流限制器205所连接的限制确定***515的输出处生成控制信号520。当电流限制器205包括半导体开关305时,这样的控制信号520例如可以包括采用常规方式的开通和/或阻断信号(其取决于断路器段300是应该接通还是切断)的组合。
步骤905的确定例如可以基于用于断开/闭合断路器段300的预定方案。这样的预定方案例如可以操作成在电流限制强度要增加(减小)时断开(闭合)断路器段400的半导体开关405,其使闭合(断开)的断器段300中最长的闭合(断开)。在这样的实施例中,控制信号发生器540例如可以包括存储器,用于存储关于不同的断路器段300在什么时刻最后被接通或切断的信息。备选地可以使用其他预定方案。
备选地,在基于断路器段的电流限制器中,控制信号发生器540可以在步骤905中基于不同线性电阻器310的温度或其中吸收的能量的量的估计来确定要断开或闭合哪个断路器段300,使得将从具有最低温度或对应地最高能量吸收能力的断路器段300选择断开的断路器段300。在故障持续期期间安全的最高温度或可以由非线性电阻器310安全吸收的最大能量典型地是已知的(冷却效应典型地可以在故障持续期期间忽略)。不同线性电阻器310的当前能量吸收能力然后例如可以通过计算非线性电阻器310中吸收的能量或凭借由温度传感器(其将设计成将温度信号输送到控制信号发生器540)进行的测量而估计。例如,下面的表达式可以用于估计非线性电阻器310中吸收的能量:
Figure 2011800691678100002DEST_PATH_IMAGE003
          (1a)
其中是
Figure 813438DEST_PATH_IMAGE004
由第i个非线性电阻器310自在时间tstart处出现故障以来的时间t处吸收的能量;I(t)是通过电流限制断路器205的电流,其由电流测量装置505测量并且对于电流限制***515是已知的;
Figure 2011800691678100002DEST_PATH_IMAGE005
是非线性电阻器310的已知U-I特性;并且ai(t)是函数,其在第i个断路器段的半导体开关305闭合时取0值并且在第i个断路器段300的半导体开关305断开时取1值。如期望的话,表达式(1a)可以细化成例如包括冷却效应。然而,在故障持续期期间,冷却效应大体上可以忽略,因为用于冷却的时间常数典型地比故障持续期长得多。此外,基于跨非线性电阻器的电压U310,i是恒定的这一假设的吸收能量
Figure 734121DEST_PATH_IMAGE004
的估计将在大部分的应用中给出足够准确的估计:
Figure 129330DEST_PATH_IMAGE006
             (1b)
当表达式(1)用于确定要断开或闭合哪些断路器段300时,在k增加时要断开的断路器段300例如可以是具有目前闭合的断路器段300中的最低
Figure 553489DEST_PATH_IMAGE004
的断路器段300,并且在k减小时闭合的断路器段例如可以是具有目前闭合的断路器段300中的最高
Figure 375952DEST_PATH_IMAGE004
的断路器段300。
在清除故障之后,非线性电阻器310中吸收的能量的估计应该有利地调整反映冷却,使得万一出现另一个故障,吸收能量的准确估计可获得。在一个实现中,这通过仅允许在经过自电流限制器205被激活(这时
Figure 2011800691678100002DEST_PATH_IMAGE007
重新设置成初始值)以来的冷却时段后重新闭合电流限制器205而解决。
如果存在电流限制器205可被损坏除非电流实际上被阻断而不是被限制这样的指示,步骤905的确定可以在电流限制器205是电流限制断路器时有利地导致断开充足的(典型地,所有的)断路器段300以便阻断电流的决定。这样的损坏指示例如可以基于非线性电阻器310中的吸收能量;基于非线性电阻器310的温度测量;或基于这样的时间,在该时间期间非线性电阻器310已经在故障持续期期间接通。在由于过多的吸收能量而使电流限制器205跳闸时评估的程序例如可以基于具有最高吸收能量的断路器段300。假设完全阻断电流将需要所有的断路器段300,应该确保具有最高吸收能量的断路器段300可以在最后的时间被接通。从而,在一个实施例中,电流限制器205在非线性电阻器310的吸收能量达到能量阈值时跳闸,并且如果被切断的话,另一个断路器段300中没有非线性电阻器310可以接通来取代它。能量阈值可以设置成具有到非线性电阻器310将被损坏所处的能量水平的裕度。在断开所有断路器段300中,由电流限制器205所连接的非故障区200对有故障区200的故障电流贡献将被取消。
如果电流限制器205已经跳闸以便保护非线性电阻器以免热损坏,在一个实施例中,控制***500可以继续监测电流限制器205处的电压U1和U2(或,在单向限制器情况下,仅U1或U2)。在该实施例中,在这样的电流限制器205的自保护性跳闸(其中调节范围的最小电流Imin设置成零)时,可以进入例如在图6b中示出的那个等过程。如果有故障区200连接到另一个电流源(其的电流供应已经被切断),例如HVDC转换器105或另一个分区HVDC线路115z,这将特别有用。在故障被清除时,在故障持续期期间被抑制的电压然后将开始上升,从而向电流限制器205提供故障已经被清除的指示。
用于获得损坏指示的吸收能量估计例如可以根据表达式(1a)或(1b)进行。然而,为了确保在最近已经清除另一个故障时万一出现故障实际上可以阻断电流,应该有利地考虑非线性电阻器310的冷却。这例如可以通过仅允许在经过自电流限制器205被激活以来的冷却时段后重新闭合电流限制器205使得电流限制器205的重新断开可以在不损坏非线性电阻器的情况下进行而解决。在一个实现中,用于冷却的时间常数可以是大约一小时。备选地,用于估计吸收能量的表达式可以细化成包括冷却效应。设置成生成损坏指示以及自保护跳闸信号(如需要的话)的自保护控制***例如可以实现为控制***500的一部分,或实现为独立保护***135的一部分。在其中电流限制器205不能阻断电流的实施例中,这样的损坏指示可以用于触发HVDC断路器130的跳闸,从而保护电流限制器205。
为了确保电流限制器205在电流限制器不能在自保护***给出跳闸指令时跳闸的罕见事件中将不受损坏,可以提供多余的电流限制器205,或在电流限制器205基于串联连接的断路器段300时,可以在电流限制器205中提供多余的断路器段300。备选地,HVDC连接可以短路使得电流限制器205被绕过,从而使另一个区200中的HVDC断路器130或电流限制器205没有故障。
在图10中,示出示意地图示图5的限制确定***515的备选方法,其中限制确定***515通过使用硬件和软件的组合而实现。图10示出限制确定***515包括处理工具1000,其连接到采用存储器形式的计算机程序产品1005以及接口1010和1015。接口1010设置成接收输入信号,其包括与限制强度确定相关的信息。这样的信号包括指示当前电流水平的信号I,并且还可以包括例如信号U1或U2(或两者,视情况而定)和指示非线性电阻器310的温度的信号,如在上文论述的。接口1015设置成输送控制信号520。
存储器1005存储采用计算机程序1020形式的计算机可读代码工具,该计算机程序1020在由处理工具1000执行时促使限制确定***515进行电流限制控制方法。这样的方法的不同实施例在图6a-b、图8和图9中图示。也就是说,在该实施例中,限制确定***515将凭借一个或多个通用处理器或尤其为限制确定***515而开发的一个或多个处理器结合用于进行电流限制控制的软件1020来实现。在图10中,软件1020示出为存储在物理存储器1005上,然而,软件1020可以在超过一个的物理存储器1005上划分。存储器1005可以是任何类型的非易失性计算机可读工具,例如硬驱动器、闪速存储器、EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)、DVD盘、CD盘、USB存储器等。
图11a-11d图示根据上文描述的一些实施例在时间tf处在第一区200中出现线路故障并且在时间tc处清除故障的情形中的事件序列。通过分区电流限制器205的电流I以及电流限制器205的第一区侧处的电压(U1)和电流限制器205的另一侧处的电压(U2)相对于时间而标绘。图11a和11b代表其中电流限制器205没有转换开关315的实施例,而图11c和11d代表其中存在转换开关315的实施例。此外,图11a和11c代表其中而定电流位于调节范围以下的实施例,而图11b和11d代表其中额定电流位于调节范围以上的实施例。值得注意的是,相邻区侧处的电压U2基本上不受干扰,从而使得在故障持续期期间在该相邻区200中也继续有组织的功率传递成为可能。
在上文,已经从凭借HVDC断路器130(或凭借HVDC断路器130和AC断路器,如能适用的话)而在有故障对象的任一侧上断开有故障对象方面描述故障的清除,这之后可以恢复有故障区200的健康部分的正常操作。然而,本发明还便于DC电网100具有很少或没有HVDC断路器130,因为在故障电流由限定区200(其中出现故障)的电流限制器205限制时,故障可以通过使有故障区200中的较大部分或全部断开而清除。因此,在被分成区200的DC电网100中,DC电网100的最小部分(其凭借HVDC断路器130而能断开)可以更大,同时仍实现故障影响的限制(对区200或区的一部分)。在极端情况下,区200的断开可以受HVDC转换器105(其连接到有故障区200)的AC侧处的AC断路器的影响。例如,如果在图4中示出的DC电网中没有HVDC断路器130存在,在故障电流已经受到电流限制器205的限制时,故障400的影响可以通过断开AC断路器而受限制,这些AC断路器将区200:1中的五个HVDC转换器连接到对应的AC电力***。然后可以维持区200:2的正常操作。如果区200不包括HVDC断路器130,电流限制器205应该在故障情况下优选地阻断故障电流。在该配置中,电流限制器205可以被不可能独立控制不同断路器段的快速HVDC断路器所取代。这样的快速HVDC断路器130例如可以包括转换开关315和主开关,其中该主开关包括半导体开关305和与该半导体开关并联连接的非线性电阻器310。备选地,可以省略转换开关317。
DC电网100凭借电流限制器205而分成区200可以适用于单极和双极分区HVDC线路115z两者。如果分区HVDC线路115z由两极线路组成(其具有正和负极电压),线路115z将配备有两个(优选地,双向)电流限制器205,而对于具有或没有金属回路的分线HVDC线路115z(正或负极电压),单个(优选地,双向)电流限制器205将典型地在单极线路上使用。备选地可以使用其他配置。
通过如上文描述的那样将DC电网100分成不同的区200而实现第一区200中的故障将不显著影响DC电网100的其他区200中的电力传输。此外,由DC电网100的其他区200对有故障区200中的故障电流的贡献将受到限制,从而使有故障区200中的故障电流水平降低。为了使有故障区中的故障电流的水平进一步降低,连接110也可以提供有电流限制机制。通过使连接110提供有电流限制机制,由AC电力***(HVDC转换器105、连接的有故障区200连接到其)对有故障区200中的故障电流的贡献将受到限制。电流限制机构例如可以通过在连接110中连接电流限制器或通过设置HVDC转换器105使得它将能够限制连接110上的电流、例如采用在2009年Cigré SC B4 2009 Bergen Colloquium的 N M MacLeod等人的“The development of a Power Electronic Building Block for use in Voltage Source Converters for HVDC transmission applications(供在HVDC传输应用的电压源转换器中使用的电力电子积木的发展)”以及在2010年IPEC 2010会议的R Marquardt的“Modular Multilevel Converter: An universal concept for HVDC-Networks and extended DC-Bus-applications(模块化多级转换器:HVDC电网和扩展的DC总线应用的普遍概念)”中描述的方式而提供给连接110。
图12示意地图示DC电网100的示例,其中连接110中的电流限制机制凭借在连接110中连接的电流限制器1205而提供。该电流限制器1205可以采用在上文关于电流限制器205描述的方式而实现并且控制。典型地,如果电流限制器1205是单向的并且能操作成限制从HVDC转换器105朝DC电网100流动的电流,这将是足够的。在图12中,电流限制器1205示出为取代HVDC断路器130i。然而,可以另外提供HVDC断路器130i。如果使用单向电流限制器1205,这样的HVDC断路器130i例如可以是有益的,以便限制连接110或HVDC转换器105中的故障对DC电网100的影响。
电流限制器1205可以有利地用于限制从经由HVDC转换器130而连接到有故障区的AC***流入有故障区的电流。通过将连接110中的电流限制可能性与DC电网100成为不同区200的划分组合,其中出现故障的区200中的故障电流可以高效地控制到可接受水平。
按照关于图6b论述的方法,连接110中的电流限制机制可以有利地设置成在故障情况下将电流限制成位于这样的调节范围内,该调节范围下降到HVDC转换器105的额定DC电流以下。在将故障电流限制在HVDC转换器105的额定电流以下的调节范围中,确保HVDC转换器105的开关单元将仍然是可控的。HVDC转换器105将能够输送给连接的AC电力***的无功功率的量将取决于通过连接110的故障电流与HVDC转换器105的额定电流之间的差-该差越大,可以输送到连接的AC电力***的无功功率的量越高,从而便于采用使得连接的AC电力***上由DC电网中的故障产生的干扰将被最小化这样的方式高效控制AC电压。
凭借本发明,经受故障的DC电网100中的DC电压崩溃的地理扩散将受到限制,并且从而,本发明便于在没有在DC电网100中的一个部分中出现的故障将破坏整个DC电网100这样的风险的情况下建立大的DC电网100。
已经从高压DC电网方面进行上文的描述。然而,本发明同样能适用于包括具有任何电压水平的AC/DC转换器的DC电网,该DC电网包括中压直流(MVDC)电网,其包括MVDC转换器和MVDC断路器。
尽管在附属的独立权利要求中阐述本发明的各种方面,本发明的其他方面包括在上文的描述和/或附属的权利要求中呈现的任何特征的组合,而不仅仅是在附属的权利要求中明确阐述的组合。
本领域内技术人员将意识到本文呈现的技术不限于在附图和前述的详细描述中公开的实施例(其仅为了说明目的而呈现),但它可以采用许多不同的方式来实现,并且它由下面的权利要求限定。

Claims (22)

1.一种DC电网(100),包括经由DC线路(115)而互连的多个AC/DC转换器(105),其中
所述DC电网进一步包括至少一个电流限制器(205);并且
所述DC电网凭借所述至少一个电流限制器(205)采用一定方式而分成至少两个区(200),使得电流限制器在所述一个或多个DC线路(115z)中的每个中连接,通过其两个区而互连。
2.如权利要求1所述的DC电网,其中
至少一个电流限制器包括串联连接的独立可控的断路器段(300),其中断路器段包括并联连接的非线性电阻器(310)和关断型半导体开关(305)。
3.如权利要求1或2所述的DC电网,其中
至少一个电流限制器是能够在至少额定电压处阻断电流的电流限制断路器。
4.如上述权利要求中任一项所述的DC电网,进一步包括
自保护控制***(135;500),其能操作成如果所述电流限制器有热损坏的风险则生成损坏指示,并且响应于这样的损坏指示而生成命令所述电流限制器或保护所述电流限制器的断路器阻断电流的跳闸信号。
5.如上述权利要求中任一项所述的DC电网,进一步包括与将第一和第二区连接的电流限制器连接的
控制***(500),用于控制所述电流限制器的电流限制强度,所述控制***能操作成如果故障在所述第一区中出现则命令所述电流限制器限制从所述第二区通过所述电流限制器而流入所述第一区内的电流。
6.如权利要求5所述的DC电网,其中
所述控制***包括电流测量装置(505),其布置成测量通过所述电流限制器的电流;并且
所述控制***能操作成检测故障(605;603),并且如果已经检测到故障,以采用一定方式来调整(610,640)所述电流限制器的电流限制强度,使得:
如果通过所述断路器的电流超出第一电流阈值(Imax),则电流限制强度增加;并且
如果通过所述断路器的电流下降到第二电流阈值(Imin)以下,则电流限制强度减小。
7.如权利要求6所述的DC电网,其中
所述控制***进一步包括电压测量装置(510),其布置成测量所述电流限制器的至少一侧上的电压;并且
所述控制***能操作成通过检查(603)所述电流限制器的至少一侧上的电压是否下降到第一电压阈值(Ulow)以下来检测故障。
8.如权利要求6所述的DC电网,其中
所述控制***能操作成通过检查(605)通过所述电流限制器的电流是否上升到所述第一电流阈值以上来检测故障。
9.在依赖于权利要求2时如上述权利要求中任一项所述的DC电网,其中
所述控制***进一步能操作成估计所述非线性电阻器的当前能量吸收能力;并且
所述控制***能操作成如有的话则依赖非线性电阻器不同的能量吸收能力来选择应该断开或闭合哪个(些)断路器段。
10.如上述权利要求中任一项所述的DC电网,其中
将AC/DC转换器连接到所述DC电网的至少一个连接提供有电流限制机制(1205)。
11.如上述权利要求中任一项所述的DC电网,其中
至少一个区中的至少一个对象(105,110,115)凭借连接到所述区中的AC/DC转换器的AC断路器而受到保护。
12.一种限制DC电网(100)中故障的影响的方法,所述DC电网(100)包括经由DC线路(115)而互连的多个AC/DC转换器(105),所述方法包括:
将所述DC电网分成至少两个区,其使至少一个电流限制器(205)在所述一个或多个DC线路(115z)中的每个中串联连接,通过其两个区(200)而互连。
13.如权利要求12所述的方法,其中,所述DC电网包括与至少一个分区的电流限制器连接的控制***,其用于控制所述电流限制器的电流限制强度,所述方法进一步包括:
在所述控制***中检测(603;605)故障;并且响应于检测故障而:
采用一定方式来调整(610,640)所述电流限制器的电流限制强度,使得
如果通过所述断路器的电流超出第一电流阈值(Imax),则电流限制强度增加;并且
如果通过所述断路器的电流下降到第二电流阈值(Imin)以下,则电流限制强度减小。
14.如权利要求13所述的方法,其中
至少所述第二电流阈值位于所述额定传输电流以下。
15.如权利要求13所述的方法,其中
所述第二电流阈值位于所述额定传输电流以上。
16.如权利要求13-15中任一项所述的方法,其中
故障的检测通过检查所述电流限制器的至少一侧上的电压是否下降到第一电压阈值(Ulow)以下而执行。
17.如权利要求15或16所述的方法,其中
故障的检测通过检查通过所述电流限制器的电流是否超出所述第一电流阈值而执行。
18.如权利要求13-15中任一项所述的方法,其中
如果电流超出所述第一电流阈值则调整的步骤中的电流限制强度依赖当前电流水平与所述第一电流阈值之间的差而设置;并且
如果电流下降到所述第二阈值以下则调整的步骤中的电流限制强度依赖当前电流水平与所述第二电流阈值之间的差而设置。
19.如权利要求13-18中任一项所述的方法,其中,电流限制器包括多个单独可控的串联连接的断路器段(300),每个包括并联连接的非线性电阻器(310)和关断型半导体开关(305),其中
如果任一个断路器段闭合,使电流限制强度增加包括将阻断信号(520)发送(920)到至少一个闭合的断路器段;并且
如果任一个断路器段断开,使电流限制强度减小包括将开通信号(520)发送(920)到至少一个断开的断路器段。
20.如权利要求19所述的方法,进一步包括:
估计所述非线性电阻器的当前能量吸收能力;并且
如有的话,依赖非线性电阻器不同的能量吸收能力来选择应该断开或闭合哪个(些)断路器段。
21.如权利要求13-20中任一项所述的方法,其中
所述电流限制器包括与主开关(317)并联连接的转换开关(315);
调整电流限制强度的所述步骤以所述转换开关断开为条件;并且
所述方法进一步包括:
如果:
通过所述电流限制器的电流超出第三电流阈值(Iarm),其中所述第三电流阈值在正常操作期间的预期电流水平以上,或
所述电流限制器205的侧处的电压下降到第二电压阈值以下,其中所述第二电压阈值在正常操作期间的预期电压水平以下,
则断开(805)所述转换开关,从而使电流换向到所述主开关。
22.如权利要求12-21中任一项所述的方法,进一步包括
依赖所述电流限制器的当前能量吸收能力的估计而生成损坏指示,其指示所述电流限制器有热风险;以及
响应于所述损坏指示使所述电流限制器跳闸来阻断电流。
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