CN103891082B - Ac与dc***之间的接口布置 - Google Patents

Ac与dc***之间的接口布置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于AC***(10)与DC***(11)之间的耦合的接口布置(20)。该布置包括：转换器(12)，用于AC与DC之间的转换，并且包括具有用于连接到DC***的第一和第二端子(T1、T2)的DC侧以及具有用于耦合到AC***的一组端子(T3)的AC侧；变换器(18)，包括具有用于耦合到AC***的第一组一次绕组的一次侧以及具有耦合到转换器的第二组二次绕组的二次侧，其中变换器配备有第三组辅助绕组，并且短路装置(24)连接在第三组辅助绕组与地之间。

Description

AC 与 DC ***之间的接口布置
技术领域
一般来说，本发明涉及输电***。更具体来说，本发明涉及用于AC***与DC***之间的耦合的接口布置。
背景技术
接口布置已知被连接在交流(AC)***(常常表示为AC电网)与直流(DC)***(例如高压直流(HVDC)***)之间。这种布置通常包括转换器、例如电压源转换器，供AC与DC之间的转换，并且具有连接到DC***的DC侧以及用于耦合到AC***的AC侧。该布置还常常包括变换器，其具有连接到AC***的一次侧以及用于耦合到转换器的二次侧。还存在变换器的一次绕组与AC***之间的AC断路器，以便通过将转换器站与AC***隔离来保护转换器。此外，变换器可包括辅助绕组，其可用于例如其中提供接口布置的发电站或转换器站的电源。这种电力可用于发电站的供电、例如用于冷却转换器的组件的冷却设备的供电中。
关于可以是基于单元的多电平转换器的转换器，可发生需要处置的多个故障。
一种类型的故障是转换器与变换器之间的AC母线上的过电压。这种故障可通过例如在AC母线与地之间提供电涌放电器来处理。
在基于单元的多电平转换器中，这种解决方案因单元的使用而难以实现。
此外，例如用于将接口布置与AC***隔离的AC断路器的断开有时可能出故障，因为AC电流可包含过高的DC分量，并且由此转换器与AC***之间的电流可缺乏零交叉，这使AC断路器不可能断开。
相臂（phase arm）上的一种破坏性过电压能够通过在变换器与转换器的AC端子之间的单相－地故障来引起。
还有可能的是，DC极－地故障可发生，这能够使高电流在转换器的二极管中流动。
存在用于处理这类故障的一些解决方案。
WO2010149217例如描述一种用于在单相－地故障时保护变换器的方法。按照该文献，在检测到地故障时，变换器的二次侧的未接地中性线连接到地。这样，在采用具有较低要求的放电器和快速开关装置进行处理的同时，二次侧的过电压能够降低。
US 6411529描述一种发电站控制***，其中整流二极管采用可控半导体来替代。因此，因故障而通过二极管的反向电流能够通过控制可控半导体来阻塞。
因此，需要处理特别是在基于单元的多电平电压源转换器中的上述类型的故障方面的改进。
发明内容
本发明解决这种情况。因此，本发明针对改进接口布置的故障处理。
按照本发明的一个方面，这通过用于AC***与DC***之间的耦合的接口布置来实现并且包括：
转换器，用于AC与DC之间的转换，所述转换器包括具有用于连接到所述DC***的第一和第二端子的DC侧以及具有用于耦合到所述AC***的一组端子的AC侧，
变换器，包括具有用于耦合到所述AC***的第一组一次绕组的一次侧以及具有耦合到所述转换器的第二组二次绕组的二次侧，所述变换器配备有第三组辅助绕组，以及
短路装置，连接在所述第三组辅助绕组与地之间。
所使用的表达“耦合”意在涵盖两个元件之间的间接电连接的可能性。因此，可存在放置于定义为相互耦合的两个元件之间的一个或多个元件。另一方面，表达“连接”意在表示两个实体相互之间没有任何实体的直接电连接。
本发明具有多个优点。它提供诸如极－地故障和单相－地故障之类的故障的快速处理。这些故障能够在对称单极、不对称单极以及甚至双极***中处理。此外，采用有限数量的附加元件来处置这些故障，因为通常提供一组辅助绕组，以用于提供辅助电源。本发明还允许其它可选限制元件的大小减小。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明，附图包括：
图1示意示出AC***与第一类型的DC***之间、按照本发明的接口布置的第一变化，
图2示意示出AC***与第二类型的DC***之间、按照本发明的接口布置的第二变化，
图3示意示出供接口布置中使用的可控短路装置的第一变化，以及
图4示意示出供接口布置中使用的可控短路装置的第二变化。
具体实施方式
下面将描述本发明的实施例。
本发明针对提供一种用于将直流(DC)***与交流(AC)***进行接口的布置，其中***均可以是输电***。DC***例如能够是高压直流(HVDC)输电***，以及AC***可以是灵活交流输电***(FACTS)。但是，这些类型的***只是这类***的示例，而不应当被理解为要求。本发明也能够应用于例如配电***中。
图1示意示出用于AC***10与DC***11之间的连接、按照本发明的第一实施例的接口布置的单线图。AC***10可以是三相AC***。DC***11又包括两极P1和P2，它们经由该布置耦合到AC***10。在这个实施例中，DC***11是对称单极***。
为了使DC***能够连接到AC***10，该布置包括用于AC与DC之间的转换的转换器12。转换器12可用作整流器和/或逆变器。转换器12可以是电压源转换器，以及在这个实施例中，它是基于单元的多电平电压源转换器。这种转换器通常由设置在相脚（phase leg）的相臂中的多个单元14来组成，其中每个AC相存在并联设置于DC极P1与P2之间的一个相脚，其中这种相脚与DC***之间的第一极P1之间的连接点提供第一DC端子T1，以及相脚与DC***的第二极P2之间的连接点提供第二DC端子T2。每个相脚包括两个相臂。相脚中存在从第一极P1通向转换器的AC端子T3的上相臂以及从第二极P2通向AC端子T3的下相臂。相脚中的单元14围绕AC端子T3对称地放置。单元14有利地级联在单元臂中。转换器12中通常存在三个相脚。但是，因为图1是单线图，所以仅示出一个相脚。此外，它仅以一般方式示出。由于相同原因，图1仅示出一个AC端子T3。但是，AC端子T3设置在一组端子中，该组端子通常包括三个AC端子，每个相脚一个。
各单元14可以是半桥单元，其由两个串联连接开关元件组成，其中两个串联连接开关元件具有与这两个元件并联连接的电容器。通常采用具有反并联二极管的关断类型半导体器件、例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的形式来提供开关元件。在这个示例中，单元的两个开关元件之间的中点连接到后一单元的电容器的一端。这样，单元级联地连接在两极P1与P2之间的两个相臂中。在这种类型的转换器中，各单元提供被组合以用于形成AC电压的零或小电压份额。
在这个第一实施例中，提供上相臂与下相臂的单元之间的滤波器16。滤波器16包括第一和第二相电抗器，其中第一电抗器的第一端连接到上臂，以及第二电抗器的第一端连接到下臂。还存在连接于这些电抗器的中点之间的电容器。这两个电抗器的第二端经过互连，并且还连接到AC母线17或者一组导体。
因此，转换器12具有用于连接到DC***11、以及更具体来说是连接到DC***的至少一极P1和P2的DC侧以及耦合到AC***10的AC侧。
可由于多种不同原因而提供滤波器16。它可用于去除相脚之间的循环电流。它可被提供以用于去除在转换器12的操作期间已经添加的零序三次谐波。还可提供滤波器16，以用于从AC电压中去除其它谐波。在这个位置不需要滤波器的情况下，则可去除电容器。因此，滤波器是可选的。
第一实施例的DC***11是对称单极***。因此，转换器包括连接在两极P1与P2之间的一对电容器C1和C2，以及这些电容器C1与C2之间的中点接地。
该布置还包括变换器18，其包括具有用于耦合到AC***10的第一组一次绕组的一次侧以及具有耦合到转换器12的AC侧的第二组二次绕组的二次侧。在这个第一实施例中，二次绕组更具体来说经由AC母线17连接到滤波器16。
在本示例中，提供母线17和AC***10以用于传送三相AC电压。为此，变换器18的一次侧包括三个一次绕组(未示出)，其在这个第一实施例中按照星形配置来连接。但是，应当认识到，对于三角形配置也是可能的。此外，在这里，一次侧具有中性点，其耦合到地。中性点可直接连接到地，如图1所示。但是，它也可经由限制元件、例如经由阻抗或者经由电涌放电器来耦合到地。此外，一次侧经由断路器20连接到AC***。由于AC***是三相***，所以断路器20通常包括三个断路元件，每相一个。
变换器18的二次侧还包括按照星形配置所连接的三个二次绕组(未示出)。但是，应当认识到，对于三角形配置也是可能的。因此，第二组二次绕组可按照三角形或者星形配置来连接。如果二次绕组按照星形配置来连接，则这个连接的中心点或中性点可经由限制元件(其在这个实施例中采取电涌放电器22的形式)耦合到地。
最后，变换器18包括第三组绕组，其是辅助绕组并且也通常为三个。这些绕组在这个实施例中被三角形连接。辅助绕组设置用于例如向发电站或转换器站(其中提供接口布置)提供辅助电力。这个辅助电力可用于操作诸如发电站的冷却设备之类的设备。连接到第三组绕组的辅助电源***26在图1中示意示出。提供给这个电源的电压电平比转换器的输出电压电平明显要低，并且因此第三组辅助绕组具有比第二组二次绕组更少的匝数。为此，第二组一次绕组与第三组辅助绕组之间的匝数比可以是至少10:1。
还存在连接于第三组辅助绕组与地之间的短路装置24。这个装置24还与辅助电源***26并联连接。短路装置24是在DC极－地故障发生时或者在转换器AC母线故障发生时设置成短路的装置，这将在后面更详细描述。因此，装置24设置成在这种故障的情况下将第三组绕组连接到地。短路装置还确定量级成可工作在第三组辅助绕组的电压电平。
此外，在这个第一实施例中，存在故障检测单元27，其配置成检测第一和第二故障F1、F2，并且基于故障检测来控制短路装置24。为此，故障检测单元27可连接到第一和/或第二极P1、P2，和/或连接到转换器12与变换器18之间的AC母线17。
图2示出接口布置的第二实施例，其按照许多方式、按照与第一实施例中相同的方式来设置。一个差别在于，DC***是不对称单极***，这使第二极P2接地而不是两个电容器之间的中点。另一个差别在于，变换器18的二次侧的第二组绕组被三角形连接。因此，也不存在电涌放电器。在所有其它方面，按照第二实施例的接口布置与第一实施例中相同。由于不对称单极***是用于形成双极***的基础，所以还应当认识到，本发明的接口布置同样也能够与这种双极***配合使用。
图3示出短路装置的一种可能实现。在这种实现中，短路装置是中压高速开关24A。开关24A通常每相包括一个开关元件SW1、SW2和SW3。因此，存在连接于第三组绕组中的对应绕组与地之间的一个开关元件。开关通常是具有比40 ms更快的响应时间的开关。因此，它将在自被激活以闭合的40 ms之内起作用。此外，开关24A通常是对于在第三组辅助绕组所使用的电压电平确定量级的机械开关。
短路装置的第二变化在图4中示出。在这里，短路装置是采取有源短路器24B的形式、即采取具有多个并联桥脚的二极管桥的形式的电子开关装置。在这种情况下，存在三个桥脚，第三组辅助绕组的各绕组一个。在这里，存在包括第一和第二二极管D1和D2的第一脚、包括第三和第四二极管D3和D4的第二脚以及包括第五和第六二极管D5和D6的第三脚，其中相脚的二极管具有相同取向。每个桥脚的中点连接到第三组辅助绕组中的对应绕组。此外，每个脚的两端经由与电阻器R串联的开关来互连，其中开关包括具有反并联二极管D的半导体元件T。在这里，半导体元件可具有接通和关断类型，并且因此在这里也可以是IGBT。因此，至少开关的闭合通过从故障检测单元供应控制信号来提供。作为一个备选方案，开关可作为晶闸管来提供。
短路装置24的第三可能变化是空气隙，其设置或确定量级成在跨该间隙的某个电压变为短路。由于空气隙也连接到变换器的第三组绕组，所以显然，电压将具有对其它组变换器绕组并且因而还对第二组绕组的电压变化的相关性。因此，能够看到，空气隙可确定量级为根据AC母线17的电压以及第二与第三组绕组之间的匝数比而短路，其中电压可以是AC母线故障过电压。当使用空气隙时，有可能省略故障检测单元27。
提供本发明以用于处理接口布置中的故障、如图1和图2所示的故障。因此，它被提供以处理如DC极－地故障等转换器故障以及如转换器的单相－地故障等AC母线故障。极－地故障F2将经由转换器12的二极管引起高电流。母线17的相之一上发生的单相－地故障F1也将在同一母线17引起过电压。但是，这种过电压在其它相上引起。
在操作中，转换器的单元例如使用脉宽调制(PWM)来控制，以用于得到AC母线17的电压。然后有可能的是，前面所述类型之一的故障发生。
在转换器侧变换器18与转换器AC端子T3之间这样发生的上述单相－地故障F1已经鉴定为转换器的大多数破坏性过电压之一。对于对称单极转换器，解决方案至今是设计具有低电压和高能量处理能力的放电器22，使得它能够将中性点电压钳制为较低。这种类型的电涌放电器成本很高。它还将占用转换器站的大空间。对于不对称单极，尚未找到可靠的解决方案。
如先前所述，DC极－地故障F2引起极大电流在转换器单元14的二极管中流动。这通常将在AC断路器20(其将转换器站连接到AC***10)没有断开的时间期间发生。
限制这类电流的方式可能是提供AC母线17与地之间的三相AC断路器，以及一旦检测到DC极－地故障F2则闭合这个断路器。但是，这种断路器必须对转换器12所提供的高电压电平来确定量级。这些电压电平可能很高，并且因此断路器常常具有昂贵设计。它在物理上也是很大的。
如以上能够看到，这些故障能够在转换器中使用的半导体上引起极高电压或电流应力。它们有时还可能引起显著大小的AC电流中的DC偏置。这种DC偏置可使转换器12与AC***10之间的主要AC断路器20因缺乏零交叉而无法断开。
本发明的接口布置提供一种通用解决方案，其能够处理图1和图2中的两种配置的这些致命故障。
这种通用解决方案基于对问题本身的了解。两个故障(一个引起高电压，而另一个引起高电流)在从故障发生到AC断路器20的断开的持续时间期间存在。一旦AC断路器20断开，则AC源电压与转换器12隔离，并且由此高压电/高电流的最终源被切断。然而，如果存在用于断开的条件(其中条件通常是电流中的零交叉的存在)，则AC断路器20通常需要40 ms来断开，如果不存在这类零交叉，则断开可需要比40 ms长许多的时间。
不是仅集中于使用AC断路器20来隔离AC源、即转换器12，本发明而是打算使AC源的“电力”为最小或者AC源的“电力”的旁路。
在变换器18中，第三组绕组通常对于站辅助电源26将具有大约20 kV的输出电压。按照本发明，一旦故障发生F1和/或F2例如由故障检测单元27检测到，短路装置24将被指示闭合或者自行闭合，使得它造成第三组绕组的短路。当这个短路形成时，转换器12与变换器18之间的电压、即变换器的二次侧的电压将极大地降低。这引起相臂上的高电压的降低。短路还使流经主要AC断路器20的电流是对称的，使得它能够及时断开。
因此，当这种故障发生时，需要将DC***11与AC***10切断，这因需要等待故障电流的零交叉而不可能直接执行。因此，故障检测单元27在检测到故障时，首先控制短路装置24使变换器18的第三组辅助绕组短路，这在40 ms之内快速进行。这种活动限制通过AC断路器20的电流电平，并且由此得到零交叉，这实现断路器20的断开。
本发明具有多个优点。它提供极－地故障和单相－地故障的快速处理。这些故障能够在对称单极、不对称单极以及甚至双极***中处理。此外，采用有限数量的附加元件来处置这些故障，因为通常提供一组辅助绕组，以用作电源。在开关的情况下，这也以经济和简单实现进行，特别是与AC母线与地之间的先前所述断路器相比。出于长期观点短路器更为健壮。由于它是电子的，所以它还很快。如果电涌放电器连接到变换器，则这个电涌放电器在大小方面并且因此也在成本方面可以降低，因为对其能量容量的要求因短路装置而可极大降低。
虽然本发明的主要优点见于处理基于单元的转换器的故障方面，但是应当认识到，发明概念也能够与其它类型、例如二或三电平电压源转换器配合使用。本发明实际上也可与电流源转换器配合使用。此外，单元并不局限于半桥单元，而是作为一个备选方案，可以是全桥单元。
如果使用故障检测单元，则有可能的是，这仅检测故障之一。这可与配置成检测另一故障的又一故障检测单元的提供相组合。这两种单元均可控制短路装置。此外，通过使用空气隙，可在无需使用故障检测单元的情况下提供接口布置。
第二组二次绕组可在对称单极***中按照三角形或星形配置来连接。这意味着，有可能为对称单极***选择第二组二次绕组的三角形或星形配置。但是，在不对称单极或双极***中，只有三角形配置是可能的。
故障检测单元可作为连接到测量单元、例如电流或电压变换器的比较器来提供，其中比较器将所测量的量与故障阈值进行比较，并且基于该比较来生成开关信号。比较功能性也可通过具有包括计算机程序代码指令的计算机程序存储器的计算机或处理器来实现，其中计算机程序代码指令在被运行时使计算机或处理器执行比较。
通过本发明的不同变化的以上描述，应当认识到，它仅受到随附权利要求的限制。

Claims (15)

1.一种用于AC***(10)与DC***(11)之间的耦合的接口布置，包括：
转换器(12)，用于AC与DC之间的转换，所述转换器包括具有用于连接到所述DC***的第一和第二端子(T1、T2)的DC侧以及具有用于耦合到所述AC***的一组端子(T3)的AC侧，
变换器(18)，包括具有用于耦合到所述AC***的第一组一次绕组的一次侧以及具有耦合到所述转换器的第二组二次绕组的二次侧，所述变换器配备有第三组辅助绕组，
短路装置(24)，连接在所述第三组辅助绕组与地之间，以及
故障检测单元(27)，其配置成检测所述转换器端子之一上的故障，并且激活所述短路装置（24）以用于使所述第三组辅助绕组短路。
2.如权利要求1所述的布置，其中，所述第三组辅助绕组具有比所述第二组二次绕组少的匝数。
3.如权利要求2所述的布置，其中，所述第二组二次绕组与所述第三组辅助绕组之间的匝数比为至少10:1。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的布置，其中，所述短路装置配置成在被激活之后的40 ms之内执行短路。
5.如权利要求1-3中的任一项所述的布置，其中，所述短路装置连接到与辅助电源***(26)并联的所述第三组辅助绕组。
6.如权利要求1-3中的任一项所述的布置，其中，所述短路装置确定量级成能够工作在所述第三组辅助绕组的电压电平。
7.如权利要求1-3中的任一项所述的布置，其中，所述故障检测单元配置成检测所述第一和第二端子之一上的极－地故障。
8.如权利要求1-3中的任一项所述的布置，其中，所述故障检测单元配置成检测所述一组端子上的单相－地故障。
9.如权利要求7所述的布置，还包括又一故障检测单元，其配置成检测所述一组端子上的单相－地故障。
10.如权利要求1-3和9中的任一项所述的布置，还包括所述变换器(18)的所述一次侧与所述AC***之间的断路器(20)。
11.如权利要求1-3和9中的任一项所述的布置，其中，所述短路装置是高速开关(24A)。
12.如权利要求1-3和9中的任一项所述的布置，其中，所述短路装置是有源短路器(24B)。
13.如权利要求1-3和9中的任一项所述的布置，其中，所述转换器是电压源转换器。
14.如权利要求13所述的布置，其中，所述电压源转换器是基于单元的多电平电压源转换器。
15.如权利要求1-3和9中的任一项所述的布置，其中，所述转换器是电流源转换器。
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