CN104488156A - 故障排除的方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于互连DC网络和AC网络的电压源变换器的故障排除的方法。所述电压源变换器经由一个或多个DC电路中断设备被连接到所述DC网络。所述方法包括以下步骤：(a)检测所述DC网络中的故障；(b)实施主保护序列，其中实施所述主保护序列的步骤包括实施包含以下步骤的第一子序列：i.断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备，ii.将所述电压源变换器的DC电力等级设置为零，iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率。

Description

故障排除的方法

技术领域

本发明涉及用于电压源变换器的故障排除的方法。

背景技术

在电力传输网络中，为了经由架空线和/或海底电缆进行传输，交流(AC)电力通常被转换为直流(DC)电力。这种转换免去对由传输线或电缆施加的AC电容性载荷效应进行补偿的需要，并且从而降低电线和/或电缆电力传输的每公里成本。

这种AC到DC电力的转换还被用于有必要互连运行于不同频率的AC网络的电力传输网络中。在任何这种电力传输网络中，在AC与DC电力之间的每个接口处均需要变换器以实现所需的转换。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种用于互连DC网络和AC网络的电压源变换器(VSC)的故障排除的方法，所述电压源变换器经由一个或多个DC电路中断设备被连接到所述DC网络，所述方法包括以下步骤：

(a)检测所述DC网络中的故障；

(b)实施主保护序列，其中实施所述主保护序列的步骤包括实施包含以下步骤的第一子序列：

i.断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备，

ii.将所述电压源变换器的DC电力等级(power order)设置为零，

iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率。

断开一电路中断设备指的是使用电路中断设备来断开一闭合的电路以中断该电路中的电流流动，而闭合一电路中断设备指的是使用电路中断设备来闭合一断开的电路以允许电路中的电流流动。

电路中断设备可以是能够中断电路中电流的任意设备。这种电路中断设备可以是电路断路器，但不限于此。

发生在DC网络中一个或多个故障的发生可以导致流过DC网络的一个或多个故障电流。故障可以例如是在DC输电电缆两端具有低阻抗的短路形式。由于绝缘的损坏或击穿、雷击、导体的移动或其他由于外部物体导致的导体之间的意外桥接，可能发生上述情况。

在DC网络中存在一个或多个故障对VSC可能是不利的。变换器的固有设计有时意味着在这种条件下不能限制电流，导致高故障电流的发展。

根据本发明的方法允许通过断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备以便从DC网络分离VSC，从而排除在DC网络中检测到的故障。通过局部地运行所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备，或者远程地发送控制信号至所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备，可以断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备。从DC网络分离VSC中断了来自AC网络的电流供应，该电流的供应经由VSC为DC网络中的故障提供能量。这允许故障被排除。例如，当故障是外部闪络(flashover)的形式时，断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备从DC网络去除了DC侧环流，这允许故障被快速消电离。

与此同时，控制VSC以与AC网络交换无功功率，以便提供对AC网络的AC电压电平的控制。这免除了AC网络中AC欠电压或过电压的风险，欠电压或过电压可能导致AC网络中不希望的情形，诸如逐级跳闸。另外，VSC与AC网络之间无功功率的交换允许在DC网络中故障排除期间VSC保持被供能(energised)。这进而允许当所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备闭合以将VSC重新连接至DC网络时，DC网络被快速供给能量。

另一方面，可以使用AC电路中断设备以去除经由VSC为DC网络中的故障提供能量的电流的供应。然而，用这种方式使用AC电路中断设备需要从AC网络分离VSC。这因而阻止在DC网络中故障排除期间VSC与AC网络交换无功功率。

可以理解地是，根据本发明的方法可以与各类VSC一起使用。这种VSC包括两级变换器、多级变换器以及多模块变换器，但不限于此。

还应理解地是，AC网络可以是单相AC网络或多相AC网络。

在本发明的实施例中，实施所述主保护序列的步骤可以包括以下步骤：

a.对重新闭合时间计时；

b.实施所述第一子序列；

c.检查是否已经过所述重新闭合时间；以及

d.如果还未经过所述重新闭合时间，那么重复所述第一子序列。

电路中断设备可以被配置为在一定重新闭合时间之后，自动地重新闭合。这免去对局部地重置电路中断设备以便闭合电路中断设备的需要。

在根据本发明的方法中，重复第一子序列直到经过重新闭合时间，即直到要求所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备重新闭合。

在这种实施例中，实施所述主保护序列的步骤还包括如果已经过所述重新闭合时间，那么实施第二子序列的步骤，所述第二子序列包括以下步骤：

i.闭合所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备；

ii.将所述电压源变换器的DC电力等级设置为低于所述电压源变换器的故障前DC电力等级的非零电平；

iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率；

iv.检测所述故障是否还存在于所述DC网络中；

v.如果在所述DC网络中没有检测到所述故障，那么将所述电压源变换器的所述DC电力等级恢复为其故障前值，以及如果在所述DC网络中检测到所述故障，那么重复实施主保护序列的步骤。

当已经过重新闭合时间时，所述DC电路中断设备或者每个DC电路中断设备被闭合，以便从VSC给DC网络重新供给能量，但是在比电压源变换器的故障前值低的DC电力等级处。同时控制VSC以继续与AC网络交换无功功率。然后实施检测步骤以确定故障是否还存在于DC网络中。如果确定故障已经不再存在于DC网络中，那么将电压源变换器的DC电力等级恢复至其故障前值，并且VSC恢复其转换AC网络与AC网络之间功率的正常运行。

因而，根据本发明的方法提供用于互连DC网络和AC网络的VSC排除故障的可靠方式，并且在将DC网络恢复至其正常运行条件之前，通过自动地重新闭合所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备来为DC网络重新供给能量。

然而，如果故障仍然存在于DC网络中，那么重复主保护序列以便再次尝试将DC网络恢复至其正常运行条件。

优选地，如果在所述DC网络中检测到所述故障并且如果已实施所述主保护序列的次数低于预定数目，那么重复所述主保护序列。预定数目是通过主保护序列将DC网络恢复至其正常运行条件的尝试的最大数目，并且其可以取决于VSC和相关电力应用的运行需求而变化。

根据本发明的方法的优点在于：在DC网络与电压源变换器隔开的整个时间段期间，保持VSC与VC之间的无功功率交换。

优选地，所述的方法还包括以下步骤：

当实施所述主保护序列的次数等于所述预定数目时，

i.断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备；

ii.将所述电压源变换器的DC电力等级设置为零；

iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率。

在本发明的又一实施例中，其中所述电压源变换器经由一个或多个AC电路中断设备被连接到所述AC网络，所述方法还包括实施包含以下步骤的备用保护序列的步骤：

a.在检测发生在DC网络中的故障的步骤之后，对备用保护时间计时；

b.在已经过所述备用保护时间之后，断开所述AC电路中断设备或每个AC电路中断设备；

c.将所述电压源变换器切换至电流阻断状态。

备用保护序列允许在主保护序列未能排除故障的情况下，排除DC网络中的故障。

因为所述AC电路中断设备或每个AC电路中断设备仅在备用保护序列中起作用，所述没有必要将所述AC电路中断设备或每个AC电路中断设备配置为自动地重新闭合。这有利地简化了所述AC电路中断设备或每个AC电路中断设备的控制。

附图说明

现在将通过非限制示例，参照附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1以示意图形式示出低阻抗接地VSC的变换器臂、AC网络和DC网络的第一示例性布置；

图2示出根据本发明的实施例用于电压源变换器的故障排除的方法；

图3以示意图形式示出高阻抗接地VSC的变换器臂、AC网络和DC网络的第二示例性布置；

图4以示意图形式示出高阻抗接地VSC的变换器臂、AC网络和DC网络的第三示例性布置。

具体实施方式

VSC 10包括第一DC端子16和第二DC端子18以及三个变换器臂20。

图1以示意图形式示出低阻抗接地VSC 10的一个变换器臂、三相AC网络12和DC网络14的第一种单级电路布置。在第一布置中，图1所示的变换器臂20的结构和布置与VSC 10的其他变换器臂20的结构和布置类似。

每个变换器臂20在第一DC端子16与第二DC端子18之间延伸，并且具有第一臂部22和第二臂部24。

VSC 10还包括多个AC端子26。每个变换器臂20的第一臂部22和第二臂部24被多个AC端子26中的相应一个分开。

第一DC端子16经由DC电路断路器28被连接至DC网络14的第一电极，而第二DC端子18被连接至地。每个变换器臂20的AC端子26经由变压器30和AC电路断路器32被串联连接至AC网络12的各个相位。

可以设想到，在本发明的其他实施例中，三相AC网络12可以被替换为单相AC网络或另一多相AC网络。在这种实施例中，VSC 10可以具有单个变换器臂20或多个变换器臂20以便匹配单相AC网络或多相AC网络的相位的数目，其中所述变换器臂20或每个变换器臂20的AC端子26经由变压器30和AC电路断路器32被串联连接至AC网络12的各个相位。

可以设想到，在其他实施例中，每个电路断路器28、32可以被替换为另一类电路中断设备。

在每个变换器臂20中，第一臂部22和第二臂部24中的每个包括在相应DC端子16、18与AC端子26之间串联连接的模块34。模块34包括与电容器38并联连接的一对开关元件36，以限定可以提供零电压或正电压并且可以在两个方向上传导电流的2象限单极模块34。在实施例中，所示的每个开关元件36由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)形式的半导体器件构成。每个开关元件36还可以包括与其并联连接的反平行二极管40。

在使用中，每个模块34的开关元件36被切换以控制相应AC端子26处的AC电压的相位和幅值以及第一端子16处的DC电压的幅值，以便转换AC网络12与DC网络14之间的电力。

在每个变换器臂20中，第一臂部22和第二臂部24中的每个还包括与相应DC端子16、18与AC端子26之间的2象限单极模块34串联连接的电感器42。

可以设想到，在其他实施例中，2象限单极模块34可以被替换为多个串联连接的2象限单极模块，以便改变VSC 10的电压等级(voltage rating)。

可以设想到，在其他实施例中，图1中的VSC 10可以被替换为另一类VSC，其可以为两级变换器、多级变换器和多模块变换器，但不限于此。

DC电路断路器28还包括故障检测装置(未示出)以局部地实施DC网络14的电压和/电流特性的测量以确定DC网络14中是否存在故障。

DC网络14中的故障可以是极-对-地故障44或极-对-极故障36的形式，如图1所示。

在DC网络14中发生故障44、46的情况下，参照图1和图2，如下实施根据本发明的实施例的用于VSC 10的故障排除的方法。应该理解地是，尽管参照图1所示的变换器臂20描述根据本发明的方法，但是根据本发明的方法稍作变动亦适用于VSC 10的其他变换器臂20。

故障检测装置实施DC网络14的电压和/或电流特性的测量以确定DC网络14中是否存在故障44、46。当故障检测装置检测到DC网络14中的故障44、46时，如下所述实施主保护序列。

在主保护序列中，启动重新闭合计时器以对重新闭合时间计时并且如下所述实施主保护序列的第一子序列。

例如，通过局部地断开DC电路断路器28或者远程地发送控制信号至DC电路断路器28来断开DC电路断路器28。断开DC电路断路器28中断了来自AC网络12的电流的供应，该电流的供应经由VSC 10为DC网络14中的故障提供能量。

将电压源变换器10的DC电力等级(power order)设置为零，并且通过切换每个模块34的开关元件36，VSC 10被控制为与AC网络12交换无功功率。

实施第一子序列允许排除DC网络14中的故障，并且允许VSC 10在排除DC网络14中故障的过程中提供对AC网络12的AC电压电平的控制。VSC 10与AC网络12之间的无功功率的交换还允许VSC 10在排除DC网络14中故障的过程中保持被供能。

如果未经过重新闭合时间，那么重复第一子序列。

在经过重新闭合时间之后，如下所述实施主保护序列的第二子序列。

闭合DC电路断路器28，并且电压源变换器10的DC电力等级被设置为低于其故障前值的非零电平。

因为在第一子序列期间，VSC 10保持在被供能状态，所以当闭合DC电路断路器28以将VSC 10重新连接至DC网络14时，VSC 10能够快速为DC网络14供给能量。

同时，通过切换每个模块34的开关元件36，VSC 10被控制为与AC网络12交换无功功率，以便继续保持VSC 10处于被供能状态并且提供对AC网络12的AC电压电平的控制。

然后故障检测装置实施DC网络14的电压和/或电流特性的测量以确定故障44、46是否还存在于DC网络14中。

如果故障44、46不再存在于DC网络14中，那么DC网络14的DC电力等级被恢复为其故障前值，并且VSC 10恢复其转换AC网络12与DC网络14之间电力的正常运行。

然而，如果故障44、46仍然存在于DC网络14中，那么实施检查以确定实施的主保护序列的次数是否低于预定数目。预定数目是通过主保护序列将DC网络14恢复至其正常运行条件的尝试的最大数目，并且其可以取决于VSC 10和相关电力应用的运行需求而变化。

如果实施的主保护序列的次数低于预定数目，那么重复主保护序列以便再次尝试将DC网络14恢复至其正常运行条件。

当实施的主保护序列的次数超过预定数目时，断开DC电路断路器28，将电压源变换器10的DC电力等级设置为零，并且通过切换每个模块34的开关元件36来将VSC 10控制为与AC网络12交换无功功率。DC电路断路器28还被配置为不自动地重新闭合。这允许通过与AC网络12持续的交换，VSC 10保持被供能，使得当在以后闭合DC电路断路器28时，可以快速地为DC网络14供给能量。

当故障检测装置最初检测到DC网络14中的故障44、46时，还如下所述实施备用保护序列。

在DC网络14中检测到故障44、46之后，启动备用保护计时器以对备用保护时间计时。在已经过备用保护时间之后，断开每个AC电路断路器22。然后将VSC 10切换至电流阻断状态。

在主保护序列未能排除故障44、46时，备用保护序列允许排除DC网络14中的故障44、46，并且从而保护VSC 10免受高故障电流影影响。

因而，根据本发明的方法提供为互连DC网络14和AC网络14的VSC 10排除故障44、46的可靠方式，而无需依赖于如主保护方法的从AC网络12分离VSC 10。这允许在主保护序列期间在VSC 10与AC网络12之间持续交换无功功率，以免除AC网络12中AC欠电压或过电压的风险，欠电压或过电压可能导致AC网络12中不希望的情形，诸如逐级跳闸。

根据本发明的方法还提供在将DC网络14恢复至其正常运行条件之前，通过自动地重新闭合所述或每个DC电路断路器28为DC网络14重新供给能量的方式。

如上所述并且如图2所示，实施根据本发明的方法所需的DC电路断路器28的数目可以取决于VSC 10、AC网络12和DC网络14的布置而变化。

图3以示意图形式示出高阻抗接地VSC 10的一个变换器臂、AC网络12和DC网络14的第二种对称单极电路布置。图3中VSC 10的第二布置、AC网络12和DC网络14与图1所示的第一布置类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。在第二布置中，图3所示的变换器臂20的结构和布置与VSC 10的其他变换器臂20的结构和布置类似。

第二布置与第一布置的不同之处在于，在第二布置中：

每个AC端子26与变压器30之间的接点限定高阻抗接地点48；并且

第一DC端子16经由第一DC电路断路器28被连接至DC网络14的第一电极，而第二DC端子18经由第二DC电路断路器28被连接至DC网络14的第二电极。

DC网络14中的故障可以是包括涉及任一个电极的极-对-地故障44，或极-对-极故障46的形式，如图3所示。

在DC网络14中发生故障44、46的情况下，实施如上所述且如图2所示的用于VSC 10的故障排除的方法以排除故障44、46。在这个方法中，当断开或闭合每个DC电路断路器28时，有必要并行地切换两个DC电路断路器28。

图4以示意图形式示出高阻抗接地VSC 10的一个变换器臂、三相AC网络12和DC网络14的第三种对称单极电路布置。图4中VSC 10、AC网络12和DC网络14的第三布置与图3所示的第二布置类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。在第三布置中，图3所示的变换器臂20的结构和布置与VSC 10的其他变换器臂20的结构和布置类似。

第三布置与第二布置的不同之处在于，在第二布置中：

第一DC端子16经由DC电路断路器28被连接至DC网络14的第一电极，而第二DC端子18被直接地连接至DC网络14的第二电极。

可以设想，在另一个实施例中，第一DC端子16被直接地连接至DC网络14的第一电极，而第二DC端子18经由DC电路断路器28被连接至DC网络14的第二电极。

DC网络14中的故障可以是包括涉及任一电极的极-对-地故障44或极-对-极故障46的形式，如图4所示。每个故障44、46可以导致DC网络14和VSC 10中不同类型的电流，其每种类型的电流可以通过断开DC短路断路器28而被中断。

DC网络的两极之间的故障，即极-对-极故障46表示电流幅值方面DC侧故障的最坏情形。通过断开DC电路断路器28(其本身与DC故障电流的电流路径串联)来中断由极-对-极故障46引起的故障电流。

在涉及第一电极的极-对-地故障44的情况下，通过断开DC电路断路器28可以中断最终的电容性放电电流。

在涉及第二电极的极-对-地故障44的情况下，极-对-地故障44将经受持久电流，其与第二极-对-地中所存储能量的放电相关联。然而，由于VSC 10是通过高阻抗接地点48接地的，所以将流过DC网络14的放电电流的大部分也将流过穿过VSC 10的路径。这允许连接至第一电极的DC电路断路器28被断开以便中断与第二电极相关的电流。

在DC网络14中发生故障44、46的情况下，实施如上所述且如图2所示的用于VSC 10的故障排除的方法以排除故障44、46。

Claims (6)

1.一种故障排除的方法，用于互连DC网络和AC网络的电压源变换器，所述电压源变换器经由一个或多个DC电路中断设备被连接到所述DC网络，所述方法包括以下步骤：

(a)检测所述DC网络中的故障；

(b)实施主保护序列，其中实施所述主保护序列的步骤包括实施第一子序列，所述第一子序列包括以下步骤：

i.断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备，

ii.将所述电压源变换器的DC电力等级设置为零，

iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中实施所述主保护序列的步骤包括以下步骤：

a.对重新闭合时间计时；

b.实施所述第一子序列；

c.检查是否已经过所述重新闭合时间；以及

d.如果未经过所述重新闭合时间，那么重复所述第一子序列。

3.根据权利要求2所述的方法，其中实施所述主保护序列的步骤还包括：如果已经过所述重新闭合时间，那么实施第二子序列的步骤，所述第二子序列包括以下步骤：

i.闭合所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备；

ii.将所述电压源变换器的DC电力等级设置为低于所述电压源变换器的故障前DC电力等级的非零电平；

iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率；

iv.检测所述故障是否还存在于所述DC网络中；

v.如果在所述DC网络中没有检测到所述故障，那么将所述电压源变换器的所述DC电力等级恢复为其故障前值，以及如果在所述DC网络中检测到所述故障，那么重复实施所述主保护序列的步骤。

4.根据权利要求3所述的方法，其中如果在所述DC网络中检测到所述故障并且如果已实施所述主保护序列的次数低于预定数目，那么重复所述主保护序列。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

当已实施所述主保护序列的次数等于所述预定数目时，

i.断开所述DC电路中断设备或每个DC电路中断设备；

ii.将所述电压源变换器的DC电力等级设置为零；

iii.控制所述电压源变换器以与所述AC网络交换无功功率。

6.根据任意一项前述权利要求所述的方法，其中所述电压源变换器经由一个或多个AC电路中断设备被连接到所述AC网络，所述方法还包括实施备用保护序列的步骤，所述备用保护序列包括以下步骤：

a.在检测所述DC网络中的故障的步骤之后，对备用保护时间计时；

b.在已经过所述备用保护时间之后，断开所述AC电路中断设备或每个AC电路中断设备；

c.将所述电压源变换器切换至电流阻断状态。