CN107735917A - 转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了转换器装置(200)及其操作方法。在一实例中，公开了包括中性连接(218a，218c)的双极转换器装置(202a，202c)的转换器单元，所述中性连接具有断路器开关(212a，212c)。在发生DC故障时，能够监测所述故障条件，且确定是否满足断路器开关操作条件。在满足所述断路器开关操作条件时，断开所述断路器开关。在一个实例中，所述断路器开关操作条件能够包括电流电平。

Description

转换器
技术领域
本发明涉及一种转换器，及其操作方法。
背景技术
转换器用来改变电源的电压电平和/或使电力在直流电(DC)与交流电(AC)连接之间转换。转换器见于所有形式的电子装置中，从低功率装置(例如，计算机中的电池可供应特定电压，但其中的电路可能个别地需要不同电压)到高电压直流电(HVDC)网络。举例来说，在输电领域的发展中，可能需要以不同电压使网络互连，和/或将AC转换成DC，或将DC转换成AC。
已知具有相反极性的两个连接的双极转换器，每个连接相对于接地处于高电位。一些双极转换器具有优于单极配置的优点，优点在于当发生一些故障，例如极点到接地故障时，另一未发生故障的极点仍能够使用接地回线路径或专用中性导体作为回线路径而保持服务。在此类实例中，即使在一个极点由于故障而无法服务的情况下，转换器的50％的能力仍可用(且具有过载能力的情况下，此比例甚至可能更高)。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种包括中性连接的双极转换器装置的转换器单元的操作方法，所述中性连接具有断路器开关，所述方法包括：
i.监测DC故障条件；
ii.确定是否满足断路器开关操作条件；以及
iii.在满足断路器开关操作条件时，断开所述断路器开关。
因此，在这种方法中，并未立即操作中性连接(例如总线连接)的断路器开关，而是在满足操作条件时再操作。这可减少对中性总线连接的断路器开关的额定值要求和/或允许相对快速地断开中性总线连接的断路器开关，如以下所进一步陈述。这种方法可适合与转换器装置一起使用，其中在(例如，在非故障阻断电压源转换器(VSC)中)已发生故障之后，故障电流可保持循环通过转换器一段时间。DC故障条件可包括例如以下故障条件：极点到接地故障、极点到极点故障或双极点到接地(极点到极点到接地)故障。
在实例中，监测故障条件包括监测通过断路器开关的电流。在此类实例中，确定是否满足断路器开关操作条件可包括确定通过断路器开关的电流是否低于阈值电流。这可减少对中性总线连接的断路器开关的额定值要求和/或确保将中断的电流不高于断路器开关的电流中断/制动能力，同时仍允许相对快速地操作中性总线连接的断路器开关。
确定是否满足断路器开关操作条件可替代地或另外包括确定通过断路器开关的电流是否正减少。如所属领域的技术人员将熟悉的，当发生故障时，转换器装置中的电流在一些实例中在达到平衡而在某一周期内变得大致恒定之前可能会首先升高。AC断路器通常尽可能快地操作，且在这之后，通过转换器的电流可能开始下降。电流减少指示AC断路器已断开。因此，对降低的电流进行监测可确保断路器开关的操作发生于AC断路器已断开之后。
在一些实例中，可能需要阈值电流和减小电流两者才能满足断路器开关操作条件。这可防止过早地操作断路器开关。举例来说，如果断路器开关操作条件仅与通过断路器开关的电流小于阈值(例如Ilimit)相关，那么有可能在电流升高周期期间看到电流I＜Ilimit。如果断路器开关操作条件还需要电流继续下降，那么这可确保仅在已断开AC断路器之后再断开开关，进而可减少中性总线连接的断路器开关所需的能量额定值。
在一些实例中，确定是否满足断路器开关操作条件包括确定从发生故障以来是否经过了预定时间。可基于在预定时间经过时由断路器开关承载的可能的电流或最大电流的确定来预先确定所述时间。这种方法由于不需要电流监测而可能操作简单。
根据本发明的第二方面，提供一种双极电压源转换器(VSC)装置，包括控制器和多个转换器单元，所述多个转换器单元被布置成使电力在交流电与直流电之间转换，每个转换器单元具有到直流母线(DC link)的极点和中性连接的DC连接，其中所述中性连接包括断路器开关，所述控制器被布置成检测DC故障以监测故障条件且当满足断路器开关操作条件时断开中性连接的断路器开关。
由于并不是控制断路器开关立即断开而改为需要满足断路器开关操作条件，因此这可允许任何故障电流在开关操作之前衰减，进而允许开关具有比原本将是用作中性总线连接的断路器开关的情形低的故障电流断路能力。故障检测可包括接收故障条件的指示。
在一个实例中，控制器被布置成确定故障是与直流母线的极点中的一个相关联的故障且断开连接到故障极点的转换器单元的中性连接中的断路器开关。这种VSC装置可进一步布置成当要断开有故障的极点的中性连接的断路器开关时，操作没有故障的极点的处于单极配置的转换器单元。这允许VSC装置继续提供功率转换能力。在另一实例(其可以是例如极点到极点故障或极点到极点到接地故障的情况)中，VSC装置可关闭，且在故障清除之后重启。在这种实例中，故障清除可包括断开所有中性连接断路器开关。
在一些实例中，控制器可被布置成接收通过中性连接的至少一个断路器开关的电流的指示。在此类实例中，断路器开关操作条件可包括确定电流处于阈值电流以下，和/或确定通过中性连接的至少一个断路器开关的电流正下降。在其它实例中，断路器开关操作条件可包括确定从检测到故障以来经过了预定时间。
在一些实例中，转换器单元是非故障阻断转换器单元，例如包括双电平电压源转换器或具有半桥式设计的多模块转换器。在此类转换器单元中，即使在阻断转换器单元之后，故障电流仍可继续流过转换器单元二极管。可通过断开AC断路器来防止或停止来自己连接AC网络的故障电流贡献。然而，即使在断开AC断路器之后，由于转换器单元电路内的电感，一些故障电流仍可继续流过转换器单元二极管，和/或一些电流还可从连接到非故障极点的转换器单元流动。因此，延迟断路器开关的操作在此类装置中可能特别有利，因为这样可减少对断路器开关的额定值要求。
根据本发明的第三方面，提供一种转换器单元，包括控制器且具有用于连接到直流母线的极点以及中性连接的DC连接，其中所述中性连接包括断路器开关，所述控制器被布置成检测DC故障以监测故障条件且当满足断路器开关操作条件时断开中性连接的断路器开关。
所述转换器单元可供用于具有多个转换器单元的双极电压源转换器装置中，所述多个转换器单元被布置成使电力在交流电与直流电之间转换。
本发明的第一方面的方法可包括一种包括多个转换器单元的转换器装置的操作方法。
本发明的另外方面包括一种转换器装置和转换器单元的使用方法。
关于本发明的一个方面描述的特征可与本发明的另一方面的特征相结合。明确地说，所述转换器单元可具有关于转换器装置描述的任何转换器单元的任何特征。本发明的第一方面的方法可以是一种控制第三方面的转换器单元或第二方面的转换器装置的方法，和/或可由它们的控制器执行。
现在将参考以下图式仅仅举例描述本发明的实施例。
附图说明
图1为示意性示出双极线路换流转换器的示意图；
图2为示意性示出双极电压源转换器的示意图；
图3为示意性示出转换器子模块的堆叠的示意图；
图4为示意性示出流程图，其示出控制双极电压源转换器的方法的步骤的示意图；并且
图5为示意性示出通过发生故障后的双极电压源转换器的开关的电流的曲线图的示意图。
具体实施方式
图1示出双极线路换流转换器(LCC)***100的现有技术实例，包括连接在第一DC极点连接104a与第二DC极点连接104b之间的多个阀102。阀102是单向的，即，它们可(取决于开关装置的开关位置)沿第一方向而不是沿相反方向传导电流。阀102具有连接到中性(接地)连接的中性总线。
图1示出多种DC侧开关。中性总线开关(NBS)设置于到中性总线的连接中的每一个中。还提供金属回线转换断路器(MRTB)、接地回线转换开关(GRTS)(MRTB和GRTS两者都能够转换额定DC电流)、中性总线接地开关(NBGS)和多个旁路开关(BPS)，它们可操作以提供金属回线路径。
在一个极点上发生极点到接地故障的情况下，阻断与所述极点相关联的阀102，使得其无法承载任一方向上的电流。然而，可能需要继续操作LCC***100，且在此类情况下，连接到无故障极点的阀102可保持服务，且***100可重新配置用于单极操作。处于单极配置的***100可借助接地回线或通过专用金属回线操作。
所属领域的技术人员将熟悉将***100重新配置成单极配置。然而，应注意，为了防止DC电流经由中性连接(由两个极点共用)引入故障，可断开连接到故障极点的阀102的中性总线开关(NBS)(在正常操作中是闭合的)。尽管NBS的故障电流断路能力额定值通常相对较低，但断开NBS的信号可大体上与转换器阀102的阻断同时发送，这是由于***100中的电流几乎在阀102被阻断时瞬间撤销，即使***保持连接到AC网络(即，不断开AC断路器)也同样如此。
双极电压源转换器(VSC)，例如多电平模块化转换器(MMC)或双电平VSC，相对于LCC具有某些优点(例如，具有良好的无功功率控制、能够以孤立模式操作，以及允许转换器站的总占据面积更小)，但并不是所有VSC设计都能够进行故障阻断。
图2示出包括多个转换器单元202a-202d的VSC装置200的实例。每个转换器单元202具有AC侧和DC侧。在DC侧上，存在到DC极点连接204a、204b的连接以及到中性总线210a、210b的中性连接218a-218d，其可连接到接地或通过专用金属导体连接。DC极点连接204a、204b一起形成转换器单元202之间的直流母线。在装置200的正常操作(即，非故障)中，任一中性总线210上将通常存在有限的电流或不存在电流。
第一对转换器单元202a、202b与第一极点相关联，且连接到第一极点连接204a。第二对转换器单元202c、202d与第二极点相关联，且连接到第二极点连接204b。装置200布置在第一AC网络206a与第二AC网络206b之间。来自一对中的一个转换器单元202被布置成将来自网络206中的一个的AC功率转换成DC，所述DC经由相关联的极点连接204传输，而同一对的另一转换器单元202将DC功率转换成AC且连接到AC网络206中的另一个。VCS装置200可以是双向的(即，电力可在网络206之间以任一方向交换)。
应了解，装置200可定位在一个或若干个位置。在一些实例中，DC连接204a、204b的长度可以是许多英里，且一对转换器单元202可分隔开相当大的距离。
AC断路器208a到208d布置在AC网络206与转换器单元202之间。每个转换器单元202经由断路器开关(在此实例中为转换器单元202的中性连接218a到218d中的中性总线开关212a到212d)连接到中性总线210a、210b。中性总线开关212a到212d是DC开关，且可包括任何合适的开关设计，例如共振开关、一个或多个半导体开关、有源开关、无源开关、快速操作固态/混合HVDC断路器等。到接地GRD的连接具有由电极线路以及到远程地面的电极线路的电阻表征的电阻R(但在其它实例中，转换器装置200还可具有用于回线路径的专用导体以进行单极操作)。
装置200还包括控制器214，所述控制器被布置成接收来自电流监测器(未示出)的通过装置200的不同部分的电流的指示且控制装置200，明确地说，控制所述装置的开关。在其它实例中，可提供超过一个控制器。在一个实例中，可提供多个控制器，每个控制器操作以控制一个或多个部件。举例来说，每个转换器单元202a到202d和每个中性总线开关212a到212d可由单独的控制器进行控制，或转换器单元202和相关联的中性总线开关212可由共用控制器进行控制等。此类控制器在空间上可彼此分隔开。
尽管本文未示出，但VSC装置200可包括额外元件，例如额外DC开关，所述VSC装置可例如包括关于图1所描述的任何或所有开关。
在此实例中且如图3中所示，转换器单元202a到202d各自包括具有半桥式设计的多个子模块302的至少一个堆叠300。所属领域的技术人员根据多模块转换器(MMC)将熟悉这种设计。子模块302的每个堆叠300被布置成合成所需电压。每个子模块302包括能量存储构件(在此实例中为电容器304)，所述能量存储构件可***到电路中，被阻断或绕过以便根据多个开关元件306的开关状态来近似得出/转换AC电压。
每个子模块302包括两个开关元件306，每个开关元件包括半导体装置(在此实例中为集成栅双极晶体管(IGBT))和反并联的单向电流装置，在此实例中为二极管。因此，应了解，尽管堆叠300可通过半导体装置的操作而阻断第一方向上的电流，但其无法阻断相反方向上的电流，因为这种电流可经由二极管传导。由此，基于半桥式子模块的转换器单元202是非故障阻断转换器单元202的实例。非故障阻断转换器的其它实例是双电平VSC或多电平转换器，例如中性点钳位VSC转换器。
堆叠300可包括任何数目的此类子模块302，所述数目通常高达数百。在转换器单元202中，针对AC功率的每个相可存在一个堆叠300。
这种多模块设计能够准确地合成电压，且当相比于LCC或类似者时可展示良好的谐波性能。由于部件数相对较低且由于半桥式设计具有更少的开关、操作时开关损耗更低，因此使用半桥式子模块设计(替代例如全桥子模块设计)可以是优选的。然而，不同于全桥式子模块，半桥式子模块不能够进行故障阻断，因为如上所指出，它们并不能够同时阻断两个方向上的电流。
出于实例的目的，装置200可能会在第一极点中形成极点到接地故障216。现在参考图4的流程图描述装置200或其单元202响应于故障条件的操作。
在框402中，检测到故障，在此实例中，是在控制器214接收到电流超出阈值的指示时检测到故障。在此实例中，控制器214接着控制装置200，使得第一对转换器单元202a、202b(即，与故障极点相关联的那些转换器单元202)被阻断(框404)。如所属领域的技术人员将熟悉的，这可包括控制子模块302内的开关以将每个子模块302置于阻断状态。
与阻断转换器单元202a、202b的命令大体上同步，控制器214将断开命令发送到连接到第一故障极点的转换器单元202a、202b的AC断路器208a、208b(框406)。
然而，如上文所描述，阻断的子模块302(且实际上在此实例中，阻断的转换器单元202作为整体)仍可传导一个方向上的电流，同时阻断相反方向上的电流。因此，故障电流可继续从AC网络206a和206b、通过转换器单元202a和202b的阀中的二极管流动到故障点。当AC断路器208a、208b断开时，这种故障电流开始下降，但由于能量保持在转换器单元电感中，因此电流继续流过这些二极管。故障电流还可流过转换器单元202c和202d，且接着流过转换器单元202a和202b的中性连接218以及二极管到达故障。因此，应尽可能快地断开故障极点的中性总线开关212a、212b以中断此故障电流，且使得装置200可以单极配置操作或重启。然而，最初可能存在流过中性总线开关212a、212b的高电流。
如果要立即断开中性总线开关212a、212b，正如在LCC中所实践的那样，那么它们因此需要具有高故障电流断路能力，这进而通常与高成本相关联。
然而，在此实例中，在框408中，监测故障条件。在一些实施例中，此监测步骤可包括监测从故障发生以来的时间。在另一个实例中，如以下参考图5进一步描述的，监测包括监测通过每个中性总线开关212a、212b的电流。这可包括监测中性连接218上任一处的电流。
当在框410中确定满足中性总线断路器开关操作条件(这可例如是预定时间已过去和/或通过开关212的电流已下降到阈值以下和/或某个其它条件)时，控制器214将断开命令发送到中性总线开关212(框412)。
图5示出传递通过中性总线开关212的电流INBS对时间t。在时间处t1，发生故障。可看到通过中性总线开关212a、212b的高DC电流。然而，在时间t2处，AC断路器完全断开，且电流INBS开始下降。t1与t2之间的时间周期可约为两个或三个AC周期，即，AC断路器(通常是机械断路器)完全断开所花费的时间。在图示的实例中，由于装置200内的一些瞬变或共振，一些振荡见于此周期内的电流中，但这可能并非见于所有转换器设计中。
在t2之后，电流INBS开始以与L/R的时间常量比例相对快速地衰减，其中L是电路的总电感，且R是电阻。在实际的实例中，取决于电路的L/R时间常量，电流在此类条件下衰减到零可能会花费数百毫秒。
在此实例中，中性总线断路器开关操作条件需要：
(i)(即，故障电流正减小，从而指示AC断路器已断开)；以及
(ii)INBS≤Ilimit
因此，当减小的电流达到时间t3处的阈值电平Ilimit时，控制器214将断开命令发送到中性总线开关212。在一个实例中，Ilimit是基于开关的额定故障电流断路能力，例如，处于或低于中性总线开关212的指定电流操作限值，或处于理想操作点(例如，这可以是装置200的额定电流的约50％到60％)。
在典型的实例中，t1与t3之间的时间可约为50到100ms。
应了解，故障电流路径断路得越早，就可越早清除故障且装置200越早在双极配置下重启。完全故障清除需要故障电流下降到零，接着持续可重启转换器单元202a、202b之前要经历的去离子周期，使得可恢复双极操作。如图5中所示，当中性总线开关212断开时，流过转换器单元202a和202b的二极管的故障电流贡献迅速变为零。
如上所提及，代替监测电流INBS，可通过预定时间延迟来满足断路器开关操作条件。可基于模型或实际装置设计在分析上或实验上确定适当的时间延迟，且所述时间延迟在一些实例中可以是约50到100ms。应了解，非常希望在操作时不会超出通过中性总线开关212的故障电流(即，故障电流不会高于断路能力)。因此，时间延迟可选择成使得存在电流将下降到中性总线开关212的额定故障电流断路能力以下的较高程度的确定性。由此，可保守地设定时限，即，与在INBS下降到中性总线开关212的电流断路能力之前最长的合理预期时间延迟，或某种其它操作电流有关。因此，所述时间延迟可比在其它情形中所必须的更长，且测量电流可以是优选的，因为这可允许开关212在故障之后比预定时间延迟更早地操作。
由于本文陈述的方法在发生故障时主动地停止通过连接到故障极点的转换器单元202a、202b的电流(而不是允许此电流衰减到零)，因此可降低故障清除时间。
可鉴于其额定值对所需故障清除时间和中性总线开关的成本进行考量，且选择适当组合。
在一些实例中，Ilimit的合适值可约为装置200的额定电流的一半。如所属领域的技术人员将熟悉的，能量吸收元件可与中性总线开关212相关联以在操作中性总线开关之后吸收能量，且这种值将无需中性总线开关212的能量吸收元件的能量额定值异常升高。
如果快速故障清除具有优先级，那么可选择具有更高故障电流断路能力的开关用作中性总线开关212。否则，可使用较低故障电流断路能力，代价是故障清除时间变长。
虽然上述实例考虑极点中的一个处的极点到接地故障，但本发明还可用于极点到极点DC故障条件、极点到极点到接地故障和/或需要断开中性总线开关212的任何其它故障条件的情况。
虽然本发明已示出且详细地描述于图式和前文描述中，但是此类图示和描述应认为是说明性或示范性的而不是限定性的；本发明不限于所公开的实施例。来自一个实施例的特征可与来自另一实施例的特征相结合。
已参考各种实施例描述本发明。除非明确地陈述，否则所描述的各种特征可结合在一起，且来自一个实施例的特征可用于其它实施例中。
需要注意的是以上提及的实施例说明而非限制本发明，且所属领域的技术人员将能够在不脱离所附权利要求书的范围的情况下设计许多替代实施例。词语“包括”不排除除权利要求书中列出的那些元件或步骤以外的元件或步骤的存在，“一”不排除多个，且单个特征或其它单元可实现在权利要求书中所列举的若干个单元的功能。权利要求书中的任何参考编号或标记不应被解释为限制其范围。

Claims (15)

1.一种转换器单元的操作方法，所述转换器单元包括：中性连接的双极转换器装置，所述中性连接具有断路器开关，所述方法包括：
i.监测DC故障条件；
ii.确定是否满足断路器开关操作条件；以及
iii.在满足所述断路器开关操作条件时，断开所述断路器开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述监测所述故障条件的步骤包括监测通过所述断路器开关的电流。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定是否满足所述断路器开关操作条件包括确定通过所述断路器开关的所述电流是否低于阈值电流。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，确定是否满足所述断路器开关操作条件包括确定通过所述断路器开关的所述电流是否正减少。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，确定是否满足所述断路器开关操作条件包括确定从发生所述故障起是否经过了预定时间。
6.一种双极电压源转换器装置，包括：控制器和多个转换器单元，所述多个转换器单元被布置成使电力在交流电与直流电之间转换，至少一个转换器单元具有到直流母线的极点以及中性连接的DC连接，其中所述中性连接包括断路器开关，所述控制器被布置成检测DC故障以监测所述故障条件，且在满足断路器开关操作条件时断开中性连接的所述断路器开关。
7.根据权利要求6所述的双极电压源转换器装置，其中，所述控制器被布置成确定所述故障是与所述直流母线的所述极点中的一个相关联的故障，且断开与DC的具有所述故障的所述极点相关联的所述断路器开关。
8.根据权利要求7所述的双极电压源转换器装置，其中，被布置成在具有故障的所述极点的中性连接的所述断路器开关断开时，操作没有故障的所述极点的处于单极配置的所述转换器单元。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的双极电压源转换器装置，其中，所述控制器被布置成接收通过中性连接的至少一个断路器开关的所述电流的指示，且其中，所述断路器开关操作条件包括确定所述电流处于阈值电流以下。
10.根据权利要求6到9中任一项所述的双极电压源转换器装置，其中，所述断路器开关操作条件包括确定通过中性连接的所述断路器开关的所述电流正下降。
11.根据权利要求6到10中任一项所述的双极电压源转换器装置，其中，所述断路器开关操作条件包括确定从检测到所述故障条件起经过了预定时间。
12.根据权利要求6到11中任一项所述的双极电压源转换器装置，其中，至少一个转换器单元是非故障阻断转换器单元。
13.根据权利要求6到12中任一项所述的双极电压源转换器装置，其中，至少一个转换器单元包括至少一个双电平电压源转换器或具有半桥式设计的至少一个多模块转换器。
14.根据权利要求6到13中任一项所述的双极电压源转换器装置，其中，所述DC故障是极点到接地、极点到极点故障或极点到极点到接地故障中的一个。
15.一种转换器单元，包括控制器，且具有用于连接到直流母线的极点，以及中性连接的DC连接，其中，所述中性连接包括断路器开关，所述控制器被布置成检测DC故障以监测故障条件，且在满足断路器开关操作条件时，断开中性连接的所述断路器开关。
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