CN110366812B - 用于dc电力传输中的故障处理的方法和*** - Google Patents

Abstract

提供了一种用于第一交流AC***与第二AC***之间的直流DC电力传输中的故障处理的方法。该方法包括检测电压源变流器VSC的AC侧上的相到地故障的发生，电压源变流器VSC被连接到第二AC***并且作为逆变器操作。该方法还包括在检测到相到地故障的发生时，激发电流源变流器CSC的旁路阀对，该电流源变流器CSC被连接到第一AC***并且作为整流器操作。还提供了一种电力传输***。

Description

用于DC电力传输中的故障处理的方法和***

技术领域

本公开通常涉及电力传输***领域。更特别地，本公开涉及用于在交流***之间的直流电力传输中的故障处理的方法和***。

背景技术

由于它们的较低的损耗和成本，直流(DC)电力传输***已经成为用于高压电力的大容量传输的、比它们的交流(AC)竞争者更优选的选项。在现代高压DC(HVDC)输电***(具有几百kV的电压)中，电力可以达到几千兆瓦的大小并且在高达几千千米的距离上被传送。

由于它们相对低的成本和低损耗，使用晶闸管作为开关器件的电流源转换器(CSC)被广泛地用于HVDC应用中以在AC和DC电力之间进行转换。然而，由于CSC不是自换向的，基于CSC的HVDC转换器可能对例如在AC电压跌落期间可能发生的换向故障敏感，并且进而可能触发其它互连HVDC转换器中的换向故障，从而导致不可接受的电力***扰动。

随着半导体技术的最近发展，使用例如绝缘栅双极晶体管(IBGT)作为开关器件的电压源转换器(VSC)已经普及。VSC是自换向的，它对换向故障可以较不敏感。然而，基于VSC的HVDC变流器可能比其基于晶闸管的CSC对应物更昂贵并且效率更低，而是对例如短路更敏感。

鉴于以上内容，因此需要改进的电力传输***和方法。

发明内容

为了至少部分满足上述要求，本公开寻求至少提供与AC***之间的DC电力传输中的故障处理有关的改进的方法和改进的***。

为了实现这一点，提供了如在独立权利要求中限定的方法和电力传输***。在从属权利要求中提供了本公开的另外的实施例。

根据本公开的第一方面，提供了用于第一AC***与第二AC***之间的DC电力传输中的故障处理的方法。在该方法中，可以检测到VSC内部的相到地故障的发生。VSC可以连接到第二AC***，并且VSC可以作为逆变器操作以便从DC转换到AC。在检测到相到地故障的发生时，CSC的旁路阀对可以被激发。CSC可以连接到第一AC***，CSC可以作为整流器操作，以便再次从AC转换回DC。

通过激发CSC中的旁路阀对，可以减少或去除相到地故障期间的过电压。当所激发的旁路阀对中的晶闸管正在导通时，跨CSC的DC电压可以变得几乎为零，并且DC极电压可以快速减小。由于跨CSC的DC电压减小，即使在严重的接地故障期间，VSC可以不需要或更少需要驱动源来对单元电压进行充电。以这种方式，可以避免或限制由于相到地故障(例如，内部VSC母线故障)导致的过电压。这可以减少VSC中的变流器阀的成本(例如通过限制和/或减少它们所需的额定电压)，并且还可以限制和/或减少操作损耗。

在一个实施例中，可以通过从VSC到CSC传输指示相到地故障的发生的消息来启动旁路阀对的激发。该消息例如可以是信号，和/或该消息可以通过例如电信链路(或无线电链路)来传输。

在一个实施例中，CSC可以与至少一个另外的CSC串联连接。该CSC可以比至少一个另外的CSC更靠近DC传输线路而被连接。

在一个实施例中，该方法还可以包括：在检测到相到地故障的发生时，激发至少一个另外的CSC的旁路阀对。

在一个实施例中，激发CSC的旁路阀对可以包括：强制连接到相同AC相的CSC中的至少两个开关同时导通。

根据本公开的第二方面，提供了一种电力传输***，该电力传输***可以包括可连接到第一AC***的CSC，以及可连接到第二AC***的VSC。CSC可以能够至少作为整流器操作，并且VSC可以能够至少作为逆变器操作。电力传输***还可以包括故障检测装置，该故障检测装置可以适于检测VSC内部的相到地故障的发生。故障检测装置可以输出指示相到地故障的发生的信号。电力传输***还可以包括处理装置，该处理装置适于响应于接收到指示相到地故障的发生的信号而激发CSC的旁路阀对。电力传输***例如可以是直流DC电力传输***。电力传输***例如可以是高压DC、HVDC电力传输***。

在一个实施例中，VSC可以包括全桥模块化多电平变流器(FB MMC)。在一些实施例中，VSC可以包括半桥模块化多电平变流器(HB MMC)、级联两电平(CTL)变流器、或混合VSC。

在一个实施例中，CSC可以包括六脉冲桥式整流器(例如，Graetz桥式整流器)或十二脉冲桥式整流器。

在一个实施例中，电力传输***还可以包括可以与CSC串联连接的至少一个另外的CSC。

在一个实施例中，CSC可以比至少一个另外的CSC更靠近DC传输线路而被连接。在这个或其他实施例中，一个或多个DC传输线路可以形成电力传输***的一部分。

在一个实施例中，处理装置还可以适于响应于接收到指示相到地故障的信号而激发至少一个另外的CSC的旁路阀对。

在一个实施例中，电力传输***还可以包括可以与VSC串联连接的至少一个另外的VSC。

在一个实施例中，电力传输***可以是单极***。单极***可以具有接地返回路径或金属返回路径。在该实施例中，单极***可以是非对称的(例如仅使用一个DC传输线路)。

在一个实施例中，电力传输***可以是双极传输***。双极***可以具有接地返回路径或金属返回路径，或不具有任何专用返回路径。CSC和VSC可以连接到双极的相同极，例如连接到相同的DC传输线路。

在一个实施例中，CSC和VSC可以布置在不同的换流站中。不同的换流站可以被布置在不同的位置，相隔例如几公里或若干公里的距离。

本公开涉及权利要求书中记载的特征的所有可能组合。此外，参考根据第一方面的方法描述的任何实施例可以与参考根据第二方面的***描述的任何实施例组合，或反之亦然。

下面将借助于示例性实施例来描述本公开的各种实施例的进一步的目的和优点。

附图说明

下面将参照附图描述示例性实施例，其中：

图1示出了电力传输***的示意图；

图2示出了根据本公开的实施例的电力传输***的示意图；

图3示出了电压源变流器的示意图；

图4示出了电流源变流器的示意图；

图5示出了根据本公开的实施例的电力传输***的示意图；以及

图6示出了根据本公开的实施例的方法的流程图。

在附图中，除非另有说明，相同的附图标记将用于相同的元件。除非另有明确相反地陈述，否则附图仅示出说明示例实施例必要的这些要素，而为了清楚起见，可以省略或仅仅暗示其它要素。如附图中所示，为了说明的目的，元件和区域的尺寸可以被放大，并且因此被提供以示出实施例的一般结构。

具体实施方式

图1示出了电力传输***100，其中DC电力可以从第一AC***140传输到第二AC***150。AC***140和150包含可以用于在必要时在较低AC电压与较高AC电压之间进行变换的多个变压器。变压器进而可以连接到例如涡轮机、发电机、电动机或提供和/或消耗AC电力的其它部件。AC***140例如可以是发电厂的一部分，并且AC***150例如可以是消耗由发电厂生成的电力的城市、城镇或工厂的一部分。

电力传输***100是双极传输***，并且使用接地返回路径和两个DC传输线路130和132。每个DC传输线路130和132表示一个极，并且可以假设例如：相对于接地，DC传输线路130被布置为承载正DC电压，而DC传输线路132被布置为承载负DC电压。AC***140经由变压器连接到多个CSC110，上述多个CSC110作为整流器操作以便从AC转换为DC。CSC110中的一些CSC串联连接到由DC传输线路130表示的极，而CSC110中的一些CSC串联连接到由DC传输线路132表示的另一个极。通过使用串联连接的多个变流器，可以降低例如变压器的功率要求，并且可以更紧凑地构建变压器，这进而可以允许更容易的运输。另外，串联连接多个变流器还可以为传输***提供更高的操作可靠性和可用性。

在电力传输***100的另一侧，由DC传输线路130和132传输的DC电力由作为逆变器操作的多个CSC120转换回AC电力，上述作为逆变器操作多个CSC120进而连接到第二AC***150。CSC120中的一些CSC串联连接到由DC传输线路130表示的极，而其它CSC120串联连接到由DC传输线路132表示的极。通过串联连接CSC120，与连接到CSC110的变压器相同的益处也可以适用于连接到CSC120的变压器。

现在将在下文中参照附图中的图2至图5更全面地描述本公开的示例性实施例。这些附图示出了当前优选的实施例，但是本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且将本公开的范围完全地传达给技术人员。

参照图2，将在下文中描述根据本公开的改进的电力传输***。

图2示出了电力传输***200。电力传输***200是具有接地返回路径的双极，但是还可以设想，电力传输***200可以具有金属返回路径，或者没有专用返回路径，并且电力传输***200可以替代地是单极传输***。可以例如通过移除DC传输线路230和232中的一个传输线路以及与它连接的部件来获得单极传输***。

第一AC***240经由作为整流器操作以从AC转换到DC的CSC210连接到电力传输***200。两个CSC210串联连接到由DC传输线路230表示的极，并且两个CSC210串联连接到由DC传输线路232表示的极。还可以设想，两个以上的CSC可以串联连接到每个极，或者只有单个CSC连接到每个极。在一些情况下，将相等数目的CSC连接到每个极可能是有益的。在其他情况下，将不同数目的CSC连接到每个极可能是有益的。

在DC传输线路230和232的另一端上，电力传输***200包括多个VSC220。两个VSC220串联连接到由DC传输线路230表示的极，并且两个VSC220串联连接到由DC传输线路232表示的极。如先前对于CSC210所描述的，可以在接地与每个极之间连接其它数目(例如，一个、三个、四个或更多)的VSC，并且可以设想在接地与每个极之间连接相同或不同数目的VSC。VSC220是模块化多电平变流器，并且例如可以是全桥模块化多电平变流器(FB MMC)。

通过组合使用CSC210和VSC220两者，鉴于成本、损耗和可靠性，电力传输***200可以提供总体最佳电力传输***。这种电力传输***可以适用于例如在正常操作期间在一个方向上供电的大容量电力传输。如果在逆变器侧使用CSC，如图1中的电力传输***100中所示，在例如AC电压跌落期间、尤其在逆变器操作期间，可能发生换向故障(例如，具有未按预期接通或关断的阀的故障)。由于大容量AC电网中的DC传输***的大的渗透，一个这样的换向故障可能触发其它DC逆变器中的换向故障。因此，跳闸事件的级联链可能发生，导致不可接受的电力***扰动。通过替代地使用具有很少或不具有换向故障的问题的VSC220，可以避免或至少减少这种事件链的风险。

如将在下文中参考图3、4和5所描述的，根据本公开的电力传输***还可以利用CSC的控制能力，以便处理VSC处的相到地故障。这样的故障可能在VSC的内部。

图3示出了以全桥模块化多电平变流器(FB MMC)为形式的电压源变流器300。FBMMC(即VSC)300由多个FB MMC子单元310构成，每个子单元包括在H桥配置中的四个绝缘栅双极晶体管(IGBT)、跨IGBT连接的续流二极管、以及充电电容器。几个子单元310串联连接以形成阀臂，并且每个阀臂连接在每相与相应的极之间。连接到相同相的两个阀臂限定阀支路，并且FB MMC300针对每相包括一个阀支路。

在FB MMC300中，提供了三相的转换(即三个阀支路)。尽管FB MMC300被示出为在每个阀臂中具有三个子单元310，但是可以设想，在每个阀臂中可以使用任何其他数目的子单元，并且两个阀臂可以包含不同数目的子单元。

通过关断相应的子单元410中的IGBT并且以特定的顺序接通，可以生成期望的AC电压。

在VSC300的AC侧，例如在AC相320意外地短接到地340的情况下，故障330可能发生。这样的故障(被称为相到地故障)可以导致VSC300的至少一个阀臂两端的过电压。特别是对于高电压(诸如在HVDC***中发现的)，这样的过电压可以导致对VSC300本身或连接到VSC300本身的其他部件的可能的损坏。为了处理或至少减少这种过电压的危险，避雷器可以被添加到VSC并且跨阀臂连接。然而，这可能伴随着成本、操作损耗以及阀和变流器的尺寸和/或重量的增加。

通过使用FB MMC作为VSC，可以提供变流器的AC侧电压与DC侧电压之间的解耦合。这进而可以允许将多个VSC串联连接到相同的极，具有如先前参考图1描述的那些的额外的益处。此外，使用FB MMC作为VSC可以在变流器的DC侧上提供改进的故障清除。

尽管VSC300被示出为FB MMC，但是还可以设想，可以使用其他类型的VSC。例如，VSC可以是半桥MMC、级联两电平(CTL)变流器或例如混合VSC。

图4示出了以六脉冲桥式整流器为形式的CSC400。CSC400包括以晶闸管为形式的六个开关410，其可以将每个相连接到两个极中的一个极。在正常操作期间，两个晶闸管410(每个晶闸管410被连接到不同的极和不同的相)在任何时间导通(即，使用栅极412来接通)，从而将三个AC相电压中的两个AC相电压连接到DC极。然而，如果需要，形成旁路阀对420的、连接到不同极但是连接到相同相的两个晶闸管410，可以被强制同时传导。当旁路阀对420中的开关(晶闸管)被强制同时导通时(即，当旁路阀对420“被激发”时)，CSC400被旁路并且跨CSC400的DC电压可以变为零或接近零，从而减小CSC400所连接到的极的DC电压的幅度。

尽管CSC400被图示为六脉冲桥式整流器，但是可以设想，根据本公开，也可以使用其它类型的CSC。例如，可以使用十二脉冲桥式整流器(由两个串联连接的六脉冲桥式整流器组成)。只要一对或者如果必要时多于两个的开关(例如，晶闸管)可以被强制同时导通以便旁路CSC，可以使用任何合适的CSC。

图5示出了根据本公开的电力传输***500，其中上述相到地故障可以通过使用CSC510的控制能力来处理。电力传输***500在这里被示出为仅具有经由DC传输线路530连接的单个CSC510和单个VSC520。然而，可以设想，也可以连接更多的CSC510和/或更多的VSC520，如例如图2中所示。

CSC510和VSC520可连接到相应的AC***(诸如所示的变压器)。CSC510可以至少作为整流器操作，并且VSC520可以至少作为逆变器操作。

电力传输***500可以包括故障检测装置560，故障检测装置560可以检测在变流器520的AC侧540上的相552与接地554之间的相到地故障550的发生。在这样的检测时，故障检测装置560可以输出指示相到地故障550发生的信号(未示出)。在一些实施例中，故障检测装置560例如可以连接到通信链路580，诸如电信链路(例如，有线、无线链路、光学链路、机械链路或类似的)，并且故障检测装置560可以使用链路580来输出信号。

电力传输***500还可以包括处理装置570，处理装置570可以响应于接收到指示相到地故障550发生的信号来激发CSC510的旁路阀对。处理装置570可以连接到链路580以便接收信号。处理装置570还可以连接到CSC510，以便激发旁路阀对。处理装置570可以例如直接连接到CSC510中的开关(例如，到晶闸管的栅极)，或者连接到附加的合适的控制装置，该控制装置可以位于CSC510内或与CSC510连接，以便激发旁路阀对。

通过对CSC510的旁路阀对进行激发，跨越CSC510的DC电压可被强制为零或几乎为零。通过这样做，可以减小由DC传输线路530表示的极处的DC电压的幅度，这进而将导致VSC520不具有对单元电压(例如，在VSC520中提供的充电电容器上的电压)充电的驱动源。即使在严重的接地故障期间，这也可以应用，并且可以避免先前描述的由于相到地故障导致的过电压。可以减少或避免对在VSC520处提供的附加避雷器的需要，并且可以限制或减少VSC520的额定功率。因此，VSC520的/在VSC520中的成本和操作损耗可以被降低。

在一些实施例中，由于结合例如图1和图2的描述给出的原因，可以设想，多个变流器可以串联连接到极。通常需要使用变压器来变换所得到的AC电压。这样的变压器在图5中被图示为成对的重叠圆。通过将多个变流器串联连接到同一极，可以减小每个变压器的所需电压额定值，并且可以产生具有较小物理尺寸和/或重量的变压器。对于HVDC***，变压器的最大额定功率可以例如是600-800MVA。这可以帮助降低所需要的变压器的成本，减少它们用于安装的所需空间，并且使它们运输到换流站/从换流站运输更可行。此外，如前所述，使用多个变流器和变压器可以帮助增加输电***的操作可靠性和可用性。这对于超高压DC传输***可能是重要的。

如果多个变流器串联连接到极，则可能有利的是，在最靠近极的CSC(即最靠近DC传输线路的CSC)中激发旁路对。

作为示例，在仅有一个VSC连接到极的***中，VSC的臂两端的电压将对应于DC极电压而被度量。在具有串联连接到极的两个VSC的***中，VSC的臂两端的电压将被度量为对应于正常操作期间的DC极电压的一半。然而，在例如变流器与变压器之间的相到地故障期间，极附近的VSC将经受与如同它是连接到该极的唯一变流器的情况相同的故障电压，而远离极(例如，接近中性点)的VSC将不经受这样的故障电压。类似地，如果存在串联连接到极的三个VSC，那么在正常操作期间，跨VSC的臂的电压将被度量为对应于DC极电压的三分之一的电压。在相到地故障期间，极附近的VSC将经受与如同它是连接到该极的唯一变流器的情况相同的故障电压，而其他VSC将不经受这样的故障电压。因此，激发CSC中的旁路阀对可以足够将极电压减小到一半。例如，如果有两个串联连接的VSC和两个串联连接的CSC，并且故障在上VSC处，则最接近极的CSC的旁路阀对可以被激发。

在一些实施例中，检测到相到地故障的VSC和其中激发旁路阀对的对应CSC可以位于同一换流站内，例如位于同一建筑物内。在一些实施例中，可以设想，VSC和对应的CSC位于不同的换流站内，并且这些换流站甚至可以被更大的距离分开。

本文所述的DC电力传输***可以是HVDC***。HVDC***例如可以是其中电压高于500kV的***。

参考图6，现在将描述根据本公开的故障处理方法。

图6示出了用于第一AC电流***与第二AC***之间的DC电力传输中的故障处理的方法600的流程图。在第一步骤602中，方法600可以包括检测在VSC的AC侧上的相到地故障的发生，该VSC连接到第二AC***并且作为逆变器操作。在检测到相到地故障的发生时，方法600可以进行(步骤604)激发可以连接到第一AC***并且作为整流器操作的CSC的旁路阀对。如果没有检测到相到地故障的发生，则该方法可以进行到步骤606，在该步骤中，例如通过执行CSC的开关的正常激发(如将在CSC的正常转换操作期间完成的)来执行电力传输***的正常操作。

通过组合DC电力传输***的整流器侧上的一个或多个CSC和逆变器侧上的一个或多个VSC的使用，本公开中描述的电力传输***可以考虑到成本、损耗和可靠性来提供总体最佳***。这种电力传输***可以适用于例如在正常操作期间在一个方向上供电的大容量电力传输。逆变器侧上的VSC可以有助于减少或消除换向故障的风险，而在整流侧上使用CSC可以改善成本和效率。通过使用CSC的控制能力，CSC中的旁路阀对的激发可以帮助处理在VSC处(以及VSC的内部或外部)发生的可能的相到地故障，并且在输电***的每侧每极上串联连接多个变流器的可能性可以有助于进一步降低***的成本、可靠性和可用性。

本文公开的任何方法的步骤不一定必须以所公开的确切顺序执行，除非有相反的明确说明。

本领域的技术人员认识到，本公开绝不限于上文所描述的实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。

虽然以上以特定组合描述了特征和元件，但是每个特征或元件可以没有其他特征和元件而单独使用，或者以具有或不具有其他特征和元件的各种组合来使用。

此外，通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，在对所要求保护的发明进行实践中，本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它的要素，而且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅凭借在彼此不同的从属权利要求中记载了某些特征这一事实，并不能指示无法有利地使用这些特征的组合。

Claims (13)

1.一种用于直流DC电力传输***中的相到地故障处理的方法，所述直流DC电力传输***被配置为在第一AC***与第二AC***之间传输DC电力，其中所述***包括电流源变流器CSC和电压源变流器VSC，所述电流源变流器CSC被连接到第一AC***并且在所述DC电力传输***的整流器侧上作为整流器操作，所述电压源变流器VSC被连接到所述第二AC***并且在所述DC电力传输***的逆变器侧作为逆变器操作，所述方法包括以下步骤：检测所述VSC内部的相到地故障的发生，以及

在检测到所述相到地故障的所述发生时，激发所述CSC的旁路阀对，以用于减少或去除所述VSC的至少一个阀臂两端的过电压，

其中激发CSC的旁路阀对包括：强制所述CSC中的连接到相同AC相的至少两个开关同时导通。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过在电信链路上传输指示所述相到地故障的所述发生的消息，来启动所述旁路阀对的所述激发。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述CSC与至少一个另外的CSC串联连接，并且其中所述CSC比所述至少一个另外的CSC更靠近DC传输线路而被连接。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：在检测到所述相到地故障的所述发生时，激发所述至少一个另外的CSC的旁路阀对，以进一步减小跨所述VSC的DC电压的幅度。

5.一种用于在第一AC***与第二AC***之间传输DC电力的电力传输***，包括：

电流源变流器CSC，能够连接到第一AC***，并且能够至少作为整流器操作；

电压源变流器VSC，能够连接到所述第二AC***，并且能够至少作为逆变器操作；

故障检测装置，适于检测所述VSC内部的相到地故障的发生、并且输出指示所述相到地故障的所述发生的信号，以及

处理装置，适于响应于接收到指示所述相到地故障的所述发生的所述信号而激发所述CSC的旁路阀对，以用于减少或去除所述VSC的至少一个阀臂两端的过电压，其中激发CSC的旁路阀对包括：强制所述CSC中的连接到相同AC相的至少两个开关同时导通。

6.根据权利要求5所述的电力传输***，其中所述VSC包括全桥模块化多电平变流器FBMMC、半桥模块化多电平变流器HB MMC、级联两电平CTL变流器、或混合VSC。

7.根据权利要求5或6所述的电力传输***，其中所述CSC包括六脉冲桥式整流器或十二脉冲桥式整流器。

8.根据权利要求5或6所述的电力传输***，还包括与所述CSC串联连接的至少一个另外的CSC。

9.根据权利要求8所述的电力传输***，其中所述CSC比所述至少一个另外的CSC更靠近直流DC传输线路而被连接。

10.根据权利要求8所述的电力传输***，其中所述处理装置还适于：作为对接收所述信号的响应，激发所述至少一个另外的CSC的旁路阀对。

11.根据权利要求5或6所述的电力传输***，还包括与所述VSC串联连接的至少一个另外的VSC。

12.根据权利要求5或6所述的电力传输***，其中所述CSC和所述VSC被布置在不同的换流站中。

13.根据权利要求5或6所述的电力传输***，所述电力传输***是双极电力传输***，并且其中所述CSC和所述VSC被连接到相同的极。

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