CN113872425A - 电压源换流器的控制 - Google Patents

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Abstract

本公开的发明名称是“电压源换流器的控制”。本发明涉及用于控制故障阻断电压源换流器（VSC）设备的方法和设备，例如，具有一个或多个全桥式单元的故障阻断VSC或具有故障阻断能力的VSC的组合。在DC侧中断的情况下，例如DC侧故障，所述方法涉及在识别出对所述DC侧中断的需求之后，操作所述电压源换流器设备以从所述连接的DC***提取至少一些电能到所述VSC。从所述DC***提取的所述能量中的至少一些可传递到AC***。一旦从所述DC***提取了足够的能量，所述VSC就能够与所述DC***隔离，并且所述电压源换流器设备能够切换到阻断状态。

Description

电压源换流器的控制
技术领域
本发明案涉及用于在DC侧中断(例如，DC侧故障)的情况下控制电压源换流器的方法和设备，且尤其涉及控制具有故障阻断能力的电压源换流器。
背景技术
HVDC(高压直流电)电力传输使用直流电以供电力传输。这是更普遍的交流电电力传输的替代方案。使用HVDC电力传输存在许多益处。HVDC对远距离电力传输和/或在不同频率下操作的互连交流电(AC)网络特别有用。
到目前为止，大多数HVDC传输***一直基于线换向换流器(LCC)，例如使用晶闸管阀的六脉冲桥式换流器。LCC使用例如闸流晶体管的元件，它们可通过适当的触发信号接通，并且只要它们被加正向偏压，就保持导电。
然而，越来越多的电压源换流器(VSC)被提出用于HVDC传输中。VSC使用例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关元件，它们可独立于任何连接的AC***而进行可控制的接通和关断。因此，VSC有时被称作自换向换流器。
已知VSC的各种设计。通常，每一VSC针对每一AC相位将具有相柱(phase limb)，其中每一相柱具有两个换流器臂，所述换流器臂将相关AC端连接到相应的高DC端和低DC端。每一换流器臂包括通常被称为阀的设备，其用于将AC端选择性地连接到相关DC端。
在已知的VSC的一个形式，通常被称为六脉冲桥式或称为两级换流器中，每一换流器臂的阀包括一组串联连接的开关元件，通常为IGBT，每一IGBT与反并联二极管连接。阀的IGBT一起开关以连接或断开连接相关AC与DC端，其中给定相柱的阀在反相中进行开关。通过针对每一臂使用脉冲宽度调制(PWM)类型的开关方案，可实现AC和DC电压之间的转换。在称为模块化多电平换流器(MMC)的另一VSC形式中，每一换流器臂包括多个串联连接的单元，它们各自具有例如电容器的能量存储元件，所述能量存储元件可在相关AC和DC端之间选择性地串联连接或被旁路。通过使用相对较大数目个单元并适当定时所述开关，所述阀可合成近似正弦波的步进式波形，以从DC转换到AC，或反之亦然，伴有低等级的谐波失真。在称为交替臂换流器(AAC)的另一类型的换流器中，多个串联连接的单元在每一换流器臂中进行连接，以用于提供如针对MMC类型换流器所描述的步进式电压波形，但是每一换流器臂还包括被称为导引器开关的臂开关，并且每一换流器臂在AC周期的至少部分内关断。
图1示出了示例性HVDC网络。第一VSC 101a，可形成第一换流器站的部分通过DC链路102连接到第二VSC 101b。在背靠背布置中，第二VSC 101b可在第一站中与第一VSC 101a处于相同位置。然而，在一些情况下，第二VSC 101b可位于远离第一站的第二站，并且DC链路102可包括一个或多个DC传输线，例如，架空线路或水下或埋设电缆，所述DC传输线的长度可为数千米。第一VSC 101a可通过从来自连接的AC***103a的经接收AC输入供应的转换而产生DC供应。接着，第二VSC 101b针对连接的AC***103b通常提供从DC转换回AC。
一开始，HVDC电力传输***倾向于针对点到点传输实施，即从第一站到第二站。然而，越来越多地提出在多端DC电网上实施HVDC电力传输，所述多端DC电网包括连接多于两个电压换流器的多个DC传输路径。因此，在一些情况下，可存在至少第三VSC 101c连接到DC电网，即，连接到DC链路102。如果存在，那么第三VSC可耦合到第三AC***103c(其可为与第一或第二AC***相同的AC网络的部分)。此类DC网络例如在例如从可再生来源(例如，风场)产生电力的应用中是有用的，其中可存在地理上偏远的多个来源。
此类网络需要能够处理可包括DC侧故障的故障。DC侧故障表示在网络的正常或标称操作中的DC侧中断。在DC故障的情况下，故障电流可从DC链路的一个极点流动到接地，如由灰色箭头107所说明，或在DC链路的各极点之间流动，如由箭头108所说明。
常规地，提供AC断路器104以用于故障处理。在DC故障的情况下，VSC可切换到阻断状态中，即VSC的所有开关元件都可断开。然而，对于许多常规VSC设计，故障电流仍然可经由VSC的开关元件的二极管而流过处于阻断状态中的VSC。因此，为了防止对DC侧故障电流的此类促成作用，将命令AC断路器104打开，并且AC断路器104将在AC电流的下一个过零点处打开。打开AC断路器隔离了DC***与AC***，并因此防止AC侧对故障电流的任何促成作用。
在故障的情况下操作AC断路器确实隔离了AC和DC***，但是这将需要AC断路器在故障已经清除之后重新关断。
还已经提议使用DC断路器105以用于DC侧故障处理，但是在故障情形中能够破坏HVDC***中的完整DC电流流动的DC断路器可能是昂贵且庞大的组件。
最近，已经提议具有故障阻断能力的一些VSC。此类VSC通常包括例如电容器的能量存储元件，所述能量存储元件可选择性地连接到VSC的换流器臂中以提供阻断电压。此类VSC在本文中将被称作故障阻断VSC。
图2示出示例性的模块化多电平换流器(MMC)类型VSC 200。图2说明具有三个相柱201a、201b、201c的VSC，所述相柱各自具有分别在相关AC端202a、202b、202c与相应的DC端DC+、DC-之间的高侧换流器臂和低侧换流器臂。每一换流器臂包括串联连接的单元204的集合203，每一单元包括例如电容器206的能量存储元件，以及开关207的布置，所述布置可受控制以便在所述单元的各端之间串联连接能量存储元件或旁路能量存储元件。串联连接的单元204的集合203有时被称为链节(chain-link)换流器或链节电路，或简称为链节。
链节的单元204有时被称为子模块，其中多个单元形成模块。如上面所提及，在正常操作中，单元在使用时受例如控制器208控制以在不同时间连接或旁路它们相应的能量存储元件，以便随着时间使跨整个链节的电压差变化。图2出于清楚起见仅说明几个此类单元204，但是实际上，可存在数十个或甚至数百个单元。
MMC可实施为半桥式MMC，其中单元或子模块的能量存储元件与半桥式开关布置连接，以允许旁路或连接能量存储元件，以在单元的各端处提供具有给定极性的电压。
然而，为了提供故障阻断能力，链节203的单元204中的至少一些与有时被称为H桥的全桥式开关布置连接，如图2中所说明，这允许旁路或连接能量存储元件以在单元的各端处提供具有任一极性的电压。在一些实施例中，MMC的链节的所有单元可为全桥式单元。然而，在正常操作中，全桥式单元的导电损耗大于半桥式单元的导电损耗。因此，在一些实施例中，链节可包括多个全桥式单元以及多个半桥式单元。
图3说明其中类似于图2中所说明的组件的组件因此而使用相同参考标号识别的AAC类型。在AAC换流器中，每一换流器臂中的链节203与臂开关301串联连接，所述臂开关301也被称作导引器开关，其可包括多个串联连接的臂开关元件302。臂的导引器开关可例如包括具有关断能力的高电压元件，例如具有反并联二极管的IGBT或类似物。当特定换流器臂在导电时，链节203以类似于如上面关于MMC类型换流器所描述的方式依次开关以提供所要波形。然而，在AAC换流器中，相柱的换流器臂中的每一个在AC周期的部分内断开，并且在此周期期间，导引器开关301关断。
对于AAC换流器，链节203的单元204通常是具有开关207的全H桥布置的单元，如图3中所说明，且因此AAC类型换流器通常还提供故障阻断能力。
对于故障阻断VSC，例如图2或3中所说明的那些，在DC故障的情况下，换流器可被阻断，即，每一单元的开关元件关断。然而，在此情况下，当处于阻断状态时，全H桥单元不提供单元的各端之间的直接流动路径，并且任何故障电流将必须经由单元电容器流动，所述单元电容器的电压用于对抗电流。因此，将此故障阻断VSC切换到阻断状态具有阻断AC侧对故障电流的任何促成作用的效果。
发明内容
本发明的实施例涉及用于控制故障阻断VSC的方法和设备，所述故障阻断VSC提供对例如DC侧故障的DC侧中断的改善的响应。
因此，根据本发明，提供一种控制故障阻断电压源换流器设备的方法，所述设备在使用时连接到AC***和DC***以供电力传输，所述方法包括，在DC侧中断的情况下：
在识别出对DC侧中断的需求之后，基于电压阶次操作电压源换流器设备，以便从DC***提取至少一些电能到电压源换流器设备。
电压源换流器设备可包括单个电压源换流器，即，所述方法可为控制故障阻断电压源换流器的方法。然而，在一些实施例中，故障阻断电压源换流器设备可包括连接到彼此的多个电压源换流器，其中所述布置具有故障阻断能力，在此情况下，所述方法包括共同控制组合VSC的方法。此布置的电压源换流器中的至少一个自身可为故障阻断VSC。
因此，本发明的实施例在识别出对DC侧中断的需示求之后，在非阻断状态中操作VSC，以便消散存储在DC***中的能量。在消散DC***中所存储的能量中的至少一些之后，VSC接着可与DC***隔离，并且在一些情况下，可切换到阻断状态。
DC侧中断可为对正常操作的任何中断，其中它可有益于消散存储在DC***中的能量。DC侧中断可为DC侧故障，并且识别对DC侧中断的需求可包括检测DC侧故障。然而，在一些情况下，DC侧中断可为DC侧关断，举例来说，作为计划关断以供维护的部分，在此情况下，识别对DC侧中断的需求可包括接收DC侧关断命令。
在一些实施例中，电压阶次可基于DC电流，以便将存储在连接的DC***中的电能中的至少一些传递到连接的AC***。换句话说，VSC可经操作以从DC***提取所存储的能量中的至少一些到VSC，接着将所述能量传递到AC***。
操作电压源换流器设备以从DC***传递电能可包括产生具有与DC电流的极性相反的极性的电压阶次。所述方法可进一步包括基于DC电流的幅度而控制电压阶次的幅度。在一些实施例中，电压阶次的幅度可至少在最大可允许正电压阶次和最大可允许负电压阶次之间的范围内，以连续方式或逐步方式中的至少一个方式随着DC电流的幅度变化。
然而，在一些实施例中，对于某一类型的故障，例如，对于对称单极方案中的极点到接地故障，故障的发生可导致DC***的健康传输线，即无故障传输线，被充电到较高电压。在此情况下，为了从DC***提取所存储的能量，可控制电压阶次的幅度以便随着时间推移从大体上等于VSC的经监测DC端电压的值减小。换句话说，电压阶次可产生有大体上等于经监测电压的初始值，且接着随着时间推移减小以减小DC线的电压。电压阶次可减小到定义值，所述限定值可例如为零。电压阶次的幅度可以使得DC***中的电流不超过所允许最大额定电流的速率减小。如稍后将更详细地解释，传输线中的电流将取决于线的电容和电压的改变速率。使电压阶次变化以便使电压快速地降低到定义的电平，但不会快速得使得电流超过最大额定电流。
电压源换流器将通常包括多个换流器臂，并且在一些实施例中，每一换流器臂可包括链节电路，所述链节电路包括多个单元，其中所述多个单元中的至少一些包括连接于全H桥开关布置中的单元的各端之间的能量存储元件。在此实施例中，电压阶次可为用于此类链节电路的电压阶次。
如上文所提到，在将存储在连接的DC***中的至少一些电能提取到电压源换流器设备之后，所述方法可进一步包括随后隔离电压源换流器设备与DC***。所述方法可包括将电压源换流器设备开关到阻断状态。
所述方法可包括监测从DC***到AC***的功率流。当功率流低于预定阈值时，可执行随后将电压源换流器设备切换到阻断状态的步骤。可执行随后将电压源换流器切换到阻断状态的步骤，以大体上与DC***中的电流的过零点重合。
在第一类型的DC故障的情况下，所述方法可包括，在识别出DC侧故障之后，在操作电压源换流器以将电能从DC***传递到AC***之前的预定周期内将电压源换流器设备切换到初始阻断状态。在初始阻断状态中，将电压源换流器设备中的至少一些控制器复位。第一类型的故障可为极点到极点DC故障。
在第二DC类型的故障的情况下，所述方法可包括一识别出DC故障，就在识别出DC侧故障之后操作电压源换流器设备以将电能从DC***传递到AC***。第二类型的DC故障可为极点到接地故障。
所述方法可由任何合适的控制器实施。
各方面还适用于可存储在非暂时性存储媒体上的机器可读指令，例如软件代码或类似物，所述机器可读代码包括用于执行上文所描述的变化形式中的任一个的方法的指令。
各方面还涉及用于在使用时连接到AC***和DC***以供电力传输的故障阻断电压源换流器设备的控制器，所述控制器被配置成：
在识别出对DC侧中断的需求之后，基于电压阶次控制电压源换流器，以从DC***提取至少一些电能到电压源换流器设备。
根据这方面的故障控制器可被配置成实施上文所描述的变化形式中的任一个的方法。控制器可基于DC电流而产生电压阶次，以便将存储在连接的DC***中的电能中的至少一些传递到连接的AC***。
控制器可包括电压阶次产生模块，其用于产生具有与通过电压源换流器的DC电流的极性相反的极性的电压阶次。电压阶次产生模块可被配置成基于DC电流的幅度而控制电压阶次的幅度。电压阶次产生模块可被配置成针对在最大正电压阶次和最大负电压阶次之间的范围的至少部分以大体上连续的方式使电压阶次的幅度变化，和/或可被配置成针对在所述范围的至少部分以逐步的方式使电压阶次的幅度变化。
控制器可被配置成当从AC***到DC***的功率流低于预定阈值时将电压源换流器设备切换到阻断状态。控制器可因此包括阻断状态控制器，其用于对照至少一个预定阈值监测所述功率流。控制器可被配置成将电压源换流器设备切换到阻断状态，以大体上与DC***中的电流的过零点重合。
控制器可被配置成，在第一类型的DC故障的情况下，在操作电压源换流器设备以从DC***传递电能之前的预定周期内将电压源换流器设备切换到初始阻断状态。在初始阻断状态中，故障控制器可将电压源换流器设备中的至少一些控制器复位。第一类型的故障可为极点到极点DC故障。另外地或另一选择为，故障控制器可被配置成在第二类型的DC故障的情况下，一识别出DC故障，就操作电压源换流器设备以将电能从DC***传递到AC***。第二类型的DC故障可为极点到接地故障。
本发明的各方面还适用于具有如上文的变化形式中的任一个中所描述的控制器的故障阻断电压源换流器设备。
设备的电压源换流器可包括多个换流器臂，每一换流器臂包括链节电路，所述链节电路包括多个单元，其中所述多个单元中的至少一些包括连接于全H桥布置中的单元的各端之间的能量存储元件。在一些实施例中，换流器臂的链节电路的单元中的每一个可在全H桥开关布置中连接。电压源换流器可为模块化多电平换流器(MMC)类型的换流器或相邻臂换流器(AAC)类型的换流器。
电压源换流器设备可为HVDC配电/电力传输网络的部分，并且在一些实施例中，可连接到DC传输线，例如，电缆或架空线路，所述DC传输线的长度可为数千米。从DC***提取的所存储的能量中的至少一些可包括存储在DC传输线(例如，架空线路和/或电缆)中的能量。
本发明的各方面还涉及HVDC配电/电力传输***，其包括如上文所描述的至少一个VSC。
本发明的实施例可针对任何VSC拓扑或VSC的组合实施，所述VSC在DC链路处可提供正电压和负电压两者。
附图说明
现在将仅借助于实例关于附图来描述本发明，在附图中：
图1示出示例性的HVDC网络的示意图；
图2示出示例性的具有故障阻断能力的MMC类型VSC的示意图；
图3示出示例性的具有故障阻断能力的AAC类型VSC的的示意图；
图4示出示例性的根据本发明的实施例的控制方法的流程图；
图5a、5b和5c示出三个示例性的电压阶次可如何变化的示意图；
图6示出根据本发明的实施例的故障阻断VSC的控制器的示意图；
图7示出包括连接于DC链路的各端之间的多个VSC的电压源换流器设备的示意图；
图8示出在极点到接地故障的情况下的其中故障阻断VSC根据常规方法操作的HVDC***的模拟电流和电压波形的示意图；
图9示出在极点到接地故障的情况下的其中故障阻断VSC根据本发明的方法操作的HVDC***的模拟电流和电压波形的示意图；
图10示出在极点到极点故障的情况下的其中故障阻断VSC根据常规方法操作的HVDC***的模拟电流和电压波形的示意图；
图11示出在极点到极点故障的情况下的其中故障阻断VSC根据本发明的一个实例操作的HVDC***的模拟电流和电压波形的示意图；以及
图12示出在极点到接地故障的情况下的其中故障阻断VSC根据本发明的实施例操作且VSC一开始在较短周期内切换到阻断状态的HVDC***的模拟电流和电压波形的示意图。
具体实施方式
如上面所提及，在每一换流器臂中具有多个全H桥单元的故障阻断VSC可用于DC网络中，以提供对在DC侧故障情况下AC对故障电流的任何促成作用的阻断。
返回参考图2和3，在DC故障的情况下，VSC切换到阻断状态，并且在阻断状态中，使全桥式单元的所有开关元件207不导通。电流可经由开关元件207的二极管流动，但是用于通过单元的电流的唯一流动路径是经由能量存储元件，即电容器206，其电压对抗电流。
通常，因此一识别出DC侧故障，即在控制器处产生或接收到DC侧故障的指示，故障阻断VSC 200、300的控制器208就可将VSC开关到阻断状态。这将会相对快速地阻断AC对故障电流的任何促成作用。
然而，已了解，在将故障阻断VSC切换到阻断状态将会快速地阻断AC对故障电流的任何促成作用的同时，截留在DC***中的能量可在阻断VSC之后的一段时间内保持DC电流流动到所述故障。当截留在DC***内的能量在DC***的电容和电感之间移动时，DC传输线将经历电流和电压振荡，直到所述能量在DC***电阻内消散为止。振荡的衰减时间常量由DC***的电感和电阻确定，且通常是约数百毫秒。这延长了包括故障的DC***中的电流的流动。电流的流动使得有故障装备难以隔离，除非使用具有充分能力的DC断路器。另外，如果故障是归因于架空DC线上的闪络，那么只要电流流动，所述闪络弧就将持续。因此，在故障发生之后，电力传递的恢复延迟若干秒。
一般来说，DC故障清除过程需要通过故障的电流应变成零，且接着所述***在重新激活换流器站之前应等待指定去电离时间。因此，为了允许DC***更快地重新开始，截留在DC线(例如，架空线路或电缆)中的能量应尽可能快地消散。
因此，在已经识别出DC故障之后，本发明的实施例在非阻断状态中操作故障阻断VSC，其中操作VSC以消散来自DC***的能量和/或使DC***中的振荡衰减。在一些实施例中，然后，VSC可接着切换到阻断状态和/或以其它方式与DC***隔离。以此方式操作VSC可允许故障更快速地隔离和/或故障弧消灭，并因此允许电力传输的重新开始更加快速。相同方法还可用于正常DC侧操作的其它中断的情况，其中希望消散存储在DC***(例如，传输线)中的能量。此DC侧中断可(例如)为DC传输***的关断，例如，以供维护或类似操作。因此，当检测到对DC侧中断的需求时可使用所述方法，检测到对DC侧中断的需求可(例如)为识别出故障或接收到故障指示信号或可为接收到关断命令。因此，术语“DC侧中断”在本文中应用于包括故障或需要将DC传输线放电的其它事件。
因此在本发明的实施例中，故障阻断VSC，例如，图2或图3中所说明的那些，可受它的控制器208控制以在已经识别出DC侧故障之后在非阻断状态中进行操作。图4说明合适的控制方法的一个实例。实施例将参考故障为DC侧中断进行描述，但是同样的一般方法可用于其它类型的DC侧中断。
所述方法适用于在DC侧中断的情况下的控制方法，并且因此根据相关操作条件的正常操作一直维持到识别出401对此中断(例如，故障)的需求。所属领域的技术人员将深知可以如何识别DC侧故障。DC故障可由VSC的控制器(例如，通过监测VSC的属性和操作)来识别，和/或控制器可从一些其它监测设备接收指示已经识别DC故障的控制信号，并且因此识别故障的控制器可涉及接收合适的控制信号和/或读取某一状态旗标的控制器。
对于某一类型的故障，故障的发生可导致相对较大的电流流过VSC，这可导致过电流，即将高于VSC组件的正常安全操作范围的电流。此故障可(例如)为极点到极点故障。然而，对于一些其它类型的故障，例如极点到接地故障，通过VSC的电流可保持在换流器的电流能力内。因此，所述方法可涉及确定402故障是否可导致过电流。如果是的话，那么可存在如稍后将描述的所应用的一些电流限制步骤。
然而，在任一情况中，所述控制将在适当时进展到步骤403，其中产生初始电压阶次以控制VSC，使得所得电力从DC侧流动，即，用于VSC的DC功率为负。因此，如果DC故障电流为正，那么所施加的换流器的DC电压为负，或反之亦然。如上文所提及，可开关VSC 2003或300的链节的全H桥单元以产生横跨单元的各端的正电压或负电压。因此，控制器相应地控制全桥式单元以给出适当的电压。
所述控制器接着控制VSC以使得功率流是从连接的DC***到VSC。此控制还会将从DC***提取的所存储的电力中的至少一些传递到连接的AC***。从DC***提取的能量中的至少一些还可至少在一时间段内存储在VSC的电容器中，即，VSC的链节的单元的电容器。因此，VSC可从DC***吸收所存储的能量，例如，将另外在传输线和VSC中周期的能量。这可导致在较慢电容器电压控制环路将电容器电压返回到它们的预先故障电平之前，VSC的至少一些单元的电压临时增加，其中能量被传递到连接的AC***。因此，应了解，在检测到DC侧故障之后操作VSC，同时VSC仍电连接到AC***，即，AC侧断路器不断开。
为了提供振荡阻尼，基于故障电流的幅度而控制404电压阶次的幅度，同时维持从DC***流走的功率的合适极性。因此，对于相对高的正DC电流，电压阶次将相对高且为负。随着DC侧电流减小，电压阶次的幅度也将减小。如果DC电流的方向振荡，如在故障电流幅度已经减小时可能发生的，那么电压阶次的极性可改变以维持负DC功率流。因此，例如，如果DC电流变为负，那么电压阶次将变为正，其中电压阶次的幅度也是基于DC侧电流的幅度。
DC侧电流和电压阶次之间的传递函数可采用数个不同形式。图5a和5b说明两个可能实例。图5a示出了传递函数可导致电压阶次在最大正值和最大负值之间以大体上连续且线性的方式变化。
图5b示出当电压阶次以逐步方式，例如，基于多个不同的电流阈值变化的传递函数。然而，应了解，可使用其它传递函数，例如，具有连续区域和逐步区域两者，和/或其中步进具有取决于幅度的不同电压分辨率，和/或转移函数对于在最大正值和最大负值之间的至少一区域内大体上非线性的。
对于对称单极方案，在极点到接地故障的情况下，健康传输线被充电到较高电压。在此情况下，可产生电压阶次，如图5c中所示。此处，电压阶次具有大体上等于在健康DC端处由VSC监测的电压的开始值。电压阶次的值可随着时间推移而减小，其中电压变化的斜率由最大所允许换流器电流管控。例如，对于传输电缆，电流由I＝c.dv/dt指定，其中C是DC***的电容，且dv/dt是跨电缆电容的电压变化。在足够的时间内变化电压阶次以使得在DC中断操作模式期间，电流不违反最大所允许换流器额定电流。此DC电压阶次将在电缆中的存储的能量传递到换流器设备。
在图4的实例中，关于阈值连续地监测405通过DC侧到AC侧的功率流，其中阈值被设置成相对靠近零。因此，控制VSC以维持合适的电压阶次，使得从DC到AC的功率流一直减小到达到阈值为止，从而指示DC***中的多数能量已经消散。此时，VSC可切换到阻断状态中或以其它方式与DC***隔离。在一些DC侧中断中，可能不需要将VSC切换到阻断状态，
优选地，任何隔离，例如，VSC被切换到阻断状态，经定时以与DC侧电流的随后(例如，下一个)电流零重合。在DC侧电流的电流零处将VSC切换到阻断状态帮助防止或至少减少与阻断换流器相关联的电流和/或电压中的任何瞬态。
如上面所提及，在一些实施例中，所述方法可涉及初始步骤：在识别出DC侧故障之后，确定故障是否导致换流器的过电流，所述步骤可(例如)最有可能用于极点到极点类型故障。在故障不导致过电流的情况下，例如，在极点到接地故障的情况下，故障阻断VSC可经控制以产生电压阶次，以导致具有一识别出故障就随着DC侧电流变化的幅度的负DC功率。
然而，在极点到极点类型故障或类似的情况下，故障电流的上升速率可能较高，这可能会导致过电流流过换流器，之后VSC控制动作才可提供开始限制这一电流的电压阶次。
因此，在一些实施例中，如果检测到产生过电流的故障，例如，极点到极点故障，那么VSC可在一开始立即切换407到阻断状态中。在阻断状态中，除与和连接的AC***的同步相关联的任何控制功能(例如，锁相环(PLL)或类似者)之外，VSC控制器功能(例如，电压和电流环路控制等)可进行复位。在较短的预定时间(比如，大约15ms左右)之后，VSC被去阻断408，即，重新开始单元的开关元件的控制。可将低电压阶次，比如大约0或-0.1p.u.，给到换流器以限制DC故障电流。当用低电压阶次去阻断VSC时，可再次确定409故障是否导致过电流。如果电流现在在VSC的可接受电流限制内，那么所述方法可如上面所描述的进行，即，从步骤403开始。然而，如果用相对较低的电压阶次对VSC进行去阻断仍然导致过电流，那么这可表示相对靠近换流器站的故障。对于相对靠近换流器站的极点到极点故障，通常可能不存在许多的存储在VSC和故障之间的DC链路的部分中的能量被消散掉，且因此可将VSC维持410在阻断状态中，直到DC链路重新开始。在此情形中，应了解，在DC链路的远端处的另一VSC可根据本发明进行操作，以消散在故障的所述侧上的DC链路中的能量。
因此，在例如极点到极点故障的情况下，VSC可一开始在较短周期内被阻断以避免过电流，但随后在识别出DC侧故障之后和在故障清除之前接着操作，以便更快速地从DC侧去除能量并使振荡衰减。一旦DC侧能量已经消散，就可接着再次阻断VSC以允许故障清除。
应了解，在一些实施例中，只有当紧接在DC侧故障之后的故障电流的上升高于某一阈值和/或导致过电流或指示可能有过电流时，初始阻断才可发生。
图6示出了根据本发明的实施例的用于控制故障阻断VSC的控制器600。
控制器具有识别模块601，其用于接收至少一个控制信号CS。识别模块可操作以检测DC侧故障的发生，并且可例如接收例如DC端处的VSC的电流和/或电压的信号指示，以便确定发生DC故障的时间。然而，在一些实施例中，识别模块可从某一其它监测设备接收指示需要DC侧中断的控制信号，即，发生DC故障或为了接收关断请求。
在故障的情况下，识别模块可发信号通知电压阶次模块602以产生电压阶次VORD，其中极性和幅度基于DC电流IDC。电压阶次模块可应用如上面所描述的传递函数，所述传递函数可例如存储于存储器603中，例如，作为查找表或类似物。在产生阻断命令以将VSC切换到阻断状态中之前，阻断状态控制器604接着可监测功率流PDC-AC，直到它达到预定阈值为止，所述预定阈值还可设定在例如603的存储器中。阻断状态控制器604还可监测DC电流IDC，以使得VSC在大体上对应于DC电流的过零点的时间的时间被切换到阻断状态。在一些实施例中，识别模块601还可发信号通知阻断状态控制器604，一检测到可导致或已导致过电流的故障，就在较短周期内进入阻断状态。
所属领域的技术人员将了解，图6的模块的许多功能可贯穿VSC控制器的正常控制设备分布，并且可由例如电路组件的专用硬件实施，和/或可至少部分地由各种处理例程实施，所述例程在合适的处理组件上运行，所述处理组件例如通用处理器或FPGA阵列或类似物。
因此，本发明的实施例提供一种方法，DC***中的所存储的能量在DC侧故障的情况下借助所述方法可比其它情形更快速地消散，并因此允许更快速的故障清除和重新开始。
在对称单极方案中的极点到接地故障的情况下，此方法的额外优点是因为DC方案将从零电压重新开始，且所以所述两个极点将围绕接地电位对称。这意味着不需要其它电压均衡装备(例如，动态制动电阻器)。
应了解，尽管已主要关于图2的MMC换流器和图3的AAC换流器进行解释，但是本发明的实施例可适用于任何类型的VSC换流器，所述任何类型的VSC换流器可阻断故障电流且可用正DC输出电压和负DC输出电压两者操作。
以上的讨论聚焦于单个VSC被布置在DC链路的各端之间。本发明的实施例可额外地用多个VSC的各种布置实施，例如具有串联组合、并联组合以及串联和并联两者的组合的换流器的VSC，其中至少一个换流器能够阻断DC故障电流且用正DC电压和负DC电压两者操作。如本说明书所使用，术语电压源换流器设应指连接到AC***和DC***的DC端的设备，即，在DC链路端之间连接的设备，其可包括单个VSC(如在上述实施例中)或连接到彼此的多个VSC。
例如，图7示出了双极DC链路可具有分别连接到电压源换流器设备700的第一DC线DC+和第二DC线DC-。在本实例中，VSC设备700包括连接到第一DC线(DC+)的第一VSC 701和连接到第二DC线(DC-)的第二VSC 702。在本实例中，第一和第二VSC串联连接，即，第一VSC的DC端中的一个连接到第二VSC的DC端，其中第一和第二VSC的另一DC端分别连接到第一DC线DC+和第二DC线DC-。第一和第二VSC中的每一个具有其自身的AC连接，所述VSC可为三个相位且可连接到同一AC***。
第一和第二VSC能够共同产生跨DC链路的正电压或负电压。在这个实施例中，第一和第二VSC中的至少一个能够自身产生跨它的DC端的正电压或负电压，例如，为故障阻断换流器。另一VSC可为非故障阻断换流器。在正常操作中，VSC两者通常都将产生具有相同极性的电压，其中来自每一VSC的电压求和以产生横跨DC链路的电压，即，DC+和DC-之间的电压。然而，在故障情形中，控制器703可基于如上面所描述的DC电流的幅度和极性而产生DC链路的总电压阶次，并相应地控制每一VSC。具有多个VSC的电压源换流器设备可以上文关于图4到6所论述的方式中的任一种进行控制。
为了演示本发明的原理，模拟HVDC***已经使用常规控制方法以及根据本发明的实施例的控制方法而经受了模拟接地故障。
图8示出了故障阻断VSC的DC侧电流(顶部曲线)和DC线电压(下部曲线)的波形，其中极点到接地故障在时间t＝1.7s时发生，并且故障阻断VSC紧接着切换到阻断状态并维持在阻断状态中，即，在识别出故障之后，VSC不操作。
可看出，在电流和电压中存在持续数百毫秒的大量振荡。
图9示出了模拟***和模拟DC故障与图8相同但其中应用根据本发明的故障控制方法的电流和电压波形。可看出，电流和电压振荡两者都衰减得更快，并且故障电流在快得多的时间标度上变成接近于零。
图10实际上示出了在时间t＝1.7s时发生的模拟极点到极点故障，且利用故障阻断VSC紧接着切换到阻断状态并维持在阻断状态中的常规方法。再次可看出，存在持续相对较长时间的显著电流和电压振荡。
图11示出了模拟***和模拟极点到极点DC故障与图10相同但其中应用根据本发明的故障控制方法的电流和电压波形。在图11的实例中，VSC未切换到初始阻断状态，即图4的方法从步骤401进展到403。可看出，电压和电流振荡衰减得比关于图10所说明的常规方法快。然而，所经历的初始故障电流高于在常规方法情况下的故障电流。
因此，如上面所描述，控制方法可涉及一开始阻断VSC，且接着用低电压阶次进行去阻断。图12示出了使用此类方法(即包括图4的步骤407和408)所模拟的电流和电压波形。可看出，在此情况下，最大故障电流受到限制，且不大于图10中所指示的常规方法的最大故障电流，但是VSC的所述随后去阻断和根据上文所描述的方法的操作确实更快速地将故障电流减小到接近于零。
因此，本发明的实施例提供用于在例如故障情形的DC侧中断的情况下控制VSC，且具体地说，具有全H桥单元的故障阻断VSC的方法和设备。本发明的一些实施例在识别出DC故障之后操作VSC，以便更快速地消散在DC侧中的任何存储的能量，以提供更快速的故障清除。
需要注意的是以上提到的实施例说明而非限制本发明，并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，并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记号都不应被解释为限制它们的范围。

Claims (10)

1.一种控制故障阻断电压源换流器设备的方法，所述故障阻断电压源换流器设备在使用时，连接到AC***和DC***以供电力传输，所述方法包括，在DC侧中断的情况下：
在识别出对DC侧中断的需求之后，基于电压阶次操作所述电压源换流器设备，其中以便提取存储在所述连接的DC***中的至少一些电能到所述电压源换流器设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压阶次基于DC电流，以便将存储在所述连接的DC***中的电能中的至少一些传递到所述连接的AC***。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，包括产生具有与DC电流的极性相反的所述极性的所述电压阶次。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，包括基于所述DC电流的幅度而控制所述电压阶次的幅度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述电压阶次的幅度在最大可允许正电压阶次和最大可允许负电压阶次之间以连续方式或逐步方式中的至少一个方式随着DC电流的幅度变化。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，包括控制所述电压阶次的幅度，以随着时间推移从大体上等于经监测DC端电压的值开始减小。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使得所述DC***中的电流不超过允许的最大额定电流的速率降低所述电压阶次的幅度。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述电压源换流器设备包括多个换流器臂，每一换流器臂包括链节电路，所述链节电路包括多个单元，其中所述多个单元中的至少一些包括连接于全H桥开关布置中的所述单元的各端之间的能量存储元件，其中所述电压阶次是所述链节电路的电压阶次。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述故障阻断电压源换流器设备包括连接到彼此的多个电压源换流器。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在提取存储在所述连接的DC***中的至少一些电能到所述电压源换流器设备之后，所述方法进一步包括接着隔离所述电压源换流器设备与所述DC***。
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