高压直流(hvdc)转换器系统及其操作方法
【专利说明】高压直流(HVDC)转换器系统及其操作方法
[0001]关于联邦资助研发声明
本发明根据高级研究计划局一能源(ARPA-E)授予的合同号DE-AR0000224以政府支持进行。政府在本发明中可具有某些权利。
技术领域
[0002]本发明的领域一般涉及高压直流(HVDC)传输系统，以及更具体来说涉及HVDC转换器系统及其操作方法。
【背景技术】
[0003]已知电力生成设施的至少一部分物理上定位在边远地理区域中或者物理访问是困难的区域中。一个示例包括电力生成设施，其在地理上位于离消耗装置延长距离的崎岖和/或边远地带、例如多山山地以及海上、例如海上风力涡轮机装备。更具体来说，这些风力涡轮机可在物理上共同安置在公共地理区域中，以形成风力涡轮机场，并且电耦合到公共交流(AC)集电器系统。这些已知风力涡轮机场的许多包括分隔电力转换组合件或系统，其电耦合到AC集电器系统。这类已知的分隔电力转换组合件包括:整流器部分，其将电力生成设施所生成的AC转换成直流(DC);以及逆变器，其将DC转换成预定频率和电压幅度的AC。分隔电力转换组合件的整流器部分定位成紧邻关联电力生成设施，以及分隔全电力转换组合件的逆变器部分定位在远程设施、例如基于陆地的设施中。这类整流器和逆变器部分通常经由水下高压直流(HVDC)电力电缆(其至少部分定义HVDC传输系统)电连接。
[0004]许多已知电力转换器系统包括整流器，其包括线路换向转换器(LCC)。基于LCC的整流器通常将晶闸管用于换向，以便通过激发角控制(firing angle control)对三相AC电压进行“削波”，以生成可变DC输出电压。晶闸管的换向要求稳性、即基本上不变的电网电压。因此，对于没有稳性AC电网的那些区域，无法使用具有这类整流器的转换器。另外，使用这种HVDC传输系统的“黑启动”是不可能的。此外，这类已知基于晶闸管的整流器要求从AC电网到晶闸管的大量无功功率传输，其中一些无功功率要求表示整流器的额定功率的大约50%至60%。此外，基于晶闸管的整流器促进来自AC电网的谐波电流、例如11次和13次谐波的有效传输，这类谐波电流通常大约为11次和13次谐波的每个的当前电流荷载的10%。因此，为了补偿谐波电流和无功功率，大AC滤波器安装在关联AC开关场中。在一些已知开关场中，AC滤波器部分的大小为关联基于晶闸管的整流器部分的大小的至少3倍。开关场的这种AC滤波器部分因所要求的陆地以及所安装的大设备量而是资本密集的。另外，更换部件以及预防和校正维护活动中的相当大的投资增加操作成本。
[0005]另外，整流器中的许多已知晶闸管在每线性周期仅切换一次。因此，这类基于晶闸管的整流器呈现操作动态特性，其对于生成平滑波形不是最理想的。另外，已知基于晶闸管的LCC通常耦合到变压器，并且这类变压器以提高额定值来构成，以适应通过关联LCC的无功功率和谐波电流传输。此外，对于包括基于晶闸管的整流器的AC侧和DC侧的任一侧上的瞬变或故障的那些条件，电力换向的中断可产生。
【发明内容】
[0006]在一个方面，提供一种高压直流(HVDC)转换器系统。高压直流(HVDC)转换器系统包括至少一个线路换向转换器(LCC)和至少一个电流控制转换器(CCC)。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个交流(AC)导管，并且串联耦合到至少一个直流(DC)导管。至少一个LCC配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。至少一个电流控制转换器(CCC)配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。
[0007]在另一方面，提供一种传送高压直流(HVDC)电力的方法。该方法提供至少一个线路换向转换器(LCC)，其配置成将多个交流(AC)电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节直流(DC)电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。该方法还包括提供至少一个电流控制转换器(CCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个AC导管，并且串联耦合到至少一个DC导管。该方法还包括将AC电流和DC电流中的至少一个传送给至少一个LCC和至少一个CCC。该方法还包括定义跨具有至少一个LCC的HVDC传输系统的预定电压差。该方法还包括控制通过具有至少一个CCC的HVDC传输系统所传送的电流的值。
[0008]在另一方面，提供一种高压直流(HVDC)传输系统。该HVDC传输系统包括至少一个交流(AC)导管和至少一个直流(DC)导管。该系统还包括多个HVDC传输导管，其耦合到至少一个DC导管。该系统还包括HVDC转换器系统。该HVDC转换器系统包括至少一个线路换向转换器(LCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。该HVDC转换器系统还包括至少一个电流控制转换器(CCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个AC导管，并且串联耦合到至少一个DC导管。
【附图说明】
[0009]通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括:
图1是示范高压直流(HVDC)传输系统的示意图；
图2是可与图1所示HVDC传输系统配合使用的示范整流器部分的示意图；
图3是可与图2所示整流器部分配合使用的示范HVDC整流器装置的示意图；
图4是可与图2所示整流器部分配合使用的示范HVDC电流控制转换器(CCC)的示意图；
图5是可与图1所示HVDC传输系统配合使用的示范逆变器部分的示意图；
图6是可与图5所示逆变器部分配合使用的示范HVDC逆变器装置的示意图；
图7是可与图1所示HVDC传输系统配合使用的示范黑启动配置的示意图；
图8是图1所示HVDC传输系统的一示范备选实施例的示意图；以及图9是图1所示HVDC传输系统的另一个示范备选实施例的示意图。
[0010]除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本发明的关键发明特征。这些关键发明特征被认为可适用于包括本发明的一个或多个实施例的大量系统。因此，附图不是意在包括本领域的技术人员已知的实施本发明所需的所有常规特征。
【具体实施方式】
[0011]在以下说明书和权利要求书中，将参照定义成具有下列含意的多个术语。
[0012]单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。
[0013]“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。
[0014]本文所使用的近似语言在本说明书和权利要求书中通篇可适用于修饰可准许改变的任何定量表示，而没有弓I起与其相关的基本功能的变化。相应地，通过诸如“大约”和“基本上”之类的一个或多个术语所修改的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的准确度。在这里并且在整个说明书和权利要求书中，范围限制可经过组合和/或互换，这类范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另加说明。
[0015]如本文所使用的术语“黑启动”表示从电力生成设施外部的源向地理上隔离的位置中的至少一个电力生成设施提供电力。当电力生成设施中不存在使用中的发电机并且地理上隔离的电力生成设施中不存在其他电力源以促进其中的至少一个发电机的重启时，黑启动条件被认为存在。
[0016]图1是示范高压直流(HVDC)传输系统100的示意图。HVDC传输系统100将交流(AC)电力生成设施102親合到输电和配电网104。电力生成设施102可包括一个电力生成装置101，例如一个风力涡轮发电机。备选地，电力生成设施102可包括多个风力涡轮发电机(均未示出)，其可至少部分在地理上和/或电气上编组，以定义可再生能量生成设施、即风力涡轮机场(未示出)。这种风力涡轮机场可通过特定地理区域中的多个风力涡轮发电机来定义，或者备选地通过各风力涡轮发电机与公共变电站的电气连通性来定义。另外，这种风力涡轮机场可物理上定位在边远地理区域中或者物理访问是困难的区域中。非限制性地例如，这种风力涡轮机场可地理上位于离消耗装置延长距离的崎岖和/或边远地带、例如多山山地以及海上、例如海上风力涡轮机装备中。此外，备选地，电力生成设施102可包括任何类型的电力生成系统，包括例如太阳能电力生成系统、燃料电池、热力发电机、地热发电机、水力发电机、柴油发电机、汽油发电机和/或从可再生和/或不可再生能量源来生成电力的任何其他装置。电力生成装置101耦合在AC集电器103。
[0017]HVDC传输系统100包括分隔电力转换系统106。分隔电力转换系统106包括整流器部分108，其电耦合到电力生成设施102。整流器部分108从电力生成设施102接收三相正弦交流(AC)电力，并且将三相正弦AC电力整流成预定电压的直流(DC)电力。