高压直流(hvdc)转换器系统及其操作方法
【技术领域】
[0001]本公开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】
[0002]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)收集器系统。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收集器系统。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。
[0003]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(firing angle)控制对三相AC电压进行“斩波”，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体现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次谐波的大量传输，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滤波器部分的大小比关联基于晶闸管的整流器部分的大小要大至少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。
[0004]另外，整流器中的许多已知晶闸管在每线路周期仅切换一次。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】
[0005]在一个方面，提供一种高压直流(HVDC)转换器系统。该高压直流(HVDC)转换器系统包括至少一个线路换向转换器(LCC)和至少一个降压转换器。至少一个LCC和至少一个降压转换器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。至少一个降压转换器配置成将多个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。HVDC转换器系统包括至少一个滤波装置，其通过至少一个AC导管并联耦合到至少一个降压转换器。至少一个滤波装置配置成将具有至少一个谐波频率的AC电流注入至少一个AC导管中。
[0006]在另一方面，提供一种传送高压直流(HVDC)电力的方法。该方法包括提供至少一个线路换向转换器(LCC)，并且将至少一个降压转换器通过至少一个AC导管并联地并且通过至少一个DC导管串联地耦合到至少一个LCC。该方法还包括通过至少一个AC导管将至少一个滤波装置并联耦合到至少一个降压转换器。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。该方法还包括将具有至少一个谐波频率的AC电流从至少一个滤波装置注入HVDC转换器系统中。该方法还包括控制通过具有至少一个降压转换器的HVDC传输系统传送的电流的值。
[0007]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降压转换器，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和至少一个降压转换器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。HVDC转换器系统包括至少一个滤波装置，其通过至少一个AC导管并联耦合到至少一个降压转换器。至少一个滤波装置配置成将具有至少一个谐波频率的AC电流注入至少一个AC导管中。
【附图说明】
[0008]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降压转换器的示意图；
图5是可与图2所示整流器部分配合使用的示范混合滤波装置的示意图；
图6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7是可与图6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8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9是图1所示HVDC传输系统的示范备选实施例的示意图；
图10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；以及图11是图1所示HVDC传输系统的又一个示范备选实施例的示意图。
[0009]除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开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、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。
【具体实施方式】
[0010]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。
[0011]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。
[0012]“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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]本文所述的混合HVDC传输系统提供用于传送HVDC电力的节省成本方法。本文所述的实施例促进在相互远离或者背对背(back-to-back)耦合的AC设施与AC电网之间传送HVDC电力。具体来说，本文所述的装置、系统和方法促进实现远程AC设施、例如海上风力田的黑启动。另外，本文所述的装置、系统和方法促进降低关联转换器系统的无功功率要求，同时还提供补充无功功率传输特征。具体来说，本文所述的装置、系统和方法包括使用线路换向转换器(LCC)中的串联电容器，由此促进关联逆变器以换向角的极低值的操作。另外，本文所述的串联电容器还促进降低关联降压转换器的额定值，降低在AC侧或DC侧瞬变和/或故障的情况下的晶闸管的换向故障的可能性，并且与降压转换器协作以减小关联晶闸管的换向角。因此，LCC生成DC电压的大多数，以及降压转换器生成充分DC电压以控制残余DC电压，由此促进对输出DC电流的控制或者对DC输出电压的准确控制。
[0016]此外，本文所述的装置、系统和方法促进显著减少并且潜在地消除昂贵大开关AC滤波器系统、电容器系统和无功功率补偿装置，由此促进减小关联系统的物理占用面积。本文所述的装置、系统和方法可补偿主谐波(例如11次和13次谐波)以及非特性谐波(例如3次谐波)。具体来说，本文所述的混合滤波器装置补偿这类主谐波。另外，除了部分补偿主谐波之外，本文所述的降压转换器还补偿这类非特性谐波。
[0017]此外，本文所述的装置、系统和方法增强动态电力流控制和瞬态负载响应。具体来说，基于电力流的方向，本文所述的降压转换器控制DC线路电流，使得降压调节器调节电力流、包括提供电力流的健壮控制，使得适应对电力流瞬变的更快响应。高达电网额定电压的大约10%的AC电网电压瞬变对输出DC电压的影响通过降压转换器的快速动作来降低，由此降低对关联转换器变压器的抽头变更器操作的需要。因此，转换器变压器抽头变更器的使用在AC电网的持续欠/过电压条件下显著降低。降压转换器相应地生成适当补偿电压。此外，本文所述的LCC在DC侧故障的情况下快速降低DC环节电压。另外，由于由降压转换器在稳态和瞬态操作中执行的控制操作，本文所述的整流器和逆变器部分促进降低转换器变压器额定值以及对关联变压器进线套管的AC电压应力。
[0018]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)电力系统102耦合到另一个AC电力系统104。在示范实施例中，系统102是电力生成设施，以及系统104是AC输电和配电网。备选地，系统102和104可以是实现如本文所述AC和DC电力系统的操作的任何AC系统。
[0019]电力系统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，电力系统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、即风力田(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，电力系统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收集器103。为了简洁起见，未示出非限制性地例如断路器和隔离器等的关联设备。
[0020]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，其电耦合到电力系统102。整流器部分108接收和转换电力系统102中的三相交流(AC)电压和电流，并且将三相AC电力整流成预定电压的直流(DC)电力。备选地，可使用实现如本文所述AC和DC的操作的具有任何相数的任何AC电力。
[0021]分隔电力转换系统106还包括逆变器部分110，其电耦合到输电和配电网