专利名称：过电压保护方法和设备、及具有如此设备的电力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于保护电力系统免于过电压发生的方法，其中电力系统用于经受电压。另外，本发明涉及用于保护电力系统免于过电压发生的设备，其中电力系统用于经受电压，该设备包括多个电涌放电器以及包括用于检测电力系统中的过电压发生的检测装置。 本发明还涉及包括上述设备的电力系统。
背景技术：
存在对改进的用于电力系统的过电压保护的需求，其中电力系统例如为包括 VSC变流器(VSC =电压源变流器)的电力系统、包括线换向变流器(line-commutated converter)的电力系统、和/或包括电力传输线的电力系统，其中电力传输线例如为高压直流(HVDC)传输系统。包括风能发电园或风力发电场的电力系统是过电压会特别有害的电力系统。传统地，离岸风力发电场的风力涡轮机连接到本地交流(AC)总线，其中该本地交流总线连接到第一 VSC变流器；第二 VSC变流器连接到近岸AC输电网；以及用于将离岸风力发电场产生的电力传输到近岸AC输电网的直流(DC)链接连接在第一和第二 VSC变流器之间。包括所述第二 VSC变流器和AC输电网的逆变器侧上的AC系统中的三相故障将导致包括所述第一 VSC变流器和DC链接的整流器侧上的高的过电压，即第一 VSC变流器和DC链接将经受有害的过电压。因此，整流器侧上的VSC变流器可能无法接收风力涡轮机产生的电力，并且风力涡轮机不得不达到停止状态，以及当故障被校正或修复时，风力涡轮机不得不再次启动，并且该过程导致发电的大量下降。W02008/131799A1公开了多个保护电力系统免于过电压的方案，其中电力系统包括风力发电场和用于将电力从风力发电场传输到AC输电网的DC链接，其中每端上的DC链接连接到VSC变流器。在一个方案中，由可切换电阻器组成的DC断路器连接到DC链接。在另一方案中，通过控制整流器侧上的VSC变流器，来修改风力发电场连接到的本地AC总线中的AC电压。在现有技术中已知的是使用电涌放电器来减少电力系统中的过电压，以保护电力系统免于过电压发生。例如，W002/50972A1公开了一种用于将直流电压转换成交流电压以及将交流电压转换成直流电压的VSC变流器，其中VSC变流器的电流阀中的至少之一设置有与电流阀并联连接的用于过电压保护的电路，该电路包括串联连接的电涌放电器。然而，当根据现有技术使用电涌放电器来保护电力系统，例如上述包括风力发电场的电力系统时，连接的电涌放电器的保护水平或拐点电压适配于电力系统，并且被设定为固定的电力系统最大操作电压，以及这导致不可变更的过电压保护。发明目标因此，本发明的目标是提供一种改进的用于电力系统的过电压保护。 发明内容
通过提供用于保护电力系统免于过电压发生的设备来达到本发明的上述目标，其中，电力系统用于经受电压，该设备包括多个电涌放电器以及包括用于检测电力系统中的过电压发生的检测装置，其中所述多个电涌放电器中的电涌放电器串联连接，所述多个电涌放电器包括可连接到接地的第一电涌放电器和可连接到要被保护的电力系统的第二电涌放电器，该设备包括与所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器并联连接的开关装置，以及该开关装置用于在没有检测到过电压发生时开路，以及用于在检测到过电压发生时闭合并且使与开关装置并联连接的电涌放电器短路。根据本发明，当检测到电力系统中的过电压时，开关装置将使与其并联连接的电涌放电器短路，从而电力系统中的能量被“吸收”以及过电压还被降低到更低水平。因此， 有效地改进了电力系统的过电压保护。当根据本发明的设备应用于上述涉及风力发电场的示例中的电力系统时，如果发生相应的故障，则风力涡轮机不必达到停止状态。代替地，能量被创新的设备吸收，而过电压被降低到更低水平。创新的设备可在若干位置连接到系统， 而在实施例的详细说明中，公开了若干示例。当具有现有技术中公开的提供固定保护水平的电涌放电器时，保护水平被最大连续性操作电压限制，并且保护水平相对高。这增加了对电涌放电器的磨损。在根据本公开的方案中，设备的保护水平在检测到过电压时被“调整”到更低水平，而电力系统可在检测到过电压时继续运行，以及还减少了对电涌放电器的磨损。电力系统的其它组件也可被定尺寸到更低保护水平，这提供成本节省。通过关于开关装置的术语“开路”来表示开关装置处于开路状态或不导电状态，在该状态中，开关装置基本上不可导电并且不传导任何电流，以及开关装置可被称为断开。通过关于开关装置的术语“闭合”来表示开关装置处于闭合状态或导电状态，在该状态中，开关装置可导电并且传导电流，以及开关装置可被称为接通。有利地，开关装置为快速开关的形式，其有利地具有小于ans(有利地，大约1ms) 的操作时间或闭合时间。可将本领域技术人员已知的若干适合的开关装置用于根据本发明的设备，例如断开类型的半导体元件，例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)或GTO(栅断开闸流管)；或者CapThor 类型的开关设备。检测装置可为传统的检测单元的形式或本领域技术人员已知的设备的形式。各个电涌放电器或避雷器本身可以以本领域技术人员已知的各种适合的方式来构造。多个电涌放电器包括两个或更多个电涌放电器。根据依据本发明的设备的有利实施例，设备包括两个电涌放电器单元。根据依据本发明的设备的有利实施例，检测装置包括用于测量施加于电力系统的电压的测量装置。测量装置可为传统的测量单元的形式或本领域技术人员已知的设备的形式。通过该实施例，进一步改进了用于电力系统的过电压保护。根据依据本发明的设备的其它有利实施例，设备包括用于控制开关装置的控制装置，其中控制装置连接到检测装置，以及控制装置用于在检测到过电压发生时控制开关装置控制闭合。控制装置可为包括合适的处理装置(例如CPU)的控制单元或控制设备的形式。通过该实施例，进一步改进了用于电力系统的过电压保护。根据依据本发明的设备的另一有利实施例，与所述多个电涌放电器中的其它电涌放电器相比，与开关装置并联连接的电涌放电器具有更低的拐点电压。例如，与开关装置连
5接的电涌放电器的拐点电压可具有0.8p. u.(每单位)的归一化电压值，而其它电涌放电器可具有l.Op. u.的拐点电压。根据依据本发明的设备的再一有利实施例，与第二电涌放电器相比，第一电涌放电器具有更低的拐点电压。由发明人执行的测试示出了该实施例提供有利的过电压保护。根据依据本发明的设备的又一有利实施例，其中，与第二电涌放电器相比，第一电涌放电器具有更低的拐点电压；与所述多个电涌放电器中的其它电涌放电器相比，第一电涌放电器具有更低的拐点。由发明人执行的测试示出了该实施例提供有利的过电压保护。根据依据本发明的设备的有利实施例，开关装置与第一电涌放电器并联连接。通过将开关装置与可连接到接地的第一电涌放电器并联连接，而不是将开关装置与位于更高电势处、即更接近于电力系统的电涌放电器并联连接，开关装置需要更少的绝缘。由此，开关装置可在其结构方面复杂性更小以及因此更便宜，从而进一步改进电力系统的过电压保护。还可通过提供用于保护电力系统免于过电压发生的方法来达到本发明的上述目标，其中电力系统用于经受电压，该方法包括下面步骤串联连接多个电涌放电器；将所述多个电涌放电器中的第一电涌放电器连接到接地；将所述多个电涌放电器中的第二电涌放电器连接到电力系统；检测电力系统中的过电压发生；以及当检测到过电压发生时，通过与所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器并联连接的开关装置使所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器短路。通过根据本发明的方法，由于上述原因，有效地改进了用于电力系统的过电压保护。根据依据本发明的方法的有利实施例，该方法的特征在于，当没有检测到过电压保护时使开关装置保持开路，以及在检测到过电压发生时闭合开关装置以实现电涌放电器的所述短路。根据依据本发明的方法的其它有利实施例，该方法的特征在于，当检测到过电压发生时通过与第一电涌放电器并联连接的开关装置使第一电涌放电器短路。根据依据本发明的方法的另一有利实施例，检测过电压发生的步骤包括测量施加到电力系统的电压。根据本发明的方法的上述实施例中的每个的积极技术效果对应于上述结合根据本发明的设备的对应实施例的效果。另外，本发明提供了一种用于经受电压的电力系统，包括用于保护电力系统免于过电压发生的至少一个设备，其中所述至少一个设备包括权利要求1至7中任一项提及的特征，或结合根据本发明的设备的上述实施例中的任一个提及的特征。根据依据本发明的电力系统的有利实施例，电力系统包括连接到设备的线换向变流器，以及该设备用于保护线换向变流器免于过电压发生。该设备可直接连接到线换向变流器，或者例如经由系统组件或单元，例如变压器间接连接到线换向变流器。根据依据本发明的电力系统的其它有利实施例，电力系统包括连接到设备的VSC 变流器，以及该设备用来保护VSC变流器免于过电压发生。VSC表示电压源变流器。该设备可直接连接到VSC变流器，或例如经由系统组件或单元，例如变压器和/或电感器/电抗器间接连接到VSC变流器。
根据依据本发明的电力系统的另一有利实施例，电力系统包括连接到设备的电力传输线，以及该设备用来保护电力传输线免于过电压发生。例如，连接在整流器侧变流器与逆变器侧变流器之间的DC链接是可连接到根据本发明的设备的电力传输线的示例。该设备可直接连接到电力传输线，或者例如可经由系统组件或单元间接连接到电力传输线。根据本发明的设备还可应用于其它电力系统，其有利地用于电力传输。电力系统有利地用于经受中等电压和/或高电压，例如10-1000kv。该设备的其它有利实施例、根据本发明的方法和电力系统、和本发明的其它优点从实施例的详细说明中出现。
为了示例性目的，现在将通过实施例并且参考附图来更详细地描述本发明，在附图中图1是图示根据本发明的设备的实施例的示意性电路图；图2-4是图示根据本发明的电力系统的实施例的示意性电路图，其中电力系统包括两个VSC变流器；图5-6是图示根据本发明的电力系统的实施例的示意性电路图，其中电力系统包括两个线换向变流器；以及图7是图示根据本发明的方法的实施例的示意性流程图。
具体实施例方式图1图示根据本发明的用于保护电力系统104免于过电压的设备102的实施例， 其中电力系统104用于经受电压，例如IO-SOOkV的电压。设备102包括串联连接的两个电涌放电器106、108。第一电涌放电器106可连接到接地110，而第二电涌放电器108可连接到要保护的电力系统104。在该实施例中，第一电涌放电器106具有比第二电涌放电器108 的拐点电压更低的拐点电压，例如与1. Op. u.相比，O.Sp.u.。设备102可设置有用于分别将设备102分别连接到接地110和电力系统104的传统连接装置。设备102的各个电涌放电器106、108可具有传统类型，例如也被称为MOV (金属氧化物变阻器)的氧化锌电涌放电器，以及通常传导非常低的电流，但是当电涌放电器106、108上的电压超过某个水平时，其将传导相当大地增加的电流。设备102包括用于检测电力系统中的过电压的检测装置112，以及检测装置112可为传统的检测单元的形式或本领域技术人员已知的设备的形式。检测装置112包括可连接到电力系统104的测量装置114，该测量装置114用于测量施加到电力系统104的电压。测量装置114可为传统的测量单元的形式或本领域技术人员已知的设备的形式。设备102包括开关装置116，开关装置116为快速开关的形式，与第一电涌放电器106并联连接。开关装置116用于在没有检测到过电压时开路，以及用于在检测到过电压时闭合并且使与开关装置116并联连接的第一电涌放电器106短路。有利地，开关装置 116具有大约Ims的操作时间，以及开关装置116可为断开类型的半导体元件的形式，例如 IGBT (绝缘栅双极晶体管)或GTO(栅断开闸流管)；或者CapThor 类型的开关设备。然而，其它开关装置是可以的。
设备102包括用于控制开关装置116的控制装置118，以及控制装置118连接到检测装置112和开关装置116两者。控制装置118用来在检测到过电压时控制开关装置116 闭合，以及用来在没有检测到过电压时控制开关装置116开路并且为开路的。控制装置118 可为包括合适的处理装置(例如CPU)的控制单元或控制设备的形式。设备102还可设置有多于两个的电涌放电器。图2图示用于经受电压的根据本发明的电力系统的第一实施例，其中如现有技术中已知的，该电力系统包括连接到AC输电网204的风力发电场202。可位于离岸的风力发电场202包括多个风力涡轮机206，以及耦合到本地AC总线208，其中，本地AC总线208经由第一变压器210和第一电感器/电抗器212连接到第一 VSC变流器214。第一 VSC变流器214经由DC链接216连接到第二 VSC变流器218，而VSC变流器218经由第二电感器/ 电抗器220和第二变压器222连接到可位于近岸的AC输电网204。第一 VSC变流器将AC 变换成DC，而第二 VSC变流器218将DC转换成AC。VSC变流器214、218可具有本领域技术人员已知的传统类型，而VSC变流器214、218的功能对本领域技术人员来说是公知的，以及这里不更详细地描述。电力系统也包括图1公开的设备102。在图2的电力系统中，设备102用来保护第一 VSC变流器214免于过电压。在图2所示的根据本发明的电力系统的第一实施例中，根据本发明的设备102在本地AC总线208与第一变压器210之间的位置A处连接到整流器侧的电力系统。如果AC输电网204中发生AC故障，整流器侧将经受由设备102检测到的过电压，而在设备102中，开关装置116将使与其并联连接的电涌放电器106短路，从而电力系统中的能量被“吸收”并且过电压被减小到更低水平。由此，风力涡轮机206不必达到停止状态。图3图示根据本发明的电力系统的第二实施例，其对应于图2中所示的电力系统， 但是不同地连接图1中所示的设备102。在图3所示的电力系统的第二实施例中，根据本发明的设备102替代地在第一变压器210与第一电感器/电抗器212之间的B位置处连接到整流器侧上的电力系统。图4图示根据本发明的电力系统的第三实施例，其对应于图2所示的电力系统，但是电力系统设置有不同地连接的如图1所示的两个设备102。在图4所示的电力系统的第三实施例中，根据本发明的两个设备102在位置C处连接到DC链接216。然而，在某些情况下，在位置C处仅将一个设备102连接到电力系统可以是足够的。根据依据本发明的电力系统的其它方面，也可以在第二电感器/电抗器220与第二变压器222之间的位置D处、或者第二传感器222与AC输电网204之间的位置E处将根据本发明的设备连接到电力系统。然而，用于将设备102连接到电力系统的其它位置也可以是可能的。也可以以各种方式组合图2-4中所示的电力系统的第一、第二和第三实施例。图 2的第一实施例例如可增补有如图3所示地连接的第二设备102 ；或者可增补有如图4所示地连接的两个设备102 ；或者可增补有如下设备102，所示设备102之一如图3所示地连接， 而其它如图4所示地连接。图3的第二实施例也可增补有如图4所示地连接的设备102。图5图示根据本发明的电力系统的第四实施例，该电力系统用于经受电压。图5 的电力系统对应于图2所示的电力系统，但是包括两个线换向变流器(LCC) 502、504，而不是两个VSC变流器214、218，以及排除了两个电感器/电抗器212、220。在图5的电力系统中，图1公开的设备102在本地AC总线208与第一变压器210之间的位置A处连接到整流器侧上的电力系统。LCC变流器502、504可具有本领域技术人员已知的传统类型，而LCC变流器502、504的功能对本领域技术人员来说是公知的，以及这里不更详细地说明。图6图示根据本发明的电力系统的第五实施例，其对应于图5所示的电力系统，但是电力系统设置有不同地连接的如图1公开的两个设备102。在图5所示的电力系统的第五实施例中，根据本发明的两个设备102在位置C处连接到DC链接206。然而，在某些情况下，在位置C处将一个设备102连接到电力系统可以是足够的。根据包括两个LCC变流器502、504的电力系统的其它方面，也可以在第二变压器 222与AC输电网204之间的位置E处将根据本发明的设备连接到电力系统。然而，用于连接设备102的其它位置也可以是可能的。也可以组合图5-6所示的电力系统的第四和第五实施例，即图5的第四实施例可增补有如图6所示地连接的设备102。应当理解，设备102到电力系统的其它替代连接是可能的，以及设备102可连接到包括更少或更多VSC变流器或LCC变流器的电力系统，或者没有任何VSC变流器或LCC变流器的其它系统。图7示出图示用于保护电力系统免于过电压的根据本发明的方法的实施例的示意性流程图。该方法包括下面的步骤在步骤701，串联连接两个电涌放电器，其中，所述两个电涌放电器中的第一电涌放电器连接到接地，而所述两个电涌放电器中的第二电涌放电器连接到要保护的电力系统。在步骤702，测量施加到电力系统的电压。在步骤703，监控和检测过电压发生。在步骤704，如果检测到过电压，S卩如果电力系统中的电压超过某个水平或阈值，则通过如果与第一电涌放电器并联连接的开关装置开路则闭合开关装置，来经由开关装置使第一电涌放电器短路。在步骤705，如果没有检测到过电压，则开关装置如果是闭合的则被开路。如上所述，通过关于开关装置的术语“开路”来表示开关装置处于开路状态或不导电状态，而通过术语“闭合”来表示开关装置处于闭合状态或导电状态。本发明不应被认为限于所描述的实施例，而是可在不偏离所述权利要求的范围的情况下，由本领域技术人员以多种方式来修改和改变。
权利要求
1.一种用于保护电力系统(104)免于过电压发生的设备(102)，所述电力系统(104) 用于经受电压，所述设备(102)包括多个电涌放电器(106，108)以及包括用于检测所述电力系统(104)中的过电压发生的检测装置(112)，其特征在于，所述多个电涌放电器中的电涌放电器(106，108)串联连接，所述多个电涌放电器包括可连接到接地(110)的第一电涌放电器(106)和可连接到要保护的所述电力系统(104)的第二电涌放电器(108)，所述设备(102)包括与所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器(106，108)并联连接的开关装置(116)，所述开关装置(116)用于在没有检测到过电压发生时开路，以及所述开关装置 (116)用于在检测到过电压发生时闭合并且使与所述开关装置(116)并联连接的所述电涌放电器(106,108)短路。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述检测装置(112)包括用于测量施加到所述电力系统的电压的测量装置(114)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备(102)包括用于控制所述开关装置(116)的控制装置(118)，所述控制装置(118)连接到所述检测装置(112)，以及所述控制装置(118)用于在检测到过电压发生时控制所述开关装置(116)闭合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，与所述多个电涌放电器中的其它电涌放电器相比，与所述开关装置(116)并联连接的电涌放电器(106，108)具有更低的拐点电压。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，与所述第二电涌放电器 (108)相比，所述第一电涌放电器(106)具有更低的拐点电压。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，与所述多个电涌放电器中的其它电涌放电器(108)相比，所述第一电涌放电器(106)具有更低的拐点电压。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述开关装置(116)与所述第一电涌放电器(106)并联连接。
8.一种用于经受电压的电力系统(104)，包括用于保护所述电力系统(104)免于过电压发生的至少一个设备(102)，其特征在于，所述至少一个设备(102)包括权利要求1至7 中任一项提及的特征。
9.根据权利要求8所述的电力系统，其特征在于，所述电力系统(104)包括连接到所述设备(102)的线换向变流器(502，504)，以及所述设备(102)用于保护所述线换向变流器 (502,504)免于过电压发生。
10.根据权利要求8或9所述的电力系统，其特征在于，所述电力系统(104)包括连接到所述设备(10 的VSC变流器014，216)，以及所述设备(10 用于保护所述VSC变流器 (214,216)免于过电压发生。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电力系统，其特征在于，所述电力系统(104) 包括连接到所述设备(102)的电力传输线(216)，以及所述设备(102)用于保护所述电力传输线(216)免于过电压发生。
12.一种用于保护电力系统(104)免于过电压发生的方法，所述电力系统(104)用于经受电压，所述方法包括下面的步骤串联连接(701)多个电涌放电器(106,108)；将所述多个电涌放电器中的第一电涌放电器(106)连接(701)到接地；将所述多个电涌放电器中的第二电涌放电器(108)连接(701)到所述电力系统；检测(703)所述电力系统(104)中的过电压发生；以及当检测到过电压发生时，通过与所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器(106， 108)并联连接的开关装置(116)使所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器(106， 108)短路(704)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，当没有检测到过电压发生时保持所述开关装置开路(705)，以及当检测到过电压发生时闭合(704)所述开关装置以实现所述电涌放电器(106，108)的所述短路。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，当检测到过电压发生时，通过与所述第一电涌放电器(106)并联连接的所述开关装置(116)使所述第一电涌放电器(106) 短路(704)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测过电压发生的步骤包括测量(702)施加于所述电力系统(104)的电压。
全文摘要
一种用于保护电力系统(104)免于过电压发生的方法和设备(102)，电力系统(104)用于经受电压。设备(102)包括多个电涌放电器(106，108)，以及包括用于检测电力系统(104)中的过电压发生的检测装置(112)。所述多个电涌放电器中的电涌放电器(106，108)串联连接，所述多个电涌放电器包括可连接到接地(110)的第一电涌放电器(106)和可连接到要保护的电力系统(104)的第二电涌放电器(108)。设备(102)包括与所述多个电涌放电器中的至少一个电涌放电器(106，108)并联连接的开关装置(116)，以及开关装置(116)用于在没有检测到过电压发生时开路，以及开关装置(116)用于在检测到过电压发生时闭合并且使与开关装置(116)并联连接的电涌放电器(106，108)短路。电力系统包括至少一个这样的设备(102)。
文档编号H02M1/32GK102484419SQ200980161130
公开日2012年5月30日 申请日期2009年8月31日 优先权日2009年8月31日
发明者乔斯·努内斯, 乔纳斯·卡尔松 申请人:Abb技术有限公司