电组件的改进或与电组件有关的改进的制作方法

本发明涉及用于互连ac和dc电网络的电组件，并且涉及包括多个互连电组件的电力传输网络，多个互连电组件的至少一个是前面所述的电组件。

背景技术：

在电力传输网络中，交流(ac)电通常变换成直流(dc)电以通过架空线和/或海底电缆传输。这种变换消除了补偿由传输线或电缆强加的ac电容性负载效应的必要，并降低每千米线路和/或电缆的成本，因此当需要在远距离上传输电力时变得成本有效。

使用变换器在ac电和dc电之间变换。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于互连ac和dc电网络的电组件，包括：

在ac和dc电网络之间传输功率的变换器，所述变换器包括第一和第二dc端子，所述第一和第二dc端子可连接至所述dc电网络，并且在第一和第二dc端子之间延伸至少一个变换器分支，所述或每个变换器分支包括由ac端子隔开的第一和第二变换器分支部分，每个变换器分支部分包括一次开关元件，所述一次开关元件可操作以促进在所述变换器的正常操作期间在相应的ac和dc端子之间的功率传输，在所述或每个变换器分支内的至少一个变换器分支部分还包括能量吸收模块，所述能量吸收模块包括二次开关元件和能量吸收器，所述或每个能量吸收模块可在旁路模式和吸收模式中操作，在旁路模式中，所述二次开关元件使通过相应的变换器分支部分流动的电流绕过所述能量吸收器，并且在吸收模式中，所述二次开关元件使通过相应的变换器分支部分流动的电流通过所述能量吸收器流动；

ac断路器，所述ac断路器在使用中设置在所述或每个变换器分支的ac端子和所述ac电网络之间，所述ac断路器可选择性断开以将所述变换器与所述ac电网络电隔离；以及

控制单元，所述控制单元与所述变换器和所述ac断路器可操作地关联，所述控制单元被编程在所述变换器的正常操作期间，在其旁路模式中操作所述变换器内的所述或每个能量吸收模块，并且所述控制单元被编程在dc故障出现之后(i)启动所述ac断路器的断开，以将所述变换器与所述ac电网络电隔离，然后(ii)切换所述或每个能量吸收模块以在其吸收模式中操作，以去除在由被隔离的变换器和所述dc电网络创建的扩大的dc故障电流路径内捕获的dc故障电流。

被编程在所述变换器的正常操作期间，在其旁路模式中操作所述或每个能量吸收模块的控制单元的包括方便地避免了来自在ac和dc端子之间传输的功率的附加和不期望的损耗。

同时，使控制单元被编程在dc故障出现之后启动ac断路器的断开开始去除高的可能有损害的dc故障电流的源的过程。之后，被编程切换所述或每个能量吸收模块进入其吸收模式的控制单元有利地去除即便一旦故障电流的源已经被去除(即，即便一旦ac断路器完全断开，变换器已经与ac电网络电隔离)仍存在的dc故障电流。因此，这有助于防止此剩余的dc故障电流继续自由地围绕扩大的dc故障电流路径循环，扩大的dc故障电流路径在变换器与ac电网络隔离时不可避免地产生。

去除此剩余的dc故障电流是特别有益的，原因是这降低dc故障电流熄灭即变成零所花的时间，所以最小化在从dc故障恢复并重新启动电力传输的过程可以开始之前的延迟。结果，与相应的ac或dc电网络连接的用户没有电力的时间段也缩短了。

前面提到的在电力传输可以再次开始之前由本发明实现的延迟的减少避免了包括贵重和大的dc断路器的必要，但对于高压应用，dc断路器仍在开发中。

此外，本发明提供重新启动电力传输所花的时间的前述改进而不需要包括更复杂的一次开关元件，这样的一次开关元件试图应对dc故障电流，但代价是提高的部件成本、体积和重量，以及在变换器的正常操作期间显著提高的能量损耗。

可选地，所述或每个一次开关元件包括多个开关模块，每个开关模块包括与能量储存装置并联连接的多个开关，所述开关的切换选择性引导电流通过所述能量储存装置，或者使电流绕过所述能量储存装置，从而，每个开关模块能够选择性提供电压源，并且因此所述多个开关模块一起限定可操作以提供阶跃式可变电压源的链式链接变换器。

这种布置带给本发明的益处在于包括给定类别的利用阶跃式可变电压源的变换器的电组件，以生成电压波形，允许其提供ac和dc网络之间的前述的功率传输功能。

所述能量吸收器能够耗散能量和/或储存能量。

任一种形式的能量吸收器提供去除在dc故障状况期间在关联的dc电网络内捕获的能量的容易方式。

在本发明的优选实施例中，所述能量吸收器是或者包括以下的一个或多个：

电阻器；

非线性电阻；以及

电容器。

每个可行的指定的能量吸收器或者独立地或者组合地能够被容易地并入变换器的变换器分支部分内，同时理想地提供从关联的dc电网络内捕获的能量的所需的选择性去除。

可选地，所述二次开关元件是或者包括无电流(no-current)开关器件。

这种二次开关元件的包括提供低成本和可靠的开关，以实现所需的切入和切出能量吸收模块内的关联的能量吸收器的电路。

所述控制单元可以被编程以通过以下切换所述或每个能量吸收模块以在其吸收模式中操作：给所述或每个能量吸收模块中的第二开关元件提供关断命令并且继续操作所述变换器的所述或每个变换器分支中的一次开关元件，使得通过具有能量吸收模块的每个变换器分支部分流动的交流相电流通过自然电流零。

此控制单元的包括允许利用通过每个变换器分支部分流动的电流的交流特性，即在ac和dc端子之间的功率的传输期间自然电流零的出现，以进一步允许使用更简单和成本更低的不需要具有电流开关能力的二次开关元件，即不能够被迫使进入非导通状态并且同样地只能够通过自然换向配置的开关元件。

优选地，二次开关元件是或者包括电流开关器件。

形式为电流开关器件的二次开关元件的包括允许在dc故障出现之后的任何时间，此二次开关元件使通过变换器分支部分流动的电流通过能量吸收器流动，所以避免对通过变换器分支部分流动的电流中自然电流零的出现的依赖，以允许二次开关元件的自然换向。因此，操作此二次开关元件有更大的灵活性可用，以便有助于确保其理想地完成开关，以便使电流通过能量吸收器流动，例如在关联的ac电网络内的保护性ac断路器响应于dc故障完成其断开，以将变换器与ac电网络隔离，从而保护变换器。

包括能量吸收模块的所述或每个变换器分支部分另外可以包括隔离开关，所述隔离开关被设置成允许电流永久性绕过通过所述能量吸收模块的流动。

此隔离开关的包括理想地允许例如在能量吸收模块变成故障的情况下，将能量吸收模块与变换器分支部分永久性隔离。

变换器可以包括多个变换器分支，每个变换器分支与所述变换器的给定的相关联。

多个变换器分支的包括将本发明的益处扩展到包括多相变换器的电组件中。

可选地，每个变换器分支部分包括能量吸收模块。此布置有助于尽可能快地去除捕获的dc故障电流。

所述或每个能量吸收模块优选与相应的变换器分支部分中的一次开关元件分开设置。

根据本发明的第二方面，提供了一种电力传输网络，包括多个互连电组件，其中的至少一个是如本文上面描述的电组件。

例如关于形式为hvdc电网的互连功率传输网络，在dc故障状况的情况下，一个或多个电组件内的变换器快速地重新开始功率传输的能力(即因为所述或每个变换器能够在此故障的情况下快速地耗散关联的dc电网络中捕获的能量)是特别期望的，原因是在大多数情况下，许多变换器(和其关联的ac电网络)在延长的时段内会无功率传输。

而且，在包括如本文上面描述的多个电组件即多个变换器的电力传输网络中，每个这种变换器贡献于从其中产生dc故障状况的关联的dc电网络中去除捕获的能量，所以此能量被去除的速率有相当的提高，因此在可以重新开始网络内的功率传输之前，有比例地缩短延迟。

附图说明

现在，参照以下附图，通过非限制性示例简要描述本发明的优选实施例，图中：

图1示出根据本发明的第一实施例的电组件的示意图；

图2(a)示出图1中所示的电组件在dc故障出现之后的初始阶段的第一配置；

图2(b)示出图1中所示的电组件在dc故障出现之后的后续阶段的第二配置；以及

图3(a)至3(d)示出在图2(a)和2(b)中图示的初始和后续阶段之前和期间在电组件内的变换器中的多种状态。

具体实施方式

根据本发明的第一实施例的电组件大致由图1中所示的附图标记8指示。

电组件8包括变换器10，变换器10具有三对相应的第一和第二变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c，每一对共同限定相应的第一、第二或第三变换器分支16、18、20。

每个变换器分支16、18、20与在使用中变换器10所连接的交流(ac)电网络22的相应相位a、b、c关联。

在其它实施例(未显示)中，本发明的变换器旨在用于与具有少于或多于三相的ac电网络的连接，使得本发明的变换器具有相应更少或更大数目的变换器分支和相应的变换器分支部分。

返回图1中所示的实施例，每个变换器分支16、18、20中相应的各对第一和第二变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c共用共同的相应的第一、第二或第三ac端子24a、24b、24c，经由这些端子，变换器分支部分与前述的ac电网络22连接。

每个第一和第二变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c还连接至相应的第一或第二dc端子26、28，通过这些dc端子，变换器分支部分在使用中又连接至dc电网络30。

以前述的方式，每个变换器分支16、18、20在第一和第二dc端子26、28之间延伸，并包括由相应的第一、第二或第三ac端子24a、24b、24c隔开的相应的第一和第二变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c。

同时，每个变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c包括与能量吸收模块34串联连接的一次开关元件32。但是，在本发明的其它实施例中，并非所有的变换器分支部分都一定需要包括能量吸收模块，不过，每个变换器分支中的至少一个变换器分支部分应当包括这样的模块。

每个一次开关元件32可操作以促进在相应的ac端子24a、24b、24c和相应的第一或第二dc端子26、28之间的功率传输。

更具体地，在所示的实施例中，每个一次开关元件32包括多个开关模块36(在图1中只示出一个)。每个开关模块36又包括与能量储存装置40并联连接的多个开关38。

还有更具体地，在已知的半桥布置中，每个开关模块36包括与形式为电容器42的能量储存装置40并联连接的一对开关38，以限定2-象限单极模块。在所示的实施例中，开关38是形式为例如相应的绝缘栅双极晶体管(igbt)的第一和第二半导体器件44a、44b，其各自与反并联二极管46并联连接。

不过，可以使用其它半导体器件。此外，在本发明的其它实施例中，一个或多个开关模块36可以具有与上面描述的不同的配置。

在所示的实施例中，在每个开关模块36中半导体器件44a、44b即igbt的开关选择性引导电流通过电容器42或使电流绕过电容器42，使得每个开关模块36能够提供零或正电压，并且能够在两个方向上传导电流。以此方式，每个一次开关元件32内的多个开关模块36一起限定链式链接变换器48，其在变换器10的正常操作期间可操作以提供阶跃式可变电压源。

同时，每个能量吸收模块34包括二次开关元件50和能量吸收器52。

在每个能量吸收模块34中，二次开关元件50是无电流开关器件54，即不能够被迫使进入非导通状态，只能同样被配置为通过自然换向到在其中流动的电流的零的开关器件。

更具体地，每个二次开关元件50由第一和第二串联连接的晶闸管56、58限定，每个晶闸管56、58具有与其并联连接的反并联二极管60。将晶闸管56、58相互串联连接降低了每个需要支持的个体开关电压，但在本发明的其它实施例中，可以由单个晶闸管限定一个或多个二次开关元件。

在本发明的又一些实施例中，一个或多个二次开关元件50可以由不同的无电流半导体开关器件，诸如机械开关或机械断路器(其只在通过它的电流为零时断开)或某种其它电子开关限定。

在本发明的又一些实施例中，一个或多个二次开关元件实际上可以包括形式为例如电流开关半导体开关器件(诸如igbt)或电流开关机械开关器件的电流开关器件。

返回图1中所示的实施例，能量吸收器52是电涌放电器62，其限定非线性电阻。这种电涌放电器62能够吸收通过其流动的电流的能量，并以热的形式耗散该能量。

不过，在本发明中可以使用其它类型的能量吸收器，诸如电阻器或电容器。实际上，可以使用能够耗散或储存能量的任何元件作为能量吸收器或其一部分。

除了前述之外，电组件8包括ac断路器70，ac断路器70设置在每个变换器分支16、18、20的ac端子24a、24b、24c和ac电网络22之间。ac断路器70能够断开以将变换器10与ac电网络22电隔离。

电组件8还包括控制单元80，控制单元80与变换器10和ac断路器70两者可操作地关联。

控制单元80被编程以控制变换器10和ac断路器70的操作，并且更具体地以以下方式被编程。

在变换器10的正常操作期间，即当控制单元80正控制每个一次开关元件32内的多个开关模块36以作为链式链接变换器48工作从而提供阶跃式可变电压源时，控制单元80被编程以在旁路模式中操作每个能量吸收模块34。更具体地，控制单元80闭合每个相应的能量吸收模块34中的二次开关元件50，以便使通过每个相应的变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c流动的电流绕过关联的能量吸收器52，从而避免能量吸收器52不期望地贡献变换器12的任何导通损耗。

在图3(a)至3(d)所示的示例中，变换器10一直正常操作到300毫秒。在变换器10的此正常操作期间，从ac电网络的每一相a、b、c流入变换器10中的电流ia、ib、ic(如图3(a)中所示的)、由每个二次开关元件承载的电流i50(如在图3(d)中所示的，以每个第一变换器分支部分12a、12b、12c中的二次开关元件作为示例)和dc电流idc(如图3(b)中所示的)全部都相互一致。

同时，每个二次开关元件50两端的电压v50基本上为零，如图3(c)中所示的，还是以每个第一变换器分支部分12a、12b、12c中的二次开关元件作为示例。

图2(a)图解说明电组件8在导致dc故障状况的dc故障出现(例如在300ms)之后紧接着的初始阶段中的第一配置。此dc故障可以是在dc电网络30内的第一和第二dc传输介质66、68(分别连接至变换器10的第一和第二dc端子26、28)之间的短路64，不过，也可以出现其它类型的dc故障。

短路64之后紧接着，控制单元80被编程启动保护性ac断路器70的断开(通过将其与电网络22隔离，以便保护变换器10)，但在ac断路器70断开所需的时间中，电流ia、ib、ic继续流动，实际上更大量的电流ia、ib、ic从ac电网络22的每一相a、b、c流入变换器10中，如在图3(a)中所示的。

在此断开时段中，前述短路64导致dc故障电流路径72，dc故障电流路径72由第一和第二传输介质66、68连同相应的第一和第二变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c内的一次开关元件32(以及更具体地由与每个一次开关元件32的每个开关模块36内的第二半导体器件44b关联的反并联二极管46限定的电流路径部分74)和相应的能量吸收模块34即其中的二次开关元件50限定。此dc故障电流路径72的产生导致dc电流idc的水平急剧增大，如图3(b)中所示的。

当在ac电网络22的每一相a、b、c中流动的电流ia、ib、ic由于由控制单元80提供的一次开关元件32的正在进行的开关控制而继续振荡时，第一和第二分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c的组合变化，第一和第二分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c的组合一起限定dc故障电流路径72的一部分，例如如图2(a)中所示的第一变换器分支16内的第一分支部分12a和第三变换器分支20中的第二变换器分支部分14c。

在短路64出现之后的近似2毫秒，控制单元80给每个能量吸收模块34内的二次开关元件50(即其中的第一和第二晶闸管56、58)提供关断命令，即断开命令，以便使每个能量吸收模块34切换到吸收模式中，在该模式中，通过关联的变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c流动的电流被转向反而通过相应的能量吸收器52即相应的电涌放电器62中流动。

控制单元80继续操作变换器10的每个变换器分支16、18、20中的一次开关元件32，使得当通过其流动的关联的交流相电流ia、ib、ic通过自然电流零时，无电流开关第一和第二晶闸管56、58(即二次开关元件50)停止传导电流。在此点，相应的能量吸收模块34完全切换到在其能量吸收模式中操作。

作为在经历自然零电流时的此稍微延迟的结果，第一和第二变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c的无论哪种组合(例如如图2(a)中所示的第一变换器分支16内的第一分支部分12a和第三变换器分支20中的第二变换器分支部分14c)中的二次开关元件50恰巧在短路发生时导通，经历通过其流动的电流i50的尖峰(如图3(d)中所示的，以第一变换器分支16的第一分支部分12a中的二次开关元件50作为示例)。

在每个二次开关元件50完全关断即断开后，产生关联的能量吸收模块34在其吸收模式的操作，通过每个二次开关元件50流动的电流i50下降到零，而其两端的电压v50增大。但是，如图3(c)中所示，以变换器10额定为640kv(即±320kvdc)作为示例，能量吸收器52即电涌放电器62的欧姆值选择为使得每个二次开关元件50仅施加近似4kv的电压，使得与变换器10的总开关损耗相比，与每个二次开关元件50关联的开关损耗是不显著的。

在短路64出现之后的大约60毫秒，ac断路器70已有充足的时间断开，防止交流相电流ia、ib、ic从ac电网络22的每一相a、b、c流入变换器10中，如图3(a)中所示的，即变换器10与ac电网络22电隔离。

在ac断路器70断开之后，在dc故障出现之后的后续阶段中，电组件8采用第二配置，如在图2(b)中所示的。在此第二配置中，dc电网络30完全与ac电网络22电隔离，由被隔离的变换器10和dc电网络30产生扩大的dc故障电流路径76。更具体地，扩大的dc故障电流路径76由第一和第二dc传输介质66、68和短路64连同变换器10内的每个变换器分支16、18、20限定。

同时，尽管通过断开ac断路器70已经去除了非常重要的dc故障电流idc源，即没有任何交流相电流ia、ib、ic现在能流入变换器10中，所以dc故障电流idc的水平已经显著降低，如图3(b)中所示的，变换器10和dc电网络30与ac电网络22的隔离必然捕获在前述的扩大的dc故障电流路径76中继续循环的剩余dc故障电流idc。

然而，由于每个能量吸收器52即每个电涌放电器62现在切入到每个变换器分支部分12a、12b、12c、14a、14b、14c内的电路内，即由于每个能量吸收模块34正操作于其吸收模式，所以剩余的dc故障电流idc非常快速地降低至零，如在图3(b)中再次显示的。

一旦dc故障电流idc为零，则从dc故障恢复并重新启动功率传输的过程开始。