HVDC换流器系统及其控制方法和使用该系统的HVDC系统与流程

本发明涉及hvdc系统，并且更具体地涉及安排用于以串联的方式运行的hvdc换流器，例如用于电压的倍增。

背景技术：

高压直流(hvdc)传输系统在hvdc网络的每一端包括换流器站，用于将所述网络连接到交流(ac)系统，每个所述站包括至少两个换流器的串联联接，所述换流器的直流(dc)侧一方面连接到在高电位的所述网络的极点，另一方面通过接地连接到在零电位的中性总线，所述换流器站中的第一个适于作为整流器运行并且另一个(第二个)作为逆变器运行，每个换流器具有旁路断路器，该旁路断路器在所述断路器闭合时形成所述换流器的旁路的电流路径中并联联接，每个换流器站包括适应于控制通过所述极的dc电流的设备，和用于所述站的每个换流器的如下装置，当换流器被闭锁时，该装置通过启动换流器的运行来增大所述中性总线与所述极之间的电压并且通过增大该电压来增大所述站之间的传输功率，或者当换流器被激活时，该设备通过停止所述换流器的运行来降低所述中性总线和所述极之间的电压，并且通过降低该电压来降低所述站之间传输的功率，以及用于控制这种传输系统的方法。

换流器包含任何已知配置(例如以12脉冲桥配置)的多个电流阀。换流器可以是线路换向电流源换流器(lcc)，其中诸如晶闸管的开关元件在所述ac系统中的ac电流的过零点处被关断。

当在所述中性总线和所述极之间获得的电压太高而不能仅通过一个换流器获得时，两个或多个换流器通常以串联的方式连接。如果换流器站的所有换流器以致换流器站发生故障并且导致通过系统传输的功率降至零，则可能引起大的干扰，对连接到所述hvdc传输系统的ac系统造成非常严重的后果。这是为每个换流器布置所述旁路电流路径的主要原因，使得因此可以绕过错误运行的换流器并且可能断开以进行维护，同时可以通过控制该站的其他换流器来运行换流器站。因此，重要的是能够以在传输系统中不会引起干扰的方式停止这种换流器。这同样适用于启动这种系统的换流器的过程，该过程用于升高中性总线和所述电极之间的电压，并且通过该过程升高所述电站之间传输的功率。

将换流器投入运行是相当复杂的，因为它应当既快速又安全。关键问题是以安全的方式断开旁路断路器。对于lcchvdc传输系统，dc电压中自然会存在大量谐波，从而驱动谐波电流。由于谐波电流，通过旁路断路器的电流中自然会出现过零，因此标准ac电路断路器可用作旁路断路器。

然而，换流器也可以是强制换向电压源换流器(vsc)，其中所述开关元件是根据脉冲宽度调制(pwm)模式强制关断的半导体器件(例如igbt或igct)。例如，采用mmcvschvdc传输系统，dc电压自然无谐波。因此，断开旁路断路器实际上是不可行的，因为通过它的电流不会出现过零。旁路断路器内部会有大量的内部电弧，直到它被毁坏。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种hvdc换流器系统，包括：多个vsc，在其dc侧串联联接，其中串联联接的两个端子被配置为与hvdc网络联接；多个旁路断路器，每个与多个vsc中相应的一个的dc侧并联联接，并且在其相应的vsc被闭锁的情况下闭合；以及控制器，适应于控制流经闭合的旁路断路器的电流达到零并随后控制所述闭合旁路断路器断开。

根据本发明的另一方面，其提供了一种使用hvdc换流器系统的hvdc系统。

根据本发明的另一方面，其提供了一种用于控制hvdc换流器系统的方法，其中：hvdc换流器系统包含：多个vsc，在其dc侧串联联接，其中串联连接的两个端子被配置为与hvdc网络联接；以及多个旁路断路器，每个与所述多个vsc中相应的一个vsc的dc侧并联联接，并且在其相应的vsc闭锁的情况下闭合；所述方法包含：(a)控制通过所述闭合旁路断路器的电流达到零；以及(b)控制所述闭合的旁路断路器在步骤(a)之后断开。

通过控制与vsc相关联的旁路断路器首先达到零电流然后打开旁路断路器并对vsc进行解锁，旁通断路器可以以可靠的方式打开，而不依赖于自然会产生的旁路断路器的过零，否则，通过使用由lcc构建的换流器系统。因此，用于hvdc传输系统的换流器站的换流器系统的闭锁的vsc可以可靠地投入运行，而另一个vsc仍在运行。

优选地，所述控制器还适应于控制多个vsc中的至少一个以在其dc侧产生谐波电压，以便注入流过所述闭合旁路断路器的过零谐波电流，并控制所述闭合旁路断路器在所述谐波电流的过零处断开。优选地，步骤(a)还包含：控制所述多个vsc中的至少一个以在其dc侧产生谐波电压，以便注入流过所述闭合旁路断路器的过零谐波电流；以及步骤(b)还包含：控制所述闭合旁路断路器在所述谐波电流过零点处断开。

通过控制vsc以将所述谐波电流注入其相关联的旁路断路器，可以以可靠的方式断开旁路断路器，而不依赖于自然会产生的谐波电流，否则，通过使用由lcc构建的换流器系统。因此，用于hvdc传输系统的换流器站的换流器系统的闭锁的vsc可以可靠地投入运行，而另一个vsc仍在运行。

优选地，hvdc换流器系统还包含：第一电流测量装置，用于测量流过hvdc网络的电流的第一值；以及第二电流测量装置，用于测量流过闭锁的vsc的电流的第二值；其中：所述控制器还适应于计算第一值与第二值之间的差值，该差值表示流过所述闭合旁路断路器的谐波电流的第三值，以确定所述谐波电流的过零。

优选地，闭锁的vsc在控制器的控制下作为产生谐波电压的vsc运行。这使得可以重新使用尚未运行的vsc的容量，减少运行中的工作负荷并简化其控制。

优选地，解锁的vsc在控制器的控制下作为产生谐波电压的vsc运行，并且在其dc侧具有谐波电压和其运行dc电压的组合；作为替代，闭锁的vsc和解锁的vsc都作为在控制器的控制下产生谐波电压的vsc运行。在某些情况下，不允许将要接入的vsc解锁以产生谐波电压，或者不能运行以产生足够大的谐波电压从而将最小谐波电流注入其相关联的旁路断路器，通过使其他vsc(除了要被接入的以外)在其替代或与其的组合中产生谐波电压，旁路断路器也可以以可靠的方式断开。

优选地，谐波电压为n次谐波，n为奇数；例如，谐波电压可以是3次谐波或5次谐波。否则，偶数谐波会对ac系统和与所述vsc相连接的换流器变压器带来负面影响。

优选地，hvdc换流器系统还包含：功率二极管，插在所述旁路断路器和其相应的vsc阻断短路电流回路之间，vsc阻断短路电流回路涉及闭合旁路断路器和其相应vsc的强制关断半导体器件的续流二极管。这使得可以防止本来在hvdc传输系统的接收端上取出vsc之一的时段中可能发生的短路。

优选地，所述多个vsc基于强制关断的半导体装置被配置为作为所述hvdc网络的接收端运行；并且所述控制器还适应于控制以闭锁hvdc网络的发送端达到预定的时间段。因此，通过所述闭合旁路断路器跟随的电流被控制为达到零，并且随后控制闭合旁路断路器断开。

附图说明

将参考附图中示出的优选示例性实施例在下文中更详细地解释本发明的主题，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的hvdc传输系统；

图2示出了根据本发明的第一实施例的本地控制器的框图；以及

图3示出了根据本发明的第二实施例的hvdc传输系统。

附图中使用的附图标记及其含义以附图标记列表中的概要形式列出。原则上，相同的部件在附图中具有相同的附图标记。

具体实施方式

尽管本发明易于实施各种修改和可替换的形式，但是其特定实施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应该理解，附图和对其的详细描述并非旨在将本发明限制于所公开的特定形式，相反，其意图是覆盖落入本发明精神和范围内的所有修改、等同物和替代物，由所附权利要求所限定。注意，标题仅用于组织目的，并不意味着用于限制或解释说明书或权利要求。此外，请注意，在本申请中，“可以”一词以允许的意义使用(即，具有可能，能够的意思)，而不是强制意义(即，必须)使用。术语“包含”及其派生词意指“包含但不限于”。术语“连接”表示“直接或间接连接”，术语“联接”表示“直接或间接连接”。

图1示出根据本发明的第一实施例的hvdc传输系统。如图1所示，示意性地示出hvdc传输系统1在hvdc网络10的每一端包含第一换流器站11和第二换流器站12，用于将所述hvdc网络10连接到第一ac系统13和第二ac系统14。假设第一ac系统13是具有发电机的任何类型发电厂形式的发电系统，而假设第二ac系统14是连接到电功率消费者(例如工业和社区)的消费系统或网络。因此，第一换流器站11适应于作为整流器运行，而另一个，即第二换流器站12作为逆变器运行。第一换流器站11包括hvdc换流器系统，具有在其dc侧串联联接的多个vsc(voltagesourceconverter：电压源换流器)，其中，串联联接的两个端子被配置为与hvdc网络10联接；例如，如图1所示，第一换流器站11的换流器系统具有两个vsc110、111，此二者在它们的dc侧彼此串联联接，并且第一换流器站11的换流器系统具有两个串联联接的端子tp11，tn11，此二者一方面连接到hvdc网络10的高电位的正极性极点，另一方面通过接地连接到hvdc网络10的中性总线上的零电位。换流器110、111中的每一个包含许多已知配置的换流器阀，例如12脉冲桥配置或mmc配置。这些阀由多个串联联接的功率半导体装置形成，用于共同在其闭锁状态下保持高电压。类似地，第二换流器站12的换流器系统具有两个vsc120、121，此二者在它们的dc侧彼此串联联接，并且第二换流器站12具有两个串联联接的端子tp12，tn12，一方面连接到高电位的hvdc网络10的正极性极点，另一方面通过接地连接到hvdc网络10的中性总线上的零电位。换流器120、121中的每一个包含许多已知配置的换流器阀，例如12脉冲桥配置或mmc配置。

hvdc传输系统1还包含多个旁路断路器，每个与多个vsc中相应的一个vsc的dc侧并联联接，并且在其相应的vsc被闭锁的情况下闭合。例如如图1中所示，vsc110、111、120、121中的每一个具有在电流路径p110、p111、p120、p121中与其并联连接的旁路断路器112、113、122、123，当所述旁路断路器112、113、122、123闭合时，电流路径p110、p111、p120、p121形成所述vsc110、111、120、121的旁路。

hvdc传输系统1还包含控制器15，适应于控制流经闭合的旁路断路器的电流达到零并随后控制闭合旁路断路断开。例如，控制器15包含主控制器150和本地控制器1510、1511、1520、1521，每个控制器可操作地与相应的vsc110、111、120、121相关联。在它们的控制下，与其相关联的vsc在被闭锁时开始运行，并且当vsc被解除闭锁时停止该vsc的运行。

假设第一换流器站11的一个vsc，即vsc110已经被闭锁用于维护等，并且电流路径p110已经通过闭合旁路断路器112导通，并且vsc110被投入运行，主控制器15可以将解锁指令发送到与vsc100相关联的本地控制器1510。进一步假设其他vsc111、120、121已经运行，其相关联的旁路断路器113、122、123被断开，阻断电流路径p111、p120、p121。

图2示出了根据本发明第一实施例的本地控制器的框图。如在图2所示，本地控制器包含用于接收电压参考值的第一输入端子20，用于接收谐波电压参考值的第二输入端子21，用于将来自两个输入端子20、21的输入相加的加法器22，以及输出端子23，用于将相加结果输出到pwm发生器，pwm发生器反过来产生pwm信号到相关联的vsc，其近似于电压参考值和谐波参考值的相加。在从主控制器15接收到解锁指令时，用于vsc110的本地控制器1510然后通过对其进行解锁来接管vsc110的控制，通过开始控制其在其dc侧产生谐波电压，使得经由导电电流路径p110注入流过闭合旁路断路器112的过零谐波电流。为了在相关联的vsc的dc侧产生谐波电压，可以将电压参考值设置为零并且将谐波电压参考值设置为n次谐波。通过以适当的占空比将电压切换到相关联的vsc，pwm发生器的输出将接近在谐波电压参考值的电压。在vsc110的dc侧产生的谐波电压施加到相关的旁路断路器112，其具有基本为零的dc分量，使得谐波电流流过旁路断路器112并具有过零点。即，闭合旁路断路器被控制为在谐波电流的过零点处断开。在确认旁路断路器112中的电流具有过零点使得可以打开旁路断路器之后，由本地控制器1510给出对该旁路断路器112的断开指令。至图2的右侧部分，示出了流过根据第一实施例的旁路断路器的电流的波形。如图2所示，纵轴表示旁路断路器电流iby-pass，并且横轴表示时间。从t0到t1的时间段，其中vsc110随着其相关联的旁路断路器112闭合而闭锁，并且旁路断路器正在传导dc电流idc。从t1到t2的时间段，其中vsc110在其dc侧施加谐波电流，将谐波电流注入旁路断路器112，具有谐波的旁路断路器电流从直流电流idc偏向零。从t2到t3时间段，旁路断路器电流在零附近出现振荡；在时间点t3，其到达过零点之一，旁路断路器112断开，vsc110被接入。在时间点t3之后，旁路断路器112保持断开导通基本为零的电流。

通过控制vsc以将谐波电流注入其相关的旁路断路器，该旁路断路器可以以可靠的方式断开，而不依赖于会自然产生的谐波电流，否则通过使用由lcc构建的换流器系统。因此，用于hvdc传输系统的换流器站的换流器系统的闭锁的vsc可以可靠地投入运行，而另一个vsc仍在运行。

旁路断路器确认断开指示后，本地控制器1510的参考电压被改变为正常运行，其谐波参考值设为零。因此，pwm发生器将参考电压参考值产生pwm，并相应地调整vsc的延迟角。vsc在成功断开其相关联的旁路断路器后，将继续正常运行。hvdc换流器系统可以包含：第一电流测量装置16，用于测量流过hvdc网络的电流的第一值；以及第二电流测量装置1610、1611、1620、1621，用于测量流过闭锁的vsc110-、111、120、121的电流的第二值。

遵循上述假设，第一换流站11的一个vsc，即vsc110已经被闭锁，并且电流路径p110已经通过闭合旁路断路器112导通，相关联的本地控制器1510可以计算第一值与第二值之间的差值，该差值指示流过旁路断路器112的谐波电流的第三值，以确定谐波电流的过零点。

如上所述，本发明的第一实施例以示例描述，其中已被闭锁的vsc在控制器的控制下作为产生谐波电压的vsc运行。

作为替代，解锁的vsc可以在控制器的控制下作为产生谐波电压的vsc运行，并且谐波电压与其dc侧的工作直流电压相结合。可以根据实际需要选择“过零发生器”振荡的频率，例如，简谐波频率是完全可能的。将假设具有以下情况来描述示例：第一换流器站11的一个vsc，即vsc110已被闭锁，并且另一个vsc，即vsc111已经运行(已被解锁)，并且dc电流已经流过电流路径p110通过闭合的旁路断路器112和正运行的vsc111。当vsc111由其本地控制器1511控制以在其dc侧产生谐波电压时，由于hvdc网络上的dc电压保持基本恒定，因此将在闭合旁路断路器112上产生具有与vsc112的dc侧的谐波电压极性相反的谐波电压。因此，谐波电流将通过闭合旁路断路器112注入到电流路径p110中，并且闭合旁路断路器112可以在其电流过零点处断开。本领域技术人员应该理解，闭锁的vsc和解锁的vsc都可以作为在控制器的控制下产生谐波电压的vsc运行。

在某些情况下，不允许将要接入的vsc解锁以产生谐波电压，或者不能运行以产生足够大的谐波电压从而将最小谐波电流注入其相关联的旁路断路器，通过其他vsc(除了要被接入的vsc以外)在它的替代或与它的组合中产生谐波电压，旁路断路器也可以以可靠的方式断开。

优选地，谐波电压是n次谐波，n是奇数；例如，谐波电压可以是3次谐波或5次谐波。否则，偶数谐波会对ac系统和与vsc相连接的换流器变压器带来负面影响。

图3示出根据本发明的第二实施例的hvdc传输系统。为了避免冗余并保持简洁，基于第一实施例的描述来描述第二实施例。

本领域技术人员应当理解，vsc(电压源换流器)由强制关断的半导体装置组成，例如igbt和igct，可以控制开启和关闭，提供第二自由度。在这样的换流器中，dc电压的极性通常是固定的，并且由大电容进行平滑的dc电压可以被认为是恒定的。为了允许反向电流流动，强制关断的半导体装置通常在其组件中与另外的二极管(续流二极管)并联设置，以在相反方向上传导电流。vsc有几种不同的配置，例如包含两级vsc、三级vsc和模块化多级vsc(mmc)。

在hvdc传输系统的接收端，第二换流器站12的vsc120、121以逆变器模式运行；而在发送端，第一换流器站11的vsc110、111以整流器模式运行。

假设vsc110、111、120、121已经运行，其相关联的旁路断路器112、113、122、123被断开，阻断电流路径p110、p111、p120、p121。另外，第二换流器站12的一个vsc，即vsc120将被闭锁以进行维护，并且其断开的旁路断路器122将被闭合，从而允许导通p120，使得hvdc传输系统将能够与其余的vsc110、111、121一起运行。这里，vsc120采用两级换流器的配置作为用于描述本发明的示例。两级vsc120具有六脉冲桥，每个支路具有串联联接的强制关断半导体装置1200、1201、1202、1203、1204、1205，每个半导体装置具有反向并联的续流二极管d0、d1、d2、d3、d4、d5，并且dc平滑电容器c设置在其dc侧。

在这种情况下，vsc120的dc侧的正端子和负端子之间将存在短路，其涉及vsc120的续流二极管d0、d1、d2、d3、d4、d5和闭合的旁路断路器122。这导致过大的电流仅受到网络的相对较小的电阻的限制，并可能导致电路损坏、过热、起火或爆炸。箭头psc表示短路路径。

为了防止在hvdc传输系统的接收端取出一个vsc(例如vsc120)期间发生短路，第二换流器站12的换流器系统每个还包含功率二极管30、31。如在图3中所示，功率二极管30被插入到vsc120的dc侧与其相关联的旁路断路器122之间的连接中，并且功率二极管30的正向与vsc120的续流二极管的正向相反；功率二极管31插入vsc123的dc侧与其相关联的旁路断路器123之间的连接中，并且功率二极管31与vsc121的续流二极管的正向相反。综上所述，功率二极管被插入旁路断路器和其相应的vsc阻断短路电流回路之间，vsc阻断短路电流回路涉及闭合的旁路断路器和其相应vsc的强制关断半导体装置的续流二极管，其可以表现为放置在dc线上的功率二极管，用于dc故障处理.

因此，短路路径psc将被功率二极管30阻断，因为在vsc120取出(taking-out)期间它们的方向彼此相反，而其他vsc110、111、121仍然可以运行，因此hvdc传输系统将不会被暂停。此外，由于大多数hvdc传输仅在一个方向上传输的事实，因此可以使用通过放置在dc传输线上的大二极管在混合hvdc系统中进行dc故障处理。由于功率二极管30、31也可以处理dc故障，因此可以移除传统hvdc传输系统的传输线中使用的用于dc故障处理的大功率二极管。

假设vsc120已经被闭锁并且将被再次接入(takenin)，由于功率二极管30将完全阻断根据第一实施例注入的谐波电流，所以不能实现电流的过零，使得相关联的旁路断路器122的断开不可行。相反，根据第二实施例，在从主控制器15接收到解锁(de-blocking)指令时，用于第一换流器站11的vsc110、111的本地控制器1510、1511将在发送端将闭锁它们的vsc110、111预定的时间段，例如几百毫秒，在此期间，流过hvdc网络10的dc电流下降至基本为零；然后，用于vsc120的本地控制器1520通过断开相关联的旁路断路器122来接管vsc120的控制，而不是如第一实施例中所公开的那样在其dc侧产生谐波电压。即，流过闭合的旁路断路器的电流被控制为到零并且随后闭合的旁路断路器被控制为断开。

通过控制与将要被接入的vsc相关联的旁路断路器首先达到零电流然后断开旁路断路器并对vsc进行解锁，旁路断路器可以以可靠的方式断开，而不依赖于自然会产生的旁路断路的过零，否则，通过使用由lcc构建的换流器系统。因此，用于hvdc传输系统的换流器站的换流器系统的闭锁vsc可以可靠地投入运行，而另一个vsc仍在运行。

尽管已经基于一些优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，那些实施例绝不应该限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和概念的情况下，对实施例的任何变化和修改都应当在对本领域普通知识和技术人员的理解之内，因此落入由所附的权利要求限定的本发明的范围内。