用于电压源转换器的接地布置的制作方法

本申请涉及hvdc传输系统，并且特别地，涉及使电压源转换器的阀接地的方法和供在高电压输电中使用的电压源转换器。

背景技术：

在hvdc输电网络中，通常将交流（ac）功率转换成直流（dc）功率以用于经由架空线和/或海底电缆的传输。此转换消除了用来补偿由传输线路或电缆强加的ac电容性负载效应的需要，并且由此降低了每千米线路和/或电缆的成本。在需要经过长距离传输功率时，从ac到dc的转换因此变得有成本效益的。在输电网络中，也利用了ac功率到dc功率的转换，在所述输电网络中，有必要将以不同频率操作的ac网络互连。在任何此种输电网络中，在ac功率与dc功率之间的每个接口处要求转换器以实现所要求的转换。

在过去，大多数hvdc传输系统一直基于线路换向转换器（lcc），例如比如，使用晶闸管阀的六脉动桥转换器（six-pulsebridgeconverter）。最近，电压源转换器（vsc）被提议供在hvdc传输中使用。vsc使用诸如绝缘栅极双极晶体管（igbt）之类的能够独立于任何连接的ac系统被可控地接通和关断的开关元件。vsc因此有时被称为自换向转换器。

在被称为模块化多电平转换器（mmc）的特定类型的vsc中，所述模块化多电平转换器具有通常被称为阀的多个转换器支路，所述多个转换器支路包括串联连接的一个或多个模块，所述多个转换器支路通常以y形/星形、三角形和/或桥式配置连接。每个模块还包括串联连接的多个子模块，其中转换器支路的每个子模块包括诸如电容器之类的能量存储元件，并且开关布置包括绝缘栅极双极晶体管（igbt）装置、集成栅极换向晶闸管（igct）装置、栅极关断晶闸管（gto）装置或mosfet。开关布置能够被控制以便或者将能量存储元件连接在子模块的端子之间，或者旁路该能量存储元件。子模块被控制以在不同时间连接或旁路其相应的能量存储元件，以便随时间的过去改变跨多个子模块的电压差。

通过适当地为开关定时并且使用相对大量的子模块，转换器支路能够综合（synthesis）接近诸如正弦波之类的预期波形的步进波形，以便在低等级的谐波畸变情况下从dc转换到ac或反之亦然。包括多个单独模块和子模块的转换器支路的使用允许构造不同等级的电压。例如，取决于特定vsc的规范，每子模块电容器的电压可通常具有大约1到6kv，而转换器支路的电压可以处于从10到数百kv的范围中。因此，通过增加转换器支路中模块的数量，能够适应输电中的高电压等级。

有时，由于故障、维护或其它原因，关闭传输系统内的vsc可能变得有必要。在此类情况下，存在下面的小的可能性：一个或多个单独子模块的电容器可能未能在关闭后完全放电，使得某个电压可仍然保留在转换器支路上。这可例如由于通常与转换器的每个模块或子模块关联的内部放电电路的失效而出现。由于转换器支路通常可包括多个模块和子模块的串联连接，因此，在最糟的情形中，仍然保留在单独子模块上的电压可沿转换器支路“累加”成更大的电压。虽然此种情况极罕见，但对于接近关闭后的转换器的阀的维护人员的潜在危险可能是灾难性的，并且提供对于此类情形的规定是至关重要的。为此，要求用于转换器支路的可靠接地布置以允许维护人员的安全接近。

显而易见的是，为了允许维护小组安全接近关闭后的转换器，有必要限定在任何时间可存在于转换器支路中的最大电压等级。如上所述，在典型的vsc中，每子模块电容器的电压可以处于1到6kv的范围中，而转换器支路的总电压可以处于从10到数百kv的范围中。然而，如将领会的，单独子模块内电容器放电的任何失效的不确定性质使得限定在为此类情形提供适当的解决方案中要考虑在内的用于转换器支路的固定电压变得极其困难。

ep2102953描述了一种适合供在mmc转换器中使用的接地布置，所述接地布置包括布置成在纵向方向上移动，临近与转换器支路的子模块关联的外壳定位的输送带。该带包括连接到接地点的导电部分和远离接地点的绝缘部分。在转换器的正常操作期间，该带被定位，使得其绝缘部分被布置成与子模块的外壳相邻。在要求转换器支路的接地时，该带被激活以将导电部分移到与子模块相邻，并且安装到子模块的外壳的滑动接触件与该带的接触以实现子模块外壳的接地。

在用于每个转换器支路的此种接地布置中所涉及的设备是复杂而且庞大的，要求在转换器的阀厅内的相当大的宝贵占用空间。此外，对于接近关闭后的转换器的维护人员，可能无法轻松地看到该带的导电部分与子模块外壳接触，因此，在该机构未正确操作的情况下仍存在危险。此外，此种接地布置是不可扩展的，因为如果另外的子模块要被添加到转换器支路，则采用具有适当的导电部分和绝缘部分的更长带对现有带的替换将是必要的。

本发明寻求提供一种适合供在mmc转换器中使用的减轻上述问题中的至少一些的接地布置。

技术实现要素：

本发明在于（residein）一种供在输电系统中使用的电压源转换器（vsc），所述vsc包括至少一个转换器支路，所述至少一个转换器支路包括一个或多个串联连接的模块，每个模块包括能够被可控地开关以生成跨模块两端的受控电压的多个串联连接的子模块，并且每个模块包括在其一端处的第一子模块和在其相反端处的最后子模块。每个子模块包括第一端子、第二端子、能量存储元件和开关布置，其中所述第一端子或所述第二端子中的一个被耦合到所述能量存储单元的端子。在所述转换器支路的一端处的模块的所述第一子模块的第一端子配置成在转换器关闭时或在其之后被连接到地电位，并且在所述转换器支路的相反端处的所述模块的所述最后子模块的第二端子配置成在所述转换器关闭时或在其之后被连接到地电位。提供了一种包括多个开关单元的接地布置，其中所述多个开关单元的每个的至少一个与每个模块的多个子模块的每个的至少一个关联并且配置成在所述转换器支路的所述第一子模块和所述最后子模块的到地电位的连接后，在所述接地布置的远程激活时连接关联的子模块的所述第一端子和所述第二端子。

在一个优选实施例中，存在与所述多个子模块的每一个关联的一个开关单元。优选地，所述开关单元是所述关联的子模块的集成组件。

在另一个实施例中，一个开关单元与所述多个子模块的两个或更多个关联。

在本发明的优选实施例中，所述多个开关单元中的至少一个开关单元包括机械开关装置。所述机械开关布置优选包括铰链式开关机构、滑动开关机构或弹性型开关机构中的一个。

在备选实施例中，所述多个开关单元中的至少一个开关单元包括电气开关装置或电子开关装置中的一个。

接地布置配置成被自动或手动激活。在一个优选实施例中，接地布置通过经由从所述转换器的阀厅内部手动致动的机构从地平面拉动（pull）的绝缘棒的布置来激活。在备选实施例中，接地布置通过经由从所述转换器的所述阀厅外部手动或自动命令的电动、液压或气动致动器从地平面拉动的绝缘棒的布置来激活。

在本发明的一个实施例中，所述转换器支路的所述第一子模块和所述最后子模块的到地电位的连接可以在所述转换器关闭时自动进行。在备选实施例中，所述转换器支路的所述第一子模块和所述最后子模块的到地电位的连接在所述转换器关闭后被手动执行。

在本发明的备选实施例中，所述转换器支路的每个单独模块的所述第一子模块的所述第一端子和所述最后子模块的所述第二端子在所述转换器关闭时或在其之后被连接到地电位。

每个子模块的所述能量存储单元优选包括电容器。

在本发明的各种实施例中，所述电压源转换器包括模块化多电平转换器（mmc）、交流臂转换器（aac）或串联桥转换器（sbc）中的一个。

在另外的方面中，本发明在于一种将包括至少一个转换器支路的电压源转换器的转换器支路接地的方法，所述至少一个转换器支路包括一个或多个串联连接的模块，每个模块包括能够被可控地开关以生成跨模块两端的受控电压的多个串联连接的子模块，每个模块包括在其一端处的第一子模块和在其相反端处的最后子模块，并且每个子模块包括第一端子、第二端子、能量存储元件和开关布置，其中所述第一端子或所述第二端子中的至少一个被耦合到所述能量存储单元的端子。所述方法包括在所述转换器关闭时或在其之后，将在所述转换器支路的一端处的模块的所述第一子模块的第一端子连接到地电位并且将在所述转换器支路的相反端处的所述模块的所述最后子模块的第二端子连接到地电位。在所述转换器支路的所述第一子模块和所述最后子模块的到地电位的连接后，所述方法还包括远程激活多个开关单元，所述多个开关单元的每个的至少一个与所述转换器支路的每个模块的所述多个子模块的每个的至少一个关联，以便连接关联的子模块的所述第一端子和所述第二端子。

附图说明

现在将仅通过示例，参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1是示例模块化多电平转换器（mmc）的框图表示；

图2a是根据本发明的实施例的在转换器的正常操作期间mmc的转换器支路的图形表示；

图2b是图2a的转换器支路的模块的图形表示；

图2c是图2b的模块的子模块的结构的表示；

图3是在转换器关闭以用于维护后图2a的转换器支路的图形表示；以及

图4是根据本发明的备选实施例的在转换器关闭以用于维护后图2a的转换器支路的图形表示。

具体实施方式

概括地说，本发明通过将在转换器支路的任一端处的子模块带到地电位并且使在其端子之间的每个子模块“短路”来寻求提供对上面概述的问题的解决方案。此配置去除了某种机构，通过所述机构，由于电容器放电失效而在转换器臂的模块的单独串联连接的子模块内仍然保留的电压被组合或“相加”，潜在地导致大得多的电压。因此，为转换器支路限定在转换器关闭后由于在转换器支路模块的单独子模块内电容器放电失效而可能存在的最大电压变得有可能。此最大电压将被限于转换器支路模块的单独子模块的电容器的最大电压额定值，通常为大约1到6kv。如将领会的，将在关闭后的转换器支路上的潜在残余电压限制到子模块电容器的最大电压额定值大大降低了维护人员可能面临的风险。

参照图2a，图示了本发明的实施例。通常被称为阀的转换器支路20被示为包括n个串联连接的模块221-22n，并且包括在转换器支路20的一端26处的第一端模块221和在转换器支路20的相反端28处的第二端模块22n。应理解的是，转换器支路20内模块的数量n可以是单个模块或任何数量的模块，并且将基于转换器10和输电系统的操作要求被确定。

参照图2b和2c，更详细地描述转换器臂2的模块22的配置。每个模块22包括八个串联连接的子模块241-248，每个模块22包括在其一端处的第一子模块241和在其相反端处的最后子模块248。如在现有技术中众所周知的并且在图2c中所图示的，每个子模块241-248包括至少一个电容器单元30和与相应的反并联二极管并联的至少第一和第二开关321和322。开关321和322可通常是诸如igbt之类的半导体开关元件。开关321和322被布置，使得电容器单元30可根据要求被连接在子模块24的端子381与382之间或者被旁路。虽然在每个模块22内示出了八个子模块24，但应领会的是，每个模块22可包括任何适合数量的子模块24，这取决于转换器的规范。图2c中示出的子模块包括半桥开关布置，但本领域中的技术人员将领会，诸如全桥开关布置之类的其它布置可被用于至少一些子模块。

返回参照图2a和2b，转换器臂20还包括接地布置40，所述接地布置40包括多个开关单元42，每个开关单元42配置成在被激活时跨转换器支路20中每个模块22的每个子模块24的端子381和382连接。在转换器的正常操作中，转换器支路20的每个子模块24的开关单元42未被激活，并且如图2中所示出的那样仍然保留在“打开”条件中。

图3图示了在转换器10关闭后图2a的转换器支路20。如图3中所示出的，在转换器支路20的第一端26处的模块221的第一子模块241的第一端子381被连接到地电位，并且在转换器支路20的相反端28处的模块22n的最后子模块248的第二端子382被连接到地电位。将领会的是，在转换器臂20包括单个模块22的情况下，其第一子模块和最后子模块将被连接到地。到地电位的连接可在转换器10关闭时被自动激活或者可被手动执行。

在转换器支路20的最末端处的两个子模块241和248的到地的连接后，跨转换器支路模块221-22n的每个子模块241-248两端的开关单元42被致动到“闭合”位置。在此种“闭合”位置中，沿转换器支路20的每个模块221-22n的每个子模块241-248的端子381和382被连接到地电位。因此，每个子模块241-248的电容器单元30的一个端子也将被连接到地电位。这样，由于在转换器支路内单独子模块241-248的一个或多个中的电容器放电失效而引起的在转换器支路20上的最大残余电压将被限于单独子模块电容器单元30的最大电压额定值。

每个子模块241-248的开关单元42可包括机械开关，比如例如，铰链式开关机构、滑动开关机构、诸如弹簧偏置开关机构之类的弹性型开关机构或任何其它适合的开关机构。备选地，开关单元42可包括任何适当的电气开关装置或电子开关装置。

每个子模块241-248的开关单元42可以以任何适合的方式被致动或触发。例如，用于传送触发命令到转换器臂20的单独子模块241-248的机构可包括能够以某种方式从地平面拉动的绝缘棒的布置。这能够经由可能从阀厅内部致动的手柄手动实现，或者借助于出于安全原因能够从阀厅外部命令的电动、液压或气动致动器来实现。备选地，开关单元40可在转换器关闭时由转换器控制单元自动触发。

虽然如参照附图中的图2和3描述的本发明包括与多个子模块241-248的每一个关联的单独开关单元42，但应理解的是，设想了实现相同结果的其它配置。例如，一个开关单元42可与两个或更多个子模块241-248关联，或者单个开关单元42可与转换器臂的单个模块关联。在其中单个开关单元被提供用于每个子模块24的实例中，开关单元可包括在制造子模块24时子模块24的集成组件。备选地，接地布置40的开关单元42可被改型成现有子模块24。

在如附图中的图4中所图示的本发明的备选实施例中，转换器支路20的每个单独模块221-22n的第一子模块241和最后子模块24n的端子可在转换器关闭时或在其之后被连接到地电位。如上参照图2和3所述，每个单独模块221-22n的每个子模块241-248包括关联的开关单元42，所述关联的开关单元42将在每个模块221-22n的第一子模块241和最后子模块24n的接地后被激活以便实现每个单独模块的每个子模块241-248的端子381和382的到地的连接。

如上所述，本发明的一个优点是围绕在转换器支路的子模块上的潜在残余电压的不确定性被限于子模块24的电容器单元30的单独电压额定值。取决于这些额定值，在转换器上的工作能够由维护人员安全进行前的介入时间被大幅降低。

另外，在实现用于每个转换器支路的接地布置中所涉及的设备实施起来相对简单和便宜，并且不要求相当大的占用空间。此外，特别地通过使用机械型开关单元，接地布置的工作部分对接近转换器的维护人员是可见的，因此，每个子模块的接地是否已实现是很明显的。这对于维护人员进一步增强了安全性并且最小化了危险。另外的优点是配置是高度可扩展的，因为如果另外的子模块要被添加到转换器支路，则接地机构的实施可轻松地被实现。