断路器电路的制作方法
【专利摘要】一方面描述了一种断路器电路，其设置成在故障情况下将转换器(300,400,500)与直流电网(204)隔离开。断路器电路包括隔离元件(104)，例如机械开关和能量吸收元件(112,414,556)，隔离元件(104)设置成在激活时防止电流在电网(204)和转换器(300,400,500)之间流动，能量吸收元件(112,414,556)能够在激活隔离元件(104)之后接收保留在电路中的能量。本发明还提供了一种换向电压源(106,206,570)和可切换的隔离元件旁路(110)，换向电压源(106,206,570)设置成提供换向电压的来源，以使电流转向而远离隔离元件(104)，可切换的隔离元件旁路(110)设置成接收转向的电流。能量吸收元件(112,414,556)、换向电压源(106,206,570)和隔离元件旁路(110)中的至少一个可在非故障状况下操作，从而提供转换器的功能构件。本发明还描述了转换器和其操作方法。
【专利说明】
断路器电路
技术领域
[0001]本发明涉及一种断路器电路，并且尤其但不唯一涉及用于将高压设备(例如高压直流(HVDC)设备，例如转换器)与电力网(例如直流电网)隔离开的断路器电路。
【背景技术】
[0002]隔离电路的设备或部件，以便在故障情况下保护装置免于受损通常是必须的。为此，断路器开关是已知的。这些是自动或遵循信号操作的开关(其可为机械的或固态的)，其通常断开电路，以防止进一步电流流动。
[0003]在相对较高电压环境中操作断路器存在特定的问题。例如，在一种机械开关中，电弧放电可发生在断开电路时，其中在分开的触头之间的空气的电离化容许空气用作导体。这本身是潜在的危险，并且还会对设备造成显著的磨损，这因此需要例行的检查和更新。固态开关不会受到电弧放电的困扰，但它们通常不能处理高压环境中的满电压。这意味着，在使用它们的情况下，通常串联地提供几个-可能数百个，这时，与其存在于电路中相关联的损耗变得相当可观。
[0004]为了解决这种问题，已经描述了固态和机械开关的组合。例如，ABB技术公司名义下的W02011/057675描述了一种直流(dc)断路器装置，其中非线性电阻器并联地连接在由一个或多个固态开关组成的旁路上，并且具有机械开关和“辅助断路器”的串联的进一步并联，辅助断路器是另一固态开关。在故障检测时，旁路的开关是闭合的，容许电流流动，并且辅助断路器是断开的，使得电流换向到旁路上。在此之后，机械开关被断开(电流已经远离这个开关，以解决电弧放电的风险)，之后旁路进行切换，并且电流定向至电阻器。
[0005]这种断路器装置的一种用途将是将HVDC设备(例如高压转换器)与相关联的电力网隔离开。在输电网中，交流(ac)功率通常被转换成直流(dc)功率，以便用于通过架空线和/或海底电缆进行传输。这种转换消除了对于由传输线或电缆引起的ac电容性负载影响进行补偿的需求，并因此减少了每公里线路和/或电缆的成本。当功率需要在长距离上进行传送时，从ac至dc的转换因而变得极具成本效率。在输电网中也利用了ac功率至dc功率的转换，其中以不同频率操作的ac电网互连起来是必须的。在任何这种输电网中，在ac和dc功率之间的各个接口处需要转换器来实现所需的转换。
【发明内容】
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种断路器电路，其设置成在故障状况下将转换器与直流电网隔离开，其包括:
隔离元件，其设置成在激活时防止电流在电网和转换器之间流动；
能量吸收元件，其能够接收在隔离元件激活之后残留在电路中的能量；
换向(commutating)电压源，其设置成提供换向电压源，以使电流转向远离隔离元件；
和
可切换的隔离元件旁路，其设置成接收转向的电流； 其中能量吸收元件、换向电压源和隔离元件旁路中的至少一个可在非故障状况操作，从而提供转换器的功能构件。
[0007]这种装置具有各种相关的优点。首先，该电路利用了至少一个构件，其在转换器中，在通常操作中也具有用途。这里使用的术语“非故障状况”应被认为包括所有不需要dc断路器操作的状态。这可包括从起动、测试、正常操作和故障恢复的状态范围。这种故障和非故障状态还可被称为“正常”和“异常”操作。这意味着断路器功能可与转换器一起提供，减少了额外的构件。另外，旁路的提供容许隔离元件在低较的电压下操作(在优选的示例中，故障电流在激活隔离元件之前被驱动至零或接近于零，隔离元件可为简单的机械开关)。这减少了与隔离元件操作相关联的风险和磨损。
[0008]此外，术语“功能构件”应被认为包括有助于转换器在转换电流时的功能的任何构件。因而简单的导体，例如导线，和在正常操作期间不使用的构件，例如机械断路器开关或在非故障操作期间保持在给定状态下，因而用作简单导体的固态开关不被认为是功能构件，因为它们并不有助于电流的转换过程(虽然它们可提供传导路径)。
[0009]旁路可与换向电压源和能量吸收元件是并行的。这种装置可以很容易地与已知的转换器合并，并且意味着可切换的旁路可提供正常转换器电流路径之外的电流路径，使得在非故障操作期间，在可切换的旁路中看不到由于开关引起的损耗。然而，在备选装置中，旁路可作为短路设于在正和负的dc端子之间。在短路位于dc端子之间的情况下，这容许转换器构件容易集成到断路器电路中。
[0010]可切换的旁路可包括一个或一系列半桥或全桥链路链接基元，其可切换到旁路状态。这种电池是转换器电路，尤其多级模块化转换器(MMC)的公共构件，从而容许使用这些构件(例如，在MMC中用于转换器正常使用，S卩非故障状况下合成电压波形)作为断路器电路的一部分。
[0011 ]换向电压源在非故障状况下可为滤波器，便利地是有源滤波器，其可作为转换器的dc滤波器设置成在非故障状况除去谐波和/或通常使dc输入/输出变得平滑。在一个特定的示例中，换向电压源可包括一系列半桥或全桥链路链接基元，其各包括一个基元电容器，其中链路链接基元是可控制的，以便串联地插入其基元电容器，从而形成直流电压源。这种装置用作有源dc滤波器是已知的，所以换向电压源可满足在非故障状况下起作用。
[0012]虽然能量吸收元件可包括一个或多个电阻器，但在其它实施例中，其备选地或额外地包括至少一个电容器。这种电容器在转换器中是公共元件。在故障情况下由这种电容器吸收的感应性能量可后续被电阻器吸收，或者用于电路的功能。尤其在某些实施例中，其后续可用于切换一个或多个开关，其中一个或多个开关可为可切换的旁路中的开关。这是消散或吸收能量的一种有效方式。
[0013]在某些示例中，转换器通过变压器绕组连接在ac电网上。在这种示例中，并且为了防止来自ac电网的电流也转向旁路，可跨越变压器绕组的ac端子创造ac电流旁路。这容许在多个路径之间共享电流，这减少了可切换的旁路上的构件所需要的热定额。
[0014]电路可包括一个或多个dc电压源，其设置成限制换向电压，例如包括多级转换器中的链路链接基元。当故障没有完全瓦解dc电网电压时，dc电压源的提供是特别便利的。例如，高阻抗故障可留下相对较高的故障电流保留在电路中，但可限制换向电压的电压源也将减少电流升高的速率，容许机械开关时间在电流变得太高之前起作用。
[0015]转换器可为以下至少其中一个:(i)模块化多级转换器(MMC)，(ii)串联电桥转换器(SBC)，( iii)受控制的过渡电桥(CTB)。在某些实施例中，转换器是HVDC转换器。
[0016]根据本发明的第二方面，提供了一种转换器，其操作地连接在隔离元件上，隔离元件设置成在激活时防止电流在dc电网和转换器之间流动;其中转换器包括控制器，其设置成在非故障状况和故障状况下操作转换器，转换器包括可在非故障状况下作为转换器的功能构件进行操作的至少一个构件，其在故障状况下提供以下其中至少一个:
能量吸收元件，其用于接收在隔离元件激活之后残留在电路中的能量；
换向电压源，其用于提供换向电压源，以使电流转向远离隔离元件；
可切换的隔离元件旁路，其用于接收转向的电流。
[0017]具体地说，转换器可包括至少一个滤波器(例如dc有源滤波器)，其能够在故障状况下用作换向电压源。转换器可包括一个或多个链路链接基元(例如SBC或MMC中)，其在非故障状况下用于合成电压波形，并且其能够提供旁路，例如通过切换到旁路状态(即被有效地“撬动”)。备选地或额外地，这种基元在某些示例中能够通过利用内部电容器提供能量吸收元件和/或提供dc电压源，dc电压源设置成限制断路器电路中的换向电压。当故障没有完全瓦解dc电网电压时，dc电压源的提供是特别便利的。例如，高阻抗故障可留下相对较高的故障电流保留在电路中，但链路链接基元可作为“局部撬杆”进行操作，以便仍然放出电压，其将限制换向电压，并因此限制电流升高的速率，容许机械开关时间在电流变得太高之前起作用。
[0018]在某些示例中，转换器经过设置，使得在与dc电网隔离开之后，其可仍保持连接在ac电网上，并且至少能够有助于该电网的无功功率需求(例如满足静态同步补偿器(STATC0M)等操作)。控制器因此可设置成在与dc电网隔离开之后操作转换器作为无功功率补偿器。
[0019]关于本发明第一方面所述的元件可与本发明第二方面的转换器组合。
[0020]根据又一方面，提供了一种控制转换器的方法，该方法包括提供转换器和包括隔离元件的断路器电路，其中该方法还包括通过促使转换器从在非故障状况中操作改变至故障状况，使电流转向离开隔离元件并激活隔离元件从而将转换器与dc电网隔离开，其中从非故障状况改变至故障状况的步骤包括促使转换器的至少一个功能构件执行以下其中至少一个功能:
(i)提供换向电压，以使电流转向远离隔离元件；
(?)提供隔离元件旁路，其设置成接收转向的电流；
(iii)在激活隔离元件之后吸收残留在电路中的能量。
[0021]因此，断路器电路和转换器可包括至少一个公共构件。该方法可包括在提供隔离元件旁路和/或激活隔离元件的基本同时，提供换向电压，以便在形成旁路之后隔离开转换器与dc电网，并且使电流沿着该路径转向的换向电压已经驱动隔离元件中的电流至少基本为零。
[0022]该方法可进一步包括在故障状况下促使转换器的至少一个电容器吸收隔离元件激活之后残留在电路中的感应性能量，并且进一步利用由此储存的感应性能量来操作转换器和/或断路器电路中的开关。这是消散或吸收电路中的能量的一种有效方法。
[0023]在特定的实施例中，可存在与ac电网的连接，并且在与dc电网隔离开之后，控制转换器的该方法可包括操作转换器，以便在ac电网中提供无功功率补偿。
[0024]该方法还可包括使用上面相对于本发明的第一方面和第二方面所述的任何装置特征。
【附图说明】
[0025]现在将参照附图仅通过非限制性的示例描述本发明的优选实施例，其中:
图1A和图1B以示意性的形式显示了现有技术的断路器；
图2以示意性的形式显示了使用中的HVDC转换器；
图3-5显示了根据本发明的实施例的转换器装置；
图6A和图6B显示了用于图5转换器中的子转换器;且图7-9显示了在图5所示的转换器装置中使用的电流流量。
【具体实施方式】
[0026]在图1A和图1B中显示了现有技术的断路器100。这个断路器100如W02011/057675中所述起作用，其在这个示例中设置成在故障的情况下将dc电压源102与电网隔离开。
[0027]断路器100包括与辅助断路器106串联连接的机械开关104，其在这个示例中是IGBT开关。这种串联连接与开关组108是并联连接，其提供了可切换的旁路110。此外，与旁路110并联连接且与机械开关104及辅助断路器106串联的是一组非线性电阻器112，其用作电涌吸收器。
[0028]在非故障操作中，电流沿着图1A中所示的实线路径114穿过机械开关104和辅助断路器106。在故障的情况下，辅助断路器106被断开，导致阻抗的累积和之后的换向电压，其造成电流沿着旁路110遵循图1A中所示的虚线116前进(其开关108应闭合，以容许电流流动)。在电流转向的状况下，机械开关104可在没有电弧放电的风险下断开，如图1B中所示。接下来，发送信号以断开旁路110(即断开里面各个开关108)，使得电流转向非线性电阻器112，其中能量可被安全地吸收，即遵循图1B中的虚线118。
[0029]概念上讲，断路器100可被认为包括隔离元件(机械开关104)、换向电压源(辅助断路器106)、可切换的隔离元件旁路(旁路110)和能量吸收元件(非线性电阻器112)。
[0030]显著的特征是旁路110的开关108不在电路中，直至发生故障，所以在正常使用时不会看到与电路中具有一系列固态开关相关联的损耗，因为它们在正常操作期间不会有应力，它们可预计持续更长时间。还应该注意，虽然旁路110必须以系统的满电压为额定电压，但是辅助断路器106不需要如此。
[0031]图2显示了用于HVDC中的ac/dc转换器的概念图，包括设置在ac源202和dc电网204之间的高压转换器200。转换器200可具有任何已知的设计，并且包括有源dc滤波器206，其设置在转换器200和电网204之间，以使dc输出平滑。在这个示例中，有源dc滤波器206设置成在注入到dc电网204之前从转换器200的输出中除去谐波。转换器200和滤波器206处于控制器208的控制下，控制器208能够控制其各种功能，例如切换时间、滤波、对电网状况的响应、执行起动和检查功能等等。例如，提供了具有上述断路器100形式的断路器电路210，用于将HVDC设备与dc电网204隔离开。
[0032]在高压环境中，需要的滤波器206可为非常大型的。然而，作为技术选择普遍替代了基于可控硅的电流转换器(CSC)的更现代设计的使用，例如基于IGBT的电压源转换器(VSC)已经容许滤波器206尺寸得以显著地减少，或者实际上消除了对其的需求。VSC出于其它原因是有吸引力的，例如容许有源功率和无功功率的完全独立的控制。这意味着它们可主动地帮助ac电网的无功功率要求，例如满足静态同步补偿器(STATCOM)的操作。模块化多级转换器(MMC)是一类VSC，其由于其谐波性能和相对容易的计时控制而成为正在研究与发展的课题。
[0033]在图3中显示了根据本发明的一个实施例的包含断路器电路的VSC。具体地说，图3显示了断路器VSC300，其包括上面所述的转换器200和滤波器206。虽然滤波器206配置为用于在“正常”非故障状况下使对dc电网的输出平滑，但是其还配置为用于在故障情况下用作关于图1所述的断路器电路的换向电压源。
[0034]如上面所述，控制器208能够控制滤波器206。在这个示例中，滤波器206是一种多级转换器，其包括一系列全桥链路链接基元(例如图6A中所示)，全桥链路链接基元各包括至少一个基元电容器，其在非故障状况下操作，从而通过控制转换器的电压相而使输出平滑，通常除去谐波。这种滤波器对于技术人员将是熟悉的。一系列半桥链路链接基元(例如图6B中所示)也可提供滤波器206。实际上，在单相谐波电压源的情况下，任何能够产生谐波电压的单相VSC可用作滤波器206。这包括H-桥类型的脉宽调制(PWM)电路和多级转换器(通常，钳位中性点和“快速电容器”多层电路)。
[0035]在收到来自控制器208的信号时，滤波器206可进入故障模式，而不是如非故障模式中那样执行滤波，基元电容器(例如图6A中所示)串联插入，以形成直流电压源，因而用作换向电压的源。这使电流转向旁路110，其开关受到控制而闭合。在电流转向的状况下，机械开关104可在没有电弧放电的风险下断开。接下来，发送信号以断开旁路110(即断开里面各个开关108)，使得电流转向非线性电阻器112，在这里能量可被安全地吸收。
[0036]这种装置具有各种相关的优点。首先，电路利用了通常可在高压转换器，例如用于HVDC的转换器中所找到的构件(滤波器206)。因此断路器功能可在减少额外构件的状况下进行添加，导致成本、重量和尺寸方面的改善。其次，其具有与相对于图1所述断路器相关联的所有优点，尤其旁路110的功率电子构件通常位于主电路的外部，并因此不会消耗功率，造成高效的操作。其具有进一步的优点在于，转换器200可保持连接在ac电网上，因而可继续响应该电网20 2的无功功率需求。此外，因为在整个VSC和dc断路器系统中需要较少的构件，所以分开提供的装置上的可靠性将得以改善。
[0037]现在参照图4描述本发明进一步的实施例。图4是一种多级转换器400。多级转换器400包括串联连接的转换器基元404的相对应的转换器电桥402(出于清晰起见只标出了一些)ο如放大图所示，各个转换器基元404包括一对串联连接的IGBT406，其与电容器408是并联连接的，并且经过切换以便提供小步阶转换器电压，这对于技术人员将是熟悉的。
[0038]各个基元404的电容器408配置为具有足够高的电容值，从而限制电容器端子上的电压变化。在各个转换器电桥402上还提供了dc侧反应器410，以便限制在转换器支路412之间的瞬变电流流量，并从而可实现转换器支路412的并联连接和操作。还提供了 dc链接电容器414，其在正常非故障状况下操作，用于使dc电压平滑。
[0039]电压源转换器400还包括一组单向开关108，用于提供上述可切换的旁路110。旁路110与dc链接电容器414并联连接，并且通常切换而位于电路之外，即其在转换器400的非故障使用时不会执行任何功能，并因此在正常使用期间不会造成损耗。还应该注意，在这个实施例中，没有提供滤波器206。在某些转换器中，尤其如果转换器的谐波性能是足够好的话，那么就不需要滤波器。换向电压源以IGBT辅助断路器106的形式来提供，但是可使用在操作时导致阻抗的累积和从而换向电压的任何开关。IGBT提供了一种合适的开关，并且在整个非故障操作期间不会产生不可接受的损耗。然而，还应该注意，IGBT实际上不会有助于电压源转换器400的非故障稳态功能，因为其在正常使用时并不操作。
[0040]在故障的情况下，控制器208发送信号，造成辅助断路器106断开，造成换向电压。同时，控制器208发送信号，以造成旁路110中的开关108闭合，容许换向的电流流过旁路110。这容许机械开关104在低电流或零电流下断开，之后旁路110的开关也可被断开，使电流转向电容器414。因此，当转换器400处于需要断路器操作的故障模式时，电容器414不再如非故障状态中作为转换器400的功能构件那样操作，(具体地说，使dc电压平滑)，而是实现断路器电路中的能量吸收元件的功能。储存在电容器414中的能量可用于控制开关108，因而被有用地耗散了，但在其它示例中，其可排出至电阻器中，或者在转换器400的操作时如下所述用作STATC0M。还应该注意，一旦除去故障，电容器414充电并变成dc电压源，其是转换器作为STATCOM操作所需要的。
[0041]应该注意的是，在这种情况下，辅助断路器106应配置为用于容忍来自dc电容器414的相对较高的放电电流，并且开关108在存在放电dc电容器的状况下进行操作(或者同样是额定用于高放电电流)。
[0042]这具有与图3的实施例相关联的优点，但是其不需要滤波器作为换向电压源。其利用已经是电压源转换器的一部分的能量吸收元件，尤其dc链接电容器414。应该注意的是，隔离旁路110并行于故障路径，并且提供了用于能量的路径，其通过dc电网的负轨道的连接而绕过开关104。当然，换向电压可通过滤波器206来提供，尤其如果在任何情况下对于转换器400的功能需要它的话。
[0043]虽然在这个示例中提供了专用的旁路，但是可以看出与dc故障路径并行的任何电路元件可用于提供这个路径(虽然优选该路径上的构件将被绕过以保护它们)。例如，因此在相关的实施例中，在检测到故障时，并且在辅助断路器106提供换向电压的同时，基元404可受到控制，以便通过闭合其开关406而形成旁路(消除了对于专用旁路110和其开关108的需求)。在实践中，反应器410是很小的，并且在这样一个实施例中，来自辅助断路器106的换向电压将作用在环路电感上，其包括反应器410所呈现的电感和电路中直至故障位置的杂散电感。类似地，当撬杆(即由闭合的电桥402的开关406所提供的旁路)被除去且电流减小至正常水平(或零)时，基元电容器408可用于吸收某些(或所有)释放的感应性能量。技术人员应该懂得，能量E与电感L和电流I相关，关系为E=0.5LI2。
[0044]因而，电桥402可首先提供旁路，然后通过在基元404中使用电容器408而提供能量吸收元件。
[0045]图5显示了电压源转换器500的进一步的实施例。
[0046]图5的电压源转换器500包括第一和第二dc端子532，534、多个相元件536、多个辅助的子转换器538以及多个三次转换器539。
[0047]各个相元件536包括两个并联成对的串联连接的开关元件540。在每对串联连接的开关元件540之间的接头限定了 ac端子。各个相元件536的ac端子限定了该相元件536的ac侧542。
[0048]在使用过程中，各个相元件536的ac端子通过多个断开的次级变压器绕组544的相应的其中一个绕组而进行互连。各个次级变压器绕组544与多个初级变压器绕组546的相应的其中一个绕组相互耦合。多个初级变压器绕组546以星形配置进行连接，其中各个初级变压器绕组546的第一末端连接在公共接头548上，并且各个初级变压器绕组546的第二末端连接在三相ac电网550的相应的相上。通过这种方式，在使用过程中，各个相元件536的ac侧542连接在三相ac电网550的相应的相上。
[0049]公共接头548限定了多个初级变压器绕组546的中性点，并且是接地的(未显示)。
[0050]各个相元件536与多个三级子转换器539的相应的其中一个串联连接，从而限定了电气模块。各个辅助的子转换器538与相应的其中一个电气模块并行连接，从而形成支路。[0051 ]各个子转换器538，539包括多个基元或模块552。
[0052]如图6A和6B中所示，各个子转换器538，539的各个模块552是一个基元，其包括开关元件554和采用电容器形式的能量储存装置556。
[0053]参照图6A，各个三级子转换器539的各个模块552是一个基元，其包括两对开关元件554和采用电容器形式的能量储存装置556。在各个三级子转换器539中，成对的开关元件554在全桥装置中与电容器556并联连接，从而限定了一种四象限两极模块，其可提供负电压、零电压或正电压，并可在两个方向上引导电流。
[0054]参照图6B，在各个辅助子转换器538中，一对开关元件554在全桥装置中与电容器556并联连接，从而限定了一种两象限单极模块，其可提供零电压或正电压，并可在两个方向上引导电流。
[0055]多个支路串联地连接在第一和第二dc端子532,534之间。在使用过程中，第一和第二 dc端子532，534分别连接到dc电网的第一和第二端子上，dc电网的第一端子携带正的dc电压，dc电网的第二端子携带负的dc电压。
[0056]上面陈述的各个支路的配置意味着在使用过程中，dc电压看来似乎跨越并联连接的各个相元件536的成对的串联连接的开关元件540。
[0057]因此，在使用过程中，各个相元件536将dc电压和ac电压互连起来。在其它实施例中，可设想各个相元件536可包括多个开关元件，其具有不同的配置，以便将dc电压和ac电压互连起来。
[0058]各个开关元件540，554包括一个或多个开关装置。各个开关元件540，554还包括无源电流检查元件，其与各个开关装置反并联连接。
[0059]在这个示例中，各个开关装置采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)的形式。可以设想在本发明的其它实施例中，某些或各个IGBT可由栅极关断晶闸管、场效应晶体管、注入增强栅晶体管、集成栅极换向晶闸管或任何其它自换向开关装置来替代。各个开关元件中的开关装置的数量可依赖于开关元件540，554所需要的额定电压而变化。本领域中的技术人员应该懂得，实际上，开关元件540将可由一系列绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或集成栅极换向晶闸管(IGCT)制成。
[0060]各个无源电源检查元件包括采用二极管形式的无源电流检查装置。可以设想在其它实施例中，各个二极管可由任何其它装置来替换，其能够仅在一个方向上限制电流流动。各个无源电流检查元件中的无源电流检查装置的数量可依赖于无源电流检查元件所需要的额定电压而改变。
[0061]可进一步设想在本发明的其它实施例中，某些或各个电容器可由能够储存和释放能量的另一类型的能量储存装置来替代，例如燃料电池或蓄电池。
[0062]各个子转换器538,539中的多个串联连接的模块552限定了链路链接转换器。
[0063]各个模块552的电容器556通过改变开关元件554的状态而被选择性地绕过或插入到链路链接转换器中。这选择性地引导电流穿过电容器556或造成电流绕过电容器556，使得模块552在各个辅助子转换器538的情况下提供零电压或正电压，并且模块552在各个三级子转换器539的情况下提供负电压、零电压或正电压。
[0064]当模块552中的开关元件554配置为用于在模块552形成短路时，模块552的电容器556被绕过。这造成链路链接转换器中的电流穿过短路并绕过电容器556，并因此模块552提供零电压，即模块552配置为绕过模式。
[0065]当模块552中的开关元件554配置为用于容许链路链接转换器中的电流流入和流出电容器556时，模块552的电容器556插入到链路链接转换器中。电容器556然后充电或放出其储存的能量，从而提供非零电压，即模块552配置为非绕过模式。
[0066]可以设想在本发明的其它实施例中，各个模块552可由另一类型的模块替代，其包括至少一个开关元件和至少一个能量储存装置，所述或各个模块中的所述或各个开关元件和所述或各个能量储存装置组合起来，以便选择性地提供电压源。
[0067]通过将各提供了其自身电压的多个模块552的能量储存装置556插入到链路链接转换器中，链路链接转换器的结构允许跨越链路链接转换器的组合电压累积，它比其各个单独模块552可得到的电压更高。这样，各个模块552中的各个开关元件554的切换造成链路链接转换器提供分级的可变电压源，这允许利用逐级逼近而产生跨越链路链接转换器的电压波形。因此，各个链路链接转换器能够提供广泛范围的复杂电压波形。
[0068]各个支路中的辅助子转换器538和电气模块的并联连接允许辅助子转换器538选择性地用作波形合成器，从而改变呈现给dc电网的第一 dc电压。
[0069]各个支路中的三级子转换器539和相元件536的串联连接允许三级子转换器539选择性地用作波形合成器，从而改变相对应的相元件536的dc侧的第二 dc电压。这种在相对应的相元件536的dc侧的dc电压的改变导致了在相对应的相元件536的ac侧542的ac电压的相对应的改变。
[0070]可以设想在本发明的其它实施例中，各个辅助子转换器538的配置可变化，只要各个辅助子转换器538能够选择性地用作波形合成器以改变第一 dc电压即可，并且各个三级子转换器539的配置可变化，只要各个三级子转换器能够选择性地用作波形合成器以改变第二 dc电压即可。例如，各个辅助子转换器538可为多级转换器。
[0071]电压源转换器500还包括控制器560，其配置为用于控制其所有功能。电压源转换器500还包括dc滤波器570，其在这个示例中是有源滤波器，其设置为在转换器500的非故障稳态操作中用于在注入到dc电网之前滤去电压谐波，其包括一系列全桥基元转换器。技术人员应该知道，这种dc滤波器570在转换器中是相对普通的构件，从而减少注入到dc线路中的谐波。这种谐波可造成不合适宜的共振效应，并且甚至可造成附近电话线路中的干扰。滤波器的设计依赖于预期的谐波电压，其是转换器500的特征。
[0072]在典型的实施例中，滤波器570设置为过滤电压的6次、12次和18次谐波，因为这些可保持到dc电压的相组合之后。此外，滤波器570形成了断路器电路的一部分，提供了换向电压源，并且与机械开关104是串联设置的。
[0073]虽然本发明大部分涉及故障状况下的操作，但是现在将提供转换器500的稳态工作的简要说明。控制器560设置成选择性地控制各个三级子转换器539或辅助子转换器538，以便例如合成谐波，从而减少对于滤波的需要，或者调整各子转换器538，539中的能级。这可通过控制子转换器以便将电压波形与给定的谐波分量合成，并且/或者控制电压分量相对于电流分量的相来实现。其还可容许产生用于呈递给相应的相元件536的dc侧的补偿性dc电压分量，从而补偿由于在相应的相元件536的ac侧产生或吸收的实际功率和/或无功功率方面的变化而造成的相应的第二 dc电压方面的变化，并从而抑制由于改变相应的第一 dc电压而引起的相应的第二 dc电压的变化。
[0074]因而在相应的相元件536的ac侧所产生或吸收的无功功率方面的变化对相应的第一dc电压的任何影响都可受到抑制，容许电压源转换器在广泛范围的实际功率和无功功率状况下操作，而对电压源转换器的dc侧的操作具有很少或没有损害效应。在ac侧产生或吸收的实际功率和/或无功功率方面的变化还可通过控制各个辅助子转换器538来解决，从而合成一个或多个零相序的三重谐波分量(例如3次、9次和15次谐波分量)。
[0075]因而可以看出图5的电压源转换器500是高度通用的，并可提供无功功率补偿以及有源滤波。此外，现在将特别参照图7和图8描述电压源转换器500作为断路器电路配置的一部分的用途。
[0076]第一，当故障发生时，电流沿着图7中所示的路径700流动。滤波器570受到控制器560的控制，以便在故障模式下操作，在该模式下，其提供换向电压。这可通过使包含在其基元中的电容器切换成串联来实现。此外，辅助子转换器538和三级子转换器539还以故障模式进行操作，在该模式下，它们被切换至其旁路状态，有效地成为短路，或产生跨基元“撬杆”，提供用于隔离元件(即机械开关104)的旁路702a。注意，因为仍具有对ac电网的连接，所以还存在通过相元件536至撬动的子转换器538，539的电流702b。
[0077]一旦机械开关104被断开，故障电流在ac电网和由于被绕过的辅助子转换器538所产生的撬杆之间流动。
[0078]因此，在这个示例中，滤波器570在故障的情况下提供了换向电压，其通过新近形成的旁路而使电流转向机械开关104，该旁路包括撬动的辅助子转换器538。由机械开关104提供的隔离元件然后可被断开而没有电弧放电的风险(即换向电压将故障路径中的回路电流驱动至零，即使在电压源转换器500、机械断路器104和之后的故障路径702a之间的连接中存在电感)。
[0079]撬杆短路然后可通过切断IGBT开关554来除去，其中感应性能量通过模块552中的电容器556发生转向和吸收。因而，子转换器538，539继续以故障模式操作，以便提供断路器电路的另一元件:能量吸收元件。转换器500仍保持连接在ac电网，并且作为例如STATCOM进行操作，能够根据需要与ac电网交换无功功率。
[0080]在图8所示的备选方法中，另一撬杆短路可通过接通相元件536中的两个相邻的开关来实现，其通过提供跨次级变压器绕组544的ac端子的短路，提供ac电流旁路或ac撬杆而使电流从子转换器538，539的模块552转向到路径702c上。这可为有利的，尤其如果相元件536中的开关设计为具有同模块552相比更高的热额定值。如果两个撬杆短路同时就位的话，在辅助子模块538和相元件536之间有效地共享电流负载。一旦开关104被断开的话，然后可除去ac和dc撬杆，容许电压源转换器500帮助ac电网的无功功率需求。这样帮助ac电网的转换器500的操作对于技术人员将是熟悉的，并可利用合适的已知的控制方法来实现。
[0081]上面利用转换器500的元件使dc电网短路的方法特别适合于在故障的情况下起作用，导致dc电网电压的完全瓦解(即低阻抗故障)。在高阻抗故障的情况下，可保持显著的残余dc电网电压，并且可具有高的潜在的破坏性的故障电流通过dc电网传送给电路。虽然如果转换器500被完全撬动的话，残余电压可有效地提供换向电压的来源，但是这个电压不受控制，并可太高，以致于不能容许转换器和/或断路器电路的安全操作。因此，可需要补偿至少一部分dc电网电压。
[0082]在图9中显示了这种情形，其中高的阻抗故障902被转换器500视为电阻器(但是应该懂得这不是实际的电气构件)。在这个示例中，残余dc电压是正常操作期间的电压的50%。在这种情况下，辅助子转换器538可以部分撬杆的方式进行操作，并且仍然注入有限的电压904，从而限制环路周围的总的换向电压(在图9的示例中，这是15%，但这应根据所遭遇的电路和故障进行选择)。这限制了在断开机械开关所需要的周期内电流升高的速率(例如，对于传统的开关为100-200ms)。在这种示例中，不需要单独的换向电压源(并因此在电流转向和中断相期间可使滤波器570完全被绕过)，因为换向电压是在残余的dc电网电压和辅助子转换器538所提供的电压之间的差异。在这个示例中，因此，换向电压源是dc电网和辅助子转换器538的连接(或至少保留在电路中的那些元件)。
[0083]因此，在这个示例中，转换器500形成了部分的撬杆(即注入有限的电压)以帮助dc断路器电路。为此，辅助子转换器538用作dc电压源，并限制断路器操作期间的换向电压，并且在这个示例中设有旁路。为了形成这个“部分旁路”，辅助子转换器538中的某些(可能是大多数)基元将被绕过，但某些将使其基元电容器插入到电路中，以便注入相对较低的电压，其是补偿残留的dc电网电压所需要的。
[0084]在这个实施例中，利用了并行辅助子转换器538的半桥基元(而非串联连接的滤波器570的基元)，因为注入电压还将有用地用于减少来自ac电网的电流。然而，滤波器570的基元可备选地或额外地有助于提供这种补偿电压。
[0085]由辅助子转换器538提供的链路链接基元因此可提供柔性的短路撬杆，以响应低阻抗dc电网故障。它们可受到控制，以便提供可变的有限电压，以响应造成残余的dc电网电压(这可为例如20%，50%，70%或实际上任何其它百分比)的任何dc电网故障。虽然这里已经显示了特定的装置，但是这种类型的分级电压输出还可从其它多级转换器类型来提供(例如其它链路链接装置、中性点钳位装置、快速电容器装置)。
[0086]在隔离元件104已经被断开且故障被隔离之后，转换器可如上所述进行操作，其中辅助子转换器538提供能量吸收元件。此外，转换器可作为STATCOM等进行操作。
[0087]虽然这里已经描述了各种实施例，但是这些实施例的备选方案对于技术人员可为清晰明了的。首先，实施例是关于高压环境进行描述的，因为这是本发明所解决的某些问题最可能发生的场景。然而，原则上，本发明可用于其它电网，包括但不局限于中等电压和超高压。此外，虽然已经描述了机械开关在正常使用时由于其低功耗而作为隔离元件，但事实上，可提供任何能够隔离dc连接的开关，包括固态开关。虽然已经描述了转换器的某些配置，包括多级模块化转换器的特定的示例，但本发明可应用于其它设计，包括但不局限于其它电压源或电流源及其混合类型的转换器设计，包括采用脉宽调制(PWM)切换控制方法的多级设计和设计等等。
【主权项】
1.一种断路器电路，其设置成在故障状况下将转换器与直流(dc)电网隔离开，其包括: i.隔离元件，其设置成在激活时防止电流在所述dc电网和所述转换器之间流动； ?.能量吸收元件，其能够接收在所述隔离元件激活之后残留在所述电路中的能量； ii1.换向电压源，其设置成提供换向电压的来源，以使电流转向远离所述隔离元件；和 iv.可切换的隔离元件旁路，其设置成接收转向的电流； 其中所述能量吸收元件、所述换向电压源和所述隔离元件旁路中的至少一个可在非故障状况下操作，从而提供所述转换器的功能构件。2.根据权利要求1所述的断路器电路，其特征在于，所述旁路与所述换向电压源和所述能量吸收元件是并行的。3.根据权利要求1所述的断路器电路，其特征在于，旁路是在所述dc电网的正和负dc端子之间的短路。4.根据任一前述权利要求所述的断路器电路，其特征在于，所述可切换的旁路包括一个或一系列半桥或全桥链路链接基元，其可切换到旁路状态。5.根据任一前述权利要求所述的断路器电路，其特征在于，所述换向电压源设置成在非故障状况下用作所述转换器的滤波器。6.根据任一前述权利要求所述的断路器电路，其特征在于，所述换向电压源包括一系列半桥或全桥链路链接基元，其各包括基元电容器，其中所述链路链接基元是可控制的，以便串联地插入其基元电容器，从而形成直流电压源。7.根据任一前述权利要求所述的断路器电路，其特征在于，所述能量吸收元件包括至少一个电容器。8.根据权利要求7所述的断路器电路，其特征在于，在故障情况下被所述电容器吸收的感应性能量用于切换一个或多个开关。9.根据权利要求8所述的断路器电路，其特征在于，至少一个这种开关是位于所述可切换的芳路中的开关。10.根据任一前述权利要求所述的断路器电路，其特征在于，其包括至少一个dc电压源，其设置成限制所述断路器电路中的换向电压。11.根据任一前述权利要求所述的断路器电路，其特征在于，所述转换器是以下其中至少一个:(i)模块化多级转换器(MMC)，( i i)串联电桥转换器(SBC)，( i i i)受控制的过渡电桥(CTB)012.—种转换器，其操作地连接在隔离元件上，所述隔离元件设置成在激活时防止电流在dc电网和所述转换器之间流动；其中所述转换器包括控制器，其设置成在非故障状况和故障状况下操作所述转换器，所述转换器包括可在非故障状况下作为所述转换器的功能构件进行操作的至少一个构件，其在故障状况下提供以下其中至少一个: 1.能量吸收元件，其用于接收在所述隔离元件激活之后残留在所述电路中的能量； ?.换向电压源，其用于提供换向电压的来源，以使电流转向远离所述隔离元件； ii1.可切换的隔离元件旁路，其用于接收转向的电流。13.根据权利要求12所述的转换器，其特征在于，其包括至少一个滤波器，其可受到所述控制器的控制，以便在故障状况下提供换向电压源。14.根据权利要求12或13所述的转换器，其特征在于，其包括一个或多个串联的链路链接基元，其在非故障状况下用于合成电压波形，并且可受到所述控制器的控制，以便提供以下其中至少一个: 1.芳路， ?.通过利用所述基元内部的电容器提供能量吸收元件； ii1.dc电压源，其设置成限制换向电压。15.根据权利要求12至14中的任一项权利要求所述的转换器，其特征在于，其在操作时设置成连接至ac电网上，并进一步设置成在与所述dc电网隔离开之后保持连接在所述ac电网上，并且所述控制器能够控制所述转换器，以承担所述ac电网的无功功率需求。16.根据权利要求12至15中的任一项权利要求所述的转换器，其特征在于，其包括变压器绕组，其通过ac端子提供了对交流(ac)电网的连接，并且所述转换器进一步设置成在故障的情况下产生跨所述变压器绕组的ac端子的ac电流旁路。17.—种控制转换器的方法，所述方法包括提供转换器和包括隔离元件的断路器电路，其中所述方法还包括通过促使所述转换器从在非故障状况中操作改变至故障状况，使电流转向离开所述隔离元件并激活所述隔离元件，从而将所述转换器与dc电网隔离开，其中从非故障状况改变至故障状况的步骤包括促使所述转换器的至少一个功能构件执行以下其中至少一个功能: 1.提供换向电压，以使电流转向远离所述隔离元件； ?.提供隔离元件旁路，其设置成接收转向的电流； ii1.在激活所述隔离元件之后吸收残留在所述转换器电路中的能量。18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，包括基本在提供隔离元件旁路的同时，提供换向电压。19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，其包括在所述旁路的形成已经将所述隔离元件中的电流基本驱动至零之后激活隔离元件，以便将所述转换器与所述dc电网隔离开。20.根据权利要求17至19中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，其还包括促使所述转换器的至少一个电容器在故障状况下吸收能量，并因此进一步利用由此储存在其里面的感应性能量来操作所述转换器和/或所述断路器电路中的开关。21.根据权利要求17至20中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，其还包括提供对ac电网的连接，并在与所述dc电网隔离开之后操作所述转换器，以便在所述ac电网中提供无功功率补偿。22.—种基本上如本文所述且如附图3-8中所示的断路器电路。23.—种基本上如本文所述且如附图3-8中所示的转换器。
【文档编号】H02H3/087GK105849994SQ201480071936
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年10月23日
【发明人】D.R.特雷纳, O.F.贾西姆
【申请人】阿尔斯通技术有限公司