CN101297448A - 换流站 - Google Patents

Abstract

用于把交流系统连接到双极HVDC传输线的换流站具有直流中性装置，该直流中性装置配备有第一直流断路器，使得在所述站双极工作时能够断开从所述传输线的一个极(104)的中性母线(111)到另一个极(105)的中性母线(112)的第一电流路径，用于隔离故障部分和改变到所述站的单极工作/金属回线。直流中性装置在所述第一电流路径上具有至少两个串联连接的第一直流断路器(133，136和137，138)，用于如果其中的另一个直流断路器在通过从双极工作改变为单极工作而进行控制以隔离故障部分的情况下无法断开所述第一电流路径时互为备份。

Description

换流站

技术领域

本发明涉及用于把交流系统连接到双极高压直流(HVDC)传输线的换流站，所述站包括两个换流器，每个换流器具有其直流侧，该直流侧一方面被连接到高电压的所述传输线的两个极中的对应极，另一方面被连接到通过接地而处于零电位的、换流器共用的直流中性装置的该极的中性母线；每个换流器具有被连接到所述交流系统的交流侧，所述直流中性装置具有被连接到至少一条电极线的部件，该装置配备有第一直流断路器，其能够在该站双极工作时断开从一个极的中性母线到另一个极的中性母线的第一电流路径，以将该站改变为单极工作，所述站还包括控制装置，用于通过控制所述第一直流断路器断开所述两条中性母线之间的所述电流路径来控制从双极工作到单极工作的所述改变，以及用于建立到所述电极线连接部件的电流路径，用于将来自所述一个极的电流转送到电极线连接部件。

本发明不限于在地与HVDC(高压直流)传输线的每个所述极之间的任何特定的电压电平，但其可以特别应用于大于500kV的这样的电压，这意味着，所述传输线传输大功率，并且换流站所属的传输系统需要非常高水平的可靠性。本发明也不限于通过所述传输线的所述极的任何特定的电流电平，但所述线优选地额定电流大于1kA。

图1示意地示出了这种类型的HVDC传输系统的总体设计。图中示出了如何将换流站1，2设置在具有两个极4，5的HVDC传输线3的每一端，其中一个极具有正极性，另一个极具有负极性。交流系统6、6’通过变压器7、7’被连接到每个换流站，用于得到直流系统的适当电压电平。交流系统可以是具有发电机的任何类型的发电站形式的发电系统，或者是连接到电能用电设备的消费系统或网络，诸如工业和社区。每个换流站具有两个换流器8，9，每个换流器具有其直流侧，该直流测一方面被连接到所述两个极4、5中的对应极，另一方面被连接到换流器共用的直流中性装置10，直流中性装置10将其低电压侧接地，用于限定每个极上的特定电压。每个换流器8，9可以用一组换流器替代，一组换流器例如为串联连接的两个或三个换流器，用于在每个极上获得诸如800kV的高电压。换流器包括多个具有任何已知配置的电流阀，例如具有12脉冲桥式配置。换流器可以是线换相电流源型换流器，其中诸如闸流管的开关元件在所述交流系统中越过交流电流的零点处被关断。换流器也可以是强迫换相电压源型换流器，其中所述开关元件是根据脉冲宽度调制(PWM)方式被控制的关断器件。

HVDC传输系统相对于交流传输系统的优点在于：虽然HVDC传输系统中换流站的花费通常大于交流传输系统中换流站的花费，但是在传输线各端的两个换流站之间的传输线上的损耗明显更低。因此HVDC传输系统通常用来在诸如几百公里的长距离上传输大功率，常常是在几GW的量级。这意味着，如果传输线的两个极同时跳闸，即，例如由于接地故障而断开，则对于所连接的交流系统的结果可以很严重。如果所述交流系统属于给大城市供应电力的主系统，则这样的双极跳闸可能导致供应到所述主系统的电能的大幅度减少，以致会造成该系统的不稳定性，并且其它部件也会发生故障。如果仅仅一个极跳闸，则对于所连接的交流系统的结果的严重程度没有在两个极均跳闸时的一半那么严重。本发明的换流站具有在前述技术领域部分中限定的那种类型的可靠性，这与换流站的所述直流中性装置的功能密切相关。图2示出了已知换流站的传统的直流中性装置。该装置10具有连接到一个换流器8的低压侧的中性母线11和连接到另一个换流器9的低压侧的中性母线12。中性母线通过两个第一直流断路器13、14和与每个直流断路器13、14相关的隔离开关15、16的串联连接而被互相连接。在与一条中性母线相关的第一直流断路器和隔离开关及与另一条中性母线相关的第一直流断路器和隔离开关之间的该串联连接的中点17通过包括连接到部件19的隔离开关的线18，该部件19连接到从换流站延伸到电极站22的两条电极线20，21，其功能将在下面进一步描述。直流中性装置10还包括接地开关23，该接地开关23通过包括隔离开关的线被连接到与每条中性母线11、12相关的第一直流断路器和隔离开关之间的点24、24’。

具有图2所示的这种已知的直流中性装置的换流站的作用如下。在被采用作为整流器的换流站的双极工作期间，如果中性母线12和11之间的第一直流断路器13、14和隔离开关15、16闭合，则电流在负极性的极5中流到换流器9，并通过中性母线12进而流到中性母线11。电流进一步通过换流器8按照箭头25的方向流到具有HVDC传输线的正极性的另一个极4。到电极线连接部件19的线18中的隔离开关被闭合以规定中性的零电位。

图3示出了假设在对应于极4的直流侧现在发生接地故障，换流站以及尤其是换流站的直流中性装置将如何工作。利用旁路对来阻断(block)换流器8的电流阀，这意味着，串联连接的电流阀被启动，由此交流侧被旁路，以保护所述交流系统6和连接到该交流系统的设备。这些旁路对将形成直流极4与直流中性装置之间的低阻抗连接。用点显示电流如何流到接地故障26。然而，重要的是快速隔离接地故障26，以便保持另一个极5工作。闭合线18的隔离开关，以形成到电极线连接部件19以及通过电极线20、21到电极站22的电流路径。极5的直流电流现在由两个电流路径来分担，一路经由电极线到地，一路经由另一个极4到接地故障。约一半电流在两个电流路径的每个电流路径中经过。为了隔离接地故障，第一直流断路器13被断开，使得所有的电流通过电极线流到电极站。当直流断路器13被断开时，在中性母线处的隔离开关15和15’以及在极4处的隔离开关27被断开，以完成故障极4的隔离。

如果直流断路器13无法使通过它的电流降低到零，即，把该电流转换到电极线，则该直流断路器被重新闭合。然后接地开关23作为直流断路器13的备份被闭合，而形成中性母线12与地之间的低阻抗连接。“健康”极5的几乎所有电流然后流入站的接地网格，而通过另一个极4的电流因此将降低到几乎为零，使得隔离开关15、27可以被断开以完成隔离。当极4被隔离时，断开接地开关23，所有电流将被转接到电极线。换流站和HVDC传输系统然后处于单极工作中，使得仍可以传送双极工作时一半的功率。如果需要保持系统的单极工作以便不对电极站的地过度充电，则通过闭合隔离开关以及开关将尽可能快地，通常在约1分钟内，获得中性母线12与极4的连接，其按照箭头28的方向转送电流经过电极站，以形成金属回线而不是大地回线。

如果接地故障改为在另一个极5上发生，则直流中性装置的不同部件的工作将是对应的，使得断路器14和隔离开关16被断开，以便把电流导向电极站等等。

这种已知换流站的直流中性装置提供相当好的可靠性，但它仍存在某些缺点。不能将两条电极线分离，这意味着如果接地故障发生在两条电极线之一，则整个电极站的连接将发生故障，使得系统可能发生有害的双极跳闸。也不可能在未使用时检查每条电极线的正常工作。另一个缺点是，上述接地开关是每个第一直流断路器13、14的备份，在其闭合期间由于流过的大电流将提升接地网格的电位。换流站的变压器的中性点被连接到该接地网格，这种电位上升导致直流电流通过变压器，由此导致另一个极也跳闸的风险。再一个缺点在于，在换流站双极工作期间不能进行对第一直流断路器的维护。

发明内容

本发明的目的在于提供技术领域部分中限定的那种类型的换流站，其中已知的这种换流站的上述缺点中的至少一个被基本上消除。

根据本发明，该目的是通过提供这样的站而达到的：其中直流中性装置在所述第一电流路径中具有至少两个串联连接的第一直流断路器，用于在进行所述控制装置的控制以从双极工作改变为单极工作时在两个第一直流断路器中的另一个无法断开所述第一电流路径的情形下作为彼此的备份。这种改变是为了隔离传输系统的故障部分而进行的。

这意味着，因为如果例如在所述两个极的任一个极发生接地故障时，至少有一个另外的第一直流断路器可被控制成断开，所以如果所述第一直流断路器发生故障将不需要闭合任何接地开关。

根据本发明的另一个实施例，所述直流中性装置包括至少两个所述第一电流路径，每个路径具有至少两个串联连接的、互为备份的所述第一直流断路器，每个第一电流路径被设计成在该站双极工作时允许电流流过，而不管在任何其它所述第一电流路径中的所述第一直流断路器的状态如何。这就形成了换流站的非常可靠的功能，这是因为即使在换流站所属的HVDC传输系统处于双极工作的情形下，也可以对一个第一电流路径的第一直流断路器实现维护，而不会有任何的功率减小。当然也有可能在不干扰换流站工作的情形下来测试一个所述第一电流路径的直流断路器。因此，可以确保当第一直流断路器要执行断开动作时，这些第一直流断路器将全部正常运行，同时由于每个所述断路器具有另一个这种断路器作为备份，使得事实上消除了被迫使用接地开关以从双极工作改变到单极工作的风险。

根据本发明的另一个实施例，所述直流中性装置配备有用于分别连接到分离的所述电极线的两个所述电极线连接部件，以及用于将每条中性母线连接到所述两个电极线连接部件的中任选之一的装置。这意味着在一条电极线或与其相关的设备上的接地故障可被隔离，使得在换流站单极工作时，仍可以引导电流通过另一条电极线到达电极站，以及可以避免双极跳闸。两条电极线的这种方式的分离还提高了对被连接到这种电极线的设备实行维护的可能性。

根据构成刚刚提到的实施例的进一步的发展的本发明的另一个实施例，对于每条所述中性母线，所述连接装置包括由所述中性母线和在一又二分之一断路器系统中的所述电极线连接部件中相应的电极线连接部件所共享的三个直流断路器的串联连接。因此，以与交流开关装置类似的方式对断路器进行设置。这种连接方式产生了具有有限数目直流断路器的直流中性装置的工作的高可靠性。此外，有利的是，在每个直流断路器的每一侧具有隔离开关，以便于在其被断开时隔离直流断路器，使得把电流转送到电极站或仅用于进行对直流断路器的维护。

根据本发明的另一个实施例，换流站在三个直流断路器的所述串联连接的每个中具有所述中性母线，该中性母线在中间直流断路器的一侧连接到两个直流断路器之间的串联连接，以及所述电极线连接部件在所述中间直流断路器的另一侧连接到两个直流断路器之间的串联连接。

根据本发明的再一个实施例，所述直流中性装置包括第一导电母线，每条中性母线通过与其相关的三个直流断路器的所述串联连接的所述直流断路器中的一个连接到该导电母线。这意味着，两条中性母线之间的所述第一电流路径将通过三个直流断路器的所述串联连接中的一个这种直流断路器与所述第一导电轨或导电线而形成，这两个直流断路器彼此互为备份，使得将中性母线连接到所述轨或线的这两个直流断路器作为在一个所述第一电流路径中串联连接的所述第一直流断路器。

根据本发明的另一个实施例，所述直流中性装置包括第二导电母线，每个所述电极线连接部件通过与其相关的三个直流断路器的所述串联连接的所述直流断路器中的一个连接到该第二导电母线。这意味着，如果在电极线或在与之相关的任何设备上发生接地故障，则连接到所述第二导电母线的直流断路器可被用于隔离电极线。

根据本发明的另一个实施例，所述两个中间直流断路器和将电极线连接到所述第二轨或线的两个直流断路器是在一个所述第一电流路径中串联连接的所述第一直流断路器。因此，该第一电流路径包括串联连接的、相互提供备份的四个第一直流断路器。

根据本发明的又一个实施例，所述两条导电母线通过具有直流断路器的、并与三个直流断路器的所述两个串联连接平行的附加线而被互联。该附加线的存在还增加了在没有任何功率减小的情况下对直流中性装置的设备进行维护的可能性。

根据本发明的再一个实施例，接地开关被连接到所述附加线上的点，当控制所述直流断路器断开从一条中性母线到另一条中性母线的电流时，如果所述直流断路器中没有一个能够断开从一条中性母线流到另一条中性母线的电流，则该接地开关被闭合并使该附加线接地。实际上对于这个任务不需要该接地开关，因为直流断路器相互作为彼此的备份，可以根据需要经常检查和维护，使得在对另一个第一直流断路器进行维护时该接地开关主要作为任何所述第一直流断路器的备份，在另外的情况下该另一个第一直流断路器作为所述的任何第一直流断路器的备份。

根据本发明的另一个实施例，所述第一轨或线通过第一隔离开关被连接到使HVDC传输线的所述两个极互联的线的中点，所述第一隔离开关用于在所述站双极工作时被断开，互联所述两个极的线在所述中点的两侧配备有隔离开关，所述控制设备用于控制所述第一隔离开关闭合以及控制连接到一个极的隔离开关闭合，以便于在所述一个极跳闸之后在站单极工作时形成来自另一个极的电流的金属回线。电流的金属回线在故障部分被隔离时就可以这样方便地得到，使得可以避免在电极站处的地被过度地充电。

根据本发明的又一个实施例，换流站用于把交流系统连接到双极HVDC传输线，该传输线的每个极与地之间的电压适于为超过200kV，有利地为超过500kV，优选地是600kV-1500kV，最优选地是600kV-1000kV。根据本发明的换流站对于这样的高压是特别有利的，该电压和通过该电压传输的功率越高越要引起注意，因为HVDC传输系统的双极跳闸在这种情况下非常严重，因此换流站的高可靠性是非常重要的。

从以下的说明将看到本发明的另外的优点和有利的特征。

附图说明

通过参考以下的附图，给出根据本发明的实施例的换流站的具体说明。

其中：

图1示出了HVDC传输系统的总体结构的示意图；

图2示出了包括在已知HVDC传输系统的换流站中的直流中性装置的结构示意电路图；

图3是根据图2的直流中性装置的图，用于说明当在一个极上发生接地故障时该直流中性装置的功能；以及

图4是在根据本发明实施例的换流站中对应于图2的直流中性装置的图。

具体实施方式

图4示出了根据本发明实施例的换流站的中性装置，该中性装置具有被连接到其上的电极站，还示出了双极HVDC传输线的两个极。这里极104、105倾向于分别具有+800kV和-800kV的极性。该直流中性装置配备有两个电极线连接部件121、122，用于与分离的电极线123、124连接，每个电极线与电极站125的分离的电极电路连接。

三个直流断路器133-138的串联连接131、132用于每条中性母线111、112，该中性母线将直流中性装置与相应换流器的低压侧连接，每个这种串联连接由中性母线和在一又二分之一断路器系统中的所述电极线连接部件121、122中相应的电极线连接部件所共享。以上所述是这样实现的：将每条中性母线111、112分别在中间直流断路器134和137的一侧、在两个直流断路器133、134和两个直流断路器136、137之间与串联连接分别连接；并且将电极线连接部件121和122分别在中间直流断路器另一侧、在所述中间直流断路器和直流断路器135及138之间与串联连接分别连接。直流中性装置还包括第一导电母线141，每条中性母线111、112分别通过三个直流断路器的所述串联连接的直流断路器133和136中的一个连接到第一导电母线。两条中性母线之间的一个第一导电路径通过所述两个直流断路器133、136和将它们彼此连接的母线141那样形成。

直流中性装置还包括第二导电母线142，每个电极线连接部件121、122分别通过三个直流断路器的串联连接131和132的直流断路器135和136中的一个连接到该第二导电母线。两个导电母线141、142也通过具有直流断路器151的、且与三个断路器的所述两个串联连接131、132平行的附加线150而被互联。接地开关152被连接到附加线150上的一点，用于被闭合并使该附加线接地。

所述第一导电轨或导电线141通过第一隔离开关161与用于互联HVDC传输线的两个极104、105的线163的中点162连接。该第一隔离开关适于在换流站双极工作时被断开。互联所述两个极的线163在所述中点162的两端配备有隔离开关164、165。该装置被用于金属回线。

最后，隔离开关与在其两端的每个直流断路器串联连接，使得可以隔离直流断路器以便于维护，而且也为了在直流断路器已使流过其的电流下降到零时创建导电路径的物理断开。还示出了如何安排多个直流测量设备，以便于管理诸如由180表示的直流中性装置的不同部件的功能。图中还示出了用于电极线阻抗管理的陷波滤波器181和注入电路182。

图4所示的直流中性装置的功能如下：所有的直流断路器133-138和151在站双极工作期间通常被闭合，这意味着将形成如由箭头190所示的一个第一电流路径，即从中性母线112通过直流断路器136、导电轨或导电线141以及直流断路器133到中性母线111。另一个所述第一电流路径形成为通过直流断路器137和138、第二导电轨或导电线142以及直流断路器135和134。此外，电流也可以找到通过直流断路器136、第一导电母线141、具有直流断路器151的附加线150、第二导电母线142和直流断路器135和134的路径。这意味着，在换流站所属的HVDC传输系统的双极工作期间，可以进行对直流断路器133-138和151中任一断路器的维护而不引起任何功率减小。如果例如要对于直流断路器133进行维护，则该直流断路器133断开，其两端的隔离开关断开，这意味着，电流不会通过由箭头190表示的第一电流路径而在中性母线之间流过，但它仍然通过所述其它第一电流路径，即经过直流断路器137、138以及134、135在中性母线之间流过。这时也可以对与一个电极线相关的设备进行维护，因为带有与另一条电极线相关的设备的该另一条电极线仍然准备在一个极跳闸并改变为单极工作时处理电流到电极站的传送。

现在结合图3所述假设在极104上发生接地故障。控制设备200控制直流断路器133和134断开，并由此断开从中性母线112到中性母线111的电流路径。与这些直流断路器相关的隔离开关在电流降低到零时将结束断开动作。从极105到达中性母线112的电流然后流过直流断路器137到达电极线连接部件122，并通过直流断路器137、138、第二导电母线142和直流断路器135到达电极线连接部件121。如果接地故障发生在一条电极线或与之相关的设备上，则其可被隔离。假设这种接地故障与电极线123相关。直流断路器135也被断开，使得来自中性母线112的电流仅可以到达电极线连接部件122。

如果直流断路器133无法使流过它的电流降低到零，则直流断路器136可作为备份被控制为断开。如果直流断路器134无法使流过它的电流降低到零，则直流断路器135可作为备份被控制为断开。这意味着在可以将与直流断路器134相关的隔离开关断开之前，电极线连接部件121临时被断开。

接地开关152实际上仅仅在对在其它情况下作为任何直流断路器的备份的直流断路器进行维护时被用作为所述任何直流断路器的备份。

当单极工作的状态稳定时，隔离开关161和隔离开关164被闭合，并且两个换流站中的中性母线112与电极线连接部件之间的连接被中断，以便如果仍然需要HVDC传输系统的连续的单极工作时，形成电流的金属回线并避免对电极站的地过度充电。

如果改为传输线的另一个极105跳闸的情况，换流站以及尤其是换流站的直流中性装置的功能当然与以上的说明相对应。这例如意味着，直流断路器136和137将被控制成断开，使得流过它们的电流降低到零，直流断路器133和138作为备份。

本发明当然绝不限于以上描述的实施例，本领域普通技术人员将理解其有许多可能的修改方案，而不背离如在所附权利要求中规定的本发明的基本概念。

Claims (13)

1.一种用于把交流系统连接到双极HVDC传输线(3)的换流站，所述换流站包括两个换流器(8，9)，每个换流器具有其直流侧以及交流侧，该直流侧一方面被连接到高电压的所述传输线的两个极(104，105)中的对应极，另一方面被连接到通过接地而处于零电位的、换流器共用的直流中性装置(10)的该极的中性母线(111，112)，所述交流侧连接到所述交流系统(6)；

所述直流中性装置具有连接到至少一条电极线(123，124)的部件，该装置配备有第一直流断路器，能够在该换流站双极工作时断开从一个极的中性母线到另一个极的中性母线的第一电流路径，以改变为该换流站的单极工作；

所述换流站还包括控制装置(200)，用于通过控制所述第一直流断路器断开所述两条中性母线(111，112)之间的所述电流路径来控制从双极工作到单极工作的所述改变，以及用于建立到所述电极线连接部件的电流路径，用于将来自所述一个极的电流转送到该电极线连接部件；

其特征在于：所述直流中性装置在所述第一电流路径中具有至少两个串联连接的第一直流断路器(133，136，137，138)，用于在所述控制装置进行控制以从双极工作改变为单极工作时，在所述第一直流断路器中其它第一直流断路器无法断开所述第一电流路径的情形下作为彼此的备份。

2.根据权利要求1的换流站，其特征在于：所述直流中性装置包括至少两个所述第一电流路径，每个第一电流路径具有至少两个串联连接的、互为备份的所述第一直流断路器(133，136，137，138)，每个第一电流路径被设计成在该换流站双极工作时允许电流流过，而不管在任何其它所述第一电流路径中的所述第一直流断路器的状态如何。

3.根据权利要求1或2的换流站，其特征在于：所述直流中性装置配备有用于分别连接到分离的所述电极线(123，124)的两个所述电极线连接部件(121，122)，以及用于将每条中性母线(111，112)连接到所述两个电极线连接部件的中任选之一的装置。

4.根据权利要求3的换流站，其特征在于：对于每条所述中性母线，所述连接装置包括由所述中性母线(111，112)和在一又二分之一断路器系统中的所述电极线连接部件(121，122)中相应的电极线连接部件所共享的三个直流断路器(133-135，136-138)的串联连接(131，132)。

5.根据权利要求4的换流站，其特征在于：在三个直流断路器的所述串联连接(131，132)的每个中，所述中性母线(111，112)在中间直流断路器(134，137)的一侧、在两个直流断路器之间连接到该串联连接，以及所述电极线连接部件(121，122)在所述中间直流断路器的另一侧、在两个直流断路器之间连接到该串联连接。

6.根据权利要求4或5的换流站，其特征在于：所述直流中性装置包括第一导电母线(141)，每条中性母线(111，112)通过与其相关的三个直流断路器的所述串联连接的所述直流断路器中的一个(133，136)连接到该导电母线。

7.根据权利要求5或6的换流站，其特征在于：将中性母线连接到所述导电母线(141)的这两个直流断路器(133，136)是在一个所述第一电流路径中串联连接的所述第一直流断路器。

8.根据权利要求4-7中的任一项的换流站，其特征在于：所述直流中性装置包括第二导电母线(142)，每个所述电极线连接部件(121，122)通过与其相关的三个直流断路器的所述串联连接的所述直流断路器中的一个(135，138)连接到该第二导电母线。

9.根据权利要求5和8的换流站，其特征在于：所述两个中间直流断路器(134，137)和将电极线(123，124)连接到所述第二母线(142)的两个直流断路器(135，138)是在一个所述第一电流路径中串联连接的所述第一直流断路器。

10.根据权利要求6和8的换流站，其特征在于：所述两条导电母线(141，142)通过具有直流断路器(151)的、并与三个直流断路器的所述两个串联连接(131，132)平行的附加线(150)而被互联。

11.根据权利要求10的换流站，其特征在于：接地开关(152)被连接到所述附加线(150)上的点，当控制所述第一直流断路器断开从一条中性母线流到另一条中性母线的电流时，如果所述第一直流断路器中没有一个能够断开从一条中性母线流到另一条中性母线的电流，则该接地开关被闭合并使该附加线接地。

12.根据权利要求6的换流站，其特征在于：所述第一导电母线(141)通过第一隔离开关(161)被连接到使HVDC传输线的所述两个极(104，105)互联的线(163)的中点(162)，所述第一隔离开关适于在所述换流站双极工作时被断开，互联所述两个极的线在所述中点的两侧配备有隔离开关(164，165)，所述控制设备(200)用于控制所述第一隔离开关(161)闭合以及控制连接到一个极的隔离开关(164，165)闭合，以便于在所述一个极跳闸之后在换流站单极工作时形成来自另一个极的电流的金属回线。

13.根据前述权利要求的任一项的换流站，其特征在于：该换流站用于把交流系统(6)连接到双极HVDC传输线(3)，该传输线的每个极(104，105)与地之间的电压适于为超过200kV，有利地为超过500kV，优选地是600kV-1500kV，最优选地是600kV-1000kV。

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