CN101297455A

CN101297455A - 换流站

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Publication number: CN101297455A
Application number: CNA2006800399994A
Authority: CN
Inventors: 乌尔夫·拉德布兰特; 拉尔斯-埃里克·尤林
Original assignee: ABB T&D Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2026-06-15
Also published as: EP1974431A2; WO2007084035A8; WO2007084035A1; US20090201702A1; US8081497B2; RU2376694C1; CN101297455B; BRPI0621037A2; ZA200805663B; EP1974431A4; EP1974431B1

Abstract

本发明提供一种用于将AC系统连接到双极HVDC输电线的换流站，该换流站具有设置有第一DC断路器(131、132)的DC中性设备，使得能够在换流站的双极操作中将从一个极(105)的中性母线(112)到另一个极(104)的中性母线(111)的第一电流路径断开，从而改变为单极操作以隔离系统的故障区段，同时建立到电极线连接部件(142、143)的电流路径以使来自所述一个极(105)的电流转向电极线连接部件。电极线(191，192)中的每个设置有单独的连接部件(142、143)，并提供了用于将每一个中性母线连接到两个电极线连接部件中的任选一个的装置。

Description

换流站

技术领域和背景技术

本发明涉及一种用于将AC系统连接到双极HVDC输电线的换流站(converter station)，所述换流站包括两个换流器，每个换流器都具有DC侧和AC侧，所述DC侧一方面连接到高电位的所述输电线的两个极中的相应极，另一方面连接到用于该极的中性母线，该中性母线为通过接地而处于零电位的由所述换流器共用的DC中性设备的中性母线，所述AC侧连接到所述AC系统，所述DC中性设备具有连接到两个电极线的部件，并且所述DC中性设备设置有第一DC断路器，使得能够在换流站的双极操作中将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断开，从而改变为单极操作，所述换流站还包括控制装置，所述控制装置被配置为通过控制所述第一DC断路器以断开所述两个中性母线之间的所述电流路径，来控制从双极操作到单极操作的所述改变，并且建立到所述电极线连接部件的电流路径以使来自所述一个极的电流转向所述电极线连接部件。这种到单极操作的改变可以用于隔离系统的故障区段并用于改变为金属回路(metallic return)。

本发明不限于地和HVDC(高压直流，High Voltage Direct Current)输电线的每个所述极之间的任何具体的电压水平，但是本发明特别适用于500kV以上的电压，这意味着所述输电线传输大量功率，并且换流站所属的输电系统要求有非常高级别的可靠性。本发明也不限于通过所述输电线的所述极的任何具体的电流水平，但是优选所述线的额定电流是1kA以上。

图1示意性地示出了这种类型的HVDC输电系统的总体设计。其示出换流站1、2如何布置在具有两个极4、5的HVDC输电线3的每一端，两个极4、5中的一个是正极性的，另一个是负极性的。AC系统6、6’通过变压器7、7’连接到每个换流站，以获得所述DC系统的适当的电压水平。AC系统可以是任意类型的具有发电机的发电厂形式的发电系统或者是连接到例如工业区和社区的电力消费者的用电系统或用电网络。每一个换流站具有两个换流器8、9，每个换流器具有DC侧，所述DC侧一方面分别连接到相应的所述两个极4、5，另一方面连接到换流器共用的DC中性设备10，所述DC中性设备10的低压侧接地以在每个极上限定一定的电压。每个换流器8、9可以用串联连接的例如两个或者三个的换流器组来代替，以获得高电压，该高电压可以是800kV量级的。换流器包括多个已知结构的电流阀，例如12脉冲桥结构。换流器可以是线换向电流源型换流器(line commutated Current Source Converter)，其中，例如晶闸管的开关元件在所述AC系统中的AC电流的过零点处关断。换流器还可以是强制换向电压源型换流器(forced commutated Voltage SourceConverter)，其中所述开关元件是根据脉宽调制(PWM，Pulse WidthModulation)模式来控制的关断的器件。

HVDC输电系统相对于AC输电系统的优点在于显著降低的损耗，该损耗是由输电线的各端处的两个换流站之间的输电线产生的，然而换流站通常在HVDC输电系统中比在AC输电系统中更昂贵。因此，HVDC输电系统通常在例如几百千米的长距离上传输通常是GW级的大功率。这意味着，如果由于例如接地故障造成输电线的两个极同时跳闸(trip)即断开，则对于所连接的AC系统而言后果可能非常严重。如果所述AC系统属于向大城市供电的主系统，则这种双极跳闸可能导致供给所述主系统电力大大降低，从而在该系统中可能产生不稳定，然后还可能使其它部分失效。对于连接的AC系统而言，如果仅有一个极跳闸，所造成的后果还不及两个极都跳闸的严重性的一半。本发明涉及在引言中限定的这种类型的换流站的可靠性，其与所述DC中性设备的运行密切相关，图2示出已知的换流站中的传统DC中性设备。该设备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。中性母线通过串联连接的两个第一DC断路器13、14以及与每个DC断路器13、14相关联的隔离开关15、16而彼此连接。与一个中性母线相关联的第一DC断路器及隔离开关和与另一个中性母线相关联的第一DC断路器及隔离开关之间的串联连接的中间点17通过包括隔离开关的线18，隔离开关连接到部件19，而部件19连接到从换流站延伸到电极站22的两个电极线20、21，下面将进一步说明其运行。DC中性设备10还包括接地开关23，接地开关23经由包括隔离开关的线连接到点24、24’，点24、24’处于与每个中性母线11、12相关联的隔离开关和第一DC断路器之间。

具有图2所示的这种已知的DC中性设备的换流站的运行如下。在假设作为整流器工作的换流站的双极操作期间，在负极性极5中的电流流到换流器9，并且通过中性母线12进一步流到中性母线11，中性母线11所具有的第一DC断路器13、14和第一DC断路器13、14之间的隔离开关15、16闭合。电流进一步流过换流器8，并根据箭头25流到HVDC输电线的具有正极性的另一个极4。线18中到电极线连接部件19的隔离开关闭合，以定义中性点的零电位。

我们假设现在在极4的DC侧出现接地故障，且图3示出了换流站尤其是其DC中性设备将如何动作。换流器8的电流阀通过旁路对而被阻断，这意味着串联连接的电流阀被启动(fired)，从而将AC侧旁路以保护所述AC系统6和连接到其的设备。这些旁路对在DC极4和DC中性设备之间形成低阻抗连接。用点示出电流如何流到接地故障点26。然而，迅速将接地故障点26隔离以维持另一个极5工作是很重要的。线18的隔离开关闭合以形成到电极线连接部件19并且通过电极线20、21到电极站22的电流路径。现在，两个电流路径共享极5的DC电流，一个经由电极线到地，另一个经由另一个极4到接地故障点。两个电流路径各有大约一半的电流。为了隔离接地故障点，第一DC断路器13断开，使得全部电流通过电极线流到电极站。当DC断路器13断开时，中性母线处的隔离开关15和15’以及极4处的隔离开关27被断开，以实现对故障极4的隔离。

如果DC断路器13没有使通过其的电流下降到零，即没有将电流换流到电极线，则DC断路器13将重新闭合。然后，接地开关23闭合作为DC断路器13的备用，同时在中性母线12和地之间形成低阻抗连接。然后，“正常”极5的几乎所有的电流向下进入站接地网(station earth grid)，因而通过另一个极4的电流下降到几乎为零，使得隔离开关15、27和15’可以被断开以实现隔离。当极4被隔离时，接地开关23为断开，所有电流被换流到电极线。然后，换流站和HVDC输电系统处于单极操作，从而仍可以传送双极操作中一半的功率。如果需要保持系统的单极操作以不对电极站的地充太多电，则尽可能快地、通常是在约一分钟之内，通过将开关和隔离开关闭合以根据箭头28转移电流从而形成通过电极站的金属回路而不是地回路，可以获得中性母线12到极4的连接。

如果接地故障点出现在另一个极5处，DC中性设备的不同元件的操作也是相对应的，使得断路器14和隔离开关16断开，以便将电流传导到电极站等等。

这种已知的换流站的DC中性设备提供了相当好的可靠性，但是仍有些缺点。其不能分离两个电极线，这意味着如果在两个电极线中的一个中出现接地故障，则整个电极站连接将出现故障，使得可能出现有害的系统双极跳闸。当没在使用时，也不能检查每个电极线的正确工作。其它缺点在于，上述的接地开关是第一DC断路器13、14中的每一个的备用，由于在接地开关的闭合期间有大电流通过，所以将抬高接地网的电位。换流站的变压器的中性点连接到该接地网，并且该电位升高引起通过变压器的DC电流，从而带来另一个极也可能跳闸的风险。另一个不利之处是在换流站的双极操作期间不能对第一DC断路器进行维护。

发明内容

本发明的目的是提供在引言中限定的类型的换流站，其减少了这种已知的换流站的上述缺点中的至少一个。

根据本发明，通过提供这种换流站来实现该目的，其中，所述中性设备设置有用于所述电极线中的每个电极线的单独的所述连接部件以及用于将每个中性母线连接到所述两个电极线连接部件中的任选一个的装置。由于在换流站的双极操作期间可以独立地检查每一个电极线和连接到该电极线的设备的正常运行，因此这基本上可以降低换流站所属的HVDC输电系统双极跳闸的风险，从而可以保证在需要使用这些电极线时，这些电极线可以正常地运行。此外，如果在电极线中的一个出现接地故障，则所讨论的中性母线在改变为单极操作时会通过所述连接到另一个电极线的装置，该故障电极线被隔离，从而不会危害所述单极操作。

根据本发明的实施例，所述连接装置包括：用于第一线中的每个所述中性母线的至少一个隔离开关和/或DC断路器，所述第一线与包括所述第一DC断路器的所述第一电流路径分离并且将该母线连接到与该母线相关联的所述电极线连接部件中的一个；以及在比所述至少一个隔离开关和/或断路器更靠近相应的母线的位置将所述两个第一线进行互连的第二线中的至少一个隔离开关和DC断路器。这意味着，每一个中性母线可以通过所述DC断路器和/或隔离开关的操作被连接到所述电极线连接部件中的任选一个或者两个，以便当在电极线中的一个出现接地故障时将电极线中的任意一个断开来隔离接地故障，或者在单极操作期间检查状态或进行维护。

根据本发明的另一个实施例，所述互连第二线设置有在每一侧与隔离开关串联连接的DC断路器。

根据本发明的又一个实施例，所述连接装置包括：用于每个第一线的串联连接的DC断路器以及隔离开关，每个所述第一线用于将中性母线连接到所述电极线连接部件中的一个，且所述DC断路器以及隔离开关比所述互连第二线与该第一线的连接点更靠近所述中性母线。这意味着除所述第一电流路径之外，在所述两个中性母线之间还可以建立具有串联连接的至少两个DC断路器的另外的电流路径，这意味着在换流站的双极操作期间可以对该附加电流路径以及所述第一电流路径的所述第一DC断路器进行维护。此外，当所述第二线设置有DC断路器时，其还可以用作所述第一线的两个DC断路器的备用。

根据本发明的另一个实施例，所述DC中性设备包括附加的第二DC断路器，所述附加的第二DC断路器与在所述两个中性母线之间的所述第一电流路径中的所述第一DC断路器串联连接，以用于换流站的双极操作。这意味着，在要断开电流路径以使电流转向电极站时，这两个串联连接的DC断路器彼此作为备用，所以可以避免在断路器中的一个不能使通过其的电流的下降到零的情况下使接地开关闭合。

根据本发明的另一个实施例，所述第一电流路径中的所述第一DC断路器和第二DC断路器之间的中间点通过第一隔离开关连接到将HVDC输电线的所述两个极互连的线的中间点，所述第一隔离开关被配置为在换流站的双极操作中断开，将所述两个极进行互连的线在所述中间点的两侧设置有隔离开关，所述控制装置被配置为在所述两个极中的一个极跳闸之后在换流站的单极操作中控制所述第一隔离开关闭合并且控制连接到所述一个极的隔离开关闭合，以形成从另一个极来的电流的金属回路。

根据本发明的另一个实施例，换流站包括接地开关，所述接地开关在所述第一DC断路器和所述附加的第二DC断路器之间的点处连接到两个中性母线之间的所述第一电流路径。这作为在第一以及第二DC断路器失效的情况下另外的备用，尽管第一以及第二DC断路器都失效几乎是不可能发生的。

根据本发明的另一个实施例，所述控制装置被配置为控制每个所述第一线和所述互连第二线中的所述DC断路器和隔离开关闭合，并且通过所述第一线和所述互连第二线在两个中性母线之间建立第二电流路径，以便能够在换流站的双极操作中对所述第一电流路径中的设备如DC断路器进行维护。

根据本发明的另一个实施例，换流站被配置为将AC系统连接到双极HVDC输电线，所述双极HVDC输电线被配置为其每个极和地之间的电压超过200kV，优选超过500kV，更优选600kV-1500kV，最优选600kV-1000kV。因为较高的电压意味着可靠性要求更高，所以根据本发明的换流站通常更为适用于较高的所述电压，进而通过所述HVDC输电线传输的电力也更多。

通过以下说明，本发明的其它优点以及有益特征将变得明显。

附图说明

下面，参考附图，对根据本发明的实施例的换流站进行具体的说明。

在附图中：

图1是示出HVDC输电系统的总体结构的示意图；

图2是示出HVDC输电系统的已知换流站中所包含的DC中性设备的结构的示意性电路图；

图3是根据图2的DC中性设备的视图，用来解释在一个极上出现接地故障时该中性设备的运行；以及

图4是在根据本发明实施例的换流站中的图2的DC中性设备相应视图。

具体实施方式

这里，用104和105表示两个极，用111和112表示两个中性母线。这里，认为极104、105分别具有+800kV和-800kV的极性。中性母线111、112通过第一电流路径130彼此连接，在第一电流路径130中第一DC断路器131和第二DC断路器132串联连接。每个DC断路器被两个隔离开关133-136包围。

每个中性母线又经由第一线140、141连接到两个单独的电极线连接部件142、143中的一个。每个第一线设置有被两个隔离开关146-149包围的DC断路器144、145，隔离开关146-149比互连所述两个第一线的第二线150的连接点更靠近所讨论的中性母线。该第二线150具有被两个隔离开关152、153包围的DC断路器151。此外，每个第一线具有比第二线150与所述第一线的互连点更靠近各个电极线连接部件的隔离开关160、161。

接地开关170连接到在具有相关的隔离开关的两个DC断路器131、132之间的所述第一电流路径130，且第一电流路径130还经由隔离开关180连接到互连HVDC输电线的所述两个极104、105的线181的中间点。隔离开关180被配置为在换流站的双极操作时断开。互连两个极的线在所述中间点的两侧还设置有隔离开关182、183。

附图还示出了如何配置如210所示的多个直流电流测量装置来监控DC中性设备的不同部分的运行。在图中还示出了用于电极线阻抗监控的注入电路212和陷波滤波器211。

该中性设备的运行如下。在换流站所属的HVDC输电系统的双极操作期间，DC断路器131、132以及隔离开关133-136闭合，电流在第一电流路径130中在两个中性母线之间流过，电流还流过第二电流路径，该第二电流路径经过闭合的DC断路器144、145和隔离开关146-149以及第二线150的闭合的DC断路器151和隔离开关152、153。隔离开关160、161被闭合以将电极站连接到所述中性母线以便进行极性定义。这样，可以对该DC中性设备的所有设备进行维护，而不用在双极操作中停止供电。可以断开所述第一电流路径130中的DC断路器，并可以在将两个中性母线之间的电流传导通过经由第二线150的第二电流路径的同时、执行对第一电流路径130中的DC断路器的运行的测试或者维护。也可以在将两个中性母线之间的电流传导通过所述第一电流路径130的同时、检查该第二电流路径中的设备的正确运行。还可以检查两个电极线的设备并对一个电极线的设备进行维护，而不存在这样的风险，即一个极的跳闸可能导致换流站的双极跳闸。当在换流站的双极操作期间对例如DC断路器131进行维护时，在断开DC断路器131之后断开两个隔离开关133和134。相应的过程可以应用于DC断路器132。

现在，我们假设在极104上出现上面参考图3所描述的接地故障。然后，DC断路器144断开，且如果DC断路器144重新闭合，则DC断路器151作为备用。此外，第一DC断路器131被控制为断开，当这随后使电流下降到零时，隔离开关133和134中的一个也将断开。然而，如果第一DC断路器131失效，则第二DC断路器132作为备用并被控制为断开。作为又一备用，接地开关170将如图3所示地运行。

来自中性母线112的电流流到电极线连接部件142、143，并通过其流到电极站190。如果需要DC断路器151作为DC断路器144的备用，DC断路器151为此被重新闭合。然而，如果在第一电极线191或者与其相关联的设备上出现接地故障，则通过控制DC断路器151断开、然后使隔离开关161、152和153中的任意一个断开来使中性母线112和电极线连接部件142之间的连接断开。另一方面，如果在电极线192或者与其相关联的任意设备中出现接地故障，则隔离开关161断开，且来自中性母线112的所有电流被传导到电极线连接部件142。

在将故障区段隔离之后，可以使隔离开关180和隔离开关182闭合以形成到极104的电流的金属回路，同时使中性母线112到电极站190的连接断开，从而不将太多电流传导到电极站的地中。

当然，本发明不限于以上描述的实施例，很明显，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的基本思想的情况下，本领域技术人员可以进行许多变型。

例如，在所述第一电流路径中，除了串联连接两个断路器之外，还可以串联连接其它数目的断路器。

此外，例如，可以想到也可以有多于两个的电极线连接部件，以便将多于两个的电极线以及相关联的设备连接到中性母线。

Claims

1.一种用于将AC系统(6)连接到双极HVDC输电线(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DC侧和AC侧，所述DC侧一方面连接到处于高电位的所述输电线的两个极(104、105)中的相应极，另一方面连接到用于该极的中性母线(111、112)，该中性母线(111、112)为通过接地而处于零电位的由所述换流器共用的DC中性设备(10)的中性母线(111、112)，所述AC侧连接到所述AC系统，

所述DC中性设备具有连接到两个电极线(191、192)的部件，并且所述DC中性设备设置有第一DC断路器，使得能够在换流站的双极操作中将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(130)断开，从而改变为单极操作，

所述换流站还包括控制装置(200)，所述控制装置(200)被配置为通过控制所述第一DC断路器(131)以断开所述两个中性母线(111、112)之间的所述电流路径，来控制所述从双极操作到单极操作的改变，并且建立到所述电极线连接部件的电流路径以使来自所述一个极的电流转向所述电极线连接部件，

其特征在于，所述中性设备设置有用于所述电极线中的每个电极线的单独的所述连接部件(142、143)以及用于将每个中性母线(111、112)连接到所述两个电极线连接部件中的任选一个的装置。

2.根据权利要求1所述的换流站，其特征在于，所述连接装置包括：用于第一线(140、141)中的每个所述中性母线的至少一个隔离开关(160、161)和/或DC断路器，所述第一线与包括所述第一DC断路器的所述第一电流路径分离并且将该母线连接到与该母线相关联的所述电极线连接部件(142、143)中的一个；以及在比所述至少一个隔离开关和/或断路器更靠近相应的母线的位置将所述两个第一线进行互连的第二线(150)中的至少一个隔离开关(152、153)和DC断路器(151)。

3.根据权利要求2所述的换流站，其特征在于，所述互连第二线(150)设置有在每一侧与隔离开关(152、153)串联连接的DC断路器(151)。

4.根据权利要求2或3所述的换流站，其特征在于，所述连接装置包括：用于每个第一线(140、141)的串联连接的DC断路器(144、145)以及隔离开关(146-149)，每个所述第一线(140、141)用于将中性母线(111、112)连接到所述电极线连接部件(142、143)中的一个，且所述DC断路器(144、145)以及隔离开关(146-149)比所述互连第二线与该第一线的连接点更靠近所述中性母线。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的换流站，其特征在于，所述DC中性设备包括附加的第二DC断路器(132)，所述附加的第二DC断路器(132)与在所述两个中性母线之间的所述第一电流路径(130)中的所述第一DC断路器(131)串联连接，以用于换流站的双极操作。

6.根据权利要求5所述的换流站，其特征在于，所述第一电流路径(130)中的所述第一DC断路器(131)和第二DC断路器(132)之间的中间点通过第一隔离开关(180)连接到将HVDC输电线的所述两个极(104、105)互连的线(181)的中间点，所述第一隔离开关被配置为在换流站的双极操作中断开，将所述两个极进行互连的线在所述中间点的两侧设置有隔离开关(182、183)，所述控制装置被配置为在所述两个极中的一个极跳闸之后在换流站的单极操作中控制所述第一隔离开关(180)闭合并且控制连接到所述一个极的隔离开关闭合，以形成从另一个极来的电流的金属回路。

7.根据权利要求5所述的换流站，其特征在于包括接地开关(170)，所述接地开关(170)在所述第一DC断路器(131)和所述附加的第二DC断路器(132)之间的点处连接到两个中性母线(111、112)之间的所述第一电流路径(130)。

8.根据权利要求4所述的换流站，其特征在于，所述控制装置被配置为控制每个所述第一线和所述互连第二线中的所述DC断路器(144、145、151)和隔离开关(146-149、152、153)闭合，并且通过所述第一线(140、144)和所述互连第二线(150)在两个中性母线(111、112)之间建立第二电流路径，以便能够在换流站的双极操作中对所述第一电流路径(130)中的设备如DC断路器(131、132)进行维护。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的换流站，其特征在于，所述换流站被配置为将AC系统连接到双极HVDC输电线，所述双极HVDC输电线被配置为其每个极和地之间的电压超过200kV，优选超过500kV，更优选600kV-1500kV，最优选600kV-1000kV。