CN101341642B - 高压直流系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压直流网络，包括：包含第一变换器(1)的第一站(26)；包含第二变换器(2)的第二站(27)；两个变换器每一个都包含不可熄灭的半导体元件；第一传输导体(3)；以及第二传输导体(4)，其中第一站包括第一开关设备(8，10)。
Description
技术领域
本发明涉及高压直流(HVDC，high voltage direct current)输电。尤其是，本发明涉及连接第一AC网络和第二AC网络的HVDC输电网络。输电网络在每一端包括站，站包含用于将DC电流变换为AC电流以及将AC电流变换为DC电流的变换器装置。
背景技术
从现有技术中已知使用HVDC网络在长距离上传输电力。HVDC网络包括整流器站、线缆或者架空线形式的传输线、进行逆变的站、以及用来消除在逆变过程中产生的谐波的一个或多个滤波器。在也称作典型HVDC的常见HVDC网络的实施例中，使用例如晶闸管的不可熄灭的半导体元件来进行整流和逆变二者。晶闸管能够被触发，但是不能被熄灭。在电压的过零点附近进行换流，该过零点由ac电压和逆变器来确定。因此，这些变换器被称为是电网换流的(line-commutated)，也称作电流源型变换器(CSC，current source converter)。这种技术涉及消耗无功功率的逆变，并且产生谐波送出到网络上。下面，将用作整流器或者逆变器的变换器统称为变换器。
从现有技术中已知使用架空线布置HVDC输电网络。这种未绝缘的架空线用来实现互连可能相隔非常长的距离，例如1000km或者更长距离的站的直流电压网络。然而，这种架空线对地区和环境有非常大的干扰影响。替代方案是使用线缆。合适的线缆包括内导体，内导体被用油浸透的纸形成的厚绝缘层包围。然而，这些线缆非常昂贵，从而不是现实的架空线的替代物。用具有导体和包围导体的基于聚合物的绝缘层的线缆进行了试验。这些试验揭示了由于在绝缘层中产生了空腔，因此使用这种类型的线缆用于HVDC输电存在很大的问题。空腔使线缆中的电场发生畸变，这导致局部放电，也称为空间电荷。这些局部放电产生侵蚀聚合材料的气体。一段时间之后，绝缘层破损，线缆失去其绝缘性能。当有效功率的传输方向变化时，导体经历的极性的变化产生空间电荷。因此，已知在陆地上布置架空线来传输HVDC，而在海洋中布置具有特制的油浸绝缘薄片的线缆在被水隔离的陆地区域之间进行电力传输。
根据US 5,910,888(Wiemers)，已知用于传输电力的电厂(plant)。该电厂的目的是避免与HVDC结合的线缆破损的问题。因此，设置包括电压源型变换器(VSC，voltage source converter)的用于传输HVDC的电厂。已知当有效功率的传输方向改变时，这些变换器不改变DC线的极性。
在HVDC技术产业中仍然存在能够使用线缆进行更符合成本效益的典型HVDC的需要。
发明内容
本发明旨在提供一种改进的HVDC网络，其包括用第一和第二传输导体彼此连接的两个变换器站，其中至少第一传输导体包括线缆。
根据本发明，该目的通过具有以下特征的HDVC电厂达到：一种HVDC网络，包括：包含第一变换器的第一站；包含第二变换器的第二站；两个变换器每一个都包含不可熄灭的半导体元件；第一传输导体；以及第二传输导体；其中，第一站包括第一开关设备，第二变换器包括第二开关设备，用于在第一和第二传输导体之间使电流流动交替。或者，该目的通过以下方法达到：一种在高压直流网络的第一变换器和第二变换器之间传输有效功率流的方法，每一个变换器包含不可熄灭的半导体元件，第一和第二变换器通过第一传输导体和第二传输导体彼此连接，第一变换器包含第一DC连接和第二DC连接，第二变换器包含第三DC连接和第四DC连接，其中，在包含第一方向的有效功率流的第一操作模式下形成第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括第一变换器的第一DC连接、第一传输导体和第二变换器的第三DC连接，第二电流路径包括第一变换器的第二DC连接、第二传输导体和第二变换器的第四DC连接；以及在包含第二方向的有效功率流的第二模式的操作中形成第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括第一变换器的第一DC连接、第二传输导体和第二变换器的第三DC连接，第二电流路径包括第一变换器的第二DC连接、第一传输导体和第二变换器的第四DC连接。
根据本发明，每一个变换器站包括开关设备，其能够引导第一和第二传输导体的电流，使得每一个传输导体的电势相同而与有效传输方向无关。使用使每一个传输导体的电势不变化的该开关设备，第一传输导体可以包括具有聚合物绝缘的线缆。此外，对称HVDC网络中的第二传输导体可以包括聚合物绝缘的线缆。根据本发明的开关设备使得可以组合典型的HVDC网络和具有聚合物绝缘的线缆。
在本发明的实施例中，HVDC系统包括具有变换器的对称单极HVDC系统，在每一个变换器站中变换器包括一个12脉冲变换器。仅在一端布置变换器的中性地。变换器与具有聚合物绝缘的两个相同的高压线缆连接。这种结构提供了具有高传输电压、低电流、从而利用柔性线缆并且具有低传输损耗的方案，并且消除了通过陆地或者海洋的回路DC电流。
在本发明的实施例中，在每一个站处开关设备包括两个开关。这些开关协作工作。第一站的变换器包括与第一开关的第一DC连接以及与第二开关的第二DC连接。在表示第一方向上的有效功率传输的第一模式的操作中，第一开关使第一DC连接和第一传输导体接触。在该操作中，第二开关使第二DC连接和第二传输导体接触。第二站包括等同的开关设备。因此，第一和第二站之间的第一电流路径包括第一站变换器的第一DC连接、第一传输导体以及第二站变换器的第三DC连接。因此，第二电流路径由第一站变换器的第二DC连接、第二传输导体以及第二站变换器的第四DC连接形成。
在表示与第一方向相反的第二方向上的有效功率传输的第二模式的操作中，第一开关使第一DC连接和第二传输导体接触。在该操作中，第二开关使第二DC连接和第一传输导体接触。第二站包括等同的开关设备。因此，在该操作中，第一和第二站之间的第一电流路径包括第一站变换器的第一DC连接、第二传输导体以及第二站变换器的第三DC连接。因此，第二电流路径由第一站变换器的第二DC连接、第一传输导体以及第二站变换器的第四DC连接形成。当有效功率传输的方向改变并且电压为零时，进行开关操作。
开关设备使第一和第二传输导体的电势从不改变方向。因此，在根据本发明的实施例中，不存在空间电荷的产生。这使得可以使用利用包括聚合材料的绝缘的线缆。具有被基于聚合物的绝缘层包围的导体的这种类型的线缆可以以比前面提到的具有被基于用油浸透的纸的绝缘层包围的导体的线缆低得多的成本来生产。这意味着这种线缆成为架空线的替代物，并且从成本的观点来看具有吸引力。现在，可以消除这种架空线引起的所有不便，而对于成本没有任何实际的负面后果。
本发明基于可以使用先前被认为不适于该目的的线缆的理解。
根据本发明的实施例，线缆包括挤压(extruded)线缆。这种线缆可以以非常有利于使用的成本和质量来生产。在一个实施例中，线缆的绝缘包括包围导体的半导体材料的第一层、包括聚合绝缘材料的第二层以及包括包围绝缘材料的半导体材料的第三层。第一和第三层的目的是平滑线缆中的电场。根据本发明，第一和第二层之间以及第二和第三层之间的粘附必须是充分的，以便不会由于热或者机械力而脱离从而在层之间形成空腔。
在本发明的第一方面中，该目的通过HVDC网络来实现，该HVDC网络包括：第一和第二站，每一个站包括变换器；以及第一和第二传输导体，其中第一和第二站包括开关设备，用于在第一和第二传输导体之间使电流流动交替。
在本发明的第二方面中，该目的通过用于在HVDC网络的第一变换器和第二变换器之间传输有效功率流的方法来实现，第一和第二变换器通过第一传输导体和第二传输导体彼此连接，第一变换器包含第一DC连接和第二DC连接，第二变换器包含第三DC连接和第四DC连接，其中该方法包括：在包含第一方向的有效功率流的第一模式的操作中形成第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括第一传输导体以及第一变换器的第一DC连接和第二变换器的第三DC连接，第二电流路径包括第二传输导体(4)以及第一变换器的第二DC连接和第二变换器的第四DC连接；以及在包含第二方向的有效功率流的第二模式的操作中形成第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括第二传输导体(4)以及第一变换器的第一DC连接和第二变换器的第三DC连接，第二电流路径包括第一传输导体(3)以及第一变换器的第二DC连接和第二变换器的第四DC连接。
在本发明的第三方面中，该目的通过计算机程序产品来实现，该计算机程序产品包含用于处理器的指令，以评价本发明的HVDC网络的电力传输方法。该计算机程序可存储在计算机可使用的介质上。该计算机程序产品的至少一部分还可以通过网络，例如因特网来提供。
附图说明
从以下结合附图的详细说明，本发明的其它特征和优点对于本领域技术人员将变得更明显，在附图中：
图1是根据本发明的HVDC网络的原理电路图；以及
图2是具有包括多个断路器的开关设备的HVDC网络的实施例。
具体实施方式
图1中是根据本发明的HVDC网络。HVDC网络包括由第一传输导体3和第二导体4彼此连接的第一变换器1和第二变换器2。第一变换器连接到第一AC网络5，第二变换器连接到第二AC网络6。第一变换器包括具有第一开关8的第一DC连接7和具有第二开关10的第二DC连接9。第一和第二开关与第一链接11并行地工作。第一开关包括与第一传输导体3相连接的第一接触部分以及经由中间链接12连接到第二传输导体4的第二接触部分。第二开关包括与第二传输导体相连接的第一接触部分以及经由中间链接13连接到第一传输导体3的第二接触部分。
第二变换器2包括具有第三开关15的第三DC连接14以及具有第四开关17的第四DC连接16。第三和第四开关与第二链接18并行地工作。第三开关包括与第一传输导体3相连接的第一接触部分以及经由中间链接20连接到第二传输导体4的第二接触部分。第四开关包括与第二传输导体相连接的第一接触部分以及经由中间链接19连接到第一传输导体3的第二接触部分。
在如图1所示的表示第一方向上的有效功率传输的第一模式的操作中，第一变换器1的第一开关8连接第一DC连接7和第一传输导体3，第二开关10连接第二DC连接9和第二传输导体4。第二变换器2的第三开关15连接第三DC连接14和第一传输导体3，第四开关17连接第四DC连接16和第二传输导体4。
在表示与第一方向相反的第二方向上的有效功率传输的第二模式的操作中，第一变换器的第一和第二开关以及第二变换器的第三和第四开关位于其第二位置。因此，在该模式的操作中，第一变换器的第一DC连接和第二变换器的第三DC连接连接到第二传输导体。同时，第一变换器的第二DC连接和第二变换器的第四DC连接连接到第一传输导体。
根据图1所示的实施例，HVDC网络包括用于控制开关的控制单元21。控制单元包括用于感测有效功率传输方向的方向的第一感测装置22和第二感测装置23。控制单元还包括用于控制第一变换器的第一和第二开关的第一致动器装置24以及用于控制第二变换器的第三和第四开关的第二致动器装置25。
在图2所示的实施例中，HVDC网络包括由第一线缆28和第二线缆29彼此连接的第一站26和第二站27。在该实施例中，线缆包括具有包含聚合材料的绝缘层的高压线缆。第一站包括在第一网点31连接到第一AC网络的第一变压器30。此外，第一站包括包含第一和第二晶闸管阀的第一变换器1，其具有包括电抗器32的第一DC连接以及具有电抗器32的第二DC连接。第一站还包括在该实施例中包括电抗器32的中点接地连接33。
第二站包括在第二网点36连接到第二AC网络的第二变压器35。此外，第二站包括包含第一和第二晶闸管阀的第二变换器2，其具有包括电抗器L的第三DC连接以及具有电抗器L的第四DC连接。第二站不包括中点接地连接。
图2所示的HVDC的实施例还包括包含第一和第二断路器的开关设备。因此，具有与图1所示的实施例相同的功能，在图2的实施例中，第一变换器1的第一开关8和第二变换器2的第三开关15分别包括第一断路器A和第二断路器B。同样，第一变换器1的第二开关10和第二变换器2的第四开关17分别包括第一断路器A和第二断路器B。因此，当开关位于其第一位置时，这通过闭合第一断路器A并且断开第二断路器B来实现。相应地，当开关位于其第二位置时，这通过断开第一断路器A并且闭合第二断路器B来实现。
在第一模式的操作中，所有第一断路器A断开，所有第二断路器B闭合。在第二模式的操作中，所有第一断路器A闭合，所有第二断路器B断开。
通过使用该开关设备，可以在第一和第二线缆之间使电流流动交替，使得每一个线缆的电势不改变。这使得可以使用具有包括聚合物的绝缘的线缆。
虽然优选地本发明的范围不局限于所呈现的实施例，但是显然还包含对于本领域技术人员明显的实施例。例如，典型HVDC网络的任何实施例，例如具有陆地(earth)电极的单线HVDC传输以及双极HVDC传输，均包含在本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种高压直流网络，包括：包含第一变换器(1)的第一站(26)；包含第二变换器(2)的第二站(27)；两个变换器每一个都包含不可熄灭的半导体元件；第一传输导体(3)；以及第二传输导体(4)，其特征在于，第一站包括第一开关设备(8，10)，第二变换器包括第二开关设备(15，17)，用于在第一和第二传输导体之间使电流流动交替。
2.根据权利要求1所述的高压直流网络，其中第一开关设备包括第一开关(8)和第二开关(10)，第二开关设备包括第三开关(15)和第四开关(17)。
3.根据权利要求2所述的高压直流网络，其中每一个开关包括第一断路器(A)和第二断路器(B)。
4.根据权利要求1或者2所述的高压直流网络，其中第一传输导体包括具有聚合物绝缘的线缆(28)。
5.根据权利要求1或者2所述的高压直流网络，其中第二传输导体包括具有聚合物绝缘的线缆(29)。
6.根据权利要求1或者2所述的高压直流网络，其中第一站包括用于控制第一和第二开关设备的控制单元(21)。
7.根据权利要求6所述的高压直流网络，其中控制单元包括用于感测功率流方向的第一和第二感测装置(22，23)。
8.一种在高压直流网络的第一变换器(1)和第二变换器(2)之间传输有效功率流的方法，每一个变换器包含不可熄灭的半导体元件，第一和第二变换器通过第一传输导体(3)和第二传输导体(4)彼此连接，第一变换器包含第一DC连接(7)和第二DC连接(9)，第二变换器包含第三DC连接(14)和第四DC连接(16)，其特征在于，在包含第一方向的有效功率流的第一操作模式下形成第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括第一变换器的第一DC连接(7)、第一传输导体(3)和第二变换器的第三DC连接(14)，第二电流路径包括第一变换器的第二DC连接(9)、第二传输导体(4)和第二变换器的第四DC连接(16)；以及在包含第二方向的有效功率流的第二模式的操作中形成第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括第一变换器的第一DC连接(7)、第二传输导体(4)和第二变换器的第三DC连接(14)，第二电流路径包括第一变换器的第二DC连接(9)、第一传输导体(3)和第二变换器的第四DC连接(16)。
9.根据权利要求8所述的方法，其中形成第一和第二电流路径包括操作第一和第二开关设备。
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