CN102714472B - 电力传输系统的变电站 - Google Patents
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Abstract
变电站具有转换器，转换器包括：设置在第一电位(V1)与第二电位(V2)之间的第一组串联连接的转换器阀元件(S1)，其中第二电位的绝对值高于第一电位的绝对值；以及设置在第二电位与第三电位(V3)之间的第二组转换器阀元件(S2)，第二组转换器阀元件(S2)包括至少一个转换器阀元件，其中第三电位的绝对值高于第二电位的绝对值，并且第二组中的所有转换器阀元件均放置在放置于延长柱状绝缘件(24)上的一个或多个壳体(28)内部，其中柱状绝缘件的其上放置壳体的一端的电位被置于第二电位与第三电位之间的范围之中，而柱状绝缘件的另一端处于地电位。
Description
技术领域
一般来说，本发明涉及电力传输系统。更具体来说，本发明涉及电力传输系统的变电站。
背景技术
在电力传输系统中，并且因而特别是在高压直流(HVDC)电力传输系统中，电力传输中使用的电压变得越来越高。当今，在许多情况下使用800 kV。但是，现在考虑甚至更高的电平，例如1000 kV或者甚至1200 kV。
这类高电平的使用引起各种类型的问题。Davidson和de 在“The Future of High Power Electronics in Transmission and Distribution Power Systems”(13th European Conference on Power Electronics and Applications，EPE 20009，2009年9月8-10日，第1-14页)中论述了一些这类问题。
一种特定类型的问题是绝缘。例如由、B Westman、V Lescale和G Asplund在“Power transmission with HVDC at voltages above 600 kV”(Inaugural IEEE PES 2005 Conference and Expositions in Africa，Durban，South Africa，2005年7月11-15日，第44-50页)中研究了这种情况。
在这类系统中，还已知的是提供转换器站的阀作为多个互连户外转换器阀元件。例如在EP 0754367和US5371651中描述了这类元件。
如上所述，在设计将以极高电压进行操作的系统时出现的一个问题是绝缘。可能需要采取特别措施以便确保绝缘件能够处理所需电压电平，这使设备更笨重，与广泛开发成本关联，并且将导致套管和一般绝缘件的更复杂设计。
因此，需要改进为电力传输系统设备提供能够以极高电压、例如在1000 kV或以上的电压使用的绝缘件的方式。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种变电站，其中提供了能够以极高电压使用的改进绝缘件。
按照本发明，这个目的通过具有用于在AC与DC或者DC与AC之间进行转换的转换器的电力传输系统的变电站来实现，其中转换器包括：
- 共同设置在相脚（phase leg）中、在第一电位与第二电位之间的第一组串联连接的转换器阀元件，其中第二电位的绝对值高于第一电位的绝对值，以及
- 设置在同一相脚中、在第二电位与第三电位之间的第二组转换器阀元件，其中第三电位的绝对值高于第二电位的绝对值。第二组还包括至少一个转换器阀元件，并且第二组中的所有转换器阀元件设置在放置于延长柱状绝缘件上的一个或多个壳体内部，其中柱状绝缘件的其上放置壳体的一端的电位处于第二电位与第三电位之间的范围之中，而柱状绝缘件的另一端具有地电位。
本发明具有许多优点。它允许具有适合于已知电位的现有设备用于新的更高电位。这降低开发成本。如果操作电位高，则绝缘件量和例如套管等这种设备的复杂度也能够降低。
附图说明
下面将参照附图来描述本发明，附图包括：
图1示意示出包括第一变电站和第二变电站的电力传输系统，其中第一变电站和第二变电站各包括至少一个变压器以及具有转换器阀元件的转换器，
图2示意示出本发明的第一实施例中第一组变压器以及第一组和第二组转换器阀元件，
图3示意示出本发明的第一实施例中如何放置和绝缘了图2的转换器阀元件，
图4示意示出本发明的第二实施例中的第一组变压器以及第一组和第二组转换器阀元件，以及
图5示意示出本发明的第二实施例中如何放置和绝缘了第一组变压器中的一个变压器以及第二组转换器阀元件中的一对转换器阀元件。
具体实施方式
下面将对于电力传输系统并且然后更具体地对于高压直流(HVDC)电力传输系统来描述按照本发明的变电站。但是，应当认识到，本发明并不局限于这种类型的系统，而是能够应用于采用转换器阀的任何类型的系统，例如还适用于诸如灵活交变电流传输系统(FACTS)之类的AC系统。
图1中，示意示出用于在两个交变电流(AC)电力传输系统之间进行连接的HVDC系统。为此，HVDC系统包括第一变电站10和第二变电站12，其中第一变电站10包括以一个变压器T1例解的第一组变压器以及用于在AC与DC之间进行转换的第一转换器14，其中该转换器可以是整流器。第一组变压器T1将第一转换器14连接到第一AC电力传输系统(未示出)。第一转换器14经由DC电力线18连接到第二变电站12的第二转换器16。第二转换器16也在AC与DC之间进行转换，并且可以是反相器。第二变电站12也包括以一个变压器T2例解的第二组变压器，该组将第二转换器16连接到第二AC电力传输系统(未示出)。变压器组可以仅包括一个变压器，但是也可包括多个变压器。在组中使用多个变压器的使得易于得到高DC电压。
图1中的HVDC系统是单极系统。下面将对于这种系统来描述本发明。但是，应当认识到，本发明也可设置在双极系统中。HVDC系统还能够更为复杂，并且包括多个更多电力线和变电站。
转换器14和16两者都可以是任何类型的转换器，例如线路换向电流源转换器(CSC)或强迫换向电压源转换器(VSC)。在本发明的此描述中，它们是CSC。但是，应当认识到，所使用的转换器类型对于本发明而言不重要，只要它是在AC与DC之间进行换流的、包括转换器阀元件的转换器即可。
现在将对于变电站之一、即这里的第一变电站来描述本发明。但是，应当认识到，本发明的原理也能够应用于其它变电站，例如第二变电站。
图2示出第一变电站10的一部分的电路图，其提供帮助理解本发明的第一实施例的基本信息。
图2中，存在第一组转换器阀元件S1和第二组转换器阀元件S2。这些转换器阀元件由半导体元件组成，在这里所示的实施例中由晶闸管组成，但是，应当认识到，作为备选方案，转换器阀元件有可能作为关断类型的开关、也许连同反向并联二极管一起来提供。这些开关例如能够是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成栅换向晶闸管(IGCT)或栅关断晶闸管(GTO)。转换器阀元件还可包括多于一个这种串联连接半导体元件。
图2中，在转换器中串联连接这些转换器阀元件，以用于形成连接在地与输出DC端子+VDC之间的相脚。图2中，仅示出一个这种相脚，以便提供对本发明的更清楚理解。应当认识到，通常存在相互并联的更多（例如两个）这种相脚。在所连接AC系统为三相系统 – 这是通常情况 - 的情况下，存在三个相脚。图2也公开第一组变压器，第一组变压器包括第一变压器T1A和第二变压器T1B。第一变压器T1A和第二变压器T1B均具有连接到第一AC电力传输系统的一次绕组以及连接到相脚的二次绕组。在AC系统为三相系统的情况下，因而存在三个一次绕组和三个二次绕组。
如先前所述，该系统也能够是双极系统，在这种情况下，转换器阀元件的数量可能加倍。
如先前所述，转换器阀元件相互串联连接。在这个例解附图中，还存在第一转换器阀元件CV1，第一转换器阀元件CV1在第一端连接到地，并且在第二相对端连接到第二转换器阀元件CV2的第一端。第二转换器阀元件CV2具有第二端，第二端连接到第三转换器阀元件CV3的第一端，其第二端连接到第四转换器阀元件CV4的第一端。第四转换器阀元件CV4的第二端连接输出DC端子+VDC。当第一变压器T1A连接到第一转换器阀元件CV1与第二转换器阀元件CV2之间的接头时，第二变压器T1B连接到第三转换器阀元件CV3与第四转换器阀元件CV4之间的接头。
在这个第一实施例中，第一转换器阀元件CV1与第二转换器阀元件CV2形成第一组转换器阀元件S1，而第三转换器阀元件CV3与第四转换器阀元件CV4形成第二组转换器阀元件S2。在这个实施例中，因此在第二组中存在两个转换器阀元件。但是，应当认识到，这个第二组中有可能具有更多或更少的转换器阀元件。第一组转换器阀元件在一端、即在第一转换器阀元件CV1的第一端设置在第一电位，而在另一相对端、即在第一组与第二组相连接的一端、即在转换器阀元件的第一组与第二组之间的接头处设置在另一个更高电位V2。第二组转换器阀元件S2与输出DC电压端子之间的接头在这里设置在甚至更高高的第三电位V3。
因而，串联连接的第一组转换器阀元件S1共同设置在相脚中，在第一电位V1与第二电位V2之间，而第二组转换器阀元件S2设置在同一相脚中，在第二电位与第三电位V3之间。在这里，第三电位的绝对值也高于第二电位的绝对值，第二电位的绝对值又高于第一电位的绝对值。
在图2中能够看到，在这个第一实施例中，第一组中的第一变压器T1A的二次绕组连接到该相脚的第一转换器阀CV1与第二转换器阀CV2之间的接头，而第一组中的第二变压器T1B连接到第三转换器阀元件CV3与第四转换器阀元件CV4之间的接头。在三相AC电力传输系统的情况下，每个二次绕组按照这种方式连接到对应相脚。
在本发明的这个第一实施例中，V1为0，V2为750 kV，而V3为1000 kV。
在如第三电位所设置于的这种高电压下，当今不存在适合这些高电位电平的套管或绝缘装置。但是，存在模块化转换器阀元件。本发明针对使用这类模块化转换器阀元件连同标准变电站设备，以便避免必须设计适合于这些新的更高电压电平的新绝缘实体。例如在EP 0754367中描述了这种转换器阀元件，通过引用将其结合到本文中。
图3示意示出按照本发明的第一实施例如何实现这个方面。
图3中，第一组转换器阀S1设置在阀厅20、即建筑物中，其壁包括屏蔽材料。在这个实施例中，这个厅的屏蔽连接到地。第一组转换器阀元件由此放置于设置在第一电位V1的共同外壳、即阀厅20中。在该厅的壁中，还存在套管22，导体通过套管22通向第二组转换器阀元件S2。该第二组转换器阀元件设置在一个或多个转换器阀元件壳体28中，并且这里设置在一个壳体中。第二组中的这些元件通常按照EP 0754367中所述的原理来设置，通过引用将其结合到本文中。在这里，壳体28还放置在搁置于多个延长柱状支承绝缘体或绝缘柱24上的表面26上，这些柱可以具有陶瓷或者任何其它适当绝缘材料。柱24立于地面上，并且因而它们设置在第一电位V1。但是，壳体28设置在处于第一电位与第三电位之间的范围之中的电位。在这个实施例中，壳体设置在第二电位V2。这可通过将连接到壳体28的输入端的盒的来进行。来自盒的输出端最终设置在电位V3，输出端要连接到DC电力线(未示出)。这样，第二组转换器阀元件S2因而设置在地面之上并且由处于第二电位V2的屏蔽盒28来屏蔽，而阀厅20中的第一组转换器阀元件S1由处于第一电位V1的屏蔽件来屏蔽。阀厅20中第一组中的转换器阀元件以第二电位来输送电力，第二电位在这个实施例中是750 kV。
因此，第二组中的所有转换器阀元件均放置在放置于延长柱状绝缘件24上的一个或多个壳体28内部，其中，柱状绝缘件的其上放置壳体的一端的电位处于第二电位与第三电位之间的范围之中，而柱状绝缘件的另一端处于地电位。
已经存在离开阀厅的套管，这些套管的尺寸确定为耐受第一电位与第二电位之间的电位以及甚至更高的电位、例如在800 kV。因此，离开阀厅的套管22的尺寸确定为耐受第二电位与第一电位之间的差V2 - V1。这意味着，存在设计成处理第二电位V2的套管。通过添加设置在一个或多个屏蔽户外盒中的第二组转换器阀元件，利用设置在第二电位的屏蔽装置（shielding），有可能以更高的第三电压电平V3来供应电力，而无需开发尺寸确定为耐受第三电位与第一电位之间的差V3 - V1的新套管和导体绝缘件，而是有可能使用设计成耐受小许多的电位（即作为第三电位与第二电位之间的差V3 – V2的电位）的绝缘件。因此，屏蔽盒可配备有用于连接到DC电力线的连接端子，该连接端子经过设计成耐受如下电压的套管：该电压具有的电位是第三电位与第二电位之间的差。上述屏蔽转换器阀盒正好具有这些性质。
这意味着，对于上述电平，对于阀厅中的第一组转换器阀元件的绝缘件设计用于750 kV，而对于屏蔽盒中的第二组转换器阀元件的绝缘件仅需要设计用于250 kV。不需要开发用于在V3 – V1的更高电位所需的各种连接的新绝缘件，V3 – V1在本例中为1000 kV。
在这里能够提到，有可能将更多屏蔽盒用于第二组转换器阀元件，其中也有可能的是，其中每个这种盒的输入端连接到它自己的屏蔽装置。也有可能的是，只有第一盒或少数这类盒具有这种连接。此外，有可能的是，阀厅没有被屏蔽或者以除了地之外的另一个电位、例如(V2-V1)/2来屏蔽。
现在将对于图4来描述本发明的第二实施例，图4示意示出将转换器阀元件与第一组变压器互连的备选方式。图4中，转换器阀元件还示为盒而不是组件。
在该实施例中，变电站10＇包括相互串联连接并且连接在第一电位与第三电位V3与V1之间的第一组转换器阀元件和第二组转换器阀元件S1＇和S2＇。在这个实施例中，第一组S1由第一、第二、第三和第四转换器阀元件CV1、CV1、CV3和CV4组成，而第二组S2由第五、第六、第七和第八转换器阀元件CV5、CV6、CV7和CV8组成，其中第一转换器阀元件CV1连接到第一电位V1，而第八转换器阀元件CV8连接到第三电位V3。第一组变压器在这里包括四个变压器，其中这个组中的第一变压器T1A连接到第一转换器阀元件CV1与第二转换器阀元件CV2之间的接头，该组中的第二变压器T1B连接到第三转换器阀元件CV3与第四转换器阀元件CV4之间的接头，该组中的第三变压器T1C连接到第五转换器阀元件CV5与第六转换器阀元件CV6之间的接头，以及该组中的第四变压器T1D连接到第七转换器阀元件CV7与第八转换器阀元件CV8之间的接头。所有这些变压器均连接到第一AC电力传输系统，并且设置成工作在可以是500 kV电平的AC电压电平VAC。因此，在第二组转换器阀元件中的转换器阀元件之间连接有至少一个变压器，并且在这个第二实施例中连接有两个变压器。在三相AC系统的情况下，该组中的第四变压器T1D可具有到相脚的Y形连接，而该组中的第三变压器T1C可具有到相脚的三角形连接。
正如第一实施例中那样，第一转换器阀元件CV1的第一端设置在第一电位V1，第一组转换器阀与第二组转换器阀之间的接头设置在第二电位V2，而输出DC端子具有第三电位V3。但是，在这个第二实施例中，第一组转换器阀元件与第二组转换器阀元件之间的接头设置在第四转换器阀元件CV4与第五转换器阀元件CV5之间的接头处，这是与第一实施例中相比要低的相对位置。这意味着，这个第二实施例中，第二电位为第三电位的一半并且是比第一实施例中第二电位要高的电位。在这个第二实施例中，第六转换器阀元件CV6与第七转换器阀元件CV7之间的电位还设置在等于第二电压和第三电压之和除以2、即(V2+V3)/2的电位。
在这个第二实施例中，第一组转换器阀元件可如同本发明的第一实施例中那样设置在阀厅内部。这个阀厅可配备有连接到例如第一电位等电位的屏蔽件。它也可连接到另一个电位，例如(V2+V1)/2的电位或者没有屏蔽装置。它们也可单独地或联合地设置为屏蔽户外盒中的转换器阀元件，如EP 0754367中所述。在这个第二实施例中，第二组中的转换器阀元件、即第四、第五、第六、第七和第八转换器阀元件CV5、CV6、CV7和CV8设置在屏蔽盒中，其中这些盒按照EP 0754367设置在某个电位。但是，连接到这些转换器阀的变压器也设置在某个电位。
将对于图5更详细地描述这如何进行。
图5中，示出放置在搁置于绝缘材料的柱30上的表面上的一个变压器、即第四变压器T1D。因此，该变压器放置在延长柱状绝缘件上，其中，该绝缘件的放置变压器的一端的电位处于第二电位与第二电位和第三电位间的中点之间的范围之中。因此，这个表面设置在高电位，并且因而变压器TD1的壳体也设置在高电位，该高电位例如是第二电位V2。第七换器阀元件CV7和第八转换器阀元件CV8放置在共同屏蔽盒中，共同屏蔽盒按照与第一实施例中相同的方式放置在搁置于绝缘柱24上的表面上。这个电位可以是第二电位V2。但是，在这个实施例中，这个盒的屏蔽件没有如同第一实施例中那样设置在第二电位V2，而是设置在等于第二电压和第三电压之和除以2的电位。因此，该电位为(V2+V3)/2。因此，它被置于处于第二电位与第三电位之间的中点的电位。
按照相同方式，第三变压器以及第二组中的第五和第六转换器阀元件也能够设置在处于与上文所述相同的电位(V2+V3)/2或V2的屏蔽盒中。
在上文给出的示例中，第一电位V1为0，以及第三电位V3为1000 kV。但是，第二电位为500 kV。这意味着，转换器阀元件盒将保持在电位750 kV。
为了将变压器放置在柱状绝缘体上，有可能设置斜坡轨道32（rails 32 from a ramp），在这些轨道上，能够将变压器移动到绝缘体上。一旦到位，就可移开这些轨道。
这个实施例的优点也在于，能够使用尺寸确定为用于比DC电力线的电压要低的电压的绝缘件和套管。每个户外盒的绝缘件最多仅需要设计用于耐受电位V3 – V2。通过具有相同电位(V3+V2)/2的两个转换器阀盒，绝缘件能够进一步简化以用于耐受(V3-V2)/2。这也意味着，两个盒能够没有风险地放置成彼此更靠近。此外，有可能将第二组中的所有转换器阀元件包含在同一盒中。
本发明能够按照多种方式来改变。例如应当认识到，可使用除了以上所述之外的其它电压和电位电平。
也应当认识到，本发明能够按照相同原理用于双极系统。这意味着，可存在与第一组对应的第三组转换器阀元件以及与第二组对应的第四组转换器阀元件，其中第三组设置在第一电位与第四电位之间，而第四组设置在第四电位与第五电位之间。在这种情况下，第四电位对应于第二电位，以及第五电位对应于第三电位。因而，第四电位的绝对值高于第一电位的绝对值，并且第五电位的绝对值高于第四电位的绝对值。也应当认识到，第二实施例中将第二组转换器阀元件封入屏幕盒的方式能够应用于第一实施例中的第二组转换器阀元件。
从前面的论述显而易见，本发明能够按照许多方式来改变。因此，将会认识到，本发明仅受到以下权利要求书限制。
Claims (7)
1.电力传输系统的一种变电站(10；10＇)，所述变电站(10；10＇)具有用于在AC与DC之间进行转换的转换器(14)，其特征在于，所述转换器包括：
- 共同设置在相脚中、在第一电位(V1)与第二电位(V2)之间的第一组(S1；S1＇)串联连接的转换器阀元件(CV1，CV2；CV1，CV2，CV3，CV4)，其中所述第二电位的绝对值高于所述第一电位的绝对值，以及
- 设置在同一相脚中、在所述第二电位与第三电位(V3)之间的第二组(S2；S2＇)转换器阀元件，其中，所述第三电位的绝对值高于所述第二电位的绝对值，所述第二组包括至少一个转换器阀元件(CV3，CV4；CV5，CV6，CV7，CV8)，其中，
- 所述第一组(S1)转换器阀元件中的所述转换器阀元件放置于设置在所述第一电位(V1)的、以阀厅（20）形式的共同外壳(20)中，
- 所述第一组(S1)中的转换器阀元件经由设计用于耐受其电位处于所述第二电位的电压的套管(22)连接到所述第二组(S2)中的所述转换器阀元件，
- 所述第二组中的所有转换器阀元件均设置在放置于延长柱状绝缘件(24)上的一个或多个壳体(28)内部，其中，所述柱状绝缘件的其上放置所述壳体的端的电位处于所述第二电位与所述第三电位之间的范围之中，而所述柱状绝缘件的另一端具有地电位，
以及
- 所述第二组中的至少一个转换器阀元件的所述壳体连接到所述第二电位(V2)，
其中所述第一电位(V1)是地电位。
2.如权利要求1所述的变电站，
其中，所述第二组中连接到所述第三电位的所述转换器阀元件配备有通过套管所设置的连接端子，所述套管设计成耐受具有如下电位的电压，所述电位是所述第三电位与所述第二电位的绝对值之间的差。
3.如以上权利要求中的任一项所述的变电站，其中，所述第二组(S2＇)转换器阀元件包括至少两个转换器阀元件(CV5，CV6，CV7，CV8)，并且所述第二组转换器阀元件的每个壳体都具有处于所述第二电位与第三电位之间的中点的电位。
4.如权利要求1或2所述的变电站，还包括变压器组(T1A，T1B，T1C，T1D)，其中所述变压器组中存在连接在所述第二组转换器阀元件中转换器阀元件之间的至少一个变压器(T1C，T1D)。
5.如权利要求4所述的变电站，其中，连接到所述第二组转换器阀元件的所述变压器各放置在延长柱状绝缘件(30)上，其中，所述绝缘件的放置所述变压器的所述端的电位处于所述第二电位与所述第二电位和第三电位之间的中点之间的范围之中。
6.如权利要求5所述的变电站，其中，所述变压器被置于所述第二电位。
7.如权利要求5所述的变电站，其中，所述变压器被置于处于所述第二与第三电位之间的中点的电位。
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