CN102934310B - 使用接地开关的ac和dc系统之间的接口装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在AC系统(S1)和DC系统(S2)之间进行连接的接口装置(20)，并且涉及一种用于将DC系统从AC系统断开连接的方法。该装置包括用于在AC和DC之间换流的换流器(22)，其具有用于连接至DC系统的DC侧以及用于耦合至AC系统的AC侧，一组断路器(BR1，BR2，BR3)耦合在换流器的AC侧与AC系统之间以及包括连接在换流器的AC侧与接地端之间的一组分支的断路器辅助单元(28)，其中每个分支包括与阻抗元件串联的开关。

Description

使用接地开关的AC和DC系统之间的接口装置

技术领域

本发明总体上涉及输电系统。更具体地，本发明涉及一种用于在AC系统和DC系统之间进行连接的接口装置以及一种将DC系统从AC系统断开连接的方法。

背景技术

接口装置已知为在经常表示为AC电网的交流(AC)系统和像高压直流(HVDC)系统的直流(DC)系统之间进行连接。这样的装置通常包括用来在AC和DC之间进行换流的换流器诸如电压源换流器，而且其具有连接至DC系统的DC侧以及用于耦合至AC系统的AC侧。

出于安全原因，接口装置经常经由断路器连接在这两个系统之间。这种类型的连接例如在US2008/0084643中有所示出。

如果在这样的DC系统或接口装置中发生故障，则需要将DC系统从AC系统断开。通常是通过断开断路器来实现的。当故障发生时通常不能立刻执行这种断开，原因在于电流必须在过零点进行交变。

这些故障还施加了许多应力在换流器使用的电子组件上，例如过电压和故障电流的应力。因此，需要对故障所导致的施加于换流器组件上的这种应力进行限制。

发明内容

本发明解决了这种情况。本发明因此针对限制故障出现时施加于换流器上的应力。

根据本发明的一个方面该目的通过一种用于在AC系统和DC系统之间进行连接的接口装置而实现，并且其包括：

用来在AC和DC之间换流的换流器，该换流器具有用于连接至DC系统的DC侧以及用于耦合至AC系统的AC侧，

耦合在换流器的AC侧和AC系统之间的一组断路器，以及

断路器辅助单元，其包括连接在换流器AC侧和接地端之间的一组分支，其中每个分支包括与阻抗元件串联的开关。

该目的还通过一种将DC系统从AC系统断开连接的方法实现，其中该DC系统经由用于AC和DC之间换流的换流器以及一组断路器耦合至AC系统，并且经由包括一组分支的断路器辅助单元耦合至接地端，其中每个分支包括与阻抗元件串联的开关，其中在正常操作中断路器闭合且开关断开，该方法包括步骤：

获得故障指示，

基于该指示闭合分支的开关以便确保流经断路器的电流具有过零点，以及

在这样的过零点处断开断路器。

使用“耦合”这种表达意指覆盖两个元件之间的间接电气连接的可能性。因此在定义为相互耦合的两个元件之间可以放置一个或多个元件。另一方面，“连接”这种表达意指表示两个实体相互之间的直接电气连接在它们之间没有任何实体。

本发明具有多种优点。断路器辅助单元的开关在故障发生时快速闭合，并因此该换流器防止诸如过电压应力和故障电流应力之类的应力而得到保护。该闭合还确保了故障电流过零点的存在以确保断路器更为安全地断开。

附图说明

以下将参考附图对本发明进行描述，其中：

图1示意性示出了经由根据本发明的接口装置耦合至AC系统的DC系统，

图2A示意性示出了接口装置中所具有的滤波器的结构，

图2B示意性示出了接口装置中所具有的断路器辅助单元的结构，

图3示意性示出了能够在接口装置中使用的第一类型的换流器，

图4示意性示出了能够在接口装置中使用的第二类型的换流器，

图5示意性示出了能够在接口装置中使用的第三类型的换流器的第一种变化形式，

图6示意性示出了能够在接口装置中使用的第三类型的换流器的第二种变化形式，

图7示意性示出了能够在接口装置中使用的第三类型的换流器的第三种变化形式，以及

图8示出了由接口装置中的控制单元所执行的将DC系统从AC系统断开连接的方法中的多个方法步骤。

具体实施方式

在下文中，将对本发明的实施例进行描述。

本发明针对于提出一种用于将直流(DC)系统与交流(AC)系统进行对接的装置，上述系统都可以是输电系统。DC系统可以是例如高压直流(HVDC)输电系统，而AC系统可以是柔性交流输电系统(FACTS)。然而，这些系统仅是这样的系统的示例而并不应当被理解为要求。本发明还可以在例如电力分配系统中得到应用。

图1示意性示出了根据本发明第一实施例的用于在AC系统S1和DC系统S2之间进行连接的接口装置20。AC系统S1在该实施例中是三相AC系统，并且包括DC系统S2与之连接的三个导体10、12和14。DC系统S2又包括经由该装置20与AC系统导体10、12和14耦合的两个极点16和18。在该实施例中有两个极点16和18并且因此DC系统是双极系统。但是应当意识到的是，本发明还可以应用于单极系统中。还应当意识到的是，DC和AC系统都可以包括比所示出的极点和导体更多的元件。然而，这对于理解本发明并不是核心的并且因此已经被省略。

为了使得DC系统S2能够耦合至AC系统S1，装置20包括用于在AC和DC之间进行换流的换流器22。换流器22可以用作整流器和/或逆变器。换流器20通常是电压源换流器并且可以为多种类型，其中的一些类型将在随后进行描述。

换流器22因此具有用于连接至DC系统S2并且更具体地是连接至DC系统至少一个极点的DC侧，以及用于耦合至AC系统的AC侧。

在本发明的该第一实施例中，装置20还包括具有初级侧和次级侧的互感器24，该初级侧具有用于耦合至AC系统S1的第一组初级绕组，次级侧具有耦合至换流器的AC侧的第二组次级绕组。在该第一实施例中，次级绕组更具体地连接至将互感器24与换流器22进行互连的多个并联的中间电气连接30、32和34。这些中间连接有时用AC滤波器母线表示。该中间连接可以设置为并联导体，其在数量上可以至少为两个并且在该情况下为三个。中间连接因此连接至换流器并且将该换流器引向AC系统。多个单元连接到这些并联中间连接。这里有避雷器单元38、滤波器单元36和断路器辅助单元28，这些单元全部连接在并联中间连接30、32和34与接地端之间。这里的滤波器单元36包括串联的电感和电容，其选来以提供对出现在中间连接上的电压的高频分量进行滤波，例如高于AC系统的频率的十倍或更高的频率，而避雷器单元38包括三个并联避雷器，每个连接在相对应的中间连接和接地端之间。应当意识到的是，避雷器单元和滤波器单元并非是本发明的核心并且因此可以被省略。

在本示例中，AC系统S1的导体10、12和14以及中间连接为三个并且被提供用于传输三相AC电压。出于该原因，互感器24的初级侧包括三个绕组，其在该第一实施例中以三角形配置进行连接。但是应当认识到的是，也可以应用Y形配置。这里的初级侧缺少中性点接地。该初级侧还具有到AC系统的三个并联连接，对每个相位设置一个。这些连接中的每一个具有相对应的断路器BR1、BR2和BR3。装置20因此包括一组断路器，根据第一实施例的该组包括三个断路器BR1、BR2和BR3。如能够在图1中看到的，该组的断路器BR1、BR2和BR3耦合在换流器的AC侧与AC系统S1之间。

互感器24的次级侧具有Y形配置，其中该连接的中心或中性点经由滤波器26耦合至接地端。该滤波器26在这里用于过滤掉出现在换流器的AC侧上并且这里还出现在中间连接上的AC电压的基本频率的三倍的频率分量。该基本频率在这种情况下与AC系统S1中所使用的频率相同。然而应当认识到的是，该基本频率可以不同以及频率转换单元可以包括在接口装置中。

最后，具有控制断路器辅助单元28和断路器BR1、BR2和BR3的第一控制单元40。该控制用图1中的虚线箭头指示。

图2A示出了滤波器26的一种配置，图2B是断路器辅助单元28的一种配置。这里的滤波器26包括与第一电容器C1并联的第一电感器L1。选择这些元件的值用于对中间连接30、32和34上的电压的基本频率即在换流器的AC侧提供的基本频率的三倍提供滤波。该电压的频率在这也是AC系统的频率。

断路器辅助单元28又包括三个并联分支，其中每个分支连接在接地端和换流器的AC侧之间。每个分支包括开关SW1、SW2和SW3与阻抗元件I1、I2和I3分别串联的连接。当开关SW1、SW2和SW3闭合时，阻抗元件I1、I2和I3中的每个在相应中间连接和接地端之间提供阻抗。在该第一实施例中，阻抗元件是电抗器并且因此阻抗是电抗性的。然而，应当认识到的是，它们可以另外是电阻性的并且在本发明的一些变化形式中也可以是电容性的。

如之前所提到的，换流器22具有电压源换流器的优点并且本身可以为多种不同类型。例如，其可以是两电平、三电平或多电平换流器，其中在图3中示意性示出了两电平换流器22A，图4示意性示出了三电平换流器22B，图5中示意性示出了多电平换流器的第一种变化形式22C，图6中示意性示出了多电平换流器的第二种变化形式22D，以及图7示意性示出了多电平换流器的第三种变化形式22E。每个这样的换流器通常包括多个相位桥臂，其中经由中间连接提供的每个相位具有一个相位桥臂。换流器因此包括至少两个相位桥臂，并且在这种情况下有三个相位桥臂。然而，在图3-7中，仅示出了一个这样的相位桥臂。

如描绘了两电平换流器22A的图3中所示，该换流器的相位桥臂PL包括多个以带反并联二极管的晶体管的形式所提供的串联开关元件。该开关元件串联连接在两个极点16和18之间。与相位桥臂PL并联的是电容器组CB(这里示出为包括两个电容器)。该电容器组CB的中点接地，而相位桥臂PL的中点则连接至具有相电感的相位电抗器LC1的第一端点，其第二端点连接至该装置相应的中间连接。相位桥臂中点和极点之间的开关元件在这里共同构成了换流阀。因此在图3中有两个换流阀CV1和CV2。对于两个极点而言，这里的相电抗器形成了到换流器的AC侧电感的极点。

如之前所提到的，还可以有连接在极点之间的并联相位桥臂，每个中间连接有一个。因此，换流器包括一组到AC侧的电感的极点，该组到AC侧的电感的极点通过相位桥臂中的相电抗器的电感来提供。

操作中，开关元件通常由第二控制单元41控制，例如使用脉宽调制(PWM)，以便在相电抗器LC1的第二端点获得与AC系统具有相同频率的电压。这通常通过相位桥臂中点被交替置于正极点和负极点的电位或电压上来实现。因此这两个电压形成了换流器的两个电平。该控制通过图3中的虚线箭头指示。

图4中的三电平换流器22B类似于两电平换流器，并且在该示例中包括具有第一分支的相位桥臂，该第一分支包括四个串联开关元件。三电平和两电平换流器之间的差异在于存在另外的开关元件分支，其在这里包括与邻近相位桥臂中点并且位于相位桥臂中点的相对侧的第一分支的两个开关元件并联连接的两个开关元件。此外，另外分支的中点接地。开关元件在这里通过第二控制单元(未示出)控制，通常也使用PWM，以使相位桥臂中点获得三个电平，正极电位、零电位和负极电位，这些构成了三电平换流器的三个电平。

图5中所示出的多电平换流器的第一种变化形式22C具有稍有不同的配置。其没有电容器组。作为替代每个相位桥臂由串联单元所构成，其中每个单元由两个串联的开关元件所构成，该开关元件具有与这两个元件并联的电容器。在该示例中，一个单元的两个开关元件之间的中点连接至随后单元的电容器的一端。以这种方式，单元在两个极点之间串联。在该相位桥臂中，相位桥臂中点的相反侧另外设置第一和第二电抗器LCA和LCB。在这种类型的换流器中，相电抗器通过这两个电抗器LA和LB提供，LA和LB设置于相位桥臂中点相对侧的分离的相位桥臂的半边中。这里的这些电抗器的每一个形成到AC侧电感的极点作为相应的极点。根据该第一种变化形式的多电平换流器还是对称单极换流器。这里的每个单元提供零或小电压贡献。单元的开关元件还通过第二控制单元(未示出)控制以使得相位桥臂中点处的电压与基准AC电压类似。这意味着单元切换用以提供零或小的电压贡献，其中单元的小的电压贡献之和共同形成与基准AC电压相类似的AC电压。

这些类型的换流器的操作本身并非是新颖的并且在本领域是已知的。它们还能够以多种方式进行变化。例如，在多电平换流器中还可能提供中点接地，即两个极点之间的中点接地。这在图6中示出，其中以双极多电平换流器的形式示出了多电平换流器的第二种变化形式22D。这通过在两个极点之间放置的电容器组而与图5中的换流器有所不同，其中该电容器组的中点接地。还可以提供在图7中所示的非对称的单极多电平换流器。多电平换流器的第三种变化形式22E与第二种变化形式不同在于一个极点接地代替电容器组中点。还可以省略两电平和三电平换流器的中点接地，它们中一个极点接地，以及将它们提供为非对称单极换流器。

为了提高换流器的效率，还可以向换流器AC侧的AC电压即中间连接上出现的AC电压增加零序三次谐波。该三次谐波可以由第二控制单元使用PWM注入，该PWM经常被称作三次谐波注入脉宽调制(3PWM)。这通过减小电压的峰值电平而使得调制指数提高了大约15％，能够用来提高效率。然而，这种类型的谐波并不允许到达不使用这样的谐波的AC系统S1。这意味着必须要去除零序谐波。

本发明的第一方面涉及断路器、断路器辅助单元和控制单元的结合使用。

现在将结合图1、2B和6对该第一方面进行描述，其中后者示出了在控制单元中执行的多个方法步骤的流程图。

首先可以提到的是分支的阻抗元件I1、I2和I3的大小任选地远小于换流器中相对应相位的阻抗，图3-7的示例中的该相位阻抗是由相电抗器的阻抗所构成。这意味着分支的阻抗元件可以远小于到AC侧极点的阻抗，这里是连接到相同中间连接的电感。通常阻抗元件的阻抗(在第一实施例中采用分支电抗器的电感的形式)可以具有低于经由换流器对于相同相位的中间连接和极点之间，即换流器的AC侧和极点之间的电感形式的阻抗的30％的数值。分支阻抗可以可选择地具有低于相应极点到AC侧的阻抗的20％的值。

在系统和接口装置的正常操作中，断路器BR1、BR2和BR3在开关SW1、SW2和SW3断开时闭合。如果DC系统S2或接口装置中出现故障，则该故障可以在DC系统S2中、换流器22中、在中间连接或互感器处被检测到，并且报告给第一控制单元40。所发生的故障可能是极点接地故障，单相接地故障，多相接地故障，以及相-相短路故障。与使用本发明相关的故障因此包括短路故障，如相位或多相位和接地端之间、极点和接地端之间以及相位之间的短路故障。以这种方式，第一控制单元40获得故障指示，步骤42。

当出现这样的故障时，必须要将DC系统从AC系统S1断开连接。这应当尽快完成。然而，该断开连接经常是不可能直接执行的，因为可能必须要等待故障电流的过零点。当接收到这样的指示时，第一控制单元40首先控制断路器辅助单元28的开关SW1、SW2和SW3闭合并且因此阻抗元件I1、I2和I3连接在中间连接30、32和34的相位与接地端之间，步骤44。当获得故障指示时这种开关快速完成。开关SW1、SW2和SW3的这种快速闭合因此是基于故障指示。如果分支阻抗远小于相电抗器的阻抗，则通过阀的二极管的短路电流经由分支阻抗旁通。因此，阀的开关元件在经由断路器断开连接之前就故障电流和过电压而得到保护。由于此，大部分故障电流将经由阻抗元件I1、I2和I3而被引向接地端。即使分支阻抗并非小很多，通过二极管的这些短路电流也被进一步限制。由于所有开关SW1、SW2和SW3都闭合，而且各个相位中的故障电流对称。相同电流还将在所有三个相位中流动。在第一实施例中，立即闭合开关，使得对称化得以加速。开关也可以是顺序闭合。故障电流的对称化具有另一个优点。其保证或确保了流过断路器BR1、BR2和BR3的故障电流将具有过零点，这不是通常依赖于此使用换流器拓扑以及发生这种类型故障的情况。例如，如果如图7所示的单极换流器与图1所示的三角形连接的初级侧互感器连接相结合，没有断路器辅助单元并且发生了单极接地故障的情况下，则通过断路器的故障电流在很多周期内没有过零点，这使得难以并且有时甚至不可能断开断路器。当换流器是对称单极换流器时也会出现同样类型的问题。

当故障电流具有过零点时，然后则可以断开断路器BR1、BR2和BR3。由于相位的故障电流是对称的，这在所有相位中可以同时进行。第一控制单元40因此控制断路器BR1、BR2和BR3断开，步骤46。该断路器断开可以在开关SW1、SW2和SW3闭合之后或者已经测量了中间连接上的电流和/或电压之后过去已知时间后并且以这种方式已经检测到电流具有过零点后执行。在断路器断开之后，第一控制单元40随后可以断开开关SW1、SW2和SW3，步骤48。

断路器辅助单元28的开关因此在诸如极点接地故障的故障发生时快速闭合，并且其优点在于换流器组件得到保护直到断路器已经断开以将DC系统从AC系统断开连接。另一个优点在于使得故障电流对称。这保证了由极点接地故障所导致的通过断路器的故障电流将具有独立于此使用换流器类型的过零点，这简化并且在一些情况下还加快了这样的过零点出现的时间。这还加快了执行断路器断开的时间。

现在，将参考图1和2A对本发明的第二方面进行描述。

如图1中所能够看到的，互感器24的次级侧的中性点经由有其滤波元件的滤波器26耦合至接地端，在这里电感L1和电容器C1被设置为去除基本频率三倍的分量。这意味着该滤波器被设置为去除出现在换流器AC侧以及中间连接30、32和34上的电压中的这样的零序三次谐波，以使得这些类型的谐波并不会到达AC系统S1。在该实施例中，该滤波器实际上是以该出现在中间连接上的AC电压的基本频率的三倍的频率提供谐振的谐振电路。该滤波器还可以是设置为该频率的低通滤波器或带通滤波器。

通过将互感器中性点经由滤波器26耦合至接地端而获得了多种优点。中性点接地有助于断路器辅助单元在故障时限制过电压。尽管互感器次级侧的中性点接地，但是提供滤波器26还使得能够去除零序三次谐波。

这里应当认识到的是，本发明的第一和第二方面无需进行结合。可以提供仅实施第一方面的接口装置。这意味着互感器的初级侧和次级侧可以具有任意配置。这些侧可以互相独立地为三角形或Y形连接并且还提供或不提供中性点接地。实际上，可以省略互感器。在这种类型的情况中，换流器可以直接换流至AC系统的电压。这因此意味着中间连接可以在一端连接至换流器而在相对一端连接至断路器，该断路器进而连接至AC系统。

极点和中间连接之间的换流器的相电感可以通过如图3-7所示的一个或两个相电抗器来提供。然而，还应当认识到的是，在多电平换流器中，相电抗器可以置于极点和换流器的AC侧之间的另一个位置，或者通过若干小电感进行分配，例如每个单元中一个或者通过连接在单元之间的电感进行分配。

第一和第二控制单元每个可以被提供为计算机或具有计算机程序存储器的处理器，该计算机程序存储器包括在运行时使得处理器执行本发明的方法的计算机程序代码指令。该计算机程序指令还可以提供在诸如CDROM盘或记忆棒之类的数据载体上并且被加载到计算机上。该程序代码还可以被提供在服务器中并且被远程加载到计算机上。

从以上对本发明不同变化形式的描述中，应当认识到其仅由以下权利要求所限定。

Claims (14)

1.一种用于在AC系统(S1)和DC系统(S2)之间进行连接的接口装置(20)，包括：

用于在AC和DC之间进行换流的电压源换流器(22)，所述换流器包括带有二极管的开关元件并且具有用于连接至所述DC系统的DC侧以及用于耦合至所述AC系统的AC侧，

耦合在换流器的AC侧和AC系统之间的一组断路器(BR1，BR2，BR3)，以及

断路器辅助单元(28)，其包括连接在换流器的AC侧和接地端之间的一组分支，其中每个分支包括与阻抗元件(I1，I2，I3)串联的开关(SW1，SW2，SW3)，

其中在正常操作中所述断路器闭合且所述开关断开，并且所述接口装置还包括控制单元(40)，其被配置为获取短路电流通过所述二极管的故障指示并且基于所述指示闭合所有所述分支的开关，以确保流过所述断路器的电流中具有过零点并且在这样的过零点处断开所述断路器。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述换流器具有一组极点到AC侧的电感，并且所述分支的阻抗元件的阻抗值小于这些极点到AC侧的电感的30％。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述阻抗元件的阻抗小于所述极点到AC侧的电感的20％。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述控制单元被配置为在故障出现时立即闭合所述开关。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述控制单元被配置为在所述断路器已经断开之后断开所述开关。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，还包括具有初级侧和次级侧的互感器(24)，所述初级侧具有用于连接至所述一组断路器的第一组初级绕组，所述次级侧具有耦合至所述换流器的所述AC侧的第二组次级绕组，所述第二组次级绕组经由所述次级侧的中性点耦合至接地端。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第二组绕组中的绕组以Y形配置进行连接。

8.根据权利要求6所述的装置，还包括具有滤波器元件(L1，C1)的滤波器(26)，所述滤波器元件被设置为去除出现在所述换流器的AC侧的AC电压的基本频率的三倍的频率分量，并且所述滤波器连接在所述互感器的次级侧的中性点和接地端之间。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述换流器被配置为在所述换流中注入所述基本频率三倍的频率分量。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其中所述滤波器通过被设置为以所述换流器AC侧的AC电压的基本频率的三倍进行谐振的谐振电路而形成。

11.根据权利要求8-9中任一项所述的装置，其中所述第一组初级绕组中的绕组缺少到接地端的耦合。

12.一种将DC系统(S2)从AC系统(S1)断开连接的方法，所述DC系统经由用于在AC和DC之间进行换流的包括带有二极管的开关元件的电压源换流器以及一组断路器(BR1，BR2,BR3)而耦合至AC系统，并且经由包括一组分支的断路器辅助单元(28)耦合至接地端，其中每个分支包括与阻抗元件(I1，I2，I3)串联的开关(SW1，SW2，SW3)，并且在正常操作中所述断路器闭合且所述开关断开，所述方法包括步骤：

获得(42)短路电流通过所述二极管的故障指示，

基于所述指示闭合(44)所有所述分支的开关以便确保流过所述断路器的电流具有过零点，以及

在这样的过零点断开(46)所述断路器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中闭合所述开关的步骤包括立即闭合所述开关。

14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括在所述断路器已经断开之后断开(48)所述开关的步骤。