CN103403990B - 限制dc电网中故障影响的电流限制系统和操作电流限制系统的方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于在DC电网（DC连接形成其的一部分）中出现故障的情况下限制通过DC连接的电流的电流限制系统，以及操作用于在DC电网（DC连接形成其的一部分）中出现故障的情况下限制通过DC连接的电流的电流限制系统的方法。

Description

限制DC电网中故障影响的电流限制系统和操作电流限制系统 的方法
技术领域
本发明涉及电力传输的领域，并且更具体地涉及使用高压直流（HVDC）技术的电力传输。
背景技术
长距离电力传输可以使用HVDC传输线而有利地进行。在AC传输系统中，传输损耗取决于有功和无功功率传递两者。对于长的传输线，由于无功功率传递引起的损耗将是明显的。另一方面，在HVDC传输系统中，仅传递有功功率。HVDC传输线中的损耗从而将低于具有相同长度的AC传输线中的损耗。对于长距离传输，HVDC系统中必需的转换设备的较高投入通常是合理的。
与AC传输相比，DC传输的缺点是故障电流的中断更困难。AC系统中的故障电流固有地展现频率零交叉，这便于快速电流中断。在DC系统中，没有出现固有的零交错。为了阻断DC电流，DC电流的零交叉大体上必须强加于系统。
此外，在AC系统中，故障电流将受到传输线的电抗的限制。另一方面，在DC系统中，传输线的电抗将仅在瞬态阶段有关系。当瞬态（相当快地）减少时，仅线路的电抗将限制DC侧上的故障电流的水平。从而，故障电流可以在DC电网中非常快地增长。因此期望故障电流的快速阻断。
此外，来自AC侧的电力将馈送到在DC侧上出现的故障。典型地，这暗指故障电流在DC侧上是高的，而在故障情况下DC电压在整个DC电网中将是低的，从而使得在出故障的时段期间有组织的功率传递变得不可能。在则会转换器中的至少一些是基于电压源转换器（VSC）技术时特别明显，因为VSC转换器的开关典型地将必须在电流上升到某一水平之上时被阻断，从而使VSC转换器基本上作为二极管桥而操作。该水平在这里转换器阻断水平。连接到DC电网的转换器越多，故障中的DC电流越高。具有受抑制的DC电压的情形（没有随之的功率传递能力）如果持续很久的话可对AC系统稳定性具有严重影响。AC系统不稳定将导致灯火管制，这对于社会成本非常高。为了防止AC系统不稳定，AC系统可以设计成具有极大的保存传递能力。然而，AC系统的这样的过大尺寸成本很高并且大体上不是期望的。因此，在DC电压已经崩溃之前，期望DC故障电流的快速阻断。
从而，为了限制线路故障的影响，HVDC断路器应该非常快地起反应，典型地在故障电流仍在增加时以及DC电压已经崩溃太多之前的瞬态阶段中。已经投入开发快速且可靠的HVDC断路器，并且当前提供电流的最快中断的HVDC断路器基于半导体技术。半导体HVDC断路器例如在EP0867998中公开。然而，半导体HVDC断路器经历比在机械断路器中的更高的功率损耗。此外，设计成阻断大电流的半导体HVDC断路器比机械断路器明显要贵。然而，现有的机械断路器无法提供足够的阻断速度。从而，在DC电网中需要有成本且能量有效的故障电流处理。
EP0867998进一步公开HVDC电流限制器，其包括多个串联连接的并联电路，其中，并联电路中的每个包括与浪涌分流器并联连接的半导体开关元件。
发明内容
本发明所涉及的问题是如何高效地限制DC电网中出现的故障的消极后果。
该问题由用于在DC电网（DC连接形成其的一部分）中出现故障的情况下限制通过DC连接的电流的电流限制系统而解决。电流限制系统包括用于串联连接到DC连接内的电流限制器，和用于控制该电流限制器的电流限制强度的控制系统。该控制系统包括布置成测量通过电流限制器的电流的电流测量装置，并且该控制系统能操作成检测故障。该控制系统进一步能操作成响应于检测故障而采用使得如果通过断路器的电流超出第一电流阈值（Imax）则电流限制强度增加并且如果通过断路器的电流下降到第二电流阈值（Imin）以下则电流限制强度减小这样的方式来调整电流限制器的电流限制强度。
问题进一步由操作用于在DC电网（DC连接形成其的一部分）中出现故障的情况下限制通过DC连接的电流的电流限制系统的方法而解决。该方法包括在电流限制系统中检测故障。该方法进一步包括响应于检测故障而采用使得如果通过断路器的电流超出第一电流阈值（Imax）则电流限制强度增加并且如果通过断路器的电流下降到第二电流阈值（Imin）以下则电流限制强度减小这样的方式来调整电流限制器的电流限制强度。
在一个实施例中，第一电流阈值位于额定传输电流以下。该实施例例如在电流限制器在AC/DC转换器的DC侧处连接来限制从AC/DC转换器流入DC电网中的故障内的电流时可是有利的。通过将来自AC/DC转换器的故障电流限制在额外电流以下的水平，从AC/DC转换器到DC电网的有功功率传递将保持在AC/DC转换器的额定功率以下，从而允许从AC/DC转换器向在AC/DC转换器的AC侧处连接的AC电力系统提供无功功率。
在另一个实施例中，第二电流阈值位于额定传输电流以上（这时第一电流阈值位于在不存在电流限制器情况下出现的故障电流以下）。该实施例例如在清除故障时传输线的快速再充电的时候可是有利的。例如如果电流限制系统用于将DC电网分成至少两个区以便防止区中的故障的影响向该区外扩散，则可以是这样的。故障电流调节到位于下降到额定电流以下或以上的调节范围内可以依靠在面向故障的电流限制器侧处的电压测量并且依靠通过电流限制器的电流的测量来实现。
故障电流调节到位于下降到额定电流以上的调节范围内可以依靠通过电流限制器的电流来进行。操作电流限制器的方法然后可以因为不需要电压测量而简化。
在一个实施例中，电流限制器包括串联连接的独立可控断路器段，其中断路器段包括并联连接的非线性电阻器和关断型半导体开关。控制系统在该实施例中能操作成向断路器段的半导体开关发送阻断和/或开通信号以便调整电流限制器的电流限制强度。通过该实施例所实现的是实现电流限制器的电流限制强度的高效调整。在该实施例的一个实现中，控制系统进一步能操作成估计非线性电阻器当前能量吸收能力；并且依靠不同的非线性电阻器当前能量吸收能力来选择应该断开或闭合哪个（些）断路器段（如有的话）。从而实现电流限制器的能量吸收能力的高效利用。
在该实施例中，电流限制器可以包括转换开关，其在正常操作期间闭合并且在故障情况下断开来使到串联连接的断路器段的电流换向。通过使用转换开关（其中功率损耗低于串联连接的断路器段中的），电流限制器中的功率损耗可以在正常操作期间减少。
电流限制器可以是能够阻断至少额定电压处的电流的电流限制断路器。电流限制系统可以进一步包括自保护控制系统，其能操作成如果电流限制器有热损坏的风险则生成损坏指示并且响应于这样的损坏指示生成命令电流限制器或保护电流限制器的断路器阻断电流的跳闸信号。这样的损坏指示例如可以基于在电流限制器包括串联连接的断路器段时非线性电阻器当前能量吸收能力的估计。
问题进一步由AC/DC转换器站（其包括AC/DC转换器、到DC电网的连接以及电流限制系统）来解决，其中电流限制系统的电流限制器在到DC电网的连接中串联连接。该问题还由DC电网（100）（其包括经由DC连接而互连的至少两个AC/DC转换器以及根据上面的权利要求中的任一项的至少一个电流限制系统）来解决，其中电流限制系统的电流限制器在DC连接中串联连接。在DC电网的一个实施例中，DC电网凭借至少一个电流限制系统采用使得电流限制器在DC线路中的每个中连接这样的方式而分成至少两个区，这两个区通过DC线路而互连。
本发明的另外的方面在下面的详细描述以及附上的权利要求中阐述。
附图说明
图1是DC电网示例的示意图。
图2是图1的DC电网的示意图，其中电流限制器已经在HVDC转换器与DC开关站之间的连接中串联连接。
图3示意地图示DC电网，其中电流限制器用于将电网分成两个区，并且其中一个区的HVDC转换器经由电流限制器连接到DC电网。
图4a图示基于串联连接的独立可控断路器段的电流限制器的示例。
图4b图示包括转换开关的电流限制器的示例。
图5图示电流限制系统的示例，该电流限制系统包括电流限制器和布置成控制电流限制器的电流限制强度的控制系统，其中该控制系统包括限制确定系统。
图6a是图示对于在调节范围位于额定传输电流以上时的情况确定需要的电流限制器的电流限制强度的方法的实施例的流程图。
图6b是图示对于在调节范围的最大电流位于额定传输电流以上或以下时的情况确定需要的电流限制器的电流限制强度的方法的实施例的流程图。
图7是其中电流限制器与电抗器串联连接以在调节电流限制强度时减少电流的时间导数的配置的示例。
图8a是图示控制转换开关的方法的示例的流程图。
图8b示出这样的流程图，其图示控制转换开关的方法的另一个示例。
图9示出这样的流程图，其图示用于一旦已经确定需要的电流限制强度则生成控制信号来发送给电流限制器的过程的实施例。
图10示意地示出在图5中示出的限制确定系统的备选图示。
图11a-d图示从对于确定需要的电流限制器的电流限制强度的方法的不同实施例作为时间的函数的电流和电压方面来看的事件序列。
具体实施方式
图1是对于高压DC（HVDC）传输的DC电网100的示例的示意图示。该DC电网100包括五个不同的高压AC/DC转换器105（在这里称为HVDC转换器105），其经由DC开关场120和DC线路115（在这里称为HVDC线路115）而互连用于高压传输。HVDC转换器105在一端处连接到AC电力系统（未示出），并且在另一端处经由连接110连接到DC开关场120。在图1中，为了说明目的，DC开关场120已经示出为具有单个母线配置，但备选地可使用其他配置，例如双母线、两个断路器开关场、一个半断路器开关场等。HVDC线路115可以是电缆或架空线路或其组合。连接110和HVDC线路115可以是双极或单极的。
转换器105例如可以是电压源转换器（VSC）或电流源转换器（CSC）。近些年来，已经开发基于点到点HVDC传输系统的电压源转换器（VSC）。除其他事物外，VSC技术对于建造DC电网特别有利，因为VSC技术允许通过简单地进行DC电流反向的功率反向。
高压DC电网中的连接110典型地在高压DC断路器130i（在下文称为HVDC断路器130i）上连接到DC开关场120。HVDC转换器105与AC开关场（在HVDC转换器105的另一侧处）之间的连接典型地在AC断路器（未示出）上进行。HVDC断路器130ii典型地在HVDC线路115到DC开关场120的连接处提供，使得每个HVDC线路115配备有两个HVDC断路器130ii，其定位在HVDC线路115的相应端处。在下面，当大体上提及HVDC断路器时，将使用术语HVDC断路器130。各种HVDC断路器130i和130ii可以采用相同的方式实现（如期望的话），并且标号中的差异仅指示DC电网拓扑中的位点中的差异。
保护系统135典型地在每个开关场120处提供，保护系统135设计成检测故障情形并且如需要的话则将跳闸信号发送给适合的HVDC断路器130。从而，在HVDC线路115上有故障的情况下，HVDC线路115的每个端处的HVDC断路器130ii将从这样的保护系统135接收跳闸信号。线路故障可以是例如极接地故障或极到极故障，或其组合。相似地，如果在连接110上或在HVDC转换器105中检测到故障， HVDC断路器130i将接收跳闸信号。在后面的这些情景中，AC侧上的AC断路器也将接收跳闸信号。然而，在下面，为了便于描述，将仅参考HVDC断路器130的跳闸。保护系统135典型地设计成在故障情况下仅去除有故障的设备件，从而在故障清除后使余下的系统完好无损。保护系统在本领域内是众所周知的，并且典型地包括测量设备和用于确定故障存在的软件算法。这样的算法例如可以基于电压和电流测量、它们采用各种组合的幅值和/或它们的导数，和/或基于所谓的差动保护，其基于物体（例如HVDC线路115或HVDC转换器105）的每个侧处的电流比较。
图1的DC电网100仅是示范性的，并且DC电网100在这里可以包括采用任何样式互连的任何数量（N）的HVDC转换器105，其中N≥2。DC电网100典型地包括另外的设备（例如测量装置、DC电抗器、滤波器等），其还未在图1中示出。当仅两个HVDC转换器105在点到点传输线中互连时，将不必提供DC开关场120。
故障的清除将通过使环绕有故障物体的适合的HVDC断路器130跳闸而进行。这样的跳闸典型地将由监测有故障物体的保护系统135发起。其中可能出现故障的物体例如可以是HVDC线路115、HVDC转换器105、连接110或DC开关场120。
如上文提到的，HVDC断路器130操作所处的速度将确定在DC电网110断开之前故障电流在它之中上升得有多高。大体上期望使阻断速度保持为尽可能高。现今，基于半导体技术的HVDC断路器可以变得足够快，其具有低至μs标度的阻断速度。然而，因为基于功率电子技术的半导体HVDC断路器与速度较低的备选物相比典型地成本很高，在使用操作更慢的HVDC断路器时，将期望高效地限制在DC电网100中出现的故障的消极后果的方法。
根据本发明，提供用于在DC电网中限制通过连接110或HVDC线路115的电流的电流限制器。还提供用于控制电流限制器的电流限制强度的控制系统，该电流限制器和控制系统形成电流限制系统。电流限制器具有用于串联连接到连接110或HVDC线路115的接口。在下面，当共同提及连接110和HVDC线路115时，将使用术语HVDC连接，术语DC连接包括DC线路115和将AC/DC转换器105连接到DC电网100的连接110两者。
通过使用快速电流限制器，DC电网100内的其他HVDC断路器130可以具有提供更慢操作的设计。通过将故障电流限制在低于如果不存在电流限制器则故障电流将会是的水平，可以使用具有相当低阻断速度的断路器130。此外，因为要阻断的电流将更低（即使出现故障情形也如此），DC电网100中的至少一些HVDC断路器130的阻断能力可以降低。根据提供快速电流限制器所在的DC电网100中的哪些位置以及提供HVDC断路器130所在的什么位置，由电流限制器提供的电流限制的积极影响将使不同的HVDC断路器130在DC电网中的不同位置处受益。
DC电网100中的HVDC断路器130上的阻断速度要求例如取决于电流限制器205可以操作成使电流持续多长时间地保持在可接受水平处；AC系统的稳定性；电流限制器205将电流控制在哪个电流水平；以及HVDC断路器130上的电流阻断能力。合适的具有较低阻断速度的HVDC断路器的设计的示例是例如在“Cigré technical brochure 114, Circuit-breakers for meshed multiterminal HYDC systems（Cigré技术手册114，网状多端HVDC系统的断路器）”中描述的那些等机械HVDC断路器设计，其的阻断速度在AC断路器的范围内，例如30-60ms。
快速电流限制器还可以用于便于DC电网100具有很少或没有HVDC断路器130。通过在故障情况下限制故障电流，故障清除可以至少部分由连接到HVDC转换器105的AC侧的AC断路器进行。在DC电网100的该实现中，与如果DC电网中的每个物体凭借HVDC断路器130而受保护的情况相比，故障的影响大体上将在DC电网100的更大的地理区域上扩散。然而，与提供用于保护不同物体（例如HVDC线路和HVDC转换器）的HVDC断路器130有关的成本可以减少或避免。通过凭借HVDC断路器130而受保护的物体的示例是HVDC线路115、连接110和HVDC转换器105。
电流限制器可以有利地在HVDC转换器105的DC侧处的连接110中串联连接。当提供DC开关场120时，电流限制器的该位点将在HVDC转换器105与最近的DC开关场120之间的连接110中。在DC电网100的该实施例中，电流限制器可以高效地限制由它所连接的HVDC转换器105对进入DC电网100的故障电流的贡献。从而，当出现故障时，在电流限制器激活与由环绕故障的HVDC断路器阻断电流之间的时段内，自HVDC转换器105流入故障的电流将受到限制。此外，转换器105的DC侧处的电压将凭借电流限制器而被保持，从而使故障对在HVDC转换器105的AC侧处连接的AC系统的影响降低。
DC电网（其中电流限制器205在HVDC转换器105的DC侧处串联连接）的示例示意图在图2中图示。在图2中，电流限制器205已经在DC电网100的所有HVDC转换器105的DC侧处连接。在HVDC转换器105的DC侧处连接的HVDC转换器105、连接110和电流限制器205可以视为HVDC转换器站的一部分。在DC电网的另一个实现中，不到全部的HVDC转换器105（例如仅一个HVDC转换器105）可以具有在它的DC侧上连接的电流限制器205。在图2中，在提供有电流限制器205的连接110中未示出HVDC断路器130i。然而，可以额外地提供与电流限制器205串联的HVDC断路器130i。这样的HVDC断路器130i例如可以是有益的，以便如果使用单向电流限制器205则限制连接110中或HVDC转换器105中的故障对DC电网100的影响。因为，在DC电网100中的任何地方有故障的情况下，电流将在从HVDC转换器105朝DC电网（除非故障在HVDC转换器105与电流限制器205之间出现）的方向上流动，这是其中电流限制将最有益的电流方向。因此，连接110中的电流限制器205可以是单向的（其中性能被维持），从而与双向电流限制器205相比节省部件。然而，也可以使用双向电流限制器205。此外，为了说明目的，在图2中未示出保护系统135，但典型地将存在这样的保护系统。
HVDC线路115上的线路故障200已经在图2中示出。线路故障仅是不同故障的示例，电流限制器可以减轻其的影响。
如上文提到的，通过使用连接110中的电流限制器205，从HVDC转换器105流入DC电网的电流可以保持在较低的水平，从而使DC电网100的部件上（例如将用于清除故障的HVDC断路器130上）的应力降低。此外，如将关于图6a和6b进一步论述的，连接110中的电流限制器205的效应对于HVDC转换器105以及连接到HVDC转换器105的AC侧的AC电力系统的操作也具有很大的益处。
电流限制器在DC电网100中的其他位点处也是有用的。图3图示DC电网100的示例，其中电网已经通过使电流限制器205在每个HVDC线路115z中串联连接而分成两个区300（区300:1和区300:2），这两个区300通过每个HVDC线路115z而互连。在图3中，分区电流限制器205示出为取代HVDC断路器130i。然而，可以提供与分区电流限制器205串联连接的额外的HVDC断路器130i。如果电流限制器205不具有阻断故障电流的能力，则这例如可以是有益的。分区电流限制器205可以有利地是双向的，以便允许限制流入通过电流限制器205而互连的区300中的任一个的故障电流。
通过将DC电网分成凭借电流限制器而互连的不同区，DC电网中故障的影响可以受到限制。如果故障在第一区中出现，使该第一区300与它的相邻区互连的电流限制器将限制在故障持续期期间从相邻区流入故障的故障电流，从而使其中出现故障的区中的故障电流减少。通过向通过分区HVDC线路115z的故障电流提供有限的贡献，在清除故障之后，来自多个区300（其环绕有故障区300）的电流将有助于有故障区中的电缆和/或架空线路的充电。从而，一旦有故障物体已经被断开，正常操作也可以出现故障的区中快速恢复。此外，故障电流的限制将减轻环绕有故障区的健康区中的影响。如果允许故障电流不受干扰地流动，环绕区300中的DC电压将崩溃，从而使得持续的电力传输几乎不可能。除非已经采取措施，这样的电压崩溃典型地将在出现故障后非常快地达到大的地理分布。通过限制第一区中的故障引起的故障电流，环绕区300中的DC电压基本上可以不受干扰，并且环绕区300中的电力传输可在没有较大中断的情况下继续。
因此，故障对AC系统稳定性的影响可以在控制下很好地保持。也就是说，功率传递可以在DC电网100的大部分中维持，即使DC电网中已经出现故障也如此。从而，连接的AC系统中的反向传递能力与其中在DC电网中没有实现电流限制器205的系统相比大致上可以减小。另外，具有受抑制电压并且不能在有故障区中传递功率的故障持续期可以被允许更长，并且从而，较慢且不太昂贵的HVDC断路器130可以在区300内使用。
通过将连接110中的电流限制可能性与DC电网100成不同区300的划分组合，其中出现故障的区300中的故障电流可以被高效控制在可接受水平。
一旦故障电流已经凭借电流限制器205而受到限制，在有故障物体周围连接的HVDC断路器130可以清除故障。开始闭合断路器段400的指令将由相应电流限制器205的控制系统而本地生成，如在下文进一步描述的。
布置成激活电流限制器205的电流限制的控制系统有利地独立于保护系统135，并且反之亦然。HVDC断路器130响应于故障的跳闸从而将独立于电流限制器205的激活。根据实现，HVDC断路器130的跳闸将与电流限制器205的激活同时、在这之前或之后发起。电流限制器205的激活和控制可以有利地依靠在电流限制器205的位点处获得的电压和/或电流的局部测量而触发。
在图2和3中示出的DC电网100中，电流限制器205已经在HVDC连接（其中已经连接电流限制器205）的一端处取代HVDC断路器130。如果HVDC连接中的故障在这样的配置中出现，电流限制器205可以有利地操作成阻断电流以便中断流入故障的电流。在一个实现中，提供保护系统135，其布置成命令电流限制器205在该情形中阻断电流。进一步关于图5论述的用于控制电流限制器205的限制强度的控制系统应该有利地独立于这样的保护系统135，以便提高DC电网100的安全操作。在备选配置中，除电流限制器205外，在其中提供电流限制器205的HVDC连接还可以配备有两个HVDC断路器130。在该配置中，如果HVDC连接中出现故障，电流限制器205将足以提供足够的电流限制来减少故障的影响。
高速半导体电流限制器已经在EP0867998中描述，并且这样的电流限制器205的示例在图4a中示出。图4a的电流限制器205包括一组n个串联连接的断路器段400，其中每个断路器段包括并联连接的非线性、电压依赖型电阻器410和关断型半导体开关405。这些断路器段400可以独立于彼此地受到控制。在这里，具有闭合的半导体开关405的断路器段400称为闭合断路器段400，并且反之亦然。不同的断路器段400可以相同，但这不是要求。
在图4a中示出的电流限制器205是双向的，其中半导体开关405是两个关断型反并联单向开关的串联连接，每个与整流元件（例如，二极管）反并联连接。可预想获得双向电流限制器205的其他方法，例如使用双向405，或使两个单向电流限制器反并联地串联连接来形成电流限制器205。如上文提到的，单向电流限制器205可以有利地在电流限制器205的一些应用中使用，在该情况下半导体开关405可以包括与整流元件反并联连接的一个关断型单向开关。关断型半导体开关405例如可以是IGBT型（绝缘栅双极晶体管）或IGCT型（集成门换向晶闸管）或GTO（门极可关断型晶闸管）型。所有这些类型术语具有导通和关断能力的功率半导体开关的群组，并且也可以使用属于该群组的其他开关。（典型地，半导体开关405典型地形成为许多开关单元的串联和/或并联连接）非线性电阻器410例如可以是止动器，并且可以由例如氧化锌或碳化硅制成。
图4a的电流限制器205的故障电流限制功能性通过将开关405阻断在仅n个段的子集（在下文，其中半导体开关405处于阻断状态中的断路器段400将称为断开断路器段400）中而获得。断开段400的非线性电阻器410设置这样的电压，其抵消通过非线性电阻器410的电流的流。断开的段400的数量越高，电流将越小，其中零电流作为极端。通过断开n个串联连接的断路器段400的合适的子集，跨对应止动器的反电压可以变得比阻断电流所需要的电压更小，但大到足以将电流限制在合适的水平。然而，只要电流仅受到限制（而不是被阻断），断开段400的子集中的非线性电阻器410将耗散能量。段400的数量n和每个非线性电阻器410的开关脉冲保护水平（SIPL）将电流可被阻断所针对的最大电压。为了确保故障电流可以被阻断，段400的数量n可以有利地达到或超出用于阻断标称电压处的电流所需要的数量。然而，如果仅期望电流限制性质，并且未预期来自电流限制器205的阻断操作，可以使用较小数量的段400。能够阻断电流的电流限制器205可以称为电流限制断路器。
在出现故障时，电流限制器205将使非线性电阻器410接通来限制流过电流限制器205的电流使得它下降到某一水平以下。当电流限制器205通过跨断开段的非线性电阻器410建立电压而使电流减少时，电流限制器205的侧处的电压将维持在接近正常电压的电压处，而不是大幅下降。
图4b示意地图示高速电流限制器205的备选实施例，其中图4b的电流限制器205包括转换开关415，其与串联连接的断路器段400并联连接。该串联连接的断路器段400在该配置中可以称为主开关417。转换开关415包括串联连接的辅助开关425和切断器420。在正常操作期间，辅助开关425和切断器420闭合，使得通过电流限制器205的电流流过转换开关415而不是流过主开关417。主开关417的段400可以有利地在正常操作期间断开。
在激活电流限制器205来限制或阻断电流时，辅助开关425将断开使得电流换向到主开关417。在辅助开关425断开之前，主开关417应该闭合（如果在正常操作期间未闭合的话）。当辅助开关425已经断开来使电流换向到主开关417时，切断器420将断开，以便使辅助开关与将跨主开关417出现的任何高电压隔离。合适数量的断路器段400然后将被激活，因为这些断路器段400的半导体开关405将采取行动来阻断电流，从而迫使电流经由非线性电阻器410而流动。图4b的电流限制器205的主开关417应该直到切断器420已经断开才被激活。从而，具有转换开关415的电流限制器205大体上要比仅具有主开关417的电流限制器205更慢。然而，已经出现故障的指示通常将必须作出限制（或阻断）电流的决定之前被分析。通过使用接收这样的故障指示与对转换开关415的预备断开作出决定之间的时间，主开关417的激活通常可以在已经作出决定时立即发生。
有利地，转换器开关415的断开可以在接收故障指示时进行，并且主开关417的激活可以在接收主开关激活决定时进行。如果未接收到这样的决定，例如在某一时段内，转换开关415可以闭合。
用于断开转换开关415所需要的额外的时间对于基于电压和/或电流的导数的保护算法可是有益的，因为在出现电流限制之前，断开转换开关415将提供具有快速变化的电流和/或电压的时间窗口。基于时间导数的保护算法然后将给予时间来识别故障并且来将跳闸信号发送到适合的DC断路器130。当未提供转换开关415时，如期望的话，可以由于此目的引入适合的持续时间的时间延迟。对于一些保护算法（例如差动保护算法），这样的具有快速变化的电流和电压的时间窗口没有额外的益处。
转换开关415的切断器420优选地应该是快速的。因为在断开时将没有通过切断器420的电流，快速机械切断器比快速机械断路器要稍微容易地设计成用于阻断电流。切断器420的合适的设计示例在EP1377995中公开。
通过使电流在正常操作期间流过转换开关415，电流限制器205中的功率损耗与仅具有主开关417的电流限制器205相比要明显减少。辅助开关425可以明显小于主开关417，并且从而功耗是明显少的。然而，关于本发明，转换开关415是最佳的。
使用基于串联连接的断路器段400的电流限制器205的优势是可以容易地调整电流限制强度。此外，如果提供充足数量的断路器段400，这样的电流限制器205可以操作成阻断电流。然而，该电流限制器类型仅作为示例而给出，并且可使用其他类型的电流限制装置，例如超导导体。
图5提供电流限制系统500的示例的图示，该电流限制系统500包括电流限制器205和用于控制在HVDC连接中连接的电流限制器205的控制系统502。控制系统502包括电流测量装置505，其布置成测量通过电流限制器205的电流并且生成指示测量电流的信号I。控制系统502进一步包括电压测量装置510，其布置在电流限制器205的每个侧上、布置成测量电流限制器205的每个侧上的电压并且分别生成信号U1和U2，其分别指示电流限制器的第一和第二侧上的电压。电流测量装置505例如可以是光学电流互感器（OCT）或DC电流反馈补偿互感器（DCCT）或任何其他合适的电流互感器或传感器。电压测量装置210例如可以是直流分压器，或任何其他合适的电压测量装置。如将在下文看到的，电压测量装置和用于分别接收信号U1和U2的输入在控制系统502的一些实施例中可以省略。
控制系统502进一步包括限制确定系统515，其布置成接收信号I、U1&U2并且生成要输送到电流限制器205的控制信号520，该控制信号520指示要断开/闭合的断路器段400的数量。从而，图5的限制确定系统515的输入连接到电流测量装置505和电压控制装置510的相应输出，这时限制确定系统515的输出连接到电流限制器205的控制输入。
用于传送信号I、U1、U2、520和530的连接典型地是有线连接以便获得足够的速度和可靠性，但也可以预想无线连接。
图5的限制确定系统515示出为包括限制强度确定机构535和控制信号发生器540。该限制强度确定机构535布置成确定电流限制器205的当前限制强度是应该增加还是减小。为了控制具有如在图4a和4b中示出的一组串联连接的断路器段400的电流限制器205，限制强度确定机构535布置成确定断开的断路器段400的数量k是应该增加还是减小。此外，限制强度确定机构535布置成将指示当前需要的限制强度（或备选地，需要的限制强度中的变化）的信号545输送到控制信号发生器540。当电流限制器205是具有n个独立可控断路器段400的电流限制器时，信号545将指示应该断开的断路器段的数量k（或备选地，数量k中的变化）。
控制信号发生器540布置成响应于指示断开的断路器段400的期望数量k中的变化的信号545而生成控制信号520。在电流限制器205是基于断路器段的情况下（与图4a和4b相比），控制信号发生器540此外可以布置成选择应该断开或闭合断路器段400中的哪个。控制信号发生器540的操作将关于图9进一步论述。
电流限制器205可以有利地进一步连接到保护系统135，如在图5中示出的。保护系统135优选地独立于控制系统502并且布置成检测故障200，其将需要电流限制器205断开，极电流限制器205阻断电流。这样的故障200例如可以是沿HVDC连接（其中连接电流限制器）的线路故障，或电流限制器205所连接的DC开关场120中的故障。在检测到这样的故障时，保护系统135将响应于哪个电流限制器205将阻断电流而发送跳闸信号530－在图4a和4b的电流限制器205中，这将牵涉将跳闸信号发送到断路器段400中的每个的半导体开关405（或至少，在多余的断路器段400的情况下，发送到足够数量的断路器段400来设置足够的电压以阻断电流）。
在其中HVDC连接除电流限制器205外还配备有两个HVDC断路器130的配置中，保护系统135不必连接到电流限制器205。相反，两个HVDC断路器130都可以连接到保护系统135。在该配置中，基于段的电流限制器205的段400的数量不必足以设置能够阻断电流的电压，但段的数量可以设计成仅对于电流限制情景。
尽管具有任何合适设计的电流限制器205可以在本发明中使用，在下文为了说明目的将假设使用基于独立可控断路器段400的电流限制器205。
现在将论述限制强度确定机构535的不同实施例的操作。电流限制器205的限制强度（其在这里由断开的断路器段400的数量k确定）例如可以依靠通过电流限制器205的当前电流I的测量（即，依靠由信号I传达给限制强度确定机构535的值）而受到控制。确定过程的示例在图6a中图示，其中控制断开的断路器段400的数量k来将通过电流限制器205的电流I调节到位于调节范围内： 。调节范围代表在故障情况下的期望电流范围－在检测到故障的情况下，如果电流位于Imax以上，断开至少一个断路器段400（除非所有都已经断开）；并且如果电流位于Imin以下，闭合至少一个断路器段400（如果任何一个断开的话）。
在图6a的步骤600处，过程因为指示应该断开的断路器段400的数量的参数k设置成零而发起。典型地，在对于正常操作发起电流限制器205时首先进入该步骤。在步骤605中，则检查当前电流I是否超出代表调节范围的最大电流水平Imax的电流阈值。如果是这样的话，进入步骤606，其中检查断开的断路器段400的数量（由数量k表示）是否超出零。如果否的话，即如果没有断路器段400断开，k设置成预定数量k0，其例如可以选择使得跨k0个非线性电阻器410的电压将近似对应于标称电压或额定电压。因此，如果在进入步骤605时没有断路器段410接通，在步骤607中将开关预定数量k0。然后进入步骤615a，其中生成指示k的信号545并且将其发送到控制信号发生器540。然后进入步骤620a，其中引入延迟以便使电流水平调节到新的电压情形。在延迟步骤620a后，重新进入步骤605。
另一方面，如果在步骤606中发现k已经超出零，则进入步骤610，其中代表断开的断路器段400的期望数量的数量k增加一。然后进入步骤615a。
相反如果在步骤605中发现当前电流水平I位于Imax以下，则进入步骤625，其中检查I是否在代表调节范围的最小电流Imin的电流阈值以下。如果否的话，不需要动作并且重新进入步骤605。然而，如果发现当前电流水平I位于Imin以下，则进入步骤630，其中检查k是否具有大于0的值。如果否的话，电流限制器205的限制强度无法进一步减少，并且因此重新进入步骤605。然而，如果k>0（其指示至少一个断路器段400断开），则进入步骤640，其中k的值减少一。然后进入步骤615b，其中生成指示k的信号545并且在进入延迟步骤620b之前将它发送到控制信号发生器540。在步骤620b后，重新进入步骤605。
一旦故障已经由故障的任一侧上的HVDC断路器130断开，电流限制器205的有故障侧上的DC电压将开始增加并且来自DC电网100的环绕部分的故障电流贡献将趋于降到下阈值Imin以下，这时断开的断路器段400将开始闭合来使电流维持在两个阈值内。一旦所有段闭合，恢复正常操作。
调节范围[Imax，Imin]可以设置成完全位于额定传输电流Irated以上；调节范围可以设置成完全位于额定电流Irated以下；或调节范围可以设置成使得Irated下降到调节范围内。额定传输电流Irated在这里典型地是其中连接电流限制器205的HVDC连接的额定电流，其取决于DC电网100的部件的尺寸制定。
在图6a中图示的电流调节过程中，电流I的当前水平是是否应该更改电流限制器205的限制强度的决定因子。如果I位于调节范围的最小电流以下并且没有断开的断路器段400，则将不采取进一步的动作来修改电流。也就是说，如果电流水平在额定电流处或以下，在调节范围位于额定电流以上时，电流限制器205将采取行动来修改电流水平。因此，如果已经出现故障并且其稍后已经被清除，图6a中的过程将操作成使当前电流水平返回到正常操作期间的电流水平。从而，如果额定电流Irated位于调节范围以下，图6a的电流调节过程是合适的。如可以在图6a中看到的，不需要关于电流限制器205的任一侧上的电压的信号，并且从而，当调节范围完全位于额定电流以上时，电压测量装置610可以从控制系统502中省略。然而，如期望的话，电压测量以及电流测量可以用于检测故障情形。
然而，当额定电流位于调节范围以上时，情形是不同的，并且电流已经超出调节范围的最大电流这一事实不是电流限制器205应该被激活的适合的指示。在出现故障时，以及在出现任何故障之前&已经清除故障后的正常操作期间，在图6a中图示的方法将在该情形中将电流调节到位于额定电流以下（在调节范围内）。为了避免正常操作期间这样的不期望的电流抑制，额外的条件可以包括在图6a的方法中。这样的额外的条件例如可以基于电流限制器205的一个或两个侧上的电压水平，其取决于电流限制器是单向还是双向的。
关于图6a论述的调节过程（已经添加这样的额外条件的检查）的实施例在图6b中示出。图6b的实施例包括步骤603，在步骤600后、在进入步骤605之前进入该步骤603。在步骤603中，检查电流限制器的第一侧上的电压U1和电流限制器205的第二侧上的电压U2两者是否都超出较低电压水平Ulow。如果是这样的话，推断没有故障出现（这需要电流限制），并且将重新进入步骤600。然而，如果在步骤603中发现电流限制器205的任一侧（或两侧）上的电压水平已经下降到较低电压水平Ulow以下，这是已经出现故障并且电流限制器205应该被激活的指示。然后进入步骤606。Ulow例如可以位于范围内。在步骤606中，检查k是否超出零。如果否的话，即如果没有断路器段400断开，则k设置成预定数量k0，其例如可以选择使得跨k0个非线性电阻器410的电压将近似对应于额定电压。然后进入步骤615a，其中生成指示k的信号545并且将其发送到控制信号发生器540。然后进入步骤620a，其中引入延迟以便使电流水平调节到新的电压情形。在延迟步骤620a后，重新进入步骤603。
另一方面，如果在步骤606中发现k已经超出零，则进入步骤605，其中代表断开的断路器段400的期望数量的数量k增加一。然后进入步骤615a。
一旦已经进入步骤605，程序与图6a的程序相似。然而，重新进入步骤603来确保故障仍存在，而不是在步骤620a/620b中的延迟后或在步骤625或630中的否定结论后重新进入步骤605。从而，在图6b的故障电流强度确定方法中，电流限制器205处的电压水平用作故障情形的指示符，而在图6a的方法中，通过电流限制器205的电流水平用作这样的指示符。如可以看到的，在其中期望故障电流范围位于额定电流以下的实施例中，电流限制器205的相应侧上的电压U1和U2的测量是有用的。
如果在步骤603中推断两侧上的电压超出Ulow，这指示故障已经被清除，在步骤600中限制强度指示符k设置成零。从而，电流限制器205失效。在备选实现中，在步骤603中发现电压超出Ulow后，限制强度指示符k将逐渐减少到零。
在调节范围包括额定传输电流Irated时，图6b的调节方法也是合适的。通过引入步骤603的条件，确保电流限制器205将在正常操作期间停用。如期望的话，图6b的调节方法也可以在调节范围位于额定电流Irated以下时使用。如将关于图9论述的，调节范围可以包括其中电流被限制为零的极端情况。
在图6a和6b中图示的调节方法中，电流和/或电压的幅值用作用于确定是否已经出现故障并且从而是否限制电流的基础。另一方面，万一使用双向电流限制器205，可以有利地使用电流的方向（符号）以便确定在哪个方向上应该阻断闭合的断路器段。
调节通过电流限制器205的故障电流使得它下降在额定电流水平以上的调节范围内具有这样的优势：一旦故障已经被清除则提供电缆和/或架空线路（其形成DC电网100中的HVDC线路115）的更高电荷。这在电流限制器205作为分区电流限制器205而连接来限定区边界时特别有利。
另一方面，调节通过电流限制器205的故障电流使得它下降在额定电流水平以下的调节范围内导致电流限制器205中较低的功率损耗，从而允许电流限制器205的不太耐热的设计（例如，在图4a和4b中示出的电流限制器205的非线性电阻器410的更简单的设计）和/或电流限制器205可以携带电流所处的较长时段（从而便于使用较慢的HVDC断路器130）。较低的故障电流水平还对HVDC断路器130的电流阻断能力产生较低的要求。
当电流限制器205定位在将VSC转换器105连接到DC电网100的连接110中时，调节范围的最大电流Imax可以有利地位于转换器阻断水平以下，使得VSC转换器的开关在故障持续期期间也可以保持在操作中。此外，当电流限制器205定位在VSC转换器105的连接110中时，将调节范围的最大电流布置成位于额定电流以下，这将是有利的。通过在故障情况下调节电流使得它下降在额外电流以下，可以确保在故障期间输送到DC电网的有功功率下降到VSC转换器的额外功率以下，从而允许VSC转换器在故障持续期期间也继续控制与AC电力系统的无功功率交换，并且从而提供AC系统电压的支持。这对于AC系统稳定性将是有益的。HVDC转换器105将能够输送给连接的AC电力系统的无功功率的量将取决于通过连接110的故障电流与HVDC转换器105的额定电流直接的差－该差越大，可以输送到连接的AC电力系统的无功功率的量越高，从而便于采用使得连接的AC电力系统上由DC电网中的故障产生的干扰将被最小化这样的方式高效控制AC电压。
根据在电流限制器205的特定应用中最期望上文的优势中的哪个，调节范围可以选择成位于额定线路电流以上或以下，或包括额定电流Irated。
由图6a和6b图示的过程仅是示范性的并且可以采用不同的方式改变。例如，在步骤610中获得的增加可以与一不同，并且例如可以取决于Imax与当前I值之间的差－如果该差是大的，则k可以比如果差是小的增加更高数量的步骤。相似地，k在步骤640中的减小可以大于一，并且例如可以取决于Imin与当前值I之间的差。此外，信号545可以指示k中的期望变化，而不是k本身。此外，在另一个类型的电流限制器205中，步骤610（640）可以代表使电流限制器205的限制强度增加（减小）的手段。图6a中的参数k用于代表断开的断路器段400的数量。然而，在一般情况下，参数k代表电流限制器205的当前限制强度的度量，并且可以称为限制强度指示符。信号545可以称为限制强度信号545。
图6a和6b的步骤606和607通过断开预定数量的断路器段而起到开启电流限制的作用。在另一个实现中，例如可以在步骤607中对k赋值，这取决于电流和/或电压的时间导数。在再另一个实现中，可以省略步骤606和607，并且可以仅在步骤610和640中确定电流限制强度。
延迟步骤620a和620b可以实现为相同的步骤。然而，根据DC电网100的电感，在使限制强度指示符k增加（620a）和减少（620b）的情况下使用不同的延迟持续时间，这可以是有益的。例如在电流位于Imax以上以便确保故障电流未以不期望的速率上升，这可是有益的，而在电流减小时，使用较长的延迟期使得电流可以稳定电流限制强度的不必要接通和切断，这可是有益的。因此，在一个实施例中，步骤620a中的延迟的持续时间要短于步骤620b中的。作为非限制性示例，步骤620a和620b中的延迟的持续时间可以位于50μs-10ms的范围内。然而，可以使用延迟的其他持续时间。
在本发明的一个实现中，电抗器700与电流限制器205串联连接，如在图7中示出的。通过使电抗器700与电流限制器205串联连接，电流的时间导数将减少。这例如在故障已经在位点中出现使得故障电流路径的电感是低的并且可用k中没有一个使故障电流保持在调节范围内的情景中可以是有益的。与电流限制器205串联的电抗器700在该情景中可以防止在不同k值之间开关的高频率。因为半导体开关405的开关典型地生成热，为了冷却目的使开关频率保持为低，这可是可取的。电抗器700的电感例如可以位于从大约十至几百mH的范围内。
由在图6a和6b中示出的限制强度确定机构535进行的过程的不同实施例仅涉及电流限制器205的主开关417的操作。然而，如关于图4a和4b论述的，使用进一步包括转换开关415的电流限制器205，这通常是有用的。一旦转换开关415已经断开并且电流已经换向到主开关417，由图6a和6b中的实施例描述的过程也适用于具有转换开关415的电流限制器205。
用于断开转换开关415的过程的实施例在图8a中图示。图8a的过程可以有利地与在图6a中示出的用于在调节范围位于额定传输电流以上时确定限制强度的过程一起使用。
图8a的过程基于转换开关415应该在检测到故障的第一指示（其中在比步骤605的故障检测更早的阶段接收该第一指示）时断开（其对应于对电流限制器205“布防”）这一思想。该故障指示因此大体上是不太确定的，但因为断开转换开关415不影响电网100的其他操作（因为功耗在短的时段期间增加），转换开关的不正确断开是可接受的。
在图8a的步骤600处，参数k首先布置成零，如在上文关于图6a论述的。然后进入步骤800，其中检查当前电流水平是否在布防电流水平Iarm以下。如果是这样的话，重新进入步骤800。然而，如果当前电流的幅值已经上升到Iarm以上，进入步骤805，其中转换开关415断开。在步骤810a中，检查当前电流是否在Iarm以下并且限制强度指示符k是否取零值。如果是这样的话，转换开关415闭合，并且重新进入步800。如果否的话，进入主开关激活决定步骤（与图6a的步骤605相比），其中开始确定电流限制器205的适合的限制强度的过程。
步骤810a在步骤805后被直接进入时可以视为多余的，并且然后可以省略。然而，也可以有利地在步骤630中已经发现限制强度指示符k是零（这时电流位于调节范围中的最小电流以下）之后进入步骤810。在该情形中，电流限制器205的电流限制功能性不再有效，并且可以有利地进行关于是否应该闭合转换开关415的检查。在该情形中，如果电流仍位于Iarm以上，使转换开关415保持在断开状态，以便很快能够再次限制电流（如需要的话），这将是有利的。然而，如果Iarm位于调节范围的最小电流以上，或如果不期望转换开关415的预防性维持，可以在步骤830中确定k已经取零值后直接进入步骤815。
图8b图示用于断开转换开关415的过程（其例如可以与在图6b中示出的用于在调节范围位于或部分位于额定传输电流以下时确定限制强度的过程一起使用）的示例。图8b的过程与图8a的相似。在限制强度指示符已经在步骤600中布置成零后，进入步骤800，其中检查电流是否位于布防电流Iarm以下。如果是这样的话，重新进入步骤800。如果电流水平大于Iarm，转换开关在步骤805中断开。然后进入步骤810b，其中检查电流水平是否位于布防电流以下。如果是这样的话，进入步骤815，其中转换开闭合合。然后重新进入步骤800。然而，如果在步骤810b中发现电流位于Iarm以下，进入主开关激活决定步骤（与图6b的步骤603相比），其中开始确定电流限制器205的适合的限制强度的过程。
与图8a相似，如果在转换开关已经在步骤805中断开后直接进入步骤810b则可以省略它。然而，也可以有利地在已经在步骤603中确定电流限制器205的两个侧上的电压位于较低电压水平Ulow以上时进入步骤810b。在该情形中，电流限制器205的电流限制功能性应该被停用，并且可以有利地进行关于转换开关415是否应该闭合的检查。在进入步骤810b之前可以引入步骤820，从步骤603的y分支进入该步骤820。因此，通过在步骤603中的肯定决定后进入步骤820而不是步骤600，在转换开关415将明确断开的情形中不必进行步骤800和805。在图8b中，步骤810b与图8a的步骤810a的不同之处在于未进行关于k是否是零的检查，因为k已经在步骤820中布置成零。然而，如期望的话，也可以在步骤810b中进行k检查。
图8a和8b的程序仅是示例，并且可以采用不同的方式更改。例如在图8a的一个实现中，省略步骤810a的检查，并且在步骤630中的否定决定后直接进入步骤815。相似地，图8b中可以省略步骤810b的检查，并且在步骤603中的肯定决定后可以直接进入步骤815－在该实现中，可以包括步骤820或省略它。
在图8a和8b中，故障的第一指示由当前电流水平I（其上升到布防电流水平Iarm以上）表示，Iarm可以是例如在Irated<Iarm<2Irated范围内。故障的第一指示的备选表示可以是电流限制器205的任一侧处的电压下降到布防电压水平Uarm以下。Uarm例如可以位于0.5Urated<Uarm<0.8Urated范围内。
如期望的话，与用于断开转换开关415不同的阈值可以用于闭合转换开关415，使得在电流用作故障的第一指示时步骤810a/810b的阈值高于步骤800的，或在电压用作故障的第一指示时低于步骤805的。
由控制信号发生器540进行的过程的实施例示意地在图9的流程图中图示。在步骤900处，从限制强度确定机构535接收限制强度信号545。在步骤905处，依靠限制强度信号（在确定过程中也可使用其他信息）确定需要的动作。当电流限制器205基于串联连接的断路器段400时，步骤400牵涉确定应该断开的断路器段400的数量。确定典型地还包括确定应该断开或闭合哪个（些）断路器段400。在步骤910中，然后在电流限制器205所连接的限制确定系统515的输出处生成控制信号520。当电流限制器205包括半导体开关405时，这样的控制信号520例如可以包括采用常规方式的开通和/或阻断信号（其取决于断路器段400是应该接通还是切断）的组合，使得应该改变其状态的每个半导体开关405将接收开通或阻断信号。
步骤905的确定例如可以基于用于断开/闭合断路器段400的预定方案。这样的预定方案例如可以操作成在电流限制强度要增加（减小）时断开（闭合）断路器段400（其是）的半导体开关405，其使闭合（断开）的断器段400中最长的闭合（断开）。在这样的实施例中，控制信号发生器540例如可以包括存储器，用于存储关于不同的断路器段400在什么时刻最后被接通或切断的信息。备选地可以使用其他预定方案。
备选地，在基于断路器段的电流限制器中，控制信号发生器540可以在步骤905中基于不同线性电阻器410的温度或其中吸收的能量的量的估计来确定要断开或闭合哪个断路器段400，使得将从具有最低温度或对应地最高能量吸收能力的断路器段400选择断开的断路器段400。在故障持续期期间安全的最高温度或可以由非线性电阻器410安全吸收的最大能量典型地是已知的（冷却效应典型地可以在故障持续期期间忽略）。不同线性电阻器410的当前能量吸收能力然后例如可以通过计算非线性电阻器410中吸收的能量或凭借由温度传感器（其将设计成将温度信号输送到控制信号发生器540）进行的测量而估计。例如，下面的表达式可以用于估计非线性电阻器410中吸收的能量：
（1a）
其中是由第i个非线性电阻器410自在时间tstart处出现故障以来的时间t处吸收的能量；I(t)是通过电流限制断路器205的电流，其由电流测量装置505测量并且对于电流限制系统515是已知的；是非线性电阻器410的已知U-I特性；并且ai(t)是函数，其在第i个断路器段的半导体开关405闭合时取0值并且在第i个断路器段的半导体开关405断开时取1值。如期望的话，表达式（1a）可以细化成例如包括冷却效应。然而，在故障持续期期间，冷却效应大体上可以忽略，因为用于冷却的时间常数典型地比故障持续期长得多。此外，基于跨非线性电阻器的电压U410,i是恒定的这一假设的吸收能量的估计将在大部分的应用中给出足够准确的估计：
（1b）
当表达式（1）用于确定要断开或闭合哪些断路器段400时，在k增加时要断开的断路器段400例如可以是具有目前闭合的断路器段400中的最低的断路器段400，并且在k减小时闭合的断路器段例如可以是具有目前闭合的断路器段400中的最高的断路器段400。
在清除故障之后，非线性电阻器410中吸收的能量的估计应该有利地调整反映冷却，使得万一出现另一个故障，吸收能量的准确估计可获得。在一个实现中，这通过仅允许在经过自电流限制器205被激活（这时重新布置成初始值）以来的冷却时段后重新闭合电流限制器205而解决。
如果存在电流限制器205可被损坏除非电流实际上被阻断而不是被限制这样的指示，步骤905的确定可以有利地导致断开充足的（典型地，所有的）断路器段400以便阻断电流的决定。这样的损坏指示例如可以基于非线性电阻器410中的吸收能量；基于非线性电阻器410的温度测量；或基于这样的时间，在该时间期间非线性电阻器410已经在故障持续期期间接通。在由于过多的吸收能量而使电流限制器400跳闸时评估的程序例如可以基于具有最高吸收能量的断路器段400。假设完全阻断电流将需要所有的断路器段400，应该确保具有最高吸收能量的断路器段400可以在最后的时间被接通。从而，在一个实施例中，电流限制器205在非线性电阻器410的吸收能量达到能量阈值时跳闸，并且如果被切断的话，另一个断路器段400中没有非线性电阻器410可以接通来取代它。能量阈值可以布置成具有到非线性电阻器410将被损坏所处的能量水平的裕度。在断开所有断路器段400中，由在电流限制器205的另一侧上连接的DC电网的健康部分对故障的故障电流贡献将被取消。
如果电流限制器205已经跳闸以便保护非线性电阻器以免热损坏，在一个实施例中，控制系统502可以继续监测电流限制器205处的电压U1和U2（或，在单向限制器情况下，仅U1或U2）。在该实施例中，在这样的电流限制器205的自保护性跳闸（其中调节范围的最小电流Imin布置成零）时，可以进入例如在图6b中示出的那个等过程。如果DC电网的有故障部分连接到另一个电流源（例如HVDC转换器105）（其的电流供应已经被切断），这将特别有用。在故障被清除时，在故障持续期期间被抑制的电压然后将开始上升，从而向电流限制器205提供故障已经被清除的指示。
用于获得损坏指示的吸收能量估计例如可以根据表达式（1a）或（1b）进行。然而，为了确保在最近已经清除另一个故障时万一出现故障实际上可以阻断电流，应该有利地考虑非线性电阻器410的冷却。这例如可以通过仅允许在经过自电流限制器205被激活以来的冷却时段后重新闭合电流限制器205使得电流限制器205的重新断开可以在不损坏非线性电阻器的情况下进行而解决。在一个实现中，用于冷却的时间常数可以是大约一小时。备选地，用于估计吸收能量的表达式可以细化成包括冷却效应。布置成生成损坏指示以及自保护跳闸信号（如需要的话）的自保护控制系统例如可以实现为控制系统502的一部分，或实现为独立保护系统135的一部分。在其中电流限制器205不能阻断电流的实施例中，这样的损坏指示可以用于触发HVDC断路器130的跳闸，从而保护电流限制器205。
为了确保电流限制器205在电流限制器不能在自保护系统给出跳闸指令时跳闸的罕见事件中将不受损坏，可以提供多余的电流限制器205，或在电流限制器205基于串联连接的断路器段400时，可以在电流限制器205中提供多余的断路器段400。备选地，HVDC连接可以短路使得电流限制器205被绕过，从而使电力系统中的别处的HVDC断路器130或电流限制器205没有故障。
在图10中，示出示意地图示图5的限制确定系统515的备选方法，其中限制确定系统515通过使用硬件和软件的组合而实现。图10示出限制确定系统515包括处理工具1000，其连接到采用存储器形式的计算机程序产品1005以及接口1010和1015。接口1010布置成接收输入信号，其包括与限制强度确定相关的信息。这样的信号包括指示当前电流水平的信号I，并且还可以包括例如信号U1或U2（或两者，视情况而定）和指示非线性电阻器410的温度的信号，如在上文论述的。接口1015布置成输送控制信号520。
存储器1005存储采用计算机程序1020形式的计算机可读代码工具，该计算机程序1020在由处理工具1000执行时促使限制确定系统515进行电流限制控制方法。这样的方法的不同实施例在图6a-b、图8和图9中图示。也就是说，在该实施例中，限制确定系统515将凭借一个或多个通用处理器或尤其为限制确定系统515而开发的一个或多个处理器结合用于进行电流限制控制的软件1020来实现。在图10中，软件1020示出为存储在物理存储器1005上，然而，软件1020可以在超过一个的物理存储器1005上划分。存储器1005可以是任何类型的非易失性计算机可读工具，例如硬驱动器、闪速存储器、EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）、DVD盘、CD盘、USB存储器等。
图11a-11d图示根据上文描述的一些实施例在时间tf处在第一区300中出现线路故障并且在时间tc处清除故障的情形中的事件序列。通过电流限制器205的电流I以及在朝故障连接的电流限制器205的侧处的电压（U1）和在连接到DC电网100的健康部分的电流限制器205的另一侧处的电压（U2）相对于时间而标绘。图11a和11b代表其中电流限制器205没有转换开关415的实施例，而图11c和11d代表其中存在转换开关415的实施例。此外，图11a和11c代表其中而定电流位于调节范围以下的实施例，而图11b和11d代表其中额定电流位于调节范围以上的实施例。值得注意的是，DC电网的健康部分中的电压U2基本上不受干扰，从而使得在故障持续期期间在该部分中也继续有组织的功率传递成为可能。
如上文论述的电流限制器205的应用可以适用于单极和双极HVDC连接两者。如果HVDC连接由两极线路组成（其具有正和负极电压），HVDC连接将配备有两个电流限制器205，而对于具有或没有金属回路的单极HVDC连接（正或负极电压），单个电流限制器205将典型地在单极连接上使用。备选地可以使用其他配置。
已经从高压DC电网方面进行上文的描述。然而，本发明同样能适用于包括具有任何电压水平的AC/DC转换器的DC电网，该DC电网包括中压直流（MVDC）电网，其包括MVDC转换器、MVDC连接和MVDC断路器。
尽管在附属的独立权利要求中阐述本发明的各种方面，本发明的其他方面包括在上文的描述和/或附属的权利要求中呈现的任何特征的组合，而不仅仅是在附属的权利要求中明确阐述的组合。
本领域内技术人员将意识到本文呈现的技术不限于在附图和前述的详细描述中公开的实施例（其仅为了说明目的而呈现），但它可以采用许多不同的方式来实现，并且它由下面的权利要求限定。

Claims (14)

1.一种电流限制系统(500)，用于在DC电网(100)中出现故障的情况下限制通过DC连接(110，115)的电流，所述DC连接形成所述DC电网(100)的一部分，所述电流限制系统包括串联连接到所述DC连接中的电流限制器(205)，和用于控制所述电流限制器的电流限制强度的控制系统(502)；其中
所述电流限制器包括串联连接的独立可控的断路器段(400)，其中断路器段包括并联连接的非线性电阻器(410)和关断型半导体开关(405)；
所述控制系统包括电流测量装置(505)；并且
所述控制系统能操作成：
检测故障；并且响应于检测所述故障而
调整所述电流限制器的电流限制强度，所述电流限制系统特征在于
所述控制系统进一步包括电压测量装置(510)，其布置成测量所述电流限制器的至少一侧处的电压；
所述控制系统能操作成通过检查所述电流限制器的至少一侧处的电压是否在第一电压阈值以下来检测(603)故障；
所述电流测量装置布置成测量通过所述电流限制器的电流；并且
所述控制系统能操作成响应于故障的检测，而采用一定方式来调整(610，640)所述电流限制器的电流限制强度，使得
如果通过所述电流限制器的电流超出第一电流阈值(Imax)，则所述电流限制强度增加；并且
如果通过所述电流限制器的电流在第二电流阈值水平(Imin)以下，则电流限制强度减小，其中所述第一电流阈值位于额定传输电流以下。
2.如权利要求1所述的电流限制系统，其中，所述控制系统进一步能操作成：
估计所述非线性电阻器的当前能量吸收能力；并且
如有的话，依靠非线性电阻器不同的当前能量吸收能力来选择应该断开或闭合哪个(些)断路器段。
3.如权利要求2所述的电流限制系统，其中
所述电流限制器进一步包括与所述串联连接的断路器段并联连接的转换开关(415)，并且所述控制系统进一步能操作成
如果：
通过所述电流限制器的电流超出第三电流阈值(Iarm)，其中所述第三电流阈值在正常操作期间的预期电流水平以上，或
所述电流限制器的端处的电压在第二电压阈值以下，其中所述第二电压阈值在正常操作期间的预期电压水平以下
则断开(805)所述转换开关，从而使电流换向到所述串联连接的断路器段。
4.如权利要求1-3中任一项所述的电流限制系统，其中
所述电流限制器是能够在至少额定电压处阻断电流的电流限制断路器。
5.如权利要求1-3中任一项所述的电流限制系统，进一步包括：
自保护控制系统(135；500)，其能操作成如果所述电流限制器有热损坏的风险则生成损坏指示，并且响应于这样的损坏指示而生成命令所述电流限制器或保护所述电流限制器的断路器阻断电流的跳闸信号。
6.一种AC/DC转换器站，包括AC/DC转换器(105)、以及到DC电网(100)的连接(110)，其中所述AC/DC转换器站进一步包括如上述权利要求中任一项所述的电流限制系统，其中所述电流限制系统的电流限制器在到所述DC电网的连接中串联连接。
7.一种DC电网(100)，包括经由DC连接(110，115)而互连的至少两个AC/DC转换器(105)，所述DC电网进一步包括：
至少一个如上述权利要求1-5中任一项所述的电流限制系统，其中所述电流限制系统的电流限制器在DC连接中串联连接。
8.如权利要求7所述的DC电网，其中，所述DC电网包括经由DC线路(115)而互连的多个AC/DC转换器(105)，并且其中
所述DC电网凭借至少一个电流限制系统(205)采用一定方式而分成至少两个区(300)，使得电流限制器在通过其两个区而互连的所述一个或多个DC线路中的每个(115z)中连接。
9.一种操作电流限制系统(500)的方法，用于在DC电网(100)中出现故障的情况下限制通过DC连接(110，115)的电流，所述DC连接形成所述DC电网(100)的一部分，所述电流限制系统包括电流限制器(205)和控制系统(502)，其中所述电流限制器包括多个单独可控的串联连接的断路器段(400)，每个包括并联连接的非线性电阻器(410)和关断型半导体开关(405)；所述方法包括：
在所述电流限制系统中检测故障；并且响应于检测所述故障而，
调整所述电流限制器的电流限制强度，所述方法特征在于：
检测(603)故障通过检查所述电流限制器的至少一侧处的电压是否在第一电压阈值以下而执行；并且
调整(610，640)所述电流限制器的电流限制强度采用一定方式来执行，使得
如果通过所述电流限制器的电流超出第一电流阈值(Imax)，则所述电流限制强度增加；并且
如果通过所述电流限制器的电流在第二电流阈值水平(Imin)以下，则所述电流限制强度减小，其中所述第一电流阈值位于额定传输电流以下。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括
估计所述非线性电阻器的当前能量吸收能力；并且
如有的话，依靠所述非线性电阻器不同的能量吸收能力来选择应该断开或闭合哪个(些)断路器段。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中
所述电流限制器包括与主开关(417)并联连接的转换开关(415)；
所述调整所述电流限制器的电流限制强度的步骤以所述转换开关断开为条件；并且
所述方法进一步包括：
如果：
通过所述电流限制器的电流超出第三电流阈值(Iarm)，其中所述第三电流阈值在正常操作期间的预期电流水平以上，或
所述电流限制器205的侧处的电压在第二电压阈值以下，其中所述第二电压阈值在正常操作期间的预期电压水平以下，
则断开(805)所述转换开关，从而使电流换向到所述主开关。
12.如权利要求9或10中任一项所述的方法，进一步包括
依靠所述电流限制器的当前能量吸收能力的估计而生成损坏指示，其指示所述电流限制器有热风险；以及
响应于所述损坏指示使所述电流限制器跳闸来阻断电流。
13.一种用于控制电流限制器(205)的电流限制强度的限制确定系统(515)，所述电流限制器(205)在DC连接中串联连接以便限制DC电网(100)中的故障的影响，所述DC连接形成所述DC电网(100)的一部分，所述电流限制器包括串联连接的独立可控的断路器段(400)，其中断路器段包括并联连接的非线性电阻器(410)和关断型半导体开关(405)，所述限制确定系统(515)包括：
用于接收通过所述电流限制器的电流的测量的装置；
用于接收所述电流限制器的至少一侧处的电压的测量的装置；
用于使用所述电压测量来检查是否可以在所述DC电网中检测(603)故障的装置；以及
用于响应于故障的检测而：
采用一定方式来调整(610，640)所述电流限制器的电流限制强度的装置，使得
如果通过所述电流限制器的电流超出第一电流阈值(Imax)，则电流限制强度增加；并且
如果通过所述电流限制器的电流在第二电流阈值(Imin)以下，则电流限制强度减小，其中
所述第一电流阈值位于额定传输电流以下。
14.一种DC电网(100)，包括经由DC线路(115)而互连的多个AC/DC转换器(105)，其中
所述DC电网凭借至少一个电流限制系统(500)而分成至少两个区(300)，所述电流限制系统(500)包括电流限制器(205)和用于控制所述电流限制器的电流限制强度的控制系统(502)，所述DC电网采用一定方式而划分，使得电流限制器在通过其两个区而互连的所述一个或多个DC线路中的每个(115z)中串联连接；
电流限制系统的电流限制器包括串联连接的独立可控的断路器段(400)，其中断路器段包括
并联连接的非线性电阻器(410)和关断型半导体开关(405)；
电流限制系统的控制系统包括布置成测量通过所述电流限制器的电流的测量装置(505)；
所述控制系统能操作成：
检测(603；605)故障；并且响应于检测故障而：
采用一定方式来调整(610，640)所述电流限制器的电流限制强度，使得
如果通过所述断路器的电流超出第一电流阈值(Imax)，则所述电流限制强度增加；并且如果通过所述断路器的电流在第二电流阈值(Imin)以下，则电流限制强度减小。
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