CN105052031A - 高压直流(hvdc)转换器系统及其操作方法 - Google Patents

高压直流(hvdc)转换器系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

高压直流(HVDC)转换器系统包括至少一个线路换向转换器(LCC)和至少一个电流控制转换器(CCC)。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个交流(AC)导管，并且串联耦合到至少一个直流(DC)导管。至少一个LCC配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。至少一个电流控制转换器(CCC)配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。

Description

高压直流 (HVDC) 转换器系统及其操作方法
关于联邦资助研发声明
本发明根据高级研究计划局－能源(ARPA-E)授予的合同号DE-AR0000224以政府支持进行。政府在本发明中可具有某些权利。
技术领域
本发明的领域一般涉及高压直流(HVDC)传输系统，以及更具体来说涉及HVDC转换器系统及其操作方法。
背景技术
已知电力生成设施的至少一部分物理上定位在边远地理区域中或者物理访问是困难的区域中。一个示例包括电力生成设施，其在地理上位于离消耗装置延长距离的崎岖和/或边远地带、例如多山山地以及海上、例如海上风力涡轮机装备。更具体来说，这些风力涡轮机可在物理上共同安置在公共地理区域中，以形成风力涡轮机场，并且电耦合到公共交流(AC)集电器系统。这些已知风力涡轮机场的许多包括分隔电力转换组合件或系统，其电耦合到AC集电器系统。这类已知的分隔电力转换组合件包括：整流器部分，其将电力生成设施所生成的AC转换成直流(DC)；以及逆变器，其将DC转换成预定频率和电压幅度的AC。分隔电力转换组合件的整流器部分定位成紧邻关联电力生成设施，以及分隔全电力转换组合件的逆变器部分定位在远程设施、例如基于陆地的设施中。这类整流器和逆变器部分通常经由水下高压直流(HVDC)电力电缆(其至少部分定义HVDC传输系统)电连接。
许多已知电力转换器系统包括整流器，其包括线路换向转换器(LCC)。基于LCC的整流器通常将晶闸管用于换向，以便通过激发角控制（firing angle control）对三相AC电压进行“削波”，以生成可变DC输出电压。晶闸管的换向要求稳性、即基本上不变的电网电压。因此，对于没有稳性AC电网的那些区域，无法使用具有这类整流器的转换器。另外，使用这种HVDC传输系统的“黑启动”是不可能的。此外，这类已知基于晶闸管的整流器要求从AC电网到晶闸管的大量无功功率传输，其中一些无功功率要求表示整流器的额定功率的大约50%至60%。此外，基于晶闸管的整流器促进来自AC电网的谐波电流、例如11次和13次谐波的有效传输，这类谐波电流通常大约为11次和13次谐波的每个的当前电流荷载的10%。因此，为了补偿谐波电流和无功功率，大AC滤波器安装在关联AC开关场中。在一些已知开关场中，AC滤波器部分的大小为关联基于晶闸管的整流器部分的大小的至少3倍。开关场的这种AC滤波器部分因所要求的陆地以及所安装的大设备量而是资本密集的。另外，更换部件以及预防和校正维护活动中的相当大的投资增加操作成本。
另外，整流器中的许多已知晶闸管在每线性周期仅切换一次。因此，这类基于晶闸管的整流器呈现操作动态特性，其对于生成平滑波形不是最理想的。另外，已知基于晶闸管的LCC通常耦合到变压器，并且这类变压器以提高额定值来构成，以适应通过关联LCC的无功功率和谐波电流传输。此外，对于包括基于晶闸管的整流器的AC侧和DC侧的任一侧上的瞬变或故障的那些条件，电力换向的中断可产生。
发明内容
在一个方面，提供一种高压直流(HVDC)转换器系统。高压直流(HVDC)转换器系统包括至少一个线路换向转换器(LCC)和至少一个电流控制转换器(CCC)。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个交流(AC)导管，并且串联耦合到至少一个直流(DC)导管。至少一个LCC配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。至少一个电流控制转换器(CCC)配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。
在另一方面，提供一种传送高压直流(HVDC)电力的方法。该方法提供至少一个线路换向转换器(LCC)，其配置成将多个交流(AC)电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节直流(DC)电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。该方法还包括提供至少一个电流控制转换器(CCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个AC导管，并且串联耦合到至少一个DC导管。该方法还包括将AC电流和DC电流中的至少一个传送给至少一个LCC和至少一个CCC。该方法还包括定义跨具有至少一个LCC的HVDC传输系统的预定电压差。该方法还包括控制通过具有至少一个CCC的HVDC传输系统所传送的电流的值。
在另一方面，提供一种高压直流(HVDC)传输系统。该HVDC传输系统包括至少一个交流(AC)导管和至少一个直流(DC)导管。该系统还包括多个HVDC传输导管，其耦合到至少一个DC导管。该系统还包括HVDC转换器系统。该HVDC转换器系统包括至少一个线路换向转换器(LCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及仅沿一个方向传送的DC电流。该HVDC转换器系统还包括至少一个电流控制转换器(CCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。至少一个LCC和至少一个CCC并联耦合到至少一个AC导管，并且串联耦合到至少一个DC导管。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括：
图1是示范高压直流(HVDC)传输系统的示意图；
图2是可与图1所示HVDC传输系统配合使用的示范整流器部分的示意图；
图3是可与图2所示整流器部分配合使用的示范HVDC整流器装置的示意图；
图4是可与图2所示整流器部分配合使用的示范HVDC电流控制转换器(CCC)的示意图；
图5是可与图1所示HVDC传输系统配合使用的示范逆变器部分的示意图；
图6是可与图5所示逆变器部分配合使用的示范HVDC逆变器装置的示意图；
图7是可与图1所示HVDC传输系统配合使用的示范黑启动配置的示意图；
图8是图1所示HVDC传输系统的一示范备选实施例的示意图；以及
图9是图1所示HVDC传输系统的另一个示范备选实施例的示意图。
除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本发明的关键发明特征。这些关键发明特征被认为可适用于包括本发明的一个或多个实施例的大量系统。因此，附图不是意在包括本领域的技术人员已知的实施本发明所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参照定义成具有下列含意的多个术语。
单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。
本文所使用的近似语言在本说明书和权利要求书中通篇可适用于修饰可准许改变的任何定量表示，而没有引起与其相关的基本功能的变化。相应地，通过诸如“大约”和“基本上”之类的一个或多个术语所修改的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的准确度。在这里并且在整个说明书和权利要求书中，范围限制可经过组合和/或互换，这类范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另加说明。
如本文所使用的术语“黑启动”表示从电力生成设施外部的源向地理上隔离的位置中的至少一个电力生成设施提供电力。当电力生成设施中不存在使用中的发电机并且地理上隔离的电力生成设施中不存在其他电力源以促进其中的至少一个发电机的重启时，黑启动条件被认为存在。
图1是示范高压直流(HVDC)传输系统100的示意图。HVDC传输系统100将交流(AC)电力生成设施102耦合到输电和配电网104。电力生成设施102可包括一个电力生成装置101，例如一个风力涡轮发电机。备选地，电力生成设施102可包括多个风力涡轮发电机(均未示出)，其可至少部分在地理上和/或电气上编组，以定义可再生能量生成设施、即风力涡轮机场(未示出)。这种风力涡轮机场可通过特定地理区域中的多个风力涡轮发电机来定义，或者备选地通过各风力涡轮发电机与公共变电站的电气连通性来定义。另外，这种风力涡轮机场可物理上定位在边远地理区域中或者物理访问是困难的区域中。非限制性地例如，这种风力涡轮机场可地理上位于离消耗装置延长距离的崎岖和/或边远地带、例如多山山地以及海上、例如海上风力涡轮机装备中。此外，备选地，电力生成设施102可包括任何类型的电力生成系统，包括例如太阳能电力生成系统、燃料电池、热力发电机、地热发电机、水力发电机、柴油发电机、汽油发电机和/或从可再生和/或不可再生能量源来生成电力的任何其他装置。电力生成装置101耦合在AC集电器103。
HVDC传输系统100包括分隔电力转换系统106。分隔电力转换系统106包括整流器部分108，其电耦合到电力生成设施102。整流器部分108从电力生成设施102接收三相正弦交流(AC)电力，并且将三相正弦AC电力整流成预定电压的直流(DC)电力。
分隔电力转换系统106还包括逆变器部分110，其电耦合到输电和配电网104。逆变器部分110接收从整流器部分108所传送的DC电力，并且将DC电力转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电力。在本示范实施例中并且如以下进一步论述，整流器部分108和逆变器部分110基本上相似，以及取决于控制模式，它们在操作上是可互换的。
整流器部分108和逆变器部分110通过多个HVDC传输导管112和114电耦合。在本示范实施例中，HVDC传输系统100包括单极配置，以及导管112保持在正电极电位，而导管114保持在基本上中性或者地电位。备选地，HVDC传输系统100可具有双极配置，如以下进一步论述。HVDC传输系统100还包括多个DC滤波器116，其耦合在导管112与114之间。
HVDC传输导管112和114包括任何数量和配置的导体、非限制性地例如电缆、管道系统和母线，其由实现如本文所述HVDC传输系统100的操作的任何材料来制造。在至少一些实施例中，HVDC传输导管112和114的部分至少部分是水下的。备选地，HVDC传输导管112和114的部分贯穿地理上崎岖和/或边远地带、例如多山山地。此外，备选地，HVDC传输导管112和114的部分贯穿可包括数百公里(英里)的距离。
在本示范实施例中，整流器部分108包括整流器线路换向转换器(LCC)118，其耦合到HVDC传输导管112。整流器部分108还包括整流器电流控制转换器(CCC)120，其耦合到整流器LCC 118和HVDC传输导管114。CCC 120配置成生成正或负输出电压。整流器部分108还包括整流器LCC变压器122，其使从电力生成设施102所接收的电压升压或降压。变压器122包括一组一次绕组124和两组基本上相似的二次绕组126。第一变压器118通过多个第一AC导管128(仅示出一个)耦合到电力生成设施102。
类似地，在本示范实施例中，逆变器部分110还包括逆变器LCC 130，其耦合到HVDC传输导管112。逆变器部分110还包括逆变器CCC 132，其耦合到逆变器LCC 130和HVDC传输导管114。逆变器LLC 130与整流器LCC 118基本上相似，以及逆变器CCC 132与整流器CCC 120基本上相似。
逆变器部分110还包括逆变器LCC变压器134，其使传送给电网104的电压降压或升压。变压器134包括一组一次绕组136和两组基本上相似的二次绕组138。逆变器LCC变压器134通过多个第二AC导管140(仅示出一个)和AC集电器141来耦合到电网104。在示范实施例中，变压器122和134具有星形-三角形配置。逆变器LCC变压器134与整流器LCC变压器122基本上相似。备选地，整流器LCC变压器122和逆变器LCC变压器134是具有任何配置的任何类型的变压器，其实现如本文所述HVDC传输系统100的操作。
图2是HVDC传输系统100(图1所示)的整流器部分108的示意图。在本示范实施例中，一次绕组124通过第一AC导管128耦合到电力生成设施102。整流器CCC 120通过整流器CCC导管142耦合到电力生成设施102与一次绕组124之间的第一AC导管128。因此，整流器CCC 120和整流器LCC 118与电力生成设施1002并联耦合。此外，整流器CCC 120和整流器LCC 118通过DC导管144相互串联耦合。
另外，在本示范实施例中，整流器LCC 118包括多个HVDC整流器装置146(仅示出两个)，其通过DC导管148相互串联耦合。HVDC整流器装置146的每个通过多个AC导管150(图2中仅示出一个)和串联电容装置152并联耦合到二次绕组126其中之一。至少一个HVDC整流器装置146通过HVDC导管154和电感装置156来耦合到HVDC传输导管112。另外，至少一个HVDC整流器装置146通过DC导管144串联耦合到整流器CCC 120。
图3是可与整流器部分108(图2所示)以及更具体来说与整流器LCC 118(图2所示)配合使用的示范HVDC整流器装置146的示意图。在示范实施例中，HVDC整流器装置146是基于晶闸管的装置，其包括多个晶闸管158。备选地，HVDC整流器装置146使用实现如本文所述整流器LCC 118、整流器部分108和HVDC传输系统100(图1所示)的操作的任何半导体装置，非限制性地包括绝缘栅换向晶闸管(IGCT)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
再次参照图2，整流器CCC 120和整流器LCC 118按照级联串联配置耦合在HVDC传输导管112和114之间。此外，跨整流器LCC 118感应电压VR-DC-LCC，跨整流器CCC 120感应电压VR-DC-CCC，以及将VR-DC-LCC和VR-DC-CCC相加，以定义VR-DC、即HVDC传输导管112与114之间由整流器部分108所感应的总DC电压。此外，通过整流器LCC 118来吸取电流IR-AC-LCC，通过整流器CCC 120来吸取电流IR-AC-CCC，以及将IR-AC-LCC和IR-AC-CCC相加，以定义从电力生成设施102所吸取的净电流(AC)、即IR-AC。第一AC导管128工作在如电力生成设施102所感应的AC电压VR-AC。
此外，在本示范实施例中，整流器LCC 118配置成转换和传送HVDC传输系统100的总有功AC功率额定值的大约85%和大约100%之间的范围之内的有功AC功率。LCC 118将多个AC电压、即VR-AC和电流、即IR-AC-LCC转换成正极性或负极性其中之一的经调节DC电压、即VR-DC-LCC以及仅沿一个方向传送的DC电流。
此外，在本示范实施例中，整流器CCC 120配置成转换和传送HVDC传输系统100的总有功AC功率额定值的大约0%和大约15%之间的范围之内的有功AC功率。CCC 120将多个AC电压、即VR-AC和电流、即IR-AC-LCC转换成正极性或负极性其中之一的经调节DC电压、即VR-DC-CCC以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。
整流器LCC 118和整流器CCC 120均单独配置成生成和传送由整流器部分108所生成的全部净电流(DC)、即额定IR-DC。另外，整流器CCC 120配置成控制其输出DC电压—基于电力流的方向为正或负—一直到VR-DC的大约15%，以促进IR-DC的控制。此外，整流器CCC 120促进AC电流谐波、例如11次和13次谐波的有效滤波，并且对于从电力生成设施102所传送的电力一直到整流器部分108的无功功率额定值的大约10%。
此外，在本示范实施例中，HVDC整流器装置146的晶闸管158(图3所示)配置成以≤ 5˚的激发角α进行操作。如本文所使用的术语“激发角”表示沿晶闸管158的自然激发时刻的点与晶闸管158实际被触发成导通的点、即换向角之间的360°正弦波形的单位为度的角差。关联激发滞后促进通过晶闸管158所传送的电流与晶闸管158所感应的电压之间的关联滞后。因此，HVDC整流器装置146并且因此整流器部分108和分隔电力转换系统106(均在图1中示出)不是无功功率的消耗装置。所消耗的无功功率量是激发角α的函数，即，随着激发角α增加，所消耗的无功功率增加。另外，所感应电压的幅值也是激发角α的函数，即，随着激发角α增加，所感应电压的幅值增加。
因此，在本示范实施例中，VR-DC-LCC表示比VR-DC-CCC要大许多的VR-DC的百分比，即分别与大约15%或以下相比的大约85%或更高，并且随后整流器LCC 118的无功功率消耗减小到充分低值，即，小于整流器LCC 118的额定功率的20%。另外，整流器LCC 118配置成在DC故障或DC瞬变的情况下快速降低VR-DC。
此外，在本示范实施例中，整流器LCC 118配置成建立传输电压，使得VR-DC-LCC基本等于逆变器(图1所示)处的VI-DC-LCC(图2中未示出，以下进一步论述)。在一些实施例中，整流器LCC变压器122具有一次绕组124与二次绕组126的匝比值，使得VR-DC-LCC基本上等于在HVDC逆变器部分110的感应的VI-DC值(图2中未示出，以下进一步论述)。此外，整流器CCC 120配置成调节VR-DC-CCC，使得整流器CCC 120对基本上通过HVDC传输系统100的电流传输的操作值的总体范围有效地调节IR-DC。因此，电力指令、即电气分派命令可通过耦合到整流器CCC 120的控制系统(未示出)来实现。
另外，在本示范实施例中，各串联电容装置152通过促进整流器LCC 118的激发角α的甚至更低值、包括需要时的负值，来促进整流器CCC 120的预定无功功率额定值的降低。整流器CCC 120的总额定功率降低，这促进减小整流器部分108的大小和成本。此外，各串联电容装置152中的积聚电荷促进换向穿越，即，在短期AC侧和/或DC侧电瞬变的情况下的短期换向故障的电位的降低。因此，整流器LCC 118促进激发角α的调节。
整流器LCC 118还包括开关装置160，其与各关联HVDC整流器装置146并联耦合。在本示范实施例中，手动和本地操作开关装置160以闭合，以便绕过关联HVDC整流器装置146。备选地，可远程操作开关装置160。
此外，从第一AC导管128和/或AC集电器103向电力生成设施102的多个辅助负载(未示出)供电。这类辅助负载可包括风力涡轮机支持设备，非限制性地包括叶片间距驱动马达、轴承润滑驱动马达、太阳能阵列阳光跟随驱动马达和涡轮机润滑油泵(均未示出)。因此，这些辅助负载通常采用由发电机101的至少一个所生成的电力的一部分、通过第一AC导管128和/或AC集电器103来供电。
图4是可与整流器部分108(图2所示)配合使用的示范HVDC电流控制转换器(CCC)120的示意图。整流器CCC 120包括多个级联AC/DC单元162。AC/DC单元162包括实现如本文所述CCC 120的操作的任何半导体装置，非限制性地包括可控硅整流器(SCR)、门极换向晶闸管(GCT)、对称门极换向晶闸管(SGCT)和门极关断晶闸管(GTO)。
AC/DC单元经过设置和级联，以实现如本文所述整流器CCC 120、整流器部分108和HVDC传输系统100(图1所示)的操作。每个AC/DC单元162包括第一AC-DC整流器部分164、第一DC环节166、DC-AC逆变器168、链接变压器170、第二AC-DC整流器部分172、第二DC环节174和DC-DC电压调节器176，其全部串联耦合。在本示范实施例中，DC-DC电压调节器176是软开关转换器，其按照与DC-DC变压器相似的方式工作在固定频率和占空比。备选地，DC-DC电压调节器176是实现如本文所述整流器CCC 120的操作的任何装置。每个AC/DC单元162接收在整流器CCC导管142上感应的VR-AC的一部分。AC/DC单元162的级联和交织配置促进第一AC-DC整流器部分164处的较低AC电压，使得也促进VR-CCC的更精细控制。在一些实施例中，取决于VR-AC的值，整流器CCC 120可包含在整流器CCC导管142的降压变压器(未示出)，以促进降低AC/DC单元162的额定电压。另外，在一些实施例中，取决于VR-AC的值，整流器CCC 120可包含在整流器CCC导管142的升压变压器(未示出)，以促进增加AC/DC单元162的额定电压。
图5是可与HVDC传输系统100(图1所示)配合使用的示范逆变器部分110的示意图。一般来说，整流器部分108和逆变器部分110具有基本上相似的电路架构。在本示范实施例中，一次绕组136通过第二AC导管140耦合到输电和配电网104。逆变器CCC 132通过逆变器CCC导管182耦合到电网104与一次绕组136之间的第二AC导管140。因此，逆变器CCC 132和逆变器LCC 130与电网104并联耦合。此外，逆变器CCC 132和逆变器LCC 130通过DC导管184相互串联耦合。
另外，在本示范实施例中，逆变器LCC 130包括多个HVDC逆变器装置186(仅示出两个)，其通过DC导管188相互串联耦合。HVDC逆变器装置186与HVDC整流器装置146(图2所示)基本上相似。HVDC逆变器装置186的每个通过多个AC导管190(图5中仅示出一个)和串联电容装置192并联耦合到二次绕组136其中之一。至少一个HVDC逆变器装置186通过HVDC导管194和电感装置196来耦合到HVDC传输导管112。另外，至少一个HVDC逆变器装置196通过DC导管184串联耦合到逆变器CCC 132。
图6是可与逆变器部分110(图5所示)以及更具体来说与逆变器LCC 130(图5所示)配合使用的示范HVDC逆变器装置186的示意图。在示范实施例中，HVDC逆变器装置186是基于晶闸管的装置，其包括与晶闸管158(图3所示)基本上相似的多个晶闸管198。备选地，HVDC逆变器装置186使用实现如本文所述逆变器LCC 130、逆变器部分110和HVDC传输系统100(图1所示)的操作的任何半导体装置，非限制性地包括绝缘栅换向晶闸管(IGCT)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。按照与促进晶闸管158的激发角α的调节的整流器LCC 118相似的方式，逆变器LCC 130促进恒定衰减角（exticntion angle）控制。
再次参照图5，逆变器CCC 132和逆变器LCC 130按照级联串联配置耦合在HVDC传输导管112和114之间。此外，跨逆变器LCC 130感应电压VI-DC-LCC，跨逆变器CCC 132感应电压VI-DC-CCC，以及将VI-DC-LCC和VI-DC-CCC相加，以定义VI-DC、即HVDC传输导管112与114之间由逆变器部分110所感应的总DC电压。此外，电流II-AC-LCC由逆变器LCC 130来生成，电流IR-AC-CCC由逆变器CCC 132来生成，以及将II-AC-LCC和II-AC-CCC相加，以定义传送给电网104的净电流(AC)、即II-AC。第二AC导管140工作在如电网104所感应的AC电压VI-AC。
此外，在本示范实施例中，逆变器LCC 130配置成转换和传送HVDC传输系统100的总有功功率额定值的大约85%和大约100%之间的范围之内的有功功率。此外，逆变器CCC 132配置成转换和传送HVDC传输系统100的总有功功率额定值的大约0%和大约15%之间的范围之内的有功功率。
逆变器LCC 130还包括开关装置160，其与各关联HVDC逆变器装置186并联耦合。在本示范实施例中，手动和本地操作开关装置160以闭合，以便绕过使关联HVDC逆变器装置186。备选地，可远程操作开关装置160。
在本示范实施例中，逆变器CCC 132向电网104提供无功功率、即逆变器部分110的无功功率额定值的大约10%，以将电网功率因数控制为一或其他值。另外，逆变器CCC 132与整流器CCC 120(图1和图2所示)协作，以充分控制谐波电流到电网104的传输。具体来说，能够具有高达额定电流的大约10%的那些有效、即主谐波电流、例如11次和13次谐波显著降低，同时将如传送给电网104的电网电流、即II-AC的总谐波失真(THD)保持为低于按电网标准的最大THD。因此，CCC 120和132基本上消除对大滤波装置和设施的需要。但是，备选地，可要求某种滤波，并且滤波器(图2和图5中未示出)可分别安装在关联AC集电器103和141，以缓解通过CCC 120和132未补偿的残余高频谐波电流，以满足一般电话干扰规范和/或系统规范。
参照图1至图6，在正常电力生成操作期间，电力生成设施102通过发电机101来生成电力，其包括正弦三相AC。由电力生成设施102所生成的电力采用电流IR-AC和电压VR-AC来传送给AC集电器103和第一AC导管128。IR-AC的大约85%至大约100%通过整流器LCC变压器122来传送给整流器LCC 118，以定义IR-AC-LCC。此外，IR-AC的大约0%至大约15%通过整流器CCC导管142来传送给整流器CCC 120，以定义IR-AC-CCC。
另外，在正常电力生成操作期间，IR-AC-LCC通过关联串联电容装置152在两个AC导管150之间大致相等地分到每个HVDC整流器装置146。开关装置160断开，并且晶闸管158以小于5°的激发角α进行操作。关联激发滞后促进通过晶闸管158所传送的电流与晶闸管158所感应的电压之间的关联滞后。各关联串联电容装置152促进建立激发角α的这类低值。这促进降低整流器LCC 118的无功功率消耗。感应VR-DC-LCC。
此外，在正常电力生成操作期间，整流器CCC 120感应电压VR-DC-CCC。将VR-DC-CCC和VR-DC-LCC串联相加，以定义VR-DC。VR-DC-LCC表示比VR-DC-CCC要大许多的VR-DC的百分比，即，分别与大约15%或更低相比的大约85%或更高。串联耦合的整流器LCC 118和整流器CCC 120均传送IR-DC的全部。
由于VR-DC-LCC表示比VR-DC-CCC要大许多的VR-DC的百分比，所以在正常电力生成操作期间，整流器118有效地建立传输电压VR-DC。在本示范实施例中，整流器LCC 118建立传输电压，使得VR-DC-LCC近似等于逆变器LCC 130处的VI-DC-LCC。整流器LCC 118以充分低值、即小于整流器LCC 118的额定功率的20%来消耗来自电力生成设施102的无功功率。另外，整流器LCC 118在DC故障或DC瞬变的情况下快速降低VR-DC。
另外，由于整流器CCC 120在正常电力生成操作期间工作在VR-DC的大约15%或更低的DC电压，整流器CCC 120改变VR-DC-CCC，并且调节整流器CCC 120，使得整流器CCC 120对基本上通过HVDC传输系统100的电流传输的操作值的总体范围有效地调节IR-DC。因此，电力指令、即电气分派命令通过耦合到整流器CCC 120的控制系统(未示出)来实现。此外，整流器CCC 120促进AC电流谐波的有效滤波。
此外，在正常电力生成操作期间，整流器部分108将电力从正弦三相AC电力整流成DC电力。DC电力通过HVDC传输导管112和114传送给逆变器部分110，其将DC电力转换成具有预定电压、电流和频率的三相正弦AC电力，供进一步传送到输电和配电网104。
更具体来说，IR-DC通过HVDC传输导管112和114传送给逆变器部分110，使得在逆变器LCC 130接收电流II-DC。此外，电压VI-DC-LCC由逆变器LCC 130来生成，电压VI-DC-CCC跨逆变器CCC 132来生成，以及将VI-DC-LCC和VI-DC-CCC相加，以定义VI-DC。
此外，将II-AC-LCC分为两个基本上相等部分，其通过HVDC逆变器装置186、关联串联电容装置192、AC导管190和逆变器LCC变压器134来传送，以生成AC电流II-AC-LCC，其被传送给第二AC导管140。电流IR-AC-CCC由逆变器CCC 132来生成，并且通过逆变器CCC导管182来传送。将II-AC-LCC和II-AC-CCC相加，以定义II-AC，其通过第二AC导管140(其工作在如电网104所感应的AC电压VI-AC)来传送。电流II-AC-LCC为II-AC的大约85%至100%，以及AC电流IR-AC-CCC为II-AC的大约0%至15%。
此外，在正常电力生成操作期间，逆变器CCC 132向电网104提供无功功率、即逆变器部分110的无功功率额定值的大约10%，以将电网功率因数控制为一或其他值。另外，逆变器CCC 132与整流器CCC 120协作，以充分控制谐波电流到电网104的传输。具体来说，能够具有高达额定电流的大约10%的那些有效、即主谐波电流、例如11次和13次谐波显著降低，同时将如传送给电网104的电网电流、即II-AC的总谐波失真(THD)保持为低于按电网标准的最大THD。因此，CCC 120和132基本上消除对大滤波装置和设施的需要。此外，对于小电网侧或DC侧瞬变，CCC 120和132促进DC线路电流IR-DC和II-DC的健壮控制。
一般来说，在稳态正常电力生成操作期间，通过系统100从电力生成设施102到电网104的电力流沿与IR-DC和II-DC关联的方向。在这类情况下，整流器LCC 118建立近似等于DC传输电压VR-DC的DC电压，整流器CCC 120控制DC电流、即IR-DC的生成和传输，逆变器LCC 130按照与整流器LCC 118相似的方式通过建立近似等于DC传输电压VR-DC的DC电压进行控制，以及逆变器CCC 132基本上是休眠的。当整流器CCC 120接近其预定额定值时，逆变器CCC 132开始恢复IR-DC的控制。另外，在HVDC传输系统100中的DC故障的情况下，整流器LCC 118从整流操作转移到逆操作，以促进电力到设施102的连续性。
但是，在本示范实施例中，整流器部分108和逆变器部分110均是双向的。例如，对于没有发电机在设施102中正使用时的那些周期，电力通过系统100从电网104传送给设施102，以向辅助设备供电，其可用来促进设施102中的发电机的重启，并且在重启之前的过渡期间将关联设备保持为操作。基于电力流的方向，整流器CCC 120或逆变器CCC 132的任一个控制DC线路电流IR-DC和II-DC。
图7是可与HVDC传输系统100配合使用的示范黑启动配置200的示意图。在本示范实施例中，黑启动流程路径202定义成通过逆变器CCC 132、逆变器LCC 130中的开关装置160、HVDC传输导管112、整流器LCC 118中的开关装置160和整流器CCC 120从电网104到电力生成设施102中的AC集电器103。
在本示范实施例中，整流器部分108和逆变器部分110均是双向的。例如，对于没有发电机在设施102中正使用时的那些周期，电力通过系统100从电网104传送给设施102，以向辅助设备供电，其可用来促进设施102中的发电机的重启，并且在重启之前的过渡期间将关联设备保持为操作。基于电力流的方向，整流器CCC 120或逆变器CCC 132的任一个控制DC线路电流IR-DC和II-DC。
在黑启动操作中，HVDC传输系统100以电网104与设施102之间基本上大多数装置基本上断电开始。变压器134和122分别与电网104和设施102电隔离。本地或远程闭合开关装置160，由此定义路径202的一部分，其绕过变压器134和122、HVDC逆变器装置186以及HVDC整流器装置146，并且将CCC 132和120与HVDC导管112直接耦合。
另外，在黑启动操作中，逆变器CCC 132通过开关装置160和HVDC导管112采用DC电力对整流器CCC 120进行充电。具体来说，电网104在电压VI-AC向逆变器CCC 132提供电流II-AC。逆变器CCC 132感应电压VI-DC-CCC，并且将HVDC导管112和整流器CCC 120充电到预定电压、即VI-DC-CCC。一旦建立电压VI-DC-CCC，电流II-DC-CCC通过HVDC导管112从逆变器CCC 132传送给整流器CCC 120。整流器CCC 120按照与静态同步补偿AC调节装置、即STATCOM相似的方式在AC集电器103建立三相AC电压VR-AC。电流II-DC-CCC通过HVDC传输系统100来传送，以作为IR-AC到达设施102，如箭头204所示。一旦充分AC电力已经恢复到设施102以促进设备操作的基本水平，LCC 118和130可恢复服务，使得建立小激发角α。CCC 120和132均可用来协调HVDC传输系统100中的DC电力的恢复。
图8是示范备选HVDC传输系统300的示意图。在本示范实施例中，系统300包括HVDC电压源转换器(VSC)302。VSC 302可以是任何已知VSC。非限制性地例如，HVDC VSC 302包括多个三相桥(未示出)，每个桥具有六个支路(未示出)。各支路包括与反并联二极管(未示出)并联、具有断-通特性的半导体装置(未示出)，例如晶闸管装置或IGBT。HVDC VSC 302还包括电容器组(未示出)，其促进增强对VSC 302的电压供应。VSC 302还包括多个滤波装置(未示出)，以对通过半导体装置的循环所生成的谐波进行滤波。HVDC传输系统300还包括整流器部分108，包括LCC 118和CCC 120。在本示范实施例中，逆变器部分110(图1所示)采用VSC 302来取代。备选地，可使用逆变器部分110，并且可采用VSC 302来取代整流器部分108。
在操作中，LCC 118和CCC 120如上所述进行操作。但是，VSC 302没有控制DC故障电流的特征和能力。但是，VSC 302能够在很大程度上提供无功功率，并且能够按照与CCC 120相似的方式执行谐波电流控制。以上所述并且在图8中所示的情形例如适合于海上生成，其中LCC整流器118不要求强AC电网，但是可要求黑启动能力，而陆上VSC站302(其将HVDC连接到电网104)不要求强电网电压支持，使得VSC 302可令人满意地表现。
图9是示范备选HVDC传输系统400的示意图。系统400是双极系统，其包括具有备选整流器部分408的备选HVDC转换器系统406，备选整流器部分408包括按照与第二整流器LCC 419和第二整流器CCC 421的对称关联所耦合的第一整流器LCC 418和第一整流器CCC 420。系统400还包括备选逆变器部分(未示出)，其配置与整流器部分408基本上相似，因为整流器部分108和逆变器部分110(均在图1中示出)基本上相似。在这个备选示范实施例中，整流器部分408通过双极HVDC传输导管系统450(其包括正导管452、中性导管454和负导管456)耦合到逆变器部分。
在操作中，系统400提供高于系统100(图1所示)的增加电力传输额定值，同时促进相似电压绝缘水平。与LCC 418和419以及导管452和456相比，CCC 420和421定位在LCC 418与419之间，以促进CCC 420和421工作在较低DC电位。另外，在导管452和456其中之一的故障的情况下，系统400的至少一部分可保持在使用中。这种条件包括系统400工作在采用一个相关LCC/CCC对、使用中的中性导管454以及使用中的导管452和456其中之一所额定的大约50%。
上述混合HVDC传输系统提供用于传送HVDC电力的节省成本方法。本文所述的实施例促进在相互远离的AC设施与AC电网之间传送HVDC电力。具体来说，本文所述的装置、系统和方法促进实现远程AC设施、例如海上风力田的黑启动。另外，本文所述的装置、系统和方法促进降低关联转换器系统的无功功率要求，同时还提供补充无功功率传输特征。具体来说，本文所述的装置、系统和方法包括使用LCC中的串联电容器来减小关联晶闸管的激发角，由此促进关联逆变器以换向角的极低值的操作。串联电容器还促进降低关联CCC的额定值，降低在AC侧或在C侧瞬变和/或故障的情况下的晶闸管的换向故障的可能性，与CCC协作以增加晶闸管的换向角。此外，本文所述的装置、系统和方法促进显著减少并且潜在地消除昂贵大开关AC滤波器系统、电容器系统和无功功率补偿装置，由此促进减小关联系统的物理占用面积。具体来说，本文所述的装置、系统和方法补偿并且基本上消除主谐波、例如11次和13次谐波的传输。此外，本文所述的装置、系统和方法增强动态电力流控制和瞬态负载响应。具体来说，基于电力流的方面，本文所述的CCC控制DC线路电流，使得CCC调节电力流、包括提供电力流的健壮控制，使得适应对电力流瞬变的更快响应。此外，本文所述的LCC在DC侧故障的情况下快速降低DC环节电压。另外，本文所述的整流器和逆变器部分促进降低转换器变压器额定值以及对关联变压器进线套管的AC电压应力。
本文所述的方法、系统和设备的一个示范技术效果包括下列至少一个：(a) 实现远程AC电力生成设施、例如海上风力田的黑启动；(b) 降低关联转换器系统的无功功率要求；(c) 提供补充无功功率传输特征；(d) 降低关联晶闸管的激发角，由此(i) 促进关联逆变器以换向角的极低值的操作，(ii) 降低关联CCC的额定值，(iii) 降低在AC侧或DC侧瞬变和/或故障的情况下的晶闸管的换向故障的可能性，并且(iv) 与CCC协作，以增加晶闸管的换向角；(e) 显著减少并且潜在地消除昂贵大开关AC滤波器系统、电容器系统和无功功率补偿装置，由此减小关联HVDC传输系统的物理占用面积；(f) 补偿并且基本上消除主谐波、例如11次和13次谐波的传输；(g) 通过由CCC对电力流的健壮调节来增强动态电力流控制和瞬态负载响应；(h) 在DC侧故障的情况下使用本文所述的LCC来快速降低DC环节电压；以及(i) 降低转换器变压器额定值以及对关联变压器进线套管的AC电压应力。
以上详细描述用于耦合电力生成设施和电网的HVDC传输系统及其操作方法的示范实施例。HVDC传输系统、HVDC转换器系统以及操作这类系统的方法并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独且独立于本文所述的其他组件和/或步骤来使用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可与要求HVDC传输的其他系统和方法结合使用，而并不局限于仅采用如本文所述HVDC传输系统、HVDC转换器系统和方法的实施。示范实施例而是能够结合当前仅使用LCC的许多其他高电力转换应用、非限制性地例如多千瓦大小驱动应用以及其中可以不要求黑启动的背靠背连接来实现和利用。
虽然本发明的各个实施例的具体特征可在部分附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便起见。按照本发明的原理，可与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开本发明，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种高压直流(HVDC)转换器系统，包括：
至少一个线路换向转换器(LCC)，配置成将多个交流(AC)电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节直流(DC)电压以及仅沿一个方向传送的DC电流；以及
至少一个电流控制转换器(CCC)，配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流，其中所述至少一个LCC和所述至少一个CCC并联耦合到至少一个AC导管，并且串联耦合到至少一个DC导管。
2.如权利要求1所述的HVDC转换器系统，其中，所述至少一个LCC和所述至少一个CCC定义至少一个HVDC整流器装置和至少一个HVDC逆变器装置中的至少一个。
3.如权利要求2所述的HVDC转换器系统，其中，所述至少一个DC导管包括多个DC导管，所述至少一个LCC包括并联耦合到变压器以及串联耦合到所述多个DC导管的多个所述HVDC整流器装置和多个所述HVDC逆变器装置中的一个。
4.如权利要求3所述的HVDC转换器系统，其中，所述至少一个LCC还包括与所述多个HVDC整流器装置和所述多个HVDC逆变器装置中的所述一个的每个串联耦合的至少一个电容装置。
5.如权利要求2所述的HVDC转换器系统，其中，所述至少一个HVDC整流器装置和所述至少一个HVDC逆变器装置的每个并联耦合到至少一个开关装置。
6.如权利要求5所述的HVDC转换器系统，其中，所述至少一个CCC和所述至少一个开关装置至少部分定义黑启动电流传输路径。
7.如权利要求1所述的HVDC转换器系统，还包括至少一个电压源转换器(VSC)，其中所述至少一个LCC和所述至少一个CCC定义耦合到所述VSC的至少一个HVDC整流器部分和至少一个HVDC逆变器部分其中之一。
8.如权利要求1所述的HVDC转换器系统，其中，所述至少一个CCC包括下列之一：
单个CCC，与多个HVDC整流器装置和多个HVDC逆变器装置其中之一串联耦合，由此定义单极配置；以及
多个CCC，与多个HVDC整流器装置和多个HVDC逆变器装置其中之一串联耦合，由此定义双极配置。
9.一种传送高压直流电流(HVDC)电力的方法，所述方法包括：
提供至少一个线路换向转换器(LCC)，其配置成将多个交流(AC)电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节直流(DC)电压以及仅沿一个方向传送的DC电流；
提供至少一个电流控制转换器(CCC)，其配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流，其中所述至少一个LCC和所述至少一个CCC并联耦合到至少一个AC导管，并且串联耦合到至少一个DC导管；
将AC电流和DC电流中的至少一个传送给所述至少一个LCC和所述至少一个CCC；
定义跨具有所述至少一个LCC的HVDC传输系统的预定电压差；以及
控制通过具有所述至少一个CCC的所述HVDC传输系统所传送的电流的值。
10.如权利要求9所述的方法，还包括感应跨所述LCC的第一DC电压，包括：
感应跨HVDC整流器装置中的第一LCC的第一DC电压；以及
感应跨HVDC逆变器装置中的第二LCC的第二电压，其中所述第二电压具有与所述第一电压的值基本上相似的值。
11.如权利要求9所述的方法，其中，定义跨HVDC传输的预定电压差包括：
感应跨至少一个LCC的第一DC电压；以及
感应跨所述至少一个CCC的第二DC电压，其中将所述第一DC电压和所述第二DC电压相加，以定义跨所述HVDC传输系统的所述预定电压差。
12.如权利要求9所述的方法，其中，向至少一个CCC传送AC和DC中的至少一个包括控制无功功率和谐波电流中的至少一个的传输。
13.如权利要求9所述的方法，还包括：
经受耦合到所述HVDC传输系统的AC系统的至少一部分中的黑条件；以及
闭合绕过所述至少一个LCC的至少一个开关，由此建立通过所述HVDC传输系统的至少一部分的黑启动AC传输路径。
14.如权利要求13所述的方法，其中，建立黑启动AC传输路径包括：
建立通过逆变器装置的CCC和整流器装置的CCC的所述黑启动AC传输路径；以及
感应所述AC系统的至少一部分中的三相电压电位。
15.一种高压直流(HVDC)传输系统，包括：
至少一个交流(AC)导管；
至少一个直流(DC)导管；
耦合到所述至少一个DC导管的多个HVDC传输导管；以及
HVDC转换器系统，包括：
至少一个线路换向转换器(LCC)，配置成将多个交流(AC)电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节直流(DC)电压以及仅沿一个方向传送的DC电流；以及
至少一个电流控制转换器(CCC)，配置成将多个AC电压和电流转换成正和负极性其中之一的经调节DC电压以及沿两个方向其中之一传送的DC电流，其中所述至少一个LCC和所述至少一个CCC并联耦合到所述至少一个AC导管，并且串联耦合到所述至少一个DC导管。
16.如权利要求15所述的HVDC传输系统，其中，所述至少一个LCC和所述至少一个CCC定义至少一个HVDC整流器装置和至少一个HVDC逆变器装置中的至少一个。
17.如权利要求16所述的HVDC传输系统，还包括至少一个变压器，其中所述至少一个DC导管包括多个DC导管，所述至少一个LCC包括并联耦合到变压器以及串联耦合到所述多个DC导管的多个所述HVDC整流器装置和多个所述HVDC逆变器装置其中之一。
18.如权利要求16所述的HVDC传输系统，其中，所述至少一个HVDC整流器装置和所述至少一个HVDC逆变器装置的每个并联耦合到至少一个开关装置。
19.如权利要求18所述的HVDC传输系统，其中，所述至少一个CCC、所述多个HVDC传输导管和所述至少一个开关装置至少部分定义黑启动电流传输路径。
20.如权利要求15所述的HVDC传输系统，还包括至少一个电压源转换器(VSC)，其中所述至少一个LCC和所述至少一个CCC定义耦合到所述VSC的至少一个HVDC整流器部分和至少一个HVDC逆变器部分其中之一。
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