CN105210277B - 高压直流(hvdc)转换器系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种高压直流HVDC转换器系统(106)包括线路换向转换器(118、130)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。HVDC转换器系统(106)还包括降压转换器(120、132),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。LCC(118、130)和降压转换器(120、132)并联耦合到AC导管(128、140),并且串联耦合到DC导管(144、148)。HVDC转换器系统(106)还包括滤波装置(129、139),其通过AC导管(128、140)并联耦合到降压转换器。滤波装置(129、139)配置成将具有至少一个谐波频率的AC电流注入AC导管(128、140)中。

Description

高压直流(HVDC)转换器系统及其操作方法
技术领域
[0001]本公开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
[0002] 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)收集器系统。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收集器系统。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 fi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。
[0003]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(f ir ing ang 1 e)控制对三相AC电压进行 “斩波”,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ACi网到晶 闸管的大量无功功率传输,其中一些无功功率要求体现整流器的额定功率的大约5〇%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、例如丨丨次和丨3次谐波的大量 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。在一些己知开关场中,AC滤 波器部分的大小比关联基于晶闸管的整流器部分的大小要大至少3倍。开关场的这种从^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。
[0004]另外,整流器中的许多己知晶闸管在每线路周期仅切换一次。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,己知基于晶闸管 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侧和沉侧的任一侧上的 瞬变或故障的那些条件,电力换向的中断可产生。
发明内容 ^〇〇5]在一个方面,提供一种高压直流(HVDC)转换器系统。该高压直流(HVDC)转换器系 统包括至少一个线路换向转换器(LCC)和至少一个降压转换器。至少一个LCC和至少一个降 压转换器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。至少一个降压转换器配置成将多个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。HVDC转换器系统包 括至少一个滤波装置,其通过至少一个AC导管并联耦合到至少一个降压转换器。至少一个 滤波装置配置成将具有至少一个谐波频率的AC电流注入至少一个AC导管中。
[0006]在另一方面,提供一种传送高压直流(HVDC)电力的方法。该方法包括提供至少一 个线路换向转换器(LCC),并且将至少一个降压转换器通过至少一个AC导管并联地并且通 过至少一个DC导管串联地耦合到至少一个LCC。该方法还包括通过至少一个AC导管将至少 一个滤波装置并联耦合到至少一个降压转换器。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。该方法还包括将具有至少一个谐波频率的AC电流从至少一个 滤波装置注入HVDC转换器系统中。该方法还包括控制通过具有至少一个降压转换器的HVDC 传输系统传送的电流的值。
[0007]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降压转换器,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和至少一个降压转换器并联耦合到至少一fAC导管,并且串 联耦合到至少一个DC导管。HVDC转换器系统包括至少一个滤波装置,其通过至少一个…导 管并联耦合到至少一个降压转换器。至少一个滤波装置配置成将具有至少一个谐波频率的 AC电流注入至少一个AC导管中。 '
附图说明
[0008]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,附图士,相似标号在附图中通篇表示相似部件,附图包括:
[0009]图1是示范高压直流(HVDC)传输系统的示意图;
[0010]图2是可与图1所fHVDC传输系统配合使用的示范整流器部分的示意图;
[0011]图3是可与图2所^整流器部分配合使用的示范HVDC整流器装置的示意图;
[0012]图4是可与图2所^整流器部分配合使用的示范HVDC降压转换器的示意图; _3] 是可与图2所f整流器部分配合使用的示范混合滤波装誦示意图;
[0014]图6疋可与图1所fHVDC传输系统配合使用的示范逆变器部分的示意图; _5]图7是可与图6所^逆变器部分配合使腦示范取沉逆变器装誦示意图; _6] 罐可棚」所础VDG传魅麵合使腦滿挪动配難示麵; _7]图9是图1所;^HVDC传输系统的示范备选实施例的示意图;
[0018:咖传输系统的另一个示范备选实施例的示意图;以及 [0019卩:二„『HVDC传输系统的又一个示范备选实施例的示細。 _0] fe非力加说明,否则本文所提供的關意在示出本公开的实施麵特征。这些特 征被认为可适用于包括本公开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、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] “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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026]本文所述的混合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或者背对背(back-to-back)耦合的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线路 换向转换器(LCC)中的串联电容器,由此促进关联逆变器以换向角的极低值的操作。另外, 本文所述的串联电容器还促进降低关联降压转换器的额定值,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,并且与降压转换器协作以减小关联晶闸管 的换向角。因此,LCC生成DC电压的大多数,以及降压转换器生成充分DC电压以控制残余DC 电压,由此促进对输出DC电流的控制或者对DC输出电压的准确控制。
[0027] 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。本 文所述的装置、系统和方法可补偿主谐波(例如11次和13次谐波)以及非特性谐波(例如3次 谐波)。具体来说,本文所述的混合滤波器装置补偿这类主谐波。另外,除了部分补偿主谐波 之外,本文所述的降压转换器还补偿这类非特性谐波。
[0028] 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,基于电力流的方向,本文所述的降压转换器控制DC线路电流,使得降压调节器调节电力 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。高达电网额定电压的 大约10%的AC电网电压瞬变对输出DC电压的影响通过降压转换器的快速动作来降低,由此 降低对关联转换器变压器的抽头变更器操作的需要。因此,转换器变压器抽头变更器的使 用在AC电网的持续欠/过电压条件下显著降低。降压转换器相应地生成适当补偿电压。此 夕卜,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,由于由降压转换器在 稳态和瞬态操作中执行的控制操作,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。
[0029] 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) 电力系统102耦合到另一个AC电力系统104。在示范实施例中,系统102是电力生成设施,以 及系统104是AC输电和配电网。备选地,系统102和104可以是实现如本文所述AC和DC电力系 统的操作的任何AC系统。
[0030]电力系统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 力系统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、即风力田(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,电力系统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收集器103。为了简 洁起见,未示出非限制性地例如断路器和隔离器等的关联设备。
[0031] 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1〇8,其电耦合到电力系统1〇2。整流器部分108接收和转换电力系统1〇2中的三相交流 (AC)电压和电流,并且将三相AC电力整流成预定电压的直流(DC)电力。备选地,可使用实现 如本文所述AC和DC的操作的具有任何相数的任何AC电力。
[0032]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1〇4。逆变 器部分110接收从整流器部分108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AC电力。在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。
[0033]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保持在正电压电位或负电位,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1〇〇可具有双极配置,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。
[0034] 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(ductwork)和母线,其由实现如本文所述HVDC传输系统1〇〇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II2和114的部分贯穿可包括数百公里(英里)的距离。
[0035]在示范实施例中,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II2。整流器部分1〇8还包括整流器降压转换器120,其耦合到整流器LCC 118 和HVDC传输导管114。降压转换器120配置成生成正或负输出电压。整流器部分H)8还包括整 流器LCC变压器I22,其调高或调低从电力系统1〇2所接收的电压。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。变压器122通过多个第一 AC导管128(仅示出一 个)耦合到电力系统102。另外,变压器122包括抽头变更器装置(未示出),其促进对其中的 匝比的控制。备选地,变压器122包括实现如本文所述整流器部分108和HVDC传输系统1〇〇的 操作的任何配置。
[0036]整流器部分108还包括整流器混合滤波装置129,其耦合到整流器降压转换器120 和第一 AC导管128。整流器混合滤波装置I29是有源滤波装置,其配置成将具有至少一个谐 波频率的AC电流注入整流器部分10S并且具体是整流器LCC 11S中。通过主动生成与整流器 部分1〇8中的其他位置所生成和/或传送的谐波频率异相的这类谐波频率,由整流器混合滤 波装置129所生成的谐波频率至少部分补偿谐波频率。这种补偿优选地在从其中传输之前 抵消整流器部分108中的预定谐波频率的很大一部分。
[0037]类似地,在示范实施例中,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还包括逆变器降压转换器1:32,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,以及逆变器降压转换器132与 整流器降压转换器120基本上相似。
[0038] 逆变器部分110还包括逆变器LCC变压器134,其调低或调高传送给电网104的电 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收集器141来耦合到电网104。在示范实施例 中,变压器U2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是具有实现如本文所述 HVDC传输系统100的操作的任何配置的任何类型的变压器。
[0039]逆变器部分110还包括逆变器混合滤波装置139,其耦合到逆变器降压转换器132 和第二AC导管140。逆变器混合滤波装置139是有源滤波装置,其配置成将具有至少一个谐 波频率的AC电流注入逆变器部分110并且具体是逆变器LCC 130中。逆变器混合滤波装置 139与整流器混合滤波装置129基本上相似。
[0040]图2是HVDC传输系统100 (图1所示)的整流器部分108的示意图。在示范实施例中, 一次绕组124通过第一 AC导管128耦合到电力系统102。整流器降压转换器120通过整流器降 压转换器导管142耦合到电力系统102与一次绕组124之间的第一 AC导管128。因此,整流器 降压转换器120和整流器LCC 118与电力系统102并联耦合。此外,整流器降压转换器120和 整流器LCC 118通过DC导管144相互串联耦合。
[0041]另外,在示范实施例中,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14e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串联耦合到整流器降压转换器120。
[0042]图3是可与整流器部分1〇8 (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门极换向晶闸管(IGCT)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
[0043]再次参照图2,整流器降压转换器120和整流器LCC 118按照级联串联配置耦合在 HVDC传输导管112与114之间。此外,跨整流器LCC 118引起电压Vr -DC-LCC,跨整流器降压转换 器120引起电压Vr—DC—Buck,以及将VR-DC—LCC和Vr—DC—Ruck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所引起的总DC电压。此外,通过整流器LCC 118来吸取电流 Ir-AC-LCC,通过整流器降压转换器120来吸取电流iR-AC-Buck,以及将Ir-AC-LCC和Ir-AC-Buck相加,以 定义从电力系统102所吸取的净电流(AC)、即Ir-ac。第一AC导管128工作在如电力系统102所 引起的AC电压VR-ac。
[0044] 此外,在示范实施例中,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、S卩VR-AC和电流、g卩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Vrilcc 以及仅沿一个方向传送的DC电流。
[0045] 此外,在示范实施例中,整流器降压转换器120配置成转换和传送HVDC传输系统 100的总有功AC功率额定值的大约〇%和大约15%之间的范围之内的有功AC功率。降压转换器 120将多个AC电压、g卩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-Buck以及沿两个方向其中之一传送的DC电流。
[0046] 整流器LCC 118和整流器降压转换器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,整流器降压转换器120配置成控制其输出 DC电压一基于电力流的方向为正或负--直到Vr-dc的大约15%,以促进Ir-dc的控制。此外,整 流器降压转换器120促进生成从电力系统102传送的电力的无功功率QR-Buck。另外,与特性主 谐波AC电流、例如11次和13次谐波相比,整流器降压转换器120促进补偿非特性谐波AC电 流、非限制性地例如3次谐波。由于三角形和星形绕组之间可能的阻抗失配,可要求这种非 特性谐波AC电流以促进整流器LCC变压器122的操作。但是,整流器降压转换器120还促进补 偿主谐波AC电流。
[0047] 此外,在示范实施例中,HVDC整流器装置146的晶闸管158 (图3所示)配置成以彡5 °的激发角《进行操作。如本文所使用的术语“激发角”表示沿360°正弦波形在晶闸管158的 自然激发瞬间的点与晶闸管158实际被触发成导通的点即换向角之间的角差(单位为度)。 关联激发滞后促进通过晶闸管158传送的电流与晶闸管158所引起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 (图1所示)不是 无功功率的消耗装置。所消耗的无功功率量是激发角a的函数,g卩,随着激发角a增加,所消 耗的无功功率增加。另外,所引起电压的幅值也是激发角a的函数,即,随着激发角a增加,所 引起电压的幅值增加。
[0048] 因此,在不范实施例中,Vr—dc-lcc表不比Vr—DC-Buck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。
[0049] 此外,在示范实施例中,整流器LCC 118配置成建立传输电压,使得VR-DC-LCC近似等 于逆变器LCC 130 (图1所示)处的Vmcc (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U2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所引起的%^值(图2中未示出,以下进一步论述)。此外,整流器降 压转换器120配置成调节Vmk,使得整流器降压转换器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 通过耦合到整流器降压转换器120的控制系统(未示出)来实现。
[0050] 另外,在AC电力系统102的电压的变化对输出DC电压VR—DC的影响通过改变VR-DC-Buck 的降压转换器120的快速动作来充分降低。这种动作由此在很大程度上降低在操作上耦合 整流器LCC变压器122中的一次绕组124和二次绕组126的抽头变更器的使用,这引起变压器 122的增加服务寿命或者促进它的低维护周期。
[0051]另外,在示范实施例中,各串联电容装置152通过促进整流器LCC 118的激发角a的 甚至更低值、包括需要时的负值,来促进整流器降压转换器120的预定无功功率额定值的降 低。整流器降压转换器120的总额定功率降低,这促进减少整流器部分108的大小和成本。此 夕卜,各串联电容装置152中的积聚电荷促进换向穿越,S卩,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a的调节。
[0052] 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 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。
[0053] 此外,从第一AC导管128和/或AC收集器103向电力系统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电动 机、轴承润滑驱动电动机、太阳能阵列太阳跟随驱动电动机和涡轮机润滑油栗(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收集器103来供电。
[0054]图4是可与整流器部分108 (图2所示)配合使用的示范HVDC电整流器降压转换器 12〇的示意图。整流器降压转换器120包括变压器161,其包括耦合到DC导管144的一次绕组 162。整流器降压转换器120还包括多个臂163、即三个臂163。备选地,整流器降压转换器120 包括实现如本文所述降压转换器120的操作的任何数量的臂163。变压器161和臂163的每个 包括一组二次绕组164,其在操作上耦合到一次绕组162。备选地,HVDC整流器降压转换器 120可包括各臂163的一个单独变压器。另外,备选地,HVDC整流器降压转换器120包括实现 如本文所述转换器120的操作的任何变压器配置。
[0055] 各臂比3还包括多个三相导管165,其耦合到二次绕组164。各臂163还包括AC-DC整 流器部分166,其包括与反并联二极管168并联的、具有断-通特性的半导体装置167、例如绝 缘栅双极晶体管(IGBT)。备选地,使用实现如本文所述降压转换器120的操作的任何半导体 装置,非限制性地包括绝缘门极换向晶闸管(IGCT)、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(GT0)。整流器部分166还可用作DC-AC逆变器,以促进反向电流。
[0056]各臂ie3还包括耦合到整流器部分166的DC环节169以及耦合到每个DC环节169的 DC-DC电压调节器170。在示范实施例中,DC-DC电压调节器170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17〇是实现如 本文所述降压转换器12〇的操作的任何装置。DC-DC电压调节器170通过多个级联环节按 照级联方式来耦合。
[0057]在操作中,各臂103接收在整流器降压转换器导管142上引起的Vr—ac的一部分。臂 163的级联配置促进导管165处的较低AC电压,使得还促进VR-DC—Buck的更精细控制。在一些实 施例中,取决于Vr-ac的值,变压器161是调低变压器,以促进降低各臂163的额定电压。另外, 在一些实施例中,取决于Vr-ac的值,变压器161是调高变压器,以促进增加各臂163的额定电 压D
[0058] 此外,在操作中,AC-DC整流器部分16e中的半导体装置167的开关动作可用来生成 从电力系统102传送的电力的无功功率QR-Buck。另外,整流器降压转换器12〇可用来生成非特 性谐波AC电流,以及促进特性主谐波AC电流、例如11次和13次谐波的补偿。
[0059]图5是可与整流器部分108 (图2所示)配合使用的示范整流器混合滤波装置129的 示意图。混合滤波装置129对操作低电压/功率的系统是可选的。但是,工作在高电压/功率 的那些系统将可能需要谐波电流支持。在示范实施例中,整流器混合滤波装置129包括沿导 管173串联耦合的多个电抗和电阻装置172。仅示出具有电阻、感抗和容抗的性质的每种类 型装置其中之一。但是,可使用按照实现如本文所述混合滤波装置129的操作、具有任何值 的任何配置的任何数量的这类装置。在示范实施例中,电抗和电阻装置172定义无源带通滤 波器和/或高通滤波器,以促进引起对电网电压的基频分量的极高阻抗以及对高阶谐波电 压分量的较低阻抗。
[0060]整流器混合滤波装置129还包括多个滤波臂174、即三个臂174。备选地,混合滤波 装置I29包括实现如本文所述混合滤波装置129的操作的任何数量的臂174。各臂174包括开 式绕组变压器175,以促进电压传输而降低电流传输。在一些实施例中,取决于Vr_ac的值,变 压器I75是调低变压器,以促进降低各臂174的额定电压。另外,在一些实施例中,取决于 Vr-ac的值,变压器175是调高变压器,以促进增加各臂174的额定电压。
[0061]各臂174还包括至少一个基于半导体的转换器176,其包括与反并联二极管178并 联的、具有断-通特性的半导体装置177、例如晶闸管装置或IGBT。备选地,使用实现如本文 所述混合滤波装置129的操作的任何半导体装置,非限制性地包括绝缘门极换向晶闸管 (IGCT)、可控硅整流器(SCR)、门极换向晶闹管(GCT)、对称门极换向晶阐管(SGCT)和门极关 断晶闸管(GTO)。各臂174还包括电容器179,以促进基于半导体的转换器176的一致操作。基 于半导体的转换器176配置成生成脉宽调制(PWM)波形,以生成幅度小于导管142上引起的 电压的大约1/10以及大约数千赫兹的PWM开关频率的谐波AC电压,以便生成非限制性地具 有主11次和13次谐波的AC电流IR-AF并且将其传送、即注入LCC 118,以补偿LCC 118所生成 的这类谐波。这种谐波生成促进满足电网正弦电流标准。
[0062]图6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11〇的示意图。 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。逆变器降压转换器132通过逆变 器降压转换器导管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 降压转换器132和逆变器LCC 130与电网104并联耦合。此外,逆变器降压转换器132和逆变 器LCC 130通过DC导管184相互串联耦合。
[0063] 另外,在示范实施例中,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6中仅示出一个)和串联电 容装置192并联耦合到二次绕组138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1%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串联耦合到逆变器降压转换器132。
[0064]图7是可与逆变器部分110 (图6所示)以及更具体来说与逆变器LCC 130 (图6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 13〇、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门极换向晶闸管(IGCT)和绝 缘栅双极晶体管(IGBT)。按照与促进晶闸管158的激发角a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(extinction angle)控制。
[0065]再次参照图6,逆变器降压转换器132和逆变器LCC 130按照级联串联配置耦合在 HVDC传输导管112与114之间。此外,跨逆变器LCC 130引起电压V I-DC-L(X,跨逆变器降压转换 器132引起电压Vl-DC-Buck,以及将Vi-DC—LCC和Vi—DC-Buck相加,以定义Vl-DC、即HVDC传输导管112与 114之间由逆变器部分110所引起的总DC电压。此外,电流Ipac-lcc由逆变器LCC 130来生成, 电流iRUk由逆变器降压转换器132来生成,以及将Iulcc和link相加,以定义传送给 电网104的净电流(AC)、即I t-ac。第二AC导管140工作在如电网104所引起的AC电压Vpac。 [0066] 此外,在示范实施例中,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%与大约100%之间的范围之内的有功功率。此外,逆变器降压转换 器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〇%与大约15%之间的 范围之内的有功功率。
[0067] 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 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。
[0068] 在示范实施例中,逆变器降压转换器132向电网104提供无功功率QHd、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 降压转换器132与整流器降压转换器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,逆变器降压转换器132补偿非特性谐波AC电流、非限制性地例如3次 谐波,以及促进补偿主谐波AC电流、非限制性地例如11次和13次谐波。另外,逆变器混合滤 波器装置139可用来补偿那些重要、即主谐波电流Ipaf、非限制性地例如11次和13次谐波, 同时将如传送给电网104的电网电流、即Ii-ac中的总谐波失真保持低于按电网标准的最大 THD。因此,降压转换器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,并且残余滤波器(residual filter) 157 (图2所示)和159可分别安装在关联 AC收集器103 (图2所示)和141,以抑制降压转换器120 (图2所示)和132未补偿的残余高频谐 波电流,以一般满足电话千扰规范和/或系统规范。这类附加残余滤波器157和159可配置成 与混合滤波器装置129 (图2所示)和139协作。
[0069] 参照图1至图7,在正常电力生成操作期间,电力系统102通过发电机101来生成电 力,其包括三相AC。由电力系统102所生成的电力采用电流Ir-ac和电压Vr-ac来传送给AC收集 器103和第一 AC导管128。11?1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%通过整流器降压转换器导管 142来传送给整流器降压转换器12〇,以定义Ir-ac—Buck。
[0070]另外,在正常电力生成操作期间,lR-ACLcda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M6。开关装置160断开,并且晶闸管158以小 于5 °的激发角a进行操作。关联激发滞后促进通过晶闸管158传送的电流与晶闸管158所引 起的电压之间的关联滞后。各关联串联电容装置丨52促进建立激发角a的这类低值。这促进 降低整流器LCC II8的无功功率消耗。引起vR_DC—LCC。 _1]此外,在正常电力生成操作期间,整流器降压转换器12〇引起电压%—DC_Buck。将 VR-DC-Bcuk和VR-DC-LCC串联相加,以定义VR-DC。VR—DC—LCC表示比Vr—DC—Buck要大许多的Vr_dc的百分比, gp,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和整流器降压 转换器120均传送IR-DC的全部。
[0072]由于Vr-dc-lcc表示比VR-D〇Buck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。在示范实施例中,整流器LCC 118建立传输电 压,使得Vr-dc-L(x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%来消耗来自电力系统1〇2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。
[OO73]另外,由于整流器降压转换器120工作在Vr-dc的大约15%或更低的DC电压,所以在 正常电力生成操作期间,整流器降压转换器120改变VR—DC-Buck,并且调节整流器降压转换器 120,使得整流器降压转换器1加对基本上通过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降压转换器 120的控制系统(未示出)来实现。另外,整流器降压转换器120促进如上所述的AC电流谐波 的有效滤波和/或补偿。
[0074]此外,在正常电力生成操作期间,整流器部分108将电力从三相AC电力整流成DC电 力。DC电力通过HVDC传输导管II2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AC电力,供进一步传送到输电和配电网104。
[0075] 更具体来说,IR-Ddi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—Buck跨逆变 器降压转换器132来生成,以及将乂^^^和Vmuck相加,以定义Vmc。
[0076] 此外,将In—La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Ih-lcc,其被传送给 第二AC导管140。电流IR-AC-Buck由逆变器降压转换器132来生成,并且通过逆变器降压转换器 导管182来传送。将Ii-ACMXC和Ii-AOBudc相加,以定义Ii-ac,其通过第二AC导管140(其工作在如 电网104所引起的AC电压Vi-ac)来传送。AC电流Ii-ac-lcc为Ii-AC的大约85%至100%,以及AC电流 IR-AC-Buck 为 II-AC 的大约 0 %至 15 %。
[0077] 此外,在正常电力生成操作期间,逆变器降压转换器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 夕卜,逆变器降压转换器132与整流器降压转换器120协作,以充分控制谐波电流到电网104的 传输。如与主谐波AC电流、非限制性地例如11次和13次谐波相比,逆变器降压转换器132可 补偿非特性谐波AC电流、非限制性地例如3次谐波。另外,逆变器混合滤波器装置139可用来 补偿那些显著、即主谐波电流In、非限制性地例如11次和13次谐波,同时将如传送给电网 104的电网电流、S卩I lac中的总谐波失真(THD)保持低于按电网标准的最大THD。
[0078] 一般来说,在稳态正常电力生成操作期间,通过系统100从电力系统102到电网104 的电力流沿与Ir-dc和h-DC关联的箭头方向。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,整流器降压转换器120控制DC电流、S卩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,以及逆变器降压转换器132基本上是休眠的。当整流器降压转换器120接近其预定 额定值时,逆变器降压转换器132开始承担Ir-此的控制。
[0079] 但是,在示范实施例中,整流器部分108和逆变器部分110均是双向的。例如,对于 没有发电机在系统102中正使用时的那些周期,电力通过系统100从电网104传送给系统 102,以向辅助设备供电,辅助设备可用来促进系统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,整流器降压转换器120或逆变器降 压转换器132的任一个控制DC线路电流IR-DC和Inc。
[0080]图8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。在示范实 施例中,黑启动流程路径202定义成通过逆变器降压转换器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和整流器降压转换器120从电网 104到电力系统102中的AC收集器103。
[0081] 在示范实施例中,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 电机在系统102中正使用时的那些周期,电力通过系统100从电网104传送给系统102,以向 辅助设备供电,辅助设备可用来促进系统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,整流器降压转换器120或逆变器降压转换器 132的任一个控制DC线路电流IR—DC和I〗—DC。
[0082] 在黑启动操作中,HVDC传输系统100以电网104与系统102之间基本上大多数装置 基本上断电开始。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,并且将降压转换器132和120与 HVDC导管112直接耦合。
[0083]另外,在黑启动操作中,逆变器降压转换器132通过开关装置160和HVDC导管112采 用DC电力对整流器降压转换器120进行充电。具体来说,电网104在电压Vt-ac向逆变器降压 转换器132提供电流Ipac。逆变器降压转换器132引起电SVn—Buck,并且将HVDC导管112和 整流器降压转换器120充电到预定DC电压、即Vl-DC-Buck。一旦建立电压Vi—DC-Buck,电流II—DC-Buck 通过HVDC导管112从逆变器降压转换器132传送给整流器降压转换器120。整流器降压转换 器120按照与静态同步补偿AC调节装置、S卩STATC0M相似的方式在AC收集器103建立三相AC 电压VR-AC。另外,整流器降压转换器120促进生成从电力系统102传送的电力的无功功率 QR Ik。对于要求谐波电流支持的那些场合,可使用整流器混合滤波器装置129和整流器降 压转换器120。具体来说,整流器降压转换器120可用来补偿非特性谐波AC电流以及主谐波 AC电流,如上所述。此外,主11次和13次谐波中的AC电流可用来在传送给系统102之前对其 他位置所生成的这类谐波进行补偿。这种谐波补偿促进满足正弦电流标准。
[0084] 电流Ii-DOBuck通过HVDC传输系统100来传送,以作为Ir-AC到达系统102,如箭头204 所示。一旦充分AC电力已经恢复到系统102以促进设备操作的基本水平,LCC 118和130可通 过旁路开关160的协调断开来恢复服务,使得建立小激发角a。降压转换器120和132均可用 来协调HVDC传输系统100中的DC电力的恢复。
[0085]图9是示范备选HVDC传输系统300的示意图。在示范实施例中,系统300包括HVDC电 压源转换器(VSC)302JSC 302可以是任何己知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IGBIHVDC VSC 302还包 括电容器组(未示出),其促进增强对VSC 3〇2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、降压转换器120和混合滤波装置129。在示范实施例中,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。
[0086] 在操作中,LCC 118、降压转换器120和混合滤波装置129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。VSC 302可在较大程度上向系统104提供无功 功率。以上所述并且在图9中所示的情形例如适合于海上生成,其中整流器部分1〇8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。
[0087]图10是另一个示范备选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和第二整流器降压转换器421的对称关联所耦合的第一整流器LCC 418和第 一整流器降压转换器420。系统400还包括:第一整流器混合滤波器装置429-1,其并联耦合 到第一整流器降压转换器420;以及第二整流器混合滤波器装置429-2,其并联耦合到第二 整流器降压转换器421。第一和第二整流器混合滤波器装置429-1和429-2分别与整流器混 合滤波器装置129 (图1、图2、图5、图8和图9所示)基本上相似。为了设备冗余度,在示范实施 例中示出两个整流器混合滤波器装置。备选地,系统400可具有实现如本文所述系统400的 操作的任何数量的整流器混合滤波器装置。残余滤波器157可用来抑制降压转换器420和 421未补偿的残余高频谐波电流,以一般满足电话干扰规范和/或系统规范。这种附加残余 滤波器157与混合滤波器装置429-1和429-2协作。
[0088]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45©耦合到逆变器部分。
[0089]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,降压转换器420和421定位在 LCC 418与419之间,以促进降压转换器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/降压转换器对、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%。此外,对于要求谐波电流支持的那些场合,可使用整流器混 合滤波器装置429-1和429-2以及整流器降压转换器430和421。具体来说,整流器降压转换 器420和似1可用来补偿非特性谐波AC电流、非限制性地例如3次谐波,以及促进补偿主谐波 AC电流、非限制性地例如11次和13次谐波。因此,主11次和13次谐波中的AC电流I r_af 1和 Ir_aF2可用来在从整流器混合滤波器装置429-1和429-2传送给系统102之前补偿其他位置所 生成的这类谐波,以促进谐波补偿,其促进满足正弦电流标准。
[0090] 图11是HVDC传输系统500的又一个示范备选实施例的示意图。在示范实施例中,系 统500包括HVDC负载502,其可以是任何已知的HVDC负载。非限制性地例如,HVDC负载502包 括多个HVDC泵电动机(未示出),或者它可以是HVDC电力系统、例如DC电网。HVDC传输系统 500还包括整流器部分108,包括LCC 118、降压转换器120和混合滤波装置129。在示范实施 例中,逆变器部分110 (图1所示)采用HVDC负载502来取代。备选地,可使用逆变器部分110, 并且可采用HVDC负载502来取代整流器部分108 AVDC传输导管112和114具有组合DC环节电 阻RLink。另外,HVDC负载502具有负载电阻Ruad和负载电压降VL〇ad。在这个备选示范实施例 中,线电流Ir-DC = [Vr—DC-LCC+Vr-DC-Buck-VLoad] / [RLink+RLoad]。此夕卜,在这个备选不范实施例中, VR-DC-Buck调节成使得在HVDC负载502的额定负载条件下,VR—DC—哪近似等于VLciad。电力生成装 置101、电力系统102或输电和配电网104的任一个可耦合到系统500。
[0091] 在操作中,LCC 118、降压转换器120和混合滤波装置129如上所述进行操作。另外, 对于可要求黑启动能力的那些情形,非限制性地例如当电力系统102表示海上电力生成时, 其中HVDC负载502包括有源负载或DC电网,并且整流器部分108不要求强AC电网,但是可要 求黑启动能力。这种黑启动能力可通过与黑启动路径202 (图8所示)相似的黑启动路径504 来实现。此外,整流器降压转换器120促进生成从电力系统102传送的电力的整流器部分108 的无功功率额定值的总共大约10%的无功功率QR-Buck。另外,整流器降压转换器120促进补偿 非特性谐波AC电流、非限制性地例如3次谐波,以及促进补偿主谐波AC电流、非限制性地例 如11次和13次谐波。由于三角形和星形绕组之间可能的阻抗失配,可要求这种非特性谐波 AC电流的补偿,以促进整流器LCC变压器122的操作。另外,混合滤波装置129可生成并且向 LCC 118和电力系统102传送Ri-af,其补偿主11次和13次谐波。
[0092] 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 例促进在相互远离或者背对背耦合的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线路换向转换器(LCC)中的串 联电容器,由此促进关联逆变器以换向角的极低值的操作。另外,本文所述的串联电容器还 促进降低关联降压转换器的额定值,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,并且与降压转换器协作以减小关联晶闸管的换向角。因此,LCC生成 DC电压的大多数,以及降压转换器生成充分DC电压以控制残余DC电压,由此促进对输出DC 电流的控制或者对DC输出电压的准确控制。
[0093] 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。本 文所述的装置、系统和方法可补偿主谐波(例如11次和13次谐波)以及非特性谐波(例如3次 谐波)。具体来说,本文所述的混合滤波器装置补偿这类主谐波。另外,除了部分补偿主谐波 之外,本文所述的降压转换器还补偿这类非特性谐波。
[0094] 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,基于电力流的方向,本文所述的降压转换器控制DC线路电流,使得降压调节器调节电力 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。高达电网额定电压的 大约10%的AC电网电压瞬变对输出DC电压的影响通过降压转换器的快速动作来降低,由此 降低对关联转换器变压器的抽头变更器操作的需要。因此,在AC电网的持续欠/过电压条件 下避免转换器变压器抽头变更器的使用。降压转换器相应地生成适当补偿电压。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,由于由降压转换器在稳态和瞬 态操作中执行的控制操作,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。
[0095]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)降低关联降压转换器的额定值,(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)与降压转换器协 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)补偿主谐 波、例如11次和13次谐波和非特性谐波、例如3次谐波,以满足传输标准;(g)通过由降压转 换器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;⑹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;(i)降低或完全避免对典型AC电力系统电 压变化使用转换器变压器的抽头变更器;以及(j)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。
[0096]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的许多其他高功率转换应用、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。
[0097]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。
[0098]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. 一种高压直流转换器系统,包括: 至少一个线路换向转换器,配置成将多个交流电压和电流转换成正极性和负极性其中 之一的经调节直流电压以及仅沿一个方向传送的直流电流; 至少一个降压转换器,配置成将多个交流电压和电流转换成正极性和负极性其中之一 的经调节直流电压以及沿两个方向其中之一传送的直流电流,其中所述至少一个线路换向 转换器和所述至少一个降压转换器并联耦合到至少一个交流导管,并且串联耦合到至少一 个直流导管;以及 至少一个滤波装置,通过所述至少一个交流导管并联耦合到所述至少一个降压转换 器,所述至少一个滤波装置配置成通过所述至少一个交流导管生成具有至少一个谐波频率 的交流电流到所述高压直流转换器系统中。
2. 如权利要求1所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个滤波装置包括耦合到 所述至少一个交流导管的至少一个混合滤波装置,所述至少一个混合滤波装置配置成将所 述具有至少一个谐波频率的交流电流注入所述至少一个交流导管中。
3. 如权利要求1所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个滤波装置包括按照级 联配置相互耦合的多个转换器。
4.如权利要求1所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个滤波装置包括无源滤 波器,其包括多个电抗装置和电阻装置,配置成促进引起对电力系统的电压的频率分量的 第一部分的第一阻抗以及对所述电力系统电压的频率分量的第二部分的第二阻抗,其中所 述第一阻抗大于所述第二阻抗。
5.如权利要求1所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个线路换向转换器和所 述至少一个降压转换器定义至少一个高压直流整流器装置和至少一个高压直流逆变器装 置中的至少一个。
6.如权利要$5所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个高压直流整流器装置 和所述至少一个高压直流逆变器装置的每个并联耦合到至少一个开关装置。
7.如权利要求6所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个降压转换器和所述至 少一个开关装置至少部分定义黑启动电流传输路径。
8.如权利要求5所述的高压直流转换器系统,其中,所述至少一个高压直流整流器装置 和所述至少一个高压直流逆变器装置中的至少一个包括配置成抑制残余高频谐波电流的 残余滤波器。
9.如权利要求1所述的高压直流转换器系统,其中,所述高压直流转换器系统包括单极 配置和双极配置其中之一。
10.如权利要求1所述的高压直流转换器系统,还包括电压源转换器和负载中的至少一 个,其中所述至少一个线路换向转换器和所述至少一个降压转换器定义耦合到所述电压源 转换器麵述负载中的所述至少-个的至少一个高压直流整流器部分和至少一个高首' 流逆变器部分其中之一。
11. 一种传送高压直流电流电力的方法,所述方法包括: 提供至少一个线路换向转换器; 将至少-个降压转换器通过至少—个交流导管并联地并且通过至少—个直流 联地耦合到所述至少一个线路换向转换器. 通过所述主少一 I 乂'叙寸S将至少一个滤波装置并联耦合到所述至少一个降压转换 器; 定义跨具有臟至少-顿驗向雛細紐麵传麻輸预定电 有一个谐波频率的交流电流从臓至少—个滤波装置注入所述高压麵传 输系统中;以及 控降压转换器的臓高压直流传输系统传送的电流的值。
12.如权利女求11所述的方法,还包括引起跨所述线路换向转换器的第—直流电压,包 括: 引起跨^压直流整流器装置中的第一线路换向转换器的第一直流电压;以及 引起跨卨压直流逆变器装置中的第二线路换向转换器的第二电压其中所述第一电压 具有与所述第一直流电压的值基本上相似的值。 、〒//T迎弟一电庄
13.如权利要求11所述的方法,其中,所述至少一个线路换向转换器包括其中具有抽头 变更器的至少-个变压器,其巾定义跨紐麵传输織隨触腿健:、、 引起跨所述至少一个线路换向转换器的第一直流电压; 引起跨所述至少一个降压转换器的第二直流电压;以及 、、彳^所述第一直流电压和所述第二直流电压相加,以调节跨所述高压直流传输系统的所 述预定电压差,由此降低其上的电压变化,并且降低所述变压器抽头变更器响应所述电压 变化的操作。
14.如权利要求11所述的方法,还包括: 经历耦合到所述高压直流传输系统的交流系统的至少一部分中的黑条件;以及 闭合围绕所述至少一个线路换向转换器的至少一个开关,由此建立通过所述高压直流 传输系统的至少一部分的黑启动交流传输路径。 15 jn权利要求14所述的方法,其中,建立黑启动交流传输路径包括: 建立通过^述至少一个降压转换器的所述黑启动交流传输路径;以及 引起所述交流系统的至少一部分中的三相电压电位。
16.如权利要求11所述的方法,其中,将具有至少一个谐波频率的交流电流从所述至少 一个滤波装置注入所述高压直流传输系统中包括将具有多个谐波频率的谐波电流注入所 述高压直流传输系统中,包括: 将具有至少一个谐波频率的交流电流从所述至少一个滤波装置注入所述至少一个交 流导管中;以及 将具有至少一个谐波频率的交流电流从所述至少一个降压转换器注入所述至少一个 交流导管中。 n •—种高压直流传输系统,包括: 至少一个交流导管; 至少一个直流导管; ^合到所述至少一个直流导管的多个高压直流传输导管;以及 高压直流转换器系统,包括: 至少一个线路换向转换器,配置成将多个交流电压和电流转换成正极性和负极性其中 之一的经调节直流电压以及仅沿一个方向传送的直流电流; 至少一个降压转换器,配置成将多个交流电压和电流转换成正极性和负极性其中二一 的经调节直流电压以及沿两个方向其中之一传送的直流电流,其中所述至少一个线路换向 转换器和所述至少一个降压转换器并联耦合到所述至少一个交流导管,并且串联耦合到所 述至少一个直流导管;以及 至少一个滤波装置,通过所述至少一个交流导管并联耦合到所述至少一个降压转换 器,所述至少一个滤波装置配置成生成具有至少一个谐波频率的交流电流到所述至少一个 交流导管中。
18.如权利要求17所述的高压直流传输系统,其中,所述至少一个滤波装置包括耦合到 所述至少一个交流导管的至少一个混合滤波装置,所述至少一个混合滤波装置配置成将所 述具有至少一个谐波频率的交流电流注入所述至少一个交流导管中。
19.如权利要求17所述的高压直流传输系统,其中,所述至少一个滤波装置包括按照级 联配置相互耦合的多个转换器。
20.如权利要求17所述的高压直流传输系统,其中,所述至少一个滤波装置包括无源滤 波器,其包括多个电抗装置和电阻装置,配置成促进引起对电力系统的电压的频率分量的 第一部分的第一阻抗以及对所述电力系统电压的频率分量的第二部分的第二阻抗,其中所 述第一阻抗大于所述第二阻抗。
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