CN105391289B - 对于功率转换器的增强操作和保护的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

电气系统(100;200;300)包括AC电源(102)和功率转换器(120),其包括至少一个第一端子(156;158)和至少一个第二端子(159)。第一端子配置成接收具有DC分量的电压并且第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量。电气系统还包括AC输电子系统(110;210;310),其耦合到AC电源与功率转换器并且在其之间延伸。电气系统进一步包括电流分流系统(150;250;350),其包括:多个第一开关设备(160;260;360),其耦合于AC输电子系统。电流分流系统还包括第二开关设备(170),其包括耦合于第一端子的第三端子(172)和耦合于第二端子的第四端子(174)。第二开关设备配置成将电流仅从第三端子传输到第四端子。

Description

对于功率转换器的增强操作和保护的系统和方法
技术领域
本公开的领域大体上涉及直流(DC)传输系统,并且更特定地,涉及中压DC(MVDC)和高压DC(HVDC)转换器系统和其操作方法。
背景技术
已知电力传输和分配设施中的至少一些物理安置在远程地理区域中或物理访问困难的区域中。一个示例包括地理定位在崎岖和/或偏远地带中(例如山地山坡)、远离电网的延伸距离和水下(例如近海石油和天然气勘探和回收装置)的电力传输和分配设施。这些电力传输和分配设施中的许多包括分开的功率转换组件或系统,其电耦合于交流(AC)电源。这样的已知分开功率转换组件包括将由发电设施产生的AC转换成直流(DC)的整流器部分,和将该DC转换成具有预定频率和电压幅度的AC的逆变器部分。分开的功率转换组件的整流器部分非常靠近关联的AC电源安置并且分开的全功率转换组件的逆变器部分非常靠近供电负载安置。这样的整流器和逆变器部分典型地经由MVDC或HVDC链路而电耦合,例如MVDC电力分配系统或HVDC电力传输系统。
因为已知的分开功率转换组件中的许多被远程安置,在AC侧和DC链路侧上通过多种手段保护它们以防止受由于短路引起的使用寿命加速减少。一个方法包括断开关联的断路器来隔离受影响的功率转换组件,由此中断电流流动,所带来的影响是持续不确定时段地对所有下游负载断电。已知功率转换组件中的至少一些还包括比在其他情况下更易访问且冗余的设备所必须的更加过大、更稳健且成本更高的部件。此外,已知功率转换组件中的至少一些试图通过使用感应设备、AC中断器、DC中断器中的一个而与主电流路径串联安置的设备并且通过使驻存在功率转换器中的全桥单元的极性恢复而限制通过转换器部件的电流流动。
发明内容
在一个方面中,提供电气系统。该电气系统包括交流(AC)电源和功率转换器,其包括至少一个第一端子和至少一个第二端子。该至少一个第一端子配置成接收具有直流(DC)分量的电压。至少一个第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量。电气系统还包括AC输电子系统,其耦合到AC电源与功率转换器并且在其之间延伸。电气系统进一步包括电流分流系统,其包括耦合于AC输电子系统的至少一部分的多个第一开关设备。电流分流系统还包括至少一个第二开关设备,其包括耦合于至少一个第一端子的第三端子和耦合于至少一个第二端子的第四端子。至少一个第一端子与至少一个第二端子之间的电压具有正的时间平均值,其包括AC分量和DC分量。至少一个第二开关设备配置成将电流仅从第三端子传输到第四端子。
在另一个方面中,提供操作电气系统的方法。该电气系统包括功率转换器,其包括交流(AC)侧和直流(DC)侧。功率转换器还包括至少一个第一端子和至少一个第二端子。该至少一个第一端子配置成接收具有直流(DC)分量的电压。至少一个第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量。电气系统还包括耦合于功率转换器的AC侧的AC输电子系统,和耦合于功率转换器的DC侧的DC传输系统。电气系统进一步包括电流分流系统,其包括第一部分和第二部分。电流分流系统的第一部分包括耦合于AC输电子系统的至少一部分的多个第一开关设备。电流分流系统的第二部分包括耦合于至少一个第一端子的至少一个第二开关设备。至少一个第一端子与至少一个第二端子之间的电压具有正的时间平均值,其包括AC分量和DC分量。方法包括检测功率转换器的AC侧上游的短路状况。方法还包括通过电流分流系统的第二部分将电力从DC传输系统传输到电流分流系统的第一部分。
在另一个方面中,提供操作电气系统的方法。该电气系统包括交流(AC)源、功率转换器(其包括AC侧和DC侧)和AC输电子系统,其耦合到AC电源与功率转换器的AC侧并且在其之间延伸。电气系统进一步包括电流分流系统,其包括耦合于AC输电子系统的至少一部分的多个开关设备。方法包括检测功率转换器的DC侧上游的短路状况。方法还包括将电力从AC输电子系统传输到电流分流系统。
提供以下技术方案
1. 一种电气系统(100;200;300),其包括:
交流(AC)电源(102);
功率转换器(120),其包括至少一个第一端子(156;158)和至少一个第二端子(159),其中所述至少一个第一端子配置成接收具有直流(DC)分量的电压,并且所述至少一个第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量;
AC输电子系统(110;210;310),其耦合到所述AC电源与所述功率转换器并且在其之间延伸;
电流分流系统(150;250;350),其包括:
多个第一开关设备(160;260;360),其耦合于所述AC输电子系统的至少一部分;以及
至少一个第二开关设备(170),其包括耦合于所述至少一个第一端子的第三端子(172)和耦合于所述至少一个第二端子的第四端子(174),其中所述至少一个第一端子与所述至少一个第二端子之间的电压具有正的时间平均值,其包括AC分量和DC分量,所述至少一个第二开关设备配置成将电流仅从所述第三端子传输到所述第四端子。
2. 如技术方案1所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个第一开关设备(160;260;360)是多极设备,其耦合于所述AC输电子系统(110;210;310)的至少一部分。
3. 如技术方案1所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个第一开关设备(160;260;360)包括多个开关设备对(162;262;362),其中所述多个开关设备对的每个开关设备对包括可控开关(164;264;364)。
4. 如技术方案3所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个开关设备对的所述每个开关设备对(162;262;362)进一步包括与所述可控开关(164;264;364)并联耦合的二极管(166;266;366)。
5. 如技术方案4所述的电气系统(100;200;300),其中所述AC输电子系统(110;210;310)包括多个导电元件(112;114),其至少部分限定多相电路(116),所述多个导电元件中的每个导电元件配置成传输一个相的AC电力。
6. 如技术方案5所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个开关设备对的所述每个开关设备对(162;262;362)耦合于所述多相电路(116;216;316)的一个相。
7. 如技术方案5所述的电气系统(100;200;300),其进一步包括变压器(204),所述变压器耦合于所述多个第一开关设备(160;260;360)并且耦合于所述多个导电元件(112;114)。
8. 如技术方案1所述的电气系统(100;200;300),其中所述功率转换器(120)包括串联耦合的多个单元(140),所述至少一个第二开关设备(170)包括多个第二开关设备,并且所述多个第二开关设备的至少一个第二开关设备耦合于所述多个单元的至少一个单元。
9. 如技术方案1所述的电气系统(100;200;300),其中所述至少一个第二开关设备(170)是晶闸管。
10. 如技术方案1所述的电气系统(100;200;300),其中所述AC输电子系统(310)包括变压器(304),其包括初级(306)、次级(308)和三级(309)绕组,所述三级绕组耦合于所述多个第一开关设备(360)。
11. 如技术方案1所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个第一开关设备的至少一个第一开关设备(160;260;360)不是机械开关设备。
12. 一种操作电气系统(100;200;300)的方法,所述电气系统包括功率转换器(120),其包括交流(AC)侧(122)和直流(DC)侧(124),所述功率转换器还包括至少一个第一端子(156;158)和至少一个第二端子(159),所述至少一个第一端子配置成接收具有直流(DC)分量的电压,并且所述至少一个第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量,所述电气系统还包括耦合于所述功率转换器的AC侧的AC输电子系统(110;210;310),和耦合于所述功率转换器的DC侧的DC传输系统(130),所述电气系统进一步包括电流分流系统(150;250;350),其包括第一部分(152)和第二部分(154),其中所述电流分流系统的第一部分包括耦合于所述AC输电子系统的至少一部分的多个第一开关设备(160;260;360),并且所述电流分流系统的第二部分包括耦合于所述至少一个第一端子的至少一个第二开关设备(170;270;370),其中所述至少一个第一端子与所述至少一个第二端子之间的电压具有正的时间平均值,其包括AC分量和DC分量,所述方法包括:
检测所述功率转换器的AC侧上游的短路状况;以及
通过所述电流分流系统的第二部分将电力从所述DC传输系统传输到所述电流分流系统的所述第一部分。
13. 一种操作电气系统(100;200;300)的方法,所述电气系统包括:交流(AC)源(102);功率转换器(120),其包括AC侧(122)和DC侧(124);和AC输电子系统(110;210;310),其耦合到所述AC电源与所述功率转换器的AC侧并且在其之间延伸,所述电气系统进一步包括电流分流系统(150;250;350),其包括耦合于所述AC输电子系统的至少一部分的多个开关设备(160;260;360),所述方法包括:
检测所述功率转换器的DC侧上游的短路状况;以及
将电力从所述AC输电子系统传输到所述电流分流系统。
附图说明
当下列详细描述参考附图(其中所有图中类似的符号代表类似部件)阅读时,本公开的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解,其中:
图 1是示范性电气系统的示意图;
图 2 是可与图1中示出的电气系统一起使用的示范性电流分流系统的示意图;
图 3是可与图1中示出的电气系统一起使用的备选电流分流系统的示意图;以及
图 4是可与图1中示出的电气系统一起使用的另一个备选电流分流系统的示意图。
除非另外指明,本文提供的图意在说明本公开的实施例的特征。认为这些特征在包括本公开的一个或多个实施例的很多种系统中能适用。如此,图不意在包括本领域内技术人员已知的用于实践本文公开的实施例所必需的所有常规特征。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求书中,将参考许多术语,其应定义成具有下面的含义。
除非上下文另外清楚地指明,单数形式“一” 和“该”包括复数个指代物。
“可选的” 或“可选地” 意指随后描述的事件和情况可能发生或可能不发生,并且该描述包括发生事件的实例和不发生事件的实例。
如在本文在整个说明书和权利要求中使用的近似语言可应用于修饰任何定量表示,其可以获准地改变而不引起它与之有关的基本功能中的变化。因此,由例如“大约”、“近似”和“大致”等术语或多个术语修饰的值不限于规定的精确值。在至少一些实例中,该近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里和整个说明书和权利要求中,范围极限可组合和/或互换,识别这样的范围并且其包括此中包含的所有子范围,除非上下文或语言表另外指明。
电力系统(即,本文描述的功率转换器和关联的电流分流电路)提供用于操作MVDC和HVDC电力传输和分配系统的成本有效方法。具体地,本文描述的电流分流电路由于远离标准电力传输路径中选择的部件(例如功率转换器中基于半导体的器件(例如晶闸管和IGBT)和关联DC链路中的部件)的短路而便于传输增加的电流。电流的这样的分流便于使用不太耐用的半导体器件并且便于在电流漂移期间使基于半导体的器件维持在运行中,而不是中断通过设备(例如断路器)的电流。另外,因为大部分的能量远离DC链路中的电容器分流,这样的电流分流便于使吸收在短路瞬态期间引起的能量所需要的DC链路中的电容器的电容值减少。
图1是示范性电气系统100的示意图。电气系统100包括交流(AC)电源102,例如而没有限制地,多相(即,具有相位A、B和C的三相AC公用事业电网)。备选地,任何AC电源(无限制地包括发电设施,例如电厂)用于产生AC电力并且将其传输到系统100。备选地,电气系统100也是能够如本文描述的那样操作系统100的任何电气系统,其无限制地包括单相电气系统或两相电气系统。
电气系统100还包括耦合于AC电源102的三相变压器104,其使对于三个相A、B和C中的每个的电压随系统100中的下游部件的额定电压的变化而从自AC电源102传输的电压逐步上升或逐步下降。变压器104包括彼此电磁耦合的初级绕组106和次级绕组108。电气系统100进一步包括AC输电子系统110,其包括至少部分限定三相电路116的多个导电元件112和114。每个元件112和114传输一个相的AC电力。元件112的每个相具有已知电感L。在一些实施例中,电感L代表与变压器104关联的漏电感。元件114的每个相包括串联感应器118,其具有已知电感LS
电气系统100还包括三相功率转换器120,其耦合于AC输电子系统110使得子系统110在变压器104与功率转换器120之间延伸。功率转换器120是具有能够如本文描述的那样操作电气系统100的任何内部拓扑的任何功率转换设备,其无限制地包括模块化多级转换器(MMC)和模块化嵌入式多级转换器(MEMC)。系统100的一些实施例不包括变压器104并且在那些实施例中,AC输电子系统110在AC电源102与功率转换器120之间延伸。在其中功率转换器120的拓扑是MMC(例如且没有限制地)的实施例中的一些中,电感LS包括具有这样的拓扑的相臂(未示出)的电感值。
功率转换器120包括AC侧122和DC侧124,其中AC输电子系统110耦合于AC侧122。电气系统100进一步包括高压直流(HVDC)传输系统130,其包括正导电元件132、负导电元件134和中性或接地导电元件136。备选地,电气系统100是能够如本文描述的那样操作电气系统100的任何DC系统,其无限制地包括中压直流(MVDC)传输系统和MVDC分配系统。正DC电压VDC-P在元件132与136之间感应并且负DC电压VDC-N在元件134与136之间感应。HVDC传输系统130还包括DC链路138,其包括多个电容性设备139。
功率转换器120还包括多个单元140(仅示出对于A相的那些并且B相单元和C相单元的配置大致相似),其通过耦合于元件114的A相元件的转换相导电元件142而串联耦合。从最高电压到最低电压标记单元140,即A、B等等,直到第X个单元,其中X是代表单元140的总数量而不是第24个单元140的变量。
电气系统100进一步包括电流分流系统150,其包括第一部分152和第二部分154。第一部分152包括多个第一开关设备(未在图1中示出),其耦合于AC输电子系统110的至少一部分。在示范性实施例中,第一部分152耦合到元件112和114并且在其之间延伸。第二部分154包括多个第二开关设备(未在图1中示出),每个耦合于功率转换器120的第一DC端子部分156(其耦合于正导电元件132)和功率转换器120的第二DC端子158(其耦合于负导电元件134)。第一DC端子156和第二DC端子158配置成接收具有主DC分量的电压,即电压可具有预定纹波。第二部分154还包括多个中间端子159,其配置成接收具有至少一个AC分量和DC分量的电压使得这些电压具有非零时间平均值。因此,第一DC端子156与对应中间端子159之间的电压差、第二DC端子158与对应中间端子159之间的电压差和相邻中间端子159之间的电压差具有至少一个AC分量和DC分量使得电压差值具有正的时间平均值。
图2是与电气系统100一起使用的电流分流系统150的示意图。在示范性实施例中,电流分流系统150包括第一部分152,其包括耦合于AC输电子系统110的多个第一开关设备160。第一开关设备160包括多个(即,三个)开关设备对162,其每个包括彼此并联耦合的传输可控开关164和反并联二极管166。在示范性实施例中,传输可控开关164是晶闸管,例如并且没有限制地,基于半导体的门极可关断(GTO)晶闸管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。备选地,传输可控开关164是能够如本文描述的那样操作电流分流系统150和电气系统100的任何可控开关,其无限制地包括机电开关,例如而没有限制地,微型开关。在一些实施例中,基于半导体的开关和机械开关可混合在一起。然而,第一开关设备160中的至少一个不是机械开关。
在示范性实施例中,开关设备对162在AC端子168处采用Y形连接配置耦合于AC输电子系统110的A相、B相和C相中的每个,并且如此,第一部分152是多极设备。备选地,开关设备对162采用能够如本文描述的那样操作电流分流系统150和电气系统100的任何配置耦合于AC输电子系统110的A相、B相和C相中的每个,该配置无限制地包括Δ形连接配置并且在一些实施例中使用仅连接两个相的不对称设置。AC端子168安置在串联感应器118上游以在第一部分152与功率转换器120之间引起高阻抗以用于在第一部分152投入服务时通过第一部分152使电流从AC输电子系统110分流(在下文进一步描述)。传输可控开关164配置到晶闸管堆栈内。开关设备对162在接地总线169处耦合于彼此。
在示范性实施例中,第一部分152也在接地总线169处耦合于地电势,并且如此,在传输可控开关164投入运行时,第一部分152配置成传输将电流的至少一部分传输到接地。更具体地,传输可控开关164取向成将电流从对于A相和C相的元件112和114传输到接地,如由箭头示出的。当第一部分152投入服务时,关联的传输可控开关164防止在任一方向上的电流流动。对于A相和C相的对应二极管166取向成便于使电流从接地总线169流回A相和C相元件112,如由箭头示出的,其中电感LS对电流流动提供足够的阻抗以便于使AC电流远离功率转换器120并且朝元件112分流。对于A相和C相的二极管166也防止从A相和C相元件112和114到接地的电流流动。
对于B相元件112的传输可控开关164配置成将电流从接地总线169传输到元件112,如由箭头示出的,其中电感LS对电流流动提供足够的阻抗以便于使AC电流远离功率转换器120并且朝元件112分流。当第一部分152未投入服务时,关联的传输可控开关164防止在任意方向上的电流流动。当第一部分152投入服务时,对于B相元件112和114的对应二极管166取向成便于从B相元件112和114到接地的电流流动,如由箭头示出的。当第一部分152未投入服务时,对于B相元件112和114的关联二极管166防止在任意方向上的电流流动。
开关164和二极管166取向的目的是在第一部分152投入服务时控制与接地三相短路关联的电流流动。具体地,第一部分152限定具有便于电流流向的预定汇点的双向网桥。更具体地,第一部分152便于将电流的一部分传输到接地总线169并且便于通过利用电感LS将电流的其他部分通过元件112的其他部分远离功率转换器120传输。除朝接地总线169的传输外,准许电流从A相、B相和C相中的每个朝其他两相中的任一个流动。如此,多极中的至少一个AC端子168中的瞬时电流可以与功率转换器120的AC侧122上的对应AC端子中的瞬时电流不同。
备选地,使用能够如本文描述的那样操作电流分流系统150和电气系统100的电流分流系统150的第一部分152的任何配置。包括传输可控开关164和反并联二极管166的开关设备对162的配置便于使用传输可控开关164,即在没有二极管166的情况下将另外需要的具有较低额定电压的晶闸管。
在示范性实施例中,电流分流系统150还包括第二部分154,其包括在第一DC端子156和第二DC端子158处耦合于每个单元140的第二开关设备,即转换器可控开关170(仅示出对于A相的那些并且B相和C相单元和开关设备的配置大致相似)。备选地,任何数量的转换器可控开关170耦合于每个单元140。在示范性实施例中,转换器可控开关170是晶闸管,例如并且没有限制地,基于半导体的门极可关断(GTO)晶闸管和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。备选地,转换器可控开关170是能够如本文描述的那些操作电流分流系统150和电气系统100的任何可控开关。
因此,对于A单元140,第一端子(即,第一DC端子156)和第二端子(即,对应的中间端子159)在之前论述。耦合于A单元140的转换器可控开关170包括第三端子(即,耦合于第一DC端子156的阳极172)并且包括第四端子,即耦合于对应中间端子159的阴极174。相似地,耦合于X单元140(在图1中示出)的转换器可控开关170包括耦合于第二DC端子158的阴极174和耦合于对应中间端子159的阳极172(都未在图2中对于C单元140示出)。相似地,对于A单元140与X单元140之间的单元140(例如,B单元140(在图1中示出)),关联的阳极172和阴极174耦合于关联的中间端子159(两者都未在图2中示出)。
在由于空间约束或跨开关170和单元140的过多dv/dt而不可能使转换器可控开关170跨每个单元140耦合的那些备选实施例中,开关170集中在功率转换器120外部的开关部件中,例如并且没有限制地,在跨DC链路138、在正元件132与负元件134之间延伸的完整晶闸管堆栈中。不管配置如何,开关170配置成将通过那里的电流从阳极172传输到阴极174。
在操作中,AC电源102将三相AC电力传输到变压器104的初级绕组106。在示范性实施例中,变压器104是升压变压器并且在次级绕组108上感应增加的电压。AC电力通过元件112和114传输到功率转换器120。AC电力通过单元140以电压VDC-P和VDC-N转换成DC电力并且将DC电力传输到HVDC传输系统130。DC链路138和电容器139在HVDC传输系统130将HVDC电力传输到DC负载和另一个功率转换器120以用于从DC电力转换到AC电力时便于维持HVDC输出系统130上的电压VDC-P和VDC-N。在一些情况下,DC电力到AC电力转换也通过功率转换器120进行以对耦合于元件112和114并且在变压器104的AC电源侧上的AC负载供电。
在操作中,在功率转换器120的AC侧122上游短路的情况下,电流分流系统150的第一部分152和第二部分154也从非运行状态投入运行。在示范性实施例中,接地短路故障180在与AC电源102关联的变压器104的上游示出。电气系统100包括必需的电测量设备(未示出)来确定存在故障180。随后AC输电子系统110上的AC电压的减小便于从HVDC传输系统130的DC链路138、通过功率转换器120朝故障180的电流流动。打开转换器可控开关170和传输可控开关164。电力通过电流分流系统150的第二部分154从HVDC传输系统130传输到电流分流系统150的第一部分152。具体地,DC电流通过转换器可控开关170传输,由此绕过单元140。如此,开关170调节从HVDC传输系统130到每个单元140的AC侧122的电流流动,由此使通过每个单元140的电流流动减少。DC电流由转换器可控开关170转换成AC电流并且AC电流通过AC输电子系统110从转换器可控开关170传输到电流分流系统150的第一部分152。
此外,在操作中,在功率转换器120的AC侧122上游短路的情况下,当第一部分152投入服务时,第一部分152限定具有便于电流流向的预定汇点的双向网桥。具体地,如由箭头指示的,第一部分152便于将电流的一部分传输到接地总线169并且便于通过利用电感LS将电流的其他部分通过元件112的其他部分远离功率转换器120传输。除朝接地总线169传输外,准许电流从A相、B相和C相中的每个朝其他两相中的任一个流动,如由关联箭头指示的。
更具体地,开关设备对162的开关164和二极管166在第一部分152不在运行中时防止电流流动。当投入服务时,电流的至少一部分在对于A相和C相的元件112和114的传输可控开关164投入运行时传输到接地总线169。对于A相和C相的对应二极管166将电流流动从接地总线169传回A相和C相元件112,如由箭头示出的,其中电感LS对电流流动提供足够的阻抗以便于使AC电流远离功率转换器120并且朝元件112分流。对于B相元件112的传输可控开关164将电流从接地总线169传输到元件112,其中电感LS对电流流动提供足够的阻抗以便于使AC电流远离功率转换器120并且朝元件112分流。对于B相元件112和114的对应二极管166将电流流动从B相元件112和114传输到接地总线169。
除与元件114关联的电感LS外,与元件112关联的电感L也便于对电流流动提供足够的阻抗来使通过元件112朝变压器104的次级绕组108的电流传输减少并且便于将AC电流远离变压器104并且朝第一部分152引导。
此外,在操作中,在功率转换器120的DC侧124下游短路的情况下,电流分流系统150的第一部分152从非运行状态投入运行,如在上文描述的。在示范性实施例中,接地短路故障190在与DC链路138关联的功率转换器120的下游示出。电气系统100包括必需的电测量设备(未示出)来确定存在故障190。随后DC链路138上的DC电压的减小便于从AC电源102通过变压器104、AC输电子系统110和功率转换器120、进入DC链路138内、朝故障190的电流流动。电流分流系统150的第一部分152投入服务并且调节从AC输电子系统110到接地总线169和在子系统110内的电力传输,如上文描述的。
图3是可与电气系统100(在图1中示出)或备选电气系统200一起使用的备选电流分流系统250的示意图。电气系统200包括电流分流系统250,其与电流分流系统150相似,所不同的是系统250包括备选第一部分252,其包括通过AC端子268耦合于备选AC传输子系统210的步降变压器204,由此限定备选三相电路216。步降变压器204包括彼此电磁耦合的初级绕组206和次级绕组208。电流分流系统250还包括备选第一开关设备260,其包括备选开关设备对262,该备选开关设备对262进一步包括耦合于接地总线269的备选传输可控开关264和二极管266。步降变压器204使到传输可控开关264的电压减小,由此便于晶闸管的额定电压从对电流分流系统150和开关164(两者都在图2中示出)描述的那些额定值进一步减小。然而,开关264的额定电流大于对于开关164的那些。变压器204的漏电感小于LS。备选地,变压器204是能够如本文描述的那样操作电气系统200和电流分流系统250的任何变压器,其无限制地包括升压变压器。
电流分流系统250和电气系统200的操作与在上文对于系统150和100描述的相似,所不同的是在分别对于故障190和180远离功率转换器120和变压器104分流AC电力时,通过传输可控开关264传输的AC电力的电压逐步下降并且电流逐步上升。
图4是可与电气系统100(在图1中示出)或备选电气系统300一起使用的另一个备选电流分流系统350的示意图。电气系统300与电气系统100和200(在图3中示出)相似,所不同的是变压器304代替变压器104并且去除元件112(在图1、2和3中示出)。变压器304包括耦合于电源102的初级绕组、耦合于AC输电子系统310(其限定三相电路316)的元件114的次级绕组308和耦合于备选电流分流系统350的三级绕组309。初级绕组306、次级绕组308和三级绕组309彼此电磁耦合。变压器304的漏电感小于LS
如此,电气系统300包括电流分流系统350,其与电流分流系统250相似,所不同的是系统350包括在AC端子368处耦合于变压器304的三级绕组309的备选第一部分352,而不是步降变压器204。电流分流系统350包括备选第一开关设备360,其包括备选开关设备对362,该备选开关设备对362进一步包括耦合于接地总线369的备选传输可控开关364和二极管366。变压器304的三级绕组309使到传输可控开关364的电压减小,由此便于晶闸管的额定电压从对电流分流系统150和开关164(两者都在图2中示出)描述的那些额定值进一步减小。然而,开关264的额定电流大于对于开关164的那些。
电流分流系统350和电气系统300的操作与在上文对系统250和200描述的相似之处在于在分别对于故障190和180远离功率转换器120和变压器304分流AC电力时,通过传输可控开关364传输的AC电力的电压逐步下降并且电流逐步上升。
上文描述的电力系统(即,本文描述的功率转换器和关联的电流分流电路)提供用于操作MVDC和HVDC电力传输和分配系统的成本有效的方法。具体地,本文描述的电流分流电路由于远离标准电力传输路径中选择的部件(例如功率转换器中基于半导体的器件(例如晶闸管和IGBT)和关联DC链路中的部件)的短路而便于传输增加的电流。电流的这样的分流便于使用不太耐用的半导体器件并且便于在电流漂移期间使基于半导体的器件维持在运行中,而不是中断通过设备(例如断路器)的电流。另外,因为大部分的能量远离DC链路中的电容器分流,这样的电流分流便于使吸收在短路瞬态期间引起的能量所需要的DC链路中的电容器的电容值减少。
本文描述的方法、系统和装置的示范性技术效果包括以下中的至少一个:(a)使短路电流远离功率转换器中的基于半导体的器件和DC链路中的电容性设备分流并且减少对大规模电路中断以用于保护的依赖;(b)在DC故障期间使在功率转换器的AC侧上产生的电流远离功率转换器分流;(c)在AC故障期间使在功率转换器的DC侧上产生的电流在功率转换器中的基于半导体的器件周围分流;(d)在功率转换器的AC侧或DC侧上的故障期间使功率转换器中的基于半导体的器件维持在运行中;(e)便于在功率转换器和电流分流电路中使用更便宜、更可用的可控开关;以及(f)延长AC中断器断开的时段以通过使故障电流的明显部分通过并行路径持续至少短时段地分流而隔离故障。
用于操作电力系统的方法、系统和装置的示范性实施例不限于本文描述的具体实施例,而相反,系统的部件和/或方法的步骤可独立于本文描述的其他部件和/或步骤并且与它们分开使用。例如,这些方法还可与在故障期间需要电流分流的其他系统结合使用,并且不限于仅用如本文描述的系统和方法来实践。相反,示范性实施例可以连同可从这样的电流分流获益的许多其它应用、设备和系统一起实现和使用。
尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些图中而不在其他图中示出,这仅是为了方便。根据本公开的原理,图的任何特征可结合任何其他图的任何特征来引用和/或要求保护。
该书面描述使用示例来公开实施例,其包括最佳模式,并且还使本领域内任何技术人员能够实践实施例,包括制作和使用任何设备或系统并且进行任何包含的方法。本公开的专利范围由权利要求限定,并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件,或者如果包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则意在权利要求的范围内。
部件列表

Claims (13)

1.一种电气系统(100;200;300),其包括:
交流(AC)电源(102);
功率转换器(120),其包括至少一个第一端子(156;158)和至少一个第二端子(159),其中所述至少一个第一端子配置成接收具有直流(DC)分量的电压,并且所述至少一个第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量;
AC输电子系统(110;210;310),其耦合到所述AC电源与所述功率转换器并且在其之间延伸;
电流分流系统(150;250;350),其包括:
多个第一开关设备(160;260;360),其耦合于所述AC输电子系统的至少一部分;以及
至少一个第二开关设备(170),其包括耦合于所述至少一个第一端子的第三端子(172)和耦合于所述至少一个第二端子的第四端子(174),其中所述至少一个第一端子与所述至少一个第二端子之间的电压具有正的时间平均值,其包括AC分量和DC分量,所述至少一个第二开关设备配置成将电流仅从所述第三端子传输到所述第四端子,并且配置成当在所述功率转换器(120)的AC侧上游发生短路状况时,将来自耦合于所述功率转换器(120)的DC侧的DC传输系统的电力从所述第三端子传输到所述第四端子并且进一步传输到所述多个第一开关设备(160;260;360)。
2.如权利要求1所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个第一开关设备(160;260;360)是多极设备,其耦合于所述AC输电子系统(110;210;310)的至少一部分。
3.如权利要求1所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个第一开关设备(160;260;360)包括多个开关设备对(162;262;362),其中所述多个开关设备对的每个开关设备对包括可控开关(164;264;364)。
4.如权利要求3所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个开关设备对的所述每个开关设备对(162;262;362)进一步包括与所述可控开关(164;264;364)并联耦合的二极管(166;266;366)。
5.如权利要求4所述的电气系统(100;200;300),其中所述AC输电子系统(110;210;310)包括多个导电元件(112;114),其至少部分限定多相电路(116),所述多个导电元件中的每个导电元件配置成传输一个相的AC电力。
6.如权利要求5所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个开关设备对的所述每个开关设备对(162;262;362)耦合于所述多相电路(116;216;316)的一个相。
7.如权利要求5所述的电气系统(100;200;300),其进一步包括变压器(204),所述变压器耦合于所述多个第一开关设备(160;260;360)并且耦合于所述多个导电元件(112;114)。
8.如权利要求1所述的电气系统(100;200;300),其中所述功率转换器(120)包括串联耦合的多个单元(140),所述至少一个第二开关设备(170)包括多个第二开关设备,并且所述多个第二开关设备的至少一个第二开关设备耦合于所述多个单元的至少一个单元。
9.如权利要求1所述的电气系统(100;200;300),其中所述至少一个第二开关设备(170)是晶闸管。
10.如权利要求1所述的电气系统(100;200;300),其中所述AC输电子系统(310)包括变压器(304),其包括初级(306)、次级(308)和第三(309)绕组,所述第三绕组耦合于所述多个第一开关设备(360)。
11.如权利要求1所述的电气系统(100;200;300),其中所述多个第一开关设备的至少一个第一开关设备(160;260;360)不是机械开关设备。
12.一种操作电气系统(100;200;300)的方法,所述电气系统包括功率转换器(120),其包括交流(AC)侧(122)和直流(DC)侧(124),所述功率转换器还包括至少一个第一端子(156;158)和至少一个第二端子(159),所述至少一个第一端子配置成接收具有直流(DC)分量的电压,并且所述至少一个第二端子配置成接收具有非零时间平均值的电压,其包括AC分量和DC分量,所述电气系统还包括耦合于所述功率转换器的AC侧的AC输电子系统(110;210;310)和耦合于所述功率转换器的DC侧的DC传输系统(130),所述电气系统进一步包括电流分流系统(150;250;350),其包括第一部分(152)和第二部分(154),其中所述电流分流系统的第一部分包括耦合于所述AC输电子系统的至少一部分的多个第一开关设备(160;260;360),并且所述电流分流系统的第二部分包括耦合于所述至少一个第一端子的至少一个第二开关设备(170;270;370),其中所述至少一个第一端子与所述至少一个第二端子之间的电压具有正的时间平均值,其包括AC分量和DC分量,所述方法包括:
检测在所述功率转换器的AC侧上游的短路状况;以及
通过所述电流分流系统的第二部分将电力从所述DC传输系统传输到所述电流分流系统的第一部分。
13.一种操作如权利要求1所述的电气系统(100;200;300)的方法,所述方法包括:
检测在所述功率转换器的DC侧上游的短路状况;以及
将电力从所述AC输电子系统传输到所述电流分流系统。
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