CN106068608A - 混合高压直流转换器系统 - Google Patents

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Abstract

混合HVDC转换器系统包括：至少一个交流（AC）管道（314，324）；至少一个变压器（312），其耦合于所述至少一个AC管道；和至少一个直流（DC）管道（326）。混合HVDC转换器系统还包括至少一个电容器换向转换器（CCC）（310，410），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流。至少一个CCC通过至少一个变压器耦合于所述至少一个AC管道。混合HVDC转换器系统进一步包括至少一个自换向转换器（SCC）（322，454），其配置成将AC电压和AC电流转换成调节的DC电压和DC电流。至少一个SCC包括至少一个AC/DC级（456）和耦合于至少一个AC/DC级的至少一个DC/DC级（458）。

Description

混合高压直流转换器系统
技术领域
本发明的领域大体上涉及高压直流（HVDC）传输系统，并且更特定地，涉及混合HVDC转换器系统。
背景技术
已知发电设施中的至少一些物理定位在远程地理区域中或其中难以物理访问的区域中。一个示例包括在地理上位于崎岖和/或偏远地带（例如山区坡地、离客户的延伸距离和近海）的发电设施，例如近海风力涡轮机安装。更具体地，这些风力涡轮机可在常见地理区域中物理嵌套在一起来形成风力涡轮机场并且电耦合于公共交流（AC）集电器系统。这些已知风力涡轮机场中的许多包括分离的电力转换组件或系统，其电耦合于AC集电器系统。这样的已知分离电力转换组件包括将发电设施产生的AC转换成直流电（DC）的整流器部分，和将DC转换成具有预定频率和电压幅度的AC的逆变器。分离电力转换组件的整流器部分很靠近关联的发电设施定位并且分离的全功率转换组件的逆变器部分定位在偏远设施中，例如基于陆地的设施。这样的整流器和逆变器部分典型地经由水下高压直流（HVDC）电力电缆（其至少部分限定HVDC传输系统）而电连接。
许多已知电力转换器系统包括转换器，例如线路换向转换器（LCC）。基于LCC的转换器典型地使用晶闸管以通过触发角控制来“斩控”三相AC电压以产生可变DC输出电压。使用这样的HVDC传输系统的“黑启动”也是不可能的。此外，这样的已知的基于晶闸管的整流器/逆变器需要从AC电网到晶闸管的大量无功功率，其中一些无功功率要求代表转换器额定功率的近似50%至60%。此外，基于晶闸管的转换器促进大量产生流入AC电网的谐波电流，例如，11次和13次谐波，这样的谐波电流典型地是11次和13次谐波中的每个的当前电流加载的近似10%。因此，为了补偿谐波电流和无功功率，在关联的AC开关站中安装大的AC滤波器。在一些已知开关站中，AC滤波器部分的尺寸是关联的基于晶闸管的转换器部分的尺寸的至少3倍。开关站的这样的AC滤波器部分由于安装的大型设备需要场地以及成本和尺寸而是资本密集型的。另外，替换零件以及预防性和校正性维护活动方面的大量投入使运营成本增加。
另外，大部分已知的基于LCC的HVDC转换器未配置成在超过800千伏（kV）的电压传送HVDC电力。随着传输电压增加，电力传输效率也趋于增加。
发明内容
在一个方面中，提供混合高压直流（HVDC）转换器系统。混合HVDC转换器系统包括至少一个交流（AC）管道、耦合于所述至少一个AC管道的至少一个变压器和至少一个直流（DC）管道。混合HVDC转换器系统还包括至少一个电容器换向转换器（CCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流。至少一个CCC通过至少一个变压器耦合于至少一个AC管道。混合HVDC转换器系统进一步包括至少一个自换向转换器（SCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成调节的DC电压和DC电流。至少一个SCC包括至少一个AC/DC级和耦合于该至少一个AC/DC级的至少一个DC/DC级。
在另外的方面中，提供混合高压直流（HVDC）转换器系统。该系统包括至少一个交流（AC）管道、耦合于该至少一个AC管道的至少一个变压器和至少一个直流（DC）管道。系统还包括至少一个电容器换向转换器（CCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流。至少一个CCC通过至少一个变压器耦合于至少一个AC管道。系统进一步包括至少一个自换向转换器（SCC），其配置成将AC电压和电流转换成调节的DC电压和DC电流。至少一个SCC包括至少一个AC/DC级，其包括多个AC端子、多个DC端子和耦合于该多个AC端子并且耦合于多个DC端子的多个开关功率极。至少一个SCC还包括至少一个DC/DC级，其通过多个DC端子耦合于至少一个AC/DC级。
在另一个方面中，提供混合高压直流（HVDC）转换器系统。该系统包括至少一个交流（AC）管道、耦合于该至少一个AC管道的至少一个变压器和至少一个直流（DC）管道。系统还包括至少一个电容器换向转换器（CCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流。至少一个CCC通过至少一个变压器耦合于至少一个AC管道。系统进一步包括至少一个自换向转换器（SCC），其配置成将AC电压和电流转换成调节的DC电压和DC电流。至少一个SCC包括至少一个AC/DC级，其包括多个AC端子、多个DC端子和耦合于该多个AC端子的多个开关功率极。
附图说明
当参照附图（其中整个图中类似的符号代表类似的部件）阅读下列详细描述时，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是示范性计算设备的框图；
图2是示范性监测和控制系统（其可包括图1中示出的计算设备）的一部分的框图；
图3是示范性高压直流（HVDC）传输系统的示意图；
图4是可与图3中示出的HVDC传输系统一起使用的示范性高压直流（HVDC）转换器系统的示意图；
图5是可与图4中示出的HVDC转换器系统一起使用的多个电容性子模块（即，示范性电容性子模块组）；
图6是可与图5中示出的电容性子模块组一起使用的示范性电容性子模块的示意图；
图7是可与图5中示出的电容性子模块组一起使用的备选电容性子模块的示意图；
图8是可与图5中示出的电容性子模块组一起使用的另一个备选电容性子模块的示意图；
图9是图8中示出的多个电容性子模块的示意图；
图10是可与图3中示出的HVDC传输系统一起使用的备选HVDC转换器系统的示意图；
图11是可与图3中示出的HVDC传输系统一起使用的另一个备选HVDC转换器系统的示意图；以及
图12是可与图3中示出的HVDC转换器系统一起使用的示范性黑启动配置的示意图。
除非另外指明，本文提供的图意在说明本发明的实施例的发明性特征。认为这些特征在包括本发明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发明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“一个”、“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”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，除非上下文或语言另外指明。
如本文使用的，术语“黑启动”指从发电设施外部的源向位于地理隔离位点中的至少一个发电设施提供电力。当发电设施中没有发电机在运行中并且在地理隔离发电设施中没有其他电力源来促进其中至少一个发电机重启时认为存在黑启动条件。
本文描述的用于电力HVDC传输的HVDC转换器系统提供用于在超过800千伏（kV）传送HVDC电力的成本有效的方法。本文描述的实施例使用电容器换向转换器（CCC）而不是线路换向转换器（LCC）来将AC电力转换成HVDC电力。除CCC外，本文描述的实施例使用通过变压器在AC侧上与CCC耦合的自换向转换器（SCC）并且SCC和CCC在DC侧上串联连接。本文描述的SCC包括AC到DC转换级（AC/DC级），其包括具有可变能量存储特征以促进调节AC电压、AC电流、中间DC电压和中间DC电流波形（即，使其成形）的电容性子模块。而且，本文描述的实施例使用多个开关设备来进一步调节AC和DC波形。多个开关设备调节电容性子模块的充电使得关联的冲击电流在预定电流参数内调节，由此使在电容性子模块的部件和相关电路上诱导的电压应力减小使得不需要使用额外预充电电路。在本文描述的至少一个实施例中，DC到DC转换级（DC/DC级）耦合于AC/DC级使得DC/DC级中多个快动开关调节如上文描述的操作。在本文描述的至少一个其他实施例中，在AC/DC级中具有低开关频率（即，每一个AC周期多达6-12个开关操作）的多个开关与DC/DC级中的开关合作来调节如上文描述的操作。在本文描述的至少一个额外实施例中，在AC/DC级中具有低开关频率（即，每一个AC周期多达6-12个开关操作）的多个开关在没有DC/DC级的情况下调节如上文描述的操作。另外，本文描述的架构使无功功率消耗和谐波产生减少使得对大的AC滤波器的需要减小，直至消除，由此使安装、操作和维护开关站的AC滤波器部分的成本减小，该开关站由于需要场地以及安装的大型设备的成本和尺寸而是资本密集型的。另外，替换零件以及预防性和校正性维护活动方面的大量投入（其使运营成本增加）减少。
图1是可用于对高压直流（HVDC）传输系统并且更具体地电力转换系统（都未在图1中示出）进行监测和/或控制的示范性计算设备105的框图。更具体地，计算设备105监测和/或控制任何设备件、任何系统和与电力转换系统和HVDC传输系统关联的任何进程，例如而没有限制地，双向电力转换器、机械隔离设备和监测设备（都未在图1中示出）。计算设备105包括存储器设备110和操作地耦合于存储器设备110以用于执行指令的处理器115。在一些实施例中，可执行指令存储在存储器设备110中。计算设备105可配置成通过编程处理器115来进行本文描述的一个或多个操作。例如，可通过将操作编码为一个或多个可执行指令并且在存储器设备110中提供这些可执行指令来对处理器115编程。在示范性实施例中，存储器设备110是能够存储和检索例如可执行指令和/或其他数据等信息的一个或多个设备。存储器设备110可包括一个或多个计算机可读介质。
存储器设备110可配置成存储操作测量，其无限制地包括实时和历史电压和电流值和/或任何其他类型的数据。存储器设备110还无限制地包括足够的数据、算法和命令来促进对HVDC传输系统和关联电力转换系统内部件的监测和控制。
在一些实施例中，计算设备105包括耦合于处理器115的呈现界面120。呈现界面120向用户125呈现信息，例如用户界面和/或警报。在一些实施例中，呈现界面120包括一个或多个显示设备。在一些实施例中，呈现界面120呈现与被监测的HVDC传输系统和关联电力转换系统关联的警报，例如通过使用人机界面（HMI）（未在图1中示出）。在一些实施例中，计算设备105还包括用户输入界面130。在示范性实施例中，用户输入界面130耦合于处理器115并且从用户125接收输入。
通信接口135耦合于处理器115并且配置成与一个或多个其他设备（例如传感器或另一个计算设备105）通信耦合并且关于这样的设备进行输入和输出操作同时表现为输入通道。通信接口135可从一个或多个远程设备接收数据和/或将数据传送到一个或多个远程设备。例如，一个计算设备105的通信接口135可将警报传送到另一个计算设备105的通信接口135。
图2是可用于监测和控制关联HVDC传输系统300和关联HVDC转换器系统（未在图2中示出）的至少一部分的监测和控制系统（即，在示范性实施例中，是监管控制和数据采集（SCADA）系统200）的一部分的框图。如本文使用的，术语“SCADA系统”指可跨多个地点、远程地点和大的距离监测和控制HVDC传输系统300的任何控制和监测系统。在一些实施例中，SCADA系统200可以是较大电管理系统（EMS）的一部分。在示范性实施例中，SCADA系统200包括至少一个中央处理单元（CPU）215，其配置成执行监测算法和监测逻辑。CPU 215可经由通信网络225耦合于其他设备220。
参考图1和2，CPU 215是计算设备105。在示范性实施例中，计算设备105经由通信接口135耦合于网络225。在备选实施例中，CPU 215与其他设备220集成。
CPU 215与第一操作者230交互，例如而没有限制地，经由用户输入界面130和/或呈现界面120。在一个实施例中，CPU 215向操作者230呈现关于电力转换系统300的信息（例如警报）。其他设备220与第二操作者235交互，例如而没有限制地，经由用户输入界面130和/或呈现界面120。例如，其他设备220向第二操作者235呈现警报和/或其他操作信息。如本文使用的，术语“操作者”包括与操作和维护电力转换系统300关联的任何身份的任何人，其无限制地包括倒班作业人员、维护技师和设施主管。
在示范性实施例中，HVDC传输系统300包括一个或多个监测传感器240，其通过至少一个输入通道245耦合于CPU 215。监测传感器240收集操作测量，其无限制地包括在HVDC传输系统300内产生并且通过HVDC传输系统300传送的AC和DC电压和电流。监测传感器240反复（例如，定期、连续和/或在请求时）传送测量时的操作测量读数。CPU 215接收并且处理操作测量读数。这样的数据跨网络225传送并且可被能够访问访问225的任何设备访问，其无限制地包括台式计算机、便携式计算机和个人数字助理（PDA）（都未示出）。在备选实施例中，CPU 215无限制地包括足够的数据、算法和命令来促进对通过HVDC传输系统300的DC电流传输的控制。
图3是示范性高压直流（HVDC）传输系统300的示意图。HVDC传输系统300使交流（AC）电力源302耦合于AC电力传输和分配电网304。备选实施例包括可互换的源302和电网304。为了清楚起见，对于本文描述的实施例，三相AC系统示出为具有仅仅一个管道。HVDC传输系统300包括分离的电力转换配置306。AC电力源302通过至少一个AC管道305（其包括AC滤波系统307）耦合于分离的电力转换配置306。分离的电力转换配置306包括第一转换器系统308，其包括电容器换向转换器（CCC）310。CCC 310通过变压器312和多个AC管道314耦合于AC电力源302。在示范性实施例中，变压器312包括一次绕组316、感应地耦合于一次绕组316的二次绕组318和感应地耦合于一次绕组316的三次绕组320。备选地，使用实现第一转换器系统308的操作的变压器312的任何配置，其无限制地包括多个变压器。通过二次绕组318将管道314赋能到VAC-1的电压。
第一转换器系统308进一步包括通过多个AC管道324和三次绕组320而与CCC 310并联耦合的自换向转换器（SCC）322。将管道324赋能到VAC-2的电压。SCC 322和CCC 310通过多个DC管道326而串联耦合。第一转换器系统308还包括CCC旁路开关328、SCC旁路开关330和多个DC旁路管道332。开关328和320以及管道332至少部分限定黑启动路径（在下文进一步论述）。在示范性实施例中，开关设备328和330常开并且手动和本地操作以分别关闭旁路CCC 310和SCC 322。备选地，开关设备328和330可远程操作。
分离的电力转换配置306还包括第二转换器系统334，其通过多个AC管道336耦合于AC电力传输和分配电网304。管道336被赋能到VAC-3的电压。第二转换器系统334还通过多个HVDC传输管道338和340耦合于第一转换器系统308。在示范性实施例中，HVDC传输系统300包括单极配置并且管道338维持在正电压电势并且管道340维持在大致中性，或地电势。备选地，HVDC传输系统300可具有双极配置，即管道338以正极性赋能并且管道340以负极性赋能。在示范性实施例中，第一转换器系统308和第二转换器系统334大致相同。备选地，第一转换器系统308和第二转换器系统334是不同的。
在操作中，第一转换器系统308从AC电力源302接收三相正弦交流（AC）电力并且在跨管道338和340传送的预定电压VDC将三相正弦AC电力整流成具有电流IDC的DC电力。第二转换器系统334接收IDC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。SCC 322和CCC 310的组合在建立的参数内在第一转换器系统308的DC侧上调节DC电压（VDC）。
图4是可与作为第一转换器系统308（在图3中示出）的HVDC传输系统300一起使用的示范性高压直流（HVDC）转换器系统400的示意图。在示范性实施例中，HVDC转换器系统400包包括至少一个在外部的，即电容器换向转换器（CCC）410（在图4中示出两个）作为CCC310（在图3中示出）。CCC 410包括多个固定电容器450，其耦合于多个半导体功率设备，例如且没有例外地，晶闸管452。每个CCC 410将AC电压和AC电流转换成DC电压，即VDC-CCC和DC电流。固定电容器450促进晶闸管452的换向。
HVDC转换器系统400还包括至少一个自换向转换器（SCC）454（在图4中仅示出一个）作为SCC 322（在图3中示出）。SCC 454是双向的。在示范性实施例中，SCC 454包括彼此串联耦合的至少一个AC/DC级456和至少一个DC/DC级458（每个仅示出一个）。
AC/DC级456包括多个AC端子460并且通过AC端子460耦合于AC管道324。AC/DC级456通过AC端子460、AC管道324和三次绕组320而与CCC 410并联耦合。AC/DC级456还包括多个DC端子462并且通过DC端子462耦合于DC/DC级458。AC/DC级456进一步包括多个分支管道464，其从AC端子460延伸到DC端子462。每个分支管道464包括多个电容性子模块466（即，组），示出为具有延伸通过其的箭头的电容性设备。如此，每个电容性子模块466组包括多个个体电容性子模块（未在图4中示出，并且在下文进一步论述），并且每个组466内的每个个体电容性子模块配置成可选择地被置于运行中，由此促进操作作为可变电容性设备的每个电容性子模块466组。
DC/DC级458包括多个DC端子468，其通过DC端子462使DC/DC级458耦合于AC/DC级456。DC/DC级458还包括多个快动半导体开关470，例如且没有例外，绝缘栅双极晶体管（IGBT）和晶闸管。备选地，使用实现如本文描述的DC/DC级470的操作的任何开关设备，其无限制地包括水银管。DC/DC级458进一步包括多个DC端子472并且通过DC端子472耦合于DC管道326，并且因此通过DC管道326与CCC 410串联耦合。SCC 454将AC电压和AC电流转换成DC电压（即VDC-SCC）和DC电流。
在操作中，CCC 410通过变压器312的一次绕组316和二次绕组318以及在电压VAC-1的AC管道314从AC电力源302接收三相正弦AC电力。CCC 410将AC电压整流成HVDC电压，即VDC-CCC。
而且，在操作中，SCC 454的AC/DC级456通过变压器312的一次绕组316和三次绕组320以及在电压VAC-2的AC管道324从AC电力源302接收三相正弦AC电力。AC/DC级456将AC电压和电流整流成中间DC电压VDC-Int和中间电流值，其通过DC端子462和468被传送到DC/DC级458。DC/DC级458例如通过脉宽调制（PWM）将中间DC电压VDC-Int调制为HVDC电压值，即具有相当的HVDC电流值的VDC-SCC，其与VDC-CCC相加来包括VDC。SCC 454和CCC 410的组合在建立的参数内调节HVDC传输管道338和340上的VDC和IDC。在示范性实施例中，VDC超过800千伏（kV）。
如本文描述的SCC 454使用AC/DC级456，其包括具有可变能量存储特征以促进调节AC电压、AC电流、中间DC电压和中间DC电流波形（即，使其成形）的电容性子模块466。SCC454也使用DC/DC级458，其包括快动半导体开关470，来调节电容性子模块466的充电使得在预定电流参数内调节关联的冲击电流，由此使电容性子模块466的部件和相关电路上诱导的电压应力减小使得不需要使用额外预充电电路。在一些情况下，即在SCC 454具有反向电流流动（即，DC到AC）时，例如在黑启动操作期间，DC/DC级458使用快动半导体开关470来促进调节中间DC电压和中间DC电流波形（例如，使其成形）。
而且，在操作中，DC/DC级458可通过闭合SCC旁路开关330并且断开开关470而置于旁路模式使得CCC 410通过闭合的旁路开关330耦合于HVDC传输管道340并且AC/DC级456与HVDC管道338和340以及其上的关联DC电压瞬态和DC电流瞬态隔离。此外，在操作中，电容性子模块466可操作成调节AC到DC转换使得AC/DC级456促进DC/DC级458与AC端子460上游的AC瞬态去耦。
图5是可与HVDC转换器系统400（在图4中示出）一起使用的多个电容性子模块466（即，示范性电容性子模块466组）的示意图。在示范性实施例中，电容性子模块466组定位在两个端子474和476之间。而且，在示范性实施例中，组466包括采用串联配置耦合在一起的电容性子模块478。备选地，使用实现如本文描述的HVDC转换器系统400的操作的电容器子模块478的任何电配置。在下文进一步论述每个电容性子模块478。
图6是可与电容性子模块组466一起使用并且可用作电容性子模块478（两者都在图5中示出）的示范性电容性子模块500的示意图。在示范性实施例中，电容性子模块500包括多个半导体开关设备502和504，例如且没有限制地，IGBT。而且，电容性子模块500包括至少一个能量存储元件，例如且没有限制地，耦合于半导体开关设备502和504 的电容器506。
在典型操作中，半导体开关设备502和504在接通态和关断态之间转换来调节电容器506。如此，半导体开关设备502和504的操作调节通过设备502和504以及电容器506的电流流动并且因此调节通过电容性子模块500的电流流动。而且，半导体开关设备502和504的操作调节电容器506的电压状态或水平，并且因此调节电容性子模块500。多个电容性子模块500定位在电容性子模块466组内并且每个子模块500中的开关设备502和504的操作调节整个电容性子模块466组的电流和电压，并且因此调节管道460处的AC电压、AC电流以及端子462处的中间DC电压和电流。
图7是可与电容性子模块466组一起使用并且可用作电容性子模块478（两者都在图5中示出）的备选电容性子模块510的示意图。在示范性实施例中，电容性子模块510包括多个半导体开关设备512、514、516和518，例如且没有限制地，IGBT。而且，电容性子模块510包括至少一个能量存储元件，例如且没有限制地，耦合于半导体开关设备512、514、516和518的电容器520。
在典型操作中，半导体开关设备512、514、516和518在接通态和关断态之间转换来调节电容器520。如此，半导体开关设备512、514、516和518的操作调节通过设备512、514、516和518以及电容器520的电流流动，并且因此调节通过电容性子模块510的电流流动。而且，半导体开关设备512、514、516和518的操作调节电容器520的电压状态或水平，并且因此调节电容性子模块510。多个电容性子模块510定位在电容性子模块466组内，并且每个子模块510中的开关设备512、514、516和518的操作调节整个电容性子模块466组中的电流和电压，并且因此调节管道460处的AC电压、AC电流以及端子462处的中间DC电压和电流。
例如且没有限制地，如果半导体开关设备512和518处于接通态并且开关设备514和516处于关断态，电容器520被有效地绕过。对于半导体开关设备512和516处于接通态且半导体开关设备514和518处于关断态时的那些情况，电容器520被有效绕过。相似地，对于半导体开关设备512和516处于关断态且半导体开关设备514和518处于接通态时的那些情况，电容器520被有效绕过。对于半导体开关设备512和518处于关断态且半导体开关设备514和516处于接通态时的那些情况，诱导电容器520的极性使得电流被传送通过开关设备514和516以及电容器520。备选地，对于半导体开关设备514和516处于关断态且半导体开关设备512和518处于接通态时的那些情况，诱导电容器520的极性使得电流被传送通过开关设备512和518以及电容器520。
图8是可与电容性子模块466组一起使用并且可用作电容性子模块478（两者都在图5中示出）的另一个备选电容性子模块530的示意图。在示范性实施例中，电容性子模块530包括多个半导体开关设备532和534，例如且没有限制地，绝缘栅双极晶体管（IGBT）。电容性子模块530还包括两个能量存储元件，例如且没有限制地，电容器536和538，作为耦合于半导体开关设备532和534的两个电容性段536和538。电容性子模块530进一步包括故障模块544，其包括半导体开关设备546，例如IGBT和二极管548。
在典型操作中，半导体开关设备532和534在接通态与关断态之间转换来调节电容性段536和538的状态。而且，开关设备546常开并且二极管548允许电流仅在一个方向上，即朝向电容器538和开关534。如此，半导体开关设备532和534的操作调节通过电容性子模块530的电流流动和电压状态。因此，多个电容性子模块530定位在电容性子模块466组内并且调节整个电容性子模块466组的电流和电压，并且因此调节管道460处的AC电压和AC电流以及端子462处的中间DC电压和电流。
在严重瞬态和/或HVDC传输系统的一部分（例如且没有限制地，HVDC传输管道538和540）上故障的情况下，开关设备546切换到关断态，电容器536和538的电容性段540和542中的一个获得与电流流相反的电压极性，并且二极管548防止电流流到电容性子模块530外。因此，通过电容性子模块530的整体电流流在故障条件期间明显减小。
图9是与共享故障模块544的电容性子模块530（在图8中示出）相似的多个电容性子模块550和560的示意图。具体地，电容性子模块550和560用故障模块544配置使得四个半导体开关设备中的至少两个在相邻电容性子模块之间共享。电容性子模块550包括与电容性子模块530（在图8中示出）相似的部件编号。相比之下，电容性子模块560包括半导体开关设备562和564以及电容器，即采用与子模块550相似配置的电容性段566和568。在示范性实施例中，电容性子模块550与电容性子模块560共享开关设备546和548。电容性子模块550和560的操作与对上文的电容性子模块530描述的相似。
图10是可与HVDC传输系统300一起使用的备选HVDC转换器系统600的示意图。HVDC转换器系统600与HVDC转换器系统400（在图4中示出）相似，但具有上文论述的例外。
HVDC转换器系统600包括至少一个自换向转换器（SCC）654（在图11中仅示出一个）作为SCC 322（在图3中示出）。SCC 654是双向的。在示范性实施例中，SCC 654包括彼此串联耦合的至少一个AC/DC级656和至少一个DC/DC级458（每个仅示出一个）。SCC 654将AC电压和AC电流转换成DC电压（即VDC-SCC）和DC电流。
AC/DC级656包括多个AC端子660并且通过AC端子660耦合于AC管道324。AC/DC级656通过AC端子660、AC管道324和三次绕组320与CCC 410并联耦合。AC/DC级656还包括多个DC端子462并且通过DC端子462耦合于DC/DC级458。AC/DC级656进一步包括多个分支管道664，其从AC端子460延伸到DC端子462。每个分支管道664包括电容性子模块466组。
AC/DC级656还包括多个开关功率极680（示出三个），其通过分支管道664耦合于AC端子460并且进一步耦合于DC端子462。每个开关功率极680包括串联耦合的多个开关设备682（示出每极680两个设备682）。耦合端子684由开关功率极680限定使得所有开关功率极680耦合于此。在示范性实施例中，每个开关设备682是低频开关设备，其配置成以多达每AC线周期六倍至每AC线周期十二倍的频率在接通条件与关断条件之间循环。备选地，使用实现如本文描述的开关功率极680的操作的任何循环频率。
此外，在示范性实施例中，开关设备682之间的每个分支管道664和每个开关极680限定其之间的浮动端子686。电容性子模块466的每个电容性子模块478（在图5中示出）定位在每个关联的浮动端子686与关联的AC端子460之间。
在上文描述DC/DC级458。HVDC转换器系统600还包括在DC端子462与468之间耦合的多个DC断开开关688，由此促进AC/DC级656与DC/DC级458以及下游DC部件的隔离。
在操作中，CCC 410将AC电压VAC-1整流成HVDC电压，即VDC-CCC，如上文描述的。而且，在操作中，SCC 654的AC/DC级656通过变压器312的一次绕组316和三次绕组320以及处于电压VAC-2的AC管道324从AC电力源302接收三相正弦AC电力。AC/DC级656将AC电压和电流整流成中间DC电压VDC-Int和中间电流值，其通过DC端子462和468以及DC断开开关688传送到DC/DC级458。DC/DC级458将中间DC电压VDC-Int调制成具有相当的HVDC电流值的HVDC电压值，即VDC-SCC，其与VDC-CCC相加来包括VDC。SCC 654和CCC 410的组合在建立的参数内调节HVDC传输管道338和340上的VDC和IDC。在示范性实施例中，VDC超过800kV。
如本文描述的SCC 654使用AC/DC级656，其包括具有可变能量存储特征以促进调节AC电压、AC电流、中间DC电压和中间DC电流波形（使其成形）的电容性子模块466。而且，SCC 654使用DC/DC级458，其包括快动半导体开关470以及AC/DC级656中的低频开关设备682来调节电容性子模块466的充电使得关联的冲击电流在预定电流参数内调节，由此使电容性子模块466的部件以及相关电路上诱导的电压应力减小使得不需要使用额外预充电电路。另外，电容性子模块466上的电压应力减小了多达与HVDC转换器系统400（在图4中示出）关联的电压应力30%至50%。在一些情况下，即在SCC 654具有反向电流流动（即，DC到AC）时，DC/DC级458使用快动半导体开关470来促进调节中间DC电压和中间DC电流波形（即，使其成形）。
而且，在操作中，DC/DC级458还可通过闭合SCC旁路开关330以及断开开关470而置于旁路模式使得CCC 410通过闭合的旁路开关330耦合于HVDC传输管道340并且AC/DC级656与HVDC管道338和340以及其上的关联DC电压瞬态和DC电流瞬态隔离。此外，在操作中，在DC/DC级458必须完全从服务中移除并且隔离的情况下，DC断开开关688断开并且AC/DC级656可作为AC滤波单元和/或STATCOM操作。此外，在操作中，电容性子模块466可操作成调节AC到DC转换使得AC/DC级656促进DC/DC级458与AC端子660上游的AC瞬态去耦。
图11是可与HVDC转换器系统300一起使用的另一个备选HVDC转换器系统700的示意图。HVDC转换器系统700与HVDC转换器系统600（在图11中示出）相似，但具有下文论述的例外。
HVDC转换器系统700包括SCC 754，其仅包括AC/DC级656并且不包括DC/DC级458。因此，AC/DC级656配置成产生HVDC电压VDC-SCC使得在添加到VDC-CCC时导致超过800kV的电压VDC。断开开关功率极680中的所有开关682并且闭合SCC旁路开关330绕过大部分SCC 754同时CCC 410可保持在操作中。
图12是可与HVDC转换器系统700一起使用的示范性黑启动配置800的示意图。相似配置可与HVDC转换器系统400和600（分别在图4和11中示出）一起使用。黑启动配置800至少部分在SCADA系统200（在图2中示出）中实现。
而且，在示范性实施例中，黑启动流路径802通过第二转换器系统334（在图13中示出）、HVDC传输管道338、CCC旁路开关328、SCC 754（AC/DC级656）从AC电网304到AC源302限定。如此，SCC 754是双向的。例如，对于在AC源302内没有发电机在运行的那些时期，通过系统300将电力从AC电网304传送到AC源302来对其上的负载供电。基于功率流的方向，第二转换器系统334或SCC 754中的任一个控制DC线路电流。
在黑启动操作中，HVDC传输系统300以HVDC传输管道338与AC源302之间的绝大多数设备大致被去能而开始。变压器312与CCC 410电隔离。CCC旁路开关328闭合（本地或远程），由此限定绕过CCC 410的路径802的一部分，并且使SCC 754与HVDC传输管道338直接耦合。而且，在黑启动操作中，SCC 754的电容性子模块466被充电，这进而对AC管道324赋能。SCC 754产生足够的AC电力以至少部分对AC管道324赋能并且通过电容性子模块466的调节来将AC电力传送到AC源302。通过黑启动配置800的功率流由箭头804指示。
上文描述的用于本文描述的电力的HVDC传输的HVDC转换器系统提供成本有效的方法用于传送超过800千伏（kV）的HVDC电力。本文描述的实施例使用电容器换向转换器（CCC）而不是线路换向转换器（LCC）来将AC电力转换成HVDC电力。除CCC外，本文描述的实施例使用在AC侧上与CCC并联耦合并且在DC侧上与CCC串联耦合的自换向转换器（SCC）。本文描述的SCC包括AC到DC转换级（AC/DC级），其包括具有可变能量存储特征以促进调节AC电压、AC电流、中间DC电压和中间DC电流波形（即，使其成形）的电容性子模块。而且，本文描述的实施例使用多个开关设备以进一步调节AC和DC波形。多个开关设备调节电容性子模块的充电使得关联的冲击电流在预定电流参数内调节，由此使电容性子模块的部件以及相关电路上诱导的电压应力减小使得不需要使用额外预充电电路。在本文描述的至少一个实施例中，DC到DC转换级（DC/DC级）耦合于AC/DC级使得DC/DC级中的多个快动开关调节如本文描述的操作。在本文描述的至少一个其他实施例中，AC/DC级中具有低开关频率（即，多达每一个AC周期6-12个开关操作）的多个开关与DC/DC级中的开关合作来调节如上文描述的操作。在本文描述的至少一个额外实施例中，AC/DC级中具有低开关频率（即，多达每一个AC周期6-12个开关操作）的多个开关在没有DC/DC级的情况下调节如上文描述的操作。
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）使用电容性子模块来调节AC电力到DC电力以及DC电力到AC电力的转换；（b）使用快动开关和/或慢动开关来促进电容性子模块的调节；（c）通过使电容性子模块上诱导的电压应力减少来使它的尺寸大大减小；（d）使对电容性子模块的预充电电路的需要大大减小；（e）用被绕过以使关联AC/DC级与DC侧瞬态和故障隔离的关联DC/DC级操作SCC，由此促进AC/DC级的持续操作；以及（f）操作SCC且调节关联的电容性子模块来使DC/DC级的AC瞬态效应减小。
用于通过HVDC传输系统使电力电网耦合的电力转换系统和操作这样的系统和设备的方法的示范性实施例不限于本文描述的特定实施例，而相反，系统的部件和/或方法的步骤可独立且与本文描述的其他部件和/或步骤分离使用。例如，方法还可结合需要HVDC传输和电力转换的其他系统以及关联方法一起使用，并且不限于仅用如本文描述的HVDC传输系统和方法实践。相反，示范性实施例可以连同当前配置成传送和接收电力的许多其他DC传输应用一起实现和使用，例如且没有限制地，偏远区域和工业设施中的DC分配系统。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可在一些图中而不在其他中示出，这仅是为了方便。根据本发明的原理，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。
一些实施例牵涉使用一个或多个电子或计算设备。这样的设备典型地包括处理器或控制器，例如通用中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、微控制器、精简指令集计算机（RISC）处理器、专用集成电路（ASIC）、可编程逻辑电路（PLC）和/或能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理器。本文描述的方法可编码为计算机可读介质中包含的可执行指令，其无限制地包括存储设备和/或存储器设备。这样的指令在被处理器执行时促使该处理器执行本文描述的方法的至少一部分。上文的示例仅仅是示范性的，并且从而不意在以任何方式限制术语处理器的定义和/或含义。
该书面描述使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够本发明，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。本发明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它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们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规定在权利要求的范围内。

Claims (32)

1.一种混合高压直流（HVDC）转换器系统，其包括：
至少一个交流（AC）管道；
至少一个变压器，其耦合于所述至少一个AC管道；
至少一个直流（DC）管道；
至少一个电容器换向转换器（CCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流，所述至少一个CCC通过所述至少一个变压器耦合于所述至少一个AC管道；以及
至少一个自换向转换器（SCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成调节的DC电压和DC电流，所述至少一个SCC包括至少一个AC/DC级和耦合于所述至少一个AC/DC级的至少一个DC/DC级。
2.如权利要求1所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个AC/DC级通过所述至少一个变压器和所述至少一个AC管道耦合于所述至少一个CCC，并且所述至少一个DC/DC级和所述至少一个CCC与所述至少一个DC管道串联耦合。
3.如权利要求1所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个AC/DC级包括：
多个AC端子；
多个DC端子；以及
多个分支管道，其在所述多个AC端子与所述多个DC端子之间延伸，所述多个分支管道的每个分支管道包括多个电容性子模块，所述多个电容性子模块的每个电容性子模块配置成可选择地置于运行中。
4.如权利要求3所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块包括多个半导体开关设备和耦合于所述多个半导体开关设备的多个能量存储元件，所述多个半导体开关设备配置成促进可选择地将所述多个能量存储元件的至少一个能量存储元件置于运行中。
5.如权利要求4所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个能量存储元件包括两个电容性段，并且所述多个半导体开关设备包括四个半导体设备，其中所述两个电容性段和所述四个半导体开关设备被配置使得关断所述四个半导体开关设备的至少一部分将所述两个电容性段中的一个置于与所述多个DC端子中感测的故障条件期间的电流流动相反的电压极性，由此促进使通过其的电流流动减小。
6.如权利要求6所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块被配置使得所述四个半导体开关设备中的至少两个在相邻电容性子模块之间共享。
7.如权利要求1所述的混合HVDC转换器系统，其进一步包括与所述至少一个CCC并联耦合的至少一个CCC旁路开关。
8.如权利要求7所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个SCC和所述至少一个CCC旁路开关至少部分限定黑启动电流传输路径。
9.如权利要求1所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个SCC进一步包括与所述至少一个DC/DC级并联耦合的至少一个DC/DC级旁路开关。
10.如权利要求9所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个DC/DC级包括多个半导体开关，所述多个半导体开关和所述至少一个DC/DC级旁路开关促进使所述至少一个DC/DC级置于旁路模式，所述至少一个DC/DC级配置成促进所述至少一个AC/DC级与DC电压瞬态和DC电流瞬态隔离。
11. 如权利要求3所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块包括多个半导体开关设备和耦合于所述多个半导体开关设备的多个能量存储元件，所述多个半导体开关设备促进可选择地使所述多个能量存储元件的至少一个能量存储元件置于运行中，其中所述多个半导体开关设备配置成促进以下的调节：
靠近所述多个AC端子的AC电压和AC电流中的至少一个；以及
靠近所述多个DC端子的中间DC电压和中间DC电流中的至少一个，其中所述至少一个DC/DC级配置成促进靠近所述至少一个DC管道的HVDC电压和HVDC电流中的至少一个以及靠近所述多个DC端子的中间DC电压和中间DC电流中的至少一个的调节。
12.一种混合高压直流（HVDC）转换器系统，其包括：
至少一个交流（AC）管道；
至少一个变压器，其耦合于所述至少一个AC管道；
至少一个直流（DC）管道；
至少一个电容器换向转换器（CCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流，所述至少一个CCC通过至少一个变压器耦合于所述至少一个AC管道；以及
至少一个自换向转换器（SCC），其配置成将AC电压和电流转换成调节的DC电压和DC电流，所述至少一个SCC包括：
至少一个AC/DC级，其包括：
多个AC端子；
多个DC端子；以及
多个开关功率极，其耦合于所述多个AC端子并且耦合于所述多个DC端子；以及
至少一个DC/DC级，其通过多个DC端子耦合于所述至少一个AC/DC级。
13.如权利要求12所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个AC/DC级通过所述至少一个变压器和所述至少一个AC管道耦合于所述至少一个CCC，并且所述至少一个DC/DC级和所述至少一个CCC与所述至少一个DC管道串联耦合。
14.如权利要求12所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个开关功率极的每个开关功率极包括串联耦合的多个开关设备，其中所述多个开关功率极的所述每个开关功率极限定耦合端子并且耦合于耦合端子，所述至少一个AC/DC级进一步包括耦合于所述多个开关功率极的多个分支管道，所述多个分支管道的每个分支管道包括多个电容性子模块，所述多个分支管道和所述多个开关设备限定其之间的多个浮动端子，所述多个电容性子模块的每个电容性子模块配置成可选择地在所述多个浮动端子与所述多个AC端子之间置于运行中。
15.如权利要求14所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块包括多个半导体开关设备和耦合于所述多个半导体开关设备的多个能量存储元件，所述多个半导体开关设备配置成促进可选择地将所述多个能量存储元件中的至少一个置于运行中。
16.如权利要求15所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个能量存储元件包括两个电容性段，并且所述多个半导体开关元件包括四个半导体设备，其中所述两个电容性段和所述四个半导体开关设备被配置使得关断所述四个半导体开关设备的至少一部分使所述两个电容性段中的一个置于与所述多个DC端子中感测的故障条件期间的电流流动相反的电压极性，由此促进使通过其的电流流动减小。
17.如权利要求16所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块被配置使得所述四个半导体开关设备中的至少两个在相邻电容性子模块之间共享。
18.如权利要求12所述的混合HVDC转换器系统，其进一步包括与所述至少一个CCC并联耦合的至少一个CCC旁路开关。
19.如权利要求18所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个SCC和所述至少一个CCC旁路开关至少部分限定黑启动电流传输路径。
20.如权利要求12所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个SCC进一步包括与所述至少一个DC/DC级并联耦合的至少一个DC/DC级旁路开关。
21.如权利要求20所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个DC/DC级包括多个半导体开关，所述多个半导体开关和所述至少一个DC/DC级旁路开关促进使所述至少一个DC/DC级置于旁路模式，所述至少一个DC/DC级配置成促进所述至少一个AC/DC级与DC电压瞬态和DC电流瞬态隔离。
22. 如权利要求14所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块包括多个半导体开关设备和耦合于所述多个半导体开关设备的多个能量存储元件，所述多个半导体开关设备促进可选择地使所述多个能量存储元件的至少一个能量存储元件置于运行中，其中所述多个半导体开关设备和所述多个开关功率极开关设备配置成促进以下的调节：
靠近所述多个AC端子的AC电压和AC电流中的至少一个；以及
靠近所述多个DC端子的中间DC电压和中间DC电流中的至少一个，其中所述至少一个DC/DC级配置成促进靠近所述至少一个DC管道的HVDC电压和HVDC电流中的至少一个以及靠近所述多个DC端子的中间DC电压和中间DC电流中的至少一个的调节。
23.如权利要求14所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个开关功率极的所述多个开关设备的每个开关设备包括低频开关设备，其配置成以在近似每AC线路周期的近似六倍和每AC线路周期的近似十二倍之间的范围内的频率在接通条件与关断条件之间循环。
24.一种混合高压直流（HVDC）转换器系统，其包括：
至少一个交流（AC）管道；
至少一个变压器，其耦合于所述至少一个AC管道；
至少一个直流（DC）管道；
至少一个电容器换向转换器（CCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成DC电压和DC电流，所述至少一个CCC通过所述至少一个变压器耦合于所述至少一个AC管道；以及
至少一个自换向转换器（SCC），其配置成将AC电压和AC电流转换成调节的DC电压和DC电流，所述至少一个SCC包括：
多个AC端子；
多个DC端子；以及
多个开关功率极，其耦合于所述多个AC端子并且耦合于所述多个DC端子。
25.如权利要求24所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个开关功率极的每个开关功率极包括串联耦合的多个开关设备，其中所述多个开关功率极的所述每个开关功率极限定耦合端子并且耦合于耦合端子，所述至少一个AC/DC级进一步包括耦合于所述多个开关功率极的多个分支管道，所述多个分支管道的每个分支管道包括多个电容性子模块，所述多个分支管道和所述多个开关设备限定其之间的多个浮动端子，所述多个电容性子模块的每个电容性子模块配置成可选择地在所述多个浮动端子与所述多个AC端子之间置于运行中，所述至少一个SCC通过所述至少一个变压器和所述至少一个AC管道耦合于所述至少一个CCC，并且所述至少一个SCC和所述至少一个CCC与所述至少一个DC管道串联耦合。
26.如权利要求25所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个能量存储元件包括两个电容性段，并且所述多个半导体开关设备包括四个半导体设备，其中所述两个电容性段和所述四个半导体开关设备被配置使得关断所述四个半导体开关设备的至少一部分使所述两个电容性段中的一个置于与所述多个DC端子中感测的故障条件期间的电流流动相反的电压极性，由此促进使通过其的电流流动减小。
27.如权利要求26所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述多个电容性子模块被配置使得所述四个半导体开关设备中的至少两个在相邻电容性子模块之间共享。
28.如权利要求24所述的混合HVDC转换器系统，其进一步包括与所述至少一个CCC并联耦合的至少一个CCC旁路开关。
29.如权利要求28所述的混合HVDC转换器系统，其中所述至少一个SCC和所述至少一个CCC旁路开关至少部分限定黑启动电流传输路径。
30.如权利要求24所述的混合HVDC转换器系统，其进一步包括与所述至少一个SCC并联的至少一个SCC级旁路开关。
31.如权利要求25所述的混合HVDC转换器系统，其中所述多个开关功率极的所述多个开关设备的每个开关设备包括低频开关设备，其配置成以在近似每AC线路周期的近似六倍和每AC线路周期的近似十二倍之间的范围内的频率在接通条件与关断条件之间循环。
32. 如权利要求25所述的混合HVDC转换器系统，其中每个所述电容性子模块包括多个半导体开关设备和耦合于所述多个半导体开关设备的多个能量存储元件，所述多个半导体开关设备配置成促进可选择地使所述多个能量存储元件的至少一个能量存储元件置于运行中，其中所述多个半导体开关设备和所述多个开关功率极开关设备配置成促进以下的调节：
靠近所述多个AC端子的AC电压和AC电流中的至少一个；以及
靠近所述至少一个DC管道的HVDC电压和HVDC电流中的至少一个。
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