CN106797124A - Ac故障处理布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于处理在AC与DC之间转换的转换器的AC侧上的AC故障（F）的AC故障处理布置，该布置包括：电压源转换器（12），用于执行在AC与DC之间的转换，该转换器具有DC侧和AC侧，该DC侧具有用于耦合于DC系统（11）的接地和极（P1）的第一和第二端子（T1，T2），并且该AC侧具有用于耦合于AC系统（10）的一组端子（T3）；电路断路器（20），其在转换器的AC侧与AC系统（10）之间串联连接；以及并联电路（16），其中一端连接到第二端子（T2）并且另一个耦合于接地电位，其中该并联电路由与感应器并联的电阻器组成。

Description

AC故障处理布置

技术领域

本发明一般涉及输电系统。更特定地，本发明涉及用于处理在AC与DC之间转换的转换器的AC侧上的AC故障的AC故障处理布置。

背景技术

已知电压源转换器在交流（AC）系统（通常指示的AC电网）与直流（DC）系统（像高压直流（HVDC）系统）之间连接。转换器在该情况下可以是模块化多级转换器，其采用单元，每个提供可用于促成形成AC波形以及用于提供所要求的DC电压的电压。

该转换器在许多实例中连接到本地AC总线，例如转换器站内的总线，其进而经由变压器连接到AC系统。因而存在这样的变压器，其具有耦合于AC系统的一次侧和耦合于转换器的二次侧。

还存在在变压器的一次绕组与AC系统之间串联连接以便保护AC系统免受AC总线上或DC系统中的故障的AC断路器。作为备选方案，电路断路器在变压器的二次侧与转换器之间串联连接，这是可能的。

关于转换器，可能出现需要注意的许多故障。

可例如在DC侧上出现故障，如此的单个极到接地故障和极到极故障。

处理连接到从AC转换到DC的电压源转换器的负载中的故障的一个方法在KR 10-20004-0035526中示出。在该文献中，并联电路在转换器与负载之间连接，所述并联电路包括具有感应器的第一分支和具有二极管和电阻器的第二分支。

在AC侧上也可出现故障，例如过电压和相到接地故障。

采用小的单元建立的多级转换器已成为HVDC转换器的现有技术。不对称单极或双极配置是DC传输系统的共同选择。一个关键设计问题是通过打开AC断路器使转换器站与AC电网隔离可由于AC电流可包含太高DC分量并且因此在电流中不存在零交叉而有时失败。

对于其该隔离是必要的故障中的一个是AC总线故障。这是因为位于转换器与变压器之间的任何总线接地故障能够引起非常高的电压和高电流。一旦AC断路器打开，AC源电压就与转换器隔离，由此高压和高电流的最终源被断开。遗憾地，如果存在用于打开的条件（例如电流零交叉），AC电路断路器花约20~30ms来打开。如果没有用于打开的条件，它可花比30ms长得多的时间。

其中解决该问题的方法的示例是通过在变压器的一次侧或二次侧处的附加并联3相高压AC断路器。还可存在与AC线路与接地之间的附加电路断路器串联连接的阻抗。

在变压器的二次侧上具有该附加电路断路器的问题是在它闭合时，附加电路断路器将形成从AC系统角度看到的串联3相AC故障。对此的原因是阻抗可必须设计为非常低以保证AC断路器电流中的零交叉。

在变压器的一次侧上具有附加电路断路器的问题是在附加旁路HV AC断路器闭合时，它因为阻抗可必须设计为非常低以保证AC断路器电流中的零交叉而将在变压器中形成严重的3相故障电流。这可使变压器的寿命时间减少。

因此存在用于在处理上文提到的类型的AC故障中的改进的需要。

发明内容

本发明解决该情形。本发明因而针对改进故障处理。

这根据本发明的一个方面通过用于处理在AC与DC之间转换的转换器的AC侧上的AC故障的AC故障处理布置来实现，其中该布置包括：

电压源转换器，用于执行在AC与DC之间的转换，该转换器具有：DC侧，其具有用于耦合于DC系统的接地和极的第一和第二端子；和AC侧，其具有用于耦合于AC系统的一组端子；

电路断路器，其在转换器的AC侧与AC系统之间串联连接；和并联电路，其中一端连接到第二端子并且另一个耦合于接地电位，该并联电路由与感应器并联的电阻器组成。

使用的表达“耦合”意图涵盖两个元件之间间接电连接的可能性。因而可存在放置在两个元件之间、定义为彼此耦合的一个或多个元件。另一方面，表达“连接”意图意味着两个实体彼此的直接电连接而在它们之间没有任何实体。

本发明具有许多优势。它在布置中的内部AC故障的情况下在穿过AC断路器的电流中提供零交叉。这在正常操作期间以没有或有限的附加损失来进行。该形成也独立于在所述相中出现故障而进行。此外，因为在形成零交叉中仅涉及无源元件，不存在对于用来激活这种形成的任何控制逻辑的需要，这简化转换器中的故障处理。

附图说明

本发明的实施例将在下面参考附图描述，其中

图1示意示出在AC系统与不对称单极DC系统之间的AC故障处理布置的变化，

图2示意示出在存在AC总线电压故障时通过转换器的电流，以及

图3示出在AC故障处理布置中使用的并联电路的电路图。

具体实施方式

在下面，将描述本发明的实施例。

本发明针对提供用于处理在交流（AC）与直流（DC）之间转换并且在DC系统与AC系统之间提供的转换器的AC侧上的AC故障的布置，所述系统都可以是输电系统。布置可由于该原因而在转换器站中提供。DC系统能够例如是高压直流（HVDC）输电系统并且AC系统可以是柔性交流传输系统（FACTS）。然而，这些类型的系统仅仅是这类系统的示例并且本发明决不局限于这些系统。本发明还能够在例如配电系统中应用。

图1示意示出根据本发明的第一实施例用于处理AC故障的布置的单线图，所述布置提供用于在AC系统10与DC系统11之间连接。AC系统10可以是三相AC系统。DC系统11进而包含经由布置耦合到AC系统10的极P1。在该实施例中，DC系统11是不对称单极系统。因此，还存在接地电位，其可作为或可未作为DC系统11中的中性导体而提供。

为了使DC系统11能够连接到AC系统10，布置包含用于在AC与DC之间转换的转换器12。转换器12可作为整流器和/或逆变器来运行。转换器12可以是电压源转换器，并且在该实施例中，它是基于单元的多级电压源转换器或模块化多级转换器。这种转换器通常由在相腿的相臂中提供的许多单元14构成，其中在DC极P1与接地之间并联提供的每AC相存在一个相腿，其中这种相腿与DC系统的极P1之间的连接点提供第一DC端子T1并且相腿与接地之间的连接点提供第二DC端子T2或中性连接端子。每个相腿包括两个相臂。在相腿中存在从第一极P1通向转换器12的AC端子或第三端子T3的上相臂和从接地通向AC端子T3的下相臂。相腿中的单元14可在AC端子T3周围对称放置。单元14可有利地在单元臂中级联连接。在转换器12中通常存在三个相腿。然而，因为图1是单线图，仅存在示出的一个相脚。它此外仅采用一般方式示出。由于相同原因，图1仅示出一个AC端子T3。然而，在通常包括三个AC端子（每个相腿一个）的一组端子中提供AC端子T3。

布置还包括在第一与第二DC端子T1和T2之间连接的一对可选电容器C1和C2。

此外，能够看到存在在第二DC端子T2与接地之间耦合的并联电路16，所述并联电路16包括两个并联分支并且在该情况下由其组成，其中第一分支包括感应器并且在该情况下由其组成，并且第二分支包括电阻器并且在该情况下由其组成。并联电路因而由与感应器并联的电阻器组成。并联电路因而在一端处连接到第二端子T2并且在另一个处耦合于接地电位。并联电路还可称为辅助并联电路或辅助中性设备。

每个单元14可以是半桥单元，其由两个串联连接的切换元件构成，这两个切换元件具有与这两个元件并联连接的电容器。切换元件通常采用具有反并联二极管的如同绝缘栅双极晶体管（IGBT）的关断型半导体装置的形式提供。在该示例中，单元的两个切换元件之间的中点连接到下列单元的电容器的一端。以这种方式，单元在极P1与接地之间在两个相臂中级联连接。在该类型的转换器中，每个单元提供零或小电压贡献，其组合用于形成AC电压。

在该第一实施例中，在上相臂和下相臂的单元之间提供第一和第二相位电抗器，其中第一电抗器的第一端连接到上相臂并且第二电抗器的第一端连接到下相臂，并且这两个电抗器的第二端互连并且还连接到AC总线17。

转换器12因而具有用于连接到DC系统11并且更特定地连接到DC系统的至少一个极P1的DC侧和用于耦合于AC系统10的AC侧。

布置还可包含变压器18，其具有一次侧和二次侧，该一次侧具有用于耦合于AC系统10的第一套一次绕组，并且该二次侧具有耦合于转换器12的AC侧的第二套二次绕组。在该第一实施例中，二次绕组更特定地经由AC总线17连接到相位电抗器。

在本示例中，提供总线17和AC系统10用于传输三相AC功率。由于该原因，变压器18的一次侧包含三个一次绕组（未示出），其在该第一实施例中采用Y形配置连接。然而应认识到采用三角形配置也是可能的。一次侧此外在这里具有中性点，其耦合于接地。中性点可直接连接到接地，如在图1中示出的。一次侧此外经由电路断路器20连接到AC系统10。因为AC系统10是三相系统，电路断路器20通常包括三个电路断开元件，每相一个。电路断路器20更特地在变压器18的一次侧与AC系统10之间串联连接。作为备选方案，电路断路器20在变压器18的二次侧与转换器的AC侧之间串联连接，这是可能的。

变压器18的二次侧还包括采用三角形配置连接的三个二次绕组（未示出）。然而应认识到采用Y形配置也是可能的。第二套二次绕组因而可采用三角形或采用Y形配置连接。

布置还可包括故障处理部件，如果检测到故障（例如AC总线故障）则该故障处理单元阻断单元的切换元件。这种故障处理部件还可设置成指示电路断路器20基于故障检测而打开。这种故障处理部件可通过计算机或处理器采用提供对系统中进行的电流和电压测量起作用的故障处理功能性的计算机程序指令来实现。

如早先提到的，布置可在转换器站中提供。因此，在这种转换器站中可提供并联电路16、转换器12、电容器C1和C2、变压器18，并且也可能提供电路断路器20。

提供本发明用于处理布置中的故障，如同AC总线故障，其中AC总线的相中的至少一个接地。

图2示出连接到变压器18的转换器12中这种故障F的故障电流，其中示出两个相脚。在极P1与接地之间还存在电涌放电器。在图中在每个相臂中仅示出一个单元。此外，图2中描绘的情形是没有并联电路的情形。

在操作中，例如使用脉宽调制（PWM）来控制转换器的单元，用于在AC总线17处获得AC电压。在AC总线相中的一个上出现故障F则是可能的。

在该情况下，单元被阻断，这通过例如通过由故障处理部件执行的控制来关断单元的晶体管来进行。

能够看到该情形促使第一电流I1从极P1流过上相臂的单元。在这些单元中，电流I1在反并联二极管正向偏置时流过切换元件的反并联二极管、流过单元电容器并且然后经由上相位电抗器到AC总线。该情形还促使第二电流I2从接地流动并且流过下相臂的单元。在这些单元中，电流I2在反并联二极管正向偏置时，流过切换元件的反并联二极管并且然后经由下相位电抗器和变压器18的二次绕组到AC总线。第二电流I2因而未经过任何单元电容器。在这里，第一电流I1是对单元电容器过度充电的电流并且第二电流I2是二极管浪涌电流。

但是更重要地，因为这两个电流，如果不存在连接到第二端子T2的并联电路，在AC总线中对于相中的至少一些可不存在零交叉，并且更重要地在断路器的允许起弧时间内在变压器18的一次侧上的电流中也可不存在零交叉。因此在经过AC断路器20的电流中可不存在零交叉并且因此它无法在最大允许时间内断开电流。

AC断路器20中的非零交叉电流的问题由DC侧经由下相臂的续流二极管到AC侧的恒定不受控耦合引起。电流I2具有AC和DC分量。通过AC断路器20的电流受该DC分量影响并且因此也是AC和DC分量的组合。如果DC分量的幅度高于对应AC分量的幅度，通过断路器20的电流将未过零。

这通过使用并联电路16来解决。

图3示出具有电阻器R和感应器L的并联电路16。电阻器R选择为具有使通过电路断路器的AC电流的DC分量阻尼到其中尽管存在AC故障的事实也存在零交叉的水平的值。电阻器值可取决于由接地点直至故障所形成的电路的阻尼能力，例如该电路中的损失。电阻器值然后可取决于在第二端子T与转换器的AC侧之间串联连接的二极管的数量，其可与下相臂中的单元数量相同。它还可取决于接地电阻、电极线路阻抗、中性总线处的设备、转换器电抗器电阻、变压器阻抗等。值也可基于驱动电压和电流额定设置。在选择合适的电阻器值后，可尽可能低地选择能够在存在AC总线故障时驱动通过电阻器R的电流的电感值。电阻器R因此可具有在0.1Ω与10Ω之间并且优选地在0.5与1Ω之间的范围中的值，而感应器可具有在5mH与500mH之间并且优选地在10与150mH之间的范围中的值。

电感L使得在中性总线中仅存在DC电流时的正常操作期间不影响主电路中的损失成为可能。这意味着在正常操作中，所有电流将穿过感应器L而基本上没有损失。在中性总线中的电流是AC和DC分量的组合时的故障条件期间，感应器L形成相对于AC分量的阻抗，其引起电流的至少部分被驱动到电阻器R中。由此电阻器R使AC总线故障期间的DC偏移阻尼，使得形成AC断路器中的零交叉电流而没有任何延迟或仅具有有限延迟。

并联电路因而放置在转换器的中性连接中。该放置具有另一个优势并且该优势是它将有助于独立于在所述相中出现故障来形成零交叉。此外，因为在零交叉的形成中仅涉及无源元件，不存在对于用来激活这种形成的任何控制逻辑的需要。这简化转换器中的故障处理。

在上文描述的实施例中，DC系统是不对称单极系统。应认识到本发明可幸好在双极系统或多端子系统中实现。DC系统可基本上是其中不对称单极可以是构建块的任何系统。

尽管本发明的主要优势要在处理基于单元的转换器的故障中发现，应认识到本发明的概念也能够与其他类型（例如两级或三级电压源转换器）一起使用。单元此外不限于半桥单元，而作为备选方案可以是全桥单元。

从本发明的不同变化的前述描述应认识到它仅通过下面权利要求来限制。

Claims (15)

1.一种AC故障处理布置，用于处理在AC与DC之间转换的转换器的AC侧上的AC故障（F）并且包括：

电压源转换器（12），用于执行在AC与DC之间的转换，所述转换器具有DC侧和AC侧，所述DC侧具有用于耦合于DC系统（11）的接地和极（P1）的第一和第二端子（T1，T2），并且所述AC侧具有用于耦合于AC系统（10）的一组端子（T3），

电路断路器（20），其在所述转换器的所述AC侧与所述AC系统之间串联连接，以及

并联电路（16），其中一端连接到所述第二端子（T2）并且另一个耦合于接地电位，所述并联电路由与感应器（L）并联的电阻器（R）组成。

2.如权利要求1所述的布置，其中所述电阻器（R）具有使通过所述电路断路器（20）的由于所述AC故障引起的AC电流的DC分量阻尼到其中存在零交叉的水平的值。

3.如权利要求2所述的布置，其中所述电阻器值取决于在所述第二端子与所述AC侧之间串联连接的二极管的数量。

4.如任何前述权利要求所述的设置，其中所述电阻器具有在0.1Ω与10Ω之间并且优选地在0.5与1Ω之间的范围中的值。

5.如权利要求3或4所述的布置，其中尽可能低地选择能够在存在AC总线故障时驱动所述电流的至少一部分通过所述电阻器（R）的所述感应器值。

6.如权利要求5所述的布置，在取决于权利要求4时，感应器设置在5mH-500mH之间并且优选地在10-150mH之间的范围中。

7.如任何前述权利要求所述的布置，进一步包括变压器（18），所述变压器（18）具有一次侧和二次侧，所述一次侧具有用于耦合于所述AC系统的第一套一次绕组，并且所述二次侧具有耦合于所述转换器的第二套二次绕组。

8.如权利要求7所述的布置，其中所述电路断路器在所述变压器的所述一次侧与所述AC系统之间连接。

9.如权利要求7所述的布置，其中所述电路断路器在所述变压器的所述二次侧与所述转换器的所述AC侧之间连接。

10.如任何前述权利要求所述的布置，其中所述DC系统是不对称单极系统。

11.如权利要求1-9中任何所述的布置，其中所述DC系统是双极系统。

12.如任何前述权利要求所述的布置，其中所述DC系统是多端子系统。

13.如任何前述权利要求所述的布置，其中所述转换器是模块化多级转换器。

14.如任何前述权利要求所述的布置，进一步包括故障处理部件，所述故障处理部件配置成如果检测到故障则阻断单元的切换元件。

15.如权利要求14所述的布置，其中所述故障处理部件配置成指示所述电路断路器（20）基于检测到所述AC故障而打开。