CN107112745A - 直流电力网络 - Google Patents

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Abstract

DC电力网络(200)包括：多个DC端子(202)，每个DC端子(202)能够操作连接至变换器；以及多个DC传输路径(204)，每个DC传输路径(204)被设置成互连多个DC端子(202)中的两个或更多个，每个DC传输路径(204)包括DC电力传输介质(16，18，19)，每个DC传输路径(204)还包括开关设备(212)，开关设备(212)可操作以选择性阻止电流在对应的DC传输路径(204)中流动，DC电力网络(200)还包括：连接在多个DC传输路径(204)的至少一个中的至少一个有源功率电子器件(10)，所述或每个有源功率电子器件(10)被配置成可操作以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径(204)的视在阻抗；检测器(214)，检测器(214)被配置成检测在多个DC传输路径(204)中出现的一个或多个故障；以及控制单元(216)，控制单元(216)被编程以操作所述或每个有源功率电子器件(10)，从而改变故障的对应DC传输路径(204)的视在阻抗，以便迫使在故障的对应DC传输路径(204)中流动的电流降低至目标电流水平，控制单元(216)还被编程以操作所述或每个开关设备(212)以在故障的对应DC传输路径(204)中流动的电流降低至目标电流水平时，阻止电流在故障的对应DC传输路径(204)中流动，其中，目标电流水平对应于电流阈值，在该电流阈值或低于该电流阈值时，可以操作开关设备(212)以阻止电流在相应的DC传输路径(204)中流动。

Description

直流电力网络
技术领域
本发明涉及直流(DC)电力网络(electrical network)，以及用于DC电力网络的故障清除的方法。
背景技术
DC电力网络可以包括经由一个或多个载流导体连接至负载的一个电源(诸如电池)或使用载流导体的网络连接至多个负载的多个电源。
DC电力网络的一个示例是DC电网(power grid)，其需要HVDC变换器的多端子互连，从而可以使用电连接在一起的两个或更多个HVDC变换器在DC侧上交换功率。每个HVDC变换器充当源型输入(source)或漏型输入(sink)以当根据需要交换功率时保持DC电网的总输入-输出功率平衡。DC电网依赖于DC电力传输线或电缆的网络实现HVDC变换器的多端子互连。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种DC电力网络，包括：
多个DC端子，每个DC端子能够操作连接至变换器；以及多个DC传输路径，每个DC传输路径被设置成互连所述多个DC端子中的两个或更多个，每个DC传输路径包括DC电力传输介质，每个DC传输路径还包括开关设备，所述开关设备能够操作以选择性阻止电流在对应的DC传输路径中流动，所述DC电力网络还包括：
至少一个有源(active)功率电子器件，所述至少一个有源功率电子器件连接在所述多个DC传输路径的至少一个中，所述或每个有源功率电子器件被配置成能够操作以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗(apparent impedance)；
检测器，所述检测器被配置成检测在所述多个DC传输路径中出现的一个或多个故障；以及
控制单元，所述控制单元被编程以操作所述或每个有源功率电子器件，从而改变故障的对应DC传输路径的视在阻抗，以便迫使在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平，所述控制单元还被编程以操作所述或每个开关设备以在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至所述目标电流水平时，阻止电流在所述故障的对应DC传输路径中流动，其中，所述目标电流水平对应于电流阈值，在该电流阈值或低于该电流阈值时，可以操作所述开关设备以阻止电流在所述对应的DC传输路径中流动。
DC电力传输介质可以是能够在两个或更多个电力元件之间传送电功率的任何介质。这种介质可以是但不局限于海底DC电力传输电缆、架空DC电力传输线或电缆以及地下DC电力传输电缆。
本发明的一种替代方式是在检测到故障并识别其方位之后，打开DC断路器以中断电流在故障的DC传输路径中的流动。同时，DC断路器的使用允许隔离故障的DC传输路径，允许DC电力网络的剩余部分继续其操作，与形成本发明的一部分的所述或每个有源功率电子器件相比，目前可用的DC断路器往往相对较大、笨重并且昂贵。
本发明的另一替代方式是通过操作关联的(若干)变换器以阻止功率的流动或者通过打开连接在(若干)外部源和(若干)变换器之间的一个或多个断路器，阻止功率从一个或多个外部源流入DC电力网络中。这允许故障的DC传输路径中的电流降低至零，以允许从DC电力网络的剩余部分断开故障的DC传输路径，从而允许DC电力网络的剩余部分恢复到正常服务。不过，在故障的DC传输路径能够从DC电力网络的剩余部分断开之前，在DC电力网络中循环的直流电流衰减到足够低的值从而允许进行断开需要花费几百毫秒。循环的直流电流的衰减所需的时间和与打开和重新闭合连接在(若干)外部源和(若干)变换器之间的(若干)断路器关联的延迟的组合会导致DC电力网络中的传输能力有重大的损失时段。这又会对其它电力网络和其连接至DC电力网络的部件带来不期望的后果。
本发明的又一替代方式是配置DC电力网络以允许从±1p.u.(标幺值)的对称电压移动到不对称电压2p.u.和0p.u.，并依赖变换器的控制动作将在故障的DC传输路径中流动的电流降低至零。在这些条件下，DC电力网络和地之间的故障被认为是高阻抗故障，流入故障点的电流是相对小的。在操作机械开关装置，例如AC断路器，以隔离故障的DC传输路径之前，一旦检测到故障的方位，则可以使用变换器的控制动作以迫使故障的DC传输路径中的电流为零。不过，以此方式迫使电流为零需要协调与DC电力网络关联的所有变换器，因此需要复杂和昂贵的通信系统实现协调的执行。此外，DC电力网络的某些拓扑要实现这种通信系统可能是困难的。而且，在很长一段时间中以额定电压的两倍操作DC电力网络要求其所有部件和关联的变换器被适当地标定以处理两倍的额定电压，因此导致增大DC电力网络的尺寸、重量和成本。
根据本发明的DC电力网络的配置提供用于清除DC电力网络中的故障的可靠手段，其最小化或消除了任何前述的替代方式的必要，因此消除了与其关联的缺点。
出于本说明书的目的，术语“有源功率电子器件”旨在指能够以由控制单元确定的受控方式操作的功率电子器件。
在DC电网中包括至少一个有源功率电子器件不仅允许使用相对较小的低成本功率电子器件，还允许使用快速动作功率电子器件，以快速地迫使在对应的DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平，因此降低从DC电力网络的剩余部分断开故障的DC传输路径的时间延迟。
此外，根据本发明的DC电力网络的配置能够实现所述或每个有源功率电子器件的操作，以迫使在所述或每个故障的DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平，同时最小地影响DC电力网络的剩余部分，因此允许DC电力网络的剩余部分无中断地继续正常服务。
而且，根据本发明的DC电力网络的配置并不要求其所有部件和关联的变换器被适当地标定以处理两倍的额定电压。
而且，可以独立于在使用中连接至DC端子的变换器的操作，执行所述或每个有源功率电子器件的操作以迫使在所述或每个对应的DC传输电流路径中流动的电流到达目标电流阈值。这不需要变换器的控制动作来迫使在故障的DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平。
在本发明的实施例中，目标电流水平可以是零或基本上为零。这允许在开关设备可以被操作以阻止电流在对应的DC传输路径中流动之前，使用要求零电流或基本为零的电流从其中流过的开关设备。这种开关设备可以是例如断开器或隔离器。
可以以不同的方式配置所述或每个有源功率电子器件，以便能够迫使在故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平。
在本发明的另外的实施例中，所述或每个有源功率电子器件可以被配置成可操作的以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗，从而将电流从多个DC传输路径中的至少一个引导到多个DC传输路径中的至少另一个，控制单元被编程以操作所述或每个有源功率电子器件以改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗，从而将电流从所述多个DC传输路径的至少一个中转移到所述多个DC传输路径的至少另一个，以便迫使在故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平。
在本发明的又一些实施例中，所述或每个有源功率电子器件可以被配置成可操作的以在所述或每个对应的DC传输路径中选择性注入电压降，从而改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗。
DC电力网络可以包括多个有源功率电子器件。控制单元可以被编程以协调多个有源功率电子器件的操作，从而改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗，以便迫使在故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平。控制单元的这种配置在需要操作多个有源功率电子器件以迫使在故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平时是有用的。
在本发明的实施例中，所述或每个有源功率电子器件可以是电流控制器，所述电流控制器包括：
多个连接点，每个连接点连接于所述DC传输路径的至少一个中；以及
互连所述多个连接点的电流控制单元，所述电流控制单元包括多个互连的电流控制子单元，每个电流控制子单元在使用中连接于相应的DC传输路径中，每个电流控制子单元包括至少一个开关元件，每个电流控制子单元的所述或每个开关元件能够操作以选择性建立通过至少一个DC传输路径和至少另一DC传输路径之间的电流控制单元的电流路径，所述或每个开关元件还连接至至少一个能量储存装置以选择性提供电压源，
其中，所述控制单元是或者包括开关控制单元，以控制所述电流控制单元的每个开关元件的开关，从而选择性建立通过所述电流控制单元的所述电流路径，并将所述或每个能量储存装置选择性连接在所述至少一个DC传输路径和所述至少另一DC传输路径之间，以便在使用中将电压降注入至少一个DC传输路径，从而引导电流从所述至少一个DC传输路径通过所述电流路径到达所述至少另一DC传输路径，以便迫使所述故障的对应DC传输路径中的电流降低至所述目标电流水平。
使用中，每个DC传输路径可以经由单个连接点或多个连接点连接至电流控制单元。
在所述电流控制单元中包括电压源允许在至少一个连接的DC传输路径中注入电压降。将电压降注入到DC传输路径中创建正电阻效应或负电阻效应，在正电阻效应中，电压降相反，从而降低在该DC传输路径中的电流流动，在负电阻效应中，电压降对在该DC传输路径中的电流流动的增加有贡献。正电阻效应在DC传输路径中的施加允许在所述DC传输路径中的电流被迫使降低至目标电流水平，而负电阻效应在DC传输路径中的施加通过从至少另一DC传输路径引导电流通过所述电流路径到达所述DC传输路径，允许增大在所述DC传输路径中的电流，以便迫使在所述至少另一DC传输路径中的电流降低至目标电流水平。
在所述电流控制单元中包括多个电流控制子单元允许独立地控制每个电流控制子单元，以提高或降低在对应的DC传输路径中的电流流动，这又允许简化电流控制器的控制程序。这在电流控制器与大量的DC传输路径结合使用时是特别有益的。
可以使用电流控制单元引导电流以：从单个DC传输路径至单个其它DC传输路径，从单个DC传输路径到多个其它DC传输路径，从多个DC传输路径到单个其它DC传输路径，或者从多个DC传输路径到多个其它DC传输路径。
电流控制单元可以是单向电流控制单元，其只能够在一个方向上在不同的DC传输路径之间引导电流。替代性地，电流控制单元可以是双向电流控制单元，其能够在两个方向上在不同的DC传输路径之间引导电流。
电流控制单元可以被设置成具有不同的配置，其一些示例如下所述。
所述或每个开关元件可以连接至同一能量储存装置以选择性提供电压源。在产生的电流控制器方面，使所有的电流控制子单元共用同一单个能量储存装置提供大量的成本、重量和空间节约。
电压降可以是可变的。电压降还可以是正的或负的DC电压降。
电流控制单元可以包括多个开关元件，其可以包括但不限于串联连接的多个开关元件、并联连接的多个开关元件和/或串联连接和并联连接的开关元件的组合。
在本发明的实施例中，至少一个电流控制子单元可以在两个方向上传导电流。这使电流控制器兼容地用在下列情况中：要求至少一个DC传输路径和至少另一DC传输路径之间的电流的方向在任一方向上，以便迫使在所述至少一个DC传输路径或所述至少另一DC传输路径中的电流降低至目标电流水平。
至少一个电流控制子单元可以包括串联连接的多个开关元件。
至少一个电流控制子单元可以包括以全桥布置与能量储存装置并联连接的多个开关元件，以便能够提供双向电压。
能量储存装置可以是例如电容器、燃料蓄电池、电池或能够储存并释放其电能以提供电压的任何其它能量储存装置。
每个开关元件可以是或者可以包括半导体器件，即例如绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅换向晶闸管、注入增强型门极晶体管、集成栅换向晶闸管或串联或并联连接的任何其它自换向半导体器件。
在其它实施例中，多个电流控制子单元可以包括第一和第二电流控制子单元，所述第一电流控制子单元包括以全桥布置与能量储存装置并联连接的多个第一开关元件，所述第二电流控制子单元包括以全桥布置与同一能量储存装置并联连接的多个第二开关元件。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于DC电力网络的故障清除的方法，其中，所述DC电力网络包括：多个DC端子，每个DC端子能够操作连接至变换器；以及多个DC传输路径，每个DC传输路径被设置成互连所述多个DC端子中的两个或更多个，每个DC传输路径包括DC电力传输介质，每个DC传输路径还包括开关设备，所述开关设备能够操作以选择性阻止电流在对应的DC传输路径中流动，所述DC电力网络还包括：至少一个有源功率电子器件，所述至少一个有源功率电子器件连接在所述多个DC传输路径的至少一个中，所述或每个有源功率电子器件被配置成能够操作以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗，其中，所述方法包括步骤：
(i)检测在所述多个DC传输路径中的一个或多个中出现的故障；
(ii)在检测在所述多个DC传输路径中的一个或多个中出现的故障之后，操作所述或每个有源功率电子器件以改变故障的对应DC传输路径的视在阻抗，以便迫使在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平；以及
(iii)当在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至所述目标电流水平时，操作所述或每个开关设备以阻止电流在所述故障的对应DC传输路径中流动，
其中，所述目标电流水平对应于电流阈值，在该电流阈值或低于该电流阈值时，可以操作所述开关设备以阻止电流在所述对应的DC传输路径中流动。
要理解根据本发明的第一方面的DC电力网络的特征加以必要的修改适用于根据本发明的第二方面的DC电力网络的故障清除的方法。由此得出，上文参照本发明的第一方面描述的对应优点加以必要的修改适用于本发明的第二方面。
附图说明
现在将参照附图通过非限制性示例描述本发明的优选实施例，图中：
图1示意性示出根据本发明的实施例的DC电网；
图2示意性示出一种类型的电流控制器的结构；
图3图解说明图2的电流控制器的操作以将故障的DC电力传输线中的电流降低至目标电流水平；
图4示意性示出另一种类型的电流控制器的结构；以及
图5和6图解说明图2的电流控制器应用于三端子网状DC电网。
具体实施方式
根据本发明的实施例的DC电网(DC power grid)示于图1中，其大致由附图标记200指定。
DC电网200包括多个DC端子202和多个DC传输路径204。使用中，每个DC端子202操作连接至相应的AC-DC变换器206的DC侧，AC-DC变换器206又连接至相应的AC电力网络208、210。
在图1所示的实施例中，第一DC传输路径204被设置成使第一DC端子202和第二DC端子202互连，第二DC传输路径204被设置成使第一DC端子202和第三DC端子202互连，第三DC传输路径204被设置成使第三DC端子202和第四DC端子202互连。图1示出连接至DC电网200的剩余部分的另外的DC传输路径204。
每个DC传输路径204包括DC电力传输线16、18、19。更具体地，第一DC传输路径204包括第一DC电力传输线16，第二DC传输路径204包括第二DC电力传输线18，第三DC传输路径204包括第三DC电力传输线19，每个另外的DC传输路径204包括相应的另外的DC电力传输线(未示出)。
每个DC传输路径204还包括开关设备，其形式为断开器212。使用中，当在对应的DC传输路径204中流动的电流处于零或基本为零的电流阈值时，可以操作每个开关设备打开，以选择性阻止电流在对应的DC传输路径204中流动。
DC电网200还包括多个有源功率电子器件，其每一个连接于多个DC传输路径的至少一个中。每个有源功率电子器件形式为电流控制器10，其结构示于图2中。
参照连接在第一和第二DC电力传输线16、18之间的电流控制器10提供电流控制器10的下面描述，但要理解以下描述加以必要的修改适用于其它电流控制器10的每一个。
电流控制器10包括多个连接点和电流控制单元。
多个连接点定义一对第一连接点12a、12b和一对第二连接点14a、14b。使用中，第一连接点对12a、12b与第一DC电力传输线16串联连接，而第二连接点对14a、14b与第二DC电力传输线18串联连接。
电流控制单元包括第一和第二电流控制子单元20、22。第一电流控制子单元20包括以全桥布置与第一电容器26并联连接的多个第一开关元件24，第二电流控制子单元22包括以全桥布置与第二电容器30并联连接的多个第二开关元件28。
第一和第二开关元件24、28各自由形式为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的半导体器件构成。第一和第二开关元件24、28各自还包括与其并联连接的反并联二极管32。
在其它布置(未示出)中，设想了一个或多个开关元件可以是或者可以包括不同的半导体器件，诸如门极可关断晶闸管、场效应晶体管、绝缘栅换向晶闸管、注入增强型门极晶体管、绝缘栅换向晶闸管或串联或并联连接的任何其它自换向半导体器件。
还设想在其它布置(未示出)中，可以由不同的电容器(诸如燃料蓄电池、电池或能够储存和释放其电能以提供电压的任何其它电容器)替代每个电容器。
第一电流控制子单元20串联连接于第一连接点对12a、12b之间，而第二电流控制子单元22串联连接于第二连接点对14a、14b之间。因此，第一电流控制子单元20与第一DC电力传输线16串联连接，第二电流控制子单元22与第二DC电力传输线18串联连接。每个电流控制子单元20、22和对应的DC电力传输线16、18之间的串联连接意味着每个电流控制子单元20、22可以具有明显低于对应的DC电力传输线16、18和地之间的电压差的电压额定值。
使用中，通过改变每个电流控制子单元20、22的对应的开关元件24、28的状态，每个电流控制子单元20、22的电容器26、30被选择性绕开或被插入到具有对应的电力传输线16、18的电路中。
具体地，当每个电流控制子单元20、22中的对应的开关元件24、28被配置成在每个电流控制子单元20、22中形成短路时，每个电流控制子单元20、22的电容器26、30被绕过。这使得在对应的DC电力传输线16、18中的电流I1、I2通过短路并绕过电容器，所以每个电流控制子单元20、22在对应的连接点对12a、12b、14a、14b两端并与对应的DC电力传输线16、18串联地注入零电压降V1、V2。
具体地，当每个电流控制子单元20、22中的对应的开关元件24、28被配置成使对应的DC电力传输线16、18中的电流I1、I2流入并流出电容器26、30时，每个电流控制子单元20、22的电容器26、30插入到具有对应的DC电力传输线16、18的电路中。每个电容器26、30然后充电或泄放其储存的能量，以便提供非零的电压降V1、V2。每个电容器26、30可以以正向或反向方向插入到电路中，以便在对应的连接点对12a、12b、14a、14b两端并与对应的DC电力传输线16、18串联地注入正或负的电压降V1、V2。非零电压降V1、V2以此方式的注入使电流控制器10选择性改变第一和第二DC传输路径204的每一个的视在阻抗。
以此方式，每个电流控制子单元20、22能够在对应的连接点对12a、12b、14a、14b两端提供双向电压降，并在两个方向上传导电流，即每个电流控制子单元20、22能够在所有的四个象限上操作。因此，在每个电流控制子单元20、22中开关元件24、28和电容器26、30的配置允许每个电流控制子单元20、22选择性提供电压源。
第一和第二电容器26、30并联连接，以电耦连第一和第二电流控制子单元20、22，从而允许在使用中在第一和第二电流控制子单元20、22之间传递能量。因此，电流控制单元的每个开关元件可操作以选择性建立通过在第一和第二DC电力传输线16、18之间的电流控制单元的电流路径。
DC电网200还包括：检测器214(例如电流传感器)，其被配置成检测多个DC传输路径204中的一个或多个故障；以及控制单元216，其控制每个开关设备的打开和闭合。控制单元216还包括开关控制单元100，其控制第一和第二电流控制子单元20、22的开关元件24、28的开关。
设想了在本发明的其它实施例中，可以由多个控制部件替代性地执行开关控制单元100的功能，多个控制部件被配置成执行与第一和第二电流控制子单元20、22的开关元件24、28的开关关联的不同任务(诸如检测、定位、操作等等)。此多个部件可以分布在DC电网200上，可选地与检测、定位和操作功能关联的零件位于相应的负载电流控制器处。
在正常操作中，使用DC电网200传递功率，例如从近海风场208经由变换器206和DC传输路径204传递至岸上AC系统210。
故障或其它异常操作条件可能出现在DC电网200中。例如，DC电网200的DC电力传输线16、18、19之一可能经历电极对地(pole-to-ground)故障。故障或其它异常操作条件的存在可能导致故障的DC电力传输线16、18、19中以及因此在DC电网200中的高故障电流。
可以操作电流控制器10以迫使故障的DC电力传输线16、18、19中的电流降低至与零或基本为零的电流阈值对应的目标电流水平，在零或基本为零处可以操作开关设备以阻止电流在对应的DC传输路径204中流动。在这种情况下，对于断开器212，目标电流水平为零或基本为零。
出于说明本发明工作方式的目的，假设第一DC电力传输线16是故障的DC电力传输线，但要理解以下对本发明工作的描述加上必要的修改适用于在其它DC电力传输线18、19中的任何一个中出现的故障。
当检测器214检测到在故障的DC电力传输线16中出现故障时，开关控制单元100控制电流控制单元的每个开关元件24、28的开关，以如下所述选择性建立通过在第一和第二DC电力传输线16、18之间的电流控制单元的电流路径。
为了迫使在第一DC电力传输线16中的故障电流I1降低至目标电流水平，开关控制单元100切换第一电流控制子单元20的第一开关元件24以与第一DC电力传输线16串联地注入第一非零电压降V1。第一非零电压降V1的方向设置成使得与第一DC电力传输线16串联地施加第一非零电压降V1产生正电阻效应，其中，第一非零电压降V1相反，因此降低在第一DC电力传输线16中流动的电流I1。以此方式，第一DC电力传输线16的视在阻抗被改变，迫使在第一DC传输路径204中流动的故障电流I1降低至目标电流水平。
同时，开关控制单元100切换第二电流控制子单元22的第二开关元件28以与第二DC电力传输线18串联地注入第二非零电压降V2。第二非零电压降V2的方向设置成使得与第二DC电力传输线18串联地施加第二非零电压降V2产生负电阻效应，其中，第二非零电压降V2对在第二DC电力传输线18中流动的电流12的增长有贡献。
同时，如图3中所示，第一和第二非零电压降V1、V2的施加与第一和第二电流控制子单元20、22之间的电耦连一起使能量经由电流控制单元在DC电力传输线16、18之间传递。以此方式，能量E1从正经历电流I1降低的第一DC电力传输线16中转移，此能量E1通过电流控制单元的能量转移，被加入到正经历电流I2增长的第二DC电力传输线18。由电流控制单元从第一DC电力传输线16转移的能量E1优选等于由电流控制单元转移到第二DC电力传输线18中的能量E2，以便最小化在由电流控制单元进行的能量转移期间的耗散损失。
以此方式，开关控制单元100控制电流控制单元的每个开关元件24、28的开关，以选择性建立通过电流控制单元的电流路径，并选择性将每个电容器连接于第一和第二DC电力传输线16、18之间，以便在使用中将电压降V1、V2注入到每个DC传输路径204，从而引导电流通过电流路径从第一DC电力传输线16到第二DC电力传输线18，以便迫使在故障的DC电力传输线16中的故障电流I1降低至目标电流水平。
当在第一DC电力传输线16中的故障电流I1降低至零或基本为零的目标电流水平时，控制单元216操作连接于第一DC传输路径204的两端的开关设备，以打开从而阻止电流在故障的第一DC传输路径204中流动。
同时，DC电网200的剩余部分能够不中断地继续其正常服务。
在一个电流控制器10不能在第一DC电力传输线16中注入足够高的电压降以将故障电流降低至目标电流水平的情况下，开关控制单元100可以协调多个电流控制器10的操作，以改变第一DC传输路径204的视在阻抗，以便迫使在第一DC电力传输线16中流动的故障电流I1降低至目标电流水平。这可以通过操作多个电流控制器10以将相应的电压降V1注入到第一DC传输路径204中来实现，使得被注入的电压降V1的组合足够高以将在第一DC电力传输线16中的故障电流I1降低至目标电流水平。
通过操作电流控制器10引导电流离开故障的DC电力传输线16以迫使第一DC电力传输线16中的故障电流I1降低至零或基本为零的目标电流水平的方式意味着每个电流控制器10只需要有关于故障存在的方向的信息，而不是故障的精确方位。
图5和6图解说明图2的电流控制器施加到三端子网状DC电网。
网状DC电网包括三个DC端子，每个端子经由相应的DC电力传输线连接至其它两个DC端子。更具体地，第一DC电力传输线互连第一和第二DC端子，第二DC电力传输线互连第一DC端子和第三DC端子，第三DC电力传输线互连第二和第三DC端子。在此实施例中，电流控制器10连接于第一和第二DC电力传输线之间。
第一变换器是整流器的形式将第一DC端子和AC电源(例如近海风场)互连，第二和第三变换器各自是逆变器的形式连接至相应的AC电力网络，例如AC电网。
在此实施例中，根据相应的电压降控制特性确定第二和第三变换器的操作点OP1、OP2，以便将DC电网电压维持在期望水平，第一变换器处于恒定的电压控制。在正常操作期间，如图5中所示，每个变换器正操作于相同的DC电压Vdc，所以根据相应的电压降特性确定在第一和第二DC电力传输线中流动的电流Idc_1、Idc_2。同时，在第一变换器中流动的电流IordR是在第一和第二DC电力传输线中流动的电流Idc_1、Idc_2的和。
当在第一DC电力传输线中出现故障时，电流控制器10以上面描述的方式操作，以相应地与第一和第二DC电力传输线串联地注入第一和第二非零电压降V1、V2。这产生在第二和第三变换器处的相应DC电压Vdc_1、Vdc_2中的不一致。
如由图6所示的，由于根据相应的电压降控制特性确定第二和第三变换器的操作点OPl、OP2，所以在第二和第三变换器处的相应的DC电压Vdc_1、Vdc_2的不一致导致在第一和第二DC电力传输线中流动的电流Idc_1、Idc_2的相应变化。通过将电流引导通过电流控制器10建立的电流路径从第一DC电力传输线到达第二DC电力传输线，使在第一和第二DC电力传输线中流动的电流Idc_1、Idc_2中出现变化。第一变换器的操作电压VdcR和电流IordR保持不变，所以从第一变换器进入网状DC电网的总功率流保持不变。
如图6中所示，可以将注入的第一和第二非零电压降V1、V2的幅度提高到适当的值，以便迫使在故障的第一DC电力传输线16中的故障电流降低至目标电流水平，即零或基本上为零。在此阶段，可以操作开关设备以断开第一DC电力传输线。
如图4中所示，可以由另一电流控制器代替图2中的电流控制器，其中：
●第一电流控制子单元20包括以全桥布置与第一电容器26并联连接的多个第一开关元件24；以及
●第二电流控制子单元22包括以全桥布置与同一第一电容器26并联连接的多个第二开关元件28。
因此，第一和第二电流控制子单元20、22共用同一第一电容器26。
使用中，通过改变每个电流控制子单元20、22的对应开关元件24、28的状态，第一电容器26被选择性绕过或被插入到具有相应的DC电力传输线16、18的电路中。
以与正如上文描述的前面提到的电流控制器10的每个电流控制子单元20、22的电容器26、30相似的方式绕过第一电流控制器110的第一电容器26。
当每个电流控制子单元20、22中的开关元件24、28被配置成使对应的DC电力传输线16、18中的电流I1、I2流入并流出第一电容器26时，第一电容器26插入到具有相应的DC电力传输线16、18的电路中。第一电容器26然后充电或泄放其储存的能量，以便提供非零电压降V1、V2。第一电容器26可以在正向或反向方向上插入具有相应的DC电力传输线16、18的电路中，以便在对应的端子对12a、12b、14a、14b两端并与相应的DC电力传输线16、18串联地注入正或负电压降V1、V2。
共用同一第一电容器26导致第一和第二电流控制子单元20、22电耦连，从而允许能量在第一和第二电流控制子单元20、22之间传递。
设想了在其它实施例中，可以由但不局限于海底DC电力传输电缆、架空DC电力传输电缆、地下DC电力传输电缆或在两个或更多电力元件之间传输电功率的任何DC电力传输介质代替每个DC电力传输线16、18、19。
还应该认识到DC电网200和电流控制器10的拓扑(topology)结构仅用于说明本发明的工作方式，本发明可应用于DC电网和有源功率电子器件的其它拓扑结构。

Claims (8)

1.一种DC电力网络，包括：多个DC端子，每个DC端子能够操作连接至变换器；以及多个DC传输路径，每个DC传输路径被设置成互连所述多个DC端子中的两个或更多个，每个DC传输路径包括DC电力传输介质，每个DC传输路径还包括开关设备，所述开关设备能够操作以选择性阻止电流在对应的DC传输路径中流动，所述DC电力网络还包括：
至少一个有源功率电子器件，所述至少一个有源功率电子器件连接在所述多个DC传输路径的至少一个中，所述或每个有源功率电子器件被配置成能够操作以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗；
检测器，所述检测器被配置成检测在所述多个DC传输路径中出现的一个或多个故障；以及
控制单元，所述控制单元被编程以操作所述或每个有源功率电子器件，以改变故障的对应DC传输路径的视在阻抗，以便迫使在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平，所述控制单元还被编程以操作所述或每个开关设备以在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至所述目标电流水平时，阻止电流在所述故障的对应DC传输路径中流动，其中，所述目标电流水平对应于电流阈值，在该电流阈值或低于该电流阈值时，可以操作所述开关设备以阻止电流在所述对应的DC传输路径中流动。
2.根据权利要求l所述的DC电力网络，其中，所述目标电流水平是零或基本为零。
3.根据任一前述权利要求所述的DC电力网络，其中，所述开关设备是断开器或隔离器。
4.根据任一前述权利要求所述的DC电力网络，其中，所述或每个有源功率电子器件被配置成能够操作以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗，从而将电流从所述多个DC传输路径的至少一个引导到所述多个DC传输路径的至少另一个，所述控制单元被编程为操作所述或每个有源功率电子器件，以改变所述故障的对应DC传输路径的视在阻抗，从而将来自所述多个DC传输路径的至少一个的电流转移到所述多个DC传输路径的至少另一个，以便迫使在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至所述目标电流水平。
5.根据任一前述权利要求所述的DC电力网络，其中，所述或每个有源功率电子器件被配置成能够操作以在所述或每个对应的DC传输路径中选择性注入电压降，从而改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗。
6.根据任一前述权利要求所述的DC电力网络，包括多个有源功率电子器件，其中，所述控制单元被编程以协调所述多个有源功率电子器件的操作，从而改变故障的对应DC传输路径的视在阻抗，以便迫使在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至所述目标电流水平。
7.根据任一前述权利要求所述的DC电力网络，其中，所述或每个有源功率电子器件是电流控制器，所述电流控制器包括：
多个连接点，每个连接点连接于所述DC传输路径的至少一个中；以及
电流控制器，互连所述多个连接点，所述电流控制器包括多个互连的电流控制子单元，每个电流控制子单元在使用中连接于相应的DC传输路径中，每个电流控制子单元包括至少一个开关元件，每个电流控制子单元的所述或每个开关元件能够操作以选择性建立通过在至少一个DC传输路径和至少另一DC传输路径之间的电流控制器的电流路径，所述或每个开关元件还连接到至少一个能量储存装置以选择性提供电压源，
其中，所述控制单元是开关控制单元或者包括开关控制单元，以控制所述电流控制器的每个开关元件的开关，从而选择性建立通过所述电流控制器的所述电流路径，并在所述至少一个DC传输路径和所述至少另一DC传输路径之间选择性连接所述或每个能量储存装置，以便在使用中将电压降注入至少一个DC传输路径中，从而引导电流通过所述电流路径从所述至少一个DC传输路径到达所述至少另一DC传输路径，以便迫使所述故障的对应DC传输路径中的电流降低至所述目标电流水平。
8.一种用于DC电力网络的故障清除的方法，其中，所述DC电力网络包括：多个DC端子，每个DC端子能够操作连接至变换器；以及多个DC传输路径，每个DC传输路径被设置成互连所述多个DC端子中的两个或更多个，每个DC传输路径包括DC电力传输介质，每个DC传输路径还包括开关设备，所述开关设备能够操作以选择性阻止电流在所述对应的DC传输路径中流动，所述DC电力网络还包括：至少一个有源功率电子器件，所述至少一个有源功率电子器件连接在所述多个DC传输路径的至少一个中，所述或每个有源功率电子器件被配置成能够操作以选择性改变所述或每个对应的DC传输路径的视在阻抗，其中，所述方法包括步骤：
(i)检测在所述多个DC传输路径的一个或多个中出现的故障；
(ii)在检测到在所述多个DC传输路径的一个或多个中出现的故障之后，操作所述或每个有源功率电子器件以改变故障的对应DC传输路径的视在阻抗，以便迫使在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至目标电流水平；以及
(iii)当在所述故障的对应DC传输路径中流动的电流降低至所述目标电流水平时，操作所述或每个开关设备以阻止电流在所述故障的对应DC传输路径中流动，
其中，所述目标电流水平对应于电流阈值，在该电流阈值时或低于该电流阈值时，可以操作所述开关设备以阻止电流在所述对应的DC传输路径中流动。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113302812A (zh) * 2018-12-27 2021-08-24 西门子股份公司 用于在直流电压供电网中提供故障电流的脉冲电路

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2537850B (en) * 2015-04-28 2019-09-11 General Electric Technology Gmbh Bipolar DC power transmission scheme
GB2540813A (en) 2015-07-30 2017-02-01 General Electric Technology Gmbh Electrical assembly
GB2541465A (en) * 2015-08-21 2017-02-22 General Electric Technology Gmbh Electrical assembly
DE102016202661A1 (de) * 2016-02-22 2017-08-24 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zum Schalten eines Gleichstroms in einem Pol eines Gleichspannungsnetzes
CN106159987B (zh) * 2016-06-30 2018-12-21 南京南瑞继保电气有限公司 一种直流电网拓扑及故障隔离系统快速恢复的方法
DE102016212915A1 (de) 2016-07-14 2018-01-18 Siemens Aktiengesellschaft Schaltanordnung sowie Verfahren zur Fehlerklärung
JP6856303B2 (ja) * 2016-10-14 2021-04-07 一般財団法人電力中央研究所 直流送電設備
EP3461062B1 (en) * 2017-09-22 2020-02-26 General Electric Technology GmbH Power delivery apparatus
FR3083019B1 (fr) 2018-06-25 2020-07-10 Supergrid Institute Systeme comprenant un dispositif de controle de flux de puissance utilise pour controler la repartition des courants dans un reseau maille et des moyens de protection dudit dispositif
CN109066605B (zh) * 2018-07-06 2019-10-29 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院 直流输电系统正负极直流断路器的协调动作控制策略
US12081014B2 (en) 2020-12-23 2024-09-03 Hamilton Sundstrand Corporation Fault clearing in midpoint grounded systems

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130193766A1 (en) * 2012-01-31 2013-08-01 Atlantic Grid Operations A., Llc Control and protection of a dc power grid
EP2670013A1 (en) * 2012-06-01 2013-12-04 Alstom Technology Ltd Current flow controller
CN103503269A (zh) * 2011-05-30 2014-01-08 Abb研究有限公司 用于向电网分配电功率的系统
US20140078799A1 (en) * 2008-05-09 2014-03-20 William L. Erdman Inverter modulator with variable switching frequency responsive to a sensed parameter

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3107172B1 (en) * 2014-02-14 2022-06-01 Mitsubishi Electric Corporation Protection system for dc power transmission system, ac/dc converter, and dc power transmission system breaking method
CN106663933B (zh) * 2014-06-27 2020-03-13 西门子公司 用于多端hvdc电网的瞬态保护

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140078799A1 (en) * 2008-05-09 2014-03-20 William L. Erdman Inverter modulator with variable switching frequency responsive to a sensed parameter
CN103503269A (zh) * 2011-05-30 2014-01-08 Abb研究有限公司 用于向电网分配电功率的系统
US20130193766A1 (en) * 2012-01-31 2013-08-01 Atlantic Grid Operations A., Llc Control and protection of a dc power grid
EP2670013A1 (en) * 2012-06-01 2013-12-04 Alstom Technology Ltd Current flow controller

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113302812A (zh) * 2018-12-27 2021-08-24 西门子股份公司 用于在直流电压供电网中提供故障电流的脉冲电路

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Publication number Publication date
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EP3032677B1 (en) 2021-05-05
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