CN107534296B - 双极dc电力传输结构 - Google Patents

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Abstract

一种双极DC电力传输结构(30)包括：第一DC电极和第二DC电极，每一DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的相应DC电力传输介质(40、42)；多个换流器(32、34)，其中所述第一DC电极和所述第二DC电极中的每个的所述DC电力传输介质(40、42)的每一端部分别操作性地连接到所述多个换流器(32、34)中的至少一个，以在所述DC电力传输介质(40、42)的所述第一端部处形成整流器，且在所述DC电力传输介质(40、42)的所述第二端部处形成逆变器；以及控制器(36)，用于响应于所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个上出现的故障(64)而在第一控制模式中操作作为所述整流器和逆变器中的一个的至少一个换流器(32、34)且在第二控制模式中操作作为所述整流器和逆变器中的另一个的至少一个换流器(32、34)，以便对抗所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的另一个DC电极中产生的电流改变；其中所述第一控制模式包括将所述或每一对应换流器(32、34)的DC工作电压从正常工作电压值降低，且其中所述第二控制模式包括将所述或每一对应换流器(32、34)的DC工作电压从正常工作电压值升高。

Description

双极DC电力传输结构
技术领域
本发明涉及一种双极DC电力传输结构，和一种操作双极DC电力传输结构的方法。
背景技术
已知使用双极DC电力传输结构在高压电平下长距离传输电力。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种双极DC电力传输结构，其包括：
第一DC电极和第二DC电极，每一DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的相应DC电力传输介质；
多个换流器，其中第一DC电极和第二DC电极中的每个的DC电力传输介质的每一端部分别操作性地连接到多个换流器中的至少一个以在DC电力传输介质的第一端部处形成整流器且在DC电力传输介质的第二端部处形成逆变器；以及
控制器，其用于响应于第一DC电极和第二DC电极中的任一个上出现的故障而在第一控制模式中操作作为整流器和逆变器中的一个的至少一个换流器且在第二控制模式中操作作为整流器和逆变器中的另一个的至少一个换流器以便对抗第一DC电极和第二DC电极中尚未出现故障的良好的另一个DC电极中产生的电流改变；
其中第一控制模式包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压从正常工作电压值降低，且其中第二控制模式包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压从正常工作电压值升高。
对双极DC电力传输结构的DC电极上的故障的常规响应涉及阻断连接到出故障的DC电极的换流器以及使相关联AC断路器跳闸以清除出故障的DC电极。尽管通常预期良好的DC电极不受故障影响且由此能够继续传输电力，但本发明人已发现，出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦可在连接到良好的DC电极的换流器中引起强烈的动力，从而导致换流器电流的改变，这不仅干扰电力传输操作而且还增加损坏连接到良好的DC电极的换流器的风险。
在本发明的双极DC电力传输装置中包括控制器使得能够在第一控制模式和第二控制模式中操作换流器以对抗由出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦引起的良好的DC电极中产生的电流改变，且由此允许在发生故障的情况下在安全操作界限内操作连接到良好的DC电极的换流器，同时促进可接受的电力传输电平。
每一DC电力传输介质可以是能够在两个或多于两个换流器之间传输电力的任何介质。此介质可以是但不限于海底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。
应了解，控制器的配置可取决于双极DC电力传输结构的具体要求而变化。举例来说，控制器可包括用于控制多个换流器的全局控制单元、用于控制至少一个换流器的至少一个局部控制单元，或其组合。所述全局控制单元可远离每一换流器定位且可被配置成通过电信链路与每一换流器通信。所述或每一局部控制单元可在至少一个换流器附近定位。所述全局控制单元可被配置成通过电信链路与至少一个局部控制单元通信。当控制器包括多个控制单元时，控制单元可组合地形成控制系统。
第一控制模式可包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压从正常工作电压值降低到最小可允许的电压值和/或第二控制模式可包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压从正常工作电压值升高到最大可允许的电压值。这使得能够操作对应换流器以最大限度地对抗由出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦引起的良好的DC电极中产生的电流改变。
最大可允许的电压值和最小可允许的电压值的量值可取决于双极DC电力传输结构的设计和要求而变化。举例来说，最大可允许的电压值可以是1.0标幺值和/或最小可允许的电压值可由对应换流器的AC侧电压的峰值量值限制。
对于沿着出故障的极的故障的某些位置，出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦可引起连接到良好的DC电极的换流器中的过电流，这不仅干扰电力传输操作而且还增加损坏连接到良好的DC电极的换流器的风险。
在出现故障之后，连接到出故障的DC电极的换流器可经历过电流，而连接到良好的DC电极的换流器也可归因于出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦而经历过电流。
在本发明的实施例中，控制器可用于响应于换流器中的至少一个的换流器电流超过第一过电流阈值而在第一控制模式中操作作为整流器的至少一个换流器且在第二控制模式中操作作为逆变器的至少一个换流器，所述第一过电流阈值可以是1.05标幺值。以此方式用于控制器提供响应于出现在第一DC电极和第二DC电极中的任一个上的故障而启动第一控制模式和第二控制模式的可靠途径，所述故障会引起连接到良好的DC电极的换流器中的过电流。
在本发明的此类实施例中，双极DC电力传输结构可进一步包括多个电路中断装置，每一电路中断装置被布置成可选择性地操作以清除DC电力传输介质中的相应一个，其中所述控制器用于阻断具有超过第二过电流阈值的换流器电流的每一换流器且将开断命令发送到所述或每一对应电路中断装置以清除对应于第一DC电极和第二DC电极中已出现故障的出故障的一个DC电极的DC电力传输介质，其中第二过电流阈值高于第一过电流阈值。第二过电流阈值可被设计成对应于每一换流器的安全电流阈值。每一电路中断装置可以是例如AC断路器。
在双极DC电力传输结构中提供电路中断装置避免需要监测装置或监测系统来识别出故障的DC电极以使得能够在第一控制模式和第二控制模式中操作换流器以对抗良好的DC电极中产生的电流改变。应了解，第二过电流阈值可被设计成使得当连接到出故障的DC电极的每一换流器经受超过第二过电流阈值的过电流时，连接到良好的DC电极的每一换流器不会经受超过第二过电流阈值的过电流。
在本发明的其它实施例中，双极DC电力传输结构可进一步包括被配置成识别第一DC电极和第二DC电极中已出现故障的一个DC电极的第一监测装置，其中在第一控制模式中被操作的作为整流器和逆变器中的一个的至少一个换流器和在第二控制模式中被操作的作为整流器和逆变器中的另一个的至少一个换流器操作性地连接到第一DC电极和第二DC电极中尚未出现故障的良好的另一个DC电极。
应了解，本发明可包括单个第一监测装置或多个第一监测装置。
在双极DC电力传输结构中包括监测装置使得控制器能够在第一控制模式和第二控制模式中选择性地操作连接到良好的DC电极的换流器，而无须在第一控制模式和第二控制模式中操作连接到出故障的DC电极的换流器。
在此类实施例中，双极DC电力传输结构可进一步包括多个电路中断装置，每一电路中断装置被布置成可选择性地操作以清除所述DC电力传输介质中的相应一个，其中控制器用于阻断连接到第一DC电极和第二DC电极中已出现故障的已识别的出故障的一个DC电极的每一换流器且将开断命令发送到所述或每一对应电路中断装置以清除对应于第一DC电极和第二DC电极中已出现故障的出故障的一个DC电极的DC电力传输介质。
监测装置可以多种方式加以配置以识别第一DC电极和第二DC电极中已出现故障的出故障的一个DC电极。举例来说，监测装置可被配置成通过以下操作中的一个或多个来识别第一DC电极和第二DC电极中已出现故障的出故障的一个DC电极：
其中所述双极DC电力传输结构包括电流返回路径，监测所述电流返回路径中的电流方向；
监测每一DC电力传输介质中的一个或多个行波的反射；
监测所述多个换流器中的至少一个的换流器电流的上升速率；
监测所述多个换流器中的至少一个的换流器电流的量值。
监测装置可包括例如一个或多个电流传感器和/或一个或多个电压传感器。
在本发明的另外的实施例中，控制器可用于操作在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作且连接到第一DC电极和第二DC电极中尚未出现故障的良好的一个DC电极的每一换流器，以便在所述换流器在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作之后在第三控制模式中操作，所述第三控制模式包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压恢复到正常工作电压值。这准许双极DC电力传输结构恢复电力传输。
在本发明的采用对第三控制模式的使用的此类实施例中，可在满足一个或多个条件后即刻触发对第三控制模式的启动。举例来说，控制器可用于操作在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作且连接到第一DC电极和第二DC电极中尚未出现故障的良好的一个DC电极的每一换流器，以便当满足以下条件中的一个或多个时在第三控制模式中操作：
每一对应换流器中的换流器电流降低到低于第三过电流阈值，所述第三过电流阈值可以是1.005标幺值；
在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作每一对应换流器之后的时间延迟期满；
在每一对应换流器中的换流器电流降低到低于第四过电流阈值之后的时间延迟期满，所述第四过电流阈值可等于第三过电流阈值。
出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦可引起连接到良好的DC电极的换流器中的欠电流，从而引起良好的DC电极中所传输DC电力的缩减。
在本发明的实施例中，控制器可用于响应于连接到第一DC电极和第二DC电极中尚未出现故障的良好的一个DC电极的换流器中的至少一个的换流器电流降低到低于欠电流阈值而在第一控制模式中操作作为逆变器的至少一个换流器且在第二控制模式中操作作为整流器的至少一个换流器。以此方式用于控制器提供响应于出现在第一DC电极和第二DC电极中的任一个上的故障而启动第一控制模式和第二控制模式的可靠途径，所述故障会引起连接到良好的DC电极的换流器中的一个或多个中的欠电流。
在本发明的此类实施例中，双极DC电力传输结构可进一步包括被配置成检测故障在第一DC电极和第二DC电极中的任一个中的出现的第二监测装置，其中控制器用于响应于检测故障在第一DC电极和第二DC电极中的任一个中的出现而在第一控制模式中操作作为逆变器的至少一个换流器且在第二控制模式中操作作为整流器的至少一个换流器。这使得控制器能够在由出现在第一DC电极和第二DC电极中的任一个中的故障引起的欠电流与由例如给定换流器的AC侧上的故障的其它事件引起的欠电流之间进行区分，且因此仅关于故障在第一DC电极和第二DC电极中的任一个中的出现来启动第一控制模式和第二控制模式。
应了解，本发明可包括单个第二监测装置或多个第二监测装置。
所述多个监测装置可组合地形成监测系统。
所述或每一监测装置可与控制器一体地形成或与控制器分离地形成。具体地说，所述或每一监测装置可与控制器的全局或局部控制单元一体地形成。
应了解，第一监测装置和第二监测装置可以是同一监测装置或可以是分开的监测装置。
在采用对第三控制模式的使用的另外的此类实施例中，控制器可用于操作在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作的每一换流器，以便当每一对应换流器中的换流器电流返回到正常工作电流值时在第三控制模式中操作。如上文所提及，使用第三控制模式准许双极DC电力传输结构恢复电力传输。
所述故障可以是但不限于电极到接地故障。
所述多个换流器中的每个可在拓扑结构(topology)上不同。
所述多个换流器中的至少一个可包括至少一个模块。所述或每一模块可包括至少一个切换元件和至少一个能量存储装置。所述或每一模块中的所述或每一切换元件和所述或每一能量存储装置可被布置为可组合的，从而选择性地提供电压源。
所述或每一换流器可包括多个模块以定义链节式换流器。
链节式换流器(其可例如包括多个串接的模块)的结构准许通过将各自提供其自身的电压的多个模块的能量存储装置插入到链节式换流器中而跨越链节换流器积聚组合电压，所述组合电压高于可从链节式换流器的个别模块中的每个获得的电压。以此方式，链节式换流器能够提供步进可变电压源，其准许使用逐步逼近来跨越链节式换流器产生电压波形。因而，链节式换流器能够提供一系列复杂的电压波形。
所述或每一模块可在结构上不同。举例来说，所述或每一模块可包括一对切换元件，所述切换元件以半桥布置与能量存储装置并联连接以定义可提供零或正电压且可在两个方向上导电的2象限单极模块。
根据本发明的第二方面，提供一种操作双极DC电力传输结构的方法，所述双极DC电力传输结构包括第一DC电极和第二DC电极，每一DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的相应DC电力传输介质，所述双极电力传输结构进一步包括多个换流器，其中第一DC电极和第二DC电极中的每个的DC电力传输介质的每一端部分别操作性地连接到所述多个换流器中的至少一个以在DC电力传输介质的第一端部处形成整流器且在DC电力传输介质的第二端部处形成逆变器，所述方法包括以下步骤：
响应于出现在第一DC电极和第二DC电极中的任一个上的故障而在第一控制模式中操作作为整流器的至少一个换流器且在第二控制模式中操作作为逆变器的至少一个换流器，以便对抗第一DC电极和第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的一个DC电极中产生的电流改变，
其中第一控制模式包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压从正常工作电压值降低，且其中第二控制模式包括将所述或每一对应换流器的DC工作电压从正常工作电压值升高。
本发明的第一方面的双极DC电力传输结构的特征和优点及其实施例在进行必要的修改后适用于本发明的第二方面的方法。
应了解，在专利说明书中使用术语“第一”和“第二”仅仅在于帮助区分相似特征(例如第一DC电极和第二DC电极)，且不在于指示一个特征相比于另一特征的相对重要性。
附图说明
现将参考附图仅借助于非限制性实例描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1a和1b示意性地示出根据本发明的实施例的双极DC电力传输结构的示意图；
图2示意性地示出图1a和1b的双极电力传输结构的换流器的结构示意图；
图3示意性地示出图2的换流器的模块的结构示意图；且
图4a到7b为当未改变对换流器的控制与当应用本发明的方法时，连接到良好的DC电极的换流器的电气特性变化比较示意图。
具体实施方式
根据本发明的实施例的双极DC电力传输结构在图1a和1b中示出，且一般由参考数字30表示。
双极DC电力传输结构30包括第一DC电极和第二DC电极、多个第一换流器32、多个第二换流器34、控制器36以及监测装置38。
第一DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的第一DC电力传输线40。第二DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的第二DC电力传输线42。
每一换流器32、34包括第一DC端子44和第二DC端子46。另外，图1a和1b中示出的每一换流器32、34包括多个AC端子48，所述多个AC端子中的每个在使用时连接到相应多相AC网络50的相应相位。更具体地说，图1a和1b中示出的每一换流器32、34定义AC/DC电压源换流器32、34，所述AC/DC电压源换流器包括多个换流器分支52，所述多个换流器分支中的每个如图2所示进行布置。
每一换流器分支52在第一DC端子44与第二DC端子46之间延伸，且包括在第一DC端子44与AC端子48之间延伸的第一分支部分54，以及在第二DC端子46与AC端子48之间延伸的第二分支部分56。
每一分支部分56、58包括多个串接的模块58，以定义链节式换流器(chain-linkconverter)。在所示出的具体实施例中，每一模块58包括一对切换元件，所述切换元件以半桥布置与电容器并联连接，以定义可提供零或正电压且可在两个方向上导电的2象限单极模块58，如图3中所示出。
每一切换元件构成绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其与呈二极管形式的反并联的无源电流检查元件并联连接。
可以设想，在本发明的其它实施例中，IGBT可由一个或多个其它半导体开关代替，二极管可由将电流限制在仅一个方向上的另一类型的无源电流检查元件代替，和/或每一电容器可由燃料电池或蓄电池等能够存储且释放能量的另一类型的能量存储装置代替。
应了解，选择每一换流器32、34的拓扑结构仅仅是为了帮助说明本发明的操作，且每一换流器32、34可由具有不同拓扑结构的另一换流器代替。
第一DC电力传输线40的第一端部操作性地连接到多个第一换流器32中的一个的第一DC端子44，且第一DC电力传输线40的第二端部操作性地连接到多个第一换流器32中的另一个的第一DC端子44。第二DC电力传输线42的第一端部操作性地连接到多个第二换流器34中的一个的第一DC端子44，且第二DC电力传输线42的第二端部操作性地连接到多个第二换流器34中的另一个的第一DC端子44。
如图1a和1b中所示出，操作性地连接到DC电力传输线40、42的第一端部的换流器32、34形成由图1a和1b左侧的换流器32、34描绘的整流器，且操作性地连接到DC电力传输线40、42的第二端部的换流器32、34形成由图1a和1b右侧的换流器32、34描绘的逆变器。
作为整流器的换流器32、34的第二DC端子46通过电流返回路径60操作性地连接到作为逆变器的换流器32、34的第二DC端子46。电流返回路径60可以是电极线或金属回线。应了解，电流返回路径60是任选的。
双极DC电力传输结构30进一步包括多个AC断路器62。每一AC断路器62在每一换流器32、34的AC侧连接。以此方式，每一AC断路器62被布置成可选择性地操作以清除对应DC电力传输线40、42。
控制器36用于控制每一换流器32、34的模块58的切换元件的切换，以便操作每一模块58以选择性地提供电压源。这使得控制器36能够修改每一换流器32、34的DC工作电压。
控制器36经进一步用于将开断命令选择性地发送到每一AC断路器62，用于清除对应DC电力传输线40、42。
控制器36的配置可取决于双极DC电力传输结构30的具体要求而变化。举例来说，控制器36可包括用于控制多个换流器32、34的全局控制单元，用于控制至少一个换流器32、34的至少一个局部控制单元，或其组合。所述全局控制单元可远离每一换流器32、34定位且可被配置成通过电信链路与每一换流器32、34通信。所述或每一局部控制单元可在至少一个换流器32、34附近定位。所述全局控制单元可被配置成通过电信链路与至少一个局部控制单元通信。
在双极DC电力传输结构30的正常操作期间，控制器36控制每一换流器32、34的模块58的切换元件的切换，以便操作每一换流器32、34以执行电力转换操作，从而在其AC及DC端子50、44、46之间传送电力。此操作引起多相AC网络50之间的电力传输，所述电力传输包括沿着换流器32、34之间的DC电力传输线40、42的电力传输。
第一DC电力传输线40和第二DC电力传输线42中的一个可在操作双极DC电力传输结构30期间经历DC电极到接地故障64、164。需要良好的DC电极在DC电极到接地故障64、164期间使用电流返回路径60继续传输电力。这通常可通过常规响应实现，所述常规响应包括阻断连接到出故障的DC电极的换流器32、34以及使相关联AC断路器62跳闸以清除出故障的DC电极。
对于连接到出故障的DC电极的每一换流器32、34，一个DC电极上的DC电极到接地故障64、164具有DC电极到DC电极故障的效应。这引起具有高电流上升速率的强故障电流的流动。
在每一半桥模块58中，使用IGBT与反并联的二极管对意味着连接到出故障的DC电极的每一换流器32、34不能够防止故障电流从对应AC网络50流动，通过换流器的半桥模块58的二极管且到达故障64。这引起连接到与出故障的DC电极连接的每一换流器32、34的AC侧的共同连接点的电压降，直到开断对应AC断路器62为止，所述开断通常需要2到3个周期才发生。
出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦可在连接到良好的DC电极的换流器32、34中引起强大动力，从而导致良好的DC电极中的电流改变。举例来说，出故障的DC电极中的高电流上升速率可在良好的DC电极中诱发对应电压，因此在良好的DC电极中引起强烈瞬变。
根据故障DC电极的故障位置，互耦效应(the mutual coupling effect)可在连接到良好的DC电极的每一换流器32、34中引起过电流，从而又可能导致每一对应模块58的电容器的过电压。另外，良好的DC电极中的电流瞬变的增加可无意中触发过电流保护结构30生效。此外，如果每一模块58的电容器的电压电平继续保持高于安全电压界限，那么不可能例如使用放电电阻器来使电容器安全地放电。
并且，根据故障DC电极的故障位置，互耦效应可在连接到良好的DC电极的每一换流器32、34中引起欠电流，从而缩减良好的DC电极中所传输的DC电力。
以下描述操作根据本发明的图1a和1b的双极电力传输结构30的方法。
出于说明本发明的作用的目的，假定电极到接地故障64、164出现在第一DC电极上，但应理解，以下描述在进行必要的修改后适用于DC电极到接地故障64、164在第二DC电极上的出现。
如图1a中所示出，电极到接地故障64的位置可更接近于第一DC电力传输线40的第二端部而非所述DC电力传输线40的第一端部。这会在连接到良好的第二DC电极的每一换流器34中引起过电流。
响应于电极到接地故障64在第一DC电极中的出现，控制器36在第一控制模式中操作作为整流器的换流器32、34，且在第二控制模式中操作作为逆变器的换流器32、34。这通过将控制器36设计成响应于换流器32、34中的至少一个的换流器电流超过第一过电流阈值而启动第一控制模式和第二控制模式来实现，所述第一过电流阈值可以是1.05标幺值(perunit)。
第一控制模式包括将每一对应换流器32、34的DC工作电压从正常工作电压值降低到最小可允许的电压值，所述最小可允许的电压值可由对应换流器32、34的AC侧电压的峰值量值限制。第二控制模式包括将每一对应换流器32、34的DC工作电压从正常工作电压值升高到最大可允许的电压值，所述最大可允许的电压值可以是1.0标幺值。
在第一控制模式和第二控制模式中操作换流器32、34具有使得连接到良好的DC电极的换流器34，其能够对抗良好DC电极中产生的由出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦引起的电流增加的效应，且由此允许在发生电极到接地故障64的情况下在安全操作界限内操作连接到良好的DC电极的换流器34，同时促进可接受的电力传输电平。
在执行第一控制模式和第二控制模式期间，当连接到出故障的DC电极的换流器32中的换流器电流超过高于第一过电流阈值的第二过电流阈值(例如，1.2标幺值)时，控制器36阻断连接到出故障的DC电极的换流器32，且将开断命令发送到对应AC断路器62以清除故障DC电极。这由此避免需要识别出故障的DC电极以便使得能够在第一控制模式和第二控制模式中操作换流器32、34以对抗良好的DC电极中产生的电流改变。第二过电流阈值被优先地设计成使得当连接到出故障的DC电极的每一换流器32经受超过第二过电流阈值的过电流时，连接到良好的DC电极的每一换流器34不会经受超过第二过电流阈值的过电流。
另外或替代地，监测装置38可被配置成识别第一DC电极和第二DC电极中已出现故障64的一个故障DC电极。在此方面，监测装置38被配置成包括一个或多个合适传感器(例如电流和/或电压传感器)以通过以下操作中的一个或多个来识别出故障的DC电极：
监测电流返回路径60中的电流方向；
监测每一DC电力传输线40、42中的一个或多个行波(travelling waves)的反射；
监测多个换流器32、34中的至少一个的换流器电流的上升速率；
监测多个换流器32、34中的至少一个的换流器电流的量值。
可通过监测电流返回路径60中的电流方向来识别出故障的DC电极，因为当第一DC电极是出故障的极时的故障电流方向将与当第二DC电极是故障电极时的故障电流方向相反。一旦故障DC电极被识别，控制器36接着在第一控制模式和第二控制模式中选择性地操作连接到良好的DC电极的换流器34，阻断连接到出故障的DC电极的换流器32，且将开断命令发送到对应AC断路器62以清除出故障的DC电极。
在执行第一控制模式和第二控制模式之后，控制器36操作在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作，且连接到良好的DC电极的每一换流器34，以便在第三控制模式中操作。第三控制模式包括将连接到良好的DC电极的每一对应换流器34的DC工作电压恢复到正常工作电压值。这准许双极DC电力传输结构30恢复其正常电力传输操作。
可在满足一个或多个条件后，即刻触发第三控制模式的启动。举例来说，控制器36可用于操作在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作，且连接到良好的DC电极的每一换流器34，以便当满足以下条件中的一个或多个时在第三控制模式中操作：
每一对应换流器34中的换流器电流降低到低于第三过电流阈值，所述第三过电流阈值可以是1.005标幺值；
在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作每一对应换流器34之后的时间延迟期满；
在每一对应换流器34中的换流器电流降低到低于第四过电流阈值之后的时间延迟期满，所述第四过电流阈值可等于第三过电流阈值。
如图1b中所示出，电极到接地故障164的位置更接近于第一DC电力传输线40的第一端部而非所述DC电力传输线40的第二端部。这会在连接到良好的第二DC电极的每一换流器34中引起欠电流。
响应于电极到接地故障164的出现，控制器36在第一控制模式中操作连接到良好的DC电极的作为逆变器的换流器34且在第二控制模式中操作连接到良好的DC电极的作为整流器的换流器34。这通过将控制器36设计成响应于连接到良好的DC电极的换流器34中的至少一个的换流器电流降低到低于欠电流阈值而启动第一控制模式和第二控制模式来实现。
优选地，监测装置被配置成检测故障164在第一DC电极中的出现。这使得控制器36能够在由出现在第一DC电极中的故障164引起的欠电流，其与由例如连接到良好的DC电极的给定换流器34的AC侧上的故障的其它事件引起的欠电流之间进行区分。响应于对故障164在第一DC电极中的出现的检测，控制器36在第一控制模式中操作连接到良好的DC电极的作为逆变器的换流器34，且在第二控制模式中操作连接到良好的DC电极的作为整流器的换流器34。
在执行第一控制模式和第二控制模式之后，控制器36操作在第一控制模式和第二控制模式中的相应一个中操作，且连接到良好的DC电极的每一换流器34以便在第三控制模式中操作。第三控制模式包括当每一对应换流器34中的换流器电流返回到正常工作电流值时，将每一对应换流器34的DC工作电压恢复到正常工作电压值。如上述所提及，使用第三控制模式准许双极DC电力传输结构30恢复电力传输。
在第一控制模式和第二控制模式中操作连接到良好的DC电极的换流器34，具有使得连接到良好的DC电极的换流器34能够对抗良好的DC电极中产生的电流减少的效应，电流减少的效应由出故障的DC电极与良好的DC电极之间的互耦引起，且由此允许在发生DC电极到接地故障164的情况下，在可接受的电力传输电平下操作连接到良好的DC电极的换流器34。
图4a到7b为当(a)不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制时与当(b)应用上文所描述的本发明的方法时的连接到良好的DC电极的换流器34的电气特性变化的比较示意图。在图4a到7b中的每个图中，在t＝2秒处应用故障64、164。
图4a和4b为比较当(a)不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制时(如图4a中所示出)与当(b)应用上文所描述的本发明的方法时(如图4b中所示出)的连接到良好的DC电极的第二换流器34的换流器电流变化的比较示意图。可看出，在出现故障64、164之后，相较于其中不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制的方法，本发明的方法的应用在连接到良好的DC电极的第二换流器34中引起较小电流瞬变。
图5a和5b为比较当(a)不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制时(如图5a中所示出)与当(b)应用上文所描述的本发明的方法时(如图5b中所示出)的连接到良好的DC电极的第二换流器34的模块58的电容器的电压变化的比较示意图。可看出，在故障64、164出现之后，相较于其中不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制的方法，本发明的方法的应用引起连接到良好的DC电极的第二换流器34的模块58的电容器的较小电压增加。
图6a和6b为当(a)不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制时(如图6a中所示出)与当(b)应用上文所描述的本发明的方法时(如图6b中所示出)的连接到良好的DC电极的第二换流器34中的一个换流器的AC和DC电力变化的比较示意图。图7a和7b为当(a)不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制时(如图7a中所示出)与当(b)应用上文所描述的本发明的方法时(如图7b中所示出)的连接到良好的DC电极的第二换流器34中的另一个换流器的AC和DC电力的变化的比较示意图。可从图6a、6b、7a和7b看出，在故障64、164出现之后，相较于其中不改变对连接到良好的DC电极的第二换流器34的控制的方法，本发明的方法的应用在良好的DC电极中引起所传输的DC电力的更快速恢复。

Claims (21)

1.一种双极DC电力传输结构，包括：
第一DC电极和第二DC电极，每一DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的相应DC电力传输介质；
多个换流器，其中所述第一DC电极和所述第二DC电极中的每个的所述DC电力传输介质的每一端部分别操作性地连接到所述多个换流器中的至少一个，用于在所述DC电力传输介质的所述第一端部处形成整流器，且在所述DC电力传输介质的所述第二端部处形成逆变器；以及
控制器，编程成响应于所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个上出现的故障，而在第一控制模式中操作作为所述整流器和逆变器中的一个的至少一个换流器，且在第二控制模式中操作作为所述整流器和逆变器中的另一个的至少一个换流器，以便对抗所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的另一个中产生的电流改变；
其中所述第一控制模式包括将所述至少一个换流器的DC工作电压从正常工作电压值降低，且其中所述第二控制模式包括将所述至少一个换流器的DC工作电压从正常工作电压值升高。
2.根据权利要求1所述的双极DC电力传输结构，其中，所述第一控制模式包括将所述至少一个换流器的DC工作电压从正常工作电压值降低到最小可允许的电压值，和/或所述第二控制模式包括将所述至少一个换流器的DC工作电压从正常工作电压值升高到最大可允许的电压值。
3.根据权利要求2所述的双极DC电力传输结构，其中，所述最大可允许的电压值是1.0标幺值，和/或所述最小可允许的电压值由对应的所述换流器的AC侧电压的峰值量值限制。
4.根据任一前述权利要求所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成响应于所述换流器中的至少一个的换流器电流超过第一过电流阈值，在所述第一控制模式中操作作为所述整流器的所述至少一个换流器，且在所述第二控制模式中操作作为所述逆变器的所述至少一个换流器。
5.根据权利要求4所述的双极DC电力传输结构，进一步包括多个电路中断装置，每一电路中断装置被布置成可选择性地操作以清除所述DC电力传输介质中的相应一个，其中所述控制器编程成阻断具有超过第二过电流阈值的换流器电流的每一换流器，且将开断命令发送到每一对应电路中断装置，用于清除对应于所述第一DC电极和所述第二DC电极中已出现所述故障的一个故障DC电极的所述DC电力传输介质，其中所述第二过电流阈值高于所述第一过电流阈值。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的双极DC电力传输结构，进一步包括被配置成识别所述第一DC电极和所述第二DC电极中已出现所述故障的一个故障DC电极的第一监测装置，其中在所述第一控制模式中操作的作为所述整流器和逆变器中的所述一个的所述至少一个换流器，和在所述第二控制模式中操作的作为所述整流器和逆变器中的另一个的所述至少一个换流器，操作性地连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的另一个良好的DC电极。
7.根据权利要求6所述的双极DC电力传输结构，进一步包括多个电路中断装置，每一电路中断装置被布置成可选择性地操作以清除所述DC电力传输介质中的相应一个，其中所述控制器编程成阻断连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中已出现所述故障的已识别的出故障的一个DC电极的每一换流器且将开断命令发送到每一对应电路中断装置以清除对应于所述第一DC电极和所述第二DC电极中已出现所述故障的出故障的一个DC电极的所述DC电力传输介质。
8.根据权利要求6所述的双极DC电力传输结构，其中，所述监测装置被配置成通过下列操作中的一个或多个来识别所述第一DC电极和所述第二DC电极中已出现所述故障的出故障的一个DC电极：
其中所述双极DC电力传输结构包括电流返回路径，监测所述电流返回路径中的电流方向；
监测每一DC电力传输介质中的一个或多个行波的反射；
监测所述多个换流器中的至少一个的换流器电流的上升速率；
监测所述多个换流器中的至少一个的换流器电流的量值。
9.根据权利要求7所述的双极DC电力传输结构，其中，所述监测装置被配置成通过下列操作中的一个或多个来识别所述第一DC电极和所述第二DC电极中已出现所述故障的出故障的一个DC电极：
其中所述双极DC电力传输结构包括电流返回路径，监测所述电流返回路径中的电流方向；
监测每一DC电力传输介质中的一个或多个行波的反射；
监测所述多个换流器中的至少一个的换流器电流的上升速率；
监测所述多个换流器中的至少一个的换流器电流的量值。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成操作在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的相应一个中操作且连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的一个DC电极的每一换流器，以便在其在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的相应一个中的操作之后在第三控制模式中操作，所述第三控制模式包括将每一对应换流器的DC工作电压恢复到正常工作电压值。
11.根据权利要求10所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成操作在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的相应一个中操作且连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的一个DC电极的每一换流器，以便当满足以下条件中的一个或多个时在所述第三控制模式中操作：
每一对应换流器中的所述换流器电流降低到低于第三过电流阈值；
在对每一对应换流器在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的相应一个中的所述操作之后的时间延迟期满；
在每一对应换流器中的所述换流器电流降低到低于第四过电流阈值之后的时间延迟期满。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成响应于连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的一个DC电极的所述换流器中的至少一个的换流器电流降低到低于欠电流阈值而在所述第一控制模式中操作作为所述逆变器的所述至少一个换流器且在所述第二控制模式中操作作为所述整流器的所述至少一个换流器。
13.根据权利要求12所述的双极DC电力传输结构，进一步包括被配置成检测所述故障在所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个中出现的第二监测装置，其中所述控制器编程成响应于对所述故障在所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个中的出现的所述检测而在所述第一控制模式中操作作为所述逆变器的至少一个所述换流器，且在所述第二控制模式中操作作为所述整流器的至少一个所述换流器。
14.根据权利要求10所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成响应于连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的一个DC电极的所述换流器中的至少一个的换流器电流降低到低于欠电流阈值而在所述第一控制模式中操作作为所述逆变器的所述至少一个换流器且在所述第二控制模式中操作作为所述整流器的所述至少一个换流器。
15.根据权利要求14所述的双极DC电力传输结构，进一步包括被配置成检测所述故障在所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个中出现的第二监测装置，其中所述控制器编程成响应于对所述故障在所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个中的出现的所述检测而在所述第一控制模式中操作作为所述逆变器的至少一个所述换流器，且在所述第二控制模式中操作作为所述整流器的至少一个所述换流器。
16.根据权利要求14所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成操作在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的相应一个中操作且连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的一个良好的DC电极的每一换流器，以便当每一对应换流器中的所述换流器电流返回到正常工作电流值时在所述第三控制模式中操作。
17.根据权利要求15所述的双极DC电力传输结构，其中，所述控制器编程成操作在所述第一控制模式和所述第二控制模式中的相应一个中操作且连接到所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的一个良好的DC电极的每一换流器，以便当每一对应换流器中的所述换流器电流返回到正常工作电流值时在所述第三控制模式中操作。
18.根据权利要求1至3中的任一项所述的双极DC电力传输结构，其中，所述故障是电极到接地故障。
19.根据权利要求1至3中的任一项所述的双极DC电力传输结构，其中，所述多个换流器中的至少一个包括至少一个模块，所述至少一个模块包括至少一个切换元件和至少一个能量存储装置，所述至少一个模块中的所述至少一个切换元件和所述至少一个能量存储装置被布置成可组合以选择性地提供电压源。
20.根据权利要求19所述的双极DC电力传输结构，其中，所述至少一个模块包括一对切换元件，所述切换元件以半桥布置与能量存储装置并联连接，以定义能够提供零或正电压且能够在两个方向上导电的2象限单极模块。
21.一种操作双极DC电力传输结构的方法，所述双极DC电力传输结构包括第一DC电极和第二DC电极，每一DC电极包括在第一端部与第二端部之间延伸的相应DC电力传输介质，所述双极DC电力传输结构进一步包括多个换流器，其中所述第一DC电极和所述第二DC电极中的每个的所述DC电力传输介质的每一端部分别操作性地连接到所述多个换流器中的至少一个以在所述DC电力传输介质的所述第一端部处形成整流器，且在所述DC电力传输介质的所述第二端部处形成逆变器，所述方法包括以下步骤：
响应于出现在所述第一DC电极和所述第二DC电极中的任一个上的故障，在第一控制模式中操作作为所述整流器的至少一个换流器，且在第二控制模式中操作作为所述逆变器的至少一个换流器，以便对抗所述第一DC电极和所述第二DC电极中尚未出现所述故障的良好的另一个DC电极中产生的电流改变，
其中所述第一控制模式包括将所述至少一个换流器的DC工作电压从正常工作电压值降低，且其中所述第二控制模式包括将所述至少一个换流器的DC工作电压从正常工作电压值升高。
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