CN107925358A - 用于基于气体管的电流源高电压直流输电系统的方法和系统 - Google Patents

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J.W.布雷
T.J.索默雷尔
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Abstract

一种高电压直流(HVDC)输电系统包括交流(AC)电源和功率变换器通道，所述功率变换器通道包括电连接到所述电源的交流‑直流变换器以及电连接到所述交流‑直流变换器的直流‑交流逆变器。所述交流‑直流变换器和所述直流‑交流逆变器各自包括多个支路，所述多个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括以通信方式连接到一个或多个开关装置的换流电路。所述换流电路配置成在H桥开关电路的周期的第一部分期间“开通”所述开关装置中的一个开关装置，并且在所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的所述周期的第二部分期间“关断”所述开关装置。

Description

用于基于气体管的电流源高电压直流输电系统的方法和系统
关于由联邦政府赞助的研究的声明
本发明受到政府支持，合同编号为DE-AR0000298，由能源部(DOE)授予。政府对本发明拥有特定权利。
背景技术
本说明书涉及高电压直流(HVDC)输电系统，并且更确切地说，涉及HVDC变换器系统及其操作方法。
高电压直流(HVDC)电力输送与普遍采用的交流(AC)系统相反，具备在长距离电力输送中成本和损耗减少的优势。在世界范围内，传统上采用高电压AC进行配电。采用高电压输电的原因是输电期间的能量损耗与电流的平方成比例(I2R损耗)。因此，提高电压而不是提高电流可传输更高能量，而不会显著提高输电损耗。在电气化早期选择交流电而不是直流电(DC)来输电的原因是采用交流电比直流电更易于在不同电压电平之间变换。
尽管大部分电能输送中采用交流电，但是交流电拥有其自身的一系列问题。交流电输送一般比直流电需要更多导体来输送相同的电量。交流电可能发生“趋肤效应”，即大量电力输送是由导体的外表面而不是导体均匀地输送的，因此会导致输电损耗比直流电输送高。此外，由于关联的电缆电容更高，可能难以在海底或地下电缆中采用交流电来输送电力。因此，对于许多长距离电能输送任务，采用高电压直流电替代交流电。直流电输送也能够通过直流电集线器连接异步电网，该直流电集线器允许可控的能量流通过，同时还功能性地隔离每一侧的各自交流电频率，从而避免故障传播。例如，东部联合电网(EasternInterconnection)和西部联合电网(Western Interconnection)是北美的两大交流电(AC)电网。得克萨斯联合电网(Texas interconnection)是规模小于东部联合电网和西部联合电网的几家较小联合电网之一。东部、西部和德克萨斯联合电网可以经由HVDC互联链路相连。地理上重叠但是电气隔离的异步电网可以使用不需要任何额外输电线路的“背靠背”变换器配置来连接以达到上述相同目的。背靠背HVDC系统可以视作HVDC输电系统的具体实例。
HVDC输电线路还能以显著小于交流电输电损耗的输电损耗长距离输送电能。例如，相同电压电平下，高电压直流输电线路损耗通常比交流电输电线路损耗小30％到40％。交流电输电线路受其峰值电压电平的限制，但是在这些峰值电平下的输电功率并不高，而直流电可以在峰值电压电平下全功率输电。此外，由于直流电不涉及多相位，也不会发生趋肤效应，因此直流电输电线路可能采用较少导线和较小导线。因此，可以降低输电塔的尺寸和成本，并解决与路权(right-of-way)相关的问题。此外，影响交流电输电的无功功率问题不会影响直流电输电。
但是，除非采用海底电缆输电或长距离输电，否则一般避免采用HVDC输电。一般避免采用高电压直流电的原因是，转换设备非常复杂并且昂贵。因此，即便直流电在电能输送方面的效率优势显著，但是极少采用直流电进行电力输送。至少一些已知的HVDC输电系统包括：常规转换设备，所述常规转换设备包括多相交流-直流变换器；长距离直流电导线，例如但不限于，用于输送电力的电缆；以及位于系统的负载端上的多相直流-交流逆变器。多相交流-直流变换器和多相直流-交流逆变器中的开关阀通常是硅基的，并且受相对较低电压和电流额定值限制。为将系统的额定值提高到输电系统所需要的电平，许多此类阀电串联和/或电并联。尽管此类连接可提高多相交流-直流变换器和多相直流-交流逆变器的额定值，但是此类连接也会提高阀的换流复杂性以及构成转换系统的部件的空间要求。
现有技术的HVDC变换器技术已经从使用晶闸管的线路换流变换器(LCC)HVDC，发展到电压源变换器(VSC)HVDC技术，并且最近发展到模块化多电平变换器(MMC)HVDC技术及其混合组合。LCC HVDC是采用晶闸管的电流源系统。由于晶闸管无法强制关断，因此这种类型的系统依赖于电网来进行换流。因此，它会消耗大量无功功率补偿并且需要强电网环境。此外，晶闸管的阻断电压能力相对较低。例如，HVDC晶闸管功率半导体的额定值大约是8KV。
发明内容
一个方面，一种高电压直电流(HVDC)输电系统包括交流(AC)电源和功率变换器通道。所述功率变换器通道包括交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路。所述第一H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路。所述第二H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个开关装置。所述换流电路配置成在所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置，并且在所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置。
另一个方面，一种使用直流电(DC)输电的电力输送方法包括：接收交流(AC)电力；以及通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个变换器开关装置中的第一开关装置和所述多个变换器开关装置中的第二开关装置，将电流从所述第一开关装置输送到所述第二开关装置。所述方法还包括：使用所输送的电流产生直流(DC)电力流；以及通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个逆变器来使用所述逆变器生成交流电。
又一个方面，一种功率变换器通道包括交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路。所述第一H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路。所述第二H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个开关装置。所述换流电路配置成在所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置，并且在所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置。
附图说明
参照附图阅读以下详细说明将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面及优点，在附图中，类似字符表示附图中的类似部分，其中：
图1是示例性高电压直流(HVDC)输电系统的示意性方框图；
图2是具有更高电压/电流额定值的替代性HVDC输电系统的示意性方框图；以及
图3是使用图1和图2中所示的HVDC输电系统的示例性电力输送方法的流程图。
除非另作说明，否则本说明书中提供的附图旨在示出本发明的实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本说明书中公开的实施例所需的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明和权利要求书中，将提及多个术语，这些术语的定义如下。
除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也含有复数意义。
“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述说明同时包括事件发生或者不发生的情况。
本说明书中使用的术语“处理器”和“计算机”及相关术语，例如，“处理装置”、“计算装置”和“控制器”并不限于所属领域中称为计算机的集成电路，而是广泛地指微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路以及其他可编程电路，并且这些术语可以在本说明书中互换使用。在本说明书中所述的实施例中，存储器可包括但不限于计算机可读介质，例如随机存取存储器(RAM)、计算机可读非易失性介质，例如闪存。或者，也可以使用软磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字多功能光盘(DVD)。此外，在本说明书中所述的实施例中，额外的输入通道可以是但不限于与诸如鼠标和键盘等操作员接口关联的计算机外围设备。或者，还可使用其他计算机外围设备，例如，包括但不限于扫描仪。此外，在示例性实施例中，额外的输入通道可包括但不限于操作员接口监控器。
此外，本说明书中使用的术语“软件”和“固件”是可互换的，并且包括存储在存储器中用于由个人计算机、工作站、客户端以及服务器执行的任何计算机程序。
本说明书中所用的术语“黑启动”(black start)是指向与发电设施外部的电源地理隔开的位置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工作并且地理隔开的发电设施中没有其他电源来促使其中的至少一个电发电机重新启动，则视作存在黑启动条件。黑启动还可以视作“弱电网”的极端示例，此情况下，所谓的“有效短路比”或ESCR足够低，需要额外的设备来提供电压支持以促使HVDC变换器启动。
以下具体说明中以示例但非限定的方式对本发明的实施例进行了说明。可设想，本发明普遍适用于在工业、商业和住宅应用中远距离输送电力的分析和方法实施例。
本申请案的实施例描述了一种将气体管开关(gas tube switches)用作变换器和逆变器阀的气体管开关的HVDC输电系统体系结构。例如具有长寿命液态金属阴极的气体管开关呈现有吸引力的特征。一种所述特征包括单个开关装置可在几百千伏特和几百安培下操作。另一个特征是低开关损耗，能够以相对较小的滤波器尺寸进行几百赫兹频率的操作。另一个特征包括全可控地导通和关断，以使得能够进行电流源和电压源操作。另一个特征包括双向电压和电流阻断。
由于气体管开关的导通和关断能力以及双向电流阻断功能，在HVDC系统中采用电流源整流器拓扑结构。此类拓扑结构在过去是不可实现的。所述的HVDC变换器系统不依赖于电网进行换流，并且可以主动控制气体管进行电压/功率调整。此功能与基于晶闸管的HVDC变换器系统不同，因为晶闸管是线路换流装置。能够确切控制气体管开关的导通和关断降低了对用于无功功率补偿的庞大电容器组的需求。此外，基于气体管开关的HVDC输电系统具有固有的黑启动能力，因此消除或者减小了对同步调相机的需求。
图1是高电压直流(HVDC)输电系统100的示意性方框图。在该示例性实施例中，HVDC输电系统100的配置是基于气体管开关阀组件的电流源变换器(CSC)HVDC输电系统。
HVDC输电系统100包括交流(AC)电源102，在多个实施例中，所述交流电源包括电连接到发电机106的交流总线104。HVDC输电系统100还包括功率变换器通道108，所述功率变换器通道包括交流-直流变换器110、直流-交流逆变器112以及一个或多个换向换流电路114。
交流-直流变换器110包括电连接到电源102的一个或多个第一H桥开关电路116。在多个实施例中，H桥开关电路116通过一个或多个电力调节部件电连接到电源102，所述一个或多个电力调节部件包括例如升压变压器118，所述升压变压器配置成将来自电源102的电力的电压提高到适用于输电的电平。电力调节部件还包括线路电抗器120和电容器122。
H桥开关电路116包括相对于彼此电性串联和/或并联的多个支路123。每个支路123包括至少一个开关装置124。当至少一个开关装置124关断时，电容器122提供电流流动路径。在示例性实施例中，至少一个开关装置124是气体管开关，所述气体管开关包括围封可电离气体127的腔125，并且配置成生成可电离气体127的等离子体以便于控制通过开关装置124的电流。由于开关装置124是由气体管开关构成的，开关装置124被明确地打开和关断来提供交流-直流变换器110的精确换流。气体管开关的精确换流与例如功率变换器和功率逆变器中常用的晶闸管相反。晶闸管采用线路换流，也就是说，晶闸管由控制信号打开，但是只在被电源102的线路电压反向偏置时关断。在一个实施例中，气体管开关型开关装置124的额定值大于约100千伏(kV)。在一个实施例中，气体管开关型开关装置124的额定值大于约300kV。多个开关装置124电串联在每个支路123中，以提高交流-直流变换器110和/或直流-交流逆变器112的电压能力。由于气体管开关的额定电压相对大于其他类型开关装置的额定电压，因此与使用例如晶闸管的额定值类似的交流-直流变换器110或直流-交流逆变器112相对比，在使用气体管开关时，交流-直流变换器110或直流-交流逆变器112所需要的开关装置数量相对较少。使用相对较少装置可降低电损耗、减小空间需求，并且降低交流-直流变换器110和直流-交流逆变器112的换流控制算法的复杂性。
直流-交流逆变器112包括通过至少一个HVDC输电导线128电连接到交流-直流变换器110的第二H桥开关电路126。第二H桥开关电路126还包括相对于彼此电串联/并联的多个支路130。多个支路130中的每个支路包括至少一个开关装置124。对于背靠背HVDC变换器系统，输电导线128更换成连接两个同处一地的变换器的总线系统。
换流电路132通信地连接到第一H桥开关电路116和第二H桥开关电路126中的至少一者的一个或多个开关装置124。换流电路132配置成在第一H桥开关电路116和第二H桥开关电路126中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”一个或多个开关装置214中的对应一个开关装置。换流电路132还配置成在第一H桥开关电路116和第二H桥开关电路126中的至少一者的操作周期的第二部分期间“关断”一个或多个开关装置124中的对应一个开关装置。在多个实施例中，换流电路132实施成以通信方式连接到第一H桥开关电路116和第二H桥开关电路126的单个电路。在其他实施例中，换流电路132实施成以通信方式连接到包括在HVDC输电系统100中的每个H桥开关电路中的对应一个H桥开关电路的电路。
在多个实施例中，换流电路132包括处理装置，所述处理装置包括以通信方式连接到至少一个存储装置的至少一个处理器(未图示)。在此类实施例中，所述至少一个存储装置包括当由至少一个处理器执行时，使换流电路132执行本说明书中所述的步骤的指令。
负载总线134通过一个或多个电力调节部件电连接到第二H桥开关电路126，所述一个或多个电力调节部件包括例如降压变压器136，所述降压变压器配置成将来自第二H桥开关电路126的电力的电压降低到适用于配电的电平。所述一个或多个电力调节部件还包括线路电抗器138和电容器140。
功率因数可控的气体管开关CSC(利用基于气体管的开关装置的关断功能)与基于晶闸管的LCC-HVDC系统相比具备的优势包括交流开关站的占地减小、弱电网不需要额外的无功功率、变流变压器不需要进行分接头变换，以及黑启动能力。
基于晶闸管的LCC-HVDC系统具有非常大的交流开关站，其中包括空气绝缘开关柜、交流谐波滤波器、高频滤波器和无功功率补偿设备。具有功率因数控制的气体管开关CSC-HVDC系统不需要任何无功功率补偿。凭借选择性的谐波消除，交流谐波滤波器的需求大幅降低。因此，气体管开关CSC-HVDC的AC开关站将相对较小。
由于其存在触发角和重叠角(firing and overlap angle)，基于晶闸管的LCC-HVDC系统是无功功率负载。变换器电流滞后于交流电压。弱电网可为LCC-HVDC变换器提供有限的无功功率，因此需要额外的无功功率源。对于典型的弱电网LCC-HVDC装置，采用伴随性同步调相机来提供无功功率在成本上是不可行的。另一方面，气体管开关CSC-HVDC变换器是无功功率源，因为它的功率因数可以被控制。在这种情况下，气体管开关CSC-HVDC应用于弱电网时不需要额外的无功功率补偿器。
在基于晶闸管的LCC-HVDC系统中，晶闸管阀的成本与该阀的额定电压成比例。对于典型的LCC装置，所述变流变压器配备分接头，用于在主交流总线上的电压缓慢变化时调节输出电压。通过这种方式，晶闸管阀无需承担额外的耐压净空，因此更加经济。对于气体管开关，用于阻断额外电压的附加成本可能低于变流变压器中的分接头变换器。因此，气体管开关CSC-HVDC系统可以采用无分接头变换的变流变压器，进而大幅提高变压器的维护时间间隔并且提高HVDC系统的可利用率。
晶闸管只能打开而无法关断。它需要额外的电压源来从“开”转换到“关”状态。因此，基于晶闸管的LCC-HVDC系统无法独自地提供黑启动能力。为提供黑启动，LCC-HVDC系统需要采用备用电源和无功功率补偿器。气体管开关可以“开通”和“关断”。凭借该自换流能力，气体管开关CSC-HVDC系统可以提供黑启动能力，而不需要外部电源和无功功率补偿器。
图2是具有更高电压/电流额定值的高电压直流(HVDC)输电系统200的示意性方框图。在该示例性实施例中，使用呈电并联的多个H桥开关电路116或126来提高HVDC输电系统200的电流额定值以进行超高功率输电。可以提高每个H桥开关电路116或126中的并联气体管开关124的数量或者并联H桥开关电路116或126的数量以进行较高电流操作。在该示例性实施例中，通过提高呈电并联的H桥开关电路116或126的数量来提供较大载流能力，通过安装备用H桥开关电路116或126来提高潜在的可靠性，所述备用H桥开关电路116或126可以按照来自换流电路132或者其他控制电路的命令进行打开和关断。此外，提供呈电并联的多个H桥开关电路116或126可实现模块化设计，其中每个H桥开关电路116或126可以简便地替换存在故障的H桥开关电路116或126。
图3是使用直流(DC)输电来输送电力的方法300的流程图。在该示例性实施例中，方法300包括：302接收交流(AC)电力；304通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个变换器开关装置中的第一开关装置和所述多个变换器开关装置中的第二开关装置来将电流从所述第一开关装置输送到所述第二开关装置；306使用所输送的电流产生直流(DC)电力流；308通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个逆变器开关装置来使用所述逆变器开关装置产生交流电；以及310将所产生的交流电供应给负载。
上述HVDC输电系统提供输送HVDC电力的高性能价格比方法。本说明书中所述的实施例便于在彼此远离的交流电发电设施与交流电负载电网之间输送HVDC电力。所述交流电发电设施可以位于距离交流电负载电网几十或几百英里外，并且甚至可以位于距离交流电负载电网几千英里外。确切地说，本说明书中所述的装置、系统和方法还可实现远程交流电设施例如离岸风场的黑启动。此外，本说明书中所述的装置、系统和方法可促使降低相关变换器系统的无功功率要求，同时还提供补充无功功率输电特征。此外，本说明书中所述的装置、系统和方法可促使大幅降低并且潜在地消除庞大且昂贵的开关式交流滤波器系统、电容器系统和无功功率补偿装置，从而有利于减小相关联系统的物理占地。在背靠背配置中，上述HVDC系统可促使两个相邻但异步的电网之间互联，从而提高电力的可利用率和可靠性。
本说明书中所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下项中的至少一项：(a)使远程交流电发电设施例如海上风电场能够黑启动；(b)降低关联变换器系统的无功功率要求；(c)提供附加无功功率传输特征；(d)大幅降低并且潜在消除庞大且昂贵的开关式交流滤波器系统、电容器系统和无功功率补偿装置，从而减小关联HVDC输电系统的物理占地。
上文详细描述了用于连接发电设施和负载电网的HVDC输电系统及其操作方法的示例性实施例。所述HVDC输电系统、HVDC变换器系统以及所述系统的操作方法并不限于本说明书中所述的特定实施例，相反，本说明书中所述系统的部件和/或方法的步骤可以独立于其他部件和/或步骤单独使用。例如，所述方法还可以与需要HVDC输电的其他系统和方法结合使用，并且并不限于仅采用本说明书中所述的HVDC输电系统、HVDC变换器系统和方法进行实践。相反，所述示例性实施例可以结合许多其他高功率变换应用实施和使用，例如但不限于，多兆瓦级驱动应用。
尽管本发明的多个实施例的具体特征可能在某些附图中图示，而并未在其他附图中图示，但这仅仅是出于方便的考量。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合其他任何附图的任何特征来参考和/或提出权利要求。
另外，附图中所描绘的逻辑流不要求采用图示的特定次序实施或者按顺序实施以达成期望的结果。另外，可以向所描述的流提供其他步骤或者可以从其消除步骤，并且可以向所描述的系统添加其他部件或从其移除部件。因此，其他实施例均在随附权利要求书的范围内。
应了解，特别详细描述的以上实施例仅仅是示例性或可能的实施例，并且还可以包括很多其他组合、添加或替代。
而且，部件的具体命名、术语大写、属性、数据结构或任何其他编程或结构方面不是强制性的或重要的，并且实施本发明或其特征的机构可具有不同的名称、格式或协议。此外，所述系统可如上所述通过硬件和软件的组合或完全在硬件元件中实施。而且，本说明书中所描述的各种系统部件之间的特定功能性划分也仅为一个示例而并非强制性的；由单个系统部件执行的功能可以代之以由多个部件执行，而由多个部件执行的功能可以代之以由单个部件执行。
上文描述的某些部分按照关于信息的操作的算法和符号表示呈现了本发明的特征。这些算法描述和表示可以由数据处理领域的技术人员使用，来最有效地展示他们的工作内容给所属领域的其他技术人员。这些操作虽然是以功能或逻辑的方式描述的，但是应当理解均是通过计算机程序执行的。此外，已得到证明，有时把这些操作的布置称为模块或按照功能命名是方便的，这不丧失普遍性。
除非以上讨论中明确另做说明，否则应认识到，在整个说明书中，采用“处理”或“计算”或“核算”或“确定”或“显示”或“提供”或类似术语进行的表述是指计算机系统或类似电子计算装置的操作，并且转换计算机系统存储器或寄存器或其他此类信息存储、转换或显示装置内的表现为物理(电子)数量的数据的操作和处理。
根据以上说明，本发明的上述实施例可以使用计算机编程或工程技术实施，包括计算机软件、固件、硬件或它们的任何组合或子组合。具有计算机可读和/或计算机可执行指令的任何此类所得程序可以实施或者提供在一个或多个计算机可读介质中，从而根据本发明中讨论的实施例来制造计算机程序产品，即制造品。所述计算机可读介质可以是例如固定(硬)驱动、软盘、光盘、磁带、诸如只读存储器(ROM)或闪存等半导体存储器，或者诸如互联网或其他通信网络或链路等任何发射/接收介质。包含计算机代码的制造品可以通过直接从一个介质执行指令、将代码从一个介质复制到另一个介质或者通过在网络上传输代码来制成和/或使用。
本说明书和权利要求中所用的近似语言可适用于以能够适当改变但不更改相关的基本功能的方式修饰任何数量表示。因此，被一个或多个术语，例如“约”和“大体上”修饰的值并不限于所指出的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。在此处以及说明书及权利要求书的各处中，范围限制可以组合和/或互换；除非上下文或语言另作说明，否则此类范围表示说明并且包括其中包含的所有子范围。
尽管已经就各个具体实施例描述了本发明，但是应认识到，可以在权利要求书的精神和范围内的修改下实践本发明。
根据以上说明将认识到，本发明的上述实施例可以使用计算机编程或工程技术来实施，包括计算机软件、固件、硬件或者它们的任何组合或子组合，可以通过执行以下步骤中的至少一个步骤来实现所述方法和系统的技术效果：(a)接收交流(AC)电力；(b)通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个变换器开关装置中的第一开关装置和所述多个变换器开关装置中的第二开关装置来将电流从所述第一开关装置输送到所述第二开关装置；(c)使用所输送的电流产生直流(DC)电力流；(d)通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个逆变器开关装置来使用所述逆变器开关装置产生交流电；以及(e)将所产生的交流电供应给负载。具有计算机可读代码装置的任何此类所得程序可以实施或者提供在一个或多个计算机可读介质中，从而根据本发明中讨论的实施例来制造计算机程序产品，即制造品。所述计算机可读介质可以是，例如但不限于，固定(硬)驱动、软盘、光盘、磁带、诸如只读存储器(ROM)等半导体存储器，以及/或者诸如互联网或其他通信网络或链路等任何发射/接收介质。包含计算机代码的制造品可以通过直接从一个介质执行代码、将代码从一个介质复制到另一个介质或者通过在网络上传输代码来制成和/或使用。
使用直流(DC)输电来输送电力的方法和系统的上述实施例提供了损耗相对较低、高性能价格比并且可靠的远距离电力输送方法。在背靠背配置中，上述HVDC系统可促使两个相邻但异步的电网之间互联，从而提高电力的可利用率和可靠性。更确切地说，本说明书中所述的方法和系统促使使用正向开通和正向关断的阀来转换交流电力。与例如基于晶闸管的开关相比，这些阀是基于气体管的电力电子开关。此外，上述方法和系统促使降低变换器换流电路的复杂性，因为在类似额定能力下，所需的气体管开关的数量小于基于晶闸管的系统。因此，本说明书中所描述的方法和系统可促使降低成本，同时以高性能价格比并且可靠的方式改进HVDC输电系统的能力。
本说明书使用各个实例来描述本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书限定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种基于电流源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统，包括：
交流(AC)电源；以及
基于电流源变换器(CSC)的功率变换器通道，所述功率变换器通道包括：
交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路，所述第一H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个第一支路，所述多个第一支路中的每个第一支路包括至少一个第一开关装置；
直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路，所述第二H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个第二支路，所述多个第二支路中的每个第二支路包括至少一个第二开关装置；以及
换流电路，所述换流电路以通信方式分别连接到所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个第一开关装置和第二开关装置，所述换流电路配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的对应一个开关装置，并且所述换流控制电路进一步配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的所述至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的所述对应一个开关装置。
2.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述开关装置的至少一部分包括气体管开关。
3.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述开关装置的至少一部分的额定值设置成大于约100千伏特(kY)。
4.根据权利要求3所述的HVDC输电系统，其中所述开关装置的至少一部分的额定值设置成大于约300千伏特(kV)。
5.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中每个所述开关装置包括围封可电离气体的腔。
6.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述HVDC输电系统包括电并联的多个功率变换器通道。
7.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者包括电串联的多个开关装置。
8.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，还包括电连接到所述第二H桥开关电路的负载总线。
9.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述换流电路包括：第一换流电路，所述第一换流电路以通信方式仅连接到所述第一H桥开关电路的所述第一开关装置中的一个或多个第一开关装置；以及第二换流电路，所述第二换流电路以通信方式仅连接到所述第二H桥开关电路的一个或多个第二开关装置。
10.一种使用直流(DC)输电来输送电力的方法，所述方法包括：
接收交流(AC)电力；
通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个变换器开关装置中的第一开关装置和所述多个变换器开关装置中的第二开关装置，将电流从所述第一开关装置输送到所述第二开关装置；
使用输送的电流产生直流(DC)电力流；以及
通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个逆变器开关装置来使用所述逆变器开关装置产生交流电。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将电流从多个变换器开关装置中的第一开关装置输送到所述多个变换器开关装置中的第二开关装置包括使用以通信方式连接到所述多个变换器开关装置中的每个变换器开关装置的换流电路来对所述变换器开关装置进行换流。
12.根据权利要求10所述的方法，其中使用多个逆变器开关装置产生交流电包括通过控制所述多个逆变器开关装置的换流来控制所述多个逆变器开关装置的无功功率输出。
13.根据权利要求10所述的方法，其中将电流从多个变换器开关装置中的第一开关装置输送到所述多个变换器开关装置中的第二开关装置包括将电流从多个变换器气体管开关中的第一气体管开关输送到所述多个变换器气体管开关中的第二气体管开关。
14.一种功率变换器通道，包括：
交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到电源的第一H桥开关电路，所述第一H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个第一支路，所述多个第一支路中的每个第一支路包括至少一个第一开关装置；
直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路，所述第二H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个第二支路，所述多个第二支路中的每个第二支路包括至少一个第二开关装置；以及
换流电路，所述换流电路以通信方式分别连接到所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个第一开关装置和第二开关装置，所述换流电路配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的对应一个开关装置，并且所述换流控制电路进一步配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的所述至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的所述对应一个开关装置。
15.根据权利要求14所述的功率变换器通道，其中所述开关装置的至少一部分包括气体管开关。
16.根据权利要求14所述的功率变换器通道，其中所述开关装置的至少一部分的额定值设置成大于约100千伏特(kV)。
17.根据权利要求16所述的功率变换器通道，其中所述开关装置的至少一部分的额定值设置成大于约300千伏特(kV)。
18.根据权利要求14所述的功率变换器通道，其中每个所述开关装置包括围封可电离气体的腔。
19.根据权利要求14所述的功率变换器通道，其中所述HVDC输电系统包括电并联的多个功率变换器通道。
20.根据权利要求14所述的功率变换器通道，其中所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者包括电串联的多个开关装置。
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