CN111971866B - 电路装置、电压源转换器站及高压直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于衰减高压直流(HVDC)输电系统的中性线上的第一点与第二点之间的瞬时电流流动的电路装置。该电路装置可以包括：第一分支，其包括串联连接的第一绕组和电阻元件；以及第二分支，其包括串联连接的第二绕组和开关元件。第一分支和第二分支可以在第一点与第二点之间并联连接。第一绕组和第二绕组可以形成单独的电感器的一部分，或者相互耦合并形成同一互感器的一部分。第一绕组的电感可以小于第二绕组的电感。还提供了电压源转换器(VSC)站和HVDC输电系统，以及用于修改/升级HVDC输电系统的方法以及用于在转换器总线故障期间操作电路装置的方法。

Description

电路装置、电压源转换器站及高压直流输电系统
技术领域
本公开涉及包括一个或多个电压源转换器(VSC)的高压直流(HVDC)输电系统的领域。特别地，本公开涉及对HVDC输电系统的直流(DC)中性线上的故障电流的处理。
背景技术
随着VSC证明在控制和性能方面更加精通，多端子VSC DC电网配置正在兴起。在DC电网操作场景中，可能有必要的是，在例如混合HVDC断路器(HHB)中断开时电流处于HHB的额定容量之内。结果，这样的DC电网可以在DC极线上并且也在DC中性线上配备有与HHB串联连接的限流电抗器(CLR)。一个或多个CLR可以在例如故障电流中断期间例如将故障电流限制成低于对应HHB的额定容量。
例如，由于在交流电(AC)转换器总线处发生单相故障，在这样的故障电流中断期间的瞬时电流的持续时间可能足够长，以至于会在例如VSC的下阀臂中的二极管上施加额外应力。这会在容量和应力公差两个方面增加对VSC的阀臂的要求。还可能需要附加的冷却装置，从而增加了成本和占地面积。
因此，鉴于以上内容，需要一种用于故障电流处理的改进装置。
发明内容
本公开寻求至少部分地满足以上需要。为了实现这一点，提供了如独立权利要求中所限定的用于衰减瞬时电流流动的电路装置、VSC站、HVDC输电系统、修改HVDC输电系统的方法以及操作电路装置的方法。在从属权利要求中提供了另外的实施例。
根据本公开的第一方面，提供了(中性)电路装置。该中性电路装置可以用于衰减HVDC输电系统的DC中性线上的第一点与第二点之间的瞬时电流流动。该中性电路装置可以包括：第一分支，该第一分支包括串联连接的第一绕组和电阻元件。该中性电路装置可以包括：第二分支，该第二分支包括串联连接的第二绕组和开关元件。第一分支和第二分支可以在第一点与第二点之间并联连接。第一绕组的电感可以小于第二绕组的电感。
在故障电流发生期间，可以增加有效电路电阻并且可以减小有效电路电感。这可以增加例如VSC的下阀臂中的瞬时电流的衰减率，使得瞬时电流可以更快地衰减。在正常操作期间，例如，在没有电流故障时，操作可以保持不受影响。
在正常操作期间，由于包括电阻元件的第一分支可以为DC电流提供更高的阻抗，因此，开关元件可以闭合并且电流可以在中性电路装置中经由第二分支和第二绕组来采取路径。换句话说，在正常操作条件期间，在直流中性线上，第一点与第二点之间的电流流动可以保持不变。
在例如转换器总线故障(诸如例如交流AC转换器总线故障)期间，由于第二绕组的电感高于第一绕组的电感，因此第二分支可以提供比第一分支更高的阻抗。由于第一绕组的更低电感，可以导致通过第二分支的电流减小，而通过并联的第一分支的电流开始增加。
当通过第二绕组的电流降低至低于开关元件的中断能力时，可以断开开关元件。断开开关元件可以将瞬时电流完全整流至第一分支和第一绕组。中性电路装置可以在电路中看到增加的有效电阻以及减小的有效电感。这可以减少电流衰减时间。通过例如VSC的下阀臂的(故障)电流可以更快地衰减。
在一些实施例中，中性电路装置可以包括连接到第一点的第三绕组。如果要将中性电路装置连接到例如VSC站，则第三绕组可以例如形成VSC站与第一点之间的连接。
在一些实施例中，第二绕组和第三绕组可以形成同一限流电抗器(CLR)的一部分。例如，CLR的总绕组的一部分可以形成第三绕组，并且CLR的总绕组的其余部分可以形成第二绕组。将CLR的总绕组拆分成第三绕组和第二绕组的点例如可以是第一点。
在一些实施例中，第二绕组和第三绕组的电感之和可以等于CLR的(总)电感。
在一些实施例中，第一绕组和第二绕组可以形成互感器的一部分。换句话说，第一绕组和第二绕组可以磁性地(并且相互地)耦合。在转换器总线故障期间，由于从耦合的第一绕组和第二绕组生成的与电流流动相反的电压反向，第二分支的阻抗可以增加。类似地，在第一分支中，互感器的耦合绕组的电流辅助性质可以帮助增加电流流动。
在一些实施例中，开关元件可以是高速开关(HSS)和中性总线开关(NBS)中的的一种。
在一些实施例中，第一分支可以被设置成使得电阻元件位于第一绕组与第二点之间。
在一些实施例中，第二分支可以被设置成使得开关元件位于第二绕组与第二点之间。
根据本公开的第二方面，提供了一种VSC站。该VSC站可以包括根据第一方面的中性电路装置。
根据本公开的第三方面，提供了HVDC输电系统。该HVDC输电系统可以至少包括DC中性线。该HVDC输电系统可以包括根据第二方面的VSC站，或者，HVDC输电可以包括VSC站以及根据第一方面的中性电路装置。该中性电路装置可以将VSC站连接到DC中性线。当将VSC站连接到DC中性线时，DC中性线上的电流可以至少部分地在该装置的第一点与第二点之间流动。在本文中，当提及VSC站和中性电路装置时，还设想到该中性电路装置可以形成VSC站的集成部分。
在一些实施例中，HVDC输电系统可以进一步包括：第二VSC站(其可以是根据第二方面的VSC站)，或者，HVDC输电系统可以包括第二VSC站以及第二中性电路装置(其可以是根据第一方面的中性电路装置)。第二中性电路装置可以将第二VSC站连接到DC中性线。当将第二VSC连接到DC中性线时，DC中性线上的电流可以至少部分地在第二装置的第一点与第二点之间流动。
在一些实施例中，HVDC输电系统可以以非对称单极配置进行设置。
在一些实施例中，在根据第二方面的VSC站中，或者在根据第三方面的HVDC输电系统中，VSC站可以包括至少一个半桥模块化多电平转换器(HB-MMC)。
根据本公开的第四方面，提供了一种修改HVDC输电系统的方法。HVDC输电系统可以包括VSC站、DC中性线和现有CLR，该CLR可以例如将VSC站连接到DC中性线。该方法可以包括：提供根据第一方面的中性电路装置。该中性电路装置的第二绕组可以是现有CLR或形成该现有CLR的一部分。
在一些实施例中，HVDC输电网络可以进一步包括与现有CLR串联连接的现有开关元件。该现有开关元件可以形成中性电路装置的开关元件的一部分(或者可以是中性电路装置的开关元件)。
根据第五方面，提供了一种在(AC)转换器总线故障期间操作中性电路装置(诸如，根据第一方面的中性电路装置、或者如包括在根据第二方面的VSC站中的中性电路装置、或者如包括在根据第三方面的HVDC输电系统中的中性电路装置)的方法。该方法可以包括：确定通过(中性电路装置的)第二分支的电流是否处于开关装置的电流中断容量之内。该方法可以包括基于确定通过第二分支的电流处于开关元件的电流中断容量之内而断开开关元件。该方法的效果可以如本文中参照根据第一方面的中性电路装置所更早描述的那样。
本公开涉及在权利要求书中记载的特征的所有可能组合。根据第一方面描述的对象和特征可以与根据第二方面和/或第三方面、第四方面和/或第五方面所描述的对象和特征进行组合或被其替换，且反之亦然。
下面将借助于示例实施例来描述本公开的各种实施例的另外的目的和优点。
附图说明
下面将参照附图来描述示例实施例，在附图中：
图1示意性地图示了HVDC输电系统；
图2示意性地图示了包括根据本公开的中性电路装置的HVDC输电系统的实施例；图3a和3b示意性地图示了根据本公开的中性电路装置的各种实施例；以及
图4示意性地图示了包括根据本公开的中性电路装置的VSC站的实施例。
在附图中，除非另行陈述，否则相似的附图标记将被用于相似的元件。除非明确相反地陈述，否则附图仅示出了图示示例实施例所必需的元件，而为了清楚起见，可以省略或仅建议其他元件。如附图中图示的，出于说明性目的，可以放大元件和区域的尺寸，并且因此提供元件和区域的尺寸来图示实施例的一般结构。
具体实施方式
图1图示了(常规的)HVDC输电系统100。系统100以非对称单极配置进行设置，并且包括第一VSC站110和第二VSC站112。VSC站110和112中的一个或两个可以例如包括一个或多个模块化多电平转换器(MMC)。MMC中的一个或多个可以例如是半桥MMC(HB-MMC)。
第一VSC站110和第二VSC站112经由DC链路连接。DC链路包括DC极线120和DC中性线122。第一VSC站110经由混合HVDC断路器(HHB)130和限流电抗器(CLR)140连接到DC极线120。第一VSC站110经由CLR 150和开关元件160连接到DC中性线122。第二VSC站112经由HHB132和CLR 142连接到DC极线120。第二VSC站112经由CLR 152和开关元件162连接到DC中性线122。DC中性线122具有接地阻抗170。
对于DC电网应用，CLR 140、142、150和152的电感可以例如足够大以至于将故障电流峰值减小低于DC断路器的额定值。在例如单相转换器总线故障期间，用于例如VSC 110的例如下阀臂中的电流的瞬时衰减时间可以更长。公共耦合点(PCC)处的电流达到零的时间也可以更长。
参照图2和图3，下面将描述根据本公开的HVDC输电系统和中性电路装置。
图2示意性地图示了HVDC输电系统200的实施例。系统200与上面参照图1所描述的系统100相同，除了CLR 150和开关元件160已经由中性电路装置280替换/修改以及除了CLR152和开关元件162已经由第二中性线电路装置282替换/修改。
还可以设想到，HVDC输电系统200可以包括多于两个VSC站，每个VSC站都连接到DC极线220和DC中性线222。
图3a和图3b示意性地图示了中性电路装置300和301的实施例。中性电路装置300和301可以例如对应于如图2中图示的系统200中的中性电路装置280或282。
如图3a中图示的装置300包括第一分支310和第二分支312。第一分支310可以包括第一绕组320和电阻元件330。第一绕组320和电阻元件330可以串联连接。第二分支312可以包括第二绕组322和开关元件340。第二绕组322和开关元件340可以串联连接。第一分支310和第二分支312可以在第一点350与第二点352之间并联连接。
第一绕组320和第二绕组322可以被设置成使得第一绕组320和第二绕组322相互耦合并且形成互感器M的一部分。在图3a中未指示互感器M的极性。如果使用“点规定”，则设想到例如极性为使得在图3a中，点将被插入到第一绕组320和第二绕组322中的每一个绕组的左侧。
开关元件340可以例如是高速开关(HSS)或中性总线开关(NBS)。还设想到可以使用其他合适的开关元件。
中性电路装置300还包括(或可以包括)第三绕组324。第三绕组324可以连接到第一点350。装置300可以例如经由第三绕组324在一端处连接到VSC站(未示出)。
DC中性线可以例如在第二点352处连接到中性电路装置300，并且VSC站可以例如在第三绕组324的左端处连接到中性电路装置300。
如本文中之前所述，第三绕组324和第二绕组322可以是个体部件(即，不是同一电感器的一部分的个体绕组)。还设想到，第三绕组324和第二绕组322可以形成同一电感器(例如CLR)的一部分。在这种情况下，将CLR的总绕组拆分成第三绕组324和第二绕组322的点则可以是第一点350。
第一绕组320的电感可以表示为L1，第二绕组322的电感可以表示为L2，并且第三绕组324的电感可以表示为L3。如果第三绕组324和第二绕组322形成同一CLR的一部分，则CLR的表示为LCLR的总电感可以为使得LCLR＝L2+L3。还设想到，第三绕组324可以是可选的，并且例如第二绕组322是整个CLR，使得LCLR＝L2并且L3＝0。
第一绕组320和第二绕组322的电感可以被选择为使得L1＜L2。
在经由中性电路装置300连接到DC中性线的VSC的正常操作期间，由于电阻元件330，第一分支310可以呈现比第二分支312更高的对稳态电流阻抗。如果开关元件340闭合，则电流可以通过第二分支312并且中性电路装置300的存在可以使DC电流流动不受影响。
在例如单相AC转换器总线故障期间，第二绕组322的更高电感可以针对通过第二分支312的电流引入更高的阻抗。电流然后可以开始流动通过第一分支310(在第一分支310处，由于第一绕组320的更低电感，因此阻抗更低)。最终，可以通过第一分支310转移足够的电流，以使第二分支312中的电流处于开关元件340的电流中断能力之内。然后可以断开开关元件340，由此使将电流流动完全整流通过第一分支310。
装置300可以看到增加的有效电阻(R)和减少的有效电感(L)。增加的有效电阻和减少的有效电感可以增加衰减率并且减少衰减时间。可以利用瞬时电流路径中减小的有效电感和增加的有效电阻来减小电路的时间常数。在与参照图1描述的(常规)HVDC输电系统相比较时，这可以例如在针对例如转换器的下阀臂中的电流的更短瞬时衰减时间方面和/或在公共耦合点(PCC)处的电流达到零的更短时间方面呈现出改进。
图3b中图示的装置301类似于图3a中图示的装置300，除了第一绕组320和第二绕组322不形成互感器的一部分。代替地，第一绕组320和第二绕组322是不相互耦合的个体绕组/电感器。
参照图4，下面将描述根据本公开的VSC站的实施例。
图4示意性地图示了VSC站400。VSC站400包括至少一个VSC 410以及中性电路装置430。中性电路装置430可以是本文中描述的中性电路装置(例如，如图3a中图示的中性电路装置300或如图3b中图示的中性电路装置301)并且可以被设置成将至少一个VSC 410和VSC站400连接到DC中性线420。例如，VSC站400还可以例如通过使用至少一个变压器450而被连接到AC电网440。VSC站400可以包括多于一个VSC 410，并且多个VSC 410可以例如串联连接。VSC站400可以例如形成HVDC输电系统的一部分，诸如例如本文中参照图2所描述的HVDC输电系统200的一部分。
本公开还提供了与使用根据本公开的中性电路装置有关的方法。在一种这样的方法的实施例中，可以通过提供根据本公开的中性电路装置(诸如参照图3a描述的中性电路装置300或参照图3b描述的中性电路装置301)来升级/修改HVDC输电系统(诸如本文中参照图1所描述的系统100)。如果HVDC输电系统已经在DC中性线上包括现有CLR，则可以使用现有CLR的一部分或全部来形成中性电路装置的第二绕组(以及可选地第三绕组)。通过这样做，可以使用已经存在的现有CLR。例如，可以在第一点处将已经存在的现有CLR拆分成两个绕组。CLR的连接在VSC站与第一点之间的部分绕组可以是第三绕组，并且CLR的连接在第一点与DC中性线之间的部分绕组可以是第二绕组。然后，可以通过提供如本文中描述的第一绕组、电阻元件和断开元件来完成本公开的中性电路装置。
如果要升级/修改的HVDC输电系统已经包括现有开关元件(诸如与已经存在的现有CLR串联连接的HSS/NBS)，则该现有开关元件可以被用作中性电路装置的第二分支中的开关元件。
本公开还提供了一种在转换器总线故障期间操作根据本公开的中性电路装置的方法。如本文中描述的，中性电路装置可以被包括在VSC站中和/或HVDC输电系统中，并且被连接在VSC站与HVDC输电系统的DC中性线之间。当已经检测到故障时(该过程可以被包括作为该方法的可选第一步骤)，该方法可以包括以下步骤：其中，确定通过第二分支的电流(在第一点与第二点之间)是否低于开关元件的电流中断能力/容量(或处于开关元件的电流中断能力/容量之内)。如果确定在第二分支中/通过第二分支的电流足够低(例如，低于开关元件的电流中断能力/容量或在开关元件的电流中断能力/容量之内)，则可以断开开关元件以将(故障)电流完全转移(整流)通过第一分支。如本文中之前所述，中性电路装置的增加的有效电阻和减少的有效电感可以呈现关于减少阀臂电流的衰减时间和PCC电流达到零的时间的益处。电流瞬态的减小可以减小在例如VSC站中的阀上的应力。这可以导致在二极管上和在例如相关联的散热器和冷却设备上的减少的应力。由于减少了要处理的应力要求，因此也可以减少直流电网中的断电。
虽然在上文以特定组合的形式描述了特征和元件，但是每个特征或元件可以在没有其它特征和元件的情况下单独使用，或者可以在具有或不具有其它特征和元件的情况下以各种组合进行使用。
附加地，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变化。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载了某些特征这一纯粹事实并不指示这些特征的组合不能被用来获得优势。

Claims (17)

1.一种用于衰减高压直流HVDC输电系统的直流DC中性线上的第一点(350)与第二点(352)之间的瞬时电流流动的电路装置(300、301)，所述电路装置包括：
第一分支(310)，所述第一分支包括串联连接的第一绕组(320)和电阻元件(330)，以及
第二分支(312)，所述第二分支包括串联连接的第二绕组(322)和开关元件(340)，
其中，所述第一分支(310)和所述第二分支(312)在所述第一点(350)与所述第二点(352)之间并联连接，
其中，所述第一绕组(320)的电感小于所述第二绕组(322)的电感，并且
其中，由于所述电阻元件，所述第一分支在正常操作期间呈现比所述第二分支更高的对稳态电流的阻抗，以使得在所述正常操作期间，所述开关元件闭合并且电流在所述电路装置中经由所述第二分支和所述第二绕组采取路径。
2.根据权利要求1所述的电路装置，所述电路装置包括第三绕组，所述第三绕组连接到所述第一点并且与并联连接的所述第一分支和所述第二分支串联连接。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其中，所述第二绕组和所述第三绕组形成同一限流电抗器CLR的一部分。
4.根据权利要求3所述的电路装置，其中，所述第二绕组的电感和所述第三绕组的电感之和等于所述限流电抗器CLR的电感。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置，其中，所述第一绕组和所述第二绕组形成互感器的一部分。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置，其中，所述开关元件是高速开关HSS和中性总线开关NBS中的一种。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置，其中，所述第一分支被设置成使得所述电阻元件位于所述第一绕组与所述第二点之间。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的电路装置，其中，所述第二分支被设置成使得所述开关元件位于所述第二绕组与所述第二点之间。
9.一种电压源转换器VSC站(400)，所述电压源转换器VSC站包括根据权利要求1至8中任一项所述的电路装置(430)。
10.根据权利要求9所述的电压源转换器VSC站(400)，其中，所述电压源转换器VSC站还包括至少一个半桥模块化多电平转换器HB-MMC。
11.一种高压直流HVDC输电系统(200)，所述高压直流HVDC输电系统至少包括DC中性线(222)，所述高压直流HVDC输电系统进一步包括：
根据权利要求9或10所述的电压源转换器VSC站；或者
电压源转换器VSC站(210)和根据权利要求1至8中任一项所述的电路装置(280)；
其中，所述电路装置(280)将所述电压源转换器VSC站(210)连接到所述DC中性线(222)。
12.根据权利要求11所述的高压直流HVDC输电系统，进一步包括第二电压源转换器VSC站，所述第二电压源转换器VSC站为根据权利要求9或10所述的电压源转换器VSC站；或者
第二电压源转换器VSC站和第二电路装置，所述第二电路装置为根据权利要求1至8中任一项所述的电路装置；
其中，所述第二电路装置将所述第二电压源转换器VSC站连接到所述DC中性线。
13.根据权利要求11或12所述的高压直流HVDC输电系统，其中，所述高压直流HVDC输电系统以非对称单极配置进行设置。
14.根据权利要求11或12所述的高压直流HVDC输电系统，其中，所述电压源转换器VSC站包括至少一个半桥模块化多电平转换器HB-MMC。
15.根据权利要求11或12所述的高压直流HVDC输电系统，所述HVDC输电系统还包括现有限流电抗器CLR，所述现有限流电抗器CLR将所述电压源转换器VSC站连接到所述DC中性线，其中，所述现有限流电抗器CLR的至少一部分形成所述电路装置的所述第二绕组。
16.根据权利要求15所述的高压直流HVDC输电系统，所述高压直流HVDC输电系统进一步包括与所述现有限流电抗器CLR串联连接的现有开关元件，其中，所述现有开关元件形成所述电路装置的所述开关元件的一部分。
17.一种在交流AC转换器总线故障期间操作根据权利要求1至8中任一项所述的电路装置的方法，所述方法包括：
确定通过所述第二分支的电流是否处于所述开关元件的电流中断容量之内；以及
基于确定通过所述第二分支的所述电流处于所述开关元件的所述电流中断容量之内而断开所述开关元件。
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