CN112154588A

CN112154588A - 监视高压直流输电

Info

Publication number: CN112154588A
Application number: CN201880093482.6A
Authority: CN
Inventors: M.B.卡拉凯; A.洛伦兹; E.斯塔希赫
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2038-05-18
Also published as: JP2021523672A; JP7036520B2; EP3776786B1; RU2749913C1; CN112154588B; EP3776786A1; WO2019219217A1; US11177662B2; US20210194247A1

Abstract

本发明涉及一种用于监视高压直流输电的方法。在该方法中，预先给定用于高压直流输电的电流强度(I₁，I₂)的电流强度阈值(LI)，预先给定用于时间间隔的至少一个间隔时长(T₁，T₂)，并且针对每个预先给定的间隔时长(T₁，T₂)预先给定变化阈值(L2，L3)，该变化阈值用于在间隔时长(T₁，T₂)的时间间隔内平均的、电流强度(I₁，I₂)的电流强度变化。针对高压直流输电的每个极(7，8)确定电流强度(I₁，I₂)，并且针对每个预先给定的间隔时长(T₁，T₂)确定在间隔时长(T₁，T₂)的时间间隔内平均的、电流强度(I₁，I₂)的电流强度变化。如果至少一个极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的绝对值大于电流强度阈值(LI)，或者对于间隔时长(Ti，T2)，至少一个极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的平均的电流强度变化的绝对值大于针对该间隔时长(Ti，T₂)预先给定的变化阈值(L2，L3)，则推断出直流故障。

Description

监视高压直流输电

技术领域

本发明涉及一种用于监视两个变流器站之间的高压直流输电的方法，以及一种设计用于执行该方法的用于高压直流输电的变流器站。

背景技术

交流电网之间的电能在远距离上通常以高的直流电压进行传输，因为相对于以交流电压的能量传输，以直流电压的能量传输在远距离上损失较少并且成本更低。这种类型的能量传输被称为经由高压直流输电路径(Hochspannungs-Gleichstrom-

路径)的高压直流输电(Hochspannungs-Gleichstrom-

)。

为了将高压直流输电路径与交流电网连接，在交流电网与高压直流输电路径的端部之间布置有变流器站，在变流器站中进行交流电网的交流电流以及交流电压与高压直流输电的直流电流以及直流电压之间的转换。在此，交流电网与高压直流输电路径之间的能量传输可以单极地、对称单极地或双极地进行。在对称单极的能量传输中以及在双极的能量传输中使用两个极，其中在一个极处存在相对于地电势的正的高压，而在另一个极处存在相对于地电势的负的高电压。在对称单极的能量传输中，两个极通过同一变流器站与交流电网连接，在双极的能量传输中，两个极通过不同的变流器站与交流电网连接。

高压直流输电会受到直流故障的影响。例如可能会发生接地故障，在接地故障中高压直流输电的极与地电势连接。此外，在对称单极的高压直流输电中会出现极间故障(Pol-zu-Pol Fehler)，在极间故障中两个极短路。在这两种情况下，如果变流器站以常规的半桥技术实施，则将高压直流输电的变流器站禁止并且与相应的交流电网分离。为了在这种故障情况下减轻变流器站和其他高压直流输电部件、尤其是输电线的负荷，需要快速识别这样的直流故障，以便能够避免或限制由直流故障引起的损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提出一种用于监视高压直流输电的方法和一种用于高压直流输电的变流器站，其尤其在识别直流故障方面得到了改进。

根据本发明，该上述技术问题通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求8的特征的变流器站来解决。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的内容。

在根据本发明的用于监视两个变流器站之间的高压直流输电的方法中，预先给定用于高压直流输电的电流强度的电流强度阈值，预先给定用于时间间隔的至少一个间隔时长，并且针对每个预先给定的间隔时长预先给定变化阈值，该变化阈值用于在间隔时长的时间间隔内平均的、高压直流输电的电流强度的电流强度变化。针对高压直流输电的每个极确定电流强度，并且针对每个预先给定的间隔时长确定在间隔时长的时间间隔内平均的、电流强度的电流强度变化。针对高压直流输电的每个极，将电流强度的绝对值与预先给定的电流强度阈值进行比较，并且针对每个预先给定的间隔时长，将平均的电流强度变化的绝对值与针对间隔时长预先给定的变化阈值进行比较。如果至少一个极的电流强度的绝对值大于电流强度阈值，或者对于间隔时长，至少一个极的电流强度的平均的电流强度变化的绝对值大于针对该间隔时长预先给定的变化阈值，则推断出直流故障。

在此，将极的电流强度理解为在与该极相关联的、高压直流输电的输电线中流动的直流电流的电流强度。相应地，在下文中将极的电流理解为在与该极相关联的、高压直流输电的输电线中流动的直流电流。

根据本发明的对高压直流输电的每个极的电流强度和电流强度变化的采集和评估有利地可以实现非常快速地识别直流故障，诸如接地故障或极间故障。由此可以非常快速地对直流故障作出反应，以便避免或减少由直流故障引起的损坏，并且减少由直流故障引起的高压直流输电的中断持续时间。特别地，可以无中断地提供无功功率以用于电网稳定，并且减少了由直流故障引起的、针对用于高压直流输电的部件、特别是针对高压直流输电的输电线的电压负荷，由此延长了部件的使用寿命。本发明可以实现例如在暂时的直流故障的情况下在小于800ms的中断持续时间之后重新开始有功功率传输。此外，通过减小电压负荷还可以减小用于高压直流输电的输电线的电绝缘的绝缘尺寸。

本发明的一种设计方案规定，在识别到直流故障的情况下，通过控制与极相关联的变流器站的变流器将每个极的电流调节为零。换言之，在识别到直流故障的情况下，针对高压直流输电的每个极，将与极相关联的变流器站的变流器的调节转变为将极的电流调节为零的电流调节。由此，有利地可以实现在直流故障情况下快速减少故障电流。

本发明的另外的设计方案规定，在对称单极的高压直流输电的情况下，在将极的电流调节为零之后，对由于直流故障而充电的极进行放电。本发明的这种设计方案考虑了，在对称单极的高压直流输电的情况下，对于一个极的接地故障的情况，另一个极会被充电，即，施加到该极的高压的绝对值增加，例如增加到了在无故障运行中两个极之间的电压差的值。因此，本发明尤其可以实现识别和处理对称单极的高压直流输电的不对称接地故障。例如，预先给定将极的电流调节为零的调节持续时间，并且由于直流故障而充电的极在调节持续时间结束之后进行放电。调节持续时间例如在100ms至500ms之间。根据本发明的、在将极的电流调节为零之后对充电的极进行放电，有利地减小了与充电的极连接的高压直流输电的部件的电压负荷。

本发明的另外的设计方案规定，针对时间间隔预先给定两个不同的间隔时长。例如，第一间隔时长在100μs与500μs之间，第二间隔时长在500μs与2ms之间。因此，本发明的这种设计方案规定了，分开地在两个不同的间隔时长的时间间隔内对针对每个极的电流强度变化取平均并进行评估。由此考虑了，直流故障可以在不同时间标度上引起电流强度变化。对在100μs与500μs之间的时间间隔内平均的电流强度变化的评估可以实现对电流强度的快速变化的识别，这通常在高压直流输电的直流故障的情况下出现。对在500μs与2ms之间的时间间隔内平均的电流强度变化的评估可以实现对电流强度的较慢变化的识别，这通常在高压直流输电的直流故障的情况下出现、尤其是在带有电流强度的符号变换的变化的情况下出现。

根据本发明的用于高压直流输电的变流器站包括测量装置和控制单元，测量装置被设计为，用于针对高压直流输电的每个极重复采集电流强度和电流强度的电流强度变化，控制单元被设计为，用于针对每个极将电流强度的绝对值与预先给定的电流强度阈值进行比较，并且针对至少一个预先给定的间隔时长，根据极的电流强度的电流强度变化形成在间隔时长的时间间隔内平均的电流强度变化，并且将平均的电流强度变化的绝对值与针对间隔时长预先给定的变化阈值进行比较，并且如果至少一个极的电流强度的绝对值大于电流强度阈值，或者针对间隔时长，至少一个极的电流强度的平均的电流强度变化的绝对值大于针对该间隔时长预先给定的变化阈值，则推断出直流故障。

根据本发明的变流器站的一种设计方案规定，变流器站的每个变流器被设计为用于建立反向电压，该反向电压抵消了对与该变流器相关联的极的充电。例如，将变流器设计为全桥变流器，或者变流器具有足够数量的设计为全桥的变流器模块。在这种情况下，控制单元特别是被设计为，在识别到直流故障的情况下，通过控制与极相关联的变流器站的变流器将每个极的电流调节为零。

根据本发明的变流器站的另外的设计方案规定，在对称单极的高压直流输电的情况下，控制单元被设计为，在将极的电流调节为零之后使由于直流故障而充电的极放电。在此可以规定，控制单元被设计为，在预先给定的调节持续时间期间将极的电流调节为零，并且在调节持续时间结束之后使由于直流故障而充电的极放电。

此外，变流器站的每个变流器例如被设计为自换向变流器(VSC＝Voltage SourceConverter，电压源换流器)和/或被设计为模块化的多电平变流器。

根据本发明的变流器站可以实现对根据本发明的方法的执行。因此，根据本发明的变流器站的优点相应于上面提到的根据本发明的方法的优点，并且在此不再单独列举。

附图说明

结合下面对结合附图详细阐述的实施例的描述更清楚且明晰地理解上面描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式。在此附图中：

图1示意性示出了两个交流电网之间的高压直流输电的两个变流器站和高压直流输电路径；

图2示出了用于监视高压直流输电的方法的流程图；

图3示出了用于评估高压直流输电的极的电流强度和电流强度变化的框图；

图4示出了在直流故障的情况下高压直流输电在第一变流器站的位置处的电流强度的走向和第一变流器站的触发信号的走向；

图5示出了在直流故障的情况下高压直流输电在第二变流器站的位置处的电流强度的走向和第二变流器站的触发信号的走向。

在附图中，彼此相应的部分具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性地示出了高压直流输电的两个变流器站1、2，它们在直流侧经由高压直流输电路径3相互连接。第一变流器站1在交流侧与第一交流电网5连接。第二变流器站2在交流侧与第二交流电网6连接。

高压直流输电以第一极7和第二极8对称单极地设计。高压直流输电路径3针对第一极7具有第一输电线9并且针对第二极8具有第二输电线10。

每个变流器站1、2具有变流器单元11、测量装置13和控制单元15。

每个变流器单元11针对每个极7、8都具有自换向变流器，依据能量传输方向，该变流器可以用作整流器，用于将相应的交流电网5、6的交流电流和交流电压转换成高压直流输电的直流电流和直流电压，或者该变流器可以用作逆变器，用于将高压直流输电的直流电流和直流电压转换为相应的交流电网5、6的交流电流和交流电压，并且例如可以将该变流器设计为模块化的多电平变流器。

每个变流器站1、2的测量装置13被设计为，用于在相应的变流器站1、2的位置处，针对高压直流输电的第一极7采集第一电流强度I₁和第一电流强度I₁的第一电流强度变化

并且针对高压直流输电的第二极8采集第二电流强度I₂和第二电流强度I₂的第二电流强度变化

每个控制单元15被设计为，用于执行根据图2描述的方法的方法步骤S3至S6。

图2示出了根据本发明的、具有方法步骤S1至S6的、用于监视两个变流器站1、2之间的高压直流输电的方法的实施例的流程图。每个变流器站1、2独立于另外的变流器站1、2地执行该方法，也就是说，下面描述的方法步骤S1至S6分别涉及变流器站1、2以及其变流器单元11、测量装置13和控制单元15。

在第一方法步骤S1中，预先给定用于极7、8的电流强度I₁、I₂的电流强度阈值L1、预先给定用于时间间隔的两个不同的间隔时长T₁、T₂，并且针对每个预先给定的间隔时长T₁、T₂预先给定变化阈值L2、L3，变化阈值用于在间隔时长T₂、T₂的时间间隔内平均的、每个电流强度I₁、I₂的电流强度变化。例如，第一间隔时长T₁在100μs与500μs之间，并且第二间隔时长T₂在500μs与2ms之间。

在第二方法步骤S2中，测量装置13针对高压直流输电的每个极7、8采集电流强度I₁、I₂和电流强度I₁、I₂的电流强度变化

在第三方法步骤S3中，控制单元15针对每个预先给定的间隔时长T₁、T₂，根据在第二方法步骤S2中由测量装置13采集的、每个极7、8的电流强度I₁、I₂的电流强度变化

形成在间隔时长T₁、T₂的时间间隔内平均的电流强度变化。

在第四方法步骤S4中，控制单元15针对每个极7、8将在第二方法步骤S2中由测量装置13采集的电流强度I₁、I₂的绝对值与在第一方法步骤S1中预先给定的电流强度阈值L1进行比较。此外，在第四方法步骤S4中，控制单元15针对每个极7、8以及针对每个预先给定的间隔时长T₁、T₂，将在第三方法步骤S3中形成的平均的电流强度变化的绝对值与在第一方法步骤S1中针对间隔时长T₁、T₂预先给定的变化阈值L2、L3进行比较。如果至少一个极7、8的电流强度I₁、I₂的绝对值大于电流强度阈值L1，或者针对间隔时长T₁、T₂，至少一个极7、8的电流强度I₁、I₂的平均的电流强度变化的绝对值大于针对间隔时长T₁、T₂预先给定的变化阈值L2、L3，则推断出直流故障，并且该方法继续进行第五方法步骤S5。否则，该方法以第二方法步骤S2继续进行。

图3示意性示出了用于针对第一极7执行方法步骤S3和S4的框图。将在第二方法步骤S2中采集的第一电流强度I₁馈送到绝对值形成器20，绝对值形成器20形成了第一电流强度I₁的绝对值。比较器22将第一电流强度I₁的绝对值与电流强度阈值L1进行比较。如果第一电流强度I₁的绝对值大于电流强度阈值L1，则比较器22将“1”作为输出信号输出到第一“或”元件24，否则比较器22将“0”作为输出信号输出到第一“或”元件24。

将在第二方法步骤S2中采集的第一电流强度变化

分别馈送到第一评估器26和第二评估器28。第一评估器26在第一间隔时长T₁的时间间隔内对第一电流强度变化

取平均，并且将平均的第一电流强度变化的绝对值与第一变化阈值L2进行比较。如果平均的第一电流变化的绝对值大于第一变化阈值L2，则第一评估器26将“1”作为输出信号输出到第二“或”元件30，否则第一评估器26将“0”作为输出信号输出到第二“或”元件30。

相应地，第二评估器28在第二间隔时长T₂的时间间隔内对第一电流强度变化

取平均，并且将平均的第一电流强度变化的绝对值与第二变化阈值L3进行比较。如果平均的第一电流变化的绝对值大于第二变化阈值L3，则第二评估器28将“1”作为输出信号输出到第二“或”元件30，否则第二评估器28将“0”作为输出信号输出到第二“或”元件30。

将第二“或”元件30的输出信号馈送到第一“或”元件24。因此，如果第一电流强度I₁的绝对值大于电流强度阈值L1，或者在第一间隔时长T₁的时间间隔内平均的第一电流强度变化的绝对值大于第一变化阈值L2，或在第二间隔时长T₂的时间间隔内平均的第一电流强度变化的绝对值大于第二变化阈值L3，则第一“或”元件24输出“1”作为触发信号S。否则，第一“或”元件24输出“0”作为触发信号S。

绝对值形成器20、比较器22、“或”元件24、30和评估器26、28可以被实施为控制单元15的硬件部件或者实施为由控制单元15执行的软件的程序步骤。

在第五方法步骤S5中，通过控制与极7、8相关联的变流器站1、2的变流器，控制单元15将每个极7、8的电流调节为零。当控制单元15的触发信号S取值为“1”时，触发该调节。

图4和图5示例性示出了在第一极7接地故障的情况下在变流器站1、2的位置处的第一电流强度I₁的走向和变流器站1、2的触发信号S的走向。在此已经假定，第一变流器站1的变流器单元11的变流器作为整流器运行，第二变流器站2的变流器单元11的变流器作为逆变器运行，并且在第二变流器站2附近发生接地故障。

图4示出了在第一变流器站1的位置处的第一电流强度I₁的走向和第一变流器站1的触发信号S的走向。接地故障导致从第一时间点t₁开始在第一变流器站1的位置处的第一电流强度I₁上升。第一变流器站1采集该上升并且根据方法步骤S2至S5对此作出反应。第一变流器站1根据第五方法步骤S5将第一电流强度I₁调节为零在第二时间点t₂开始，在第二时间点t₂，第一变流器站1的触发信号S取值为“1”。在第一时间点t₁与第二时间点t₂之间，存在例如500μs的反应时间。在第二时间点t₂之后，第一电流强度I₁通过调节首先下降，其中第一电流强度改变其符号，然后再次慢慢上升并接近值零。

图5示出了在第二变流器站2的位置处的第一电流强度I₁的走向和第二变流器站2的触发信号S的走向。接地故障导致在第二变流器站2的位置处从第三时间点t₃开始第一电流强度I₁下降，第三时间点t₃位于第一时间点t₁之前，因为接地故障发生在第二变流器站2附近，因此相比于第一变流器站1的位置，接地故障会更早地影响第二变流器站的位置。相应地，第二变流器站2在第四时间点t4对接地故障作出反应，第四时间点t₄位于第二时间点t2之前并且位于第三时间点t₃之后例如500μs。

如果极1、2中的一个由于直流故障而已被充电，则控制单元15在第六方法步骤S6中使已充电的极1、2放电。为此，例如在第五方法步骤S5中预先给定用于调节极7、8的电流的调节持续时间，并且在调节持续时间结束之后执行第六方法步骤S6。调节持续时间例如位于100ms至500ms之间。

虽然在细节上通过优选的实施例对本发明进行了详细的阐述和描述，但是本发明不限于所公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。

附图标记列表

1，2 变流器站

3 高压直流输电路径

5、6 交流电网

7，8 极

9，10 输电线

11 变流器单元

13 测量装置

15 控制单元

20 绝对值形成器

22 比较器

24，30 “或”元件

26，28 评估器

I₁，I₂ 电流强度

电流强度变化

L1 电流强度阈值

L2，L3 变化阈值

S 触发信号

S1至S6 方法步骤

t 时间

t₁至t₄ 时间点

T₁，T₂ 间隔时长

Claims

1.一种用于监视两个变流器站(1，2)之间的高压直流输电的方法，其中，

-预先给定用于高压直流输电的电流强度(I₁，I₂)的电流强度阈值(L1)，

-预先给定用于时间间隔的至少一个间隔时长(T₁，T₂)，并且针对每个预先给定的间隔时长(T₁，T₂)预先给定变化阈值(L2，L3)，所述变化阈值用于在所述间隔时长(T₁，T₂)的时间间隔内平均的、高压直流输电的电流强度(I₁，I₂)的电流强度变化，

-针对高压直流输电的每个极(7，8)确定电流强度(I₁，I₂)，并且针对每个预先给定的间隔时长(T₁，T₂)确定在所述间隔时长(T₁，T₂)的时间间隔内平均的、电流强度(I₁，I₂)的电流强度变化，

-针对高压直流输电的每个极(7，8)，将所述电流强度(I₁，I₂)的绝对值与预先给定的电流强度阈值(L1)进行比较，并且针对每个预先给定的间隔时长(T₁，T₂)，将所述平均的电流强度变化的绝对值与针对所述间隔时长(T₁，T₂)预先给定的变化阈值(L2，L3)进行比较，并且

-如果至少一个极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的绝对值大于所述电流强度阈值(L1)，或者对于间隔时长(T₁，T₂)，至少一个极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的平均的电流强度变化的绝对值大于针对所述间隔时长(T₁，T₂)预先给定的变化阈值(L2，L3)，则推断出直流故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在识别到直流故障的情况下，通过控制与极(7，8)相关联的变流器站(1，2)的变流器，将每个极(7，8)的电流调节为零。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在对称单极的高压直流输电的情况下，在将极(7，8)的电流调节为零之后，由于直流故障而充电的极(7，8)进行放电。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，预先给定将极(7，8)的电流调节为零的调节持续时间，并且由于直流故障而充电的极(7，8)在所述调节持续时间结束之后进行放电。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述调节持续时间在100ms至500ms之间。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对时间间隔预先给定两个不同的间隔时长(T₁，T₂)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，第一间隔时长(T₁)在100μs与500μs之间，第二间隔时长(T₂)在500μs与2ms之间。

8.一种用于高压直流输电的变流器站(1，2)，所述变流器站(1，2)包括

-测量装置(13)，所述测量装置被设计为，用于针对高压直流输电的每个极(7，8)重复采集电流强度(I₁，I₂)和电流强度(I₁，I₂)的电流强度变化

和

-控制单元(15)，所述控制单元被设计为，用于针对每个极(7，8)将所述电流强度(I₁，I₂)的绝对值与预先给定的电流强度阈值(L1)进行比较，并且针对至少一个预先给定的间隔时长(T₁，T₂)，根据极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的电流强度变化

形成在所述间隔时长(T₁，T₂)的时间间隔内平均的电流强度变化，并且将所述平均的电流强度变化的绝对值与针对所述间隔时长(T₁，T₂)预先给定的变化阈值(L2，L3)进行比较，并且如果至少一个极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的绝对值大于所述电流强度阈值(L1)，或者针对间隔时长(T₁，T₂)，至少一个极(7，8)的电流强度(I₁，I₂)的平均的电流强度变化的绝对值大于针对所述间隔时长(T₁，T₂)预先给定的变化阈值(L2，L3)，则推断出直流故障。

9.根据权利要求8所述的变流器站(1，2)，其中，所述变流器站(1，2)的每个变流器被设计为用于建立反向电压，所述反向电压抵消了对与变流器相关联的极的充电。

10.根据权利要求9所述的变流器站(1，2)，其中，所述控制单元(15)被设计为，在识别到直流故障的情况下，通过控制与极(7，8)相关联的变流器站(1，2)的变流器将每个极(7，8)的电流调节为零。

11.根据权利要求10所述的变流器站(1，2)，其中，在对称单极的高压直流输电的情况下，所述控制单元(15)被设计为，在将极(7，8)的电流调节为零之后，使由于直流故障而充电的极(7，8)放电。

12.根据权利要求11所述的变流器站(1，2)，其中，所述控制单元(15)被设计为，在预先给定的调节持续时间期间，将极(7，8)的电流调节为零，并且在所述调节持续时间结束之后，使由于直流故障而充电的极(7，8)放电。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的变流器站(1，2)，其中，所述变流器站(1，2)的每个变流器被设计为自换向变流器。

14.根据权利要求8至13中任一项所述的变流器站(1，2)，其中，所述变流器站(1，2)的每个变流器被设计为模块化的多电平变流器。