TWI673947B - 混合高壓直流轉換器系統 - Google Patents

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TWI673947B
TWI673947B TW104106834A TW104106834A TWI673947B TW I673947 B TWI673947 B TW I673947B TW 104106834 A TW104106834 A TW 104106834A TW 104106834 A TW104106834 A TW 104106834A TW I673947 B TWI673947 B TW I673947B
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倫真 古普塔
路易斯 加賽斯
拉維瑟哈 雷如
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美商通用電機股份有限公司
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Abstract

一種混合高壓直流(HVDC)轉換器系統包含：至少一交流(AC)導管(314，324)；至少一變壓器(312)，耦合至該至少一AC導管；以及，至少一直流(DC)導管(326)。混合高壓直流(HVDC)轉換器系統也包含至少一電容器換向轉換器(CCC)(310，410)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓和DC電流。至少一CCC經由至少一變壓器而耦合至該至少一AC導管。混合高壓直流(HVDC)轉換器系統又包含至少一自行換向轉換器(SCC)(322，454)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成經過調節的DC電壓及DC電流。至少一SCC包含至少一AC/DC級(456)以及耦合至該至少一AC/DC級之至少一DC/DC級(458)。

Description

混合高壓直流轉換器系統
本發明之技術領域係關於高壓直流(HVDC)傳輸系統，特別關於混合HVDC轉換器系統。
至少某些習知的電力產生設備實體上設於遠方地理區或是實體上難以接取的區域中。一實例包含發電設備在地理上設於歧嶇不平及/或偏遠地區，舉例而言，遠離客戶的山地、以及離岸，例如離岸風力發電機。更具體而言，這些風力發電機在共同的地理區中是實體上築在一起以形成風力發電機場以及電耦合至共同交流(AC)集電系統。很多這些習知的風力發電場包含電耦合至AC集電器系統之分開的電力轉換組件、或是系統。這些習知分開的電力轉換組件包含將發電設備產生的AC轉換成直流(DC)之整流器部份、以及將DC轉換成具有預定頻率和電壓振幅的AC之換流器。分開的電力轉換組件之整流器部份位於相關的發電設備近處，以及，分開的全電力轉換組件之換流器部份位於遠端設備處，例如陸地式設備。這 些整流器及換流器部份典型上經由至少部份地界定HVDC傳輸系統之水下高壓直流(HVDC)電纜而電連接。
很多習知的電力轉換器系統包含例如線換向轉換器(LCC)，LCC式轉換器典型上使用閘流器以經由引燃角控制而「截切」三相AC電壓，以產生可變的DC輸出電壓。而且，使用此HVDC傳輸系統的「黑啟動(black start)」是不可能的。此外，此習知的閘流體式整流器/換流器要求從AC柵至閘流體的顯著無效功率，某些無效功率要求代表轉換器的額定功率之約50%至60%。此外，閘流體式轉換器便於顯著產生流入AC柵的諧波電流，例如第11及第13諧波，這些諧波電流典型地約用於各第11及第13諧波之目前的電流負載的10%。因此，為了補償諧波電流及無效功率，大的AC濾波器安裝於相關的AC開關場。在某些習知的開關場中，AC濾波器部份的大小至少是相關的閘流體式轉換器部份的大小的3倍大。由於所需的土地及安裝的大設備之成本及尺寸，所以，此開關場的AC濾波器部份是資本密集的。此外，在更換構件及預防性和修正維修活動上的顯著投資會增加作業成本。
此外，大部份習知的LCC式HVDC轉換器未配置成以超過800仟伏特(kV)電壓來傳輸HVDC電力。隨著傳輸電壓增加，電力傳輸的效率也傾向於增加。
在一態樣中，提供混合高壓直流(HVDC)轉換器系 統。混合HVDC轉換器系統包含至少一交流(AC)導管、耦合至該至少一AC導管之至少一變壓器、以及至少一直流(DC)導管。混合HVDC轉換器系統也包含至少一電容器換向轉換器(CCC)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓和DC電流。至少一CCC經由至少一變壓器而耦合至至少一AC導管。混合HVDC轉換器系統又包含至少一自行換向轉換器(SCC)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成經過調節的DC電壓及DC電流。至少一SCC包含至少一AC/DC級以及耦合至至少一AC/DC級之至少一DC/DC級。
在另外的態樣中，提供混合高壓直流(HVDC)轉換器系統。系統包含至少一交流(AC)導管、耦合至該至少一AC導管之至少一變壓器、以及至少一直流(DC)導管。系統也包含至少一電容器換向轉換器(CCC)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓和DC電流。至少一CCC經由至少一變壓器而耦合至至少一AC導管。系統又包含至少一自行換向轉換器(SCC)，配置成將AC電壓及電流轉換成經過調節的DC電壓及DC電流。至少一SCC包含至少一AC/DC級，至少一AC/DC級包含眾多AC端子、眾多DC端子、及耦合至眾多AC端子和耦合至眾多DC端子之眾多切換電力極。至少一SCC也包含經由眾多DC端子而耦合至至少一AC/DC級之至少一DC/DC級。
在另一態樣中，提供混合高壓直流(HVDC)轉換器 系統。系統包含至少一交流(AC)導管、耦合至該至少一AC導管之至少一變壓器、以及至少一直流(DC)導管。系統也包含至少一電容器換向轉換器(CCC)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓和DC電流。至少一CCC經由至少一變壓器而耦合至至少一AC導管。系統又包含至少一自行換向轉換器(SCC)，配置成將AC電壓及電流轉換成經過調節的DC電壓及DC電流。至少一SCC包含至少一AC/DC級，至少一AC/DC級包含眾多AC端子、眾多DC端子、及耦合至眾多AC端子之眾多切換電力極。
105‧‧‧計算裝置
110‧‧‧記憶體裝置
115‧‧‧處理器
120‧‧‧顯示介面
125‧‧‧使用者
130‧‧‧使用者輸入介面
135‧‧‧通訊介面
200‧‧‧監控及資料擷取系統
215‧‧‧中央處理單元
220‧‧‧其它裝置
225‧‧‧通訊網路
230‧‧‧第一操作者
235‧‧‧第二操作者
240‧‧‧監視感測器
245‧‧‧輸入通道
300‧‧‧混合高壓直流傳輸系統
302‧‧‧交流電源
304‧‧‧AC電力傳輸及配電柵
305‧‧‧AC導管
306‧‧‧分開的電力轉換系統
307‧‧‧AC濾波系統
308‧‧‧第一轉換器系統
310‧‧‧電容器換向轉換器
312‧‧‧變壓器
314‧‧‧AC導管
316‧‧‧主繞組
318‧‧‧次級繞組
320‧‧‧三級繞組
VAC-1‧‧‧AC導管314的電壓
322‧‧‧自行換向轉換器
324‧‧‧AC導管
VAC-2‧‧‧AC導管324的電壓
326‧‧‧DC導管
328‧‧‧電容器換向轉換器旁通開關
330‧‧‧自行換向轉換器旁通開關
332‧‧‧DC旁通導管
334‧‧‧第二轉換器系統
336‧‧‧AC導管
VAC-3‧‧‧AC導管336的電壓
338‧‧‧HVDC傳輸導管
340‧‧‧HVDC傳輸導管
IDC‧‧‧直流電流
VDC‧‧‧直流電壓
400‧‧‧混合高壓直流轉換器系統
410‧‧‧電容器換向轉換器
450‧‧‧固定電容器
452‧‧‧閘流體
VDC-CCC‧‧‧電容器換向轉換器DC電壓
454‧‧‧自行換向轉換器
456‧‧‧AC/DC級
458‧‧‧DC/DC級
460‧‧‧AC端子
462‧‧‧DC端子
464‧‧‧分支導管
466‧‧‧一組電容次模組
468‧‧‧DC端子
470‧‧‧快速作動半導體開關
472‧‧‧DC端子
VDC-SCC‧‧‧自行換向轉換器DC電壓
VDC-Int‧‧‧中間DC電壓
474‧‧‧電容次模組端子集
476‧‧‧電容次模組端子集
478‧‧‧電容次模組
500‧‧‧電容次模組
502‧‧‧半導體切換裝置
504‧‧‧半導體切換裝置
506‧‧‧電容器(能量儲存元件)
510‧‧‧電容次模組
512‧‧‧半導體切換裝置
514‧‧‧半導體切換裝置
516‧‧‧半導體切換裝置
518‧‧‧半導體切換裝置
520‧‧‧電容器(能量儲存元件)
530‧‧‧電容次模組
532‧‧‧半導體切換裝置
534‧‧‧半導體切換裝置
536‧‧‧電容器(能量儲存元件)(電容區段)
538‧‧‧電容器(能量儲存元件)(電容區段)
544‧‧‧故障模組
546‧‧‧半導體切換裝置
548‧‧‧二極體
550‧‧‧電容次模組
560‧‧‧電容次模組
562‧‧‧半導體切換裝置
564‧‧‧半導體切換裝置
566‧‧‧電容器(能量儲存元件)(電容區段)
568‧‧‧電容器(能量儲存元件)(電容區段)
600‧‧‧混合高壓直流轉換器系統
654‧‧‧自行換向轉換器
656‧‧‧AC/DC級
660‧‧‧AC端子
664‧‧‧分支導管
680‧‧‧切換電力極
682‧‧‧切換裝置
684‧‧‧耦合端子
686‧‧‧浮動端子
688‧‧‧DC斷接開關
700‧‧‧高壓直流轉換器系統
754‧‧‧自行換向轉換器
800‧‧‧黑啟動配置
802‧‧‧黑啟動流程路徑
當參考附圖而閱讀詳細說明時，將更佳地瞭解本發明的這些及其它特點、態樣、及優點，其中，在圖式中，類似的代號代表類似的構件，其中：圖1是舉例說明的計算裝置之方塊圖；圖2是包含圖1中所示的計算裝置之舉例說明的監控系統之一部份的方塊圖；圖3是舉例說明的高壓直流(HVDC)傳輸系統之視圖；圖4是與圖3中所示的HVDC傳輸系統一起使用之舉例說明的高壓直流(HVDC)轉換器系統之視圖；圖5是與圖4中所示的HVDC轉換器系統一起使用之眾多電容次模組，亦即舉例說明的一組電容次模組之視 圖。
圖6是與圖5中所示的一組電容次模組一起使用之舉例說明的電容次模組之視圖。
圖7是與圖5中所示的一組電容次模組一起使用之替代的電容次模組之視圖。
圖8是與圖5中所示的一組電容次模組一起使用之另一替代的電容次模組之視圖。
圖9是圖8中所示的眾多電容次模組之視圖。
圖10是與圖3中所示的HVDC傳輸系統一起使用之替代的高壓直流(HVDC)轉換器系統之視圖；圖11是與圖3中所示的HVDC傳輸系統一起使用之另一替代的高壓直流(HVDC)轉換器系統之視圖；以及圖12是與圖3中所示的HVDC轉換器系統一起使用之舉例說明的黑啟動配置之視圖。
除非另外指明，否則此處提供的圖式是顯示本發明關鍵的發明特點。這些關鍵的發明特點據信是可應用於廣泛的系統中，包括本發明的一或更多實施例。如此，圖式無意包含實施本發明所需之習於此技藝的一般技術者所知的所有習知特點。
在下述說明書及申請專利範圍中，將參考被定義為具有下述意義的一些術語。
除非另外表明，否則單數形式的「一(a及an)」及 「定冠詞(the)」包含複數之意。
「選加的」或「選加地」意指後續說明的事件或情形會或不會發生，以及，說明係包含事件發生之情形以及其未發生之情形。
如同此處在說明書及申請專利範圍中所使用般，可以應用近似的語言以修改任何可容許變化之定量表示，而不會對其相關的基本功能造成改變。因此，由例如「約」及「實質上」等詞語所修改的值並非侷限於指定的精準值。在至少某些情形中，近似語言對應於測量值之儀器精度。此處及說明書和申請專利範圍中，除非內文或語言另外表明，否則，範圍限定可以相結合及/或互換，這些範圍可被辨識且包含含於其中的所有子範圍。
此處所使用之「黑啟動」一詞意指從發電設施外部的來源，提供電力給地理上隔離的至少一發電設備。黑啟動條件被視為存在於當發電設施中沒有發電機服務且在地理上隔離的發電設備中沒有其它電力源以便於重新啟動其中之至少一發電機時。
此處所述之用於電力的HVDC傳輸的HVDC轉換器系統提供成本有效的方法，用於傳輸超過800仟伏特(kV)之HVDC電力。此處所述的實施例使用電容器換向轉換器(CCC)而不是線換向轉換器(LCC)以將AC電力轉換成HVDC電力。除了CCC之外，此處所述的實施例使用經由變壓器與CCC耦合而至AC側之自行換向轉換器(SCC)，以及，SCC與CCC在DC側上串聯。此處 所述的SCC包含AC至DC轉換級(AC/DC級)，AC至DC轉換級包含具有可變能量儲存特點之電容次模組，以便於調節(亦即整形)AC電壓、AC電流、中間DC電壓、及中間DC電流波形。而且，此處所述的實施例使用眾多切換裝置，以進一步調整AC及DC波形。眾多切換裝置會調節電容次模組的充電，以致於在預定的電流參數內調節相關流入的電流，藉以降低相關電路及電容次模組的組件上感應的電壓應力，以致於不需要使用額外的預充電電路。在此處所述的至少一實施例中，DC對DC轉換級(DC/DC級)耦合至AC/DC級，以致於DC/DC級中的眾多快速作動開關會如上所述地調節操作。在此處所述的至少一其它實施例中，在AC/DC級中具有低切換頻率(亦即，高達每一AC循環6-12切換操作)之眾多開關會與DC/DC級中的開關協力而如上所述地調節操作。在此處所述之至少一另外的實施例中，在AC/DC級中具有低切換頻率的眾多開關(亦即，高達每一AC循環6-12切換操作)會如上所述地調節操作，而無DC/DC級。此外，此處所述的架構會降低無效功率消耗及諧波產生，以致於降低對大AC濾波器的需求，甚至免除，因而降低開關場的AC濾波器部份之安裝、操作、維護之成本，開關場因為需要土地及安裝大設備的成本和尺寸，因而是資本密集的。此外，降低會增加作業成本之更換構件及預防性和修正維修活動上的顯著投資。
圖1是舉例說明的計算裝置105之方塊圖，計算裝置 105可用以執行高壓直流(HVDC)傳輸系統之監控，更具體而言，電力轉換系統(未顯示於圖1中)之監控。更具體而言，計算裝置105監視及/或控制任一件設備、任何系統、及任何與電力轉換系統及HVDC傳輸系統相關的處理，而不限於例如雙向電力轉換器、機械式隔離裝置、及監視裝置(未顯示於圖1中)。計算裝置105包含記憶體裝置110及處理器115，處理器115操作上耦合至記憶體裝置110，用於執行指令。在某些實施例中，可執行的指令儲存於記憶體裝置110中。計算裝置105可配置成由程式化處理器115執行一或更多此處所述操作。舉例而言，藉由將操作編碼成一或更多可執行的指令及在記憶體裝置110中提供可執行的指令可程式化處理器115。在舉例說明的實施例中，記憶體裝置110是能夠儲存及取出例如可執行的指令及/或其它資料等資訊之一或更多裝置。記憶體裝置110包含一或更多電腦可讀取的媒體。
記憶體裝置110可以配置成儲存操作測量，包含但不限於即時及歷史儲存電壓和電流值、及/或其它任何型式的資料。而且，記憶體裝置110包含但不限於充份資料、演繹法、及命令，以便於HVDC傳輸系統內的組件及相關的電力轉換系統之監視及控制。
在某些實施例中，計算裝置105包含耦合至處理器115之顯示介面120。顯示介面120呈現例如使用者介面及/或警報等資訊給使用者125。在某些實施例中，顯示介面120包含一或更多顯示裝置。在某些實施例中，藉由使 用例如人機介面(HMI)(未顯示於圖1中)，顯示介面120呈現與被監視的HVDC傳輸系統及相關電力轉換系統有關的警報。而且，在某些實施例中，計算裝置105包含使用者輸入介面130。在舉例說明的實施例中，使用者輸入介面130耦合至處理器115及從使用者125接收輸入。
通訊介面135耦合至處理器115且配置成與例如感測器或另一計算裝置105等一或更多其它裝置通訊地耦合，以及執行與這些裝置有關的輸入和輸出操作，並執行成輸入通道。通訊介面135可以對一或更多遠端裝置接收及/或傳送資料。舉例而言，一計算裝置105的通訊介面135會將警報傳送給另一計算裝置105的通訊介面135。
圖2是監控系統的操作之方塊圖，監控系統可用以監控至少部份相關的HVDC傳輸系統300及相關的HVDC轉換器系統(未顯示於圖2中)，亦即，在舉例說明的實施例中，為監控及資料擷取(SCADA)系統200。如同此處所使用般，「SCADA系統」一詞意指可在多個場所、遠端場所、及長距離處監控HVDC傳輸系統300之任何監控系統。在某些實施例中，SCADA系統200可以是較大電力管理系統(EMS)的一部份。在舉例說明的實施例中，SCADA系統200包含至少一中央處理單元(CPU)215，配置成執行監督演繹法及監督邏輯。CPU 215可以經由通訊網路225而耦合至其它裝置220。
參考圖1及2，CPU 215是計算裝置105。在舉例說明的實施例中，計算裝置105經由通訊介面135而耦合至 網路225。在替代實施例中，CPU 215與其它裝置220相整合。
CPU 215經由例如但不限於使用者輸入介面130及/或顯示介面120而與第一操作者230互動。在一實施例中，CPU 215呈現例如警報等關於電力轉換系統300的資訊給操作者230。其它裝置220經由例如但不限於使用者輸入介面130及/或顯示介面120而與第二操作者235互動。舉例而言，其它裝置220呈現警報及/或其它操作資訊給第二操作者235。如此處所使用般，「操作者」一詞包含與操作及維護電力轉換系統300相關的任何職位之任何人，包含但不限於輪班作業員、維修技工、及設施管理人。
在舉例說明的實施例中，HVDC傳輸系統300包含一或更多經由至少一輸入通道245而耦合至CPU 215之監視感測器240。監視感測器240收集操作測量，包含但不限於在HVDC傳輸系統300內產生及經由其傳輸之AC和DC電壓及電流。監視感測器240重複地(例如週期地、連續地、及/或依請求)傳送測量時之操作測量讀數。CPU 215接收及處理操作測量讀數。此資料傳送經過網路225及由任何能夠接取網路225的裝置接取，所述裝置包含但不限於桌上型電腦、膝上型電腦、及個人數位助理(PDA)(都未顯示)。在替代實施例中，CPU 215包含但不限於充份資料、演繹法、及命令以便於控制經由HVDC傳輸系統300之DC電流傳輸。
圖3是舉例說明的高壓直流(HVDC)傳輸系統300之視圖。HVDC傳輸系統300將交流(AC)電源302耦合至AC電力傳輸及配電柵304。替代實施例包含可互換的源302和柵304。關於此處所述的實施例，為了清楚起見，三相AC系統僅顯示有一導管。HVDC傳輸系統300包含分別的電力轉換配置306。AC電源302經由包含AC濾波系統307之至少一AC導管305而耦合至分別的電力轉換配置306。分別的電力轉換配置306包含第一轉換器系統308，第一轉換器系統308包含電容器換向轉換器(CCC)310。CCC 310經由變壓器312及眾多AC導管314而耦合至AC電源302。在舉例說明的實施例中，變壓器312包含主繞組316、電耦合至主繞組316之次級繞組318、以及電耦合至主繞組316之三級繞組320。替代地，使用使第一轉換器系統308能夠操作變壓器312的任何配置，所述配置包含但不限於多個變壓器。經由次級繞組318，將導管314激勵至VAC-1的電壓。
第一轉換器系統308又包含經由眾多AC導管324及三級繞組320而與CCC 310並聯耦合之自行換向轉換器(SCC)322。將導管324激勵至VAC-2的電壓。SCC 322及CCC 310經由眾多DC導管326而串聯耦合。第一轉換器系統308也包含CCC旁通開關328、SCC旁通開關330、及眾多DC旁通導管332。開關328和330以及導管332至少部份地界定黑啟動路徑(於下進一步說明)。在舉例說明的實施例中，開關裝置328和330通常是斷開的 且經由手動地或局部地操作而分別閉合以繞過CCC 310及SCC 322。替代地，開關裝置328及330可以遠端地操作。
分別的電力轉換配置306也包含經由眾多AC導管336而耦合至AC電力傳輸及配電柵304之第二轉換器系統334。導管336被激勵至VAC-3的電壓。第二轉換器系統334也經由眾多HVDC傳輸導管338和340而耦合至第一轉換器系統308。在舉例說明的實施例中，HVDC傳輸系統300包含單極配置，以及，導管338維持在正電位而導管340維持在實質中性、或接地電位。替代地，HVDC傳輸系統300具有雙極配置，亦即，導管338由正極性激勵以及導管340由負極性激勵。在舉例說明的實施例中，第一轉換器系統308及第二轉換器系統334是實質上相同的。替代地，第一轉換器系統308及第二轉換器系統334不同。
在操作上，第一轉換器系統308從AC電源302接收三相、正弦、交流(AC)電力以及將三相、正弦、交流(AC)電力整流成在預定電壓VDC時具有電流IDC的DC電流，其會被傳送經過導管338和340。第二轉換器系統334接收IDC及將DC功率轉換成三相、正弦、具有預定電壓、電流、及頻率的交流(AC)電力。SCC 322及CCC 310的結合會在建立的參數之內調節第一轉換器系統308的DC側上的DC電壓(VDC)。
圖4是可以作為第一轉換器系統308與HVDC傳輸系 統300(圖3中所示)一起使用之舉例說明的高壓直流(HVDC)轉換器系統400之視圖。在舉例說明的實施例中，HVDC轉換器系統400包含至少一外部的、亦即電容器換向轉換器(CCC)410(圖4中顯示二個)作為CCC 310(圖3中所示)。CCC 410包含眾多固定電容器450，耦合至眾多半導體電力裝置，例如且無例外地為閘流體452。各CCC 410將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓，亦即，VDC-CCC及DC電流。固定電容器450便於閘流體452的換向。
HVDC轉換器系統400也包含至少一自行換向轉換器(SCC)454(圖4中僅顯示一個)作為SCC 322(顯示於圖3中)。SCC 454是雙向的。在舉例說明的實施例中，SCC 454包含彼此串聯耦合之至少一AC/DC級456及至少一DC/DC級458(僅顯示各一個)。
AC/DC級456包含眾多AC端子460及經由AC端子460而耦合至AC導管324。AC/DC級456經由AC端子460、AC導管324、及三級繞組320而與CCC 410並聯耦合。AC/DC級456也包含眾多DC端子462及經由DC端子462而耦合至DC/DC級458。AC/DC級456又包含眾多從AC端子460延伸至DC端子462之分支導管464。各分支導管464包含眾多電容次模組、亦即一組電容次模組466，其顯示為有箭頭穿過的電容裝置。如此，各組電容次模組466包含眾多個別的電容次模組(未顯示於圖4中，且於下進一步說明)，以及，在各組466中的各個電 容次模組配置成可選擇地處於服務，藉以便於將各組電容次模組466操作成可變電容裝置。
DC/DC級458包含眾多DC端子468，眾多DC端子468將DC/DC級458經由DC端子462而耦合至AC/DC級456。DC/DC級458也包含眾多快速作動半導體開關470，快速作動半導體開關470是例如且無例外地為絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)及閘流體。替代地，使用能夠使DC/DC級470如此處所述般操作之任何切換裝置，包含但不限於水銀管。DC/DC級458又包含眾多DC端子472且經由DC端子472而耦合至DC導管326，因而經由DC導管326而與CCC 410串聯。SCC 454將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓(亦即，VDC-SCC)以及DC電流。
在操作時，CCC 410經由變壓器312的主繞組316及次級繞組318以及在電壓VAC-1的AC導管314而從AC電源302接收三相、正弦、AC電力。CCC 410將AC電壓整流成HVDC電壓，亦即VDC-CCC。
而且，在操作時，SCC 454的AC/DC級456經由變壓器312的主繞組316及三級繞組320以及在電壓VAC-2的AC導管324而從AC電源302接收三相、正弦、AC電力。AC/DC級456將AC電壓及電流整流成中間DC電壓VDC-Int以及中間電流值，中間DC電壓VDC-Int以及中間電流值會經由DC端子462和468而傳送至DC/DC級458。DC/DC級458經由例如脈衝寬度調變(PWM)而將中間 DC電壓VDC-Int調節成具有相當的HVDC電流值之HVDC電壓值，亦即VDC-SCC，與VDC-CCC相加而造成VDC。SCC 454與CCC 410的結合會在建立的參數內調節HVDC傳輸導管338及340上的VDC和IDC。在舉例說明的實施例中，VDC超過800仟伏特(kV)。
如此處所述，SCC 454使用包含具有可變能量儲存特點的電容次模組466之AC/DC級456，以便於調節(亦即整形)AC電壓、AC電流、中間DC電壓、及中間DC電流波形。而且，SCC 454使用包含快速作動半導體開關470之DC/DC級458，以調整電容次模組466的充電，以致於相關流入的電流在預定的電流參數內被調節，藉以降低相關電路及電容次模組466的組件上感應的電壓應力，以致於不需要使用額外的預充電電路。在某些情形下，亦即，當例如黑啟動操作期間SCC 454具有反向電流流動時，亦即，DC至AC，則DC/DC級458使用快速作動半導體開關470以便於調節(亦即整形)中間DC電壓及中間DC電流波形。
而且，在操作時，經由閉合SCC旁通開關330及斷開開關470，以致於CCC 410經由閉合的旁通開關330而耦合至HVDC傳輸導管340，而使DC/DC級458處於旁通模式中，以及，AC/DC級456與HVDC導管338及340及相關的DC電壓暫態以及其上的DC電流暫態相隔離。此外，在操作時，電容次模組466可操作以調節AC至DC轉換，以致於AC/DC級456便於將DC/DC級458從 AC端子460的AC暫態上游解除耦合。
圖5是與HVDC轉換器系統400(圖4中所示)一起使用之眾多電容次模組，亦即舉例說明的一組電容次模組466之視圖。在舉例說明的實施例中，一組電容次模組466位於二端子474與476之間。而且，在舉例說明的實施例中，集466包含以串聯配置耦合在一起的電容次模組478。替代地，可以使用能夠使HVDC轉換器系統400如此處所述地操作之任何電容次模組478的電配置。於下將進一步說明各電容次模組478。
圖6是可與一組電容次模組466一起使用且可用作為電容次模組478(都顯示於圖5中)之舉例說明的電容次模組500之視圖。在舉例說明的實施例中，電容次模組500包含眾多半導體切換裝置502和504，例如但不限於IGBT。而且，電容次模組500包含至少一能量儲存元件，例如但不限於耦合至半導體切換裝置502和504之電容器506。
在典型的操作中，半導體切換裝置502和504在開啟狀態與關閉狀態之間切換，以調節電容器506。如此，半導體切換裝置502和504的操作會調節流經裝置502及504以及電容器506的電流，因此，電流流經電容次模組500。而且，半導體切換裝置502及504的操作調節電壓狀態、或是電容器506的位準，因而調節電容次模組500。眾多電容次模組500位於一組電容次模組466之內，以及，各次模組500中的切換裝置502和504的操作 會調節遍及一組電容次模組466的電流及電壓，因而調節在導管460之AC電流、AC電壓以及在端子462之中間DC電壓和電流。
圖7是可與一組電容次模組466一起使用且可用作為電容次模組478(都顯示於圖5中)之替代的電容次模組510之視圖。在舉例說明的實施例中，電容次模組510包含眾多半導體切換裝置512、514、516、及518，例如但不限於IGBT。而且，電容次模組510包含至少一能量儲存元件，例如但不限於耦合至半導體切換裝置512、514、516、及518之電容器520。
在典型的操作中，半導體切換裝置512、514、516、及518會在開啟狀態與關閉狀態之間切換以調節電容器520。如此，半導體切換裝置512、514、516、及518的操作會調節流經裝置512、514、516、及518以及電容器520的電流，因此，電流流經電容次模組510。而且，半導體切換裝置512、514、516及518的操作會調節電壓狀態、或是電容器520的位準，因而調節電容次模組510。眾多電容次模組510位於一組電容次模組466之內，以及，各次模組510中的切換裝置512、514、516和518的操作會調節遍及一組電容次模組466的電流及電壓，因而調節在導管460之AC電流、AC電壓以及在端子462之中間DC電壓和電流。
舉例而言但非限定地，假使半導體切換裝置512及518處於開啟狀態及切換裝置514和516處於關閉狀態 時，有效地繞過電容器520。對於當半導體切換裝置512和516處於開啟狀態、以及半導體切換裝置514和518處於關閉狀態時的那些情形，有效地繞過電容器520。類似地，對於當半導體切換裝置512和516處於關閉狀態、以及半導體切換裝置514和518處於開啟狀態時的那些情形，有效地繞過電容器520。對於當半導體切換裝置512和518處於關閉狀態、以及半導體切換裝置514和516處於開啟狀態時的那些情形，造成電容器520的極性以致於電流傳輸經過切換裝置514和516以及電容器520。替代地，對於當半導體切換裝置514和516處於關閉狀態、以及半導體切換裝置512和518處於開啟狀態時的那些情形，造成電容器520的極性以致於電流傳輸經過切換裝置512和518以及電容器520。
圖8是可與一組電容次模組466一起使用且可用作為電容次模組478(都顯示於圖5中)之另一替代的電容次模組530之視圖。在舉例說明的實施例中，電容次模組530包含眾多半導體切換裝置532、和534，例如但不限於絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)。電容次模組530也包含二能量儲存元件，例如但不限於耦合至半導體切換裝置532及534之二電容區段536和538等電容器536和538。電容次模組530又包含故障模組544，故障模組544包含半導體切換裝置546，例如IGBT及二極體548。
在典型的操作中，半導體切換裝置532、及534會在開啟狀態與關閉狀態之間切換以調節電容區段536和538 的狀態。而且，切換裝置546通常是開啟的及二極體548僅允許一方向上的電流，亦即，朝向電容器538及開關534。如此，半導體切換裝置532和534的操作會調節流經電容次模組530的電流流動及電壓狀態。因此，眾多電容次模組530位於一組電容次模組466之內，以及，調節遍及一組電容次模組466的電流及電壓，因而調節在導管460之AC電流、AC電壓以及在端子462之中間DC電壓和電流。
假使在例如但不限於HVDC傳輸導管538和540等HVDC傳輸系統300的一部份上發生嚴重的暫態及/或故障時，切換裝置546切換至關閉狀態，電容器536和538的電容區段540和542中之一取得相對於電流流動之反向電功極性，以及，二極體548防止電流流出電容次模組530。因此，流經電容次模組530的整體電流流動在故障條件期間顯著地降低。
圖9是共用故障模組544之類似於電容次模組530(圖8所示)的眾多電容次模組550和560之視圖。具體而言，電容次模組550和560配置有故障模組544，以致於四個半導體切換裝置中的至少二個會在相鄰的電容次模組之間被共用。電容次模組550包含類似於電容次模組530(圖8中所示)之組件編號。相對地，電容次模組560包含類似於次模組550的配置之半導體切換裝置562及564以及電容器(亦即，電容區段566和568)。在舉例說明的實施例中，電容次模組550與電容次模組560共 用切換裝置546和548。電容次模組550和560的操作類似上述說明之電容次模組530的操作。
圖10是與HVDC傳輸系統300一起使用之替代的HVDC轉換器系統600之視圖。HVDC轉換器系統600與HVDC轉換器系統400(圖4中所示)類似，但是下述除外。
HVDC轉換器系統600包含至一自行換向轉換器(SCC)654(圖11中僅顯示一個)作為SCC 322(圖3中所示)。SCC 654是雙向的。在舉例說明的實施例中，SCC 654包含至少一AC/DC級656以及彼此串聯耦合的至少一DC/DC級458(僅顯示各一個)。SCC 654將AC電壓及AC電流轉換至DC電壓(亦即VDC-SCC及DC電流)。
AC/DC級656包含眾多AC端子660且經由AC端子660而耦合至AC導管324。AC/DC級656經由AC端子660、AC導管324、及三級繞組320而與CCC 410並聯地耦合。AC/DC級656也包含眾多DC端子462且經由DC端子462而耦合至DC/DC級458。AC/DC級656又包含眾多分支導管664，從AC端子460延伸至DC端子462。各分支導管664包含一組電容次模組466。
AC/DC級656也包含經由分支導管664而耦合至AC端子460及又耦合至DC端子462之眾多切換電力極680(顯示三個)。各切換電力極680包含串聯耦合的眾多切換裝置682(顯示每一極680二個裝置682)。耦合端子 684由切換電力極680界定以致於所有切換電力極680耦合至其。在舉例說明的實施例中，各切換裝置682是低頻切換裝置，配置成以高達每一AC線循環六次至每一AC線循環十二次之頻率，在有條件與無條件之間循環。替代地，可以使用能夠使切換電力極680如此處所述地操作之任何循環頻率。
此外，在舉例說明的實施例中，在切換裝置682之間的各切換極680及各分支導管664於其間界定浮動端子686。電容次模組466的各電容次模組478(圖5中所示)位於各相關的浮動端子686與相關的AC端子460之間。
在上述中說明DC/DC級458。HVDC轉換器系統600也包含耦合於DC端子462與468之間的眾多DC斷接開關688，藉以便於將AC/DC級656與DC/DC級458及DC組件下游相隔離。
在操作時，如上所述，CCC 410將AC電壓VAC-1整流至HVDC電壓，亦即，VDC-CCC。而且，在操作時，SCC654的AC/DC級656經由變壓器312的主繞組316及三級繞組320以及在電壓VAC-2的AC導管324而從AC電源302接收三相、正弦、AC電力。AC/DC級656將AC電壓及電流整流成中間DC電壓VDC-Int以及中間電流值，中間DC電壓VDC-Int以及中間電流值經由DC端子462和468及DC斷接開關688而傳送給DC/DC級458。DC/DC級458將中間DC電壓VDC-Int調變至具有相當的HVDC電 流值的HVDC電壓值，亦即VDC-SCC，與VDC-CCC相加而造成VDC。SCC 654與CCC 410的結合會在建立的參數內調節HVDC傳輸導管338及340上的VDC和IDC。在舉例說明的實施例中，VDC超過800仟伏特(kV)。
如此處所述，SCC 654使用包含具有可變能量儲存特點的電容次模組466之AC/DC級656，以便於調節(亦即整形)AC電壓、AC電流、中間DC電壓、及中間DC電流波形。而且，SCC 654使用包含快速作動半導體開關470之DC/DC級458、以及AC/DC級656中的低頻切換裝置682，以調整電容次模組466的充電，以致於相關流入的電流在預定的電流參數內被調節，藉以降低相關電路及電容次模組466的組件上感應的電壓應力，以致於不需要使用額外的預充電電路。此外，電容次模組466上的電壓應力降低達到與HVDC轉換器系統400(圖4中所示)相關的電壓應力之30%至50%。在某些情形下，亦即，當SCC 654具有反向電流流動時，亦即，DC至AC時，則DC/DC級458使用快速作動半導體開關470以便於調節(亦即整形)中間DC電壓及中間DC電流波形。
而且，在操作時，經由閉合SCC旁通開關330及斷開開關470，以致於CCC 410經由閉合的旁通開關330而耦合至HVDC傳輸導管340，而使DC/DC級458處於旁通模式中，以及，AC/DC級656與HVDC導管338及340及相關的DC電壓暫態以及其上的DC電流暫態相隔離。此外，在操作時，假使DC/DC級458必須從服務中完全 移除且隔離時，則斷開DC斷接開關688及可操作AC/DC級656成為AC濾波單元以及/或STATCOM。此外，在操作時，電容次模組466可操作以調節AC至DC轉換，以致於AC/DC級656便於將DC/DC級458從AC端子660的AC暫態上游解除耦合。
圖11是與HVDC傳輸系統300一起使用之另一替代的HVDC轉換器系統700之視圖。HVDC轉換器系統700與HVDC轉換器系統600(圖11中所示)類似，但是下述除外。
HVDC轉換器系統700包含SCC 754，SCC 754僅包含AC/DC級656以及未包含DC/DC級458。因此，AC/DC級656配置成產生HVDC電壓VDC-SCC，以致於當加至VDC-CCC時會造成超過800kV的電壓VDC。斷開切換電力極680中的所有開關682及閉合SCC旁通開關330會繞過大部份的SCC 754，而CCC 410仍維持操作。
圖12是與HVDC轉換器系統700一起使用之舉例說明的黑啟動配置800之視圖。類似的配置可以與HVDC轉換器系統400及600(分別顯示於圖4和11中)一起使用。黑啟動配置800至少部份地實施於SCADA系統200(圖2中所示)中。
而且，在舉例說明的實施例中，黑啟動流程路徑802是從AC柵304經由第二轉換器系統334(圖3中所示)、HVDC傳輸導管338、CCC旁通開關328、SCC 754(AC/DC級656)至AC源302。如此，SCC 754是雙向 的。舉例而言，當在AC源302內沒有發電機服務之時段，電力從AC柵304經由系統300而傳送至AC源302，以供電給其上的負載。根據電力流動的方向，第二轉換器系統334或SCC 754中任一者控制DC線電流。
在黑啟動操作時，HVDC傳輸系統300與實質上去能之HVDC傳輸導管338與AC源302之間實質上大部份的裝置一起啟動。變壓器312與CCC 410電隔離。CCC旁通開關328會本地或遠端地閉合，藉以界定繞過CCC 410之路徑802的一部份，以及將SCC 754與HVDC傳輸導管338直接耦合。而且，在黑啟動操作時，SCC 754的電容次模組466被充電，其接著激勵AC導管324。SCC 754產生充份的AC電力，以至少部份地激勵AC導管324及經由電容次模組466的調節而將AC電力傳送給AC源302。流經黑啟動配置800的電力由箭頭804標示。
用於此處所述的電力之HVDC傳輸之上述HVDC轉換器系統會提供超過800仟伏特(kV)的HVDC電力之成本有效的傳輸方法。此處所述的實施例使用電容器換向轉換器(CCC)而不是線換向轉換器(LCC)，以將AC電力轉換至HVDC電力。除了CCC之外，此處所述的實施例使用與AC側上的CCC並聯耦合及與DC側上的CCC串聯之自行換向轉換器(SCC)。此處所述的SCC包含AC至DC轉換級(AC/DC級)，AC至DC轉換級包含具有可變能量儲存特點之電容次模組，以便於調節(亦即整形)AC電壓、AC電流、中間DC電壓、及中間DC電流 波形。而且，此處所述的實施例使用眾多切換裝置，以進一步調整AC及DC波形。眾多切換裝置會調節電容次模組的充電，以致於在預定的電流參數內調節相關流入的電流，藉以降低相關電路及電容次模組的組件上感應的電壓應力，以致於不需要使用額外的預充電電路。在此處所述的至少一實施例中，DC對DC轉換級(DC/DC級)耦合至AC/DC級，以致於DC/DC級中的眾多快速作動開關會如上所述地調節操作。在此處所述的至少一其它實施例中，在AC/DC級中具有低切換頻率(亦即，高達每一AC循環6-12切換操作)之眾多開關會與DC/DC級中的開關協力而如上所述地調節操作。在此處所述之至少一另外的實施例中，在AC/DC級中具有低切換頻率的眾多開關(亦即，高達每一AC循環6-12切換操作)會如上所述地調節操作，而無DC/DC級。
此處舉例說明的方法、系統及設備之技術功率包含至少下述之一：(a)使用電容次模組以調節AC電力至DC電力之轉換以及DC電力至AC電力之轉換；(b)使用快速作動開關及/或低速作動開關以便於電容次模組的調節；(c)藉由降低電容次模組上造成的電壓應力，實質地降低電容次模組的尺寸；(d)實質地降低用於電容次模組的預充電電路的需求；(e)以被旁通而隔離相關的AC/DC級與DC側暫態及故障之相關的DC/DC級，操作SCC，藉以便於AC/DC級的繼續操作；及(f)操作SCC及調節相關的電容次模組以降低DC/DC級上的AC暫態 效應。
經由HVDC傳輸系統以耦合電力柵之電力轉換系統、及操作這些系統和裝置的方法之舉例說明的實施例不限於此處所述的特定實施例，而是可以與此處所述的其它組件及/或步驟相獨立地及分別地使用系統的組件、及/或方法的步驟。舉例而言，方法可以與其它要求HVDC傳輸及電力轉換的系統以及相關的方法結合使用，且不限於僅由此處所述的HVDC傳輸系統及方法實施。確切而言，可以配合很多目前配置成傳送及接收電力之其它DC傳輸應用，例如但不限於遠方的DC配電系統及工業設施，而實施及使用舉例說明的實施例。
雖然本發明的各式各樣的實施例之特定特點顯示於某些圖中但未顯示於其它圖中，但是，這僅是為了方便起見。根據本發明的原理，可以結合任何其它圖中的任何特點，而說明及/或主張圖中的任何特點。
某些實施例涉及使用一或更多電子或計算裝置。這些裝置典型上包含處理器或控制器，例如一般用途的中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、微控制器、精簡指令集電腦(RISC)處理器、特定應用積體電路(ASIC)、可編程邏輯電路(PLC)、及/或任何能夠執行此處所述的功能之其它電路或處理器。此處所述的方法可以被編碼成具體實施於電腦可讀取的媒體中之可執行的指令，包含但不限於儲存裝置及/或記憶體裝置。當由處理器執行時，這些指令會促使處理器執行至少一部份此處 所述的方法。上述實施例僅為舉例說明，因而絕不是要限定處理器一詞的定義及/或意義。
本撰寫的說明使用實施例以揭示本發明，包含最佳模式，也使習於此技藝者能夠實施本發明，包含製作及使用任何裝置或系統以及執行任何併入的方法。本發明之可專利範圍是由申請專利範圍界定，以及，包含習於此技藝者可知的其它實施例。這些其它實施例假使具有與申請專利範圍的文意沒有不同的結構元件時，或是假使它們包含與申請專利範圍的文意不具實質差異之均等結構元件時，則它們是在申請專利範圍的範圍之內。

Claims (8)

  1. 一種混合高壓直流(HVDC)轉換器系統(300)，包括：至少一交流(AC)導管(305，314，324)；至少一變壓器(312)，耦合至該至少一AC導管；至少一電容器換向轉換器(CCC)(310，410)，包含至少一電耦合至該至少一變壓器(312)的電容，配置成將AC電壓及AC電流轉換成DC電壓和DC電流，該至少一CCC經由該至少一變壓器而耦合至該至少一AC導管；至少一自行換向轉換器(SCC)(322，454)，配置成將AC電壓及AC電流轉換成經過調節的DC電壓及DC電流，該至少一SCC包含至少一AC/DC級(456)以及耦合至該至少一AC/DC級之至少一DC/DC級(458)；至少一直流(DC)導管(326)，其中該至少一DC/DC級(458)和該至少一CCC串聯耦合至該至少一DC導管(326)；以及與該至少一CCC(310，410)並聯地耦合之至少一CCC旁通開關(328)；其中，該至少一SCC(322，454)又包括與該至少一DC/DC級(458)並聯地耦合的至少一DC/DC級旁通開關(330)。
  2. 如申請專利範圍第1項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，該至少一AC/DC級(456)經由該至少 一變壓器(312)及該至少一AC導管(314，424)而耦合至該至少一CCC(310，410)。
  3. 如申請專利範圍第1項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，該至少一AC/DC級(456)包括：眾多AC端子(460)；眾多DC端子(462)；以及眾多分支導管(464)，延伸於該眾多AC端子與該眾多DC端子之間，該眾多分支導管的各分支導管包括眾多電容次模組(466)，該眾多電容次模組的各電容次模組(478，500)被配置成可選擇性地置於服務中。
  4. 如申請專利範圍第3項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，各該電容次模組(478，500)包括眾多半導體切換裝置(502，504；512，514，516，518；532，534，546，548，562，564)以及耦合至該眾多半導體切換裝置之眾多能量儲存元件(506；520；536，540；536，538，566，568)，該眾多半導體切換裝置配置成便於可選擇性地將該眾多能量儲存元件的至少一能量儲存元件置於服務中。
  5. 如申請專利範圍第4項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，該眾多能量儲存元件(506；520；536，540；536，538，566，568)包括二電容區段(536，538，566，568)，以及，該眾多半導體切換裝置(502，504；512，514，516，518；532，534，546，548，562，564)包括四個半導體裝置(532，534，562，564)，其 中，配置該二個電容區段及該四個半導體切換裝置使得在該眾多DC端子(462)中感測到故障狀態期間，關閉至少一部份該四個半導體切換裝置會使該二電容區段之其中一者置於與電流流動相反的電壓極性，藉以便於降低流經的電流。
  6. 如申請專利範圍第5項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，配置各該電容次模組(478，500)使得該四個半導體切換裝置(532，534，562，564)之其中至少二者在相鄰的電容次模組(478，500)之間被共用。
  7. 如申請專利範圍第1項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，該至少一SCC(322，454)與該至少一CCC旁通開關(328)至少部份地界定黑啟動電流傳輸路徑(802)。
  8. 如申請專利範圍第1項之混合高壓直流轉換器系統(300)，其中，該至少一DC/DC級(458)包括眾多半導體開關(470)，該眾多半導體開關及該至少一DC/DC級旁通開關(330)便於將該至少一DC/DC級置於旁通模式中，該至少一DC/DC級配置成便於將該至少一AC/DC級(456)與DC電壓暫態和DC電流暫態相隔離。
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