线路换向转换器中或与其相关的改进

技术领域

本发明涉及一种线路换向转换器和一种操作这样的转换器的方法。

背景技术

在高压直流（HVDC）功率传输网络中，AC功率通常被转换成DC功率，以用于经由架空线，海底线缆和/或地下线缆进行传输。这种转换消除对补偿由功率传输介质（即传输线路或线缆）施加的AC电容性负载效应的需要，并且降低每公里的线路和/或线缆的成本，并且因此当需要通过长距离传输功率时变得成本有效。DC功率也可以直接从海上风电场传输到岸上AC功率传输网络。

DC功率与AC功率之间的转换用于其中必需互连DC和AC网络的地方。在任何这种功率传输网络中，在AC与DC功率之间的每个接口处要求转换器（功率转换器），以实现从AC到DC或者从DC到AC的所要求转换。

一种这样类型的功率转换器是线路换向转换器，其包括通常只能接通的开关元件。因此，线路换向转换器依赖于在使用中与其连接的AC网络中的电压变化，以便在上述功率转换过程期间实现从一个开关元件到另一个开关元件的换向，即，切换。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供有一种线路换向转换器，包括：

多个转换器分支，其在使用中连接到DC网络的第一DC端子和第二DC端子之间延伸，每个转换器分支包括由使用中连接到AC网络的相应相的AC端子分开的第一分支部分和第二分支部分，并且每个分支部分具有连接在相应AC端子以及所述第一DC端子或所述第二DC端子中的对应一个DC端子之间的开关元件；以及

控制器，其被编程以便在使用中控制所述转换器的操作并且在所述转换器的操作期间监测在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间流动的DC转换器电流以及在相应对的AC端子之间流动的AC转换器电流，

当所述DC转换器电流和所述AC转换器电流彼此相等时，所述控制器以正常模式操作所述转换器，在所述正常模式期间，所述控制器为每个开关元件设置第一点火角，所述第一点火角大于九十度以便将所述转换器作为逆变器来操作，

当发生暂时使所述DC转换器电流超过所述AC转换器电流的故障时，所述控制器以故障检测和缓解模式操作所述转换器，在所述故障检测和缓解模式期间，所述控制器：

为每个开关元件设置第二点火角，所述第二点火角小于90度以将所述转换器作为整流器来操作；

检查将所述转换器作为整流器来操作是否使所述AC转换器电流超过所述DC转换器电流；以及

（i）如果所述AC转换器电流超过所述DC转换器电流，则旁路所述转换器，或者

（ii）如果所述AC转换器电流不超过所述DC转换器电流，则为每个开关元件设置第三点火角，所述第三触发角大于90度但相对于所述第一点火角被减小，以将所述转换器作为具有减小的功率传送能力的逆变器来操作。

具有以前述方式配置的控制器（即，所述控制器在暂时使DC转换器电流超过AC转换器电流的故障的情况下以故障检测和缓解模式操作线路换向转换器）是特别有利的，因为这样的控制器首先能够识别故障何时已经发生，并且其次能够区分可能引起DC转换器电流中的这样的增加的不同类型的故障，并且因此，当这样的故障确实发生时，能够采取最适当形式的缓解动作。

更特别地，当起源故障由跨单个转换器分支的闪络（flash-over）引起时，从DC网络流出的DC转换器电流旁路所述转换器分支，并且因此旁路所述转换器，并且因此流入AC网络的AC转换器电流下降到零。

因此，DC转换器电流超过AC转换器电流，并且控制器能够检测到故障已经发生。

类似地，当起源故障由换向失效引起时，例如在AC网络的电压中的干扰不利地影响换向，即从转换器内的一个开关元件切换到另一个开关元件的情况下，从DC网络流出的DC转换器电流简单地流过转换器分支而不流入AC网络。

因此，DC转换器电流再次超过AC转换器电流，并且控制器同样能够检测到故障已经发生。

同时，包括设置小于90度的第二点火角的控制器期望使转换器暂时作为整流器来操作，所述整流器暂时将AC功率转换成DC功率。

在其中由上述闪络引起起源故障的情况下，所述闪络产生暂时电流路径，并且因此将转换器作为整流器来操作产生迫使显著的AC转换器电流I

相反，在起源故障由换向失效引起的情况下，将转换器作为整流器来操作导致转换器消耗无功功率而不生成显著的AC转换器电流。不存在这样显著的AC转换器电流允许控制器再次表征起源故障的类型，即，因为AC转换器电流不超过DC转换器电流，因此再次采取正确的补救措施，即，为每个开关元件设置第三点火角（其大于90度但相对于第一触发角被减小），使得转换器恢复为作为逆变器来操作，但是具有减小的功率传送能力（即，与当开关元件以第一点火角操作时提供的DC功率到AC功率传送能力相比），并且由此帮助转换器从换向失效中恢复。

优选地，控制器设置第二点火角以在第一持续时间内将转换器作为整流器来操作，并且控制器设置第三点火角以在比第一持续时间长的第二持续时间内将转换器作为具有减小的功率传送能力的逆变器来操作。

在第一更短持续时间内使转换器作为整流器来操作是期望的，因为如果起源故障是换向失效，其通常是由于相关联的AC网络中的电压干扰引起的，则将转换器作为整流器来操作太久将以其他方式导致通过转换器的过多的无功功率消耗，这又将在AC网络中产生进一步的干扰，并且因此可能加剧起源换向失效。

同时，在第二更长的持续时间内将转换器作为具有减小的功率传输能力的逆变器来操作是有益的，因为这有助于转换器的恢复，以及增加无论什么AC网络故障正在引起电压干扰而安全度过的可能性。

可选地，第一持续时间不大于转换器的单个操作周期。

这样的第一更短持续时间虽然有利地帮助最小化通过转换器的任何过多的无功功率消耗，并且因此最小化AC网络中的进一步干扰的产生，但是仍然足够长以允许检测闪络故障，即，通过显著的AC转换器电流的短生成并且超过DC转换器电流的这样的AC转换器电流的随后快速检测，并且由此采取正确的缓解动作，即，旁路转换器，使得闪络电流从闪络电弧传送出并返回到转换器开关元件中。

第二持续时间可以是至少一百毫秒。

这样的第二更长的持续时间允许合理的时间量使转换器从换向失效中恢复，和/或使贡献的AC网络故障被解决，并由此降低最终在从DC网络到AC网络的功率传送中存在不方便和不期望的中断的可能性。

优选地，在第二持续时间的结束时，如果DC转换器电流继续超过AC转换器电流，则控制器将转换器从AC网络断开。

这样的特征有利地确保最终保护转换器免受例如AC网络内的持续故障的损害，该持续故障持续的时间长于以其他方式可能自身解决的典型AC网络故障。

根据本发明的第二方面，提供有一种操作线路换向转换器的方法，所述线路换向转换器包括：在使用中连接到DC网络的第一DC端子和第二DC端子之间延伸的多个转换器分支，每个转换器分支包括由使用中连接到AC网络的相应相的AC端子分开的第一分支部分和第二分支部分，以及每个分支部分具有连接在相应的AC端子与所述第一DC端子或所述第二DC端子中对应的一个DC端子之间的开关元件；以及控制器，所述控制器被编程以便在使用中控制所述转换器的操作并且在所述转换器的操作期间监测在所述第一DC端子与所述第二DC端子之间流动的DC转换器电流以及在相应对的AC端子之间流动的AC转换器电流，所述方法包括以下步骤：

（a）当所述D 转换器电流和所述AC转换器电流彼此相等时，以正常模式操作所述转换器，在所述正常模式期间，所述控制器为每个开关元件设置第一点火角，所述第一点火角大于90度以将所述转换器作为逆变器来操作；以及

（b）当发生暂时使所述DC转换器电流超过所述AC转换器电流的故障时，以故障检测和缓解模式操作所述转换器，在所述故障检测和缓解模式期间，所述控制器：

为每个开关元件设置第二点火角，所述第二点火角小于90度以将所述转换器作为整流器来操作；

检查将所述转换器作为整流器来操作是否使所述AC转换器电流超过所述DC转换器电流；以及

（i）如果所述AC转换器电流超过所述DC转换器电流，则旁路所述转换器，或者

（ii）如果所述AC转换器电流不超过所述DC转换器电流，则为每个开关元件设置第三点火角，所述第三点火角大于90度但相对于所述第一点火角被减小，以将所述转换器作为具有减小的功率传送能力的逆变器来操作。

本发明的方法共享本发明的线路换向转换器的对应特征的益处。

将领会，在本专利说明书中使用术语“第一”和“第二”等仅旨在帮助区分类似的特征（例如，第一和第二DC端子，以及第一和第二分支部分），并且不旨在指示一个特征相对于另一特征的相对重要性，除非另有指定。

在本申请的范围内，明确旨在的是，在前述段落和权利要求和/或以下描述和附图中阐述的各个方面、实施例、示例和备选方案，并且特别是其各个特征可以独立地或以任何组合来采用。也就是说，所有实施例和任何实施例的所有特征可以以任何方式和/或组合进行组合，除非这样的特征不相容。申请人保留用来相应地改变任何原始提交的权利要求或提交任何新的权利要求的权利，包括下列权利：修改任何原始提交的权利要求以取决于任何其它权利要求的任何特征和/或并入任何其它权利要求的任何特征的权利，尽管没有以那种方式原始地要求保护。

附图说明

现在接下来是参照附图通过非限制性示例的方式的本发明的优选实施例的详细描述，其中：

图1示出根据本发明的第一实施例的以正常模式操作的线路换向转换器的示意图；

图2（a）示出在第一故障出现之后在故障检测和缓解模式的第一阶段中操作的图1中所示的线路换向转换器的示意图；

图2（b）示出在出现第一类型的故障之后在故障检测和缓解模式的第二阶段中操作的图2（a）中所示的线路换向转换器的示意图；以及

图3示出在出现第二类型的故障之后在故障检测和缓解模式中操作的图1中所示的线路换向转换器的示意图。

具体实施方式

如图1中所示，根据本发明的第一实施例的线路换向转换器通常由附图标记10指定。

转换器10包括在第一和第二DC端子14、16之间延伸的多个转换器分支12A、12B、12C，所述第一和第二DC端子14、16在使用中连接到DC网络18。

每个转换器分支12A、12B、12C包括第一和第二分支部分20A、20B、20C、22A、22B、22C，它们由在使用中连接AC网络26的相应相A、B、C的对应AC端子24A、24B、24C分开。

同时，每个分支部分20A、20B、20C、22A、22B、22C具有连接在相应的AC端子24A、24B、24C和第一或第二DC端子14、16中对应的一个DC端子之间的开关元件28。在所示的实施例中，每个开关元件28是晶闸管，尽管可以使用其他类型的线换向开关元件，例如汞弧阀。

线路换向转换器10还包括控制器30，该控制器30被编程以便在使用中控制转换器10的操作并且在转换器10的操作期间监测在第一和第二DC端子14、16之间流动的DC转换器电流I

当DC转换器电流和AC转换器电流I

在这样的模式期间，对于每个开关元件28，控制器30设置第一点火角，即从跨开关元件两端的DC电压变为正（在该点处，晶闸管或其他线换向开关元件将开始导通）并且开关元件28导通的点开始的第一时间延迟。

更特别地，在正常模式期间，控制器30设置大于90度的第一点火角，并且由此将转换器10作为逆变器来操作，即作为将DC功率转换成AC功率的转换器10来操作。

当发生暂时使DC转换器电流I

例如，当故障由跨单个转换器分支12A两端的闪络32引起时，从DC网络18流出的DC转换器电流I

在这些情况下，控制器30通过首先为每个开关元件28设置第二点火角而以上述故障检测和缓解模式操作转换器10。

该第二点火角小于九十度，并且由此使该转换器10作为整流器来操作，即作为将AC功率转换成DC功率的转换器10来操作。

控制器30还被编程以便随后检查将转换器10作为整流器来操作是否使AC转换器电流I

在其中由闪络32引起故障的上述示例中，闪络32产生暂时电流路径34，并且因此将转换器10作为整流器来操作产生迫使显著的AC转换器电流I

更特别地，如果第二点火角适当地小于90度，即小于90度到期望的程度（注意，第二点火角越接近零度，所得到的AC转换器电流I

相反，当例如由换向失效引起故障时，例如当AC网络26的电压中的干扰不利地影响换向，即从转换器10内的一个开关元件28切换到另一个开关元件时，从DC网络18流出的DC转换器电流I

因此，没有AC转换器电流I

在这些情况下，控制器30通过将第二点火角设置为接近但小于九十度来再次以前述故障检测和缓解模式操作转换器10，以便从而再次使转换器10作为整流器来操作，即作为将AC功率转换成DC功率的转换器10来操作。

如上所述，控制器30再次检查将转换器10作为整流器来操作是否使AC转换器电流I

然而，当起源故障由换向失效引起时，将转换器10作为整流器来操作导致转换器10消耗无功功率而不产生显著的AC转换器电流I

同时，流过转换器10的DC转换器电流I

DC转换器电流Idc的第二分量（即由远程转换器驱动的分量）是重要的并且可以由控制器30容易地监测。因此，流经转换器10的测量的DC转换器电流I

更特别地，在前述情况下，即当转换器10暂时作为整流器来操作时AC转换器电流I

第三点火角大于90度，但是相对于第一点火角被减小，并且因此控制器30控制转换器10恢复到作为逆变器但是具有减小的功率传送能力（即，与当开关元件28以第一点火角操作时提供的DC功率到AC功率传送能力相比）的逆变器来操作。

示例第三射角将是大于120度的一个点火角，尽管其他第三射角也是可能的。在任何情况下，将转换器10作为具有减小的功率传送能力的逆变器来操作有助于转换器10从换向故障中恢复，同时还降低无功功率消耗。

除了上述之外，控制器30还被编程以便将第二点火角设置为在第一持续时间内将转换器10作为整流器来操作，并且将第三点火角设置为在第二持续时间内将转换器10作为具有减小的功率传送能力的逆变器来操作。

第二持续时间比第一持续时间长，并且更特别地，第一持续时间优选地不大于转换器的单个操作周期，并且第二持续时间为至少一百毫秒，并且优选地为几百毫秒。

此外，控制器30另外被编程，使得在第二持续时间的结束时，如果DC转换器电流I

这样的第一更短持续时间有利地有助于最小化转换器10的任何过多的无功功率消耗，并且因此最小化AC网络26中可能另外加剧换向故障的进一步干扰的产生。

然而，这样的第一持续时间仍然足够长以允许检测闪络故障，即通过显著的AC转换器电流I

同时，这种第二更长的持续时间允许合理的时间量使转换器10从换向失效中恢复，和/或使贡献AC网络故障被解决，并且由此减小控制器采取将转换器10从AC网络26断开的进一步步骤的可能性，否则这将导致在从DC网络18到AC网络26的功率传送中不方便且不期望的中断。

换言之，控制器30被编程，使得它仅在面对例如由于延长的AC网络故障而导致的持续换向失效时采取将转换器10从AC网络断开的严苛步骤，该持续换向失效持续长于第二持续时间，即通常长于几百毫秒。