接地故障之后的对称HVDC单极输电线的电压平衡

摘要

提供一种用于互连两个电压源换流器(VSC)(301、302)的对称单极高压直流(HVDC)输电线(303)的电压平衡单元(330)，该输电线包括具有第一操作冲击保护水平(SIPL)的第一避雷器(321-324)。电压平衡单元包括：第二避雷器对(331、332)，其具有比第一SIPL更小的第二SIPL；以及开关装置(333、334)，其布置用于在输电线上发生电压不平衡的情况下暂时将第一避雷器连接在任一极(304、305)与接地之间。本发明利用如下理解：可通过暂时连接具有比第一避雷器明显更低的SIPL的第二避雷器以用于将极电压限制到接近正常电压的等级，来消除输电线上的电压不平衡。此外，提供电压平衡的方法。电压不平衡可由于雷电引起接地故障(311)而发生。

说明书

技术领域

一般来说，本发明涉及高压直流(HVDC)输电，以及更具体来说，涉及在对称单极HVDC输电网中发生暂时接地故障的情况下的电压平衡。

背景技术

HVDC输电因对大电力输送和互连输配电系统的持续增长的需要而变得越来越重要。HVDC电网通常包括多个终端，用于使用例如电压源换流器(VSC)来转换交流(AC)电源供通过HVDC输电线进行传输。在电网中，终端可连接到多个终端，从而产生不同类型的拓扑。这种多终端电网实现有效的拥塞管理，并且具有针对扰动的改进稳定性。

通常，只基于电缆的输电线主要遭遇永久线路故障，而包括高架线的输电线可遭遇永久和暂时线路故障两者。具体来说，因雷电引起的暂时故障比永久线路故障更频繁得多，从而使清除故障之后的重启是合乎需要的。

在包括两个极的对称单极输电线的情况下，电压不平衡可在极的其中之一上发生接地故障的情况下发生。为了便于在发生暂时接地故障的情况下自动重启，期望消除电压不平衡。电压不平衡例如可利用与DC斩波器相结合的放电电阻器来消除。 

发明内容

本发明的一个目的是提供上述技术和现有技术的更有效的备选方案。

更具体来说，本发明的一个目的是提供对称单极高压直流(HVDC)输电线中的电压不平衡的改进处理。

借助于具有如独立权利要求1定义的特征的电压平衡单元以及借助于如独立权利要求9定义的电压平衡的方法来实现本发明的这些及其它目的。通过从属权利要求来表示本发明的实施例的特征。

为了便于描述本发明，采用标幺(p.u.)制，它允许将系统量表示为所定义基本单位量的小数。在其余方面，假定HVDC网络的基准极到接地电压为一，即等于1.0 p.u.。对应地，基准极到极电压等于2.0 p.u.。基准电压又称作正常电压。

按照本发明的第一方面，提供一种用于对称单极HVDC输电线的电压平衡单元。输电线布置用于互连第一电压源换流器(VSC)和第二VSC。输电线包括第一极、第二极和两对第一避雷器。第一对第一避雷器布置在输电线的第一端。第二对第一避雷器布置在输电线的第二端。任一对的第一避雷器连接在第一极与接地之间。任一对的第二避雷器连接在第二极与接地之间。第一避雷器具有第一操作冲击保护水平(switching impulse protective level，SIPL)。电压平衡单元包括第二避雷器对和开关装置。第二避雷器具有第二SIPL。第二SIPL小于第一SIPL。开关装置布置用于响应确定第一极与第二极之间存在电压不平衡而连接第二避雷器。更具体来说，开关装置布置用于将第二避雷器对的第一避雷器连接在第一极与接地之间以及将第二避雷器对的第二避雷器连接在第二极与接地之间。开关装置还布置用于响应确定清除电压不平衡而切断第二避雷器。

按照本发明的第二方面，提供对称单极HVDC输电线中的电压平衡的方法。输电线布置用于互连第一VSC和第二VSC。输电线包括第一极、第二极和两对第一避雷器。第一对第一避雷器布置在输电线的第一端。第二对第一避雷器布置在输电线的第二端。任一对的第一避雷器连接在第一极与接地之间。任一对的第二避雷器连接在第二极与接地之间。第一避雷器具有第一SIPL。该方法包括下列步骤：提供第二避雷器对；响应确定存在第一极与第二极之间的电压不平衡而连接第二避雷器；以及响应确定清除电压不平衡而切断第二避雷器。更具体来说，通过将第二避雷器对的第一避雷器连接在第一极与接地之间以及将第二避雷器对的第二避雷器连接在第二极与接地之间，来连接第二避雷器。第二避雷器具有第二SIPL。第二SIPL小于第一SIPL。

在对称单极的HVDC配电网中的极的其中之一上发生接地故障的情况下，因为VSC的极之间的正常电压等于2.0 p.u.，所以健全极的电压将升高。所产生的过电压可由第一避雷器来限制，第一避雷器设计成耐受网络的正常操作期间的正常电压以及故障期间的增加的电压。然而，过电压还在健全极上构成接地故障的风险。因此，在清除故障之后，在重启输电网之前应当平衡电压。本发明利用如下理解：通过暂时连接具有比第一避雷器明显更低的SIPL的第二避雷器以用于将极电压限制到接近正常电压的等级，可消除对称单极HVDC输电线上的电压不平衡，即，可平衡两个极上的电压。为了避免第二避雷器的过载，优选地应当在清除故障之后连接第二避雷器。本发明的实施例是有利的，因为它比基于放电电阻器和DC斩波器的解决方案更便宜并且更快。

按照本发明的实施例，电压不平衡由接地故障引起。接地故障例如可在输电线的任何一个极上发生。而只包括地下电缆的输电线主要遭受实芯电缆绝缘的击穿所引起的永久故障，暂时故障在具有作为绝缘介质的空气的高架线上是普遍的。当电弧之后的电离消失之后，空气的绝缘能力得以恢复，并且由此清除故障。高架线中的暂时故障频繁地由雷电引起。此外，电压不平衡也可由VSC的相的其中之一上的接地故障来引起。本发明的实施例是有利的，因为它便于在暂时接地故障的情况下自动重启HVDC输电系统。

按照本发明的实施例，第二避雷器对布置在输电线的任何一端。例如，第二避雷器可布置在VSC的终端处，输电线可连接到该终端。这是有利的，因为输电线的低浪涌阻抗便于在清除故障之后切断第二避雷器。还将会理解，可使用两对第二避雷器，一对布置在输电线的第一端，而另一对布置在输电线的第二端。

按照本发明的实施例，第一SIPL在1.8至2.0标幺（p.u.）的范围中，以及第二SIPL在1.15至1.20 p.u.的范围中。将会理解，第一SIPL和第二SIPL的准确值取决于特定规范和要求。按照本发明，第二SIPL应当比第一SIPL明显更低，并且应当具有接近基准极到接地电压的值。

按照本发明的实施例，开关装置包括高速开关(HSS)对和切断开关对。第一HSS与第二避雷器对的第一避雷器串联连接。第二HSS与第二避雷器对的第二避雷器串联连接。HSS在正常操作下处于断开状态。第一切断开关与第二避雷器对的第一避雷器串联连接。第二切断开关与第二避雷器对的第二避雷器串联连接。切断开关在正常操作下处于闭合状态。开关装置还布置用于响应确定存在电压不平衡而闭合HSS。开关装置还布置用于响应确定清除电压不平衡而断开切断开关、断开HSS以及闭合切断开关。为了避免过载，优选的是，在清除故障之后，即，在出故障极与接地之间的短路已经消失之后，首先连接第二避雷器。但是，为了最小化扰动的持续时间，故障的清除与第二避雷器的连接之间的时间不应当过长，优选地在50至100 ms的范围之内。本发明的实施例是有利的，因为它构成一种开关布置，该开关布置允许在接地故障的清除之后快速连接第二避雷器，以及随后允许在极上的电压降低到接近正常电压的值时切断第二避雷器，即使第二避雷器加载有电流。作为备选方案，开关装置可利用HVDC断路器。

按照本发明的实施例，提供一种HVDC输电单元。该输电单元包括第一VSC、对称单极输电线和电压平衡单元。第一VSC包括交流(AC)侧和DC侧。第一VSC的AC侧可连接到第一AC网络。输电线布置用于将第一VSC的DC侧与第二VSC的DC侧互连。第二VSC的AC侧可连接到第二AC网络。输电线包括第一极和第二极。为HVDC输电单元提供按照本发明的实施例的电压平衡单元是有利的，因为它用如以上所述消除输电线上的电压不平衡的方法，来帮助暂时接地故障之后的自动重启。

按照本发明的实施例，输电单元还包括AC断路器。AC断路器布置用于响应确定存在电压不平衡而将第一VSC从第一AC网络切断。AC断路器还布置用于响应确定清除电压不平衡而将第一VSC重新连接到第一AC网络。优选地，响应确定清除电压不平衡和/或清除接地故障而将第一VSC重新连接到第一AC网络。本发明的实施例允许切断对故障供电的AC网络。这在使用VSC时是有利的，因为换流器无法消除电流，并且换流器的二极管桥将会把电流馈入故障。优选地，在连接第二避雷器之前应当切断对故障供电的AC网络。还将会理解，可利用第二AC断路器，第二AC断路器布置用于响应确定存在电压不平衡而将第二VSC与第二AC网络切断，以及响应确定清除电压不平衡和/或清除接地故障而将第二VSC重新连接到第二AC网络。

按照本发明的实施例，输电单元还包括DC断路器对。DC断路器布置用于响应确定存在电压不平衡而将输电线从第一VSC切断。DC断路器还布置用于响应确定清除电压不平衡而将输电线重新连接到第一VSC。优选地，响应确定清除电压不平衡和/或清除接地故障而将输电线重新连接到第一VSC。为输电线提供DC断路器允许在连接第二避雷器之前切断将电流馈入故障的终端。具体来说，这在包括与多个其它换流器互连的换流器的多终端HVDC电网中是有利的。还将会理解，可利用第二对DC断路器，第二对DC断路器布置用于响应确定存在电压不平衡而将输电线从第二VSC切断，以及响应确定清除电压不平衡和/或清除接地故障而将输电线重新连接到第二VSC。

虽然在一些情况下参照按照本发明的第一方面的电压平衡单元的实施例描述了本发明的优点，但是对应的推论适用于按照本发明的第二方面的方法的实施例。

还将会理解，可设想包括两个以上终端、换流器或VSC以及与终端互连的多个输电线的HVDC电网的本发明的实施例。在这种多终端电网中，每个VSC可提供有用于将VSC从其相应AC网络切断的AC断路器。此外，各输电线可在任一端包括DC断路器，使得可通过使那条线路的DC断路器跳闸，来将有故障输电线与任一终端隔离。

当阅读以下详细公开、附图和所附权利要求书时，本发明的其它目的、特征和优点将变得显而易见。本领域的技术人员知道，本发明的不同特征能够相结合以创建除了以下所述的那些实施例之外的实施例。 

附图说明

通过以下参照附图对本发明的实施例的说明性而非限制性的详细描述，将会更好地了解本发明的上述以及另外的目的、特征和优点，其中：

图1示出对称单极HVDC输电系统。

图2示出AC-DC换流器。

图3示出按照本发明的实施例的HVDC输电系统。

图4示出按照本发明的另一实施例的HVDC输电系统。

图5示出按照本发明的实施例的电压平衡单元。

所有附图都是示意性的，而不一定按比例绘制，并且一般仅示出必要的部分，以便阐明本发明，其中可省略或者只是建议其它部分。

具体实施方式

为了便于描述本发明，图1中概述对称单极HVDC输电系统。该系统可以是诸如多终端HVDC电网之类的较大HVDC输电或配电系统的一部分。

输电系统100包括两个AC-DC换流器101、102，AC-DC换流器101、102通过包括两个极（即导线104、105）的对称单极输电线103来互连。输电线103可基于电缆、高架线或者它们的组合。一般来说，输电线103可包括多段106和107，每段基于电缆或者高架线。此外，输电系统100包括三对第一避雷器121-126。第一对第一避雷器121和122布置在输电线103的第一端，第二对第一避雷器125和126布置在输电线103的第二端，以及第三对第一避雷器123和124布置在输电线段106和107的接合处。通常，如果段106和107的其中之一是高架线而另一段是电缆线，则采用第三对第一避雷器123和124。避雷器121-126的目的是保护电缆免受因电缆末端（即输电线103的极104和105的末端）的反射引起的过电压。第一避雷器121-126的SIPL大约为1.8 p.u.。输电系统100例如可用于将电力从第一AC网络108传送到第二AC网络109，或者反过来。

图2中，例示AC-DC换流器，例如参照图1所述的换流器101和102。

AC-DC换流器200包括变压器201、诸如电抗器202之类的线路滤波器或平滑设备以及VSC 203。换流器200还可包括AC断路器204。VSC 203包括三个阀对，每个AC相一个。每个阀207包括若干串联连接的二极管绝缘栅双极晶体管(IGBT)对，每对的二极管和晶体管相对于彼此反并联连接。在205，可连接AC网络，以及在206可连接HVDC输电线，例如参照图1所述的输电线103。

参照图3，描述本发明的实施例。图3中，示出HVDC输电系统300。系统300与参见图1所述的HVDC输电系统100相似，并且包括：两个AC-DC换流器301和302，其可分别连接到AC网络308和309；以及输电线303，其互连两个换流器301和302。输电线303包括两个极304和305。为了简洁起见，与图1所示的输电线103相反输电线303仅包括一段，并且只基于高架线。系统300包括布置在输电线303的任一端的两对第一避雷器321-324。输电系统300还包括电压平衡单元330。电压平衡单元330包括两个第二避雷器331和332以及两个开关装置333和334。避雷器331和开关装置333串联连接，以及开关装置333布置用于在开关装置333处于闭合状态的条件下将避雷器331连接在输电线303的第一极304与接地之间。对应地，避雷器332和开关装置334串联连接，以及开关装置334布置用于在开关装置334处于闭合状态的条件下将避雷器332连接在输电线303的第二极305与接地之间。在正常操作期间，开关装置333和334处于断开状态。

为了便于描述本发明，具体来说是电压平衡单元330，假定第二极305遭受暂时接地故障311，即，极305与接地之间的暂时短路。该故障可能由雷电引起。此外，假定输电系统300的基准极到接地电压为1.0 p.u.，以及第一和第二避雷器的SIPL分别为大约1.8和1.2 p.u.。

在接地故障311的过程中，健全极304的电压将上升高到大约1.8 p.u.，由第一避雷器321-324所限制。通过避雷器321和323的电流由参照图2所述的电抗器202来限制，直到通过切断对故障供电的AC网络来消除故障电流为止。有故障极305的导线通过故障来放电，以及由换流器301通过健全极304所馈送的故障电流将比较低，因为健全极304的电压受到避雷器321和323限制。可通过断开布置在换流器301和/或302处的AC断路器（例如参照图2所述的断路器204），来消除故障电流。当AC断路器断开时，开关装置333和334闭合，使得避雷器331连接在第一极304与接地之间，以及避雷器332连接在第二极305与接地之间。由于连接第二避雷器331和332，健全极304的电压将降低到大约1.2 p.u.，即接近基准极到接地电压。当连接第二避雷器331和332时，有故障极305的电压不受影响。

当清除极305上的故障时，即，当极305与接地之间的暂时短路已经消失时，可重启输电。这可通过闭合换流器301和302处的AC断路器，从而产生大约1.1-1.2 p.u.的暂时极到极电压来实现。一旦VSC同步了阀控制，极到极电压降低到大约0.95-1.05 p.u.。最后，通过断开开关装置333和334，由此切断第二避雷器331和332，来完成重启。

参照图4，描述本发明的另一个实施例。图4示出HVDC输电系统400，其中包括：三个换流器401、402和403，其分别连接到AC网络404、405和406；以及HVDC输电线407和408。输电线407互连换流器401和402，而输电线408互连换流器401和403。对于其余方面，假定输电线407只基于高架线，而输电线408可基于电缆或高架线。各输电线包括两个极409和410。输电线407和408还可包括DC断路器441-448（在图4中标记为交叉）用于如果例如在线路上发生故障的情况下隔离输电线，则将输电线从其换流器切断。例如，如果将要隔离输电线407，则使DC断路器441-444跳闸，即断开。此外，各输电线在任一端包括第一避雷器对421-428。附加第一避雷器(图4中未示出)可在换流器侧DC断路器441-448布置，每个换流器401-403一对。另外，输电系统400包括电压平衡单元431-433，例如参照图3所述的电压平衡单元330。为了不混淆附图，图4中省略了与电压平衡单元431-433中包括的第二避雷器和开关装置相关的附图标记。

为了便于描述本发明，假定输电系统400的基准极到接地电压为1.0 p.u.，以及第一和第二避雷器的SIPL分别为大约1.8和1.2 p.u.。

在输电线407的第二极410上发生暂时接地故障411的情况下，输电线407的健全第一极409的电压将升高到大约1.8 p.u.，由第一避雷器421-424所限制。可通过断开DC断路器441-444来隔离输电线407。然后，可经由电压平衡单元432来平衡换流器402处的电压。可选地，换流器401和403处以及输电线408上的电压可分别利用电压平衡单元431和433来平衡。通过如参照图3所述闭合电压平衡单元431-433中包括的开关装置，由此连接第二避雷器，来实现电压平衡。在清除故障之后，可通过如参照图3所述断开电压平衡单元431-433中包括的开关装置，由此切断第二避雷器，并且随后闭合DC断路器443和444以及DC断路器441和422，来重启输电线407。

在换流器403中发生接地故障，例如参照图2所述的变压器201与VSC 203之间的三个相的其中之一上发生接地故障210的情况下，两个极409和410的电压均将升高到大约1.8 p.u.，由第一避雷器421-428所限制。可通过断开换流器403的AC断路器（例如图2所示的AC断路器204）以及DC断路器447和448来隔离换流器403。在清除故障之后，通过如参照图3所述的那样连接电压平衡单元431和432中包括的第二避雷器，可平衡输电线的电压，即将其降低到接近正常值。

在图5中，示出电压平衡单元的实施例。电压平衡单元500与分别参照图3和图4所述的电压平衡单元330和431-433相似，并且包括两个第二避雷器501和502以及开关装置503和504，开关装置503和504布置用于将任一个避雷器501和502分别连接在极505、506与接地之间。电压平衡单元500例如可布置用于在确定存在极505与506之间的电压不平衡时实现极与接地之间的避雷器501和502的连接。可选地，可响应确定已经切断故障（例如通过如上所述使断路器跳闸）来实现该连接。

参照图5，开关装置503和504的每个可分别包括HSS 507和508以及切断开关509和510。由于HSS没有中断通过避雷器501或502的潜在电流的能力，所以可采用HSS与切断开关的串联连接。HSS 507与切断开关509和避雷器501串联连接，而HSS 508与切断开关510和避雷器502串联连接。在正常操作期间，切断开关509和510闭合，而HSS 507和508断开。在发生接地故障的情况下，HSS 507和508闭合，由此分别建立极505与接地之间的避雷器501的连接和极506与接地之间的避雷器避雷器502的连接。随后，在清除故障之后，切断开关509和510断开，由此切断避雷器501和502。最后，HSS 507和508断开并且切断开关509和510闭合，由此恢复正常操作下的电压平衡单元500的状况。

具有包括HSS和切断开关两者的开关装置的本发明的实施例是有利的，因为它比采用HVDC断路器的实施例更便宜。通过串联连接HSS和切断开关，可利用HSS和切断开关的不同特性。更具体来说，在参照图5所述的电压平衡单元500中，结合了HSS 507和508的短闭合时间以及切断开关509和510的较大电流中断能力。但是，将会理解，可使用单个开关设备（例如HVDC断路器）来代替如图5所示组合HSS和切断开关。例如，开关装置503和504可以是具有充分短的闭合时间和充分大的直流中断能力的HVDC断路器。使用具有短闭合时间的开关装置是有利的，因为可最小化扰动的持续时间。另一方面，需要充分的直流中断能力，以便在将要切断第二避雷器时中断通过第二避雷器的直流。

本领域的技术人员知道，本发明绝不是局限于上述实施例。相反，在所附权利要求书的范围之内，许多修改和变型是可能的。

总之，提供一种用于互连两个VSC的对称单极HVDC输电线的电压平衡单元，该输电线包括具有第一SIPL的第一避雷器。电压平衡单元包括：第二避雷器对，其具有比第一SIPL更小的第二SIPL；以及开关装置，其布置用于在输电线上发生电压不平衡的情况下暂时将第一避雷器连接在任一极与接地之间。本发明利用如下理解：可通过暂时连接具有比第一避雷器明显更低的SIPL的第二避雷器以用于将极电压限制到接近正常电压的等级，来消除输电线上的电压不平衡。此外，提供电压平衡的方法。电压不平衡可由于雷电引起接地故障而发生。