直流傳輸和配送系統以及操作該系統的方法

2023-07-18 02:52:26 2

直流傳輸和配送系統以及操作該系統的方法
【專利摘要】本發明名稱為「直流傳輸和配送系統以及操作該系統的方法」一種直流（DC）傳輸和配送（T&D）系統，包括多個DC至DC轉換器裝置，這些多個DC至DC轉換器裝置定義DCT&D系統的多個可隔離部分。該DCT&D系統還包括耦合到這些DC至DC轉換器裝置的DCT&D控制系統。該DCT&D控制系統包括多個電流傳感器。將這些電流傳感器的至少一個設在這些DC至DC轉換器裝置的其中之一處。將電流傳感器配置成傳送表示經由DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的信號。該DCT&D控制系統還包括多個處理器。將至少一個處理器耦合到電流傳感器和DC至DC轉換器裝置。該處理器配置成作為經由DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的函數來調節經由該DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸。
【專利說明】直流傳輸和配送系統以及操作該系統的方法
[0001]有關美國聯邦政府資助的研究和開發的聲明
本發明是依據美國能源部高級研究計劃局(ARPA-E)授予的合同號DE-AR0000224的政府支持完成的。政府可能在本發明中擁有某些權利。

【技術領域】
[0002]本發明披露的領域一般涉及高電壓直流(HVDC)傳輸和配送(T&D)系統，更具體地來說，涉及其運行的系統和方法。

【背景技術】
[0003]至少一些公知發電設施在物理位置上位於物理上接近有困難的區域或偏遠地理區中。一個示例包括地理上位於遠離消費者的崎嶇和/或偏遠的地形(例如山區山腹)以及近海(例如近海風力渦輪設備)的發電設施。更確切地來說，這些風力渦輪可能在共有地理區中在物理上嵌套在一起，以形成風力渦輪廠，並電耦合到共有交流(AC)收集器系統。許多這些公知的風力渦輪廠包括電耦合到AC收集器系統的分開的功率變換組裝件，或系統。此類公知的分開的功率變換組裝件包括整流器部分和逆變器部分，整流器部分將發電設施產生的AC轉換成直流(DC)，逆變器部分將DC轉換成預定頻率和電壓振幅的AC。分開的功率變換組裝件的整流器部分設在緊靠關聯的發電設施的附近，而分開的全功率變換組裝件的逆變器部分設在如路基設施的遠端設施中。此類整流器和逆變器部分典型地通過水下HVDC電力線纜來電連接，這些水下HVDC電力線纜至少部分地定義HVDC T&D系統。再有，至少一些公知的HVDC T&D系統耦合到無需AC變換的逆變器部分的DC負載。
[0004]許多公知的HVDC T&D系統包括設為定義系統的可隔離部分的機械隔離裝置，例如，斷路器和自動開關。可以將此類機械隔離裝置開路以隔離電故障和可能地，一旦故障被隔離時，將其閉合以使儘可能多的系統恢復服務。此外，許多公知HVDC T&D系統包括監督控制和數據採集(SCADA)系統或某種等效裝置，該SCADA系統內設有電流和電壓傳感器以利於隔離和恢復操作。但是，與AC T&D系統對比，由於DC的特性，即，作為時間的函數的DC電壓和電流的振幅沒過零，該機械隔離裝置的此類開路需要在負載下將裝置開路，從而增加該機械隔離裝置的觸點部分處產生電弧的風險，與此同時觸點部分的使用壽命潛在地縮短。再有，在向上DC電流漂移的情況下，一般認為操作員有大約5毫秒(ms)來隔離關聯的故障以避免電流路徑中的組件的使用壽命的潛在縮短。


【發明內容】

[0005]在一個方面中，提供一種直流(DC)傳輸和配送(T&D)系統。該系統包括多個DC至DC轉換器裝置，所述多個DC至DC轉換器裝置至少部分地定義所述DC T&D系統的多個可隔離部分。DC T&D系統還包括耦合到多個DC至DC轉換器裝置的DC T&D控制系統。該DCT&D控制系統包括多個電流傳感器。將多個電流傳感器的至少一個設在多個DC至DC轉換器裝置的至少一個DC至DC轉換器裝置處。將多個電流傳感器的至少一個電流傳感器配置成傳送表示經至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的至少一個信號。DC T&D控制系統還包括多個處理器。將多個處理器的至少一個處理器耦合到至少一個電流傳感器和至少一個DC至DC轉換器裝置。將至少一個處理器配置成作為經由至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的函數來調節至少包括經由至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的電參數。
[0006]在進一步的方面中，提供一種用於DC T&D系統的直流(DC)傳輸和配送(T&D)控制系統。該DC T&D系統包括多個DC至DC轉換器裝置。該DC T&D控制系統包括多個電流傳感器。將多個電流傳感器的至少一個電流傳感器設在多個DC至DC轉換器裝置的每個DC至DC轉換器裝置處。每個電流傳感器配置成傳送表示經由其中的DC電流傳輸的值的至少一個信號。該DC T&D控制系統還包括耦合到多個電流傳感器和多個DC至DC轉換器裝置的多個處理器。將多個處理器配置成確定DC T&D系統上的電故障，並作為電故障的結果，至少部分地作為經由多個DC至DC轉換器裝置的每個的DC電流傳輸的值的函數來調節經由多個DC至DC轉換器裝置的至少一部分的DC電流傳輸。多個處理器還配置成確定經由DC T&D系統的沿著第一方向的和沿著與第一方向相反的第二方向的DC電流傳輸。
[0007]在另一個方面中，提供一種操作直流(DC)傳輸和配送(T&D)系統的方法。該DCT&D系統包括多個DC至DC轉換器裝置和各包括至少一個機械隔離裝置的多個節點。該DCT&D系統還包括DC T&D系統的在這些節點之間定義的多個可隔離部分。該方法包括減少經由電故障處的多個可隔離部分的至少一部分的DC電流傳輸，並調節至少一個DC至DC轉換器裝置。該方法還包括確定經由多個節點的每個節點的DC電流傳輸的方向。該方法還包括至少部分地作為經由多個節點的每個節點的DC電流傳輸的方向的函數來確定該DC T&D系統上的電故障的位置。該方法還包括隔離多個可隔離部分的至少其中一部分，其包括將至少一個機械隔離裝置開路。
[0008]根據第一實施例，提供了一種直流(DC)傳輸和配送(T&D)系統，包括:多個DC至DC轉換器裝置，所述多個DC至DC轉換器裝置至少部分地定義所述DC T&D系統的多個可隔離部分；以及耦合到所述多個DC至DC轉換器裝置的DC T&D控制系統，所述DC T&D控制系統包括:多個電流傳感器，其中將所述多個電流傳感器的至少一個設在所述多個DC至DC轉換器裝置的至少一個DC至DC轉換器裝置處，其中所述多個電流傳感器的所述至少一個電流傳感器配置成傳送表示經所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的至少一個信號；以及多個處理器，其中所述多個處理器的至少一個處理器耦合到所述至少一個電流傳感器和所述至少一個DC至DC轉換器裝置，所述至少一個處理器配置成作為經由所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的函數來調節至少包括經由所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的電參數。
[0009]優選地，根據第一實施例的系統還包括至少一個發電裝置，其中所述多個DC至DC轉換器裝置經由多個電通道耦合到所述至少一個發電裝置。進一步地，所述至少一個發電裝置包括至少一個可再生能源裝置。更進一步地，所述至少一個可再生能源裝置包括至少一個風力渦輪發電機。
[0010]優選地，所述多個DC至DC轉換器裝置包括設在近海DC站內的至少一個DC至DC
轉換器裝置。
[0011]優選地，根據第一實施例的系統還包括多個機械隔離裝置，所述多個機械隔離裝置配置成將所述DC T&D系統的至少一部分移出服務，其中所述多個DC至DC轉換器裝置還配置成在促動所述多個機械隔離裝置的至少一個機械隔離裝置之前，減少經由所述DC T&D系統的所述至少一部分的DC電流傳輸。進一步地，所述多個處理器還配置成至少部分地作為所述至少一個機械隔離裝置的狀態的函數來經由所述多個DC至DC轉換器裝置恢復所述DC T&D系統的部分。更進一步地，所述多個DC至DC轉換器裝置還配置成增加經由未經由所述至少一個機械隔離裝置隔離的所述DC T&D系統的至少一部分的DC電流傳輸。進一步地，所述多個電流傳感器和所述多個機械隔離裝置設在所述DC T&D系統內以在其中定義多個節點，從而與所述多個DC至DC轉換器裝置結合進一步至少部分地定義所述DC T&D系統的所述多個可隔離部分。更進一步地，所述至少一個處理器還配置成:生成包括所述多個節點的每個節點的數字矩陣；對通過所述多個電流傳感器的第一部分檢測的、經由所述多個節點的至少第一部分沿著所述第一方向傳送的DC電流傳輸指配正I的數值；以及對通過所述多個電流傳感器的第二部分檢測的、經由所述多個節點的至少第二部分沿著所述第二方向傳送的DC電流傳輸指配負I的數值。再進一步地，所述多個處理器還配置成:減少經由所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸，以減少經由所述多個可隔離部分的所述至少一個的DC電流傳輸；以及作為所述數值的指配的函數來促動所述至少一個機械隔離裝置以隔離所述多個可隔離部分的所述至少一個。又更進一步地，所述至少一個處理器還配置成:經由促動所述至少一個機械隔離裝置來取消對所述多個可隔離部分的所述至少一個的隔離；以及增加經由未經由所述至少一個DC至DC轉換器裝置隔離的所述DC T&D系統的至少一部分的DC電流傳輸。再又更進一步地，所述多個處理器還配置成至少部分地作為經由所述多個節點的DC功率傳輸的方向的函數，隔離和恢復所述多個可隔離部分的所述至少一個。
[0012]根據第二實施例，提供了一種用於DC T&D系統的直流(DC)傳輸和配送(T&D)控制系統，所述DC T&D系統包括多個DC至DC轉換器裝置，所述DC T&D控制系統包括:多個電流傳感器，其中將所述多個電流傳感器的至少一個電流傳感器設在所述多個DC至DC轉換器裝置的每個DC至DC轉換器裝置處，其中每個所述電流傳感器配置成傳送表示經由其中的DC電流傳輸的值的至少一個信號；以及耦合到所述多個電流傳感器和所述多個DC至DC轉換器裝置的多個處理器，所述多個處理器配置成:確定所述DC T&D系統上的電故障；作為所述電故障的結果，至少部分地作為經由所述多個DC至DC轉換器裝置的每一個的DC電流傳輸的值的函數來調節經由所述多個DC至DC轉換器裝置的至少其中一部分的DC電流傳輸；以及確定經由所述DC T&D系統的沿著第一方向的和沿著與所述第一方向相反的第二方向的DC電流傳輸。
[0013]根據第三實施例，提供了一種操作直流(DC)傳輸和配送(T&D)系統的方法，所述直流(DC)傳輸和配送(T&D)系統包括多個DC至DC轉換器裝置和各包括至少一個機械隔離裝置的多個節點，以及在所述節點之間定義的所述DC T&D系統的多個可隔離部分，所述方法包括:減少經由所述電故障處的所述多個可隔離部分的至少一部分的DC電流傳輸，包括調節所述至少一個DC至DC轉換器裝置；確定經由所述多個節點的每個節點的DC電流傳輸的方向；至少部分地作為經由所述多個節點的每個節點的DC電流傳輸的方向的函數來確定所述DC T&D系統上的電故障的位置；以及隔離所述多個可隔離部分的至少其中一部分包括將所述至少一個機械隔離裝置開路。
[0014]優選地，減少經由所述多個可隔離部分的至少一部分的DC電流傳輸包括，在促動所述至少一個機械隔離裝置之前，減少經由所述至少一個機械隔離裝置的DC電流傳輸。
[0015]進一步地，減少經由所述多個可隔離部分的至少一部分的DC電流傳輸還包括，當經由所述至少一個機械隔離裝置傳送的電流為大約零時，將所述至少一個機械隔離裝置開路。
[0016]優選地，調節所述至少一個DC至DC轉換器裝置包括:調節可再生能源處的第一DC至DC轉換器裝置；以及調節近海DC站處的第二 DC至DC轉換器裝置。
[0017]優選地，根據第三實施例的方法還包括:經由至少一個處理器生成數字矩陣，其中所述數字矩陣包括所述多個節點的每個節點；經由所述至少一個處理器在所述數字矩陣中指配正I的數值，其中正I的所述數值表示沿著向前方向經由所述多個節點的至少一個節點的DC電流傳輸；以及經由所述至少一個處理器在所述數字矩陣中指配負I的數值，其中負I的所述數值表示沿著逆向方向經由所述多個節點的至少一個節點的DC電流傳輸。
[0018]優選地，根據第三實施例的方法還包括:通過將所述至少一個機械隔離裝置閉合，至少部分地恢復所述多個可隔離部分的至少一部分；以及增加經由所述多個可隔離部分的所述至少一部分的DC電流傳輸包括調節至少一個DC至DC轉換器裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其他特徵、方面和優點，在這些附圖中相似的符號表示相似的部件，其中:
圖1是示範計算裝置的框圖；
圖2是可以包括圖1所示的計算裝置的示範監視和控制系統的一部分的框圖；
圖3是可以使用圖2所示的系統來監視和控制的示範高電壓直流(HVDC)傳輸和配送(T&D)系統的不意圖；
圖4是可以使用圖2所示的系統來監視和控制的備選示範HVDC T&D系統的示意圖；圖5是可以使用圖2所示的系統來監視和控制的另一個備選示範HVDC T&D系統的示意圖；
圖6是可以與圖5所示的系統一起使用的示範節點的示意圖；以及圖7是可以與圖5所示的系統一起使用的、作為故障位置的函數的電流方向的表格視圖。
[0020]除非另行說明，否則本文提供的附圖意味著圖示本發明披露的實施例的特徵。確信這些特徵可應用於包括本發明披露的一個或多個實施例的範圍廣泛的系統。因此，這些附圖不意味著包含本領域普通技術人員公知實現本文披露的實施例所需的所有常規特徵。

【具體實施方式】
[0021]在下文說明書和權利要求中，將引用多個術語，這些術語應定義為具有如下含義。
[0022]除非上下文明確地另行說明，否則單數形式「一」和「該」包含多個引用項。
[0023]「可選」或「可選地」表示後面描述的事件或情況可能出現或可能不出現，以及該描述包含此事件出現的實例以及此事件未出現的實例。
[0024]如本說明書和權利要求所使用的，可能使用近似語言來修飾在不導致與其相關的基本功能改變的前提下可允許變化的任何數量表示。相應地，如「大約」和「基本上」的一個或多個術語修飾的值不應限於所指定的精確值。在至少一些實例中，近似語言可以對應於測量該值的儀器的精度。此處以及整個說明書和權利要求中，可以組合和/或互換範圍限制，除非上下文或語言另行說明，否則可以標識此類範圍以及此類範圍包括本文包含的所有從屬範圍。
[0025]本文描述的HVDC傳輸和配送(T&D)系統提供一種用於傳輸HVDC功率的成本有效的方法。本文描述的實施例利於跨相對較長距離傳送HVDC功率，同時利於快速地檢測和選擇性隔離系統上的電故障。本文描述的實施例還利於快速地恢復系統中故障部分以外的的那些部分。確切地來說，本文描述的裝置、系統和方法包括多個DC至DC轉換器裝置和定義HVDC T&D系統中的節點的機械隔離裝置。再有，DC至DC轉換器裝置利於在經由其中傳送而感測到的DC電流超過參數的情況下實時地減少經由其中的DC電流。再者，將每個節點處測量的DC電流的極性實時地傳送給監督控制和數據採集(SCADA)系統。確切地來說，在感測到一個或多個節點中逆向極性的DC電流的情況下，DC至DC轉換器裝置以將逼近O安培的大大地降低的負載啟動與機械隔離裝置關聯的操作。
[0026]本文描述的裝置、系統和方法利於系統恢復。一旦清除電故障,則SCADA系統將啟動故障後復原動作。確切地來說，清除的機械隔離裝置將在接近O的負載下重新閉合，關聯的DC至DC轉換器裝置將增加經由這些轉換器和機械隔離裝置傳送的電流以迅速地恢復至受影響部分的DC功率傳輸。
[0027]圖1是可以使用來執行高電壓直流(HVDC)傳輸和配送(T&D)系統(圖1中未示出)的監視的示範計算裝置105的框圖。更確切地來說，任何設備、系統和過程，即，HVDC T&D系統的組件，例如且不限於，DC至DC轉換器裝置(圖1中未示出)、機械隔離裝置和監視裝置(圖1中未示出)。計算裝置105包括存儲器裝置110和可操作地耦合到存儲器裝置110以用於執行指令的處理器115。處理器115可以包括例如且不限於多核配置中的一個或多個處理單元。在一些實施例中，將可執行指令存儲在存儲器裝置110中。計算裝置105可配置成由編程處理器115執行本文描述的一個或多個操作。例如，可以通過將操作編碼為一個或多個可執行指令並在存儲器裝置110中提供這些可執行指令來對處理器115編程。在該示範實施例中，存儲器裝置110是能夠實現如可執行指令和/或其他數據的信息的存儲和檢索的一個或多個裝置。存儲器裝置110可以包括一個或多個計算機可讀介質，如且不限於，隨機存取存儲器(RAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)、靜態隨機存取存儲器(SRAM)、固態硬碟、硬碟、只讀存儲器(ROM)、可擦寫可編程ROM (EPROM)、電可擦寫可編程ROM (EEPROM)和/或非易失性RAM (NVRAM)存儲器。上面的存儲器類型僅是示範性的，因此不是有關可用於電腦程式存儲的存儲器類型的限制。
[0028]正如本文所使用的，術語「計算機」及相關術語，例如「計算裝置」不限於本領域中稱為計算機的集成電路，而是廣義地指微控制器、微計算機、可編程邏輯控制器(PLC)、專用集成電路和其他可編程電路(圖1中未示出)，以及這些術語在本文中可互換地使用。
[0029]再者，正如本文所使用的，術語「軟體」和「固件」是可互換的，並且包括存儲在存儲器中以供個人計算機、工作站、客戶機和伺服器執行的任何電腦程式。
[0030]再者，正如本文所使用的，術語「非臨時性計算機可讀介質」包括所有有形計算機可讀介質，如固件、軟盤、CD-ROM、DVD和如網絡或網際網路的另一種數字源，以及尚待開發的數字裝置，唯一除外是臨時性傳播信號。
[0031]存儲器裝置110可以配置成存儲運行測量，包括且不限於實時和歷史振動值和/或任何其他類型數據。在一些實施例中，處理器115基於數據的新舊從存儲器裝置110移除或「清除」數據。例如，處理器115可以蓋寫與後續時間和/或事件關聯的先前記錄和存儲的數據。作為附加或備選，處理器115可以移除超出預定時間間隔的數據。再有，存儲器裝置110包括且不限於用於幫助監視和控制HVDC T&D系統內的組件的足夠數據、算法和命令。
[0032]正如本文所使用的，術語「實時」是指關聯的事件發生的時間、測量和收集預定數據的時間、處理數據的時間和系統響應事件和環境的時間的至少其中之一。在本文描述的實施例中，這些活動和事件基本瞬間發生。
[0033]在一些實施例中，計算裝置105包括耦合到處理器115的呈示接口 120。呈示接口120將如用戶界面和/或報警的信息呈示給用戶125。在一個實施例中，呈示接口 120包括顯示器適配器(未示出)，如陰極射線管(CRT)、液晶顯示器(IXD)、有機LED (OLED)顯示器和/或「電子墨水」顯示器。在一些實施例中，呈示接口 120包括一個或多個顯示裝置。作為附加或備選，呈示接口 120包括音頻輸出裝置(未示出)(例如，音頻適配器和/或揚聲器)和/或印表機(未示出)。在一些實施例中，呈示接口 120通過使用例如人機接口(HMI)(圖1中未示出)呈示與正在被監視的HVDC T&D系統關聯的報警。
[0034]在一些實施例中，計算裝置105包括用戶輸入接口 130。在該示範實施例中，用戶輸入接口 130耦合到處理器115以及從用戶125接收輸入。用戶輸入接口 130可以包括例如鍵盤、指向裝置、滑鼠、觸控筆、觸敏板，例如且不限於，觸摸板或觸控螢幕、和/或音頻輸入接口(例如且不限於麥克風)。如觸控螢幕的單個組件可以兼用作呈示接口 120的顯示裝置和用戶輸入接口 130。
[0035]通信接口 135耦合到處理器115且配置成與一個或多個其他裝置通信耦合(一個或多個其他裝置例如傳感器或另一個計算裝置105)，以及執行相對於此類裝置的輸入和輸出操作同時作為輸入通道執行。例如，通信接口 135可以包括且不限於有線網絡適配器、無線網絡適配器、移動電信適配器、串行通信適配器和/或並行通信適配器。通信接口 135可以從一個或多個遠程裝置接收數據和/或將數據傳送到一個或多個遠程裝置。例如，一個計算裝置105的通信接口 135可以向另一個計算裝置105的通信接口 135傳送警報。
[0036]呈示接口 120和/或通信接口 135均能夠(例如，向用戶125或另一個裝置)提供適於與本文描述的方法一起使用的信息。相應地，呈示接口 120和通信接口 135可以稱為輸出裝置。相似地，用戶輸入接口 130和通信接口 135能夠接收適於與本文描述的方法一起使用的信息並且可以稱為輸入裝置。
[0037]圖2是可以使用來監視和控制HVDC T&D系統300的至少一部分的監視和控制系統、即在示範實施例中監督控制和數據採集(SCADA)系統200的一部分的框圖。正如本文所使用的，術語「SCADA系統」是指可以跨多個地點和長距離監視和控制HVDC T&D系統300的任何控制和監視系統。
[0038]在該示範實施例中，SCADA系統200包括配置成執行監視算法和監視邏輯的至少一個中央處理單元(CPU) 215。CPU 215可以經由通信網絡225耦合到其他裝置220。CPU215可以是且不限於設備級集中式CPU、工廠級集中式CPU、多個分布式CPU的其中之一和可攜式CPU。作為備選，SCADA系統200包括配置成執行控制算法和控制邏輯的至少一個中央處理單元(CPU) 215。CPU 215可以是且不限於設備級集中式控制器、多個分布式控制器的其中之一和可攜式控制器。再有，作為備選，SCADA系統200僅向單獨CPU或控制器提供數據輸入。
[0039]網絡225的實施例可以包括與不限於網際網路、區域網(LAN)、廣域網(WAN)、無線LAN (WLAN)和/或虛擬專用網絡(VPN)的操作耦合。雖然某些操作是在下文中結合特定計算裝置105來描述的，但是可設想任何計算裝置105可以執行所描述的操作的其中一個或多個操作。例如，CPU 215可以執行全部如下操作。
[0040]參考圖1和圖2，CPU 215是計算裝置105。在該示範實施例中，計算裝置105經由通信接口 135耦合到網絡225。在備選實施例中，將CPU 215與其他裝置220集成。
[0041]正如本文所使用的，術語「控制器」、「控制系統」、「數據採集系統」和「處理器」包括任何可編程系統，其包括系統和微控制器、精簡指令集電路、專用集成電路、可編程邏輯電路和能夠執行本文描述的功能的任何其他電路。上文的示例僅是示範性的，並且因此不應以任何方式限制術語處理器的定義和/或含義。而且，在一些實施例中，可以在能夠實現如本文描述的發電單元(圖2中未示出)的操作的更寬泛控制系統(未示出)內實現SCADA系統200的至少一部分和附加部分(未示出)，更寬泛控制系統包括且不限於個人計算機、遠程伺服器、可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(DCS)機櫃和手持啟用網際網路的裝置內駐存的那些處理器。
[0042]CPU 215例如且不限於經由用戶輸入接口 130和/或呈示接口 120與第一操作員230交互。在一個實施例中，CPU 215向操作員呈示有關HVDC T&D系統300的信息(如報警)。其他裝置220例如且不限於經由用戶輸入接口 130和/或呈示接口 120與第二操作員235交互。例如，其他裝置220向第二操作員235呈示報警和/或其他運行信息。正如本文所使用的，術語「操作員」包括具備與操作和維護HVDC T&D系統300關聯的任何能力的任何人員，包括且不限於輪班操作人員、維護技工和設備管理員。
[0043]在該示範實施例中，HVDC T&D系統300包括經由至少一個輸入通道245耦合到CPU215的一個或多個監視傳感器240。監視傳感器240收集運行測量，包括且不限於，HVDC T&D系統300內生成的DC電壓和電流。監視傳感器240重複(例如周期性地)持續地和/或在請求時傳送測量時的運行測量讀數。CPU 215接收並處理運行測量讀數。此類數據跨網絡225傳送，並且可以被能夠訪問網絡225的任何裝置訪問，能夠訪問網絡225的任何裝置包括且不限於桌上型計算機、膝上型計算機和個人數字助理(PDA) (二者均未示出)。在備選實施例中，CPU 215包括且不限於用於幫助控制經由HVDC T&D系統300的DC電流傳輸的足夠數據、算法和命令。
[0044]在該示範實施例中，監視傳感器240可以生成大量數據。因此，其他裝置220包括具有能夠實現如本文描述的HVDC T&D系統300和SCADA系統200的操作的資料庫和存儲系統的至少一個數據伺服器。
[0045]圖3是可以使用SCADA系統200來監視和控制的示範高電壓直流(HVDC)傳輸和配送(T&D)系統300的示意圖。在該示範實施例中，HVDC T&D系統300將多個交流(AC)發電裝置302耦合到可能設在遠離裝置302數百或數千公裡的電功率傳輸和配電電網304。
[0046]再有，在該示範實施例中，每個發電裝置302是永磁(PM)風力渦輪發電機(WTG)。可以將發電裝置302至少部分地在地理上和/或在電氣上分組以定義可再生能源發電設施，即，風電廠306。風電廠306由特定地理區域中的多個風力渦輪發電機定義，或作為備選，由每個風力渦輪發電機至共有配電站的電連接定義。風電廠306可能在物理上位於偏遠地理區或難以物理上接近的區域中。例如且不限於，風電廠306可能在地理上位於遠離消費者的崎嶇和/或偏遠的地形(例如山區山腹)中。
[0047]在該示範實施例中，包括發電裝置302的風電廠306位於近海，即裝置302是近海PM WTG安裝設備。作為備選，發電裝置302可以包括任何類型的可再生發電系統，包括例如且不限於，太陽能發電系統、燃料電池、熱功率發電機、地熱發電機、水力發電機、柴油發電機、汽油發電機和/或從可再生能源發電的任何其他裝置。再有，作為備選，發電裝置302可以包括任何類型的不可再生發電系統，包括例如且不限於，燃煤或燃油點燃的設施、燃氣渦輪引擎、核能發電設施和/或從不可再生能源發電的任何其他裝置。而且，可以使用任何數量的發電裝置302，從I到η個裝置。
[0048]每個發電裝置302耦合到AC至DC整流器裝置308。AC至DC整流器裝置308從發電裝置302接收三相正弦交流(AC)功率，並將三相正弦AC功率整流成預定電壓下的直流(DC)功率。
[0049]再有，在該示範實施例中，發電裝置302的每一個和AC至DC整流器裝置308的每一個是相似的。而且，發電裝置302的每一個和AC至DC整流器裝置308的每一個配置成向SCADA系統200傳送實時運行狀態和反饋信息以便從SCADA系統200接收命令。作為備選，使用能夠實現HVDC T&D系統300和SCADA系統200的操作的任何控制系統體系結構。
[0050]在該示範實施例中，HVDC T&D系統300包括耦合到每個AC至DC整流器裝置308的一個DC至DC轉換器裝置310。DC至DC轉換器裝置310接收從AC至DC整流器裝置308傳送的DC功率，並將具有第一電壓V1^1的DC功率轉換成具有利於長距離傳輸到電網304的具有第二預定電壓VDe_2的DC功率。HVDC T&D系統300還包括耦合到所有DC至DC轉換器裝置310的DC至DC轉換器裝置312。DC至DC轉換器裝置312與DC至DC轉換器裝置310相似,所例外的是裝置312較裝置310具有更大銘牌電流(nameplate current)和額定功率範圍。
[0051]DC至DC轉換器裝置312接收從DC至DC轉換器裝置310傳送的DC功率。DC至DC轉換器裝置312處接收的DC功率是基本表示第二預定電壓VDe_2減線路損耗的第三DC電壓VDC_3。DC至DC轉換器裝置312將具有第三電壓VDC_3的DC功率轉換成具有第四預定電壓VDC_4的DC功率，第四預定電壓VDC_4利於至電網304的短距離傳輸。如圖所示，DC至DC轉換器裝置312是近海HVDC站313的一部分。
[0052]再有，在該示範實施例中，DC至DC轉換器裝置310和DC至DC轉換器裝置312的每一個是相似的，所例外的是能夠實現如本文所描述的HVDC T&D系統300和SCADA 200的操作所需的銘牌額定。而且，DC至DC轉換器裝置310和DC至DC轉換器裝置312的每一個包括至少一個DC電流感測裝置334 (示出兩個)。每個DC電流感測裝置334是監視傳感器240 (圖2中示出)的一部分且設在關聯的DC至DC轉換器裝置310和312內。作為備選，將DC電流感測裝置334設為儘可能靠近關聯的DC至DC轉換器裝置310和312，包括且不限於設在DC開關櫃(未示出)內和設在DC至DC轉換器控制櫃(未示出)內。DC電流感測裝置334配置成向SCADA系統200傳送實時運行狀態和反饋信息。節點404至420還可以包括能夠實現可與如本文描述的HVDC T&D系統400 —起使用的節點404至420的操作的任何其他感測裝置。作為備選，使用能夠實現HVDC T&D系統300和SCADA系統200的操作的任何控制系統體系結構。
[0053]再者，在該示範實施例中，DC至DC轉換器裝置310和DC至DC轉換器裝置312的每一個包括至少一個控制器336，至少一個控制器336包括至少一個處理器(未示出)。正如本文所使用的，術語「控制器」、「控制系統」和「處理器」包括任何可編程系統，其包括系統和微控制器、精簡指令集電路、專用集成電路、可編程邏輯電路和能夠執行本文描述的功能的任何其他電路。上文的示例僅是示範性的，並且因此不應以任何方式限制術語處理器的定義和/或含義。而且，控制器336可以包括執行支持應用，包括且不限於用於SCADA系統200的那些支持應用的足夠處理能力。在DC至DC轉換器裝置310和312的每一個中，關聯的控制器336耦合到關聯的DC電流感測裝置334。每個控制器336還耦合到和/或SCADA系統200的一部分因此，DC至DC轉換器裝置310和312的每一個配置成經由控制器336從SCADA系統200的其他部分接收命令。
[0054]而且，在該示範實施例中，HVDC T&D系統300包括多個HVDC傳輸通道314，即具有約50米(m)和約100 m之間的範圍中的短長度的海底線纜。HVDC T&D系統300還包括HVDC傳輸通道316，即作為每個HVDC傳輸通道314的HVDC總線的海底線纜。HVDC T&D系統300還包括HVDC傳輸通道318，即具有約10公裡(km)的延長長度的海底線纜。作為備選，HVDC傳輸通道314、316和318具有能夠實現如本文描述的HVDC T&D系統300和SCADA系統200的操作的任何配置和長度。而且，作為備選，HVDC傳輸通道314、316和318包括任何數量和配置的導體，例如但不限於，任何材料製造能夠實現如本文描述的HVDC T&D系統300和SCADA系統200的操作的線纜、管道系統和總線。
[0055]在操作中，每個AC發電裝置302，即風電廠306中的每個PM WTG生成三相正弦AC功率。AC至DC整流器裝置308接收該三相正弦AC功率，並將其整流成預定第一電壓V1^1下的DC功率。DC至DC轉換器裝置310接收從AC至DC整流器裝置308傳送的DC功率，並將具有第一電壓Vn的DC功率轉換成具有利於跨HVDC傳輸通道314、316和318至近海HCDC站313的、具有第二預定電壓VDC_2的DC功率。DC至DC轉換器裝置312接收以第三DC電壓VDC-3跨HVDC傳輸通道314、316和318傳送的DC功率，第三DC電壓VDC_3大致表示第二預定電壓VDC_2減線路損耗。DC至DC轉換器裝置312將具有第三電壓VDC_3的DC功率轉換成具有第四預定電壓VDC_4的DC功率，第四預定電壓VDC_4利於至電網304的短距離傳輸。
[0056]圖4是可以使用(圖2所示的)SCADA系統200來監視和控制的備選示範HVDC T&D系統350的示意圖。HVDC T&D系統350與HVDC T&D系統300相似，所例外的是發電裝置302和關聯的AC至DC整流器裝置308和DC至DC轉換器裝置310以集群(cluster)來布置，集群例如集群#1、集群#2、直至集群#m。
[0057]圖5是可以使用(圖2和圖3所示的)SCADA系統200來監視和控制的另一個備選示範HVDC T&D系統400的示意圖。在該示範實施例中，HVDC T&D系統400與HVDC T&D系統300相似，其第一例外的是系統400包括多個海底HVDC通道318以及將集群#1至集群#m耦合到DC至DC轉換器裝置312的DC總線402。再有，HVDC T&D系統與HVDC T&D系統300和350不同在於第二例外:系統400包括多個節點404、406、408、410、412、414、416、418和 420。
[0058]圖6是可以與(圖5所示的)HVDC T&D系統400 —起使用的示範節點404至420的示意圖。在該示範實施例中，由機械隔離裝置432和至少一個DC電流感測裝置434 (示出兩個)定義節點404至420。每個DC電流感測裝置434是(圖2中示出的)監視傳感器240的一部分且設在關聯的機械隔離裝置432處，即儘可能地靠近，包括且不限於設在DC開關櫃(未示出)內和設在DC電路控制櫃內。節點404至420還可以包括能夠實現可與如本文描述的HVDC T&D系統400 —起使用的節點404至420的操作的任何其他感測裝置。
[0059]節點404至420是相似的，所例外的是能夠實現本文描述的HVDC T&D系統400和SCADA 200的操作所需的DC電流和功率銘牌額定。DC電流感測裝置434配置成向SCADA系統200傳送實時DC電流信息。而且，機械隔離裝置432配置成從SCADA系統200接收命令以及向SCADA系統200傳送狀態和反饋信息。
[0060]再次參考圖5，節點404至420定義每對節點之間的HVDC T&D系統400的多個可隔離部分。此類可隔離部分包括且不限於發電裝置302、整流器裝置308和通道314、316和318。圖5中示出多個示範電故障位置，即故障位置a、b、c、d和e。下文對每個故障位置進一步描述。
[0061]圖7是表格視圖，即表500表示可以與(圖5所示的)HVDC T&D系統400 —起使用的SCADA系統200內定義的數字矩陣。表500示出作為故障位置a、b、c、d和e的函數的電流方向I1、12、13、14和15。Il是指在節點404處測量的DC電流，12是指在節點406處測量的DC電流，13是指在節點412處測量的DC電流，14是指在節點414處測量的DC電流，以及15是指在節點420處測量的DC電流。數字I表示無逆向沿著定義的向前方向流動的DC電流(圖5中示出所有節點)。數字-1表示沿著與定義的向前方向的反方向，即有逆向流動的DC電流。
[0062]參考圖5、圖6和圖7，將第一故障位置a定義為位於風力渦輪I (WTl)發電裝置302 (具有關聯的AC至DC整流器裝置308)與節點404之間的集群#1中。經由DC至DC轉換器裝置310和312中的電流傳感器測量這些電流。當DC至DC轉換器裝置310和312中的電流上升達到或超過預定閾值或該電流超過預定閾值時，控制器336阻斷本地或最靠近的DC至DC轉換器裝置310和312，即控制器336減緩受影響的裝置310和312內的電流上升，將電流平準，然後在大致100με以下，即，在傳感器334檢測到故障的約20微秒(岸)內將電流降低到約O安培。因此，在任何機械隔離裝置操作之前，將故障a快速地與電網304和集群#1中的其餘線纜314隔離。故障隔離比減少對受影響的組件部分減少使用壽命縮減所需的典型5毫秒(ms)更快約三個數量級地發生。這種快速故障隔離主要是因為非電流傳感器334與SCADA系統200的遠程部分之間，而是電流傳感器334與控制器336之間的本地化通信。
[0063]在轉換器裝置310和312被阻斷時，圖5中HVDC T&D系統300至轉換器裝置312的左邊的多個部分表現為無源網絡，其中的電流根據登錄自然響應表現而無控制裝置，例如轉換器裝置310和312的影響，並且由此，電流將通過過零振蕩，類似於AC電流的情況。
[0064]經由DC電流傳感器434分別在節點404、406、412、414和420處測量DC電流I1、
12、13、14和15。在該示範實施例中，將DC電流I1、12、13和14全部逆向，如表500所示。由於大致瞬間實時地接收到流經系統400的DC電流的方向，包括快速變化和極性，所以SCADA系統200作出有關故障位於位置a處的確定。作為響應，SCADA系統200指令節點404處的機械隔離裝置432以在小於100毫秒(ms)內以約零安培開路。SCADA系統200指令節點404處的機械隔離裝置432再次閉合，作為節點404處的機械隔離裝置432的狀態的函數來取消被阻斷的轉換器裝置310的阻斷。SCADA系統200還配置成阻斷轉換器裝置310。但是，與使用經由控制器336的本地控制的情況下預期的小於100 g相比，此類阻斷命令將在小於100 ms內傳送。
[0065]第二故障位置b定義為位於集群#1中節點404和節點406之間的HVDC傳輸通道314上。轉換器裝置310和312如上文對應於故障位置a所描述的操作。經由DC電流傳感器434分別在節點404、406、412、414和420處測量電流I1、12、13、14和15。DC電流12、13和14全部逆向，如表500所示，而DC電流Il不逆向。由於大致瞬間實時地接收到流經系統400的DC電流的方向，包括快速變化和極性，所以SCADA系統200作出有關故障位於位置b處的確定。作為響應，SCADA系統200指令節點404和406處的機械隔離裝置432開路，然後指令恢復服務，正如上文對應於故障位置a所描述的。
[0066]第三故障位置c定義為位於集群#1中節點410和節點412之間的HVDC傳輸通道316上。轉換器裝置310和312如上文對應於故障位置a所描述的操作。經由DC電流傳感器434分別在節點404、406、412、414和420處測量電流I1、I2、I3、I4和15。DC電流13和14均逆向，如表500所示，而DC電流Il和12不逆向。由於大致瞬間實時地接收到流經系統400的DC電流的方向，包括快速變化和極性，所以SCADA系統200作出有關故障位於位置c處的確定。作為響應，SCADA系統200指令節點406、410和412處的機械隔離裝置432開路，然後指令恢復服務，正如上文對應於故障位置a所描述的。
[0067]第四故障位置d定義為位於集群#1的下遊節點412和節點414之間的HVDC傳輸通道318上。轉換器裝置310和312如上文對應於故障位置a所描述的操作。經由DC電流傳感器434分別在節點404、406、412、414和420處測量電流I1、12、13、14和15。DC電流14均逆向，如表500所示，而DC電流I1、12和13不逆向。由於大致瞬間實時地接收到流經系統400的DC電流的方向，包括快速變化和極性，所以SCADA系統200作出有關故障位於位置d處的確定。作為響應，SCADA系統200指令節點412和414處的機械隔離裝置432開路，然後指令恢復服務，正如上文對應於故障位置a所描述的。
[0068]第五故障位置d定義為位於節點414、418和420的下遊DC總線402上。轉換器裝置310和312如上文對應於故障位置a所描述的操作。經由DC電流傳感器434分別在節點404、406、412、414和420處測量電流I1、12、13、14和15。無DC電流被逆向，正如表500中所示。由於大致瞬間實時地接收到流經系統400的DC電流的方向，包括快速變化和極性無改變，所以SCADA系統200作出有關故障位於位置e處的確定。作為響應，SCADA系統200指令節點414和418處的機械隔離裝置432開路，然後指令恢復服務，正如上文對應於故障位置a所描述的。
[0069]上文描述的HVDC傳輸和配送(T&D)系統提供一種用於傳輸HVDC功率的成本有效的方法。本文描述的實施例利於跨相對較長距離傳送HVDC功率，同時利於快速地檢測和選擇性隔離系統上的電故障。本文描述的實施例還利於快速地恢復系統中故障部分以外的那些部分。確切地來說，本文描述的裝置、系統和方法包括多個DC至DC轉換器裝置和定義HVDC T&D系統中的節點的機械隔離裝置。再有，DC至DC轉換器裝置利於在經由其中傳送而感測到的DC電流超過參數的情況下實時地減少經由其中的DC電流。再者，將每個節點處測試的多個DC電流的極性實時地傳送到監督控制和數據採集(SCADA)系統。確切地來說，在感測到一個或多個節點中逆向極性的DC電流的情況下，DC至DC轉換器裝置以將逼近O安培的極大降低的負載啟動與機械隔離裝置關聯的操作。
[0070]本文描述的裝置、系統和方法利於系統恢復。一旦清除電故障,則SCADA系統將啟動故障後復原動作。確切地來說，清除的機械隔離裝置將在接近O的負載下重新閉合，關聯的DC至DC轉換器裝置將增加經由這些轉換器和機械隔離裝置傳送的電流以迅速地恢復至受影響部分的DC功率傳輸。
[0071]本文描述的方法、系統和設備的一個示範技術效果包括至少如下一項:(a)將HVDC T&D系統上經由機械隔離裝置的故障監視和隔離的時間期間縮短到小於100 ms；(b)在小於100聲內以及在許多情況中約為20聲內，即比經由機械隔離裝置隔離的時間小約3個數量級，將經由DC至DC轉換器裝置至故障的DC電流的傳輸降低到接近零的值；(c)將經由DC機械隔離裝置的DC電流傳輸降低到接近零的值以利於快速開路以清除電故障狀況並重新閉合以恢復功率傳輸；(d)通過確定經由本文定義的預定節點傳送的DC電流的極性來確定，即定點查找HVDC T&D系統上的電故障的位置；以及(e)實質性地減小使用較慢動作的DC斷路器來隔離故障的需求。
[0072]故障隔離比減少對受影響的組件部分減少使用壽命縮減所需的典型5毫秒(ms)更快約三個數量級地發生。這種快速故障隔離主要是因為電流傳感器334與控制器336之間的本地化通信。
[0073]上文詳細地描述了用於耦合發電設施與電網的HVDC傳輸和配送(T&D)系統以及操作該系統的方法的示範實施例。這些HVDC T&D系統、DC至DC轉換器裝置和操作此類系統和裝置的方法不限於本文描述的特定實施例，相反，系統組件和/或這些方法的步驟可以獨立地且與本文描述的其他組件和/或步驟分開地來予以利用。例如，還可以將這些方法與需要HVDC傳輸的其他系統和方法組合來使用，並且這些方法不限於僅與本文描述的HVDC T&D系統、DC至DC轉換器裝置和方法一起實施。相反，該示範實施例可以與目前配置成接收和接受DC至DC轉換器裝置(例如且不限於偏遠區域和工業設施中的DC配電系統)的許多其他DC傳輸應用結合來實現和利用。
[0074]雖然一些附圖中可能示出本發明的多種實施例的特定特徵而另一些附圖中可能未示出，但是這僅是為了方便。根據本發明的原理，可以將附圖的任何特徵與任何其他附圖的任何特徵組合來引述和/或要求權利。
[0075]一些實施例包括使用一個或多個電子或計算裝置。此類裝置典型地包括處理器或控制器，如通用中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、微控制器、精簡指令集計算機(RISC)處理器、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯電路(PLC)和/或能夠執行本文描述的功能的任何其他電路或處理器。本文描述的方法可以作為包含在計算機可讀介質中的可執行指令來編碼，該計算機可讀介質包括且不限於存儲裝置和/或存儲器裝置。此類指令在被處理器執行時促使處理器執行本文描述的方法的至少一部分。上文的示例僅是示範性的，並且因此不應以任何方式限制術語處理器的定義和/或含義。
[0076]本文書寫的描述使用示例來披露包括最佳模式的本發明，並且使得本領域技術人員能夠實施本發明，包括製作和使用任何裝置或系統和執行任何併入的方法。本發明的可專利範圍由權利要求定義，並且可以包括本領域技術人員設想到的其他示例。如果此類其他示例具有與本發明權利要求的字面語言並無不同的結構要素，或如果它們包括與本發明權利要求的字母語言無實質性差異的等效結構要素，則此類其他示例理應在權利要求的範圍內。
[0077]部件列表

【權利要求】
1.一種直流(DC)傳輸和配送(T&D)系統，包括: 多個DC至DC轉換器裝置，所述多個DC至DC轉換器裝置至少部分地定義所述DC T&D系統的多個可隔離部分；以及 耦合到所述多個DC至DC轉換器裝置的DC T&D控制系統，所述DC T&D控制系統包括: 多個電流傳感器，其中將所述多個電流傳感器的至少一個設在所述多個DC至DC轉換器裝置的至少一個DC至DC轉換器裝置處，其中所述多個電流傳感器的所述至少一個電流傳感器配置成傳送表示經所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的至少一個信號；以及 多個處理器，其中所述多個處理器的至少一個處理器耦合到所述至少一個電流傳感器和所述至少一個DC至DC轉換器裝置，所述至少一個處理器配置成作為經由所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的值的函數來調節至少包括經由所述至少一個DC至DC轉換器裝置的DC電流傳輸的電參數。
2.如權利要求1所述的DCT&D系統，還包括至少一個發電裝置，其中所述多個DC至DC轉換器裝置經由多個電通道耦合到所述至少一個發電裝置。
3.如權利要求2所述的DCT&D系統，其中所述至少一個發電裝置包括至少一個可再生能源裝置。
4.如權利要求3所述的DCT&D系統，其中所述至少一個可再生能源裝置包括至少一個風力渦輪發電機。
5.如權利要求1所述的DCT&D系統，其中所述多個DC至DC轉換器裝置包括設在近海DC站內的至少一個DC至DC轉換器裝置。
6.如權利要求1所述的DCT&D系統，還包括多個機械隔離裝置，所述多個機械隔離裝置配置成將所述DC T&D系統的至少一部分移出服務，其中所述多個DC至DC轉換器裝置還配置成在促動所述多個機械隔離裝置的至少一個機械隔離裝置之前，減少經由所述DC T&D系統的所述至少一部分的DC電流傳輸。
7.如權利要求6所述的DCT&D系統，其中所述多個處理器還配置成至少部分地作為所述至少一個機械隔離裝置的狀態的函數來經由所述多個DC至DC轉換器裝置恢復所述DCT&D系統的部分。
8.如權利要求7所述的DCT&D系統，其中所述多個DC至DC轉換器裝置還配置成增加經由未經由所述至少一個機械隔離裝置隔離的所述DC T&D系統的至少一部分的DC電流傳輸。
9.如權利要求6所述的DCT&D系統，其中所述多個電流傳感器和所述多個機械隔離裝置設在所述DC T&D系統內以在其中定義多個節點，從而與所述多個DC至DC轉換器裝置結合進一步至少部分地定義所述DC T&D系統的所述多個可隔離部分。
10.如權利要求9所述的DCT&D系統，其中所述至少一個處理器還配置成: 生成包括所述多個節點的每個節點的數字矩陣； 對通過所述多個電流傳感器的第一部分檢測的、經由所述多個節點的至少第一部分沿著所述第一方向傳送的DC電流傳輸指配正I的數值；以及 對通過所述多個電流傳感器的第二部分檢測的、經由所述多個節點的至少第二部分沿著所述第二方向傳送的DC電流傳輸指配負I的數值。
【文檔編號】H02J1/12GK104052051SQ201410017730
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2013年3月15日
【發明者】N.R.喬扈裡, R.達塔, R.K.古普塔, R.N.拉朱 申請人:通用電氣公司