換流站的製作方法

2023-04-26 20:38:11 2

專利名稱：換流站的製作方法
技術領域：
和現有技術
本發明涉及一種換流站，用於將AC系統連接到HVDC輸電線，所 述換流站包括至少兩個換流器，其布置在分開的換流閥廳中，並且每個換 流器具有用於連接所述輸電線的DC側和用於連接所述AC系統的AC側， 所述換流站包括配置為控制所述換流器的操作的控制設備，用於為所述 換流器提供輔助電力的裝置，以及用於控制所述換流器的總體工作狀況如 冷卻其部件的裝置。
本發明不限於地和所述HVDC (高壓直流，High Voltage Direct Current)輸電線的極之間的任何特定等級的電壓，但是本發明尤其適用 於500kV以上這樣的電壓，這意味著所述輸電線傳輸相當大的功率，並 且換流站所屬的輸電系統需要非常高水平的可靠性。本發明也不限於通過 所述輸電線的極的任何特定等級的電流，但是所述輸電線的額定電流優選 為lkA以上。
在圖1中示意性地示出了這種類型的HVDC輸電系統的總體設計。 示出了換流站1、 2是如何布置在HVDC輸電線3的每一端的，該HVDC 輸電線3具有兩個極， 一個為正極4， 一個為負極5。 AC系統6通過變 壓器7連接到每個換流站，用於獲得所述AC系統的電壓的合適電平。假 設連接到換流站1的AC系統是任意類型的具有發電機的發電廠形式的發 電系統，並且該換流站被設計為作為整流器工作，同時假設連接到換流站 2的AC系統是連接到電力消費者如工業和居民社區的消費系統或網絡， 並且假設該換流站作為逆變器工作。每個換流站具有兩個換流器8、 9， 換流器8、 9中的每一個的DC側一方面分別連接到所述兩個極4、 5中的 相應極，另一方面連接到換流器共用的DC中性設備10,該DC中性設 備10的低壓側連接到地，用於在每個換流器上限定一定的電壓。換流器 包括任何已知配置的例如12脈衝橋配置的若干電流閥。換流器可以是線 換向電流源換流器(line commutated Current Source Converter )，其中開 關元件如晶閘管在所述AC系統的AC電流的過零點處關斷。換流器還可 以是強制換向電壓源換流器(forced commutated Voltage Source Converter),其中所述開關元件是根據脈寬調製(PWM)模式控制的關斷器件。
HVDC輸電系統相對於AC輸電系統的優點在於，在兩個換流站之 間的輸電線中產生相當低的損耗，所述兩個換流站位於該輸電線的每一 端，然而與在AC輸電系統中相比，換流站在HVDC輸電系統中通常更 加昂貴。因此，HVDC輸電系統通常用於傳輸經常是千兆瓦級的大功率。 這意味著，如果例如由於接地故障，這樣的輸電系統的整體或者一部分跳 閘，亦即不得不被斷開，則對於所連接的AC系統的後果可能非常嚴重。 這樣的大功率傳輸的跳閘能夠通過功率幹擾對電力網絡產生破壞性影響， 例如其結果是負載脫落和斷電(blackout),因此這種輸電系統且進而其 換流站的主要問JHA傳輸的可靠性。故障能夠總;UL生，但M當^^果 最小化，即應當使電力損失和實際損壞最小化。
在引言中提到的所述輔助電力裝置是用於向不同類型設備如用於冷 卻換流閥的冷卻設備提供電力的裝置，這樣的輔助電力的脫落(dropout) 將會在非常短的時間內如10秒的數量級之內導致有必要關閉至少部分的 換流站。
這種在引言中限定的類型的具有至少兩個分開的換流閥廳的已知換 流站使這些換流閥廳彼此緊接地建立，或者使這些換流閥廳之間具有控制 室，以共享所述控制設備和輔助電力裝置以及所述用於控制換流器的總體 工作狀況的裝置。在發生了例如地震、火災等極端事件的情況下，存在多 於一個建築物受到影響的風險，使得相對於被限制到僅僅一個建築物的這 樣的事件的情況，電力和經濟損失增大。

發明內容
本發明的目的是提供一種引言中所限定類型的換流站，其中相對於已 知的這種換流站提高了傳輸的可靠性。根據本發明，這個目的是通過以下 獲得的提供這樣的換流站，其中，所述控制i殳備包括分開的控制裝置， 用於控制所述換流站中的每個換流器，所述換流站具有用於為每個換流器 提供輔助電力的分開的裝置，為每個換流器布置用於控制總體工作狀況的 分開的裝置以使每個換流器自支持，而且利用每個所述控制裝置和與各個 換流閥廳相關聯地布置的裝置，使所述換流閥廳之間被分開相當大的空 間。
由於每個換流器的自支持設計而使得換流閥廳之間被分開空間成為可能的這種物理分開，降低了多於一個的建築物受到該建築物中火災等影 響的風險，從而使電力和經濟損失最小化。這還使得更容易一次建立一個 換流閥廳，並且電力傳輸能夠更早開始，並通過向其建立進一步的換流閥 廳而隨時,皮擴大。
根據本發明的實施例，所述換流站具有至少三個所述換流器，所述換 流器中的每一個布置在分開的換流閥廳中，所述換流站包括至少與換流器 的數目 一樣多的分開的輔助電源，每個換流器被分配一個分開的輔助電
源，而且在如下的情況下，這些輔助電源被連接成作為彼此的備用電源 如果分配給一個換流器的輔助電源發生故障，則分配g何的其它換流器 的輔助電源被連接成也向所述一個換流器傳送輔助電力，同時通過其餘的 一個或多個輔助電源提供冗餘。這意味著即使在連接到換流器的任何的輔 助電源或者室中斷的情況下，也可以繼續向所述換流站中的設4^提供輔助 電力。
才艮據本發明的另 一個實施例，所述換流站具有四個換流器和彼此用作 備用電源的四個所述輔助電源，這可以是針對雙極HVDC輸電系統的情 況，該雙極HVDC輸電系統具有串聯連接在DC中性設備和每個極之間 的兩個換流器，以能夠在地和所述極之間獲得600kV或者更高數量級的 電壓。這意味著如果四個電源中的一個發生故障，只有該特定^l會受影響。 該極將以滿負載繼續工作，而沒有冗餘。另一個極將保持以滿負載工作並 且具有完全的冗餘。
才艮據本發明的另 一個實施例，電源中的兩個是通過獨立於所述輸電系 統的操作的電力網絡連接到換流站的外部電源，兩個是換流站中包括的電 源。
根據本發明的另一個實施例，所述輔助電源被配置為具有5kV~ 15kV如大約10kV的電壓。通過以10kV (而不是以較低的電壓)配電換 流器功率，減小了線纜尺寸。
根據本發明的另 一個實施例，換流站具有串聯連接在所述輸電線的正 極性極和接地的中性母線之間的兩個所述換流器以及串聯連接在輸電線 的負極性極和所述中性母線之間的兩個所述換流器。
根據本發明的又一個實施例，每一個所述換流器包括串聯連接的多個 換流閥和多個連接部件，所述多個連接部件通過分別連接到相繼的所述換 流閥之間的所述串聯連接的點而連接到所述換流器的AC側，用於從所述換流閥廳引出到變壓器，而且每個所述換流器在所述換流閥的兩個相對側 中的兩側都包括所述連接部件，並從而在所述換流閥廳的相對側包括變壓 器。這意味著換流站中這樣的換流器中的換流閥可以以更緊湊的方式如以 四重閥而不是雙重閥的方式布置，並且仍然獲得在變壓器連接之間存在足 夠的電絕緣距離，因為這些連接在換流閥廳的每一側比以前更少。然後， 有利的是，將屬於每個換流器的所述變壓器中的半數布置在換流閥廳的一 側，半數布置在換流閥廳的另一側。將這與兩倍於換流閥的成列的所述閥 的布置組合，意味著可以將所述換流閥廳的長度減小到基本上一半，節省 了空間，同時簡化了換流器和變壓器之間的電母線設計。
根據本發明的另 一個實施例，每個所述換流器包括布置成一列的在彼
此的頂部的所述串聯連接的至少四個所述換流閥，而且AC側的所述連接 部件連接到每兩個換流閥之間如第一換流閥和第二換流閥之間、第三換流 閥和第四換流閥之間等等的所述串聯連接的點。
根據本發明的另一個實施例，對於每個所述換流器，所述換流閥的串 聯連接具有四個換流閥以及在所述列的兩個相對側中的每一側並從而在 所述換流閥廳的相對側的用於AC側的一個所述連接部件。這意味著對於 四個這樣的換流閥，在成列的換流閥的每一側僅有一個所述連接部件。
根據本發明的另 一個實施例，所述換流站中的每個換流器包括三個所 述列的串聯連接的四個換流閥，該三個所述列布置成行並且彼此並聯連 接，而且每列在所述行的兩個相對側中的每一側具有連接到所述AC側的 一個所述連接部件。這意味著，在所述行的每一側具有三個連接部件，而 不是已知換流器的這種12脈衝配置的六個。
根據本發明的另一個實施例，換流器包括多個電湧放電器，其以一個 電湧放電器與每個換流閥並聯連接的方式串聯連接在所述換流閥的串聯 連接的兩個DC側端部之間，所述電湧放電器的串聯連接具有布置在所述 換流閥的串聯連接的一側的第一部分和布置在所述換流閥的串聯連接的 相對側的相繼第二部分，而且所述兩個部分通過線互連，所述線通過兩個 所述換流閥之間的自由空間從一側導向另一側。通過簡單地省略一個層或 者半個這樣的層，在電湧放電器的所述串聯連接的兩個相繼換流閥之間提 供這樣的自由空間，成列的重疊換流閥的總高度僅僅會稍微增大。
根據本發明的另 一個實施例，每個換流器在所述換流岡廳的一側具有 連接到所述連接部件的Y變壓器，並且在所述換流岡廳的另一側具有連 接到所述連接部件的A變壓器，而且所述Y變壓器和所述A變壓器通過延伸跨越所述換流閥廳的屋頂的導體而被互連。這裡，"導體"可以具有
任何類型如導軌、線等等。這構成了簡單的方式來彼此連接所述Y變壓 器和A變壓器，以獲得直流電壓輸電線上的直流電壓所需的品質。這還4吏 得在變壓器發生故障的情況下容易拆卸變壓器。
根據本發明的另一個實施例，換流站被配置為將AC系統連接到 HVDC輸電線，所述HVDC輸電線被配置為它的極和地之間的電壓超過 200kV，優選超過500kV，更優選600kV ~ 1500kV，並且最優選600kV-1000kV。所述電壓越高，本發明越能引起注意，雖然在上下文中電壓低 也是可以的，這意味著例如200kV的數量級。
本發明還涉及一種具有根據本發明的換流站的HVDC (高壓直流) 輸電系統，其可以受益於所述換流站的有益結構及其提高的可靠性。
根據以下對本發明的實施例的說明，本發明的其它優點及有益特徵將 變得明顯。


下面是參考附圖對根據現有技術的換流器以及根據本發明的實施例 的換流站的具體說明。
在附圖中
圖1是圖示具有換流站的HVDC (高壓直流)輸電系統的簡略示意 圖，所述換流站可以^l^艮據本發明的類型的換流站；
圖2是圖示用於這種換流站的具有12脈衝配置的已知換流器的筒略 示意圖3是根據本發明的實施例的換流站中的換流器的筒化的端視圖； 圖4是圖示根據本發明的實施例的換流站的一般結構的簡化視圖；以
及
圖5是圖示如何在根據本發明的實施例的換流站中布置不同的設備 以及如何對這些設備進行不同的連接的示意圖。
對根據現有技術的換流站中的換流器的簡要說明
圖2圖示了已知的所謂的12脈衝橋式換流器，用於在圖1所示類型的HVDC輸電系統的換流站中將交流電壓變換為直流電壓以及將直流電 壓變換為交流電壓。該換流器具有每個是四個換流閥11，、 12，、 13，和14， 的三個串聯連接，並且所述串聯連接彼此並聯連接，用於分別將相對端 15，和16，連接到所述DC側的高電位和低電位。每個所述串聯連接在這裡 布置成兩列，每列具有兩個重疊的換流閥。示出了如何在每列的兩個換流 閥之間的點設置用於將這兩個換流閥中的每一個連接到變壓器18，的部件 17，，以便用這種方式在成行的換流閥列的一側布置六個變壓器，這導致 岡廳內部長且複雜的電母線設計和用於所述閥廳的大面積的使用。每個連 接之間的電絕緣距離(空氣距離)是必要的，並且將會需要額外的空間和 空氣，這也使所述閥廳更長。
具體實施例方式
圖3示意性地圖示了才艮據本發明的換流站中的換流器的有益結構。這 個換流器是從一端示出的，所以僅示出布置成行的三列中的一個。因而， 這是12脈衝橋式換流器，其具有布置成一列的在彼此頂部的串聯連接的 四個換流閥11~14。這樣的列在這裡被示出通過絕緣部件20相對於換流 閥廳的屋頂19被絕緣。換流器的DC側在所述換流器列的相對側連接到 所述換流器列，通過連接21到達HVDC輸電線的極，並且通過連接22 到達換流站的中性母線。在所述DC連接21、 22之間串聯連接電湧放電 器23~26， 一個電湧放電器與每個換流閥並聯連接，以保護換流閥免受過 電壓。串聯連接的電湧放電器中的一部分、亦即電湧放電器中的兩個23 和24布置在換流閥列的一側，而另一部分則布置在該列的另一側，這兩 部分通過線27互連，所述線27通過兩個所述換流閥12、 13之間的自由 空間28從一側導向另一側。所述線是由導軌、線纜等形成的。每個換流 閥包括多個包括功率半導體器件的重疊的層，並且所述自由空間28優選 地通過使兩個相繼的換流閥之間的距離大約為這樣的層的一半來形成。
示出了連接到相繼換流閥之間的換流閥的串聯連接點的部件17如何 可以用這種方式布置在換流器的相對側30、 31，以^f更在換流器的相對側 連接到變壓器18,並產生上述優點。
圖4示意性地圖示了才艮據本發明的實施例的換流站的一部分。該換流 站具有四個換流器，並且用於在所述DC中性設備的中性母線和具有正極 性的極4之間串聯連接的兩個換流器的換流閥廳40、 41示出在附圖中， 並且兩個進一步的這種換流閥廳布置到這些的左側，如在附圖中看到的那樣，在所述中性母線42和輸電線的負極性極(未示出)之間布置成相應 的布置。第一換流閥廳40中的換流器被配置為在換流器的輸出43和所述 中性母線42之間產生大約400kV的電壓，而另一個換流閥廳41的換流 器則被配置為將所述極4和中性母線42之間的電壓提高到大約800kV。
示出了如何將三個Y變壓器18，，布置在每個換流閥廳的一側並且連 接到換流器，以及如何將A變壓器18，，，布置在換流岡廳的另一側並且連接 到換流器。通過延伸跨越換流閥廳的屋頂46的導電導軌45，互連屬於同 一換流器的Y變壓器和A變壓器。示意性地圖示了如何將AC線47、 48 通過連接到這些變壓器而連接到換流站。
在如下的情況下，每個換流器是自支持的它具有被配置為控制換流 器的操作的分開的控制設備49、 50，用於向換流器提供輔助電力的裝置 (將在圖5中示出並且在下面進行討論)，以及用於控制換流器的總體工 作狀況如冷卻其部件的裝置51、 52。這也使得可以在換流閥廳40、 41之 間布置相當大的空間，例如50m或者更大，減少當一個這樣的換流岡廳 房遭受火災等時多於一個的建築物受到影響的風險，從而使電力和經濟損 失最小化。
圖5示意性地圖示了根據本發明的實施例的換流站的一般結構。連接 在中性母線和HVDC輸電線的負極之間的換流閥廳60、 61在這裡也被示 出。換流站包括用於每個換流器100~103的分開的輔助電源71~74，並 且在如下的情況下，這些輔助電源被連接成作為彼此的備用電源如果分 配給一個換流器的輔助電源發生故障，則分配給任何的其它換流器的輔助 電源被連接成也向所述換流器傳送輔助電力，同時通過其餘的輔助電源提 供冗餘。電源中的兩個72、 73是通過獨立於輸電系統的操作的電力網絡 連接到換流站的外部電源，而電源中的兩個71、 74則是換流站中包括的 電源。輔助電源,皮配置為具有大約10kV的電壓，並且每個換流器具有它 自己的10kV開關裝置75 ~ 78,用於換流器之內的進一步的低電壓分配。 這意味著即使在連接到換流器的輔助電源室中的任何一個中斷的情況下 也可以繼續向換流器傳送輔助電力。
進一步示出了每個換流器如何具有換流閥冷卻設備80、用於冷卻與 這些閥相關聯的變壓器的設備81、用於對換流閥廳進行通風和照明的裝 置82、電池充電器83以及用於對服務建築物進行加熱和通風的設備84。
換流站還包括換流站房卯，換流站房卯具有換流站電池充電器91 以及換流站控制室加熱、通風和照明設備92。當然，本發明無論如何不局限於上述的實施例，很明顯，本領域技術
人員可以進fr^午多修改，而不脫離所附權利要求所限定的本發明的基本思想。
例如，換流站在中性母線和極之間可以具有多於兩個的換流閥廳。同
樣明顯的是，換流站可以連接到僅具有一個極的HVDC輸電線。
權利要求
1.一種用於將AC系統連接到HVDC輸電線(3)的換流站，所述換流站包括至少兩個換流器(8，9)，其布置在分開的換流閥廳(40，41，60，61)中，並且每個換流器具有用於連接所述輸電線的DC側和用於連接所述AC系統(6)的AC側，所述換流站包括配置為控制所述換流器的操作的控制設備，用於為所述換流器提供輔助電力的裝置，以及用於控制所述換流器的總體工作狀況如冷卻其部件的裝置，其特徵在於，所述控制設備包括分開的控制裝置(49，50)，用於控制所述換流站中的每個換流器，所述換流站具有用於為每個換流器提供輔助電力的分開的裝置(71～74)，為每個換流器布置用於控制總體工作狀況的分開的裝置以使每個換流器自支持，而且利用每個所述控制裝置和與各個換流閥廳相關聯地布置的裝置，使所述換流閥廳(40，41，60，61)之間被分開相當大的空間。
2. 根據權利要求1所述的換流站，其特徵在於，所述換流站具有至 少三個所述換流器，所述換流器中的每一個布置在分開的換流閥廳(40, 41， 60， 61)中，所述換流站包括至少與換流器的數目一樣多的分開的輔 助電源(71~74),每個換流器被分配一個分開的輔助電源，而且在如下 的情況下，這些輔助電源被連接成作為彼此的備用電源如果分配給一個 換流器的輔助電源發生故障，則分配給任何的其它換流器的輔助電源被連 接成也向所述一個換流器傳送輔助電力，同時通過其餘的一個或多個輔助 電源提供冗餘。
3. 根據權利要求2所述的換流站，其特徵在於，所述換流站具有四 個換流器(100 ~ 103 )和彼此用作備用電源的四個所述輔助電源(71 ~ 74 )。
4. 根據權利要求3所述的換流站，其特徵在於，所述輔助電源中的 兩個(72， 73)是通過獨立於所述輸電系統的操作的電力網絡連接到所述 換流站的外部電源，兩個(71， 74)是所述換流站中包括的電源。
5. 根據權利要求2 4中的任一項所述的換流站，其特徵在於，所述 輔助電源(71~74)被配置為具有5kV 15kV如大約10kV的電壓。
6. 根據權利要求3所述的換流站，其特徵在於，所述換流站具有串 聯連接在所述輸電線的正極性極(4)和接地的中性母線(42)之間的兩 個所述換流器(100, 101)，以及串聯連接在所述輸電線的負極性極(5) 和所述中性母線之間的兩個所述換流器(102， 103)。
7. 根據前述權利要求中的任一項所述的換流站，其特徵在於，每個 所述換流器包括串聯連接的多個換流閥(11~14)，以及多個連接部件(17),所述多個連接部件(17)通過分別連接到相繼的所述換流閥之間 的所述串聯連接的點而連接到所述換流器的AC側，用於從所述換流閥廳 引出到變壓器(18 ),而且每個所述換流器在所述換流岡的兩個相對側(30, 31)中的兩側都包括所述連接部件(17)，並從而在所述換流閥廳的相對 側包括變壓器。
8. 根據權利要求7所述的換流站，其特徵在於，屬於每個換流器的 所述變壓器中的半數(18")布置在所述換流閥廳的一側，半數(18，，，) 布置在所述換流閥廳的另一側。
9. 根據權利要求7或8所述的換流站，其特徵在於，每個所述換流 器包括布置成一列的在彼此的頂部的所述串聯連接的至少四個所述換流 閥(11 ~ 14 )，而且AC側的所述連接部件(17)連接到每兩個換流閥之 間如第一換流閥和第二換流閥之間、第三換流閥和第四換流閥之間等等的 所述串聯連接的點。
10. 根據權利要求9所述的換流站，其特徵在於，對於每個所述換流 器，所述換流閥的串聯連接具有四個換流閥(11~14)以及在所述列的兩 個相對側中的每一側並從而在所述換流閥廳的相對側(30、 31)的用於 AC側的一個所述連接部件(17 )。
11. 根據權利要求7~10中的任一項所述的換流站，其特徵在於，所 述換流站中的每個換流器包括三個所述列的串聯連接的四個換流閥(11 ~ 14)，該三個所述列布置成行並且彼此並聯連接，而且每列在所述行的兩 個相對側(30, 31)中的每一側具有連接到所述AC側的一個所述連接部 件(17)。
12. 根據權利要求7~11中的任一項所述的換流站，其特徵在於，所 述換流站中的每個換流器包括多個電湧放電器(23~26)，其以一個電湧 放電器與每個換流閥(11 ~ 14 )並聯連接的方式串聯連接在所述換流閥的 串聯連接的兩個DC側端部之間，所述電湧放電器的串聯連接具有布置在 所述換流閥的串聯連接的一側的第一部分(23， 24)和布置在所述換流閥 的串聯連接的相對側的相繼第二部分(25， 26)，而且所述兩個部分通過 線(27)互連，所述線(27)通過兩個所述換流閥(12、 13)之間的自由 空間(28)從一側導向另一側。
13. 根據權利要求12所述的換流站，其特徵在於，對於所述換流站 中的每個換流器，每個換流閥(11~14)包括多個包括功率半導體器件的 重疊的層，通過使兩個相繼的所述換流閥(12、 13)之間的距離大約為所 述層的一半或者一個所述層而形成所述自由空間(28)。
14. 根據權利要求7~13中的任一項所述的換流站，其特徵在於，每 個換流器在所述換流閥廳(40、 41)的一側具有連接到所述連接部件的Y 變壓器(18")，並且在所述換流閥廳(40、 41)的另一側具有連接到所述 連接部件的A變壓器(18，，，)，而且所述Y變壓器和所述A變壓器通it^ 伸跨越所述換流閥廳的屋頂(46)的導體(45)而被互連。
15. 根據前述權利要求中的任一項所述的換流站，其特徵在於，所述 換流站被配置為將AC系統連接到HVDC輸電線，所述HVDC輸電線被 配置為它的極和地之間的電壓超過200kV，優選超過500kV，更優選 600kV 1500kV，並且最優選600kV ~ 1000kV。
16. —種HVDC (高壓直流)輸電系統，其具有根據權利要求1 ~ 15 中的任一項所述的至少 一個換流站。
全文摘要
一種用於將AC系統連接到HVDC輸電線的換流站包括布置在兩個分開的換流閥廳(40、41)中的至少兩個換流器。換流站包括用於控制每個換流器的分開的控制裝置(49、50)和用於為每個換流器提供輔助電力的分開的裝置。為每個換流器布置用於控制總體工作狀況的分開的裝置(51、52)以使每個換流器自支持。換流閥廳被分開相當大的空間。
文檔編號H02J3/36GK101297456SQ200680040000
公開日2008年10月29日 申請日期2006年6月15日 優先權日2006年1月18日
發明者佩爾·H·卡爾松, 尼爾斯·努德斯特倫, 斯芬·貝裡隆 申請人:Abb技術有限公司