用于基于气体管开关的电压源高电压直流输电系统的方法和系统技术方案

一种基于电压源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统，所述高电压直流输电系统包括基于电压源变换器(VSC)的功率变换器通道。所述基于VSC的功率变换器通道包括交流到直流变换器以及电连接到所述交流到直流变换器的直流到交流逆变器。所述交流到直流变换器和直流到交流逆变器包括至少一个气体管开关装置，所述至少一个气体管开关装置与对应充气管二极管电反向并联。所述基于VSC的功率变换器通道包括换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述至少一个气体管开关装置中的一个或多个气体管开关装置。所述换流电路配置成在操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个气体管开关装置中的对应一个气体管开关装置，并且在所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个气体管开关装置中的所述对应一个气体管开关装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于气体管开关的电压源高电压直流输电系统的方法和系统关于由联邦政府赞助的研发的声明本专利技术受到政府支持，合同编号为DE-AR0000298，由能源部(DOE)授予。政府对本专利技术拥有特定权利。
技术介绍
本说明书涉及高电压直流(HVDC)输电系统，并且更确切地说，涉及HVDC变换器系统及其操作方法。高电压直流(HVDC)电力输送与普遍采用的交流(AC)系统相反，具备在长距离电力输送中成本和损耗减少的优势。在世界范围内，传统上采用高电压AC进行配电。采用高电压来输电的原因是输电期间的能量损耗与电流平方成比例(I2R损耗)。因此，提高电压而不是提高电流可传输更高功率，而不显著提高输电损耗。电气化早期采用交流电而不是直流电(DC)输电的原因是，采用交流电比直流电更易于在不同电压电平之间传输。尽管大部分电能输送中采用交流电，但是交流电有其自身的一系列问题。交流电输送一般比直流电需要更多导体来输送相同量的电力。交流电可能发生“趋肤效应”，即大量电力输送是由导体的外表面输送的，而不是由导体均匀地输送，因此会导致输电损耗比直流电输送高。此外，由于关联的电缆电容更高，可能难以在海底或地下电缆中采用交流电来输送电力。因此，对于许多长距离电能输送任务，采用高电压直流电替代交流电。直流电输送也能够通过直流电中枢连接异步电网，该直流电中枢允许可控的能量流通过，同时还功能性地隔离每一侧的独立交流电频率，从而减少通过交流-直流-直流电互联的故障传播。例如，东部联合电网(EasternInterconnection)和西部联合电网(WesternInterconnection)是北美的两大交流电(AC)电网。得克萨斯联合电网(Texasinterconnection)是规模小于东部联合电网和西部联合电网的几家较小联合电网之一。东部、西部和德克萨斯联合电网可以经由HVDC互联链路相连。可以使用不需要任何额外输电线路的“背靠背”变换器配置来连接地理上重叠但是电气隔离的异步电网以用于上述同一目的。背靠背HVDC系统可以视作HVDC输电系统的具体实例。HVDC输电线路还以显著小于交流电输电损耗的输电损耗长距离输送电能。例如，相同电压电平下，高电压直流输电线路损耗通常比同等电压等级的交流电输电线路损耗小30％到40％。交流电输电线路受其峰值电压电平的限制，但是在这些峰值电平下的输电功率并不高，而直流电可以在峰值电压电平下满功率输电。此外，如上所述，由于直流电不涉及多相位，也不会发生趋肤效应，因此直流电输电线路可能采用较少导线和较小的导线。因此，可以降低输电塔的尺寸和成本，并解决与路权(right-of-way)相关的问题。此外，影响交流电输电的无功功率问题不会影响直流电输电。但是，除非采用海底电缆输电或长距离输电，否则一般避免采用HVDC输电。一般避免采用高电压直流电的原因是，转换设备非常复杂并且昂贵。因此，即便直流电在电能输送方面的效率优势显著，但是直流电输电的使用频率不及交流电输电。至少一些已知的HVDC输电系统包括常规转换设备，所述常规转换设备包括：多相交流到直流变换器；长距离直流电导线，例如但不限于，用于输送电力的电缆；以及位于系统的负载端上的多相直流到交流逆变器。多相交流到直流变换器和多相直流到交流逆变器中的切换阀通常是硅基的，并且受相对较低电压和电流额定值限制。为将系统的额定值提高到对输电系统有用的水平，许多此类阀均电串联和/或电并联。尽管此类连接可提高多相交流到直流变换器和多相直流到交流逆变器的额定值，但是此类连接也会提高阀的换流复杂性、阀之间共用电流和电压的复杂性，以及构成转换系统的部件的空间要求。现有技术的HVDC变换器技术已经从使用晶闸管的线路换流变换器(LCC)HVDC，发展到电压源变换器(VSC)HVDC技术，在该技术中，输出电压极性不变，并且采用诸如IGBT或IGCT等自换流功率半导体器件。最近，VSCHVDC已经发展到模块化多电平变换器(MMC)HVDC技术及其混合组合。LCCHVDC是电流源系统，也就是说，电流方向不改变并且采用了晶闸管。由于与IGBT或IGCT不同，晶闸管无法强制关断，因此这种类型的系统依赖于电网来进行换流。因此，与VDCHVDC不同，它会消耗大量无功功率补偿并且需要强电网环境。另一个方面，VSCHVDC完全能够在弱交流电系统中操作，具备“黑”启动能力，而不需要诸如庞大昂贵的同步调相机等此类应用中的LCCHVDC所需的外部装置的支持。此外，由于能够独立控制无功功率，因此VSC变换器产生的谐波电平很微小，因此不需要滤波器。因此，VSCHVDC站所需的陆地面积可能只有LCC用地面积的50％到60％。但是，LCC系统具备高性能价格比，并且如果连接电网是强电网并且/或者如果由于IGBT或IGCT电流额定值远低于晶闸管而使要传输的功率值远远超出VSC系统的功率处理能力，则LCC系统将继续用于架空输电。可通过将功率半导体器件替换成气体管来增强VSCHVDC的优点，所述气体管可设计成处理远远更高幅值的电流，因此能够支持VSCHVDC站的更高功率额定值。与功率半导体器件的几千伏特相比，气体管管提供显著更高的几百千伏特(kV)的电压额定值，同时具备非常快速的开关特性，这两者共同显著降低开关元件的数量并且将复杂的拓扑结构变为更简单的两级变换器(two-levelconverter)。因此，该系统的复杂性、大小、重量和成本大幅降低。
技术实现思路
在一个方面，提供一种基于电压源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统。所述HVDC输电系统包括一对直流输电导线，所述一对直流输电导线的两端与基于电压源变换器(voltagesourceconverter，VSC)的功率变换器连接，所述基于电压源变换器(VSC)的功率变换器又与交流(AC)电网系统连接。所述基于VSC的功率变换器通道(powerconverterchannel)包括交流到直流变换器，所述交流到直流变换器包括电连接到所述交流电源的第一三相桥开关电路。所述第一三相桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个第一支路。所述多个第一支路中的每个第一支路包括至少一个第一气体管开关装置(gastubeswitchingdevice)，所述至少一个第一气体管开关装置与电反向并联的对应气体管二极管(gastubediode)连接。所述基于VSC的功率变换器通道还包括直流到交流逆变器，所述直流到交流逆变器包括电连接到所述交流到直流变换器的第二三相桥开关电路。所述第二三相桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个第二支路。所述多个第二支路中的每个第二支路包括至少一个气体管开关装置，所述至少一个气体管开关装置与对应气体管二极管电反向并联。所述基于VSC的功率变换器通道包括换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的至少一者的一个或多个气体管开关装置。所述换流电路配置成在所述第一三相桥开关电路和第二三相桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个气体管开关装置中的对应一个气体管开关装置，并且在所述第一三相桥开关电路和第二三相桥开关电路中的至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”(switchoff)所述一个或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电压源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统，包括：交流(AC)电源；以及基于电压源变换器(VSC)的功率变换器通道，所述功率变换器通道包括：交流到直流变换器，所述交流到直流变换器包括电连接到所述交流电源的第一三相桥开关电路，所述第一三相桥开关电路包括相对于彼此电串并联的多个第一支路，所述多个第一支路中的每个第一支路包括与对应气体管二极管电反向并联的至少一个第一气体管开关装置；直流到交流逆变器，所述直流到交流逆变器包括电连接到所述交流到直流变换器的第二三相桥开关电路，所述第二三相桥开关电路包括相对于彼此电串并联的多个第二支路，所述多个第二支路中的每个第二支路包括与对应气体管二极管电反向并联的至少一个气体管开关装置；以及换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的至少一者的一个或多个气体管开关装置，所述换流电路配置成在所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个气体管开关装置中的对应一个气体管开关装置，并且在所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的所述至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个气体管开关装置中的所述对应一个气体管开关装置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.12 US 14/8247521.一种基于电压源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统，包括：交流(AC)电源；以及基于电压源变换器(VSC)的功率变换器通道，所述功率变换器通道包括：交流到直流变换器，所述交流到直流变换器包括电连接到所述交流电源的第一三相桥开关电路，所述第一三相桥开关电路包括相对于彼此电串并联的多个第一支路，所述多个第一支路中的每个第一支路包括与对应气体管二极管电反向并联的至少一个第一气体管开关装置；直流到交流逆变器，所述直流到交流逆变器包括电连接到所述交流到直流变换器的第二三相桥开关电路，所述第二三相桥开关电路包括相对于彼此电串并联的多个第二支路，所述多个第二支路中的每个第二支路包括与对应气体管二极管电反向并联的至少一个气体管开关装置；以及换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的至少一者的一个或多个气体管开关装置，所述换流电路配置成在所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的至少一者的操作周期的第一部分期间“开通”所述一个或多个气体管开关装置中的对应一个气体管开关装置，并且在所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的所述至少一者的所述操作周期的第二部分期间“关断”所述一个或多个气体管开关装置中的所述对应一个气体管开关装置。2.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中每个所述气体管开关装置的额定值设置成大于约100千伏特(kV)。3.根据权利要求2所述的HVDC输电系统，其中每个所述气体管开关装置的额定值设置成大于约300千伏特(kV)。4.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中每个所述气体管开关装置包括围封在腔内的可电离气体。5.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中每个所述气体管开关装置包括液态阴极。6.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述HVDC输电系统包括电并联的多个基于VSC的功率变换器通道。7.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述第一三相桥开关电路和所述第二三相桥开关电路中的至少一者包括电串联的多个所述气体管开关装置。8.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，还包括延伸在所述交流到直流变换器与所述直流到交流逆变器之间的直流输电电缆。9.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述换流电路包括：第一换流电路，所述第一换流电路以通信方式仅连接到所述第一三相桥开关电路的一个或多个气体管开关装置；以及第二换流电路，所述第二换流电路以通信方式仅连接到所述第二三相桥开关电路的一个或多个气体管开关装置。10.一种使用直流(DC)输电来输送电力的方法，所述方法包括：接收交流(AC)电力；通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个变换器气体管开关装置中的第一气体管开关装置和所述多个变换器气体管开关装置中的第二气体管开关装置，将电流从所述第一气体管开关装置输送到所述第二气体管开关装置；使用输送...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘煦，R乔哈瓦拉，周锐，张迪，TJ索默雷尔，JW布雷，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US