用于基于气体管的电流源高电压直流输电系统的方法和系统技术方案

一种高电压直流(HVDC)输电系统包括交流(AC)电源和功率变换器通道，所述功率变换器通道包括电连接到所述电源的交流‑直流变换器以及电连接到所述交流‑直流变换器的直流‑交流逆变器。所述交流‑直流变换器和所述直流‑交流逆变器各自包括多个支路，所述多个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括以通信方式连接到一个或多个开关装置的换流电路。所述换流电路配置成在H桥开关电路的周期的第一部分期间“开通”所述开关装置中的一个开关装置，并且在所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的所述周期的第二部分期间“关断”所述开关装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于基于气体管的电流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究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。采用高电压输电的原因是输电期间的能量损耗与电流的平方成比例(I2R损耗)。因此，提高电压而不是提高电流可传输更高能量，而不会显著提高输电损耗。在电气化早期选择交流电而不是直流电(DC)来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变换。尽管大部分电能输送中采用交流电，但是交流电拥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的电量。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而不是导体均匀地输送的，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集线器连接异步电网，该直流电集线器允许可控的能量流通过，同时还功能性地隔离每一侧的各自交流电频率，从而避免故障传播。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。地理上重叠但是电气隔离的异步电网可以使用不需要任何额外输电线路的“背靠背”变换器配置来连接以达到上述相同目的。背靠背HVDC系统可以视作HVDC输电系统的具体实例。HVDC输电线路还能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全功率输电。此外，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，但是极少采用直流电进行电力输送。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-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-交流逆变器。多相交流-直流变换器和多相直流-交流逆变器中的开关阀通常是硅基的，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输电系统所需要的电平，许多此类阀电串联和/或电并联。尽管此类连接可提高多相交流-直流变换器和多相直流-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，并且最近发展到模块化多电平变换器(MMC)HVDC技术及其混合组合。LCCHVDC是采用晶闸管的电流源系统。由于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，它会消耗大量无功功率补偿并且需要强电网环境。此外，晶闸管的阻断电压能力相对较低。例如，HVDC晶闸管功率半导体的额定值大约是8KV。
技术实现思路
一个方面，一种高电压直电流(HVDC)输电系统包括交流(AC)电源和功率变换器通道。所述功率变换器通道包括交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路。所述第一H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路。所述第二H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个开关装置。所述换流电路配置成在所述第一H桥开关电路和第二H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”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置，并且在所述第一H桥开关电路和第二H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”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置。另一个方面，一种使用直流电(DC)输电的电力输送方法包括：接收交流(AC)电力；以及通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个变换器开关装置中的第一开关装置和所述多个变换器开关装置中的第二开关装置，将电流从所述第一开关装置输送到所述第二开关装置。所述方法还包括：使用所输送的电流产生直流(DC)电力流；以及通过在可选择的时间按顺序开通和关断多个逆变器来使用所述逆变器生成交流电。又一个方面，一种功率变换器通道包括交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路。所述第一H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路。所述第二H桥开关电路包括相对于彼此电串联/并联的多个支路。每个支路包括至少一个开关装置。所述功率变换器通道还包括换流电路，所述换流电路以通信方式连接到所述第一H桥开关电路和第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个开关装置。所述换流电路配置成在所述第一H桥开关电路和第二H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”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置，并且在所述第一H桥开关电路和第二H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”所述一个或多个开关装置中的对应一个开关装置。附图说明参照附图阅读以下详细说明将更好地理解本专利技术的这些和其他特征、方面及优点，在附图中，类似字符表示附图中的类似部分，其中：图1是示例性高电压直流(HVDC)输电系统的示意性方框图；图2是具有更高电压/电流额定值的替代性HVDC输电系统的示意性方框图；以及图3是使用图1和图2中所示的HVDC输电系统的示例性电力输送方法的流程图。除非另作说明，否则本说明书中提供的附图旨在示出本专利技术的实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本专利技术一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本说明书中公开的实施例所需的所有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电流源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统，包括：交流(AC)电源；以及基于电流源变换器(CSC)的功率变换器通道，所述功率变换器通道包括：交流‑直流变换器，所述交流‑直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路，所述第一H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开关装置；直流‑交流逆变器，所述直流‑交流逆变器包括电连接到所述交流‑直流变换器的第二H桥开关电路，所述第二H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第二开关装置；以及换流电路，所述换流电路以通信方式分别连接到所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个第一开关装置和第二开关装置，所述换流电路配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H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”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的对应一个开关装置，并且所述换流控制电路进一步配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H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”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的所述对应一个开关装置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.12 US 14/8246571.一种基于电流源变换器的高电压直流(HVDC)输电系统，包括：交流(AC)电源；以及基于电流源变换器(CSC)的功率变换器通道，所述功率变换器通道包括：交流-直流变换器，所述交流-直流变换器包括电连接到所述电源的第一H桥开关电路，所述第一H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开关装置；直流-交流逆变器，所述直流-交流逆变器包括电连接到所述交流-直流变换器的第二H桥开关电路，所述第二H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第二开关装置；以及换流电路，所述换流电路以通信方式分别连接到所述第一H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者的一个或多个第一开关装置和第二开关装置，所述换流电路配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H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”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的对应一个开关装置，并且所述换流控制电路进一步配置成分别在所述第一H桥开关电路和所述第二H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”所述一个或多个第一开关装置和第二开关装置中的所述对应一个开关装置。2.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述开关装置的至少一部分包括气体管开关。3.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中所述开关装置的至少一部分的额定值设置成大于约100千伏特(kY)。4.根据权利要求3所述的HVDC输电系统，其中所述开关装置的至少一部分的额定值设置成大于约300千伏特(kV)。5.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，其中每个所述开关装置包括围封可电离气体的腔。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H桥开关电路和所述第二H桥开关电路中的至少一者包括电串联的多个开关装置。8.根据权利要求1所述的HVDC输电系统，还包括电连接到所述第二H桥开关电路的负载总线。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H桥开关电路的所述第一开关装置中的一个或多个第一开关装置；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H桥开关电路的一个或多个第二开关装置。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开关装置中的第一开关装置和所述多个变换器开关装置中的第二开关装置，将电流从所述...

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