CN1038375C - 交流－直流变换系统的控制和保护系统 - Google Patents

交流－直流变换系统的控制和保护系统 Download PDF

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Abstract

一种AC-DC变换系统的控制和保护系统。AC-DC变换系统由两个电力变换器和两个连于两个AC电力系统的断路器组成。每个电力变换器由多个开关器件组成，进行交流电力和直流电力的相互转换。控制和保护系统由两套控制和保护装置组成，每套包括一保护装置和一相位控制装置，保护装置用于检测电力变换器的故障并产生第一保护命令信号，相位控制装置用于连续向开关器件产生触发脉冲。控制和保护装置还包括与保护装置相连的保护序列装置。

Description

交流－直流变换系统的控制和保护系统
本发明涉及一种交流-直流(AC-DC)变换系统，例如DC输电系统和变频系统等，尤其涉及一种AC-DC电力变换系统的控制和保护系统，该系统可安全地停止AC-DC变换系统的操作。
例如，在DC输电系统中，DC输电线的两端都装有AC-DC变换系统。其中一个系统起整流器的作用，将交流电力变换成直流电力，而另一个系统起逆变器的作用，将直流电力变换成交流电力。图20示出了用如此安装的变换器构造的DC输电系统的一例，而图21示出了控制AC-DC变换器的控制和保护系统。
图20示出了与DC输电线L1和L2相连的第一AC系统AL1和第二AC系统AL2的一例。在AC系统AL1与DC输电线L1和L2的一端之间，是一换流变电站，该站配备了由三相断路器1AR、1AS和1AT组成的断路器1A、换流变压器2A、由可控硅换流器组成的电力变换器3A，以及DC电抗器4A。在AC系统AL2与DC输电线L1和L2另一端之间，是一换流变电站，该站配备了DC电抗器4B、由可控硅换流器组成的电力变换器3B、换流变压器2B，以及由三相断路器1BR、1BS和1BT组成的断路器1B。
另外，变换器3A由6个可控硅阀U、V、W、X、Y和Z组成，而变换器3B也由6个可控硅阀U’、V’、W’、X’、Y’和Z’组成，并且DC输电线L2接地。在该系统结构中，在两个AC系统AL1和AL2之间电力不仅能沿某一方向从一端传输至另一端，而且该系统的结构可在需要时沿反方向传输电力。因此，应这样构造变换器3A和3B，从而使它们在该系统中能够分别起到整流器或逆变器的作用，并且根据电流方向，使电源侧的变换器起整流器的作用，而负载侧的变换器起逆变器的作用。
在图21中，5A和5B为变换器控制系统(下文称控制系统)；6A和6B为门脉冲发生器(下文称PG)，为可控硅换流器3A和3B产生门脉冲；而7A和7B分别为AC-DC变换器3A和3B的保护系统。
8A和8B分别是DC电压变换器(DC voltage transformer)(DC-PT)；9A和9B分别是DC变流器(DC current transformer(DC-CT)；10A和10B分别是AC电压检测器(AC-VD)；而11A和11B分别是用于测量换流变压器电流的AC电流互感器(AC-CT)。由这些装置检测到的DC电压信号Vdc1和Vdc2、DC电流信号Idc1和Idc2、AC电压信号Vac1和Vac2，以及AC电流信号Iac1和Iac2分别被输入至控制系统5A和5B以及保护系统7A和7B。
控制系统5A配备了相位控制器50A、相位检波器51A、控制器52A和保护序列(protection sequence)53A，而控制系统5B配备了相位控制器50B、相位检波器51B、控制器52B和保护序列53B，它们分别具有以下所述的功能。
也就是说，在稳定状态下，控制器52A分别进行恒流控制和恒压控制两者，恒流控制是将DC-CT 9A检测到DC电流Idc1控制为恒定的大小，而恒压控制是将DC-PT 8A检测到DC电压Vdc1控制为恒定的大小。在两种受控输出值中，在整流器工作的情形下，控制器52A输出经恒流控制的输出值，而在逆变器工作的情形下，控制器52A输出经恒压控制的输出值，输出值作为相位控制角α输出至相位控制器50A。
在稳定状态下，控制器52B也分别进行恒流控制和恒压控制两者，恒流控制是将DC-CT 9B检测到DC电流Idc2控制为恒定的大小，而恒压控制是将DC-PT 8B检测到DC电压Vdc2控制为恒定的大小。在这两种受控输出值中，在整流器工作的情形下，控制器52B输出经恒流控制的输出值，而在逆变器工作的情形下，控制器输出经恒压控制的输出值，输出值作为相位控制角α输出至相位控制器50B。这里，在整流器工作的情形下，可将相位控制角α设定为例如20°，而在逆变器工作的情形下，可将其设定为例如135°。
当从本侧的保护系统7A发出一保护命令信号(protection order signal)时，保护序列53A向它侧的控制系统5B输出该保护命令信号，同时将这些脉冲操作的定时取作门移相(gate shift)(下文称为GS)、旁通对(下文称为BPP)、门阻断(gate block)(下文称为GB)和断路器开路指令(下文称为CBT)，并且当从它侧的控制系统5B发出一保护命令信号时，保护序列53A取定时GS、BPP和GB。在两种情况下，保护序列53A都将这些脉冲操作信号作为GS、BPP和GB输出给相位控制器50A。
当从本侧的保护系统7B发出一保护命令信号时，保护序列53B向它侧的控制系统5A输出该保护命令信号，同时将这些脉冲操作的定时取作GS、BPP、GB和CBT，并且当从它侧的控制系统5A发出一保护命令信号时，保护序列53B取定时GS、BPP和GB。在两种情况下，保护序列53B都将这些脉冲操作信号作为GS、BPP和GB输出至相位控制器50B。
相位检波器51A输入AC-PT 10A检测到的AC系统AL1的AC电压Vac1，并输出一相位信号用以同步AC电压Vac1。相位检波器51B输入AC-PT 10B检测到的AC系统AL2的AC电压Vac2，并输出一相位信号，用以同步AC电压Vac2。
相位控制器50A具有这样的功能，即能够根据稳定状态下来自相位检波器51A的相位信号，依照来自控制器52A的相位控制角α，将相位控制脉冲PHS输出至PG 6A。当根据来自保护序列53A的信号GS、BPP和GB停止保护时，相位控制器50A还具有以下功能。即，在信号GS情况下，它输出门移相的相位控制脉冲PHS，例如120°，在信号BPP情况下，它将BPP脉冲作为相位控制脉冲PHS输出，而在信号GB情况下，它阻断相位控制脉冲PHS。相位控制器50B具有这样的功能，即能够根据稳定状态下来自相位检波器51B的相位信号，依照来自控制器52B的相位控制角α，将相位控制脉冲PHS输出至PG 6B。当根据来自保护序列53B的信号GS、BPP和GB停止保护时，相位控制器50B还具有以下功能。即，在信号GS情况下，它输出门移相的相位控制脉冲PHS，例如120°，在信号BPP情况下，它将BPP脉冲作为相位控制脉冲PHS输出，而在信号GB情况下，它阻断相位控制脉冲PHS。
PG 6A由一正向/反向电压检测器61A和一门脉冲发生器60A组成，其中正向/反向电压检测器61A检测变换器3A的正向/反向电压，而门脉冲发生器60A则由相位控制脉冲PHS和正向/反向电压产生要加至变换器3A的门脉冲。门脉冲发生器60A根据从控制系统5A接收到的相位控制脉冲PHS为变换器3A的每个可控硅产生120°宽的脉冲，并且如果从控制系统5A接收到GB指令，就将该120°宽的脉冲复位。门脉冲发生器60A根据120°宽的脉冲和正向/反向电压检测器61A检测变换器3A之正向/反向电压所得的正向电压信号的“与”条件，产生要加至可控硅换流器3A的门脉冲。门脉冲发生器60A还具有强迫触发功能，即如果关断期间加至可控硅的反向电压不足，则当检测到正向电压时，门脉冲发生器60A再次向可控硅输出门脉冲。
PG 6B由一正向/反向电压检测器61B和一门脉冲发生器60B组成，其中正向/反向电压检测器61B检测变换器3B的正向/反向电压，而门脉冲发生器60B则由相位控制脉冲PHS和正向/反向电压产生要加至变换器3B的门脉冲。门脉冲发生器60B根据来自控制系统5B的相位控制脉冲PHS为变换器3B的每个可控硅产生120°宽的脉冲，并且如果从控制系统5B接收到GB指令，就将该120°宽的脉冲复位。门脉冲发生器60B根据120°宽的脉冲和正向/反向电压检测器61B检测变换器3B之正向/反向电压所得的正向电压信号的“与”条件，产生要加至可控硅换流器3B的门脉冲。门脉冲发生器60B还具有强迫触发功能，即如果关断期间加至可控硅的反向电压不足，则当检测到正向电压时，门脉冲发生器60B再次向可控硅输出门脉冲。
保护系统7A监视AC-DC变换系统中AC电流Iac1、AC电压Vac1、DC电流Idc1和DC电压Vdc1的值等；由这些电压和电流检测诸如短路、接地故障等变换器的故障；并且将一保护命令信号输出至本侧的控制系统5A。保护系统7B监视AC-DC变换系统中AC电流Iac2、AC电压Vac2、DC电流Idc2和DC电压Vdc2的值等；由这些电压和电流检测诸如短路、接地故障等变换器的故障；并且将一保护命令信号输出至本侧的控制系统5B。
在如上所述的AC-DC变换系统的常规的控制和保护系统中，整流器侧和逆变器侧的变换器相互协同工作。当检测到任何故障时，本侧的控制系统不仅保护本侧的变换器，而且将保护命令信号发送给它侧的控制系统，并且为处理DC电路的能量，停止AC-DC变换系统以与它侧控制系统协同工作。
接下来，将参照图22说明控制系统5A的保护序列。尽管为了便于说明，这里省略了对控制系统5B的描述，但控制系统5B之保护序列53B的结构与控制系统5A的保护序列53A的结构相同。
另外，将描述常规的保护序列的例子，其中图23所示定时图中给出的GS-BPP-CBT-GB保护序列是逆变器情况下的举例，而图24所示定时图中给出的GS-GB-CBT保护序列是整流器情况下的举例。由于用上述保护序列构造AC-DC变换系统之控制和保护系统的技术是众所周知的，所以我们将省略对以下保护序列的描述，它们是缺少GS的瞬时BPP-CBT-GB或缺少GS的瞬时GB-CBT，这种序列是在因故障中包含过电压/过电流而没有时间分给门移相的情况下进行的。
现在，假设在变换器3A侧已发生一些故障(例如，接地故障和短路等)，并且AC电压Vac1、AC电流Iac1、DC电压Vdc1和DC电流Idc1中至少有一个不正常。其时，正在监视这些电压/电流的保护系统7A中的保护继电器70A检测到此不正常状态，并通过数字接口电路71A和54A将一保护命令信号输出至控制系统5A。
在控制系统5A中，保护命令信号被输入至本侧保护命令信号保持电路531A。保持电路531A根据该保护命令信号和整流器指令REC用“与”电路531a和“与”电路531b判断变换器3A是处于逆变器状态还是处于整流器状态，并且通过触发电路531c和和531d保持各自的状态。也就是说，在逆变器工作时，触发电路531c保持保护命令信号，而在整流器工作时，触发电路531d保持保护命令信号。触发电路531c和531d的输出信号输出至本侧保护操作定时协作电路532A，并且还通过“或”电路531e和数字接口电路59A作为保护命令信号输出至它侧的控制系统5B。
在本侧保护操作定时协作电路532A中，在逆变器状态下，通过“或”电路532a输出信号GS，经过接通延迟时间继电器TH1后输出信号BPP，并且在将信号BPP输出至相位控制器50A后，经过接通延迟时间继电器TH2后输出信号GB。在输出信号BPP的同时，通过“或”电路532c和数字接口电路57A将信号CBT输出至AC断路器1A。信号GB还通过数字接口电路58A输出至PG6A。
另外，在整流器状态下，通过“或”电路532a输出信号GS，并且经过接通延迟时间继电器TH3后将信号GB输出至相位控制器50A。在输出信号GB的同时，通过“或”电路532c和数字接口电路57A将信号CBT输出至AC断路器1A。在相位控制器50A中，将保护操作指令GS和GB输入至相位控制脉冲发生器501A，在该发生器中，在信号GS的情况下，输出相位控制脉冲PHS，等价于相位控制角120°，而在信号GB的情况下，锁定相位控制脉冲PHS。
另一方面，将指令BPP输入至BPP选择电路502A，并且例如根据某种判断某阀处于BPP相位的方法来选择BPP相位，其中所述阀与相位控制脉冲PHS最终输出所至的可控硅阀串联连接。BPP选择电路502A根据判断结果将信号BPP-R、BPP-S和BPP-T中的一个信号输出至相位控制脉冲发生器501A。
然后，当在变换器3B终端发生故障并被保护系统7B检测到时，控制系统5B以与控制系统5A相同的保护序列将保护命令信号输出至控制系统5A。在控制系统5A中，通过数字接口电路55A将该保护命令信号输入至另一侧保护命令信号保持电路533A。保持电路533A根据该保护命令信号和整流器指令REC，用“与”电路533a和“与”电路533b判断变换器3A是处于逆变器状态还是处于整流器状态，并且分别通过触发电路533c和533d保持各自的状态。也就是说，在逆变器工作时，触发电路533c保持保护命令信号，而在整流器工作时，触发电路533d保持保护命令信号。
触发电路533c和533d的输出信号被输入至另一侧保护操作定时协作电路534A，与本侧保护操作定时协作电路532A类似，该电路由“或”电路534a、534b、534c以及接通延迟时间继电器TH1’、TH2’和TH3’构成。在逆变器状态下，实行GS-BPP-CBT-GB保护序列，而在整流器状态下，实行GS-GB-CBT保护序列，并且与本侧保护操作定时协作电路532A一样，将保护操作指令GS、BPP、GB和CBT输出至相位控制器50A、PG 6A和断路器1A。
严格地说，本侧保护操作定时协作电路532A输出带有尾标1的信号GS1、BPP1、GB1和CBT1，而它侧保护操作定时协作电路534A输出带有尾标2的信号GS2、BPP2、GB2和CBT2。保护序列53A还配备了“或”电路535A、536A、537A和538A。信号GS1和GS2被输入至“或”电路535A，而“或”电路535A将信号GS输出至相位控制脉冲发生器501A。信号BPP1和BPP2被输入至“或”电路536A，而“或”电路536A将信号BPP输出至BPP选择电路502A。信号GB1和GB2被输入至“或”电路537A，而“或”电路537A通过数字接口电路58A将信号GB输出至相位控制脉冲发生器501A。信号CBT1和CBT2被输入至“或”电路538A，而“或”电路538A通过数字接口电路57A将信号CBT输出至断路器1A。
图25示出了另一例常规的保护操作定时协作电路532A和534A，并且图26示出了图25的定时图。在图25中，与上述常规例子中的功能相同，在整流器状态下，保护序列定时取为GS-GB-CBT，在逆变器状态下，保护序列定时取为GS-BPP-CBT-GB。与上述常规例子不同的是，无论在整流器状态还是在逆变器状态，接通延迟时间继电器TH3和TH3’都工作，并且在逆变器状态下，接通延迟时间继电器TH3和TH3’与接通延迟时间继电器TH1和TH1’相结合，而系统以与图26分别所示的定时图(GS-BPP-CBT-GB)相似的序列工作。
也就是说，保护操作定时协作电路532A、534A取这样的定时，即在逆变器状态下，在输出信号GS后某一固定时刻(TH1)输出信号BPP，在输出信号BPP的同时输出信号CBT，并在输出信号BPP后某一固定时刻(TH2)产生信号GB，而在整流器状态下，在输出信号GS后某一固定时刻(TH3)输出信号GB，并在输出信号GB的同时输出信号CBT。用上述这些保护序列构造AC-DC变换系统的控制和保护系统是一项已知技术。
1978年10月14日公布的日本专利公开昭53-117727(Hiroshi Ikeda)揭示了上述常规的控制和保护系统。
在上述AC-DC变换系统的常规控制和保护系统中，整流器侧的变换器和逆变器侧的变换器会停止工作，只要它们不仅在正常工作期间而且在因故障而停止工作时相互协作。特别地，当停止工作时，在来自控制系统5A和5B的指令BPP使逆变器侧的变换器处于BPP状态后由门阻断信号使其停止工作。这是防止逆变器发生瞬时门阻断的保护功能。
以下将说明该逆变器门阻断。现在考虑这样的情况，即当运行AC-DC变换系统(其中变换器3A起逆变器的作用，而变换器3B起整流器的作用)时，在变换器3A侧发生故障，在逆变器侧的保护序列中没有BPP。同时，如果因某种原因控制系统5B未从控制系统5A接收到保护命令信号，那么变换器3A阻断门，而起整流器作用的变换器3B因未接收到保护命令信号而继续工作。
因此，由于变换器3B继续作为整流器而工作，所以DC电流在AC-DC变换系统中连续流动。另一方面，由门阻断阻断了至变换器3A的触发脉冲，并且由于不进行换向，所以电流连续流过在门阻断时刻导通的可控硅阀，结果是基波电压进入DC电路。
另外，由于在DC电流变零时关断了变换器3A的可控硅阀，所以从作为整流器而工作的变换器3B流出的电流对DC输电线L1和L2充电，结果是DC电压过电压。
图27示出了逆变器在瞬时门阻断时的电压和电流波形图，并示出了V相和X相可控硅阀在门阻断时导通的情况。如图所示，在逆变器瞬时门阻断时，DC电压Vdc、DC电流Idc、R相AC电流IacR、S相AC电流IacS、和T相AC电流IacT分别变成图27中(a)、(b)、(c)、(d)和(e)的波形。在这种情况下，不能安全停止变换器，并且还会损坏它。另外，AC断路器会使DC断路进而遭到损坏。
由此，在常规系统中，用逆变器保护序列在停止操作中进行BPP操作可以防止该逆变器的瞬时门阻断。但是，在这种AC-DC变换系统的控制和保护系统中，根据故障的情况BPP操作会进一步扩大故障。
以下将说明一例故障的情况。为了便于说明，假设当变换器3A作为逆变器工作而变换器3B作为整流器工作时在换流变压器2A之DC绕组的R相上发生接地故障。另外，对于变换器，阀短路也是AC电压两相的短路现象，并且发生与此处描述的接地故障类似的不良现象。
图28示出了电压/电流波形，而图29示出了变换器的工作模式以及此时的三相阀电流。保护系统7A的保护继电器70A检测DC绕组接地故障，并且当变换器3A处于逆变器状态时，控制系统5A起动相应于逆变器工作的GS-BPP-CBT-GB保护序列。当接地故障是AC电压R相的一线接地故障时，R相变为零电压，S相电压的相位比故障前相位超前30°且其量值变为故障前量值的
Figure C9610824700111
倍，而T相电压的相位滞后30°且其量值变成故障前量值的
Figure C9610824700112
倍。在GS期间，输出相位角为120°的PHS脉冲。
但是，由于R相为零电压，所以组成R相阀的U相和X相可控硅阀不导通，由于在正向电压期间没有PHS脉冲，所以组成T相的W相和Z相可控硅阀也不导通。结果，只有组成S相的V相可控硅阀导通，能够与接地点构成一个电流环路。
但是，由于构造了由V-相电压、换流变压器的漏磁电抗和V相可控硅阀组成的单相半波整流器，所以大约2倍于换流变压器的漏磁电抗所确定的额定值的电流流入V相可控硅阀。该状态在GS期间连续发生，每个AC电压周期一次。
另外，当保护序列进行并且根据BPP指令将T相确定为BPP相时，输出T相的PHS脉冲，而其他相的PHS脉冲不被BPP脉冲输出。因此，由PG保持W相控制脉冲PHS，并且当把正向电压加至W相(即，相位控制角α＝0°)上时，导通W相。因此，流至W相可控硅阀的电流变成一过电流，它大于触发相0°时由换流变压器的漏磁电抗所确定的额定电流值的3倍。
保持该状态，直至断路器1A开路。不用说，流至可控硅阀的电流随BPP相而不同。图30示出了当把S相确定为BPP相时的方框图和流至可控硅阀的波形图，而图31示出了当把R相确定为BPP相时的方框图和流至可控硅阀的波形图。
由这些电流波形可见，如果将接地故障相之外的相(这里为S相和T相)选作BPP相并且变换器处于BPP状态时，那么不能安全地停止变换器，并且变换器的电流为过电流，在最坏情况下会损坏保变换器。
如上所述，在AC-DC变换系统的常规控制和保护系统中，要通过降低正常保护操作中的电流和电压达到安全停止变换器的目的。但是，在某些情况下，保护序列的BPP操作会产生过电流，并且在最坏情况下可能损坏变换器。
因此，本发明的一个目的是，为AC-DC变换系统提供一种控制和保护系统，该系统所具有的保护序列能安全地停止变换器，且不削弱逆变器的瞬时门阻断保护功能。
本发明的这些和其他目的可以通过提供一种在两个AC电力系统间交换电力的AC-DC变换系统的控制和保护系统来实现。AC-DC变换系统由DC侧相互连接的两个电力变换器和分别连接在两个电力变换器AC侧和两个AC电力系统之间的两个断路器组成。每个电力变换器由门信号控制的多个开关器件组成，并且将AC电力变换成DC电力，或者将DC电力变换成AC电力。控制和保护系统由两套控制和保护装置组成，每套装置分别为一个电力变换器配备。每套控制和保护装置包括一个保护装置和一个相位控制装置，其中保护装置用于检测电力变换器的故障，用以当检测到故障时产生第一保护命令信号，而相位控制装置用于连续向电力变换器的开关器件产生触发脉冲。每套控制和保护装置还包括一个与保护装置相连的保护序列装置，用于接收第一保护命令信号，保持第一保护命令信号，对断路器产生开路指令，并对另一侧的控制和保护装置产生用于停止另一侧电力变换器的第二保护命令信号，同时将触发脉冲提供给电力变换器的开关器件。
依照本发明的一个方面，提供了一种用于在两个AC电力系统间交换电力的AC-DC变换系统的控制和保护系统。AC-DC变换系统由DC侧相互连接的两个电力变换器和分别连接在两个电力变换器AC侧和两个AC电力系统之间的两个断路器组成。每个电力变换器由门信号控制的多个开关器件组成，并且将AC电力变换成DC电力，或者将DC电力变换成AC电力。控制和保护系统由两套控制和保护装置组成，每套装置分别为一个电力变换器配备。每套控制和保护装置包括一个保护装置和一个相位控制装置，其中保护装置用于检测电力变换器的故障，以便当检测到故障时产生第一保护命令信号，而相位控制装置用于向电力变换器的开关器件产生触发脉冲。每套控制和保护装置还包括一个与保护装置相连的保护序列装置，用于接收第一保护命令信号，保持第一保护命令信号，产生门移相指令，对断路器产生开路指令，并对另一侧的控制和保护装置产生用于停止另一侧电力变换器的第二保护命令信号。连接相位控制装置用来从保护序列装置接收门移相指令，并在接收到门移相指令后向电力变换器的开关器件产生门移相的触发脉冲。
依照本发明，由于不由保护序列进行旁通对操作，所以即使产生了变换器接地故障，电压和电流也不会因旁通对操作而大得损坏变换器。另外，门信号控制的开关器件可通过对变换器连续提供触发脉冲的相位控制装置继续换向，并且在该期间通过保护序列装置断开A断路器。变换器因以下两个主要的电路现象而处于旁通对状态，即在变换器的换向期间AC电流过零点，以及当AC电流处于零点时断开AC断路器。因此，即使当正常侧的控制系统因某种原因不能从故障侧的控制系统接收保护命令信号时，变换器也不处于逆变器瞬时门阻断状态，因而不会产生这种损坏变换器的故障。
依照本发明，除了上述功能之外，可在断路器开路之前将触发脉冲的相位转变成门移相相位，从而可以快速降低DC电流，并防止换向失败。
本发明的更完全的评价和其它附加的优点将由于参见下面结合附图进行的叙述而变得易于理解，其中：
图1是表示按照本发明第一实施例的一种AC-DC变换系统控制和保护系统主要部分的方框图；
图2是表示本发明第一实施例的工作的时序图；
图3是说明本发明第一实施例从断路器开路状态到变换器旁通对状态的模式的工作的图；
图4是表示按照对本发明第一实施例一种变化的AC-DC变换系统的控制和保护系统基本部分的方框图；
图5是表示按照本发明第一实施例另一种变化的AC-DC变换系统的控制和保护系统的基本部分的方框图；
图6是表示按照本发明第二实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的主要部分的方框图；
图7是表示本发明第二实施例工作的时序图；
图8是表示按照本发明第三实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的基本部分的方框图；
图9是表示本发明第三实施例工作的时序图；
图10是表示按照本发明第四实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的基本部分的方框图；
图11是表示本发明第四实施例工作的时序图；
图12是表示按照本发明第四实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统基本部分的方框图；
图13是表示本发明第五实施例的工作的时序图；
图14是按照本发明第六实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的基本部分的方框图；
图15是表示本发明第六实施例的工作的时序图；
图16是表示按照本发明第七实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的基本部分的方框图；
图17是表示本发明第七实施例工作的时序图；
图18是表示按照本发明第八实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的基本部分的方框图；
图19是表示本发明第八实施例工作的时序图；
图20是表示一种常规的AC-DC变换系统的主电路系统的例子的方框图；
图21是表示一种AC-DC变换系统的常规的控制和保护系统的例子的方框图；
图22是表示图21中控制和保护系统中常规的保护序列的例子的方框图；
图23是表示如图21所示常规的控制和保护系统在逆变器工作状态下工作的时序图；
图24是表示如图21所示常规的控制和保护系统在整流器工作状态下工作的时序图；
图25是表示图22所示常规保护序列中保护操作定时电路的另一例子的方框图；
图26是表示如图25所示常规的控制和保护系统在逆变器工作状态下工作的时序图；
图27是表示常规的控制和保护系统在在逆变器瞬时门阻断时每一部分电流/电压的波形图；
图28是表示常规的控制和保护系统在逆变器DC绕组接地故障情形下工作的时序图；
图29是用来说明当T相为BPP相位时在R相变换器DC绕组接地故障情形下常规的控制和保护系统工作的图；
图30是用来说明当S相为BPP相位时在R相DC绕组接地故障情形下常规的控制和保护系统工作的图；
图31用来说明当R相为BPP相位时在R相变换器DC绕组接地故障情形下常规的控制和保护系统工作的图。
参见附图，在各图中同样的标号总是表示同一或相应的部件，下面详细叙述本发明。
图1表示按照本发明第一实施例的AC-DC变换系统的控制和保护系统的电路方框图，其时序图如图2所示，其在AC断路器开路后直到变换器变为旁通对，状态的模式图(modediagram)如图3所示。而且，与图22中同样部件有着同样标号。在本实施例中，如图22所示常规的控制系统5A由图1所示的控制系统5A代替。
在图1中，7A是检测变换器3A有无任何故障的保护系统，其组成包括监视AC电流Iac1、AC电压Vac1、DC电流Idc1和DC电压Vdc1时检测变换器3A任何故障的保护继电器70A，以及对控制系统5A输出保护命令信号的数字接口电路71A。
控制系统5A从保护系统7A经数字接口电路54A接收保护命令信号，控制系统5A包括保护序列53A，作为保护序列装置，按照保护序列的保护操作进行定时，控制系统5A根据保护命令信号控制器52A计算用于控制变换器3A的DC电流和DC电压为恒定值的相位控制角α，控制系统5A还包括相位控制器50A作为相位控制装置。控制系统5A进一步包括数字接口电路56A以输出PHs脉冲至PG6A，包括数字接口电路57A以输出开路指令CBT至断路器1A，以及包括数字接口电路59A以输出保护命令信号至它侧控制系统5B。按照本实施例的另一侧控制系统5B与图1所示控制系统5A同样构成。
若变换器3A发生任何故障，并且一个保护命令信号从保护系统7A输入，则控制系统5A由数字接口电路54A接收这一信号，并将其用触发电路531C保持在本侧的保护命令信号保持电路531A中。被保持的这一保护命令信号分别从数字接口电路57A、59A输入到另一侧的断路器1A和控制系统5B，作为开路指令CBT和保护命令信号。此时相位控制器50A未从保护序列53A接收保护操作指令，继续按控制器52A输出的相位控制角α输出PHS脉冲。
结果，断路器1A在触发脉冲被输出到变换器3A时开路，所以，变换器3A成为图2所示旁通对状态。
当来自它侧控制系统5B的保护命令信号输入到控制系统5A的数字接口电路55A时，该信号保持在它侧保护命令信号保持电路533A的触发电路533C中。它侧保护命令信号保持电路533A也执行同样操作，类似于本侧保护命令信号保持电路531A中的本侧保护操作。
下面由图3说明此时变换器3A的主电路的工作。图3中，模式(1)表示当触发脉冲加到可控硅W、电流流经可控硅X和V并且电流从可控硅V换向到可控硅W后变换器3A的工作情况。此时，S相AC电流降低到零，而T相电流逐渐从零增加到DC电流大小。
随后，模式(2)表示当电流流经可控硅X和W的工作情况。
假定开路指令CBT到达图3中模式(2)的断路器1A。模式(3)是电流从可控硅X模向到可控硅Y的模式。在该模式(3)中，当R相AC电流类似于模式(1)下降到零时，R相断路器1R在电流为零时刻开路。当R相断路器1R在模式(3)结束时开路，即使其后对可控路U给出触发脉冲，可控硅U也由为AC电压为零而不触发，而电流继续流过可控硅Y和W。
另一方面，S相和T相AC断路器1S和1T不开路，因为AC电流不为零点，该状态如图3中模式(4)所示。然后，如图3中模式(5)所示，为触发脉冲送到可控硅Z，而电流从可控硅Y换向到可控硅Z的状态。此时，由于S相和T相AC电流降为零，S相和T相断路器1S和1T在模式(5)结束时开路。
此后，由于流过直流电流，电流通过T相可控硅Z和W，而变换器3A变为图3所示模式(6)中旁通对状态。控制系统5B的作用与控制系统5A相同，这样可略去对其说明。
图3中，说明T相处于旁通对状态的例子。可是，显然当断路器开路指令CRT到达断路器1A并在触发脉冲时刻，R相和S相分别按照这一时刻成为旁通对状态，可略去对其说明。这样，即使出现在正常侧的控制系统未从故障侧收到保护命令信号的故障，触发脉冲仍然继续送到变换器，在此期间AC断路器开路，所以，变换器成为旁通对状态，不会出现逆变器瞬时门阻断。而且，尽管在未进行常规的控制和保护系统中的旁通对操作时变换器成为旁通对状态，当变换器处于任何故障中时由旁通对操作不产生过电流和过电压。这样，系统有着完成安全停止变换器而不损坏它的操作功能。
若严格地说，本侧保护命令信号保持电路531A输出有着尾标1的信号CBT1，而它侧保护命令信号保持电路533A输出带尾标2的输出信号CBT2。保护序列53A进一步具有“或”电路538A。信号CBT1和CBT2输入到“或”电路538A，后者经数字接口电路57A输出信号CBT到断路器1A。
图4和5表示对上述第一实施例的修改。
图4表示的修改中，执行保护序列以便将开路指令CBT输出到断路器1A，同时仅当从保护系统7A收到保护命令信号和当保护命令信号从它侧的控制系统5B收到时，继续输出触发脉冲，执行类似于图22所示的常规的保护序列。
而且，图5表示另一种修改，其中执行保护序列以输出开路指令CBT至断路器1A，同时仅当变换器3A处在逆变器状态和从保护系统7A收到保护命令信号时继续输出触发脉冲。
在这一修改中，当变换器3A处于整流器状态并且保护命令信号从保护系统7A收到，或保护命令信号从它例的控制系统5B收到时，执行类似于图22所示常规的保护序列。
如上所述，本发明尤其在保护操作时具有特点，当产生本侧保护命令信号(即，当本侧产生故障时)此时系统工作在逆变器状态。
至于当系统工作在整流器状态并产生本侧保护命令信号的情形，或是当保护命令信号在它侧产生的情形，由上述本发明第一实施例的保护序列构成的系统有着与图22所示常规的保护序列构成的系统同样作用。
而且，在图1所示实施例中，系统的结构是保护命令信号保持电路531A和533A设置在控制系统5A中，但是显然，即使当它们设置在保护系统7A或PG6A中时也能得到同样的作用。
图6是表示本发明第二实施例结构的方框图。
不用说，本实施例中也有可能提供如图4和5第一实施例的变化的方框图所示的结构，这里略去对其叙述以简化说明。
在第二实施例中，系统的结构是除图1所示第一实施例结构以外，新增加了作为门阻塞装置的断路器状态检测器551A和数字接口电路552A。本侧保护命令信号保护电路531A保持保护命令信号，随后，开路指令CBT输出到断路器1A。此后，当开路状态信号以断路器1A接收到时，在开路状态信号收到后，门阻断指令GB从接通延迟时间继电器551B在接通延迟时刻(On-delay time)TH10输出到相位控制器50A。该状态的时序图如图7所示。
由此，若系统如第二实施例那样构成，则得到与第一实施例同样动作和作用。此外，断路器开路状态信号使触发脉冲被门阻断，甚至在断路器不必要地接通时，变换器也不会工作。
图8是表示本发明第三实施例结构的方框图。
不用说，在本实施中尽管有可能提供如图4和5所示第一实施例的变化的方框图所示的结构，这里也略去以使叙述简化。
在第三实施例中，系统结构是这样的，除了图1所示第一实施例中结构之外，新增加了DC电流状态检测器553A和数字接口电路554A。本例保护命令信号保持电路531A保持保护命令信号，随后，开路指令CBT输出到断路器1A其后在DC电流Idc1下降到低于电平检测器553a设定的电流值的条件下，门阻塞指令GB输出到相位控制器50A。该状态的时序图如图9所示。
由此，若系统如第三实施例那样构成，则得到与第一实施例同样动作和作用。此外，由于在DC电流变得小于一固定值后触发脉冲被门阻塞，即使在电路断路器不必要地接通时变换器也不会工作。而且，由于门在电流变得足够小时被阻塞，并且组成变换器的可控硅关断，可更安全地停止变换器。
图10是表示本发明第四实施例结构的方框图。
不用说，在该实施例中，尽管有可能提供如表示在对图4和5所示第一实施例的变化的方框图中的所示的结构，这里也将其略去以简化说明。
在第四实施例中，系统的结构是除了图1中第一实施例的结构之外，新增加了旁通对状态检测器555A作为旁通对检测装置，本侧保护命令信号保持电路531A保持一保护命令信号，然后，开路指令CBT输出到断路器1A。此后，当断路器1A处于开路状态时，在DC电压Vdc1为电平检测器555d设定的零电压和DC电流Idc1下降到低于电平检测器555c设定的电流值的条件下，由检测到变换器3A处于旁通对状态，门阻断指令BG输出到相位控制器50A。该状态的时序图如图11所示。而且，作为旁通对状态检测器555A的另一实施例，有这样一种方法来检测旁通对状态，即根据检测流经变换器的可控硅阀的电流，检测电流同时流经串联连接的可控硅阀。
这样，若系统如第四实施例那样构成，可获得与第一实施例同样动作和作用。此外，由于在用检测变换器为旁通对状态的装置检测到旁通对状态后触发脉冲被门阻断，即使当断路器不必要地接通时变换器也不会工作。而且，由于在变换器成为旁通对状态后出现门阻断，有可能更可靠地防止逆变器门阻断。
图12是表示本发明第五实施例结构的方框图。
不用说，在本实施例中，尽管有可能提供如图4和5中所示第一实施例的变化的方框图中所示的结构，这里也略去以简化说明。
在第五实施例中，系统的结构里，除了图1所示第一实施例的结构之外，从作为保护序列装置的保护序列53A输出门移相指令GS到相位控制器50A。保护命令信号由本侧保护命令信号保持电路531A保持，然后，开路指令CBT输出到断路器1A，同时门移相指令GS输出到相位控制器50A，由于这一门移相操作而使DC电流下降。该状态的时序图如图13所示。
这样，若系统如第五实施例那样构成，则可得到与第一实施例同样动作和作用。此外，由于在开路断路器之前触发脉冲的相位成为门移相相位，有可能迅速减小DC电流并防止换向故障。
图16是表示本发明第六实施例结构的方框图。
不用说，在本发明中，尽管有可能提供图4和5中第一实施例的变化的方框图中所示之结构，这里也略去以简化说明。
在第六实施例中，系统结构是这样的，除了图12中第5实施例所示的结构之外，新增加了断路器状态检测器551A和数字接口电路552A。本侧保护命令信号保持电路531A保持保护命令信号，然后，断路器开路指令CBT输出到断路器1A。此后，当从断路器1A收到开路状态信号时，从接通延迟时间继电器551b在收到开路状态信号后的接通延迟时刻TH10，门阻断指令GB输出到相位控制器50A。该状态的时序图如图15所示。
这样，若系统如第六实施例那样构成。可得到与第五实施例同样动作和作用。此外，断路器开路状态信号使触发脉冲被门阻断，即使当断路器不必要地接通时变换器也不会工作。
图16是表示本发明第六实施例的结构的方框图。
不用说，在本实施例中，可以提供如图4和5所示第一实施例的变化的方框图中所示的结构，这里略去以使叙述简化。
在第七实施例中，系统结构是这样的，除图12中第五实施例结构之外，新增加了DC电流状态检测器553A和数字接口电路554A。本侧保护命令信号保持电路531A保持保护命令信号，然后，断路器开路指令CBT输出到断路器1A。此后，在DC电流Idc1下降到低于电平检测器53a设定的电流值的条件下，门阻断指令GB输出到相位控制器50A。该状态的时序图如图17所示。
这样，若系统如第七实施例那样构成，可得到与第五实施例同样动作和作用。此外，由于在DC电流减小到小于固定值后触发脉冲被门阻断，即使当断路器不必要地接通时，变换器也不会工作。而且，由于门在电流变得足够小后阻断，并且组成变换器的可控硅关断，故可更安全地停止变换器。
图18是表示本发明第八实施例的结构的方框图。
不用说，在本实施例中尽管有可能提供图4和5中第一实施例的变化的方框图中所示的结构，这里也略去以简化说明。
在第八实施例中，系统的结构是，除了图12所示第5实施例结构之外，新增加了旁通对状态检测器555A。本侧保护命令信号保持电路531A保持保护命令信号，然后，断路器开路指令CBT输出到断路器1A。此后，当断路器1A在开路状态时，在DC电压Vdc1为电平检测器555d设定的零电压和DC电流Idc1下降到小于电平检测器555e设定的电流值的条件下，通过检测到变换器3A处于旁通对状态，门阻断指令GB输出到相位控制器50A。该状态的时序图如图17所示。而且，作为旁通对状态检测器555A的另一实施例，有着这样一种方法来检测旁通对状态，即根据检测流经变换器可控硅阀的电流，检测电流同时流经串联连接的可控硅阀。
这样，若系统如第八实施例那样构成，可得到与第五实施例同样动作和作用。此外，由于在用于检测变换器处于旁通对状态的装置检测旁通对状态后，触发脉冲被门阻断，当断路器不必要地接通时，变换器不会工作。而且，由于变换器在变为旁通对状态后出现门阻断，有可能更可靠地防止逆变器门阻断。
如上所述，按照本发明的AC-DC变换系统的控制和保护系统，当变换器中发生接地故障、可控硅阀短路等故障时，旁通对操作中不会产生过电流，因为旁通对操作不是由保护序列装置执行的。这样，有可能保护系统而不损坏变换器。而且，在常规的系统中，在例如正常侧控制系统由于某种原因不能从故障侧控制系统接收保护命令信号的情形下，出现例如逆变器瞬时门阻断等缺陷。在本发明中，甚至对于这些情形，也可能防止损坏变换器，因为在变换器的换向操作期间由AC断路器开路使变换器处于旁通对状态。
显然，从上面的做法来看，本发明可作出许多修改和变化。所以，应理解本发明可在所附的权利要求书而不是说明书的范围内实行。

Claims (10)

1.一种在两个AC电力系统间交换电力的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，所述AC-DC变换系统由DC侧相互连接的两个电力变换器和分别连接在所述两个电力变换器AC侧和所述两个电力系统之间的两个断路器组成，每个所述电力变换器由门信号控制的多个开关器件组成，并且将AC电力变换成DC电力，或者将DC电力变换成AC电力，所述控制和保护系统由两套控制和保护装置组成，每套装置分别为一个所述电力变换器配备，所述每套控制和保护装置包括：
保护装置，用于检测所述电力变换器的故障，以便当检测到所述故障时产生第一保护命令信号；
相位控制装置，用于连续向所述电力变换器的所述开关器件产生触发脉冲；以及
与保护装置相连的保护序列装置，用于接收所述第一保护命令信号，保持所述第一保护命令信号，向所述断路器产生开路指令，并向另一侧的所述控制和保护装置产生用于停止另一侧所述电力变换器的第二保护命令信号，同时将所述触发脉冲提供给所述电力变换器的所述开关器件。
2.如权利要求1所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，还包括：
门阻断装置，用于检测所述断路器是否开路，并在所述断路器开路之后产生一门阻断指令；
其中，连接所述相位控制装置用以从所述门阻断装置接收所述门阻断指令，并且阻断以向所述电力变换器的所述开关器件产生所述触发脉冲。
3.如权利要求1所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，还包括：
门阻断装置，用于检测流过所述电力变换器的DC电流是否低于某预定电流值，并且在所述DC电流低于所述预定电流值之后，产生一门阻断指令；
其中，连接所述相位控制装置用以从所述门阻断装置接收所述门阻断指令，并且阻断以向所述电力变换器的所述开关器件产生所述触发脉冲。
4.如权利要求1所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，还包括：
门阻断装置，用于检测所述断路器开路后所述电力变换器是否处于旁通对状态，并且在所述电力变换器变成所述旁通对状态后，产生一门阻断指令；
其中，连接所述相位控制装置用以在所述电力变换器变成所述旁通对状态后，从所述门阻断装置接收所述门阻断指令，并且阻断以向所述电力变换器的所述开关器件产生所述触发脉冲。
5.如权利要求1所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，
所述保护序列装置还与所述另一侧的所述控制和保护装置相连，用于接收所述第二保护命令信号，保持所述第二保护命令信号，并向所述断路器产生所述开路指令，同时将所述触发脉冲提供给所述电力变换器的所述开关器件。
6.一种在两个AC电力系统间交换电力的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，所述AC-DC变换系统由DC侧相互连接的两个电力变换器和分别连接在所述两个电力变换器AC侧和所述两个电力系统之间的两个断路器组成，每个所述电力变换器由门信号控制的多个开关器件组成，并且将AC电力变换成DC电力，或者将DC电力变换成AC电力，所述控制和保护系统由两套控制和保护装置组成，每套装置分别为一个所述电力变换器配备，所述每套控制和保护装置包括：
保护装置，用于检测所述电力变换器的故障，以便当检测到所述故障时产生第一保护命令信号；
相位控制装置，用于向所述电力变换器的所述开关器件产生触发脉冲；和
与保护装置相连的保护序列装置，用于接收所述第一保护命令信号，保持所述第一保护命令信号，产生门移相指令，对所述断路器产生一开路指令，并对所述另一侧的所述控制和保护装置产生用于停止另一侧所述电力变换器的第二保护命令信号；
连接所述相位控制装置用以从所述保护序列装置接收所述门移相指令，并在接收到所述门移相指令后向所述开关装置产生门移相的所述触发脉冲。
7.如权利要求6所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，还包括：
门阻断装置，用于检测在门移相期间所述断路器是否开路，并在所述断路器开路之后产生一门阻断指令；
其中，还连接所述相位控制装置用以从所述门阻断装置接收所述门阻断指令，并且阻断以向所述电力变换器的所述开关器件产生所述触发脉冲。
8.如权利要求6所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，还包括：
门阻断装置，用于检测在门移相期间流过所述电力变换器的DC电流是否低于某预定电流值，并且在所述DC电流低于所述预定电流值之后，产生一门阻断指令；
其中，还连接所述相位控制装置用以从门阻断装置接收所述门阻断指令，并且阻断以向所述电力变换器的所述开关器件产生所述触发脉冲。
9.如权利要求6所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，还包括：
门阻断装置，用于检测在门移相期间在所述断路器开路后所述电力变换器是否处于旁通对状态，并且在所述电力变换器变成所述旁通对状态后，产生一门阻断指令；
其中，还连接所述相位控制装置用以在所述电力变换器变成所述旁通对状态后，从所述门阻断装置接收所述门阻断指令，并且阻断以向所述电力变换器的所述开关器件产生所述触发脉冲。
10.如权利要求6所述的AC-DC变换系统的控制和保护系统，其特征在于，
所述保护序列装置还与所述另一侧的所述控制和保护装置相连，用于接收所述第二保护命令信号，保持所述第二保护命令信号，产生所述门移相指令，并向所述断路器产生所述开路指令。
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