CN101741094A - 一种基于可关断器件的移动式输电装置 - Google Patents

一种基于可关断器件的移动式输电装置 Download PDF

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Abstract

一种基于可关断器件的移动式输电装置，包括两组相互独立的高压换流站，两组高压换流站采用背靠背连接模式通过直流侧并联组合在一起，分别作为直流输电的发送端和接收端。其中发送端连接电网的三相交流电输出端，接收端则根据输电要求可连接有源电网或无源电网。输电方法采用上层控制和下层单元控制两层控制方式，其中上层控制主要协调多个变流器功率单元的控制目标和系统保护；下层单元控制完成功率单元的实时控制和保护。移动式输电装置具有小型、高效、控制灵活等特点，提高了装置的作业范围和设备利用率，同时大大提高了电能质量。

Description

一种基于可关断器件的移动式输电装置
技术领域
本发明涉及一种输电装置，尤其是一种应用于输变电领域的基于可关断器件的移动式输电装置，该输电装置也可以用于小规模分散性可再生能源(如风力，太阳能等)发电场并网，敏感负荷供电，城市负荷中心供电，海上钻井平台供电，孤岛供电。
背景技术
随着国家对于可再生清洁能源的大力开发和利用，能源结构的不断优化，伴随着风能、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点不断显现出来。而采用传统的输电技术则带来了投资规模大，输电效率低等一系列不利因素。另一方面，变流技术是建设资源节约型和环境友好型社会的一项关键技术。基于变流技术的输电技术具有小型、高效、控制灵活的特点，经济效益和环保价值可观，能有效的减少输电线路电压降落和闪变，提高了电能质量。
现有输电技术中有如下两种方案：
(1)传统的交流输电技术，此种方式采用交流架空导线传输的形式，要求交流电力系统中的所有同步发电机必须保证同步运行，系统的稳定性得不到充分保证；用交流输电线连接两个及以上交流系统时，短路容量增大，甚至需要更换断路器或增设限流装置；无空、轻载时，交流长线受端及中部容易发生电压异常升高的现象，需要并联电抗补偿；由于交流为三线输送，线路造价高、年电能损失率大，且容易产生大量的感抗和容抗的无功损耗。
(2)基于晶闸管的电流源换流器型直流输电技术，此种方式只能工作在有源逆变状态，且受端系统必须有足够大的短路容量，否则容易发生换相失败；换流器产生的谐波次数低、容量大；换流器需吸收大量的无功功率需要大量的滤波和无功补偿装置；换流站占地面积大、投资大。
而基于可关断器件的输电技术专业性非常强，而对于有功功率和无功功率的四象限输电技术则还没有出现过，目前的工程化实施过程中还只能见到单独的进行有功功率传输或单独的进行无功功率补偿的输电技术，如2002年10月美国SDG&E(San Diego Gas&Electric)的Talega电站交付使用的138kV，±100Mvar STATCOM装置。同时为了满足能源分散性、小型性、远离负荷中心等要求，移动式的输电装置具有流动性强、作业范围广、装置利用率高等优点。因而此种基于可关断器件的移动式输电装置的应用前景十分广阔。
新一代的HVDC(高压直流)输电技术，是以全控型、可关断器件构成的电压源换流器(VSC)为基础，使得VSC-HVDC输电系统具备对其传输有功功率和无功功率进行同时控制的能力，以及可实现对交流无源网络供电等众多优点。图1所示为两端联结有源交流网络的柔性直流输电系统主要设备及系统构成示意图，VSC换流站的主要设备有全控换流器、直流电容器、换相电抗器、交流滤波器以及换流变压器等。
发明内容
本发明的目的在于针对现有输电装置的不足，提供一种基于可关断器件的移动式输电装置，以达到对孤立负荷点高效可靠供电的目的。
本发明提供的一种基于可关断器件的移动式输电装置是通过下述技术方案来实现的：
一种基于可关断器件的移动式输电装置，包括两组相互独立的高压换流站，两组高压换流站采用背靠背连接模式通过直流侧串连组合在一起，分别作为直流输电的发送端和接收端；其中发送端连接电网的三相交流电输出端，将交流电转化为直流电传输，接收端则根据输电要求将发送端传输过来的直流电转化为交流电送入有源电网或无源电网。
作为本发明进一步的实施方式，高压换流站包括移相变压器和不少于两个的功率单元的组合，所述的功率单元实现交流与直流的相互转化，移向变压器原边接高压交流电网，移向变压器副边为多绕组输出，分别接各个功率单元交流侧，功率单元直流侧通过串联方式，输出高压直流。
作为本发明进一步的实施方式，所述的功率单元包括6个IGBT的三相两电平桥臂，交流侧电容滤波器，交流侧低压电抗器，直流侧电容，直流侧放电电阻，三相两电平桥臂交流侧接交流侧低压电抗器，再通过交流侧电容滤波器滤波后接移向变压器副边绕组，直流侧并联电容、直流侧放电电阻，以及IGBT VT7，二极管D1构成的斩波桥臂并联在功率单元的直流侧。
作为本发明进一步的实施方式，所述移动式输电装置包括上层控制器和下层功率单元控制器，其中上层控制器协调多个功率单元的控制目标和系统保护；下层功率单元控制器完成功率单元的实时控制和保护。
作为本发明进一步的实施方式，所述上层控制器与电力调度中心进行通讯，接受电力调度中心的功率、电压等调度指令，同时发送换流站的实时波形数据和故障数据记录；与下层功率单元控制器进行通讯，发送给下层功率单元控制器电流、电压、功率指令，以及无源负载控制时的交流侧输出相位角给定，接收下层功率单元控制器的故障信号和实时数据记录。
作为本发明进一步的实施方式，所述下层功率单元控制器主要实现单个功率单元的实时控制，包括电压外环控制器和电流内环控制器，其中电压外环控制器实现功率单元的功率控制，包括有功功率控制和无功功率控制，电流内环控制器按照电压外环输出的电流指令进行电流控制。
作为本发明进一步的实施方式，所述下层功率单元控制器包括直流电压控制器、直流电流控制器和直流功率控制器，实现有功功率的控制。
作为本发明进一步的实施方式，所述下层功率单元控制器包括无功功率控制器和交流电压控制器，实现无功功率的控制。
作为本发明进一步的实施方式，所述下层功率单元控制器包括发送端功率单元控制器和接收端功率单元控制器，发送端功率单元控制器包括直流电压控制器、交流电压控制器和无功功率控制器，直流电压控制器、交流电压控制器和无功功率控制器根据采集到的实际值和接收到的给定指令信号，通过电流内环控制器控制功率单元；接收端功率单元控制器包括直流电流控制器、直流功率控制器和交流电压控制器，直流电流控制器、直流功率控制器和交流电压控制器根据采集到的实际值和接收到给定指令信号，通过电流内环控制器控制功率单元。
以上所述的实施方式中高压换流站均可安装在一个集装箱车内且可以移动。通过应用本发明所描述的输电装置，基于可关断器件的移动式输电装置具有小型、高效、控制灵活等特点，既可以连接两个有源电网进行并网输电以及对敏感负荷供电，也可以实现有源电网与无源电网的对接，从而实现对孤立负荷点供电。采用集装箱车形式也实现了输电装置的可移动性，提高了装置的作业范围和设备利用率。整个装置的占地面积约为同容量的传统直流输电的20％，输电效率相比交流架空导线输电要高出约50％，通过变流装置对输出电能波形的数字化控制，大大提高了电能质量。
本发明所提供的输电装置不仅可以实现常规输电，而且由于有功功率和无功功率的独立解耦控制，可以满足其它输电的特殊要求：如实现非同步运行电网的互联、对无源电网的供电、STATCOM(Static Var Compensator——静止同步无功补偿器)等。
附图说明
图1是现有技术两端联结有源交流电网的直流输电系统结构示意图；
图2是本发明一种典型实施方式的系统示意图；
图3是本发明一种典型实施方式的功率单元拓扑结构以及连接成输电高压换流站示意图；
图4是本发明一种典型实施方式的系统控制框图；
图5是图4所述控制方案中直流电压控制器；
图6是图4所述控制方案中直流电流控制器；
图7是图4所述控制方案中直流功率控制器；
图8是图4所述控制方案中无功功率控制器；
图9是图4所述控制方案中交流电压控制器；
图10是图4所述控制方案中电流内环控制器；
其中：1-高压换流站一，2-移相变压器一，3-功率单元一，4-下层功率单元控制器，5-上层控制器，6-模块一，7-模块二，1′-高压换流站二，2′-移相变压器二，3′-功率单元二，6′-模块三，7′-模块四，R1-电阻，C1～C2-电容，VT1～VT7-IGBT，D1-二极管，PT-电压传感器，CT-电流传感器。
具体实施方式：
附图给出了本发明的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图2所示，对于基于可关断器件的移动式输电装置的结构，包括两组相互独立的高压换流站(如图2中标号1和1′部分所示)，两组换流站采用背靠背连接模式通过直流侧并联组合在一起，分别作为直流输电的发送端(又称发端)和接收端(又称受端)。每组高压换流站又包括一对串联的模块(如图2中标号6，7，6′，7′所示)，每个模块由移相变压器(如图2中标号2和2′部分所示)和若干个功率单元(如图2中标号3和3′部分所示)组成。每组高压换流站可集成组装在移动车集装箱内构成可移动式输电车。
如图3所示，高压换流站是由多个功率单元的组合和移相变压器构成。如图2中标号3和3′部分所示的功率单元主电路部分主要由全控电力电子器件三相两电平桥臂，斩波桥臂，交流侧低压电抗器，交流侧滤波电容，直流侧电容，直流侧放电电阻构成。功率单元具体电路拓扑如图3所示，6个IGBT(VT1～VT6)构成的三相桥臂，三相桥臂交流侧接三相低压电抗器L1，再通过三相电容C1滤波后接变压器副边绕组。功率单元直流侧并联电容C2与放电电阻R1，以及VT7，D1构成的斩波桥臂。在输电时功率单元直流侧正极Ud+接上一个功率单元直流侧负极Ud-，而Ud-接下一个功率单元Ud+，实现直流侧的功率单元串联，相接构成高压直流源。
其中移相变压器副边为多绕组输出，分别接各功率单元交流侧，变压器原边接高压交流电网。变压器实现交流电网高压与功率单元低压的相互转化。
每组换流站控制系统由上层控制器和各功率单元内部的单元控制器组成：下层单元控制器完成功率单元的单位功率因数稳压控制和保护，上层控制器完成恒流斩波控制和系统保护，控制系统框图如图4所示。系统的控制过程为：上层控制器5采集到电压、电流等传感器传上来的数据后对数据进行计算与处理，根据系统的需要而向下层若干个单元控制发送给定指令信号进行实时控制，下层功率单元控制器4接收到给定指令信号udc *、idc *、Pdc *、Q*、usm *后，电压外环进行功率控制后分别输出电流参考指令id *、iq *，在电流内环控制器接收到电流参考指令后，对电流进行控制，输出电压控制信号进行PWM载波错相调制从而产生PWM脉冲信号来实现对功率单元中的IGBT的控制，达到分别控制稳态有功和无功功率的目的。其中在发送端的功率单元控制器中，有功功率控制采用直流电压控制器，为了满足不同的输电情况，可视具体应用情况对无功功率控制选择交流电压控制器或者无功功率控制器；在接收端的功率单元控制器中，可以对有功功率控制选择直流功率控制器或者直流电流控制器，无功功率控制采用交流电压控制器。
其中由于本发明所用的换流站采用多个功率单元载波错相控制来实现，因此必须设计一个上层控制器来协调下层各个功率单元的控制目标。上层控制器所主要功能是完成与电力调试中心的通讯、与下层功率单元的通讯、系统保护和预充电控制。下层功率单元控制器实现单个功率模块的实时控制，通常均采用电压外环和电流内环的双环控制方式。其中电压外环实现功率单元的功率控制，包括有功功率控制和无功功率控制。电流内环按照电压外环输出的电流指令进行电流控制。对于三相交流对称系统，假定只考虑交流基波分量，则稳态dqo模型中的dq分量均为直流变量。通过选取同步旋转坐标系的d轴初始参考轴方向与电网电动势矢量重合，即变流器的交流系统A相相电压初始相位角为0度，则d轴电流表示电流的有功分量，q轴电流表示电流的无功分量，通过分别控制id和iq就可以达到控制稳态有功和无功功率的目的。
如图5所示的直流电压外环控制器中，图中udc、udc *、Δudc、idc *分别为直流电压实际值、直流电压给定值、直流电压误差值和直流电流给定值。直流电压udc与直流电压参考值udc *的偏差量Δudc经过PI环节转换为交流电流有功分量id的修正量id1，通过功率前馈环节提供id的预估量id0，两者之和构成了功率单元有功输入电流的有功分量的给定参考值id *，从而去控制功率单元的直流电压。若功率单元的控制量id *仅为稳态预估值id0，则功率单元电压开环运行，此时直流电压不再维持恒定而是随着有功负荷无功负荷的变化而波动。
如图6所示的直流电流外环控制器中，图中idc、idc *、udc *、udc、Δidc分别为直流电流实际值、直流电流给定值、直流电压给定值和直流电流实际值。直流电流idc与直流电压参考值idc *的偏差量Δidc经过PI环节转换为交流电流有功分量id的修正量id1，通过功率前馈环节提供id的预估量id0，两者之和构成了功率单元有功输入电流的有功分量的给定参考值id *，从而去控制功率单元的直流电压。若功率单元的控制量id *仅为稳态预估值id0，则功率单元电流开环运行，此时直流电流不再维持恒定而是随着有功负荷无功负荷的变化而波动。
如图7所示的直流功率外环控制器中，图中udc、idc、Pdc *、ΔP分别为直流电流实际值、直流电流实际值、直流功率给定值和直流功率误差。直流电压udc与直流电流idc相乘得到直流功率的实际值Pdc，直流功率偏差量ΔP经过PI环节转换为交流电流有功分量id的给定参考值id *，从而去控制功率单元的直流功率。
如图8所示的无功功率外环控制器中，图中Q、Q*、ΔQ分别为功率单元实际无功功率、无功功率给定值和无功功率误差值。无功功率偏差量ΔQ经过PI环节转换为交流电流有功分量iq的给定参考值iq *，从而去控制功率单元的无功功率。
如图9所示的交流电压外环控制器中，图中usm、usm *、Δusm分别为功率单元交流电压实际值、交流电压给定值和交流电压误差值。其中信号usm、usm *从上层控制器得到。交流电压偏差量Δusm经过PI环节转换为交流电流无功分量iq的给定参考值iq *，从而去控制功率单元的交流侧的交流电压。
电流内环控制器如图10所示，将电流id、iq分别与给定值id *、iq *(＝0)进行比较并进行PI控制之后，利用前馈解耦算法，得到功率单元调制电压的dq分量。通过udq以及锁相环所得到的相位信号，就可以进行三相SPWM调制或SVPWM调制，得到功率单元的IGBT元件的触发脉冲信号。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：包括两组相互独立的高压换流站，两组高压换流站采用背靠背连接模式通过直流侧并联组合在一起，分别作为直流输电的发送端和接收端；其中发送端连接电网的三相交流电输出端，将交流电转化为直流电传输，接收端则根据输电要求将发送端传输过来的直流电转化为交流电送入有源电网或无源电网。
2.根据权利要求1所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：高压换流站包括移相变压器和不少于两个的功率单元的组合，所述的功率单元实现交流与直流的相互转化，移相变压器原边接高压交流电网，移相变压器副边为多绕组输出，分别接各个功率单元交流侧，功率单元直流侧通过串联方式，输出高压直流。
3.根据权利要求2所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述的功率单元包括6个IGBT的三相两电平桥臂，交流侧电容滤波器，交流侧低压电抗器，直流侧电容，直流侧放电电阻，三相两电平桥臂交流侧接交流侧低压电抗器，再通过交流侧电容滤波器滤波后接移向变压器副边绕组，直流侧并联电容、直流侧放电电阻，以及IGBT(VT7)，二极管(D1)构成的斩波桥臂并联在功率单元的直流侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述移动式输电装置包括上层控制器和下层功率单元控制器，上层控制器与下层功率单元控制器相连，其中上层控制器协调多个功率单元的控制目标和系统保护，下层功率单元控制器完成功率单元的实时控制和保护。
5.根据权利要求4所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述上层控制器与电力调度中心进行通讯，接受电力调度中心的功率、电压调度指令，同时发送换流站的实时波形数据和故障数据记录；与下层功率单元控制器进行通讯，发送给下层功率单元控制器电流、电压、功率指令，以及无源负载控制时的交流侧输出相位角给定，接收下层功率单元控制器的故障信号和实时数据记录。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述下层功率单元控制器主要实现单个功率单元的实时控制，包括电压外环控制器和电流内环控制器，其中电压外环控制器实现功率单元的功率控制，包括有功功率控制和无功功率控制，电流内环控制器按照电压外环输出的电流指令进行电流控制。
7.根据权利要求6所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述下层功率单元控制器包括直流电压控制器、直流电流控制器和直流功率控制器，实现有功功率的控制。
8.根据权利要求7所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述下层功率单元控制器包括无功功率控制器和交流电压控制器，实现无功功率的控制。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述下层功率单元控制器(4)包括发送端功率单元控制器和接收端功率单元控制器，发送端功率单元控制器包括直流电压控制器、交流电压控制器和无功功率控制器，直流电压控制器、交流电压控制器和无功功率控制器根据采集到的实际值和接收到的给定指令信号，通过电流内环控制器控制功率单元；接收端功率单元控制器包括直流电流控制器、直流功率控制器和交流电压控制器，直流电流控制器、直流功率控制器和交流电压控制器根据采集到的实际值和接收到给定指令信号，通过电流内环控制器控制功率单元。
10.根据权利要求7或8所述的一种基于可关断器件的移动式输电装置，其特征在于：所述高压换流站安装在一个集装箱车内且可以移动。
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