CN101951148A - 多直流电压等级低压逆变超导输配电方法 - Google Patents

多直流电压等级低压逆变超导输配电方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，其特征是：在城市电网使用高温超导直流输电技术；所述输配电方法中城外变电所实现交流降压与12脉波整流；所述输配电方法采用直流降压技术，城内变电所作为一级T形接口配置多级串联降压斩波器，经低压超导线路为用户供电；所述输配电方法中，城外变电所与城内变电所间配置一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，城内各变电所间使用5kV的超导直流输电线路互连；城内各变电所可形成环网，输电线路配置二级T形接口，输电给用户；所述输配电方法中，采用脉宽调制技术，用户经过进一步直流降压后进行低压逆变，给负荷供电。这是一项全新的输配电方法，可实现扩大输电容量、节能、净化电力系统、减少电网占地面积、降低投资成本的目标。

Description

多直流电压等级低压逆变超导输配电方法
技术领域
本发明提出一个全新的多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，该方法特征在于：使用一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，两端采用晶闸管换流阀；送电侧城外变电所将220kV交流电经三圈式降压变压器降为35kV交流电，配置由普通三相全波整流桥串联而成的12脉波整流阀使其成为35kV直流电；受电侧城内变电所采用多级直流降压技术，直接将高压直流电经多级串联直流斩波器降压至5kV；城内各变电所通过5kV的超导主干线互连组成环网，作为一级T形接口为用户供电；各变电所或在环网利用二级T形接口，经超导低压直流线路供电给用户侧，用户侧通过降压斩波电路进一步降压后至低压逆变终端，逆变为380V交流电给负荷供电。
背景技术
利用传统导体的直流输电技术，由于传统导体具有电阻而会产生巨大的损耗，使得输送功率增大时，不得不提高电压和加大导线截面，大大增加了换流站设备和电缆的技术难度和成本，并使得直流输电只有在长距离传送时才有经济效益。而超导输电与传统电缆或架空输电线路相比，不但可以降低线损，还可以在较低电压的情况下提供更大容量的输电能力，从而简化换流设备、降低绝缘要求。由于集肤效应，超导输电应用于交流输电系统所带来的效益将大打折扣。因此，研究超导直流输电具有重要的现实意义。
世界范围内能源供应越来越紧张，电能大量消耗在所使用的传统材料上，仅美国一年在输电线路上的损失就高达400亿美元。高温超导材料的导电能力是普通铜导线的100倍以上，功率输送密度高，损耗小，体积小，重量轻，单位长度电抗小，实现低压大电流高密度输电，符合环保和节能的发展要求，减少城市用地，缩短电气距离。我国电网的功率损耗约占总发电量的8.5％，2010年总发电容量将达550GW，电网损耗将达47GW，主要为煤炭发电，通过降低电网损耗，提高效率可降低煤炭发电量，减少污染排放。丹麦的NKT公司已试验运行三相30m 36kV/2kA的电缆，中科院电工所研究的三相75m的35kV/1kA电缆已经并网。可见，研究建设城内低压超导直流输电有很大的发展前景。
目前交流输电仍是主要的输电方式，常规电气设备占地面积大，而人口密集的大中城市正是负荷中心，随着对电能需求量的增加，对电网建设占地的需求也越来越大，因此，本发明考虑在城内建设低压超导直流输电线路，铺设于地下，不仅降低电网损耗，扩大输送容量，更大幅度减少占地面积。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是提出一种多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，输电主干线采用高温超导技术，送电端城外变电所采用三圈式变压器降压和12脉波整流阀，受电侧城内变电所采用直流降压技术，利用集成门极换流晶闸管(IGCT)元件构成多级串联直流斩波器实现直流降压，城内输电采用低压超导直流输电技术，用户侧采用降压(BUCK)电路降压、采用脉宽调制(PWM)的低压逆变器。
技术方案：本发明提出一种全新的多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，城外变电所实现交流降压与整流；城内变电所采用直流降压技术，通过几级斩波电路实现直流电的直接降压；城外变电所与城内变电所间使用一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线；城内各变电所间使用5kV的超导直流主干线，城内各变电所形成环网，城内变电所作为一级T形接口供电给用户，环网中配置二级T形接口为用户输电，T形接口到用户间布置低压超导直流输电线路；用户采用脉宽调制技术，进一步斩波降压后经过低压逆变，给负荷供电。
所述城外变电所与城内变电所间使用一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，送电端配置交流降压变压器与由普通三相全波整流桥串联而成的12脉波整流器，将电网中220kV交流电降压后整流为35kV直流电。
所述城内变电所采用直流降压技术，配置多级串联降压斩波器，经多级斩波直接降压后成为5kV的直流电。
所述用户采用脉宽调制技术，通过降压斩波电路进一步降压至700V后，经采用脉宽调制的逆变电路逆变为380V交流电，供电给负荷。
所述用户对已有380V交流电源的负荷，将用户端采用脉宽调制的低压逆变电路与原有交流系统并联，实现采用脉宽调制的有源逆变，成为380V的交流电后给负荷供电。
有益效果：
1、降低电网损耗，减少城内电网建设的占地面积，实现异步电网的互联，可控性好，反应快速，简化保护电路，在负载不对称时不会在电力系统中产生负序电流以影响电网的安全可靠运行。
2、在保证经济性的前提下，实现直流电的短距离输送，低电压时提高更大容量的输电能力。
3、简化换流设备，减轻换流设备与电缆技术难度与成本，降低绝缘要求。
4、简化直流降压过程，将高压直流经多级斩波降压直接成为所需低压直流电，不再逆变成交流电后再降压最后再整流，采用IGCT元件构成多级串联斩波器。
5、城内各变电所可通过超导直流输电线路互连组成环网，经T形接口供电至用户侧，保证供电质量。
附图说明
图1是多直流电压等级低压逆变超导输配电方法示意图。
图2是低压回路示意图。
图3是12脉波整流电路示意图。
图4是多级串联直流斩波器示意图。
图5是多级串联直流斩波器中单级电路示意图。
图6是用户端降压电路示意图。
图7是用户端低压逆变电路示意图。
以上图中有：城外变电所，n个城内变电所，一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，n条5kV的超导直流输电线，m个二级T形接口、低压超导直流输电线路和用户。其中城外变电所配置降压的三圈换流变压器、12脉波整流器，城内变电所配置多级串联直流斩波器，用户端配置降压(BUCK)直流斩波电路与采用脉宽调制(PWM)的低压逆变器。
具体实施方式
超导直流输配电线路是兴建一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，由城外变电所向城内进行远距离供电。其中，城内变电所所在的一级T形接口用于将35kV高压直流降压至5kV。传统的降压模式是：直流-逆变-变压器降压-整流-直流输出。本发明采用直流斩波降压模式，对配电网35kV等级直流电进行直接降压，采用由IGCT构成的多级串联直流斩波器将电压降至5kV。在用户终端，利用绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成直流降压(BUCK)电路斩波至700V，再低压逆变成380V交流电提供给负荷。
所述超导直流输电的主干线为35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流输电线。
所述多级串联斩波器，采用不同型号的集成门极换流晶闸管(IGCT)组成各级斩波电路，考虑谐波，无功等问题后实现各级串联，封装成多级串联降压斩波器。
所述城内变电所35kV侧经过4级斩波降压后，最终达到5kV电压等级。其中每级斩波后的降压等级为标准电压等级(22kV、11kV、6.3kV)，每个斩波电路以级联方式连接。最后通过滤波电路得到稳定的直流输出。
所述用户侧，经进一步斩波降压，采用脉宽调制的低压逆变器，在原有交流系统时，与其并联，成为有源逆变。
实例：
如图1、2所示，本发明提出一种多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，从220kV的交流电网输电给城外变电所，城外变电所作为送电侧配置一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，两端采用晶闸管换流阀；送电侧城外变电所将220kV交流电经三圈式降压变压器降为35kV交流电，经过由普通三相全波整流桥串联而成的12脉波整流器成为35kV直流电；受电侧城内变电所采用多级直流降压技术，直接将高压直流电经多级串联直流斩波器降压至5kV；城内各变电所通过超导线路互连组成环网，作为一级T形接口为用户供电；各变电所或在环网利用二级T形接口，经超导低压直流线路供电给用户侧，用户侧通过降压斩波电路进一步降压后至低压逆变终端，采用脉宽调制逆变为380V交流电给负荷供电。
城外变电所从电网接受220kV交流电，采用三圈换流变压器，电能一部分直接经整流、斩波、逆变供电给负荷，其他大部分经变压器降压后整流成35kV直流电，向城内输送电能。兴建一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，由城外变电所向城内进行远距离供电。其中，城内变电所所在的一级T形接口用于将35kV高压直流降压至5kV。城市配电网中变电站的传统降压模式是：高压直流-逆变-高压交流-变压器降压-低压交流-整流-低压直流，本发明采用直流斩波降压模式对配电网35kV级进行降压，采用由IGCT构成的多级串联型直流斩波器将电压降至5kV，在用户端，利用IGBT组成BUCK电路斩波至700V，再逆变成380V的低压交流电提供给负荷，对于已有380V交流电源的负荷，可与之并联，成有源逆变，实现扩容。
所述城外变电所完成降压整流两部分工作，电能分两部分向外输送，因此采用三圈换流变压器。整流部分采用晶闸管全桥12脉波整流阀。
城外变电所与城内变电所之间建设35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，如图1所示，各城内变电所之间建设5kV的超导直流输电主干线，在某些特定区域，如2014南京青年奥运会的场馆区域，可建成环网，提高供电质量与可靠性。各变电所通过低压超导直流输电线路供电给用户。
使用高温超导线材输电，不仅大大降低输电线路的损失，还节约大量的金属材料，采用液氨冷却，减少对环境的污染，在城内无需架设高空线路，线路铺设于地下，对日常生活不造成任何影响。
所述城内变电所进行采用IGCT元件组成多级串联直流斩波器，打破传统的降压模式，高压直流电直接经多级斩波电路降为低压直流电，IGCT作为集成的可控硅元件，具有可靠性高、成本低、控制简单、国产化等一系列优点。
现就多电压等级超导输配电+低压逆变终端这一全新技术方案的各部分介绍如下：
1、城外变电所
(1)城外变电所配置一台220kV/35kV/35kV、2×1500A三圈换流变压器。
(2)换流变低压侧共串联6只空心限流电抗器，防止外部短路电流使超导电缆失超、液氮沸腾甚至损坏，同时限流电抗器也作为交流滤波器的一部分。
(3)限流电抗器的输出引至三相全波整流桥，两个6脉动整流桥在直流侧串联组成12脉波整流阀。
(4)整流阀的散热用超流热管技术收集并加热水箱，供居民使用。
(5)整流阀输出端并联常规直流滤波器，因是全波整流，简易滤波即可获得比较理想的效果。
(6)直流开关用大型发电机灭磁开关代替，价格相对便宜，体积小，已有成熟制造和运行经验，较为适合配电网，其输出端接至超导直流输电线路。
2、超导直流电缆线路
(1)由于是双极直流输电工程，线路采用两根超导电缆和一根常规电缆模式。一期工程第一阶段为“一超一常”，一期工程结束时为“两超一常”。分成两个阶段进行实施的主要原因是几年后超导电缆的价格将进一步下降，性能也会有所提高，更有利于分期融资。
(2)按线路沿线实际需要和电缆制造厂能力，整个线路分为若干段。在段与段之间的连接处设置液氮补给站和电缆运行监测设备，并预留T形接口。
(3)在一期工程第一阶段，由于常规电缆容量无法与超导电缆匹配，线路只能在较小电流下运行，超导电缆的“锻炼效应”正需要这一过程。
(4)线路两端不设工作接地极，主要是考虑城市地下复杂，不能因直流输电给城市其他设施带来短期和长期的负面影响。但在一侧设置一个电位接地点，防止系统电位浮动。
3、市内变电所
(1)超导直流线路经灭磁开关接至户外箱式市内变电站，结构紧凑，占地少。
(2)站内暂时配置4个一级T形接口和一个预留给二期工程的大型主干线接口。
(3)各变电站互连成环网，通过二级T形接口输电至用户端。
(4)一级T形接口用于将35kV高压直流斩波降压至5kV低压直流，再用低压超导直流配电线引向用户。在新一轮配网改造之前也可斩波降压再PWM逆变至10kV交流系统。几个T接配电口上的5kV低压超导配电系统分阶段实施，不断地应用电力电子最新技术，力争达到最优效果。选用5kV电压等级是由于目前与其对应的电力电子应用技术最为成熟可靠，以后将根据电力电子发展水平和工程实践经验逐步确立并制定这一电压等级的标准。
(5)斩波降压装置采用超流热管冷却技术，在实现散热的同时充分利用其热量加热水箱，供市民使用，进一步降低损耗。
4、示范超导直流供电线路技术方案及其可行性
(1)在一特定地区如青奥会主会场周围配置一条环形5kV超导直流供电线路，沿线根据需要和可能配置若干个二级T形配电输出接口。
(2)在二级T形配电输出接口处用较短的5kV常规直流电缆引至新建楼房，并就地用PWM逆变终端将5kV直流变成380V交流。作为试点还可直接将5kV直流斩波降压成诸如220V电压等级的直流电压，向新式直流照明和直流空调等电气设备供电，免去逆变环节。
(3)对于已有交流电源的老式楼房，PWM逆变终端的输出口与原有380V系统并联，即所谓的有源PWM逆变。
(4)PWM逆变终端由6.5kV斩波器和1200V IGBT组成，作为“试验工程”配套研制从几十千伏安到几百千伏安若干种规格的小型PWM逆变终端，供用户选用。这些终端均采用超流热管技术，象太阳能热水器一样在其安装处给本楼住户供水。
(5)因为是直流，由城外变电所送电端的三相全波整流桥供电，所以整个超导输配电系统(与原有380V或其他电压等级并联运行的的除外)不会因负荷不对称在电力系统中产生负序电流。
(6)城外变电所是三相全波整流桥，城内变电站则结构紧凑，加上全封闭，系统中也未配置晶闸管换流器，与超高压直流工程相比原则上保护可作较大简化。但伴随着多电压等级超导直流输、配电+低压逆变终端这一全新配电方法的出现，继电保护也会作出相应的革新。
5、监控系统
整个监控系统充分利用北斗导航系统，将有关信息实时传给研究院、省市有关部门和国网公司，通过实时监控微调系统的运行。使用DSP芯片构成控制单元，实现对各变电站换流器的控制，包括各晶闸管的触发、保护动作等；输送信号至北斗导航远方控制系统。监视作为“试点工程”是我国未来自主建设一条世界一流的超高压远距离超导直流输电线路工程的预演。

Claims (5)

1.一种多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，其特征是：城外变电所实现交流降压与整流；城内变电所采用直流降压技术，实现直流电的直接降压；城外变电所与城内变电所间使用一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线；城内各变电所间使用5kV的超导直流主干线，城内各变电所形成环网，城内变电所作为一级T形接口供电给用户，环网中配置二级T形接口为用户输电，T形接口到用户间布置低压超导直流输电线路；用户采用脉宽调制技术，进一步斩波降压后经过低压逆变给负荷供电。
2.根据权利要求1所述的多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，其特征在于所述城外变电所与城内变电所间使用一条35kV/3000A的液氮冷却高温超导直流主干线，送电端配置交流降压变压器与由普通三相全波整流桥串联而成的12脉波整流器，将电网中220kV交流电降压后整流为35kV直流电。
3.根据权利要求1所述的多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，特征在于所述城内变电所采用直流降压技术，配置多级串联降压斩波器，经多级斩波直接降压后成为5kV的直流电。
4.根据权利要求1所述的多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，特征在于所述用户采用脉宽调制技术，降压至700V后通过采用脉宽调制的逆变电路逆变为380V交流电，供电给负荷。
5.根据权利要求1所述的多直流电压等级低压逆变超导输配电方法，特征在于所述用户在进一步斩波降压后经过低压逆变，给负荷供电。针对已有380V交流电源的负荷，将用户端采用脉宽调制的低压逆变电路与原有交流系统并联，实现采用脉宽调制的有源逆变。
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