CN102222929A - 单向功率传输的直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于直流输电技术领域，具体为一种单向功率传输的直流输电系统。其特征在于二极管整流器两端并联设置小功率模块化多电平换流器；二极管整流器交流端与送端系统相连，二极管整流器直流端与直流输电线路送端相连；小功率模块化多电平换流器交流端与送端系统相连，小功率模块化多电平换流器直流端与直流输电线路送端相连；全功率模块化多电平换流器的直流端与直流输电线路受端相连，全功率模块化多电平换流器的交流端与受端系统相连。本发明小功率模块化多电平换流器的作用是：1）作为有源滤波装置滤除二极管整流器所产生的谐波电流；2）当送端系统失电时，为送端系统提供启动用电（如厂用电）；3）为送端系统提供一个交流电压源。

Description

单向功率传输的直流输电系统
技术领域
本发明属于直流输电技术领域，具体为一种单向功率传输的直流输电系统。
背景技术
上世纪五十年代以来，高压直流输电技术重新兴起，特别是基于大功率电力电子器件在直流输电系统中的广泛应用，为电力系统带来了新的发展和增长点。传统的高压直流输电采用基于晶闸管的电流源型换流器，目前已经得到较为广泛的应用，如舟山直流输电工程、葛洲坝-上海直流输电工程、向家坝-上海直流输电工程等。对于要求快速控制潮流，高电能质量，对环境影响小，与弱受端或无源网络相连的中小功率直流输电应用场合，基于电压源型换流器的高压直流输电则更加具有优势。
目前，电压源型换流器往往采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控器件，按照不同的电路拓扑构成，这些电路拓扑包括三相全桥结构、二极管箝位型和电容箝位型等。用于轻型高压直流输电的电压源换流器，往往采用全控开关管串联的方式提高装置电压等级。但是，多开关管串联使管间静态、动态均压难度加大，换流器可靠性降低。一种新提出的拓扑为模块化多电平电压源换流器，可以通过改变子模块的数量以适应不同的电压等级和功率要求，并可以方便地提高装置冗余度，使其可靠性大大增加；同时，换流器电平数可以扩展到很多，从而使输出电压具有较小的谐波含量，并降低器件开关频率以降低损耗。此类电压源型换流器模块的高成本器件为：1）绝缘栅双极晶体管（IGBT）、2）直流电容器，而且换流器的容量越大，IGBT和直流电容器的成本就越高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种单向功率传输的直流输电系统的技术方案。
所述的单向功率传输的直流输电系统，在送端系统与受端系统之间依次串接二极管整流器、含有正极和负极两根导线的直流输电线路和全功率模块化多电平换流器，其特征在于所述的二极管整流器两端并联设置小功率模块化多电平换流器；所述的二极管整流器交流端与送端系统相连，二极管整流器直流端与直流输电线路送端相连；所述的小功率模块化多电平换流器交流端与送端系统相连，小功率模块化多电平换流器直流端与直流输电线路送端相连；所述的全功率模块化多电平换流器的直流端与直流输电线路受端相连，全功率模块化多电平换流器的交流端与受端系统相连。
所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的二极管整流器包括：整流桥和整流变压器,整流桥的正极与直流输电线路送端的正极相连，整流桥的负极与直流输电线路送端的负极相连；整流变压器的原边与提供有功功率的三相交流送端系统相连，整流变压器的副边与整流桥的交流输入端相连；
所述的小功率模块化多电平换流器包括：小功率子模块、小功率缓冲电抗器和电压匹配变压器，多个小功率子模块相串联组成小功率模块化多电平换流器三相全桥电路的各个桥臂，三相全桥电路的正极与直流输电线路送端的正极相连，三相全桥电路的负极与直流输电线路送端的负极相连，三相全桥电路的每个半桥臂均串联一个小功率缓冲电抗器；所述的电压匹配变压器一端与三相全桥电路的交流端相连，电压匹配变压器另一端与送端系统的交流端相连接；
所述的全功率模块化多电平换流器包括：全功率子模块、全功率缓冲电抗器和相电抗器，多个全功率子模块相串联组成全功率模块化多电平换流器三相全桥电路的各个桥臂，三相全桥电路的正极与直流输电线路送端的正极相连，三相全桥电路的负极与直流输电线路送端的负极相连，三相全桥电路的每个半桥臂均串联一个全功率缓冲电抗器；所述的相电抗器一端与三相全桥电路的交流端相连，相电抗器另一端与接受有功功率的三相交流受端系统相连。
所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的小功率子模块、全功率子模块的电气结构完全相同，均由位于上桥臂的小功率只开关管S1和反并联在小功率只开关管S1上的小功率只二极管D1以及位于下桥臂的全功率只开关管S2和反并联在全功率只开关管S2上的全功率只二极管D2组成半H桥电路，半H桥电路的正极与直流电容C的正极相连，半H桥电路的负极与直流电容C的负极相连。
所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的整流桥为三相6脉波整流桥，或六相12脉波整流桥，或其他二极管不控整流桥。
所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的整流桥中的二极管采用晶闸管代替，构成可控整流桥。
所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的电压匹配变压器为实际的变压器，或交流电抗器。
所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的相电抗器为实际的交流电抗器，或变压器。
本发明的有益效果：系统送端采用二极管不控整流器和一个与之并联的小功率模块化多电平换流器，系统受端采用全功率模块化多电平换流器，适用于直流输电系统中广泛存在的功率单向传输的应用场合，具有成本低、可靠性高的优点。本发明特别适用于城市供电、海岛供电、海上钻井平台供电、以及海上风力发电接入大陆交流电力系统等领域，可以极大降低其中一个电压源型换流器的容量，从而有效降低了成本。
本发明小功率模块化多电平换流器的作用是：1）作为有源滤波装置滤除二极管整流器所产生的谐波电流；2）当送端系统失电时，为送端系统提供启动用电（如厂用电）；3）为送端系统提供一个交流电压源。全功率模块化多电平换流器的作用是：1）作为逆变器将直流电逆变为交流电后输入受端系统；2）当送端系统失电时，作为整流器将受端的交流电转换为直流电后倒送给送端系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明子模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：
单向功率传输的直流输电系统，在送端系统A与受端系统B之间依次串接二极管整流器1、含有正极和负极两根导线的直流输电线路2和全功率模块化多电平换流器4，所述的二极管整流器1两端并联设置小功率模块化多电平换流器3；所述的二极管整流器1交流端与送端系统A相连，二极管整流器1直流端与直流输电线路2送端相连；所述的小功率模块化多电平换流器3交流端与送端系统A相连，小功率模块化多电平换流器3直流端与直流输电线路2送端相连；所述的全功率模块化多电平换流器4的直流端与直流输电线路2受端相连，全功率模块化多电平换流器4的交流端与受端系统B相连。
具体地，二极管整流器1包括：整流桥1.1和整流变压器1.2,整流桥1.1的正极与直流输电线路2送端的正极相连，整流桥1.1的负极与直流输电线路2送端的负极相连；整流变压器1.2的原边与提供有功功率的三相交流送端系统B相连，整流变压器1.2的副边与整流桥1.1的交流输入端相连，本发明实施例以Y/Y/Δ型三绕组变压器为例；其中整流桥1.1可以为三相6脉波整流桥，或六相12脉波整流桥，或其他二极管不控整流桥，整流桥中的二极管可以用晶闸管代替，构成可控整流桥，本发明实施例以六相12脉波二极管整流桥为例；
所述的小功率模块化多电平换流器3包括：小功率子模块3.1、小功率缓冲电抗器3.2和电压匹配变压器3.3，多个小功率子模块3.1相串联组成小功率模块化多电平换流器3三相全桥电路的各个桥臂，三相全桥电路的正极与直流输电线路2送端的正极相连，三相全桥电路的负极与直流输电线路2送端的负极相连，三相全桥电路的每个半桥臂均串联一个小功率缓冲电抗器3.2；所述的电压匹配变压器3.3一端与三相全桥电路的交流端相连，电压匹配变压器3.3另一端与送端系统A的交流端相连接；其中电压匹配变压器3.3为实际的变压器，或交流电抗器，本发明实施例以变压器为例；
所述的全功率模块化多电平换流器4包括：全功率子模块4.1、全功率缓冲电抗器4.2和相电抗器4.3，多个全功率子模块4.1相串联组成全功率模块化多电平换流器4三相全桥电路的各个桥臂，三相全桥电路的正极与直流输电线路2送端的正极相连，三相全桥电路的负极与直流输电线路2送端的负极相连，三相全桥电路的每个半桥臂均串联一个全功率缓冲电抗器4.2；所述的相电抗器4.3一端与三相全桥电路的交流端相连，相电抗器4.3另一端与接受有功功率的三相交流受端系统B相连，其中相电抗器4.3为实际的交流电抗器，或变压器，本发明实施例以实际的交流电抗器为例。
所述的小功率模块化多电平换流器3中的小功率子模块3.1、全功率模块化多电平换流器4中的全功率子模块4.1分别设置为多个，至少设置为12个；所述的全功率缓冲电抗器4.2与小功率缓冲电抗器3.2的区别在于容量不同。
结合图2，小功率子模块3.1、全功率子模块4.1的电气结构完全相同，均由位于上桥臂的小功率只开关管S1和反并联在小功率只开关管S1上的小功率只二极管D1以及位于下桥臂的全功率只开关管S2和反并联在全功率只开关管S2上的全功率只二极管D2组成半H桥电路，半H桥电路的正极与直流电容C的正极相连，半H桥电路的负极与直流电容C的负极相连。其中，小功率子模块3.1、全功率子模块4.1不同的是：构成电路的器件的容量不同，小功率子模块3.1中器件的容量小于全功率子模块4.1中器件的容量。
本发明的工作原理是：
1）送端系统正常工作
整流桥1.1工作在不控整流状态，从送端系统A吸收有功；整流桥1.1直流侧直流电压近似正比于送端系统A的交流电压；直流电流由整流桥1.1的正极（共阴极端）流出，通过直流输电线路2的正极注入全功率模块化多电平换流器4的正极，并从全功率模块化多电平换流器4的负极流出、经直流输电线路2负极流回整流桥1.1的负极（共阳极端）；由直流回路中电压、电流的方向可知，二极管整流器1向直流侧输出功率，全功率模块化多电平换流器4从直流侧吸收功率。和二极管整流器1并联的小功率模块化多电平换流器3作为全可控的电压源工作在有源滤波工作状态，滤除二极管整流器1所产生的谐波电流，同时也为送端系统B提供了一个交流电压源；
2）送端系统失电，需要受端系统通过直流输电线路向其提供启动电源
通过刀闸操作，将整流桥1.1切除。这样该直流输电系统成为两端均为模块化多电平换流器的电压源型直流输电系统，因此可以通过控制系统使全功率模块化多电平换流器4工作在整流状态，使小功率模块化多电平换流器3工作在逆变状态，从而将电能从受端系统B倒送到无源的送端系统A（发电端），给送端系统A提供了启动电源。
本发明全功率模块化多电平换流器与小功率模块化多电平换流器均采用模块化多电平换流器，模块化多电平换流器在本发明中的工作原理如下：
由于小功率子模块3.1、全功率子模块4.1的电气结构完全相同，下面就统称为子模块。子模块的开关管S1开通，开关管S2关断时，子模块为投入状态；子模块的开关管S2开通，开关管S1关断时，子模块为切除状态。无论子模块为何状态，由于二极管D1、D2的续流作用，电流可以任意方向流过子模块。当子模块处于投入状态时，子模块等效于直流电容C，其端电压为直流电容C的电压；当子模块处于切除状态时，子模块等效于短路，其端电压为0，直流电容C切除出电路。缓冲电抗器起到缓冲流过子模块电流的作用。通过直流电容(子模块电容)的均压控制策略,可以将每个子模块电容的电压控制在一个设定范围内。由于模块化多电平换流器的三相全桥电路的桥臂由多个子模块串联组成, 通过准确控制桥臂上各个子模块投入和切除的时刻可以使模块化多电平换流器的交流侧输出电压逼近一个任意设定的交流电压波形, 且桥臂上子模块数越多, 模块化多电平换流器输出的电压波形和设定的电压波形越接近。换句话说, 通过准确控制桥臂上各个子模块投入和切除的时间, 模块化多电平换流器交流侧可以输出任意的电压波形。
小功率模块化多电平换流器作为交流电压源向送端系统倒送电的工作原理：
当送端系统失电时, 送端系统成为一个无源系统。为了获得启动电源, 小功率模块化多电平换流器必须工作在逆变状态, 而全功率模块化多电平换流器必须工作在整流状态。从上述模块化多电平换流器的工作原理可知, 通过准确控制桥臂上各个子模块投入和切除的时间, 模块化多电平换流器交流侧可以输出任意的电压波形，因此只要将小功率模块化多电平换流器的交流输出电压的幅值设置在额定电压值, 频率设定在额定值(50Hz), 即可以向失电的送端系统负载提供启动电源。
小功率模块化多电平换流器作为有源滤波器的工作原理：
当送端系统正常工作时(没有失电), 小功率模块化多电平换流器作为有源滤波器滤除二极管整流器产生的谐波电流。其工作原理如下: 控制系统将测量得到的二极管整流器交流侧电流中的谐波分量通过算法分离出来后，通过一定的控制策略产生相应的控制信来准确控制桥臂上各个子模块投入和切除的时间，从而使模块化多电平换流器输出相应的谐波电压，使得该谐波电压产生的谐波电流来抵消二极管整流器所产生的谐波电流，从而达到“主动”滤波的目的。
本发明与现有技术相比，还具有以下优点：
与二极管整流全控器件逆变的变频电路（如中国专利200610125231.0：基于二极管箝位型三电平6kV高压变频器）相比，其区别在于：1）本发明中二极管整流器与模块化多电平换流器之间为直流输电线路，且直流输电线路正负极间不跨接直流电容器；2）本发明多了一个和二极管整流器相并联的小功率模块化多电平换流器；3）本发明中的逆变器采用模块化多电平换流器，而中国专利200610125231.0采用的是二极管箝位型三电平换流器；
与基于电压源换流器的高压直流输电系统（如期刊文献：刘钟淇 等，基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统，电力系统自动化，2010第2期，53-57）相比，其区别在于：本发明中输电系统一端采用二极管整流器和与之并联的小功率模块化多电平换流器，另一端采用全功率模块化多电平换流器（电压源），而非两端都采用全功率换流器；由于小功率模块化多电平换流器的容量非常小（一般为全功率换流器的10%左右，甚至更小），所以整个系统的成本较低；
与一种单向功率传送的低成本直流输电系统（申请号：ZL 201010269822.1）相比，其区别在于：本发明在送电端增加了一个和二极管整流器相并联的小功率模块化多电平换流器，该小功率模块化多电平换流器的作用是：1）作为有源滤波装置滤除因二极管整流器所产生的谐波电流；2）当送端系统失电时，为送端系统提供启动用电（如厂用电）、3）为送端系统提供一个交流电压源。

Claims (7)

1.单向功率传输的直流输电系统，在送端系统与受端系统之间依次串接二极管整流器、含有正极和负极两根导线的直流输电线路和全功率模块化多电平换流器，其特征在于所述的二极管整流器两端并联设置小功率模块化多电平换流器；所述的二极管整流器交流端与送端系统相连，二极管整流器直流端与直流输电线路送端相连；所述的小功率模块化多电平换流器交流端与送端系统相连，小功率模块化多电平换流器直流端与直流输电线路送端相连；所述的全功率模块化多电平换流器的直流端与直流输电线路受端相连，全功率模块化多电平换流器的交流端与受端系统相连。
2.根据权利要求1所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的二极管整流器包括：整流桥和整流变压器,整流桥的正极与直流输电线路送端的正极相连，整流桥的负极与直流输电线路送端的负极相连；整流变压器的原边与提供有功功率的三相交流送端系统相连，整流变压器的副边与整流桥的交流输入端相连；
所述的小功率模块化多电平换流器包括：小功率子模块、小功率缓冲电抗器和电压匹配变压器，多个小功率子模块相串联组成小功率模块化多电平换流器三相全桥电路的各个桥臂，三相全桥电路的正极与直流输电线路送端的正极相连，三相全桥电路的负极与直流输电线路送端的负极相连，三相全桥电路的每个半桥臂均串联一个小功率缓冲电抗器；所述的电压匹配变压器一端与三相全桥电路的交流端相连，电压匹配变压器另一端与送端系统的交流端相连接；
所述的全功率模块化多电平换流器包括：全功率子模块、全功率缓冲电抗器和相电抗器，多个全功率子模块相串联组成全功率模块化多电平换流器三相全桥电路的各个桥臂，三相全桥电路的正极与直流输电线路送端的正极相连，三相全桥电路的负极与直流输电线路送端的负极相连，三相全桥电路的每个半桥臂均串联一个全功率缓冲电抗器；所述的相电抗器一端与三相全桥电路的交流端相连，相电抗器另一端与接受有功功率的三相交流受端系统相连。
3.根据权利要求2所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的小功率子模块、全功率子模块的电气结构完全相同，均由位于上桥臂的小功率只开关管S1和反并联在小功率只开关管S1上的小功率只二极管D1以及位于下桥臂的全功率只开关管S2和反并联在全功率只开关管S2上的全功率只二极管D2组成半H桥电路，半H桥电路的正极与直流电容C的正极相连，半H桥电路的负极与直流电容C的负极相连。
4.根据权利要求2所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的整流桥为三相6脉波整流桥，或六相12脉波整流桥，或其他二极管不控整流桥。
5.根据权利要求2所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的整流桥中的二极管采用晶闸管代替，构成可控整流桥。
6.根据权利要求2所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的电压匹配变压器为实际的变压器，或交流电抗器。
7.根据权利要求2所述的单向功率传输的直流输电系统，其特征在于所述的相电抗器为实际的交流电抗器，或变压器。
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