CN102231520A - 一种混合型直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型直流输电系统，包括无源滤波器、整流换流变压器、晶闸管换流器、平波电抗器、直流输电线路、多电平换流器和逆变换流变压器。本发明通过在送端整流侧采用基于晶闸管的十二脉动桥式换流器，受端逆变侧采用基于IGBT的模块化多电平换流器，从根本上消除了传统直流输电系统换相失败的现象，适用于向多直流落点区域、无源网络或弱交流系统供电等场合；与轻型高压直流输电系统相比大大减少了造价不菲的全控器件数量，减少了成本，降低了损耗，可靠性高，控制灵活；且不需要大量无功补偿装置，同时还可以作为受端交流系统的黑起动电源，具有很好的工程应用价值。

Description

一种混合型直流输电系统
技术领域
本发明属于电力系统输电技术领域，具体涉及一种混合型直流输电系统。
背景技术
传统高压直流输电系统采用基于晶闸管的换流器，具有造价低、损耗小、可靠性高等优点，在大容量远距离输电、异步电网互联、海底电缆送电等场合具有近四十年的可靠运行经验。但是由于晶闸管是半控器件，采用电网换相，在逆变侧容易发生换相失败，尤其多直流落点区域的交流系统故障可能引起多个换流站同时换相失败、给交流系统造成巨大冲击，严重影响系统稳定安全运行；同时对于无源网络或弱交流系统，传统高压直流输电系统无法实现对其送电，从而制约了传统直流输电系统的发展和应用。
针对传统直流输电系统固有缺陷，采用自关断器件的轻型高压直流输电系统得到迅速发展，其避免了逆变侧换相失败的现象且不必配置大容量无源滤波器，可以进行有功无功独立调节控制灵活，在新能源并网、系统互联、向弱系统或无源网络送电等场合具有很强的竞争优势。
目前的轻型高压直流输电系统中，应用最广泛、最成熟的电压源型换流器主要是两电平换流器和二极管箝位型三电平换流器结构，桥臂通常由大量的半导体器件串并联而成。然而电力电子器件在伏安特性、开通时间、恢复电荷等方面的分散性，影响它们串并联时的电压和电流均衡，导致换流器可靠性下降；且通常采用脉宽调制技术导致器件开关频率很高，损耗较大，仍需配置一定容量的高通滤波器以滤除高频分量。
发明内容
本发明提供了一种混合型直流输电系统，混合采用晶闸管换流器和多电平换流器分别作为整流逆变侧的换流设备，并集合两者各自的优点，解决了现有技术直流输电系统所存在的上述技术缺陷，损耗低，可靠性高。
一种混合型直流输电系统，包括：
整流换流变压器，用于将送端交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换；
晶闸管换流器，用于将电压等级变换后的三相交流电转换为直流电；
无源滤波器，并联在送端交流系统的进站高压三相母线上，用于滤除晶闸管换流器所产生的谐波电流；
平波电抗器，用于平抑所述的直流电中的纹波；
多电平换流器，用于将平抑后的直流电转换为三相交流电；
逆变换流变压器，用于将多电平换流器转换成的三相交流电进行电压等级变换，以输送给受端交流系统。
优选的技术方案中，所述的平波电抗器与所述的多电平换流器通过直流输电线路连接；可实现不同距离等级的直流电传输。
优选的技术方案中，所述的晶闸管换流器为十二脉动桥式晶闸管换流器，所述的整流换流变压器为一台接线方式为Y0/Y/Δ的三绕组变压器或由两台接线方式分别为Y0/Δ和Y0/Y的两绕组变压器构成；这样整流换流变压器为晶闸管换流器的上下两个六脉动换流桥提供相角差为30°的三相交流电，十二脉动桥式晶闸管换流器可减少自身所产生的谐波电流。
优选的技术方案中，所述的多电平换流器为模块化多电平换流器(ModularMultilevel Converter，MMC)；其输出的三相交流电具有很小的谐波含量，几乎不需任何滤波器，同时其结构特性大大降低了器件的开关频率，进而减少损耗，控制灵活。
所述的模块化多电平换流器为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂由一个电抗器和若干个两电平换流子模块(Submodule，SM)级联而成。
所述的两电平换流子模块由两个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和一个电容构成；其中，第一IGBT的集电极与电容的一端相连，电容的另端与第二IGBT的发射极相连并构成所述的两电平换流子模块的输出端，第二IGBT的集电极与第一IGBT的发射极相连并构成所述的两电平换流子模块的输入端，第一IGBT的基极和第二IGBT的基极分别接收外部设备提供的控制信号。
本发明的基本工作原理为：正常工作时整流侧晶闸管换流器通过控制晶闸管触发角来控制直流电流大小，通过整流将三相交流电变为直流电；直流电流从晶闸管换流器的正极流出，经过平波电抗器的平抑作用使得直流电变得平滑，通过直流输电线路，注入模块化多电平换流器的正极，并从其负极流出，经过直流输电线路和平波电抗器，最终流回晶闸管换流器的负极；经过模块化多电平换流器的逆变作用，将直流电转化为三相交流电注入受端交流系统，从而实现从送端交流系统向受端交流系统输送功率。
本发明的混合型直流输电系统，通过在送端整流侧采用基于晶闸管的十二脉动桥式换流器，受端逆变侧采用基于IGBT的模块化多电平换流器，从根本上消除了传统直流输电系统换相失败的现象，适用于向多直流落点区域、无源网络或弱交流系统供电等场合；与轻型高压直流输电系统相比大大减少了造价不菲的全控器件数量，减少了成本，降低了损耗，可靠性高，控制灵活；且不需要大量无功补偿装置，同时还可以作为受端交流系统的黑起动电源，具有很好的工程应用价值；可促进大规模风力发电等可再生能源的并网，解决城市市中心供电及海岛、海上钻井平台等孤远负荷供电问题、解决多直流落点问题的可行方案，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明混合型直流输电系统的结构示意图。
图2为十二脉动桥式晶闸管换流器的电路结构示意图。
图3为模块化多电平换流器的电路结构示意图。
图4(a)为本发明混合型直流输电系统逆变侧发生短时交流单相故障后逆变侧直流电压的波形示意图。
图4(b)为本发明混合型直流输电系统逆变侧发生短时交流单相故障后整流侧直流电流的波形示意图。
图4(c)为本发明混合型直流输电系统逆变侧发生短时交流单相故障后逆变侧有功功率的波形示意图。
图4(d)为本发明混合型直流输电系统逆变侧发生短时交流单相故障后逆变侧无功功率的波形示意图。
图5(a)为本发明混合型直流输电系统启动及稳态运行时逆变侧直流电压的波形示意图。
图5(b)为本发明混合型直流输电系统启动及稳态运行时整流侧直流电流的波形示意图。
图5(c)为本发明混合型直流输电系统启动及稳态运行时逆变侧有功功率的波形示意图。
图5(d)为本发明混合型直流输电系统启动及稳态运行时逆变侧无功功率的波形示意图。
图5(e)为本发明混合型直流输电系统启动及稳态运行时模块化多电平换流器A相上桥臂电压的波形示意图。
图5(f)为本发明混合型直流输电系统启动及稳态运行时逆变侧公共接入点处三相交流电压的波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图1所示，一种混合型直流输电系统，包括：无源滤波器1、整流换流变压器2、十二脉动桥式晶闸管换流器3、平波电抗器4、直流输电线路5、模块化多电平换流器6和逆变换流变压器7。
无源滤波器1并联在送端交流系统的进站高压三相母线上，具体类型、容量、组数和调谐点等根据具体系统工程条件来确定，一般可采用双调谐滤波器和并联电容器相配合，以滤除十二脉动桥式晶闸管换流器3所产生的特征次谐波电流，必要时可配置C型滤波器以滤除低次谐波。
整流换流变压器2由两台接线方式分别为Y0/Δ和Y0/Y的两绕组变压器构成，其对送端交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换，并为十二脉动桥式晶闸管换流器3的上下两个六脉动换流桥提供相角差为30°的三相交流电；其原边与送端交流系统进站高压母线相连，副边与十二脉动桥式晶闸管换流器3相连。
十二脉动桥式晶闸管换流器3采用如图2所示的12脉动桥式换流电路的拓扑结构，其将电压等级变换后的三相交流电转换为直流电；其每个桥臂串联多个晶闸管，该拓扑结构可有效减少自身所产生的谐波电流。
平波电抗器4连接于十二脉动桥式晶闸管换流器3正负极输出口和正负极直流输电线路5间，其对直流电中的纹波进行平抑；防止直流输电线路5产生的陡波冲击波进入模块化多电平换流器6导致器件遭受过电压而损坏，同时避免电流断续。
直流输电线路5包括一根正极输电线和一根负极输电线，正极输电线连接于平波电抗器4和模块化多电平换流器6正极间，负极输电线连接于平波电抗器4和模块化多电平换流器6负极间，其对平抑后的直流电进行传输。
模块化多电平换流器6采用如图3所示的三相桥式换流电路，其基本结构由三相六个桥臂构成，每相有上下两个桥臂，每个桥臂分别由一个电抗器和若干个两电平换流子模块级联而成；其将平抑后的直流电转换为三相交流电。
逆变换流变压器7对模块化多电平换流器6转换成的三相交流电进行了电压等级变换并输送给受端交流系统；其原边与受端交流系统相连，副边与模块化多电平换流器6相连。
本实施方式中，整流侧十二脉动桥式晶闸管换流器3采用定电流控制；逆变侧模块化多电平换流器6采用定电压和定无功功率控制，或定有功功率和定无功功率控制；模块化多电平换流器6的两电平换流子模块的投切策略采用最近电平调制法和子模块电容电压均衡策略。
本实施方式正常工作时整流侧十二脉动桥式晶闸管换流器3通过控制晶闸管触发角来控制直流电流大小，通过整流将三相交流电变为直流电；直流电流从十二脉动桥式晶闸管换流器3的正极流出，经过平波电抗器4的平抑作用使得直流电变得平滑，通过直流输电线路5，注入模块化多电平换流器6的正极，并从其负极流出，经过直流输电线路5和平波电抗器4，最终流回十二脉动桥式晶闸管换流器3的负极；经过模块化多电平换流器6的逆变作用，将直流电转化为三相交流电注入受端交流系统，从而实现从送端交流系统向受端交流系统输送功率。
为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，通过在电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应模型，具体仿真参数：额定参数±200千伏/1千安/400兆瓦；送端交流系统、受端交流系统电压等级110千伏，系统电抗0.01亨；整流换流变压器采用两台双绕组变压器，分别采用Y0/Δ和Y0/Y连接方式；无源滤波器配置两组容量均为80兆乏双调谐滤波器，分别调谐于11次、24次和13次、36次，和一组容量为60兆乏的并联电容器，额定电压110千伏；平波电抗器选择0.5亨；直流输电线路选择为50公里电缆；模块化多电平换流器采用120个子模块，不考虑冗余，每相有40个，上下桥臂各20个，子模块直流电容3000微法，额定电压20千伏，开关器件均采用理想器件，每桥臂串联电抗器0.04亨；逆变侧流变压器采用Δ/Y0连接。
仿真情景1：假设子模块电容已经充电完成，在0.2s解锁整流器，启动及稳态运行波形如图5所示。其中图5(a)显示的是逆变侧直流电压随时间变化波形，图5(b)显示的是整流侧直流电流随时间变化波形，图5(c)显示的是逆变侧注入受端交流系统的有功功率随时间变化波形，图5(d)显示的是逆变侧注入受端交流系统的无功功率随时间变化波形，图5(e)显示的是模块化多电平A相上桥臂电压随时间变化波形，图5(f)显示的是逆变侧换流变压器与受端交流系统相连的公共接入点处三相交流电压随时间变化波形。从上述图启动过程中，会有功率波动，但很快趋于稳定；在稳态情况下能够完成功率的稳定传输，且此时逆变侧公共接入点的电压波形品质很好，几乎不需要按照任何滤波器，从而减少投资和缩小占地空间。
仿真情景2：稳态运行0.8s时假设逆变侧发生短时交流A相接地故障，一个周波内故障清除，测试其故障响应特性如图4所示。其中图4(a)显示的是逆变侧直流电压随时间变化波形，图4(b)显示的是整流侧直流电流随时间变化波形，图4(c)显示的是逆变侧注入受端交流系统的有功功率随时间变化波形，图4(d)显示的是逆变侧注入受端交流系统的无功功率随时间变化波形。从图中可以看出，故障期间有功功率和无功功率发生波动，而故障清除后的恢复特性良好，不存在传统直流输电系统换相失败问题。
因此本实施方式的混合型直流输电系统，兼具传统晶闸管换流器的造价低、损耗低、可靠性等优点，和模块化多电平换流器的控制灵活、低谐波、有功无功可以分别控制等优点，与我国电网近年“智能电网、低碳经济、绿色环保”的发展理念相吻合，在新能源并网，城市配电、孤岛送电等多个领域具有广阔的发展空间，值得大力推广。

Claims (4)

1.一种混合型直流输电系统，其特征在于：包括：
整流换流变压器，用于将送端交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换；
晶闸管换流器，用于将电压等级变换后的三相交流电转换为直流电；
无源滤波器，并联在送端交流系统的进站高压三相母线上，用于滤除晶闸管换流器所产生的谐波电流；
平波电抗器，用于平抑所述的直流电中的纹波；
多电平换流器，用于将平抑后的直流电转换为三相交流电；
逆变换流变压器，用于将多电平换流器转换成的三相交流电进行电压等级变换，以输送给受端交流系统。
2.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的平波电抗器与所述的多电平换流器通过直流输电线路连接。
3.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的晶闸管换流器为十二脉动桥式晶闸管换流器，所述的整流换流变压器为一台接线方式为Y0/Y/Δ的三绕组变压器或由两台接线方式分别为Y0/Δ和Y0/Y的两绕组变压器构成。
4.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的多电平换流器为模块化多电平换流器；所述的模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，其中，每个桥臂由一个电抗器和若干个两电平换流子模块；所述的两电平换流子模块由两个IGBT和一个电容构成，其中，第一IGBT的集电极与电容的一端相连，电容的另端与第二IGBT的发射极相连并构成所述的两电平换流子模块的输出端，第二IGBT的集电极与第一IGBT的发射极相连并构成所述的两电平换流子模块的输入端，第一IGBT的基极和第二IGBT的基极分别接收外部设备提供的控制信号。
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