CN102738820A - 采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统。该输电系统采用三条导线及每条导线两端的电压源换流器构成三极接线形式。本发明提供的输电系统利用了电压源换流器电流双向导通能力，配合开关切换装置，很好的解决了交流线路改造成直流线路的导线利用率和无功补偿等问题，为解决大型城市负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

Description

采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统。

背景技术

城市用电负荷的不断增加要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而新增输电走廊面临越来越多的经济与环保限制，尤其是大型城市中心区域，增加传统架空输电线路不符合城市规划要求，新增地下电缆也受到多方限制。由于交流系统的绝缘按照电压峰值设计，而传输容量是由电压有效值决定，且长距离交流电缆线路会出现电容电流占用电缆芯线全部有效负载能力的情况，因此将交流电缆线路改造为直流运行不仅能够消除了交流系统对功率潮流的限制，而且输电容量也将增大。近年来，依托电力电子技术的飞速发展，高压大功率换流器为交直流运行方式的转换提供了经济有效的技术手段。面对新增输电走廊越来越困难、负荷水平日益增长的矛盾，将现有交流线路转换为直流运行，在免去新建输电走廊的同时提升电能输送能力，为上述问题提供了经济有效的解决方案。

针对交流线路直流转换的研究近年来得到国内外研究机构的一致关注。针对如何充分利用数目为奇数的三相交流线路的输电能力的问题，有文献提出了几种解决方案。Barthold提出一种将三相交流线路改造为三极直流输电的方案，通过第3极采用双向晶闸管实现电流双向导通，周期性分担其他两极的电流以最大化输电能力，但与传统HVDC一样不可避免的需要配备大量无功补偿设备。ABB公司提出一种将三相交流线路改造为柔性直流输电的方案，采用一个额外相支路将第三极导线周期性的连接到第1极导线或第2极导线，从而利用第3极导线传导电流，但不能实现线路损耗在三条导线之间的均匀分配。随着负荷的增大，该方案第1极和第2极导线首先达到热稳定极限，无法充分利用第3极导线的热稳定极限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，该输电系统利用了电压源换流器电流双向导通能力，配合开关切换装置，很好的解决了交流线路改造成直流线路的导线利用率和无功补偿等问题，为解决大型城市负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，其特征在于，所述输电系统采用三条导线及每条导线两端的电压源换流器构成三极接线形式。

优选的，所述三条导线采用三相交流架空线路或电缆，对应于所述输电系统的第1极导线、第2极导线和第3极导线。

优选的，其中一极接线包括第1极导线和电压源换流器；

所述第1极导线两端对称设置有电压源换流器；

所述第1极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地。

优选的，另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；

所述第2极导线两端对称设置有电压源换流器；

所述第2极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地。

优选的，第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；

所述第3极导线两端对称设置有开关切换装置和电压源换流器；

所述第3极导线两端通过开关切换装置分别与电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地；或

所述第3极导线两端分别通过开关切换装置与电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地。

较优选的，所述开关切换装置用于实现第3极导线电压极性的反转；其采用机械投切开关、晶闸管投切开关或基于可关断器件的开关装置。

较优选的，所述第1极导线、第2极导线和第3极导线的接地点连接。

优选的，所述输电系统包括六个电压源换流器；所述电压源换流器采用基于可关断电力电子器件的电压源型AC-DC换流器；

其中首端三个电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；首端三个电压源换流器指的是整个输电系统左端的三个电压源换流器；

其中末端三个电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。末端三个电压源换流器指的是整个输电系统右端的三个电压源换流器。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供的采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，能够很好的解决三相交流线路，尤其单回三相交流线路改造为直流输电后的导线利用率问题。

2、本发明提供的采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，能最大化三条导线的传输功率，同时直流电流在三根导线之间流动，不与大地构成通路。

3、本发明提供的采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，输电系统采用电压源换流器，无需额外的无功补偿设备。

4、本发明提供的采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，应用于三相交流架空线路或三相交流电缆输电系统直流改造等场合，并显著增加系统运行灵活性和可靠性。

附图说明

图1是本发明提供的采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，示意图；

图2是本发明提供的开关切换装置功能示意图；

图3是本发明提供的开关切换装置的一种实施方案图；

图4是本发明提供的输电系统各极导线电流、电压变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，所述输电系统采用三条导线及各条导线两端的电压源换流器构成三极接线形式。所述三条导线可采用现有三相交流架空线路或电缆，对应于所述输电系统的第1极导线、第2极导线和第3极导线。其中第1极导线与其两端电压源换流器直流钳位电容正极相连，直流钳位电容负极接地；所述三条导线中的第2极导线与其两端电压源换流器直流钳位电容负极相连，直流钳位电容正极接地；所述三条导线中的第3极导线通过连接开关切换装置，与其两端电压源换流器直流钳位电容正极或负极相连，同时开关切换装置将第3极导线两端电压源换流器的直流钳位电容负极或正极接地。所述输电系统直流侧接地点相互连接。

所述采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统中第1极和第2极导线直流电压极性恒定，第3极能够通过开关切换装置实现导线电压极性的反转。

所述输电系统结构充分利用三条导线进行功率传输，第1极、第2极导线的电流方向不变，电流大小在最大值和最小值之间轮换，且电流有效值达到发热限制。第3极导线的电流双向流通，且电流有效值达到发热限制。所述输电系统中直流电流在三根导线之间流动，不与大地构成通路。

所述开关切换装置位于所述输电系统中第3极导线的两端，两组开关切换装置能够同时使第3极两端电压源换流器的直流钳位电容正极与第3极导线两端相连，负极与第1极、第2极的公共接地点相连，或同时使第3极两端电压源换流器直流钳位电容的正极与第1极、第2极的公共接地点相连，负极与第3极导线两端相连。开关切换装置的实现形式包括机械投切开关、晶闸管投切开关以及基于可关断器件的开关装置。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

本发明采用电压源换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统的拓扑构：

本发明提供的采用电压源换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统的拓扑结构如图1所示，该结构包括三条输电导线L1、L2、L3，两台开关切换装置，六台电压源换流器VSC1、VSC1’、VSC2、VSC2’、VSC3和VSC3’，电压源换流器的直流钳位电容C1、C1’、C2、C2’、C3和C3’，以及交流系统1、交流系统2。

导线L1的两端与直流钳位电容C1和C1’的正极相连，导线L2的两端与直流钳位电容C2和C2’的负极相连，导线L3的两端连接开关切换装置，进而与直流钳位电容C3、C3’的正极或负极相连。公共接地点连接到直流钳位电容C1、C1’的负极以及C2、C2’的负极，并通过开关切换装置与直流钳位电容C3、C3’的正极或负极连接。

其中首端三个电压源换流器VSC1、VSC2和VSC3的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；

其中末端三个电压源换流器VSC1’、VSC2’和VSC3’的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。

所述开关切换装置位于第3极导线L2的两端，可采用机械开关，晶闸管开关或机械开关与晶闸管开关的组合。所述开关切换装置的功能示意图如图2所示，双向开关SW1，SW1’可同时将节点1与节点3连接，节点2与节点4连接，实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的正极与导线L3相连，C3、C3’的负极接地，导线L3电压极性为正；或同时将节点1与节点4’连接，节点2与节点3’连接，实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的负极与导线L3相连，C3、C3’的正极接地，导线L3电压极性为负。

所述开关切换装置的一种实施方案如图3所示，每台开关切换装置包含两组采用晶闸管开关两侧并联高速机械开关的复合开关SW1、SW1’与SW2、SW2’。SW1、SW1’导通可同时将节点1与节点3连接，节点2与节点4连接，即实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的正极与导线L3相连，C3、C3’的负极接地。SW2、SW2’导通可同时将节点1与节点4连接，节点2与节点3连接，即实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的正极接地，C3、C3’的负极与导线L3相连。

实施例2

本发明采用电压源换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统的工作原理：

本发明提供的采用电压源换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统的工作原理示意图如图4所示。通过周期性改变3个极电流的大小，能够在发热限制相同的条件下增大直流系统的输送功率。通过周期性改变第3极电压和电流的极性，实现第1极第2极电流的周期性分担。第1极、第2极电流的大小在Imax和Imin之间周期性变化，但方向不变；第3极的电流大小不变（Imax-Imin），但方向周期性变化。

第1极、第2极和第3极发热限制相同，设其热稳定极限电流为I_N=1.0pu。。为使第3极达到其发热限制，则需满足式①：

I_max-I_min＝I_N＝1.0pu                    ①；

导线L1、L2的电流在最大电流Imax和最小电流Imin之间变化，电流在一个循环周期内的有效值同样要达到其发热限制，以保证三条导线输送功率均达到其热稳定极限。具体在图3中表现为2△t时间内，导线L1、L2、L3的电流有效值相等因此需满足式②：

$I_{\max }^2+I_{\min }^2=2{(I_{\max }-I_{\min })}^2$ ②；

由式①和式②可得，导线L1、L2的运行电流Imax为1.37I_N，Imin为0.37I_N。

本发明提供的采用电压源换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统，该输电系统采用三条导线及各条导线两端的电压源换流器构成三极直流输电接线形式，直流侧各极共地连接。其中，第1极和第2极的电压、电流极性恒定，第3极的电压、电流极性均可翻转。本发明充分利用第3极电压源换流器电流双向流通能力，采用开关切换装置实现第3极导线电压极性的翻转，周期性地改变第3极导线的电压、电流极性，在保证3极直流功率方向不变的前提下，实现第1极、第2极电流的周期性分担。通过适当的控制，可使直流输送功率在三条导线之间的均匀分配，并使三条导线电流均达到其发热限制。本发明所述结构中直流电流在三根导线之间流动，不与大地构成通路，避免了高频电磁干扰和大地中金属设备的腐蚀。本发明可以将交流线路的热稳定极限功率提高60%以上。同时，本发明采用电压源换流技术，无需配置大容量无功补偿和滤波设备，并能在为交流系统提供动态电压支撑，可显著提高系统运行灵活性和可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.采用电压源换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，其特征在于，所述输电系统采用三条导线及每条导线两端的电压源换流器构成三极接线形式。

2.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，所述三条导线采用三相交流架空线路或电缆，对应于所述输电系统的第1极导线、第2极导线和第3极导线。

3.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，其中一极接线包括第1极导线和电压源换流器；

所述第1极导线两端对称设置有电压源换流器；

所述第1极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地。

4.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；

所述第2极导线两端对称设置有电压源换流器；

所述第2极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地。

5.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；

所述第3极导线两端对称设置有开关切换装置和电压源换流器；

所述第3极导线两端通过开关切换装置分别与电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地；或

所述第3极导线两端分别通过开关切换装置与电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地。

6.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，所述开关切换装置用于实现第3极导线电压极性的反转；其采用机械投切开关、晶闸管投切开关或基于可关断器件的开关装置。

7.如权利要求3-5中任一项所述的输电系统，其特征在于，所述第1极导线、第2极导线和第3极导线的公共接地点连接。

8.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，所述输电系统包括六个电压源换流器；所述电压源换流器采用基于可关断电力电子器件的电压源型AC-DC换流器；

其中首端三个电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；

其中末端三个电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。

Images