CN102820672B - 一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，属于直流输电技术领域。当第一交流系统的额定线电压值大于第二交流系统的额定线电压值时，在第一交流系统和第二交流系统之间依次串接第一模块化多电平换流器、直流输电线路和第二模块化多电平换流器。虽然两个模块化多电平换流器承受相同的直流电压，也采用相同额定电压的子模块，但是用于连接电压等级较低的交流系统的模块化多电平换流器可以不经变压器直接接入交流系统，并且可以采用相对比较少的子模块级联数目。采用本发明的输电系统，可以通过减小子模块数量降低模块化多电平换流器的成本，另一方面也可以避免交流变压器带来的占地和成本问题。

Description

一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统

技术领域

本发明涉及一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，属于直流输电技术领域。

背景技术

出于可持续发展需要，利用以太阳能、风能等可再生能源发电已成为未来电力系统的发展方向。这些发电方式具有远离主电网、随时间波动较大等特点。柔性直流输电系统基于电压源换流器（VSC）和脉冲宽度调制技术（PWM）将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，成为实现可再生能源发电与主电网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。由于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电系统。

柔性直流输电系统通常用于连接两个交流系统。两个模块化多电平换流器的交流侧各接入一个交流系统，两个电压源的直流侧通过直流输电线路连接起来。通常情况下直流线路的电压要与交流系统电压相匹配。直流电压相对交流系统电压过高时，可能会导致电压源换流器工作在较低的调制比，造成换流器运行性能较差，并且导致模块化多电平换流器的部分子模块不能得到充分利用，带来装置成本的升高。直流电压相对交流系统电压过低时，会导致换流器运行于非线性区域，使换流器无法正常输出有功功率和无功功率。

由于直流线路电压通常根据所传输的容量和直流电缆水平确定。换流器的直流电压等级可能会与交流系统电压不匹配。在这种情况下，解决方法通常是在交流系统侧接入交流变压器，将交流系统电压变换到与直流线路电压相匹配的等级。在很多应用场合柔性直流输电系统是用于连接两个不同电压等级的交流电网，由于两个换流器必然承受相同的直流线路电压，直流电压若与电压较高的一侧交流电网电压相匹配，与电压较低的一侧电压则必将不匹配。在设计模块化多电平换流器桥臂中子模块级联数量时，目前通常认为应该设计为模块化多电平换流器额定直流电压U_d除以子模块额定电压U_c所得到的数值。例如如果K＝U_d/U_c，采用现有设计方法时，模块化多电平换流器每个桥臂的子模块级联数量N通常被设计为K。因此采用常规技术方案时，当连接两个不同电压等级的交流电网时，两个模块化多电平换流器的桥臂子模块数量将相同。但是连接电压较低的交流系统的模块化多电平换流器将运行于调制比较低的情况，这个N个子模块并不会得到充分利用，造成子模块数量的浪费，导致成本和占地的升高。

发明内容

本发明的目的是提出一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，在采用模块化多电平换流器连接两个不同电压等级交流电网时，使用于连接相对低电压等级交流系统的模块化多电平换流器可以不经变压器直接接入交流系统，并且使模块化多电平换流器桥臂采用相对比较少的子模块数量。

本发明提出的连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，该柔性直流输电系统中，第一交流系统和第二交流系统之间依次串接第一模块化多电平换流器、直流输电线路和第二模块化多电平换流器；

所述的第一交流系统为含三根交流线路的输电导线，额定线电压值为U_ac1，

所述的第二交流系统为含三根交流线路的输电导线，额定线电压值为U_ac2，

设所述的第一交流系统的额定线电压值U_ac1大于第二交流系统的额定线电压值U_ac2，则所述的含正极、负极两根输电导线的直流输电线路的正极和负极之间的额定直流电压U_d为：U_d大于

所述的第一模块化多电平换流器为三相桥臂结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N₁个相同的子模块级联构成，所述的子模块额定电压为U_c，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，与第一交流系统的输电导线连接，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，直流正母线与所述的直流输电线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，直流负母线与直流输电线路的负极连接，所述的第一模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为N₁， $N_1=\frac{U_d}{U_c};$

所述的第二模块化多电平换流器为三相桥臂结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N₂个相同的子模块级联构成，所述的子模块额定电压为U_c，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，与第二交流系统的输电导线连接，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，直流正母线与所述的直流输电线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，直流负母线与直流输电线路的负极连接，所述的第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为 $N_2,N_2=\frac{(U_{\mathrm{ac}2}/U_{\mathrm{ac}1}+1)}{2}\frac{U_d}{U_c}.$

本发明提出的连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，其优点是：采用本发明的输电系统，在采用模块化多电平换流器连接两个不同电压等级交流电网时，虽然两个模块化多电平换流器承受相同的直流电压，也采用相同额定电压的子模块，但是用于连接相对低电压等级交流系统的模块化多电平换流器可以采用相对比较少的子模块级联数量，并且可以不经变压器直接接入交流系统。采用本发明的输电系统，可以通过减小子模块数量降低模块化多电平换流器的成本，另一方面也可以避免交流变压器带来的占地和成本问题。

附图说明

图1是本发明提出的连接不同电压等级的交流电网的柔性直流输电系统的一个实施例的示意图。

图2是本发明的柔性直流输电系统中的模块化多电平换流器的电路图。

图3是图2所示的模块化多电平换流器中子模块的电路图。

具体实施方式

本发明提出一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，其结构框图如图1所示，该柔性直流输电系统中，第一交流系统和第二交流系统之间依次串接第一模块化多电平换流器、直流输电线路和第二模块化多电平换流器；

所述的第一交流系统为含三根交流线路的输电导线，额定线电压值为U_ac1，

所述的第二交流系统为含三根交流线路的输电导线，额定线电压值为U_ac2，

设所述的第一交流系统的额定线电压值U_ac1大于第二交流系统的额定线电压值U_ac2，则所述的含正极、负极两根输电导线的直流输电线路的正极和负极之间的额定直流电压U_d为：U_d大于

所述的第一模块化多电平换流器为三相桥臂结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N₁个相同的子模块级联构成，所述的子模块额定电压为U_c，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，与第一交流系统的输电导线连接，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，直流正母线与所述的直流输电线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，直流负母线与直流输电线路的负极连接，所述的第一模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为N₁， $N_1=\frac{U_d}{U_c};$

所述的第二模块化多电平换流器为三相桥臂结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N₂个相同的子模块级联构成，所述的子模块额定电压为U_c，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，与第二交流系统的输电导线连接，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，直流正母线与所述的直流输电线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，直流负母线与直流输电线路的负极连接，所述的第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为N₂， $N_2=\frac{(U_{\mathrm{ac}2}/U_{\mathrm{ac}1}+1)}{2}\frac{U_d}{U_c}.$

以下结合附图，详细介绍本发明的原理：

如图2所示，在模块化多电平换流器中，由N个子模块顺序级联构成一个桥臂。每一相包括上桥臂和下桥臂，上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线。换流器共有三相，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，与直流线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，与直流线路的负极连接。图3是图2所示的模块化多电平换流器中子模块的电路图。设子模块的额定电压为U_c。对于某桥臂中第i个子模块，定义S_i为这个子模块的开关函数。当S_i＝1时，子模输出电压为Uc；当S_i＝0时，子模块输出电压为0。

以模块化多电平换流器中的一相为例，忽略电感上的压降，上下桥臂所有子模块的输出电压之和即为直流输电线路的直流电压：

$U_d=(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ni}})U_c---\left(1\right)$

其中S_pi表示此相上桥臂第i个子模块的开关状态，S_ni表示此相下桥臂第i个子模块的开关状态。所以为了维持直流电压的恒定，通常将上下桥臂开关状态之和控制为一个固定常数，即：

$(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ni}})=K---\left(2\right)$

其中K由换流器直流输电线路额定直流电压和子模块额定电压决定，即：

$K=\mathrm{CEIL}\left(\frac{U_d}{U_c}\right)---\left(3\right)$

其中CEIL()为向上取整函数。

以上关系也决定了桥臂子模块数量N的计算选择方式。现有技术方案都是将N直接选择为K。但是本发明的技术方案提出桥臂子模块数量N小于K时MMC换流器仍能够运行。从式(2)的角度来看，为了能够使上下桥臂开关状态之和达到K，N可以选择的最小值为K/2（或向上取整）。N可以选择的最大值为K，当N超过K时，虽然仍能够通过控制子模块的开关状态满足式(1)，但是多出的子模块数量并没有实际意义（不考虑冗余运行情况）。下面将分析当K/2≤N≤K时MMC换流器的运行特性。

MMC换流器的桥臂交流电压可以表示为：

$u_o=\frac{(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{ni}}-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{pi}})}{2}{U}_c---\left(4\right)$

以

为例，其可以变化的范围为K-N到N范围内的整数，相对应的

数值为N到K-N。这样交流侧电压u_o的变化范围为：

$-(N-\frac{K}{2})U_c\≤u_o\≤(N-\frac{K}{2})U_c---\left(5\right)$

式(5)一方面表示出了桥臂数目N的选择对桥臂输出电压的幅值范围的影响，另一方面也表示出了N对桥臂电压的电平级数的影响，桥臂的电平数目可以表示为2N-K+1。

式(5)可以说明MMC换流器的运行原理并不一定要求桥臂子模块数目N等于K。只是在N等于K时，无论是输出电压幅值范围还是电平数目都可以达到最大值。所以目前的研究和应用通常认为N数目的选择就是应该为K。但是在某些应用场合中，如果能将N选择为小于K的数目，显然可以减少所采用的子模块数目，降低装置成本和控制难度。

对于一个连接不同电压等级交流系统的柔性直流输电系统，设第一交流系统的交流线电压有效值为U_ac1，设第二交流系统的交流线电压有效值为U_ac2，并设U_ac1＞U_ac2。第一模块化多电平换流器的交流母线与第一交流系统连接，第二模块化多电平换流器的交流母线与第二交流系统连接。第一模块化多电平换流器的直流侧和第二模块化多电平换流器的直流侧都与直流输电线路连接。

从第一模块化多电平换流器来看，换流器的调制比定义为交流相电压峰值和换流器直流电压一半的比值，可以表示为：

$M_1=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}1}/\sqrt{3}}{U_d/2}---\left(6\right)$

一般来说，调制策略所能达到的最大调制比为1（暂不考虑通过零序电压注入方法），因此直流输电线路额定直流电压必须与交流系统额定电压值相匹配，需要大于一定的数值，即

$U_d\≥\frac{2\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}1}}{\sqrt{3}}---\left(7\right)$

当然直流线路额定直流电压要根据系统电压情况、系统阻抗情况和所需的最大有功功率和无功功率情况等综合计算。式(7)所给出的只是从调制比角度考虑所给出的所需最小直流电压。如果确定了子模块额定电压U_c，则可以根据式(3)计算出第一模块化多电平换流器桥臂子模块数量，即N₁＝K。可以看出现有技术方案中模块化多电平换流器桥臂子模块数量只是依据额定直流电压和子模块额定电压之间的关系进行计算的。

由于两个换流器的直流侧是背靠背连接在一起的，第一模块化多电平换流器和第二模块化多电平换流器的额定直流电压必须相同。由于第一交流系统的额定线电压值大于第二交流系统的额定线电压值，因此直流输电线路额定直流电压应根据第一交流系统的额定线电压值进行计算。由于第二模块化多电平换流器所承受的直流电压与第一模块化多电平换流器相同，如果采用相同的子模块，采用现有技术方案时，由于桥臂子模块数量只是依据直流线路额定直流电压和子模块额定电压之间的关系进行设计计算的，第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量也应设计为N₂＝K。

在这种情况下，第一模块化多电平换流器的调制比可以达到接近于1.0，上桥臂和下桥臂的最大可输出电压得到了充分的利用。由于第二交流系统的额定线电压较低，第二模块化多电平换流器将运行于调制比较低的情况。例如在U_ac2＝0.5U_ac的情况下，显然在相同的额定直流电压U_d情况下，第二模块化多电平换流器所运行的调制比最大只能接近于0.5。这样，虽然第二模块化多电平换流器桥臂中也包含K个子模块，总直流电压为KU_c＝U_d。但由于第二交流系统电压较低，换流器运行于调制比较低的情况，虽然桥臂中含有K个子模块，但是子模块数量并没有被充分利用。目前常规的解决方案就是通过升压变压器将第二交流系统的额定线电压电压值提高，但是变压器将带来成本和占地的问题。

从以上的分析可以看出，当柔性直流输电系统用于连接不同电压等级交流电网时，如果采用现有技术方案进行设计计算，只是依据直流输电线路额定直流电压和子模块额定电压之间的关系计算桥臂子模块数量，则两个模块化多电平换流器的桥臂子模块级联数目必然相同。由于第二模块化多电平换流器与电压等级相对较低的交流系统进行连接，第二模块化多电平换流器的桥臂的部分子模块将没有得到充分利用，造成装置造价和占地的无意义提高。本发明技术方案提出在这种情况下第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量并不需要与第一模块化多电平换流器的桥臂子模块数量相同的数值，而是可以适当以较小的子模块数量构成桥臂。假设第二模块化多电平换流器的桥臂含有N₂数量的子模块，其中K/2≤N≤K。根据式(5)，定义第二模块化多电平换流器的等效直流电压为换流器的最大输出电压范围值，即：

U_d(eq)＝(2N₂-K)U_c    (8)

此时换流器2的调制比为

$M_2=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}2}/\sqrt{3}}{U_{d\left(\mathrm{eq}\right)}/2}---\left(9\right)$

如果已经设计为第一模块化多电平换流器的最大运行调制比M₁＝1，将式(6)代入式(8)，并根据U_d＝KU_c，则

$M_2=\frac{U_{\mathrm{ac}2}}{U_{\mathrm{ac}1}}\frac{K}{(2N_2-K)}---\left(10\right)$

如果希望第二模块化多电平换流器的最大调制比也可以运行于1.0，即M₂＝1，N₂只需为

$N_2=\frac{(U_{\mathrm{ac}2}/U_{\mathrm{ac}1}+1)}{2}\frac{U_d}{U_c}---\left(11\right)$

可以看出，如果直流线路额定直流电压已经根据交流电压等级较高的一端U_ac1进行设计，并选择了N₁＝K个子模块数量，第二模块化多电平换流器虽然承受相同的直流电压，但使用相同的子模块时，第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量N₂可以选择小于K的情况，这样将可以使减小第二模块化多电平换流器所需的桥臂子模块数量，降低装置的成本，也可以简化控制器的设计。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，一个200MVA/400kV的柔性直流输电系统用于连接第一交流系统和第二交流系统。第一交流系统的额定线电压值为U_ac1＝220kV，第二交流系统的额定线电压值为U_ac2＝110kV。直流输电线路的额定直流电压为U_d＝400kV。

第一模块化多电平换流器用于连接第一交流系统，子模块的额定电压为U_c＝1600V，因此根据式（3），第一模块化多电平换流器的桥臂子模块级联数目N₁的计算方式如下：

$N_1=\frac{U_d}{U_c}=\frac{400\mathrm{kV}}{1600V}=250$

根据式（6），第一模块化多电平换流器的运行调制比M₁计算如下：

$M_1=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}1}/\sqrt{3}}{U_d/2}=\frac{\sqrt{2}\×220\×/\sqrt{3}}{400/2}=0.90$

第二模块化多电平换流器用于连接第二交流系统，子模块的额定电压同样为U_c＝1600V。如果按照现有技术方案进行设计，第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量应该与第一模块化多电平换流器相同，即N₂＝250。此时第二模块化多电平换流器的运行调制比为：

$M_2=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}2}/\sqrt{3}}{U_d/2}=\frac{\sqrt{2}\×110\×/\sqrt{3}}{400/2}=0.45$

这样第二模块化多电平换流器的运行调制比只有0.45，每个桥臂的250个子模块中约有一半没有得到充分利用，因此是一种比较不经济的方案。当然另外一种技术方案是通过一台110kV/220kV的交流变压器将第二交流系统的电压升压到220kV，但是交流变压器将带来成本和占地增加的问题。

采用本发明的技术方案，根据式（11）第二模块化多电平换流器的桥臂子模块电平数量为：

$N_2=\frac{(U_{\mathrm{ac}2}/U_{\mathrm{ac}1}+1)}{2}\frac{U_d}{U_c}=\frac{(110\mathrm{kV}/220\mathrm{kV}+1)}{2}\frac{400\mathrm{kV}}{1600V}=188$

此时根据式（9），第二模块化多电平换流器运行的调制比计算如下：

$M_2=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}2}/\sqrt{3}}{U_{d\left(\mathrm{eq}\right)}/2}=\frac{\sqrt{2}\×110\mathrm{kV}/\sqrt{3}}{(2\×188-250)\×1600/2}=0.89$

采用本发明技术方案第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为N₂＝188。显然，相对于现有技术方案，本发明技术方案的第二模块化多电平换流器每个桥臂可以减少62个子模块，由于每个换流器包含6个桥臂，因此每个模块化多电平换流器共可以减少372个子模块，子模块数量的降低比例为24.8%。采用本发明技术方案可以大幅降低换流器的成本，也可以降低换流器的复杂程度，并且可以使第二模块化多电平换流器直接接入电压等级较低的第二交流系统，不需要采用交流变压器，可以大大减小换流器交流设备的造价和占地。

Claims (1)

1.一种连接不同电压等级交流电网的柔性直流输电系统，其特征在于该柔性直流输电系统中，第一交流系统和第二交流系统之间依次串接第一模块化多电平换流器、直流输电线路和第二模块化多电平换流器；

所述的第一交流系统为含三根交流线路的输电导线，额定线电压值为U_ac1，

所述的第二交流系统为含三根交流线路的输电导线，额定线电压值为U_ac2，

设所述的第一交流系统的额定线电压值U_ac1大于第二交流系统的额定线电压值U_ac2，则含正极、负极两根输电导线的直流输电线路的正极和负极之间的额定直流电压U_d为：U_d等于

所述的第一模块化多电平换流器为三相桥臂结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N₁个相同的子模块级联构成，所述的子模块额定电压为U_c，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，与第一交流系统的输电导线连接，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，直流正母线与所述的直流输电线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，直流负母线与直流输电线路的负极连接，所述的第一模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为N₁， $N_1=\frac{U_d}{U_c};$

所述的第二模块化多电平换流器为三相桥臂结构，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂分别由N₂个相同的子模块级联构成，所述的子模块额定电压为U_c，每相的上桥臂下端和下桥臂上端各通过一个电感连接在一起，电感中点成为该相的交流母线，与第二交流系统的输电导线连接，所有相的上桥臂上端连接在一起成为直流正母线，直流正母线与所述的直流输电线路的正极连接，所有相的下桥臂下端连接在一起成为直流负母线，直流负母线与直流输电线路的负极连接，所述的第二模块化多电平换流器的桥臂子模块数量为N₂， $N_2=\frac{(U_{\mathrm{ac}2}/U_{\mathrm{ac}1}+1)}{1}\frac{U_d}{U_c}.$

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