CN103117566A - 220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统，包括：220kV的三相交流母线，用于汇总220kV交流电能；220kV交流侧三相交流断路器，用于隔离故障；220/20kV交流直降变压器，用于将220kV交流电直降为20kV交流电，以及将220kV高压侧与20kV低压侧相隔离；三相电抗器，用于电压源换流器与交流系统进行电能质量交换，以及对20kV交流电进行滤波；电压源换流器，用于将滤波后20kV交流电通过换流阀原理转换为20kV直流电；以及正直流母线与负直流母线，用于汇集所述20kV直流电能。本发明实施例首次提出220kV交流直降为20kV柔性直流输配电系统及方法，可以有效减少110kV电压层级，节约土地资源；同时采用柔性直流输电，可提高电能质量、快速独立控制有功功率和无功功率的调节、适宜可再生能源馈入。

Description

220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统及方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，具体地说是一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统及方法。

背景技术

目前，我国大部分城乡配电网系统均采用10kV作为主要的供电电压。由于近年来经济的快速发展，在负荷密度较大的城市中心区已经暴露出供电能力不足、站点和线路走廊资源极为紧张等问题，而且在低负荷的偏远农村地区出现电压降落过大，用户电压质量难以得到保障，供电距离受限等情况，因此，将配电网采取20kV电压等级成为配电网。

随着变压器技术的发展，目前220/20kV交流直降模式相继投产运行，合理配置电压层级序列，减少110kV电压层级，将极大节约土地资源，降低电网损耗，降低用电成本。

220/20kV交流直降模式虽然节约土地资源，降低电网损耗，降低用电成本起到一定推动作用，但是还是处于交流输配电技术基础上，输电走廊通道仍然处于紧张状态、电能质量的提高仍未解决、无法实现有功功率和无功功率的快速调节、可再生能源（如风能、太阳能等）馈入也存在不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统及方法，可提高电能质量、快速独立控制有功功率和无功功率的调节、适宜可再生能源（如风能、太阳能等）馈入。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统，包括：

220kV的三相交流母线，用于汇总220kV交流电能；

220kV交流侧三相交流断路器，用于隔离故障；

220/20kV交流直降变压器，用于将220kV交流电直降为20kV交流电，以及将220kV高压侧与20kV低压侧相隔离；

三相电抗器，用于电压源换流器与交流系统进行电能质量交换，以及对20kV交流电进行滤波；

电压源换流器，包括绝缘栅双极晶体管IGBT换流阀桥臂，其采用三相两电平桥式结构，用于将滤波后20kV交流电通过换流阀原理转换为20kV直流电；以及

正直流母线与负直流母线，用于汇集所述20kV直流电能。

进一步地，还包括：

对称设置的直流电容C1和C2，用于为所述电压源换流器提供直流电压支撑，缓冲所述IGBT换流阀桥臂关断时的冲击电流，减少直流侧谐波。

进一步地，还包括：

接地点，从所述对称的直流电容C1、C2中间引出，用于保持直流侧两极平衡，正常运行时上、下极的直流电流大小相等，方向相反。

进一步地，还包括：

直流开关QF1、QF2，分别在故障时隔离所述正直流母线与负直流母线。

进一步地，所述IGBT换流阀桥臂具体包括：可关断器件VTa1、VTa2、VTb1、VTb2、VTc1、VTc2；续流二极管VDa1、VDa2、VDb1、VDb2、VDc1、VDc2；其中，续流二极管VDa1、VDa2的正极分别和可关断器件VTa1、VTa2的发射极相连，续流二极管VDa1、VDa2的负极分别和可关断器件VTa1、VTa2的集电极相连；续流二极管VDb1、VDb2的正极分别和可关断器件VTb1、VTb2的发射极相连，续流二极管VDb1、VDb2的负极分别和可关断器件VTb1、VTb2的集电极相连；续流二极管VDc1、VDc2的正极分别和可关断器件VTc1、VTc2的发射极相连，续流二极管VDc1、VDc2的负极分别和可关断器件VTc1、VTc2的集电极相连。

进一步地，所述220kV的三相交流母线，220kV交流侧三相交流断路器以及220/20kV交流直降变压器组成柔性直流输配电的交流区，所述三相电抗器，电压源换流器以及正直流母线与负直流母线组成柔性直流输配电的直流区。

进一步地，所述直流区嵌入在所述交流区的低压侧。

进一步地，所述直流区与交流区分开安装。

本发明还提供一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电方法，包括以下步骤：

将220kV交流直降为20kV交流；

将20kV交流经过三相电抗器滤波；

将经过滤波后的20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流；

将20kV直流电能汇集到正直流母线与负直流母线上。

进一步地，所述将经过滤波后的20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流，具体是指：

采用三相两电平桥式结构的绝缘栅双极晶体管IGBT换流阀桥臂，将滤波后的20kV交流转变成20kV直流。

本发明首次提出220kV交流直降为20kV柔性直流输配电系统及方法，可以有效减少110kV电压层级，节约土地资源，降低电网损耗，降低用电成本；同时采用柔性直流输电，可提高电能质量、快速独立控制有功功率和无功功率的调节、适宜可再生能源（如风能、太阳能等）馈入等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统的结构示意图。

图2为本发明实施例一220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统的换流阀工作原理示意图。

图3为本发明实施例一220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统的应用示意图。

图4为本发明实施例一220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统及方法的输配电过程分区示意图。

具体实施方式

下面参考附图对本发明的优选实施例进行描述。

随着电力电子器件和控制技术的发展，出现了新型的半导体器件——绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）。将IGBT作为开关器件的电压源换流器（Voltage-Sourced Converter，VSC），随后在工业驱动装置上得到广泛应用，再经过随后的IGBT器件的电压和容量多次升级后，使得采用IGBT构成的电压源换流器在直流输配电网中应用成为现实。

在直流输配电网应用中换流器采用IGBT阀和两电平（或多电平）三相机构，并使用脉宽调制技术（Pulse Width Modulation，PWM）控制IGBT阀的开断状况，具备上述功能后使得由其构成的直流配电网系统在许多方面不同于常规的直流输配电，可以克服常规的直流输配电中呈现的多类问题。这种新型的直流输配电技术，简称为“柔性直流（High Voltage Direct Current Flexible，HVDC-Flexible）”。本发明实施例即在现有220/20kV交流直降系统上增设柔性直流输配电电路，共同形成可将220kV直降为20kV的柔性直流输配电系统。

请首先参照图1所示，本发明实施例一提供的220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统，包括：

220kV的A、B、C三相交流母线（包括Ma、Mb、Mc），用于汇总220kV交流电能，与目前电力系统中运行的交流母线相同；

220kV交流侧三相交流断路器（包括DLa、DLb、DLc），用于隔离故障等，与目前电力系统中运行的交流断路器相同；

220/20kV交流直降变压器，用于将220kV交流电直降为20kV交流电，以及将220kV高压侧与20kV低压侧相隔离；

三相电抗器LA、LB、LC，用于电压源换流器与交流系统进行电能质量交换，以及对20kV交流电进行滤波；

电压源换流器，包括IGBT换流阀桥臂，其采用三相两电平桥式结构，用于将滤波后20kV交流电通过换流阀原理转换为20kV直流电，其具体包括：可关断器件VTa1、VTa2、VTb1、VTb2、VTc1、VTc2；续流二极管VDa1、VDa2、VDb1、VDb2、VDc1、VDc2；其中，续流二极管VDa1、VDa2的正极分别和可关断器件VTa1、VTa2的发射极相连，续流二极管VDa1、VDa2的负极分别和可关断器件VTa1、VTa2的集电极相连；续流二极管VDb1、VDb2的正极分别和可关断器件VTb1、VTb2的发射极相连，续流二极管VDb1、VDb2的负极分别和可关断器件VTb1、VTb2的集电极相连；续流二极管VDc1、VDc2的正极分别和可关断器件VTc1、VTc2的发射极相连，续流二极管VDc1、VDc2的负极分别和可关断器件VTc1、VTc2的集电极相连；

正直流母线与负直流母线，用于汇集直流电能。

此外，本实施例还包括对称设置的直流电容C1和C2，用于为电压源换流器提供直流电压支撑，缓冲桥臂关断时的冲击电流，减少直流侧谐波；

接地点d，在对称的两组电容C1、C2中间引出，由于直流侧的柔性输配电系统通常是双极运行，接地点d可以保持直流侧两极平衡，正常运行时上、下极的直流电流大小相等，方向相反；

直流开关QF1、QF2，分别在故障时隔离正直流母线与负直流母线。

再请参照图2所示，IGBT换流阀桥臂的工作原理是：以A相桥臂的上、下两个可关断器件VTa1、VTa2具有四种不同的电流路径为例，如图2所示，当上半桥臂的可关断器件VTa1触发时，若电流为正，则流通路径从直流电容C1正极性端经可关断器件VTa1至输出端，如图2所示中a路径；若电流为负，则流通路径从输出端经续流二极管VDa1至直流电容C1正极性端，如2所示中b路径。当下半桥臂的可关断器件VTa2触发时，若电流为正，则流通路径从直流电容C2负极性端经续流二极管VDa2至输出端，如2所示中d路径；若电流为负，则流通路径从输出端经可关断器件VTa2至直流电容C2负极性端，如2所示中c路径。B相、C相桥臂与A相桥臂类似，不再赘述。

基于本发明实施例一本发明实施例二提供一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电方法，包括以下步骤：

将220kV交流直降为20kV交流；

将20kV交流经过三相电抗器滤波；

将经过滤波后的20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流；

将20kV直流电能汇集到正直流母线与负直流母线上。

其中，将经过滤波后的20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流，具体是指：采用三相两电平桥式结构的绝缘栅双极晶体管IGBT换流阀桥臂，将滤波后的20kV交流转变成20kV直流。

在上述各步骤中涉及的元器件已在本实施例一中进行了说明，此处不再赘述。

需要说明的是，本发明实施例提供的柔性直流输配电方法，系针对电能输出端的实现，故20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流仅是整流过程。至于经过20kV直流输电线路向用户侧再经过换流阀原理逆变成用户所需要的电能（如图3中虚框所示），并不在本发明实施例的说明范围。

再如图4所示，利用本发明实施例柔性直流输配电系统及方法将220kV交流直降为20kV柔性直流输配电过程分为交流区和直流区。具体实现时有两种实现方案：一是将直流区嵌入在交流区的低压侧；二是将交流区和直流区分开安装。

柔性直流（HVDC-Flexible）是从常规直流输配电技术发展而来，优点均为其常规直流输配电的优点，例如：柔性直流输配电线路相比于目前运行中交流输配电网线路要少一根导线，使其线路成本低，损耗小，节约了输配电线路大量走廊通道；柔性直流配电网系统为了实现较少故障率，一般采用电缆作为配电网系统通道，电缆的输送容量大、损耗小、使用周期长、输送距离不受限制；柔性直流配电网系统采用电缆作为输配电通道，一般在地下使用直埋技术，工程成本低、工期短，还减少对环境的影响；另外，柔性直流配电网系统稳定强；柔性直流配电网系统可以实现非同步系统的互联；柔性直流配电网系统所输送的有功功率和无功功率可以快速独立控制；柔性直流配电网系统较好地分期建设、扩展性好；事故后快速恢复供电和黑启动；可以向无源电网供电等等。

本发明实施例首次提出220kV交流直降为20kV柔性直流输配电系统及方法，可以有效减少110kV电压层级，节约土地资源，降低电网损耗，降低用电成本；同时采用柔性直流输电，可提高电能质量、快速独立控制有功功率和无功功率的调节、适宜可再生能源（如风能、太阳能等）馈入。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电系统，其特征在于，包括：

220kV的三相交流母线，用于汇总220kV交流电能；

220kV交流侧三相交流断路器，用于隔离故障；

220/20kV交流直降变压器，用于将220kV交流电直降为20kV交流电，以及将220kV高压侧与20kV低压侧相隔离；

三相电抗器，用于电压源换流器与交流系统进行电能质量交换，以及对20kV交流电进行滤波；

电压源换流器，包括绝缘栅双极晶体管IGBT换流阀桥臂，其采用三相两电平桥式结构，用于将滤波后20kV交流电通过换流阀原理转换为20kV直流电；以及

正直流母线与负直流母线，用于汇集所述20kV直流电能。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

对称设置的直流电容C1和C2，用于为所述电压源换流器提供直流电压支撑，缓冲所述IGBT换流阀桥臂关断时的冲击电流，减少直流侧谐波。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：

接地点，从所述对称的直流电容C1、C2中间引出，用于保持直流侧两极平衡，正常运行时上、下极的直流电流大小相等，方向相反。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

直流开关QF1、QF2，分别在故障时隔离所述正直流母线与负直流母线。

5.根据权利要求1-4任一项所述的系统，其特征在于，所述IGBT换流阀桥臂具体包括：可关断器件VTa1、VTa2、VTb1、VTb2、VTc1、VTc2；续流二极管VDa1、VDa2、VDb1、VDb2、VDc1、VDc2；其中，续流二极管VDa1、VDa2的正极分别和可关断器件VTa1、VTa2的发射极相连，续流二极管VDa1、VDa2的负极分别和可关断器件VTa1、VTa2的集电极相连；续流二极管VDb1、VDb2的正极分别和可关断器件VTb1、VTb2的发射极相连，续流二极管VDb1、VDb2的负极分别和可关断器件VTb1、VTb2的集电极相连；续流二极管VDc1、VDc2的正极分别和可关断器件VTc1、VTc2的发射极相连，续流二极管VDc1、VDc2的负极分别和可关断器件VTc1、VTc2的集电极相连。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述220kV的三相交流母线，220kV交流侧三相交流断路器以及220/20kV交流直降变压器组成柔性直流输配电的交流区，所述三相电抗器，电压源换流器以及正直流母线与负直流母线组成柔性直流输配电的直流区。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述直流区嵌入在所述交流区的低压侧。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述直流区与交流区分开安装。

9.一种220kV交流直降20kV柔性直流输配电方法，包括以下步骤：

将220kV交流直降为20kV交流；

将20kV交流经过三相电抗器滤波；

将经过滤波后的20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流；

将20kV直流电能汇集到正直流母线与负直流母线上。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述将经过滤波后的20kV交流通过换流阀原理转变成20kV直流，具体是指：

采用三相两电平桥式结构的绝缘栅双极晶体管IGBT换流阀桥臂，将滤波后的20kV交流转变成20kV直流。

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