CN103219738A

CN103219738A - 一种基于三极式结构的直流输电系统

Info

Publication number: CN103219738A
Application number: CN2013101079800A
Authority: CN
Inventors: 徐政; 许烽; 唐庚; 薛英林
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103219738B

Abstract

本发明公开了一种基于三极式结构的直流输电系统，包括整流换流站和逆变换流站；整流换流站和逆变换流站均采用三极换流系统；三极换流系统由三个换流单元H1～H3组成；换流单元H1和换流单元H2采用基于CDSM的模块化多电平换流器，换流单元H3采用基于FBSM的模块化多电平换流器。本发明采用的CDSM和FBSM进行交直流变换不需要交流电压源的支撑，能够实现向无源负荷供电。本发明的三极直流具有较好的谐波特性且具有直流电流闭锁能力，同时能够实现有功无功解耦控制，不需要额外添加无功补偿和滤波设备，在出现甩负荷情形时，亦无过电压现象。

Description

一种基于三极式结构的直流输电系统

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种基于三极式结构的直流输电系统。

背景技术

我国电力规划的总体方针是“西电东送、南北互供、全国联网”。然而，随着电网规模的日益扩大和结构的日趋复杂，加之涉及征地问题的利益纠葛近年来也逐渐显现出来，在原有的线路基础上再开辟出新的线路走廊就显得更加困难。因此，利用原有的高压交流站和线路网架，改造并转换成直流输电工程，成为解决这一问题非常值得探讨的思路。再者，对于超大规模的电网来说，用直流工程将其分隔成数个异步子系统，可以有效减少交流同步联网所带来的一系列问题，如短路电流超限、低频振荡加剧、故障大范围传递等。

在各种交流线路转换成直流线路的方案中，三极直流输电相比传统的双极和单极直流输电，在技术应用、经济成本和可靠性等方面都体现出一定的优势。L.O.Barthold等人在标题为Conversion of AC Transmission Lines to HVDC usingCurrent Modulation（Inaugural IEEE PES2005Conference and Exposition.11-15July,2005.Durban,South Africa:26-32）的文献中提出了一种三级直流结构及与之匹配的直流电流调制策略。图1即为上述三极直流输电系统的结构示意图，直流回路由双极和单极线路并联组成，与常规的双极直流输电不同的是，极1和极2的中性点电流不流入大地，而是通过具有双向通道的极3进行回流，接地极一般仅在故障等暂态情况下作为不平衡电流的回流路径起作用。极1和极2的换流器是以晶闸管组成的三相六脉桥作为基本换流单元；极3根据直流电流调制策略的要求，其换流器需要拥有直流电压和直流电流反向功能，故其基本换流单元为反并联晶闸管组成的三相六脉桥或两组反向并联的三相六脉桥。在稳态运行下，三极直流能够传输的功率是双极直流的1.366倍，能够有效提升直流系统传输容量，有利于更大程度地支援电网的功率需求，促进电网的发展和稳定运行。

虽然，极1、2和极3的换流器存在较大区别，但是，基本换相器件都是不可关断的晶闸管，与传统直流输电系统类似，因此，该三极直流输电系统结构存在如下缺陷：

1.不能运行于较弱的交流系统或无源网络，因此不能向无源网络或孤立负荷输送电能；

2.存在换相失败风险，特别是在交流系统故障引起电压下降情况下。一旦发生换相失败，直流系统的功率传输能力被切断，引起所连交流系统瞬时有功过剩或不足，造成交直流响应特性恶化，严重影响所连的交流系统稳定运行；

3.存在无功补偿和谐波问题，需要安装无功补偿设备和滤波设备，不仅增加了设备成本，而且在甩负荷时容易出现无功功率过剩，导致交流系统过电压；

4.在其特殊的电流调制策略下，转换过渡阶段常伴随有无功功率变动，由于无功设备调节速度较为缓慢，难以实现无功的及时补偿，从而容易产生交流系统过电压等现象；

5.在其特殊的电流调制策略下，极3在转换过渡阶段，其直流电流需要反向，存在从额定值减小至0再增大至反向额定值的过程。传统直流输电系统具有最小直流电流运行的限制，一般为额定值的10%左右，极3在电流反向期间，有相当一段时间会运行在这个限制以下，容易诱发直流电流断续，引起感性元件过电压。另外，过渡阶段极3需要进行闭锁和解锁动作，也容易诱发过电压过电流问题，不利于系统的可靠运行。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于三极式结构的直流输电系统，能够向无源负荷输电，无换相失败风险，有功无功解耦，电流调制过渡阶段平缓、稳定。

一种基于三极式结构的直流输电系统，包括：

与送端交流电网连接的整流换流站，用于将送端交流电网上的三相交流电转换为直流电；

与受端交流电网连接的逆变换流站，用于将所述的直流电转换为三相交流电后输送给受端交流电网。

所述的整流换流站和逆变换流站均采用三极换流系统；所述的三极换流系统由三个换流单元H1～H3组成；换流单元H1直流侧正极端为三极换流系统的第一直流输电端口，换流单元H1直流侧负极端与换流单元H2直流侧正极端和换流单元H3直流侧负极端相连并接地，换流单元H2直流侧负极端为三极换流系统的第二直流输电端口，换流单元H3直流侧正极端为三极换流系统的第三直流输电端口；整流换流站的三个直流输电端口均通过直流输电线路与逆变换流站的三个直流输电端口对应连接。

优选地，所述的换流单元H1或换流单元H2采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个CDSM（钳位双子模块）和一电抗器串联组成。CDSM具有直流故障隔离能力，使得由其级联构成的换流单元能够很好地处理直流故障，适用于架空线直流输电；同时电抗器能够抑制桥臂换流，同时在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件。

优选地，所述的换流单元H3采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个FBSM（全桥子模块）和一电抗器串联组成。FBSM输出电压存在正、负和零三种电平，同时具有电流双向运行能力，由其级联构成的换流单元具有直流电压和直流电流双向运行能力，十分适合于三极式直流输电系统；同时电抗器能够抑制桥臂换流，同时在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件。

所述的CDSM由两个电容C1～C2、五个IGBT管T1～T5和两个二极管组成；其中，IGBT管T1的集电极与电容C1的一端和二极管D1的阴极相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连且为CDSM的一端，IGBT管T2的发射极与电容C1的另一端、IGBT管T5的发射极和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阳极与IGBT管T5的集电极、电容C2的一端和IGBT管T3的集电极相连，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为CDSM的另一端，IGBT管T4的发射极与电容C2的另一端和二极管D2的阳极相连；IGBT管T1～T5的门极均接收外部设备提供的控制信号。

所述的FBSM由一电容C和四个IGBT管T6～T9组成；其中，IGBT管T6的集电极与IGBT管T7的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T6的发射极与IGBT管T8的集电极相连且为FBSM的一端，IGBT管T8的发射极与IGBT管T9的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T7的发射极与IGBT管T9的集电极相连且为FBSM的另一端；IGBT管T6～T9的门极均接收外部设备提供的控制信号。

优选地，所述的直流输电端口与直流输电线路之间设有平波电抗器。能够对直流电中的纹波进行平抑，防止直流输电线路产生的陡波冲击波进入换流器导致器件遭受过电压而损坏，同时避免电流断续。

所述的直流输电线路采用架空线。

优选地，所述的三个换流单元H1～H3的交流侧均通过接线方式为Δ/Y₀的换流变压器接入送端交流电网或受端交流电网。换流变压器用于将交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换；承受直流偏置电压，并起到隔离直流偏置电压进入交流电网的作用；隔离零序分量。

本发明的工作原理为：送端交流系统的三相交流电经换流变压器电压等级变换，由每一极的模块化多电平换流器实现交流/直流变换，然后被电抗器平抑纹波后，通过直流输电线路输送到受端换流站，再经过电抗器平波，通过模块化多电平换流器实现直流/交流变换，最终经过换流变压器电压等级变换将能量送到受端交流系统。极1和极2的直流电流差通过极3进行回路传输，当极1的电流大于极2的电流，极3的直流电压为负，反之，极3的直流电压为正。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明采用的分别由CDSM和FBSM级联构成的换流器进行交直流变换不需要交流电压源的支撑，能够实现向无源负荷供电。

（2）本发明采用的换流器基本元件为可关断器件IGBT，不存在换相失败问题，所提出的三极直流不存在换相失败风险，即使受端交流系统发生严重故障，只要换流站交流母线仍然有电压，就能输送一定的功率，相较于换相失败后直流系统功率传输中断，更有利于整个交流系统的稳定和快速恢复。

（3）本发明提出的三极直流具有较好的谐波特性（谐波水平低），同时能够实现有功无功解耦控制，不需要额外添加无功补偿和滤波设备，在出现甩负荷情形时，亦无过电压现象。

（4）本发明提出的三极直流具有直流电流闭锁能力，任何一极或多极直流线路发生接地短路故障无需交流断路器动作可快速实现直流故障的自清除，十分适合于架空线路场合。

（5）本发明提出的三极直流无最小直流功率传输要求，在电流调制策略下，由于有功无功功率可解耦控制，因此，在调节过程中，可维持送端和受端无功功率稳定，基本不会出现波动，从而有利于交流系统电压稳定。在电流调节阶段，调制极（极3）可通过控制器的调节实现直流电压直流电流的正反向切换，不需要频繁的闭锁和解锁动作，增强了设备的可靠性。

附图说明

图1为现有传统三极式直流输电系统的结构示意图。

图2为本发明直流输电系统的结构示意图。

图3为基于CDSM换流单元的电路结构示意图。

图4为基于FBSM换流单元的电路结构示意图。

图5为本发明三极直流的电压和电流调节特性。

图6(a)为本发明系统极1和极2的直流电压响应曲线示意图。

图6(b)为本发明系统极3的直流电压响应曲线示意图。

图6(c)为本发明系统极1和极2的直流电流响应曲线示意图。

图6(d)为本发明系统极3的直流电流响应曲线示意图。

图6(e)为本发明系统接地极电流的响应曲线示意图。

图7为本发明系统三极直流功率阶跃响应特性曲线示意图。

图8(a)为本发明系统交流功率的响应曲线示意图。

图8(b)为本发明系统直流电压的响应曲线示意图。

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2所示，一种基于三极式结构的直流输电系统，包括：整流换流站和逆变换流站；其中：整流换流站用于将送端交流电网上的三相交流电转换为直流电，逆变换流站用于将所述的直流电转换为三相交流电后输送给受端交流电网。

整流换流站和逆变换流站均采用三极换流系统；三极换流系统由三个换流单元H1～H3组成；换流单元H1直流侧正极端为三极换流系统的第一直流输电端口，换流单元H1直流侧负极端与换流单元H2直流侧正极端和换流单元H3直流侧负极端相连并接地，换流单元H2直流侧负极端为三极换流系统的第二直流输电端口，换流单元H3直流侧正极端为三极换流系统的第三直流输电端口；整流换流站的三个直流输电端口均通过架空线与逆变换流站的三个直流输电端口对应连接；直流输电端口与直流输电线路之间设有平波电抗器。

换流单元H1～H3的交流侧均通过接线方式为Δ/Y₀的换流变压器接入送端交流电网或受端交流电网。

如图3所示，换流单元H1和换流单元H2采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个CDSM串联组成并通过一电抗器与换流变压器对应的相端口连接；CDSM由两个电容C1～C2、五个IGBT管T1～T5和两个二极管组成；其中，IGBT管T1的集电极与电容C1的一端和二极管D1的阴极相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连且为CDSM的一端，IGBT管T2的发射极与电容C1的另一端、IGBT管T5的发射极和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阳极与IGBT管T5的集电极、电容C2的一端和IGBT管T3的集电极相连，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为CDSM的另一端，IGBT管T4的发射极与电容C2的另一端和二极管D2的阳极相连；IGBT管T1～T5的门极均接收外部设备提供的控制信号。

如图4所示，换流单元H3采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个FBSM串联组成并通过一电抗器与换流变压器对应的相端口连接；FBSM由一电容C和四个IGBT管T6～T9组成；其中，IGBT管T6的集电极与IGBT管T7的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T6的发射极与IGBT管T8的集电极相连且为FBSM的一端，IGBT管T8的发射极与IGBT管T9的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T7的发射极与IGBT管T9的集电极相连且为FBSM的另一端；IGBT管T6～T9的门极均接收外部设备提供的控制信号。

本实施方式中，整流换流站中的换流单元H1～H3均采用定直流电流和定无功功率控制，逆变换流站中的换流单元H1～H3均采用定直流电压和定无功功率控制；换流单元H1～H3的投切策略采用载波移向调制和电容电压均衡策略。

本实施方式正常工作时，功率输送方向是由送端三相交流电网到受端三相交流电网的。送端交流系统的三相交流电经换流变压器电压等级变换，由整流换流站实现交流/直流变换，然后被电抗器平抑纹波后，通过直流输电线路输送到受端，再经过电抗器平波，通过逆变换流站实现直流/交流变换，最终经过换流变压器电压等级变换将能量送到受端交流系统。极1和极2的直流电流差通过极3进行回路传输，当极1的电流大于极2的电流，极3的直流电压为负，反之，极3的直流电压为正。

如图5所示，正常运行时，三极直流输电各极的电流不是恒定的，而是在两个阶跃值间不断转换。极1和极2电流的绝对值在最大值I_max和最小值I_min之间跳变，极3流过的电流是极1与极2电流的差值。极1和极2的电压极性保持不变。由于极3的电流方向要发生周期性的变化，极3的电压也必须呈现周期性的反转以保证功率的传输方向不变。为维持转换期间传输功率的恒定，在一段极短的时间T内，维持流过极3的电流为0，极3的电压在此期间完成反转。与电流转换的周期相比，T十分小，因此几乎不会对系统的热负荷产生影响。整个过渡过程持续的时间T_m最好在4s以上，以防止传输功率的闪变和交流侧的暂态过电压。

为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的模型，具体仿真模型参数：两端交流系统电压有效值为110kV，系统阻抗为4.71Ω。换流变压器额定电压比为110kV/220kV（网侧/阀侧）。极1和极2换流器每个桥臂使用10个子模块串联而成，极3换流器每个桥臂使用20个子模块串联而成，每个子模块储能电容额定电压为20kV，每极直流电压绝对值为400kV，极1和极2稳态运行下的电流I_max=1.366，I_min=0.366，极3的直流电流为1kA。子模块电容值为3000μF，换流电抗电感值为0.04H。两端换流站通过300km的架空线连接。各参数标么化的基准值为：交流侧功率基准值分别为400MW，网侧交流电压和电流（瞬时值）的基准值分别为89.8kV和2.97kA，阀侧交流电压和电流（瞬时值）的基准值分别为179.6kV和1.49kA；直流侧功率基准值为400MW，直流电压和电流的基准值分别为400kV和1kA，子模块电容电压的基准值为20kV。

仿真情景1：稳态运行模式及功率响应特性。

此仿真情景主要从两方面来说明本实施方式稳态运行能力：1、电流调节过渡阶段；2、有功无功阶跃响应及解耦控制。图6给出了电流调节详细过程，其中，图6(a)为极1和极2的直流电压响应曲线示意图；图6(b)为极3的直流电压响应曲线示意图；图6(c)为极1和极2的直流电流响应曲线示意图；图6(d)为极3的直流电流响应曲线示意图；图6(e)为接地极电流的响应曲线示意图。

从图6可以看出，整个三极直流能够较好地完成电流调节过程，同时不引起过多的电流从接地极流过。当t₁=0.6s时，整个三极直流已经处于稳定运行状态，I₁=I_min，I₂=I_max；t₁后，极1的电流从I_min逐渐增大至I_max，极3的电流相应地等量减小，待极3的直流电流降低至零，t₂=1.6s后，极3的直流电压开始下降并向负值反向，此过程由于极3的电流为0，因此不产生有功功率变化，从图6(e)可以看出，此过程接地电流存在微小的变化，但几乎可以忽略。极3电压反向完成，t₃=2.6s后，极2的电流从I_max逐渐减小至I_min，极3的电流相应等量减小，t₄=3.4s后，整个电流调节过程完毕。为清除地表述电流调节过程，图6中，将原本应为几分钟的稳态运行过程缩短至t₄～t₅时间段，t₅=5.1s后，系统再次进入电流调节阶段，与t₁～t₄相对应，不再赘述。整个调节过程不会出现过电压和过电流现象，能够保证系统的稳定性和可靠性。

图7给出了稳态运行条件下，有功功率和无功功率的阶跃响应特性，从图中可以看出，有功功率和无功功率具有较好的阶跃响应特性，有功功率（无功功率）调节时，无功功率（有功功率）变化很小，能够很好地实现解耦控制。

仿真情景2：直流侧故障清除与故障极重启动。

直流线路接地故障是架空线输电最容易发生的故障类型，传统直流输电系统通过强迫移相使整流器进入逆变方式，令弧道电压和弧道电流迅速降低到零实现直流侧故障快速消除。本实施方式不同于传统直流，但能够充分利用基于CDSM或FBSM的MMC的直流闭锁能力，有效处理直流侧故障，并可以快速实现故障极的重启动。当极1～极3任何一极的直流线路发生接地短路故障时，闭锁CDSM或FBSM所有IGBT的触发信号，可实现故障阻断。假设极3发生直流线路接地故障，图8给出了其具体的响应特性。图8(a)为交流功率的响应曲线示意图，图8(b)为直流电压的响应曲线示意图。当t=2.5时，极3发生直流侧短路故障，极3的直流电压快速下降至0，2ms后闭锁所有FBSM的IGBT，有功功率和无功功率也均下降至零，设定线路去游离时间为300ms，而后重启动。从整个仿真过程可以看出，本实施方式具有直流故障清除和重启动能力，能够很好地用于架空线路。

从上述具体分析及详细的仿真验证中可以看出，本实施方式与现有技术相比，优势突出，解决了目前传统换流器类直流输电系统所面临的多种问题，具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种基于三极式结构的直流输电系统，包括：

与受端交流电网连接的逆变换流站，用于将所述的直流电转换为三相交流电后输送给受端交流电网；

其特征在于：

2.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的三个换流单元H1～H3的交流侧均通过接线方式为Δ/Y₀的换流变压器接入送端交流电网或受端交流电网。

3.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的换流单元H1或换流单元H2采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个CDSM和一电抗器串联组成。

4.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的换流单元H3采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个FBSM和一电抗器串联组成。

5.根据权利要求3所述的直流输电系统，其特征在于：所述的CDSM由两个电容C1～C2、五个IGBT管T1～T5和两个二极管组成；其中，IGBT管T1的集电极与电容C1的一端和二极管D1的阴极相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连且为CDSM的一端，IGBT管T2的发射极与电容C1的另一端、IGBT管T5的发射极和二极管D2的阴极相连，二极管D1的阳极与IGBT管T5的集电极、电容C2的一端和IGBT管T3的集电极相连，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为CDSM的另一端，IGBT管T4的发射极与电容C2的另一端和二极管D2的阳极相连；IGBT管T1～T5的门极均接收外部设备提供的控制信号。

6.根据权利要求4所述的直流输电系统，其特征在于：所述的FBSM由一电容C和四个IGBT管T6～T9组成；其中，IGBT管T6的集电极与IGBT管T7的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T6的发射极与IGBT管T8的集电极相连且为FBSM的一端，IGBT管T8的发射极与IGBT管T9的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T7的发射极与IGBT管T9的集电极相连且为FBSM的另一端；IGBT管T6～T9的门极均接收外部设备提供的控制信号。

7.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的直流输电端口与直流输电线路之间设有平波电抗器。

8.根据权利要求1或7所述的直流输电系统，其特征在于：所述的直流输电线路采用架空线。