CN103337972A - 一种混合型换流器及风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型换流器及风力发电系统，该混合型换流器由基于晶闸管的相控换流器和基于全控型器件的电压源型换流器串联而成，包含一个电压源型换流器，连接在正极的相控换流器和连接在负极的相控换流器，相控换流器和电压源型换流器都通过变压器与交流电网相连接，电压源型换流器的直流正端与相控换流器的直流负端相连接，相控换流器的直流正端与正极直流输电线路相连接，电压源型换流器的直流负端与相控换流器的直流正端相连接，相控换流器的直流负端与负极直流输电线路相连接。本发明具有自换相能力，可以直接连接风电场将风电转换为直流电，提高混合型换流器的额定电压和额定功率的同时且各个部件技术成熟，整个系统技术可靠性高。

Description

一种混合型换流器及风力发电系统
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种混合型换流器及风力发电系统。
背景技术
自2005年以来，世界范围内风电装机容量一直在迅猛增加，2005-2011年风电装机容量年均增速在20％以上，从2011年后，全球风电发展进入平稳期，每年新增的装机容量保持在40GW左右。但与风电快速发展相对应的瓶颈是，大部分风电基地位于偏远地区，本地交流电网用电负荷低，自身消纳能力弱，风能资源与负荷中心呈逆向分布，决定了大部分风力发电需要经过大规模远距离输电使其在负荷中心进行消纳。直流输电是实现大规模远距离输电的一种通用技术。
应用直流输电传输风力发电首先需要通过换流器将风电场发出的交流电转换为直流电。在直流输电领域，可用于交流-直流变换的技术主要有基于晶闸管的相控换流器和基于全控型器件的电压源型换流器两种。由于相控换流器工作时需要外在交流电压源为其提供换相电压，而风电场是无源交流电网，依赖一个个独立的风力发电机组难以建立起交流电压，为此相控换流器不适用于直接将风电转换为直流电。
电压源型换流器可应用于传输风力发电，已有多回应用电压源型换流器的直流输电系统应用于传输海上风电。但目前尚未见到应用电压源型换流器远距离传输内陆风电的报道。
电压源型换流器应用于远距离传输内陆风电面临的主要技术问题为电压源型换流器的额定电压与额定功率无法满足远距离传输内陆风电的需要。预期到2015年，电压源型换流器的典型电压和功率为±320kV，1000MW，目前电压源型换流器主要应用于传输海上风电，输电距离为100km左右。
在数千千米的远距离输电中若直流电压偏低，每回直流输电线路输送的功率偏低，从输电系统所得到的收益难以回收建设输电走廊的投资。同时直流电压降低后，输送相同功率所要求的直流电流升高，线路损耗也相应地提高。当输电距离长达数千千米时常常需要增大输电电压从而提高输电功率和降低输电损耗。目前千米级别的远距离直流输电中采用相控换流器，其典型额定电压为±800kV，很明显，电压源型换流器的额定电压远不能满足长距离大规模输电的需要。
即使随着技术的发展，未来电压源型换流器可能达到±800kV额定电压。由于电压源型换流器采用全控型器件，单个全控型器件的额定功率远低于单个晶闸管。为了使电压源型换流器的额定电压达到远距离输电的要求，需要将多个全控型器件串联(直接或间接串联)以提高电压源型换流器的额定电压。由于采用的全控型器件数量过多，增大了系统复杂度，降低了系统可靠性，同时电压源型换流器的功率仍不能满足远距离输送的要求。为了使电压源型换流器的额定电压和额定功率都达到远距离输送的要求，一种非常规的方案是采用多个低压大电流的全控型器件串联以提高电压源型换流器的额定电压和额定功率。采用这种方案后，电压源型换流器所采用的全控型器件数量将进一步增多，进一步增大了系统复杂度，降低系统可靠性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种混合型换流器，其目的在于将第一相控换流器、第二相控换流器和电压源型换流器串联后应用于传输风力发电，由此解决了电压源型换流器额定电压、额定功率不够以及相控换流器没有自换相功能，不能应用于风电场的技术问题。
本发明提供了一种混合型换流器，包括电压源型换流器、第一相控换流器和第二相控换流器；所述电压源型换流器的直流正端与所述第一相控换流器的直流负端连接，所述第一相控换流器的直流正端用于与正极直流输电线路连接，所述电压源型换流器的直流负端与所述第二相控换流器的直流正端连接，所述第二相控换流器的直流负端用于与负极直流输电线路连接；所述电压源型换流器的交流端、所述第一相控换流器的交流端和所述第二相控换流器的交流端用于与交流公共母线连接。
更进一步地，所述电压源型换流器采用全控型器件，所述第一相控换流器和第二相控换流器采用晶闸管。
更进一步地，所述电压源型换流器用于控制交流公共母线的交流电压，该交流电压作用到第一相控换流器和第二相控换流器上为第一相控换流器和第二相控换流器提供换相电压，使得第一相控换流器和第二相控换流器在没有常规同步发电机组维持交流公共母线的交流电压时仍正常工作。
更进一步地，所述第一相控换流器或所述第二相控换流器由一个六脉波相控换流桥组成，所述六脉波相控换流桥是一种基于晶闸管的三相全桥交流-直流变换电路。
更进一步地，所述第一相控换流器或所述第二相控换流器由多个六脉波相控换流桥串联组成。
更进一步地，所述电压源型换流器为一种基于全控型开关器件的三相全桥交流-直流变换电路，可以采用两电平拓扑结构或三电平拓扑结构或模块化多电平拓扑结构。
更进一步地，所述混合型换流器还包括：与所述第一相控换流器并联的第一旁路开关，以及与所述第二相控换流器并联的第二旁路开关，所述第一旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路第一相控换流器，所述第二旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路第一相控换流器从而使得混合型换流器具有黑启动和潮流反转的功能。
更进一步地，所述第一旁路开关与所述第二旁路开关的结构相同；所述第一旁路开关包括机械开关以及与所述机械开关串联的反并联晶闸管对。
更进一步地，所述反并联晶闸管对为多个反并联的晶闸管串联而成。
更进一步地，所述第一旁路开关或第二旁路开关为直流断路器。
本发明还提供了一种风力发电系统，包括：交流公共母线，第一升压变压器，第二升压变压器，第三变压器，第四变压器，混合型换流器，以及分别连接至所述交流公共母线的交流滤波单元和无功补偿单元；所述第一升压变压器的输入端用于连接风电机组，所述第一升压变压器的输出端通过交流输电线路连接至第二升压变压器的输入端，第二升压变压器的输出端通过交流输电线路连接至所述交流公共母线；所述混合型换流器包括电压源型换流器、第一相控换流器和第二相控换流器；所述电压源型换流器的直流正端与所述第一相控换流器的直流负端连接，所述第一相控换流器的直流正端通过第一电感与正极直流输电线路连接，所述电压源型换流器的直流负端与所述第二相控换流器的直流正端连接，所述第二相控换流器的直流负端通过第二电感与负极直流输电线路连接；所述电压源型换流器的交流端通过所述第四变压器连接至交流公共母线；所述第一相控换流器的交流端和所述第二相控换流器的交流端分别通过第三变压器连接至交流公共母线。
更进一步地，所述混合型换流器还包括：与所述第一相控换流器并联的第一旁路开关，以及与所述第二相控换流器并联的第二旁路开关；所述第一旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路所述第一相控换流器，所述第二旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路所述第二相控换流器。
更进一步地，所述第一旁路开关与所述第二旁路开关的结构相同；所述第一旁路开关包括机械开关以及与所述机械开关串联的反并联晶闸管对。
更进一步地，所述反并联晶闸管对为多个反并联的晶闸管串联而成。
更进一步地，所述第一相控换流器和所述第二相控换流器的结构相同；所述第一相控换流器包括一个相控换流桥，所述六脉波相控换流桥是一种基于晶闸管的三相全桥交流-直流变换电路。
更进一步地，所述第一相控换流器和所述第二相控换流器的结构相同；所述第一相控换流器包括多个依次串联连接的相控换流桥。
本发明提供的混合换流器将第一相控换流器、第二相控换流器和电压源型换流器串联后应用于传输风力发电，具有自换相能力，可以直接连接风电场将风电转换为直流电，能独立地应用于风电场；通过对现有成熟技术的组合改进，能同时提高混合型换流器的额定电压和额定功率，且各个部件技术成熟，整个系统技术可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的混合型换流器的原理结构图；
图2是本发明实施例提供的混合型换流器的基本拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例提供的混合型换流器中的相控换流桥的拓扑；
图4是本发明实施例提供的混合型换流器中的电压源型换流器的几种拓扑结构示意图；其中(a)为两电平拓扑，(b)为三电平拓扑，(c)为模块化多电平拓扑；
图5是本发明实施例提供的风力发电系统的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的包含旁路开关的混合型换流器的拓扑结构示意图；
图7是本发明实施例提供的由包含旁路开关的混合型换流器构成的两端直流输电系统的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的由包含旁路开关的混合型换流器构成的两端直流输电系统的仿真波形；其中(a)为风电场发出的有功功率及整流站送出的直流功率，(b)为整流站正极直流电压瞬时值，(c)为整流站正极直流电流瞬时值，(d)为整流站交流母线的交流电压有效值。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的混合型换流器主要应用于风力发电经直流输电接入至电力系统的领域，能够解决电压源型换流器应用于远距离大规模传输内陆风电时，其额定电压，额定功率偏低，无法满足远距离大规模输电要求以及相控换流器因为需要外在交流电压源提供换相电压而无法直接应用于传输风力发电的问题。
如图1和图2所示，混合型换流器包括电压源型换流器2以及与电压源型换流器2串联连接的相控换流器3；其中电压源型换流器2采用全控型器件，相控换流器3采用晶闸管，相控换流器3包括第一相控换流器3a和第二相控换流器3b；第一相控换流器3a连接在直流输电线路正极；第二相控换流器3b连接在直流输电线路负极；电压源型换流器2的交流端、第一相控换流器3a的交流端和第二相控换流器3b的交流端都通过中间连接电路12和中间连接电路13(如变压器或变压器与滤波支路串联等)与混合型换流器的交流公共母线14相连接，电压源型换流器2的直流正端与第一相控换流器3a的直流负端相连接，第一相控换流器3a的直流正端与正极直流输电线路8相连接，电压源型换流器2的直流负端与第二相控换流器3b的直流正端相连接，第二相控换流器3b的直流负端与负极直流输电线路9相连接。
在本发明实施例中，第一相控换流器3a和第二相控换流器3b工作时需要外加交流电压源为其提供换相电压，为此混合型换流器1中的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b不具备自换相能力，电压源型换流器2由于采用了全控型器件，具有自换相功能，可以用于建立起交流侧的交流电压。为了使混合型换流器1整体具有自换相功能，可以利用电压源型换流器2控制交流公共母线14的交流电压，该交流电压通过中间连接电路12被施加在第一相控换流器3a和第二相控换流器3b上，从而使得第一相控换流器3a和第二相控换流器3b能正常工作，通过上述控制层面的布局，混合型换流器1在无外加交流电压源时，通过其自身的电压源型换流器2和第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的组合即可使得电压源型换流器2和第一相控换流器3a和第二相控换流器3b都能正常工作，从而使得整个混合型换流器1在无外加交流电压源时能正常工作，使得混合型换流器1具备了自换相能力。
在本发明实施例中，为了使该混合型换流器1能直接连接在风电场60，将风电机组发出的交流电转换为直流电，电压源型换流器2用于控制交流公共母线14的交流电压，该交流电压经中间连接电路12作用到第一相控换流器3a和第二相控换流器3b上，为第一相控换流器3a和第二相控换流器3b提供换相电压从而使得该混合型换流器1在没有常规同步发电机组维持交流公共母线14的交流电压时仍可以正常工作，因此该混合型换流器1具有自换相能力。第一相控换流器3a和第二相控换流器3b可以由一个六脉波相控换流桥23实现。为了提高第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的额定电压从而提高整个混合型换流器1的额定电压，相控换流器可以由多个六脉波相控换流桥23串联而成。
在本发明实施例中，第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的结构相同；第一相控换流器3a包括一个相控换流桥。第一相控换流器3a和第二相控换流器3b还可以包括多个依次串联连接的相控换流桥23。相控换流桥23是一种技术成熟的基于晶闸管的三相全控交流-直流变换电路，每个相控换流桥的额定电压可达200kV，额定功率可达800MW，多个相控换流桥可方便地直接串联，进一步加大额定电压，额定功率。
本发明实施例提供的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b是技术成熟的高压大功率交流-直流变换器，相比于电压源型换流器2，其优点在于第一相控换流器3a和第二相控换流器3b额定电压，额定功率可达±800kV，6400MW，且技术成熟。而电压源型换流器2所能达到的技术成熟的额定电压，额定功率最高为±320kV，1000MW左右。第一相控换流器3a和第二相控换流器3b损耗约为0.35％，低于电压源型换流器2的损耗(最低为0.5％)。同等功率的电压源型换流器2其成本比第一相控换流器3a和第二相控换流器3b高20％左右。但第一相控换流器3a和第二相控换流器3b工作时需要稳定的交流电压源为其提供换相电压，而风电场是无源交流电网，依赖于一个个独立的风电机组难以建立稳定的交流电压，为此相控换流器无法直接应用于将风电转换为直流电。
在本发明实施例中，相控换流器3是一种交流-直流变换电路，其基本拓扑为如图3所示的六脉波相控换流桥23，主要由6个晶闸管5，正极直流母线6，负极直流母线7，每两个晶闸管5串联连接后构成一相换流桥臂，每相换流桥臂的正端与正极直流母线6相连接，每相换流桥臂的负端与负极直流母线7相连接，每相换流桥臂的中点分别与A相交流端51a，B相交流端51b，C相交流端51c连接，为了提高相控换流桥23的额定电压，每个晶闸管5可以由多个晶闸管5串联而成，由于相控换流桥工作频率为50赫兹或60赫兹，多个晶闸管5直接串联后，触发同步性仍能得到保障，直流输电中所采用的相控换流器常由多个相控换流桥串联而成使得串联后额定电压，额定功率可达±800kV，6400MW，且技术成熟。
在本发明实施例中，电压源型换流器2也是一种交流-直流变换电路，可以采用两电平型拓扑结构，钳位型多电平拓扑，模块化多电平型拓扑等多种拓扑结构。如图4所示，电压源型换流器2的具体结构可以采用如图4(a)所示的两电平拓扑结构，主要由6个全控型器件50，正极直流母线6，负极直流母线7，正极直流电容52a，负极直流电容52b组成，每两个全控型器件50串联连接后构成一相换流桥臂，每相换流桥臂的正端与正极直流母线6相连接，每相换流桥臂的负端与负极直流母线7相连接，每相换流桥臂的中点分别与A相交流端51a，B相交流端51b，C相交流端51c连接，正极直流电容的正端连接正极直流母线6，正极直流电容的负端接地57，负极直流电容的正端接地57，负极直流电容的负端与负极直流母线7相连接，为了提高电压源型换流器2的额定电压，需要将多个全控型器件50串联构成一个全控型器件50，而不是将多个电压源型换流器直接串联。
电压源型换流器2的具体结构还可以采用如图4(b)所示的三电平拓扑结构，主要由12个全控型器件50，6个钳位二极管53，正极直流母线6，负极直流母线7，正极直流电容52a，负极直流电容52b组成，每两个全控型器件50串联连接后构成一个‘半桥臂’，每两个‘半桥臂’串联后构成一相换流桥臂，每个‘半桥臂’的中点经钳位二极管53与地57相连接，每相换流桥臂的正端与正极直流母线6相连接，每相换流桥臂的负端与负极直流母线7相连接，每相换流桥臂的中点分别与A相交流端51a，B相交流端51b，C相交流端51c连接，正极直流电容的正端连接正极直流母线6，正极直流电容的负端接地57，负极直流电容的正端接地57，负极直流电容的负端与负极直流母线7相连接，为了提高电压源型换流器2的额定电压，每个全控型器件50可以由多个全控型器件串联而成，每个钳位二极管53可以由多个钳位二极管串联而成，而不是将多个电压源型换流器2直接串联以提高电压源型换流器2的额定电压。
电压源型换流器2的具体结构还可以采用如图4(c)所示的模块化多电平拓扑结构，主要包括6个半桥臂55，每两个半桥臂55串联成一相桥臂，每相换流桥臂的中点分别与A相交流端51a，B相交流端51b，C相交流端51c连接，每相桥臂的正端和负端分别与正极直流母线6，负极直流母线7相连接，每个半桥臂有多个子模块54依次串联后再和平波电抗器56串联而成，每个子模块由两个全控型器件50和直流电容55构成。
上述三种电压源型换流器2的拓扑中，为了提高两电平拓扑和三电平拓扑的额定电压需要将多个全控型器件50直接串联，由于两电平拓扑和三电平拓扑工作时需要以数千赫兹的频率同步地触发直接串联连接的全控型器件50，当串联的全控型器件50的数目达到一定程度后，难以保证以数千赫兹的频率同步地触发众多直接串联连接的全控型器件50，通过增加串联的全控型器件50来提高两电平拓扑和三电平拓扑的额定电压只能做到±300kV左右，进一步提高两电平拓扑和三电平拓扑的额定电压是技术不可行的。同时两电平拓扑和三电平拓扑工作开关频率为数千赫兹，要保证众多直接串联的全控型器件50以数千赫兹的频率同步地触发技术难度大，系统可靠性低，同时两电平拓扑和三电平拓扑的损耗很高，约为1.6％。
模块化多电平拓扑通过增加串联的子模块54的数目间接地将多个全控型器件50串联从而提高电压源型换流器的额定电压。由于全控型器件50是通过子模块54间接地串联在一起，模块化多电平拓扑不要求间接串联的全控型器件50被同步触发，相比于两电平拓扑和三电平拓扑，模块化多电平拓扑对触发的同步性要求更低，系统可靠性更高，同时也更容易进一步提高模块化多电平换流器的额定电压。由于不要求所有串联的全控型器件50以数千赫兹的频率被同步触发，模块化多电平拓扑的损耗低于两电平拓扑和三电平拓扑，其损耗约为0.5％。但模块化多电平拓扑存在也存在着串联的子模块增加后，子模块电容均压困难的技术瓶颈。预期到2015年模块化多电平拓扑的额定电压为±320kV左右，更高额定电压的模块化多电平拓扑正在研发中，具有一定的技术不确定性。模块化多电平拓扑的另一缺点是所采用的全控型器件50的数量约为同额定电压两电平拓扑和三电平拓扑的2倍，系统投资大。混合型换流器1中的电压源型换流器2推荐采用模块化多电平拓扑。
本发明实施例提供的电压源型换流器2相比于第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的优点在于可自换相、可黑启动、占地面积小、潮流反转时不需要改变电压极性，缺点在于电压源型换流器2的损耗和投资高于第一相控换流器3a和第二相控换流器3b。电压源型换流器2主要有两电平换流器和模块化多电平换流器等多种拓扑，其中两电平电压源型换流器的损耗率约为1.6％，模块化多电平电压源型换流器的损耗率约为0.5％。
另外，由于单个全控型器件的额定电压较低，为了提高电压源型换流器2的额定电压需要将多个全控型器件串联，增大了系统复杂度，降低了系统可靠性。为了同时提高电压源型换流器2的额定电压和额定电流，则需要串联更多的低压大电流全控型器件，进一步增大了系统复杂性，降低了系统可靠性。
本发明还提供了一种风力发电系统，包括交流公共母线14，第一升压变压器18，第二升压变压器20，第三变压器12，第四变压器13，混合型换流器1，以及分别连接至交流公共母线14的交流滤波单元15和无功补偿单元16；第一升压变压器18的输入端用于连接风电机组17，第一升压变压器18的输出端通过交流输电线路19连接至第二升压变压器20的输入端，第二升压变压器20的输出端通过交流输电线路21连接至所述交流公共母线14；混合型换流器1包括电压源型换流器2、第一相控换流器3a和第二相控换流器3b；电压源型换流器2的直流正端与所述第一相控换流器3a的直流负端连接，第一相控换流器3a的直流正端通过第一电感10与正极直流输电线路8连接，电压源型换流器2的直流负端与第二相控换流器3b的直流正端连接，第二相控换流器3b的直流负端通过第二电感11与负极直流输电线路9连接；电压源型换流器2的交流端通过第四变压器13连接至交流公共母线14；第一相控换流器3a的交流端和第二相控换流器3b的交流端分别通过第三变压器12连接至交流公共母线14。
图5示出了上述具有自换相功能的混合型换流器1应用于风力发电系统中，混合型换流器的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b分别由三个额定电压为200kV的六脉波相控换流桥23串联而成，每个六脉波相控换流桥的额定电压是与现有的±800kV相控换流器技术相匹配的，电压源型换流器2额定电压为±200kV，采用两电平拓扑，整个混合型换流器的额定电压为±800kV，第一相控换流器3a和第二相控换流器3b和电压源型换流器2的交流侧分别经变压器12，13连接至交流公共母线14a-14c上，风电机组17通过各自的第一升压变压器18，风电场内汇集交流输电线路19，风电场汇集点第二升压变压器20和的交流输电线路21连接至交流公共母线14a-14c上，为了补偿第一相控换流器3a和第二相控换流器3b工作时消耗的无功功率及滤除第一相控换流器3a和第二相控换流器3b产生的谐波电流，在混合型换流器1的交流公共母线14a-14c上装设了交流滤波单元15和无功补偿单元16，交流滤波单元15和无功补偿单元16分多组从而可以根据混合型换流器1输送有功功率的大小投入合适组数的交流滤波单元15和无功补偿单元16。由于图5中混合型换流器1在交流侧只连接了风电场60这类无源电网而没有与交流电压源相连接，为此图5所示的应用场合要求混合型换流器1具有自换相能力，否则该混合型换流器1无法应用于传输风电。为了使混合型换流器1整体具有自换相功能，可以利用电压源型换流器2控制混合型换流器1交流端的端电压，而该端电压通过交流母线14被施加在第一相控换流器3a和第二相控换流器3b上，从而使得第一相控换流器3a和第二相控换流器3b能正常工作，通过上述控制层面的布局，混合型换流器1在无外加交流电压源时，通过其自身的电压源型换流器2和第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的组合即可使得电压源型换流器2和第一相控换流器3a和第二相控换流器3b都能正常工作，从而使得整个混合型换流器1在无外加交流电压源时能正常工作，使得混合型换流器1具备了自换相能力。
在本发明实施例中，为了使混合型换流器1具有黑启动和部分潮流反转功能，图6示出了一种改进型混合型换流器24，该改进混合型换流器24相比于混合型换流器1的改进之处在于第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的直流正端和直流负端并联了由机械开关4和一对反并联的晶闸管5a，5b串联而成的旁路开关25，黑启动以及潮流反转时通过旁路开关将相控换流器短接从而使得混合型换流器只投入电压源型换流器，而电压源型换流器具有黑启动和潮流反转能力。
增加旁路开关25后的好处在于可以使得混合型换流器1具有黑启动和潮流反转的功能。否则，如果混合型换流器1不具备黑启动功能，当混合型换流器1只连接风电场60时，风电场60无法从停运状态转入运行状态。当混合型换流器1除连接了风电场60还连接了本地负荷时，如果混合型换流器1不具备潮流反转功能，当风电功率低于本地负荷时，本地负荷将出现供电不足的问题。
旁路开关25可以采用机械开关4和反并联晶闸管对5a，5b串联而成，也可以采用直流断路器。其中反并联晶闸管对可以为一对反并联的晶闸管组成；为了提高旁路开关的耐压等级，也可以由多个反并联晶闸管对串联而成。
增加旁路开关25后，系统的黑启动原理如下：以图7所示的两端直流输电系统为例，通过闭合旁路机械开关4，34并给反并联晶闸管5a，5b，35a，35b施加触发信号，整流侧相控换流桥3和逆变侧相控换流桥33都被旁路短接，整流侧混合型换流器1和逆变侧混合型换流器31都只有电压源型换流器2，32投入运行，从而使得直流输电系统可以按照基于电压源型换流器的两端直流输电系统的启动过程实现黑启动的功能。
增加旁路开关25后，系统的潮流反转原理如下：潮流反转前，相控换流器3，33和电压源型换流器2，32都处于投运状态，机械旁路开关4，34断开，反并联晶闸管5a，5b，35a，35b处于闭锁状态。系统接收到潮流反转指令后，将整流侧相控换流器3的触发角移到120°-150°，从而使得相控换流器3运行在逆变状态，由于相控换流器3，33都处于逆变状态，直流输电线路8，9的直流电压迅速降低，当检测到相控换流器3，33的正负直流端口见的直流电压低于反并联晶闸管5a，5b，35a，35b的耐压时，系统闭合机械旁路开关4，34，并给反并联晶闸管5a，5b，35a，35b施加触发信号，从而短接相控换流器3，33，使得系统两侧只投入电压源型换流器2，32，从而使得系统可以按照基于电压源型换流器的两端直流输电系统的运行模式实现部分潮流反转功能。
为了使该混合型换流器1具有黑启动和潮流反转能力，可以在每个第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的直流正端和直流负端之间并联连接旁路开关25，黑启动以及潮流反转时投入旁路开关25从而短接第一相控换流器3a和第二相控换流器3b，使得混合型换流器1只投入电压源型换流器2，从而使得混合型换流器1具有黑启动和潮流反转能力，其中旁路开关25的一种优选方案是由常规机械开关4和反并联晶闸管5a，5b串联而成，其中反并联晶闸管5a，5b可以由多个反并联晶闸管对串联而成从而提高旁路开关的耐压等级。
与现有技术相比，本发明的新颖性和创造性体现在：
(1)提出了将第一相控换流器3a和第二相控换流器3b和电压源型换流器2串联后应用于传输风力发电的方案，从而可以通过增加串联的相控换流桥23的数量提高第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的额定电压，进而提高混合型换流器1的额定电压，通过电压源型换流器2建立交流公共母线14的交流电压，该交流电压经中间连接电路12作用到第一相控换流器3a和第二相控换流器3b上，为第一相控换流器3a和第二相控换流器3b提供换相电压，从而使得混合型换流器1具有自换相能力，能直接连接风电场60将风电场60发出的交流电转换为直流电，该方案综合利用第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的高压大功率和电压源型换流器2的可自换相能直接应用于风电场的优点，并弥补了电压源型换流器2额定电压，额定功率偏低，第一相控换流器3a和第二相控换流器3b需要外在交流电压源为其提供换相电压，无法直接应用于传输风力发电的缺陷；
(2)提出了将第一相控换流器3a和第二相控换流器3b和电压源型换流器串联混合型换流器1，并通过电压源型换流器2为第一相控换流器3a和第二相控换流器3b提供换相电压从而使得该混合型换流器1整体具有自换相能力，可以应用在没有常规同步发电机维持交流电网电压的无源交流电网上(如风电场，纯负荷网络)；
(3)提出了将第一相控换流器3a和第二相控换流器3b和电压源型换流器2串联混合型换流器，并在第一相控换流器3a和第二相控换流器3b的直流正端和直流负端间并联了旁路开关25从而使得该混合型换流器具备了黑启动和潮流反转的能力。
为验证本发明的技术可行性，利用国际通用直流输电仿真软件PSCAD/EMTDC搭建了与图7对应的仿真算例进行仿真验证。图7是一个额定电压±800kV，额定功率4000MW的两端直流输电系统。该系统主要包括整流侧混合型换流器1和逆变侧混合型换流器31。混合型换流器1的公共交流母线14连接有风电场60和本地负荷22，混合型换流器31的交流公共母线44连接在受端交流电网47上。为了使该系统具有黑启动和潮流反转的功能，相控换流器3和相控换流器33的正负直流端口分别并联了旁路开关4，5a，5b和34，35a，35b。电压源型换流器2，32的额定电压为±200kV，额定功率1000MW，每个相控换流器3，33分别由三个六脉波相控换流器23串联而成，每个六脉波相控换流器23的额定直流电压为200kV。
仿真算例中，各个换流器都采用PSCAD/EMTDC标准模型库中的详细开关模型，为提高计算速度，多个风电场用一台等容量的风力发电机组建模，但其变频器仍采用详细开关模型建模。由于仿真算例的一次设备模型全部都由标准模型库中的详细开关模型搭建，仿真实验所得的结果是高度可信的。
相应仿真结果如图8所示。图8(a)为风电场发出的有功功率及混合型换流器1送出的直流功率，图8(b)为混合型换流器1正极直流电压瞬时值，图8(c)为混合型换流器1正极直流电流瞬时值，图8(d)为混合型换流器1交流母线14的交流电压有效值。
0s至1.2s，两侧的混合型换流器1，31的旁路开关4，5a，5b，34，35a，35b投入，相控换流器3，33被短接，系统只投入电压源型换流器2，32，系统按照类似电压源型直流输电系统的工作模式进行黑启动。1.8s前由于风电功率较低，旁路开关一直保持在投入状态。如图8(a)所示，此段时间内，整流侧直流电压约为220kV，高于逆变侧的直流电压。且只有电压源型换流器投入工作时，系统直流电压不含有相控换流器直流电压典型的脉动。1.8s随着风电功率增大，两侧旁路开关切除，整流侧单极直流电压上升至+800kV左右，并呈现出LCC换流器直流电压的脉动特性，同时直流电流在1.8s下降。1.8s-3.4s，风电功率增大至3900MW，直流系统输送的直流功率也相应增大至3900MW。
4.0s投入本地负荷600MW，系统输送的直流功率相应地减小到3300MW，如附图8a所示。4.5s至6.05s风电功率从3900MW减小至200MW左右，直流系统输送的直流功率随之减小，直流系统直流电流也随之减小。5.7s左右系统检测到直流电流小于10％额定电流，旁路开关再一次投入，整流侧和逆变侧都只投入电压源型换流器2，32。6.05s后，由于风电功率小于整流站本地负荷，直流系统反向输送约400MW功率给本地负荷，工作在潮流反转状态。
图8(d)表明风电场交流电压一直维持在额定值附近，混合型换流器1在没有常规同步发电机维持交流电压时仍能正常工作。
上述仿真结果表明混合型换流器直接应用于传输风电功率是技术可行的。在没有投入相控换流器而只投入电压源型换流器时，系统的直流电压约为±200kV(图8a)，有功功率约为600MW(图8b)，投入相控换流器后，系统的直流电压约为±800kV(图8a)，有功功率可达3900MW(图8b)，上述仿真结果证明本发明能够解决现有的电压源型换流器所存在的额定电压和额定功率无法满足风力发电大规模远距离输送(数千千米输电距离)要求的技术问题。
本发明为大规模风力发电经直流远距离输送提供了一种技术可行的方案而其他方案或者技术不可行或者具有技术不确定性且需要更高的成本。
(1)与单独的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b相比，单独的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b由于没有自换相能力，不能独立地应用于风电场，单独的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b应用于传输风力发电是技术不可行的，而本发明的混合型换流器1具有自换相能力，可以直接连接风电场将风电转换为直流电，本发明应用于传输风力发电是技术可行的；
(2)与电压源型换流器2相比，预期到2015年，电压源型换流器2的电压约为±320kV，更高额定电压的电压源型换流器2技术不成熟，研发存在技术不确定性，而本发明的额定电压可达±800kV，且各部件技术成熟，满足了风电经直流大规模远距离输送对额定电压的需求。
(3)强行将多个全控型器件直接或间接串联虽然可以提高电压源型换流器2的额定电压，但系统复杂性提高，可靠性降低，同时尽管额定电压提高了，额定功率仍不能满足大规模远距离输送要求，而将更多数量的低压大电流全控型器件串联从而同时提高电压源型换流器2的额定电压和额定功率将进一步增大系统复杂性，降低系统可靠性，而本发明可以通过对现有成熟技术的组合改进，能同时提高混合型换流器1的额定电压和额定功率且各个部件技术成熟，整个系统技术可靠性高。
(4)电压源型换流器2损耗率最低约为0.5％，而本发明若电压源型换流器2与总的第一相控换流器3a和第二相控换流器3b容量比取1∶3则本发明的损耗率为0.35％*0.75+0.5％*0.25＝0.39％，低于电压源型换流器2的损耗率，以6400MW的输电线路为例，且年利用小时数取为2000小时，采用本发明相比于同容量的基于电压源型换流器2的输电系统(假设未来存在此技术)每年节省的输电损耗估计为2800万元。
(5)仍以6400MW输电线路为例，采用本发明相比于同容量的基于电压源型换流器2的输电系统(假设未来存在此技术)节省的投资成本约为30亿元。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种混合型换流器，其特征在于，包括电压源型换流器(2)、第一相控换流器(3a)和第二相控换流器(3b)；
所述电压源型换流器(2)的直流正端与所述第一相控换流器(3a)的直流负端连接，所述第一相控换流器(3a)的直流正端用于与正极直流输电线路(8)连接，所述电压源型换流器(2)的直流负端与所述第二相控换流器(3b)的直流正端连接，所述第二相控换流器(3b)的直流负端用于与负极直流输电线路(9)连接；
所述电压源型换流器(2)的交流端、所述第一相控换流器(3a)的交流端和所述第二相控换流器(3b)的交流端用于与交流公共母线(14)连接。
2.如权利要求1所述的混合型换流器，其特征在于，所述电压源型换流器(2)用于控制交流公共母线(14)的交流电压，该交流电压作用到第一相控换流器(3a)和第二相控换流器(3b)上为第一相控换流器(3a)和第二相控换流器(3b)提供换相电压，使得在没有常规同步发电机组维持交流公共母线(14)的交流电压时仍正常工作。
3.如权利要求1或2所述的混合型换流器，其特征在于，所述第一相控换流器(3a)或所述第二相控换流器(3b)由一个或多个串联的六脉波相控换流桥组成，所述六脉波相控换流桥为基于晶闸管的三相全桥交流-直流变换电路。
4.如权利要求1或2所述的混合型换流器，其特征在于，所述电压源型换流器(2)为基于全控型开关器件的三相全桥交流-直流变换电路。
5.如权利要求1所述的混合型换流器，其特征在于，所述混合型换流器还包括：与所述第一相控换流器并联的第一旁路开关，以及与所述第二相控换流器并联的第二旁路开关；所述第一旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路第一相控换流器，所述第二旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路第二相控换流器，使得混合型换流器具有黑启动和潮流反转的功能。
6.如权利要求5所述的混合型换流器，其特征在于，所述第一旁路开关与所述第二旁路开关的结构相同；所述第一旁路开关包括机械开关(4)以及与所述机械开关串联的反并联晶闸管对(5a，5b)。
7.如权利要求6所述的混合型换流器，其特征在于，所述反并联晶闸管对为多个反并联的晶闸管串联而成。
8.一种风力发电系统，包括：交流公共母线(14)，第一升压变压器(18)，第二升压变压器(20)，第三变压器(12)，第四变压器(13)，混合型换流器(1)，以及分别连接至所述交流公共母线(14)的交流滤波单元(15)和无功补偿单元(16)；所述第一升压变压器(18)的输入端用于连接风电机组(17)，所述第一升压变压器(18)的输出端通过交流输电线路(19)连接至第二升压变压器(20)的输入端，第二升压变压器(20)的输出端通过交流输电线路(21)连接至所述交流公共母线(14)；其特征在于，所述混合型换流器(1)包括电压源型换流器(2)、第一相控换流器(3a)和第二相控换流器(3b)；
所述电压源型换流器(2)的直流正端与所述第一相控换流器(3a)的直流负端连接，所述第一相控换流器(3a)的直流正端通过第一电感(10)与正极直流输电线路(8)连接，所述电压源型换流器(2)的直流负端与所述第二相控换流器(3b)的直流正端连接，所述第二相控换流器(3b)的直流负端通过第二电感(11)与负极直流输电线路(9)连接；
所述电压源型换流器(2)的交流端通过所述第四变压器(13)连接至交流公共母线(14)；所述第一相控换流器(3a)的交流端和所述第二相控换流器(3b)的交流端分别通过第三变压器(12)连接至交流公共母线(14)。
9.如权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述混合型换流器还包括：与所述第一相控换流器并联的第一旁路开关，以及与所述第二相控换流器并联的第二旁路开关；所述第一旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路所述第一相控换流器，所述第二旁路开关用于在黑启动以及潮流反转时旁路所述第二相控换流器。
10.如权利要求9所述的风力发电系统，其特征在于，所述第一旁路开关与所述第二旁路开关的结构相同；所述第一旁路开关包括机械开关(4)以及与所述机械开关串联的反并联晶闸管对(5a，5b)。
11.如权利要求10所述的混合型换流器，其特征在于，所述反并联晶闸管对为多个反并联的晶闸管串联而成。
12.如权利要求8-11任一项所述的风力发电系统，其特征在于，所述第一相控换流器(3a)和所述第二相控换流器(3b)的结构相同；所述第一相控换流器(3a)包括一个或多个串联的六脉波相控换流桥，所述六脉波相控换流桥为基于晶闸管的三相全桥交流或直流变换电路。
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