CN103595064A - 一种扩展式双极直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扩展式双极直流输电系统，包括整流换流站、整流侧电流转换单元、三极输电线路、逆变侧电流转换单元和逆变换流站；本发明正常工作时整流换流站通过控制晶闸管触发角来控制直流电流大小，通过整流将三相交流电变为双极直流电；而后经过电流转换处理变换为三极直流电分别流过三条传输线；再通过电流转换逆处理，将三极电流转变为双极直流电，经过逆变侧晶闸管换流器的逆变作用，将直流电转化为三相交流电注入受端交流系统，从而实现从送端交流系统向受端交流系统输送功率。故本发明系统投资成本比三极直流输电系统要小得多，传输容量为双极系统的1.37倍，且直流侧不会引入额外功率损耗，具有较好地经济性，有利于工程应用。

Description

一种扩展式双极直流输电系统
技术领域
本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种扩展式双极直流输电系统。
背景技术
在经济飞速发展的今天，电能消耗持续增长，同时，在输配电基础设施方面的投资却相对下降。对电力系统基础设施进行升级换代的传统做法主要是兴建新的发电厂，架设新的输电线路，建造新的变电站，添加其他相关设备等。但是，经验已经证明，从取得授权到选择路径再到建造新的线路的每一步都已变得极其困难、昂贵和费时。同时，由于土地资源稀缺，特别是在负荷密集区，开辟出新的线路走廊显得十分困难。对此，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。
L.O.Barthold等人在标题为Conversion of AC transmission lines to HVDCusing current modulation（Inaugural IEEE PES 2005 Conference and Exposition.11-15 July,2005.Durban,South Africa:26-32）的文献中提出了一种三极直流输电结构，如图1所示。在同等线路走廊的情况下，三极直流能够充分利用第三条传输线来增加电能的输送能力。相比于双极直流，它能够多传输37%的电能，能够更大程度地提升线路改造后的容量，缓解输电瓶颈。但是，图1中三极直流的换流站设备除了需要四个与双极直流相似的晶闸管换流器（极1和极2上）外，在极3上还需要两个反并联晶闸管换流器（每个反并联晶闸管换流器相当于两个晶闸管换流器）。因此，三极直流的换流站投资几乎为双极直流的两倍，经济效益低下限制了其工程应用价值。
ABB公司的Asplund Gunnar在标题为Conversion of AC lines to HVDC lines（专利号：WO 2008/039120A1）的专利中提出了一种交改直的拓扑结构，如图2所示；该拓扑在直流侧串入了电阻器，稳态运行时，通过电力电子器件的开断控制，使得直流电流能够在三条传输线上合理分配。但是，电阻器的引入会消耗额外功率，不利于实际应用。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种扩展式双极直流输电系统，拥有与三极直流相同的传输容量，免去了极3换流站设备，大大降低了一次投资；除换流站损耗外，该拓扑不会在直流侧引入额外的功率损耗。
一种扩展式双极直流输电系统，包括：
整流换流站，用于将送端交流电网的三相交流电转换为双极直流电；
整流侧电流转换单元，用于将所述的双极直流电转换为三极直流电；
逆变侧电流转换单元，用于通过三极输电线路接收所述的三极直流电，并将该直流电转换为双极直流电；
逆变换流站，用于将逆变侧电流转换单元输出的双极直流电转换为三相交流电并注入受端交流电网。
优选地，所述的整流侧电流转换单元与三极输电线路之间以及三极输电线路与逆变侧电流转换单元之间均设有三极防过压电抗器，该防过压电抗器可保护阀厅免遭操作过电压或雷击过电压等冲击波的损害。
优选地，所述的整流换流站与整流侧电流转换单元之间以及逆变侧电流转换单元与逆变换流站之间均设有双极平波电抗器，该平波电抗器可抑制直流电流波动和直流电流在故障情况下的上升率。
所述的整流换流站或逆变换流站包括与对应交流电网连接的交流母线以及通过两台换流变压器与交流母线连接的十二脉动桥式晶闸管换流器。
所述的整流侧电流转换单元包括两套晶闸管组件TS1～TS2、阻尼投切模块S1和一MMC（模块化多电平变流器）；其中，晶闸管组件TS1的阳极作为整流侧电流转换单元的正极输入端和正极输出端，晶闸管组件TS1的阴极与晶闸管组件TS2的阳极和阻尼投切模块S1的一端相连，晶闸管组件TS2的阴极作为整流侧电流转换单元的负极输入端和负极输出端，阻尼投切模块S1的另一端与MMC的正极端相连，MMC的负极端作为整流侧电流转换单元的调制极输出端，MMC的交流侧通过换流变压器接收送端交流电网的三相交流电。
所述的逆变侧电流转换单元包括两套晶闸管组件TS3～TS4和阻尼投切模块S2；其中，晶闸管组件TS3的阴极作为逆变侧电流转换单元的正极输入端和正极输出端，晶闸管组件TS3的阳极与晶闸管组件TS4的阴极和阻尼投切模块S2的一端相连，晶闸管组件TS4的阳极作为逆变侧电流转换单元的负极输入端和负极输出端，阻尼投切模块S1的另一端作为逆变侧电流转换单元的调制极输入端。
所述的阻尼投切模块由一阻尼电阻和一控制开关并联组成。控制开关对阻尼电阻进行投切，在非转换阶段，控制开关处于闭合状态，阻尼电阻不投入使用，当进入转换阶段，控制开关迅速断开，阻尼电阻投入。阻尼电阻具有高阻抗特性，用于控制转换阶段调制极电压的充放电电流。
优选地，所述的MMC采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个全桥子模块和一桥臂电抗器串联组成。全桥子模块输出电压存在正、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；桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件的作用。
所述的全桥子模块由一电容C和四个IGBT管T1～T4组成；其中，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T3的集电极相连且为全桥子模块的一端，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T2的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为全桥子模块的另一端；IGBT管T1～T4的门极均接收外部设备提供的PWM信号。
优选地，所述的整流换流站和逆变换流站的交流母线上均连接有滤波器和无功补偿器；滤波器可滤除特定的交流谐波，无功补偿器用于补偿换流站所需的无功需求。
本发明的基本工作原理为：正常工作时整流侧晶闸管换流器通过控制晶闸管触发角来控制直流电流大小，通过整流将三相交流电变为双极直流电；而后经过电流转换处理变换为三极直流电分别流过三条传输线；再通过电流转换逆处理，将三极直流电流转变为双极直流电，经过逆变侧晶闸管换流器的逆变作用，将双极直流电转化为三相交流电注入受端交流系统，从而实现从送端交流系统向受端交流系统输送功率。
与现有技术相比，本发明扩展式双极直流输电系统具有以下优点：
（1）与三极直流输电技术相比，本发明换流站设备的投资几乎仅为三极直流的一半，但在传输容量方面，本发明与三极直流具有相同的容量传输能力。因而，本发明具有更好地经济性。
（2）本发明在直流侧不会引入额外功率损耗，具有较好地工程应用性。
附图说明
图1为现有三极直流输电系统的结构示意图。
图2为现有交改直直流输电系统的拓扑结构示意图。
图3为本发明扩展式双极直流输电系统的结构示意图。
图4为十二脉动桥式晶闸管换流器的结构示意图。
图5为MMC的结构示意图。
图6为本发明系统电压电流的运行特性示意图。
图7为本发明系统中各开关器件在过渡阶段的时序图。
图8(a)为本发明系统调制极直流电压的仿真波形图。
图8(b)为本发明系统正极直流电压的仿真波形图。
图8(c)为本发明系统负极直流电压的仿真波形图。
图8(d)为本发明系统三极直流电流的仿真波形图。
图8(e)为本发明系统整流侧正负极吸收的有功功率仿真波形图。
图8(f)为本发明系统整流侧正负极吸收的无功功率仿真波形图。
图8(g)为本发明系统逆变侧正负极吸收的有功功率仿真波形图。
图8(h)为本发明系统逆变侧正负极吸收的无功功率仿真波形图。
图8(i)为本发明系统正极触发角和关断角的仿真波形图。
图8(j)为本发明系统负极触发角和关断角的仿真波形图。
图8(k)为本发明系统中MMC输出直流电压的仿真波形图。
图8(l)为本发明系统MMC中子模块的电容电压仿真波形图。
图9(a)为本发明系统线路电压的波形图。
图9(b)为本发明系统放电电流的波形图。
图10(a)为本发明系统中TS1、TS3的电压应力波形图。
图10(b)为本发明系统中TS2、TS4的电压应力波形图。
图10(c)为本发明系统中TS1～TS4的电流应力波形图。
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3所示，一种扩展式双极直流输电系统，包括：整流换流站、整流侧电流转换单元9、三极输电线路6、逆变侧电流转换单元10和逆变换流站；其中：
整流换流站用于将送端交流电网1的三相交流电转换为双极直流电；整流换流站包括交流母线L1以及通过两台换流变压器4与交流母线L1连接的十二脉动桥式晶闸管换流器5，交流母线L1与送端交流电网1连接；
十二脉动桥式晶闸管换流器5采用如图4所示的12脉动桥式换流电路的拓扑结构，其将电压等级变换后的三相交流电转换为双极直流电；其每个桥臂串联多个晶闸管，该拓扑结构可有效减少自身所产生的谐波电流；
两台换流变压器4均采用接线方式为Y/Y/Δ的三相三绕组变压器，该变压器用于将交流母线L1上的三相交流电进行电压等级变换，它能承受直流偏置电压，并起到隔离直流偏置电压进入交流电网的作用；
交流母线L1上还连接有滤波器2和无功补偿器3；滤波器2可滤除特定的交流谐波，无功补偿器3用于补偿换流站所需的无功需求。
整流侧电流转换单元9一侧通过双极平波电抗器7与整流换流站相连，另一侧通过三极防过压电抗器8与三极输电线路6连接；防过压电抗器可保护阀厅免遭操作过电压或雷击过电压等冲击波的损害，平波电抗器可抑制直流电流波动和直流电流在故障情况下的上升率。整流侧电流转换单元9用于将整流换流站输出的双极（正极、负极）直流电转换为三极（正极、负极、调制极）直流电，其包括两套晶闸管组件TS1～TS2、阻尼投切模块S1和一MMC；其中，晶闸管组件TS1的阳极与正极平波电抗器7和正极防过压电抗器8的一端相连，晶闸管组件TS1的阴极与晶闸管组件TS2的阳极和阻尼投切模块S1的一端相连，晶闸管组件TS2的阴极与负极平波电抗器7和负极防过压电抗器8的一端相连，阻尼投切模块S1的另一端与MMC的正极端相连，MMC的负极端与调制极防过压电抗器8的一端相连，MMC的交流侧通过换流变压器12与整流换流站中的交流母线L1相连。
晶闸管组件由多个晶闸管串联构成，换流变压器12采用接线方式为Y/Δ的三相双绕组变压器；阻尼投切模块由一阻尼电阻和一控制开关并联组成，控制开关对阻尼电阻进行投切，在非转换阶段，控制开关处于闭合状态，阻尼电阻不投入使用，当进入转换阶段，控制开关迅速断开，阻尼电阻投入。阻尼电阻具有高阻抗特性，用于控制转换阶段调制极电压的充放电电流；
MMC采用三相六桥臂结构，如图5所示，每个桥臂均由若干个全桥子模块和一桥臂电抗器串联组成。全桥子模块输出电压存在正、负和零三种电平，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；桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件。全桥子模块由一电容C和四个IGBT管T1～T4组成；其中，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T3的集电极相连且为全桥子模块的一端，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T2的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为全桥子模块的另一端；IGBT管T1～T4的门极均接收外部设备提供的PWM信号。
逆变侧电流转换单元10一侧通过三极防过压电抗器8与三极输电线路6相连，另一侧通过双极平波电抗器7与逆变换流站相连；逆变侧电流转换单元10通过三极输电线路6接收整流侧电流转换单元9输出的三极直流电，并将该直流电转换为双极直流电，其包括两套晶闸管组件TS3～TS4和阻尼投切模块S2；其中，晶闸管组件TS3的阴极与正极平波电抗器7和正极防过压电抗器8的一端相连，晶闸管组件TS3的阳极与晶闸管组件TS4的阴极和阻尼投切模块S2的一端相连，晶闸管组件TS4的阳极与负极平波电抗器7和负极防过压电抗器8的一端相连，阻尼投切模块S1的另一端与调制极防过压电抗器8的一端相连。
逆变换流站用于将逆变侧电流转换单元10输出的双极直流电转换为三相交流电并注入受端交流电网11。逆变换流站包括交流母线L2以及通过两台换流变压器4与交流母线L2连接的十二脉动桥式晶闸管换流器5，交流母线L2与受端交流电网11连接；交流母线L2上也连接有滤波器2和无功补偿器3。
图6给出了三条直流母线上电压和电流的运行特性，其中，If为某一确定参数，由实际工况决定；Id为12脉动晶闸管发出的直流电流；Idp、Idm和Idn分别为正极直流母线、调制极直流母线和负极直流母线上的直流电流；Tp为直流母线上电流轮换的周期时间，Tn为正常阶段的时间常数。为尽可能多地传输直流功率，每条直流母线上的直流电流不是恒定不变的。在正常阶段1时，正极直流母线和负极直流母线之间的晶闸管阀TS1和TS3导通，因而正极直流母线和负极直流母线处于并联状态，负极直流母线和正极直流母线上的电压处于同一等级，且有Idn=Id=Idp+Idm。在正常阶段2时，调制极直流母线和负极直流母线之间的晶闸管阀TS2和TS4导通，因而调制极直流母线和负极直流母线处于并联状态，负极直流母线和调制极直流母线上的电压处于同一等级，且有Idp=Id=Idn+Idm。因而可以看出，通过晶闸管阀的开断，负极直流母线将每隔时间Tn轮流与正极直流母线和负极直流母线构成并联关系，对其进行分流。
实际上，为减少对系统的影响，直流电压和电流在过渡阶段应该有一个变化过渡过程，而非如图6中所示那样突变。图7较为详细地给出了过渡阶段电压电流的变化过程。从图7中可以看出，一个运行周期Tp包含两个过渡阶段：过渡阶段1和过渡阶段2。过渡阶段1为负极直流母线和正极直流母线并联时电压和电流的变化过程，过渡阶段2为负极直流母线和调制极直流母线相连时的情况。每个过渡阶段还分为三部分：电流调节过程1，电压反向过程，电流调节过程2。以过渡阶段1为例，当Idm降低至0时，Idp将增大至Id，同时为TS1和TS3提供关断条件。在电压反向过程中，负极直流母线从与正极直流母线相连的状态变为与调制极直流母线相连，同时，调制极实现了直流电压反向。在电流调节过程2中，直流电流Id根据图7所示正常阶段的电流比例进行重新分配。
图7还给出了过渡阶段1相关辅助设备（如TS1～TS4）详细的动作时序，用于顺利实现平缓的过渡过程：
（1）将Idm调节至0，然后给TS1和TS3施加闭锁信号（电流调节过程1）。此过程中Id保持不变，当Idm降低至0时，Idp将增大至Id。
当TS1和TS3闭锁后，此时负极直流母线将处于“悬浮”状态，但由于传输线杂散电容的存在，负极直流母线上的电压维持为正额定电压Vd。在TS2和TS4导通瞬间，负极直流母线和调制极直流母线之间的电压差将导致很大的过电流，危及设备和系统的稳定运行。因此，在负极直流母线和调制极直流母线连接的过程中，还需要进行附加控制。
（2）断开快速开关S1，并调节电流控制单元的直流电压Vx至0，然后触发导通TS2（电压反向过程）。
（3）当放电完成，负极直流母线的直流电压与-Vd相近时，闭合S1并且调节Vx至-RId（其中R为传输线电阻）。调节完毕后，对TS4施加触发信号，并且通过控制Vx的变化，调节负极直流电流的电流(电流调节过程2)。
为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC内搭建了一个如图3所示的仿真模型，主回路参数见表1。
表1
Figure BDA0000400637400000081
模块化多电平换流单元的参数如下：每个桥臂的子模块个数N为26，额定电容电压Uc为1.92kV，电容值为8000μF，桥臂电感1.19mH。另外，考虑到电压反向过程中的负极直流母线电压的放电时间和最大电流，取阻尼电阻为20kΩ。
以图7所示的过渡阶段1为例，图8给出了稳态下的仿真波形，其中下标p和n表示正极直流母线和调制极直流母线，下标r和i分别表示整流侧和逆变侧。
图8(a)～(c)给出了每条直流母线的电压仿真波形。从图中可以看出，逆变侧的正极、调制极直流母线电压(Vdip和Vdin)在整个过渡阶段基本不变，而整流侧的正极、调制极直流母线电压(Vdrp和Vdrn)会跟随Idm轮流变化，其原因在于Idm变化会引起传输线上的电压降发生改变。变化幅值占额定直流电压Vd(500kV)的6%。伴随着TS2的触发导通，负极直流母线两侧的电压(Vdrm和Vdim)变化至-Vd。此过程中，线路电压和放电电流的详细波形如图9所示。可见，当t=3.5s时，调制极的电压基本已达-500kV，且最大放电电流为-0.05kA，仅占Id的1.43%，对系统影响微小。
图8(d)给出了每条直流母线上的电流(Idp、Idn和Idm)，变化较为平缓与图7相一致。逆变侧正极、调制极直流母线吸收的有功功率和无功功率(Pip、Pin、Qip和Qin)的曲线如图8(g)、(h)所示。过渡阶段基本不发生明显变化，有利于逆变侧系统的稳定运行。而图8(e)、(f)所示的整流侧正极、调制极直流母线吸收的有功功率和无功功率(Prp、Prn、Qrp和Qrn)会因线路电压降的变化而轮流变化。逆变站正负极的关断角(γp和γn)保持不变，而整流站正负极的触发角(αp和αn)变化范围较大，为13°～23°，见图8(i)、(j)。从图8(k)可以看出，模块化多电平换流单元输出的直流电压Vx能够较好地跟踪其指令值，变化规律与控制特性相符。图8(l)给出了子模块电容电压曲线，整个过渡阶段电容电压是存在波动的，最大波动率为±20%左右。但是，从整个趋势来看，电容电压又是稳定的。
图10给出了晶闸管阀TS1～TS4上的电压和电流应力，电压和电流测量的方向都是从晶闸管阀的阳极到阴极。从图10(a)、(b)可以看出，晶闸管上的电压均是在TS2触发导通时刻发生变化，TS1和TS2上的电压变化迅速，而TS3和TS4上的电压变化相对缓慢。图10(c)所示的电流曲线表明晶闸管上无过电流。

Claims (10)

1.一种扩展式双极直流输电系统，其特征在于，包括：
整流换流站，用于将送端交流电网的三相交流电转换为双极直流电；
整流侧电流转换单元，用于将所述的双极直流电转换为三极直流电；
逆变侧电流转换单元，用于通过三极输电线路接收所述的三极直流电，并将该直流电转换为双极直流电；
逆变换流站，用于将逆变侧电流转换单元输出的双极直流电转换为三相交流电并注入受端交流电网。
2.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的整流侧电流转换单元与三极输电线路之间以及三极输电线路与逆变侧电流转换单元之间均设有三极防过压电抗器。
3.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的整流换流站与整流侧电流转换单元之间以及逆变侧电流转换单元与逆变换流站之间均设有双极平波电抗器。
4.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的整流换流站或逆变换流站包括与对应交流电网连接的交流母线以及通过两台换流变压器与交流母线连接的十二脉动桥式晶闸管换流器。
5.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的整流侧电流转换单元包括两套晶闸管组件TS1～TS2、阻尼投切模块S1和一MMC；其中，晶闸管组件TS1的阳极作为整流侧电流转换单元的正极输入端和正极输出端，晶闸管组件TS1的阴极与晶闸管组件TS2的阳极和阻尼投切模块S1的一端相连，晶闸管组件TS2的阴极作为整流侧电流转换单元的负极输入端和负极输出端，阻尼投切模块S1的另一端与MMC的正极端相连，MMC的负极端作为整流侧电流转换单元的调制极输出端，MMC的交流侧通过换流变压器接收送端交流电网的三相交流电。
6.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于：所述的逆变侧电流转换单元包括两套晶闸管组件TS3～TS4和阻尼投切模块S2；其中，晶闸管组件TS3的阴极作为逆变侧电流转换单元的正极输入端和正极输出端，晶闸管组件TS3的阳极与晶闸管组件TS4的阴极和阻尼投切模块S2的一端相连，晶闸管组件TS4的阳极作为逆变侧电流转换单元的负极输入端和负极输出端，阻尼投切模块S1的另一端作为逆变侧电流转换单元的调制极输入端。
7.根据权利要求5或6所述的直流输电系统，其特征在于：所述的阻尼投切模块由一阻尼电阻和一控制开关并联组成。
8.根据权利要求5所述的直流输电系统，其特征在于：所述的MMC采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个全桥子模块和一桥臂电抗器串联组成。
9.根据权利要求8所述的直流输电系统，其特征在于：所述的全桥子模块由一电容C和四个IGBT管T1～T4组成；其中，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T3的集电极相连且为全桥子模块的一端，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T2的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为全桥子模块的另一端；IGBT管T1～T4的门极均接收外部设备提供的PWM信号。
10.根据权利要求4所述的直流输电系统，其特征在于：所述的整流换流站和逆变换流站的交流母线上均连接有滤波器和无功补偿器。
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