CN103606917A - 采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，所述系统包括将正弦波转换为交变方波的第一波形转换系统和第三波形转换系统，将交变方波转换为正弦波的第二波形转换系统和第四波形转换系统；所述第一波形转换系统通过第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统，所述第一极导线和第二极导线平行设置；所述第三波形转换系统通过第三极导线连接第四波形转换系统。本发明提供的输电系统利用了电压源换流器电流双向导通能力，配合开关切换装置，很好的解决了交流线路增容改造的问题，并且不增加电网短路电流水平，并具备动态无功补偿等暂态功能，为解决大型城市负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

Description

采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统。

背景技术

近年，我国城镇化发展速度进一步加快，城市用电负荷不断增长，客观上要求电网规模与传输容量保持持续发展，然而目前城市电网普遍存在以下问题。

城市用电负荷增加，交流线路输送能力不足，线路走廊匮乏。对于重载的交流线路，无法通过加装FACTS装置大幅提高输送能力，而新建线路遇到的阻力越来越大，特别是进城的线路工程，在征地、环保方面难以得到支持。

城市电网结构日益紧密，短路电流问题突出。城市电网发展速度较快，电网线路相互交织，紧密程度较高，等效阻抗较小，导致电网的短路电流水平较高。如采用新建交流线路来解决城市电网供电能力不足的问题，将会造成电网进一步紧密，等效阻抗进一步减小，从而导致短路电流增大，影响电网安全运行。

城市电网无功电压调节日趋困难，电压稳定性问题不容忽视。城市电网中电缆线路日益增多，市区变电站受用地限制，感性无功配置普遍不足，无功电压调节日趋困难，尤其是电网低谷负荷时段，电压偏高情况严重。此外，城市电网中空调负荷、电动机负荷比重较大，由于快速的动态无功调整能力不足，电网高峰负荷时段动态电压稳定问题逐渐突出。

鉴于上述问题，有必要研究新的技术手段，既要充分发挥现有线路走廊输的输电潜力，又要防止出现短路电流超标和动态无功支撑不足等问题。

从输电线路方面来看，制约交流线路传输容量的主要因素是绝缘耐受能力。目前，交流系统的绝缘按照电压峰值设计，但是传输容量是由电压有效值决定，仅为峰值的71%。研究表明，交流线路在直流方式下运行，由于绝缘层内的电场分布、发热情况等方面的差异，交流线路的直流绝缘强度几乎是交流电压的2～3倍或更大。另外，对于电缆线路，由于其电容要比架空线路大得多，如果采用交流输电方式并且当电缆长度超过一定数值（如40～60km）时，就会出现电容电流占用电缆芯线全部有效负载能力的情况，而采用直流输电方式，其稳态电容电流仅是由纹波电压引起，数值很小，故电缆的送电长度几乎不受电容电流的限制。

针对交流线路直流转换的研究近年来得到国内外研究机构的一致关注。ABB公司提出一种将三相交流线路改造为柔性直流输电的方案，采用一个额外相支路将第三极导线周期性的连接到第1极导线或第2极导线，从而利用第3极导线传导电流，但不能实现线路损耗在三条导线之间的均匀分配。随着负荷的增大，该方案第1极和第2极导线首先达到热稳定极限，无法充分利用第3极导线的热稳定极限。并且，该方案无法应用于交流电缆线路的改造，因为交流电缆线路在直流工况下空间电荷积累严重，长时间加压后绝缘中电场强度可增至初始值的7～9倍。而实际运行的交流电缆在研制时没有考虑空间电荷问题，所以将交流电缆线路转为直流运行后，空间电荷将导致电场畸变，严重时可引起电缆绝缘的击穿。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，输电系统利用了电压源换流器电流双向导通能力，配合开关切换装置，很好的解决了交流线路增容改造的问题，并且不增加电网短路电流水平，并具备动态无功补偿等暂态功能，为解决大型城市负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，所述系统包括将正弦波转换为交变方波的第一波形转换系统和第三波形转换系统，将交变方波转换为正弦波的第二波形转换系统和第四波形转换系统；所述第一波形转换系统通过第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统，所述第一极导线和第二极导线平行设置；所述第三波形转换系统通过第三极导线连接第四波形转换系统。

所述第一波形转换系统包括交流变压器、正极性电压换流器、负极性电压换流器和开关切换装置，第一交流系统通过所述交流变压器连接所述正极性电压换流器输入端，所述正极性电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输入端相连，直流钳位电容负极接地；所述负极性换流器的直流钳位电容负极与开关切换装置输入端相连，直流钳位电容正极接地；所述正极性电压换流器和负极性电压换流器的输出端分别通过所述第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统的开关切换装置。

所述第二波形转换系统包括开关切换装置、正极性电压换流器、负极性电压换流器和交流变压器；所述正极性电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输出端相连，直流钳位电容负极接地；所述负极性电压换流器的直流钳位电容负极与开关切换装置输出端相连，直流钳位电容正极接地；所述正极性电压换流器和负极性电压换流器的输出端分别通过所述交流变压器连接第二交流系统。

所述第三波形转换系统包括交流变压器、第三极电压换流器和开关切换装置；所述第一交流系统通过所述交流变压器链接所述第三极电压换流器的输入端，所述第三极电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输入端相连，所述第三极电压换流器的输出端通过所述第三极导线连接第四波形转换系统的开关切换装置。

所述第四波形转换系统包括开关切换装置、第三极电压换流器和交流变压器；所述第三极电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输出端相连，所述第三极电压换流器的输出端通过所述交流变压器连接第二交流系统。

所述第一极导线、第二极导线和第三极导线均为架空线路或电缆线路。

所述开关切换装置采用晶闸管投切开关或基于可关断电力电子器件的开关装置。

所述正极性电压换流器、负极性电压换流器和第三极电压换流器均采用基于可关断电力电子器件的电压换流器。

根据电网实际情况，当线路潮流方向时，第二波形转换系统和第四波形转换系统将正弦波转换为交变方波，第一波形转换系统和第三波形转换系统将交变方波转换为正弦波，完成从第二交流系统到第一交流系统的输电。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统，能够很好的解决三相交流线路，尤其适用于埋地交流电缆线路的增容改造问题；

2、本发明提供的采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统，能最大化原有输电线路的传输功率，针对交流电缆线路，不破坏其绝缘性能，避免其空间电荷的积累；

3、本发明提供的采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统，输电系统采用电压源换流器，具备无功补偿、谐波治理等功能；

4、本发明提供的采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统，应用于三相交流架空线路或三相交流电缆输电系统改造等场合，在不增加电网短路水平的同时，显著提升系统运行的灵活性和可靠性。

附图说明

图1本发明实施例中输电系统各极导线电流、电压变化示意图；

图2是本发明实施例中采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统拓扑结构图；

图3是本发明实施例中开关切换装置功能示意图；

图4是本发明实施例中开关切换装置实施方案图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，所述输电系统是以半桥模块化级联的多电平串联技术为主要特征的，所述输电系统三极导线、每条导线两端的电流切换装置以及半桥模块化级联的电压换流器构成新型接线形式。

系统包括将正弦波转换为交变方波的第一波形转换系统和第三波形转换系统，将交变方波转换为正弦波的第二波形转换系统和第四波形转换系统；所述第一波形转换系统通过第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统，所述第一极导线和第二极导线平行设置；所述第三波形转换系统通过第三极导线连接第四波形转换系统。

所述第一波形转换系统包括交流变压器、正极性电压换流器、负极性电压换流器和开关切换装置，第一交流系统通过所述交流变压器连接所述正极性电压换流器输入端，所述正极性电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输入端相连，直流钳位电容负极接地；所述负极性换流器的直流钳位电容负极与开关切换装置输入端相连，直流钳位电容正极接地；所述正极性电压换流器和负极性电压换流器的输出端分别通过所述第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统的开关切换装置。

所述第二波形转换系统包括开关切换装置、正极性电压换流器、负极性电压换流器和交流变压器；所述正极性电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输出端相连，直流钳位电容负极接地；所述负极性电压换流器的直流钳位电容负极与开关切换装置输出端相连，直流钳位电容正极接地；所述正极性电压换流器和负极性电压换流器的输出端分别通过所述交流变压器连接第二交流系统。

所述第三波形转换系统包括交流变压器、第三极电压换流器和开关切换装置；所述第一交流系统通过所述交流变压器链接所述第三极电压换流器的输入端，所述第三极电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输入端相连，所述第三极电压换流器的输出端通过所述第三极导线连接第四波形转换系统的开关切换装置。

所述第四波形转换系统包括开关切换装置、第三极电压换流器和交流变压器；所述第三极电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输出端相连，所述第三极电压换流器的输出端通过所述交流变压器连接第二交流系统。

所述第一极导线、第二极导线和第三极导线均为架空线路或电缆线路。

所述开关切换装置采用晶闸管投切开关或基于可关断电力电子器件的开关装置。通过控制开关切换装置上桥臂或下桥臂周期性的通断，实现第三极导线电压按交变方波的形式周期性变化。

所述输电系统结构充分利用三极导线进行功率传输，第一极导线和第二极导线电压不变，流过第一极导线和第二极导线的电流方向不变，幅值周期性变化，大小在最大值和最小值之间轮换。第三极导线电压随周期变化，并且始终与第一极导线或第二极导线处于并联状态，共同承担正向或反向的电流，但流过第三极导线电流的幅值不变。

所述正极性电压换流器、负极性电压换流器和第三极电压换流器均采用基于可关断电力电子器件的电压换流器。

根据电网实际情况，当线路潮流方向时，第二波形转换系统和第四波形转换系统将正弦波转换为交变方波，第一波形转换系统和第三波形转换系统将交变方波转换为正弦波，完成从第二交流系统到第一交流系统的输电。

本发明提供采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统，其工作原理如下：

如图1所示，通过周期性改变三极导线电流的大小，能够在发热限制相同的条件下增大直流系统的输送功率。通过周期性改变三极导线电压和电流的极性，实现第一极和第二极导线电压极性反转，避免空间电荷的积累，同时实现第3极导线对第1极或第2极导线的电流的周期性分担。第一极、第二极导线电流的大小在I_max和I_min之间周期性变化，方向随导线电压的变化而变化；第三极导线的电流大小不变，始终为I_max-I_min，方向同样随导线电压的变化而性变化。

第一极、第二极和第三极导线发热限制相同，设其热稳定极限电流为I_N=1.0pu。为使第三极导线达到其发热限制，则需满足

I_max-I_min＝I_N＝1.0pu          （1）

第一极导线、第二极导线的电流在最大电流I_max和最小电流I_min之间变化，电流在一个循环周期内的有效值同样要达到其发热限制，以保证三极导线输送功率均达到其热稳定极限。具体在图1中表现为0到t₄的时间内，第一极导线、第二极导线、第三极导线的电流有效值相等因此需满足

$I_{\max }^2+I_{\min }^2=2{(I_{\max }-I_{\min })}^2---\left(2\right)$

由上述条件可得可得，第一极导线、第二极导线的运行电流I_max为1.37I_N，I_min为0.37I_N。

当第一极导线与第三极导线并联，电压为+U_DC，通过正向最大电流I_max时，第二极导线工作电压为-U_DC，通过反向最大电流-I_max；t₁时刻，第一极导线工作电压极性不变，但电流变为正向最大电流I_max，此时第二极导线与第三极导线并联，共同通过反向最大电流-Imax，且第三极导线极性反转；t₂时刻，第一极电压反转，并与第三极导线并联，工作于反向最大电流-I_max，第二极导线电压也发生反转，并工作于正向最大电流I_max。t₃时刻，第一极电压反转，通过正向最大电流I_max，第二极导线电压反转，并与第三极导线并联，工作于反向最大电流-I_max；t₄时刻，第三极导线电压反转，恢复到初始状态。按照此运行模式循环倒换，实现交变方波输电。

实施例1

本发明提供的采用以交变方波电压为主要特征的非正弦交流输电方式提升城市电网输送能力的输电系统拓扑结构如图2所示，包括第一极导线L1、第二极导线L2、第三极导线L3，四台开关切换装置，电压换流器VSC1、VSC1′、VSC2、VSC2′、VSC3和VSC3′，电压换流器的直流钳位电容C1、C1′、C2、C2′、C3和C3′，以及第一交流系统、第二交流系统。

第一极导线L1的两端与开关切换装置上部端口相连，开关切换装置上部另一端口与直流钳位电容C1和C1′的正极相连，第二极导线L2的两端与上述开关切换装置下部相连，开关切换装置下部另一端口与直流钳位电容C2和C2′的负极相连，C1和C1′的负极与C2和C1′的正极相连接地；第三极导线L3的两端连接开关切换装置，进而与直流钳位电容C3、C3′的正极相连，其负极接地。

其中首端三个电压换流器VSC1、VSC2和VSC3的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；

其中末端三个电压源换流器VSC1′、VSC2′和VSC3′的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。

所述开关切换装置，可采用晶闸管开关或机械开关与晶闸管开关的组合。所述开关切换装置的功能示意图如图3所示，双向开关SW1，SW1′可同时将节点1与节点3连接，节点2与节点4连接，以第三极导线为例，实现图2所示直流钳位电容C3、C3′的正极与导线L3相连，C3、C3′的负极接地，第三极导线L3电压极性为正；或同时将节点1与节点4′连接，节点2与节点3′连接，实现图2所示直流钳位电容C3、C3′的负极与第三极导线L3相连，C3、C3′的正极接地，第三极导线L3电压极性为负。

所述开关切换装置的一种实施方案如图4所示，每台开关切换装置包含两组采用晶闸管开关两侧并联高速机械开关的复合开关SW1、SW1′与SW2、SW2′。SW1、SW1′导通可同时将节点1与节点3连接，节点2与节点4连接，以第3极线路为例，即实现图2所示直流钳位电容C3、C3′的正极与第三极导线L3相连，C3、C3′的负极接地。SW2、SW2′导通可同时将节点1与节点4连接，节点2与节点3连接，即实现图2所示直流钳位电容C3、C3′的正极接地，C3、C3′的负极与第三极导线L3相连。

本发明充分利用电压源换流器电流双向流通能力，采用开关切换装置实现三极导线电压极性的翻转，改变其电压、电流极性，在保证三极线路传输功率不变的前提下，实现其对第一极、第二极线路电流的周期性分担。通过适当的控制，可使输送功率在三极导线之间的均匀分配，并使三极导线电流均达到其发热限制。本发明所述结构中电流在三极导线之间流动，不与大地构成通路，避免了高频电磁干扰和大地中金属设备的腐蚀。本发明可以将原有交流线路输送功率提升约60%。同时，本发明采用电压源换流技术，无需配置大容量无功补偿和滤波设备，在不增加系统短路电流水平的同时，还能为交流系统提供动态电压支撑及有源滤波功能，可显著提高系统运行灵活性和可靠性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述系统包括将正弦波转换为交变方波的第一波形转换系统和第三波形转换系统，将交变方波转换为正弦波的第二波形转换系统和第四波形转换系统；所述第一波形转换系统通过第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统，所述第一极导线和第二极导线平行设置；所述第三波形转换系统通过第三极导线连接第四波形转换系统。

2.根据权利要求1所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述第一波形转换系统包括交流变压器、正极性电压换流器、负极性电压换流器和开关切换装置，第一交流系统通过所述交流变压器连接所述正极性电压换流器输入端，所述正极性电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输入端相连，直流钳位电容负极接地；所述负极性换流器的直流钳位电容负极与开关切换装置输入端相连，直流钳位电容正极接地；所述正极性电压换流器和负极性电压换流器的输出端分别通过所述第一极导线和第二极导线连接第二波形转换系统的开关切换装置。

3.根据权利要求2所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述第二波形转换系统包括开关切换装置、正极性电压换流器、负极性电压换流器和交流变压器；所述正极性电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输出端相连，直流钳位电容负极接地；所述负极性电压换流器的直流钳位电容负极与开关切换装置输出端相连，直流钳位电容正极接地；所述正极性电压换流器和负极性电压换流器的输出端分别通过所述交流变压器连接第二交流系统。

4.根据权利要求1所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述第三波形转换系统包括交流变压器、第三极电压换流器和开关切换装置；所述第一交流系统通过所述交流变压器链接所述第三极电压换流器的输入端，所述第三极电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输入端相连，所述第三极电压换流器的输出端通过所述第三极导线连接第四波形转换系统的开关切换装置。

5.根据权利要求4所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述第四波形转换系统包括开关切换装置、第三极电压换流器和交流变压器；所述第三极电压换流器的直流钳位电容正极与开关切换装置输出端相连，所述第三极电压换流器的输出端通过所述交流变压器连接第二交流系统。

6.根据权利要求1、2或4所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述第一极导线、第二极导线和第三极导线均为架空线路或电缆线路。

7.根据权利要求2-5任一所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述开关切换装置采用晶闸管投切开关或基于可关断电力电子器件的开关装置。

8.根据权利要求2-5任一所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：所述正极性电压换流器、负极性电压换流器和第三极电压换流器均采用基于可关断电力电子器件的电压换流器。

9.根据权利要求2所述的采用非正弦交流输电提升城市电网输送能力的输电系统，其特征在于：根据电网实际情况，当线路潮流方向时，第二波形转换系统和第四波形转换系统将正弦波转换为交变方波，第一波形转换系统和第三波形转换系统将交变方波转换为正弦波，完成从第二交流系统到第一交流系统的输电。

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