CN103606946B - 一种基于mmc提升交流架空线路输送能力的输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，包括第一电压源换流器、极间电流转移开关主动模块、极间电流转移开关从动模块和第二电压源换流器；第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统，其输出端连接极间电流转移开关主动模块，极间电流转移开关主动模块通过第一极导线、第二极导线和第三极导线连接极间电流转移开关从动模块，极间电流转移开关从动模块通过第二电压源换流器接入第二交流系统。本发明利用了模块化多电平电压源换流器良好的控制性能，配合极间电流转移开关，很好的解决了交流线路的增容改造问题，并具备动态无功补偿、谐波治理等功能，为解决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

一种基于MMC提升交流架空线路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，具体涉及一种基于MMC提升交流架空线路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，但该方案中换流器采用IGBT串联技术，我国尚未掌握IGBT串联的关键技术。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，利用了模块化多电平电压源换流器良好的控制性能，配合极间电流转移开关，很好的解决了交流线路的增容改造问题，并具备动态无功补偿、谐波治理等功能，为解决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：

本发明提供一种基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，所述系统包括第一电压源换流器、极间电流转移开关模块和第二电压源换流器，所述极间电流转移开关模块包括极间电流转移开关主动模块和极间电流转移开关从动模块；所述第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统，其输出端连接所述极间电流转移开关主动模块，所述极间电流转移开关主动模块通过第一极导线、第二极导线和第三极导线连接所述极间电流转移开关从动模块，所述极间电流转移开关从动模块通过第二电压源换流器接入第二交流系统。

所述第一电压源换流器和第二电压源换流器均为模块化多电平电压源换流器。

所述第一电压源换流器和第二电压源换流器的每个桥臂包括N个依次串联的子模块。

所述极间电流转移开关主动模块包括第一极间电流转移开关主动模块和第二极间电流转移开关主动模块。

所述第一极间电流转移开关主动模块包括依次串联的N个子模块及分压电阻和双向旁路晶闸管并联组成的R1-Th1支路；串联后的子模块一端连接所述第一电压源换流器的输出端，另一端连接第三极导线；所述第一电压源换流器的输出端同时通过连接R1-Th1支路与所述第一极导线连接。

所述第二极间电流转移开关主动模块包括依次串联的N个子模块及分压电阻和双向旁路晶闸管并联组成的R2-Th2支路，串联后的子模块一端连接所述第一电压源换流器的输出端，另一端连接第三极导线；所述第一电压源换流器的输出端同时通过连接R2-Th2支路与所述第二极导线连接。

所述极间电流转移开关从动模块包括第一极间电流转移开关从动模块和第二极间电流转移开关从动模块；所述第一极间电流转移开关从动模块和第二极间电流转移开关从动模块均包括依次串联的N个子模块；

所述第一极间电流转移开关从动模块中，串联后的子模块一端连接所述第一极导线和所述第二电压源换流器的输入端，其另一端连接第三极导线；

所述第二极间电流转移开关从动模块中，串联后的子模块一端连接所述第二极导线和所述第二电压源换流器的输入端，其另一端连接第三极导线。

所述子模块包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括IGBT和与其反并联的二极管；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块串联后与直流电容并联。

所述第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统的同一母线或不同母线；第二电压源换流器接入第二交流系统的同一母线或不同母线。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、该输电系统利用了模块化多电平电压源换流器良好的控制性能，配合极间电流转移开关，能够很好的解决三相交流架空输电线路的增容改造问题，最大化原有输电线路的传输功率；

2、本发明提供的输电系统，能够充分、均衡利用三相导线的通流能力，而且三相电流之和在任意时刻为零，不会产生流经大地的零序环流；

3、本发明提供的输电系统，可大幅提高原有交流线路的输送能力，其电压源换流器与极间电流转移开关采用相同的换流技术，该技术成熟度高，可扩展性强，推广应用前景良好；

4、本发明提供的输电系统，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；

5、本发明提供的输电系统，应用于三相交流架空线路输电系统改造，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；

6、本发明提供的输电系统，具备动态无功补偿、谐波治理等功能，为解决负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

附图说明

图1是基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统中子模块结构图；

图2是基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统中各极导线电流、电压变化示意图；

图3是基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，所述系统包括第一电压源换流器、极间电流转移开关模块和第二电压源换流器，所述极间电流转移开关模块包括极间电流转移开关主动模块和极间电流转移开关从动模块；所述第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统，其输出端连接所述极间电流转移开关主动模块，所述极间电流转移开关主动模块通过第一极导线、第二极导线和第三极导线连接所述极间电流转移开关从动模块，所述极间电流转移开关从动模块通过第二电压源换流器接入第二交流系统。

所述第一电压源换流器和第二电压源换流器均为模块化多电平电压源换流器。

所述第一电压源换流器和第二电压源换流器的每个桥臂包括N个依次串联的子模块。

所述极间电流转移开关主动模块包括第一极间电流转移开关主动模块和第二极间电流转移开关主动模块。

所述第一极间电流转移开关主动模块包括依次串联的N个子模块及分压电阻和双向旁路晶闸管并联组成的R1-Th1支路；串联后的子模块一端连接所述第一电压源换流器的输出端，另一端连接第三极导线；所述第一电压源换流器的输出端同时通过连接R1-Th1支路与所述第一极导线连接。

所述第二极间电流转移开关主动模块包括依次串联的N个子模块及分压电阻和双向旁路晶闸管并联组成的R2-Th2支路，串联后的子模块一端连接所述第一电压源换流器的输出端，另一端连接第三极导线；所述第一电压源换流器的输出端同时通过连接R2-Th2支路与所述第二极导线连接。

所述极间电流转移开关从动模块包括第一极间电流转移开关从动模块和第二极间电流转移开关从动模块；所述第一极间电流转移开关从动模块和第二极间电流转移开关从动模块均包括依次串联的N个子模块；

所述第一极间电流转移开关从动模块中，串联后的子模块一端连接所述第一极导线和所述第二电压源换流器的输入端，其另一端连接第三极导线；

所述第二极间电流转移开关从动模块中，串联后的子模块一端连接所述第二极导线和所述第二电压源换流器的输入端，其另一端连接第三极导线。

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。

如图1，所述子模块包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括IGBT和与其反并联的二极管；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块串联后与直流电容并联。

所述第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统的同一母线或不同母线；第二电压源换流器接入第二交流系统的同一母线或不同母线。

本发明提供的采用半桥模块化级联的多电平串联技术提升交流架空线路输送能力的输电系统的工作原理示意图如图2所示。通过周期性改变三极导线电压的极性与电流的方向，实现第三极导线对第一极或第二极导线的电流的周期性分担，能够在发热限制相同的条件下增大新型输电系统的输送功率。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，且方向不变；第三极导线的电流大小不变，始终为I_max-I_min，但方向随导线电压的周期变化而变化。

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时刻起，极间电流转移开关动作，使第三极导线电压极性反转，第一极导线流过正向最大电流I_max，第二极导线与第三极导线并联，共同流过反向最大电流-I_max；t₂时刻起，极间电流转移开关再次动作，使第三极导线电压极性反转，第一极导线再次与第三极导线并联，共同流过正向最大电流I_max，第二极导线流过反向最大电流-I_max，以此规律周期性变化。

实施例1

本发明提供的采用半桥模块化级联的多电平串联技术提升交流架空线路输送能力的输电系统拓扑结构如图3所示，该结构包括第一级导线L1、第二级导线L2、第三级导线L3，两台极间电流切换开关，第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2，以及第一交流系统、第二交流系统。

第一极导线L1的两端与极间电流切换开关上部端口相连，极间电流切换开关上部另一端口与第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2的直流正极输出端相连；第二极导线L2的两端与极间电流切换开关下部端口相连，极间电流切换开关下部另一端口与第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2的直流负极输出端相连；第三极导线L3的两端与极间电流切换开关中部端口相连；

其中首端三相电压源换流器，即第一电压源换流器VSC1的交流侧分别通过换流变压器或电抗器接入第一交流系统的同一母线，或不同母线；其中末端三相电压源换流器，即第二电压源换流器VSC2的交流侧分别通过换流变压器或电抗器接入第二交流系统的同一母线，或不同母线。

极间电流转移开关，其结构示意如图3所示，包括半桥模块化级联换流桥臂、分压电阻R1、分压电阻R2、双向旁路晶闸管Th1和双向旁路晶闸管Th2。当极间电流转移开关的上桥臂导通，下桥臂关断，且双向旁路晶闸管Th1闭锁、双向旁路晶闸管Th2导通，由于分压电阻R1的存在，系统正向电流被强迫流过第三极导线L3，实现第三极导线L3对第一极导线L1导线电流的分担；当极间电流转移开关的下桥臂导通，上桥臂关断，且双向旁路晶闸管Th2闭锁、双向旁路晶闸管Th1导通，由于分压电阻R2的存在，系统反向电流被强迫流过第三极导线L3，实现第三极导线L3对第二极导线L2导线电流的分担。

第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2以及极间电流转移开关中的换流桥臂，均采用半桥模块化级联的多电平技术，其中第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2为三相换流器，每台换流器包含3个单相半桥模块化级联的换流桥臂，每个桥臂由多个完全相同的N个子模块SM串联组成。其中，极间电流转移开关中的换流桥臂即为1个单相半桥模块化级联的换流桥臂，其子模块结构、参数等均与第一电压源换流器VSC1和第二电压源换流器VSC2中的子模块相同。子模块串联数取决于目标系统的容量以及电压等级。

本发明提供的采用半桥模块化级联的多电平串联技术提升交流架空线路输送能力的输电系统，第一极和第二极导线的电压、电流极性恒定，第三极导线的电压、电流极性均可翻转。采用极间电流转移开关，实现第三极导线电压极性的翻转，周期性地改变第三极导线的电压、电流极性，在保证功率方向不变的前提下，实现第一极、第二极电流的周期性分担。通过适当的控制，可使直流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，可以将原有交流线路输送功率提升约60%。本发明所述结构中电流在三根导线之间流动，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。同时，本发明采用半桥模块化级联的多电平串联技术，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 (7)

1.一种基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述系统包括第一电压源换流器、极间电流转移开关模块和第二电压源换流器，所述极间电流转移开关模块包括极间电流转移开关主动模块和极间电流转移开关从动模块；所述第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统，其输出端连接所述极间电流转移开关主动模块，所述极间电流转移开关主动模块通过第一极导线、第二极导线和第三极导线连接所述极间电流转移开关从动模块，所述极间电流转移开关从动模块通过第二电压源换流器接入第二交流系统；

所述极间电流转移开关主动模块包括第一极间电流转移开关主动模块和第二极间电流转移开关主动模块；

所述第一极间电流转移开关主动模块包括依次串联的N个子模块及分压电阻和双向旁路晶闸管并联组成的R1‐Th1支路；串联后的子模块一端连接所述第一电压源换流器的输出端，另一端连接第三极导线；所述第一电压源换流器的输出端同时通过连接R1‐Th1支路与所述第一极导线连接。

2.根据权利要求1所述的基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述第一电压源换流器和第二电压源换流器均为模块化多电平电压源换流器。

3.根据权利要求2所述的基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述第一电压源换流器和第二电压源换流器的每个桥臂包括N个依次串联的子模块。

4.根据权利要求1所述的基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述第二极间电流转移开关主动模块包括依次串联的N个子模块及分压电阻和双向旁路晶闸管并联组成的R2‐Th2支路，串联后的子模块一端连接所述第一电压源换流器的输出端，另一端连接第三极导线；所述第一电压源换流器的输出端同时通过连接R2‐Th2支路与所述第二极导线连接。

5.根据权利要求1所述的基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述极间电流转移开关从动模块包括第一极间电流转移开关从动模块和第二极间电流转移开关从动模块；所述第一极间电流转移开关从动模块和第二极间电流转移开关从动模块均包括依次串联的N个子模块；

所述第一极间电流转移开关从动模块中，串联后的子模块一端连接所述第一极导线和所述第二电压源换流器的输入端，其另一端连接第三极导线；

所述第二极间电流转移开关从动模块中，串联后的子模块一端连接所述第二极导线和所述第二电压源换流器的输入端，其另一端连接第三极导线。

6.根据权利要求1、3、4或5所述的基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述子模块包括第一IGBT模块和第二IGBT模块，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块均包括IGBT和与其反并联的二极管；所述第一IGBT模块和第二IGBT模块串联后与直流电容并联。

7.根据权利要求1所述的基于MMC提升交流架空线路输送能力的输电系统，其特征在于：所述第一电压源换流器的输入端接入第一交流系统的同一母线或不同母线；第二电压源换流器接入第二交流系统的同一母线或不同母线。