CN103997033B - 一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统，所述高压直流输电系统包括整流站、输电线路和逆变站，所述整流站和逆变站包括换流器，整流侧的所述换流器和逆变侧的所述换流器通过所述输电线路连接；整流侧的换流器包括电网换相换流器LCC；所述逆变侧的换流器包括串联的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC，所述电压源换流器VSC的正极与所述电网换相换流器LCC的负极相连。该系统不仅可切断直流故障和实现故障恢复，更具有直流故障穿越能力；运用在高压大容量远距离架空线路输电方法解决了架空线路直流故障问题，节省了采用电缆或全桥模块化多电平换流器FBMMC的投资成本，提高了逆变站LCC抵御换相失败的能力。

Description

一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统

技术领域

本发明涉及一种输配电技术领域的装置，具体讲涉及一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统。

背景技术

由于能源分布的禀赋特性，需要将大量的电能从能源储量丰富的西北地区输送到负荷较重的东部沿海地区，因而需要架设高电压、大容量线路进行远距离输电，实现西电东送的战略目标。

目前，电网换相换流器高压直流输电(linecommutatedconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，LCC-HVDC)已成熟应用于大容量、远距离的输电工程。但是，由于LCC-HVDC采用晶闸管作为换流器件，存在需要具有一定强度的交流系统为其提供换相支撑，最大传输有功功率和电压稳定性受交流系统短路比限制等问题。

20世纪90年代以后，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(voltagesourceconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，VSC-HVDC)得到了快速发展。目前VSC的结构有两电平结构、二极管箝位结构、模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)结构等。MMC独特的优点使其成为目前工程应用中最有前景的拓扑结构。MMC又包括全桥型MMC(Full-BridgeMMC,FBMMC)、半桥型MMC(Half-BridgeMMC,FBMMC)、箝位双子模块MMC(clampingdoublesub-moduleMMC,CDMMC)等。VSC-HVDC的系统特性，决定了其可以在一定程度上弥补LCC-HVDC的缺点。为了充分发挥LCC-HVDC与VSC-HVDC的优势，抵御LCC可能发生的换相失败问题，可采用结合LCC和VSC技术特点的混合直流输电拓扑结构。

目前，采用混合直流输电系统进行远距离大容量输电已成为研究和工程应用的热点问题。而高电压大容量远距离输电时，混合直流系统需采用架空线路，这就不可避免地带来了直流故障问题，而除了FBMMC和CDMMC型的VSC换流器拓扑结构外，其它结构的VSC换流器均不能有效阻断直流故障电流。

现有可行的技术手段是采用直流电缆(降低直流故障发生概率)、采用全桥模块化多电平换流器(Full-BridgeModularMultilevelConverter，FBMMC,该拓扑结构具有直流故障穿越能力，但是成本将增加很多)、采用直流断路器(目前投资很高，且没有任何工程实用经验)。虽然利用FBMMC子模块可输出三种电平的特性，提高混合直流输电拓扑的故障穿越能力。但是FBMMC所需要的半导体器件较半桥MMC增多一倍，投资成本明显增加，因此严重制约了FBMMC的工程应用，所以目前工程中VSC多采用HBMMC结构。

因此，提供一种经济有效、可提高LCC换相失败抵御能力、且具有直流故障穿越能力的高压大容量远距离架空输电系统尤为重要。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统，所述高压直流输电系统包括整流站、输电线路和逆变站，所述整流站和逆变站包括换流器，整流侧的所述换流器和逆变侧的所述换流器通过所述输电线路连接；其改进之处在于：所述整流侧的换流器包括电网换相换流器LCC；所述逆变侧的换流器包括串联的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC，所述电压源换流器VSC的正极与所述电网换相换流器LCC的负极相连。

进一步的，所述高压架空输电线路为用于输电线路的具有直流故障穿越能力的线路。

进一步的，发生直流故障时，所述逆变侧的电网换相换流器LCC等效为串联的晶闸管D_LCC和直流电压可变的可控电压源，电压为U_{dc_LCC}；所述逆变侧的电压源换流器VSC等效为电压源，电压为U_{dc_VSC}；

所述逆变侧的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC组成混合串联拓扑结构阻断直流故障电流。

进一步的，直流故障发生时，所述电压源换流器VSC通过定直流电压控制方式使电压U_{dc_VSC}至额定值的90％至110％之间，所述逆变侧的电网换相换流器LCC的电压U_{dc_LCC}变为负值，当所述逆变侧的电网换相换流器LCC的延迟触发角α_ord满足下式时，使所述逆变侧的电网换相换流器LCC的电压U_{dc_LCC}的绝对值小于所述逆变侧的电压源换流器VSC的电压U_{dc_VSC}，实现逆变侧故障电流的快速阻断；

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ord}}\≥\arccos \frac{\mathrm{\π}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{VSC}}}{3\sqrt{2}{U}_s}---\left(1\right)$

式中，U_s为所述网换相换流器LCC联结变压器副边侧线电压；

故障消除后，经过一段时间去游离过程，执行重启步骤。

进一步的，所述直流故障发生时，所述电压源换流器VSC通过定直流电压控制方式使电压U_{dc_VSC}至额定值，所述电压源换流器VSC始终处于“热备用”状态，故障消除后无需重新为所述电压源换流器VSC充电，提高故障恢复的速度；

通过控制系统控制所述逆变侧的电网换相换流器LCC的直流电压和所述整流侧的电网换相换流器LCC的直流电流升至额定值，实现所述高压直流输电系统的快速恢复。

进一步的，所述输电线路为高压大容量远距离输电的高压直流输电线路。

进一步的，所述电压源换流器VSC可采用两电平结构、HBMMC、FBMMC或CDMMC结构。

进一步的，所述整流站采用LCC结构或双极LCC共同接地结构；

若采用双极LCC结构，则一极采用单极LCC-HVDC结构；另一极的整流站采用LCC结构，逆变站采用LCC和VSC串联结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的系统，可以有效阻断直流故障电流，具有优良的直流故障穿越能力；故障消除后，混合直流系统可以快速恢复至额定运行状态；可以有效提高LCC抵御换相失败的能力，大大改善了混合直流系统的运行特性。

2、本发明提供的系统，不仅解决了混合直流系统穿越直流故障的技术难题，而且从一定程度上降低了采用电缆或FBMMC来穿越直流故障的投资成本，使混合直流系统在高电压大容量远距离架空线路输电场合有了广泛的应用前景。

3、直流故障时，本发明系统逆变侧的VSC通过定直流电压控制使其电压尽量维持在额定值附近，VSC一直处于“热备用”状态，故障消除后无需重新为VSC充电，可大大提高了故障恢复的速度；逆变侧LCC的直流电压可以通过控制系统作用缓慢升至额定值，同时，整流侧LCC的直流电流也缓慢升至额定值，从而实现系统的快速恢复。

4、本发明的系统不仅可切断直流故障和实现故障恢复，更具有直流故障穿越能力；运用在高压大容量远距离架空线路输电方法解决了架空线路直流故障问题，节省了采用电缆或全桥模块化多电平换流器FBMMC的投资成本，提高了逆变站LCC抵御换相失败的能力。

附图说明

图1为本发明所提出的逆变侧的混合直流换流器拓扑结构；

图2为高压直流输电系统的实施例一图；

图3为高压直流输电系统的实施例二图；

图4为高压直流输电系统的实施例三图；

图5为高压直流输电系统的实施例四图；

图6为换流器采用的控制策略说明图；

图7为换流器采用的控制策略说明图；

图8为直流故障时逆变侧直流回路等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供了一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统，该高压直流输电系统包括整流站、输电线路和逆变站，整流站和逆变站包括换流器，整流侧的所述换流器和逆变侧的所述换流器通过所述输电线路连接；所述整流侧的换流器包括电网换相换流器LCC；所述逆变侧的换流器包括串联的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC，所述电压源换流器VSC的正极与所述电网换相换流器LCC的负极相连。

该高压架空输电线路为用于输电线路的具有直流故障穿越能力的线路。所述输电线路为高压大容量远距离输电的高压直流输电线路。

如图1所示，图1为本发明所提出的逆变侧的混合直流换流器拓扑结构；逆变侧的换流器包括串联的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC，电压源换流器VSC的正极与所述电网换相换流器LCC的负极相连。该拓扑结构结构为可快速阻断直流故障电流的混合直流换流器结构。

逆变侧采用串联的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC，其VSC可采用两电平结构、HBMMC、FBMMC、CDMMC等结构，且LCC直流电压U_{dc_LCC}与VSC直流电压U_{dc_VSC}相等。

若整流侧采用LCC结构，则可与逆变侧LCC与VSC的串联结构组成单极混合直流输电拓扑结构，如图2所示；双极混合直流输电结构如图3所示；

若整流侧采用双极LCC共用接地点结构，逆变侧采用混合串联结构，组成的混合直流输电拓扑结构，如图4所示；

若双极系统一极采用单极LCC-HVDC结构，另一极采用整流侧为LCC结构，逆变侧为LCC与VSC的串联结构，组成的混合直流输电拓扑结构如图5所示。

如图2-5所示，图2-5为高压直流输电系统的实施例一～四的结构图；

图2中S₁、Z_S1分别表示整流侧等效电源与系统阻抗；S₂、Z_S2分别表示逆变侧等效电源与系统阻抗；LCC_S表示整流侧采用的LCC结构；LCC_r、VSC_r表示逆变侧采用的LCC与VSC串联结构；Ts₁、Tr₁、Tr₂分别表示整流侧LCCs的联结变压器，逆变侧LCC_r与VSC_r的联结变压器。

图3中LCC_s1、LCC_s2表示整流侧采用的两个LCC结构；LCC_r1、VSC_r1、LCC_r2、VSC_r2表示逆变侧采用的两个LCC与VSC串联结构；Ts₂、Tr₃、Tr₄分别表示整流侧LCC_s2的联结变压器，逆变侧LCC_r2与VSC_r2的联结变压器。

图3中其余各变量与图2中相应变量意义相同；图4中其余各变量与图2和图3中相应变量意义相同；图5中其余各变量与图2和图3中相应变量意义相同。

如图6-7所示，图6-7为换流器采用的控制策略说明图；

图6为LCC的控制策略，整流侧LCC采用定直流电流控制，逆变侧LCC采用定直流电压控制。其中I_dcref、I_dc分别表示直流电流参考值与测量值；U_dcinvref、U_dcinv分别表示逆变侧直流电压参考值与测量值；PI表示比例积分环节；α_ord表示延迟触发角指令。

图7为逆变侧VSC的控制策略，逆变侧VSC采用基于dq轴分解的定直流电压与定交流母线电压控制，其中，U_dcref、U_dc分别表示逆变侧VSC直流电压参考值与测量值；U_sref、U_s分别表示逆变侧交流母线电压参考值与测量值；I_dref、I_qref分别表示d-q旋转坐标系下d轴电流参考值与q轴电流参考值；u_caref、u_cbref、u_ccref分别表示VSC换流器出口处三相参考电压。

整流侧采用定直流电流控制可使直流线路在稳态运行时传输的有功功率达到额定值，逆变侧LCC与VSC均采用定直流电压控制可稳定线路直流电压，VSC采用定交流母线电压控制可稳定逆变侧母线电压，提高系统的稳定性。

图7中其余各变量与图6中相应变量意义相同。

如图8所示，图8为直流故障时逆变侧直流回路等效电路图；

图8中，D_LCC、U_{dc_LCC}(αord)分别表示发生直流故障时逆变侧LCC等效的晶闸管与直流电压源的电压；U_{dc_VSC}表示发生直流故障时VSC等效的理想电压源的电压。

发生直流故障时，逆变侧LCC与VSC不闭锁运行，利用所提出的混合串联换流器拓扑结构，快速阻断直流故障电流；故障清除后，执行重启步骤，实现系统的快速恢复。

发生直流故障时，以图2中结构为例进行分析，根据晶闸管的单向导电性可将LCC等效为一个晶闸管T_LCC和一个直流电压可变的电压源，其电压为U_{dc_LCC}(α_ord)，VSC的直流电压因定直流电压的控制策略在发生故障时也能稳定在额定值的90％至110％之间，因此将VSC等效为电压源，其电压为U_{dc_VSC}，从而得到直流故障时的等效电路图如图4所示。由于晶闸管的阻断作用，无法形成故障电流通路，故利用所提出的由LCC和VSC组成的混合串联拓扑结构可以阻断直流故障电流。

当直流故障发生后，U_{dc_LCC}(α_ord)变为负值，当逆变侧LCC的延迟触发角α_ord满足下式时，可使U_{dc_LCC}(α_ord)的绝对值小于U_{dc_VSC}，从而使图4等效电路中晶闸管T_LCC一直承受反向电压，故障电流一直保持阻断状态，从而实现逆变侧故障电流的快速阻断。

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ord}}\≥\arccos \frac{\mathrm{\π}{U}_{\mathrm{dc}\_\mathrm{VSC}}}{3\sqrt{2}{U}_s}---\left(1\right)$

式中，U_s为LCC联结变压器副边侧线电压。

故障发生时，整流侧LCC通过延迟触发角的移相，使其工作在逆变状态，以尽快减小整流侧的故障电流，逆变侧LCC与VSC在定直流电压控制策略的作用下将直流电压控制在0附近。故障清除后，执行重启步骤，逆变侧LCC的直流电压通过控制系统缓慢升至额定值，同时，整流侧LCC的直流电流也缓慢升至额定值，从而实现系统的快速恢复。

本发明的系统还具有在快速故障恢复的能力。直流故障发生时，电压源换流器VSC通过定直流电压控制方式使电压U_{dc_VSC}至额定值，所述电压源换流器VSC始终处于“热备用”状态，故障消除后无需重新为所述电压源换流器VSC充电，大大提高了故障恢复的速度。逆变侧LCC的直流电压可以通过控制系统作用缓慢升至额定值，同时，整流侧LCC的直流电流也缓慢升至额定值，从而实现系统的快速恢复。

相应的，本发明提供了故障恢复的方法，直流故障发生后，具备直流故障穿越能力的高压架空输电线路恢复正常稳态运行的控制方法如下：

1)直流故障发生时，整流侧LCC通过延迟触发角的移相，使其工作在逆变状态，以尽快减小整流侧的故障电流。

2)直流故障发生时，由于晶闸管的单向导电性，不存在直流故障电流的流通路径。此时，逆变侧的VSC保持工作状态，不闭锁，使VSC的电压尽量维持在额定工作点附近，从而使逆变侧LCC的直流电压自动变为负值。

3)故障消除后，经过一段时间去游离过程，执行重启步骤，逆变侧LCC的直流电压通过控制系统缓慢升至额定值，同时，整流侧LCC的直流电流也缓慢升至额定值，从而实现系统的快速恢复。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统，所述高压直流输电系统包括整流站、输电线路和逆变站，所述整流站和逆变站包括换流器，整流侧的所述换流器和逆变侧的所述换流器通过所述输电线路连接；其特征在于：所述整流侧的换流器包括电网换相换流器LCC；所述逆变侧的换流器包括串联的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC，所述电压源换流器VSC的正极与所述电网换相换流器LCC的负极相连；

发生直流故障时，所述逆变站直流侧的电网换相换流器LCC等效为串联的晶闸管D_LCC和直流电压可变的电压源，电压为U_{dc_LCC}；所述逆变侧的电压源换流器VSC等效为电压源，电压为U_{dc_VSC}；

所述逆变侧的电压源换流器VSC和电网换相换流器LCC组成混合串联拓扑结构阻断直流故障电流。

2.如权利要求1所述的高压直流输电系统，其特征在于：高压架空输电线路为用于输电线路的具有直流故障穿越能力的线路。

3.如权利要求1所述的高压直流输电系统，其特征在于：直流故障发生时，所述电压源换流器VSC通过定直流电压控制方式使电压U_{dc_VSC}至额定值的90％至110％之间，所述逆变侧的电网换相换流器LCC的电压U_{dc_LCC}变为负值，当所述逆变侧的电网换相换流器LCC的延迟触发角α_ord满足下式时，使所述逆变侧的电网换相换流器LCC的电压U_{dc_LCC}的绝对值小于所述逆变侧的电压源换流器VSC的电压U_{dc_VSC}，实现逆变侧故障电流的快速阻断；

式中，U_s为所述网换相换流器LCC联结变压器副边侧线电压；

故障消除后，经过一段时间去游离过程，执行重启步骤。

4.如权利要求1所述的高压直流输电系统，其特征在于：所述直流故障发生时，所述电压源换流器VSC通过定直流电压控制方式使电压U_{dc_VSC}至额定值，所述电压源换流器VSC始终处于“热备用”状态，故障消除后无需重新为所述电压源换流器VSC充电，提高故障恢复的速度；

通过控制系统控制所述逆变侧的电网换相换流器LCC的直流电压和所述整流侧的电网换相换流器LCC的直流电流升至额定值，实现所述高压直流输电系统的快速恢复。

5.如权利要求1所述的高压直流输电系统，其特征在于：所述输电线路为高压大容量远距离输电的高压直流输电线路。

6.如权利要求1所述的高压直流输电系统，其特征在于：所述电压源换流器VSC可采用两电平结构、HBMMC、FBMMC或CDMMC结构。

7.如权利要求1所述的高压直流输电系统，其特征在于：所述整流站采用LCC结构；

若采用双极LCC结构，则一极采用单极LCC-HVDC结构；另一极的整流站采用LCC结构，逆变站采用LCC和VSC串联结构。