CN104167753A - 基于cdsm-mmc-hvdc和lcc-hvdc的三极直流输电系统 - Google Patents

基于cdsm-mmc-hvdc和lcc-hvdc的三极直流输电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的直流输电系统，采用三极连接形式进行直流输电，其中的两个极由基于钳位双子模块的模块化多电平换流器的CDSM-MMC-HVDC系统组成，其第三极由基于晶闸管换流器的LCC-HVDC单极系统组成，所述CDSM-MMC-HVDC系统中上下两个CDSM-MMC型换流器串联构成正负双极结构，该正负双极结构的中间引出接地支路并与LCC-HVDC单极系统的接地点连接，所述三个极接受外部控制并通过对三个极的电流指令进行控制，实现三极直流功率传输。本发明提出的输电系统具有很高的可靠性，可以实现线路故障清除，有效地改善换流母线电压的稳定性。

Description

基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的三极直流输电系统
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，具体而言涉及一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的三极直流输电系统。
背景技术
随着我国经济持续高速发展，电力需求矛盾日益突出。一方面电力负荷的增长超出了原有交流输电线路的传输能力，而受土地资源限制，很难获得新的输电走廊；另一方面，传统交流输电受绝缘、交流电网特性限制，线路输送功率很少达到导线所能承受的最大热功率，因此需要采用新技术进一步挖掘现有线路的输电潜力。
与交流输电相比较，采用直流输电，线路电流可以达到导线所能承受的最大热极限。2004年，Barthold L O在专利US6714427B1中提出一种采用直流电流调制，将交流输电线路转化为直流输电线路的三极直流输电技术。在对交流线路改造成直流输电线路的各种转换方案中，由于三极直流输电方案可以充分利用原有的交流三相线路，因此相对于双极和单极直流输电改造方案，三极直流输电方案在提高输电能力、经济成本和可靠性等方面上具有优势。目前利用三极直流输电技术将交流线路改造成直流输电线路处在原理性研究阶段，尚无工程应用实例。
图1为Barthold L O提出的基于常规LCC-HVDC的三极直流输电主回路图，由图所示，极1、极2为常规双极输电系统，极3为具有双向导通能力的单极输电系统，其电压极性和电流方向都可以快速改变。
LCC-HVDC采用半控型晶闸管，具有技术成熟、输送功率大、经济性好等优点，但存在对交流系统强度较为敏感，逆变侧易发生换相失败；不能接入无源系统；无功消耗大，输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波等缺点。
图1中的三极直流输电方案由于采用常规的LCC-HVDC技术，因此同样存在LCC-HVDC的缺点。如逆变侧交流系统发生故障将引起直流三个极同时发生换相失败，导致直流线路输送功率中断，对受端系统安全稳定构成威胁。此外，在三极直流系统运行过程中，各极电流大小以及极3电压极性和电流方向都需要按一定周期快速改变，势必对两端交流系统产生扰动。
近年来，基于电压源变流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术发展很快，与传统直流输电技术相比，具有不需要电网换相电压支撑，可向无源网络供电；不存在换相失败；可实现有功功率、无功功率独立控制；无需无功补偿装置等优点。VSC-HVDC常用的拓扑结构包括两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器(MMC)结构。两电平换流器、三电平换流器由于电平数很少，在直流输电等高压大功率场合应用需要解决器件串联均压、损耗较大等问题，MMC-HVDC具有开关频率低、损耗小、易扩展等特点，较好的解决了上述难题。但是MMC-HVDC系统造价较高，无法有效处理直流侧故障等缺点也制约其应用。
而基于钳位双子模块的模块化多电平换流器直流系统（CDSM-MMC-HVDC）除了具有MMC-HVDC的优点，还具有直流侧故障的自清除和故障极的重启动能力，特别适合于采用架空线路的直流输电。
本发明人基于多年的知识积累和实际经验，潜心研究，利用CDSM-MMC-HVDC优良的调节性能和LCC-HVDC技术成熟、成本低廉的优点，提出一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的三极直流输电系统，满足交流线路改造成直流输电线路的需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的三极直流输电系统，具有线路故障清除能力，解决基于传统LCC-HVDC的三极直流输电的缺点，满足交流线路改造成直流输电线路需要。
为达上述目的，本发明提出一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的直流输电系统，用三极连接形式进行直流输电，其中的两个极由基于钳位双子模块的模块化多电平换流器的CDSM-MMC-HVDC系统组成，其第三极由基于晶闸管换流器的LCC-HVDC单极系统组成，所述CDSM-MMC-HVDC系统中上下两个CDSM-MMC型换流器串联构成正负双极结构，该正负双极结构的中间引出接地支路并与LCC-HVDC单极系统的接地点连接，所述三个极接受外部控制并通过对三个极的电流指令进行控制，实现三极直流功率传输。
进一步，正负双极结构中每个极均包括依次连接的整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、直流输电线路、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器，所述整流侧换流器和逆变侧换流器均采用三相六桥臂结构的CDSM-MMC型换流器，每个桥臂由多个CDSM子模块级联而成并其中配置一个电抗器以抑制环流和故障电流上升率，每个CDSM子模块采用基于钳位双子模块的模块化多电平结构（CDSM-MMC），其额定电压和电流等级均相同。所述整流侧换流器和逆变侧换流器可根据不同电压等级的需要而串联不同数量的子模块。每个CDSM子模块由两个等效半桥单元经过两个箝位二极管和带反并联二极管D5的引导IGBT串并联构成，每个半桥单元内包括两个串联的IGBT和与之并联的电容，CDSM子模块内所有的IGBT的基极分别接受外部控制设备提供的触发信号。
进一步，LCC-HVDC单极系统包括整流侧交流滤波器、整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、整流侧直流滤波器、直流输电线路、逆变侧直流滤波器、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器组和逆变侧交流滤波器，其中所述整流侧换流器和逆变侧换流器采用由两个反向并联的晶闸管构成12脉动换流器，也可以采用由两个反向的12脉动换流器并联组成。换流器可通过串联不同数量的晶闸管以适应不同电压等级的需要。
进一步，CDSM-MMC-HVDC系统构成的两个极整流侧采用定直流电流和定交流电压的控制方式，逆变侧采用定直流电压和定交流电压的控制方式；由LCC-HVDC构成的一个极整流侧采用定直流电流控制，逆变侧采用定关断角控制或定直流电压控制。
进一步，CDSM-MMC-HVDC系统构成的两个极的直流电压极性和直流电流方向恒定不变，两个极的电流定值在最大值Imax和最小值Imin之间周期性调制；LCC-HVDC构成的一个极直流电压极性和直流电流方向都可以快速改变，其直流电流定值取另外两个极的直流电流定值之差，直流电压跟随直流电流方向变化呈现周期性的反转以保证直流功率传输方向不变。
进一步，通过改变CDSM-MMC-HVDC两极电流定值最大值Imax和最小值Imin的比值大小，实现三极直流传输功率的控制。
进一步，CDSM-MMC-HVDC系统的直流侧发生故障时，通过闭锁所有IGBT的触发信号，利用二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程，实现直流故障的自动清除；LCC-HVDC系统的直流侧发生故障时，通过整流侧移相闭锁，实现直流故障的自动清除。
进一步，三极直流输电系统中任何一极发生故障时，自动退出三极输电运行方式，形成由两个CDSM-MMC-HVDC构成的双极系统或由一个CDSM-MMC-HVDC和一个LCC-HVDC构成的双极系统，利用剩余两个极的过载能力减小单极停运对交流系统的影响。
由以上技术方案可知，本发明的有益效果是，本发明提出了一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的直流输电系统，结合了CDSM-MMC-HVDC优良的调节性能和LCC-HVDC的技术成熟、成本低廉的优点，具有很高的可靠性，可以实现线路故障清除，有效地改善换流母线电压的稳定性，降低整个系统逆变侧发生换相失败的几率，相对已有方案具有更强的故障控制能力及更快的故障恢复速度，满足交流线路改造成直流输电线路需要。
附图说明
图1为现有技术中LCC-HVDC的三极直流输电系统原理结构图。
图2为本发明较优实施例的三极直流输电系统的原理结构示意图。
图3为CDSM-MMC型换流器的一个示范性拓扑结构图。
图4为晶闸管换流器的一个示范性拓扑结构图。
图5为晶闸管换流器的另一个示范性拓扑结构图。
图6为图2实施例中为三极直流电输电流调制原理图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
如图2所示，根据本发明的较优实施例，基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的直流输电系统，采用三极连接形式进行直流输电，其中的两个极由基于钳位双子模块的模块化多电平换流器的CDSM-MMC-HVDC系统组成，其第三极由基于晶闸管换流器的LCC-HVDC单极系统组成，所述CDSM-MMC-HVDC系统中上下两个CDSM-MMC型换流器串联构成正负双极结构，该正负双极结构的中间引出接地支路并与LCC-HVDC单极系统的接地点连接，三个极接受外部控制并通过对三个极的电流指令进行控制，实现三极直流功率传输
参考图2和图3所示，CDSM-MMC-HVDC构成的正负双极结构中每个极依次包括整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、直流输电线路、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器，其中，整流侧换流器和逆变侧换流器均采用三相六桥臂结构的CDSM-MMC型换流器，每个桥臂由多个CDSM子模块级联而成并其中配置一个电抗器以抑制环流和故障电流上升率，每个CDSM子模块采用基于钳位双子模块的模块化多电平结构（CDSM-MMC），其额定电压和电流等级均相同。整流侧换流器和逆变侧换流器可根据不同电压等级的需要而串联不同数量的CDSM子模块。
如图3所示的CDSM-MMC型换流器的拓扑结构，每个CDSM子模块由等效半桥单元1和等效半桥单元2经过D6、D7箝位二极管和带反并联二极管D5的引导IGBT（T5）串并联构成。每个半桥单元内包括两个串联的IGBT（T1、T2，T3、T4）和与之并联的电容（C1、C2）。图3中，T1~T5为IGBT；D1~D7为二极管；C1、C2为子模块电容。CDSM子模块内所有的IGBT的基极分别接受外部控制设备提供的触发信号。
参考图2和图4所示，LCC-HVDC单极系统中的单极包括整流侧交流滤波器、整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、整流侧直流滤波器、直流输电线路、逆变侧直流滤波器、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器组和逆变侧交流滤波器，其连接方式是普通技术人员所熟知的，不再赘述。其中：整流侧换流器和逆变侧换流器均采用由两个反向并联的晶闸管所构成的12脉动换流器，也可以采用由两个反向的12脉动换流器并联组成。图4所示为采用两个反向并联的晶闸管所构成的换流器，而图5所示为由两个反向的换流器直接并联组成的换流器，如此可保证LCC-HVDC单击系统具有双向导通能力。整流侧换流器和逆变侧换流器可通过串联不同数量的晶闸管以适应不同电压等级的需要。
CDSM-MMC-HVDC系统中整流侧采用定直流电流和定交流电压/定无功功率的控制方式，在逆变侧采用定直流电压和定交流电压/定无功功率的控制方式；LCC-HVDC单极系统中整流侧采用定直流电流控制，逆变侧采用定关断角控制或定直流电压控制。
CDSM-MMC-HVDC系统中两个极直流电压极性和直流电流方向恒定不变，两个极的电流定值在最大值Imax和最小值Imin之间周期性调制；LCC-HVDC单极系统中极直流电压极性和直流电流方向都可以快速改变，其直流电流定值取另外两个极的直流电流定值之差，直流电压跟随直流电流方向变化呈现周期性的反转以保证直流功率传输方向不变。
通过改变CDSM-MMC-HVDC系统中两个极电流定值最大值Imax和最小值Imin的比值大小，可实现三极直流传输功率的控制。
如图6所示的三极直流输电正常运行时对系统各极电流指令进行调制的原理图，由CDSM-MMC-HVDC系统构成的极1和极2电流指令在最大值Imax和最小值Imin之间不断切换，由LCC-HVDC构成的极3电流指令取极1与极2电流指令的差值。极1和极2的电压极性保持不变。由于极3的电流方向要发生周期性的变化，极3电压跟随极3电流方向变化呈现周期性的反转以保证极3功率传输方向不变。
定义电流调制比M为直流电流最大值与最小值之比，运行时可根据功率传输的需要改变M值。如令M＝1，即Imax=Imin=1，极1和极2都流过恒定的额定电流1pu，极3中没有电流流过，此时三极直流等同于双极直流，输送功率为2pu。当Imax和Imin分别取1.37pu和0.37pu时，M＝1.37/0.37＝3.73，极3电流为1.0pu，此时三极直流输送功率为2.74pu；当M小于3.73时，极3电流小于1.0pu。随M增大，极3电流单调增大，极1和极2电流单调减小。因此通过改变M值的大小，即可控制两端换流站的传输功率。
Idmax与Idmin的调制周期Tm取4～5min，具体值可以优化。Imax和Imin转换过渡过程如图6所示，各极电流指令按适当速率在1-2s内完成定值改变（对应t1和t3），具体值可以优化。在极3电流为0时间内（对应t2），极3电压完成反转。为了维持功率恒定，同时保证极3具有充足的时间实现直流电压和电流的反向，过渡时间（t1、t2和t3之和）不少于4s。由于t1、t2、t3相对于调制周期Tm来说很小，因此对导线发热影响很小。
在三极直流系统运行过程中，各极电流大小以及极3电压极性和电流方向都需要按一定周期快速改变，将对两端交流系统产生扰动，引起交流母线电压波动、闪变，降低两侧交流系统的电能质量。CDSM-MMC-HVDC系统两侧采用定交流电压控制或无功功率控制，通过快速调节CDSM-MMC-HVDC输出的无功功率，抑制交流母线电压波动、闪变，提高两侧交流系统电能质量，改善两侧交流系统性能。
逆变侧交流系统发生故障时，由CDSM-MMC-HVDC系统构成的双极系统不仅不会发生换相失败，而且在交流系统故障切除后LCC-HVDC功率恢复过程中通过增大CDSM-MMC-HVDC系统的无功功率输出，提供动态无功功率支持，有利于LCC-HVDC系统的快速恢复，保证受端系统的电压稳定。
当CDSM-MMC-HVDC系统直流线路发生故障，保护系统向故障极换流器发出闭锁指令，控制器迅速关闭所有IGBT的触发脉冲，故障电流将通过二极管向储能电容充电并迅速减小，加快直流系统能量释放。当故障电流降低到零后，利用电容电压和二极管的反向阻断能力迅速完成闭锁过程，实现直流故障的自动清除。
当LCC-HVDC系统的直流线路发生故障时，通过整流侧移相闭锁，实现直流故障的自动清除。当直流闭锁以后，直流线路经过200-500ms的去游离时间后自动重启，如线路发生暂时性故障，故障清除后，直流电压建立，系统重启成功，恢复直流输送功率；如是永久性故障，则经过1-3次重启不成功，停运直流。上述三极直流输电系统可以利用换流器自身的控制，实现直流侧故障的快速清除和故障极的重启动。
三极直流输电系统任何一极故障，只需闭锁故障极，控制系统发出指令退出三极运行方式，自动转换为双极运行，可形成两个CDSM-MMC-HVDC构成的双极系统或一个CDSM-MMC-HVDC和一个LCC-HVDC构成的双极直流系统。双极直流系统运行均为现有技术，在此不再赘述。
通常双极直流输电系统，一极闭锁，切换成单极运行，损失50%的功率，仍可输送50%的额定功率；而三极直流输电系统一极闭锁，总的传输功率损失不超过额定功率的27%（不考虑过载），如考虑剩余两个极的过载能力（15%过载）,则总的传输功率损失不超过额定功率的16%，因此剩余直流系统仍然可传输84%的额定功率，即利用剩余两个极的功率补偿能力减小直流单极停运对交流系统的影响，因此三极直流输电系统相对双极直流系统具有更高的可靠性。
虽然本发明已以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的修改与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于CDSM-MMC-HVDC和LCC-HVDC的直流输电系统，其特征在于，所述直流输电系统采用三极连接形式进行直流输电，其中的两个极由基于钳位双子模块的模块化多电平换流器的CDSM-MMC-HVDC系统组成，其第三极由基于晶闸管换流器的LCC-HVDC单极系统组成，所述CDSM-MMC-HVDC系统中采用上下两个CDSM-MMC型换流器串联构成正负双极结构，该正负双极结构的中间引出接地支路并与LCC-HVDC单极系统的接地点连接，所述三个极接受外部控制并通过对三个极的电流指令进行控制，实现三极直流功率传输。
2.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于，所述正负双极结构形成的每个极均包括依次连接的整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、直流输电线路、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器，所述整流侧换流器和逆变侧换流器均采用三相六桥臂结构的CDSM-MMC型换流器，每个桥臂由多个CDSM子模块级联而成并其中配置一个电抗器以抑制环流和故障电流上升率，每个CDSM子模块采用基于钳位双子模块的模块化多电平结构，其额定电压和电流等级均相同。
3.根据权利要求2所述的直流输电系统，其特征在于，所述CDSM子模块由两个等效半桥单元经过两个箝位二极管和带反并联二极管D5的引导IGBT串并联构成，每个半桥单元内包括两个串联的IGBT和与之并联的电容，CDSM子模块内所有的IGBT的基极分别接受外部控制设备提供的触发信号。
4.根据权利要求2所述的直流输电系统，其特征在于，所述整流侧换流器和逆变侧换流器可根据不同电压等级的需要而串联不同数量的CDSM子模块。
5.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于，所述LCC-HVDC单极系统包括整流侧交流滤波器、整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、整流侧直流滤波器、直流输电线路、逆变侧直流滤波器、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器组和逆变侧交流滤波器，其中：所述整流侧换流器和逆变侧换流器均采用由两个反向并联的晶闸管构成12脉动换流器，或者采用由两个反向的12脉动换流器并联组成。
6.根据权利要求5所述的直流输电系统，其特征在于，所述LCC-HVDC单极系统的整流侧换流器和逆变侧换流器可通过串联不同数量的晶闸管以适应不同电压等级的需要。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的直流输电系统，其特征在于，所述CDSM-MMC-HVDC系统构成的两个极整流侧采用定直流电流和定交流电压的控制方式，逆变侧采用定直流电压和定交流电压的控制方式；由LCC-HVDC构成的一个极整流侧采用定直流电流控制，逆变侧采用定关断角控制或定直流电压控制。
8.根据权利要求7所述的直流输电系统，其特征在于，所述CDSM-MMC-HVDC系统构成的两个极直流电压极性和直流电流方向恒定不变，两个极的电流定值在最大值Imax和最小值Imin之间周期性调制；LCC-HVDC单极系统构成的一个极直流电压极性和直流电流方向都可以快速改变，其直流电流定值取另外两个极的直流电流定值之差，直流电压跟随直流电流方向变化呈现周期性的反转以保证直流功率传输方向不变。
9.根据权利要求8所述的直流输电系统，其特征在于，所述直流输电系统通过改变CDSM-MMC-HVDC系统构成的两个极电流定值最大值Imax和最小值Imin的比值大小，实现三极直流传输功率的控制。
10.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征在于，任何一极发生故障，自动退出三极输电运行方式，形成由两个CDSM-MMC-HVDC构成的双极系统或由一个CDSM-MMC-HVDC和一个LCC-HVDC构成的双极系统，利用剩余两个极的过载能力减小单极停运对交流系统的影响。
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