CN105140949A - 一种混合直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合直流输电系统，包括LCC系统和MMC系统，LCC系统的直流侧通过直流输电线路对应连接MMC系统的直流侧，LCC系统由至少一个换相换流阀LCC构成，MMC系统由至少两个MMC支路构成，MMC支路的直流侧并联，交流侧通过对应的变压器连接交流电网。该系统结合了LCC-HVDC技术成熟、成本低廉的优点和VSC-HVDC技术调节性能优良、无换相失败、拓展性强的特点，并且相互对各自的缺陷进行了完善。另外，使用至少两个MMC并联的方式来提升MMC系统侧的容量，该MMC系统侧的容量就是所有的MMC支路的容量之和，从而与高容量等级的LCC系统相匹配，实现大容量的传输，保证了高压直流输电可靠传输。

Description

一种混合直流输电系统

技术领域

本发明涉及一种混合直流输电系统，属于高压直流输电技术领域。

背景技术

目前，传统直流输电系统(又称电网换相换流器高压直流输电系统，LineCommutatedConverterBasedHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC)由于其技术成熟，输电容量高、有功功率快速可控等优势得到广泛应用。但是，LCC-HVDC系统存在着逆变站换相失败、无法对弱交流系统供电、运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷，在一定程度上制约它的发展。

随着电力科技的发展，以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电(VoltageSourceConverterBasedHighVoltageDirectCurrent，VSC-HVDC)因其独立的有功、无功控制能力、无换相失败风险、可为无源孤岛供电等诸多优点得到学术界与工业界的青睐，其中基于模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的MMC-HVDC系统具有开关频率较低、开关损耗小、无需交流滤波器组和扩展性强等优点，成为柔性直流输电系统的主流趋势。但是，MMC-HVDC系统造价昂贵、容量等级偏低、且无法有效地处理直流故障等缺点却制约其在远距离大容量输电场合的运用。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合直流输电系统，用以解决现有的LCC直流输电系统和MMC直流输电系统均存在着缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种混合直流输电系统，包括LCC系统和MMC系统，所述LCC系统的直流侧通过直流输电线路对应连接所述MMC系统的直流侧，所述LCC系统由至少一个换相换流阀LCC构成，所述MMC系统由至少两个MMC支路构成，所述至少两个MMC支路的直流侧并联，所述至少两个MMC支路的交流侧通过对应的变压器连接交流电网。

所述每个MMC支路中的每个桥臂上均包括全桥子模块和半桥子模块，所述全桥子模块和半桥子模块的比例大于或者等于1：1。

所述MMC系统中，至少有一个MMC支路中包括混合双子模块，所述混合双子模块包括4个功率模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，所述T1的阳极连接所述T4的阳极，所述T2的阴极连接T3的阴极，所述T1的阴极连接所述T2的阳极，所述T4的阴极通过所述电容C2连接所述T3的阳极，所述T1和T4的连接点与所述T2和T3的连接点之间连接所述电容C1，所述T1和T2的连接点为所述混合双子模块的一个端口，所述C2和T4的连接点为所述混合双子模块的另一个端口。

所述功率模块为IGBT模块，所述功率模块的阳极为IGBT模块的集电极，所述功率模块的阴极为IGBT模块的发射极。

每个所述功率模块均反向并联一个二极管。

所述LCC系统的交流端与地之间串接有交流无功补偿装置组，所述交流无功补偿装置组与一个交流滤波器组并联。

所述LCC系统的直流母线上串设有直流平波电抗器。

所述LCC系统的直流母线之间连接有一个直流滤波器。

本发明提供的混合直流输电系统中，两个交流侧分别为LCC系统和MMC系统，LCC系统的直流侧通过直流输电线路对应连接MMC系统的直流侧，该系统结合了LCC-HVDC技术成熟、成本低廉的优点和VSC-HVDC技术调节性能优良、无换相失败、拓展性强的特点，并且相互对各自的缺陷进行了完善。另外，为了改善VSC-HVDC输电容量尚不足以与LCC-HVDC系统相匹配，使用至少两个MMC并联的方式来提升MMC系统侧的容量，由于多个MMC支路并联，该MMC系统侧的容量就是所有的MMC支路的容量之和，从而与高容量等级的LCC系统相匹配，实现大容量的传输，保证了高压直流输电可靠传输。

附图说明

图1是混合直流输电系统的系统结构图；

图2是混合双子模块的结构示意图；

图3-1是混合子模块正常工作模式下的第一种工作状态示意图；

图3-2是混合子模块正常工作模式下的第二种工作状态示意图；

图3-3是混合子模块正常工作模式下的第三种工作状态示意图；

图3-4是混合子模块正常工作模式下的第四种工作状态示意图；

图4-1是混合子模块闭锁模式下的其中一种工作状态示意图；

图4-2是混合子模块闭锁模式下的另一种工作状态示意图；

图5是模块混合型模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图；

图6是半桥子模块的拓扑结构示意图；

图7是全桥子模块的拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，该混合直流输电系统包括送端换流站和受端换流站，送端换流站主要由电网换相换流器LCC系统构成，受端换流站主要由至少两个模块化多电平换流器MMC并联构成，其中，LCC系统的交流侧接入送端交流系统，MMC系统的交流侧接入受端交流系统，LCC系统与MMC系统分别连接在直流输电线路的两端。该混合直流输电系统的主接线方式可以是对称双极接线，也可以是对称单极接线，还可以是单极大地回路接线或单极金属回路接线。

LCC系统的交流侧通过换流变压器连接送端交流电网，送端交流电网与地之间串接有交流无功补偿装置组，交流无功补偿装置组与交流滤波器组ACF并联，用于滤除换流装置运行所产生的谐波电流并提供所需无功功率。LCC系统的直流母线之间连接有一个直流滤波器DCF，并且直流母线上串设有直流平波电抗器。直流平波电抗器和滤波器DCF连接在LCC系统的直流侧，用于平抑直流电中的纹波。

LCC系统是由半控型的晶闸管为基础构成的三相桥式电路，可以是6个桥臂构成的6脉冲换流器，即是由一个电网换相换流器LCC构成；还可以是由两个6脉冲换流器组成的12脉冲换流器，即是由两个电网换相换流器LCC构成；当然，还可以由更多的电网换相换流器LCC构成。多个LCC之间的连接方式为现有技术，这里不做赘述。通过该LCC系统的控制，可以将送端电网的交流电转换为直流电，并经直流输电线路传给受端换流站。通过MMC系统的控制，可以将直流输电线路上的直流电转换为受端交流系统的交流电，从而实现送受端系统能量传输。

MMC系统由至少两个MMC支路(以下简称MMC)并联构成，其中，MMC的个数根据具体的容量要求情况进行相应设置，比如为了提升容量，可以多于两个MMC并联设置。本实施例以由两个MMC并联构成的MMC系统为例。两个MMC并联是指两者直流侧正极、负极、接地极等分别并联连接，形成并联MMC系统的直流侧正极、负极、接地极等；交流侧通过对应的变压器连接交流电网，形成并联MMC系统的交流侧。

每个MMC是由三相六个桥臂组成，每个桥臂上均包括MMC子模块，这些子模块可以是现有技术中的全桥子模块、半桥子模块或者钳位双子模块，还或者是一种混合双子模块。MMC中可以全部由上述子模块中的一种子模块组成，还可以由多种子模块组成。但是，本实施例中，该MMC系统中的MMC中，至少有一个MMC包括混合双子模块。

如图2所示，该混合双子模块包括4个IGBT模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，T1的集电极连接T4的集电极，T2的发射极连接T3的发射极，T1的发射极连接T2的集电极，T4的发射极通过电容C2连接T3的集电极，T1和T4的连接点与T2和T3的连接点之间连接电容C1，T1和T2的连接点为该混合双子模块的一个端口，C2和T4的连接点为该混合双子模块的另一个端口。混合双子模块内所有的IGBT(T1、T2、T3、T4)均反并联了续流二极管，T1、T2、T3、T4的基极分别接受外部设备提供的控制信号。

该混合双子模块有两种工作模式，正常运行模式和闭锁模式。在正常运行模式下，T1和T2之间最多只能有一个IGBT导通，为了防止电容C1短路，T1和T2均不能同时导通；T3和T4之间最多只能有一个IGBT导通。

混合双子模块在正常工作模式下，有4种工作状态，正常运行模式下的4种运行状态如图3-1至3-4所示，(1)为当T1、T3导通时的电流流向，(2)为当T1、T4导通时的电流流向，(3)为当T2、T3导通时的电流流向，(4)为当T2、T4导通时的电流流向。如表1所示，当T1、T3导通时，端口输出电压为两个电容电压和；当T1、T4导通时，端口输出电压为零；当T2、T3导通时，端口输出电压为电容C2电压；当T2、T4导通时，端口输出电压为电容C1的反向电压，即为输出负电压。电流方向不影响端口输出电压。表1中，Usm表示子模块端口输出电压。

表1

由混合双子模块的正常工作模式可知，该子模块能够输出4种电压，分别为两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压。说明该子模块能够代替2个半桥子模块输出2倍电容电压的同时，具备全桥子模块的负电压特性，能提高直流电压利用率，提升系统容量。

混合双子模块在闭锁模式下，有2种工作状态，闭锁模式下的2种运行状态如图4-1和4-2所示。在闭锁状态下，所有IGBT均处于关断状态。当流过正向电流(电流方向由A至B)时，端口输出电压为两个电容电压和；当流过负向电流时，端口输出电压为电容C1的负向电压，即与电流反向的电压。

该混合双子模块能够输出4种电压，分别为两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压。由于一个该混合双子模块能够输出两倍的电容电压，所以一个混合双子模块相当于两个半桥子模块，其能够同时替代两个半桥子模块。而且，由于该混合双子模块能够输出负向的电压，其具备全桥子模块的负电压特性，所以该混合双子模块能够提高直流电压利用率，提升系统的容量。而且，由于多个MMC并联，所以，该混合直流输电系统能够很大程度上提升整个系统的容量，保证直流输电的可靠性。另外，混合双子模块内部的两个电容器，可以根据需要合理配置这两个电容电压为不同值。该方式下，能够有效扩展MMC的应用范围，例如合理配置子模块中的两个电容电压以实现该MMC提高调制度的同时具备STATCOM运行故障穿越能力。

另外，该混合直流输电系统工作时，受端换流站可进行有功、无功解耦控制，并能够连接弱交流系统，或向无源网络供电，提高系统技术性。当直流线路出现短路故障时，LCC系统可以通过调整触发角来克服直流故障。由于MMC中的桥臂由混合双子模块构成或者混合双子模块与其他一种或者几种现有子模块级联构成，那么，该混合式MMC换流器按照实际情况进行拓展时具有广泛的应用，如提高调制度的同时具备STATCOM运行故障穿越能力、节约系统硬件成本等。

实施例2

本实施例中，每个MMC中的每个桥臂中包括两种子模块，分别为全桥子模块和半桥子模块，如图5所示。全桥子模块和半桥子模块以全控型电力电子器件构成，比如IGBT，其拓扑结构如图6和7所示。

其中，每个桥臂中的全桥子模块和半桥子模块的比例大于或者等于一比一，MMC由于使用了全桥子模块和半桥子模块混合，当直流线路出现短路故障时，LCC系统可以通过调整触发角来克服直流故障，而MMC系统可以通过闭锁子模块来阻断短路电流，或控制其直流端输出零电压，从而有效的穿越直流短路故障，提高系统在直流短路故障时的投运率，另一方面也降低或避免了造价高昂的直流电缆的使用，适用于架空线传输方式，从而提高了系统经济性。

上述两个实施例中，功率模块为IGBT，其并不局限于IGBT，还可以是其他类型的全控型器件，每个器件反向并联一个二极管。

上述两个实施例中，送电端为LCC系统，受电端为MMC系统，作为其他的实施例，送电端还可以是MMC系统，受电端为LCC系统。

上述两个实施例中，给出了MMC系统中的两种情况，但是，其并不局限于上述两种情况，作为其他的实施例，MMC桥臂上还可以包括更多类型的子模块。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种混合直流输电系统，其特征在于，包括LCC系统和MMC系统，所述LCC系统的直流侧通过直流输电线路对应连接所述MMC系统的直流侧，所述LCC系统由至少一个换相换流阀LCC构成，所述MMC系统由至少两个MMC支路构成，所述至少两个MMC支路的直流侧并联，所述至少两个MMC支路的交流侧通过对应的变压器连接交流电网。

2.根据权利要求1所述的混合直流输电系统，其特征在于，所述每个MMC支路中的每个桥臂上均包括全桥子模块和半桥子模块，所述全桥子模块和半桥子模块的比例大于或者等于1：1。

3.根据权利要求1所述的混合直流输电系统，其特征在于，所述MMC系统中，至少有一个MMC支路中包括混合双子模块，所述混合双子模块包括4个功率模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，所述T1的阳极连接所述T4的阳极，所述T2的阴极连接T3的阴极，所述T1的阴极连接所述T2的阳极，所述T4的阴极通过所述电容C2连接所述T3的阳极，所述T1和T4的连接点与所述T2和T3的连接点之间连接所述电容C1，所述T1和T2的连接点为所述混合双子模块的一个端口，所述C2和T4的连接点为所述混合双子模块的另一个端口。

4.根据权利要求3所述的混合直流输电系统，其特征在于，所述功率模块为IGBT模块，所述功率模块的阳极为IGBT模块的集电极，所述功率模块的阴极为IGBT模块的发射极。

5.根据权利要求4所述的混合直流输电系统，其特征在于，每个所述功率模块均反向并联一个二极管。

6.根据权利要求1所述的混合直流输电系统，其特征在于，所述LCC系统的交流端与地之间串接有交流无功补偿装置组，所述交流无功补偿装置组与一个交流滤波器组并联。

7.根据权利要求1所述的混合直流输电系统，其特征在于，所述LCC系统的直流母线上串设有直流平波电抗器。

8.根据权利要求1所述混合直流输电系统，其特征在于，所述LCC系统的直流母线之间连接有一个直流滤波器。