CN105162156B - 基于双mmc换流器的电网输电增容改造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，包括：构建电压源换流器和电压电流调节器；电压源换流器包括送端电压源换流器和受端电压源换流器，电压电流调节器包括送端电压电流调节器和受端电压电流调节器；将送端电压源换流器接入送端交流系统和送端电压电流调节器之间，以及将受端电压源换流器接入受端交流系统和受端电压电流调节器之间；将送端电压电流调节器和受端电压电流调节器通过交流电缆连接。与现有技术相比，本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，具备动态无功补偿、谐波治理等优点，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

基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法

技术领域

本发明涉及输电系统领域，具体涉及一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法。

背景技术

近年，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。但是，交流电缆线路在直流工况下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。因此，针对电缆线路，需要提供一种电网输电增容改造方法，以大幅提高交流电缆线路的输送能力。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法。

本发明的技术方案是：

所述方法包括：

构建电压源换流器和电压电流调节器；所述电压源换流器包括送端电压源换流器和受端电压源换流器，所述电压电流调节器包括送端电压电流调节器和受端电压电流调节器；

将所述送端电压源换流器接入送端交流系统和所述送端电压电流调节器之间，以及将所述受端电压源换流器接入受端交流系统和所述受端电压电流调节器之间；

将所述送端电压电流调节器和受端电压电流调节器通过交流电缆连接。

优选的，所述送端电压源换流器和受端电压源换流器均为模块化多电平电压源换流器；

所述模块化多电平电压源换流器的上桥臂和下桥臂均包括N个串联的功率子模块，N至少为2；所述上桥臂和下桥臂通过电抗器连接；

优选的，通过调节所述模块化多电平电压源换流器中每相桥臂的导通和关断，周期性改变电网中交流输电线路输出的电压极性和电流方向；

优选的，所述送端电压电流调节器和受端电压电流调节器均为模块化多电平调节器；

所述模块化多电平电压源调节器的上桥臂和下桥臂均包括N个串联的功率子模块，N至少为2；所述上桥臂和下桥臂通过导线连接；

优选的，送端电压电流调节器的上桥臂与送端电压源换流器的正极输出端连接，送端电压电流调节器的下桥臂与送端电压源换流器的负极输出端连接；

受端电压电流调节器的上桥臂与受端电压源换流器的正极输出端连接，受端电压电流调节器的下桥臂与受端电压源换流器的负极输出端连接；

优选的，所述送端电压电流调节器中每相的上桥臂和下桥臂的连接点，以及所述受端电压电流调节器中每相的上桥臂和下桥臂的连接点，通过交流电缆连接；

所述交流电缆包括第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆；

优选的，所述功率子模块包括第一IGBT单元、第二IGBT单元和直流电容器；所述第一IGBT单元和第二IGBT单元串联形成串联支路，该串联支路与所述直流电热器并联；

优选的，所述第一IGBT单元和第二IGBT单元均包括反向并联在IGBT两端的二极管；

优选的，所述送端电压源换流器的输入端均接入所述送端交流系统的同一个母线中，或者所述输入端分别接入送端交流系统的不同母线中；

所述受端电压源换流器的输出端均接入所述受端交流系统的同一个母线中，或者所述输出端分别接入受端交流系统的不同母线中。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，利用了模块化多电平电压源换流良好的控制性能，配合模块化多电平的电压电流调节器，能够很好的解决三相交流电缆输电线路的增容改造问题，最大化原有交流电流线路的传输功率；

2、本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，针对交流电缆线路的增容改造技术，大大削弱了电缆线路中空间电荷积累的问题，保证了改造后电缆线路的绝缘性能；

3、本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，能够充分、均衡利用三相交流电缆线路的通流能力，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；

4、本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，可大幅提高原有交流线路的输送能力，其电压源换流器与电压电流调节器采用MMC技术，该技术成熟度高，可扩展性强，推广应用前景良好；

5、本发明提供的输电系统，应用于三相交流电缆线路输电系统改造，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、本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，采用电压源换流器，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；

7、本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，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，在不增加输电系统短路水平的同时，还能为输电系统提供动态电压支撑和有源滤波功能，显著提高输电系统的运行灵活性和可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中采用基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法改造后的输电系统结构示意图；

图2：本发明实施例中功率子模块结构示意图；

图3：本发明实施例中第一极交流电缆电流和电压波形图；

图4：本发明实施例中第二极交流电缆电流和电压波形图；

图5：本发明实施例中第三极交流电缆电流和电压波形图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，利用了模块化多电平电压源换流器良好的控制性能，很好的解决了交流电缆线路的增容改造问题，减小空间电荷积累对交流电缆线路绝缘的影响，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。

本发明提供的基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法的实施例如图1所示，具体为：

构建电压源换流器和电压电流调节器。其中，电压源换流器包括送端电压源换流器和受端电压源换流器，电压电流调节器包括送端电压电流调节器和受端电压电流调节器。

将送端电压源换流器接入送端交流系统和送端电压电流调节器之间，以及将受端电压源换流器接入受端交流系统和受端电压电流调节器之间。

将送端电压电流调节器和受端电压电流调节器通过交流电缆连接。

1、电压源换流器

送端电压源换流器和受端电压源换流器均为模块化多电平电压源换流器；该模块化多电平电压源换流器的上桥臂和下桥臂均包括N个串联的功率子模块，N至少为2；上桥臂和下桥臂通过电抗器连接。

本实施例中通过调节模块化多电平电压源换流器中每相桥臂的导通和关断，从而周期性改变电网中交流输电线路输出的电压极性和电流方向。

本实施例中电压源换流器接入交流系统包括两种连接方式：

①：送端电压源换流器的输入端均接入送端交流系统的同一个母线中，受端电压源换流器的输出端均接入受端交流系统的同一个母线中。

②：送端电压源换流器的输入端分别接入送端交流系统的不同母线中，受端电压源换流器的输出端分别接入受端交流系统的不同母线中。

本实施例中送端电压源换流器和受端电压源换流器均为三相换流器，每台换流器包括三个单相半桥模块化级联的换流桥臂，每个换流桥臂包括的功率子模块个数取决于待改造输电系统的容量和电压等级。

2、电压电流调节器

送端电压电流调节器和受端电压电流调节器均为模块化多电平调节器；该模块化多电平电压源调节器的上桥臂和下桥臂均包括N个串联的功率子模块，N至少为2；上桥臂和下桥臂通过导线连接。

本实施例中模块化多电平调节器与上述模块化多电平电压源换流器的主要组成结构相同，区别在于模块化多电平调节器中每相的上桥臂和下桥臂之间直接通过导线连接，而不接入电抗器。

本实施例中送端电压电流调节器和受端电压电流调节器均为三相调节器，每台调节器包括三个单相半桥模块化级联的换流桥臂，每个换流桥臂包括的功率子模块个数取决于待改造输电系统的容量和电压等级。

如图2所示，本实施例中功率子模块的具体结构为：

该模块包括第一IGBT单元、第二IGBT单元和直流电容器。

第一IGBT单元和第二IGBT单元串联形成串联支路，该串联支路与直流电热器并联。第一IGBT单元和第二IGBT单元均包括反向并联在IGBT两端的二极管。

3、电压源换流器和电压电流调节器的具体连接方式为：

(1)送端

送端电压电流调节器的上桥臂与送端电压源换流器的正极输出端连接，送端电压电流调节器的下桥臂与送端电压源换流器的负极输出端连接。

(2)受端

受端电压电流调节器的上桥臂与受端电压源换流器的正极输出端连接，受端电压电流调节器的下桥臂与受端电压源换流器的负极输出端连接。

(3)送端电压电流调节器中每相的上桥臂和下桥臂的连接点，以及受端电压电流调节器中每相的上桥臂和下桥臂的连接点，通过交流电缆连接。

交流电缆包括第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆。如图1所示，送端电压电流调节器的一相通过第一极交流电缆与受端电压电流调节器连接，一相通过第二极交流电缆与受端电压电流调节器连接，一相通过第三极交流电缆与受端电压电流调节器连接。其中，L1为第一极交流电缆的线路阻抗，L2为第二极交流电缆的线路阻抗，L3为第三极交流电缆的线路阻抗。

本实施例中所述的送端和受端，在输电系统潮流方向时主从关系可以互换，即输电系统能够实现正反两个方向的电能输送。同时，第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆之间的潮流流动，不予大地构成通路，避免了高频电磁干扰和大地中金属设备的复试，采用电压电流调节器控制交流电缆中线路电压和电流没削弱了其空间电荷积累的问题。

4、按照本发明提供的电网输电增容改造方法对电网进行改造后，电网输电系统的工作过程为：

通过周期性改变图1中所示三极交流电缆的线路电压极性与电流的反向，能够在发热限制相同的条件下增大原有输电系统的输送功率，同时通过周期性的改变三极交流电缆的线路电压极性，还可以消减电缆线路的空间电荷积累。第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆的线路电流值在I_max和I_min之间周期性变化，其方向随交流电缆的线路电压极性的变化而变化。

第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆的线路发热限制相同，舍弃热稳定极限电流为，根据在一个周期T内，各极点看的发热小小于其额定交流电流的发热量，则依据如3-5所示，第一极交流电缆的约束条件为：

第二极交流电缆的约束条件为：

第三极交流电缆的约束条件为：

T₁(I_min+I_min)²+T₂(I_max-I_min)²+T₃(I_min-I_max)²+T₄(I_min+I_min)²+T₅(I_min-I_max)²+T₆(I_max-I_min)²≤T·1² (3)

其中，I_max为第一极交流电缆和第二极交流电缆的线路电流最大值，I_min为第一极交流电缆和第二极交流电缆的线路电流最小值，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆为维持线路电流最大值和线路电流最小值不变的运行时间，

联立式(1)和(2)得到：

对式(3)进行变换得到：

联立式(4)和(5)得到：

当直流电压取相电压峰值时，即设相电压有效值为1，则而改造前P＝3U_ac·I_ac＝3，因此改造后输送功率是改造前输送功率的1.33倍。

由于第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆中任两条电缆并联时，其直流电流均为I_min，因此并不需要串联分流电阻来实现电流的调节，大大减小了输电系统的损耗。如图3-5所示当第一极交流电缆线路与第三极交流电缆线路并联，电压为-U_DC，共同流过反向电流为-I_min时，第二极交流电缆线路工作电压为+U_DC，通过正向电流为I_max；

①：t₁时刻起，使第一极交流电缆线路电压极性反转，此时第一极交流电缆线路与第二极交流电缆线路并联，电压为+U_DC，共同流过正向电流均为I_min，第三极交流电缆线路极性保持不变，电压为-U_DC，流过反向电流为-I_max。

②：t₂时刻起，使第二极交流电缆线路电压极性反转，此时第二极交流电缆线路与第三极交流电缆线路并联，电压为-U_DC，共同流过反向电流为-I_min，第一极交流电缆线路极性保持不变，电压为+U_DC，流过正向电流为+I_max。

③：t₃时刻起，使第三极交流电缆线路极性反转，此时第三极交流电缆线路与第一级交流电缆线路并联，电压为+U_DC，共同流过正向电流+I_min，第二极交流电缆线路记性保持不变，电压为-U_DC，流过反向电流为-I_max。

④：t₄时刻起，使第一级交流电缆线路极性反转，此时第一级交流电缆线路与第二极交流电缆线路并联，电压为-U_DC，共同流过反向电流为-I_min，第三极交流电缆线路极性保持不变，电压为+U_DC，流过正向电流为+I_max。

⑤：t₅时刻起，使第二极交流电缆线路极性反转，此时第二极交流电缆线路和第三极交流电缆线路并联，电压为+U_DC，共同流过正向电流+I_min，第二极电缆线路极性保持不变，电压为-U_DC，流过反向电流为-I_max。

⑥：t₆时刻起，使第三极交流电缆线路极性反转，此时第一极交流电缆线路和第三极交流电缆线路并联，电压为-U_DC，共同流过反向电流-I_min，第二极电缆线路极性保持不变，电压为+U_DC，流过正向电流为+I_max，以此规律周期性变化。

本发明提供的基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，采用电压电流调节器，周期性地改变三极交流电缆线路的电压极性、电流方向。通过适当的控制，可使输送功率在三极交流电缆线路之间的协调分配，并使三极交流电缆线路电流均达到其发热限制，按运行电压为原交流输电系统相电压的峰值分析，可提升原有交流线路输送功率1.33倍。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：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于双MMC换流器的电网输电增容改造方法，其特征在于，所述方法包括：

构建电压源换流器和电压电流调节器；所述电压源换流器包括送端电压源换流器和受端电压源换流器，所述电压电流调节器包括送端电压电流调节器和受端电压电流调节器；

将所述送端电压源换流器接入送端交流系统和所述送端电压电流调节器之间，以及将所述受端电压源换流器接入受端交流系统和所述受端电压电流调节器之间；

将所述送端电压电流调节器和受端电压电流调节器通过交流电缆连接；

所述送端电压电流调节器和受端电压电流调节器均为模块化多电平调节器；

所述模块化多电平调节器的上桥臂和下桥臂均包括N个串联的功率子模块，N至少为2；所述上桥臂和下桥臂通过导线连接；

所述送端电压电流调节器中每相的上桥臂和下桥臂的连接点，以及所述受端电压电流调节器中每相的上桥臂和下桥臂的连接点，通过交流电缆连接；

所述交流电缆包括第一极交流电缆、第二极交流电缆和第三极交流电缆。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述送端电压源换流器和受端电压源换流器均为模块化多电平电压源换流器；

所述模块化多电平电压源换流器的上桥臂和下桥臂均包括N个串联的功率子模块，N至少为2；所述上桥臂和下桥臂通过电抗器连接。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过调节所述模块化多电平电压源换流器中每相桥臂的导通和关断，周期性改变电网中交流输电线路输出的电压极性和电流方向。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，送端电压电流调节器的上桥臂与送端电压源换流器的正极输出端连接，送端电压电流调节器的下桥臂与送端电压源换流器的负极输出端连接；

受端电压电流调节器的上桥臂与受端电压源换流器的正极输出端连接，受端电压电流调节器的下桥臂与受端电压源换流器的负极输出端连接。

5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述功率子模块包括第一IGBT单元、第二IGBT单元和直流电容器；所述第一IGBT单元和第二IGBT单元串联形成串联支路，该串联支路与所述直流电容器并联。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一IGBT单元和第二IGBT单元均包括反向并联在IGBT两端的二极管。

7.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述送端电压源换流器的输入端均接入所述送端交流系统的同一个母线中，或者所述输入端分别接入送端交流系统的不同母线中；

所述受端电压源换流器的输出端均接入所述受端交流系统的同一个母线中，或者所述输出端分别接入受端交流系统的不同母线中。