CN105406501B

CN105406501B - 整流站、高压直流输电系统和消除故障的方法

Info

Publication number: CN105406501B
Application number: CN201510964043.6A
Authority: CN
Inventors: 马茨·安德森; 蔡蓉; 谢海莲; 张利东
Original assignee: ABB Grid Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: CN105406501A

Abstract

本发明公开了一种高压直流输电系统的整流站，还公开了一种高压直流输电系统和消除高压直流输电系统故障的方法。整流站包括高压直流整流器、整流变压器、滤波器、隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻，其中：高压直流整流器，用于将发电系统输出的交流电转换成直流电；隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻均被设置在高压直流整流器的直流侧；隔离开关为常闭开关，与高压直流整流器串联；斩波器开关为常开开关，其与斩波器电阻串联后，再与高压直流整流器并联；斩波器电阻，用于在故障期间消耗有功功率。本发明提出的技术方案不仅创新地解决了弱交流系统或孤岛的架空线直流传输问题，也适用于其他高压直流输电系统，有利于电力系统的稳定运行。

Description

整流站、高压直流输电系统和消除故障的方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流输电系统的整流站，同时涉及一种高压直流输电系统，以及一种消除高压直流输电系统故障的方法。

背景技术

随着世界经济的不断发展，对于环境和气候的破环也越来越严重。因此，世界各国都制定了减少二氧化碳排放量的目标。为了达到这一目标，风能、太阳能等清洁的新能源，越来越受到世界各国的重视，并将成为世界各国能源的重要组成部分。目前，新能源的开发使用已得到了蓬勃发展。

另一方面，新能源的传输问题成为当前新能源发展的最大瓶颈。如何可靠高效地输送新能源，对于现有的传统电力系统提出了巨大的挑战。基于可以远距离低损耗地输送大量电能以及更有效灵活地连接新能源入网的优点，高压直流输电(HVDC)技术具有非常好的发展前景，但在发展过程中也需要攻克很多技术难题。比如，在输电过程中，可能出现暂时的故障，例如直流故障或高压直流系统逆变站的交流故障。如何避免因暂时故障而导致直流停运，以保证电网的稳定，是高压直流输电系统安全可靠运行的重要目标。

如果高压直流输电系统的整流器连接在一个带有发电机的弱交流系统上，例如连接在大规模的风力发电系统上，更极端的情况是连接在一个孤岛系统上、即高压直流输电系统可能是该交流系统中唯一的负载。当弱交流系统、甚至是孤岛系统中发出的电能由高压直流输电系统传输时，如果由于暂时的干扰而导致高压直流系统不能传输，交流系统将会面临严重的问题。例如，当高压直流系统的逆变器所连接的交流系统发生故障或者直流线路发生故障，如果需要短暂停止高压直流系统的输电来解决故障问题，那与其整流器所连接的弱交流系统或孤岛系统通常会由于有功和无功功率的不平衡而出现过频和/或过压的现象，这将会引起交流系统保护的动作，因此造成该部分交流系统脱网并进而造成整个电力系统崩溃的严重问题。

由于大量的风能、太阳能等新能源往往在距离负载中心很远的地方，需要使用高压直流架空线系统来传输，例如大规模的陆上风电传输。在该种系统中，若发生直流故障，直流架空线需要一定的电离时间使其上电流为零，以便可以清除故障线路。在此期间直流线路上也不能承受高的直流电压。因此，高压直流系统需要短暂停止输电来清除此故障。但是，这将会造成与该高压直流系统的整流器所连接的弱交流系统或孤岛系统中严重的有功和无功功率不平衡，进而出现上述的交流系统脱网，甚至整个电力系统崩溃的严重问题。

因此，如何消除高压直流输电系统的暂时故障，避免与其整流器连接的弱交流系统产生严重的问题，以保障系统的稳定运行，成为本领域的亟需解决的研究课题。

为了解决高压直流输电系统在出现例如直流故障或高压直流系统逆变站交流故障等问题时的不间断运行，本发明具体针对VSC型和LCC型高压直流系统，开拓性地提出了利用制动斩波器的解决方案，从而有效地克服了新能源传输领域发展的上述瓶颈，具有重要的里程碑意义。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的发明目的在于解决现有技术的问题，为高压直流输电系统的故障消除提供解决方案。

本发明技术方案提供了一种高压直流输电系统的整流站，所述整流站包括高压直流整流器、整流变压器、滤波器、隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻，其中：所述高压直流整流器，用于将发电系统输出的交流电转换成直流电；所述隔离开关、所述斩波器开关和所述斩波器电阻均被设置在所述高压直流整流器的直流侧；所述隔离开关为常闭开关，与所述高压直流整流器串联；所述斩波器开关为常开开关，其与所述斩波器电阻串联后，再与所述高压直流整流器并联；所述斩波器电阻，用于在故障期间消耗有功功率。

进一步地，所述隔离开关具有断开直流电流的能力。

进一步地，所述隔离开关不具有断开直流电流的能力。

进一步地，所述隔离开关为半导体电力电子开关。

进一步地，所述隔离开关为机械式开关。

进一步地，所述机械式开关为超快机械式开关。

进一步地，所述隔离开关为混合开关，所述混合开关包括机械式开关和半导体电力电子开关。

进一步地，所述斩波器开关具有断开直流电流的能力。

进一步地，所述斩波器开关不具有断开直流电流的能力。

进一步地，所述斩波器开关为机械式开关或半导体电力电子开关。

进一步地，所述高压直流整流器为基于半导体的高压直流整流器。

进一步地，所述整流器为二极管整流器、晶闸管整流器、IGBT整流器或IGCT整流器。

进一步地，所述发电系统为弱交流系统或孤岛系统。

进一步地，所述发电系统的能源来自于波动性能源。

进一步地，所述波动性能源为风能或太阳能。

进一步地，所述高压直流输电系统为VSC型高压直流输电系统或LCC型高压直流输电系统。

本发明技术方案还提供了一种高压直流输电系统，包括前述的整流站、高压直流输电线路和逆变站。

进一步地，所述高压直流输电线路为直流电缆或架空线。

本发明技术方案还提供了一种消除前述的高压直流输电系统故障的方法，包括以下步骤：切换开关步骤：当检测到故障时，打开所述隔离开关，关闭所述斩波器开关；消耗功率步骤：通过所述斩波器电阻消耗有功功率；恢复开关步骤：检测到故障消失后，关闭所述隔离开关，打开所述斩波器开关，使所述高压直流输电系统恢复正常输电。

进一步地，所述消耗功率步骤进一步包括，判断直流线路是否完成电离，如果未完成，则继续通过所述斩波器电阻消耗有功功率。

进一步地，在所述切换开关步骤之前，快速停止所述高压直流整流器，直至直流线路电流为零；在所述切换开关步骤之后，重启所述高压直流整流器。

进一步地，在所述恢复开关步骤之前，快速停止所述高压直流整流器，直至所述斩波器电阻的电流为零；在所述恢复开关步骤之后，重启所述高压直流整流器。

由此，本发明提出了一种安装于整流站的制动斩波器的设计方案。使用本发明的方法，有功功率能够在故障期间被消耗，这样可以最小化对弱交流系统或者孤岛交流系统的干扰。本发明具有以下几个优点：

一、成本较低：本发明的技术方案仅仅增加了一个额外的开关和一个额外的电阻，这意味着仅增加了非常低的成本，就能实现关键的系统功能；另一方面，可以使用非常低的成本来实现本发明，因为可以使用机械开关，而不是相对昂贵的半导体阀来作为本发明的开关；

二、设计巧妙：对于基于晶闸管的传统高压直流系统，不仅是有功功率，而且无功功率都能在同一时间内被消耗；这将有利于整个电力系统的稳定运行；

三、应用范围广：本发明的设计方案创新地解决了弱交流系统或孤岛的架空线直流传输问题，也适用于其他高压直流输电系统。本发明不仅可以应用于基于晶闸管的传统高压直流系统，也可以应用于电压源换流器(VSC)型高压直流系统。因此使得基于晶闸管的传统高压直流技术或电压源换流器型高压直流技术都可以从弱/孤岛的陆上交流电网进行直流电缆或者架空线直流输电，也可以从其他交流电网进行直流电缆或者架空线直流输电。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

为了更好地描述本发明的实施例，绘制了以下附图。应当理解的是，附图仅是以示例的方式示出了本发明的优选实施例，而不应将附图解释为对本发明的限制，其中：

图1为本发明提供的一实施例的高压直流输电系统的整流站电路示意图；

图2为本发明提供的另一实施例的高压直流输电系统的整流站电路示意图；和

图3为本发明提供的一实施例的故障期间高压直流系统操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

如背景技术部分所描述的，如何消除高压直流输电系统的暂时故障，避免交流系统产生严重的问题，以保障系统的稳定运行，成为本领域的一个重要课题。这一课题尤其成为弱交流系统或孤岛交流系统进行高压直流输电所亟需攻克的技术难题。

总的来说，本发明创新地设计了安装于高压直流输电系统整流站的制动斩波器的技术方案，通过控制开关，使得有功功率由斩波器电阻消耗。在一实施例中，本发明可以通过以下步骤清除直流故障：断开直流线路以实现成功电离，在直流侧暂时插入一个电阻，有功功率通过重启直流换流器被消耗掉；当电离时间结束，换流器停止，电阻移除，再连接直流线路。操作结束后，恢复传输功率。

本发明的技术方案使得基于晶闸管的传统高压直流技术或VSC型高压直流技术都可以用于从弱/孤岛的陆上交流电网进行架空线直流输电，而且本发明的应用范围不限于此，例如在逆变器交流故障中，本发明也可以应用于直流电缆的基于晶闸管的传统高压直流系统从弱/孤岛的陆上交流电网输电。即使非弱/孤岛交流系统，本发明的技术方案也完全可以实施。

具体来说，本发明针对的高压直流输电系统可以是VSC型高压直流输电系统，也可以是基于晶闸管的传统高压直流输电系统。高压直流输电系统包括整流站、高压直流输电线路和逆变站。高压直流输电线路可以是直流电缆，也可以是架空线。整流站包括高压直流整流器、整流变压器、滤波器、隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻。高压直流整流器将发电系统输出的交流电转换成直流电。发电系统可以是弱交流系统或孤岛系统或者其他交流系统，其能源可以是如风能、太阳能等的波动性能源或常规的非波动性能源。隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻均位于高压直流整流器的直流侧。隔离开关为常闭开关，与高压直流整流器串联。斩波器开关为常开开关，其与斩波器电阻串联后，再与高压直流整流器并联。

通过控制开关，使得斩波器电阻在故障期间消耗有功功率。操作开关的具体方法如下：

一、切换开关步骤：当检测到故障时，打开隔离开关，关闭斩波器开关；

二、消耗功率步骤：通过斩波器电阻消耗有功功率；

三、恢复开关步骤：检测到故障消失后，关闭隔离开关，打开斩波器开关，使高压直流输电系统恢复正常输电。

在一优选实施例中，隔离开关和斩波器开关可以具有断开直流电流的能力(例如直流断路器)，或者也可以不具有断开直流电流的能力。隔离开关和斩波器开关既可以是机械式开关，如超快机械式开关，半导体电力电子开关，也可以是包括机械式开关和半导体电力电子开关的混合式开关。

在一优选实施例中，在切换开关步骤之前，快速停止高压直流整流器，直至直流线路电流为零；在切换开关步骤之后，重启高压直流整流器。

在一优选实施例中，消耗有功功率步骤进一步包括，判断直流线路是否完成电离，如果未完成，则继续通过斩波器电阻消耗有功功率。

在一优选实施例中，在恢复开关步骤之前，快速停止高压直流整流器，直至斩波器电阻的电流为零；在恢复开关步骤之后，重启高压直流整流器。

为了本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下分别以图1-3为例，对本发明中提出的斩波器实施例进行详细说明，但以下示例不应理解为对本发明的限制。

本发明提出的技术方案的基本要素包括以下三个方面：

●斩波器放置于直流侧，与直流电路并联；

●直流断路器与直流电路并联；

●当直流断路器打开，斩波器仍然与直流电源相连，即斩波器放置在高压直流换流器与直流断路器之间，而不是放置在直流断路器与直流线路之间。

对于本发明提出的方案，如图1所示的主电路包括：

●基于半导体(包括但不限于晶闸管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管或集成门极换流晶闸管(IGCT))的高压直流换流器；

●通常关闭的开关，即图1中的‘1号开关’。1号开关可以是机械的，也可以是半导体的。1号开关被放置在直流侧并与高压直流换流器串联。1号开关可以有，也可以没有断开直流电流的功能。

●通常打开的开关，即图1中的‘2号开关’，电阻‘R’与2号开关串联。2号开关可以是机械的，也可以是半导体的。2号开关被放置在直流侧并与高压直流换流器并联。2号开关可以有，也可以没有断开直流电流的能力。如果1号开关打开，2号开关关闭，电阻R将与高压直流换流器连接。

对于本发明提出的如图1的斩波器，可以采用以下的操作步骤以消除故障：

●当检测到一个干扰时，1号开关打开，2号开关关闭；

●高压直流换流器在电阻R上消耗可控容量的有功功率；

●当干扰消失，为了恢复功率传输，1号开关关闭，2号开关打开。

因此，采用本发明的解决方案，当发生直流故障或高压直流系统逆变站交流故障等问题时，不仅是有功功率、而且无功功率都能在同一时间内被消耗，因此弱交流系统、孤岛系统或其他发电系统不会发生严重的有功和无功功率的不平衡，因此不会因为暂时故障而使交流系统产生严重的问题，系统可以不间断运行，从而保障整个电力系统的稳定运行。

进一步地，图2以传统高压直流换流站为例，对本发明提出的制动斩波器方案进行了示例性说明。从基本电路原理上可以认为，图2中的‘线路隔离开关’对应于图1中的1号开关，图2中的‘斩波器隔离开关’对应于图1中的2号开关，整流站还包括直流整流器、整流变压器、平滑电抗和整流滤波器。

对于图2所示的传统高压直流换流站，线路隔离开关的开关速度很关键，因此可以采用超快机械类型开关，包括机械式开关和半导体电力电子开关的混合开关，也可以采用半导体电力电子开关。而斩波器隔离开关可以有，也可以没有断开直流电流的能力。根据本发明的技术方案，仅增加了一个额外的隔离开关和一个额外的电阻，就解决了本领域的技术难题。这意味着对于关键系统功能仅增加了非常低的成本。

图3示出了图2的传统高压直流系统在故障期间的详细操作流程图。图3通过以下步骤清除直流故障：首先快速停止整流器，使直流线路电流为0；打开线路隔离开关、合上斩波器开关，有功功率通过重启整流器被斩波器电阻消耗掉；当直流线路完成电离后，快速停止整流器，当斩波器的电流为零时，断开斩波器隔离开关，合上直流线路隔离开关，连接直流线路。操作结束后，恢复传输功率。

本发明提出的制动斩波器解决方案，同样适用于VSC型高压直流系统，对于开关的选择，本领域技术人员需要注意以下两点：

一、如果高压直流换流器具有关断直流故障电流的能力，例如全桥或相似的拓扑，则可以使用超快机械类型隔离开关；

二、如果高压直流换流器不能关断直流故障电流，例如半桥，则1号开关必须是直流断路器。2号开关可以不具有断开直流电流的能力。

综上，本发明创新地设计了整流器直流侧制动斩波器与直流电路并联、且直流线路隔离开关打开时斩波器与直流电源连接的技术方案，解决了弱交流系统或孤岛的架空线直流传输问题，使得传统高压直流技术或VSC型高压直流技术都可以从弱/孤岛的陆上交流电网进行架空线直流输电。而且，由于大量的风能、太阳能等新能源往往在距离负载中心很远的地方，需要使用高压直流架空线系统来进行传输，本发明公开的技术方案对于高压直流架空线系统的发展尤其具有重要的意义。本发明的技术方案也完全能够适用于高压直流输电的其他应用领域。

根据需要，可以将上述各技术方案进行结合，以达到最佳技术效果。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，尽管为说明本发明的目的公开了本发明的较佳实施例和附图，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此在本发明原理的基础上，做出的若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高压直流输电系统的整流站，其特征在于，所述整流站包括高压直流整流器、整流变压器、滤波器、隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻，其中：

所述高压直流整流器，用于将发电系统输出的交流电转换成直流电；

所述隔离开关、所述斩波器开关和所述斩波器电阻均被设置在所述高压直流整流器的直流侧；

所述隔离开关与所述高压直流整流器串联；

所述斩波器开关与所述斩波器电阻串联；

其中：

所述隔离开关为常闭开关，其在检测到故障时打开；

所述斩波器开关为常开开关，其在检测到所述故障时关闭；

所述高压直流整流器被配置为：

在检测到所述故障并且在所述隔离开关和所述斩波器开关状态切换之前快速停止；并且

在所述隔离开关和所述斩波器开关状态切换之后重启；

所述斩波器电阻，用于在故障期间直流线路未完成电离情况下消耗有功功率；并且

所述串联的所述斩波器开关和所述斩波器电阻位于所述高压直流整流器和所述隔离开关之间并与所述高压直流整流器并联。

2.根据权利要求1所述的整流站，其特征在于，所述隔离开关具有断开直流电流的能力。

3.根据权利要求1所述的整流站，其特征在于，所述隔离开关不具有断开直流电流的能力。

4.根据权利要求2或3所述的整流站，其特征在于，所述隔离开关为半导体电力电子开关。

5.根据权利要求2或3所述的整流站，其特征在于，所述隔离开关为机械式开关。

6.根据权利要求5所述的整流站，其特征在于，所述机械式开关为超快机械式开关。

7.根据权利要求2或3所述的整流站，其特征在于，所述隔离开关为混合开关，所述混合开关包括机械式开关和半导体电力电子开关。

8.根据权利要求1所述的整流站，其特征在于，所述斩波器开关具有断开直流电流的能力。

9.根据权利要求1所述的整流站，其特征在于，所述斩波器开关不具有断开直流电流的能力。

10.根据权利要求8或9所述的整流站，其特征在于，所述斩波器开关为机械式开关或半导体电力电子开关。

11.根据权利要求1～3、6、8～9之一所述的整流站，其特征在于，所述高压直流整流器为基于半导体的高压直流整流器。

12.根据权利要求11所述的整流站，其特征在于，所述整流器为二极管整流器、晶闸管整流器、IGBT整流器或IGCT整流器。

13.根据权利要求1～3、6、8～9、12之一所述的整流站，其特征在于，所述发电系统为弱交流系统或孤岛系统。

14.根据权利要求13所述的整流站，其特征在于，所述发电系统的能源来自于波动性能源。

15.根据权利要求14所述的整流站，其特征在于，所述波动性能源为风能或太阳能。

16.根据权利要求1～3、6、8～9、12、14～15之一所述的整流站，其特征在于，所述高压直流输电系统为VSC型高压直流输电系统或LCC型高压直流输电系统。

17.一种高压直流输电系统，包括如权利要求1～16之一所述的整流站、高压直流输电线路和逆变站。

18.根据权利要求17所述的高压直流输电系统，其特征在于，所述高压直流输电线路为直流电缆或架空线。

19.一种消除如权利要求17或18所述的高压直流输电系统故障的方法，其特征在于，包括以下步骤：

切换开关步骤：当检测到故障时，打开所述隔离开关，关闭所述斩波器开关；

消耗功率步骤：通过所述斩波器电阻消耗有功功率；

恢复开关步骤：检测到故障消失后，关闭所述隔离开关，打开所述斩波器开关，使所述高压直流输电系统恢复正常输电。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述消耗功率步骤进一步包括，判断直流线路是否完成电离，如果未完成，则继续通过所述斩波器电阻消耗有功功率。

21.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，在所述切换开关步骤之前，快速停止所述高压直流整流器，直至直流线路电流为零；

在所述切换开关步骤之后，重启所述高压直流整流器。

22.根据权利要求19或20所述的方法，其特征在于，在所述恢复开关步骤之前，快速停止所述高压直流整流器，直至所述斩波器电阻的电流为零；

在所述恢复开关步骤之后，重启所述高压直流整流器。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在所述恢复开关步骤之前，快速停止所述高压直流整流器，直至所述斩波器电阻的电流为零；

在所述恢复开关步骤之后，重启所述高压直流整流器。