CN107204626B - 一种lcc-mmc交错混合双极直流输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LCC‑MMC交错混合双极直流输电系统，包括送端换流站和受端换流站；送端换流站的正极由LCC组成，送端换流站的负极由MMC组成；受端换流站的正极由MMC组成，受端换流站的负极由LCC组成；送端换流站的正极通过直流输电线与受端换流站的正极相连，送端换流站的负极通过直流输电线连接受端换流站的负极。本发明的LCC‑MMC交错混合双极直流输电系统占地面积比基于晶闸管的传统直流输电系统和完全基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统小，并且能够连接弱交流系统，实现有功功率和无功功率的解耦控制；直流线路的单向二极管能避免直流双极短路故障时，三相短路电流流过模块化多电平换流器。

Description

一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统
技术领域
本发明属于直流输电领域，特别涉及一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统。
背景技术
随着大容量电力电子器件的快速发展，新能源发电的大量并网，区域大网间的异步互联的需求日益增加，高压直流输电技术迎来了崭新的发展机遇。目前中国的直流输电技术发展分为两个方向：基于晶闸管的特高压直流输电技术和基于可关断器件的柔性直流输电技术。
基于晶闸管的特高压直流输电系统技术成熟，工程经验丰富，目前已经投运的向家坝-上海特高压直流输电工程、锦屏-苏南特高压直流输电工程、哈密南-郑州特高压直流输电工程等6条特高压直流输电工程。基于晶闸管的直流输电技术由于其器件的自身的半控特性，导致其具有换相失败的潜在风险，连接弱交流系统的能力较弱等缺点。
基于可关断器件的柔性直流输电技术具有多种换流器的拓扑结构，目前研究和应用的最广泛的是基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流输电技术。由于模块化多电平换流器的模块化结构，使其能通过子模块数量的变化来适应不同的电压等级，具有较强的扩展性和冗余能力，提高了系统的可靠性；同时模块化多电平换流器能产生高达数百个输出电平，交流输出波形谐波含量很低，也降低了器件的开关频率和开关损耗。然而基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统由大量的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)和直流电容器组成，成本很高。
目前，基于晶闸管桥和模块化多电平换流器的混合直流输电系统也有所研究，其拓扑结构为在一个站晶闸管桥，另一个站为模块化多电平换流器，这种混合直流输电系统在晶闸管桥侧仍需要大量的滤波和无功补偿装置，不能连接弱交流系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种造价低，且占地面积比基于晶闸管的传统直流输电系统和完全基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统小，能够连接弱交流系统，实现有功功率和无功功率的解耦控制的LCC-MMC交错混合双极直流输电系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，包括送端换流站和受端换流站；送端换流站的正极由LCC组成，送端换流站的负极由MMC组成；受端换流站的正极由MMC组成，受端换流站的负极由LCC组成；送端换流站的正极通过直流输电线与受端换流站的正极相连，送端换流站的负极通过直流输电线连接受端换流站的负极。
进一步地，所述直流输电线路与MMC连接处设有一个二极管阀组，二极管阀组的导通方向为LCC指向MMC。
进一步地，所述送端换流站正极的LCC包括第一晶闸管桥和整流变压器；整流变压器的原边与送端三相交流系统相连，整流变压器的副边与第一晶闸管桥的交流端相连，第一晶闸管桥的阴极与直流输电线路送端的正极相连，第一晶闸管桥的阳极与送端接地线相连；
所述送端换流站负极的MMC包括第一三相MMC和第一连接变压器，第一三相MMC的各个桥臂分别由多个半桥子模块或全桥子模块串联组成；第一连接变压器的原边与送端三相交流系统相连，第一连接变压器的副边与第一三相MMC的交流端相连，第一三相MMC的正极与送端接地线相连，第一三相MMC的负极与直流输电线路送端的负极相连。所述第一三相MMC的每个桥臂上分别串联一个缓冲电抗器。
进一步地，所述受端换流站负极的LCC包括第二晶闸管桥和逆变变压器；逆变变压器的原边与受端三相交流系统相连，逆变变压器的副边与第二晶闸管桥的交流端相连，第二晶闸管桥的阳极与受端接地线相连，第二晶闸管桥的阴极与直流输电线路受端的负极相连；
所述受端换流站正极的MMC包括第二三相MMC和第二连接变压器，第二三相MMC的各个桥臂分别由多个半桥子模块或全桥子模块串联组成；第二连接变压器的原边与受端三相交流系统相连，第二连接变压器的副边与第二三相MMC的交流端相连，第二三相MMC的正极与直流输电线路送受端的正极相连，第二三相MMC的负极与受端接地线相连。所述第二三相MMC的每个桥臂上分别串联一个缓冲电抗器。
进一步地，所述半桥子模块由位于上桥臂的开关管S1和反并联于开关管S1上的二极管D1、位于下桥臂的开关管S2和反并联于开关管S2上的二极管D2组成半桥电路，半桥电路的正极与直流电容C的正极相连，半桥电路的负极与直流电容C的负极相连。所述全桥子模块由位于第一上桥臂的开关管S1和反并联于开关管S1上的二极管D1、第一下桥臂的开关管S2和反并联于开关管S2上的二极管D2、第二上桥臂的开关管S3和反并联于开关管S3上的二极管D3、第二下桥臂的开关管S4和反并联于开关管S4上的二极管D4组成全桥电路，全桥电路的正极与直流电容C的正极相连，全桥电路的负极与直流电容C的负极相连。
进一步地，所述第一晶闸管桥和第二晶闸管桥采用三相6脉波晶闸管桥或三相12脉波晶闸管桥。
本发明的有益效果是：
1、本发明的LCC-MMC交错混合双极直流输电系统不需要使用交流滤波器和直流滤波器，造价低，且占地面积比基于晶闸管的传统直流输电系统小；同时由于两个换流器均采用晶闸管桥，占地面积也比完全基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统小；
2、模块化多电平换流器能为同站晶闸管桥提供无功功率支撑，本发明的LCC-MMC交错混合双极直流输电系统能够连接弱交流系统，实现有功功率和无功功率的解耦控制；直流线路的单向二极管能避免直流双极短路故障时，三相短路电流流过模块化多电平换流器。
附图说明
图1为本发明的LCC-MMC交错混合双极直流输电系统的结构示意图；
图2为本发明的模块化多电平换流器拓扑示意图；
图3为本发明模块化多电平换流器子模块电路示意图。
图4为本发明的晶闸管桥电路拓扑示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，包括送端换流站和受端换流站；送端换流站的正极由LCC(电网换相换流器，line commutated converter，LCC)1组成，送端换流站的负极由MMC4组成；受端换流站的正极由MMC3组成，受端换流站的负极由LCC5组成；送端换流站的正极通过直流输电线2.1与受端换流站的正极相连，送端换流站的负极通过直流输电线2.3连接受端换流站的负极。
进一步地，所述直流输电线路与MMC连接处设有一个二极管阀组2.2、2.4，二极管阀组的导通方向为LCC指向MMC。
进一步地，所述送端换流站正极的LCC1包括第一晶闸管桥1.2和整流变压器1.1；整流变压器1.1的原边与送端三相交流系统A相连，整流变压器1.1的副边与第一晶闸管桥1.2的交流端相连，第一晶闸管桥1.2的阴极与直流输电线路送端的正极相连，第一晶闸管桥1.2的阳极与送端接地线相连；
所述送端换流站负极的MMC 4包括第一三相MMC4.2和第一连接变压器4.1，第一三相MMC4.2的各个桥臂分别由多个半桥子模块或全桥子模块(子模块记为SM)串联组成，如图2所示；第一连接变压器4.1的原边与送端三相交流系统A相连，第一连接变压器4.1的副边与第一三相MMC4.2的交流端相连，第一三相MMC4.2的正极与送端接地线相连，第一三相MMC4.2的负极与直流输电线路送端的负极相连。
所述第一三相MMC4.2的每个桥臂上分别串联多个子模块和一个缓冲电抗器L0，如图2所示，通过控制子模块中开关管的通断来控制子模块的输出；半桥子模块输出电压为0或正电容电压；全桥子模块输出电压为0、正电容电压或负电容电压；再通过多个子模块的串联实现整个桥臂电压的输出，即可在直流侧产生稳定的直流电压，交流侧产生谐波含量较小的正弦波性。
进一步地，所述受端换流站负极的LCC5包括第二晶闸管桥5.2和逆变变压器5.1；逆变变压器5.1的原边与受端三相交流系统B相连，逆变变压器5.1的副边与第二晶闸管桥5.2的交流端相连，第二晶闸管桥5.2的阳极与受端接地线相连，第二晶闸管桥5.2的阴极与直流输电线路受端的负极相连；
所述受端换流站正极的MMC3包括第二三相MMC3.2和第二连接变压器3.1，第二三相MMC3.2的各个桥臂分别由多个半桥子模块或全桥子模块串联组成；第二连接变压器3.2的原边与受端三相交流系统B相连，第二连接变压器3.1的副边与第二三相MMC3.2的交流端相连，第二三相MMC3.2的正极与直流输电线路送受端的正极相连，第二三相MMC3.2的负极与受端接地线相连。
所述第二三相MMC3.2的每个桥臂上分别串联一个缓冲电抗器L0，其工作原理与第一三相MMC4.2相同。
进一步地，如图3所示，所述半桥子模块由位于上桥臂的开关管S1和反并联于开关管S1上的二极管D1、位于下桥臂的开关管S2和反并联于开关管S2上的二极管D2组成半桥电路，半桥电路的正极与直流电容C的正极相连，半桥电路的负极与直流电容C的负极相连。所述全桥子模块由位于第一上桥臂的开关管S1和反并联于开关管S1上的二极管D1、第一下桥臂的开关管S2和反并联于开关管S2上的二极管D2、第二上桥臂的开关管S3和反并联于开关管S3上的二极管D3、第二下桥臂的开关管S4和反并联于开关管S4上的二极管D4组成全桥电路，全桥电路的正极与直流电容C的正极相连，全桥电路的负极与直流电容C的负极相连。
进一步地，所述第一晶闸管桥和第二晶闸管桥采用三相6脉波晶闸管桥或三相12脉波晶闸管桥，其电路拓扑示意如图4所示。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的工作原理：整流变压器和逆变变压器以Y/Y/△型三绕组变压器为例，第一晶闸管桥和第二晶闸管桥均采用三相12脉波晶闸管桥，第一三相MMC 4.2和第二三相MMC 3.2均采用半桥子模块。本发明的工作原理：第一晶闸管桥1.2工作于整流状态，从送端交流系统A吸收有功，消耗无功；第一三相MMC 4.2发挥多功能作用，从送端交流系统A吸收有功，为第一晶闸管桥1.2提供无功补偿、有源滤波，滤除第二晶闸管桥5.2在直流线路2负极产生的直流纹波；第二晶闸管桥5.2工作于逆变状态，向受端交流系统B注入有功，消耗无功；第二三相MMC 3.2发挥多功能作用，向受端交流系统B注入有功，为第二晶闸管桥5.2提供无功补偿、有源滤波，滤除第一晶闸管桥1.2在直流线路2正极产生的直流纹波。
在正极，直流电流由第一晶闸管桥1.2的共阴极流出，经过直流正极线路2.1和二极管2.2流入第二三相MMC 3.2的正极，并从第二三相MMC 3.2的负极流出，经过接地线流入大地；在负极，直流电流由第二晶闸管桥5.2的共阴极流出，经过直流负极线路2.3和二极管2.4流入第一三相MMC 4.2的负极，并从第一三相MMC 4.2的正极流出，经过接地线流入大地。当正极直流线路中的直流电流与负极直流线路中的电流相等时，流入大地的电流为零。
本发明的第一连接变压器4.1和第二连接变压器3.1采用实际的变压器或交流电抗器。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，其特征在于，包括送端换流站和受端换流站；送端换流站的正极由LCC组成，送端换流站的负极由MMC组成；受端换流站的正极由MMC组成，受端换流站的负极由LCC组成；送端换流站的正极通过直流输电线与受端换流站的正极相连，送端换流站的负极通过直流输电线连接受端换流站的负极；
所述送端换流站正极的LCC包括第一晶闸管桥和整流变压器；整流变压器的原边与送端三相交流系统相连，整流变压器的副边与第一晶闸管桥的交流端相连，第一晶闸管桥的阴极与直流输电线路送端的正极相连，第一晶闸管桥的阳极与送端接地线相连；
所述送端换流站负极的MMC包括第一三相MMC和第一连接变压器，第一三相MMC的各个桥臂分别由多个半桥子模块或全桥子模块串联组成；第一连接变压器的原边与送端三相交流系统相连，第一连接变压器的副边与第一三相MMC的交流端相连，第一三相MMC的正极与送端接地线相连，第一三相MMC的负极与直流输电线路送端的负极相连；
所述受端换流站负极的LCC包括第二晶闸管桥和逆变变压器；逆变变压器的原边与受端三相交流系统相连，逆变变压器的副边与第二晶闸管桥的交流端相连，第二晶闸管桥的阳极与受端接地线相连，第二晶闸管桥的阴极与直流输电线路受端的负极相连；
所述受端换流站正极的MMC包括第二三相MMC和第二连接变压器，第二三相MMC的各个桥臂分别由多个半桥子模块或全桥子模块串联组成；第二连接变压器的原边与受端三相交流系统相连，第二连接变压器的副边与第二三相MMC的交流端相连，第二三相MMC的正极与直流输电线路送受端的正极相连，第二三相MMC的负极与受端接地线相连；
所述半桥子模块由位于上桥臂的开关管S1和反并联于开关管S1上的二极管D1、位于下桥臂的开关管S2和反并联于开关管S2上的二极管D2组成半桥电路，半桥电路的正极与直流电容C的正极相连，半桥电路的负极与直流电容C的负极相连；
全桥子模块由位于第一上桥臂的开关管S1和反并联于开关管S1上的二极管D1、第一下桥臂的开关管S2和反并联于开关管S2上的二极管D2、第二上桥臂的开关管S3和反并联于开关管S3上的二极管D3、第二下桥臂的开关管S4和反并联于开关管S4上的二极管D4组成全桥电路，全桥电路的正极与直流电容C的正极相连，全桥电路的负极与直流电容C的负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，其特征在于，所述直流输电线路与MMC连接处设有一个二极管阀组，二极管阀组的导通方向为LCC指向MMC。
3.根据权利要求1所述的一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，其特征在于，所述第一三相MMC的每个桥臂上分别串联一个缓冲电抗器。
4.根据权利要求1所述的一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，其特征在于，所述第二三相MMC的每个桥臂上分别串联一个缓冲电抗器。
5.根据权利要求1所述的一种LCC-MMC交错混合双极直流输电系统，其特征在于，所述第一晶闸管桥和第二晶闸管桥采用三相6脉波晶闸管桥或三相12脉波晶闸管桥。
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