CN108242896A - 换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法 - Google Patents

换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，交流侧用于接换流变压器的三相电源，直流侧包括第一端子和第二端子，第一端子经过平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，第二端子接地。具有该换流器的柔性直流系统有正常双极运行模式，单级运行模式，两单极并联运行模式和增容运行模式。通过对故障极电压的控制和运行模式的灵活转换，实现直流侧故障瞬态能量的快速转移，有效抑制直流故障电流，同时确保故障期间功率传输的稳定性和连续性。

Description

换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法
技术领域
本发明属于电力系统直流输配电领域，具体涉及到一种换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法。
背景技术
在电力系统输配电领域，随着光伏、风电等新能源并网和储能接入以及电动汽车等间歇性负荷的规模越来越大，需要采用灵活的方式接入传统交流输配电网中。基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的高压直流输配电技术具备有功功率、无功功率可独立灵活控制，可向无源系统供电，波形质量好，潮流翻转时电压极性不需要改变等特点，为大规模可再生能源接入提供了有效解决方案。其中，最具代表性的是采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为换流器的柔性直流电网技术，该技术可以有效的综合各种新能源、负荷的分布特性进行多元互补，是实现大规模新能源消纳的有效手段。
直流电网具有“低惯量、低阻抗”的特性，在发生直流侧短路故障后，故障电流上升快、幅值大，严重危害系统设备的安全运行，需要在几个毫秒内完成对故障的检测和隔离。由于直流电流不存在自然过零点，需要高压大容量直流断路器。常见的直流侧故障处理方法主要有三种：(1)利用交流断路器切断交直流系统的连接，然而开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，无法满足要求；(2)跳开直流断路器以隔离直流侧短路故障点，但直流断路器装置成本高，且目前尚无实用可靠的高压直流断路器装置；(3)借助MMC自身控制实现直流侧短路故障的自清除，但仍需要闭锁子模块和换流器，导致直流电网功率传输的中断，待故障清除后才能重新恢复。由此可见，目前的直流侧短路故障处理技术尚不成熟，阻碍了柔性直流电网技术的大规模应用。
若直流故障电流上升越快，则故障处理执行部分动作时的故障电流越大，开断难度也就越大，因此，采用合理的接地方式和限流参数配置，能够抑制直流故障电流的上升速度，有助于降低对装置的直流开断速度和容量的要求。例如：通过配置直流平波电抗器和接地电阻能够分别降低直流故障电流的上升速度和稳态值，然而为了不影响换流器的控制特性这两个参数不宜过大，因此这种措施是受限的。由于交流电网接地方式和换流变压器接线方式的不同，根据需要直流电网有交流侧接地和直流侧接地两种接地方式，这两种接地方式下都可以适当的配置接地电阻，在一定程度上能够增大直流单极接地故障的回路阻抗从而减小故障电流的瞬态值和稳态值，但对直流电网极间短路故障不起作用。
受限于现行的直流故障电流限流和开断技术，直流电网的故障穿越能力不足，其供电的连续性和可靠性无法达到传统交流电网的水平。为了降低故障率，提高供电可靠性，现行柔性直流电网中多采用电力电缆，而未来将不可避免的需要应用于采用架空线的场合，这将对直流电网的故障穿越能力和可靠连续供电提出了更高的要求。
发明内容
本公开一方面的目的在于提供一种换流器，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，所述模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，所述交流侧用于接换流变压器的三相电源，所述直流侧包括第一端子和第二端子，所述第一端子经过所述平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，所述第二端子接地。
在上述的换流器，所述第二端子直接接地或经电阻接地。
在上述的换流器，所述模块化电平变换器为三相六桥臂结构，所述六桥臂结构为分别具有3个桥臂的上桥臂组和下桥臂组，每个桥臂由1个桥臂电感Larm和若干子模块(SM1～SMn)串联构成，其中三个上桥臂并联为所述第一端子，三个下桥臂并联为所述第二端子。
在上述的换流器，所述子模块为全电平子模块。
本公开另一方面的目的在于提供一种直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，每一端均包括换流变压器和上述技术方案中的所述换流器，交流电网经过所述换流变压器与所述换流器连接，所述换流器中的模块化电平变换器的交流侧互相隔离。
在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述换流变压器采用绕组大于等于两个的三相变压器。
在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述换流变压器为三相四绕组结构，一个交流绕组端子接交流电网，阀侧三个绕组端子分别接所述换流器的正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧。
在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述换流变压器为三相双绕组结构，正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧均接有一个所述换流变压器，三个所述换流变压器的另一端并接交流电网。
本公开又一目的在于提供一种针对上述直流侧接地三级结构柔性直流系统的控制方法，包括：
当正极直流线路发生接地故障时，正极闭锁，第3极解锁运行为“临时正极”，柔性直流系统由第3极和负极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；
当负极直流线路发生接地故障时，负极闭锁，第3极解锁运行为“临时负极”，柔性直流系统由正极和第3极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；
正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两正极并联或两负极并联运行模式；两负极并联运行转换过程如下，正极输出电压和电流都翻转作为“临时负极”，第3级解锁运行为“临时正极”，由第3级和两个负极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；两正极并联运行转换过程如下：负极输出电压和电流都翻转作为“临时正极”，第3级解锁运行为“临时负极”，由第3级和两个正极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；
故障清除后第3极闭锁，恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。
在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统控制方法，当需要短时间内增大传输功率时，第3级周期性运行于正极性和负极性状态，交替配合负极和正极定向的传输功率；增容结束后第3极闭锁，恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。
本公开提供的三级结构换流器、直流侧接地三极结构柔性直流系统，较之当前直流系统普遍采用的双极结构，增加了第3极作为辅助极，这种三极结构直流系统有正常双极运行模式、单极(正极或负极)运行模式、两单极并联运行模式和增容运行模式。通过对故障极电压的控制和运行模式的灵活转换，实现故障瞬态能量的快速转移，有效抑制故障电流，同时确保故障期间功率传输的连续性和稳定性不受影响。较大程度提升现有交流线路的输电容量，以缓解输电网输电能力的欠缺，潮流拥塞等问题，有利于交直流系统长期稳定运行。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的基于3个MMC的三极结构换流器。
图2为根据一示例性实施例示出的直流侧接地三极结构柔性直流系统的双极运行模式。
图3为根据一示例性实施例示出的直流侧接地三级结构柔性直流系统的暂态运行模式；其中(a)为単极(负极)运行模式，(b)为単极(正极)运行模式，(c)为两単极并联运行模式，(d)为增容运行模式。
图4为根据一示例性实施例示出的柔性直流系统正极接地故障时，运行模式切换过程的参量变化。
图5为根据一示例性实施例示出的柔性直流系统极间短路时，运行模式切换过程的参量变化。
图6为根据一示例性实施例示出的柔性直流系统正常运行时，双极运行模式切换到增容运行模式过程中的参量变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的换流器，可以应用在直流侧接地三极结构柔性直流系统，该换流器的三个直流极有正极、负极和第3极，每个直流极包括1个模块化多电平变换器(MMC)和1个平波电抗器(Ldc)。其中，模块化多电平变换器作为AC/DC变换器，交流侧接换流变压器的三相电源van、vbn和vcn(n＝1,2,3)，直流侧一端(第一端子)的经过平波电抗器Ldc后作为直流极接入直流线路，另一端(第二端子)直接接地或经电阻接地。即：3个模块化多电平变换器(正极MMC、负极MMC和第3极MMC)的一端并接后直接接地或经电阻接地，正极、负极和第3极的输出端对公共接地端的电压分别为Udcp、Udcn和Udc3。由图1可见，模块多电平变换器(MMC)可为三相六桥臂结构，6个桥臂分为上桥臂组和下桥臂组，每个桥臂由1个桥臂电感Larm和若干子模块(SM1～SMn)串联构成，3个上桥臂并联为一端(第一端子)，3个下桥臂并接为另一端(第二端子)。
添加第3极会增加装置成本，采用较低电压水平的FL-MMC和较低绝缘水平的电缆或架空线可以降低成本，利用换流器短时间的过负荷能力，提高直流极的运行电压和电流大小，达到双极运行模式的功率传输水平。通常过负荷水平为额定电压的1.1倍和额定电流的1.3倍(具体过负荷水平可以按工程冗余度需要来设计)，对应三个FL-MMC的过电压系数Ku1、Ku2和Ku3以及过电流系数Ki1、Ki2和Ki3都大于1。
柔性直流系统的运行特性主要取决于所采用的换流器，三极结构柔性直流系统的运行模式要求每一极的模块化多电平变换器具有直流电压和直流电流双向运行能力。模块化多电平变换器的工作特性与子模块密切相关，要求子模块能够输出全部可能的电平数组合(-NUC～NUC,N为子模块中直流电容的数目)。这类子模块能够双极性运行，通常具有对称结构，包括但不限于全桥子模块，可称为全电平子模块，由全电平子模块级联构成的模块化多电平变换器可简称为FL-MMC。
将上述实施例的三级结构换流器应用在柔性直流系统，使这种三极结构直流系统有正常双极运行模式，单级(正极和负极)运行模式，两单极并联运行模式和增容运行模式。如图2所示直流侧接地的三极结构柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，送端和受端可以根据运行工况相互切换，每一端均包括1个换流变压器、3个由全电平子模块构成的模块化多电平变换器(FL-MMC)和3个平波电抗器，3个FL-MMC的交流侧互相隔离。如图2所示的一种实施方式中，采用三相四绕组结构的换流变压器，一个交流绕组端子AC1接交流电网，阀侧三个绕组的端子ac11、ac12和ac13分别接正极FL-MMC、负极FL-MMC和第3极FL-MMC换流器的交流端，由此三个直流极对应换流器的交流侧互相隔离。在另一实施方式中，换流变压器也可采用三相双绕组结构，正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧均接有一个三相双绕组换流变压器，这三个换流变压器的另一端并接交流电网，而且这种接法也能够达到使3个FL-MMC的交流侧相互隔离的目的。当然，本公开中不限于上述两种换流变压器，只要绕组大于等于两个的三相变压器都能实现本发明目的。
柔性直流系统正常时有双极运行模式和增容运行模式两种，大多数时候都运行于双极运行模式，只在需要增大功率传输能力时运行于增容运行模式。如图2所示为双极运行模式，正极和负极FL-MMC输出端之间的电压为(Udcp-Udcn)，两端输出电流满足Idcp＝Idcn；第3极FL-MMC为闭锁状态，处于热备用状态，即电压Udc3为额定值且电流Idc3＝0；直流系统的两端通过正负两极传输功率，功率大小为(Udcp-Udcn)×Idcp。
当正极直流线路发生单极接地故障时，柔性直流系统转换到如图3(a)的单极(正极)运行模式。此时，正极FL-MMC被闭锁，第3极FL-MMC解锁运行作为“临时正极”，即Udc3>0、Idc3>0，且有Udcp＝0和Idcp＝0；直流系统由第3极和负极传输功率，两端电压为(Udc3-Udcn)，两端电流满足Idc3＝Idcn，传输功率大小为(Udc3-Udcn)×Idc3。运行模式转换过程中的电压和电流参量变化曲线如图4所示，当检测到正极为故障极后，控制子模块输出负电平，可快速阻断故障电流使其降为0，同时启动热备用的第3极FL-MMC。此时，正极电压Udcp和电流Idcp都降为0，而第3极输出电流Idc3≠0，负极电压增至额定电压的(1+Ku2)倍，第3极电压增至额定电压的(1+Ku3)倍，第3极电流增至额定电流的(1+Ki3)倍。待故障清除后，柔性直流系统可恢复到正常的双极运行模式。
当负极直流线路发生单极接地故障时，柔性直流系统转换到如图3(b)的单极(负极)运行模式。此时，负极FL-MMC被闭锁，第3极FL-MMC解锁运行作为“临时负极”，即Udc3<0、Idc3<0，且有Udcn＝0和Idcn＝0；直流系统由正极和第3极传输功率，两端电压为(Udcp-Udc3)，两端电流满足Idcp＝Idc3，传输功率大小为(Udcp-Udc3)×Idc3。状态转换过程中的电压和电流参量变化曲线与图4所示正极接地故障时的类似，不再赘述。
当正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两单极并联运行模式，分为两正极并联或两负极并联运行模式。如图3(c)所示为两负极并联运行模式，正极FL-MMC输出电压和电流都翻转作为“临时负极”，第3极FL-MMC解锁运行作为“临时正极”，即Udc3>0、Idc3>0，且有Udcp＝Udcn<0和Idcp＝Idcn<0；直流系统由第3极和两个负极(负极和“临时负极”)传输功率，第3极对上下两个负极的电压分别为(Udc3-Udcp)和(Udc3-Udcn)，三个直流端的电流满足Idc3＝Idcp+Idcn，传输功率大小为(Udc3-Udcn)×Idc3或(Udc3-Udcp)×Idc3。运行模式转换过程中的电压和电流参量变化曲线如图5所示，当检测到极间短路故障后，启动热备用的第3极FL-MMC，同时控制正极FL-MMC的子模块输出负电平将极间电压降为0，快速阻断故障电流使其降为0，使正极FL-MMC电压翻转运行于负极性。此时，正极电压Udcp和电流Idcp先降为0后翻转，而第3极输出电流Idc3≠0，负极电压增至额定电压的(1+Ku2)倍，正极电压反转后增至额定电压的(1+Ku1)，第3极电压增至额定电压的(1+Ku3)倍；第3极电流增至额定电流的(1+Ki3)倍。待故障清除后，柔性直流系统可恢复到正常的双极运行模式。
如图3(d)所示为增容运行模式，该模式在双极运行模式的基础上启动处于热备用的第3极FL-MMC变换器，充分利用FL-MMC的双向导电性、直流电压极性反转能力，第3极FL-MMC周期性的运行于正极性和负极性状态，交替配合负极FL-MMC和正极FL-MMC定向的传输功率，这一部分功率为在双极性运行模式基础上的增量。
图3(d)和图6为分别为增容运行模式及其各直流电压电流参数的变化曲线，在第3极电压Udc3和电流Idc3都为正时，第3极FL-MMC与负极FL-MMC输出端之间的电压为(Udc3-Udcn)，电流Idc3从负极回流用Idc3 -表示，则负极电流Idcn＝Idc1+Idc3 -，此时功率增大(Udc3-Udcn)×Idc3 -。随后第3极电压Udc3和电流Idc3翻转为负，此时正极FL-MMC与第3极FL-MMC输出端之间的电压为(Udcp-Udc3)，电流Idc3自正极流出从第3极回流用Idc3 +表示，则正极电流Idcp＝Idc1+Idc3 +，此时功率增大(Udcp-Udc3)×Idc3 +。如此，第3极电压Udc3和电流Idc3交替翻转，正极电流周期性的Idc1增大到(Idc1+Idc3 +)后减小为Idc1，负极电流周期性的Idc1增大到(Idc1+Idc3 -)后减小为Idc1，即功率增量周期性的由0增大为(Udcp-Udc3)×Idc3 +和(Udc3-Udcn)×Idc3 -。
综上所述，本发明提出三极结构柔性直流系统中对故障极电压的控制和运行模式的转换，能够快速抑制故障电流，同时维持正常功率传输不受影响。具体有以下几种暂态过程：
(1)当正极发生接地故障时，柔性直流系统迅速转换为第3极为“临时正极”的单极运行模式，利用第3极配合健全极维持正常功率传输的同时将故障极电压和故障电流降为0，待故障清除后恢复到双极运行模式；
(2)当负极发生接地故障时，柔性直流系统迅速转换为第3极为“临时负极”的单极运行模式，利用第3极配合健全极维持正常功率传输的同时将故障极电压和故障电流降为0，待故障清除后恢复到双极运行模式；
(3)当正负极之间发生短路故障时，柔性直流系统迅速转换为第3极为“临时正极”(或“临时负极”)的两单极并联运行模式，利用第3极配合正极和负极维持正常功率传输的同时将极间电压和故障电流降为0，故障极转换极性后继续传输功率，待故障清除后恢复到双极运行模式；
(4)当需要短时间内增大传输功率时，柔性直流系统迅速转换为辅助增容运行模式，增容结束后恢复到双极运行模式。

Claims (10)

1.一种换流器，其特征在于，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，所述模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，所述交流侧用于接换流变压器的三相电源，所述直流侧包括第一端子和第二端子，所述第一端子经过所述平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，所述第二端子接地。
2.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述第二端子直接接地或经电阻接地。
3.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述模块化电平变换器为三相六桥臂结构，所述六桥臂结构为分别具有3个桥臂的上桥臂组和下桥臂组，每个桥臂由1个桥臂电感Larm和若干子模块(SM1～SMn)串联构成，其中三个上桥臂并联为所述第一端子，三个下桥臂并联为所述第二端子。
4.根据权利要求3所述的换流器，其特征在于，所述子模块为全电平子模块。
5.一种直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，每一端均包括换流变压器和权利要求1-4之一的所述换流器，交流电网经过所述换流变压器与所述换流器连接，所述换流器中的模块化电平变换器的交流侧互相隔离。
6.根据权利要求5所述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述换流变压器采用绕组大于等于两个的三相变压器。
7.根据权利要求6所述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述换流变压器为三相四绕组结构，一个交流绕组端子接交流电网，阀侧三个绕组端子分别接所述换流器的正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧。
8.根据权利要求6所述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述换流变压器为三相双绕组结构，正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧均接有一个所述换流变压器，三个所述换流变压器的另一端并接交流电网。
9.一种直流侧接地三级结构柔性直流系统控制方法，其特征在于，包括权利要求5-8之一的所述柔性直流系统；
当正极直流线路发生接地故障时，正极闭锁，第3极解锁运行为“临时正极”，柔性直流系统由第3极和负极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；
当负极直流线路发生接地故障时，负极闭锁，第3极解锁运行为“临时负极”，柔性直流系统由正极和第3极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；
正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两正极并联或两负极并联运行模式；两负极并联运行转换过程如下：正极输出电压和电流都翻转作为“临时负极”，第3级解锁运行为“临时正极”，由第3级和两个负极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；两正极并联运行转换过程如下：负极输出电压和电流都翻转作为“临时正极”，第3级解锁运行为“临时负极”，由第3级和两个正极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；
故障清除后第3极闭锁，恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。
10.根据权利要求9所述的直流侧接地三级结构柔性直流系统控制方法，其特征在于，当需要短时间内增大传输功率时，第3级周期性运行于正极性和负极性状态，交替配合负极和正极定向的传输功率；增容结束后第3极闭锁，恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。
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