CN108400701A - 一种柔性直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性直流输电系统，所述系统包括变压器、换流器与耦合电抗器；所述耦合电抗器包括上桥臂耦合电抗器和下桥臂耦合电抗器，其中，所述上桥臂耦合电抗器与下桥臂耦合电抗器通过同名端与异名端的连接相连，所述同名端与所述异名端的连接点为并网点；所述变压器的一端与交流电网连接，另一端与所述并网点连接；所述换流器包括三个相单元，所述相单元包括上桥臂与下桥臂，所述耦合电抗器连接于所述上桥臂与所述下桥臂之间。

Description

一种柔性直流输电系统

技术领域

本发明涉及直流输电领域，尤指一种柔性直流输电系统。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭和改善环境压力的日益增加，中国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整，大规模开发和利用新能源势在必行。风电、太阳能、潮汐能等新能源都具有间歇性、随机性的特点，新能源的规模化消纳成为中国电力系统面临的重大现实问题，传统电力装备、电网结构和运行技术已显得力不从心。为了适应未来能源格局的深刻变化，需加快新型汇集送出及消纳技术的研发以提高新能源发电的利用效率。近年来，学者们重新审视电网输配电技术，直流技术重新成为研究热点，柔性直流电网等概念应运而生。

柔性直流输电系统的故障有其自身的特点，故障电流上升迅速。柔性直流输电系统通常采用模块化多电平换流器，当系统中直流侧发生接地或极间故障时，模块化多电平换流器中的电容通过绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar thyristor，IGBT)在极短的时间内对故障点放电，造成线路电流迅速上升。此时短路电流上升快，幅值大，对于IGBT设备的安全存在较大隐患。

模块化多电平换流器发生故障时，会产生短路电流。此时线路上流过的短路电流分为两部分，第一部分是故障发生时，功率模块的电容器通过IGBT进行放电的电流，这部分电流上升快，幅值大；第二部分是IGBT闭锁后，三相交流电网侧通过电抗器和功率模块中与IGBT反并联的续流二极管向换流器直流侧注入的故障电流。

现有技术中限制短路电流通常有两种方法。第一种方法是通过在功率模块上增加器件。在模块化多电平换流器的每个功率模块上并联一组双向晶闸管开关，直流线路发生瞬时性短路故障时，闭锁所有功率单元的控制脉冲，同时触发所有的双向晶闸管开关导通，使直流线路短路点自然灭弧后短路点消失。当检测到直流线路短路电流为零后，控制所有的双向晶闸开关关断，然后打开所有功率单元的控制脉冲，使换流器重新投入运行。这种方法用于抑制第一部分短路电流，但这种方法的缺点是增加了成本，对每个功率模块都增加元件的成本，甚至能够达到原半桥式模块化多电平换流器造价的一倍，对于实际工程来说是沉重的经济负担。

现有技术中第二种限制短路电流的方法是利用增加控制策略的方式对半桥式模块化多电平换流器短路电流进行限制，通过将直流母线电压控制为零，达到在换流器受控且换流系统不脱网的状态下穿越直流短路故障的目的，尤其适合于直流架空线路传输等直流故障率较高的场合。基本原理为检测到直流短路电流后迅速翻转直流母线电压以抑制短路电流，待电流降落到正常范围内后，控制直流母线电压为零，维持交流侧无功功率输出；直流短路故障消除后，提升直流母线电压至额定值，恢复有功传输。控制结构上，加入电容电压控制闭环，以保证直流短路故障期间的电容电压稳定。这种方法用于抑制第二部分短路电流，但这种方法的缺点是使半桥式模块化多电平换流器的控制方式更加复杂，延长了半桥式模块化多电平换流器控制器的计算时间，在故障发生时，会出现更长的逻辑判断和延时，不利于半桥式模块化多电平换流器设备的安全。由于短路电流中第一部分的影响远高于第二部分，因此，这种方法无法抑制第一部分短路电流。

发明内容

为了解决现有技术中，无法有效抑制柔性直流输电系统中的短路电流，本发明实施例提供一种柔性直流输电系统，所述系统包括变压器、换流器与耦合电抗器；

所述耦合电抗器包括上桥臂耦合电抗器和下桥臂耦合电抗器，其中，所述上桥臂耦合电抗器与下桥臂耦合电抗器通过同名端与异名端的连接相连，所述同名端与所述异名端的连接点为并网点；

所述变压器的一端与交流电网连接，另一端与所述并网点连接；

所述换流器包括三个相单元，所述相单元包括上桥臂与下桥臂，所述耦合电抗器连接于所述上桥臂与所述下桥臂之间。

本发明通过采用耦合电抗器，在产生短路电流时，通过产生方向相反的感应电压，可以在不增加系统中器件的同时，有效抑制短路电流。由此达到节约成本，并且在无需复杂控制策略的情况下，有效限制短路电流，保证系统安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种柔性直流输电系统的结构示意图；

图2A为本发明实施例一种柔性直流输电系统正常工作时的电流流向示意图；

图2B为本发明实施例一种柔性直流输电系统异常工作时的电流流向示意图；

图3为本发明实施例一种柔性直流输电系统的仿真图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种柔性直流输电系统。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为本发明实施例一种柔性直流输电系统的结构示意图。图中所示柔性直流输电系统包括变压器T、换流器与耦合电抗器；

所述耦合电抗器包括上桥臂耦合电抗器L₁和下桥臂耦合电抗器L₂，其中，所述上桥臂耦合电抗器L₁与下桥臂耦合电抗器L₂通过同名端与异名端的连接相连，连接点为a。具体实施时，可以是上桥臂耦合电抗器L₁的同名端与下桥臂耦合电抗器L₂的异名端相连，也可以是上桥臂耦合电抗器L₁的异名端与下桥臂耦合电抗器L₂的同名端相连。

所述变压器T的一端与交流电网连接，另一端与所述并网点a连接；

所述换流器包括三个相单元，每一相单元包括上桥臂11与下桥臂12，耦合电抗器连接于所述上桥臂11与所述下桥臂12之间。

在本实施例中，图1以电网侧交流三相电中的一相为例，图中所示换流器应共有三相，分别对应于交流电的三相。其中，电网侧交流电流经变压器T，再通过换流器转变为直流电输出。换流器有三个相单元，每个相单元与交流电侧连接的点为并网点，如图中所示并网点a上侧为换流器相单元的上桥臂11，并网点a下侧为换流器相单元的下桥臂12。耦合电抗器包括上桥臂耦合电抗器L₁和下桥臂耦合电抗器L₂，上桥耦合电抗器L₁连接于换流器相单元上桥臂11下侧，下桥耦合电抗器L₂连接于换流器相单元下桥臂12上侧。L₁与L₂通过同名端与异名端的连接相连，图中所示为L₁的异名端与L₂的同名端连接，L₁与L₂之间为并网点a。

其中，图2A为本发明实施例一种柔性直流输电系统正常工作时的电流流向示意图。图中所示柔性直流输电站在正常工作时，电网侧交流电通过并网点后的流向。从图中可以看出，电流I经并网点后在上下桥臂耦合电抗器上的流向相反，根据上下桥臂耦合电抗器之间存在的耦合作用，如下式：

式(1)中，M为上下桥臂耦合电抗器的互感系数，u₁与i₁为上桥臂耦合电抗器L₁的感应电压与电流，u₂与i₂为上桥臂耦合电抗器L₂的感应电压与电流。由于i₁与i₂的方向相反、大小相等时，u₁与u₂也方向相反、大小相等，因此u₁与u₂的相加和为零，即上下桥臂的和电压不受影响。由此可以得知，在系统正常工作时，上下桥臂耦合电抗器的等效电感值为：

L＝L₁+L₂-2M (2)

由此可以看出，当系统在正常工作时，耦合电抗器上流过大小相等，方向相反的电流。上桥臂耦合电抗器上流过电流产生的感应电压方向与下桥臂耦合电抗器上流过电流产生的感应电压方向相反，二者相互抵消。因此，耦合电抗器工作在系统正常的模式下，电抗器电感值较小，不影响换流器的正常运行。

如图2B所示为本发明实施例一种柔性直流输电系统异常工作时的电流流向示意图，图中所示柔性直流输电站在异常工作时，即系统中带电部分与地非正常连接，电网侧交流电通过并网点后的流向。从图中可以看出，短路电流I₁经并网点后在上下桥臂耦合电抗器上的流向相同，根据上下桥臂耦合电抗器之间存在的耦合作用关系式(1)，可以得出，在系统异常工作时，上下桥臂耦合电抗器的等效电感值为：

L＝L₁+L₂+2M (3)

在系统异常工作时，耦合电抗器上的电流大小近似相等，方向相同。上桥臂耦合电抗器上流过电流产生的感应电压方向与下桥臂耦合电抗器上流过电流产生的感应电压方向相同，与短路电流I₁方向相反，起到了抑制短路电流的作用。此外，从式(3)可以看出，耦合电抗器工作在系统异常是模式下时，电抗器电感值较大，能够对系统中的短路电流进行限制。

作为本发明的一个实施例，所述系统还包括启动电阻R1，所述启动电阻串联于所述变压器T与所述并网点a之间。

在本实施例中，启动电阻R1并联一个断路器QF_R，当需要启动电阻R1退出时，闭合该短路器QF_R，旁路启动电阻R1。

作为本发明的一个实施例，所述系统还包括直流电抗器L_Z，所述交流电网输入的交流电经换流器转换为直流电，所述直流电抗器L_Z连接于所述换流器与所述直流电的正极或负极之间。

在本实施例中，如图1所示，直流电抗器L_Z连接于换流器与直流电的正极之间，其中，U表示系统输出的直流电的电压，直流电抗器L_Z可以起到保护直流线路的作用。

作为本发明的一个实施例，所述系统还包括交流断路器QF1，连接于所述变压器T与所述交流电网之间，用于控制交流电的输入。

在本实施例中，交流断路器QF1闭合，电网侧交流电输入至系统，由此实现系统启动。

作为本发明的一个实施例，所述系统还包括限流电抗器L_S，串联于变压器T与所述并网点a之间。

在本实施例中，所述系统还包括限流支路20，所述限流支路20包括电力电子器件21与电容器22，所述电容器22串联连接于所述电力电子器件21与地之间，所述限流支路20并联连接于所述并网点a与所述限流电抗器L_S之间。

其中，在系统发生短路时，耦合电抗器可以有效抑制第一部分短路电流I₁，即电容器通过IGBT进行放电的电流。在系统出现短路故障时，同时会产生第二部分短路电流，即交流电网侧通过电抗器和功率模块中与IGBT反并联的续流二极管向换流器直流侧注入的故障电流，第二部分短路电流流向可以参照图2B所示的第二部分短路电流I₂。所述限流支路20与限流电抗器L_S均位于交流侧，在系统正常运行时，通过所并联的电力电子器件21将电容器22的无功与所串联的限流电抗器L_S相抵消，维持三相交流电网的电压稳定。在系统故障情况下，通过闭锁所并联的电力电子器件21，切断电力电子器件21串接的电容器22的无功供应，使限流电抗器L_S起到限制短路电流I₂的作用。其中，电流电子器件21可以例如为IGBT、MOS管等电力电子器件，但并不以此为限制。

通过本发明系统采用耦合电抗器，在产生短路电流时，通过产生方向相反的感应电压，可以在不增加系统中器件的同时，有效抑制短路电流。由此达到节约成本，并且在无需复杂控制策略的情况下，有效限制短路电流，保证系统安全。

如图3所示为本发明实施例一种柔性直流输电系统的仿真图。系统在0.05s时出现短路故障，图中所示的为第一部分短路电流曲线，实线为普通电抗器的短路电流曲线，虚线为耦合电抗器的短路电流曲线。显然，耦合电抗器的短路电流值与普通电抗器的短路电流值之间，最高可相差10KA左右。因此，耦合电抗器可以明显的抑制短路电流，同时不增加系统中器件，达到节约成本，并且在无需复杂控制策略的情况下，有效限制短路电流，保证系统安全。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，比如ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔性直流输电系统，其特征在于，所述系统包括变压器、换流器与耦合电抗器；

所述耦合电抗器包括上桥臂耦合电抗器和下桥臂耦合电抗器，其中，所述上桥臂耦合电抗器与下桥臂耦合电抗器通过同名端与异名端的连接相连，所述同名端与所述异名端的连接点为并网点；

所述变压器的一端与交流电网连接，另一端与所述并网点连接；

所述换流器包括三个相单元，所述相单元包括上桥臂与下桥臂，所述耦合电抗器连接于所述上桥臂与所述下桥臂之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括启动电阻，所述启动电阻串联于所述变压器与所述并网点之间。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换流器为模块化多电平换流器，所述上桥臂与所述下桥臂由多个模块化多电平换流器子模块串联组成。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括直流电抗器，所述交流电网输入的交流电经换流器转换为直流电，所述直流电抗器连接于所述换流器与所述直流电的正极或负极之间。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括交流断路器，连接于所述变压器与所述交流电网之间，用于控制交流电的输入。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括限流电抗器，串联于变压器与所述并网点之间。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括限流支路，所述限流支路包括电力电子器件与电容器，所述电容器串联连接于所述电力电子器件与地之间，所述限流支路并联连接于所述并网点与所述限流电抗器之间。