CN108736505A - 一种中压双向直流输电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种中压双向直流输电系统，包括换流器Ⅰ、换流器Ⅱ、控制器Ⅰ、控制器Ⅱ、隔离开关和直流连接线，其特征是所述的换流器Ⅰ通过隔离开关与交流电网连接，所述的换流器Ⅱ通过隔离开关与另一侧的交流电网连接，换流器Ⅰ通过直流连接线与换流器Ⅱ相连接，所述的控制器Ⅰ与换流器Ⅰ电连接，所述的控制器Ⅱ与换流器Ⅱ电连接；所有换流器单元采用相同的两电平或三电平三相结构，换流器单元可相互替换，维护简单；换流器具有独立的控制器，控制器根据换流器直流侧的电压电流和交流电网的电压电流情况计算指令电流，换流器单元根据指令电流进行功率调节，实现了两个电站电能的相互传输，控制策略简单，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力设备技术领域，尤其涉及一种中压双向直流输电系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，人们对电网的要求越来越高，传统的直流输电系统(LCC-HVDC)换流站技术虽然具有成熟的工程应用经验，但由于其运行过程中需要消耗大量的无功功率，并且存在换相失败的缺点，越来越不满足现代电网对柔性输电的要求。近年来，随着柔性输电技术的发展，电压源型换流器高压直流输电(VSC-HVDC)因其开关频率低、损耗小等优点，广泛应用于柔性直流输电系统。
申请号201310276517.9的中国发明专利给出了一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统拓扑结构，该结构已模块化多电平换流器为基础，解决了LCC-HVDC交流系统故障下交流侧换相失败的问题，但不具备直流侧短路电流的闭锁能力。申请号201510920911.0的中国发明专利给出了一种柔性直流输电系统拓扑结构，该结构采用两种不同结构的子模块级联，当发生直流侧短路时，其能够有效的减小故障电流，有效的保护了电力电子器件，但使用两种子模块级联，不但增加了系统的维护难度，而且增加了控制难度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种中压双向直流输电系统，提供一种维护方便、控制简单的中压双向直流输电系统。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种中压双向直流输电系统，包括换流器Ⅰ、换流器Ⅱ、控制器Ⅰ、控制器Ⅱ、隔离开关和直流连接线，所述的换流器Ⅰ通过隔离开关与交流电网连接，所述的换流器Ⅱ通过隔离开关与另一侧的交流电网连接，换流器Ⅰ通过直流连接线与换流器Ⅱ相连接，所述的控制器Ⅰ与换流器Ⅰ电连接，所述的控制器Ⅱ与换流器Ⅱ电连接。
进一步地，控制器Ⅰ获得换流器Ⅰ直流侧的电压值信号、电流值信号和交流电网的电压信号、交流侧电流信号。
进一步地，控制器Ⅱ获得换流器Ⅱ直流侧的电压值信号、电流值信号和交流电网的电压信号、交流侧电流信号。
进一步地，控制器Ⅰ与控制器Ⅱ之间不需要通信。
进一步地，换流器Ⅰ包括预设数量的并网变压器、预设数量的换流器单元、电抗器、电阻和导线，预设数量的并网变压器通过并联的方式连接在一起，预设数量的换流器单元的直流端通过串联的方式连接在一起，并网变压器与换流器单元的交流端相连接，首尾的换流器单元的直流端通过电抗器分别与直流接触器Ⅰ、直流接触器Ⅱ相连接，所述的电阻设置在中间两个换流器单元直流端之间，电阻通过导线与大地相连接。
进一步地，换流器Ⅱ与换流器Ⅰ设置为相同的电路拓扑结构。
进一步地，并网变压器包括初级连接和次级连接，所述的初级连接由预设数量的绕组并联构成，所述的次级连接由预设数量的绕组相互隔离构成，所述的初级连接通过断路器与交流电网相连接，所述的次级连接与换流器单元的交流端相连接。
进一步地，电阻的大小设置为兆欧级。
进一步地，换流器单元电路拓扑设置为两电平三相桥结构或三电平三相桥结构。换流器单元既可以实现PWM整流，也可以实现PWM逆变，能量可以实现双向传递。
进一步地，换流器单元通过载波移相的方式减小交流侧输出电流高频纹波。
进一步地，换流器Ⅰ和换流器Ⅱ的控制策略不同，其中一个控制策略为直流电压闭环+无功功率给定控制，另外一个控制策略为有功功率给定+无功功率给定，通过上述控制策略可以实现有功传递和无功补偿的功能统一。
进一步地，所述的有功功率可以是正功率也可以是负功率，即能量传输方式是双向的。
进一步地，换流器单元具有自动旁路功能，换流器单元发生故障后可自动旁路，保证整个系统稳定运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：所有换流器单元采用相同的两电平或三电平三相结构，换流器单元可相互替换，维护简单；换流器具有独立的控制器，控制器根据换流器直流侧的电压电流和交流电网的电压电流情况计算指令电流，换流器单元根据指令电流进行功率调节，实现了两个电站电能的相互传输，控制策略简单，实用性强。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是换流器单元的一种电路拓扑结构示意图；
附图中：1、换流器Ⅰ，2、换流器Ⅱ，3、控制器Ⅰ，4、控制器Ⅱ，5、直流接触器Ⅰ，6、直流接触器Ⅱ，7、断路器，8、并网变压器，9、换流器单元，10、电抗器，11、电阻。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1、附图2及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1，一种中压双向直流输电系统，包括换流器Ⅰ1、换流器Ⅱ2、控制器Ⅰ3、控制器Ⅱ4、直流接触器Ⅰ5、直流接触器Ⅱ6和断路器7，所述的换流器Ⅰ1通过断路器7与3.3kV三相交流电网连接，所述的换流器Ⅱ2通过断路器7与另一侧的3.3kV三相交流电网连接，换流器Ⅰ1的正母线通过直流接触器Ⅰ5与换流器Ⅱ2的正母线相连，换流器Ⅰ1的负母线通过直流接触器Ⅱ6与换流器Ⅱ2的负母线相连，所述的控制器Ⅰ3与换流器Ⅰ1电连接，所述的控制器Ⅱ4与换流器Ⅱ2电连接。当换流器Ⅰ1发生故障时，控制器Ⅰ1控制断路器7、直流接触器Ⅰ5断开，从而断开换流器Ⅰ1与交流电网和直流线路的连接；当换流器Ⅱ2发生故障时，控制器Ⅱ4控制断路器7、直流接触器Ⅱ6断开，从而断开换流器Ⅱ2与交流电网和直流线路的连接。
进一步地，控制器Ⅰ3包括主控器、信号调理板、通讯板、电源板、电流互感器、直流电压传感器和电流传感器，所述的电流互感器、直流电压传感器、电流传感器分别与信号调理板电连接，所述的信号调理板包括调理电路，所述的调理电路包括差分电路，信号调理板与主控器电连接，信号调理板用于采集电流电压信号并将信号转换发送给主控器，所述的电源板与主控器电连接，电源板用于给主控器提供电能支持，所述的通讯板与主控器电连接，通讯板用于主控器与换流器Ⅰ1通信，主控器根据信号调理板采集的电流电压信号计算有功功率和无功功率，并将有功功率和无功功率的调节指令通过通讯板发送给换流器Ⅰ1，进而控制换流器Ⅰ1输出；调理板通过电流互感器、差分电路采集交流电网的电压电流信号，通过直流电压传感器、电流传感器采集换流器Ⅰ1直流侧的电压电流信号，其中直流侧的电压信号也可以通过主控器与换流器Ⅰ1通信读取。
进一步地，控制器Ⅱ4设置为与控制器Ⅰ3相同的结构，控制器Ⅱ4包括主控器、信号调理板、通讯板、电源板、电流互感器、直流电压传感器和电流传感器，所述的电流互感器、直流电压传感器、电流传感器分别于信号调理板电连接，所述的信号调理板包括调理电路，所述的调理电路包括差分电路，信号调理板与主控器电连接，信号调理板用于采集电流电压信号并将信号转换发送给主控器，所述的电源板与主控器电连接，电源板用于给主控器提供电能支持，所述的通讯板与主控器电连接，通讯板用于主控器与换流器Ⅱ2通信，主控器根据信号调理板采集的电流电压信号计算有功功率和无功功率，并将有功功率和无功功率的调节指令通过通讯板发送给换流器Ⅱ2，进而控制换流器Ⅱ2输出；调理板通过电流互感器、差分电路采集交流电网的电压电流信号，通过直流电压传感器、电流传感器采集换流器Ⅱ2直流侧的电压电流信号，其中直流侧的电压信号也可以通过主控器与换流器Ⅱ2通信读取。
进一步地，控制器Ⅰ3与控制器Ⅱ4之间不需要通信。
进一步地，换流器Ⅰ1包括2个并网变压器8、12个换流器单元9、电抗器10、电阻11和导线，所述的并网变压器8的组别设置为Yd11，并网变压器8包括6个初级绕组和6个次级绕组，12个次级绕组分别与12个换流器单元9的三相输入端相连接，第1个换流器单元9和最后一个换流器单元9的直流端通过电抗器10分别与直流接触器Ⅰ5、直流接触器Ⅱ6相连接，所述12个换流器单元9的直流端通过串联的方式连接在一起，换流器单元9直流端串联连接的方式可以提高换流器Ⅰ1最终直流端总电压，所述的电阻11设置在中间两个换流器单元9直流端之间，电阻11通过导线与大地相连接，减小换流器单元9与大地的压差。
进一步地，换流器Ⅱ2包括2个并网变压器8、12个换流器单元9、电抗器10、电阻11和导线，所述的并网变压器8的组别设置为Yd11，并网变压器8包括6个初级绕组和6个次级绕组，12个次级绕组分别于12个换流器单元9的三相输入端相连接，第1个换流器单元9和最后一个换流器单元9的直流端通过电抗器10分别与直流接触器Ⅰ5、直流接触器Ⅱ6相连接，所述12个换流器单元9的直流端通过串联的方式连接在一起，换流器单元9直流端串联连接的方式可以提高换流器Ⅱ最终直流端总电压，所述的电阻11设置在中间两个换流器单元9直流端之间，电阻11通过导线与大地相连接，减小换流器单元9与大地的压差。
进一步地，电阻11的阻值设置为1MΩ。
进一步地，电抗器10的电感值设置为1mH。
进一步地，如附图2所示，换流器单元9设置为三电平三相桥结构，包括桥臂Ⅰ、桥臂Ⅱ、桥臂Ⅲ、电容C1、电容C2、电阻R1、电阻R2和外围电路，所述的桥臂Ⅰ包括IGBTQ11、IGBTQ12、IGBTQ13、IGBTQ14、二极管D11和二极管D12，IGBTQ11、IGBTQ12、IGBTQ13、IGBTQ14通过串联的方式连接在一起，串联的二极管D11、二极管D12与IGBTQ11和IGBTQ12的连接点、IGBTQ13和IGBTQ14的连接点连接在一起，桥臂Ⅱ包括IGBTQ21、IGBTQ22、IGBTQ23、IGBTQ24、二极管D21、和二极管D22，IGBTQ21、IGBTQ22、IGBTQ23、IGBTQ24通过串联的方式连接在一起，串联的二极管D21、二极管D22与IGBTQ21和IGBTQ22的连接点、IGBTQ23和IGBTQ24的连接点连接在一起，桥臂Ⅲ包括IGBTQ31、IGBTQ32、IGBTQ33、IGBTQ34、二极管D31和二极管D32，IGBTQ31、IGBTQ32、IGBTQ33、IGBTQ34通过串联的方式连接在一起，串联的二极管D31、二极管D32与IGBTQ31和IGBTQ32的连接点、IGBTQ33和IGBTQ34的连接点连接在一起，IGBTQ12和IGBTQ13的连接点与并网变压器次级绕组的A相相连接，IGBTQ22和IGBTQ23的连接点与并网变压器次级绕组的B相相连接，IGBTQ32和IGBTQ33的连接点与并网变压器次级绕组的C相相连接，所述电容C1、电容C2串联后与桥臂Ⅲ的两端相连接，所述电阻R1、电阻R2串联后与电容C1和电容C2并联连接，电阻R1、电阻R2用于电容C1、电容C2两端静态均压，二极管D11和二极管D12的连接点、二极管D21和二极管D22的连接点、二极管D31和二极管D32的连接点、电容C1和电容C2的连接点通过外围电路连接在一起。
一种中压双向直流输电系统的控制方法，包括以下步骤：
（i）控制器Ⅰ3通过电流互感器、差分电路采集交流电网的电压电流信号，通过直流电压传感器、电流传感器采集直流测电压电流信号；控制器Ⅱ4通过电流互感器、差分电路采集另一侧交流电网的电压电流信号，通过直流电压传感器、电流传感器采集直流测电压电流信号;
（ii）控制器Ⅰ3以直流电压闭环和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅱ4以有功功率给定和无功功率给定为控制算法，两者可以互换，即控制器Ⅰ3以有功功率给定和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅱ4以直流电压闭环和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅰ3与控制器Ⅱ4之间不需要通信;
（iii）无功功率指令和有功功率指令是由控制器Ⅰ3、控制器Ⅱ4分别发给换流器单元9，换流器单元9通过载波移相的方式减小交流侧输出电流高频纹波;
（iv）控制器Ⅰ3和控制器Ⅱ4都能收发给定的无功功率，然后进行无功调节;
（v）当控制器Ⅰ3以直流电压闭环和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅱ4以有功功率给定和无功功率给定为控制算法时，控制器Ⅱ4接收给定的有功功率，决定有功功率的调节方向。若控制器Ⅱ4接收给定的有功功率方向为朝向换流器Ⅰ1一侧，则换流器Ⅰ1和换流器Ⅱ2之间的直流母线电压升高，控制器Ⅰ3通过直流电压闭环的运算，将换流器Ⅱ2传递过来的有功功率输送到换流器Ⅰ1一侧的交流电网上；若控制器Ⅱ4接收给定的有功电流方向为朝向换流器Ⅱ2一侧，则换流器Ⅰ1和换流器Ⅱ2之间的直流母线电压降低，控制器Ⅰ3通过直流电压闭环的运算，从换流器Ⅰ1一侧吸收有功功率
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：所有换流器单元采用相同的两电平或三电平三相结构，换流器单元可相互替换，维护简单；换流器具有独立的控制器，控制器根据换流器直流侧的电压电流和交流电网的电压电流情况计算指令电流，换流器单元根据指令电流进行功率调节，实现了两个电站电能的相互传输，控制策略简单，实用性强。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种中压双向直流输电系统，包括换流器Ⅰ（1）、换流器Ⅱ（2）、控制器Ⅰ（3）、控制器Ⅱ（4）、直流接触器Ⅰ（5）、直流接触器Ⅱ（6）和断路器（7），其特征是所述的换流器Ⅰ（1）通过断路器（7）与三相交流电网连接，所述的换流器Ⅱ（2）通过断路器（7）与另一侧的三相交流电网连接，换流器Ⅰ（1）的正母线通过直流接触器Ⅰ（5）与换流器Ⅱ（2）的正母线相连，换流器Ⅰ（1）的负母线通过直流接触器Ⅱ（6）与换流器Ⅱ（2）的负母线相连，所述的控制器Ⅰ（3）与换流器Ⅰ（1）电连接，所述的控制器Ⅱ（4）与换流器Ⅱ（2）电连接。
2.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征是控制器Ⅰ（3）包括主控器、信号调理板、通讯板、电源板、电流互感器、直流电压传感器和电流传感器，所述的电流互感器、直流电压传感器、电流传感器分别与信号调理板电连接，所述的信号调理板包括调理电路，所述的调理电路包括差分电路，起信号采集作用的信号调理板、起电能支持作用的电源板、起通信作用的通讯板分别与主控器电连接。
3.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征是控制器Ⅱ（4）设置为与控制器Ⅰ（3）相同的结构。
4.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征是换流器Ⅰ（1）包括预设数量的并网变压器（8）、预设数量的换流器单元（9）、电抗器（10）、电阻（11）和导线，预设数量的并网变压器（8）通过并联的方式连接在一起，预设数量的换流器单元（9）的直流端通过串联的方式连接在一起，并网变压器（8）与换流器单元（9）的交流端相连接，首尾的换流器单元（9）的直流端通过电抗器（10）分别与直流接触器Ⅰ（5）、直流接触器Ⅱ（6）相连接，所述的电阻（11）设置在中间两个换流器单元（9）直流端之间，电阻（11）通过导线与大地相连接。
5.根据权利要求1所述的直流输电系统，其特征是换流器Ⅱ（2）设置为与换流器Ⅰ（1）相同的结构。
6.根据权利要求4所述的直流输电系统，其特征是并网变压器（8）包括初级连接和次级连接，所述的初级连接由预设数量的绕组并联构成，所述的次级连接由预设数量的绕组相互隔离构成，所述的初级连接通过断路器与交流电网相连接，所述的次级连接与换流器单元（9）的交流端相连接。
7.根据权利要求4所述的直流输电系统，其特征是电阻（11）的阻值设置为兆欧级。
8.根据权利要求4所述的直流输电系统，其特征是换流器单元（9）电路拓扑设置为两电平三相桥结构或三电平三相桥结构。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的直流输电系统的控制方法，包括以下步骤：
控制器Ⅰ（3）通过电流互感器、差分电路采集交流电网的电压电流信号，通过直流电压传感器、电流传感器采集直流测电压电流信号；控制器Ⅱ（4）通过电流互感器、差分电路采集另一侧交流电网的电压电流信号，通过直流电压传感器、电流传感器采集直流测电压电流信号；
控制器Ⅰ（3）以直流电压闭环和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅱ（4）以有功功率给定和无功功率给定为控制算法，两者可以互换，即控制器Ⅰ（3）以有功功率给定和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅱ（4）以直流电压闭环和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅰ（3）与控制器Ⅱ（4）之间不需要通信；
无功功率指令和有功功率指令是由控制器Ⅰ（3）、控制器Ⅱ（4）分别发给换流器单元（9），换流器单元（9）通过载波移相的方式减小交流侧输出电流高频纹波；
控制器Ⅰ（3）和控制器Ⅱ（4）都能收发给定的无功功率，然后进行无功调节；
（v）当控制器Ⅰ（3）以直流电压闭环和无功功率给定为控制算法，控制器Ⅱ（4）以有功功率给定和无功功率给定为控制算法时，控制器Ⅱ（4）接收给定的有功功率，决定有功功率的调节方向；若控制器Ⅱ（4）接收给定的有功功率方向为朝向换流器Ⅰ（1）一侧，则换流器Ⅰ（1）和换流器Ⅱ（2）之间的直流母线电压升高，控制器Ⅰ（3）通过直流电压闭环的运算，将换流器Ⅱ（2）传递过来的有功功率输送到换流器Ⅰ（1）一侧的交流电网上；若控制器Ⅱ（4）接收给定的有功电流方向为朝向换流器Ⅱ（2）一侧，则换流器Ⅰ（1）和换流器Ⅱ（2）之间的直流母线电压降低，控制器Ⅰ（3）通过直流电压闭环的运算，从换流器Ⅰ（1）一侧吸收有功功率。
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