CN108964111B - 一种具有中压侧直流出线的直流输电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有中压侧直流出线的直流输电系统及其控制方法，其特征在于：其包括送端交流系统、送端换流站、受端交流系统、受端交流站以及控制系统；所述送端换流站通过送端换流母线与所述送端交流系统相连，通过高中压直流电缆或高中压直流输电线路与所述受端换流站相连；所述受端换流站通过受端换流母线与受端交流系统相连；所述控制系统以直流输电线路运行损耗最小为目标对所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流指令值进行实时计算，并通过所述送端换流站和受端换流站对所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流进行调节。本发明可以用于分期建设的跨海直流联网工程。

Description

一种具有中压侧直流出线的直流输电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及高压直流输电领域，特别是涉及一种具有中压侧直流出线的直流输电系统及其控制方法。

背景技术

全球电网互联是全球能源互联网的重要组成部分。在全球电网互联过程中，需要建设一批跨海联网工程，这些跨海联网工程通常要求输电距离远、输电容量大，采用直流输电技术更加合理。而在这些跨海直流联网工程建设过程中，直流电缆技术是制约其电压等级提高和输电容量增大的重要因素。

从目前来看，在全球电网互联过程中，跨海直流联网工程的建设宜采用分步实施的方案。在近期，宜建设电压等级相对较低，直流输电容量相对较小的直流输电工程，实现跨海电网的互联互通，满足近期负荷需求，同时为直流电缆技术发展争取时间。在远期，在已建电压等级相对较低的直流工程的基础上进行扩建，实现电压等级和直流输电功率的提升，满足电网负荷发展的需要。

当电缆技术发展成熟后，增加跨海互联电网的功率交换能力有多种方式。最直接的方式就是新建高压直流输电工程，但是该方案面临送受端选站困难，电缆路径选择困难，新旧直流工程协调运行困难等一系列问题。另一个可行的方式就是在原工程的基础上扩建新的高压直流电缆和相应的换流器，该方案的站址选择和电缆敷设路径选择将更加便利，但是如何确定远近结合的直流主接线方案，以实现充分利用高中压电缆实现正常运行方式下的经济运行和故障时的紧急功率支援，是需要研究的重要问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有中压侧直流出线的直流输电系统及其控制方法，可以兼顾直流系统近期输电和远期扩建的需要。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种具有中压侧直流出线的直流输电系统，其包括送端交流系统、送端换流站、受端交流系统、受端交流站以及控制系统；所述送端换流站通过送端换流母线与所述送端交流系统相连，通过高中压直流电缆或高中压直流输电线路与所述受端换流站相连；所述受端换流站通过受端换流母线与受端交流系统相连；所述控制系统以直流输电线路运行损耗最小为目标对所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流指令值进行实时计算，并通过所述送端换流站和受端换流站对所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流进行调节。

所述送端换流站和受端换流站均为双极换流站，所述双极换流站的极1和极2均包括低端单12脉动换流器和高端单12脉动换流器，所述低端单12脉动换流器与所述高端单12脉动换流器串联，构成双12脉动换流器串联结构。

所述送端换流站和受端换流站的构建方法为：

首先在送端和受端分别建设一个低端单12脉动换流器以及连接送受端的中压直流电缆或中压直流输电线路；其中，建设的低端单12脉动换流器的低压侧通过接地极和接地极线路接地，高压侧则直接接入中压直流母线，送受端中压直流母线通过中压直流电缆或中压直流输电线路相联；

扩建时，在送端和受端的基础上，建设一个高端单12脉动换流器以及连接送受端的跨海高压直流电缆或高压直流输电线路，且送受端高端单12脉动换流器的高压侧与站内高压直流母线相连，送受端的高压直流母线通过跨海高压直流电缆或高压直流输电线路相联；送受端高端单12脉动换流器的低压侧则直接接入该端换流站的中压直流母线。

一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，包括以下步骤：

确定预建好的具有中压侧直流出线的直流输电系统中，高压直流电缆或高压输电线路电流的指令值以及中压直流电缆或者中压直流输电线路电流的指令值，使得所述高、中压直流电缆或者直流输电线路中直流电流的分配使直流输电线路的损耗最小；

确定受端高压直流母线电压以及中压直流母线电压为指令值。

所述高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的确定方法，包括以下步骤：

首先，以直流输电线路的损耗最小为目标，确定高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的理想值；

然后，根据高低端12脉动换流器的最大最小运行电流能力对高压直流电缆或者高压直流线路电流指令值的理想值和中压直流电缆或者中压直流线路电流指令值的理想值进行修正。

所述高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的理想值的计算公式分别为：

式中，I′₁为高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值的理想值；I′₂为中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的理想值；P为直流输送功率的指令值；U₁为高压直流母线电压值；U₂为中压直流母线电压值；R₁为高压直流电缆或者高压直流线路电阻；R₂为中压直流电缆或者中压直流线路电阻。

对所述高压直流电缆或者高压直流线路电流指令值的理想值和中压直流电缆或者中压直流线路电流指令值的理想值进行修正时：

①当I′₁在高端12脉动换流器的正常运行电流范围内，且(I′₁+I′₂)在低端12脉动换流器的正常运行电流范围内，则高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值I₂分别取为I′₁、I′₂；

②当I′₁大于高端12脉动换流器的最大运行电流，高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁就取为高端12脉动换流器的最大运行电流；当I′₁小于高端12脉动换流器的最小运行电流时，高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁就取为高端12脉动换流器的最小运行电流；在I₁确定后，中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值I₂就为：

当上述确定的(I′₁+I′₂)小于低端12脉动换流器的最小运行电流时，则高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值由下式确定：

式中，I_vL,min为低端12脉动换流器的最小运行电流。

所述受端高压直流母线电压指令值为设计的高压直流母线额定电压，中压直流母线电压指令值通常为设计的中压直流母线额定电压；在降压运行时，根据降压系数，对高压直流母线电压指令值和中压直流母线电压指令值进行相应调整。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明提出的具有中压侧直流出线的直流输电系统主接线，可以兼顾直流系统近期输电和远期扩建的需要。可以在直流输电容量要求不太大或者高压直流电缆无法研制的情况下首先建设低端换流器和中压直流电缆或者中压直流输电线路，实现电网互联和功率输送；随着直流输电容量要求的提升或者高压直流电缆研制攻克以后，再建设高端换流器和高压直流电缆或者高压直流输电线路。2)本发明采用高端12脉动换流器通过控制换流器触发角使得高压直流电缆或者高压直流输电线路电流为指令值；送端低端12脉动换流器通过控制换流器触发角使得中压直流电缆或者中压直流输电线路电流为指令值；由于高压直流电缆或者高压直流输电线路和中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流分配以使直流输电线路的总损耗最小为目标，直流输电系统的运行更加经济。

附图说明

图1为本发明具有中压侧直流出线的直流输电系统的主接线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的一种具有中压侧直流出线的直流输电系统，其包括：送端交流系统(a)、送端换流站、受端交流系统(n)、受端交流站以及控制系统。其中，送端换流站通过送端换流母线(b)与送端交流系统(a)相连，通过高中压直流电缆或高中压直流输电线路与受端换流站相连；受端换流站通过受端换流母线(m)与受端交流系统(n)相连。控制系统以直流输电线路运行损耗最小为目标对高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流指令值进行实时计算，并通过送端换流站和受端换流站对高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流进行调节。

送端换流站和受端换流站均为双极换流站，双极换流站的极1和极2均包括低端单12脉动换流器和高端单12脉动换流器，且低端单12脉动换流器与高端单12脉动换流器串联，构成双12脉动换流器串联结构。

送端换流站和受端换流站的构建方法为：

首先在送端和受端分别建设一个低端单12脉动换流器以及连接送受端的中压直流电缆或中压直流输电线路；其中，建设的低端单12脉动换流器的低压侧通过接地极和接地极线路接地，高压侧则直接接入中压直流母线，送受端中压直流母线通过中压直流电缆或中压直流输电线路相联；在直流电缆技术可行的前提下首先实现跨海电网互联，满足短期内互联电网功率传输的需要；

扩建时，在送端和受端的基础上，建设一个高端单12脉动换流器以及连接送受端的跨海高压直流电缆或高压直流输电线路，且送受端高端单12脉动换流器的高压侧与站内高压直流母线相连，送受端的高压直流母线通过跨海高压直流电缆或高压直流输电线路相联；送受端高端单12脉动换流器的低压侧则直接接入该端换流站的中压直流母线；实现跨海电网通过特高压直流互联，满足直流大容量输电的需要。

具体的，送端换流站包括送端极1低端12脉动换流器(c)、送端极1高端12脉动换流器(d)、送端极2低端12脉动换流器(e)和送端极2高端12脉动换流器(f)。送端极1和极2内的高端12脉动换流器(d)、(f)的高压侧分别与送端极1、极2高压直流母线(o)、(r)相连，送端极1、极2高压直流母线(o)、(r)通过高压直流电缆或高压直流输电线路与受端换流站相连；送端极1内高端12脉动换流器(d)的低压侧和送端极1内低端12脉动换流器(c)的高压侧与送端极1中压直流母线(p)相连，送端极2内高端12脉动换流器(f)的低压侧和送端极2内低端12脉动换流器(e)的高压侧与送端极2中压直流母线(q)相连，送端极1、极2中压直流母线(p)、(q)通过中压直流电缆或中压直流输电线路与受端换流站相连；送端极1和极2低端12脉动换流器(c)、(e)的低压侧通过接地极和接地极线路接地。

受端换流站包括受端极1低端12脉动换流器(i)、受端极1高端12脉动换流器(j)、受端极2低端12脉动换流器(k)和受端极2高端12脉动换流器(l)。其中，受端极1和极2内的高端12脉动换流器(j)、(l)的高压侧分别与极1、极2高压直流母线(s)、(v)相连，极1、极2高压直流母线(s)、(v)通过高压直流电缆或高压直流输电线路与送端换流站相连；受端极1内高端12脉动换流器(j)的低压侧和受端极1内低端12脉动换流器(i)的高压侧与极1中压直流母线(t)相连，受端极2内高端12脉动换流器(l)的低压侧和受端极2内低端12脉动换流器(k)的高压侧与极2中压直流母线(u)相连，极1、极2中压直流母线(t)、(u)通过中压直流电缆或中压直流输电线路与送端换流站相连；受端极1和极2低端12脉动换流器(i)、(k)的低压侧通过接地极和接地极线路接地。

基于上述具有中压侧直流出线的直流输电系统，本发明还提供一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，包括以下步骤：

送端高端12脉动换流器通过控制换流器触发角使得高压直流电缆或者高压直流输电线路电流为指令值；送端低端12脉动换流器通过控制换流器触发角使得中压直流电缆或者中压直流输电线路电流为指令值；高中压直流电缆或者直流输电线路中直流电流的分配使直流输电线路的损耗最小；

受端高端换流器控制受端高压直流母线电压为指令值；受端低端换流器控制受端中压直流母线电压为指令值。

其中，高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值，分别记为I₁和I₂。电流指令值的确定包括两个步骤：

首先，以直流输电线路的损耗最小为目标，确定高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的理想值：

式中，I′₁为高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值的理想值；I′₂为中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的理想值；P为直流输送功率的指令值；U₁为高压直流母线电压值；U₂为中压直流母线电压值；R₁为高压直流电缆或者高压直流线路电阻；R₂为中压直流电缆或者中压直流线路电阻。

然后，为确保高低端12脉动换流器的运行电流不超过换流器的最大最小运行电流能力范围，根据高低端12脉动换流器的最大最小运行电流能力对高压直流电缆或者高压直流线路电流指令值的理想值和中压直流电缆或者中压直流线路电流指令值的理想值进行修正。

分为两种情况：

①若I′₁在高端12脉动换流器的正常运行电流范围内，且(I′₁+I′₂)在低端12脉动换流器的正常运行电流范围内，则高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值I₂分别取为I′₁、I′₂。

②若I′₁大于高端12脉动换流器的最大运行电流时，高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁就取为高端12脉动换流器的最大运行电流；若I′₁小于高端12脉动换流器的最小运行电流时，高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁就取为高端12脉动换流器的最小运行电流；在I₁确定后，中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值I₂就为：

此时，若确定的(I′₁+I′₂)小于低端12脉动换流器的最小运行电流时，则高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值由下式确定：

式中，I_vL,min为低端12脉动换流器的最小运行电流。

高压直流母线电压指令值通常为设计的高压直流母线额定电压，中压直流母线电压指令值通常为设计的中压直流母线额定电压。在降压运行时，根据降压系数，高压直流母线电压指令值和中压直流母线电压指令值相应下降。

实施例一

本实施例中，以直流输电系统输送直流功率1500MW为例，对跨海直流输电系统的建设进行介绍。

1)在送端和受端分别建设一个低端单12脉动换流器以及连接送受端的中压直流电缆或中压直流输电线路，在直流电缆技术可行的前提下首先实现跨海电网互联，满足短期内互联电网功率传输的需要；

建设的低端单12脉动换流器的额定直流电压400kV，额定电流为5000A(也可以设计为2500A，待扩建时在并联一个12脉动换流器使得其通流能力达到5000A)，最小直流电流为500A；建设的中压直流电缆线路的额定通流能力为2500A，额定直流电压为400kV，额定电阻为5欧姆；建设的12脉动换流器的低压侧通过接地极和接地极线路接地，高压侧则直接接入中压直流母线。送受端中压直流母线通过中压直流电缆线路相联；

2)扩建时，在送端和受端的基础上，建设一个高端单12脉动换流器以及连接送受端的跨海高压直流电缆或高压直流输电线路，实现跨海电网通过特高压直流互联，满足直流大容量输电的需要。

扩建的高端单12脉动换流器的额定电流为2500A，额定直流电压为400kV，最小直流电流为250A；建设的高压直流电缆线路的额定通流能力为2500A，额定直流电压800kV，额定电阻为4欧姆；送受端高端单12脉动换流器的高压侧通过跨海高压直流电缆线路相联；送受端高端单12脉动换流器的低压侧则直接接入中压直流母线。

3)计算高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值。

以直流输电系统输送直流功率1500MW为例，可以计算得到高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值的理想值I′₁为1.5625kA；中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值的理想值I′₂为0.625kA；进一步可知I′₁和I′₂在高端12脉动换流器和低端12脉动换流器的正常运行电流范围内，因此高压直流电缆或者高压直流线路的电流指令值I₁就为1.5625kA；中压直流电缆或者中压直流线路的电流指令值I₂就为0.625kA。

4)受端高端换流器控制受端高压直流母线电压为指令值；受端低端换流器控制受端中压直流母线电压为指令值。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种具有中压侧直流出线的直流输电系统，其特征在于：其包括送端交流系统、送端换流站、受端交流系统、受端交流站以及控制系统；所述送端换流站在送端预先构建，且所述送端换流站通过送端换流母线与所述送端交流系统相连，通过高中压直流电缆或高中压直流输电线路与所述受端换流站相连；所述受端换流站在受端预先构建，且所述受端换流站通过受端换流母线与受端交流系统相连；所述控制系统以直流输电线路运行损耗最小为目标对所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流指令值进行实时计算，并通过所述送端换流站和受端换流站对所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路的电流进行调节；

所述送端换流站和受端换流站的构建方法为：

首先在送端和受端分别建设一个低端单12脉动换流器以及连接送受端的中压直流电缆或中压直流输电线路；其中，建设的低端单12脉动换流器的低压侧通过接地极和接地极线路接地，高压侧则直接接入中压直流母线，送受端中压直流母线通过中压直流电缆或中压直流输电线路相联；

扩建时，在送端和受端的基础上，建设一个高端单12脉动换流器以及连接送受端的跨海高压直流电缆或高压直流输电线路，且送受端高端单12脉动换流器的高压侧与站内高压直流母线相连，送受端的高压直流母线通过跨海高压直流电缆或高压直流输电线路相联；送受端高端单12脉动换流器的低压侧则直接接入该端换流站的中压直流母线。

2.如权利要求1所述的一种具有中压侧直流出线的直流输电系统，其特征在于：所述送端换流站和受端换流站均为双极换流站，所述双极换流站的极1和极2均包括低端单12脉动换流器和高端单12脉动换流器，所述低端单12脉动换流器与所述高端单12脉动换流器串联，构成双12脉动换流器串联结构。

3.一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，其用于如权利要求1～2任一项所述的具有中压侧直流出线的直流输电系统，其特征在于包括以下步骤：

确定预建好的具有中压侧直流出线的直流输电系统中，高压直流电缆或高压输电线路电流的指令值以及中压直流电缆或者中压直流输电线路电流的指令值，使得所述高中压直流电缆或者高中压直流输电线路中直流电流的分配使直流输电线路的损耗最小；

确定受端高压直流母线电压以及中压直流母线电压为指令值。

4.如权利要求3所述的一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，其特征在于：所述高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值的确定方法，包括以下步骤：

首先以直流输电线路的损耗最小为目标，确定高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值的理想值；

然后，根据高低端12脉动换流器的最大最小运行电流能力对高压直流电缆或者高压直流输电线路电流指令值的理想值和中压直流电缆或者中压直流输电线路电流指令值的理想值进行修正。

5.如权利要求4所述的一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，其特征在于：所述高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值的理想值的计算公式分别为：

式中，I′₁为高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值的理想值；I′₂为中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值的理想值；P为直流输送功率的指令值；U₁为高压直流母线电压值；U₂为中压直流母线电压值；R₁为高压直流电缆或者高压直流输电线路电阻；R₂为中压直流电缆或者中压直流输电线路电阻。

6.如权利要求4所述的一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，其特征在于：对所述高压直流电缆或者高压直流输电线路电流指令值的理想值和中压直流电缆或者中压直流输电线路电流指令值的理想值进行修正时：

①当I′₁在高端12脉动换流器的正常运行电流范围内，且(I′₁+I′₂)在低端12脉动换流器的正常运行电流范围内，则高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值I₁以及中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值I₂分别取为I′₁、I′₂；

②当I′₁大于高端12脉动换流器的最大运行电流，高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值I₁就取为高端12脉动换流器的最大运行电流；当I′₁小于高端12脉动换流器的最小运行电流时，高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值I₁就取为高端12脉动换流器的最小运行电流；在I₁确定后，中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值I₂就为：

当上述确定的(I′₁+I′₂)小于低端12脉动换流器的最小运行电流时，则高压直流电缆或者高压直流输电线路的电流指令值以及中压直流电缆或者中压直流输电线路的电流指令值由下式确定：

式中，I_vL,min为低端12脉动换流器的最小运行电流。

7.如权利要求3所述的一种具有中压侧直流出线的直流输电系统的控制方法，其特征在于：所述受端高压直流母线电压指令值为设计的高压直流母线额定电压，中压直流母线电压指令值通常为设计的中压直流母线额定电压；在降压运行时，根据降压系数，对高压直流母线电压指令值和中压直流母线电压指令值进行相应调整。

Images