CN109193747B - 双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统及转换方法，其包括正极中性线电路，快速中性线接地开关正极中性线电路中设置有中性母线开关，快速中性线接地开关负极中性线电路中设置有中性母线开关，快速中性线接地开关中性线开关用于通过将负荷电流或故障电流转移至金属回线从而实现单极计划检修或故障切除的同时确保非故障极的正常运行；两快速中性线接地开关金属回线电路中分别设置有金属回线开关和金属回线开关，快速中性线接地开关金属回线开关用于金属回线的切除和投入；位于快速中性线接地开关接地支路中接地电阻旁边设置有快速中性线接地开关快速中性线接地开关，快速中性线接地开关快速中性线接地开关用于接地站在线更换。

Description

双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电技术领域，特别是关于一种双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统及运行方式转换方法。

背景技术

大容量柔性直流电网可发挥柔性直流输电的技术优势，是实现大规模风电、光伏、抽蓄等多种能源的接入和输送，多电源供电及多落点受电广域协调互补的有效解决方案，有利于可再生能源、抽蓄等储能与负荷间的灵活能量交互，有利于大规模光伏、风能的昼夜互补，有利于解决大规模可再生能源的系统调峰问题，有利于减小间歇性能源对受端交流电网的扰动冲击，有利于改善清洁能源接入的友好性，提升可再生能源的利用效率。

根据换流器组合方式和系统接地方式，目前柔性直流输电系统电气主接线基本型式可分为两种：1)每站由一个换流单元构成对称单极结构型式，采用交流侧接地方式(例如换流变压器中性点接地或星型电抗器接地)，上海南汇、浙江舟山和渝鄂工程属于这种类型；2)每个站换流器构成双极结构型式，采用直流侧接地方式，厦门工程属于这种类型。双极接线方案采用2个基本换流单元分别组成正极和负极，其基本型式类似传统直流工程主接线方式，两极可以独立运行，中间采用金属回线形成返回电流通路。这种接线方案的特点是可靠性较高，当一极故障时，另外一极可以继续运行，不会导致功率中断。由于输送容量大，如果采用对称单极接线方案，单台联接变压器输送容量非常大，变压器制造、运输均存在很大困难，工程实施条件差；双极接线方案下变压器数量增加，但单台变压器容量降低，制造和运输容易实现。

采用双极带金属回线接线方式的柔性直流电网运行方式十分灵活且复杂多样，基本运行方式之间的切换需要借助合理的开关配置方案，特别是中性线区域内的转换开关配置方案，这是换流站电气主接线设计中需要解决的一个关键问题。中性线区域内转换开关的确定与电力系统整体及换流站本身运行的可靠性、灵活性和经济性密切相关，且应满足可靠性、灵活性和经济性三项基本要求：(1)可靠性。设计方案应该保证柔性直流电网系统有较高的可靠性。(2)灵活性。设计方案应满足正常运行时和检修及扩建时的灵活性要求。(3)经济性。设计方案应力求简单，以节省一次设备。同时，方案占地面积小。

在确定好中性线区域开关的具体配置方案后，需要解决的另外一个关键问题是如何利用所配置的开关完成基本运行方式的转换，比如正常双极运行与单极运行之间转换、接地站在线更换、单换流单元退出/投入、金属回线的切入等。然而现有的技术手段未涉及双极带金属回线柔性直流电网中性线区域的开关方案及运行方式转换方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统及转换方法，其能够满足灵活的运行方式转换和检修需求，同时可以满足柔性直流电网的可靠性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统，其包括正极中性线电路、负极中性线电路、两金属回线电路和接地支路；所述正极中性线电路中设置有第一中性母线开关，所述负极中性线电路中设置有第二中性母线开关，所述中性线开关用于通过将负荷电流或故障电流转移至金属回线从而实现单极计划检修或故障切除的同时确保非故障极的正常运行；两所述金属回线电路中分别设置有第一金属回线开关和第二金属回线开关，所述金属回线开关用于金属回线的切除和投入；位于所述接地支路中接地电阻旁边设置有所述快速中性线接地开关，所述快速中性线接地开关用于接地站在线更换。

进一步，在所述正极中性线电路中，位于正极中性线上从正极换流单元至中性线汇流母线之间的线路上依次串联有所述第一中性母线开关和第一带双地刀的隔离开关；位于所述第一带双地刀的隔离开关两侧分别并联设置有第一地刀和第二地刀。

进一步，在所述负极中性线电路中，位于负极中性线上从负极换流单元至中性线汇流母线之间的线路上依次串联有所述第二中性母线开关和第一带单地刀的隔离开关；位于所述第一带单地刀的隔离开关与所述第二中性母线开关之间的线路上并联设置有第三地刀。

进一步，在两所述金属回线电路中，位于金属回线上从靠近中性线汇流母线一侧起，均依次串联设置有第二带单地刀的隔离开关、金属回线开关和第二带双地刀的隔离开关；位于所述第二带单地刀的隔离开关与所述金属回线开关之间的线路上并联设置有第四地刀；位于所述第二带双地刀的隔离开关两侧分别并联设置有第五地刀和第六地刀。

进一步，在所述接地支路上，从靠近中性线汇流母线一侧起，依次串联设置有不带地刀的隔离开关、所述快速中性线接地开关和接地电阻。

一种基于上述系统的双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法，其包括从正常双极运行转为单极运行的转换方法、单极运行转为正常双极运行的转换方法、双极单接地运行与双极双接地运行之间的转换方法以及换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换或因为故障或检修等原因，需要退出单换流单元的转换方法。

进一步，所述从正常双极运行转为单极运行的转换方法包括以下步骤：1)闭锁直流电网中各端换流站所有正极或所有负极换流器；2)拉开直流电网中各端换流站所有正极或所有负极换流器接入交流系统的交流断路器及相应刀闸，切断四端换流站所有正极或负极与交流系统的联系；3)拉开直流电网中各端换流站所有正极或负极极线中性母线开关及相应刀闸，将直流电网中各端换流站所有正极或负极回路中的电流完全转移到金属回线上，隔离四端换流站正极或负极，完成双极运行方式到单极运行方式的转换。

进一步，所述单极运行转为正常双极运行的转换方法包括以下步骤：1)先合上直流电网中各端换流站正极或负极所有极线直流断路器和中性母线开关及相应刀闸；2)合直流电网中各端换流站所有正极或负极换流器接入交流系统的交流断路器及相应刀闸对极I充电；3)充电完成后按照直流电网电压建立及换流站投入次序解锁各站换流阀,金属回线上的电流转移至正极或负极回路，金属回线上仅剩较小的不平衡电流，完成方式转换。

进一步，所述双极单接地运行与双极双接地运行之间的转换方法包括以下步骤：1)合上接地点接管站的快速中性线接地开关NBGS及相应刀闸，使得系统临时进入双极金属回线双端接地运行；此时，流入大地回路和金属回线的电流分配与它们的电阻成反比；2)断开原先接地站的快速中性线接地开关，将大地回路中的电流完全转移到金属回线上。

进一步，所述换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换或因为故障或检修等原因，需要退出单换流单元的转换方法分别包括以下步骤：所述换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换方法，步骤为：1)按照双极单接地运行与双极双接地运行切换的流程，进入临时双极双接地过渡模式；2)然后利用金属回线开关将换流站的金属回线与剩余系统金属回线分离，使其进入完全隔离状态；

因为故障或检修等原因，需要退出单换流单元的转换方法，步骤为：1)闭锁该站正极或负极换流单元；2)拉开该站正极或负极换流单元接入交流系统的交流断路器及相应刀闸，切断极I与交流系统的联系；3)拉开该站正极或负极换流单元极线直流断路器；4)拉开该站正极或负极换流单元中性母线开关，将极I回路中的电流完全转移到金属回线上，隔离正极和负极，完成双极运行方式到单极运行方式的转换。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出的双极带金属回线柔性直流电网中性线区域转换开关配置系统，在实现基本运行方式转换的前提下，具有所需设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点，适用于柔性直流电网应用场合。2、本发明提出的双极带金属回线柔性直流电网中性线区域转换开关配置系统，能够满足灵活的运行方式转换和检修需求，同时可以满足柔性直流电网的可靠性。3、本发明给出了利用所配置的转换开关进行不同运行方式平稳切换，具有步骤简单易行、清晰明了等特点。综上所述，本发明可以广泛应用于双极带金属回线的柔性直流电网应用场合。

附图说明

图1是双极柔性直流电网整体结构示意图；

图2是本发明的中性区域开关配置系统示意图；

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、图2所示，本发明提供了一种双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统，其包括正极中性线电路、负极中性线电路、两金属回线电路和接地支路。正极中性线电路中设置有第一中性母线开关NBS1，负极中性线电路中设置有第二中性母线开关NBS2，中性线开关主要用于通过将负荷电流或故障电流转移至金属回线从而实现单极(单换流单元)计划检修或故障切除的同时确保非故障极的正常运行。两金属回线电路中分别设置有第一金属回线开关MSB1和第二金属回线开关MSB2，金属回线开关MBS用于金属回线的切除和投入。位于接地支路中接地电阻旁边设置有快速中性线接地开关NBGS，快速中性线接地开关NBGS用于接地站在线更换。

上述实施例中，优选的，在正极中性线电路中，位于正极中性线上从正极换流单元至中性线汇流母线之间的线路上依次串联有第一中性母线开关NBS1和第一带双地刀的隔离开关Q1。位于第一带双地刀的隔离开关Q1两侧分别并联设置有第一地刀QS11和第二地刀QS12，第一地刀QS11和第二地刀QS12一端接地。

上述各实施例中，优选的，在负极中性线电路中，位于负极中性线上从负极换流单元至中性线汇流母线之间的线路上依次串联有第二中性母线开关NBS2和第一带单地刀的隔离开关Q2。位于第一带单地刀的隔离开关Q2与第二中性母线开关 NBS2之间的线路上并联设置有第三地刀QS2，第三地刀QS2一端接地。

上述各实施例中，优选的，两金属回线电路结构相同，以其中一金属回线电路为例进行详细说明。位于金属回线1上从靠近中性线汇流母线一侧起，依次串联设置有第二带单地刀的隔离开关Q3、第一金属回线开关MBS1和第二带双地刀的隔离开关Q5。位于第二带单地刀的隔离开关Q3与第一金属回线开关MBS1之间的线路上并联设置有第四地刀QS3；位于第二带双地刀的隔离开关Q5两侧分别并联设置有第五地刀QS51和第六地刀QS52；第四地刀QS3、第五地刀QS51和第六地刀QS52一端均接地。

上述各实施例中，优选的，在接地支路上，从靠近中性线汇流母线一侧起，依次串联设置有不带地刀的隔离开关Q7、快速接地开关NGBS和接地电阻。

上述各实施例中，在确定主接线时，需考虑应对不同运行方式切换时配置的开关设备。柔性直流电网工程最典型的方式切换是换流单元的投入和退出、极线或金属回流线的投入和退出、单双极的切换和隔离。本发明的中性线区域开关配置系统可以实现上述不同运行方式的平稳切换，确保工程的可靠性和可用率。

为进一步说明本发明的转换开关配置系统的合理性和必要性，针对上述几种典型的运行方式转换，本发明还提供了一种双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法，该方法包括正极换流单元(正极换流器)或负极换流单元全部切除，则系统从正常双极运行转为单极运行的转换方法、单极运行转为正常双极运行的转换方法、双极单接地运行与双极双接地运行之间的转换方法以及换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换或因为故障或检修等原因，需要退出和投入单换流单元的转换方法。

正极换流单元(换流器)或负极换流单元全部切除，则系统从正常双极运行转为单极运行时，本发明所提供正常双极运行转为单极运行的转换方法包括以下步骤:

1)闭锁直流电网中各端换流站所有正极(或所有负极)换流器；

2)拉开直流电网中各端换流站所有正极(或所有负极)换流器接入交流系统的交流断路器及相应刀闸，切断四端换流站所有正极(或负极)与交流系统的联系；

3)拉开直流电网中各端换流站所有正极(或负极)极线中性母线开关NBS及相应刀闸，将直流电网中各端换流站所有正极(或负极)回路中的电流完全转移到金属回线上，从而隔离四端换流站正极(或负极)，完成双极运行方式到单极运行方式的转换。

单极运行转为正常双极运行的转换方法包括以下步骤：

1)先合上直流电网中各端换流站正极(或负极)所有极线直流断路器(若极线直流断路器断开)和中性母线开关NBS及相应刀闸；

2)合直流电网中各端换流站所有正极(或负极)换流器接入交流系统的交流断路器及相应刀闸对极I充电；

3)充电完成后按照直流电网电压建立及换流站投入次序解锁各站换流阀。这样，金属回线上的电流转移至正极(或负极)回路，金属回线上仅剩较小的不平衡电流，完成方式转换。

正常运行方式下，柔性直流电网系统处于双极单接地运行方式，金属回线在一端换流站单点接地，不提供大地直流电流通路，两极不平衡电流通过金属回线返回。双极单接地运行与双极双接地运行间转换，一般用于接地点的更换。此时，柔性直流电网必须是双极功率平衡运行，通过接地点流入地网的电流仅为双极不平衡电流。要实现该转换，本发明所提供的转换方法包括以下步骤：

1)合上接地点接管站的快速中性线接地开关NBGS及相应刀闸，使得系统临时进入双极金属回线双端接地运行。此时，流入大地回路和金属回线的电流分配与它们的电阻成反比；

2)尽快转入单接地运行模式，即断开原先接地站的快速中性线接地开关NBGS，将大地回路中的电流完全转移到金属回线上。

由于换流站(STATCOM)运行有三种运行方式：1)换流站有功功率指令设定为零，此时该换流单元与直流电网间存在微小的功率交互，简称正常接线方式；2) 换流站极线隔离但中性母线仍连接，以从金属回线上获取接地点；3)换流站极线和中性线均完全隔离，简称完全隔离状态；如果换流站正常接线方式进入完全隔离状态，则本发明的转换方法包括以下步骤：

1)按照双极单接地运行与双极双接地运行切换的流程，进入临时双极双接地过渡模式；

2)然后利用金属回线开关MBS将换流站的金属回线与剩余系统金属回线分离，使其进入完全隔离状态。

因为故障或检修等原因，需要退出和投入单换流单元，以退出换流单元为例，本发明的转换方法包括以下步骤：

1)闭锁该站正极(或负极)换流单元；

2)拉开该站正极(或负极)换流单元接入交流系统的交流断路器及相应刀闸，切断极I与交流系统的联系；

3)拉开该站正极(或负极)换流单元极线直流断路器(按照目前张北工程主接线)；

4)拉开该站正极(或负极)换流单元中性母线开关NBS，将极I回路中的电流完全转移到金属回线上，隔离正极和负极，完成双极运行方式到单极运行方式的转换。

当某金属回线发生故障时，需要通过金属回线开关MBS将流过本金属回线的电流或者流过大地的电流转移至其他金属回线。

综上所述，本发明的中性线区域转换开关配置系统实现了不同典型方式的平稳转换；开关配置系统具有所需设备少、经济性高等特点。运行方式转换步骤具有简单清晰、方便易行等优势，从而提高了柔性直流电网的可靠性和可用率。对柔性直流电网发展具有重要发展意义。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件和步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (4)

1.一种双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法，其特征在于：该方法基于双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统实现；所述双极柔性直流电网中性线转换开关配置系统包括正极中性线电路、负极中性线电路、两金属回线电路和接地支路；所述正极中性线电路中设置有第一中性母线开关，所述负极中性线电路中设置有第二中性母线开关，所述第一中性母线开关和第二中性母线开关用于通过将负荷电流或故障电流转移至金属回线从而实现单极计划检修或故障切除的同时确保非故障极的正常运行；两所述金属回线电路中分别设置有第一金属回线开关和第二金属回线开关，所述第一金属回线开关和第二金属回线开关用于金属回线的切除和投入；位于所述接地支路中接地电阻旁边设置有快速中性线接地开关，所述快速中性线接地开关用于接地站在线更换；

在所述正极中性线电路中，位于正极中性线上从正极换流单元至中性线汇流母线之间的线路上依次串联有所述第一中性母线开关和第一带双地刀的隔离开关；位于所述第一带双地刀的隔离开关两侧分别并联设置有第一地刀和第二地刀；

在所述负极中性线电路中，位于负极中性线上从负极换流单元至中性线汇流母线之间的线路上依次串联有所述第二中性母线开关和第一带单地刀的隔离开关；位于所述第一带单地刀的隔离开关与所述第二中性母线开关之间的线路上并联设置有第三地刀；

在两所述金属回线电路中，位于金属回线上从靠近中性线汇流母线一侧起，均依次串联设置有第二带单地刀的隔离开关、金属回线开关和第二带双地刀的隔离开关；位于所述第二带单地刀的隔离开关与所述金属回线开关之间的线路上并联设置有第四地刀；位于所述第二带双地刀的隔离开关两侧分别并联设置有第五地刀和第六地刀；

在所述接地支路上，从靠近中性线汇流母线一侧起，依次串联设置有不带地刀的隔离开关、所述快速中性线接地开关和接地电阻；

所述双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法包括从正常双极运行转为单极运行的转换方法、单极运行转为正常双极运行的转换方法、双极单接地运行与双极双接地运行之间的转换方法以及换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换或因为故障或检修的原因，需要退出单换流单元的转换方法；

所述双极单接地运行与双极双接地运行之间的转换方法包括以下步骤：

1)合上接地点接管站的快速中性线接地开关NBGS及相应刀闸，使得系统临时进入双极金属回线双端接地运行；此时，流入大地回路和金属回线的电流分配与它们的电阻成反比；

2)断开原先接地站的快速中性线接地开关，将大地回路中的电流完全转移到金属回线上。

2.如权利要求1所述双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法，其特征在于：所述从正常双极运行转为单极运行的转换方法包括以下步骤：

1)闭锁直流电网中各端换流站所有正极或所有负极换流器；

2)拉开直流电网中各端换流站所有正极或所有负极换流器接入交流系统的交流断路器及相应刀闸，切断四端换流站所有正极或负极与交流系统的联系；

3)拉开直流电网中各端换流站所有正极或负极极线中性母线开关及相应刀闸，将直流电网中各端换流站所有正极或负极回路中的电流完全转移到金属回线上，隔离四端换流站正极或负极，完成双极运行方式到单极运行方式的转换。

3.如权利要求1所述双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法，其特征在于：所述单极运行转为正常双极运行的转换方法包括以下步骤：

1)先合上直流电网中各端换流站正极或负极所有极线直流断路器和中性母线开关及相应刀闸；

2)合直流电网中各端换流站所有正极或负极换流器接入交流系统的交流断路器及相应刀闸对极I充电；

3)充电完成后按照直流电网电压建立及换流站投入次序解锁各站换流阀,金属回线上的电流转移至正极或负极回路，金属回线上仅剩较小的不平衡电流，完成方式转换。

4.如权利要求1所述双极柔性直流电网中性线转换开关运行方式转换方法，其特征在于：所述换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换或因为故障或检修的原因，需要退出单换流单元的转换方法分别包括以下步骤：

所述换流站正常接线方式进入完全隔离状态的转换方法，步骤为：

1)按照双极单接地运行与双极双接地运行切换的流程，使得系统临时进入双极金属回线双端接地运行；

2)然后利用金属回线开关将换流站的金属回线与剩余系统金属回线分离，使其进入完全隔离状态；

因为故障或检修原因，需要退出单换流单元的转换方法，步骤为：

1)闭锁该站正极或负极换流单元；

2)拉开该站正极或负极换流单元接入交流系统的交流断路器及相应刀闸，切断极I与交流系统的联系；

3)拉开该站正极或负极换流单元极线直流断路器；

4)拉开该站正极或负极换流单元中性母线开关，将极I回路中的电流完全转移到金属回线上，隔离正极和负极，完成双极运行方式到单极运行方式的转换。

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