CN109586328B - 潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，它包括：整流站和逆变站，整流站和逆变站的直流侧通过直流输电线路连接；整流站和逆变站包括有互相连接的晶闸管变流器LCC和模块化变流器；还包括有送端交流电网和受端交流电网；晶闸管变流器LCC和模块化变流器分别通过双绕组变压器与送端交流电网和受端交流电网连接。本发明提出了新的LCC‑MCSM(monopole current sub‑module)‑HVDC型混合式换流阀，在电流方向仅单向流动的约束下，利用直流端口电压极性反转可以实现直流功率潮流的双向流动。

Description

潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，特别是一种潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统。

背景技术

常规直流输电系统，也称为线路换相式直流输电系统（LCC-HVDC）采用晶闸管阀组构成，具有输电容量大、电压等级高、成本低且损耗较小的特点，已被广泛应用；但晶闸管限于自身半控特性，容易受到所接入交流系统电压波动及暂降的影响，形成换相失败，导致输电系统闭锁和潮流中断，进而造成受端交流系统电压稳定性问题。柔性直流输电系统（VSC-HVDC）采用全控型器件的电压源变流器构成，完全避免了换相失败的问题，且具有谐波特性好，可无源启动等优点；但柔直输电系统解决直流故障穿越问题采用直流断路器或获得自阻断特性将提高设备成本，且采用压接式IGBT使得VSC-HVDC的设备成本相对于LCC-HVDC成本至少提高30%以上，而压接式IGBT仅为少数厂家垄断。

为减弱常规直流换相失败对交流系统电压稳定性的影响，同时避免柔性直流系统过高的投资，采用LCC-VSC-HVDC的混合型直流输电技术是一种可行的方案，大致包括两种方式：

（1）双端混合方式

该方式是将直流输电系统的发端和受端系统中一端采用常规直流型换流阀，另一端采用柔性直流型换流阀，使得直流输电系统双端总体造价介于常规直流和柔性直流系统之间。其优点是采用柔性直流换流阀的一端可避免由于换相失败问题，但由于双端混合直流系统在其中一端全部采用柔性直流换流阀，总体成本仍然较高。

（2）单端混合方式

该方式是在直流输电系统的发端或受端系统中的一端，同时采用常规直流型换流阀和柔性直流型换流阀。所采用的常规直流型换流阀和柔性直流型换流阀交流端口均接入交流系统，直流端口采用并联方式或级联方式连接。这种技术方式相对于双端混合方式，由于柔直换流阀容量仅为直流输电系统一端设备容量的一部分，因而总体成本进一步降低。

然而，当采用并联方式时，柔直换流阀的直流电压等级必须与常规直流换流阀的电压等级相同，对柔直换流阀的电压耐量要求很高；同时柔直换流阀必须具备直流故障穿越能力，柔直换流阀部分的成本依然偏高。

当采用级联方式的优点在于，利用常规直流换流阀的单向阻断特性，将柔直换流阀采用半桥式模块化多电平变流器（HBSM-MMC）即可具备直流故障穿越能力，柔直换流阀成本得以降低。但是，这种LCC-HBSM-HVDC混合直流输电系统中，LCC型换流阀仅允许单向电流通过，其潮流反转依赖直流电压的的反转；而HBSM-MMC式柔直换流阀允许双向电流通过，但直流电压无法反转。其次，当直流系统的一端（如发送端或整流端）采用LCC-HBSM-HVDC型换流阀时，若另一端（受端或逆变端）受交流故障等影响导致该端直流母线电压突然显著下降时，LCC-HBSM-HVDC型换流阀无法快速控制近端直流电压大范围降低，以致无法抑制直流系统电流上升。

已有的LCC-HBSM-HVDC单端级联混合直流输电系统，尽管在整体运行特性和工程造价上具有优势，但由于LCC换流阀特性和HBSM-MMC换流阀电气特性不一致，仅适于单向电流约束下的单向潮流运行方式，无法实现功率潮流的双向流动。同时，对于LCC-HBSM-HVDC型换流阀，其中LCC换流阀受相控系统的响应速度限制，无法快速控制直流电压，而HBSM-MMC型柔直换流阀的直流电压波动范围及其有限，通常直流电压下降至额定电压的0.9倍以下即无法运行，因此，由二者相互级联构成的LCC-HBSM-HVDC型换流阀无法控制直流电压大范围变化。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，提出了新的LCC-MCSM(monopole current sub-module)-HVDC型混合式换流阀，在电流方向仅单向流动的约束下，利用直流端口电压极性反转可以实现直流功率潮流的双向流动。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，它包括有：

整流站和逆变站，所述整流站和逆变站的直流侧通过直流输电线路连接；

所述整流站和逆变站包括有串联的晶闸管变流器LCC和模块化变流器；

还包括有送端交流电网和受端交流电网；

所述晶闸管变流器LCC通过接线方式为Y0/△和/或Y0/Y的双绕组变压器与送端交流电网连接；

所述晶闸管变流器LCC还通过接线方式为△/Y0和/或Y/Y0的双绕组变压器与受端交流电网连接；

所述模块化变流器通过接线方式为△/Y0的双绕组变压器与受端交流电网连接；

所述模块化变流器通过接线方式为Y0/△的双绕组变压器与送端交流电网连接。

进一步，安装在整流站的晶闸管变流器LCC按照整流模式进行配置，并采用定直流电流控制；安装在逆变站的晶闸管变流器LCC按照逆变模式进行配置，并采用定直流电压控制。

进一步，所述晶闸管变流器LCC为十二脉动桥式结构，其中每个桥臂均由若干个晶闸管串联构成。

进一步，通过变压器不同接线方式为十二脉动桥式晶闸管变流器LCC的上下两个六脉动变流桥提供相角差为30°的三相交流电。

进一步，送端交流电网和受端交流电网的母线上均连接有无源滤波器。

进一步，所述模块化变流器采用一个或多个模块化多电平变流器MCC并联组成。

进一步，所述模块化多电平变流器MCC包括有结构相同的A，B，C三相；

每相均由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂连接组成；

其中，上桥臂和下桥臂均由滤波电抗器L和N个对角桥式子模块连接组成；

对角桥式子模块的个数N满足：N≥(Um+Udc/2)/Uc；

其中，Um为多电平变流器交流侧相电压幅值，Udc为多电平变流器直流侧额定电压，Uc为模块化多电平变流器MMC子模块额定电压。

进一步，对角桥式子模块结构包括有：第一直流电容器C0、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；

其中，T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为对角桥式子模块的正极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的负极端。

进一步，对角桥式子模块结构包括有：第二直流电容器C1、第三可控开关器件T3、第四可控开关器件T4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第七续流二极管D7、第八续流二极管D8；

其中，T3的集电极和D6的阴极分别与直流电容器C1的正极端相连，T3的发射极与D5的阴极相连，T4的发射极和D5的阳极分别与直流电容器C1的负极相连；T3的发射极与D5的阴极相连，作为对角桥式子模块的负极端；T4的集电极与D6的阳极相连，作为对角桥式子模块的正极端。

进一步，上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为桥臂的正极端P+，每一个对角桥式子模块的负极端均与下一个对角桥式子模块的正极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器L的一端相连，滤波电抗器L的另一端作为桥臂的负极P-；

下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为桥臂的负极端N-，每一个对角桥式子模块的正极端均与下一个对角桥式子模块的负极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器L的一端相连，滤波电抗器L的另一端作为桥臂的正极端N+。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明设计的经济型单端级联混合式直流输电系统，提出了新的LCC-MCSM(monopole current sub-module)-HVDC型混合式换流阀，在电流方向仅单向流动的约束下，利用直流端口电压极性反转可以实现直流功率潮流的双向流动。同时，直流电压可在较大范围内迅速变化以适应另一端口直流电压的快速波动，维持直流系统直流电流的稳定。此外，LCC-MCSM-HVDC型级联混合式换流阀与LCC-HBSM-HVDC型换流阀采用的全控型开关器件容量相同，整体成本基本相当，具备经济型优势。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统的连接示意图。

图2为十二脉动桥式晶闸管变流器的连接示意图。

图3为模块化多电平变流器的连接示意图。

图4为模块化多电平变流器上桥臂的连接示意图。

图5为模块化多电平变流器下桥臂的连接示意图。

图6a和图6b为对角桥式子模块的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例，如图1所示；一种潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，它包括有：整流站和逆变站，整流站和逆变站的直流侧通过直流输电线路连接；

整流站和逆变站包括有互相连接的晶闸管变流器LCC和模块化变流器；整流站和逆变站的正极和负极均由晶闸管变流器(LCC)与模块化变流器串联组成，其中模块化变流器采用一个或多个模块化多电平变流器(MMC)并联组成；

还包括有送端交流电网和受端交流电网；

晶闸管变流器LCC通过接线方式为Y0/△和/或Y0/Y的双绕组变压器与送端交流电网连接；

晶闸管变流器LCC还通过接线方式为△/Y0和/或Y/Y0的双绕组变压器与受端交流电网连接；

模块化变流器通过接线方式为△/Y0的双绕组变压器与受端交流电网连接；

模块化变流器通过接线方式为Y0/△的双绕组变压器与送端交流电网连接。

送端和受端交流电网进站的三相母线上连接有无源滤波器，其具体类型、容量、组数和调谐点等根据系统工程条件来确定，一般可采用双调谐滤波器和并联电容器相配合，以滤除整流站所产生的特征次谐波电流，必要时可配置C型滤波器以滤除低次谐波。

如图2所示，晶闸管变流器采用十二脉动桥式结构；其中，每个桥臂均由若干个晶闸管串联构成；安装在整流站的晶闸管变流器按照整流模式进行配置，并采用定直流电流控制；安装在逆变站的晶闸管变流器按照逆变模式进行配置，并采用定直流电压控制。

晶闸管变流器LCC通过两台接线方式分别为Y0/△和Y0/Y的双绕组变压器与送端交流电网连接，晶闸管变流器LCC还通过接线方式为△/Y0和/或Y/Y0的双绕组变压器与受端交流电网连接。

双绕组变压器能够对送端交流系统的三相交流电进行电压等级交换，以适应所需的直流电压等级，两变压器接线方式的不同为十二脉动桥式晶闸管变流器的上下两个六脉动变流桥提供相角差为30°的三相交流电。

如图3所示，模块化变流器内的MMC变流器共包括结构相同的A，B，C三相，每相由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂串联；上桥臂正极端P+为该相直流侧正极端，下桥臂负极端N-为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极DC+；变流器各相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极DC-。上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为该相交流侧端Ac，Bc，Cc；Ac，Bc，Cc分别与交流侧电网各相线端Ag，Bg，Cg连接。

模块化多电平变流器MMC采用定直流电压和定无功功率控制策略控制，模块化多电平变流器MMC通过一台接线方式为△/Y0的双绕组变压器与受端交流电网连接，所述模块化变流器通过一台接线方式为Y0/△的双绕组变压器与送端交流电网连接。

如图4和图5所示，每个基于对角桥式子模块的桥臂由N个对角桥式子模块以及一台滤波电抗器L串联组成。其中，上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为桥臂的正极端P+，每一个对角桥式子模块的负极端均与下一个对角桥式子模块的正极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为桥臂的负极P-，如图4所示。下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为桥臂的负极端N-，每一个对角桥式子模块的正极端均与下一个对角桥式子模块的负极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为桥臂的正极端N+，如图5所示。桥臂中对角桥式子模块的个数N应满足N≥(Um+Udc/2)/Uc，其中Um为多电平变流器交流侧相电压幅值，Udc为多电平变流器直流侧额定电压，Uc为MMC子模块额定电压。

如图6所示，对角桥式子模块可以采用如下两种结构：

5-1）第一种对角桥式子模块结构，如图6（a）所示，包括第一直流电容器C0、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；其中，T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为对角桥式子模块的正极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的负极端。图中，T1、T2的集电极分别与D3、D4的阴极相连，T1、T2的发射极分别与D3、D4的阳极相连。上述结构中D3和D4也可以省略。

5-2）第二种对角桥式子模块结构，如图6（b）所示，包括第二直流电容器C1、第三可控开关器件T3、第四可控开关器件T4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第七续流二极管D7和第八续流二极管D8；其中，T3的集电极和D6的阴极分别与直流电容器C1的正极端相连，T3的发射极与D5的阴极相连，T4的发射极和D5的阳极分别与直流电容器C1的负极相连；T3的发射极与D5的阴极相连，作为对角桥式子模块的负极端；T4的集电极与D6的阳极相连，作为对角桥式子模块的正极端。图中，T3、T4的集电极分别与D7、D8的阴极相连，T3、T4的发射极分别与D7、D8的阳极相连。上述结构中D7和D8也可以省略。

对角桥式子模块的投切策略采用最近电平调制法和子模块电容电压均衡策略。

本实施方式在稳态情况下进行双极电流平衡控制，正常工作时正极系统与负极系统的整流站侧晶闸管变流器按照相同电流指令值进行定直流电流控制，逆变站侧晶闸管变流器进行定输出直流电压控制；正极系统与负极系统整流站侧和逆变站侧的模块化多电平变流器均进行定直流电压控制和定无功功率控制，模块化多电平变流器内部同时进行电流均衡控制。

潮流反转时，LCC直流电压反向，基于对角桥式子模块的模块化变流器同样可实现直流电压反向，直流输电系统电流方向不变而电压极性反转，潮流正向流动时的整流站变为逆变站，逆变站变为整流站，实现潮流反向流动。

本发明提出了基于单极电流子模块MCSM的模块化多电平电流器(MCSM-MMC)与常规直流LCC换流阀通过直流侧级联构成的混合直流换流阀LCC-MCSM，以及由该换流阀构成的混合直流输电系统。

在所述LCC-MCSM型换流阀中，MCSM-MMC型柔直换流阀的直流电压与LCC型换流阀的直流电压可根据设计要求任意设定。

这种单端级联混合的LCC-MCSM型换流阀，既可以作为直流输电系统的发送端（整流端），又可以作为直流输电系统的接受端（逆变端）。当单端级联混合的LCC-MCSM型换流阀作为直流输电系统的一端时，直流输电系统的另一端或其他多端可采用直流电压反转能力的各类直流换流阀，常规直流LCC、又可采用柔直换流阀或单端级联混合的LCC-MCSM型换流阀。可实现混合直流输电系统的双向潮流流动，同时具备对直流电压快速大范围控制能力。

本发明提出的经济型单端级联混合式LCC-MCSM型换流阀及由该换流阀构成的LCC-MCSM-HVDC直流输电系统，在电流方向仅单向流动的约束下，利用直流端口电压极性反转可以实现直流功率潮流的双向流动。同时，直流电压可在较大范围内迅速变化以适应另一端口直流电压的快速波动，维持直流系统直流电流的稳定。利用其中的MCSM-MMC能够独立控制有功功率和无功功率的特性，对接入的交流电网电压具有一定支撑作用。

在设备成本上，LCC-MCSM-HVDC型级联混合式换流阀与LCC-HBSM-HVDC型换流阀采用的全控型开关器件容量相同，整体成本基本相当，具备经济型优势。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，包括有整流站和逆变站，所述整流站和逆变站的直流侧通过直流输电线路连接；

所述整流站和逆变站包括有串联的晶闸管变流器LCC和模块化变流器；

所述晶闸管变流器LCC和模块化变流器分别通过双绕组变压器用于与送端交流电网和受端交流电网连接；

所述模块化变流器采用一个或多个模块化多电平变流器MCC并联组成；

所述模块化多电平变流器MCC包括有结构相同的A，B，C三相；

每相均由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂连接组成；

其中，上桥臂和下桥臂均由滤波电抗器L和N个对角桥式子模块连接组成；

所述对角桥式子模块结构包括有：第一直流电容器C0、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2；

其中，T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为对角桥式子模块的正极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的负极端；或

所述对角桥式子模块结构包括有：第二直流电容器C1、第三可控开关器件T3、第四可控开关器件T4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6；

其中，T3的集电极和D6的阴极分别与直流电容器C1的正极端相连，T3的发射极与D5的阴极相连，T4的发射极和D5的阳极分别与直流电容器C1的负极相连；T3的发射极与D5的阴极相连，作为对角桥式子模块的负极端；T4的集电极与D6的阳极相连，作为对角桥式子模块的正极端。

2.如权利要求1所述的潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，安装在整流站的晶闸管变流器LCC按照整流模式进行配置，并采用定直流电流控制；安装在逆变站的晶闸管变流器LCC按照逆变模式进行配置，并采用定直流电压控制。

3.如权利要求1所述的潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，所述晶闸管变流器LCC为十二脉动桥式结构，其中每个桥臂均由若干个晶闸管串联构成。

4.如权利要求3所述的潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，通过变压器不同接线方式为十二脉动桥式晶闸管变流器LCC的上下两个六脉动变流桥提供相角差为30°的三相交流电。

5.如权利要求1所述的潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，送端交流电网和受端交流电网的母线上均连接有无源滤波器。

6.如权利要求1所述的潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，对角桥式子模块的个数N满足：

N≥(Um+Udc/2)/Uc；

其中，Um为多电平变流器交流侧相电压幅值，Udc为多电平变流器直流侧额定电压，Uc为模块化多电平变流器MMC子模块额定电压。

7.如权利要求1所述的潮流可双向流动的经济型单端级联混合直流输电系统，其特征在于，

上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为桥臂的正极端P+，每一个对角桥式子模块的负极端均与下一个对角桥式子模块的正极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器L的一端相连，滤波电抗器L的另一端作为桥臂的负极P-；

下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为桥臂的负极端N-，每一个对角桥式子模块的正极端均与下一个对角桥式子模块的负极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器L的一端相连，滤波电抗器L的另一端作为桥臂的正极端N+。

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