CN109802421A - 一种混合换流阀直流输电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合换流阀直流输电系统及其控制方法，该系统在送端采用LCC作为换流器，受端采用串联的高压阀组和低压阀组；其中，高压阀组由背靠背并联的LCC组成；低压阀组由背靠背并联的MMC组成；高压阀组并联高压晶闸管，用于旁路高压阀组，低压晶闸管两条支路上串联有低压晶闸管，用于阻断低压阀组的支路电流；该直流输电系统的受端结构能够工作于多种工作模式，以适应实际工况的需要；该直流输电系统对受端大电网进行异步分区，能够在实现大容量、远距离、特高压直流输送的同时，解决多直流馈入带来的电网安全稳定问题，且该系统面向已建成的LCC工程，具有易于扩建，能够显著减小工程占地面积，且建设成本低的优点。

Description

一种混合换流阀直流输电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种适用于受端电网互联的直流输电系统及控制方法。

背景技术

近年来，随着能源问题和环境问题的日益突出，为了减少碳排放、降低燃煤发电比例，优化国家能源结构，需大规模开发并利用可再生能源。由于我国新能源与负荷中心分布呈现极不均匀态势，为构建远距离、大容量、高效率的电力传输走廊，特高压直流输电在我国得到了广泛的应用。

常规特高压直流输电系统中电网换相换流器需要受端交流电网提供足够的无功功率和换相电压，且在换相失败后的功率恢复过程中还需吸收更多无功功率，因此，当受端系统某点发生交流故障时，可能引起多回直流线路同时发生换相失败，导致多回直流线路输送功率暂时中断，对送、受端交流系统的安全稳定性构成严重威胁。多直流落点集中馈入中部和东部电网带来的安全稳定问题将是未来我国电网发展面临的突出问题之一。

为解决上述问题，目前有两种方案。第一，采用电压源型换流器(VSC)作为受端换流器，优选的，采用模块化多电平换流器(MMC)替换常规的电网换相换流器，有自换相等优势，无换相失败问题，模块化多电平换流器具备dq解耦控制，可有效提供无功功率支撑；第二，利用特高压分层接入方式，提高受端系统电压支撑能力。

从改进受端换流器的角度，赵成勇等人提出了一种送端采用LCC，受端采用全桥型MMC的混合直流输电系统，采用全桥型MMC替代LCC，该系统可以穿越直流故障，且具备自换相能力。(J.Xu,C.Y.Zhao,T.Li,et al,‘The hybrid HVDC transmission using LineCommutated Converter and Full Bridge Modular Multilevel Converter,’2013 IETRenewable Power Generation Conference(IET RPG),2013,pp.1-4.)。

从提高受端系统电压支撑能力的角度，刘振亚等人提出特高压直流采用分层的方式接入交流电网，并对比了不同接入方式的系统特性，验证了特高压分层接入方式在提高受端系统电压支撑能力，引导直流功率合理馈入至各层级交流系统分布方面的优势。(刘振亚,秦晓辉,赵良,赵庆波.特高压直流分层接入方式在多馈入直流电网的应用研究[J].中国电机工程学报,2013,33(10):1-7+25.)。

上述赵成勇等人的方案，虽然能避免直流系统换相失败所带来的巨大影响，但由于多电平大容量MMC设备制造成本较高，且受限于IGBT的低耐压能力和高开关频率，高电压等级的MMC现阶段难以实现，同时对于已建成的LCC-HVDC系统，直接改变受端换流器类型的代价较大。针对上述刘振亚等人的方案，受系统等值阻抗和联系阻抗影响，不能从根本上杜绝LCC发生换相失败的可能性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种混合换流阀直流输电系统及控制方法，旨在实现特高电压大容量远距离直流输电的同时，解决现有交直流输电系统由于未实现受端交流系统异步分区，导致受端电网在多直流馈入下发生换相失败时，输电系统运行中断的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种混合换流阀直流输电系统，其特征在于，包括：位于送端的电网换相换流器和位于受端的混合换流阀，所述电网换相换流器的直流侧和所述混合换流阀的直流侧并联；

所述混合换流阀包括在直流侧串联的高压阀组和低压阀组；

所述高压阀组包括两个背靠背并联的电网换相换流器，位于左侧的电网换相换流器为第一换流器，位于右侧的电网换流器为第二换流器；

所述低压阀组包括两个背靠背并联的模块化多电平换流器，位于左侧的模块化多电平换流器为第三换流器，位于右侧的模块化多电平换流器为第四换流器；

所述第一换流器的交流侧与所述第三换流器的交流侧通过变压器并联构成所述混合换流阀的第一交流端，所述第二换流器的交流侧与所述第四换流器的交流侧通过变压器并联构成所述混合换流阀的第二交流端；

所述第一交流端和所述第二交流端与不同的受端系统连接。

进一步地，所述高压阀组还包括：高压晶闸管；

所述高压晶闸管并联在所述高压阀组第一换流器和第二换流器之间，用于旁路所述高压阀组。

进一步地，所述低压阀组还包括：低压晶闸管；

所述低压阀组两条支路上的换流器串联低压晶闸管，用于阻断所述低压阀组的支路电流。

进一步地，通过切换高压晶闸管和低压晶闸管的状态使得混合换流阀工作于正常模式、单交流端分层接入模式和背靠背降压异步运行模式。

优选地，需要对高压阀组进行检修或高压阀组发生接地故障时，可以通过向旁路高压晶闸管施加触发信号，使高压晶闸管开通，在不影响直流系统运行的情况下旁路所述高压阀组；此时，所述混合换流阀工作于背靠背降压异步运行模式。

优选地，需要低压阀组一条支路退出运行时，将待退出支路上的换流器切换为定有功功率控制，并降低其有功功率，使该支路电流降为0，在低压晶闸管和断路器的共同作用下，该支路退出运行；同时将另一条支路上的换流器切换为定直流电压控制，从而保证直流系统正常运行；此时，所述混合换流阀工作于单交流端分层接入模式。

优选地，所述模块化多电平换流器中使用的全控型开关管可以为绝缘门极双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或门极可关断晶闸管。

优选地，所述电网换相换流器可以为六脉波电网换相换流器、十二脉波电网换相换流器，所述模块化多电平换流器可以为半桥型、全桥型、自阻型或混合型模块化多电平换流器。

优选地，所述直流输电系统的直流输电线路可以采用直流电缆、架空线路、架空线路与电缆线路混合等形式。

本发明还提供了一种基于上述直流输电系统的直流故障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：判断直流输电系统直流侧是否发生故障，若是，则进入步骤2；若否，则进入步骤3；

步骤2：将送端电网换相换流器切换为逆变控制，吸收直流侧故障能量，同时将受端高压阀组中换流器闭锁，阻断低压阀组中换流器产生的反向短路电流，从而实现直流故障的自清除；

步骤3：送端电网换相换流器采用定直流电流控制方式，用于控制直流输电系统传输的总功率；高压阀组第一换流器和低压阀组第四换流器采用定直流电压控制方式；高压阀组第二换流器和低压阀组第三换流器采用定有功功率控制方式。

本发明还提供了一种基于上述直流输电系统的交流故障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：判断直流输电系统交流端是否发生故障，若是，则进入步骤2；若否，则进入步骤3；

步骤2：使送端电网换相换流器工作于半额定电流状态；将与故障交流端连接的模块化多电平换流器切换为零功率控制，与故障交流端连接的电网换相换流器闭锁，使故障交流端停止接收功率；另一交流端工作状态保持不变；

步骤3：送端电网换相换流器采用定直流电流控制方式，用于控制直流输电系统传输的总功率；高压阀组第一换流器和低压阀组第四换流器采用定直流电压控制方式；高压阀组第二换流器和低压阀组第三换流器采用定有功功率控制方式。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过对受端同步大电网进行异步分区，且采用特高压分层接入受端交流系统的方式，能够在实现大容量、远距离、特高压直流输送的同时，提高输电系统的稳定性；

(2)本发明的直流输电系统面向已建成的LCC工程，具有易于扩建，能够显著减小工程占地面积，建设成本低的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的混合换流阀直流输电系统的结构示意图；

图2是采用12脉波晶闸管换相的电网换相换流器结构示意图；

图3是半桥型模块化多电平换流器的结构示意图；

图4(a)是半桥型模块化多电平换流器的定有功功率控制示意图；

图4(b)是半桥型模块化多电平换流器的定直流电压控制示意图；

图5(a)是电网换相换流器的定直流电流控制示意图；

图5(b)是电网换相换流器的定直流电压控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种混合换流阀直流输电系统，包括：位于送端的电网换相换流器和位于受端的混合换流阀；

其中，混合换流阀包括：串联的高压阀组和低压阀组；

高压阀组包括两个背靠背并联的电网换相换流器LCC3、LCC4；电网换相换流器LCC3为第一换流器，电网换相换流器LCC4为第二换流器；

低压阀组包括两个背靠背并联的模块化多电平换流器MMC1、MMC2；模块化多电平换流器MMC1为第三换流器，模块化多电平换流器MMC2为第四换流器；

位于送端的电网换相换流器LCC1、LCC2和位于受端的高低压阀组采用单极性接线方式，送端电网换相换流器负极和受端低压阀组负极通过金属回线接地，直流电流无需流经大地，而是经过图中金属回线构成回路从而避免了直流电流对沿线金属管道等其他民用设备的腐蚀。

第一换流器LCC3的交流侧通过换流变压器与第一交流系统S1超高压母线连接，MMC1的交流侧通过换流变压器与第一交流系统S1高压母线连接，LCC4的交流侧通过换流变压器与第二交流系统S2超高压母线连接，第四换流器MMC2的交流侧通过换流变压器与第二交流系统S2高压母线连接。

由于第一换流器LCC3与第二换流器LCC4并联，第三换流器MMC1与第四换流器MMC2并联，受端第一交流系统S1与第二交流系统S2异步互联。

高压晶闸管TR3并联在电网换相换流器LCC3、LCC4之间，用于旁路高压阀组；

低压晶闸管Th1与低压阀组一条支路上的换流器MMC1串联，低压晶闸管Th2与低压阀组另一条支路上的换流器MMC2串联；低压晶闸管Th1、Th2用于阻断低压阀组的支路电流。

通过切换高压晶闸管和低压晶闸管的状态使混合换流阀工作于多种工作模式：

当需要对高压阀组进行检修或高压阀组发生接地故障时，可以向高压晶闸管TR3施加触发信号使TR3开通，使得高压阀组在不影响直流系统运行的情况下退出运行，此时，混合换流阀工作于背靠背降压异步运行模式，不影响直流系统的稳定运行。

当需要低压阀组一条支路退出运行时(以MMC1所在支路为例)，将MMC1切换为定有功功率控制，并降低其有功功率，使该支路电流降为0，在低压晶闸管Th1和断路器CB4的共同作用下，该支路退出运行；同时将MMC2切换为定直流电压控制，保证直流输电系统正常运行；此时，所述混合换流阀工作于单交流端分层接入模式，即仅S1采用特高压分层接入方式。

上述直流输电系统中的电网换相换流器LCC可以采用12脉波晶闸管换相的结构，如图2所示。

上述直流输电系统中的模块化多电平换流器MMC可以采用半桥型模块化多电平换流器，即换流器各个桥臂均采用半桥型子模块结构，如图3所示。

基于上述直流输电系统的控制方法为：

(1)系统正常工作时，LCC1、LCC2采用定直流电流控制，并配置有低压限流附加控制，控制输电系统传输的总功率；LCC3采用定直流电压控制，并配置低压限流附加控制，为高压阀组提供电压支撑；LCC4采用定有功功率控制，并配置低压限流附加控制，控制LCC4吸收的有功功率以及LCC4支路电流；MMC1采用定有功功率控制，控制MMC1吸收的有功功率以及MMC1支路电流；MMC2采用定直流电压控制，为低压阀组提供电压支撑。

(2)系统发生直流故障时，将LCC1、LCC2切换为逆变控制，吸收直流侧故障能量，同时将LCC3、LCC4闭锁，阻断低压阀组中换流器产生的反向短路电流，从而实现直流故障的自清除。

(3)当系统发生交流S1故障时，使LCC1与LCC2工作于半额定电流运行工况，同时使MMC1工作于零功率控制情况，LCC3闭锁，从而使S1停止功率传输；此时交流系统S2接收的直流功率不受影响，且高低压阀组能够维持高压阀组的直流端电压或者低压阀组的直流端电压不变，实现交流故障穿越。同理，当交流系统S2出现交流故障后，系统同样能够能够维持直流输电系统直流端电压保持不变，健全系统接收的功率不受影响，实现交流故障穿越。

其中，上述换流器的控制方法中MMC的交流控制回路为如图4(a)、图4(b)所示的基于旋转坐标系下的解耦控制，将三相交流电流在旋转坐标系中解耦为d轴电流和q轴电流，根据dq轴电流将交流控制回路解耦为有功电流控制和无功电流控制。其中，d轴有功控制为定直流电压控制或定有功功率控制；q轴无功电流控制决定换流器传输的无功功率；LCC的定直流电压控制方法如图5(a)所示，LCC的定直流电流控制方法如图5(b)所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合换流阀直流输电系统，其特征在于，包括：位于送端的电网换相换流器和位于受端的混合换流阀，所述电网换相换流器的直流侧和所述混合换流阀的直流侧并联；

所述混合换流阀包括在直流侧串联的高压阀组和低压阀组；

所述高压阀组包括两个背靠背并联的电网换相换流器，位于左侧的电网换相换流器为第一换流器，位于右侧的电网换流器为第二换流器；

所述低压阀组包括两个背靠背并联的模块化多电平换流器，位于左侧的模块化多电平换流器为第三换流器，位于右侧的模块化多电平换流器为第四换流器；

所述第一换流器的交流侧与所述第三换流器的交流侧通过变压器并联构成所述混合换流阀的第一交流端，所述第二换流器的交流侧与所述第四换流器的交流侧通过变压器并联构成所述混合换流阀的第二交流端；

所述第一交流端和所述第二交流端与不同的受端系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种混合换流阀直流输电系统，其特征在于，所述高压阀组还包括：高压晶闸管；

所述高压晶闸管并联在所述第一换流器和所述第二换流器之间，用于旁路所述高压阀组。

3.根据权利要求1或2所述的一种混合换流阀直流输电系统，其特征在于，所述低压阀组还包括：低压晶闸管；

所述低压阀组两条支路上的换流器串联所述低压晶闸管，用于阻断所述低压阀组的支路电流。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种混合换流阀直流输电系统，其特征在于，通过切换高压晶闸管和低压晶闸管的状态使所述混合换流阀工作于正常工作模式、单交流端分层接入模式或背靠背降压异步运行模式；

其中，高压阀组、低压阀组换流器正常工作时，混合换流阀工作于正常工作模式；低压阀组一条支路退出运行时，混合换流阀工作于单交流端分层接入模式；高压阀组旁路时，混合换流阀工作于背靠背降压异步运行模式。

5.一种基于上述直流输电系统的直流故障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：判断直流输电系统直流侧是否发生故障，若是，则进入步骤2；若否，则进入步骤3；

步骤2：将送端电网换相换流器切换为逆变控制，吸收直流侧故障能量，同时将受端高压阀组中换流器闭锁，阻断低压阀组中换流器产生的反向短路电流，从而实现直流故障的自清除；

步骤3：送端电网换相换流器采用定直流电流控制方式，用于控制直流输电系统传输的总功率；高压阀组第一换流器和低压阀组第四换流器采用定直流电压控制方式；高压阀组第二换流器和低压阀组第三换流器采用定有功功率控制方式。

6.一种基于上述直流输电系统的交流故障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：判断直流输电系统交流端是否发生故障，若是，则进入步骤2；若否，则进入步骤3；

步骤2：使送端电网换相换流器工作于半额定电流状态；将与故障交流端连接的模块化多电平换流器切换为零功率控制，与故障交流端连接的电网换相换流器闭锁，使故障交流端停止接收功率；另一交流端工作状态保持不变；

步骤3：送端电网换相换流器采用定直流电流控制方式，用于控制直流输电系统传输的总功率；高压阀组第一换流器和低压阀组第四换流器采用定直流电压控制方式；高压阀组第二换流器和低压阀组第三换流器采用定有功功率控制方式。