CN116111630B - 一种输电线路增容方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输电线路增容方法。目前提升输电线路容量所采用的三极结构需要多个换流器及其相互间的高精度配合实现，无论是成本还是通讯及协调控制要求都较高。本发明采用的技术方案为：在两交流系统之间设直流输电系统，实现输电线路增容；所述的直流输电系统包含与第一交流系统相连的第一换流站、与第二交流系统相连的第二换流站以及需要增容的输电线路，通过所述的输电线路连接第一换流站和第二换流站。本发明仅通过单个变换器便能实现三极结构的功能，在提升交流线路传输容量的同时，能够有效减少换流器使用个数，降低整体成本投入，同时又能降低协调控制的难度，促进交改直技术应用。

Description

一种输电线路增容方法
技术领域
本发明属于输电线路领域，具体地说是一种输电线路增容方法。
背景技术
伴随着电力负荷需求的快速增长，输配电基础设施投资方面的相对落后使得现有的交流线路传输容量已难以满足发展要求，部分输电线路已接近饱和，亟需升级换代。然而，时间、费用和土地资源等限制增加了新建线路走廊的困难和不可行性。因此，有必要选择其他有效的途径对现有交流线路进行改造以提升其输电容量。将交流线路改造成直流输电的方式能够较大程度地提升现有输电线路的输电容量，还具有快速控制运行特性和分割电力网络的能力，能够有效缓解交流系统存在的一些固有缺陷，具有较好的应用前景。
对于单回交流线路改造而言，可分为单极结构、双极结构和三极结构三类，其中，三极结构能够在充分利用原有三相交流输电线的基础上，通过特殊的电流调制方法，较大幅度提升线路输电容量。但是，当前所采用的三极结构需要多个换流器及其相互间的高精度配合实现，无论是成本还是通讯及协调控制要求都较高。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种输电线路增容方法，其仅通过单个变换器便可实现三极结构的功能，在提升交流线路传输容量的同时，以有效减少换流器使用个数，降低整体成本投入，同时又可降低协调控制的难度，以促进交改直技术应用。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种输电线路增容方法，其在两交流系统之间设直流输电系统，实现输电线路增容；
所述的直流输电系统包含与第一交流系统相连的第一换流站、与第二交流系统相连的第二换流站以及需要增容的输电线路，通过所述的输电线路连接第一换流站和第二换流站；
所述第一换流站和第二换流站内的换流阀具有三个直流极，为U极、V极和W极，分别与输电线路的A相、B相和C相连接；
所述的换流阀采用三极独立方式，每极均由N个模块级联构成；
若所述的直流输电系统电能仅需单向流通，即电能从第一换流站输送至第二换流站，第一换流站内的U极和V极模块均采用二极管半桥模块，而W极模块采用二极管全桥模块；
若所述的直流输电系统电能需双向流通，第一换流站内的U极和V极模块均采用有源半桥模块，而W极模块采用有源全桥模块；
对于第二换流站，无论电能是单向流通还是双向流通，第二换流站内的U极和V极模块均采用有源半桥模块，W极模块采用有源全桥模块。
进一步地，所述的第一换流站和第二换流站均含有一个端口，用于接地。
进一步地，所述的第一换流站和第二换流站采用相同的主接线形式；
所述的第一换流站和第二换流站均包含输入开关S1、启动电阻R、旁路开关S2、多绕组变压器、换流阀和平波电抗器；
所述输入开关S1的一端与交流系统相连，另一端与启动电阻R和旁路开关S2的一端相连，启动电阻R的另一端和旁路开关S2的另一端相连后再与多绕组变压器的一端相连，多绕组变压器的另一端和换流阀的一端相连，换流阀的另一端与平波电抗器的一端相连，平波电抗器的另一端与输电线路相连。
优选地，所述的二极管半桥模块包含滤波单元、二极管H桥、电容和逆变半H桥；
滤波单元由电感构成，二级管H桥由4个二极管构成，逆变半H桥由2个IGBT及其反并联二极管构成；多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接二极管H桥、电容和逆变半H桥。
优选地，所述的二极管全桥模块包含滤波单元、二极管H桥、电容和逆变H桥；
滤波单元由电感构成，二级管H桥由4个二极管构成，逆变H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成；多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接二极管H桥、电容和逆变H桥。
优选地，所述的有源半桥模块包含滤波单元、有源H桥、电容和逆变半H桥；
滤波单元由电感构成，有源H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成，逆变半H桥由2个IGBT及其反并联二极管构成；
多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接有源H桥、电容和逆变半H桥。
优选地，所述的有源全桥模块包含滤波单元、有源H桥、电容和逆变H桥；
滤波单元由电感构成，有源H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成，逆变H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成；多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接有源H桥、电容和逆变H桥。
优选地，U极和V极的直流电流差通过W极进行回路传输，当U极的电流大于V极的电流，W极的直流电压为负，反之，W极的直流电压为正；
正常运行时，各极的电流不恒定，而是在两个阶跃值间不断转换，U极和V极电流的绝对值在最大值Imax和最小值Imin之间跳变，W极流过的电流是U极与V极电流的差值，U极和V极的电压极性保持不变；由于W极的电流方向要发生周期性的变化，W极的电压也必须呈现周期性的反转以保证功率的传输方向不变。为维持转换期间传输功率的恒定，在一段极短的时间T内，维持流过W极的电流为 0，W极的电压在此期间完成反转。与电流转换的周期相比，T十分小，因此几乎不会对系统的热负荷产生影响。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
（1）本发明提出的输电线路增容方法，利用直流输电技术，能够实现输电线路有效增容，提升了原输电线路的传输能力。
（2）本发明提出的输电线路增容方法，仅通过单个变换器便能实现三极结构的功能，在提升交流线路传输容量的同时，能够有效减少换流器使用个数，降低整体成本投入，同时又能降低协调控制的难度，促进交改直技术应用。
附图说明
图1为本发明交流线路改成直流输电的系统示意图；
图2为本发明换流站结构示意图；
图3为本发明二极管半桥模块结构示意图；
图4为本发明二极管全桥模块结构示意图；
图5为本发明有源半桥模块结构示意图；
图6为本发明有源全桥模块结构示意图；
图7为本发明直流输电系统电压电流调制示意图；
图8为本发明直流输电系统运行特性仿真图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
本发明采用将传统交流线路改成直流输电的方式实现输电线路增容。图1所示为交流线路改成直流输电的系统示意图。从图中可以看出，直流输电系统包含与第一交流系统相连的第一换流站、与第二交流系统相连的第二换流站以及需要增容的三相输电线路。第一换流站和第二换流站均含有一个端口，用于接地。
第一换流站和第二换流站采用相同的主接线形式，如图2所示。第一换流站和第二换流站均包含输入开关S1、启动电阻R、旁路开关S2、多绕组变压器、换流阀和平波电抗器。输入开关S1的一端与交流系统相连，另一端与启动电阻R和旁路开关S2的一端相连，启动电阻R的另一端和旁路开关S2的另一端相连后再与多绕组变压器的一端相连，多绕组变压器的另一端和换流阀的一端相连，换流阀的另一端与平波电抗器的一端相连，平波电抗器的另一端与三相输电线路相连。
第一换流站和第二换流站内的换流阀具有三个直流极，分别为U极、V极和W极，与三相输电线路的A相、B相和C相连接。换流阀采用三极独立方式，每极均由N个模块级联构成。若所述的直流输电系统电能仅需单向流通，即电能从第一换流站输送至第二换流站，第一换流站内的U极和V极模块均采用二极管半桥模块，而W极模块采用二极管全桥模块。若所述的直流输电系统电能需双向流通，第一换流站内的U极和V极模块均采用有源半桥模块，而W极模块采用有源全桥模块。对于第二换流站而言，无论电能是单向流通还是双向流通，第二换流站内的U极和V极模块均采用有源半桥模块，W极模块采用有源全桥模块。
图3所示为二极管半桥模块结构示意图。二极管半桥模块内含有滤波单元、二极管H桥、电容和逆变半H桥。滤波单元由电感构成，二级管H桥由4个二极管构成，逆变半H桥由2个IGBT及其反并联二极管构成。多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接二极管H桥、电容和逆变半H桥。
图4所示为二极管全桥模块结构示意图。二极管全桥模块内含有滤波单元、二极管H桥、电容和逆变H桥。滤波单元由电感构成，二级管H桥由4个二极管构成，逆变H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成。多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接二极管H桥、电容和逆变H桥。
图5所示为有源半桥模块结构示意图。有源半桥模块内含有滤波单元、有源H桥、电容和逆变半H桥。滤波单元由电感构成，有源H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成，逆变半H桥由2个IGBT及其反并联二极管构成。多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接有源H桥、电容和逆变半H桥。
图6所示为有源全桥模块结构示意图。有源全桥模块内含有滤波单元、有源H桥、电容和逆变H桥。滤波单元由电感构成，有源H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成，逆变H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成。多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接有源H桥、电容和逆变H桥。
图7所示为直流系统电压电流调制示意图，即控制方法。U极和V极的直流电流差通过W极进行回路传输，当U极的电流大于V极的电流，W极的直流电压为负，反之，W极的直流电压为正。正常运行时，各极的电流不是恒定的，而是在两个阶跃值间不断转换。U极和V极电流的绝对值在最大值Imax和最小值Imin之间跳变，W极流过的电流是U极与V极电流的差值。U极和V极的电压极性保持不变。由于W极的电流方向要发生周期性的变化，W极的电压也必须呈现周期性的反转以保证功率的传输方向不变。为维持转换期间传输功率的恒定，在一段极短的时间T（1~2s）内，维持流过W极的电流为 0， W极的电压在此期间完成反转。与电流转换的周期相比，T十分小，因此几乎不会对系统的热负荷产生影响。
图7中的T m为各极电压电流转换的时间，U d为直流额定电压，T n为正常阶段运行时间，T p为运行周期，T为W极电压反转时间。
为了进一步验证本实施例的有效性和可行性，在数字实时仿真软件RTDS中搭建相应的模型，具体仿真模型参数如下：两端交流系统电压有效值为35kV，系统阻抗为1.51Ω。多绕组变压器副边侧的电压为620V。换流阀每极由12个子模块级联构成，每个子模块额定电压为820V，每极直流电压为 10kV，U极和V极稳态运行下的电流Imax=1.366A，Imin=0.366A，W极的直流电流为1kA。子模块电容值为5000μF，平波电抗器电感值为0.05H。两端换流站通过10km的架空线连接。
图8给出了本发明直流输电系统运行特性仿真图，其中，图8中的(a)为U极和V极的直流电压响应曲线示意图；图8中的(b)为W极的直流电压响应曲线示意图；图8中的(c)为U极和V极的直流电流响应曲线示意图；图8中的(d)为W极的直流电流响应曲线示意图；图8中的(e)为接地极电流的响应曲线示意图。从图中可以看出，每极的电压电流都能按照图7所示的策略进行调整，整个调节过程不会出现过电压和过电流现象，能够保证系统的稳定性和可靠性，同时实现线路增容。
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：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范围当中。

Claims (8)

1.一种输电线路增容方法，其特征在于，在两交流系统之间设直流输电系统，实现输电线路增容；
所述的直流输电系统包含与第一交流系统相连的第一换流站、与第二交流系统相连的第二换流站以及需要增容的输电线路，通过所述的输电线路连接第一换流站和第二换流站；
所述第一换流站和第二换流站内的换流阀具有三个直流极，为U极、V极和W极，分别与输电线路的A相、B相和C相连接；
所述的换流阀采用三极独立方式，每极均由N个模块级联构成；
若所述的直流输电系统电能仅需单向流通，即电能从第一换流站输送至第二换流站，第一换流站内的U极和V极模块均采用二极管半桥模块，而W极模块采用二极管全桥模块；
若所述的直流输电系统电能需双向流通，第一换流站内的U极和V极模块均采用有源半桥模块，而W极模块采用有源全桥模块；
对于第二换流站，无论电能是单向流通还是双向流通，第二换流站内的U极和V极模块均采用有源半桥模块，W极模块采用有源全桥模块。
2.根据权利要求1所述的输电线路增容方法，其特征在于，所述的第一换流站和第二换流站均含有一个端口，用于接地。
3.根据权利要求1所述的输电线路增容方法，其特征在于，所述的第一换流站和第二换流站采用相同的主接线形式；
所述的第一换流站和第二换流站均包含输入开关S1、启动电阻R、旁路开关S2、多绕组变压器、换流阀和平波电抗器；
所述输入开关S1的一端与交流系统相连，另一端与启动电阻R和旁路开关S2的一端相连，启动电阻R的另一端和旁路开关S2的另一端相连后再与多绕组变压器的一端相连，多绕组变压器的另一端和换流阀的一端相连，换流阀的另一端与平波电抗器的一端相连，平波电抗器的另一端与输电线路相连。
4.根据权利要求3所述的输电线路增容方法，其特征在于，所述的二极管半桥模块包含滤波单元、二极管H桥、电容和逆变半H桥；
滤波单元由电感构成，二极管H桥由4个二极管构成，逆变半H桥由2个IGBT及其反并联二极管构成；多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接二极管H桥、电容和逆变半H桥。
5.根据权利要求3所述的输电线路增容方法，其特征在于，所述的二极管全桥模块包含滤波单元、二极管H桥、电容和逆变H桥；
滤波单元由电感构成，二极管H桥由4个二极管构成，逆变H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成；多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接二极管H桥、电容和逆变H桥。
6.根据权利要求3所述的输电线路增容方法，其特征在于，所述的有源半桥模块包含滤波单元、有源H桥、电容和逆变半H桥；
滤波单元由电感构成，有源H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成，逆变半H桥由2个IGBT及其反并联二极管构成；
多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接有源H桥、电容和逆变半H桥。
7.根据权利要求3所述的输电线路增容方法，其特征在于，所述的有源全桥模块包含滤波单元、有源H桥、电容和逆变H桥；
滤波单元由电感构成，有源H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成，逆变H桥由4个IGBT及其反并联二极管构成；多绕组变压器的一个副边与滤波单元相连，然后依次连接有源H桥、电容和逆变H桥。
8.根据权利要求1所述的输电线路增容方法，其特征在于，U极和V极的直流电流差通过W极进行回路传输，当U极的电流大于V极的电流，W极的直流电压为负，反之，W极的直流电压为正；
正常运行时，各极的电流不恒定，而是在两个阶跃值间不断转换，U极和V极电流的绝对值在最大值Imax和最小值Imin之间跳变，W极流过的电流是U极与V极电流的差值，U极和V极的电压极性保持不变；由于W极的电流方向要发生周期性的变化，W极的电压也必须呈现周期性的反转以保证功率的传输方向不变。
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