CN203839975U - 一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，实现三极直流功率传输，包括依次连接的整流侧子系统、直流线路和逆变侧子系统，所述的直流线路包括三根导线，分别为极1直流线路、极2直流线路和极3直流线路；所述的整流侧子系统和逆变侧子系统均包括一个换流变压器和一个换流器，所述的换流器为四相八桥臂模块化多电平换流器，该换流器的一、二、三相中点分别与换流变压器绕组副边相连，第四相中点通过平波电抗器与极3直流线路相连，换流器的正极通过平波电抗器与极1直流线路相连，负极通过平波电抗器与极2直流线路相连。与现有技术相比，本实用新型具有换流站占地面积小、总体改造成本低等优点。

Description

一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统

技术领域

本实用新型涉及直流输电技术，尤其是涉及一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统。 

背景技术

随着我国经济持续高速发展，电力需求矛盾日益突出。一方面电力负荷的增长超出了原有交流输电线路的传输能力，而受土地资源限制，很难获得新的输电走廊；另一方面，传统交流输电受绝缘、交流电网特性限制，线路输送功率很少达到导线所能承受的最大热功率，因此需要采用新技术进一步挖掘现有线路的输电潜力。 

与交流输电相比较，采用直流输电，线路电流可以达到导线所能承受的最大热极限。2004年，Barthold L O在专利US6714427B1中提出一种采用直流电流调制，将交流输电线路转化为直流输电线路的三极直流输电技术。在对交流线路改造成直流输电线路的各种转换方案中，由于三极直流输电方案可以充分利用原有的交流三相线路，因此相对于双极和单极直流输电改造方案，三极直流输电方案在提高输电能力、经济成本和可靠性等方面上具有优势。目前利用三极直流输电技术将交流线路改造成直流输电线路处在原理性研究阶段，尚无工程应用实例。 

图1为Barthold L O提出的基于常规LCC-HVDC的三极直流输电主回路图，由图所示，极1、极2为常规LCC-HVDC双极输电系统，极3为具有双向导通能力的单极输电系统，其电压极性和电流方向都可以快速改变。由于LCC-HVDC采用半控型晶闸管，因此图1中的三极直流输电方案存在以下缺点： 

1)如逆变侧交流系统发生故障将引起直流三个极同时发生换相失败，导致直流线路输送功率中断，对受端系统安全稳定构成威胁。 

2)在三极直流系统运行过程中，各极电流大小以及极3电压极性和电流方向都需要按一定周期快速改变，势必对两端交流系统产生扰动。 

3)由于每条线路都配置了一个完整的极，因此需要增加的换流变压器、交流 滤波和无功补偿装置、12脉动换流器以及相应辅助设备较多，造成改造成本较高、新增的换流站占地面积较大的缺点，尤其不利于对换流站占地面积要求特别严格的大城市供电系统中交流线路改造成直流线路工程的实施。 

近年来，采用全控型电力电子器件IGBT的柔性直流输电技术发展很快，与传统直流输电技术相比，具有不需要电网换相电压支撑，可向无源网络供电；不存在换相失败：可实现有功功率、无功功率独立控制；无需交流滤波和无功补偿装置等优点。从所采用的换流器结构来区别，柔性直流输电系统主要包括两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器(MMC)结构，其中基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统除了具有柔性直流输电通用优点外，还具有开关频率低、损耗小、易扩展、输出波形质量高、制造难度低等特点，因此具有广阔的应用前景。 

为了解决基于常规LCC-HVDC的三极直流输电存在的问题，降低新建换流站面积，提高交流线路改直流线路方案的经济性，提出一种基于四相八桥臂模块化多电平换流器的紧凑型三极直流输电系统，可以很好的满足城市供电系统中交流线路改造成直流输电线路提高输电容量的需要。 

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，解决基于LCC-HVDC的三极直流输电的缺点，满足土地资源紧张的城市供电系统中交流线路改造成直流输电线路需要。 

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，实现三极直流功率传输，包括依次连接的整流侧子系统、直流线路和逆变侧子系统，所述的直流线路包括三根导线，分别为极1直流线路、极2直流线路和极3直流线路； 

所述的整流侧子系统和逆变侧子系统均包括一个换流变压器和一个换流器，所述的换流器为四相八桥臂模块化多电平换流器，该换流器的一、二、三相中点分别与换流变压器绕组副边相连，第四相中点通过平波电抗器与极3直流线路相连，换流器的正极通过平波电抗器与极1直流线路相连，负极通过平波电抗器与极2直流线路相连。 

所述的四相八桥臂模块化多电平换流器包括八个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电抗器和至少一个子模块串联而成，每两个桥臂的桥臂电抗器相连接，构成一个相单元。 

所述的直流线路为电缆或架空线路。 

若直流线路为电缆，则所述的子模块为半桥结构，包括两个IGBT、一个电容和两个二极管。 

若直流线路为架空线路，则所述的子模块由两个箝位双子模块串联形成，每个箝位双子模块由第一等效半桥单元、第二等效半桥单元经过两个箝位二极管和一个带反并联二极管的引导IGBT串并联构成； 

所述的第一等效半桥单元、第二等效半桥单元均分别包括两个IGBT、一个电容和两个二极管。 

与现有技术相比，本实用新型可以满足交流线路改造成直流输电线路需要，除了具有MMC-HVDC不会发生换相失败、可以稳定两侧交流系统电压、无需交流滤波和无功补偿装置等特点外，在常规双极MMC-HVDC三相六桥臂结构基础上增加一相桥臂支路，实现三根导线传输功率，与常规双极MMC-HVDC相比，换流变数目不变，换流阀数量的只增加1/3，因此本实用新型提出的方案具有换流站占地面积小、总体改造成本低的优点，特别适用于土地资源紧张的城市供电系统中交流线路改造成直流输电线路增容工程的实施，具有很好的工程应用价值。 

附图说明

图1为现有的三极直流输电系统结构示意图； 

图2为典型三相六桥臂模块化多电平换流器系统结构原理图； 

图3为本实用新型提出的紧凑型模块化多电平三极直流输电系统结构原理图； 

图4为适用于电缆的模块化多电平换流器的子模块结构图； 

图5为适用于架空线路的模块化多电平换流器的子模块结构图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。 

实施例1 

图2所示为一典型的三相六桥臂MMC结构图，在图2MMC结构的基础上增加一相桥臂形成四相八桥臂的换流器，在整流站和逆变站各配置一个四相八桥臂的换流器与三根直流线路相连即可实现三极直流输电，具体方案如下： 

如图3所示，一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，实现三极直流功率传输，包括依次连接的整流侧子系统A、直流线路和逆变侧子系统B，直流线路包括三根导线，分别为极1直流线路、极2直流线路和极3直流线路；整流侧子系统A和逆变侧子系统B均包括一个换流变压器a和一个换流器b，换流器b为四相八桥臂模块化多电平换流器(MMC)，该换流器b的一、二、三相中点分别与换流变压器a绕组副边相连，第四相中点通过平波电抗器c与极3直流线路相连，换流器b的正极通过平波电抗器c与极1直流线路相连，负极通过平波电抗器c与极2直流线路相连。其中，整流侧子系统A的换流变压器a用于将送端交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换，换流器b用于将电压等级变换后的三相交流电转换为直流电；逆变侧子系统B的换流器b用于将平抑后的直流电转换为三相交流电，换流变压器a用于将多电平换流器转换成的三相交流电进行电压等级变换，以输送给受端交流系统；平波电抗器c用于平抑所述的直流电中的纹波。 

本实用新型的四相八桥臂模块化多电平换流器包括八个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电抗器和至少一个子模块SM串联而成，每两个桥臂的桥臂电抗器相连接，构成一个相单元。其中，子模块的数量根据电压等级和电流的需要确定。 

该输电系统运行时，极1直流线路和极2直流线路的直流电压极性和直流电流方向恒定不变，电流定值在最大值和最小值之间周期性调制，通过改变电流定值最大值和最小值的比值大小，实现三极直流传输功率的控制；极3直流线路的直流电压极性及直流电流大小和方向可变，其直流电流定值为另外极1直流线路和极2直流线路的直流电流定值之差，直流电压跟随直流电流方向变化呈现周期性的反转。通过对换流器的第四相桥臂各子模块中IGBT的触发进行控制，改变换流器第四相桥臂中点电位，实现极3直流线路的直流电压极性及直流电流大小和方向可变。 

本实施例中，直流线路为电缆，子模块为半桥结构，包括两个IGBT(T1、T2)、一个电容(C)和两个二极管(D1、D2)，所述两个二极管的阳极分别连接两个IGBT的源极，两个二极管的阴极分别连接对应IGBT的漏极；所述第一IGBT的漏极经由电容连接第二IGBT的源极，而第一IGBT的源极连接第二IGBT的漏极，并与桥臂电抗器相串联。 

实施例2 

本实施例与实施例1的区别在于，直流线路为架空线路，由于架空线路发生暂 时性故障的概率较高，如采用跳开交流侧开关来清除故障则停电时间较长，影响整个系统的可用率，因此需要通过换流器自身的控制来清除直流侧的故障，为此所述模块化多电平整流器的子模块采用箝位双子模块结构，包括两个箝位子模块。箝位子模块的具体结构如图5所示.每个箝位双子模块由第一等效半桥单元和第二等效半桥单元经过箝位二极管D6、D7和带反并联二极管D5的引导IGBT(T5)串并联构成；第一个IGBT(T1)的集电极与第一个电容(C1)的一端相连，第一个电容的另一端与第二个IGBT(T2)的发射极相连，构成所述的第一个半桥单元；第三个IGBT(T3)的集电极与第二个电容(C2)的一端相连，第二个电容的另一端与第四个IGBT(T4)的发射极相连，构成所述的第二个半桥单元，图中所有的IGBT(T1～T5)均反向并联了续流二极管(D1～D7)。 

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，实现三极直流功率传输，其特征在于，包括依次连接的整流侧子系统、直流线路和逆变侧子系统，所述的直流线路包括三根导线，分别为极1直流线路、极2直流线路和极3直流线路；

所述的整流侧子系统和逆变侧子系统均包括一个换流变压器和一个换流器，所述的换流器为四相八桥臂模块化多电平换流器，该换流器的一、二、三相中点分别与换流变压器绕组副边相连，第四相中点通过平波电抗器与极3直流线路相连，换流器的正极通过平波电抗器与极1直流线路相连，负极通过平波电抗器与极2直流线路相连。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，其特征在于，所述的四相八桥臂模块化多电平换流器包括八个桥臂，每个桥臂由一个桥臂电抗器和至少一个子模块串联而成，每两个桥臂的桥臂电抗器相连接，构成一个相单元。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，其特征在于，所述的直流线路为电缆或架空线路。

4.根据权利要求3述的一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，其特征在于，若直流线路为电缆，则所述的子模块为半桥结构，包括两个IGBT、一个电容和两个二极管。

5.根据权利要求3述的一种紧凑型模块化多电平三极直流输电系统，其特征在于，若直流线路为架空线路，则所述的子模块由两个箝位双子模块串联形成，每个箝位双子模块由第一等效半桥单元、第二等效半桥单元经过两个箝位二极管和一个带反并联二极管的引导IGBT串并联构成；

所述的第一等效半桥单元、第二等效半桥单元均分别包括两个IGBT、一个电容和两个二极管。