CN208674866U - 直流输电动态泄能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种直流输电动态泄能系统，该系统包括：受电端将直流电转换成交流电；泄能装置，安装在送电端和受电端之间的直流输电线路上在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将送电端直流电能进行泄能。可以在受电端连续换相失败时，对送电端的直流功率进行消耗，较为有效的防止送电端大量功率转移，降低了送电端暂态失稳的风险，避免连续换相失败引起的双侧直流闭锁，提高了系统运行的安全和稳定。

Description

直流输电动态泄能系统

技术领域

本实用新型涉及直流输电技术领域，具体涉及到一种直流输电动态泄能系统。

背景技术

随着西电东送战略逐步实施，特高压直流输电工程集中投运，我国已建成容量最大、拓扑最复杂的交直流混联电网。特高压直流单回输送容量不断提升，使得“强直弱交”特征显现，主要体现在：一是受电端电网多为负荷中心，多直流溃入落点集中，各逆变站间电气距离较近，换流站近区交流系统故障可能导致多回直流同时以发生换相失败；而是送电端电网为能源集中区域，交流系统联系相对薄弱，若受电端幻想失败引起直流功率输送发生暂时中断，将导致送电端电网部分重要断面超过稳定极限，部分火电机组超速，风电机组因低压或高压大规模脱网，严重威胁系统安全稳定运行。

为此，如何在直流输电系统连续发生换相失败后，保证系统安全稳定运行成为亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于在直流输电系统连续发生换相失败后，保证系统安全稳定运行。

本实用新型实施例提供了一种直流输电动态泄能系统，用于直流输电系统包括：受电端，安装在直流输电线路上，用于将直流电转换成交流电；泄能装置，安装在受电端的直流输入端，用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将送电端直流电能进行泄能；

可选地，直流输电动态泄能系统还包括：控制终端，分别与受电端和泄能装置连接，用于在受电端连续换相失败信号时控制受电端闭锁，并控制泄能装置投入直流输电线路。

可选地，泄能装置包括：正极端和负极端，以及二极管的负极分别与正极端和第一开关的一端连接，二极管的正极分别与电容的一端和第二开关的一端连接，第一开关的另一端与第二开关的另一端连接，并连接至电阻的一端，电阻的另一端和电容的另一端负极端连接。

可选地，泄能装置包括：正极端和负极端，以及电阻的一端分别与正极端和电容的一端连接，电阻的另一端分别与第一开关的一端和第二开关的一端连接，电容的另一端分别与第一开关的另一端和二极管的负极连接，二极管的负极和第二开关的另一端与所述负极端连接。

可选地，直流输电动态泄能系统还包括：送电端，与直流输电线路连接，用于将交流电转换为直流电。

可选地，送电端包括依次串联的发电设备、变压器、整流器和第一平波电抗器；第一平波电抗器的另一端连接至直流输电线路。

可选地，受电端包括依次串联的第二平波电抗器、逆变器、变压器和用电设备；第二平波电抗器的另一端与直流输电线路连接。

可选地，控制终端，用于在受电端连续换相失败信号的触发下输出第一控制信号控制逆变器闭锁；控制终端还用于在受电端连续换相失败信号的触发下输出第二控制信号控制第一开关和第二开关闭合。

可选地，第二平波电抗器通过第一开关和第二开关与电容连接，用于对电容放电产生反电势，驱动逆变器电流过零

可选地，控制终端还用于在用于表征输电系统恢复正常的正常信号的触发下输出第三控制信号控制逆变器解锁；控制终端还用于在用于表征输电系统恢复正常的正常信号的触发下输出第四控制信号控制第一开关和第二开关断开。

本实用新型实施例提供直流输电动态泄能系统，受电端将直流电转换成交流电；泄能装置，安装在送电端和受电端之间的直流输电线路上在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将送电端直流电能进行泄能。可以在受电端连续换相失败时，对送电端的直流功率进行消耗，较为有效的防止送电端大量功率转移，降低了送电端暂态失稳的风险，避免连续换相失败引起的双侧直流闭锁，提高了系统运行的安全和稳定。

附图说明

图1示出了本实用新型实施例中直流输电动态泄能系统的示意图；

图2示出了本实用新型实施例中泄能装置的拓扑示意图；

图3示出了本实用新型实施例中另一泄能装置的拓扑示意图；

图4示出了本实用新型实施例中仿真的直流输电系统中直流电压变化示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本实用新型实施例提供了一种直流输电动态泄能系统，如图1所示，该系统包括：

受电端10，安装在直流输电线路上，用于将直流电转换成交流电；在本实施例中，所称受电端10为直流电能接收端，可以将直流电能转换为交流电，具体的可以包括各级变电站，以及用户端变电站。

泄能装置20，安装在受电端的直流输入端，用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将送电端直流电能进行泄能，在本实施例中，通常直流输电变电站之间或者送电端和受电端之间的距离较远，泄能装置20可以设置在受电端的直流输入端。可以设置在如图1所示的虚线框标注的位置即直逆变器与电抗器之间。泄能装置20用于在受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线1上，并将送电端10直流电能进行泄能。在具体的实施例中，直流输电中一般连续换相失败发生在直流输电线的逆变侧，泄能装置20为可控装置，在线路正常输电时，为非工作状态，与直流输电线1为脱离状态，在逆变侧发生连续换相失败时，投入直流输电线1路中，用于消耗整流侧送出的直流电能，可以防止送端电网部分重要断面超过稳定极限、部分火电机组超速、风电机组因低压或高压大规模脱网。保证电网及发电设备的安全。

在可选地实施例中，如图2或图3所示，泄能装置具体的可以包括二极管D、第一开关K1和第二开关K2。泄能电阻R，在本实施例中泄能电阻R也可以为储蓄电池等消耗电能的元器件。电容C，由于直流输电系统输送的往往是较高电压的电能，例如500Kv直流电，电容C通常选用高压电容，在本实施例中，电容C还可以为储电装置等可存储电能，并能释放电能的元器件。

在具体的实施例中，泄能装置20的拓扑结构可以为图2或图3所示的拓扑结构，具体的，如图2所示，泄能装置20可以包括正极连接端和负极连接端，在本实施例中，正极连接端可以与直流输电线1连接，负极连接端可以接地。二极管D的正极分别与正极连接端和第一开关K1的一端连接，二极管D的负极分别与电容C的第一端和第二开关K2的一端连接，第一开关K1的另一端与第二开关K2的另一端连接，并连接至电阻R的第一端，电容C的第二端和电阻R的第二端与负极连接端连接。

图3示出了泄能装置20另一拓扑结构，具体的，泄能装置20可以包括正极连接端和负极连接端，在本实施例中，正极连接端可以与直流输电线1连接，负极连接端可以接地。电阻R的第一端分别与正极连接端和电容C的第一端连接，电阻R的第二端分别与第一开关K1的一端和第二开关K2的一端连接，电容C的第二端分别与第一开关K1的另一端和二极管 D的正极连接，二极管D的负极和第二开关K2的另一端与负极连接端连接。

在可选的实施例中，如图1所示，直流输电动态泄能系统还可以包括：送电端30，用于输送直流电，在本实施例中，所称送电端为直流电能输出端，具体的可以包括，火电厂发电设备经过整流器输出的直流电能，风电场经过整流器输出的直流电能，太阳能发电输出的直流电能中的任意一种或多种，在本实施例中，送电端还可以包括变电站，所称变电站向下级变电站输送。在本实施例中，送电端30可以包括依次串联的发电设备31、变压器32、整流器33和第一平波电抗器34，第一平波电抗器34的另一端与直流输电线1连接，发电设备31产生交流电，通过变压器32和整流器33 输出直流电。

在可选的实施例中，受电端10包括依次串联的第二平波电抗器11、逆变器12、第二变压器13和用电设备14。第二平波电抗器11的另一端与直流输电线1连接，第二平波电抗器11通过第一开关K1和第二开关K2与电容C连接，用于对电容C放电产生反电势，驱动逆变器12电流过零。可以保证在发生连续换相失败，泄能装置投入直流输电系统中后，电容C放电确保逆变器12可靠闭锁。

在可选的实施例中，直流输电动态泄能系统还可以包括：如图1所示，直流输电系统还可以包括：检测装置40，与直流输电线1连接，用于检测直流输电线1中的连续换相失败信号。在本具体的实施例中，检测装置40 可以检测直流输电线1中的电压信号，也可以检测直流输电线1中的电流信号，当直流输电线1中发生换相失败时，直流输电新1中的电压迅速下降，电流迅速上升，偶发性的换相失败，逆变侧可以自行调节恢复，在发生连续换相失败时，导致逆变侧闭锁，电压迅速下降，电流迅速上升，并且持续较长的时间，检测装置40实时监测输电线路的电流或电压，在电流大于预设值或电压小于预设值超过预设时间后例如可以位0.5s-2.5s，则可以确定检测到换相失败信号。在本实施例中，检测装置40还可以检测直流输电线的正常信号。在本实施例中，泄能装置20可以通过检测装置40与直流输电线路连接，检测装置40可以将检测到的连续换相失败信号发送至泄能装置20，并触发泄能装置20的第一开关K1和第二开关K2闭合，使其投入到直流输电线路中去。在本实施例中，检测装置40还受电端连接，可以将检测到的连续换相失败信号传送至受电端，驱动受电端逆变器闭锁。

控制终端50，分别与泄能装置20和检测装置40连接，在本实施例中，用于根据连续换相失败信号控制泄能装置20动作。在具体的实施例中，控制终端50可以控制泄能装置20的投入和切除，控制终端50通过与检测装置40连接，接收检测装置40检测到的连续换相失败信号，根据连续换相失败信号输出用于驱动投入泄能装置20的驱动信号，控制终端50还可以响应检测装置40检测到的正常信号，输出驱动泄能装置20的旁路驱动信号，使泄能装置20脱离直流输电系统。在本实施例中，控制终端50，用于在受电端10连续换相失败信号的触发下输出闭锁控制信号控制受电端闭锁。具体的，控制终端50，用于在受电端连续换相失败信号的触发下输出闭锁控制信号控制逆变器12闭锁。在本实施例中，控制终端还用于在用于表征输电系统恢复正常的恢复信号的触发下输出解锁控制信号控制逆变器12解锁。

在可选的实施例中，控制终端50可以包括电压比较器，与检测装置40 连接，用于将检测装置40检测到的电压值与预设电压值比较，得到比较结果，所称电压比较器可以为单限比较器，滞回比较器，窗口比较器，三态比较器等电压比较器中任意一种；定时单元，分别与检测装置40和电压比较器连接，用于根据比较结果统计检测装置40检测到的电压值小于预设电压值的持续时间；驱动单元，与定时单元连接，用于驱动第一开关K1和第二开关K2闭合，以使泄能装置20投入直流输电线1。

在可选的实施例中，驱动单元与电压比较器连接，用于根据检测装置 40到的电压值大于预设电压值的比较结果驱动第一开关K1和第二开关K2 断开，以使泄能装置20从直流输电线路中切除。在具体的实施例中，在检测装置40检测到电压值大于预设电压值时，表示线路故障去除，输电线路恢复正常，驱动单元驱动第一开关K1和第二开关K2断开，使泄能装置20 脱离直流输电线1，此时，电容C充电，电容C充电完成后，直流输电系统恢复正常运行。

在可选的实施例中，检测装置40和控制终端50可以为逆变器的控制系统，如图1所示，检测装置40和控制终端50设置在受电端10，与逆变器12连接，并与泄能装置20连接，该控制系统可以根据逆变侧的故障信号(例如连续换相失败信号)控制逆变器闭锁，还可以在逆变侧或直流输电线路正常时控制逆变器闭锁解锁。在具体的实施例中，控制终端50中的驱动单元在定时单元统计的电压值小于预设电压值的持续时间超过预设时间时响应，驱动逆变器闭锁。在本实施例中，控制终端50在接收到换相失败信号后，输出控制逆变器闭锁的闭锁信号，该闭锁信号驱动逆变器闭锁。在定时单元统计的电压值大于预设电压值时，控制终端50发出解锁信号，该解锁信号驱动逆变器解锁。驱动单元在定时单元统计的电压值大于预设电压值时，驱动逆变器解锁。

为保证逆变器在连续换相失败故障发生时能够可靠闭锁，在可选的实施例中，在逆变侧还设置有与电容C串联的平波电抗器，在泄能装置投入到直流输电系统中后，其电阻对直流功率进行快速泄放，电容C不仅可以提供直流电压，而且电容还可以向逆变器放电，由于平波电抗器的反电势作用，强迫流过逆变器的电流过零，使其可靠闭锁。

在本实施例中将泄能装置设置在受电端，是由于直流输电系统中，送电端和受电端一般距离较远，其控制终端一般为逆变器的控制系统，若控制泄能装置投入或切除，可能需要通信装置进行通信，一般选用光纤通信等通信方式，可能需要铺设光纤线缆，不仅工程量大，而且成本较高，泄能装置安装在受电端，，可以将泄能装置与控制终端直接通过通信线缆连接，可以节省较大规模的铺设光纤线缆，并且，受电端一般靠近城市，如果泄能装置发生故障，维修人员可以较快做出反应到达现场，以确保将泄能装置的安全运行。

下面结合仿真实验介绍本实用新型实施例中直流输电系统在换相失败后，保证直流输电系统安全稳定的运行的原理，以500kV直流输电系统为例，考虑最大放电电流(两倍额定直流电流)，将高压电容的容量定为100uF，二极管高压硅堆，第一开关和第二开关为机械或IGBT电子开关，其控制指令来自控制终端。

(1)系统启动阶段

在直流系统初始启动阶段，第一开关和第二开关均断开，二极管受到正向直流电压导通，系统对电压支撑回路的电容充电，直至达到系统额定直流电压Ud，充电结束后，直流系统正常运行。

(2)逆变侧闭锁阶段

当逆变侧因为交流系统电压跌落、换流阀触发信号丢失等原因，导致逆变侧连续换相失败。当到达系统设定保护时间值时在本实施例中，可以通过定时单元统计，一般选取0.5-2.5s，控制终端将同时触发两个信号：信号一为逆变器闭锁信号；信号二为并联型直流泄能装置投入信号，闭合第一开关和第二开关，将泄能装置投入到逆变侧直流线路中。此时，直流电容通过第一开关和第二开关对逆变器放电，由于平波电抗器反电势的作用，强迫流过晶闸管电流过零，促使其可靠闭锁。

同时系统直流功率经大功率电阻快速泄放，直流支撑电容提供直流电压，送电端可持续输送一定的(或额定)功率，避免了连续换相失败引起的送端系统大功率转移，降低了送端系统发生暂态失稳的风险。

(3)系统恢复阶段

在系统恢复阶段，首先将送电端换流阀恢复运行，同时控制终端发出两个信号。信号一为直流系统逆变器解锁信号；信号二为断开第一开关和第二开关的信号，将泄能电阻回路切除。此时直路电压维持在Ud附近，直流系统很快恢复正常运行状态。

图4示出了连续换相失败时直流输电系统中电压的变化曲线，图4中直流输电系统直流电压为500kV，功率1000MW，设定旁路装置电容为 100uF，电阻250Ω，直流平波电抗器为0.5968mH，直流线路总电阻5Ω。

第1秒时，直流系统启动，直流电压上升同时通过二极管开始对电容器充电，当电压等于额定直流电压时，充电结束。

第2秒时，逆变侧交流系统发生100ms瞬时性三相接地短路，故障清除后系统恢复正常。

第4秒时，交流系统电压从额定1.0pu跌落到0.3pu，直流系统发生连续换相失败(直流电压为零或小于预设电压)。

当换相失败持续1s后(第5秒时)，控制终端控制逆变器闭锁，同时投入泄能装置，即第一开关和第二开关闭合。此时旁路装置电容C通过第一开关和第二开关以及平波电抗器对逆变器放电，平波电抗器产生的反电势强迫流过晶闸管电流过零，促使其可靠闭锁。逆变器闭锁后，送电端的直流系统功率可通过电阻R消耗，流过送电端换流器的直流功率不变，不会导致送端交流系统大量功率转移，避免了切除发电机或功率振荡，保持了送端系统的稳定。

第6秒时，逆变侧交流系统电压从0.3pu恢复到正常1.0pu。

第7秒时，控制终端解锁逆变器，随后退出泄能装置，即第一开关和第二开关断开，电容充电，直流系统恢复正常，直流功率重新从整流侧传送到逆变侧。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种直流输电动态泄能系统，其特征在于，包括：

受电端，安装在直流输电线路上，用于将直流电转换成交流电；

泄能装置，安装在受电端的直流输入端，用于在所述受电端连续换相失败信号的触发下投入直流输电线路，并将直流输电线路上的直流电能进行泄能。

2.如权利要求1所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，还包括：

控制终端，分别与所述受电端和所述泄能装置连接，用于在所述受电端连续换相失败信号时控制所述受电端闭锁，并控制所述泄能装置投入所述直流输电线路。

3.如权利要求2所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述泄能装置包括：正极端和负极端，以及

二极管的负极分别与所述正极端和第一开关的一端连接，二极管的正极分别与电容的一端和第二开关的一端连接，所述第一开关的另一端与所述第二开关的另一端连接，并连接至电阻的一端，所述电阻的另一端和所述电容的另一端与所述负极端连接。

4.如权利要求1所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述泄能装置包括：正极端和负极端，以及

电阻的一端分别与所述正极端和电容的一端连接，电阻的另一端分别与第一开关的一端和第二开关的一端连接，电容的另一端分别与第一开关的另一端和二极管的负极连接，二极管的负极和第二开关的另一端与所述负极端。

5.如权利要求3所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，还包括：

送电端，与所述直流输电线路连接，用于将交流电转换为直流电。

6.如权利要求5所述直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述送电端包括依次串联的发电设备、变压器、整流器和第一平波电抗器；

所述第一平波电抗器的另一端连接至所述直流输电线路。

7.如权利要求5所述直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述受电端包括依次串联的第二平波电抗器、逆变器、变压器和用电设备；

所述第二平波电抗器的另一端与所述直流输电线路连接。

8.如权利要求7所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述控制终端，用于在受电端连续换相失败信号的触发下输出第一控制信号控制所述逆变器闭锁；

所述控制终端还用于在受电端连续换相失败信号的触发下输出第二控制信号控制所述第一开关和所述第二开关闭合。

9.如权利要求8所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述第二平波电抗器通过所述第一开关和所述第二开关与所述电容连接，用于对所述电容放电产生反电势，驱动所述逆变器电流过零。

10.如权利要求7-9任一项所述的直流输电动态泄能系统，其特征在于，所述控制终端还用于在用于表征输电系统恢复正常的正常信号的触发下输出第三控制信号控制所述逆变器解锁；

所述控制终端还用于在用于表征输电系统恢复正常的正常信号的触发下输出第四控制信号控制所述第一开关和所述第二开关断开。