CN210744758U - 一种基于超导限流器的多端直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超导限流器的多端直流输电系统，发电厂(1)发出的电能经过升压变压器(2)和整流高压直流换流站(3)，由总直流母线(5)，再经过逆变高压直流换流站(8)和降压变压器(9)到达负载(10)，在总直流母线(5)与各分支直流母线(7)之间加装高压直流断路器(6)，分别在总直流母线(5)和分支直流母线(7)前加装超导限流器(4)。本实用新型的技术效果：超导限流器应用于多端直流输电系统中可以有效的降低其直流侧发生短路故障时的短路电流，从而大大降低了直流断路器的制造难度，为解决多端直流技术面临的高压直流断路器容量的瓶颈问题打开了新的思路。

Description

一种基于超导限流器的多端直流输电系统

技术领域

本实用新型涉及直流输电技术领域，具体涉及到一种含电阻型超导限流器的多端直流输电系统。

背景技术

目前世界上已经投入运行的大部分直流输电工程为两端输电工程，其理论研究与工程应用都比较成熟。随着现代电力网络规模不断扩大，多个交流系统之间需要采用直流技术互联时，仅采用两端直流输电就必须建设不止一条的直流输电线路，极大地增加了建设与运营成本。

传统的两端直流输电系统中，当系统直流侧发生短路故障时，系统可以通过直接控制换流站，使换流站停运来切断故障线路，避免短路故障对与其相连的交流系统产生冲击，因此并不需要在直流侧装设高压直流断路器。但在没有装设直流断路器的多端直流输电系统中，当直流侧出现短路故障时，必须要通过控制换流站短时停运整个多端系统，直到切除故障部分后再重新启动系统，这会严重影响与之相连的各交流系统的稳定性，对其带来很大的冲击。

目前，少数已经投入运行的多端直流系统均为背靠背系统或是通过地下电缆连接换流站以减少直流侧短路故障的机率。高压直流断路器的设计及制造能力也是多端直流输电技术发展的瓶颈之一。

实用新型内容

超导限流器应用于多端直流输电系统中可以有效的降低其直流侧发生短路故障时的短路电流，从而大大降低了直流断路器的制造难度，为解决多端直流技术面临的高压直流断路器容量的瓶颈问题打开了新的思路。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种基于超导限流器的多端直流输电系统，它的组成包括：发电厂1，升压变压器2，整流高压直流换流站3，超导限流器4，总直流母线5，高压直流断路器6，分支直流母线7，逆变高压直流换流站8，降压变压器9，负载10，发电厂1发出的电能经过升压变压器2和整流高压直流换流站3，由总直流母线5，再经过逆变高压直流换流站8和降压变压器9到达负载10，在总直流母线5与各分支直流母线7之间加装高压直流断路器6，分别在总直流母线 5和分支直流母线7前加装超导限流器4。

所述的超导限流器4采用阵列式电阻型高温超导限流器，其组成：套管，低温恒温器，限流模块，其中限流模块由触发矩阵模块和限流矩阵模块组成。

所述的整流高压换流站3和逆变高压换流站8的组成包括：阀厅、换流器、交流开关厂、平波电抗器、滤波器、无功补偿设备。

所述的换流器采用三电平电压源换流器。

所述的高压直流断路器6采用混合型直流断路器。

本实用新型的技术效果：

电网系统中安装故障限流器是限制短路电流、降低断路器遮断需求容量的有效措施。引入故障限流器，降低了短路电流的水平，从而大大降低了对于断路器的硬性要求，减少了断路器的制造难度；同时短路水平的降低也在很大程度上降低了故障瞬间较大短路电流对整个系统及相关在线设备的冲击。

超导限流器是目前限制电网短路电流最为有效的设备之一。利用超导体的特殊性质，超导限流器在正常运行时阻抗几乎为零，出现故障时阻抗自动增大，迅速将短路电流限制到断路器或者系统可接受的水平；并且具有响应速度快和自动限流等特点。随着第二代高温超导带材的应用，超导限流器的反应时间大幅减少，短路电流能够在几毫秒之内得到限制。

超导限流器应用于多端直流输电系统中可以有效的降低其直流侧发生短路故障时的短路电流，从而大大降低了直流断路器的制造难度，为解决多端直流技术面临的高压直流断路器容量的瓶颈问题打开了新的思路。

附图说明

图1是基于超导限流器的多端直流输电系统组成图。

图2是阵列式电阻型高温超导限流器原理图。

图3是三电平电压源换流器结构图。

图中：1为发电厂，2为升压变压器，3为整流高压直流换流站，4为超导限流器，5为总直流母线，6为高压直流断路器，7为分支直流母线，8为逆变高压直流换流站，9为降压变压器，10为负载。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。

1.一种基于超导限流器的多端直流输电系统整体实施方案

一种基于超导限流器的多端直流输电系统，它的组成包括：发电厂1，升压变压器2，整流高压直流换流站3，超导限流器4，总直流母线5，高压直流断路器6，分支直流母线7，逆变高压直流换流站8，降压变压器9，负载10，发电厂1发出的电能经过升压变压器2和整流高压直流换流站3，由总直流母线5，再经过逆变高压直流换流站8和降压变压器9到达负载10，在总直流母线5与各分支直流母线7之间加装高压直流断路器6，分别在总直流母线 5和分支直流母线7前加装超导限流器4。如图1所示。

所述的超导限流器4采用阵列式电阻型高温超导限流器，其组成：套管，低温恒温器，限流模块，其中限流模块由触发矩阵模块和限流矩阵模块组成。如图2所示。

所述的整流高压换流站3和逆变高压换流站8的组成包括：阀厅、换流器、交流开关厂、平波电抗器、滤波器、无功补偿设备。

所述的换流器采用三电平电压源换流器。如图3所示。

所述的高压直流断路器6采用混合型直流断路器。

2.阵列式电阻型高温超导限流器

该系统由n行m列个限流模块组成，每行由m个子模块串联而成。正常工作时，由于超导元件处于超导态，所以I²R为零，对电力系统的影响可忽略不计。当发生故障时，超导元件在辅助磁场的作用下，几乎同时失超，开始限流，同时故障电流被转向与超导元件并联的电阻元件上，以达到保护超导元件和限流的目的。

另一种阵列式电阻型高温超导限流器，其对应的电路原理如图2所示。这种模型的增加了触发矩阵式。整个限流模块由触发矩阵模块和限流矩阵模块组成。故障电流发生时，触发矩阵中所有超导体同时瞬间失超，同时产生足够大的感应磁场和瞬间高温，该感应磁场会使与触发矩阵-触发元件相串联的限流矩阵-限流元件失超，从而产生高阻抗达到限流的目的。故障电流、感应磁场和瞬间高温能充分保证所有限流元件失超。

阵列式电阻型高温超导限流器，结构新颖，无需主动控制机制，模块化，可扩展，系统可靠性高，限流模块中一部分限流元件出现故障不会影响系统整体的限流效果，安全可靠。

在超导元件上并联铜导线以达到分流的效果，减轻了故障时超导元件的压力，并研制出小规模三相阵列式电阻型高温超导限流器。优化设计方案可将互相串联的电阻元件和电感元件并联在限流矩阵模块的超导元件和旁路电感线圈上，从而维持了系统的高阻态特性。他们还从限流效果，失超、恢复的同步性、恢复时间等方面验证了优化方案的可行性。

3.高压直流换流站

高压直流换流站是具有整流站、逆变站功能或同时具有整流站和逆变站功能的高压直流系统设施，是直流输电的基础。

换流站主要结构包括阀厅、换流变压器、交流开关厂、平波电抗器、滤波器、无功补偿设备等。高压换流阀电气应力高，阶跃性能量大，电磁干扰强度高，强弱电装置近距离、紧密耦合系统，电磁干扰耦合机制复杂。

主要连接线：对于不同的端口的交流活动，利用比较常见的500KV的电力设备进行主要连接。在连接的基础上，对于滤波装置的运作主要是建立一个大的团体组成，在大的总体组成上，进行各个元素的构建，包括对于不同电力运作装置，进行重复的500KV的线路运作和不同岸点建立关联性。在仅500KV的间接性运作活动后，建立不同支点和主这杯的连续性，促进整个电力运作活动的有效构成。在运作活动中要注意对于不同端点的运作形式，可以利用不同组别的注册来进行有效的关联。对于不完整的运作形式，进行及时的停止活动，转换不同的端体、在此设计环节中，要注意各个端体和线路的级别联系性，注意端口位置的连接和滤波器的运作是否协调，整合运作模式，促进各个端口的有效连接，建立良好的直接电流运作体系。

高压直流换流站滤波装置的设计：对于特高压电力运作活动，对于电力运作的主要端点进行相互运作。直流体系在五十和一百的运作系数下，会产生谐振体系。进而在直流电力运作体系中，对于电流装置的不同级别的滤波器的设置具有重要意义。对于不同级别的和不同参数的滤波器，要依据直流运作体系的整体进行合理化的安装。在滤波器构建工作完成之后，对于电容装置和电感装置，进行有序的关联。其运用最为常见的关联形式是并联形式。在以上构建活动完善之后，要对滤波装置进行细致化的设计，包括对于电流体系中的不同系数谐波的抑制活动的优化设计。在进行滤器的优化设计环节，其也要包高感电力体系的运作充分考虑在内。

高压直流换流站绝缘体系的优化设计：在对特高压直流换流站系统设计进行详细的研究后显示，对于特高压直流换流站系统设计需要结合电压体系和绝缘体系，进行整体的构建。在构建电压体系和绝缘体系时，要充分考虑方案的设计合理性和绝缘的成效。包括对于陡波环接和雷击预防环节的绝缘操作。在经历设备的绝缘保护最大化后，进行总体的防雷体系的内构件，建立合理化的电流连接线的避雷装置的设计，保证其具有良好的间隔距离，保证其保持水平方位，建立规范性的电压体系和绝体系的构建。

4.高压直流断路器

混合型直流断路器：为充分利用机械开关通态压降小和电力电子器件关断速度快的优势，混合型直流断路器成为当前研究热点。混合型直流断路器可通过机械开关和电力电子器件的合理组合得到，常见的拓扑主要有机械开关与电力电子器件直接并联、机械开关与电力电子器件先串联再并联以及由此衍生出的其他拓扑。

电力电子器件串联技术：在高电压、大电流的应用场合，需要电力电子器件串联提高耐压能力和并联提高通流能力，由于器件自身参数差异和外围电路影响导致的动、静态均压、均流问题尤为突出。当电力电子器件作为直流断路器断流主支路时，一般不需要并联即可满足关断电流要求，而为了承受较高的开断过电压，往往需要大量器件串联使用。

电力电子器件串联电压不均一般分为两种情况：静态电压不均和动态电压不均。器件运行过程中会经历开通瞬态、开通稳态、关断瞬态和关断稳态四个工作状态。在开通稳态和关断稳态下，串联各器件电压基本保持稳定，属静态均压问题；在开通瞬态和关断瞬态下，串联各器件电压动态变化，属动态均压问题。由于影响串联均压的因素较为复杂，不同工作状态下应采用不同的均压策略。

直流断路器作为开断故障电流的关键设备，其控制系统应准确检测回路电流动态变化，可靠识别短路故障、电流暂升和电流波动等各类工况并迅速响应。

5.电压源换流器

电压源换流器(VSC)目前已成为首选实施对象，原因如下：VSC具有较低的系统成本，因为它们的配站比较简单。VSC实现了电流的双向流动，更易于反转功率流方向。VSC可以控制AC侧的有功和无功功率。VSC不像LCC那样依赖于AC网络，因此它们可以向无源负载供电并具有黑启动能力。使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)阀，则无需进行晶闸管所需的换流操作，并可实现双向电流流动。电压源换流器(VSC)的拓扑结构，如图3所示，三电平VSC改善了谐波问题。三电平换流器每相有四个IGBT阀。其中两个二极管阀用于钳位电压，可以用IGBT代替它们，以获得更好的可控性。打开顶部的两个IGBT获得较高的电压电平，打开中间的两个IGBT获得中间(或零)电压电平，打开底部的两个阀获得较低的电压电平。

Claims (6)

1.一种基于超导限流器的多端直流输电系统，它的组成包括：发电厂(1)，升压变压器(2)，整流高压直流换流站(3)，超导限流器(4)，总直流母线(5)，高压直流断路器(6)，分支直流母线(7)，逆变高压直流换流站(8)，降压变压器(9)，负载(10)，其特征在于：发电厂(1)发出的电能经过升压变压器(2)和整流高压直流换流站(3)，由总直流母线(5)，再经过逆变高压直流换流站(8)和降压变压器(9)到达负载(10)，在总直流母线(5)与各分支直流母线(7)之间加装高压直流断路器(6)，分别在总直流母线(5)和分支直流母线(7)前加装超导限流器(4)。

2.根据权利要求1所述的多端直流输电系统，其特征在于：所述的超导限流器(4)采用阵列式电阻型高温超导限流器，其组成：套管，低温恒温器，限流模块。

3.根据权利要求2所述的多端直流输电系统，其特征在于：所述的限流模块由触发矩阵模块和限流矩阵模块组成。

4.根据权利要求1所述的多端直流输电系统，其特征在于：所述的整流高压直流换流站(3)和逆变高压直流换流站(8)的组成包括：阀厅、换流器、交流开关厂、平波电抗器、滤波器、无功补偿设备。

5.根据权利要求4所述的多端直流输电系统，其特征在于：所述的换流器采用三电平电压源换流器。

6.根据权利要求1所述的多端直流输电系统，其特征在于：所述的高压直流断路器(6)采用混合型直流断路器。

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