一种混合直流输电系统 |
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| 申请号 | CN201510371728.X | 申请日 | 2015-06-26 | 公开(公告)号 | CN104967141B | 公开(公告)日 | 2017-12-26 |
| 申请人 | 许继电气股份有限公司; 西安许继电力电子技术有限公司; 国家电网公司; | 发明人 | 刘欣和; 吴金龙; 王先为; 张浩; 张军; 行登江; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种混合直流输电系统，该混合直流输电系统为双极结构，包括正极换流 变压器 和正极换流器、负极换流变压器和负极换流器，双极结构中，其中一极换流器为由MMC子模 块 构成的MMC换流器，另一极为由至少一个LCC构成的LCC换流器系统。本发明提供的混合直流输电系统同时具有LCC‑HVDC的技术成熟、成本低的特点以及VSC‑HVDC的无换相失败，控制灵活，拓展性能强的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种混合直流输电系统，该混合直流输电系统为双极结构，包括正极换流变压器和正极换流器、负极换流变压器和负极换流器，其特征在于，所述双极结构中，其中一极换流器为由MMC子模块构成的MMC换流器，另一极为由至少一个LCC构成的LCC换流器系统； |
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| 说明书全文 | 一种混合直流输电系统技术领域背景技术[0002] 随着电力科学技术的发展，传统直流输电系统(又称电网换相换流器高压直流输电系统，Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)的技术已经非常成熟。LCC-HVDC系统目前已经被广泛地应用于海底电缆送电、大容量远距离输电以及异步电网背靠背互联等场合。但是，LCC-HVDC系统存在着的逆变站换相失败、无法对弱交流系统供电、运行过程中需要消耗大量无功功率等缺陷，在一定程度上制约它的发展。 [0003] 近年来以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)因其可独立控制有功无功功率、不存在换相失败、可为无源孤岛供电等诸多优点得到学术界与工业界的青睐。作为VSC-HVDC拓扑的一种，MMC-HVDC具备VSC-HVDC所有的优点。同时，因MMC拓扑结构的特点，MMC-HVDC系统还具备开关频率较低、开关损耗小、无需交流滤波器组和扩展性强等优点，这使得其可以运用于高直流电压、大功率输电的场合。但是，MMC-HVDC系统造价昂贵、无法有效地处理直流故障等缺点却制约其在长距离大功率输电场合的运用。 [0004] 针对上述现有技术的不足，混合直流输电技术成为新的研究热点。混合直流输电技术结合了传统LCC-HVDC技术成熟、成本低的特点以及VSC-HVDC无换相失败，控制灵活，拓展性能强的优点，在满足系统输电的同时，能够有效改善目前常规直流输电受端的换相失败等问题，在柔性直流尚不具备与常规直流相当的输电容量的现状下，是一种具备较高技术经济性的优化配置方案。但是该混合直流输电技术作为一项全新的技术，目前世界范围内仍处于研究起步阶段，国内关于混合直流输电技术的研究也起步较晚，目前现有技术中并没有一种有效地混合直流输电系统以实现上述优点。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供一种混合直流输电系统，同时具有LCC-HVDC的技术成熟、成本低的特点以及VSC-HVDC的无换相失败，控制灵活，拓展性能强的优点。 [0006] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种混合直流输电系统，该混合直流输电系统为双极结构，包括正极换流变压器和正极换流器、负极换流变压器和负极换流器，所述双极结构中，其中一极换流器为由MMC子模块构成的MMC换流器，另一极为由至少一个LCC构成的LCC换流器系统。 [0007] 所述MMC中的桥臂中包括半桥子模块、全桥子模块和/或钳位双子模块。 [0008] 所述MMC中的每个桥臂均由半桥子模块和全桥子模块以一比一的比例级联构成。 [0009] 所述MMC的子模块中，至少一个子模块为一个混合双子模块，所述混合双子模块包括4个功率模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，所述T1的阳极连接所述T4的阳极，所述T2的阴极连接T3的阴极，所述T1的阴极连接所述T2的阳极，所述T4的阴极通过所述电容C2连接所述T3的阳极，所述T1和T4的连接点与所述T2和T3的连接点之间连接所述电容C1，所述T1和T2的连接点为所述混合双子模块的一个端口，所述C2和T4的连接点为所述混合双子模块的另一个端口。 [0011] 所述混合直流输电系统还包括无功补偿装置，所述无功补偿装置连接交流电网。 [0012] 所述混合直流输电系统还包括交流滤波装置，所述交流滤波装置连接交流电网。 [0013] 本发明提供了一种较为新颖的混合直流输电系统，其不仅结构简单可靠，而且还能结合LCC和MMC的各自优点并克服各自缺点：利用MMC的有功无功独立调节能力来调节交流电压，从而增加LCC的最大传输有功功率能力并减小其换相失败的可能；而且MMC中可以根据实际需要接入各种类型的子模块，控制更加灵活多变，在直流侧发生故障时可以控制其直流端输出零电压，从而克服普通MMC无法有效处理直流故障的缺点。附图说明 [0014] 图1是混合直流输电系统的结构示意图； [0015] 图2是电网换相换流器LCC的一种拓扑结构示意图； [0016] 图3是模块混合型模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图； [0017] 图4是半桥子模块的拓扑结构示意图； [0018] 图5是全桥子模块的拓扑结构示意图； [0019] 图6是混合双子模块的拓扑结构示意图； [0020] 图7-1是混合子模块正常工作模式下的第一种工作状态示意图； [0021] 图7-2是混合子模块正常工作模式下的第二种工作状态示意图； [0022] 图7-3是混合子模块正常工作模式下的第三种工作状态示意图； [0023] 图7-4是混合子模块正常工作模式下的第四种工作状态示意图； [0024] 图8-1是混合子模块闭锁模式下的其中一种工作状态示意图； [0025] 图8-2是混合子模块闭锁模式下的另一种工作状态示意图。 具体实施方式[0026] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。 [0027] 实施例1 [0028] 如图1所示，该混合直流输电系统包括电网换相换流器LCC、模块化多电平换流器MMC、换流变压器、交流滤波器组ACF、交流无功补偿装置组、直流平波电抗器、直流滤波器DCF。LCC和MMC构成双极结构，交流电网上还连接交流滤波器组ACF和交流无功补偿装置。 [0029] 交流无功补偿装置可以为并联电容器，也可以为并联电抗器、静止无功补偿装置和调相机中的一种，它与交流滤波器组ACF、MMC配合，共同为LCC提供无功补偿。 [0030] 电网换相换流器的两个直流端之间连接直流滤波器DCF，电网换相换流器的直流负极端与模块化多电平换流器的直流正极端连接，连接点与电网换相换流器的直流负极端之间和连接点与模块化多电平换流器的直流正极端之间均串接有开关，并且该接点通过开关MRTB接地。电网换相换流器的直流正极端为该混合直流输电系统的直流正极端，模块化多电平换流器的直流负极端为该混合直流输电系统的直流负极端，该混合直流输电系统的两个直流正负极线路上均串接有直流平波电抗器。 [0031] 最基本的LCC是由半控型的晶闸管为基础构成的三相桥式电路，但是LCC可以是6个桥臂构成的6脉波换流器，也可以是由两个6脉波换流器组成的12脉波换流器，还可以是由多个6脉波换流器组成的多脉波换流器，如图2所示，给出了一种LCC的实施方式。也就是说，该LCC可以是一个最基本的三相桥式电路，也可以由多个三相桥式电路组合构成。 [0032] MMC的拓扑结构如图2所示，该MMC由三相六桥臂构成，每个桥臂都由半桥拓扑子模块和全桥拓扑子模块以一比一的比例级联组成，同时每个桥臂均还串联有桥臂电抗器L。在该MMC的交流侧，与LCC相同的交流电网系统依次通过换流变压器和软启电阻装置连接该MMC的三相桥式电路的交流侧。 [0033] 该MMC中的半桥子模块和全桥子模块以全控型电力电子器件如IGBT为基础构成，其拓扑结构如图3、图4所示。 [0034] 该混合直流输电系统工作时，LCC和MMC同时接入一个交流系统，形成了混合多馈入直流输电系统。系统运行时，可以充分利用MMC系统的有功无功功率独立调节能力，有效地调节交流母线电压，增加LCC系统的最大传输有功功率能力，降低LCC系统的暂态过电压，同时也可以减小LCC换流器换相失败可能。当直流侧出现故障时，LCC系统可以通过调整触发相角来克服直流故障，MMC系统可以通过对全桥子模块的控制，实现直流侧零电压控制，从而有效的克服直流故障。 [0035] 当然，本发明的混合直流输电系统的拓扑结构并不局限于上述实施例，例如通过合理的搭配交流滤波器组ACF，同时配合MMC控制交流系统的无功功率，从而取消无功功率补偿装置。 [0036] 上述实施例中，电网换相换流器的直流负极端与模块化多电平换流器的直流正极端连接并且接地，电网换相换流器的直流正极端为该混合直流输电系统的直流正极端，模块化多电平换流器的直流负极端为该混合直流输电系统的直流负极端；作为其他的实施例，可以交换LCC和MMC的位置，电网换相换流器的直流正极端与模块化多电平换流器的直流负极端连接并且接地，模块化多电平换流器的直流正极端为该混合直流输电系统的直流正极端，电网换相换流器的直流负极端为该混合直流输电系统的直流负极端。 [0037] 上述实施例中，MMC包括半桥子模块和全桥子模块，两者在每个桥臂中的比例为1:1，作为其他的实施例，半桥子模块和全桥子模块的配置比例可以按照实际情况进行设置。 而且还可以根据具体情况将全桥子模块更改为钳位双子模块。 [0038] 实施例2 [0039] 本实施例与实施例1的区别在于：本实施例中的MMC中，至少有一个子模块为混合双子模块。如图6所示，该混合双子模块包括4个IGBT模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，T1的集电极连接T4的集电极，T2的发射极连接T3的发射极，T1的发射极连接T2的集电极，T4的发射极通过电容C2连接T3的集电极，T1和T4的连接点与T2和T3的连接点之间连接电容C1，T1和T2的连接点为该混合双子模块的一个端口，C2和T4的连接点为该混合双子模块的另一个端口。混合双子模块内所有的IGBT(T1、T2、T3、T4)均反并联了续流二极管，T1、T2、T3、T4的基极分别接受外部设备提供的控制信号。 [0040] 混合双子模块有两种工作模式，正常运行模式和闭锁模式。在正常运行模式下，T1和T2之间最多只能有一个IGBT导通，为了防止电容C1短路，T1和T2均不能同时导通；T3和T4之间最多只能有一个IGBT导通。 [0041] 混合双子模块在正常工作模式下，有4种工作状态，正常运行模式下的4种运行状态如图7-1至7-4所示，(1)为当T1、T3导通时的电流流向，(2)为当T1、T4导通时的电流流向，(3)为当T2、T3导通时的电流流向，(4)为当T2、T4导通时的电流流向。如表1所示，当T1、T3导通时，端口输出电压为两个电容电压和；当T1、T4导通时，端口输出电压为零；当T2、T3导通时，端口输出电压为电容C2电压；当T2、T4导通时，端口输出电压为电容C1的反向电压，即为输出负电压。电流方向不影响端口输出电压。表1中，Usm表示子模块端口输出电压。 [0042] 表1 [0043] [0044] [0045] 由混合双子模块的正常工作模式可知，该子模块能够输出4种电压，分别为两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压。说明该子模块能够代替2个半桥子模块输出2倍电容电压的同时，具备全桥子模块的负电压特性，能提高直流电压利用率，提升系统容量。 [0046] 混合双子模块在闭锁模式下，有2种工作状态，闭锁模式下的2种运行状态如图8-1和8-2所示。在闭锁状态下，所有IGBT均处于关断状态。当流过正向电流(电流方向由A至B)时，端口输出电压为两个电容电压和；当流过负向电流时，端口输出电压为电容C1的负向电压，即与电流反向的电压。 [0047] 混合双子模块内部的两个电容器，可以根据需要合理配置这两个电容电压为不同值。该方式下，能够有效扩展所属MMC的应用范围，例如合理配置子模块中的两个电容电压以实现该MMC提高调制度的同时具备STATCOM运行故障穿越能力。 [0048] 还有就是，MMC中的子模块可以全部是该混合双子模块，还可以是以下情况：MMC中的桥臂由混合子模块与其他一种或者几种现有子模块(半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块)级联构成，那么，该MMC为混合式MMC换流器。该混合式MMC换流器按照实际情况进行拓展时具有广泛的应用，如提高调制度的同时具备STATCOM运行故障穿越能力、节约系统硬件成本等。 [0049] 上述实施例中，功率模块为IGBT模块，作为其他的实施例，功率模块该可以是其他的全控型器件。 |
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