一种由混合电压源型换流站构成的无直流耦合型直流电网拓扑 |
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| 申请号 | CN201710227363.2 | 申请日 | 2017-04-10 | 公开(公告)号 | CN107196325A | 公开(公告)日 | 2017-09-22 |
| 申请人 | 华北电力大学; | 发明人 | 许建中; 赵成勇; 郭裕群; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提出了一种由混合 电压 源型换流器（混合MMC或桥臂交替导通换流器AAC）构成的无直流耦合型直流 电网 拓扑，包含有n个交流系统AC1、AC2至ACn，n个多绕组 变压器 T1、T2至Tn，其中n个交流系统与n个多绕组变压器的原边相连，多绕组变压器的副边侧连接混合电压源型换流器站，整个系统中包含混合电压源型换流器若干个，在每条直 流线 路的两侧分别是2个混合电压源型换流器，其中混合电压源型换流器的命名原则为x_y，表示连接Tx和Ty并且位于Tx侧的换流站。本发明所提出的多端直流电网拓扑能够实现直流电网无闭 锁 穿越直流故障和直流侧实现解耦，并且可实现直流 断路器 （DCCB）、DC/DC变换器和潮流 控制器 (DC‑PFC)的功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种由混合电压源型换流器（混合MMC或桥臂交替导通换流器AAC）构成的无直流耦合型直流电网拓扑，其特征在于：包含有n个交流系统AC1、AC2至ACn，n个多绕组变压器T1、T2至Tn，其中n个交流系统与n个多绕组变压器的原边相连，多绕组变压器的副边侧连接混合电压源型换流器（混合MMC换流站或桥臂交替导通换流器AAC换流站），整个系统中包含混合电压源型换流器若干个，在每条线路的两侧分别是2个混合电压源型换流器，其中混合电压源型换流器的命名原则为x_y，表示连接Tx和Ty并且位于Tx侧的换流站，其中部分交流系统通过交流线路相连。 |
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| 说明书全文 | 一种由混合电压源型换流站构成的无直流耦合型直流电网拓扑 技术领域[0001] 本发明是一种由混合电压源型换流站构成的无直流耦合型直流电网拓扑，属于应用于直流电网及柔性直流输电领域的一种拓扑，可应用于新建直流电网的拓扑结构设计。 背景技术[0002] 我国能源资源与负荷中心分布极不均衡，大规模能源的开发和全国范围内的资源优化配置决定了我国需要建设远距离的输电通道，以实现大规模能源资源的集约化开发和全国范围内的资源优化配置。另一方面，随着化石能源的日益枯竭和改善环境压力的日益增加，中国乃至世界均面临着能源结构的战略性调整，大规模开发和利用新能源势在必行。近年来，随着分布式电源的快速发展，直流负荷的日益增加，储能技术的不断发展，以及直流电网自身所具备的传输容量大、线损低、可靠性高等优势，直流电网重新受到了人们的关注，是未来电网的重要发展方向。 [0003] 基于电力电子技术的柔性直流系统由于其功率的独立控制、无换向失败等优点，成为了直流电网发展的主流趋势。MMC作为一种新型的输电技术，换流站桥臂的拓扑结构采用了子模块级联，具有对开关器件一直触发的动态均压要求大幅降低、电压等级容易拓展、输出电压电流谐波含量低波形品质高、开关频率和运行损耗低、可向无源网络供电等诸多优点，在城市配电网增容、大规模风电场并网、电力交易、电网互联、提高电能质量等方面都有着巨大的市场应用价值。 [0004] 直流电网有诸多优点，但该领域是全新的研究领域，没有相关工程经验，其发展面临很多问题，其中最亟待解决的问题是直流电网如何处理直流故障。相较于传统的交流系统，由于直流系统的阻尼相对较小，响应时间常数比交流电网小得多，系统故障传播速度更快，系统控制响应时间要求更短，继电保护方法设计难度更大。针对直流侧的瞬时性故障可以采用反向并联的双晶闸管结构，但是对于永久性故障仍然需要依靠交流侧的断路器来进行隔离，但是该方法动作速度慢，系统恢复时间长，这在一定程度上限制了MMC向多端直流输电系统以及直流电网领域的发展和应用；而且现在直流电网为了保证电网的稳定运行，需要许多核心设备，如直流断路器（DCCB）、DC/DC变换器、潮流控制器（DC-PFC）等，这些设备的成本很高，大大增加了直流电网的造价，制约了直流电网的发展，因此，基于上述几点，可以看出，目前直流电网的发展依然面临很多问题。 [0005] 本发明所提出的由混合电压源型换流站构成的无直流耦合型直流电网拓扑是一种能够实现无需闭锁穿越直流故障的拓扑结构，具有抑制直流故障的特点，并且可实现直流断路器（DCCB）、DC/DC变换器和潮流控制器(DC-PFC)的功能，具有很好的工程应用前景。 发明内容[0006] 本发明是一种由混合电压源型换流站构成的无直流耦合型直流电网拓扑，为一种可实现直流电网无闭锁穿越直流故障的新型拓扑。 [0007] 本发明的目的在于克服现有直流电网中的直流侧短路故障而提供一种无直流耦合型直流电网拓扑。 [0008] 本发明的技术方案是：本发明提出的由混合电压源型换流站构成的无直流耦合型直流电网拓扑结构包括包含有n个交流系统AC1、AC2至ACn，n个多绕组变压器T1、T2至Tn，其中n个交流系统与n个多绕组变压器的原边相连，多绕组变压器的副边侧连接混合电压源型换流站，整个系统中包含混合电压源型换流站若干个，在每条线路的两侧分别是2个混合电压源型换流站，其中混合电压源型换流站的命名原则为x_y，表示连接Tx和Ty并且位于Tx侧的换流站。 [0009] 其中为了考虑到后期直流电网潮流反转，潮流重新规划等原因，本发明中的部分交流系统通过交流系统相连，如图1中的虚线表示的线路所示，具体不同交流系统之间是否需要交流线路相连和不同变压器副边侧是否需要通过换流站和直流系统相连取决于直流电网规划设计。 [0010] 本发明中的混合型MMC换流站为三相六桥臂结构，每个桥臂由桥臂电抗器L0、NF个全桥型子模块FBSM和NH个半桥型子模块HBSM串联组成，a相上桥臂中桥臂电抗器L0的一端与交流系统a相相连，另一端与串联而成的NF个全桥型子模块FBSM和NH个半桥型子模块HBSM相连，a相下桥臂，b相上、下桥臂，c相上、下桥臂连接方法类似，a、b、c三相的上桥臂串联而成的NF个全桥型子模块FBSM的另一端连接在一起构成混合型MMC换流站的正极P，a、b、c三相的下桥臂串联而成的NF个全桥型子模块FBSM的另一端连接在一起构成混合型MMC换流站的负极N，其中正负极分别连接直流电抗器Ldc；如上所述的全桥型子模块FBSM，其特征在于：包括四个全控型电力电子器件T1、T2、T3、T4，四个二极管D1、D2、D3、D4，一个电容C；全控型电力电子器件T1的集电极与二极管D1的负极相连，全控型电力电子器件T1的发射极与二极管D1的正极相连，即T1和D1反向并联，同理，T2和D2、T3和D3、T4和D4采用相同方式反向并联，T1的发射极与T3的集电极相连构成全桥型子模块FBSM的正极，T2的发射极与T4的集电极相连构成全桥型子模块的负极，T1的集电极与T2的集电极相连并于C的正极相连，T3的发射极与T4的发射极相连并于C的负相连；如上所述的半桥型子模块HBSM，其特征在于：包括两个全控型电力电子器件T1、T2，两个二极管D1、D2，一个电容C；全控型电力电子器件T1的集电极与二极管D1的负极相连，全控型电力电子器件T1的发射极与二极管D1的正极相连，即T1和D1反向并联，同理，T2和D2采用相同方式反向并联，T1的发射极与T2的集电极相连构成半桥型子模块HBSM的正极，T2的发射极与电容C的负极相连构成半桥型子模块的负极，T1的集电极与C的正极相连；如上所述的NF个全桥型子模块FBSM的串联结构，其特征在于：a、b、c三相的上桥臂串联而成的NF个全桥型子模块FBSM中的NF个全桥型子模块的正负极依次相连，权利要求3、4所述的NH个半桥型子模块HBSM的串联结构与全桥型子模块相同，最后两个串联结构和桥臂电抗器L0串联组成一个桥臂。 [0011] 本发明所述的桥臂交替导通换流器AAC为三相六桥臂结构，每个桥臂由NF个全桥型子模块FBSM和N0个带反并联二极管的IGBT串联组成，a相上桥臂中串联而成的NF个全桥型子模块FBSM与交流系统a相相连，FBSM的另一端和N0个带反并联二极管的IGBT相连，a相下桥臂，b相上、下桥臂，c相上、下桥臂连接方法类似，a、b、c三相的上桥臂串联而成的NF个全桥型子模块FBSM和N0个带反并联二极管的IGBT的另一端连接在一起构成换流站的正极P，a、b、c三相的下桥臂串联而成的NF个全桥型子模块FBSM和N0个带反并联二极管的IGBT的另一端连接在一起构成换流站的负极N，其中正负极分别连接直流电抗器Ldc；如上所述的带反并联二极管的IGBT，其特征在于：包括一个全控型电力电子器件T2，一个二极管D；全控型电力电子器件T与二极管D反并联；如上所述的NF个全桥型子模块FBSM的串联结构，其特征在于：a、b、c三相的上桥臂串联而成的NF个全桥型子模块FBSM中的NF个全桥型子模块的正负极依次相连。 [0012] 本发明充分利用了混合型MMC和桥臂交替导通换流器AAC可实现无闭锁穿越直流故障和交直流侧电压解耦的能力，当线路上发生直流故障时，线路两侧的混合型MMC换流站可以实现故障线路的直流故障处理，并且换流器无需闭锁，因此其余线路的换流站可以正常工作，因此可以实现直流侧各换流站之间的解耦运行，使得由此拓扑组成的直流电网为无直流耦合型直流电网。附图说明 [0014] 图1为本发明的由混合MMC构成的无直流耦合型直流电网拓扑结构图。 [0015] 图2为混合型MMC拓扑结构图。 [0016] 图3为全桥型子模块结构图。 [0017] 图4为半桥型子模块结构图。 [0018] 图5为桥臂交替导通换流器AAC拓扑图。 具体实施方式[0019] 实施例1：直流断路器（DCCB）由于混合型MMC可实现无闭锁穿越直流故障，所以当直流线路中发生直流故障时，由于混合型MMC的存在，可以将其当作DCCB，例如1_2和2_1换流站间发生直流侧双极短路故障，原先的MMC换流站均需闭锁停运，但是对于混合型MMC而言，由于其FBSM具备负电平输出能力，所以可以在发生直流侧双极短路故障时实现无闭锁穿越直流故障，而且不影响其他换流站的正常运行，如图中1_k和1_n均可在1_2和2_1换流站间发生直流侧双极短路故障时正常运行，并且1_2和2_1换流站可作为STATCOM运行进行无功补偿。 [0020]实施例2：DC/DC变换器 对于直流电网中的一端，其中以图1中的交流系统AC1、多绕组变压器T1、和换流站1_2~ 1_n构成，其中换流站1_2 1_n由于其为混合型MMC，属于电压源型换流器，可采用定直流电~ 压控制，而且不同站之间的直流电压值可以不同，所以可以实现直流电压变换的功能，另外可以看出，换流站1_2、多绕组变压器T1和换流站1_k可组成DC-AC-DC的结构，与现有DC/DC变换器结构一致，所以本发明所提出的由混合MMC构成的无直流耦合直流电网具备直流变压功能，即可作为DC/DC变换器运行。 [0021]实施例3：潮流控制器(DC-PFC) 与DC/DC变换器案例一样，由于直流电网中的换流站均采用电压源型换流站，其除了具备定直流电压的能力外，还具备定有功功率的能力，如1_2和2_1两换流站，在正常运行时，一端采用定直流电压控制，另一端采用定有功功率控制，这样既可以实现不同站之间的直流电压值得不同，也可以实现每条线路上潮流的控制，因此该拓扑具备潮流控制器的功能。 |
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