緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)三極直流功率傳輸，包括依次連接的整流側(cè)子系統(tǒng)、直流線路和逆變側(cè)子系統(tǒng)，所述的直流線路包括三根導(dǎo)線，分別為極1直流線路、極2直流線路和極3直流線路；所述的整流側(cè)子系統(tǒng)和逆變側(cè)子系統(tǒng)均包括一個換流變壓器和一個換流器，所述的換流器為四相八橋臂模塊化多電平換流器，該換流器的一、二、三相中點分別與換流變壓器繞組副邊相連，第四相中點通過平波電抗器與極3直流線路相連，換流器的正極通過平波電抗器與極1直流線路相連，負極通過平波電抗器與極2直流線路相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有換流站占地面積小、總體改造成本低等優(yōu)點。
【專利說明】緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及直流輸電技術(shù)，尤其是涉及一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，電力需求矛盾日益突出。一方面電力負荷的增長超出了原有交流輸電線路的傳輸能力，而受土地資源限制，很難獲得新的輸電走廊；另一方面，傳統(tǒng)交流輸電受絕緣、交流電網(wǎng)特性限制，線路輸送功率很少達到導(dǎo)線所能承受的最大熱功率，因此需要采用新技術(shù)進一步挖掘現(xiàn)有線路的輸電潛力。
[0003]與交流輸電相比較，采用直流輸電，線路電流可以達到導(dǎo)線所能承受的最大熱極限。2004年，Barthold L O在專利US6714427B1中提出一種采用直流電流調(diào)制，將交流輸電線路轉(zhuǎn)化為直流輸電線路的三極直流輸電技術(shù)。在對交流線路改造成直流輸電線路的各種轉(zhuǎn)換方案中，由于三極直流輸電方案可以充分利用原有的交流三相線路，因此相對于雙極和單極直流輸電改造方案，三極直流輸電方案在提高輸電能力、經(jīng)濟成本和可靠性等方面上具有優(yōu)勢。目前利用三極直流輸電技術(shù)將交流線路改造成直流輸電線路處在原理性研究階段，尚無工程應(yīng)用實例。
[0004]圖1為Barthold L O提出的基于常規(guī)LCC-HVDC的三極直流輸電主回路圖，由圖所示，極1、極2為常規(guī)LCC-HVDC雙極輸電系統(tǒng)，極3為具有雙向?qū)芰Φ膯螛O輸電系統(tǒng)，其電壓極性和電流方向都可以快速改變。由于LCC-HVDC采用半控型晶閘管，因此圖1中的三極直流輸電方案存 在以下缺點:
[0005]I)如逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障將引起直流三個極同時發(fā)生換相失敗，導(dǎo)致直流線路輸送功率中斷，對受端系統(tǒng)安全穩(wěn)定構(gòu)成威脅。
[0006]2)在三極直流系統(tǒng)運行過程中，各極電流大小以及極3電壓極性和電流方向都需要按一定周期快速改變，勢必對兩端交流系統(tǒng)產(chǎn)生擾動。
[0007]3)由于每條線路都配置了一個完整的極，因此需要增加的換流變壓器、交流濾波和無功補償裝置、12脈動換流器以及相應(yīng)輔助設(shè)備較多，造成改造成本較高、新增的換流站占地面積較大的缺點，尤其不利于對換流站占地面積要求特別嚴(yán)格的大城市供電系統(tǒng)中交流線路改造成直流線路工程的實施。
[0008]近年來，采用全控型電力電子器件IGBT的柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展很快，與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)相比，具有不需要電網(wǎng)換相電壓支撐，可向無源網(wǎng)絡(luò)供電；不存在換相失敗；可實現(xiàn)有功功率、無功功率獨立控制；無需交流濾波和無功補償裝置等優(yōu)點。從所采用的換流器結(jié)構(gòu)來區(qū)別，柔性直流輸電系統(tǒng)主要包括兩電平換流器、三電平換流器和模塊化多電平換流器(MMC)結(jié)構(gòu)，其中基于模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)除了具有柔性直流輸電通用優(yōu)點外，還具有開關(guān)頻率低、損耗小、易擴展、輸出波形質(zhì)量高、制造難度低等特點，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0009]為了解決基于常規(guī)LCC-HVDC的三極直流輸電存在的問題，降低新建換流站面積，提高交流線路改直流線路方案的經(jīng)濟性，提出一種基于四相八橋臂模塊化多電平換流器的緊湊型三極直流輸電系統(tǒng)，可以很好的滿足城市供電系統(tǒng)中交流線路改造成直流輸電線路提高輸電容量的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，解決基于LCC-HVDC的三極直流輸電的缺點，滿足土地資源緊張的城市供電系統(tǒng)中交流線路改造成直流輸電線路需要。
[0011]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0012]一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)三極直流功率傳輸，包括依次連接的整流側(cè)子系統(tǒng)、直流線路和逆變側(cè)子系統(tǒng)，所述的直流線路包括三根導(dǎo)線，分別為極I直流線路、極2直流線路和極3直流線路；
[0013]所述的整流側(cè)子系統(tǒng)和逆變側(cè)子系統(tǒng)均包括一個換流變壓器和一個換流器，所述的換流器為四相八橋臂模塊化多電平換流器，該換流器的一、二、三相中點分別與換流變壓器繞組副邊相連，第四相中點通過平波電抗器與極3直流線路相連，換流器的正極通過平波電抗器與極I直流線路相連，負極通過平波電抗器與極2直流線路相連。
[0014]所述的四相八橋臂模塊化多電平換流器包括八個橋臂，每個橋臂由一個橋臂電抗器和至少一個子模塊串聯(lián)而成，每兩個橋臂的橋臂電抗器相連接，構(gòu)成一個相單元。
[0015]所述的子模塊的數(shù)量根據(jù)電壓等級和電流的需要確定。
[0016]所述的直流線路為電纜或架空線路。
[0017]若直流線路為電纜，則所述的子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個IGBT、一個電容和兩個
二極管。
[0018]若直流線路為架空線路，則所述的子模塊由兩個箝位雙子模塊串聯(lián)形成，每個箝位雙子模塊由第一等效半橋單元、第二等效半橋單元經(jīng)過兩個箝位二極管和一個帶反并聯(lián)二極管的引導(dǎo)IGBT串并聯(lián)構(gòu)成；
[0019]所述的第一等效半橋單元、第二等效半橋單元均分別包括兩個IGBT、一個電容和
兩個二極管。
[0020]該輸電系統(tǒng)運行時，極I直流線路和極2直流線路的直流電壓極性和直流電流方向恒定不變，電流定值在最大值和最小值之間周期性調(diào)制；
[0021]極3直流線路的直流電壓極性及直流電流大小和方向可變，其直流電流定值為另外極I直流線路和極2直流線路的直流電流定值之差，直流電壓跟隨直流電流方向變化呈現(xiàn)周期性的反轉(zhuǎn)。
[0022]通過對換流器的第四相橋臂各子模塊中IGBT的觸發(fā)進行控制，改變換流器第四相橋臂中點電位，實現(xiàn)極3直流線路的直流電壓極性及直流電流大小和方向可變。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以滿足交流線路改造成直流輸電線路需要，除了具有MMC-HVDC不會發(fā)生換相失敗、可以穩(wěn)定兩側(cè)交流系統(tǒng)電壓、無需交流濾波和無功補償裝置等特點外，在常規(guī)雙極MMC-HVDC三相六橋臂結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一相橋臂支路，實現(xiàn)三根導(dǎo)線傳輸功率，與常規(guī)雙極MMC-HVDC相比，換流變數(shù)目不變，換流閥數(shù)量的只增加1/3，因此本發(fā)明提出的方案具有換流站占地面積小、總體改造成本低的優(yōu)點，特別適用于土地資源緊張的城市供電系統(tǒng)中交流線路改造成直流輸電線路增容工程的實施，具有很好的工程應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有的三極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為典型三相六橋臂模塊化多電平換流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；
[0026]圖3為本發(fā)明提出的緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖；
[0027]圖4為適用于電纜的模塊化多電平換流器的子模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0028]圖5為適用于架空線路的模塊化多電平換流器的子模塊結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0030]實施例1
[0031]圖2所示為一典型的三相六橋臂MMC結(jié)構(gòu)圖，在圖2MMC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一相橋臂形成四相八橋臂的換流器，在整流站和逆變站各配置一個四相八橋臂的換流器與三根直流線路相連即可實現(xiàn)三極直流輸電，具體方案如下:
[0032]如圖3所示，一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)三極直流功率傳輸，包括依次連接的整流側(cè)子系統(tǒng)A、直流線路和逆變側(cè)子系統(tǒng)B，直流線路包括三根導(dǎo)線，分別為極I直流線路、極2直流線路和極3直流線路；整流側(cè)子系統(tǒng)A和逆變側(cè)子系統(tǒng)B均包括一個換流變壓器a和一個換流器b，換流器b為四相八橋臂模塊化多電平換流器(MMC)，該換流器b的一、二、三相中點分別與換流變壓器a繞組副邊相連，第四相中點通過平波電抗器c與極3直流線路相連，換流器b的正極通過平波電抗器c與極I直流線路相連，負極通過平波電抗器c與極2直流線路相連。其中，整流側(cè)子系統(tǒng)A的換流變壓器a用于將送端交流系統(tǒng)提供的三相交流電進行電壓等級變換，換流器b用于將電壓等級變換后的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電；逆變側(cè)子系統(tǒng)B的換流器b用于將平抑后的直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，換流變壓器a用于將多電平換流器轉(zhuǎn)換成的三相交流電進行電壓等級變換，以輸送給受端交流系統(tǒng)；平波電抗器c用于平抑所述的直流電中的紋波。
[0033]本發(fā)明的四相八橋臂模塊化多電平換流器包括八個橋臂，每個橋臂由一個橋臂電抗器和至少一個子模塊SM串聯(lián)而成，每兩個橋臂的橋臂電抗器相連接，構(gòu)成一個相單元。其中，子模塊的數(shù)量根據(jù)電壓等級和電流的需要確定。
[0034]該輸電系統(tǒng)運行時，極I直流線路和極2直流線路的直流電壓極性和直流電流方向恒定不變，電流定值在最大值和最小值之間周期性調(diào)制，通過改變電流定值最大值和最小值的比值大小，實現(xiàn)三極直流傳輸功率的控制；極3直流線路的直流電壓極性及直流電流大小和方向可變，其直流電流定值為另外極I直流線路和極2直流線路的直流電流定值之差，直流電壓跟隨直流電流方向變化呈現(xiàn)周期性的反轉(zhuǎn)。通過對換流器的第四相橋臂各子模塊中IGBT的觸發(fā)進行控制，改變換流器第四相橋臂中點電位，實現(xiàn)極3直流線路的直流電壓極性及直流電流大小和方向可變。
[0035]本實施例中，直流線路為電纜，子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個IGBT(T1、T2)、一個電容(C)和兩個二極管(Dl、D2)，所述兩個二極管的陽極分別連接兩個IGBT的源極，兩個二極管的陰極分別連接對應(yīng)IGBT的漏極；所述第一 IGBT的漏極經(jīng)由電容連接第二 IGBT的源極，而第一 IGBT的源極連接第二 IGBT的漏極，并與橋臂電抗器相串聯(lián)。
[0036]實施例2
[0037]本實施例與實施例1的區(qū)別在于，直流線路為架空線路，由于架空線路發(fā)生暫時性故障的概率較高，如采用跳開交流側(cè)開關(guān)來清除故障則停電時間較長，影響整個系統(tǒng)的可用率，因此需要通過換流器自身的控制來清除直流側(cè)的故障，為此所述模塊化多電平整流器的子模塊采用箝位雙子模塊結(jié)構(gòu)，包括兩個箝位子模塊。箝位子模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，每個箝位雙子模塊由第一等效半橋單元和第二等效半橋單元經(jīng)過箝位二極管D6、D7和帶反并聯(lián)二極管D5的引導(dǎo)IGBT(T5)串并聯(lián)構(gòu)成；第一個IGBT(TI)的集電極與第一個電容(Cl)的一端相連，第一個電容的另一端與第二個IGBT(T2)的發(fā)射極相連，構(gòu)成所述的第一個半橋單元；第三個IGBT(T3)的集電極與第二個電容(C2)的一端相連，第二個電容的另一端與第四個IGBT(T4)的發(fā)射極相連，構(gòu)成所述的第二個半橋單元，圖中所有的IGBT(Tl?T5)均反向并聯(lián)了續(xù)流二極管(DI?D7)。
[0038]以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，實現(xiàn)三極直流功率傳輸，其特征在于，包括依次連接的整流側(cè)子系統(tǒng)、直流線路和逆變側(cè)子系統(tǒng)，所述的直流線路包括三根導(dǎo)線，分別為極I直流線路、極2直流線路和極3直流線路； 所述的整流側(cè)子系統(tǒng)和逆變側(cè)子系統(tǒng)均包括一個換流變壓器和一個換流器，所述的換流器為四相八橋臂模塊化多電平換流器，該換流器的一、二、三相中點分別與換流變壓器繞組副邊相連，第四相中點通過平波電抗器與極3直流線路相連，換流器的正極通過平波電抗器與極I直流線路相連，負極通過平波電抗器與極2直流線路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述的四相八橋臂模塊化多電平換流器包括八個橋臂，每個橋臂由一個橋臂電抗器和至少一個子模塊串聯(lián)而成，每兩個橋臂的橋臂電抗器相連接，構(gòu)成一個相單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述的子模塊的數(shù)量根據(jù)電壓等級和電流的需要確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述的直流線路為電纜或架空線路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，若直流線路為電纜，則所述的子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個IGBT、一個電容和兩個二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，若直流線路為架空線路，則所述的子模塊由兩個箝位雙子模塊串聯(lián)形成，每個箝位雙子模塊由第一等效半橋單元、第二等效半橋單元經(jīng)過兩個箝位二極管和一個帶反并聯(lián)二極管的引導(dǎo)IGBT串并聯(lián)構(gòu)成； 所述的第一等效半橋單元、第二等效半橋單元均分別包括兩個IGBT、一個電容和兩個二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，該輸電系統(tǒng)運行時，極I直流線路和極2直流線路的直流電壓極性和直流電流方向恒定不變，電流定值在最大值和最小值之間周期性調(diào)制； 極3直流線路的直流電壓極性及直流電流大小和方向可變，其直流電流定值為另外極I直流線路和極2直流線路的直流電流定值之差，直流電壓跟隨直流電流方向變化呈現(xiàn)周期性的反轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，通過對換流器的第四相橋臂各子模塊中IGBT的觸發(fā)進行控制，改變換流器第四相橋臂中點電位，實現(xiàn)極3直流線路的直流電壓極性及直流電流大小和方向可變。
【文檔編號】H02M7/5387GK103972920SQ201410203417
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】胡銘, 王之浩, 田杰, 崔勇, 邵震霞, 焦鑫艷 申請人:國網(wǎng)上海市電力公司, 華東電力試驗研究院有限公司, 南京南瑞繼保電氣有限公司