CN104795834A - 一种混合直流输电拓扑结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合直流输电拓扑结构及控制方法，所述混合直流输电拓扑结构包括：第一换流站由两组晶闸管换流器串联组成；第二换流站由两组电压源型换流器串联组成；第一换流站或第二换流站或第一换流站和第二换流站中换流器串联后的正负两端的同一个位置分别装有一个开关元件，同时在正负两端同一位置再分别通过一个开关元件并联交叉接线到对端。所述控制方法包括：降低直流系统的直流功率；并将直流电流降至零；改变开关元件的状态，反转直流系统的电压极性；在直流电压极性反转后两极形成一个整体运行，或两端换流站的串联换流器交叉形成新的两极直流运行。本发明系统兼具传统直流造价低以及柔性直流控制灵活等优点。

Description

一种混合直流输电拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明涉及混合直流输电领域，尤其涉及一种混合直流输电拓扑结构及控制方法。

背景技术

高压直流输电系统可分为两种类型：基于晶闸管技术的传统直流输电系统(LCC-HVDC)；基于全控型电力电子器件技术的柔性直流输电系统(Flexible-HVDC)。传统直流输电系统(LCC-HVDC)成本低，损耗小，运行技术成熟，目前，世界上正在运行的直流输电系统绝大部分都是LCC-HVDC系统，但传统直流输电系统(LCC-HVDC)存在逆变侧易换相失败，对交流系统的依赖性强,吸收大量无功，换流站占地面积大等缺点。而新一代的柔性直流输电系统(Flexible-HVDC)则具有能够实现有功功率及无功功率解耦控制、可以向无源网络供电、结构紧凑占地面积小、不存在换相失败故障等优点，但也存在成本高昂，无法有效的处理直流侧故障等缺陷。因此结合传统直流输电和柔性直流输电的混合直流输电将具有工程应用前景。本发明涉及的混合直流输电系统一端为基于晶闸管技术的LCC-HVDC，一端为全控型电力电子器件构成的电压源型换流器，目前混合两端直流输电系统的拓扑结构主要有如图1所示的对称单极接线的混合两端直流输电系统和图2所示的对称双极接线的混合两端直流输电系统，图1或图2中的电压源型换流器与LCC-HVDC的位置可以互换。该系统结合了传统直流输电损耗小、运行技术成熟以及柔性直流输电可以向无源网络供电、不会发生换相失败的优点，但也存在潮流方向不能改变的缺点。

实际运行中随着电网装机容量,电网负荷以及上网电价的变化,可能会频繁进行直流功率的反转以便将电力潮流方向由一个电网改变到另一个电网。高压直流输电系统均是由两端或多端换流器站及直流输电线路组成，其中将交流电转换为直流电的换流器称为整流器，而将直流电转换为交流电的换流器称为逆变器。一般将直流输电输送功率方向的变化称为潮流反转，也称为功率反送。当发生潮流反转时，两端的换流站的运行工况会发生变化，即原来的整流站将变为逆变运行，而原来的逆变站则变为整流状态。由于传统直流的换流器均采用晶闸管换流器，电流方向不能改变，潮流反转时只能改变电压极性，而电压源型换流器潮流反转时只能改变直流电流方向、不能改变直流电压极性，因此混合两端直流输电 系统的潮流一般不能改变，如果需要改变一般需要加装相关开关元件，改变电压源型换流器的极性，目前一般是在每个电压源型换流器端均加装相应开关元件以达到改变其电压极性的目的，如图2所示，在VSC换流器1正负两端加装开关元件S1，S2，S3，S4；在VSC换流器2正负两端加装开关元件S5，S6，S7，S8，这样对于双极直流输电系统就增加了系统投资成本。此外，目前也有方法提出通过采用拓扑结构较为复杂的电压源型换流器,通过相关的控制策略来实现电压源型换流器两端电压极性的反转，这样不仅成本增加,而且控制复杂,降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的：在于提供一种混合直流输电拓扑结构及其控制方法，结合了基于晶闸管换流器和基于电压源型换流器的直流输电拓扑的优点，在减少系统开关元件的同时可较为容易的实现双极直流的潮流反转，同时可有效减小潮流反转过程中对互联交流电网的影响。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：

第一换流站由两组晶闸管换流器串联组成，其串联节点连接接地极或金属中线；

第二换流站由两组电压源型换流器串联组成，其串联节点连接接地极或金属中线；

第一换流站或第二换流站或第一换流站和第二换流站中换流器串联后的正负两端的同一个位置分别装有一个开关元件(S1,S4)，同时在正负两端同一位置再分别通过一个开关元件(S2、S3)并联交叉接线到对端。

上述方案中：第一换流站中装设有平波电抗器与直流滤波器。

上述方案中：第一换流站和第二换流站通过第一输电线路和第二输电线路连接，或通过第一输电线路，第二输电线路和第三金属中性线路连接。

上述方案中：所述晶闸管换流器为六脉动桥式电路，或者十二脉动桥式电路，或者双十二脉动桥式电路；所述电压源型换流器为两电平换流器，或三电平换流器，或模块化多电平换流器MMC，或混合多电平换流器HMC或级联式两电平换流器CTL。

上述方案中：所述开关元件是指隔离刀闸或直流断路器或隔离刀闸与直流断 路器两者的组合。

上述方案中：在两组电压源型换流器串联后的正负两端均安装有平波电抗器，所述安装在正负两端同一个位置的开关元件(S1,S4)安装在平波电抗器与换流器之间，或者安装在直流输电线路与平波电抗器之间。

另外本发明还提供一种混合直流输电拓扑结构的控制方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤一：降低两极直流输电系统的直流功率；

步骤二：将两极直流输电系统的直流电流降至零；

步骤三：等待t1分钟后，断开正负两端的开关元件(S1,S4)，同时闭合并联交叉接线到对端的开关元件(S2，S3)，反转两极直流输电系统的直流电压极性；或者断开并联交叉接线到对端的开关元件(S2，S3)，同时闭合正负两端的开关元件(S1,S4)，反转两极直流输电系统的直流电压极性，t1取值范围：0～60；

步骤四：两极直流输电系统的直流电压极性反转后两极形成一个整体运行，或者两端换流站的串联换流器交叉形成新的两极直流运行。

上述方案中：所述两端换流站的串联换流器交叉形成新的两极直流运行是指在直流电压极性反转前连接正极线的晶闸管换流器与在直流电压极性反转前连接负极线的电压源型换流器形成新的运行极，在直流电压极性反转前连接负极线的晶闸管换流器与在直流电压极性反转前连接正极线的电压源型换流器形成新的运行极。

上述方案中：在操作系统直流电压极性反转前需断开电压源型换流器所连变压器一次侧交流断路器；或者不需断开电压源型换流器所连变压器一次侧交流断路器。

上述方案中：潮流反转后两端换流站的控制模式发生改变；或者维持原控制模式不变。

本发明的有益效果：

1.本发明的拓扑结构兼具传统晶闸管换流器造价低、损耗低、可靠性强等优点，以及电压源型换流器控制灵活、有功功率与无功功率解耦控制、对交流系统依赖性低等优点；系统分为正负两极加强了直流系统运行的可靠性，并具备潮流反送功能。适用于大功率、长距离高压直流输电、孤岛送电等场合。

2.采用本发明的潮流反转方法可以在减少开关元件投资，不增加设备耐压， 通流能力的同时较为容易的实现双极直流的潮流反转，同时可有效减小潮流反转过程中对互联交流电网的影响。

附图说明

图1是对称单极接线的混合两端直流输电系统示意图。

图2是对称双极接线的混合两端直流输电系统示意图。

图3是本发明的一种送端为晶闸管换流器，受端为电压源型换流器构成的高压双极直流输电结构图，其中受端换流站装有切换开关元件。

图4是本发明的一种送端为电压源型换流器，受端为晶闸管换流器构成的高压双极直流输电结构图，其中送端换流站装有切换开关元件。

图5是本发明的一种送端为晶闸管换流器，受端为电压源型换流器构成的高压双极直流输电结构图，其中两端换流站均装有切换开关元件。

图6是本发明的一种送端为电压源型换流器，受端为晶闸管换流器构成的高压双极直流输电结构图，其中两端换流站均装有切换开关元件。

图7是本发明中潮流反转过程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供了一种混合直流输电拓扑结构及潮流反转控制方法，同时适用于如图3，图4，图5和图6所示的混合直流输电拓扑结构。下面以图3所示拓扑结构为例进行说明，如图3所示的混合直流输电拓扑结构包括：整流换流站和逆变换流站，两者通过两条直流输电线路相连；其中：整流换流站用于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电后通过直流输电线路传送给逆变换流站；送端交流电网进站的母线上可能连接有无源滤波器，也可能没有,需根据系统工程条件来确定,在换流器由晶闸管换流器组成时，一般需要装设无源滤波器，有时还需要装设无功补偿电容器。整流换流站由两组晶闸管换流器串联组成，其串联节点连接接地极，串联后的正负两端均通过平波电抗器与直流输电线路相连接；同时在直流线路与大地之间装设有直流滤波器。

晶闸管换流器采用十二脉动桥式电路；其中，每个桥臂均由若干个晶闸管串联构成；晶闸管换流器采用定直流电流控制策略控制。晶闸管换流器通过一台接线方式分别为Y0/Y/Δ的三绕组变压器与送端交流电网连接，且变压器一次侧分别装设有交流断路器Sa和Sb。变压器能够对送端交流系统的三相交流电进行 电压等级变换，以适应所需的直流电压等级，变压器副边接线方式的不同为十二脉动桥式晶闸管换流器的上下两个六脉动换流桥提供相角差为30°的三相交流电，以减少流入电网的谐波电流。

逆变换流站用于将直流电转换为三相交流电后输送给受端交流电网。逆变换流站由两组电压源型换流器串联组成，其串联节点连接接地极，串联后的正负两端直流线路的同一个位置分别装有一个开关元件S1,S4，同时在正负两端直流线路同一位置再分别通过一个开关元件S2、S3并联交叉接线到对端直流线路上；开关元件S1,S4既可以安装在平波电抗器与换流器之间，也可以安装在直流输电线路与平波电抗器之间，而开关元件S2、S3也需与之对应。图3中所示开关元件S1,S4安装在直流输电线路与平波电抗器之间，在开关元件S1与平波电抗器之间通过开关元件S2连接到开关元件S4靠近直流线路侧，在开关元件S4与平波电抗器之间通过开关元件S3连接到开关元件S1靠近直流线路侧。电压源型换流器通过一台接线方式为Y0/Δ的双绕组变压器与受端交流电网连接，在变压器一次侧分别装设有交流断路器Sc和Sd，电压源型换流器采用定直流电压和定无功功率控制策略控制。

本实施例在正向输送功率工作时，正极系统与负极系统的整流侧晶闸管换流器通过控制晶闸管触发角的大小来调整直流侧电流的大小，同时通过控制换流变压器的档位，使得触发角在一定范围，通过整流换流站将三相交流电转变为直流电；逆变侧开关元件S1与S4处于合位，直流电能在逆变侧正极系统与负极系统的电压源型换流器的作用下将转化为三相交流电能并注入受端交流系统，其能够实现有功功率与无功功率的解耦控制，灵活控制输入到交流电网的有功功率以及无功功率。

随着电网的发展或由于紧急功率控制的需要，由晶闸管换流器所连接的交流电网向电压源型换流器所连接的交流电网输送功率将变为由电压源型换流器所连接的交流电网向晶闸管换流器所连接的交流电网输送功率，潮流反转有以下2种情形：

实施例1:整个潮流反转过程如示意图7所示，

具体包括如下步骤：

(1)获取自动潮流反转启动信号；

(2)以一定速率降低正负两极直流功率，直至两极直流电流降至最小电流；

(3)在两极直流电流降至最小电流后,发出降压命令,同时将电压参考值的标幺值修改为k1，k1的取值范围为0～1；

(4)在两极直流电压降至电压参考值时，将一极直流电流降至零停运；

(5)在一极直流停运后，等待0～60分钟，将另一极直流电流降至零停运；

(6)在两极直流均停运后，将电压源型换流器所连变压器一次侧的交流断路器Sc,Sd断开，在交流断路器Sc,Sd断开后，断开正负两端直流线路上的开关元件S1，S4，在开关元件S1，S4均断开后，等待0～60分钟，合上开关元件S2，S3，最后重新合上交流断路器Sc,Sd；此时原来连接正极线的晶闸管换流器与原来连接负极线的电压源型换流器形成新的运行极，原来连接负极线的晶闸管换流器与原来连接正极线的电压源型换流器形成新的运行极，两个新形成的运行极电压极性反向并启动其中一个运行极；

(7)在一极直流启动后，等待0～60分钟，另一极直流启动；

(8)在两极直流均启动后，等待0～60分钟，发出全压运行命令或者将电压参考值的标幺值修改为k2,k2的取值范围为0～1，且k2＞k1；

(9)在两极直流电压升至全压或电压参考值，两极直流功率升至设定功率值时，潮流反转过程完成。

实施例2：当负极直流停运，检修电压源型换流器所在换流站内相关设备，仅正极直流运行时其潮流反转过程如下：

(1)获取自动潮流反转启动信号；

(2)以一定速率降低正极直流功率,直至正极直流电流降至最小电流；

(3)在正极直流电流降至最小电流后,发出降压命令,同时将电压参考值的标幺值修改为k3，k3的取值范围为0～1；

(4)在正极直流电压降至电压参考值时，停运正极直流；

(5)在正极直流停运后，将电压源型换流器所连变压器一次侧的交流断路器Sc断开，在交流断路器Sc断开后，断开正负两端直流线路上的开关元件S1，S4，在开关元件S1，S4均断开后，等待0～60分钟，合上开关元件S2，最后重新合上交流断路器Sc；此时原来连接负极线的晶闸管换流器与原来连接正极线的电压源型换流器形成新的运行极，新形成的运行极电压极性反向并启动直流；

(6)在直流启动后，等待0～60分钟，发出全压运行命令或者将电压参考值的标幺值修改为k4,k4的取值范围为0～1，且k4＞k3；

(7)在直流电压升至全压或电压参考值，直流功率升至设定功率值时，功率反转过程完成。

实施例3:由电压源型换流器所连接的交流电网向晶闸管换流器所连接的交流电网输送功率需变为由晶闸管换流器所连接的交流电网向电压源型换流器所连接的交流电网输送功率，整个潮流反转过程具体包括如下步骤：

(1)获取自动潮流反转启动信号；

(2)以一定速率降低正负两极直流功率,直至两极直流电流降至最小电流；

(3)在两极直流电流降至最小电流后，将一极直流电流降至零停运；

(4)在一极直流停运后，等待0～60分钟，将另一极直流电流降至零停运；

(5)在两极直流均停运后，将电压源型换流器所连变压器一次侧的交流断路器Sc,Sd断开，在交流断路器Sc,Sd断开后，断开开关元件S2，S3，在开关元件S2，S3均断开后，等待0～60分钟，合上正负两端直流线路上的开关元件S1，S4，最后重新合上交流断路器Sc,Sd；此时原来连接正极线的晶闸管换流器与原来连接负极线的电压源型换流器形成新的运行极，原来连接负极线的晶闸管换流器与原来连接正极线的电压源型换流器形成新的运行极，两个新形成的运行极电压极性反向并启动其中一个运行极；

(6)在一极直流启动后，等待0～60分钟，另一极直流启动；

(7)在两极直流均启动后,两极直流功率以一定速率升至设定功率值，潮流反转过程完成。

上述潮流反转方案中：潮流反转功能启动信号是指由运行人员操作潮流反转功能所触发的启动；或由调度人员远程操作潮流反转功能所引起的启动；或由其他控制保护功能触发的启动。

上述潮流反转方案中：在潮流自动反转过程中，潮流自动反转功能可以被终止，潮流自动反转功能被终止后直流系统将保持终止时刻前的功率水平不变。

上述潮流反转方案中：潮流反转后两端换流站的控制模式发生改变；或者维持原控制模式不变。

上述潮流反转方案中：潮流自动反转过程中，交流滤波器既可按照直流正常启停的无功控制逻辑投切，也可以保持已投入的滤波器的运行状态不变，不进行投切操作，运行人员可通过投退功能压板整定选择。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：

第一换流站由两组晶闸管换流器串联组成，其串联节点连接接地极或金属中线；

第二换流站由两组电压源型换流器串联组成，其串联节点连接接地极或金属中线；

第一换流站或第二换流站或第一换流站和第二换流站中换流器串联后的正负两端的同一个位置分别装有一个开关元件(S1,S4)，同时在正负两端同一位置再分别通过一个开关元件(S2、S3)并联交叉接线到对端。

2.如权利要求1所述的一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：第一换流站中装设有平波电抗器与直流滤波器。

3.如权利要求1所述的一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：第一换流站和第二换流站通过第一输电线路和第二输电线路连接，或通过第一输电线路，第二输电线路和第三金属中性线路连接。

4.如权利要求1所述的一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：所述晶闸管换流器为六脉动桥式电路，或者十二脉动桥式电路，或者双十二脉动桥式电路；所述电压源型换流器为两电平换流器，或三电平换流器，或模块化多电平换流器MMC，或混合多电平换流器HMC或级联式两电平换流器CTL。

5.如权利要求1所述的一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：所述开关元件是指隔离刀闸或直流断路器或隔离刀闸与直流断路器两者的组合。

6.如权利要求1所述的一种混合直流输电拓扑结构，其特征在于：在两组电压源型换流器串联后的正负两端均安装有平波电抗器，所述安装在正负两端同一个位置的开关元件(S1,S4)安装在平波电抗器与换流器之间，或者安装在直流输电线路与平波电抗器之间。

7.一种混合直流输电拓扑结构的控制方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤一：降低两极直流输电系统的直流功率；

步骤二：将两极直流输电系统的直流电流降至零；

步骤三：等待t1分钟后，断开正负两端的开关元件(S1,S4)，同时闭合并联交叉接线到对端的开关元件(S2，S3)，反转两极直流输电系统的直流电压极性；或者断开并联交叉接线到对端的开关元件(S2，S3)，同时闭合正负两端的开关元件(S1,S4)，反转两极直流输电系统的直流电压极性，t1取值范围：0～60；

步骤四：两极直流输电系统的直流电压极性反转后两极形成一个整体运行，或者两端换流站的串联换流器交叉形成新的两极直流运行。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述两端换流站的串联换流器交叉形成新的两极直流运行是指在直流电压极性反转前连接正极线的晶闸管换流器与在直流电压极性反转前连接负极线的电压源型换流器形成新的运行极，在直流电压极性反转前连接负极线的晶闸管换流器与在直流电压极性反转前连接正极线的电压源型换流器形成新的运行极。

9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：在操作系统直流电压极性反转前需断开电压源型换流器所连变压器一次侧交流断路器；或者不需断开电压源型换流器所连变压器一次侧交流断路器。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于：潮流反转后两端换流站的控制模式发生改变；或者维持原控制模式不变。