CN102938560A - 一种基于双极式结构的直流换流站 - Google Patents

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徐政
薛英林
唐庚
刘昇
张哲任
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Abstract

本发明公开了一种基于双极式结构的直流换流站，由两个换流单元串联构成，其串联接点通过中性母线接地，换流单元由多个MMC串并联构成。本发明通过采用双极结构形式，直流故障时只影响故障的一极，而对健全极几乎没有影响，从而提高了***可靠性；同时本发明采用了中性母线引出接地，易于***分期建设和增容扩建，先投运单极再投运双极，有利于早日发挥投资效益；同时中性母线通过接地极引线接地为在单极大地回线运行方式下的***提供电流回流通路，平衡运行时接地电流很小。

Description

一种基于双极式结构的直流换流站
技术领域
本发明属于电力***换流技术领域，具体涉及一种基于双极式结构的直流换流站。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用子模块级联的形式，具有对器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点，是新一代电压源换流器拓扑结构的佼佼者。基于MMC的高压直流输电***(MMC-HVDC)在光伏、风电和潮汐等新能源并网，超大规模城市输配电，偏远海岛、孤立负荷和无源网络送电等场合比基于晶闸管的传统直流输电***有更强的竞争力，诸多优势如模块化设计安装简单方便，结构紧凑占地面积小，省去了交流滤波器，从根本上消除了换相失败。美国Transbay工程和中国上海南汇风电场并网示范工程的成功投运，以及国内外多个规划或筹建工程进一步验证了MMC-HVDC的应用价值和发展前景。
然而目前的MMC-HVDC***仍存在以下几方面不足和待改进之处：
一是接地方式设计、安装困难。现有技术主要有两种，一种是在MMC阀侧安装三相星形连接的电抗支路为换流站提供参考电位的技术，采用该技术的直流输电***如图1(a)所示，该技术电抗参数选择较为困难，并且极大影响了换流器本身无功功率运行范围。另外一种是直流侧大电阻箝位接地方式，采用该接地方式的直流输电***如图1(b)所示，但该接地方式与电阻参数选取密切相关，当电阻取得过小则稳态运行损耗较大，当电阻取得过大则整个***近似不接地，对***绝缘配合要求较高。
二是***运行可靠性较低。现有技术中均未明确指出在直流侧配置平波电抗器，因此需要增大桥臂电抗器参数来抑制直流侧故障电流上升率；并且只能运行在由单个电压源换流器构成双极运行的模式，一旦直流线路发生故障后就极易发生双极停运即整个***停运，***可靠性较低。
三是输送容量受限。由于全控型器件的通流能力较低，故所构成的直流***电流一般较低。为实现大容量功率输送的要求，需要增加桥臂子模块数目以提高其直流电压水平。尽管MMC理论上可以实现子模块无限级联，但输送容量会局限于换流变压器的容量，现有技术中采用单个MMC构成双极输电***的模式难以完成类似传统直流输电程度的高压大容量功率输送。
四是***设计、制造和安装的标准化程度仍然较低。当MMC每桥臂级联数目越多，其输出电压电流波形的谐波越小、品质越高，但当数目达到一定程度后，再增加子模块数量，对改善***谐波特性作用不大。此外当子模块数目过多对电容电压排序、测量等处理速度影响较大。并且尚未标准设计的完整概念，如在***容量、电压等级不同的工程应用场合，几乎所有相关内容(如控制器参数整定、测量与传感***、冷却***等)需要重新设计，对***设计、参数整定和设备制造都带来了极大的不便，不利于实现设备标准化制造生产，同时带来了设计、制造、装配、调试、运行与维护周期。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于双极式结构的直流换流站，采用双极结构形式，接地方式简便，***可靠性高，运行灵活，设计制造标准化、模块化。
一种基于双极式结构的直流换流站，包括：与交流电网连接的换流器，所述的换流器用于将交流电网上的交流电转换为直流电；
所述的换流器由两个换流单元组成；其中，正极换流单元的一端为换流器的正端，正极换流单元的另一端与负极换流单元的一端相连并通过中性母线接地，负极换流单元的另一端为换流器的负端。
所述的换流单元由若干个MMC串联或并联组成；或由若干条MMC支路并联组成，所述的MMC支路由若干个MMC串联组成，所述的MMC通过换流变压器与交流电网连接；能够适合在不同电压等级、不同容量下的直流输电。
优选地，所述的换流器的正负端均连接有平波电抗器；能够对直流电流中的纹波进行平抑，防止直流输电线路产生的陡波前冲击波进入换流站导致器件遭受过电压而损坏，同时避免电流断续。
优选地，所述的换流变压器的接线方式为Y0/Δ或Y0/Y；能够起到电压等级变换和隔离零序分量在换流器与交流***之间传递的作用。
优选地，所述的MMC为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂均由若干个换流模块串联组成，每个桥臂均通过电抗器与换流变压器对应的相端口连接；其输出的三相交流电具有很小的谐波含量，几乎不需任何滤波器，同时其结构特性大大降低了器件的开关频率，进而减少损耗，控制灵活。
进一步优选地，所述的换流模块为HBSM(半桥子模块)；所需半导体器件数量最少，稳态运行损耗小。
所述的HBSM由两个开关管T1～T2和一个电容C构成；其中，开关管T1的输出端与开关管T2的输入端相连并构成HBSM的一端，开关管T1的输入端和电容C的一端相连，开关管T2的输出端与电容C的另一端相连并构成HBSM的另一端；所述的开关管的控制端接收外部设备提供的开关信号。
所述的开关管为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。
本发明的工作原理为：交流电网的三相交流电经换流变压器电压等级变换，由正负极换流器内的MMC实现交流/直流变换，然后被电抗器平抑纹波后，通过直流输电线路输送到受端换流站。
本发明的有益技术效果：
(1)本发明采用双极结构形式，直流故障时只影响故障的一极，而对健全极几乎没有影响，从而提高了***可靠性。
(2)本发明换流器采用中性母线引出接地，易于***分期建设和增容扩建，先投运单极再投运双极，有利于早日发挥投资效益；同时中性母线通过接地极引线接地为在单极大地回线运行方式下的***提供电流回流通路，平衡运行时接地电流很小。
(3)本发明运行方式灵活，能够适合不同电压等级、不同容量下直流输电；可在双极平衡、双极不平衡、单极大地回线、单极金属回线等运行方式下运行，运行灵活多样。
(4)本发明将经过优选子模块数目后的MMC作为一个单元，以“搭积木”的形式实现直流输电***的所需直流电压和直流电流。使得整个设计制造流程具有模块化、标准化，可以缩短的提高工程设计、建造和运行周期，能够及早收回投资和提高运行效益。
附图说明
图1(a)为现有技术采用交流侧星形电抗接地方式的直流换流站结构示意图。
图1(b)为现有技术采用直流侧箝位电阻接地方式的直流换流站结构示意图。
图2为本发明直流换流站的结构示意图。
图3(a)为基于MMC串联构成的换流单元结构示意图。
图3(b)为基于MMC并联构成的换流单元结构示意图。
图3(c)为基于MMC支路并联构成的换流单元结构示意图。
图4为MMC的结构示意图。
图5为HBSM的结构示意图。
图6(a)为两个MMC并联构成基本换流单元的直流换流站运行模式示意图。
图6(b)为当正极换流单元中一个MMC退出运行时直流换流站运行模式示意图。
图6(c)为当整个正极换流单元中退出运行时直流换流站运行模式示意图。
图6(d)为当正、负极换流单元中均有一个MMC退出运行时直流换流站运行模式示意图。
图7(a)直流换流站正极(故障极)换流单元功率的响应曲线示意图。
图7(b)直流换流站负极(健全极)换流单元功率的响应曲线示意图。
图7(c)直流换流站正极(故障极)直流电压的响应曲线示意图。
图7(d)直流换流站负极(健全极)阀侧三相电流的示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
如图2所示，一种基于双极式结构的直流换流站，包括：一换流器、多个换流变压器和两个平波电抗器。
换流器由两个换流单元组成；其中，正极换流单元的一端为换流器的正端，正极换流单元的另一端与负极换流单元的一端相连并通过中性母线接地，负极换流单元的另一端为换流器的负端。换流站的正负端分别通过两个平波电抗器与直流输电线路相连。
换流单元可以由n个MMC串联构成，如图3(a)所示；
换流单元可以由n个MMC并联构成，如图3(b)所示；
换流单元也可以由k条MMC支路并联组成，MMC支路由n个MMC串联组成，形成由n×k个MMC串并联构成矩阵形式的换流单元，如图3(c)所示。
每个MMC均通过换流变压器与交流电网连接，换流变压器的接线方式可以为Y0/Δ或Y0/Y。
如图4所示，MMC为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂均由m个HBSM串联组成，每个桥臂均通过电抗器与换流变压器对应的相端口连接；n、k和m均为大于0的自然数。
如图5所示，HBSM由两个IGBT管T1～T2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成HBSM的一端，IGBT管T1的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T2的发射极与电容C的另一端相连并构成HBSM的另一端；IGBT管T1～T2的门极均接收外部设备提供的开关信号。
为进一步说明本发明的实施过程，下面结合具体工程参数进行说明。
MMC标准单元的基本参数为直流侧100kV，每个桥臂由100个HBSM串联，采样频率为10000Hz，额定电流为1kA。电容电压排序算法、模块调制策略、控制器参数均作为控制单元内嵌到标准单元中，其他诸如水冷***、测量与传感***等与之相关***也同样可以内嵌到标准单元，在不同应用场合无需重新设计和参数重新整定；与之相连的换流变压器也可以做到模块化、标准化设计。
对于±200kV、400MW的直流输电***，则采用如图3(a)所示串联形式，即每个换流单元需要两个MMC标准单元串联即可；对于±100kV、400MW的直流输电***，则采用如图3(b)所示并联形式，即每个换流单元需要两个MMC标准单元并联即可；而对于±200kV、800MW的直流输电***，则采用如图3(c)所示的矩阵形式，即每个换流单元需要2×2个MMC标准单元串并联即可。
由此可以看出采用MMC标准单元串并联构成直流换流站结构，可以利用类似“搭积木”的形式，快速完成直流输电***电压等级、输送容量的配合，有效减少设计周期，同时也可大大缩短设备建造、***调试、运行和维护周期，能及早投入运行，有利于早日发挥投资效益。
为进一步说明本实施方式的运行模式灵活性，以±100kV、400MW的直流输电直流换流站为例，其正负极换流单元由两个MMC并联而成。正常运行模式如图6(a)所示，此时上下两个MMC均投入运行。由于调度、维修或故障等原因，导致某个MMC需要退出运行，则运行模式如图6(b)所示，***仍可以输送75％的额定功率。当有两个MMC需要退出运行，则存在两种基本运行模式，分别如图6(c)和图6(d)，这样***仍可输送50％的额定功率。相比之下如图1(a)和图1(b)所示的由单换流器构成自然双极结构的传统直流换流站，如果MMC退出运行，则会导致整个***停运。
为进一步验证本实施方式的有效效果，在电磁暂态软件PSCAD/EMTDC中搭建两端MMC-HVDC仿真平台，为提高仿真速度，换流单元由一个MMC组成。稳态运行时换流站1(送电端)采用定有功功率和定无功功率控制，换流站2(受电端)采用定电压控制和定无功功率控制。直流输电线路选择为200公里架空线；为方便分析和对比，以容量200MVA、100kV为标幺***的基准值。级联子模块调制策略采用最近电平调制方法。
仿真情景为直流线路正极发生暂时接地故障并重启动。初始阶段***两极的有功无功参考指令分别为200MW(标幺值为1.0pu)和40Mvar(标幺值为0.2pu)，假设稳态运行1.2s时***的正极线路在100km处发生暂时金属性接地短路故障，持续时间0.05s，正负极换流单元功率、电压响应特性如图7(a)～(c)所示，阀侧(换流变压器与MMC所连接的地方)电流响应特性曲线如图7(d)所示。故障发生后，经过检测延时，故障保护逻辑动作，通过交流断路器或直流断路器等其他故障隔离装置，通过向故障极换流器发出闭锁指令；整个闭锁过程约1/4个周波。闭锁时各极功率输送和直流电压很快降至零，保持故障极换流器闭锁状态持续0.3s，以使线路充分去游离。故障期间为尽量弥补功率缺失，健全极过负荷运行。线路故障清除后，向故障极换流器发出解锁指令，对***进行重启动，同时使健全极恢复到原有稳态运行水平。从仿真结果来看，由于本结构采用双极结构形式，直流故障时只影响故障极，而对健全极几乎没有影响，从而提高了***可靠性。
此外本实施方式结构采用双极中间中性母线引出接地，易于***分期建设和增容扩建，先投运单极再投运双极，有利于早日发挥投资效益；同时接地支路为在单极大地回线运行方式下的***提供电流回流通路，平衡运行时接地电流很小。运行方式灵活，能够适合不同电压等级、不同容量下直流输电；可在双极平衡、双极不平衡、单极大地回线、单极金属回线等运行方式下进行，运行灵活多样。总之，由本发明构成的直流输电***具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种基于双极式结构的直流换流站，包括：与交流电网连接的换流器，所述的换流器用于将交流电网上的交流电转换为直流电；其特征在于：
所述的换流器由两个换流单元组成；其中，正极换流单元的一端为换流器的正端，正极换流单元的另一端与负极换流单元的一端相连并通过中性母线接地，负极换流单元的另一端为换流器的负端。
2.根据权利要求1所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的换流单元由若干个MMC串联或并联组成。
3.根据权利要求1所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的换流单元由若干条MMC支路并联组成，所述的MMC支路由若干个MMC串联组成。
4.根据权利要求2或3所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的MMC通过换流变压器与交流电网连接。
5.根据权利要求1所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的换流器的正负端均连接有平波电抗器。
6.根据权利要求4所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的换流变压器的接线方式为Y0/Δ或Y0/Y。
7.根据权利要求4所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的MMC为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂均由若干个换流模块串联组成，每个桥臂均通过电抗器与换流变压器对应的相端口连接。
8.根据权利要求7所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的换流模块为HBSM。
9.根据权利要求8所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的HBSM由两个开关管T1～T2和一个电容C构成；其中，开关管T1的输出端与开关管T2的输入端相连并构成HBSM的一端，开关管T1的输入端和电容C的一端相连，开关管T2的输出端与电容C的另一端相连并构成HBSM的另一端；所述的开关管的控制端接收外部设备提供的开关信号。
10.根据权利要求9所述的基于双极式结构的直流换流站，其特征在于：所述的开关管为IGBT。
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