CN110912175A - 一种混合四端高压直流输电*** - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种混合四端高压直流输电***，包括：整流侧的第一换流站和第二换流站、逆变侧的第三换流站和第四换流站；所述第一换流站、第二换流站、第三换流站和第四换流站的直流侧均设置有混合式直流断路器，当直流输电***的输电线路发生故障时，相应的混合式直流断路器动作，使所述直流输电***潮流转移，所述直流输电***维持正常运行。解决现有技术中直流输电***在发生直流故障时，无法由送端向受端正常传输功率，从而影响***可靠性的问题。

Description

一种混合四端高压直流输电***
技术领域
本申请属于直流输电技术领域，尤其是涉及一种混合四端高压直流输电***。
背景技术
近年来，随着环境问题的日益突出，为了减少碳排放、降低燃煤发电比例，优化国家能源结构，需大规模开发并利用可再生能源。随着可再生能源电力一体化的快速发展，为将大量新能源功率输送至远距离的负荷中心，高压直流输电在我国得到了广泛的应用。
对于大容量输电，混合型高压直流输电***(包括电网换相换流器(LCC)和模块化多电平换流器(MMC)已成为未来输电***最兼容的候选方案，因为这种配置将结合LCC和MMC的优点。形成可靠性高、容量大、能独立快速控制有功功率和无功功率的高压直流输电***。同时，通过该技术，可以解决接收侧多馈入高压直流输电的问题。
电网换相换流器需要受端交流电网提供足够的无功功率和换相电压，且在换相失败后的功率恢复过程中还需吸收更多无功功率。因此，当受端***某点发生交流故障时，可能引起多回直流线路同时发生换相失败，导致多回直流线路输送功率暂时中断，对送、受端交流***的安全稳定性构成严重威胁。
目前，为解决上述问题，采用的方案为：采用电压源型换流器(VSC)作为受端换流器，优选的采用模块化多电平换流器(MMC)替换常规的电网换相换流器。模块化多电平换流器具备dq解耦控制器，同时有自换相等优势，从而可以有效解决无功功率支撑的问题。
混合型高压直流输电(Hybrid-HVDC)能够实现LCC与MMC之间的优势互补，充分发挥常规直流技术和柔性直流技术各自的优势。袁旭峰等人提出采用MMC替代LCC作为受端，形成混合直流输电***，从而避免常规直流输电技术带来的换相失败问题，具备弱交流***接入能力。(袁旭峰,程时杰,文劲宇.基于CSC和VSC的混合多端直流输电***及其仿真[J].电力***自动化,2006(20):32-36+76.)。唐庚等人提出受端采用MMC并在直流侧串联大功率二极管阀组以阻断直流故障电流，弥补MMC无法处理直流故障的缺陷。(唐庚,徐政,薛英林.LCC-MMC混合高压直流输电***[J].电工技术学报,2013,33(10):301-310.)
但在发生直流故障时，上述直流输电***均无法由送端向受端正常传输功率，从而影响***的可靠性。
因此，基于LCC和MMC的点对点混合型高压输电***在特高压输电中的应用面临着许多技术问题。同时，对于已存在的混合直流输电***和柔性直流输电***，需要改进***结构，从而提高***稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中直流输电***在发生直流故障时，无法由送端向受端正常传输功率，从而影响***可靠性的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于多能源基地远距离电力传输的混合四端直流输电***及控制策略，实现了多个能源基地向多个负荷中心的功率传输，同时具备直流故障不间断运行的能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混合四端高压直流输电***，包括：整流侧的第一换流站和第二换流站、逆变侧的第三换流站和第四换流站；所述第一换流站的直流侧与第三换流站的直流侧连接，所述第二换流站的直流侧与第四换流站的直流侧连接；其特征在于：
所述第一换流站与所述第二换流站并联连接，所述第三换流站和所述第四换流站并联连接；
所述第一换流站、第二换流站、第三换流站和第四换流站的直流侧均设置有混合式直流断路器，当直流输电***的输电线路发生故障时，相应的混合式直流断路器动作，使所述直流输电***潮流转移，维持所述直流输电***的正常运行。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，当直流输电***的输电线路发生极对地故障时，故障点两侧的所述混合式直流断路器断开，当直流输电***的输电线路发生极对极故障时，发生故障的所述输电线路上的所有混合式断路器均断开。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，所述混合式直流断路器包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路；所述主支路包括串联连接的机械开关和辅助直流开关，所述辅助直流开关和转移支路均由串联连接的全控型电力电子器件组成。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，所述混合式直流断路器还包括隔离开关，所述隔离开关分别与所述主支路、转移支路和耗能支路的电流输入侧串联。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，所述辅助直流开关由两个带反并联二极管的IGBT串联组成；所述转移支路由两个以上带反并联二极管的IGBT串联组成。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，各换流站的直流侧还设置有限流电感，所述限流电感与混合式高压直流断路器串联。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，所述第一换流站采用12脉动电网换相换流器，所述第二换流站、第三换流站和第四换流站均采用半桥式模块化多电平换流器。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，所述第一换流站采用定直流电流控制配合低压限流控制；所述第二换流站采用定有功功率控制和定无功功率控制；第三换流站采用定直流电压控制；第四换流站采用定有工功率和定无功功率控制。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，逆变侧的第三换流站和第四换流站采用交直流解耦的独立控制机制，用以独立控制直流电流和交流电流。
进一步地，根据本发明所述的混合四端高压直流输电***，各换流站之间的直流输电线路包括直流电缆、架空线路，以及架空线路与电缆线路的混合输电线路。
本发明的有益效果是：(1)本申请的直流输电***能够同时将多个能源基地的功率向多个负荷中心传输。
(2)本发明相比于点对点型的高压直流输电***，能够在直流线路发生故障时及时切除故障线路，转移潮流，实现故障情况下各送端和受端功率保持额定值。
(3)本申请，启动阶段分为不控整流充电阶段和可控充电阶段两个步骤进行。使***在启动过程中电压电流维持在安全范围。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的混合四端直流输电***示意图；
图2是本申请实施例的电网换相换流器拓扑；
图3是本申请实施例的模块化多电平换流器拓扑；
图4是本申请实施例的混合式直流断路器的电路结构图；
图5(a)是本申请实施例的正常运行时直流输电***中的电流流动情况；
图5(b)是本申请实施例的极对极故障情况下的电流流动情况；
图5(c)是本申请实施例的极对极故障线路切除后的电流流动情况。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
本申请提供一种混合四端高压直流输电***，其直流输电线路可以采用直流电缆、架空线路、架空线路与电缆线路混合等形式。***采用真双极接线形式，直流电压等级为±500kV。
实施例
如图1所示，本实施例的混合四端高压直流输电***包括：整流侧的第一换流站C1和第二换流站C2、逆变侧的第三换流站C3和第四换流站C4。
其中，第一换流站C1与第三换流站C3的直流侧相连，第二换流站C2与第四换流站C4的直流侧相连，且第一换流站C1与第二换流站C2的并联，第三换流站C3和第四换流站并联。同时，第一换流站C1、第二换流站C2的交流侧分别对应连接至用于输出交流电的能源基地AC1、AC2，第三换流站C3、第四换流站C4的交流侧分别对应连接至负荷中心AC3、AC4。
各换流站的直流侧中性点通过中性线连接，并在第三换流站C3处经电阻R接地，同时，考虑到大规模、远距离输电的情况，各换流站之间采用远距离架空线连接。
本实施例中，第一换流站C1采用12脉动电网换相换流器LCC，如图2所示；所述第二换流站C2、第三换流站C3和第四换流站C4均采用半桥式模块化多电平换流器MMC，如图3所示。在更进一步地实施方案中，电网换相换流器LCC的交流侧配置有交流滤波器和无功补偿设备，用于过滤交流谐波并提供无功功率，电网换相换流器LCC的直流侧配置有直流滤波器和平波电抗器，用于滤除直流侧产生的谐波。
如图1所示，能源基地AC1输出交流电至第一换流站C1，所述第一换流站C1用于将能源基地S1输出的交流电整流为直流电输出至第三换流站C3，所述第三换流站C3将输入的直流电逆变成交流电，输出至负荷中心AC3。
能源基地AC2输出交流电至第二换流站C2，所述第二换流站C2用于将能源基地C2输出的交流电镇流为直流电输出至第四换流站C4，所述第四换流站C4将输入的直流电逆变成交流电，输出负荷中心AC4。
更进一步地，本实施例在所述第一换流站C1、第二换流站C2、第三换流站C3和第四换流站C4的直流侧均设置有混合式直流断路器CB，当直流输电***的输电线路发生极对极故障时，两个换流站之间正负极输电线路上的4个混合式直流断路器均关断；当直流输电***的输电线路发生极对地故障时，故障点两侧的混合式直流断路器关断；从而使所述直流输电***潮流转移，保证所述直流输电***维持正常运行。
如图4所示，本实施例所述混合式直流断路器包括隔离开关K2，以及并联连接的主支路1、转移支路2和耗能支路3，所述隔离开关K2分别与主支路1、转移支路2和耗能支路3串联连接。
其中，主支路1包括串联连接的机械开关K1和辅助直流开关，本实施例中，机械开关K1采用基于电磁斥力机构的高速斥力开关，辅助直流开关和转移支路均由全控型电力电子器件串联组成，全控型电力电子器件可以是绝缘门极双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或门极可关断晶闸管。耗能支路由避雷器组成。
如图4所示，作为一种较佳的实施例，辅助直流开关由T1、T2两个带反并联二极管的IGBT串联组成；转移支路由大量IGBT(T3～Tn)串联而成，每个IGBT均有反并联二极管。
正常运行时，混合式直流断路器CB处于合闸状态，机械开关闭合，触发辅助直流开关，直流输电***中的电流经主支路流过，向负荷中心供电，而转移支路中的电流为零。
当直流输电***的直流侧发生短路故障时，混合式直流断路器CB处于开断状态，流经主支路的电流迅速上升，当电流超过保护定值时，触发辅助直流开关关断，并触发转移支路中的IGBT导通，电流转换到转移支路中，机械开关K1分断；
机械开关K1无电弧分断至安全开距，且不承担大电流开断，主支路断开，切断故障电流，隔离开关开断较小的剩余电流，完成故障线路的隔离。
故障电流转移，转移支路中的IGBT闭锁，避雷器导通，电流转移至避雷器并衰减。耗能支路用于防止过电压击穿IGBT，有助于保护IGBT。
进一步地，本实施例还设置了限流电感L，该限流电感L与混合式直流断路器串联，用于限制故障电流的上升率，降低对故障判断灵敏性的要求和对开关速动性的要求。该断路器优越之处在于可通过关断辅助直流开关实现迅速无弧换流。
图5(a)表示正常运行时直流输电***中的电流流动情况，此时，各个换流站处于正常工作状态，图中的箭头表示各换流站正常工作时的电流流动方向。图5(b)表示C1～C3之间的输电线路中点发生极对极故障后直流输电***中的电流流动情况，此时，整流侧的第一换流站C1与逆变侧的第三换流站C3均向故障点馈入故障电流。图5(c)表示在图5(b)所示故障情况下的故障线路上的混合式直流断路器动作后，直流输电***中的电流流动情况，此时，C1～C3之间的正、负极输电线路均被切除，直流输电***的运行模式有所改变，但能量仍能正常传输。
本实施例的直流输电***在正常运行时，整流侧的第一换流站C1采用定直流电流控制、低压限流控制，低电压限流控制的作用是在第一换流站的交流***发生干扰或故障时，有利于交流电压的恢复，避免交流电压的不稳定。整流侧的第二换流站C2采用定有功功率控制、定无功功率控制。
逆变侧的第三换流站C3配置定直流电压控制，逆变侧的第四换流站C4采用定有功功率控制、定无功功率控制。更进一步地，对于采用处于逆变侧的逆变侧的第三换流站C3和第四换流站C4(MMC)，采用交直流解耦的独立控制机制，分为交流控制回路和直流控制回路，能够独立控制直流电流和交流电流。
更进一步地，上述的交流控制回路为基于旋转坐标系下的解耦控制，将三相交流电流在旋转坐标系中解耦为d轴电流和q轴电流，根据d轴电流、q轴电流将交流控制回路解耦为有功电流控制和无功电流控制。其中，d轴有功控制为定直流电压控制，从而维持***直流电压；q轴无功电流控制保证传输的无功功率保持恒定。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种混合四端高压直流输电***，包括：整流侧的第一换流站和第二换流站、逆变侧的第三换流站和第四换流站；所述第一换流站的直流侧与第三换流站的直流侧连接，所述第二换流站的直流侧与第四换流站的直流侧连接；其特征在于：
所述第一换流站与所述第二换流站并联连接，所述第三换流站和所述第四换流站并联连接；
所述第一换流站、第二换流站、第三换流站和第四换流站的直流侧均设置有混合式直流断路器，当直流输电***的输电线路发生故障时，相应的混合式直流断路器动作，使所述直流输电***潮流转移，维持所述直流输电***的正常运行。
2.根据权利要求1所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，当直流输电***的输电线路发生极对地故障时，故障点两侧的所述混合式直流断路器断开，当直流输电***的输电线路发生极对极故障时，发生故障的所述输电线路上的所有混合式断路器均断开。
3.根据权利要求1所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，所述混合式直流断路器包括并联连接的主支路、转移支路和耗能支路；所述主支路包括串联连接的机械开关和辅助直流开关，所述辅助直流开关和转移支路均由串联连接的全控型电力电子器件组成。
4.根据权利要求1所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，所述混合式直流断路器还包括隔离开关，所述隔离开关分别与所述主支路、转移支路和耗能支路的电流输入侧串联。
5.根据权利要求4所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，所述辅助直流开关由两个带反并联二极管的IGBT串联组成；所述转移支路由两个以上带反并联二极管的IGBT串联组成。
6.根据权利要求5所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，各换流站的直流侧还设置有限流电感，所述限流电感与混合式高压直流断路器串联。
7.根据权利要求1所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，所述第一换流站采用12脉动电网换相换流器，所述第二换流站、第三换流站和第四换流站均采用半桥式模块化多电平换流器。
8.根据权利要求7所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，所述第一换流站采用定直流电流控制配合低压限流控制；所述第二换流站采用定有功功率控制和定无功功率控制；第三换流站采用定直流电压控制；第四换流站采用定有工功率和定无功功率控制。
9.根据权利要求8所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，逆变侧的第三换流站和第四换流站采用交直流解耦的独立控制机制，用以独立控制直流电流和交流电流。
10.根据权利要求1所述的混合四端高压直流输电***，其特征在于，各换流站之间的直流输电线路包括直流电缆、架空线路，以及架空线路与电缆线路的混合输电线路。
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