專利名稱：采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)。
背景技術：
城市用電負荷的不斷增加要求電網(wǎng)規(guī)模與傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而新增輸電走廊面臨越來越多的經(jīng)濟與環(huán)保限制，尤其是大型城市中心區(qū)域，增加傳統(tǒng)架空輸電線路不符合城市規(guī)劃要求，新增地下電纜也受到多方限制。由于交流系統(tǒng)的絕緣按照電壓峰值設計，而傳輸容量是由電壓有效值決定，且長距離交流電纜線路會出現(xiàn)電容電流占用電纜芯線全部有效負載能力的情況，因此將交流電纜線路改造為直流運行不僅能夠消除了交流系統(tǒng)對功率潮流的限制，而且輸電容量也將增大。近年來，依托電力電子技術的飛速發(fā)展，高壓大功率換流器為交直流運行方式的轉(zhuǎn)換提供了經(jīng)濟有效的技術手段。面對新增輸電走廊越來越困難、負荷水平日益增長的矛盾，將現(xiàn)有交流線路轉(zhuǎn)換為直流運行，在免去新建輸電走廊的同時提升電能輸送能力，為上述問題提供了經(jīng)濟有效的解決方案。針對交流線路直流轉(zhuǎn)換的研究近年來得到國內(nèi)外研究機構的一致關注。針對如何充分利用數(shù)目為奇數(shù)的三相交流線路的輸電能力的問題，有文獻提出了幾種解決方案。Barthold提出一種將三相交流線路改造為三極直流輸電的方案，通過第3極采用雙向晶閘管實現(xiàn)電流雙向?qū)?，周期性分擔其他兩極的電流以最大化輸電能力，但與傳統(tǒng)HVDC —樣不可避免的需要配備大量無功補償設備。ABB公司提出一種將三相交流線路改造為柔性直流輸電的方案，采用一個額外相支路將第三極導線周期性的連接到第I極導線或第2極導線，從而利用第3極導線傳導電流，但不能實現(xiàn)線路損耗在三條導線之間的均勻分配。隨著負荷的增大，該方案第I極和第2極導線首先達到熱穩(wěn)定極限，無法充分利用第3極導線的熱穩(wěn)定極限。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，該輸電系統(tǒng)利用了電壓源換流器電流雙向?qū)芰?，配合開關切換裝置，很好的解決了交流線路改造成直流線路的導線利用率和無功補償?shù)葐栴}，為解決大型城市負荷日益增長與新建線路日趨困難的矛盾具有重要意義。本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現(xiàn)的采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述輸電系統(tǒng)采用三條導線及每條導線兩端的電壓源換流器構成三極接線形式。優(yōu)選的，所述三條導線采用三相交流架空線路或電纜，對應于所述輸電系統(tǒng)的第I極導線、第2極導線和第3極導線。優(yōu)選的，其中一極接線包括第I極導線和電壓源換流器；所述第I極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；、
所述第I極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地。優(yōu)選的，另一極接線包括第2極導線和電壓源換流器；所述第2極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；所述第2極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地。 優(yōu)選的，第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器；所述第3極導線兩端對稱設置有開關切換裝置和電壓源換流器；所述第3極導線兩端通過開關切換裝置分別與電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地；或所述第3極導線兩端分別通過開關切換裝置與電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地。較優(yōu)選的，所述開關切換裝置用于實現(xiàn)第3極導線電壓極性的反轉(zhuǎn)；其采用機械投切開關、晶閘管投切開關或基于可關斷器件的開關裝置。較優(yōu)選的，所述第I極導線、第2極導線和第3極導線的接地點連接。優(yōu)選的，所述輸電系統(tǒng)包括六個電壓源換流器；所述電壓源換流器采用基于可關斷電力電子器件的電壓源型AC-DC換流器；其中首端三個電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)的同一母線，或不同母線；首端三個電壓源換流器指的是整個輸電系統(tǒng)左端的三個電壓源換流器；其中末端三個電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)的同一母線，或不同母線。末端三個電壓源換流器指的是整個輸電系統(tǒng)右端的三個電壓源換流器。與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明達到的有益效果是I、本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，能夠很好的解決三相交流線路，尤其單回三相交流線路改造為直流輸電后的導線利用率問題。2、本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，能最大化三條導線的傳輸功率，同時直流電流在三根導線之間流動，不與大地構成通路。3、本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，輸電系統(tǒng)采用電壓源換流器，無需額外的無功補償設備。4、本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，應用于三相交流架空線路或三相交流電纜輸電系統(tǒng)直流改造等場合，并顯著增加系統(tǒng)運行靈活性和可靠性。


圖I是本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，示意圖；圖2是本發(fā)明提供的開關切換裝置功能示意圖；圖3是本發(fā)明提供的開關切換裝置的一種實施方案圖4是本發(fā)明提供的輸電系統(tǒng)各極導線電流、電壓變化示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
本發(fā)明采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，所述輸電系統(tǒng)采用三條導線及各條導線兩端的電壓源換流器構成三極接線形式。所述三條導線可采用現(xiàn)有三相交流架空線路或電纜，對應于所述輸電系統(tǒng)的第I極導線、第2極導線和第3極導線。其中第I極導線與其兩端電壓源換流器直流鉗位電容正極相連，直流鉗位電容負極接地；所述三條導線中的第2極導線與其兩端電壓源換流器直流鉗位電容負極相連，直流鉗位電容正極接地；所述三條導線中的第3極導線通過連接開關切換裝置，與其兩端電壓源換流器直流鉗位電容正極或負極相連，同時開關切換裝置將第3極導線兩端電壓源換流器的直流鉗位電容負極或正極接地。所述輸電系統(tǒng)直流側接地點相互連接。所述采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)中第I極和第2極導線直流電壓極性恒定，第3極能夠通過開關切換裝置實現(xiàn)導線電壓極性的反轉(zhuǎn)。所述輸電系統(tǒng)結構充分利用三條導線進行功率傳輸，第I極、第2極導線的電流方向不變，電流大小在最大值和最小值之間輪換，且電流有效值達到發(fā)熱限制。第3極導線的電流雙向流通，且電流有效值達到發(fā)熱限制。所述輸電系統(tǒng)中直流電流在三根導線之間流動，不與大地構成通路。所述開關切換裝置位于所述輸電系統(tǒng)中第3極導線的兩端，兩組開關切換裝置能夠同時使第3極兩端電壓源換流器的直流鉗位電容正極與第3極導線兩端相連，負極與第I極、第2極的公共接地點相連，或同時使第3極兩端電壓源換流器直流鉗位電容的正極與第I極、第2極的公共接地點相連，負極與第3極導線兩端相連。開關切換裝置的實現(xiàn)形式包括機械投切開關、晶閘管投切開關以及基于可關斷器件的開關裝置。下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。實施例I本發(fā)明采用電壓源換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)的拓撲構本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)的拓撲結構如圖I所示，該結構包括三條輸電導線L1、L2、L3，兩臺開關切換裝置，六臺電壓源換流器VSC1、vscr、VSC2、VSC2’、VSC3和VSC3’，電壓源換流器的直流鉗位電容Cl、Cl’、C2、C2’、C3和C3’，以及交流系統(tǒng)I、交流系統(tǒng)2。導線LI的兩端與直流鉗位電容Cl和Cl’的正極相連，導線L2的兩端與直流鉗位電容C2和C2’的負極相連，導線L3的兩端連接開關切換裝置，進而與直流鉗位電容C3、C3’的正極或負極相連。公共接地點連接到直流鉗位電容Cl、Cl’的負極以及C2、C2’的負極，并通過開關切換裝置與直流鉗位電容C3、C3’的正極或負極連接。其中首端三個電壓源換流器VSC1、VSC2和VSC3的交流側分別通過換流變壓器或電抗器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)的同一母線，或不同母線；其中末端三個電壓源換流器vscr、VSC2’和VSC3’的交流側分別通過換流變壓器或電抗器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)的同一母線，或不同母線。所述開關切換裝置位于第3極導線L2的兩端，可采用機械開關，晶閘管開關或機械開關與晶閘管開關的組合。所述開關切換裝置的功能示意圖如圖2所示，雙向開關SW1，SW1’可同時將節(jié)點I與節(jié)點3連接，節(jié)點2與節(jié)點4連接，實現(xiàn)圖I所示直流鉗位電容C3、C3’的正極與導線L3相連，C3、C3’的負極接地，導線L3電壓極性為正；或同時將節(jié)點I與節(jié)點4’連接，節(jié)點2與節(jié)點3’連接，實現(xiàn)圖I所示直流鉗位電容C3、C3’的負極與導線L3相連，C3、C3’的正極接地，導線L3電壓極性為負。所述開關切換裝置的一種實施方案如圖3所示，每臺開關切換裝置包含兩組采用晶閘管開關兩側并聯(lián)高速機械開關的復合開關swuswr與SW2、SW2’。swuswr導通可同時將節(jié)點I與節(jié)點3連接，節(jié)點2與節(jié)點4連接，即實現(xiàn)圖I所示直流鉗位電容C3、C3’的正極與導線L3相連，C3、C3’的負極接地。SW2、SW2’導通可同時將節(jié)點I與節(jié)點4連接，節(jié)點2與節(jié)點3連接，即實現(xiàn)圖I所示直流鉗位電容C3、C3’的正極接地，C3、C3’的負極與導線L3相連。實施例2
本發(fā)明采用電壓源換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)的工作原理本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖4所示。通過周期性改變3個極電流的大小，能夠在發(fā)熱限制相同的條件下增大直流系統(tǒng)的輸送功率。通過周期性改變第3極電壓和電流的極性，實現(xiàn)第I極第2極電流的周期性分擔。第I極、第2極電流的大小在Imax和Imin之間周期性變化,但方向不變 ’第3極的電流大小不變(Imax-Imin)，但方向周期性變化。第I極、第2極和第3極發(fā)熱限制相同，設其熱穩(wěn)定極限電流為IN=1. Opu。。為使第3極達到其發(fā)熱限制，則需滿足式①Imax-Imin = In = I. Opu①；導線LI、L2的電流在最大電流Imax和最小電流Imin之間變化，電流在一個循環(huán)周期內(nèi)的有效值同樣要達到其發(fā)熱限制，以保證三條導線輸送功率均達到其熱穩(wěn)定極限。具體在圖3中表現(xiàn)為2 A t時間內(nèi)，導線L1、L2、L3的電流有效值相等因此需滿足式②I2 +I2. =2(1 —I . )2②；
max nun V max min/ w，由式①和式②可得，導線LI、L2的運行電流Imax為I. 37IN，Imin為0. 37IN。本發(fā)明提供的采用電壓源換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，該輸電系統(tǒng)采用三條導線及各條導線兩端的電壓源換流器構成三極直流輸電接線形式，直流側各極共地連接。其中，第I極和第2極的電壓、電流極性恒定，第3極的電壓、電流極性均可翻轉(zhuǎn)。本發(fā)明充分利用第3極電壓源換流器電流雙向流通能力，采用開關切換裝置實現(xiàn)第3極導線電壓極性的翻轉(zhuǎn)，周期性地改變第3極導線的電壓、電流極性，在保證3極直流功率方向不變的前提下，實現(xiàn)第I極、第2極電流的周期性分擔。通過適當?shù)目刂疲墒怪绷鬏斔凸β试谌龡l導線之間的均勻分配，并使三條導線電流均達到其發(fā)熱限制。本發(fā)明所述結構中直流電流在三根導線之間流動，不與大地構成通路,避免了高頻電磁干擾和大地中金屬設備的腐蝕。本發(fā)明可以將交流線路的熱穩(wěn)定極限功率提高60%以上。同時，本發(fā)明采用電壓源換流技術，無需配置大容量無功補償和濾波設備，并能在為交流系統(tǒng)提供動態(tài)電壓支撐，可顯著提高系統(tǒng)運行靈活性和可靠性。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其 均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述輸電系統(tǒng)采用三條導線及每條導線兩端的電壓源換流器構成三極接線形式。
2.如權利要求I所述的輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述三條導線采用三相交流架空線路或電纜，對應于所述輸電系統(tǒng)的第I極導線、第2極導線和第3極導線。
3.如權利要求I所述的輸電系統(tǒng)，其特征在于，其中一極接線包括第I極導線和電壓源換流器； 所述第I極導線兩端對稱設置有電壓源換流器； 所述第I極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地。
4.如權利要求I所述的輸電系統(tǒng)，其特征在干，另ー極接線包括第2極導線和電壓源換流器； 所述第2極導線兩端對稱設置有電壓源換流器； 所述第2極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地。
5.如權利要求I所述的輸電系統(tǒng)，其特征在于，第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器； 所述第3極導線兩端對稱設置有開關切換裝置和電壓源換流器； 所述第3極導線兩端通過開關切換裝置分別與電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地；或 所述第3極導線兩端分別通過開關切換裝置與電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地。
6.如權利要求I所述的輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述開關切換裝置用于實現(xiàn)第3極導線電壓極性的反轉(zhuǎn)；其采用機械投切開關、晶閘管投切開關或基于可關斷器件的開關裝置。
7.如權利要求3-5中任ー項所述的輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述第I極導線、第2極導線和第3極導線的公共接地點連接。
8.如權利要求I所述的輸電系統(tǒng)，其特征在于，所述輸電系統(tǒng)包括六個電壓源換流器；所述電壓源換流器采用基于可關斷電カ電子器件的電壓源型AC-DC換流器； 其中首端三個電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)的同一母線，或不同母線； 其中末端三個電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器并聯(lián)接入交流系統(tǒng)的同一母線，或不同母線。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種采用電壓源換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統(tǒng)。該輸電系統(tǒng)采用三條導線及每條導線兩端的電壓源換流器構成三極接線形式。本發(fā)明提供的輸電系統(tǒng)利用了電壓源換流器電流雙向?qū)芰Γ浜祥_關切換裝置，很好的解決了交流線路改造成直流線路的導線利用率和無功補償?shù)葐栴}，為解決大型城市負荷日益增長與新建線路日趨困難的矛盾具有重要意義。
文檔編號H02J3/18GK102738820SQ20121018535
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月6日 優(yōu)先權日2012年6月6日
發(fā)明者周飛, 宋潔瑩, 荊平, 郭劍波 申請人:中國電力科學研究院