一種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】本實(shí)用新型涉及一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，實(shí)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(gè)換流變壓器和一個(gè)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(diǎn)分別與換流變壓器繞組副邊相連，第四相中點(diǎn)通過(guò)平波電抗器與極3直流線路相連，換流器的正極通過(guò)平波電抗器與極1直流線路相連，負(fù)極通過(guò)平波電抗器與極2直流線路相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有換流站占地面積小、總體改造成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種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] 本實(shí)用新型涉及直流輸電技術(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(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，電力需求矛盾日益突出。一方面電力負(fù)荷的增長(zhǎng)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(dá)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(jìn)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(dá)到導(dǎo)線所能承受的最大熱極 限。2004年，Barthold L0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(duì)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(duì)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(jì)成本和可靠性等方面 上具有優(yōu)勢(shì)。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(wú)工程應(yīng)用實(shí)例。
[0004] 圖1為Barthold L 0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(diǎn)：
[0005] 1)如逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生故障將引起直流三個(gè)極同時(shí)發(fā)生換相失敗，導(dǎo)致直流線 路輸送功率中斷，對(duì)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(yùn)行過(guò)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(shì)必對(duì)兩端交流系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)。
[0007] 3)由于每條線路都配置了一個(gè)完整的極，因此需要增加的換流變壓器、交流濾波 和無(wú)功補(bǔ)償裝置、12脈動(dòng)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(diǎn)，尤其不利于對(duì)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(shí)施。
[0008] 近年來(lái)，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(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電；不存在換相失?。嚎?實(shí)現(xiàn)有功功率、無(wú)功功率獨(dú)立控制；無(wú)需交流濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置等優(yōu)點(diǎn)。從所采用的換 流器結(jié)構(gòu)來(lái)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(diǎn)外，還具有開(kāi)關(guān)頻率低、損耗小、易擴(kuò)展、輸出波形質(zhì)量高、制造難度低等特 點(diǎn)，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(wèn)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(jì)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] 本實(shí)用新型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(diǎn)，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] 本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0012] 一種緊湊型模塊化多電平三極直流輸電系統(tǒng)，實(shí)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；
[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(gè)換流變壓器和一個(gè)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(diǎn)分別與換流變壓 器繞組副邊相連，第四相中點(diǎn)通過(guò)平波電抗器與極3直流線路相連，換流器的正極通過(guò)平 波電抗器與極1直流線路相連，負(fù)極通過(guò)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(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)橋臂電抗 器和至少一個(gè)子模塊串聯(lián)而成，每?jī)蓚€(gè)橋臂的橋臂電抗器相連接，構(gòu)成一個(gè)相單元。
[0015] 所述的直流線路為電纜或架空線路。
[0016] 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(gè)IGBT、一個(gè)電容和兩個(gè) 二極管。
[0017] 若直流線路為架空線路，則所述的子模塊由兩個(gè)箝位雙子模塊串聯(lián)形成，每個(gè)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(guò)兩個(gè)箝位二極管和一個(gè)帶反并聯(lián) 二極管的引導(dǎo)IGBT串并聯(lián)構(gòu)成；
[0018] 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(gè)IGBT、一個(gè)電容和 兩個(gè)二極管。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型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(huì)發(fā)生換相失敗、可以穩(wěn)定兩側(cè)交流系統(tǒng)電壓、無(wú)需交流濾波和無(wú)功補(bǔ)償 裝置等特點(diǎn)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(shí)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 此本實(shí)用新型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(diǎn)，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(shí)施，具有很好的 工程應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1為現(xiàn)有的三極直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 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；
[0022] 圖3為本實(shí)用新型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；
[0023] 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；
[0024] 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(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0026] 實(shí)施例1
[0027] 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(gè)四相八橋臂的換流器與三根直 流線路相連即可實(shí)現(xiàn)三極直流輸電，具體方案如下：
[0028] 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(shí)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1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(gè)換流變壓器a和一個(gè)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(diǎn)分別與換流變壓器a繞組副邊相連，第四相中點(diǎn)通過(guò) 平波電抗器c與極3直流線路相連，換流器b的正極通過(guò)平波電抗器c與極1直流線路相 連，負(fù)極通過(guò)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(jìn)行電壓等級(jí)變換，換流器b用于將電壓等級(jí)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(jìn)行電壓等級(jí)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。
[0029] 本實(shí)用新型的四相八橋臂模塊化多電平換流器包括八個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)橋 臂電抗器和至少一個(gè)子模塊SM串聯(lián)而成，每?jī)蓚€(gè)橋臂的橋臂電抗器相連接，構(gòu)成一個(gè)相單 元。其中，子模塊的數(shù)量根據(jù)電壓等級(jí)和電流的需要確定。
[0030] 該輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，極1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(guò)改變電流定值最大值和最 小值的比值大小，實(shí)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1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(guò)對(duì)換流器的第四相橋臂各 子模塊中IGBT的觸發(fā)進(jìn)行控制，改變換流器第四相橋臂中點(diǎn)電位，實(shí)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。
[0031] 本實(shí)施例中，直流線路為電纜，子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)IGBT(T1、T2)、一個(gè)電 容（C)和兩個(gè)二極管（Dl、D2)，所述兩個(gè)二極管的陽(yáng)極分別連接兩個(gè)IGBT的源極，兩個(gè)二 極管的陰極分別連接對(duì)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)。
[0032] 實(shí)施例2
[0033] 本實(shí)施例與實(shí)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(shí) 性故障的概率較高，如采用跳開(kāi)交流側(cè)開(kāi)關(guān)來(lái)清除故障則停電時(shí)間較長(zhǎng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的 可用率，因此需要通過(guò)換流器自身的控制來(lái)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(gè)箝位子模塊。箝位子模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖 5所示.每個(gè)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(guò)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(gè)IGBT(Tl)的集電極與第一 個(gè)電容（C1)的一端相連，第一個(gè)電容的另一端與第二個(gè)IGBT(T2)的發(fā)射極相連，構(gòu)成所 述的第一個(gè)半橋單元；第三個(gè)IGBT(T3)的集電極與第二個(gè)電容（C2)的一端相連，第二個(gè) 電容的另一端與第四個(gè)IGBT(T4)的發(fā)射極相連，構(gòu)成所述的第二個(gè)半橋單元，圖中所有的 IGBT(T1?T5)均反向并聯(lián)了續(xù)流二極管（D1?D7)。
[〇〇34] 以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí) 用新型保護(hù)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(shí)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(gè)換流變壓器和一個(gè)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(diǎn)分別與換流變壓器繞 組副邊相連，第四相中點(diǎn)通過(guò)平波電抗器與極3直流線路相連，換流器的正極通過(guò)平波電 抗器與極1直流線路相連，負(fù)極通過(guò)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(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由一個(gè)橋臂電抗器和至少 一個(gè)子模塊串聯(lián)而成，每?jī)蓚€(gè)橋臂的橋臂電抗器相連接，構(gòu)成一個(gè)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， 所述的直流線路為電纜或架空線路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3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(gè)IGBT、一個(gè)電容和兩個(gè)二極管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3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(gè)箝位雙子模塊串聯(lián)形成，每個(gè)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(guò)兩個(gè)箝位二極管和一個(gè)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(gè)IGBT、一個(gè)電容和兩個(gè) 二極管。
【文檔編號(hào)】H02M7/219GK203839975SQ201420246591
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)上海市電力公司, 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司, 南京南瑞繼保電氣有限公司