直流输电分层接入系统及方法
【专利摘要】本发明提供直流输电分层接入系统及方法。该系统包括：至少一个换流站单元组；跨接在至少一个换流站单元组的直流端之间的至少一个开关；至少一个换流站单元组的直流端可分别电气耦合高压直流极线和地；至少一个换流站单元组的高压端换流站单元的交流端可与第一电压等级交流电网电气耦合；至少一个换流站单元组的低压端换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电网电气耦合；控制器，相应于在高压直流极线上无功率传输的状态，其可控制至少一个开关使其闭合并且控制至少一个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站单元使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。可以提高可正常运行的设备的利用率。
【专利说明】直流输电分层接入系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直流输电分层接入系统及方法。
【背景技术】
[0002] 《中国电机工程学报》第33卷第10期于2013年4月5日发表了刘振亚等人的文 章"特高压直流分层接入方式在多馈入直流电网的应用研究"提出了一种特高压直流分层 接入方式来改善电网结构。
[0003] 但是，在现有的直流分层接入系统技术中，当双极直流输电系统不处于双极功率 运行（单极运行或停运）时或者当单极直流输电系统处于停运时，该直流输电系统往往存 在闲置中的或者待运行的换流器。上述可归结为至少两种情况：
[0004] 当双极直流输电系统一极或双极由于故障停运，停运极（相应的高压直流极线上 没有功率传输）中能够正常工作的换流器处于停运状态；当单极直流输电系统由于故障停 运（高压直流极线上没有功率传输），停运极中的能够正常工作的换流器（换流器单元）也 处于停行状态；或者
[0005] 双极直流输电系统工程以及相应的发电基地的建设周期较长通常为几年，通常存 在长时间的单极运行模式；停运极中能够正常工作的换流器处于闲置或者待运行状态。
[0006] 上述情况导致能够正常运行的设备闲置而无法有效利用。
【发明内容】
[0007] 针对上述技术问题，本发明提供一种直流输电分层接入系统，包括：至少一个换流 站单元组,所述换流站单元组包括高压端换流站单元和与所述高压端换流站单元串联的低 压端换流站单元；跨接在所述至少一个换流站单元组的直流端之间的至少一个开关；其 中：所述至少一个换流站单元组的直流端可分别电气耦合高压直流极线和地；所述至少一 个换流站单元组的高压端换流站单元的交流端可与第一电压等级交流电网电气耦合；所 述至少一个换流站单元组的低压端换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电网电气 耦合；控制器，相应于在所述高压直流极线上无功率传输的状态，其可控制所述至少一个 开关使其闭合并且控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站 单元使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。通过上述配置，可以提高可正 常运行的设备（例如换流站单元组）的利用率。具体来讲，在高压直流极线上无功率传输 的状态下，换流站单元组可用于不同的交流电网之间的潮流分配，以提高交流电网之间的 潮流主动调节能力。
[0008] 根据本发明的另一个方面，提供一种用于直流输电分层接入系统的潮流控制方 法，所述直流输电分层接入系统包括：至少一个换流站单元组，所述换流站单元组包括高 压端换流站单元和与所述高压端换流站单元串联的低压端换流站单元；跨接在所述至少 一个换流站单元组的直流端之间的至少一个开关；其中：所述至少一个换流站单元组的直 流端可分别电气藕合高压直流极线和地；所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单 元的交流端可与第一电压等级交流电网电气耦合；所述至少一个换流站单元组的低压端 换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电网电气耦合；所述方法包括：相应于在所述 高压直流极线上无功率传输的状态，控制所述至少一个开关使其闭合并且控制所述至少一 个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站单元使其分别工作于彼此不同的整 流模式和逆变模式之一。通过上述方法，可以提高可正常运行的设备（例如换流站单元组） 的利用率。具体来讲，在高压直流极线上无功率传输的状态下，换流站单元组可用于不同的 交流电网之间的潮流分配，以提高交流电网之间的潮流主动调节能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1示出根据本发明的一个实施例的直流输电分层接入系统；
[0010] 图2示出换流站单元的结构；
[0011] 图3A和3B分别示出根据图1的实施倒在第一电压等级交流电网和第二电压等级 交流电网之间的功率分配；
[0012] 图4示出根据本发明的一个实施例的直流输电分层接入系统；
[0013] 图5A示出基于图4所示的直流输电分层接入系统的全功率潮流控制模式；
[0014] 图5B示出在正极性高压直流极线上无功率传输并且在负极性高压直流极线上有 功率传输的状态下基于图4所示的直流输电分层接入系统的部分功率潮流控制模式；
[0015] 图5C示出在正极性高压直流极线上有功率传输并且在负极性高压直流极线上无 功率传输的状态下基于图4所示的直流输电分层接入系统的部分功率潮流控制模式；和
[0016] 图示出基于图4所示的直流输电分层接入系统的正常模式。
【具体实施方式】
[0017] 图1示出根据本发明的一个实施例的直流输电分层接入系统。如图1所示，直流 输电分层接入系统1是单极型，其包括：换流站单元组10、开关11和控制器12。换流站单 元组10包括高压端换流站单元100和与高压端换流站单元100串联的低压端换流站单元 101。换流站单元是实现直流和交流功率相互转换的设备单元。图2示出换流站单元的结 构。如图2所示，换流站单元2包括一个或多个直流侧串联的换流器20、一台或多台换流变 压器21和相应的控制与保护设备和辅助开关设备。换流器单元是主要由半导体设备组成 的实现直流和交流功率相互转换的设备，例如六组阀单元组成的六脉动换流器。阀单元是 由如晶闸管一样的半导体功率开关器件及其触发、保护、均压等相关设备通过串联或者并 联构成具有开通、阻断能力的通流设备。本领域的技术人员应当理解换流站单元可以为六 脉动晶闸管换流器交直流设备组合，也可为十二脉动晶闸管换流器交直流设备组合，或双 十二脉动晶闸管换流器交直流设备组合，甚至二十四脉动晶闸管换流器交直流设备组合。 回到图1，开关11跨接在换流站单元10的直流端10a，IOb之间，由此通过开关11的导通 和关断的两种状态，可将换流站单元组10的高压端换流站单元100和低压端换流站单元 101的电气连接状态在背靠背和串联方式之间切换。换流站单元组10的换流站单元10的 直流端10a，IOb可分别电气耦合高压直流极线和地，用于向直流侧传输功率或者从直流侧 接收功率。换流站单元组10的高压端换流站单元100的交流端IOOa可与第一电压等级交 流电网电气耦合，用于向第一电压等级交流电网传输功率或者从第一电压等级交流电网接 收功率。换流站单元组10的低压端换流站单元101的交流端IOla可与第二电压等级交流 电网电气耦合，用于向第二电压等级交流电网传输功率或者从第二电压等级交流电网接收 功率。相应于在高压直流极线上无功率传输的状态，控制器12可控制开关11使其闭合并 且控制换流站单元组10的高压端换流站单元100和低压端换流站单元101使其分别工作 于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。例如，在单极直流输电系统停运的状态下，高压直 流极线上无功率传输，而换流站单元组10仍然可以正常的工作。控制器12可控制开关11 使其闭合，并且通过向换流站单元组10的高压端换流站单元100和低压端换流站单元101 发出导通角指令使高压端换流站单元100工作在整流状态并且低压端换流站单元101工作 在逆变状态，潮流由第一电压等级交流电网流向第二电压等级交流电网（箭头Al);或者， 控制器12可控制开关11使其闭合，并且通过向换流站单元组10的高压端换流站单元100 和低压端换流站单元101发出导通角指令使高压端换流站单元100工作在逆变状态并且低 压端换流站单元101工作在整流状态，潮流由第二电压等级交流电网流向第一电压等级交 流电网（箭头A2)。
[0018] 通过上述配置，可以提高可正常运行的设备（例如换流站单元组）的利用率。具 体来讲，在高压直流极线上无功率传输的状态下，换流站单元组可用于不同的交流电网之 间的潮流分配，以提高交流电网之间的潮流主动调节能力。
[0019] 最好，相应于在高压直流极线上有功率传输的状态，控制器12还可以控制开关11 使其关断并且控制换流站单元组10的高压端换流站单元100和低压端换流站单元101使 其二者工作于整流模式和逆变模式之一。例如，在从高压直流极线向交流电网输入功率的 条件下，控制器12通过发出导通角指令控制换流站单元组10的高压端换流站单元100和 低压端换流站单元101工作于逆变状态；在从交流电网向高压直流极线输入功率的条件 下，控制器12通过发出导通角指令控制换流站单元组10的高压端换流站单元100和低压 端换流站单元101工作于整流状态。
[0020] 图3A和3B分别示出根据图1的实施倒在第一电压等级交流电网和第二电压等级 交流电网之间的功率分配。如图3A所示，在高压直流极线上有功率传输的状态，高压直流 极线所发出/接收的功率为lp.u.，开关11关断，第一电压等级交流电网和第二电压等级交 流电网所接收/发出的功率分别为〇.5p.u.。当然，本领域的技术人员可以理解第一电压等 级交流电网和第二电压等级交流电网所接收/发出的功率也可以分别其他值，比如〇. 3p. u.和0.7p.u.等。如图3B所示，在高压直流极线上无功率传输的状态，高压直流极线所发 出/接收的功率为Op.u.，开关11闭合，控制换流站单元组10的高压端换流站单元100和 低压端换流站单元101分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。例如，高压端换 流站单元100工作在整流状态并且低压端换流站单元101工作在逆变状态。在这种情况 下，第一电压等级交流电网发出/接收的功率可以控制为〇至〇. 5p.u.，并且第二电压等级 交流电网从第一等级交流电网接收/发出的功率可控制为0至0. 5p.u.。否则，若采用现有 的直流输电分层接入系统，第二电压等级交流电网接收/发出的功率为Op.u.。从而可以减 小第二电压等级交流电网所接收/发出的功率在高压直流极线上有功率传输的状态和在 高压直流极线上无功率传输的状态之间的变化。对于第一电压等级交流电网和第二电压等 级交流电网所接收/发出的功率分别为其他值，比如〇.3p.u.和0.7p.u.的情况，第一电压 等级交流电网发出/接收的功率可以控制为〇. 3p.u.，并且第二电压等级交流电网从第一 等级交流电网接收/发出的功率可控制为O至0. 3p.u.，同样可以减小第二电压等级交流电 网所接收/发出的功率在高压直流极线上有功率传输的状态和在高压直流极线上无功率 传输的状态之间的变化。通过调整交流电网之间的潮流，可以控制交流电网发出的功率或 接收的功率。
[0021] 图4示出示出根据本发明的一个实施例的直流输电分层接入系统。如图4所示， 直流输电分层接入系统4是双极型系统用于包括正极性高压直流极线和负极性高压直流 极线的直流输电线路。如图4所示，直流输电分层接入系统4包括第一换流站单元组40、第 二换流站单元组41、第一开关42、第二开关43和控制器44。第一换流站单元组40和第二 换流站单元组41的结构与图1所述的实施例类似，在此不再复述。第一开关42跨接在第 一换流站单元组40的直流端40a、40b之间，第二开关43跨接在第二换流站单元组41的直 流端41a、41b之间。第一换流站单元组40的直流端40a，40b可分别电气藕合正极性高压 直流极线和地，第二换流站单元组41的直流端41a，41b可分别电气耦合负极性高压直流极 线和所述地，第一换流站单元组40的高压端换流站单元400的交流端可与第一电压等级交 流电网电气耦合，第一换流站单元组40的低压端换流站单元401的交流端可与第二电压等 级交流电网电气耦合，第二换流站单元组41的高压端换流站单元410的交流端可与第一电 压等级交流电网电气耦合，第二换流站单元组41的低压端换流站单元411的交流端可与第 二电压等级交流电网电气耦合。相应于在正极性高压直流极线上无功率传输的状态，控制 器44可控制所述第一开关42使其闭合并且控制第一换流站单元组40的高压端换流站单 元400和第一换流站单元组40的低压端换流站单元401使其分别工作于彼此不同的整流 模式和逆变模式之一；并且相应于在负极性高压直流极线上无功率传输的状态，控制器44 可控制第二开关43使其闭合并且控制第二换流站单元组41的高压端换流站单元410和第 二换流站单元组41的低压端换流站单元411使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变 模式之一。图4所示的直流输电分层接入系统与图1所示的直流输电分层接入系统的不同 之处在于：图4所示的直流输电分层接入系统采用的双极直流输电结构，相比于图1所示 的单极直流输电结构可以提高直流输电系统的输电能力。
[0022] 通过采用图4所示的结构，可采用全功率潮流控制模式。图5A示出基于图4所示 的直流输电分层接入系统的全功率潮流控制模式。如图5A所示，相应于在正极性和负极性 高压直流极线上无功率传输的状态，高压直流输电系统的一端的双极结构可构造成为双极 背靠背直流系统连接在两个交流电网之间，相对于单极性而言可以进行大范围的双向功率 控制。
[0023] 最好，相应于在正极性高压直流极线上有功率传输的状态，控制器44可控制第一 开关42使其关断并且控制第一换流站单元组40的高压端换流站单元400和低压端换流站 单元401使其二者工作于整流模式和逆变模式之一；相应于在负极性高压直流极线上有功 率传输的状态，控制器44可控制第二开关43使其关断并且控制第二换流站单元组41的高 压端换流站单元410和低压端换流站单元411使其二者工作于整流模式和逆变模式之一。 进一步，直流输电分层接入系统4可采用部分功率潮流控制模式。图5B示出在正极性高压 直流极线上无功率传输并且在负极性高压直流极线上有功率传输的状态下基于图4所示 的直流输电分层接入系统的部分功率潮流控制模式。第一开关42导通并且第二开关43关 断。如图5B，第二换流站单元组41的高压端换流站单元410和低压端换流站单元411二者 工作于整流模式/逆变模式，功率从负极性高压直流极线向第一电压等级交流电网和第二 电压等级交流电网/从第一电压等级交流电网和第二电压等级交流电网向负极性高压直 流极线传输。第一换流站单元组40的高压端换流站单元400工作在整流状态并且其低压 端换流站单元401工作在逆变状态，潮流由第一电压等级交流电网流向第二电压等级交流 电网（箭头Al);或者，高压端换流站单元400工作在逆变状态并且低压端换流站单元401 工作在整流状态，潮流由第二电压等级交流电网流向第一电压等级交流电网（箭头A2)。图 5C示出在正极性高压直流极线上有功率传输并且在负极性高压直流极线上无功率传输的 状态下基于图4所示的直流输电分层接入系统的部分功率潮流控制模式。图示出基于 图4所示的直流输电分层接入系统的正常模式。表1给出图5A至的直流输电分层接入 系统的部件的状态及功率流向。正极性高压直流极线和负极性高压直流输电极线分别传输 功率lp.u.。在表1中，所示的网间潮流传输容量标么值以换流站单元组的额定传输功率作 为基值。
[0024]
【权利要求】
1. 一种直流输电分层接入系统，其特征在于包括： 至少一个换流站单元组，所述换流站单元组包括高压端换流站单元和与所述高压端换 流站单元串联的低压端换流站单元； 跨接在所述至少一个换流站单元组的直流端之间的至少一个开关； 其中： 所述至少一个换流站单元组的直流端可分别电气藕合高压直流极线和地； 所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元的交流端可与第一电压等级交流电 网电气藕合； 所述至少一个换流站单元组的低压端换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电 网电气藕合； 控制器，相应于在所述高压直流极线上无功率传输的状态，其可控制所述至少一个开 关使其闭合并且控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站单 元使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。
2. 如权利要求1所述的直流输电分层接入系统，其中： 所述控制器相应于在所述高压直流极线上有功率传输的状态，其可控制所述至少一个 开关使其关断并且控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站 单元使其二者工作于整流模式或逆变模式。
3. 如权利要求1所述的直流输电分层接入系统，其包括： 所述至少一个换流站单元组包括：第一换流站单元组和第二换流站单元组； 跨接在所述至少一个换流站单元组的直流端之间的开关包括：跨接在所述第一换流站 单元组的直流端之间的第一开关和跨接在所述第二换流站单元组的直流端之间的第二开 关； 其中： 所述第一换流站单元组的直流端可分别电气藕合正极性高压直流极线和地； 所述第二换流站单元组的直流端可分别电气藕合负极性高压直流极线和所述地； 所述第一换流站单元组的高压端换流站单元的交流端可与第一电压等级交流电网电 气奉禹合； 所述第一换流站单元组的低压端换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电网电 气奉禹合； 所述第二换流站单元组的高压端换流站单元的交流端可与第一电压等级交流电网电 气奉禹合； 所述第二换流站单元组的低压端换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电网电 气耦合； 所述控制器， 相应于在所述正极性高压直流极线上无功率传输的状态，其可控制所述第一开关使其 闭合并且控制所述第一换流站单元组的高压端换流站单元和所述第一换流站单元组的低 压端换流站单元使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一；或者相应于在所 述负极性高压直流极线上无功率传输的状态，其可控制所述第二开关使其闭合并且控制所 述第二换流站单元组的高压端换流站单元和所述第二换流站单元组的低压端换流站单元 使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。
4. 如权利要求3所述的直流输电分层接入系统，其中： 所述控制器相应于在所述正极性高压直流极线上有功率传输的状态，其可控制所述第 一开关使其关断并且控制所述第一换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站单 元使其二者工作于整流模式和逆变模式之一；并且相应于在所述负极性高压直流极线上 有功率传输的状态，其可控制所述第二开关使其关断并且控制所述第二换流站单元组的高 压端换流站单元和低压端换流站单元使其二者工作于整流模式和逆变模式之一。
5. 如权利要求1所述的直流输电分层接入系统，还包括： 第一检测部件，用于检测第一电压等级交流电网的电压值； 第二检测部件，用于检测第二电压等级交流电网的电压值； 其中： 所述控制器可根据由所述第一检测部件检测的电压值和由所述第二检测部件检测的 电压值控制在所述第一电压等级交流电网和所述第二电压等级交流电网的潮流。
6. 如权利要求1所述的直流输电分层接入系统，还包括： 人机界面； 其中： 所述控制器可根据由人机界面所接收的指令控制在所述第一电压等级交流电网和所 述第二电压等级交流电网的潮流。
7. 如权利要求5或6所述的直流输电分层接入系统，其中： 所述控制器可控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元处于整流模式并 且控制所述至少一个换流站单元组的低压端换流站单元处于逆变模式以便控制所述潮流 从所述第一电压等级交流电网流向所述第二电压等级交流电网。
8. 如权利要求5或6所述的直流输电分层接入系统，其中： 所述控制器可控制所述至少一个换流站单元组的低压端换流站单元处于整流模式并 且控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元处于逆变模式以便控制所述潮流 从所述第二电压等级交流电网流向所述第一电压等级交流电网。
9. 一种用于直流输电分层接入系统的潮流控制方法， 所述直流输电分层接入系统包括： 至少一个换流站单元组，所述换流站单元组包括高压端换流站单元和与所述高压端换 流站单元串联的低压端换流站单元； 跨接在所述至少一个换流站单元组的直流端之间的至少一个开关； 其中： 所述至少一个换流站单元组的直流端可分别电气藕合高压直流极线和地； 所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元的交流端可与第一电压等级交流电 网电气耦合； 所述至少一个换流站单元组的低压端换流站单元的交流端可与第二电压等级交流电 网电气耦合； 所述方法包括：相应于在所述高压直流极线上无功率传输的状态，控制所述至少一个 开关使其闭合并且控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站 单元使其分别工作于彼此不同的整流模式和逆变模式之一。
10. 如权利要求9所述的潮流控制方法，包括： 相应于在所述高压直流极线上有功率传输的状态，其可控制所述至少一个开关使其关 断并且控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元和低压端换流站单元使其二 者工作于整流模式或逆变模式。
11. 如权利要求9所述的潮流控制方法， 所述直流输电分层接入系统包括还包括： 第一检测部件，用于检测第一电压等级交流电网的电压值； 第二检测部件，用于检测第二电压等级交流电网的电压值； 所述方法还包括： 根据由所述第一检测部件检测的电压值和由所述第二检测部件检测的电压值控制在 所述第一电压等级交流电网和所述第二电压等级交流电网的潮流。
12. 如权利要求9所述的潮流控制方法， 所述直流输电分层接入系统包括还包括： 人机界面； 所述方法还包括： 可根据由人机界面所接收的指令控制在所述第一电压等级交流电网和所述第二电压 等级交流电网的潮流。
13. 如权利要求11或12所述的潮流控制方法，还包括： 控制所述至少一个换流站单元组的高压端换流站单元处于整流模式并且控制所述至 少一个换流站单元组的低压端换流站单元处于逆变模式以便控制所述潮流从所述第一电 压等级交流电网流向所述第二电压等级交流电网。
14. 如权利要求11或12所述的潮流控制方法，还包括： 控制所述至少一个换流站单元组的低压端换流站单元处于整流模式并且控制所述至 少一个换流站单元组的高压端换流站单元处于逆变模式以便控制所述潮流从所述第二电 压等级交流电网流向所述第一电压等级交流电网。
【文档编号】H02J3/36GK104426158SQ201310367725
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月21日 优先权日:2013年8月21日
【发明者】苑春明, 杨晓波, 姚大伟 申请人:Abb技术有限公司