提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路的制作方法
【专利摘要】本实用新型是一种提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路。交流受端电网与风电场之间设置有受端换流站、送端换流站，且受端换流站直流侧接入能量吸收装置。本实用新型将受端换流站直流进线侧直流吸能回路配置为火花间隙及金属氧化物限压器的型式。当受端电网交流侧发生故障时，吸能回路触发火花间隙动作，间隙导通，直流电压加在金属氧化物限压器两端并超过金属氧化物限压器额定直流电压，金属氧化物限压器动作后电压加在间隙火花放电装置及金属氧化物限压器两端，同时间隙火花放电装置将放电电流控制在合理范围。新的主回路结构采用金属氧化物限压器、GAP、间隙火花放电装置等成熟设备元件，运行可靠性高，降低直流吸能回路造价。
【专利说明】提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，属于提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路的创新技术。
【背景技术】
[0002]为了实现可持续发展，利用以太阳能、风能等可再生能源发电已成为未来电力系统的发展方向。这些发电方式具有远离主电网、随时间波动较大等特点。基于电压源换流器的直流输电(voltage source converter HVDC, VSC-HVDC)可独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，其换流器自换向，能够独立调节换流站交流侧的有功功率和无功功率，具有优越的可控性和灵活性，成为实现可再生能源发电与主电网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。柔性直流输电换流器采用可关断功率器件组成的电压源换流器，逆变站不存在换相失败情况，具备比常规直流输电优越得多的优点。
[0003]电压源换流器直流输电的突出技术优点，使得其在接入间隙性能源等方面大量应用，突出的典型应用是远距离、大规模的海上风电接入，在欧洲和北美已经大量应用。由于风电场等间歇性能源的发电站，一般处于偏于地区或者海上，操作和维护困难；另一方面，为了减少启停对电网的影响，各国均对接入系统的故障穿越能力提出了要求。目前的一般做法是，采用电压源换流器直流输电接入风电，在受端换流站的直流侧并联接入吸能电阻，吸收在受端交流出线故障期间，送端风电场持续的功率输出，避免直流过压导致系统停运，如图1所示。吸能电阻一般通过可关断器件，如绝缘栅双极型晶体管IGBT构成的开关接在极线之间。这种结构的高压IGBT串联开关实现技术难度大，并且使用大量的大功率开关器件，成本很高。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种保障系统安全，提高系统运行可靠性，明显节约投资的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路。
[0005]本实用新型的技术方案是:本实用新型的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，交流受端电网与风电场之间设置有受端换流站、送端换流站，且受端换流站直流侧接入能量吸收装置。
[0006]上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙、间隙火花放电装置、金属氧化物限压器的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有火花间隙的能量吸收装置，或受端换流站与送端换流站之间仅连接有金属氧化物限压器的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有火花间隙与间隙火花放电装置的组合的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有金属氧化物限压器与间隙火花放电装置的组合的能量吸收装置。
[0007]上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2的能量吸收装置，火花间隙L1、间隙火花放电装置GAP1、金属氧化物限压器M0V1、金属氧化物限压器M0V2、间隙火花放电装置GAP2、火花间隙L2按顺序串联。
[0008]上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2的能量吸收装置，火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2按任意顺序串联。
[0009]上述受端换流站与送端换流站之间的交流电网为500kV、330kV、220kV、11OkV、66kV、35kV、10kV、6kV。
[0010]本实用新型采用在受端换流站直流侧接入能量吸收装置的结构，提高电压源换流器在受端换流站交流出线故障情况下的穿越能力，保证直流系统能够在故障期间保持运行，在故障清除后立刻恢复正常运行。此外，本实用新型的能量吸收装置由于采用火花间隙及金属氧化物限压器MOV的结构，由于火花间隙及金属氧化物限压器MOV技术成熟，动作逻辑清晰，通过合理配置设备参数，能够保证投入后将交流故障期间直流侧电压控制在合理范围，进而保障换流器及直流侧设备不产生有危害的过电压，保障系统安全。这种结构采用成熟的设备元件，运行可靠性高，明显节约投资。本实用新型是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为现有直流吸能回路选用电力电子开关的柔性直流系统接线示意图；
[0012]图2是本实用新型直流吸能回路选用火花间隙和金属氧化物限压器MOV的柔性直流系统接线示意图。
【具体实施方式】
[0013]实施例:
[0014]本实用新型的结构示意图如2所示，本实用新型的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，本实用新型的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，交流受端电网与风电场之间设置有受端换流站、送端换流站，且受端换流站直流侧接入能量吸收装置。
[0015]上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙、间隙火花放电装置、金属氧化物限压器的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有火花间隙的能量吸收装置，或受端换流站与送端换流站之间仅连接有金属氧化物限压器的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有火花间隙与间隙火花放电装置的组合的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有金属氧化物限压器MOV与间隙火花放电装置的组合的能量吸收装置。
[0016]上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2的能量吸收装置，火花间隙L1、间隙火花放电装置GAP1、金属氧化物限压器M0V1、金属氧化物限压器M0V2、间隙火花放电装置GAP2、火花间隙L2按顺序串联。
[0017]上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2的能量吸收装置，火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2按任意顺序串联。
[0018]上述受端换流站与送端换流站之间的交流电网为500kV、330kV、220kV、11OkV、66kV、35kV、10kV、6kV。
[0019]本实用新型提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的控制方法，包括如下步骤:
[0020]I)检测到交流受端电网发生短路故障后，直流侧电压超过额定值，则触发间隙火花放电装置GAPl和GAP2导通；
[0021]2)间隙火花放电装置GAPl和GAP2导通后，直流电压施加在金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2两端；
[0022]3)间隙火花放电装置GAPl和GAP2导通动作的同时，金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2进入拐点，通过大电流放电，吸收直流回路能量，最大放电电流由间隙火花放电装置限制；
[0023]4)直流回路通过金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2放电后，直流电压下降，金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2两端电压回到残压，间隙火花放电装置GAPl和GAP2停止导通，金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2残压取值比直流额定值高；
[0024]5)直流侧吸能结束，直流电压限制在额定值左右；
[0025]6)交流受端电网故障清除后，直流系统恢复运行。
[0026]上述步骤I)检测到交流受端电网发生短路故障后，直流侧电压超过额定值1.35pu，则触发间隙火花放电装置GAPl和GAP2导通。
[0027]上述步骤3)金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2保护电压也取在1.35pu。
[0028]本实用新型的动作逻辑如下:
[0029](I)电网正常运行期间，本实用新型所述的能量吸收回路处于高阻抗状态，电网能量由送端换流站经直流线路送到受端换流站，吸收回路中仅流过泄漏电流；正常运行期间实时监测交流受端电网电压及直流线路电压，当检测到交流受端电网发生短路故障且直流线路电压高于额定值1.35pu后，间隙火花放电装置GAPl和GAP2启动，将放电间隙导通；
[0030](2)点火装置启动后，在纳秒级时间内GAPl和GAP2将导通，放电间隙导通后残压为电弧电阻电压，通常低于IkV ;此时直流电压主要施加在金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2两端，金属氧化物限压器MOVl和M0V2保护电压取在1.35pu左右，因此金属氧化物限压器承受的电压超过保护电压动作值，金属氧化物限压器MOVl和M0V2进入拐点；
[0031](3)金属氧化物限压器导通后，M0V1、M0V2、GAP1和GAP2均处于低阻抗状态，直流侧电压主要施加在金属氧化物限压器MOVl和LI (金属氧化物限压器M0V2和L2)两端，回路中通过的最大电流取决于L1、L2的感抗值及金属氧化物限压器MOVl和M0V2阀片特性。直流系统的能量通过火花间隙、金属氧化物限压器MOVl和M0V2及间隙火花放电装置形成的回路释放；
[0032](4)回路中通过电流后，直流系统的能量被金属氧化物限压器MOVl和M0V2消耗，直流电压降低，当金属氧化物限压器MOVl及M0V2承受的电压达到残压值时，金属氧化物限压器MOV和M0V2将恢复高阻抗状态，GAPl和GAP2也停止导通，回路中仅通过泄露电流，放电过程结束，直流系统电压限制在额定值左右；
[0033](5)交流受端电网故障清除，直流系统恢复运行。
【权利要求】
1.一种提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，其特征在于交流受端电网与风电场之间设置有受端换流站、送端换流站，且受端换流站直流侧接入能量吸收装置。
2.根据权利要求1所述的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，其特征在于上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙、间隙火花放电装置、金属氧化物限压器的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有火花间隙的能量吸收装置，或受端换流站与送端换流站之间仅连接有金属氧化物限压器的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有火花间隙与间隙火花放电装置的组合的能量吸收装置，或受端换流站直流侧接入包括有金属氧化物限压器与间隙火花放电装置的组合的能量吸收装置。
3.根据权利要求2所述的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，其特征在于上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2的能量吸收装置，火花间隙L1、间隙火花放电装置GAP1、金属氧化物限压器M0V1、金属氧化物限压器M0V2、间隙火花放电装置GAP2、火花间隙L2按顺序串联。
4.根据权利要求2所述的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，其特征在于上述受端换流站直流侧接入包括有火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2的能量吸收装置，火花间隙LI及L2、间隙火花放电装置GAPl和GAP2、金属氧化物限压器MOVl和金属氧化物限压器M0V2按任意顺序串联。
5.根据权利要求1至4任一项所述的提高电压源换流器直流输电故障穿越能力的主回路，其特征在于上述受端换流站与送端换流站之间的交流电网为500kV、330kV、220kV、110kV、66kV、35kV、10kV、6kV。
【文档编号】H02H9/04GK203722247SQ201320846357
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】饶宏, 许树楷, 黎小林, 冯满盈, 李立浧, 候婷, 朱喆, 陈俊, 魏伟, 陈名 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司