换流站的制作方法

本实用新型涉及通过高压直流链路在交流网络之间传递电力的装置，更具体地说，涉及对所述装置升级而得到的装置。

背景技术：

对于远距离的或针对特殊应用的大容量电力传输，高压直流传输系统(HVDC)是一种高效的解决方案。目前，高压直流传输系统所使用的换流器可分为电网换相换流器(line commutated converter,LCC)和电压源型换流器(voltage source converter,VSC)。较早使用的电网换相换流器采用汞弧阀，从70年代开始，晶闸管广泛地应用于电网换相换流器。如今，已经建设了多于100个基于电网换相换流器的高压直流传输系统。

然而，晶闸管可以受控导通，其关断却依赖于外部的交流系统。这限制了高压直流传输系统的应用范围并且带来各种弊端，例如换相失败。此外，电网换相换流器高压直流传输系统需要大量的交流滤波器来抑制谐波电流分量并且对无功进行补偿。

从90年代后半段开始，电压源型换流器高压直流传输系统获得了显著的发展，例如广泛地应用于离岸风场的连接、城市供电(city-infeed)、背靠背系统(BtB)和直流电网系统。电压源型换流器高压直流传输系统通常采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为换流阀，其具有受控导通和受控关断能力。这使得电压源型换流器的控制比较灵活，从而高压直流传输系统可以在弱交流系统中运行，甚至可以对无源网络提供电力。此外，多数电压源型换流器具有较小的体积。

由于上述优势以及随着电压源型换流器高压直流传输系统的电压等级和功率容量的显著提高，采用电压源型换流器来替代现有的电网换相换流器来对电网换相换流器高压直流传输系统成为可能，其解决了在多馈入(multi-infeed)区域的换相失败的问题，并且提高了电网系统的安全性和控制的灵活性。电压源型换流器的拓扑包括两电平电压源型换流器、三电平电压源型换流器以及模块化多电平电压源型换流器(modular multilevel converter,MMC)。图1A、1B和1C分别示出两电平电压源型换流器、三电平电压源型换流器以及模块化多电平电压源型换流器。与两电平电压源型换流器和三电平电压源型换流器比较而言，模块化多电平电压源型换流器具有更高的效率和更低的总谐波畸变率。然而，由于其每个模块中采用大量的电容器，模块化多电平电压源型换流器的换流阀的尺寸和重量较大，其甚至高于电网换相换流器的换流阀。

例如，专利申请CN105262125A公开了以模块化多电平电压源型换流器替代12脉动电网换相换流器来对电网换相换流器高压直流传输系统升级的技术方案，同时保留原电网换相换流器高压直流传输系统的换流器变压器、穿墙套管和接地极。

但是，如上所述模块化多电平电压源型换流器的所使用的换流阀的总体积和重量通常高于电网换相换流器的换流阀，这使得难以重复使用原电网换相换流器的阀厅来安装模块化多电平电压源型换流器的换流阀。因此需要新的阀厅或者对旧的阀厅进行扩展。这延长了升级工程的周期并且带来额外的成本。

技术实现要素：

针对上述技术问题，根据本实用新型的一个方面提供一种从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站，其中：所述电网换相换流器高压直流换流站包括：电网换相换流器组；将所述电网换相换流器组的直流侧电气耦合到高压直流传输网络的第一直流端子和第二直流端子、变流器变压器组、与所述电网换相换流器组的交流侧通过所述变流器变压器组电气耦合的交流母线和与所述电网换相换流器组电气耦合的交流滤波器，用于抑制在所述电网换相换流器高压直流换流站使用中所述电网换相换流器组馈送至所述交流母线的谐波；升级换流器组，其包括替代所述电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组中至少一个电网换相换流器的至少一个电压源型换流器，所述升级换流器组的直流侧电气耦合到所述高压直流传输网络的第一直流端子和第二直流端子并且其交流侧通过所述电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组与所述电网换相换流器高压直流换流站的交流母线电气耦合；以及所述升级换流器组中的电压源型换流器的输出电压的电平数低于一预定值以便所述升级换流器组所使用的换流阀的总体积小于所述电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组所使用的换流阀的总体积。

根据本实用新型的另一个方面，提供一种从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站，其中：所述电网换相换流器高压直流换流站包括：电网换相换流器组、将所述电网换相换流器组的直流侧电气耦合到高压直流传输网络的第一直流端子和第二直流端子、变流器变压器组、与所述电网换相换流器组的交流侧通过所述变流器变压器组电气耦合的交流母线和与所述电网换相换流器组电气耦合的交流滤波器，用于抑制在所述电网换相换流器高压直流换流站使用中所述电网换相换流器组馈送至所述交流母线的谐波；替代所述电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组的基于受控关断器件的电流源型换流器组，其直流侧电气耦合到所述高压直流传输网络的第一直流端子和第二直流端子并且其交流侧通过所述电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组与所述电网换相换流器高压直流换流站的交流母线电气耦合；以及所述基于受控关断器件的电流源型换流器组中的每个基于受控关断器件的电流源型换流器的输出电压的电平数低于一预定值以便所述基于受控关断器件的电流源型换流器组的体积小于所述电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组所使用的换流阀的总体积。

电压源型换流器的换流阀数目随着其输出电压的电平数的增加而增加，反之亦然。随着换流阀数目的增加，电压源型换流器所采用的换流阀的总体积也增加，反之亦然。因此，通过降低电压源型换流器的输出电压的电平数，可以有效地减小其换流阀的总体积。这使得可以重复使用原电网换相换流器的阀厅来安装电压源型换流器的换流阀。这缩短了升级工程的周期并且降低了成本。

优选地，所述升级换流器组包括替代所述电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组中每个电网换相换流器的相应的电压源型换流器。相对于替换部分电网换相换流器而言，这进一步减小换流阀的总体积或者在可以重复使用原电网换相换流器的阀厅来安装电压源型换流器的换流阀的条件下选用较低输出电压电平数的电压源型换流器。

优选地，所述电压源型换流器的输出电压的调制频率还依据所述电网换相换流器高压直流换流站的交流滤波器的参数来选择，以便在所述升级得到的换流站的使用中，所述交流滤波器将所述升级换流器组馈送至所述交流母线的谐波抑制到预定水平。

优选地，所述升级换流器组包括串联或并联连接的电网换相换流器和两电平电压源型换流器。串联连接可以承受较高的直流电压，并联连接可以解决直流电流超过了换流阀容量的问题。

优选地，所述升级换流器组的电压源型换流器采用基频调制、优化PWM调制、或准两电平调制方案。

优选地，所述升级换流器组包括串联或并联连接的、基于全控功率器件的两电平电压源型换流器。实践上表明，两电平电压源型换流器的换流阀的总体积小于电网换相换流器的换流阀的总体积。

优选地，在所述升级换流器组和所述电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组之间布置换流电抗器组，以及在所述升级换流器组和所述电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组之间布置交流电抗器。因此，具有较低的输出电压的电平数的电压源型换流器升级换流器组的交流输出谐波可以进一步得到抑制。

附图说明

图1A、1B和1C分别示出两电平电压源型换流器、三电平电压源型换流器以及模块化多电平电压源型换流器；

图2和图3示出根据本实用新型的第一实施例的从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站；

图4示出根据本实用新型的第二实施例的从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站；

图5示出根据本实用新型的第三实施例的从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站；以及

图6示出准两电平调制方案的波形图。

具体实施方式

图2和图3示出根据本实用新型的第一实施例的从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站。图2和图3以单极系统为例说明本实用新型，本领域的技术人员应当了解其也适用于双极系统。下文提到的电气耦合包括直接电气连接和间接电气连接。

图2示出升级前的电网换相换流器高压直流换流站20，其包括电网换相换流器组200，将电网换相换流器组200的直流侧电气耦合到高压直流传输网络的第一直流端子201和第二直流端子202，变流器变压器组203，与电网换相换流器组200的交流侧通过变流器变压器组电气耦合的交流母线204，和与电网换相换流器组200电气耦合的交流滤波器205，用于抑制在电网换相换流器高压直流换流站20使用中电网换相换流器组200馈送至交流母线204的谐波。例如如图2所示，电网换相换流器组200可以包括其直流侧彼此串联连接的两个电网换相换流器200a，200b。为了整形直流电流，在高压直流传输网络的第一直流端子201和与其电气耦合的电网换相换流器组200的直流端之间可插入直流平波电抗器206。为了消除电网换相换流器组200在其直流侧所产生的谐波，可在其直流侧并联连接直流滤波器207。

图3示出从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站。通过对电网换相换流器高压直流换流站20进行升级，构建升级后的换流站30。具体而言，将电网换相换流器高压直流换流站20的电网换相换流器组200替代为升级换流器组300，其直流侧电气耦合到高压直流传输网络的第一直流端子201和第二直流端子202并且其交流侧通过电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组203与电网换相换流器高压直流换流站的交流母线204电气耦合。例如如图2所示，升级换流器组300可以包括其直流侧彼此串联连接的两个电压源型换流器300a，300b。

为了解决重复使用原电网换相换流器的阀厅来安装升级换流器组300的换流阀，需要选择适合的电压源型换流器的拓扑结构。

从原理上讲，电压源型换流器的换流阀数目随着其输出电压的电平数的增加而增加，反之亦然。随着换流阀数目的增加，电压源型换流器所采用的换流阀的总体积也增加，反之亦然。因此，通过降低电压源型换流器的输出电压的电平数，可以有效地减小其换流阀的总体积。例如，在两电平电压源型换流器、三电平电压源型换流器以及模块化多电平电压源型换流器中，可以选择采用基于全控功率器件的两电平电压源型换流器。实践上表明，两电平电压源型换流器的换流阀的总体积小于电网换相换流器的换流阀的总体积。概括来讲，可以按照如下条件来选择：升级换流器组中的每个电压源型换流器的输出电压的电平数低于一预定值以便该升级换流器组所使用的换流阀的总体积小于原电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组所使用的换流阀的总体积。这使得可以重复使用原电网换相换流器的阀厅来安装电压源型换流器的换流阀。这缩短了升级工程的周期并且降低了成本。

随着电压源型换流器输出电压的电平数的减小，在换流站30位于受端(即，升级换流器组300工作于逆变模式)的情况下，其对交流母线204的交流输出的谐波将增加。因此，具有较低的输出电压的电平数的电压源型换流器会对交流输出的电能质量带来不利的影响。但是，实践表明，由于在升级后的换流站30中保留了交流滤波器205，其可有效地抑制升级换流器组300的交流输出的谐波。

具体而言，由于电网换相换流器使用汞弧阀或晶闸管，其关断却依赖于外部的交流系统。在升级前的电网换相换流器高压直流换流站20中，必然需要大量的交流滤波器来抑制谐波电流分量并且对无功进行补偿，例如交流滤波器205。与之不同，电压源型换流器高压直流传输系统通常采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为换流阀，其具有受控导通和受控关断能力，这使得电压源型换流器的控制比较灵活。电压源型换流器的上述自身特性使得其工作在逆变模式时，相对于基于晶闸管的电网换相换流器而言，其交流输出的谐波特性更好。因此，就谐波电流分量的抑制而言，电压源型换流器对电气耦合至其交流侧的交流滤波器的要求没有电网换相换流器高。基于上述分析，升级前的电网换相换流器高压直流换流站20的交流滤波器205的这部分冗余的谐波电流分量抑制能力可以在升级后的换流站30中得到重复利用，即用于抑制由于较低的输出电压的电平数的电压源型换流器所带来的谐波电流分量的增加。

此外，由于采用电压源型换流器，在高压直流传输网络的第一直流端子201和与其电气耦合的电网换相换流器组200的直流端之间插入的直流平波电抗器206可以移除或替换为电抗值比较小的电抗器。此外，为了防止直流线路故障所引起的短路电流，还可以在直流线路上安装功率二极管208或直流断路器。

图4示出根据本实用新型的第二实施例的从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站。与图3所示的换流站30的升级换流器组30采用串联连接的两个电压源型换流器300a，300b不同，升级后的换流站40的升级换流器组400包括并联连接的基于全控功率器件的两电平电压源型换流器400a，400b。其他电气耦合关系与图3所示的换流站30所描述的类似。并联连接可以解决直流电流超过了换流阀容量的问题。

图5示出根据本实用新型的第三实施例的从电网换相换流器高压直流换流站升级得到的换流站。与图3所示的换流站30的升级换流器组30采用串联连接的两个电压源型换流器300a，300b不同，升级后的换流站50以基于受控关断器件的电流源型换流器组500替代电网换相换流器高压直流换流站20的电网换相换流器组200。例如如图5所示，基于受控关断器件的电流源型换流器组500可以包括其直流侧彼此串联连接的两个基于受控关断器件的电流源型换流器500a，500b。本领域的技术人员应当了解，基于受控关断器件的电流源型换流器500a，500b也可以并联连接，以便解决直流电流超过了换流阀容量的问题。其他电气耦合关系与图3所示的换流站30所描述的类似。由于基于受控关断器件的电流源型换流器组500采用受控关断器件作为换流阀，相对于基于晶闸管的电网换相换流器而言，其交流输出的谐波特性更好。因此，就谐波电流分量的抑制而言，基于受控关断器件的电流源型换流器对电气耦合至其交流侧的交流滤波器的要求没有电网换相换流器高。基于类似的原理，升级前的电网换相换流器高压直流换流站20的交流滤波器205的冗余的谐波电流分量抑制能力可以用于抑制由于较低的输出电压的电平数的基于受控关断器件的电流源型换流器所带来的谐波电流分量的增加。此外，与电压源型换流器比较而言，基于受控关断器件的电流源型换流器无直流功率不连续问题以及直流故障清除问题。

优选地，如图3和图4所示，电压源型换流器300a，300b，400a，400b的输出电压的调制频率依据电网换相换流器高压直流换流站20的交流滤波器205的参数来选择，以便在所述升级得到的换流站30，40的使用中，交流滤波器205将升级换流器组300,400馈送至交流母线204的谐波抑制到预定水平。在系统故障或其它暂态中，调制频率可以提高以保证动态响应特性。

优选地，升级换流器组300，400的电压源型换流器300a，300b，400a，400b采用基频调制、优化PWM调制、或准两电平调制方案。图6示出准两电平调制方案的波形图。U_AN表示A相相电压，U_d表示电压源型换流器的直流电压。通过采用准两电平调制方案，施加到变流器变压器组203的电压变化率可以进一步减小。

优选地，如图3和图4所示，在升级换流器组300，400和电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组203之间可布置换流电抗器组301，401。通过引入换流电抗器组301，401，具有较低的输出电压的电平数的电压源型换流器升级换流器组300，400的交流输出谐波可以进一步得到抑制。

优选地，如图3所示，在升级换流器组300和电网换相换流器高压直流换流站的变流器变压器组203之间可布置交流电抗器302。通过引入交流电抗器302，具有较低的输出电压的电平数的电压源型换流器升级换流器组300的交流输出谐波可以进一步得到抑制。

作为替代方式，与本实用新型的第一实施例和第二实施例不同，升级换流器组可以包括替代图2所示升级前的电网换相换流器高压直流换流站20的电网换相换流器组200中的某电网换相换流器的电压源型换流器，例如电网换相换流器200a，而保留其他电网换相换流器，例如电网换相换流器200a。由此，升级换流器组可以包括混合类型的换流器，电网换相换流器和电压源型换流器。也就是说，升级换流器组可以包括替代所述电网换相换流器高压直流换流站的电网换相换流器组中至少一个电网换相换流器的至少一个电压源型换流器。

虽然已参照本实用新型的某些优选实施例示出并描述了本实用新型，但本领域技术人员应当明白，在不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式上和细节上对其做出各种变化。