一种高压直流输电系统的制作方法

本发明涉及一种高压直流输电系统，具体涉及一种包含多种供电电源的高压直流输电系统。

背景技术：

现有高压直流输电系统通常采用稳定的火电和核电作为电源，未能充分考虑分布式电源接入大电网的可能，然而，分布式能源具有节能、环保等特点，其将来必将逐步取代火电和核电，成为电力系统主要电源，因此，在设计大电网系统时，有必要考虑将其作为电源的情况，但是，大电网对可靠运行有独特的需要，当大电网因为电源不稳定而发生故障时，对其所供电的相当大区域的将带来巨大的危害，为此，需要考虑将分布式电源不稳定运行的特性考虑到大电网输电系统的设计中，将高压输电系统因为分布式电源的不稳定导致发生故障的概率降至最低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种更灵活、更可靠、更经济的高压直流输电系统，充分利用了电网区域覆盖的分布式能源，同时，通过与其它可靠电源或储能装置协调配合工作，保证了供电的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种高压直流输电系统，高压直流输电系统包括如下元件：高压交流进线101、换流站104、变压器102、变压器103、换流站104、换流站105、换流站106、变压器107、高压交流进线108、变压器109、换流站110、高压交流进线111、变压器112、变压器113、换流站114、换流站115、换流站116、变压器117、高压交流进线118、变压器119、换流站120、高压直流母线121和高压直流母线122，具体是：高压交流进线101分别与变压器102和变压器103相连，变压器102与换流站104相连，换流站104与换流站106相连，换流站106与高压直流母线121相连，变压器103与换流站105相连，换流站105与换流站110相连，高压交流进线108分别于变压器107和变压器109相连，变压器107与换流站106相连，变压器109与换流站110相连，高压交流进线118分别与变压器117和变压器119相连，变压器119与换流器120相连，换流器120与换流器115相连，换流器115与变压器113相连，高压交流进线111分别与变压器112和变压器113相连，变压器112与换流器114相连，换流器114与换流器116相连，换流器116与高压直流母线122相连。

高压交流进线101和高压交流进线102的电源来自火力发电厂或核电厂，高压交流进线108和高压交流进线118来自分布式电源，分布式电源供电稳定时，换流站106、换流站110、换流站116和换流站120投入运行，换流站104、换流站105、换流站114和换流站115退出运行，由分布式电源为高压直流输电系统供电，电能经变压器109、换流站110、换流站105内的旁路开关、换流站104内的旁路开关、换流站106输送至高压直流母线121，电能经变压器119、换流站120、换流站115内的旁路开关、换流站114内的旁路开关、换流站116输送至高压直流母线122。

当分布式电源供电稳定时，换流站106、换流站110、换流站116和换流站120内储能单元投切开关闭合为储能单元充电。

当分布式电源不稳定或发生故障时，分布式电源对应的换流站内换流器退出运行，换流站内储能单元投切开关闭合，由储能单元向高压直流母线供电。

当高压交流进线108对应的分布式电源不稳定或发生故障时，换流站106和换流站110内换流器退出运行，换流站106和换流站110内储能单元投切开关闭合，换流站106和换流站110内储能单元作为高压直流母线121供电电源，电能经换流站110内储能单元、换流站105内的旁路开关、换流站104内的旁路开关、换流站106内储能单元输送至高压直流母线121，电能经变压器119、换流站120、换流站115内的旁路开关、换流站114内的旁路开关、换流站116输送至高压直流母线122。

当分布式电源不稳定或发生故障且换流站内储能单元放电后电力不足时，换流站104、换流站105、换流站114或换流站115内储能单元部分投入运行或全部投入运行。

当分布式电源不稳定或发生故障且换流站内储能单元电力不足时，高压交流进线101或高压交流进线102对应的稳定电源投入运行，作为高压直流输电系统电源。

当高压交流进线108对应的分布式电源不稳定或发生故障，且换流站104、换流站105、换流站106和换流站110内储能单元电力不足时，换流站106和换流站110旁路开关闭合，储能单元开关断开，换流器退出运行，此时，电能经换流站105、换流站104、换流站106内旁路开关、输送至高压直流母线121；当高压交流进线118对应的分布式电源不稳定或发生故障，且换流站114、换流站115、换流站116和换流站120内储能单元电力不足时，换流站116和换流站120旁路开关闭合，储能单元开关断开，换流器退出运行，此时，电能经换流站115、换流站114、换流站116内旁路开关、输送至高压直流母线122。

当换流站104、换流站105、换流站106、换流站110、换流站114、换流站115、换流站116或换流站120发生故障或检修时，该换流站退出运行，其对应的旁路开关闭合，其它换流站作为后备换流站投入运行。

换流站内换流器控制系统包括如下元件：全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305、全控型半导体开关306、电压传感器307、电压传感器308、电压传感器309、电压传感器310、电压传感器311、电压传感器312、电流传感器313、电流传感器314、电流传感器315和半导体开关控制器316。全控型半导体开关301和全控型半导体开关302串联组成U相桥臂，全控型半导体开关303和全控型半导体开关304串联组成V相桥臂，全控型半导体开关305和全控型半导体开关306串联组成W相桥臂，电流传感器313采集U相桥臂电流，电流传感器314采集V相桥臂电流，电流传感器315采集W相电流，采集到的桥臂电流输入到半导体开关控制器316，当每相桥臂的电流超过阈值，发生过电流时，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306，实现对换流器进行保护，当三相桥臂的电流不平衡度超过一定阈值时，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306，当电流传感器采集到的U相桥臂电流、V相桥臂电流和W相桥臂电流不为零时，和/或同一桥臂的上下两个半导体开关同时导通或同时关断，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306，电压互感器307检测全控型半导体开关301端电压，电压互感器308检测全控型半导体开关302端电压，电压互感器309检测全控型半导体开关303端电压，电压互感器310检测全控型半导体开关304端电压，电压互感器311检测全控型半导体开关305端电压，电压互感器312检测全控型半导体开关306端电压，电压互感器将检测到的电压值输入至半导体开关控制器316，当全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305或全控型半导体开关306导通周期高于或低于T/3时，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306，当半导体开关控制器316检测到少于上桥臂半导体开关导通个数大于1或小于1时，和/或当下桥臂半导体开关导通个数大于1或小于1时，和/或导通的半导体开关个数大于2或小于2时，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306。

实施本发明的高压直流输电系统，具有以下有益效果，使得高压直流输电系统更灵活、更可靠、更经济，将电网区域覆盖的分布式能源得到了充分的利用，同时利用其它可靠电源或储能装置保证了供电的可靠性，每一直流线路中的换流器，两用两备，方便了换流器的检修；对换流站内换流器采用电压、电流保护，通过采集每个桥臂的电流值，每个半导体开关端电压值，准确及时判断出换流器内容易发生故障的半导体开关是否发生故障，当检测到故障时，立刻闭锁全部开关，该检测方式简单、稳定可靠；采用复合开关作为旁路开关和投切开关，提高了开关大电流分段能力，同时在发生故障时，降低切断故障电流的时间，间接保护了换流器，采用独特的控制系统对换流站内的换流器进行控制，可以避免因线路损耗的波动，导致换流器直流输出电压的误差，实现真正意义上的换流器输出电压的恒定。

附图说明

图1 高压直流输电系统配置图。

图2 换流站系统配置图。

图3 换流站内换流器控制系统图。

图4 换流站内旁路开关和储能单元投切开关结构图。

图5换流站内换流器的控制系统架构图。

具体实施方式

图1高压直流输电系统主要包括如下元件：高压交流进线101、换流站104、变压器102、变压器103、换流站104、换流站105、换流站106、变压器107、高压交流进线108、变压器109、换流站110、高压交流进线111、变压器112、变压器113、换流站114、换流站115、换流站116、变压器117、高压交流进线118、变压器119、换流站120、高压直流母线121和高压直流母线122。

高压交流进线101和高压交流进线102的电源来自火力发电厂或核电厂等相对稳定的电源，高压交流进线108和高压交流进线118来自风力发电厂或光伏发电厂等欠稳定的分布式电源。分布式电源供电稳定时，换流站106、换流站110、换流站116和换流站120投入运行，换流站104、换流站105、换流站114和换流站115退出运行，由分布式电源为高压直流输电系统作为供电电源，电能经变压器109、换流站110、换流站105内的旁路开关、换流站104内的旁路开关、换流站106输送至高压直流母线121，电能经变压器119、换流站120、换流站115内的旁路开关、换流站114内的旁路开关、换流站116输送至高压直流母线122，换流站106、换流站110、换流站116和换流站120内储能单元投切开关闭合为储能单元充电。当分布式电源不稳定或发生故障时，分布式电源对应的换流站内换流器退出运行，换流站内储能单元投切开关闭合，由储能单元向高压直流母线供电。例如：当高压交流进线108对应的分布式电源不稳定或发生故障时，换流站106和换流站110内换流器退出运行，换流站106和换流站110内储能单元投切开关闭合，换流站106和换流站110内储能单元作为高压直流母线121供电电源，电能经换流站110内储能单元、换流站105内的旁路开关、换流站104内的旁路开关、换流站106内储能单元输送至高压直流母线121，电能经变压器119、换流站120、换流站115内的旁路开关、换流站114内的旁路开关、换流站116输送至高压直流母线122；当高压交流进线118对应的分布式电源不稳定或发生故障时，换流站116和换流站120内换流器退出运行，换流站116和换流站120内储能单元投切开关闭合，换流站116和换流站120内储能单元作为高压直流母线122供电电源，电能经换流站120内储能单元、换流站115内的旁路开关、换流站114内的旁路开关、换流站116内储能单元输送至高压直流母线122，电能经变压器109、换流站110、换流站105内的旁路开关、换流站104内的旁路开关、换流站106输送至高压直流母线121。

当分布式电源不稳定或发生故障且换流站内储能单元放电后电力不足时，换流站104、换流站105、换流站114或换流站115内储能单元部分投入运行或全部投入运行。例如：当高压交流进线108对应的分布式电源不稳定或发生故障，换流站106和换流站110内储能单元作为高压直流母线121的供电电源，当储能单元随着电力释放不足以维持高压直流母线121电压时，换流站105内储能单元投入运行，此时，电能经换流站110内储能单元、换流站105内的储能单元、换流站104内的旁路开关、换流站106内的储能单元输送至高压直流母线121；当储能单元随着电力释放又不足以维持高压直流母线121电压时，换流站104内储能单元同时投入运行，此时，电能经换流站110内储能单元、换流站105内的储能单元、换流站104内的储能单元、换流站106内的储能单元输送至高压直流母线121；当高压交流进线118对应的分布式电源不稳定或发生故障，换流站116和换流站120内储能单元作为高压直流母线122的供电电源，当储能单元随着电力释放不足以维持高压直流母线122电压时，换流站115内储能单元投入运行，此时，电能经换流站120内储能单元、换流站115内的储能单元、换流站114内的旁路开关、换流站116内的储能单元输送至高压直流母线122；当储能单元随着电力释放又不足以维持高压直流母线122电压时，换流站114内储能单元同时投入运行，此时，电能经换流站120内储能单元、换流站115内的储能单元、换流站114内的储能单元、换流站116内的储能单元输送至高压直流母线122。

当分布式电源不稳定或发生故障且换流站内储能单元电力不足时，高压交流进线101或高压交流进线102对应的稳定电源投入运行，作为高压直流输电系统电源。例如：当高压交流进线108对应的分布式电源不稳定或发生故障，且换流站104、换流站105、换流站106和换流站110内储能单元电力不足时，换流站106和换流站110旁路开关闭合，储能单元开关断开，换流器退出运行，此时，电能经换流站105、换流站104、换流站106内旁路开关、输送至高压直流母线121；当高压交流进线118对应的分布式电源不稳定或发生故障，且换流站114、换流站115、换流站116和换流站120内储能单元电力不足时，换流站116和换流站120旁路开关闭合，储能单元开关断开，换流器退出运行，此时，电能经换流站115、换流站114、换流站116内旁路开关、输送至高压直流母线122。

当换流站104、换流站105、换流站106、换流站110、换流站114、换流站115、换流站116或换流站120发生故障或检修时，该换流站退出运行，其对应的旁路开关闭合，其它换流站作为后备换流站投入运行。例如：换流站106发生故障或检修时，换流站106内旁路开关闭合，换流站104或换流站105作为后备换流站投入运行，此时，电能经换流站110、换流站105、换流站104旁路开关、106旁路开关输送至高压直流母线121。

图2换流站系统主要包括如下元件：旁路开关201、阻抗单元202、储能单元203、储能单元投切开关204和换流器205。阻抗单元202、储能单元203、和储能单元投切开关204串联组成串联支路，该串联支路分别与旁路开关201和换流器205并联。

图3换流站内换流器控制系统包括如下元件：全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305、全控型半导体开关306、电压传感器307、电压传感器308、电压传感器309、电压传感器310、电压传感器311、电压传感器312、电流传感器313、电流传感器314、电流传感器315和半导体开关控制器316。全控型半导体开关301和全控型半导体开关302串联组成U相桥臂，全控型半导体开关303和全控型半导体开关304串联组成V相桥臂，全控型半导体开关305和全控型半导体开关306串联组成W相桥臂。

电流传感器313采集U相桥臂电流，电流传感器314采集V相桥臂电流，电流传感器315采集W相电流，采集到的桥臂电流输入到半导体开关控制器316，当每相桥臂的电流超过阈值，发生过电流时，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306，实现对换流器进行保护，当三相桥臂的电流不平衡度超过一定阈值时，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306，实现对换流器进行保护。当电流传感器采集到的U相桥臂电流、V相桥臂电流和W相桥臂电流不为零时，此时，同一桥臂的上下两个半导体开关同时导通或同时关断，而换流器正常工作时，不存在同一桥臂的上下两个半导体开关同时导通或关断的状态，说明此时部分半导体开关发生故障，为保护换流器，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306。

电压互感器307检测全控型半导体开关301端电压，电压互感器308检测全控型半导体开关302端电压，电压互感器309检测全控型半导体开关303端电压，电压互感器310检测全控型半导体开关304端电压，电压互感器311检测全控型半导体开关305端电压，电压互感器312检测全控型半导体开关306端电压，电压互感器将检测到的电压值输入至半导体开关控制器316。当换流器正常工作时，每个全控型半导体开关导通角度为120度，当输入交流电周期为T时，在一个周期T内，每个全控型半导体开关导通T/3，半导体开关导通时其管压降低于一定阈值，半导体开关控制器316根据各半导体开关端电压判断其在一个周期内导通的时间，当全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305或全控型半导体开关306导通周期高于或低于T/3时，说明此时部分半导体开关发生故障，为保护换流器，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306。当换流器正常工作时，具有六个正常工作状态，即全控型半导体开关301、304同时导通,全控型半导体开关301、306同时导通,全控型半导体开关303、306同时导通,全控型半导体开关303-302同时导通，全控型半导体开关305-302同时导通，全控型半导体开关305-304同时导通，正常工作状态下，仅有一个上桥臂半导体开关和一个下桥臂半导体开关同时导通，当半导体开关控制器316检测到少于上桥臂半导体开关导通个数大于1或小于1时，说明部分半导体开关发生故障，当下桥臂半导体开关导通个数大于1或小于1时，说明半导体开关发生故障，当换流器每一时刻，导通的半导体开关个数大于2或小于2时，说明半导体开关发生故障，为保护换流器，半导体开关控制器316输出闭锁信号至全控型半导体开关301、全控型半导体开关302、全控型半导体开关303、全控型半导体开关304、全控型半导体开关305和全控型半导体开关306。

图4换流站内旁路开关和储能单元投切开关包括如下元件：辅助直流断流器401、快速刀闸402、主直流断路器403、主直流断路器404、主直流断路器405和主直流断路器406。主直流断路器由4个全控型半导体开关串联后与耗能器件并联而成。当投切开关需要断开时，辅助直流断流器401首先关断，之后快速刀闸402关断，最后主直流断路器403~406同时关断，由耗能器件消耗剩余电流。

图5为换流站内换流器的控制系统架构图，该控制架构包括如下元件：电压传感器501、减法器502、电压比例积分控制器503、电压幅值限制器504、电流传感器505、加法器506、相控角调节器507、电压传感器508、相控角控制电路509、脉冲放电器510。电压检测器501检测换流器直流输出侧正极和负极电压，并将该电压信号输入至减法器502的负(-)输入端，直流参考电压输出值输入至减法器502的正(+)输入端，减法器502输出电压差值信号输入至电压比例积分控制器503、电压比例积分控制器503输出信号至电压幅值限制器504、电压幅值限制器504输出信号至加法器506，相控角参考值输入至加法器506、加法器506输出信号至相控角调节器507、电流传感器505输出检测到的换流器直流输出信号至相控角调节器507，电压传感器508输出电压检测信号至相控角调节器507、相控角调节器507输出信号至相控角控制电路509、相控角控制电路509输出控制信号至脉冲放大器510，由脉冲放电器510控制换流器上的半导体开关通断脉宽，实现换流器导通角的控制。相控角调节器的算法公式为，，其中,α为换流器的相控角，为相控角参考值，为线路传输阻抗，i为换流器输出的直流电流值，为换流器输出的直流线路上的电压损耗值。采用上述控制架构对换流站内的换流器进行电压控制，可以避免因线路损耗的波动，导致换流器直流输出电压的误差，实现真正意义上的换流器输出电压的恒定。