一种具有直流故障自清除能力的混合式直流输电拓扑结构的制作方法

本发明属于电力系统输电技术领域，具体涉及一种具有直流故障自清除能力的混合式直流输电拓扑结构。

背景技术：

远距离大容量高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)是我国电网发展的一个重要趋势。然而，基于电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的传统直流输电技术受到受端电网多直流馈入问题的制约。受端交流系统短路故障引起多回直流线路同时换相失败，不但造成较大的功率不平衡和潮流转移，还会引起电压稳定问题，足以威胁整个系统安全稳定运行。解决换相失败问题的一个途径是采用基于电压源换流器(voltage source converter，VSC)的柔性直流输电技术，只要逆变器采用电压源换流器，比如采用模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)，那么就彻底消除了换相失败问题。

基于半桥子模块的常规MMC-HVDC拓扑应用于远距离架空线路输电时，当直流侧发生短路故障时，无法像传统直流输电那样通过换流器自身的控制来清除直流侧故障，其清除直流侧故障的方法是跳换流站交流侧断路器，故障处理和直流系统恢复的时间较长。另外，如果直流输电的整流站和逆变站都采用MMC换流器，工程成本加大大增加。上述两个原因制约了MMC-HVDC在远距离架空线路输电场合的应用。

为了能够综合LCC-HVDC和MMC-HVDC的优势，非常有必要研究一种具有直流故障自清除能力的混合式直流输电拓扑。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种具有直流故障自清除能力的混合式直流输电拓扑结构，其综合了LCC-HVDC和MMC-HVDC的优势，具有直流故障自清除能力，并且降低了对二极管阀组绝缘的要求，能够大大降低工程造价，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

一种具有直流故障自清除能力的混合式直流输电拓扑结构，包括整流站和逆变站，整流站与逆变站通过直流线路相连；其中：

所述整流站采用LCC构成，所述逆变站采用MMC和功率二极管阀组构成。

若所述混合式直流输电拓扑结构为单极系统，则整流站由一台LCC机组构成，该LCC机组的直流侧高压端与直流线路连接，直流侧低压端接地；

若所述混合式直流输电拓扑结构为双极系统，则整流站由两台LCC机组构成，其中第一LCC机组的直流侧高压端与正极直流线路连接，第一LCC机组的直流侧低压端与第二LCC机组的直流侧高压端相连并接地，第二LCC机组的直流侧低压端与负极直流线路连接。

所述LCC机组由多个LCC串联组成，所述LCC采用十二脉动桥式结构，其每个桥臂均由若干个晶闸管串联组成。

若所述混合式直流输电拓扑结构为单极系统，则逆变站由一台MMC机组和一个功率二极管阀组构成，其中MMC机组的直流侧高压端与直流线路连接，直流侧低压端与功率二极管阀组的阳极连接，功率二极管阀组的阴极接地；

若所述混合式直流输电拓扑结构为双极系统，则逆变站由两台MMC机组和两个功率二极管阀组构成，其中第一MMC机组的直流侧高压端与正极直流线路连接，第一MMC机组的直流侧低压端与第一功率二极管阀组的阳极连接，第一功率二极管阀组的阴极与第二功率二极管阀组的阳极相连并接地，第二功率二极管阀组的阴极与第二MMC机组的直流侧高压端连接，第二MMC机组的直流侧低压端与负极直流线路连接。

所述MMC机组由多个MMC通过串联和并联结合构成，所述MMC采用三相六桥臂结构，其每个桥臂均由若干个换流子模块级联组成。

所述功率二极管阀组由多个功率二极管通过串联和并联结合构成。

本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明混合式直流输电拓扑具有直流故障自清除能力，在发生直流故障时不需要跳开交流开关。

(2)本发明混合式直流输电拓扑的逆变侧不会发生换相失败，彻底解决了传统直流输电换相失败的问题。

(3)稳态时本发明混合式直流输电拓扑中的二极管阀组对地电位为零，可以显著降低二极管阀组对绝缘的要求。

(4)由于二极管阀组造价比换流器造价低非常多，因此本发明混合式直流输电拓扑能够大大降低工程成本，提高工程经济性。

附图说明

图1为本发明混合式直流输电拓扑的双极结构示意图。

图2为本发明混合式直流输电拓扑的单极结构示意图。

图3为MMC的拓扑结构示意图。

图4为整流侧LCC定直流电流的控制结构框图。

图5为逆变侧MMC定直流电压及定无功功率的控制结构框图。

图6为整流侧正极直流母线电压的仿真波形示意图。

图7为整流侧正极直流电流的仿真波形示意图。

图8为逆变侧正极直流母线电压的仿真波形示意图。

图9为逆变侧正极直流电流的仿真波形示意图。

图10为逆变侧正极输出有功功率的仿真波形示意图。

图11为整流侧正极触发角α的仿真波形示意图。

图12为正极二极管阀组承受电压的仿真波形示意图。

图13为整流站交流母线电压的仿真波形示意图。

图14为逆变站交流母线电压的仿真波形示意图。

图15为整流侧负极直流母线电压的仿真波形示意图。

图16为整流侧负极直流电流的仿真波形示意图。

图17为逆变侧负极直流母线电压的仿真波形示意图。

图18为逆变侧负极直流电流的仿真波形示意图。

图19为逆变侧负极输出有功功率的仿真波形示意图。

图20为负极二极管阀组承受电压的仿真波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

图1为本发明具有直流故障自清除能力的混合式直流输电拓扑结构，其包括整流站和逆变站，整流站和逆变站通过直流线路相连，整流站由电网换相型换流器LCC构成；逆变站由模块化多电平换流器MMC和二极管阀组构成，其中正极MMC的直流高压端连接正极直流线路，正极MMC的直流低压端连接正极二极管阀组的阳极，正极二极管阀组的阴极和负极二极管阀组的阳极相连并接地，负极二极管阀组的阴极连接负极MMC的直流高压端，负极MMC的直流低压端与负极直流线路相连。

图2为本发明拓扑的单极结构，其中U_s1、U_s2分别为整流侧与逆变侧的网侧母线等值电压，Z_s1、Z_s2则为交流系统的等值阻抗，T_1a、T_1b为整流侧变压器，T₂为逆变侧变压器；整流侧由12脉动换流器构成，逆变侧则由MMC构成，在LCC-二极管-MMC混合直流输电系统中，D_p为装设在逆变侧正极MMC直流低压端和负极MMC直流高压端的二极管阀组，用于阻断发生直流故障时故障电流通路。

混合式直流输电拓扑的整流侧采用12脉动LCC换流器，设其换流变压器阀侧空载线电压有效值为U₁、直流电压为U_d1、逆变站直流电压为U_d2、直流电流为I_d、直流功率为P_d1、换流器吸收的无功功率为Q_c1、每相换相电抗为X_r1、功率因素为cosφ、触发角为α、换相重叠角为μ，则可得下列式子：

P_d1＝2U_d1I_d (3)

Q_c1＝P_d1tanφ (4)

逆变侧的MMC如图3所示，其由三相六桥臂构成，每个桥臂由一个电抗器L_S及若干个半桥子模块构成。MMC中子模块有三种工作模式，分别为投入、切除与闭锁。

对图3应用戴维南电压定律可得：

式中：i_2m(m＝a，b，c)为MMC阀侧电流，v_2m(m＝a，b，c)为MMC内电动势，L及R分别为换流站等效电感以及等效电感的杂散电阻值，具体取值如下：

如图3所示，其中u_pm、u_nm(m＝a,b,c)为上、下桥臂电压，L_tr为换流变压器等效漏感，R_tr为其杂散电阻，L_s为桥臂电感，R_s为其等效电阻。

MMC与交流电网之间传输的有功率P_c2以及无功功率Q_c2分别为：

式中，δ为U_s2与V₂的相位差。

式1～式11所描述的混合式直流输电拓扑数学模型为下文控制器的设计以及运行特性分析等奠定了基础。

为了使混合式直流输电系统能够稳定工作，整流侧LCC通过控制α角实现定直流电流控制。MMC则采用了定直流电压及定无功功率控制方式，为直流输电系统提供功率传输所必须的稳定的直流电压。

整流侧LCC定直流电流控制的控制框图如图4所示；相对于整流侧LCC的控制系统，逆变侧MMC系统的控制器实现较为复杂，其由外环控制器、内环控制器、阀组级控制器构成，如图5所示。

由于电缆线路的造价过高，因此在远距离大功率直流输电场合，通常使用造价较低的架空线作为输电线路。然而架空线路的故障率较高，所以在使用架空线进行长距离输电的时候，直流输电系统需要具有直流故障清除的能力。

在发生直流故障的时候，整流侧LCC只需将整流器的触发延迟角迅速提升至大于90°，从而将换流器的工作模式由整流模式改为逆变模式就能够实现闭锁，从而阻断故障电流。

在直流线路发生接地故障时，即使闭锁逆变侧MMC，故障电流仍旧能续流，这种故障过电流会对逆变侧的交流系统造成较大的损害。为了解决这个问题，本发明在逆变侧正极MMC直流低压端(和负极MMC直流高压端)串联了大功率二极管阀组，以阻断发生直流故障时的故障电流通路。在加装了大功率二极管阀组后，故障电流的回路被阻断，直流线路故障得到了清除。

为了验证本发明混合式直流输电拓扑及其控制策略的可行性，在PSCAD/EMTDC仿真平台中搭建了如图1所示的混合式直流输电系统。送端交流系统和受端交流系统都用两区域四机系统来模拟，混合式直流输电系统采用双极结构，额定电压±800kV，额定功率800MW。整流侧由4个相同的12脉动LCC串联构成，其直流侧额定电压都是400kV；逆变侧由4个相同的半桥子模块MMC串联构成，其直流侧额定电压都是400kV；直流线路长度2000km，单位长度参数为电阻0.02Ω/km，电感0.90mH/km，电容0.015μF/km。

在t＝5.1s时正极直流线路中点发生接地短路，当检测到整流侧正极直流电流大于1.8p.u.时将正极LCC触发角α强制移相到120°运行，当整流侧正极直流电流回落到0.8p.u.后将α设置成145°，故障电流过零后再过0.3s重新起动正极LCC，按原来的控制策略运行。在t＝15.1s时负极直流线路中点发生接地短路，当检测到整流侧负极直流电流大于1.8p.u.时将负极LCC触发角α强制移相到120°运行，当整流侧负极直流电流回落到0.8p.u.后将α设置成145°，故障电流过零后再过0.3s重新起动负极LCC，按原来的控制策略运行。

仿真波形如图6～图20所示，所有仿真图中的x轴为时间轴，起始时间为4s，结束时间为20s，每单位刻度为2s。从仿真图中可以看出，所添加的二极管阀组确实能够在直流线路故障后阻断原有故障电流的通路，起到了清除直流线路故障的作用。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。