专利名称：级联换流站和级联多端高压直流输电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及直流输电技术领域，更具体地，涉及用于级联多端高压直流输电的级联换流站、和利用该级联换流站构成的级联多端高压直流输电系统。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，特别是大功率可控硅制造技术的发展，直流输电技术在电力系统中得到越来越多的应用。级联多端高压直流输电系统由三个以上的换流站和直流输电线路构成，其中不止一个换流站作为整流站或者逆变站运行。与两端高压直流输电系统相比，在例如下面所述的场合中，级联多端高压直流输电系统能够以更加经济、灵活的方式运行从大区域内的多个电源基地(例如风力发电厂)通过直流收集电力向外输送; 从能源基地输送大量电力到远方的几个负荷中心；直流线路中途分支接入电源或负荷；几个孤立的交流系统用直流线路实现非同期联网；对大城市或工业中心供电，因受架空线路走廊限制而必须用电缆或因短路容量限制而不宜采用交流输电时，利用直流输电向这些地方的若干个换流站供电。在级联多端高压直流输电系统中，高压直流设备例如换流器、平波电抗器、直流滤波器等等由于承受着高电压、大电流、自然环境、以及所连接的交流系统的影响，难免会发生故障。在系统中的某个部分(例如某一极中的换流器)发生故障的情况下，期望能够可靠地从系统中切除该部分，并且系统的其他部分还可以继续运行，以保证高压直流输电系统的安全性并提高其能量可用率。
实用新型内容本实用新型旨在克服上述问题，提供一种能够以灵活、可靠、经济的方式实现高压直流输电的技术。为实现该目的，根据本实用新型的第一方面，提供了一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，包括低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换；和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧， 其中每一侧包括换流变压器，耦接至第二交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换；和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线。根据本实用新型的第二方面，提供了一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，包括低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换；和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第二交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换；和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线，并且在所述高压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路。根据本实用新型的第三方面，提供了一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，包括低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换；和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第二交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换；和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线，在所述高压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和中性母线开关。根据本实用新型的第四方面，提供了一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，包括低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网，换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第二交流电网，换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线，在所述高压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路、中性母线开关和中性母线隔离刀闸，并且在所述中压直流输电线路与所述高压直流输电线路之间耦接了对高压端换流站进行旁路的通道。根据本实用新型的第五方面，提供了一种级联多端高压直流输电系统，包括送电端的换流站、受电端的换流站、和二者之间的高压直流输电线路，其中，所述送电端的换流站和受电端的换流站中的至少一个由根据上面第一到第四方面所述的级联换流站构成。通过采用本实用新型的级联换流站和由其构成的级联多端高压直流输电系统，由于在级联换流站的接线中提供了接地极线路、金属返回线、中性母线设备、以及隔离刀闸的各种灵活组合，能够在系统中的某个部分发生故障的情况下使系统的其他部分继续运行， 提高了高压直流输电系统的安全性并提高了其能量可用率。另外，由于将平波电抗器设置在换流阀的两端，能够有效地起到防雷的作用。
为了更清楚地理解本实用新型的上述特征及优点，在附图中以示例而非限制的方式示出了本实用新型的优选实施例，其中相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。图1示出了根据本实用新型第一实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。图2示出了第一实施例的级联换流站在正常运行状态下的完整双极运行接线方式。[0014]图3A-3C示出了第一实施例的级联换流站的3/4双极运行接线。图4A和图4B示出了第一实施例的级联换流站的1/2双极运行接线。图5示出了第一实施例的级联换流站的完整单极大地回路运行接线。图6A和图6B示出了第一实施例的级联换流站的1/2单极大地回路运行接线。图7示出了第一实施例的级联换流站的完整单极金属回路运行接线。图8A和图8B示出了第一实施例的级联换流站的1/2单极金属回路运行接线。图9示出了根据本实用新型第二实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。图10示出了第二实施例的级联换流站在正常运行状态下的完整双极运行接线。图1IA-IIC示出了第二实施例的级联换流站的3/4双极运行接线。图12A和图12B示出了第二实施例的级联换流站的1/2双极运行接线。图13示出了第二实施例的级联换流站的完整单极大地回路运行接线。图14A-14C示出了第二实施例的级联换流站的1/2单极大地回路运行接线。图15示出了第二实施例的级联换流站的完整单极金属回路运行接线。图16A-16C示出了第二实施例的级联换流站的1/2单极金属回路运行接线。图17示出了第二实施例的级联换流站的第一种扩展接线方案。图18示出了第二实施例的第一种扩展接线方案的高压端换流站单极金属回路运行接线。图19示出了第二实施例的级联换流站的第二种扩展接线方案。图20示出了第二实施例的第二种扩展接线方案的低压端换流站单极大地回路运行接线。图21示出了根据本实用新型第三实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。图22示出了第三实施例的级联换流站的3/4双极运行接线。图23示出了第三实施例的级联换流站的高压端换流站的双极运行接线。图M示出了第三实施例的级联换流站的扩展接线方案。图25示出了根据本实用新型第四实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。图沈示出了第四实施例的级联换流站在正常运行状态下的完整双极运行接线方式。图27A和图27B示出了第四实施例的级联换流站的3/4双极运行接线。图28A和图28B示出了第四实施例的级联换流站的1/2双极运行接线。图四示出了第四实施例的级联换流站的完整单极大地回路运行接线。图30A和图30B示出了第四实施例的级联换流站的1/2单极大地回路运行接线。图31示出了第四实施例的级联换流站的完整单极金属回路运行接线。图32A和图32B示出了第四实施例的级联换流站的1/2单极金属回路运行接线。图33示出了第四实施例的级联换流站的第一种扩展接线方案。图34示出了第四实施例的级联换流站的第二种扩展接线方案。图35示出了一种可选的直流滤波器配置方案。[0047]图36示出了另一种可选的直流滤波器配置方案。图37示出了又一种可选的直流滤波器配置方案。图38示出了根据本实用新型的级联多端高压直流输电系统。
具体实施方式
下面将参考附图，对本实用新型的优选实施例进行详细地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是示例性的而并非旨在对本实用新型的保护范围进行限制。图1示出了根据本实用新型第一实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。出于简化说明的目的，图1仅示出了高压直流输电系统的送电端、即整流侧的示意图。但本领域技术人员可以理解，高压直流输电系统的受电端、即逆变侧可以采用与送电端基本上相同的结构和接线方式，只不过在逆变侧换流器处于逆变工况，以及滤波器的配置可以与整流侧略有不同。如图1所示，根据第一实施例的级联换流站包括低压端换流站11和高压端换流站 12。这两个换流站11和12可以处于不同的地理位置。高压端换流站12通过中压直流输电线路13与所述低压端换流站11串联。高压端换流站12还连接至高压直流输电线路14。低压端换流站11用于将第一交流电源110的交流电转换为直流电，并通过中压直流输电线路13输入到高压端换流站12。高压端换流站12将第二交流电源120的交流电转换为直流电，并将该直流电与低压端换流站11输出的直流电相叠加，以产生高压直流电，并通过高压直流输电线路14传输至高压直流输电系统的受电端、即逆变侧(图1中未示出)。第一交流电源110和第二交流电源120例如可以是位于不同位置的风力发电厂。 这样，可以实现从多个交流电源以直流方式收集电力向外输送。高压端换流站12输出的高压直流电的电压范围可以是士750KV以上，例如，该高压直流电的电压可以为士800KV或士 1000KV。本说明书中将以高压直流电的电压为士800KV为例进行说明。在这种情况下，低压端换流站11输出的直流电的电压范围优选地为高压直流电的电压的一半，即士400KV。高压端换流站12对第二交流电源120整流后的电压也为士400KV，则这两者叠加后的高压直流电的电压为士800KV。低压端换流站11的负极侧包括换流变压器111a，耦接至第一交流电源110。换流变压器Illa用于改变交流电压，并实现输电系统中交流与直流部分之间的电气隔离。换流阀11 耦接至换流变压器111a，用于实现交流/直流转换。在本实用新型的实施例中，该换流阀11 优选地使用12脉动换流阀。换流阀11 的两端各布置一个平波电抗器115a。平波电抗器11 用来平滑直流电流中的波纹，避免直流电流的断续。平波电抗器11 还能够防止由直流线路或直流设备所产生的陡波冲击进入阀厅，从而避免过电流对换流阀11 的损害。通过将平波电抗器 11 设置在换流阀11 的两端，还能有效地起到防雷的作用，从而增加了输电系统的安全性。在图1示出的该方案中，平波电抗器11 的两端还跨接了直流滤波器117a，用于滤除换流阀换流时所产生的谐波电流，以防止该谐波电流对系统造成的干扰。根据一种可选的方案，还可以在直流滤波器117a两端安装隔离刀闸。平波电抗器11 之间设置了旁路隔离刀闸116a，用于在换流阀11 发生故障时进行旁路。换流阀11 的旁边还设置了旁路交流开关113a和隔离刀闸114a。低压端换流站11的正极侧采用了与负极侧对称的结构，并且包括换流变压器 111b、换流阀112b、平波电抗器115b、直流滤波器117b、旁路隔离刀闸116b、旁路交流开关 11 和隔离刀闸114b。由于这些装置的功能与负极侧的相同，此处不再对其进行详细描述。高压端换流站12采用了与低压端换流站11类似的两极结构。具体地，高压端换流站12包括耦接至第二交流电源120的换流变压器121a、121b ；耦接至换流变压器121a、 121b的换流阀12h、122b ；布置在换流阀122a、122b两端的平波电抗器12^1、125b ；跨接在平波电抗器125a、12^两端的直流滤波器127a、127b ；设置在平波电抗器125a、12^之间的旁路隔离刀闸126a、；以及旁路交流开关123a、123b和隔离刀闸12^、lMb。由于这些装置的功能与低压端换流站11的相同，此处不再对其进行详细描述。顺便提及，在图1所示的第一实施例中，在低压端换流站11和高压端换流站12中的平波电抗器的两端均跨接了直流滤波器，这种配置能够消除系统中各处的谐波电流。但需要说明的是，在级联多端高压直流输电系统接线方案的选择中，可以根据工程对等效干扰电流的要求，合理地选择直流滤波器的配置方案。在要求全线等效干扰电流达标的情况下，采用将直流滤波器跨接在平波电抗器两端的方案；另一方面，在允许全线等效干扰主电流不达标的情况下，则可以省略直流滤波器。后文中还将对直流滤波器的配置方案进行更具体的说明。在根据第一实施例的级联换流站中，在低压端换流站11中架设了耦接至接地极的接地极线路126、以及耦接在正、负极线之间的金属返回线128。接地极例如可以设置在与低压端换流站11相距40-50km处。另外，在低压端换流站11的接线中设置了中性母线开关(NBS) 119a、119b，中性母线接地开关(NBGS) 121，大地回路转换开关(GRTS) 120，和金属回路转换开关(MRTS) 125。NBS 119a、119b的作用是快速地隔离已闭锁将退出的极和正常运行的极。NBGS 121的作用是在双极运行方式下接地极退出运行时将中性母线转接至低压端换流站11的临时接地网。MRTS 125和GRTS 120互相配合，实现在单极大地回路和单极金属回路两种方式之间的转换。在高压端换流站12中没有架设耦接至接地极的接地极线路以及金属返回线。图2至图8分别示出了根据本实用新型第一实施例的上述级联换流站的7种运行接线方式，即(1)完整双极运行接线；(2) 3/4双极运行接线；(3) 1/2双极运行接线；(4)完整单极大地回路接线；(5) 1/2单极大地回路接线； (6)完整单极金属回路接线；(7) 1/2单极金属回路接线。在这7种运行接线方式中，完整双极运行接线方式为正常运行状态下的接线方式，而其他各种运行方式为故障状态下的接线方式。参见图2，其中示出了在正常运行状态下的完整双极运行接线方式。图中用粗实线画出了级联换流站中带电运行的部分。低压端换流站11和高压端换流站12的正极和负极中的四个换流阀112a、112b、122a、122b均投入运行。图3A-3C示出了 3/4双极运行接线。该运行方式指的是，在低压端换流站11和高压端换流站12的正极和负极中的四个换流阀112a、112b、122a、122b中，某一个换流阀由于故障而退出运行，而其他三个换流阀保持运行。图3A、图;3B示出了低压端的换流阀11 退出运行时的运行接线示意图。如图3A 和图:3B所示，退出的换流阀11 的旁路通道有两个GRTS和金属返回线回路，或者旁路隔离刀闸回路。在低压端换流阀11 的平波电抗器11 和直流滤波器117a发生故障时，可以利用GRTS 120和金属返回线1 进行旁路。在此情况下，高压端的换流阀122a、122b仍然可以运行。由于这两个回路都有直流断路器，因此切换可以在线进行。图3C示出了高压端的换流阀12 退出运行时的运行接线示意图。如图3C所示， 高压端的换流阀12 退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 仍然接在运行回路中而不退出。图4A和图4B示出了 1/2双极运行接线。该运行方式指的是，低压端换流站11和高压端换流站12中的一个换流站由于故障而退出运行，而另一个换流站中的正负两极保持运行。图4A示出了高压端的换流阀12 和122b退出运行时的运行接线示意图。如图4A 所示，高压端的换流阀12 和122b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 和12 仍然接在运行回路中而不退出。图4B示出了低压端的换流阀11 和112b退出运行时的运行接线示意图。如图 4B所示，低压端的换流阀112b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器11 仍然接在运行回路中而不退出。图5示出了完整单极大地回路运行接线。该运行方式指的是，在低压端换流站11 和高压端换流站12的正极和负极中，其中一个极的换流阀由于故障而退出运行，而另一极中的换流阀(包括高压端和低压端)保持运行，并且通过大地构成回路。图5中示出了正极的低压端的换流阀112b和高压端的换流阀122b退出运行，而负极的低压端的换流阀11 和高压端的换流阀12 保持运行的情形。图6A和图6B示出了 1/2单极大地回路运行接线。该运行方式指的是，在低压端换流站11和高压端换流站12中，其中一个换流站中的换流阀(包括正极和负极)由于故障而完全退出运行，而另一个换流站中只有一个极的换流阀保持运行，并且通过大地构成回路。图6A示出了高压端换流站12中的换流阀12 和122b退出运行、而低压端换流站11中只有负极的换流阀11 保持运行时的运行接线示意图。如图6A所示，高压端的换流阀12 退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 仍然接在运行回路中而不退出。图6B示出了低压端换流站11的换流阀11 和112b退出运行、而高压端换流站 12中只有负极的换流阀12 保持运行时的运行接线示意图。图7示出了完整单极金属回路运行接线。该运行方式指的是，在低压端换流站11 和高压端换流站12的正极和负极中，其中一个极的换流阀由于故障而退出运行，而另一极中的换流阀(包括高压端和低压端)保持运行，并且通过金属线路构成回路。图7中示出了正极的低压端的换流阀112b和高压端的换流阀122b退出运行，而负极的低压端的换流阀11 和高压端的换流阀12 保持运行的情形。图8A和图8B示出了 1/2单极金属回路运行接线。该运行方式指的是，在低压端换流站11和高压端换流站12中，其中一个换流站中的换流阀(包括正极和负极)由于故障而退出运行，而另一个换流站中只有一个极的换流阀保持运行，并且通过金属返回线1 构成回路。图8A示出了高压端换流站12中的换流阀12 和122b退出运行、而低压端换流站11中只有负极的换流阀11 保持运行时的运行接线示意图。如图8A所示，高压端的换流阀12 和122b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 和12 仍然接在运行回路中而不退出。图8B示出了低压端换流站11中的换流阀11 和112b退出运行、而高压端换流站12中只有负极的换流阀12 保持运行时的运行接线示意图。如图8B所示，高压端的换流阀122b和低压端的换流阀11 退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 和11 仍然接在运行回路中而不退出。上面结合图1-8描述的根据本实用新型第一实施例的级联换流站的接线方案的优点是当低压端换流站11中的一个换流阀停运时，可以采用金属回线在线旁路，也可以采用旁路隔离刀闸在线旁路，由此提供了控制上的灵活性。回路中的元件数量较少，可靠性高。另外，与现有技术的向家坝-上海高压直流输电系统相比，由于将金属返回线1 设置在低压端换流站11中，降低了设备所需绝缘水平而实现了同样的功能。在根据第一实施例的级联换流站的接线方案中，如果单极中压直流线路发生故障，低压换流站中性母线单极设备(NBS、隔离刀闸、CT、PT等设备)发生故障，只能采用单极大地回路运行。如果双极中压线路发生故障，则只能双极停运。为了提高能量可用率，根据本实用新型第二实施例，提供了另一种级联换流站。图9示出了根据本实用新型第二实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。与第一实施例相比，在根据第二实施例的级联换流站中，在高压站换流站12中架设了耦接至接地极的接地极线路133。另外，还增加了中性母线隔离刀闸137a、137b。与第一实施例的情况类似，图10至图16分别示出了根据本实用新型第三实施例的级联换流站的7种运行接线方式，即(1)完整双极运行接线；(2) 3/4双极运行接线；(3) 1/2双极运行接线；(4)完整单极大地回路接线；(5) 1/2单极大地回路接线；(6)完整单极金属回路接线；(7) 1/2单极金属回路接线。参见图10，其中示出了在正常运行状态下的完整双极运行接线方式。低压端换流站11和高压端换流站12的正极和负极中的四个换流阀112a、112b、122a、122b均投入运行。[0102]图1IA-IIC示出了 3/4双极运行接线。图IlA示出了高压端的换流阀12 退出运行时的运行接线示意图。如图IlA所示，高压端的换流阀12 退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 仍然接在运行回路中而不退出。图11B、图IlC示出了低压端的换流阀11 退出运行时的运行接线示意图。如图 1IB和图1IC所示，退出的换流阀11 的旁路通道有两个GRTS和金属返回线回路，或者旁路隔离刀闸回路。在低压端换流阀11 的平波电抗器11 和直流滤波器117a发生故障时，可以利用GRTS 120和金属返回线1 进行旁路。图12A和图12B示出了 1/2极运行接线。图12A示出了高压端的换流阀12 和122b退出运行时的运行接线示意图。如图 12A所示，高压端的换流阀12 和122b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器125a和 125b仍然接在运行回路中而不退出。图12B示出了低压端的换流阀12 和122b退出运行时的运行接线示意图。如图 12B所示，低压端的换流阀11 和112b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器11 和 11 仍然接在运行回路中而不退出。图13示出了完整单极大地回路运行接线。其中示出了正极的低压端的换流阀 112b和高压端的换流阀122b退出运行，而负极的低压端的换流阀11 和高压端的换流阀 12 保持运行的情形。图14A-14C示出了 1/2单极大地回路运行接线。图14A示出了高压端换流站12中的换流阀12 和122b退出运行、而低压端换流站11中只有负极的换流阀11 保持运行时的运行接线示意图。如图14A所示，高压端的换流阀12 退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 仍然接在运行回路中而不退出。图14B、图14C示出了低压端换流站11的换流阀11 和112b退出运行、而高压端换流站12中只有负极的换流阀12 保持运行时的运行接线示意图。图15示出了完整单极金属回路运行接线，其中示出了正极的低压端的换流阀 112b和高压端的换流阀122b退出运行，而负极的低压端的换流阀11 和高压端的换流阀 12 保持运行的情形。图16A-16C示出了 1/2单极金属回路运行接线。图16A示出了高压端换流站12中的换流阀12 和122b退出运行、而低压端换流站11中只有负极的换流阀11 保持运行时的运行接线示意图。如图16A所示，高压端的换流阀122a、122b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器125a、12 仍然接在运行回路中而不退出。图16B、16C示出了低压端换流站11中的换流阀11 和112b退出运行、而高压端换流站12中只有负极的换流阀12 保持运行时的运行接线示意图。如图16B和图16C所示，高压端的换流阀122b退出运行时，该换流阀两端的平波电抗器12 仍然接在运行回路中而不退出。根据第二实施例的级联换流站的能量可用率高于第一实施例。当中压线路双极发生故障、或低压端换流站的中性母线双极设备(NBS、NBGS、隔离刀闸等设备)发生故障，低压端换流站11退出运行，高压端换流站12可采用单极金属回线、或单极大地回线运行。[0117]在第二实施例的级联换流站的接线方案的基础上，根据工程的具体要求还可以扩展出其他接线方案。图17示出了在第二实施例基础上的第一种扩展接线方案，其中在高压端换流站 12中增加了金属返回线138。在高压端换流站12单极金属回线运行时，可以不经过站内另一极的平波电抗器12 和直流滤波器127b，如图18所示。图19示出了在第二实施例基础上的第二种扩展接线方案，其中在高压端换流站 12增加了换流器旁路通道139a和139b。在高压端换流站12的平波电抗器或直流滤波器发生故障时，低压端换流站11仍可运行，如图20所示，其中示出了低压端换流站11单极大地回路运行接线。在第一实施例中，在双极运行或单极大地回路运行时，如果低压端换流站11中单极的平波电抗器、直流滤波器、旁路隔离刀闸发生故障，可离线采用金属返回线和GRTS旁路，但中压400kV直流输电线路单极故障或者单极中性母线设备NBS、CT、PT、隔离刀闸等发生故障(N-1故障)则需要停运单极，而不能实现直流双极运行。为进一步提高能量可用率， 根据本实用新型第三实施例，提供了另一种级联换流站。图21示出了根据本实用新型第三实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。与第二实施例相比，在高压端换流站12增加中性母线隔离刀闸的基础上，再增设 2台NBS断路器140a、140b和2把中性母线隔离刀闸141a、141b。采用第三实施例的接线方案，使得在发生N-I故障，即中压400kV直流线路单极故障或单极中性母线设备NBS、CT、PT、隔离刀闸等故障时，该级联换流站仍能实现3/4双极运行，如图22所示。在发生N-2故障，即中压线路双极故障或者低压换流站11停电检修时，高压端换流站12可采用双极运行、单极金属回线、单极大地回线运行，提高了系统的能量可用率。由于高压端换流站12的中性母线回路安装有NBS 140a、140b，在低压端换流站11检修、高压端换流站12双极运行时，发生单极故障时无须停运双极，如图23所示，其中示出了高压端换流站12的双极运行接线。在第三实施例的接线方案的基础上，如果要实现高压端换流站12在线进行单极大地回线与单极金属回线之间的切换、不经过另一换流器的独立金属返回线运行，以及采用换流站临时接地进行双极运行，可采用图M的扩展接线方案，其中在高压端换流站12中增加了金属返回线 138，以及 MRTB 143, GRTS 142, NGBS 144。图25示出了根据本实用新型第四实施例的用于级联多端高压直流输电的级联换流站的结构和接线示意图。与第三实施例相比，在根据第四实施例的级联换流站中，在中压直流输电线路13 与高压直流输电线路14之间耦接了对高压端换流站12进行旁路的旁路通道139a、139b。 在平波电抗器125a、12^与高压直流输电线路14之间，以及旁路通道139a、139b中分别设置了 800KV隔离刀闸。图沈至图32分别示出了根据第四实施例的上述级联换流站的7种运行接线方式，即(1)完整双极运行接线；[0130]O) 3/4双极运行接线；(3) 1/2双极运行接线；(4)完整单极大地回路接线；(5) 1/2单极大地回路接线；(6)完整单极金属回路接线；(7) 1/2单极金属回路接线。在这7种运行接线方式中，完整双极运行接线方式为正常运行状态下的接线方式，而其他各种运行方式为故障状态下的接线方式。参见图沈，其中示出了在正常运行状态下的完整双极运行接线方式。低压端换流站11和高压端换流站12的正极和负极中的四个换流阀112a、112b、122a、122b均投入运行。图27A、27B示出了 3/4双极运行接线。图27A示出了低压端的换流阀11 退出运行时的运行接线示意图。图27B示出了高压端的换流阀12 退出运行时的运行接线示意图。如图27B所示，高压端的换流阀12 退出运行时，通过旁路通道139a形成回路，而平波电抗器12 等设备不连接在运行回路中。图28A和图28B示出了 1/2双极运行接线。图28A示出了高压端的换流阀12 和122b退出运行时的运行接线示意图。如图28A所示，高压端的换流阀12 和122b退出运行时，通过旁路通道139a、139b形成回路，而平波电抗器125a、125b等设备不连接在运行回路中。图28B示出了低压端的换流阀11 和112b退出运行时的运行接线示意图。图四示出了完整单极大地回路运行接线，其中示出了正极的低压端的换流阀 112b和高压端的换流阀122b退出运行，而负极的低压端的换流阀11 和高压端的换流阀 12 保持运行的情形。图30A和图30B示出了 1/2单极大地回路运行接线。图30A示出了高压端换流站12中的换流阀12 和122b退出运行、而低压端换流站11中只有负极的换流阀11 保持运行时的运行接线示意图。如图30A所示，高压端的换流阀12 退出运行时，通过旁路通道139a以及接地极线路1 形成回路，而平波电抗器 12 等设备不连接在运行回路中。图30B示出了低压端换流站11的换流阀11 和112b退出运行、而高压端换流站 12中只有负极的换流阀12 保持运行时的运行接线示意图，其中通过接地极线路133形成回路。图31示出了完整单极金属回路运行接线，其中示出了正极的低压端的换流阀 112b和高压端的换流阀122b退出运行，而负极的低压端的换流阀11 和高压端的换流阀12 保持运行的情形。如图31所示，高压端的换流阀122b退出运行时，通过旁路通道 139b、以及金属返回线1 构成回路，而平波电抗器12 等设备不连接在运行回路中。图32A和图32B示出了 1/2单极金属回路运行接线。图32A示出了高压端换流站 12中的换流阀12 和122b退出运行、而低压端换流站11中只有负极的换流阀11 保持运行时的运行接线示意图。如图32A所示，高压端的换流阀12 和122b退出运行时，通过旁路通道139a、139b、以及金属返回线1 形成回路，而平波电抗器125a、125b等设备不连接在运行回路中。[0146]图32B示出了低压端换流站11中的换流阀11 和112b退出运行、而高压端换流站12中只有负极的换流阀12 保持运行时的运行接线示意图。第四实施例的接线方案的优点是低压端换流站11和高压端换流站12可各自独立运行，相互不影响(例如在换流站大修时)，提高了系统的能量可用率。在高压端换流站 12的平波电抗器和直流滤波器发生故障时，低压端换流站11同极换流器仍可运行，而无需单极停运。在该第四实施例的级联换流站的接线方案的基础上，还可以扩展出其他接线方案，如图33和图34所示。图33示出了在上述实施例基础上的第一种扩展接线方案，其中在高压端换流站 12的接地极线回路中安装了 MRTB 143 JPNBGS 144，并且在平波电抗器旁边设置了隔离刀闸130a、130b。根据该接线方案，可以实现高压端换流站12独自单极大地回线与单极金属回线的在线切换、不经过另一换流器平波电抗器的独立金属返回线运行，以及采用换流站临时接地进行双极运行。图34示出了在上述实施例基础上的第二种扩展接线方案，其中在高压端换流站 12的接地极线回路中安装了 MRTB 143、和NBGS 144。根据该接线方案，可以实现高压端换流站12独自单极大地回线与单极金属回线的在线切换、采用换流站临时接地进行双极运行。与图33的不同之处在于，由于没有在平波电抗器旁边设置隔离刀闸130a、130b，在一极换流器单极金属运行时需经由另一换流器的平波电抗器支路。在以上结合图1-34描述的第一到第四实施例的级联换流站及其扩展的结构中， 在低压端换流站11和高压端换流站12中的平波电抗器的两端均跨接了直流滤波器。但是这种直流滤波器的配置方式只是一种优选的方案并非是限制性的。图35-37示出了三种另选的直流滤波器配置方案，这些另选的直流滤波器配置方案可以与图1-34所示的第一到第三实施例的级联换流站的各种接线方式以适当的方式组合(取代其中的直流滤波器)。 在级联多端高压直流输电系统接线方案的选择中，可以根据工程对等效干扰电流的要求， 合理地选择直流滤波器的配置方案。等效干扰电流的定义如下线路上所有频率的谐波电流对邻近平行或交叉的通讯线路所产生的综合干扰作用与某单个频率的谐波电流所产生的干扰作用相同，这个单频率谐波电流就称作等效干扰电流。根据工程的具体情况，等效干扰电流限值要求可适当调整， 在治理谐波措施费用和补偿谐波干扰费用之间进行平衡，以期谐波治理和补偿费用最少。可能的情况有如下3种(1)在要求全线等效干扰电流达标的情况下，直流滤波器按换流器配置，跨接在换流器平波电抗器两端，如图1-34中所示。(2)在允许中压400kV段线路不达标的情况下，可以在高压端换流站12设置对地直流滤波器14h、142b，而取消横跨换流器两端的直流滤波器，如图35和图36所示。图35 示出了高压端换流站12设置有接地极线路133的情况。图36示出了高压端换流站12没有接地极线路的情况，在此情况下，换流器产生的谐波电流将经过高压端换流站12的接地网经由低压端换流站11的接地极返回。(3)在允许全线不达标的情况下，可取消直流滤波器，如图37所示。本实用新型还提供了一种级联多端高压直流输电系统。如图38所示，该系统包括送电端的换流站、受电端的换流站、和二者之间的高压直流输电线路。送电端和受电端的换流站分别与交流电源和负荷区域相连。其中，送电端和受电端换流站中的一个或二者由前面描述的根据第一到第四实施例的级联换流站构成。相应地，交流电源和负荷区域分别包括一个或者多个交流电源和负荷区域。需要说明的是，在本文中对例如高压直流电压的数值、隔离刀闸的数目、以及换流阀类型等等的选择仅仅是示例性的。本领域技术人员可以根据实际工程的要求对其做出改动。另外，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......，，限定的要素，并不排除在包括所述要
素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上参考附图描述了本实用新型的优选实施例。但是很明显，这些实施例仅仅用于示例的目的，而不应被视为对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员可以在不偏离本实用新型的精神和原则的情况下对这些实施例做出各种修改、等同替换和改进。本实用新型的保护范围仅由后附的权利要求书限定。
权利要求1.一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，其特征在于包括 低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网，换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，禾口布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括 换流变压器，耦接至第二交流电网， 换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换， 禾口布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线。
2.根据权利要求1所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器的两端跨接直流滤波器。
3.根据权利要求1所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中设置对地直流滤波器。
4.根据权利要求1所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器之间设置了旁路隔离刀闸。
5.一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，其特征在于包括 低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网，换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，禾口布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括 换流变压器，耦接至第二交流电网， 换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换， 禾口布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线，并且在所述高压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和中性母线隔离刀闸。
6.根据权利要求5所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中还设置了耦接在正、负极线之间的金属返回线。
7.根据权利要求5所述的级联换流站，其特征在于，在所述中压直流输电线路与所述高压直流输电线路之间耦接了用于对所述高压端换流站进行旁路的通道。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器的两端跨接直流滤波器。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中设置对地直流滤波器。
10.根据权利要求5-7中任一项所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器之间设置了旁路隔离刀闸。
11.一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，其特征在于包括 低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网，换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括 换流变压器，耦接至第二交流电网， 换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换， 禾口布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线，在所述高压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路、中性母线开关和中性母线隔离刀闸。
12.根据权利要求11所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中还设置了耦接在正、负极线之间的金属返回线。
13.根据权利要求11或12所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器的两端跨接直流滤波器。
14.根据权利要求11或12所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中设置对地直流滤波器。
15.根据权利要求11或12所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器之间设置了旁路隔离刀闸。
16.一种用于级联多端高压直流输电的级联换流站，其特征在于包括 低压端换流站，包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括换流变压器，耦接至第一交流电网，换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，和布置在所述换流阀两端的平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与所述低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，该高压端换流站包括正极侧和负极侧，其中每一侧包括 换流变压器，耦接至第二交流电网， 换流阀，耦接至所述换流变压器，用于实现交流/直流转换，禾口布置在所述换流阀两端的平波电抗器；其中，在所述低压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路和耦接在正、负极线之间的金属返回线，在所述高压端换流站中设置了耦接至接地极的接地极线路、中性母线开关和中性母线隔离刀闸，并且在所述中压直流输电线路与所述高压直流输电线路之间耦接了用于对高压端换流站进行旁路的通道。
17.根据权利要求16所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中还设置了金属回路转换开关和中性母线接地开关。
18.根据权利要求16或17所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器的两端跨接直流滤波器。
19.根据权利要求16或17所述的级联换流站，其特征在于，在所述高压端换流站中设置对地直流滤波器。
20.根据权利要求16或17所述的级联换流站，其特征在于，在所述低压端换流站和高压端换流站中，在平波电抗器之间设置了旁路隔离刀闸。
21.一种级联多端高压直流输电系统，其特征在于包括送电端的换流站、受电端的换流站、和二者之间的高压直流输电线路，其中，所述送电端的换流站和受电端的换流站中的至少一个由根据权利要求1、5、11、16之一所述的级联换流站构成。
专利摘要本实用新型公开了一种级联换流站，包括低压端换流站，其每一极包括换流变压器，耦接至第一交流电网；换流阀，耦接至换流变压器；和平波电抗器；以及高压端换流站，通过中压直流输电线路与低压端换流站串联，并且连接至高压直流输电线路，其每一极包括换流变压器，耦接至第二交流电网；换流阀，耦接至所述换流变压器；和平波电抗器。在所述低压端换流站中设置了接地极线路和金属返回线。在所述高压端换流站中还可以进一步设置接地极线路，以及中性母线开关。本实用新型还公开了一种由级联换流站构成的级联多端高压直流输电系统。本实用新型能够以灵活、可靠、经济的方式实现高压直流输电。
文档编号H02J1/00GK202068184SQ201020649760
公开日2011年12月7日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者孙昕 申请人:国家电网公司