一种电容换相换流器逆变侧系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种电容换相换流器逆变侧系统，包括串联的三相六脉动换流阀和串联电容通断单元；三相六脉动换流阀为基于晶闸管的桥式六脉动换流器，串联电容通断单元包括串联电容、高压断路器、限压器和可控旁通开关；串联电容和高压断路器串联后，与所述限压器和可控旁通开关分别并联；可控旁通开关包括可触发间隙和旁通断路器；可触发间隙和旁通断路器并联。本发明提供的电容换相换流器逆变侧系统，在电容换相换流器直流系统逆变侧发生上述故障后，及时旁通、切除串联电容，避免串联电容对后续系统恢复的影响，并且在系统故障消失后，再次及时投入串联电容，继续发挥其作用，达到既解决系统故障后的恢复问题，又能充分发挥电容换相换流器的优势。
【专利说明】一种电容换相换流器逆变侧系统
【技术领域】
[0001]本发明属于直流输电【技术领域】，具体涉及一种电容换相换流器逆变侧系统。
【背景技术】
[0002]传统的高压直流输电系统(HVDC)系统换流器采用晶闸管作为其阀单元基本元件，因晶闸管无法进行自关断，因此具有自身固有的缺点。为了避免换相失败，一般逆变侧换流阀总要保证熄弧角具有17°或更大的裕度，导致消耗大量的无功功率，需大量的无功补偿及滤波设备，因此不但投资成本较大，一旦发生甩负荷还会引起无功过剩，可能导致过电压；另外，由于换相电压全部由交流电网提供，因此弱交流系统很容易发生换相失败，而采用串联电容换相换流器技术一定程度上可以克服传统电网换相换流器(LCC)的上述缺点。
[0003]电容换相换流器(CCC)是将固定电容器串联接入传统换流系统的换流变压器和换流器之间，通过串联电容器来补偿换流器的无功消耗，使当换流器的触发角(整流)、关断(逆变)角接近于O甚至为负时，系统仍能稳定运行，从而在无功消耗大大减小的同时避免了换相失败的发生，尤其是电容换相换流器逆变器的正阻抗特性使技术在长电缆、弱交流系统直流输电中的应用具有很大优势。电容换相换流器换流器结构示意图如图1所示。电源侧三相电压分别为ea、eb、e。，电容阀侧即实际换相电压分别为e' a、eb'、e。'。
[0004]但是，正是由于串联电容的引入，也使得电容换相换流器产生了新的问题。当电容换相换流器直流系统在逆变侧交流系统发生严重故障导致直流系统发生换向失败故障后，直流系统恢复过程中可能发生后续连续换向失败故障，导致系统往往恢复时间较长，甚至无法恢复运行，对电网运行的稳定性不利。
[0005]当电容换相换流器直流系统在逆变侧交流系统发生单相严重故障导致直流系统发生换向失败故障后(直流电压跌落至零或以下)，由于串联电容在故障过程中会出现不平衡充、放电(正常情况下交流系统三相串联电容充、放电过程基本对称)现象，使得换流阀实际换相电压发生变化，可能导致直流系统恢复过程中某些换流阀无法按序正常导通，从而发生后续连续换向失败故障，导致系统恢复时间较长，甚至无法恢复运行，对于电力的顺利传输及电网运行的稳定性均不利，而传统直流系统一般不会发生此现象，如图2、图3所示，分别为传统直流和电容换相换流器逆变侧单相短路故障波形。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电容换相换流器逆变侧系统，在电容换相换流器直流系统逆变侧发生上述故障后，及时旁通、切除串联电容，避免串联电容对后续系统恢复的影响，并且在系统故障消失后，再次及时投入串联电容，继续发挥其作用，达到既解决系统故障后的恢复问题，又能充分发挥电容换相换流器的优势。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0008]本发明提供一种电容换相换流器逆变侧系统，所述系统包括串联的三相六脉动换流阀和串联电容通断单元；所述三相六脉动换流阀为基于晶闸管的桥式六脉动换流器，所述串联电容通断单元包括串联电容、高压断路器、限压器和可控旁通开关，所述限压器和可控旁通开关分别与串联后的所述串联电容和高压断路器并联；所述可控旁通开关包括可触发间隙和旁通断路器；所述可触发间隙和旁通断路器并联。
[0009]所述三相六脉动换流器包括六个桥臂，其中第一晶闸管阀、第三晶闸管阀、第五晶闸管阀的阳极均连接三相六脉动换流器的低压侧，第四晶闸管阀、第六晶闸管阀、第二晶闸管阀的阴极连接三相六脉动换流器高压侧，三相六脉动换流器的高压侧电压和低压侧电压的电压差即为对应直流电压；第一晶闸管阀、第四晶闸管阀连接交流电压A相，第二晶闸管阀、第五晶闸管阀连接B相，第三晶闸管阀、第六晶闸管阀连接C相；逆变侧系统中串联电容位于换流变压器二次侧和三相六脉动换流器之间。
[0010]所述高压断路器和旁通断路器均包括第一操动机构、传动机构、触头、灭弧室、油箱、电容套管和支架；所述触头包括动触头和静触头；所述操作机构通过第一拉杆与所述传动机构相连，所述传动机构通过第二拉杆与动触头相连，油箱与支架相连，油箱内设有灭弧室，灭弧室内有动触头和静触头，并充有氟碳化合物液体，油箱顶部与电容套管相连，灭弧室顶部与绝缘喷口相连。
[0011]所述限压器包括壳体以及位于壳体内部的压敏电阻和放电电路，压敏电阻与放电电路并联；所述放电电路包括开关站和第二操作机构，所述开关站设有半导体开关，其可加载持续电流；与压敏电阻工作参数有关的信号在极限值之上时，第二操作机构动作，开关站接通。
[0012]所述壳体为轴向对称的壳体，其具有至少两个沿轴向方向相互间隔距离的空间，其中第一空间中设置压敏电阻，第二空间中设置开关站，第三空间中放置第二操作机构，所述第三空间设置在第一空间和第二空间之间。
[0013]所述可触发间隙为桶装封闭式结构，包括引弧单元、密封单元、放电单元、注气单元和电极调节单元；
[0014]所述电极调节单元包括真空波纹管、调节螺母、锁定螺母以及具有调节刻度的导杆；所述导杆与放电单元的上电极连接，真空波纹管位于导杆的外部，导杆顶部穿过上端封盖，通过调节螺母和锁定螺母与上端封盖固定；通过调节螺母的调节，在电弧罩与陶瓷伞群内壁的导向作用下，上电极随同导杆上下升降，并由锁定螺母锁紧，确保精确调整上电极和下电极的间隙。
[0015]所述上电极和下电极相对的面为半球面；所述引弧单元包括三头火花塞、电缆夹套和夹套锁盖，所述三头火花塞位于电缆夹套内，电缆夹套通过夹套锁盖固定在下端封盖上；
[0016]所述封闭单元包括上端封盖、下端封盖、陶瓷伞群、防雨罩、下端固定座和上端固定座；所述防雨罩位于上端封盖和导杆的外部，上端封盖、下端封盖分别通过上端固定座、下端固定座与陶瓷伞群固定连接，形成的空腔内抽真空充入惰性气体。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0018]1、在电容换相换流器直流系统逆变侧发生上述故障后，及时旁通、切除串联电容，避免串联电容对后续系统恢复的影响，并且在系统故障消失后，再次及时投入串联电容，继续发挥其作用，达到既解决系统故障后的恢复问题，又能充分发挥电容换相换流器的优势。[0019]2、通过故障时快速旁通并切除串联电容，成功避免了电容不平衡充放电对后续系统恢复的影响，大大缩短了系统恢复正常运行的时间，使得电容换流器直流系统故障后的恢复时间和传统直流基本一致，对于输电的可靠性和电网的稳定性都具有极其重要的意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是现有技术中电容换相换流器逆变侧结构示意图；
[0021]图2是直流逆变侧交流出口单相短路故障波形图；
[0022]图3是电容换相换流器直流系统逆变侧交流出口单相短路故障波形图；
[0023]图4是本发明中电容换相换流器逆变侧系统结构示意图；
[0024]图5是本发明中电容换相换流器逆变侧系统交流出口单向短路故障波形图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0026]如图4，图中仅以单相串联电容为例。本发明提供一种电容换相换流器逆变侧系统，所述系统包括串联的三相六脉动换流阀和串联电容通断单元；所述三相六脉动换流阀为基于晶闸管的桥式六脉动换流器，所述串联电容通断单元包括串联电容、高压断路器、限压器和可控旁通开关，所述限压器和可控旁通开关分别与串联后的所述串联电容和高压断路器并联；所述可控旁通开关包括可触发间隙和旁通断路器；所述可触发间隙和旁通断路器并联。
[0027]所述三相六脉动换流器包括六个桥臂，其中第一晶闸管阀、第三晶闸管阀、第五晶闸管阀的阳极均连接三相六脉动换流器的低压侧，第四晶闸管阀、第六晶闸管阀、第二晶闸管阀的阴极连接三相六脉动换流器高压侧，三相六脉动换流器的高压侧电压和低压侧电压的电压差即为对应直流电压；第一晶闸管阀、第四晶闸管阀连接交流电压A相，第二晶闸管阀、第五晶闸管阀连接B相，第三晶闸管阀、第六晶闸管阀连接C相；逆变侧系统中串联电容位于换流变压器二次侧和三相六脉动换流器之间。
[0028]所述高压断路器和旁通断路器均包括第一操动机构、传动机构、触头、灭弧室、油箱、电容套管和支架；所述触头包括动触头和静触头；所述操作机构通过第一拉杆与所述传动机构相连，所述传动机构通过第二拉杆与动触头相连，油箱与支架相连，油箱内设有灭弧室，灭弧室内有动触头和静触头，并充有氟碳化合物液体，油箱顶部与电容套管相连，灭弧室顶部与绝缘喷口相连。
[0029]限压器是当电容两侧电压过高、超过门槛值时通过放电保护电容安全，通常电容换相换流器(CCC)串联电容两侧均有；
[0030]所述限压器包括壳体以及位于壳体内部的压敏电阻和放电电路，压敏电阻与放电电路并联；所述放电电路包括开关站和第二操作机构，所述开关站设有半导体开关，其可加载持续电流；与压敏电阻工作参数有关的信号在极限值之上时，第二操作机构动作，开关站接通。
[0031]所述壳体为轴向对称的壳体，其具有至少两个沿轴向方向相互间隔距离的空间，其中第一空间中设置压敏电阻，第二空间中设置开关站，第三空间中放置第二操作机构，所述第三空间设置在第一空间和第二空间之间。
[0032]所述可触发间隙为桶装封闭式结构，包括引弧单元、密封单元、放电单元、注气单元和电极调节单元；
[0033]所述电极调节单元包括真空波纹管、调节螺母、锁定螺母以及具有调节刻度的导杆；所述导杆与放电单元的上电极连接，真空波纹管位于导杆的外部，导杆顶部穿过上端封盖，通过调节螺母和锁定螺母与上端封盖固定；通过调节螺母的调节，在电弧罩与陶瓷伞群内壁的导向作用下，上电极随同导杆上下升降，并由锁定螺母锁紧，确保精确调整上电极和下电极的间隙。
[0034]所述上电极和下电极相对的面为半球面；所述引弧单元包括三头火花塞、电缆夹套和夹套锁盖，所述三头火花塞位于电缆夹套内，电缆夹套通过夹套锁盖固定在下端封盖上；
[0035]所述封闭单元包括上端封盖、下端封盖、陶瓷伞群、防雨罩、下端固定座和上端固定座；所述防雨罩位于上端封盖和导杆的外部，上端封盖、下端封盖分别通过上端固定座、下端固定座与陶瓷伞群固定连接，形成的空腔内抽真空充入惰性气体。
[0036]可触发间隙和旁通断路器构成了可控旁通开关，二者是并联关系，且均可通过触发信号控制其导通。其中，可触发间隙的导通速度远远快于旁通断路器，可认为是瞬间导通(目的是在最短时间内旁通串联电容)，而断路器通常需要几十个毫秒；但是可触发间隙不便于长期处于导通状态，且无法实现可控关断(即通过控制信号熄弧)，故并联旁通断路器，当旁通断路器随后导通后，由于其两侧电压几乎为零，远远小于可触发间隙两侧电压，故可触发间隙中电流转移至旁通断路器回路中，电流降低到一定值时，可触发间隙便可自行熄弧关断。故通过触发导通可触发间隙，可实现迅速旁通串联电容，而旁通断路器可实现长期导通并帮助可触发间隙关断。
[0037]串联电断路器串联在电容回路，实现断开和重新导通电容回路；
[0038]在实际高压直流输电工程中，当逆变侧交流系统发生单相短路故障而导致换流阀发生换相失败时，会有一个表征换相失败的数字量信号(commutation failure, CF)出现；当故障消失后，交流系统故障相电压恢复原电压值，直流系统逐渐恢复正常运行；本发明的可控旁通开关控制便基于上述两个信号，即数字量信号和故障相电压值。
[0039]可控旁通开关工作原理及动作时序如下:
[0040](I)初始状态如图4所示，串联断路器为导通状态，可触发间隙和旁通断路器均为断开状态；
[0041](2)当电容换流器直流系统逆变侧交流系统发生瞬时单相短路故障时，若发生换相失败故障，则有数字量信号出现，此时，将数字量信号作为可控旁通开关的控制信号，同时触发可触发间隙和旁通断路器；
[0042](3)可触发间隙和旁通断路器同时收到数字量信号这一触发信号后，可触发间隙瞬间导通，可在第一时间快速旁通串联电容；
[0043](4)几十毫秒后，旁通断路器导通，电流转移后，可触发间隙自行关断，这样，便完整实现了旁通串联电容的目的；
[0044](5)当旁通断路器导通的同时，拉开串联断路器，实现彻底切除串联电容，从而使得电容换相换流器直流系统故障后在结构上变成了和传统直流系统相同，可成功避免串联电容不平衡充放电对后续系统恢复的影响；
[0045](6)通过检测交流系统故障相电压，当电压恢复时(即故障消失)，发出控制信号，重新合串联断路器，串联断路器合上后，拉开旁通断路器，从而使系统重新恢复了电容换流器直流系统运行状态，继续发挥其优势。
[0046]以上便完成了一次完整的故障恢复动作策略时序，通过仿真验证，此策略可以完美的避免串联电容不平衡充放电对故障后系统恢复的影响，仿真结果波形如图5所示，恢复过程和传统直流故障后恢复过程基本完全一致，并未发生后续故障。
[0047]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述系统包括串联的三相六脉动换流阀和串联电容通断单元；所述三相六脉动换流阀为基于晶闸管的桥式六脉动换流器，所述串联电容通断单元包括串联电容、高压断路器、限压器和可控旁通开关，所述限压器和可控旁通开关分别与串联后的所述串联电容和高压断路器并联；所述可控旁通开关包括可触发间隙和旁通断路器；所述可触发间隙和旁通断路器并联。
2.根据权利要求1所述的电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述三相六脉动换流器包括六个桥臂，其中第一晶闸管阀、第三晶闸管阀、第五晶闸管阀的阳极均连接三相六脉动换流器的低压侧，第四晶闸管阀、第六晶闸管阀、第二晶闸管阀的阴极连接三相六脉动换流器高压侧，三相六脉动换流器的高压侧电压和低压侧电压的电压差即为对应直流电压；第一晶闸管阀、第四晶闸管阀连接交流电压A相，第二晶闸管阀、第五晶闸管阀连接B相，第三晶闸管阀、第六晶闸管阀连接C相；逆变侧系统中串联电容位于换流变压器二次侧和三相六脉动换流器之间。
3.根据权利要求1所述的电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述高压断路器和旁通断路器均包括第一操动机构、传动机构、触头、灭弧室、油箱、电容套管和支架；所述触头包括动触头和静触头；所述操作机构通过第一拉杆与所述传动机构相连，所述传动机构通过第二拉杆与动触头相连，油箱与支架相连，油箱内设有灭弧室，灭弧室内有动触头和静触头，并充有氟碳化合物液体，油箱顶部与电容套管相连，灭弧室顶部与绝缘喷口相连。
4.根据权利要求1所述的电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述限压器包括壳体以及位于壳体内部的压敏电阻和放电电路，压敏电阻与放电电路并联；所述放电电路包括开关站和第二操作机构，所述开关站设有半导体开关，其可加载持续电流；与压敏电阻工作参数有关的信号在极限值之上时，第二操作机构动作，开关站接通。
5.根据权利要求4所述的电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述壳体为轴向对称的壳体，其具有至少两个沿轴向方向相互间隔距离的空间，其中第一空间中设置压敏电阻，第二空间中设置开关站，第三空间中放置第二操作机构，所述第三空间设置在第一空间和第二空间之间。
6.根据权利要求5所述的电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述可触发间隙为桶装封闭式结构，包括引弧单元、密封单元、放电单元、注气单元和电极调节单元； 所述电极调节单元包括真空波纹管、调节螺母、锁定螺母以及具有调节刻度的导杆；所述导杆与放电单元的上电极连接，真空波纹管位于导杆的外部，导杆顶部穿过上端封盖，通过调节螺母和锁定螺母与上端封盖固定；通过调节螺母的调节，在电弧罩与陶瓷伞群内壁的导向作用下，上电极随同导杆上下升降，并由锁定螺母锁紧，确保精确调整上电极和下电极的间隙。
7.根据权利要求6所述的电容换相换流器逆变侧系统，其特征在于:所述上电极和下电极相对的面为半球面；所述引弧单元包括三头火花塞、电缆夹套和夹套锁盖，所述三头火花塞位于电缆夹套内，电缆夹套通过夹套锁盖固定在下端封盖上； 所述封闭单元包括上端封盖、下端封盖、陶瓷伞群、防雨罩、下端固定座和上端固定座；所述防雨罩位于上端封盖和导杆的外部，上端封盖、下端封盖分别通过上端固定座、下端固定座与陶瓷伞群固定连接,形成的空腔内抽真空充入惰性气体。
【文档编号】H02J3/36GK103545836SQ201310499719
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月22日 优先权日:2013年10月22日
【发明者】刘耀, 谢晨曦, 李新年, 王晶芳, 杨鹏, 雷霄, 庞广恒, 王亮, 王华伟 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院