用于串联MTDC系统的双极高压/低压换流站的制作方法

本发明涉及MTDC(Multi-terminal Direct Current HVDC，多端直流输电)技术领域，且更具体地涉及双极换流站及其串联MTDC系统。

背景技术：

HVDC通常是点对点输电系统。然而，对于电网公司来说，具有多于两个换流站的MTDC系统更具吸引力，原因如下：

1)对于由若干散布的发电厂组成的大量分布式能源或可再生能源的传输且同时确保接收端交流系统安全性来说，MTDC是成本高效的。

2)MTDC可实现大规模风-水电补偿系统。

3)HVDC的分接抽能可为沿线一些区域提供部分供电。

4)对于某些种类的MTDC(串联MTDC)，可缓解高海拔建造HVDC线路的挑战。

5)MTDC方案可降低建设初期投资。

当今有两种多端直流输电MTDC技术，即基于电网换相换流器的多端直流输电(LCC MTDC)和基于电压源换流器的多端直流输电(VSC MTDC)。

与VSC MTDC相比，LCC MTDC能够以低成本和低损耗实现高功率，然而LCC MTDC也继承了LCC HVDC的限制因素，例如高无功功率要求。

LCC MTDC(下文简称MTDC)可以是并联或串联系统。图1示出了一种简化的串联MTDC。

图1所示的简化的4终端串联MTDC具有2个整流换流站和2个逆变换流站。

通常，串联MTDC适用于分接抽能应用。此外，与并联MTDC相比，串联MTDC的功率流反向操作更加迅速。在某些应用中，串联MTDC的成本低于并联MTDC或两端HVDC，特别是当分散的终端相互距离不远时。然而，串联连接的换流站具有不同的电压水平，这为串联MTDC应用带来了挑战。以图1为例，换流站整流器2的电压绝缘等级高于换流站整流器1的电压绝缘等级。在串联MTDC的设计过程中需要考虑多个换流站的绝缘配合，以及直流电压测量点的部署。此外，由于多个终端的物理位置不同，串联MTDC的切断与接通以及后续的操作模式转换将比两端HVDC复杂的多。因此串联MTDC换流站的双极配置对于实现所需的操作模式以及操作模式之间的转换非常重要。

已有的双极配置解决方案，例如现有技术CN102082432A“级联换流站和级联多端高压直流(MTHVDC)输电系统”，提出了一种基于两端HVDC换流站的双极配置。在该现有技术中，低电压换流站的配置与已有的两端HVDC中换流站的双极配置没有不同之处，高电压换流站的配置包括直流平波电抗器，其布置于换流器阀的两端，在中压线路和中性母线之间并联的NBS，以及用于对直流平波电抗器和直流滤波器进行旁路的附加隔离开关。该现有技术中对高电压换流站的双极配置增大了操作复杂度。

在本发明中，提出了一种用于串联MTDC的新的双极配置方法，既可用于整流站又可用于逆变站。利用所提出的配置以及低电压换流站和高电压换流站之间的协同操作，可实现多种操作模式及模式间的转换。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种用于串联MTDC的双极配置，其可为整流站，也可为逆变站。利用所提供的配置和低电压换流站与高电压换流站之间的协同操作方法，可容易地实现多种操作模式及其转换。

基于本发明的一个方面，提供了一种用于串联MTDC的双极高电压换流站。该高电压换流站包括：两个极区，每个极区包括一阀组；连接至所述阀组的高电压侧的一个直流平波电抗器；一旁路隔离开关，一旁路开关和两个隔离开关；连接在低直流电压导线与低直流电压线路之间的线路隔离开关；一低直流电压导线，所述低直流电压导线的一端与所述极区的低电压侧相连接；所述低直流电压导线的另一端通过线路隔离开关与低压线路相连接；连接在中性区与处于所述极区的低压侧的低直流电压导线之间的中性母线开关；以及四个直流分压器，其中两个直流分压器经配置分别处于低直流电压线路；所述直流分压器中的另外两个直流分压器经配置分别处于高直流电压线路。

在本发明中，该高电压换流站进一步包括：在所述中性区中的金属回路转换断路器和中性母线接地开关。

基于本发明的一个优选实施例，所述中性母线开关经配置以执行高电压换流站的单级金属回路操作模式。

基于本发明的一个优选实施例，所述高电压换流站进一步包括两个直流滤波器，其中的每个直流滤波器连接在相应极区内的直流平波电抗器的一端与阀组的低电压侧之间。

基于本发明的一个优选实施例，各个极区内的所述旁路隔离开关、旁路开关和两个隔离开关经配置用于对应极区内的直流滤波器、直流平波电抗器和阀组的旁路或再接通操作。

基于本发明的一个优选实施例，所述高电压换流站进一步包括两个线路隔离开关，每个线路隔离开关经配置在低直流电压导线与低直流电压线路之间。

基于本发明的一个优选实施例，所述高电压换流站进一步包括分别与低直流电压线相连接的两个低电压浪涌抑制器和与高直流电压线路相连接的两个高电压浪涌抑制器。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于串联MTDC的双极低电压换流站。该双极低电压换流站包括：两个极区，每个极区包括一阀组，连接至所述阀组的高电压侧的直流平波电抗器，一旁路开关，一旁路隔离开关和两个隔离开关；两个中性母线开关，其中一个中性母线开关连接在极区的低压侧与中性区之间，另一个中性母线开关连接在第二极区的低压侧与所述中性区之间；两个直流分压器，其经配置分别处于低直流电压线。

基于本发明的一个优选实施例，每个极区进一步包括一附加直流平波电抗器，分别安装于所述极区的低压侧。

基于本发明的一个优选实施例，所述双极低电压换流站进一步包括金属回路转换断路器，用于所述中性区的中性母线接地开关。

基于本发明的一个优选实施例，所述中性母线开关经配置以执行所述双极低电压换流站的单极金属回路操作。

基于本发明的一个优选实施例，所述双极低电压换流站进一步包括两个直流滤波器，其中的每个直流滤波器连接在相应极区内的所述直流平波电抗器的一端与所述阀组的低电压侧之间。

基于本发明的一个优选实施例，所述双极低电压换流站进一步包括两个直流滤波器，其中的每个直流滤波器连接在相应极区内的处于所述阀组的高侧的直流平波电抗器的一端与处于所述阀组的低电压侧的另一直流平波电抗器的一端之间。

基于本发明的一个优选实施例，各个极区内的所述旁路隔离开关、旁路开关和两个隔离开关能够用于对应极区内的直流滤波器、直流平波电抗器和阀组的旁路或再接通操作。

基于本发明的一个优选实施例，所述双极低电压换流站进一步包括分别连接于低直流电压线路的两个低电压浪涌抑制器。

基于本发明的再一方面，提供了一种高电压换流站的双极配置。该高电压换流站的双极配置包括经配置处于以上提到的高电压换流站中的附加隔离开关，且双极区能够与高电压侧再接通。

本发明的实施例提供一种高电压或低电压换流站及其串联MTDC系统，并且取得了操作可靠性和灵活性以及成本降低。

附图说明

以下参考附图所示的较佳实施例详细描述本发明的主题，其中：

图1示出了一种具有2个整流换流站和2个逆变换流站的四端串联MTDC的示例；

图2示出一种在串联MTDC系统中的高电压换流站1的双极配置；

图3a、图3b、图3c和图3d示出了在常规双极操作模式和高电压换流站本地接地回路模式之间的操作模式转换过程；

图4a、图4b、图4c和图4d示出了高电压换流站从双极本地接地模式向单级本地金属回路模式，以及双极本地接地模式向单极本地接地回路模式的操作模式转换；

图5示出了高电压换流站的直流电压测量点；

图6示出了一种串联MTDC系统中的低电压换流站配置；

图7示出了在每个极具有两个直流平波电抗器的低电压换流站配置；

图8示出了具有附加隔离开关以实现特定操作模式的高电压换流站配置；以及

图9示出了一种简化的四端双极MTDC配置。

具体实施方式

以下结合附图描述本发明的实施例。为了清楚和简洁，说明书中未描述出实际实施方式的全部特征。

图2示出了一种串联MTDC系统中的高电压换流站1的双极配置。对于常规的全电压双极操作，所述高电压双极换流站与直流线路22(正低电压极线)及22’(负低电压极线)、直流线路23(正高电压极线)及23’(负高电压极线)，以及本地交流电网2相连。

在所述高电压换流站中，直流平波电抗器106和106’分别串联连接在阀组107和107’的高压侧。直流滤波器105和105’分别连接在所述直流平波电抗器的一端与所述阀组的低电压侧之间。

旁路断路器(BPS)102和102’、旁路隔离开关(BPI)101和101’、隔离开关103和103’以及隔离开关104和104’用于所述直流平波电抗器、直流滤波器和阀组的旁路操作。

低电压浪涌抑制器(SA)13和13’分别并联连接在低直流电压线22和22’，高电压SA14和14’分别并联连接在高直流电压线23和23’。

开关115和115’为线路隔离开关，用于将高电压换流站的低电压极线22和22’与低电压导线24和24’连接/断开。

中性母线开关(NBS)12串联连接在第一极区10的低电压导线24与双极区11之间；NBS 12’串联连接在第二极区10’的低电压导线24’与双极区11之间。

开关111为金属回路转换断路器(MRTB)，开关113为中性母线接地开关(NBGS)。开关116和116’、117和117’为辅助隔离开关，用于实现操作模式转换。

交流滤波器15与本地电网的交流母线相连接。108和108’分别为第一极区和第二极区的换流变压器。

图3a、图3b、图3c和图3d示出了低电压换流站经旁路之后，从远端接地模式向随后的本地接地模式的操作模式转换。

图3a为串联MTDC系统的常规双极操作模式，该系统在低电压换流站的接地极412处接地。

图3b示出了低电压换流站分别通过BPI401和401’的旁路状态。高电压换流站在双极远端接地回路模式下操作。

图3c示出了在NBS12和12’、隔离开关117和117’以及MRTB 111闭合之后，该系统在低电压换流站的远端接地极412以及高电压换流站的本地接地极112均接地的瞬态模式。

图3d示出了在将低电压换流站的NBS42和42’以及高电压换流站的线路隔离开关115和115’打开之后，高电压换流站的双极本地接地模式。

以上描述的从图3a到图3d的整个转换过程是可逆的，用以实现从双极本地接地回路模式向常规双极操作模式的模式转换：首先，在低电压换流站通电且关闭NBS 42,42’以及MRTB 412之后，图3d所示的本地接地模式转换到图3c；其次，打开高电压换流站的NBS 12和12’，其将高电压换流站的接地电流路径切断而操作被转换到远端接地模式，如图3b所示；最后，低电压换流站接通从而重新建立常规双极操作，如图3a所示。

图4a、图4b、图4c以第一极10的旁路为例，示出了高电压换流站从双极本地接地模式向单极本地金属回路模式，以及双极本地接地模式向单级本地接地回路模式的操作模式转换。应注意同样的方法能够应用到第二极10’的旁路处理中。

图4a示出了高电压换流站的双极本地接地模式。

图4b示出了高电压换流站的极10通过BPI 101的旁路状态。高电压换流站的接地电流具有两条线路路径：一条是极线23以及另一条是通过接地极112的接地路径。

图4c示出了高电压换流站的单极本地接地回路模式，该模式可由如图4b所示的操作模式，通过打开NBS 12转换而来。

图4d示出了高电压换流站的单极本地金属回路模式，该模式可由如图4b所示的模式，通过打开MRTB 111转换而来。

通过闭合MRTB 111，以及随后打开NBS12，能够将如图4d所示的高电压换流站的单级本地金属回路模式转换为如图4c所示的单极本地接地回路模式；通过闭合NBS 12和BPI 101，以及随后打开MRTB 111，能够将如图4c所示的高电压换流站的单极本地接地回路模式转换为如图4d所示的单极本地金属回路模式。

图5示出了高电压换流站的直流电压测量点。对高电压极线和低电压极线两者的线到地的直流电压进行测量。直流分压器16和16’分别用于低电压极线22和22’的直流电压测量；直流分压器17和17’分别用于高电压极线23和23’的直流电压测量。

图6示出了串联MTDC系统中低电压换流站的双极配置。对于常规双极操作，所述高压双极换流站连接至直流线路22(正低电压极线)和22’(负低电压极线)，以及本地交流电网5。

在所述低电压换流站中，直流平波电抗器406和406’分别串联连接在阀组407和407’的高电压侧；直流滤波器405和405’分别连接在所述直流平波电抗器的一端与所述阀组的低电压侧之间。

旁路断路器(BPS)402和402’、旁路隔离开关(BPI)401和401’、隔离开关403和403’，以及隔离开关404和404’用于所述直流平波电抗器、直流滤波器以及阀组的旁路操作。

低压浪涌抑制器(SA)43和43’分别并联连接在低直流电压线路22和22’。

中性母线开关(NBS)42串联连接在第一极40的隔离开关401的低电压侧与双极区41之间；NBS 42’串联连接在第二极40’的隔离开关401’的低电压侧与双极区41’之间。

开关411为金属回路转换断路器(MRTB)，开关413为中性母线接地开关(NBGS)。开关416和416’、417和417’为辅助隔离开关，用于实现操作模式转换。

交流滤波器45与本地电网的交流母线相连接。408an 408’分别为第一极区40和第二极区40’的换流变压器。

图7示出了在每个极具有两个直流平波电抗器的低电压换流站配置。该配置是对图6所示配置的模拟装置，除去以下内容之外：附加直流平波电抗器409和409’分别串联连接在阀组407和407’的低电压侧，以及直流滤波器405以及405’分别连接在所述直流平波电抗器406和409以及406’和409’的端部。

图8示出了具有附加隔离开关以实现特定操作模式的高电压换流站配置。利用附加隔离开关(119,119’)、(120,120’)和(121,121’)，能够使双极区11与每个换流器的高电压侧重新接通，以实现特定操作模式，例如分离模式(split mode)，在该模式中串联MTDC系统被分离为两个两端HVDC系统，或者是1/4交错模式(cross mode)，在该模式中高电压`线路能够与高电压换流站的接地极重新接通。

图9示出了一种简化的4端双极MTDC单线图。每个块代表一个极的换流站，(1_,1-)和(2+,2-)分别为低电压整流换流站和高电压整流换流站；(3+,3-)和(4+,4-)分别为高电压逆变换流站和低电压逆变换流站。

表1、表2、表3和表4列出了本发明的基于图9的变化所实现的操作模式。在表1、表2、表3和表4中的这些图中，黑色的块表示正处于操作的站，而未被填充的块表示未处于操作或旁路的站。黑色线条为带电线路；虚线为不带电线路。表中的符号“＝>”表示电流流动方向，数字1至4分别表示4个换流站；数字的角标“+”或“-”代表每个换流站的正极或负极。例如“1⁺＝>2⁺＝>3⁺＝>4⁺”表示电流先后流过各个换流器1、2、3和4的正极。为简化，图中除去了换流站的注释。

表1列出了本发明提出的双极配置方法能够实现的基本操作模式。

在表1中，全电压操作是常规模式，其中列出了全电压双极操作和全电压单极操作。

在设备故障、永久线路故障、维护等期间应允许多种模式的半电压操作。对于四端串联MTDC系统，半电压操作模式可分为1/2双极模式、1/2交错模式、3/4交错模式和1/4单极模式。此外，对于每个操作模式，基于高压换流器的直流电流回路方式确定三种接线类型，如下所示：

√本地接地回路方法

√传输线路回路方法(金属回路)

√混合回路方法

表1四端串联MTDC的操作模式

表2列出了本发明提出的双极配置方法能够实现的一些特定操作模式。表2所示的每种操作模式具有一个仅连接至一个极的接地极。此外还确定了全电压单极模式、1/2双极模式和另两种新的操作模式，即1/2交错模式和3/4交错模式。

表2

表3列出了另一种特定操作模式，名为1/4交错模式。在1/4交错模式中，在一个极中的高电压换流站的电压极性将发生改变。举例来讲，对于1⁺＝>3^-的情况，高电压换流站3的两侧的直流电压从(-400kV,-800kV)变为(400kV,0V)。本发明提出的特定双极配置方法能够实现模式转换。

从原理上，也有可能通过在低电压换流站改变电压极性实现1/4交错模式，例如1⁺＝>4^-的情况和2⁺＝>4^-的情况，然而低电压换流站的低压侧的绝缘等级将显著增大且需要附加的隔离开关。

表3 1/4交错模式

表4列出了其它特定操作模式，分离模式，其中串联MTDC系统被分为两个两端HVDC系统。本发明提出的特定双极配置方法能够实现该分离模式。

表4分离模式

与现有技术相比，本发明提出的方案实施在串联MTDC系统更为实用以及容易。参考说明书中的示例性实施例，本领域技术人员可理解本发明的优势在于，在高电压换流站，仅一个直流平波电抗器需进行优化，且根据本发明提供的双极换流站及其串联MTDC系统能够容易地实现多种操作模式及模式转换。

尽管基于一些优选实施例对本发明进行了描述，本领域技术人员应理解该实施例不应以任何形式限制本发明的保护范围。在不违背本发明精神和思想前提下，对实施例的任何变型和修改都属于具备本领域常规知识和技术的人员的理解范畴之内，因此落入权利要求所界定的本发明的保护范围内。