变频柔性调谐装置、半波长交流输电系统及其控制方法与流程

本发明涉及半波长交流输电技术领域，具体涉及一种变频柔性调谐装置、半波长交流输电系统及其控制方法。

背景技术：

光伏和风电等技术的发展促进了资源条件即使不是最好地区的集约式大规模开发，从而使得超远距离、大功率电能的输送及其实施具有广泛的意义和实用价值。

半波长交流输电(Half Wavelength AC Transmission，HWACT)是指输电的电气距离接近1个工频半波长，即3000km(50Hz)或2600km(60Hz)的超远距离的三相交流输电。无损情况下的半波长交流线路就像一台变比为-1.0的理想变压器，首端电压和末端电压大小相同、相位相反。随着超远距离、大功率传输需求的不断增加，半波长交流输电技术尤其是特高压半波长交流输电再次受到众多关注和研究。半波长交流输电技术的优点之一是半波长交流输电线路的功率因数相对较高，且在输电距离等于或稍大于半波长的情况下，其结构比现有的超远距离交、直流输电系统都更为简单；再者，对于发展中国家而言，交流输电设备的制造比换流装置的引进、运行和维护更为简单、经济。

中国的西部能源基地(如新疆煤电)与东部负荷中心(如珠三角)之间距离有些可达3000km，且输电容量巨大。未来还可能开发与中国毗邻的俄罗斯、蒙古等国的电力能源，并向中国、朝鲜等国输送，输电距离也在3000km以上。这种特殊需要的超远距离送电，使得特高压半波长交流输电技术有望成为中国未来可能的输电方式之一。目前，巴西、加拿大等幅员辽阔的国家也在推进半波长交流输电技术的研究，以应对日渐迫切的超远距离、大容量输电需求。因此，半波长交流输电的应用前景非常广阔。

半波长交流输电受客观条件的限制，实际线路的自然长度难以正好是半个波长。当线路长度不足或过长时，需要使用调谐电路或补偿电路对输电线路的电气长度进行人工补偿，以达到人造半波长交流输电线路的目的。目前，现有的半波长交流输电补偿方案是基于无源型网络进行输电线路调谐的，如附图1所示的π型调谐电路/装置，附图2所示的T型调谐电路/装置。这两种调谐方案在一定程度上影响了半波长交流输电技术的发展和应用。这是因为：

(1)无源调谐电路对系统结构、运行方式或参数变化的适应性相对较差，容易失去半波长特性；

(2)无源调谐电路功能较为单一，只解决调谐问题，无法适应电网灵活化、智能化的发展要求；

(3)无源调谐电路或半波长交流输电线路发生短路故障时，易引发谐振，产生幅值很高的过电压，这要求线路和设备提高相应的绝缘要求，或者要求安装相应的过电压限制措施来抑制线路的过电压。

技术实现要素：

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种变频柔性调谐装置、半波长交流输电系统及其控制方法。

第一方面，本发明中一种变频柔性调谐装置的技术方案是：

所述变频柔性调谐装置包括第一MMC模块和第二MMC模块；所述第一MMC模块和第二MMC模块的直流侧相连，交流侧为所述变频柔性调谐装置的输入/输出端；

所述第一MMC模块和第二MMC模块均包括三个并联的相单元；所述相单元包括两个串联的桥臂，每个桥臂均包括串联的电抗器和功率模块单元；所述各相单元中桥臂的串联连接点为所述交流侧的交流端子，所述各相单元的并联连接点为所述直流侧的直流端子；

所述功率模块单元包括多个串联的功率子模块，所述功率子模块为包括全控型电力电子器件的半桥结构功率子模块或全桥结构功率子模块。

第二方面，本发明中一种半波长交流输电系统的技术方案是：

所述半波长交流输电系统包括依次连接的送端交流系统、半波长交流输电线路和受端交流系统，所述半波长交流输电系统包括两个上述的变频柔性调谐装置；一个所述变频柔性调谐装置安装在所述送端交流系统与半波长交流输电线路之间，另一个所述变频柔性调谐装置安装在所述受端交流系统与半波长交流输电线路之间。

第三方面，本发明中一种上述的半波长交流输电系统的控制方法的技术方案是：

所述控制方法包括通过调节所述变频柔性调谐装置的运行方式，对所述半波长交流输电系统进行柔性调谐和柔性并网，调整所述半波长交流输电系统的系统参数；抑制半波长交流输电线路的过电压和潜供电流并实现故障隔离；所述系统参数包括送端交流系统的功率因数和母线电压、受端交流系统的功率因数和母线电压，。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种变频柔性调谐装置，其包括第一MMC模块和第二MMC模块，第一MMC模块和第二MMC模块均包括多个由全控型电力电子器件构成的功率子模块，因此通过控制全控型电力电子器件的导通和闭锁，改变第一MMC模块和第二MMC模块的输入/输出信号，可以灵活的调节变频柔性调谐装置输出信号的频率、电压幅值和相位等电量参数；

2、本发明提供的一种半波长交流输电系统，变频柔性调谐装置安装在半波长交流输电线路的两端，可以在半波长交流输电线路的线路结构、线路参数或运行方式发生变化后，对半波长交流输电线路进行调谐，使其不会失去半波长特性；

3、本发明提供的一种半波长交流输电系统的控制方法，通过改变调节变频柔性调谐装置的运行方式，对半波长交流输电系统进行柔性调谐和柔性并网，调整半波长交流输电系统的系统参数，抑制半波长交流输电线路的过电压和潜供电流并实现故障隔离，其操作灵活、简单。

附图说明

图1：π型调谐电路/装置结构示意图；

图2：T型调谐电路/装置结构示意图；

图3：本发明实施例中一种变频柔性调谐装置结构示意图；

图4：半桥结构功率子模块结构示意图；

图5：全桥结构功率子模块结构示意图；

图6：本发明实施例中一种半波长交流输电系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种变频柔性调谐装置进行说明。

图3为本发明实施例中一种变频柔性调谐装置结构示意图，如图所示，本实施例中变频柔性调谐装置包括第一MMC模块1和第二MMC模块2，第一MMC模块1和第二MMC模块2的直流侧相连，交流侧为变频柔性调谐装置的输入/输出端。

其中，第一MMC模块1和第二MMC模块2均包括三个并联的相单元，每个相单元均包括两个串联的桥臂，每个桥臂均包括串联的电抗器和功率模块单元。各相单元中桥臂的串联连接点为交流侧的交流端子，各相单元的并联连接点为直流侧的直流端子。即第一MMC模块1的各相单元中桥臂的串联连接点为其交流侧的交流端子，各相单元的并联连接点为其直流侧的直流端子；第二MMC模块2的各相单元中桥臂的串联连接点为其交流侧的交流端子，各相单元的并联连接点为其直流侧的直流端子。

功率模块单元包括多个串联的功率子模块(Sub-Module，SM)，功率子模块为包括全控型电力电子器件的半桥结构功率子模块(Half-Bridge SM，HBSM)或全桥结构功率子模块(Full-Bridge SM，FBSM)。其中，图4为半桥结构功率子模块结构示意图，图5为全桥结构功率子模块结构示意图。

本实施例中变频柔性调谐装置包括第一MMC模块1和第二MMC模块2，第一MMC模块1和第二MMC模块2均包括多个由全控型电力电子器件构成的功率子模块，因此通过控制全控型电力电子器件的导通和闭锁，改变整流模块和逆变模块的输入/输出信号，可以灵活的调节变频柔性调谐装置输出信号的频率、电压幅值和相位等电量参数。

进一步地，本实施例中相单元的两个桥臂可以按照下述两种方式连接：两个桥臂通过各自的电抗器相连，或者通过各自的功率模块单元相连。即依据变频柔性调谐装置的实际安装位置，可以将电抗器安装在相单元的交流端子处，也可以将电抗器安装在相单元的直流端子处。如图3所示，本实施例中各相单元的两个桥臂通过各自的电抗器相连。同时在各交流端子引出一条线路，形成A、B、C三相交流线路。

进一步地，本实施例中第一MMC模块1的各功率子模块为相同结构的功率子模块，各电抗器为相同结构的电抗器。同时，第二MMC模块2的各功率子模块也为相同结构的功率子模块，各电抗器为相同结构的电抗器。

进一步地，本实施例中第一MMC模块1的功率子模块和第二MMC模块2的功率子模块的结构相同或不同，第一MMC模块1的电抗器和第二MMC模块2的电抗器的结构相同或不同。即第一MMC模块1和第二MMC模块2的结构可以相同也可以不同。

进一步地，本实施例中第一MMC模块1内各功率子模块所包含的各元件参数均相同，各电抗器的电抗值均相同，保证了第一MMC模块1各桥臂的一致性。第二MMC模块2内各功率子模块所包含的各元件参数均相同，各电抗器的电抗值均相同，保证了第二MMC模块2各桥臂的一致性。

本发明还提供了一种半波长交流输电系统，并给出了具体实施例。

图6为本发明实施例中一种半波长交流输电系统结构示意图，如图所示，本实施例中半波长交流输电系统包括送端交流系统、半波长交流输电线路、受端交流系统和两个上述的变频柔性调谐装置。一个变频柔性调谐装置安装在送端交流系统与半波长交流输电线路之间，另一个变频柔性调谐装置安装在受端交流系统与半波长交流输电线路之间。如图所示，与送端交流系统连接的变频柔性调谐装置包括第一MMC模块11和第二MMC模块12，与受端交流系统连接的变频柔性调谐装置包括第一MMC模块21和第二MMC模块22。

本实施例中变频柔性调谐装置安装在半波长交流输电线路的两端，可以在半波长交流输电线路的线路结构、线路参数或运行方式发生变化后，对半波长交流输电线路进行调谐，使其不会失去半波长特性。

进一步地，本实施例中连接送端交流系统的变频柔性调谐装置，如图6所示，其第一MMC模块11与送端交流系统连接，第二MMC模块12与半波长交流输电线路连接。连接受端交流系统的变频柔性调谐装置，其第二MMC模块22与受端交流系统连接，第一MMC模块21与半波长交流输电线路连接。

本发明还提供了一种上述的半波长交流输电系统的控制方法，并给出了具体实施例。

本实施例中半波长交流输电系统的控制方法包括通过调节变频柔性调谐装置的运行方式，对半波长交流输电系统进行柔性调谐和柔性并网，调整半波长交流输电系统的系统参数，抑制半波长交流输电线路的过电压和潜供电流，并实现故障隔离。其中，系统参数包括送端交流系统的功率因数和母线电压、受端交流系统的功率因数和母线电压。本实施例中通过改变调节变频柔性调谐装置的运行方式，对半波长交流输电系统进行柔性调谐和柔性并网，调整半波长交流输电系统的系统参数，抑制半波长交流输电线路的过电压和潜供电流并实现故障隔离，其操作灵活、简单。下面分别对柔性调谐、柔性并网、调整系统参数、抑制过电压和潜供电流，并实现故障隔离进行具体说明。

1、柔性调谐

本实施例中可以按照下述步骤对半波长交流输电系统进行柔性调谐，具体为：

(1)当半波长交流输电线路的电气距离小于电网频率对应的一个半波长时，通过控制变频柔性调谐装置的输出信号频率，提高半波长交流输电线路的运行频率，并采用升高后的运行频率进行交流输电，直至电气距离等于升高后的运行频率对应的一个半波长。

(2)当半波长交流输电线路的电气距离大于电网频率对应的一个半波长时，通过控制变频柔性调谐装置的输出信号频率，降低半波长交流输电线路的运行频率，并采用降低后的运行频率进行交流输电，直至电气距离等于降低后的运行频率对应的一个半波长。

(3)当半波长交流输电线路的线路结构、线路参数或运行方式发生变化时，通过控制变频柔性调谐装置的输出信号频率，调整半波长交流输电线路的运行频率，并采用调整后的运行频率进行交流输电，直至在线路结构、线路参数或运行方式发生变化后的半波长交流输电线路的电气距离等于改变后的运行频率对应的一个半波长。

其中，对半波长交流输电系统进行柔性调谐的过程中可以将第二MMC模块12等效为一个电压源，向半波长交流输电线路提供电压，将第一MMC模块21等效为一个电流源即可以等效为一个电阻性负载。同时，本实施例中第一MMC模块1既可以工作在整流状态也可以工作在逆变状态，第二MMC模块2既可以工作在整流状态也可以工作在逆变状态，因此可以依据实际工况需要将送端交流系统和受端交流系统互换，相应地，将第一MMC模块21等效为一个电压源，向半波长交流输电线路提供电压，将第二MMC模块12等效为一个电流源即可以等效为一个电阻性负载。

进一步地，为了在相同的开关频率下控制变频柔性调谐装置输出更高频率的电压/电流信号，在上述第(1)种情况下控制变频柔性调谐装置的输出信号频率之前还可以控制变频柔性调谐装置中与半波长交流输电线路直接相连的第一MMC模块1和第二MMC模块2中投入运行的功率子模块数量大于未与半波长交流输电线路直接相连的第一MMC模块1和第二MMC模块2中投入运行的功率子模块数量。即控制第二MMC模块12中投入运行的功率子模块数量大于第一MMC模块11中投入运行的功率子模块数量，控制第一MMC模块21中投入运行的功率子模块数量大于第二MMC模块22中投入运行的功率子模块数量。

2、柔性并网

本实施例中包括两个并网类型：一是送端交流系统接入半波长交流输电线路后与受端交流系统并网，二是受端交流系统接入半波长交流输电线路后与送端交流系统并网。下面对这两种并网类型的柔性并网方法进行具体说明。

(1)并网类型为送端交流系统接入半波长交流输电线路后与受端交流系统并网时，可以按照下述步骤实施，具体为：

①：控制送端交流系统一侧的变频柔性调谐装置的第一MMC模块11处于整流状态并建立相应的直流电压，控制第二MMC模块12处于逆变状态并产生与半波长交流输电线路的预设运行频率对应的交流电压，该交流电压通过半波长交流输电线路传输至与受端交流系统一侧的变频柔性调谐装置。

②：控制受端交流系统一侧的变频柔性调谐装置的第一MMC模块21处于整流状态并产生相应的直流电压，控制第二MMC模块22处于逆变状态并跟踪受端交流系统的电压频率、幅值、相序和相位。

③：当交流侧输出信号的电压频率、幅值、相序和相位分别与受端交流系统的电压频率、幅值、相序和相位相同后，即符合电力系统的并网条件后，闭合第二MMC模块22与受端交流系统之间的并网机械开关完成并网。其中，电力系统的并网条件包括：两个系统的频率要相同、两个系统电压大小要相同、两个系统相序要相同和两个系统电压相位要一致。

(2)并网类型为受端交流系统接入半波长交流输电线路后与送端交流系统并网时，可以按照下述步骤实施，具体为：

①：控制受端交流系统一侧的变频柔性调谐装置的第二MMC模块22处于整流状态并建立相应的直流电压，控制第一MMC模块21处于逆变状态并产生与半波长交流输电线路的预设运行频率对应的交流电压，该交流电压通过半波长交流输电线路传输至与送端交流系统一侧的变频柔性调谐装置。

②：控制送端交流系统一侧的变频柔性调谐装置的第二MMC模块12处于整流状态并产生相应的直流电压，控制第一MMC模块11处于逆变状态并跟踪送端交流系统的电压频率、幅值、相序和相位。

③：当交流侧输出信号的电压频率、幅值、相序和相位分别与送端交流系统的电压频率、幅值、相序和相位相同后，即符合电力系统的并网条件后，闭合第一MMC模块11与送端交流系统之间的并网机械开关完成并网。

3、调整功率因数

本实施例中可以控制送端交流系统一侧的变频柔性调谐装置中第一MMC模块11按照整功率因数运行，第一MMC模块11等效为一个电阻性负载，从而提高送端交流系统的功率因数。即修正第一MMC模块11的功率因数为1，并控制第一MMC模块11按照修正后的功率因数运行。

本实施例中可以控制受端交流系统一侧的变频柔性调谐装置中第二MMC模块22按照整功率因数运行，第二MMC模块22等效为一个电阻性负载，从而提高受端交流系统的功率因数。即修正第二MMC模块22的功率因数为1，并控制第二MMC模块22按照修正后的功率因数运行。

4、调整母线电压

本实施例中母线电压指的是送端交流系统及其相连的变频柔性调谐装置之间的母线电压，以及受端交流系统及其相连的变频柔性调谐装置之间的母线电压。

(1)本实施例中可以按照下述步骤调整送端交流系统的母线电压，具体为：当母线电压偏低时，控制变频柔性调谐装置的第一MMC模块11向送端交流系统输出容性无功功率；当母线电压偏高时控制第一MMC模块11向送端交流系统输出感性无功功率。

(2)本实施例中可以按照下述步骤调整受端交流系统的母线电压，具体为：当母线电压偏低时，控制变频柔性调谐装置的第二MMC模块22向受端交流系统输出容性无功功率；当母线电压偏高时控制第二MMC模块22向受端交流系统输出感性无功功率。

5、抑制过电压和潜供电流

本实施例中在半波长交流输电系统正常运行时，连接送端交流系统的变频柔性调谐装置的第二MMC模块22可以等效为一个电压源，向半波长交流输电线路输出交流电压。在半波长交流输电线路发生故障后，可以通过控制第二MMC模块22输出的交流电压快速降低，抑制过电压和潜供电流，并实现故障隔离。

进一步地，本实施例中为了避免半波长交流输电线路引起的线路过电压和潜供电流抑制难题，可以通过调节变频柔性调谐装置的运行方式，将半波长交流输电线路等效为常规交流线路，具体为：通过控制变频柔性调谐装置的输出信号频率，降低半波长交流输电线路的运行频率，直至半波长交流输电线路的电气距离远大于运行频率降低之前对应的一个半波长。

进一步地，本实施例中为了满足实际工况对直流输电的需求，可以通过调节变频柔性调谐装置的运行方式，将半波长交流输电线路等效为直流线路，具体为：通过控制变频柔性调谐装置的输出信号频率，将半波长交流输电线路的运行频率降低至0Hz。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。