一种三极柔性直流输电系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及输配电技术领域，具体涉及一种将现有的交流线路改造成直流输电线路的三极直流输电系统。
【背景技术】
[0002]随着我国经济持续高速发展，电力需求矛盾日益突出。一方面电力负荷的增长超出了原有交流输电线路的传输能力，而受土地资源限制，很难获得新的输电走廊；另一方面，传统交流输电受绝缘、交流电网特性限制，线路输送功率很少达到导线所能承受的最大热功率，因此需要采用新技术进一步挖掘现有线路的输电潜力。
[0003]为了充分利用现有交流线路输电走廊，除了直接升高线路运行电压等级外，还可以采用如下技术来提升线路输送能力:固定串并联补偿技术、灵活交流输电技术、紧凑型输电技术、线路动态增容技术、提高导线工作允许温度、新型导线输电技术、交流线路改直流线路。
[0004]交流输电线路传输功率更多地是受到交流电网特性的限制，通常远远低于导线所能承受的最大热功率。与交流输电相比较，采用高压直流输电，线路电流可以达到导线所能承受的最大热极限，而且线路造价更低、损耗更小。当直流线路节约的成本足以抵消新建换流站增加的成本时，采用直流输电经济效益明显。此外，直流输电还具有功率控制方便、不增加系统短路电流、线路不存在集肤效应、线路或电缆的绝缘利用率更高、调节速度快、运行可靠、可以实现交流系统异步连接等优势。
[0005]2004年，美国学者Barthold L O在专利US6714427B1中提出一种如图1所示的采用常规LCC-HVDC的三极直流输电系统，其原理是采用直流电流调制技术将交流输电线路转化为直流输电线路。在对交流线路改造成直流输电线路的各种转换方案中，由于三极直流输电方案可以充分利用原有的交流三相线路，因此相对于双极和单极直流输电改造方案，三极直流输电方案在提高输电能力、经济成本和可靠性等方面上具有优势。目前利用三极直流输电技术将交流线路改造成直流输电线路处在原理性研究阶段，尚无工程应用实例。由于LCC-HVDC采用半控型晶闸管，因此图1中的三极直流输电方案存在以下缺点:1)如逆变侧交流系统发生故障将引起直流三个极同时发生换相失败，导致直流线路输送功率中断，对受端系统安全稳定构成威胁；2)在三极直流系统运行过程中，各极电流大小以及极3电压极性和电流方向都需要按一定周期快速改变，势必对两端交流系统产生扰动；3)由于每条线路都配置了一个完整的极，因此需要增加的换流变压器、交流滤波和无功补偿装置、12脉动换流器以及相应辅助设备较多，造成改造成本较高、新增的换流站占地面积较大的缺点，尤其不利于对换流站占地面积要求特别严格的大城市供电系统中交流线路改造成直流线路工程的实施。
[0006]近年来，采用全控型电力电子器件IGBT的柔性直流输电技术发展很快，与传统直流输电技术相比，具有不需要电网换相电压支撑，可向无源网络供电；不存在换相失败；可实现有功功率、无功功率独立控制；无需交流滤波和无功补偿装置等优点。从所采用的换流器结构来区别，柔性直流输电系统主要包括两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器(MMC)结构，其中基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统除了具有柔性直流输电通用优点外，还具有开关频率低、损耗小、易扩展、输出波形质量高、制造难度低等特点，因此具有广阔的应用前景。
[0007]为了解决基于常规LCC-HVDC的三极直流输电系统存在的上述问题，降低新建换流站面积，提高交流线路改直流线路方案的经济性，本专利在基于MMC-HVDC双极系统的基础上提出一种三极柔性直流输电系统和方法，可以很好的满足城市供电系统中交流线路改造成直流输电线路提高输电容量的需要。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提出一种三极柔性直流输电系统和方法，解决基于LCC-HVDC的三极直流输电的缺点，满足土地资源紧张的城市供电系统中交流线路改造成直流输电线路需要。
[0009]本发明提出一种三极柔性直流输电系统，采用三根导线传输直流功率，整流换流器和逆变换流器分别由一个三相六桥臂模块化多电平换流器组成，整流换流器、逆变换流器的1，2，3相单元中点分别与换流变压器绕组副边相连，整流换流器、逆变换流器直流侧极I和极2之间各设置两个换流阀，换流阀由全控型器件构成。整流换流器、逆变换流器的正极通过平波电抗器与极I直流线路相连，负极通过平波电抗器与极2直流线路相连，整流换流器、逆变换流器的上下两个换流阀连接点通过平波电抗器与极3直流线路相连。
[0010]进一步，整流换流器、逆变换流器由三相六桥臂组成，每个桥臂至少由一个子模块和一个桥臂电抗器串联而成，每相上下两个桥臂合在一起构成一个相单元。
[0011]进一步，上述换流器基本子模块采用模块化多电平结构，通过串并联不同数量基本单元以适应不同电压等级和电流的需要。
[0012]进一步，上述输电系统所如采用的三根导线为电缆，则所述模块化多电平换流器的子模块为半桥结构，如采用的三根导线为架空线路，则所述模块化多电平换流器的子模块由两个钳位双子模块组成。
[0013]本发明提出一种与上述系统相关的一种三极柔性直流输电方法，极1、极2直流电流方向恒定不变，电流定值在最大值和最小值之间周期性调制，电流定值最大值和最小值的比值为2，极3电流为极I和极2电流的差值，极3直流电流定值取极1、极2直流电流定值最小值，电流方向周期性的改变。极1、极2直流电压极性方向恒定不变，对整流换流器和逆变换流器直流侧上下两个换流阀的触发进行控制，使极3线路周期性的与极I线路或极2线路并联运行，从而周期性的改变极3直流电压极性，保证极3直流功率方向不变。
[0014]进一步，上述输电系统极I线路电压为正，极I电流为电流定值最大值，极2电压为负，极2电流为电流定值最小值，则整流换流器和逆变换流器直流侧极3和极2之间的两个换流阀导通、极3和极I之间的两个换流阀关断，极3线路与极2线路并联运行，极3线路电压为负，极3电流指令为电流定值最小值，电流方向与极2电流方向相同；当极I电流由电流定值最大值切换到电流定值最小值、极2电流由电流定值最小值切换到电流定值最大值时，整流换流器和逆变换流器直流侧极3和极I之间的两个换流阀导通、极3和极2之间的两个换流阀关断，此时极3线路与极I线路并联运行，极3线路电压为正，极3电流指令为电流定值最小值，电流方向与极I电流方向相同。
[0015]本发明的特点在于:可以满足交流线路改造成直流输电线路需要，除了具有MMC-HVDC不会发生换相失败、可以稳定两侧交流系统电压、无需交流滤波和无功补偿装置特点外，在常规双极MMC-HVDC三相六桥臂结构基础上增加4个换流阀，实现三根导线传输功率，与常规双极MMC-HVDC相比，换流变数目不变，换流阀只增加4个。此外，对于常规双极MMC-HVDC系统而言，一回线路故障，双极系统都需要停运，而采用本发明提出的方案，由于采用三条线路输电，一回线路故障后，剩余两条线路还可以构成常规双极MMC-HVDC系统运行，大大提高了整个系统的可靠性。综上所述，本发明提出的方案具有结构紧凑、换流站占地面积小、总体改造成本低、可靠性高的特点，可以充分利用三根线路传输功率，因此特别适用于土地资源紧张的城市供电系统中交流线路改造成直流输电线路增容工程的实施，具有很好的工程应用价值。
【附图说明】
[0016]图1为基于LCC-HVDC的三极直流输电系统原理结构图
[0017]图2为典型三相六桥臂模块化多电平换流器系统结构原理图
[0018]图3为本发明提出的三极柔性直流输电系统拓扑结构原理图
[0019]图4为适用于电缆的模块化多电平换流器的子模块结构图
[0020]图5为适用于架空线路的模块化多电平换流器的子模块结构图
[0021]图6为三极直流输电电流指令调制原理图
[0022]图7为三极直流输电系统极3电压为负时系统结构原理图
[0023]图8为三极直流输电系统极3电压为正时系统结构原理图
【具体实施方式】
[0024]以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0025]图2所示为一典型的双极直流系统采用的三相六桥臂MMC结构图，在双极直流系统整流站和逆变站模块化多电平换流器直流侧极I和极2之间各设置两个换流阀，上下两个换流阀连接点通过平波电抗器与极3直流线路相连，对换流阀的触发进行控制，周期性的改变极3直流电压极性，通过对三个极的电流指令进行调制，实现三极直流输电。即可实现三极直流输电，具体方案如下:
[0026]如图3所示，整流换流器和逆变换流器分别由一个三相六桥臂模块化多电平换流器组成，整流换流器、逆变换流器的1，2，3相单元中点分别与换流变压器绕组副边相连，整流换流器、逆变换流器直流侧极I和极2之间各设置两个换流阀，换流阀由全控型器件构成，图中换流阀由IGBT和反向并联续流二极管构成。整流换流器、逆变