單向功率傳輸的直流輸電系統的製作方法
2023-05-13 15:56:06
專利名稱：單向功率傳輸的直流輸電系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於直流輸電技術領域，具體為一種單向功率傳輸的直流輸電系統。
背景技術：
上世紀五十年代以來，高壓直流輸電技術重新興起，特別是基於大功率電力電子器件在直流輸電系統中的廣泛應用，為電力系統帶來了新的發展和增長點。傳統的高壓直流輸電採用基於晶閘管的電流源型換流器，目前已經得到較為廣泛的應用，如舟山直流輸電工程、葛洲壩-上海直流輸電工程、向家壩-上海直流輸電工程等。對於要求快速控制潮流，高電能質量，對環境影響小，與弱受端或無源網絡相連的中小功率直流輸電應用場合， 基於電壓源型換流器的高壓直流輸電則更加具有優勢。目前，電壓源型換流器往往採用絕緣柵雙極電晶體(IGBT)等全控器件，按照不同的電路拓撲構成，這些電路拓撲包括三相全橋結構、二極體箝位型和電容箝位型等。用於輕型高壓直流輸電的電壓源換流器，往往採用全控開關管串聯的方式提高裝置電壓等級。但是，多開關管串聯使管間靜態、動態均壓難度加大，換流器可靠性降低。一種新提出的拓撲為模塊化多電平電壓源換流器，可以通過改變子模塊的數量以適應不同的電壓等級和功率要求，並可以方便地提高裝置冗餘度，使其可靠性大大增加；同時，換流器電平數可以擴展到很多，從而使輸出電壓具有較小的諧波含量，並降低器件開關頻率以降低損耗。此類電壓源型換流器模塊的高成本器件為1)絕緣柵雙極電晶體(IGBT)、2)直流電容器，而且換流器的容量越大，IGBT和直流電容器的成本就越高。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種單向功率傳輸的直流輸電系統的技術方案。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，在送端系統與受端系統之間依次串接二極體整流器、含有正極和負極兩根導線的直流輸電線路和全功率模塊化多電平換流器，其特徵在於所述的二極體整流器兩端並聯設置小功率模塊化多電平換流器；所述的二極體整流器交流端與送端系統相連，二極體整流器直流端與直流輸電線路送端相連；所述的小功率模塊化多電平換流器交流端與送端系統相連，小功率模塊化多電平換流器直流端與直流輸電線路送端相連；所述的全功率模塊化多電平換流器的直流端與直流輸電線路受端相連， 全功率模塊化多電平換流器的交流端與受端系統相連。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的二極體整流器包括整流橋和整流變壓器，整流橋的正極與直流輸電線路送端的正極相連，整流橋的負極與直流輸電線路送端的負極相連；整流變壓器的原邊與提供有功功率的三相交流送端系統相連， 整流變壓器的副邊與整流橋的交流輸入端相連；
所述的小功率模塊化多電平換流器包括小功率子模塊、小功率緩衝電抗器和電壓匹配變壓器，多個小功率子模塊相串聯組成小功率模塊化多電平換流器三相全橋電路的各個橋臂，三相全橋電路的正極與直流輸電線路送端的正極相連，三相全橋電路的負極與直流輸電線路送端的負極相連，三相全橋電路的每個半橋臂均串聯一個小功率緩衝電抗器；所述的電壓匹配變壓器一端與三相全橋電路的交流端相連，電壓匹配變壓器另一端與送端系統的交流端相連接；
所述的全功率模塊化多電平換流器包括全功率子模塊、全功率緩衝電抗器和相電抗器，多個全功率子模塊相串聯組成全功率模塊化多電平換流器三相全橋電路的各個橋臂， 三相全橋電路的正極與直流輸電線路送端的正極相連，三相全橋電路的負極與直流輸電線路送端的負極相連，三相全橋電路的每個半橋臂均串聯一個全功率緩衝電抗器；所述的相電抗器一端與三相全橋電路的交流端相連，相電抗器另一端與接受有功功率的三相交流受端系統相連。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的小功率子模塊、全功率子模塊的電氣結構完全相同，均由位於上橋臂的小功率只開關管Sl和反並聯在小功率只開關管Sl上的小功率只二極體Dl以及位於下橋臂的全功率只開關管S2和反並聯在全功率只開關管S2上的全功率只二極體D2組成半H橋電路，半H橋電路的正極與直流電容C 的正極相連，半H橋電路的負極與直流電容C的負極相連。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的整流橋為三相6脈波整流橋，或六相12脈波整流橋，或其他二極體不控整流橋。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的整流橋中的二極體採用晶閘管代替，構成可控整流橋。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的電壓匹配變壓器為實際的變壓器，或交流電抗器。所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的相電抗器為實際的交流電抗器，或變壓器。本發明的有益效果系統送端採用二極體不控整流器和一個與之並聯的小功率模塊化多電平換流器，系統受端採用全功率模塊化多電平換流器，適用於直流輸電系統中廣泛存在的功率單向傳輸的應用場合，具有成本低、可靠性高的優點。本發明特別適用於城市供電、海島供電、海上鑽井平臺供電、以及海上風力發電接入大陸交流電力系統等領域，可以極大降低其中一個電壓源型換流器的容量，從而有效降低了成本。本發明小功率模塊化多電平換流器的作用是1)作為有源濾波裝置濾除二極體整流器所產生的諧波電流；2)當送端系統失電時，為送端系統提供啟動用電(如廠用電);3)為送端系統提供一個交流電壓源。全功率模塊化多電平換流器的作用是1)作為逆變器將直流電逆變為交流電後輸入受端系統；2)當送端系統失電時，作為整流器將受端的交流電轉換為直流電後倒送給送端系統。
圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明子模塊的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合說明書附圖對本發明做進一步說明
單向功率傳輸的直流輸電系統，在送端系統A與受端系統B之間依次串接二極體整流器1、含有正極和負極兩根導線的直流輸電線路2和全功率模塊化多電平換流器4，所述的二極體整流器1兩端並聯設置小功率模塊化多電平換流器3 ；所述的二極體整流器1交流端與送端系統A相連，二極體整流器1直流端與直流輸電線路2送端相連；所述的小功率模塊化多電平換流器3交流端與送端系統A相連，小功率模塊化多電平換流器3直流端與直流輸電線路2送端相連；所述的全功率模塊化多電平換流器4的直流端與直流輸電線路2 受端相連，全功率模塊化多電平換流器4的交流端與受端系統B相連。具體地，二極體整流器1包括整流橋1. 1和整流變壓器1. 2，整流橋1. 1的正極與直流輸電線路2送端的正極相連，整流橋1. 1的負極與直流輸電線路2送端的負極相連； 整流變壓器1. 2的原邊與提供有功功率的三相交流送端系統B相連，整流變壓器1. 2的副邊與整流橋1. 1的交流輸入端相連，本發明實施例以Υ/Υ/Δ型三繞組變壓器為例；其中整流橋1. 1可以為三相6脈波整流橋，或六相12脈波整流橋，或其他二極體不控整流橋，整流橋中的二極體可以用晶閘管代替，構成可控整流橋，本發明實施例以六相12脈波二極體整流橋為例；
所述的小功率模塊化多電平換流器3包括小功率子模塊3. 1、小功率緩衝電抗器3. 2 和電壓匹配變壓器3. 3，多個小功率子模塊3. 1相串聯組成小功率模塊化多電平換流器3三相全橋電路的各個橋臂，三相全橋電路的正極與直流輸電線路2送端的正極相連，三相全橋電路的負極與直流輸電線路2送端的負極相連，三相全橋電路的每個半橋臂均串聯一個小功率緩衝電抗器3. 2 ；所述的電壓匹配變壓器3. 3 一端與三相全橋電路的交流端相連，電壓匹配變壓器3. 3另一端與送端系統A的交流端相連接；其中電壓匹配變壓器3. 3為實際的變壓器，或交流電抗器，本發明實施例以變壓器為例；
所述的全功率模塊化多電平換流器4包括全功率子模塊4. 1、全功率緩衝電抗器4. 2 和相電抗器4. 3，多個全功率子模塊4. 1相串聯組成全功率模塊化多電平換流器4三相全橋電路的各個橋臂，三相全橋電路的正極與直流輸電線路2送端的正極相連，三相全橋電路的負極與直流輸電線路2送端的負極相連，三相全橋電路的每個半橋臂均串聯一個全功率緩衝電抗器4. 2 ；所述的相電抗器4. 3 一端與三相全橋電路的交流端相連，相電抗器4. 3另一端與接受有功功率的三相交流受端系統B相連，其中相電抗器4. 3為實際的交流電抗器， 或變壓器，本發明實施例以實際的交流電抗器為例。所述的小功率模塊化多電平換流器3中的小功率子模塊3. 1、全功率模塊化多電平換流器4中的全功率子模塊4. 1分別設置為多個，至少設置為12個；所述的全功率緩衝電抗器4. 2與小功率緩衝電抗器3. 2的區別在於容量不同。結合圖2，小功率子模塊3. 1、全功率子模塊4. 1的電氣結構完全相同，均由位於上橋臂的小功率只開關管Sl和反並聯在小功率只開關管Sl上的小功率只二極體Dl以及位於下橋臂的全功率只開關管S2和反並聯在全功率只開關管S2上的全功率只二極體D2組成半H橋電路，半H橋電路的正極與直流電容C的正極相連，半H橋電路的負極與直流電容 C的負極相連。其中，小功率子模塊3. 1、全功率子模塊4. 1不同的是構成電路的器件的容量不同，小功率子模塊3. 1中器件的容量小於全功率子模塊4. 1中器件的容量。本發明的工作原理是1)送端系統正常工作
整流橋1. 1工作在不控整流狀態，從送端系統A吸收有功；整流橋1. 1直流側直流電壓近似正比於送端系統A的交流電壓；直流電流由整流橋1. 1的正極(共陰極端)流出，通過直流輸電線路2的正極注入全功率模塊化多電平換流器4的正極，並從全功率模塊化多電平換流器4的負極流出、經直流輸電線路2負極流回整流橋1. 1的負極(共陽極端);由直流迴路中電壓、電流的方向可知，二極體整流器1向直流側輸出功率，全功率模塊化多電平換流器4從直流側吸收功率。和二極體整流器1並聯的小功率模塊化多電平換流器3作為全可控的電壓源工作在有源濾波工作狀態，濾除二極體整流器1所產生的諧波電流，同時也為送端系統B提供了一個交流電壓源；
2 )送端系統失電，需要受端系統通過直流輸電線路向其提供啟動電源
通過刀閘操作，將整流橋1. 1切除。這樣該直流輸電系統成為兩端均為模塊化多電平換流器的電壓源型直流輸電系統，因此可以通過控制系統使全功率模塊化多電平換流器4工作在整流狀態，使小功率模塊化多電平換流器3工作在逆變狀態，從而將電能從受端系統B倒送到無源的送端系統A (發電端)，給送端系統A提供了啟動電源。本發明全功率模塊化多電平換流器與小功率模塊化多電平換流器均採用模塊化多電平換流器，模塊化多電平換流器在本發明中的工作原理如下
由於小功率子模塊3. 1、全功率子模塊4. 1的電氣結構完全相同，下面就統稱為子模塊。子模塊的開關管Sl開通，開關管S2關斷時，子模塊為投入狀態；子模塊的開關管S2開通，開關管Sl關斷時，子模塊為切除狀態。無論子模塊為何狀態，由於二極體Dl、D2的續流作用，電流可以任意方向流過子模塊。當子模塊處於投入狀態時，子模塊等效於直流電容 C，其端電壓為直流電容C的電壓；當子模塊處於切除狀態時，子模塊等效於短路，其端電壓為0，直流電容C切除出電路。緩衝電抗器起到緩衝流過子模塊電流的作用。通過直流電容 (子模塊電容)的均壓控制策略，可以將每個子模塊電容的電壓控制在一個設定範圍內。 由於模塊化多電平換流器的三相全橋電路的橋臂由多個子模塊串聯組成，通過準確控制橋臂上各個子模塊投入和切除的時刻可以使模塊化多電平換流器的交流側輸出電壓逼近一個任意設定的交流電壓波形，且橋臂上子模塊數越多，模塊化多電平換流器輸出的電壓波形和設定的電壓波形越接近。換句話說，通過準確控制橋臂上各個子模塊投入和切除的時間，模塊化多電平換流器交流側可以輸出任意的電壓波形。小功率模塊化多電平換流器作為交流電壓源向送端系統倒送電的工作原理 當送端系統失電時，送端系統成為一個無源系統。為了獲得啟動電源，小功率
模塊化多電平換流器必須工作在逆變狀態，而全功率模塊化多電平換流器必須工作在整流狀態。從上述模塊化多電平換流器的工作原理可知，通過準確控制橋臂上各個子模塊投入和切除的時間，模塊化多電平換流器交流側可以輸出任意的電壓波形，因此只要將小功率模塊化多電平換流器的交流輸出電壓的幅值設置在額定電壓值，頻率設定在額定值 (50Hz)，即可以向失電的送端系統負載提供啟動電源。小功率模塊化多電平換流器作為有源濾波器的工作原理
當送端系統正常工作時(沒有失電)，小功率模塊化多電平換流器作為有源濾波器濾除二極體整流器產生的諧波電流。其工作原理如下控制系統將測量得到的二極體整流器交流側電流中的諧波分量通過算法分離出來後，通過一定的控制策略產生相應的控制信來準確控制橋臂上各個子模塊投入和切除的時間，從而使模塊化多電平換流器輸出相應的諧波電壓，使得該諧波電壓產生的諧波電流來抵消二極體整流器所產生的諧波電流，從而達到「主動」濾波的目的。 本發明與現有技術相比，還具有以下優點
與二極體整流全控器件逆變的變頻電路(如中國專利200610125231. 0 基於二極體箝位型三電平6kV高壓變頻器)相比，其區別在於1)本發明中二極體整流器與模塊化多電平換流器之間為直流輸電線路，且直流輸電線路正負極間不跨接直流電容器；2)本發明多了一個和二極體整流器相併聯的小功率模塊化多電平換流器；3)本發明中的逆變器採用模塊化多電平換流器，而中國專利200610125231. 0採用的是二極體箝位型三電平換流器；
與基於電壓源換流器的高壓直流輸電系統(如期刊文獻劉鍾淇等，基於模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統，電力系統自動化，2010第2期，53-57)相比，其區別在於本發明中輸電系統一端採用二極體整流器和與之並聯的小功率模塊化多電平換流器，另一端採用全功率模塊化多電平換流器(電壓源)，而非兩端都採用全功率換流器；由於小功率模塊化多電平換流器的容量非常小(一般為全功率換流器的10%左右，甚至更小)，所以整個系統的成本較低；
與一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(申請號=ZL 201010269822. 1)相比，其區別在於本發明在送電端增加了一個和二極體整流器相併聯的小功率模塊化多電平換流器，該小功率模塊化多電平換流器的作用是1)作為有源濾波裝置濾除因二極體整流器所產生的諧波電流；2)當送端系統失電時，為送端系統提供啟動用電⑶卩廠用電)、3)為送端系統提供一個交流電壓源。
權利要求
1.單向功率傳輸的直流輸電系統，在送端系統與受端系統之間依次串接二極體整流器、含有正極和負極兩根導線的直流輸電線路和全功率模塊化多電平換流器，其特徵在於所述的二極體整流器兩端並聯設置小功率模塊化多電平換流器；所述的二極體整流器交流端與送端系統相連，二極體整流器直流端與直流輸電線路送端相連；所述的小功率模塊化多電平換流器交流端與送端系統相連，小功率模塊化多電平換流器直流端與直流輸電線路送端相連；所述的全功率模塊化多電平換流器的直流端與直流輸電線路受端相連，全功率模塊化多電平換流器的交流端與受端系統相連。
2.根據權利要求1所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的二極體整流器包括整流橋和整流變壓器，整流橋的正極與直流輸電線路送端的正極相連，整流橋的負極與直流輸電線路送端的負極相連；整流變壓器的原邊與提供有功功率的三相交流送端系統相連，整流變壓器的副邊與整流橋的交流輸入端相連；所述的小功率模塊化多電平換流器包括小功率子模塊、小功率緩衝電抗器和電壓匹配變壓器，多個小功率子模塊相串聯組成小功率模塊化多電平換流器三相全橋電路的各個橋臂，三相全橋電路的正極與直流輸電線路送端的正極相連，三相全橋電路的負極與直流輸電線路送端的負極相連，三相全橋電路的每個半橋臂均串聯一個小功率緩衝電抗器；所述的電壓匹配變壓器一端與三相全橋電路的交流端相連，電壓匹配變壓器另一端與送端系統的交流端相連接；所述的全功率模塊化多電平換流器包括全功率子模塊、全功率緩衝電抗器和相電抗器，多個全功率子模塊相串聯組成全功率模塊化多電平換流器三相全橋電路的各個橋臂， 三相全橋電路的正極與直流輸電線路送端的正極相連，三相全橋電路的負極與直流輸電線路送端的負極相連，三相全橋電路的每個半橋臂均串聯一個全功率緩衝電抗器；所述的相電抗器一端與三相全橋電路的交流端相連，相電抗器另一端與接受有功功率的三相交流受端系統相連。
3.根據權利要求2所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的小功率子模塊、全功率子模塊的電氣結構完全相同，均由位於上橋臂的小功率只開關管Sl和反並聯在小功率只開關管Sl上的小功率只二極體Dl以及位於下橋臂的全功率只開關管S2和反並聯在全功率只開關管S2上的全功率只二極體D2組成半H橋電路，半H橋電路的正極與直流電容C的正極相連，半H橋電路的負極與直流電容C的負極相連。
4.根據權利要求2所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的整流橋為三相6脈波整流橋，或六相12脈波整流橋，或其他二極體不控整流橋。
5.根據權利要求2所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的整流橋中的二極體採用晶閘管代替，構成可控整流橋。
6.根據權利要求2所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的電壓匹配變壓器為實際的變壓器，或交流電抗器。
7.根據權利要求2所述的單向功率傳輸的直流輸電系統，其特徵在於所述的相電抗器為實際的交流電抗器，或變壓器。
全文摘要
本發明屬於直流輸電技術領域，具體為一種單向功率傳輸的直流輸電系統。其特徵在於二極體整流器兩端並聯設置小功率模塊化多電平換流器；二極體整流器交流端與送端系統相連，二極體整流器直流端與直流輸電線路送端相連；小功率模塊化多電平換流器交流端與送端系統相連，小功率模塊化多電平換流器直流端與直流輸電線路送端相連；全功率模塊化多電平換流器的直流端與直流輸電線路受端相連，全功率模塊化多電平換流器的交流端與受端系統相連。本發明小功率模塊化多電平換流器的作用是1)作為有源濾波裝置濾除二極體整流器所產生的諧波電流；2)當送端系統失電時，為送端系統提供啟動用電(如廠用電)；3)為送端系統提供一個交流電壓源。
文檔編號H02J3/36GK102222929SQ201110172919
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者周月賓, 梁一橋, 韓其國 申請人:梁一橋