採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統的製作方法
2023-05-21 10:15:06
專利名稱：採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統。
背景技術：
·新增輸電走廊面臨越來越多的經濟與環保限制，尤其是大型城市中心區域，增加傳統架空輸電線路不符合城市規劃要求，同時新增地下電纜也受到多方限制。將交流線路改造為直流運行不僅能夠消除了交流系統對功率潮流的限制，而且輸電容量也將增大。面對新增輸電走廊越來越困難、負荷水平日益增長的矛盾，將現有交流線路轉換為直流運行，在免去新建輸電走廊的同時提升電能輸送能力，為上述問題提供了經濟有效的解決方案。針對交流線路直流轉換的研究近年來得到國內外研究機構的一致關注。針對如何充分利用數目為奇數的三相交流線路的輸電能力的問題，有文獻提出了幾種解決方案。Barthold提出一種將三相交流線路改造為三極直流輸電的方案，通過極3採用雙向晶閘管實現電流雙嚮導通，周期性分擔其他兩極的電流以最大化輸電能力，但與傳統高壓直流輸電HVDC—樣不可避免的需要配備大量無功補償設備。ABB公司提出一種將三相交流線路改造為柔性直流輸電的方案，採用一個額外相支路將第三極導線周期性的連接到第一極導線或第二極導線，從而利用第三極導線傳導電流，但不能實現線路損耗在三條導線之間的均勻分配。隨著負荷的增大，該方案第I極和第2極導線首先達到熱穩定極限，無法充分利用第3極導線的熱穩定極限。若單純以輸電為目的，傳統高壓直流輸電HVDC以其輸電容量大、技術成熟而被大規模採用，但由於晶閘管為半控型器件，需要大量的無功補償與濾波裝置，導致高壓直流輸電HVDC技術用於系統互聯時存在固有局限。基於IGBT等全控型器件的電壓源換流器可控性更強，能夠實現對有功和無功快速獨立地控制，並可用於向無源網絡供電、事故後快速恢復供電和黑啟動等場合，但容量相對較小，換流器成本較高。因此有必要探尋兼顧經濟型與靈活性的新型交流線路直流轉換方案。
發明內容
針對現有技術的不足，本發明提供一種採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統，結合電壓源型換流器可控性強和電流源型換流器容量大、成本低的優點，設計一種兼顧靈活性和經濟性的混合型輸電系統。該種輸電系統利用電壓源換流器和雙向晶閘管換流器電流雙嚮導通能力，配合開關切換裝置，很好的解決了交流線路改造成直流線路的導線利用率和無功補償等問題，為解決大型城市負荷日益增長與新建線路日趨困難的矛盾具有重要意義。本發明的目的是採用下述技術方案實現的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統，其改進之處在於，所述輸電系統採用三極接線形式，每極接線包括導線及導線兩端分別連接的換流器；所述換流器包括電壓源換流器和電流源換流器。優選的，所述三條導線採用三相交流架空線路或電纜，對應於所述輸電系統的第I極導線、第2極導線和第3極導線。優選的，所述輸電系統包括下述兩種結構方案一種結構方案如下其中一極接線包括第I極導線和電流源換流器；另一極接線包括第2極導線和電流源換流器；第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器；另一種結構方案如下其中一極接線包括第I極導線和電壓源換流器；另一極接線包括第2極導線和電壓源換流器；第三極接線包括第3極導線和電流源換流器。較優選的，所述一種結構方案中，所述一極接線包括第I極導線和電流源換流器；所述第I極導線兩端對稱設置有電流源換流器；另一極接線包括第2極導線和電流源換流器；所述第2極導線兩端對稱設置有電流源換流器；所述電流源換流器採用單向晶閘管；第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器；所述第3極導線兩端對稱設置有開關切換裝置和電壓源換流器；所述第3極導線兩端通過開關切換裝置分別與電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地；或所述第3極導線兩端分別通過開關切換裝置與電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地。較優選的，所述第I極導線及第I極導線兩端對稱設置的電流源換流器與第2極導線及第2極導線兩端對稱設置的電流源換流器構成雙極高壓直流輸電接線形式；所述第I極導線、第2極導線和第3極導線的公共接地點連接。較優選的，所述開關切換裝置用於實現第3極導線電壓極性的反轉；其採用機械開關、晶閘管開關、基於可關斷器件的開關或機械開關與晶閘管開關的組合。較優選的，所述另一種結構方案中，所述一極接線包括第I極導線和電壓源換流器；所述第I極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；所述第I極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地；另一極接線包括第2極導線和電壓源換流器；所述第2極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；所述第2極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地；第三極接線包括第3極導線和電流源換流器；所述第3極導線兩端對稱設置有電流源換流器。較優選的，所述電流源換流器為雙向反並聯的晶閘管；所述第I極導線、第2極導線和第3極導線的接地點連接。較優選的，所述電流源換流器採用基於晶閘管半控型電力電子開關器件的換流器；所述電壓源換流器採用基於可關斷電力電子器件的電壓源型AC-DC或DC-AC換流器；其中首端的電流源換流器和電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統的同一母線，或不同母線；其中末端的電流源換流器和電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統的同一母線，或不同母線。較優選的，所述第I極導線和第2極導線的電壓和電流極性恆定，所述第3極導線實現電壓極性的反轉。與現有技術比，本發明達到的有益效果是本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統，能夠很好的解決三相交流線路，尤其單回三相交流線路改造為直流輸電後的導線利用率問題。採用該種結構能最大化三條導線的傳輸功率，同時直流電流在三根導線之間流動，不與大地構成通路。該輸電系統結構將結合採用晶閘管換流器和電壓源換流器配合使用以降低換流站成本，對無功補償設備的需求降低，並具備提供動態無功支撐的能力。該種採用混合型AC-DC 換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統結構可以應用於三相交流架空線路或三相交流電纜輸電系統直流改造等場合，並增加系統運行的經濟性、靈活性和可靠性。
圖I是本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構圖；圖2是本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構方案I示意圖；圖3是本發明提供的開關切換裝置功能示意圖；圖4是本發明提供的開關切換裝置一種實施方案圖；圖5是本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構方案2示意圖。圖6是本發明提供的輸電系統各極導線電流、電壓變化示意圖；圖7是本發明提供的輸電系統各極導線功率變化示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。本發明採用採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構圖如圖I所示，圖I是本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構圖，輸電系統採用三極接線形式，每極接線包括導線及導線兩端分別連接的換流器；換流器包括電壓源換流器和電流源換流器。輸電系統兩端各採用三臺AC-DC或DC-AC換流器，三臺換流器直流側的一端共地連接，另一端分別與三條輸電線路相連。該輸電系統通過周期性的改變各極直流電流的大小或方向使電流在三極導線上均勻分配，使導線的整體利用率達至丨J最聞。輸電系統包括下述兩種結構方案一種結構方案如下其中一極接線包括第I極導線和電流源換流器；另一極接線包括第2極導線和電流源換流器；第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器；一極接線包括第I極導線和電流源換流器；第I極導線兩端對稱設置有電流源換流器；
另一極接線包括第2極導線和電流源換流器；第2極導線兩端對稱設置有電流源換流器；電流源換流器採用單向晶閘管；第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器；第3極導線兩端對稱設置有開關切換裝置和電壓源換流器；第3極導線兩端通過開關切換裝置分別與電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；直流鉗位電容負極接地；或第3極導線兩端分別通過開關切換裝置與電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；直流鉗位電容正極接地。第I極導線及第I極導線兩端對稱設置的電流源換流器與第2極導線及第2極導線兩端對稱設置的電流源換流器構成雙極高壓直流輸電接線形式；第I極導線、第2極導線和第3極導線的公共接地點連接。開關切換裝置用於實現第3極導線電壓極性的反轉；其採用機械開關、晶閘管開關、基於可關斷器件的開關或機械開關與晶閘管開關的組合。另一種結構方案如下其中一極接線包括第I極導線和電壓源換流器；另一極接 線包括第2極導線和電壓源換流器；第三極接線包括第3極導線和電流源換流器；—極接線包括第I極導線和電壓源換流器；第I極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；第I極導線兩端分別與電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；直流鉗位電容負極接地；另一極接線包括第2極導線和電壓源換流器；第2極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；第2極導線兩端分別與電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；直流鉗位電容正極接地；第三極接線包括第3極導線和電流源換流器；第3極導線兩端對稱設置有電流源換流器。電流源換流器為雙向反並聯的晶閘管；第I極導線、第2極導線和第3極導線的接地點連接。電流源換流器採用基於晶閘管半控型電力電子開關器件的換流器；電壓源換流器採用基於可關斷電力電子器件的電壓源型AC-DC或DC-AC換流器；其中首端的電流源換流器和電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統的同一母線，或不同母線；其中末端的電流源換流器和電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統的同一母線，或不同母線。第I極導線和第2極導線的電壓和電流極性恆定，所述第3極導線實現電壓極性的反轉。下面結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。實施例I本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構方案I如圖2所示，該輸電系統包括三條輸電導線L1、L2、L3，兩臺開關切換裝置，四臺電流源型換流器CSCl、CSCl \ CSC2、CSC2』，兩臺電壓源換流器VSC3、VSC3』，電壓源換流器的直流鉗位電容C3、C3』，以及交流系統I、交流系統2。導線LI的兩端與CSC1，CSC1』的正極相連，導線L2的兩端與CSC2，CSC2』的負極相連，導線L3的兩端連接開關切換裝置，進而與直流鉗位電容C3、C3』的正極或負極相連。公共接地點連接到CSC1，CSC1』的負極，CSC2，CSC2』的正極，並通過開關切換裝置與直流鉗位電容C3、C3』的正極或負極連接。其中首端的電流源換流器CSC1、CSC2以及電壓源換流器VSC3的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統I的同一母線，或不同母線；其中末端的電流源換流器CSC1』、CSC2』以及電壓源換流器VSC3』的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統2的同一母線，或不同母線。開關切換裝置位於第3極導線L2的兩端，可採用機械開關，晶閘管開關或機械開關與晶閘管開關的組合。開關切換裝置的功能示意圖如圖3所示，雙向開關swi，swr可同時將節點I與節點3連接，節點2與節點4連接，實現圖I所示直流鉗位電容C3、C3』的正極與導線L3相連，C3、C3』的負極接地，導線L3電壓極性為正；或同時將節點I與節點4』連接，節點2與節點3』連接，實現圖I所示直流鉗位電容C3、C3』的負極與導線L3相連，C3、C3』的正極接地，導線L3電壓極性為負。開關切換裝置的一種實施方案如圖4所示，每臺開關切換裝置包含兩組採用晶閘 管開關兩側並聯高速機械開關的複合開關swi、swr與sw2、sw2』。swi、swr導通可同時將節點I與節點3連接，節點2與節點4連接，即實現圖I所示直流鉗位電容C3、C3』的正極與導線L3相連，C3、C3』的負極接地。SW2、SW2』導通可同時將節點I與節點4連接，節點2與節點3連接，即實現圖I所示直流鉗位電容C3、C3』的正極接地，C3、C3』的負極與導線L3相連。實施例2本發明提供的採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統結構方案2如圖5所示，該輸電系統包括三條輸電導線LI、L2、L3，四臺電壓源型換流器VSCl、VSCl\VSC2、VSC2』，電壓源換流器的直流鉗位電容Cl、C1』、C2、C2』，兩臺如採用雙向晶閘管開關的電流源換流器CSC3、CSC3』，以及交流系統I、交流系統2。導線LI的兩端與直流鉗位電容Cl、Cr的正極相連，導線L2的兩端與直流鉗位電容C2、C2』的負極相連，導線L3的兩端與CSC3、CSC3』相連。公共接地點連接到Cl、Cl』的負極，C2、C2』的正極，CSC3、CSC3』的接地極。其中首端的電流源換流器CSC3以及電壓源換流器VSC1、VSCl的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統I的同一母線，或不同母線；其中末端的電流源換流器CSC3』以及電壓源換流器VSCr、VSC2』的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統2的同一母線，或不同母線。本發明採用混合型AC-DC換流技術提高三相交流線路傳輸能力的輸電系統的工作原理如下本發明提供的輸電系統各極導線電流、電壓變化示意圖如圖6所示。通過周期性改變3個極電流的大小，能夠在發熱限制相同的條件下增大直流系統的輸送功率。通過周期性改變第3極電壓和電流的極性，實現第I極、第2極電流的周期性分擔。第I極、第2極電流的大小在Imax和Imin之間周期性變化，但方向不變；第3極的電流大小不變(Imax-Imin )，但方向周期性變化。第I極、第2極、第3極發熱限制相同，設其熱穩定極限電流為IN=L Opu0為使第3極達到其發熱限制，則需滿足式①Imax-Imin = IN = I. OpU ①；
導線LI、L2的電流在最大電流Imax和最小電流Imin之間變化，電流在一個循環周期內的有效值同樣要達到其發熱限制，以保證三條導線的發熱均達到其熱穩定極限。具體在圖5中表現為2 A t時間內，導線L1、L2、L3的電流有效值相等因此需滿足式②I2 +/2. = 2(1 —I )2②；
max mm V max min/ w 』由式①和式②可得，導線LI、L2的運行電流Imax為I. 37IN，Imin為0. 37IN。導線LI、L2、L3的功率變化情況如圖7所示，其中導線LI、L2的功率以2 At為周期在最大功率Pmax和最小功率Pmin之間變化，平均功率功率為0. 87PN。導線L3輸送功率維持Pn不變，混合型輸電系統的總傳輸功率為2. 74Pn。本發明提出採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統，該結構採用採 用三條導線及導線兩端基於半控型電力電子器件的電流源換流器和基於IGBT等全控型電力電子器件的電壓源換流器構成三極接線形式，直流側各極共地連接。本發明充分利用第3極換流器電流雙向流通能力周期性地改變第3極導線的電壓、電流極性，在保證3極直流功率方向不變的前提下，實現第I極、第2極電流的周期性分擔。通過適當的控制，可使3極導線電流均達到其發熱限制。本發明所述結構中直流電流在三根導線之間流動，不與大地構成通路，避免了高頻電磁幹擾和大地中金屬設備的腐蝕。本發明可以將交流線路的熱穩定極限功率提高60%以上。同時，本發明採用混合型AC-DC換流技術，相比完全採用電壓源換流器成本降低，同時也具備一定的動態電壓支撐能力，從而提高系統運行的經濟性、靈活性和可靠性。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統，其特徵在於，所述輸電系統採用三極接線形式，每極接線包括導線及導線兩端分別連接的換流器；所述換流器包括電壓源換流器和電流源換流器。
2.如權利要求I所述的輸電系統，其特徵在於，所述三條導線採用三相交流架空線路或電纜，對應於所述輸電系統的第I極導線、第2極導線和第3極導線。
3.如權利要求I所述的輸電系統，其特徵在於，所述輸電系統包括下述兩種結構方案 一種結構方案如下其中一極接線包括第I極導線和電流源換流器；另一極接線包括第2極導線和電流源換流器；第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器； 另ー種結構方案如下其中一極接線包括第I極導線和電壓源換流器；另一極接線包括第2極導線和電壓源換流器；第三極接線包括第3極導線和電流源換流器。
4.如權利要求3所述的輸電系統,其特徵在於,所述ー種結構方案中,所述ー極接線包括第I極導線和電流源換流器；所述第I極導線兩端對稱設置有電流源換流器； 另ー極接線包括第2極導線和電流源換流器；所述第2極導線兩端對稱設置有電流源換流器；所述電流源換流器採用單向晶閘管； 第三極接線包括第3極導線、開關切換裝置和電壓源換流器；所述第3極導線兩端對稱設置有開關切換裝置和電壓源換流器； 所述第3極導線兩端通過開關切換裝置分別與電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地；或 所述第3極導線兩端分別通過開關切換裝置與電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地。
5.如權利要求4所述的輸電系統，其特徵在於，所述第I極導線及第I極導線兩端對稱設置的電流源換流器與第2極導線及第2極導線兩端對稱設置的電流源換流器構成雙極高壓直流輸電接線形式；所述第I極導線、第2極導線和第3極導線的公共接地點連接。
6.如權利要求4所述的輸電系統，其特徵在於，所述開關切換裝置用於實現第3極導線電壓極性的反轉；其採用機械開關、晶閘管開關、基於可關斷器件的開關或機械開關與晶閘管開關的組合。
7.如權利要求3所述的輸電系統，其特徵在於，所述另ー種結構方案中，所述ー極接線包括第I極導線和電壓源換流器；所述第I極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；所述第I極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容正極連接；所述直流鉗位電容負極接地； 另ー極接線包括第2極導線和電壓源換流器；所述第2極導線兩端對稱設置有電壓源換流器；所述第2極導線兩端分別與所述電壓源換流器的直流鉗位電容負極連接；所述直流鉗位電容正極接地； 第三極接線包括第3極導線和電流源換流器；所述第3極導線兩端對稱設置有電流源換流器。
8.如權利要求7所述的輸電系統，其特徵在於，所述電流源換流器為雙向反並聯的晶閘管；所述第I極導線、第2極導線和第3極導線的接地點連接。
9.如權利要求3-8中任ー項所述的輸電系統，其特徵在於，所述電流源換流器採用基於晶閘管半控型電力電子開關器件的換流器；所述電壓源換流器採用基於可關斷電カ電子器件的電壓源型AC-DC或DC-AC換流器； 其中首端的電流源換流器和電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統的同一母線，或不同母線； 其中末端的電流源換流器和電壓源換流器的交流側分別通過換流變壓器或電抗器並聯接入交流系統的同一母線，或不同母線。
10.如權利要求9所述的輸電系統，其特徵在於，所述第I極導線和第2極導線的電壓和電流極性恆定，所述第3極導線實現電壓極性的反轉。
全文摘要
本發明涉及本發明涉及電力電子技術領域，具體涉及一種採用混合換流技術提高交流線路傳輸能力的輸電系統。該輸電系統採用三極接線形式，每極接線包括導線及導線兩端分別連接的換流器；所述換流器包括電壓源換流器和電流源換流器。本發明結合電壓源型換流器可控性強和電流源型換流器容量大、成本低的優點，設計一種兼顧靈活性和經濟性的混合型輸電系統。該種輸電系統利用電壓源換流器和雙向晶閘管換流器電流雙嚮導通能力，配合開關切換裝置，很好的解決了交流線路改造成直流線路的導線利用率和無功補償等問題，為解決大型城市負荷日益增長與新建線路日趨困難的矛盾具有重要意義。
文檔編號H02J3/36GK102738819SQ201210184760
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者周飛, 宋潔瑩, 荊平, 郭劍波 申請人:中國電力科學研究院