專(zhuān)利名稱(chēng)：一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單向功率傳送的低成本直流輸電系 統(tǒng)。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)五十年代以來(lái)，高壓直流輸電技術(shù)重新興起，特別是基于大功率電力電子 器件在直流輸電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，為電力系統(tǒng)帶來(lái)了新的發(fā)展和增長(zhǎng)點(diǎn)。傳統(tǒng)的高壓直 流輸電采用基于晶閘管的電流源型換流器，目前已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)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。在基于電壓源型換流 器的高壓直流輸電的應(yīng)用場(chǎng)合中，有很大一部分是單向傳送功率的，如城市供電、海島供 電、海上鉆井平臺(tái)供電以及分布式能源發(fā)電接入等領(lǐng)域。對(duì)于要求快速控制潮流，高電能質(zhì) 量，對(duì)環(huán)境影響小，與弱受端或無(wú)源網(wǎng)絡(luò)相連的中小功率直流輸電應(yīng)用場(chǎng)合，基于電壓源型 換流器的高壓直流輸電則更加具有優(yōu)勢(shì)。目前，電壓源型換流器往往采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等全控器件，按照不同 的電路拓?fù)錁?gòu)成，這些電路拓?fù)浒ㄈ嗳珮蚪Y(jié)構(gòu)、二極管箝位型和電容箝位型等。用于輕 型高壓直流輸電的電壓源換流器，往往采用全控開(kāi)關(guān)管串聯(lián)的方式提高裝置電壓等級(jí)。但 是，多開(kāi)關(guān)管串聯(lián)使管間靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均壓難度加大，換流器可靠性降低。一種新提出的拓?fù)?為模塊化多電平電壓源換流器，可以通過(guò)改變子模塊的數(shù)量以適應(yīng)不同的電壓等級(jí)和功率 要求，并可以方便地提高裝置冗余度，使其可靠性大大增加；同時(shí)，換流器電平數(shù)可以擴(kuò)展 到很多，從而使輸出電壓具有較小的諧波含量，并降低器件開(kāi)關(guān)頻率以降低損耗。但是，用 于制造電壓源型換流器的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等全控器件成本很高，且國(guó)產(chǎn)化率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種適用于要求單向功率傳送的直流輸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng) 具有可靠性高、成本低的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，其特征是 該系統(tǒng)包括在送端系統(tǒng)與受端系統(tǒng)之間依次串接二極管整流器、含有正極和負(fù)極兩根導(dǎo) 線(xiàn)的直流輸電線(xiàn)路和模塊化多電平換流器；所述二極管整流器，包括整流變壓器和二極管整流橋；整流變壓器的原邊與提供 有功功率的三相交流電的送端系統(tǒng)相連，副邊與二極管整流橋的交流輸入端相連；二極管 整流橋的正極與直流輸電線(xiàn)路的正極相連，二極管整流橋的負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路的負(fù)極相 連；所述模塊化多電平換流器，包括多個(gè)子模塊(SM)，若干個(gè)緩沖電抗器(3. 2)，還有 相電抗器(3. 3)或換流變壓器；多個(gè)子模塊相串聯(lián)組成三相全橋結(jié)構(gòu)，三相全橋結(jié)構(gòu)的正 極與直流輸電線(xiàn)路的正極相連，三相全橋結(jié)構(gòu)的負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路的負(fù)極相連；三相全 橋結(jié)構(gòu)的每個(gè)半橋臂均串聯(lián)一個(gè)緩沖電抗器；相電抗器或換流變壓器的一端與三相全橋結(jié)構(gòu)的交流端相連，另一端與接受有功功率的三相交流受端系統(tǒng)相連。所述子模塊，是由位與上橋臂的第一只開(kāi)關(guān)管和反并聯(lián)在第一只開(kāi)關(guān)管上的第一 只二極管以及位與下橋臂的第二只開(kāi)關(guān)管和反并聯(lián)在第二只開(kāi)關(guān)管上的第二只二極管組 成半H橋電路，半H橋電路的正極與直流電容的正極相連，負(fù)極與直流電容的負(fù)極端相連。所述二極管整流橋是三相6脈波整流橋，或六相12脈波整流橋，或其他二極管不 控整流橋。本發(fā)明的有益效果在于所發(fā)明的單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，系統(tǒng)送 端采用二極管不控整流器，系統(tǒng)受端采用模塊化多電平換流器，適用于直流輸電系統(tǒng)中廣 泛存在的功率單向傳送的應(yīng)用場(chǎng)合，具有成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。與電壓源型換流器比 較，大大減少了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等全控器件的使用量，有效降低了成本。


圖1是單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是子模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果波形圖一。其中仿真0 1. 0秒模塊化多電平換流器電壓 vc(僅畫(huà)出A相)、換流器電流Ic(僅畫(huà)出A相)、換流器輸出有功P、換流器輸出無(wú)功Q、二 極管整流器側(cè)直流線(xiàn)路電壓VDei、模塊化多電平換流器側(cè)直流線(xiàn)路電壓VDe2以及直流線(xiàn)路電 流 IDc°圖4是計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果波形圖二。其中仿真0. 8 1. 0秒模塊化多電平換流器電 壓Vc(三相)、換流器電流Ic(三相)、換流器橋臂電流僅畫(huà)出A相上橋臂)以及子模 塊電容電壓VDe_A(僅畫(huà)出A相上橋臂第一只子模塊)。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明提供的單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，包括在送端系統(tǒng) 與受端系統(tǒng)之間依次串接二極管整流器1、含有正極和負(fù)極兩根導(dǎo)線(xiàn)的直流輸電線(xiàn)路2和 模塊化多電平換流器3。所述二極管整流器1，包括整流橋1. 1和整流變壓器1. 2。二極管整流橋1. 1的 正極與直流輸電線(xiàn)路2的正極相連，整流橋1. 1的負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路2的負(fù)極相連，整流 橋1. 1可以是三相6脈波整流橋，也可以是六相12脈波整流橋，或其他二極管不控整流橋。 圖示實(shí)例中以六相12脈波二極管整流橋?yàn)槔?；整流變壓?. 2 (以YY A型三繞組變壓器為 例)原邊與提供有功功率的三相交流送端系統(tǒng)A相連，副邊與整流橋1. 1的交流輸入端相 連。所述模塊化多電平換流器3，包括子模塊3. 1 (即圖中的AM)、緩沖電抗器3. 2和 相電抗器3. 3。子模塊3. 1相串聯(lián)組成三相全橋結(jié)構(gòu)，三相全橋結(jié)構(gòu)的正極與直流輸電線(xiàn)路 2的正極相連，負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路2的負(fù)極相連，三相全橋結(jié)構(gòu)的每個(gè)半橋臂均串聯(lián)一個(gè) 緩沖電抗器3. 2 ；相電抗器3. 3 一端與三相全橋結(jié)構(gòu)的交流端相連，另一端與接受有功功率 的三相交流受端系統(tǒng)B相連，電抗器3. 3可以是實(shí)際的交流電抗器(如圖所示)，也可以是 由換流變壓器等效而成的交流電抗器。結(jié)合圖2，子模塊3. 1，是由位與上橋臂的第一只開(kāi)關(guān)管S1和反并聯(lián)在第一只開(kāi)關(guān)
4管S1上的第一只二極管D1以及位與下橋臂的第二只開(kāi)關(guān)管S2和反并聯(lián)在第二只開(kāi)關(guān)管 S2上的第二只二極管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，負(fù) 極與直流電容C的負(fù)極端相連。本發(fā)明的工作原理是二極管整流橋1. 1工作在不控整流狀態(tài)，從送端系統(tǒng)A吸收 功率；整流橋1. 1直流側(cè)直流電壓近似正比于送端系統(tǒng)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(guò)直流輸電線(xiàn)路2的正極注入模塊化多電平換流器3的正 極，并從模塊化多電平換流器3的負(fù)極流出，并經(jīng)直流輸電線(xiàn)路2負(fù)極流回整流橋1. 1的負(fù) 極(共陽(yáng)極端)；由直流回路中電壓、電流的方向可知，二極管整流器1發(fā)出功率，模塊化多 電平換流器3吸收功率。子模塊3. 1的開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)通，開(kāi)關(guān)管S2關(guān)斷時(shí)，子模塊3. 1為投入狀態(tài)；子模塊 3. 1的開(kāi)關(guān)管S2開(kāi)通，開(kāi)關(guān)管S3關(guān)斷時(shí)，子模塊3. 1為切除狀態(tài)。無(wú)論子模塊3. 1為何狀 態(tài)，由于二極管Dl、D2的續(xù)流作用，電流可以任意方向流過(guò)子模塊3. 1 ；子模塊3. 1為投入 狀態(tài)時(shí)，子模塊3. 1等效于直流電容C，輸出直流電容C的電壓；子模塊3. 1為切除狀態(tài)時(shí)， 子模塊3. 1等效于短路，輸出電壓為0，直流電容C切除出電路。緩沖電抗器3. 2起到緩沖流過(guò)子模塊3. 1電流的作用。工作時(shí)，通過(guò)各子模塊3. 1狀態(tài)的切換可以在模塊化多電平換流器3的交流側(cè)形 成三相交流電壓，并可以維持各直流電容C的電壓。模塊化多電平換流器3通過(guò)控制輸入 相電抗器3. 3的交流電壓，可以向受端系統(tǒng)B注入大小可調(diào)的有功功率，還可以獨(dú)立調(diào)節(jié)向 受端系統(tǒng)B注入或從受端系統(tǒng)B吸收的無(wú)功功率。單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)為額定有功容量30WM， 無(wú)功15WVar，送端系統(tǒng)A、受端系統(tǒng)B均為無(wú)窮大系統(tǒng)，電壓等級(jí)35kV ；整流橋1. 1為六相 12脈波理想二極管不控整流橋；整流變壓器1. 2為YY A型理想三繞組變壓器；直流輸電線(xiàn) 路2為海底電纜線(xiàn)路，長(zhǎng)度100千米；模塊化多電平換流器3每相由160個(gè)子模塊3. 1組 成，上下橋臂各80個(gè)，子模塊3. 1的直流電容C為3000微法，子模塊3. 1額定電壓lkV，開(kāi) 關(guān)管S1和開(kāi)關(guān)管S2為理想IGBT，二極管D1和二極管D2為理想二極管；緩沖電抗器3. 2為 3毫亨；相電抗器3. 3為15毫亨，相電抗器3. 3電阻0. 6歐姆。子模塊3. 1的投切方式采 用最近電平調(diào)制法，選擇性投切均壓策略，模塊化多電平換流器3的控制采用交叉解耦法。結(jié)合圖3，\、Ic是模塊化多電平換流器3輸出電壓、電流波形，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)僅畫(huà) 出了 A相電壓、電流波形，具有電壓波形高電平數(shù)、電流波形畸變小的特點(diǎn)；P。ut、Q。ut是換 流器向受端系統(tǒng)B實(shí)際注入的有功、無(wú)功波形，P ref> Q_ref是換流器向受端系統(tǒng)B注入有功、 無(wú)功的給定值；VDei是二極管整流器1輸出的直流電壓，帶有明顯的12脈波特征；VDe2是模 塊化多電平換流器3輸入的直流電壓波形；IDC為直流輸電線(xiàn)路2上流過(guò)的電流波形，由于 整流器為二極管不控型，所以該電流恒大于等于0。0 1. 0秒的計(jì)算機(jī)仿真對(duì)單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)的有功、無(wú)功獨(dú) 立調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合圖4，Ve、Ic是模塊化多電平換流器3輸出電壓、電流波形；ILEG是模塊化多電 平換流器3橋臂電流波形，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)僅畫(huà)出了 A相上半橋臂電流波形，可以看出由于緩 沖電抗器3. 2的緩沖作用，最大功率輸出情況下，橋臂尖峰電流限制在lkA以?xún)?nèi)；VDe A」是A 相上橋臂第一只子模塊3. 1的直流電容C的電壓波形，最大功率輸出情況下，平均電壓約為
50. 9kV，波動(dòng)范圍約正負(fù)100V。本發(fā)明所涉所有電子、電氣元器件可全部外購(gòu)。此外，圖中標(biāo)號(hào)還有VC_A、VC_B、Vc_c分別是A相、B相、C相中的電壓；IC_A、IC_B、Ic_c 分別是A相、B相、C相中的電流；P-ref是換流器向受端系統(tǒng)注入有功功率的設(shè)定值；P-out 是換流器向受端系統(tǒng)實(shí)際注入的有功功率；Q-ref是換流器向受端系統(tǒng)注入無(wú)功功率的設(shè) 定值；Q-out是換流器向受端系統(tǒng)實(shí)際注入的無(wú)功功率。
權(quán)利要求
一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括在送端系統(tǒng)(A)與受端系統(tǒng)(B)之間依次串接二極管整流器(1)、含有正極和負(fù)極兩根導(dǎo)線(xiàn)的直流輸電線(xiàn)路(2)和模塊化多電平換流器(3)；所述二極管整流器包括整流變壓器(1.2)和二極管整流橋(1.1)；整流變壓器的原邊與提供有功功率的三相交流電的送端系統(tǒng)相連，副邊與二極管整流橋的交流輸入端相連；二極管整流橋的正極與直流輸電線(xiàn)路(2)的正極相連，二極管整流橋的負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路(2)的負(fù)極相連；所述模塊化多電平換流器，包括多個(gè)子模塊(SM)，若干個(gè)緩沖電抗器(3.2)，還有相電抗器(3.3)或換流變壓器；多個(gè)子模塊相串聯(lián)組成三相全橋結(jié)構(gòu)，三相全橋結(jié)構(gòu)的正極與直流輸電線(xiàn)路的正極相連，三相全橋結(jié)構(gòu)的負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路的負(fù)極相連；三相全橋結(jié)構(gòu)的每個(gè)半橋臂均串聯(lián)一個(gè)緩沖電抗器(3.2)；相電抗器(3.3)或換流變壓器的一端與三相全橋結(jié)構(gòu)的交流端相連，另一端與接受有功功率的三相交流受端系統(tǒng)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，其特征在于所 述子模塊(SM)是由位與上橋臂的第一只開(kāi)關(guān)管(S1)和反并聯(lián)在第一只開(kāi)關(guān)管上的第一只 二極管(D1)以及位與下橋臂的第二只開(kāi)關(guān)管(S2)和反并聯(lián)在第二只開(kāi)關(guān)管上的第二只二 極管(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，負(fù)極與直流電 容的負(fù)極端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，其特征在于 所述二極管整流橋(1. 1)是三相6脈波整流橋，或六相12脈波整流橋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)。目的是提供的直流輸電系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、成本低的特點(diǎn)。技術(shù)方案是一種單向功率傳送的低成本直流輸電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括在送端系統(tǒng)與受端系統(tǒng)之間依次串接二極管整流器、含有正極和負(fù)極兩根導(dǎo)線(xiàn)的直流輸電線(xiàn)路和模塊化多電平換流器；二極管整流器包括整流變壓器和二極管整流橋；整流變壓器的原邊與提供有功功率的三相交流電的送端系統(tǒng)相連，副邊與二極管整流橋的交流輸入端相連；二極管整流橋的正極與直流輸電線(xiàn)路的正極相連，二極管整流橋的負(fù)極與直流輸電線(xiàn)路的負(fù)極相連；模塊化多電平換流器包括多個(gè)子模塊(SM)，若干個(gè)緩沖電抗器(3.2)，還有相電抗器(3.3)或換流變壓器。
文檔編號(hào)H02M5/458GK101976956SQ20101026982
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者梁一橋, 江道灼, 郭捷 申請(qǐng)人:梁一橋