一種柔性直流輸電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種柔性直流輸電系統(tǒng)，采用三極連接進行功率傳輸，包括依次連接的整流側子系統(tǒng)、直流線路、逆變側子系統(tǒng)，整流側子系統(tǒng)包括整流側變壓器與平波電抗器，三極連接線分別為正極、負極和可兼做正負極的第三極，直流線路包括與整流側子系統(tǒng)連接的整流側平波電抗器與逆變側子系統(tǒng)連接的逆變側平波電抗器，逆變側子系統(tǒng)包括逆變側變壓器與平波電抗器，整流側與逆變側采用模塊化多電平換流器，其體積較小，結構緊湊，模塊化程度較高，因此，濾波器、電抗器、電容器以及換流器都可以安裝在室內，以減少外界各種因素的影響造成器件的損壞和故障，具備直流側短路電流的閉鎖能力。
【專利說明】一種柔性直流輸電系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種柔性直流輸電系統(tǒng)，具體是采用模塊化多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002]我國是電能生產和使用大國，但發(fā)電資源分布和需求不平衡，在人口膨脹和環(huán)境惡化以及資源需求的條件下，需要發(fā)展遠距離大容量輸電，而在輸電距離超過800km時，使用直流輸電傳送電能在成本上比采用交流輸電傳送電能更有優(yōu)勢，因此，需要通過高壓、超高壓、特高壓傳輸電能，而采用直流傳輸電能，需要采用換流技術，常規(guī)的采用LCC-HVDC換流站技術進行換流，其具有成熟的工程運行經驗。但由于常規(guī)的LCC-HVDC系統(tǒng)需要大量的無功補償和濾波器設備，且這些器件體積大、數量多、模塊化程度較低，通常只能將換流器和控制保護系統(tǒng)置于室內，其余設備需要安置在露天場中，導致管理和維護成本增加，因此常規(guī)的LCC-HVDC系統(tǒng)逐步被柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)所取代，VSC-HVDC系統(tǒng)的體積較小，結構緊湊，模塊化程度較高，因此，濾波器、電抗器、電容器以及換流器都可以安裝在室內，以減少外界各種因素的影響造成器件的損壞和故障。
[0003]專利文獻CN201310276517.9提供了一種基于模塊化多電平換流器的三極直流輸電系統(tǒng)拓撲結構，其采用模塊化多電平換流器系統(tǒng)取代常規(guī)的LCC-HVDC系統(tǒng)，但常規(guī)的模塊化多電平結構多采用半橋子模塊，在直流故障時，盡管可以閉鎖所有的晶體管，但由于反并聯(lián)的續(xù)流二極管能夠為短路電流提供通路，因而短路電流不能被阻斷，因而不具備直流側短路電流的閉鎖能力。


【發(fā)明內容】

[0004]基于現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種柔性直流輸電系統(tǒng)，采用三極連接進行功率傳輸，包括依次連接的整流側子系統(tǒng)、直流線路、逆變側子系統(tǒng)，整流側子系統(tǒng)包括整流側變壓器與平波電抗器，三極連接線分別為正極、負極和可兼做正負極的第三極，直流線路包括與整流側子系統(tǒng)連接的整流側平波電抗器與逆變側子系統(tǒng)連接的逆變側平波電抗器，逆變側子系統(tǒng)包括逆變側變壓器與平波電抗器，整流側與逆變側采用模塊化多電平換流器。
[0005]模塊化多電平換流器采用上下橋臂的結構，上橋臂采用級聯(lián)的子模塊結構，下橋臂采用全開關結構，上橋臂每個子模塊包括五個IGBT反并聯(lián)單元、兩個電容與一個二極管構成，IGBT反并聯(lián)單元包括一個IGBT與一個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管，直流側輸入連接到第一 IGBT反并聯(lián)單元第一端和第二 IGBT反并聯(lián)單元第一端，第一 IGBT反并聯(lián)單元的第二端與第二 IGBT反并聯(lián)單元的第二端分別連接第一電容器的兩端，第一 IGBT反并聯(lián)單元的第二端還連接第一二極管的陰極，第二 IGBT反并聯(lián)的單元的第二端還連接第三IGBT反并聯(lián)單元的第一端，第三IGBT反并聯(lián)單元的第二端與第一二極管的陽極相連并連接到第四IGBT反并聯(lián)單元的第一端和第五IGBT反并聯(lián)單元的第一端，第四IGBT反并聯(lián)單元的第二端和第五IGBT反并聯(lián)單元的第二端分別連接到第二電容器的兩端，第五IGBT反并聯(lián)單元的第二端還連接到下一個上橋臂子模塊的直流流輸入端，下一個上橋臂子模塊采用相同的結構進行級聯(lián)，上橋臂通過緩沖電感連接下橋臂結構，下橋臂采用全反并聯(lián)IGBT結構，緩沖電感的下橋臂端分為兩路，分別連接兩路串聯(lián)的IGBT反并聯(lián)單元，兩路IGBT反并聯(lián)單元彼此并聯(lián)，兩路IGBT反并聯(lián)單元的中點引出交流側輸出線，兩路IGBT反并聯(lián)單元的另一端連接在一起并連接直流側輸出端。
[0006]VSC-HVDC的控制系統(tǒng)按其功能高低可分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流器閥級控制三層。其中，系統(tǒng)級控制接收電力調度中心傳來的有功類物理量(包括有功功率、直流電壓、直流電流和頻率)和無功類物理量(包括無功功率和交流電壓)整定值作為其參考輸入量；換流站級控制將系統(tǒng)級控制的輸出值作為其輸入參考值，經過控制得到SPWM的調制比Μ和移相角δ，提供給閥極控制的觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)；閥級控制的任務是接收調制比Μ和移相角δ，經過適當的調制方式產生PWM觸發(fā)脈沖實現(xiàn)對IGBT閥的控制。換流站級控制米用直接電流控制，直流電流控制米用外環(huán)控制和內環(huán)電流控制結合的雙環(huán)控制結構，控制系統(tǒng)大體上可以分為外環(huán)控制器、內環(huán)控制器和鎖相環(huán)三個部分，外環(huán)控制器的輸出為內環(huán)控制器輸入的參考值，內環(huán)控制器的輸出信號經過觸發(fā)脈沖發(fā)生器后，產生IGBT的門級觸發(fā)信號來控制其工作。鎖相環(huán)的作用是為坐標變換提供Θ，已達到信號同步跟蹤和對電壓矢量定向控制的目的。
[0007]外環(huán)控制主要有定直流電壓控制、定有功功率控制、定無功功率控制、定頻率控制和定交流電壓控制等。采用什么控制方式，還要視具體情況而定。為了保證有功功率的傳送和維持系統(tǒng)直流電壓恒定，一端換流站采用定直流電壓控制，另一端則根據所聯(lián)系統(tǒng)是有源系統(tǒng)還是無源系統(tǒng)而定。當兩端所聯(lián)的系統(tǒng)均為有源系統(tǒng)時，一端采用定直流電壓控制，一端采用定有功功率控制；當受端聯(lián)結無源系統(tǒng)時，受端側需采用定交流電壓控制以穩(wěn)定母線的交流電壓。定有功類物理量控制器的輸入為有功功率設定值Pref、直流電壓設定值Udcref或頻率(常用于VSC-HVDC向孤島供電系統(tǒng)中)設定值fref，在和它們的實測值進行比較之后，經過PI環(huán)節(jié)，輸出為內環(huán)電流控制器的d軸電流參考值idref ；同理，定無功類物理量控制器的輸入為無功功率設定值Qref或交流電壓設定值Uacref，在和它們的實測值進行比較之后，經過PI環(huán)節(jié)，輸出為內環(huán)電流控制器的q軸電流參考值iqref。
[0008]內環(huán)控制器是電流控制器，在接收外環(huán)控制器傳來的d軸和q軸電流參考值作為其輸入信號，經過線性或者非線性解耦控制之后，得到輸出電壓Ucd和Ucq。Ucd和Ucq經過Park逆變換，得到三相電壓Ucaref、Ucbref和Uccref,最后送入PWM發(fā)生器。采用適當的調制方式之后，產生觸發(fā)脈沖觸發(fā)VSC閥通斷。
[0009]鎖相環(huán)根據電網三相電壓的瞬時值Usa、Usb和Use經過Clark變換得到兩相電壓Ua和Ub。，再分與壓控振蕩環(huán)節(jié)(VC0)的輸出相位余弦值和正弦值相乘，兩者乘積的差值為Ux (即Ki (Uacos θ - Ubsin θ ) =Ux)。Ux經過低通濾波環(huán)節(jié)后得到Uf,其再與比例系數Kv,相乘得到角頻率誤差Λ?，Aw與系統(tǒng)角頻率wO之和經過積分環(huán)節(jié)后，得到最終的輸入相位
θ ο

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為現(xiàn)有技術中的模塊化多電平換流器。
[0011]圖2為本發(fā)明提供的改進的模塊化多電平換流器。

【具體實施方式】
[0012]如圖2所示，模塊化多電平換流器采用上下橋臂的結構，上橋臂采用級聯(lián)的子模塊結構，下橋臂采用全開關結構，上橋臂每個子模塊包括五個IGBT反并聯(lián)單元、兩個電容與一個二極管構成，IGBT反并聯(lián)單元包括一個IGBT與一個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管，直流側輸入連接到第一 IGBT反并聯(lián)單元第一端和第二 IGBT反并聯(lián)單元第一端，第一 IGBT反并聯(lián)單元的第二端與第二 IGBT反并聯(lián)單元的第二端分別連接第一電容器的兩端，第一IGBT反并聯(lián)單元的第二端還連接第一二極管的陰極，第二 IGBT反并聯(lián)的單元的第二端還連接第三IGBT反并聯(lián)單元的第一端，第三IGBT反并聯(lián)單元的第二端與第一二極管的陽極相連并連接到第四IGBT反并聯(lián)單元的第一端和第五IGBT反并聯(lián)單元的第一端，第四IGBT反并聯(lián)單元的第二端和第五IGBT反并聯(lián)單元的第二端分別連接到第二電容器的兩端，第五IGBT反并聯(lián)單元的第二端還連接到下一個上橋臂子模塊的直流流輸入端，下一個上橋臂子模塊采用相同的結構進行級聯(lián)，上橋臂通過緩沖電感連接下橋臂結構，下橋臂采用全反并聯(lián)IGBT結構，緩沖電感的下橋臂端分為兩路，分別連接兩路串聯(lián)的IGBT反并聯(lián)單元，兩路IGBT反并聯(lián)單元彼此并聯(lián)，兩路IGBT反并聯(lián)單元的中點引出交流側輸出線，兩路IGBT反并聯(lián)單元的另一端連接在一起并連接直流側輸出端。
[0013]VSC-HVDC的控制系統(tǒng)按其功能高低可分為系統(tǒng)級控制、換流站級控制和換流器閥級控制三層。其中，系統(tǒng)級控制接收電力調度中心傳來的有功類物理量(包括有功功率、直流電壓、直流電流和頻率)和無功類物理量(包括無功功率和交流電壓)整定值作為其參考輸入量；換流站級控制將系統(tǒng)級控制的輸出值作為其輸入參考值，經過控制得到SPWM的調制比Μ和移相角δ，提供給閥極控制的觸發(fā)脈沖生成環(huán)節(jié)；閥級控制的任務是接收調制比Μ和移相角δ，經過適當的調制方式產生PWM觸發(fā)脈沖實現(xiàn)對IGBT閥的控制。換流站級控制米用直接電流控制，直流電流控制米用外環(huán)控制和內環(huán)電流控制結合的雙環(huán)控制結構，控制系統(tǒng)大體上可以分為外環(huán)控制器、內環(huán)控制器和鎖相環(huán)三個部分，外環(huán)控制器的輸出為內環(huán)控制器輸入的參考值，內環(huán)控制器的輸出信號經過觸發(fā)脈沖發(fā)生器后，產生IGBT的門級觸發(fā)信號來控制其工作。鎖相環(huán)的作用是為坐標變換提供Θ，已達到信號同步跟蹤和對電壓矢量定向控制的目的。
[0014]外環(huán)控制主要有定直流電壓控制、定有功功率控制、定無功功率控制、定頻率控制和定交流電壓控制等。采用什么控制方式，還要視具體情況而定。為了保證有功功率的傳送和維持系統(tǒng)直流電壓恒定，一端換流站采用定直流電壓控制，另一端則根據所聯(lián)系統(tǒng)是有源系統(tǒng)還是無源系統(tǒng)而定。當兩端所聯(lián)的系統(tǒng)均為有源系統(tǒng)時，一端采用定直流電壓控制，一端采用定有功功率控制；當受端聯(lián)結無源系統(tǒng)時，受端側需采用定交流電壓控制以穩(wěn)定母線的交流電壓。定有功類物理量控制器的輸入為有功功率設定值Pref、直流電壓設定值Udcref或頻率(常用于VSC-HVDC向孤島供電系統(tǒng)中)設定值fref，在和它們的實測值進行比較之后，經過PI環(huán)節(jié)，輸出為內環(huán)電流控制器的d軸電流參考值idref;同理，定無功類物理量控制器的輸入為無功功率設定值Qref或交流電壓設定值Uacref，在和它們的實測值進行比較之后，經過PI環(huán)節(jié)，輸出為內環(huán)電流控制器的q軸電流參考值iqref。
[0015]內環(huán)控制器是電流控制器，在接收外環(huán)控制器傳來的d軸和q軸電流參考值作為其輸入信號，經過線性或者非線性解耦控制之后，得到輸出電壓Ucd和Ucq。Ucd和Ucq經過Park逆變換，得到三相電壓Ucaref、Ucbref和Uccref,最后送入PWM發(fā)生器。采用適當的調制方式之后，產生觸發(fā)脈沖觸發(fā)VSC閥通斷。
[0016]鎖相環(huán)根據電網三相電壓的瞬時值Usa、Usb和Use經過Clark變換得到兩相電壓Ua和Ub。，再分與壓控振蕩環(huán)節(jié)(VC0)的輸出相位余弦值和正弦值相乘，兩者乘積的差值為Ux (即Ki (Uacos θ - Ubsin θ ) =Ux)。Ux經過低通濾波環(huán)節(jié)后得到Uf,其再與比例系數Kv,相乘得到角頻率誤差Λ?，Aw與系統(tǒng)角頻率wO之和經過積分環(huán)節(jié)后，得到最終的輸入相位
θ ο
【權利要求】
1.一種柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，采用三極連接進行功率傳輸，包括依次連接的整流側子系統(tǒng)、直流線路、逆變側子系統(tǒng)，整流側子系統(tǒng)包括整流側變壓器與平波電抗器，三極連接線分別為正極、負極和可兼做正負極的第三極，直流線路包括與整流側子系統(tǒng)連接的整流側平波電抗器與逆變側子系統(tǒng)連接的逆變側平波電抗器，逆變側子系統(tǒng)包括逆變側變壓器與平波電抗器，整流側與逆變側采用模塊化多電平換流器。
2.如權利要求1所述的一種柔性直流輸電系統(tǒng)，其特征在于，模塊化多電平換流器采用上下橋臂的結構，上橋臂采用級聯(lián)的子模塊結構，下橋臂采用全開關結構，上橋臂每個子模塊包括五個IGBT反并聯(lián)單元、兩個電容與一個二極管構成，IGBT反并聯(lián)單元包括一個IGBT與一個與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管，直流側輸入連接到第一 IGBT反并聯(lián)單元第一端和第二 IGBT反并聯(lián)單元第一端，第一 IGBT反并聯(lián)單元的第二端與第二 IGBT反并聯(lián)單元的第二端分別連接第一電容器的兩端，第一 IGBT反并聯(lián)單元的第二端還連接第一二極管的陰極，第二 IGBT反并聯(lián)的單元的第二端還連接第三IGBT反并聯(lián)單元的第一端，第三IGBT反并聯(lián)單元的第二端與第一二極管的陽極相連并連接到第四IGBT反并聯(lián)單元的第一端和第五IGBT反并聯(lián)單元的第一端，第四IGBT反并聯(lián)單元的第二端和第五IGBT反并聯(lián)單元的第二端分別連接到第二電容器的兩端，第五IGBT反并聯(lián)單元的第二端還連接到下一個上橋臂子模塊的直流流輸入端，下一個上橋臂子模塊采用相同的結構進行級聯(lián)，上橋臂通過緩沖電感連接下橋臂結構，下橋臂采用全反并聯(lián)IGBT結構，緩沖電感的下橋臂端分為兩路，分別連接兩路串聯(lián)的IGBT反并聯(lián)單元，兩路IGBT反并聯(lián)單元彼此并聯(lián)，兩路IGBT反并聯(lián)單元的中點引出交流側輸出線，兩路IGBT反并聯(lián)單元的另一端連接在一起并連接直流側輸出端。
【文檔編號】H02M7/483GK104283233SQ201410560372
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月18日 優(yōu)先權日:2014年10月18日
【發(fā)明者】王超, 齊征, 丁華偉, 楊峰, 高立飛 申請人:國家電網公司, 國網河南省電力公司檢修公司