CN101976956A

CN101976956A - 一种单向功率传送的低成本直流输电系统

Info

Publication number: CN101976956A
Application number: CN 201010269822
Authority: CN
Inventors: 郭捷; 梁一桥; 江道灼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2011-02-16

Abstract

本发明涉及一种单向功率传送的低成本直流输电系统。目的是提供的直流输电系统应具有可靠性高、成本低的特点。技术方案是：一种单向功率传送的低成本直流输电系统，该系统包括：在送端系统与受端系统之间依次串接二极管整流器、含有正极和负极两根导线的直流输电线路和模块化多电平换流器；二极管整流器包括整流变压器和二极管整流桥；整流变压器的原边与提供有功功率的三相交流电的送端系统相连，副边与二极管整流桥的交流输入端相连；二极管整流桥的正极与直流输电线路的正极相连，二极管整流桥的负极与直流输电线路的负极相连；模块化多电平换流器包括多个子模块(SM)，若干个缓冲电抗器(3.2)，还有相电抗器(3.3)或换流变压器。

Description

一种单向功率传送的低成本直流输电系统

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种单向功率传送的低成本直流输电系统。

背景技术

上世纪五十年代以来，高压直流输电技术重新兴起，特别是基于大功率电力电子器件在直流输电系统中的广泛应用，为电力系统带来了新的发展和增长点。传统的高压直流输电采用基于晶闸管的电流源型换流器，目前已经得到较为广泛的应用，如舟山直流输电工程、葛洲坝-上海直流输电工程、向家坝-上海直流输电工程等。在基于电压源型换流器的高压直流输电的应用场合中，有很大一部分是单向传送功率的，如：城市供电、海岛供电、海上钻井平台供电以及分布式能源发电接入等领域。对于要求快速控制潮流，高电能质量，对环境影响小，与弱受端或无源网络相连的中小功率直流输电应用场合，基于电压源型换流器的高压直流输电则更加具有优势。

目前，电压源型换流器往往采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控器件，按照不同的电路拓扑构成，这些电路拓扑包括三相全桥结构、二极管箝位型和电容箝位型等。用于轻型高压直流输电的电压源换流器，往往采用全控开关管串联的方式提高装置电压等级。但是，多开关管串联使管间静态、动态均压难度加大，换流器可靠性降低。一种新提出的拓扑为模块化多电平电压源换流器，可以通过改变子模块的数量以适应不同的电压等级和功率要求，并可以方便地提高装置冗余度，使其可靠性大大增加；同时，换流器电平数可以扩展到很多，从而使输出电压具有较小的谐波含量，并降低器件开关频率以降低损耗。但是，用于制造电压源型换流器的绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控器件成本很高，且国产化率低。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种适用于要求单向功率传送的直流输电系统，该系统应具有可靠性高、成本低的特点。

本发明提供的技术方案是：一种单向功率传送的低成本直流输电系统，其特征是该系统包括：在送端系统与受端系统之间依次串接二极管整流器、含有正极和负极两根导线的直流输电线路和模块化多电平换流器；

所述二极管整流器，包括整流变压器和二极管整流桥；整流变压器的原边与提供有功功率的三相交流电的送端系统相连，副边与二极管整流桥的交流输入端相连；二极管整流桥的正极与直流输电线路的正极相连，二极管整流桥的负极与直流输电线路的负极相连；

所述模块化多电平换流器，包括多个子模块(SM)，若干个缓冲电抗器(3.2)，还有相电抗器(3.3)或换流变压器；多个子模块相串联组成三相全桥结构，三相全桥结构的正极与直流输电线路的正极相连，三相全桥结构的负极与直流输电线路的负极相连；三相全桥结构的每个半桥臂均串联一个缓冲电抗器；相电抗器或换流变压器的一端与三相全桥结构的交流端相连，另一端与接受有功功率的三相交流受端系统相连。

所述子模块，是由位与上桥臂的第一只开关管和反并联在第一只开关管上的第一只二极管以及位与下桥臂的第二只开关管和反并联在第二只开关管上的第二只二极管组成半H桥电路，半H桥电路的正极与直流电容的正极相连，负极与直流电容的负极端相连。

所述二极管整流桥是三相6脉波整流桥，或六相12脉波整流桥，或其他二极管不控整流桥。

本发明的有益效果在于：所发明的单向功率传送的低成本直流输电系统，系统送端采用二极管不控整流器，系统受端采用模块化多电平换流器，适用于直流输电系统中广泛存在的功率单向传送的应用场合，具有成本低、可靠性高的优点。与电压源型换流器比较，大大减少了绝缘栅双极晶体管(IGBT)等全控器件的使用量，有效降低了成本。

附图说明

图1是单向功率传送的低成本直流输电系统结构示意图。

图2是子模块结构示意图。

图3是计算机仿真结果波形图一。其中仿真0～1.0秒模块化多电平换流器电压V_C(仅画出A相)、换流器电流I_C(仅画出A相)、换流器输出有功P、换流器输出无功Q、二极管整流器侧直流线路电压V_DC1、模块化多电平换流器侧直流线路电压V_DC2以及直流线路电流I_DC。

图4是计算机仿真结果波形图二。其中仿真0.8～1.0秒模块化多电平换流器电压V_C(三相)、换流器电流I_C(三相)、换流器桥臂电流I_LEG(仅画出A相上桥臂)以及子模块电容电压V_DC-A(仅画出A相上桥臂第一只子模块)。

具体实施方式

结合图1，本发明提供的单向功率传送的低成本直流输电系统，包括：在送端系统与受端系统之间依次串接二极管整流器1、含有正极和负极两根导线的直流输电线路2和模块化多电平换流器3。

所述二极管整流器1，包括：整流桥1.1和整流变压器1.2。二极管整流桥1.1的正极与直流输电线路2的正极相连，整流桥1.1的负极与直流输电线路2的负极相连，整流桥1.1可以是三相6脉波整流桥，也可以是六相12脉波整流桥，或其他二极管不控整流桥。图示实例中以六相12脉波二极管整流桥为例；整流变压器1.2(以YYΔ型三绕组变压器为例)原边与提供有功功率的三相交流送端系统A相连，副边与整流桥1.1的交流输入端相连。

所述模块化多电平换流器3，包括：子模块3.1(即图中的AM)、缓冲电抗器3.2和相电抗器3.3。子模块3.1相串联组成三相全桥结构，三相全桥结构的正极与直流输电线路2的正极相连，负极与直流输电线路2的负极相连，三相全桥结构的每个半桥臂均串联一个缓冲电抗器3.2；相电抗器3.3一端与三相全桥结构的交流端相连，另一端与接受有功功率的三相交流受端系统B相连，电抗器3.3可以是实际的交流电抗器(如图所示)，也可以是由换流变压器等效而成的交流电抗器。

结合图2，子模块3.1，是由位与上桥臂的第一只开关管S1和反并联在第一只开关管S1上的第一只二极管D1以及位与下桥臂的第二只开关管S2和反并联在第二只开关管S2上的第二只二极管D2组成半H桥电路，半H桥电路的正极与直流电容C的正极相连，负极与直流电容C的负极端相连。

本发明的工作原理是：二极管整流桥1.1工作在不控整流状态，从送端系统A吸收功率；整流桥1.1直流侧直流电压近似正比于送端系统A的交流电压；直流电流由整流桥1.1的正极(共阴极端)流出，通过直流输电线路2的正极注入模块化多电平换流器3的正极，并从模块化多电平换流器3的负极流出，并经直流输电线路2负极流回整流桥1.1的负极(共阳极端)；由直流回路中电压、电流的方向可知，二极管整流器1发出功率，模块化多电平换流器3吸收功率。

子模块3.1的开关管S1开通，开关管S2关断时，子模块3.1为投入状态；子模块3.1的开关管S2开通，开关管S3关断时，子模块3.1为切除状态。无论子模块3.1为何状态，由于二极管D1、D2的续流作用，电流可以任意方向流过子模块3.1；子模块3.1为投入状态时，子模块3.1等效于直流电容C，输出直流电容C的电压；子模块3.1为切除状态时，子模块3.1等效于短路，输出电压为0，直流电容C切除出电路。

缓冲电抗器3.2起到缓冲流过子模块3.1电流的作用。

工作时，通过各子模块3.1状态的切换可以在模块化多电平换流器3的交流侧形成三相交流电压，并可以维持各直流电容C的电压。模块化多电平换流器3通过控制输入相电抗器3.3的交流电压，可以向受端系统B注入大小可调的有功功率，还可以独立调节向受端系统B注入或从受端系统B吸收的无功功率。

单向功率传送的低成本直流输电系统的计算机仿真参数为：额定有功容量30WM，无功15WVar，送端系统A、受端系统B均为无穷大系统，电压等级35kV；整流桥1.1为六相12脉波理想二极管不控整流桥；整流变压器1.2为YYΔ型理想三绕组变压器；直流输电线路2为海底电缆线路，长度100千米；模块化多电平换流器3每相由160个子模块3.1组成，上下桥臂各80个，子模块3.1的直流电容C为3000微法，子模块3.1额定电压1kV，开关管S1和开关管S2为理想IGBT，二极管D1和二极管D2为理想二极管；缓冲电抗器3.2为3毫亨；相电抗器3.3为15毫亨，相电抗器3.3电阻0.6欧姆。子模块3.1的投切方式采用最近电平调制法，选择性投切均压策略，模块化多电平换流器3的控制采用交叉解耦法。

结合图3，V_C、I_C是模块化多电平换流器3输出电压、电流波形，为了简便起见仅画出了A相电压、电流波形，具有电压波形高电平数、电流波形畸变小的特点；P_{_out}、Q_{_out}是换流器向受端系统B实际注入的有功、无功波形，P_{_ref}、Q_{_ref}是换流器向受端系统B注入有功、无功的给定值；V_DC1是二极管整流器1输出的直流电压，带有明显的12脉波特征；V_DC2是模块化多电平换流器3输入的直流电压波形；I_DC为直流输电线路2上流过的电流波形，由于整流器为二极管不控型，所以该电流恒大于等于0。

0～1.0秒的计算机仿真对单向功率传送的低成本直流输电系统的有功、无功独立调节特性进行了验证。

结合图4，V_C、I_C是模块化多电平换流器3输出电压、电流波形；I_LEG是模块化多电平换流器3桥臂电流波形，为了简便起见仅画出了A相上半桥臂电流波形，可以看出由于缓冲电抗器3.2的缓冲作用，最大功率输出情况下，桥臂尖峰电流限制在1kA以内；V_{DC_A_1}是A相上桥臂第一只子模块3.1的直流电容C的电压波形，最大功率输出情况下，平均电压约为0.9kV，波动范围约正负100V。

本发明所涉所有电子、电气元器件可全部外购。

此外，图中标号还有：V_C-A、V_C-B、V_C-C分别是A相、B相、C相中的电压；I_C-A、I_C-B、I_C-C分别是A相、B相、C相中的电流；P-ref是换流器向受端系统注入有功功率的设定值；P-out是换流器向受端系统实际注入的有功功率；Q-ref是换流器向受端系统注入无功功率的设定值；Q-out是换流器向受端系统实际注入的无功功率。

Claims

1.一种单向功率传送的低成本直流输电系统，其特征是该系统包括：在送端系统(A)与受端系统(B)之间依次串接二极管整流器(1)、含有正极和负极两根导线的直流输电线路(2)和模块化多电平换流器(3)；

所述二极管整流器包括整流变压器(1.2)和二极管整流桥(1.1)；整流变压器的原边与提供有功功率的三相交流电的送端系统相连，副边与二极管整流桥的交流输入端相连；二极管整流桥的正极与直流输电线路(2)的正极相连，二极管整流桥的负极与直流输电线路(2)的负极相连；

所述模块化多电平换流器，包括多个子模块(SM)，若干个缓冲电抗器(3.2)，还有相电抗器(3.3)或换流变压器；多个子模块相串联组成三相全桥结构，三相全桥结构的正极与直流输电线路的正极相连，三相全桥结构的负极与直流输电线路的负极相连；三相全桥结构的每个半桥臂均串联一个缓冲电抗器(3.2)；相电抗器(3.3)或换流变压器的一端与三相全桥结构的交流端相连，另一端与接受有功功率的三相交流受端系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种单向功率传送的低成本直流输电系统，其特征在于：所述子模块(SM)是由位与上桥臂的第一只开关管(S1)和反并联在第一只开关管上的第一只二极管(D1)以及位与下桥臂的第二只开关管(S2)和反并联在第二只开关管上的第二只二极管(D2)组成半H桥电路，半H桥电路的正极与直流电容(C)的正极相连，负极与直流电容的负极端相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种单向功率传送的低成本直流输电系统，其特征在于：所述二极管整流桥(1.1)是三相6脉波整流桥，或六相12脉波整流桥。