專利名稱：一種基于雙極式結構的直流換流站的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力系統換流技術領域，具體涉及一種基于雙極式結構的直流換流站。
背景技術：
模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)采用子模塊級聯的形式，具有對器件一致觸發動態均壓要求低、擴展性好、輸出電壓波形品質高、開關頻率低、運行損耗低等諸多優點，是新一代電壓源換流器拓撲結構的佼佼者。基于MMC的高壓直流輸電系統(MMC-HVDC)在光伏、風電和潮汐等新能源并網，超大規模城市輸配電，偏遠海島、孤立負荷和無源網絡送電等場合比基于晶閘管的傳統直流輸電系統有更強的競爭力，諸多優勢如模塊化設計安裝簡單方便，結構緊湊占地面積小，省去了交流濾波器，從根本上消除 了換相失敗。美國Transbay工程和中國上海南匯風電場并網示范工程的成功投運，以及國內外多個規劃或籌建工程進一步驗證了 MMC-HVDC的應用價值和發展前景。然而目前的MMC-HVDC系統仍存在以下幾方面不足和待改進之處一是接地方式設計、安裝困難。現有技術主要有兩種，一種是在MMC閥側安裝三相星形連接的電抗支路為換流站提供參考電位的技術，采用該技術的直流輸電系統如圖I (a)所示，該技術電抗參數選擇較為困難，并且極大影響了換流器本身無功功率運行范圍。另外一種是直流側大電阻箝位接地方式，采用該接地方式的直流輸電系統如圖1(b)所示，但該接地方式與電阻參數選取密切相關，當電阻取得過小則穩態運行損耗較大，當電阻取得過大則整個系統近似不接地，對系統絕緣配合要求較高。二是系統運行可靠性較低。現有技術中均未明確指出在直流側配置平波電抗器，因此需要增大橋臂電抗器參數來抑制直流側故障電流上升率；并且只能運行在由單個電壓源換流器構成雙極運行的模式，一旦直流線路發生故障后就極易發生雙極停運即整個系統停運，系統可靠性較低。三是輸送容量受限。由于全控型器件的通流能力較低，故所構成的直流系統電流一般較低。為實現大容量功率輸送的要求，需要增加橋臂子模塊數目以提高其直流電壓水平。盡管MMC理論上可以實現子模塊無限級聯，但輸送容量會局限于換流變壓器的容量，現有技術中采用單個MMC構成雙極輸電系統的模式難以完成類似傳統直流輸電程度的高壓大容量功率輸送。四是系統設計、制造和安裝的標準化程度仍然較低。當MMC每橋臂級聯數目越多，其輸出電壓電流波形的諧波越小、品質越高，但當數目達到一定程度后，再增加子模塊數量，對改善系統諧波特性作用不大。此外當子模塊數目過多對電容電壓排序、測量等處理速度影響較大。并且尚未標準設計的完整概念，如在系統容量、電壓等級不同的工程應用場合，幾乎所有相關內容(如控制器參數整定、測量與傳感系統、冷卻系統等)需要重新設計，對系統設計、參數整定和設備制造都帶來了極大的不便，不利于實現設備標準化制造生產，同時帶來了設計、制造、裝配、調試、運行與維護周期。

發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種基于雙極式結構的直流換流站，采用雙極結構形式，接地方式簡便，系統可靠性高，運行靈活，設計制造標準化、模塊化。一種基于雙極式結構的直流換流站，包括與交流電網連接的換流器，所述的換流器用于將交流電網上的交流電轉換為直流電；所述的換流器由兩個換流單元組成；其中，正極換流單元的一端為換流器的正端，正極換流單元的另一端與負極換流單元的一端相連并通過中性母線接地，負極換流單元的另一端為換流器的負端。 所述的換流單元由若干個MMC串聯或并聯組成；或由若干條MMC支路并聯組成，所述的MMC支路由若干個MMC串聯組成，所述的MMC通過換流變壓器與交流電網連接；能夠適合在不同電壓等級、不同容量下的直流輸電。優選地，所述的換流器的正負端均連接有平波電抗器；能夠對直流電流中的紋波進行平抑，防止直流輸電線路產生的陡波前沖擊波進入換流站導致器件遭受過電壓而損壞，同時避免電流斷續。優選地，所述的換流變壓器的接線方式為YcZA或YcZY ;能夠起到電壓等級變換和隔離零序分量在換流器與交流系統之間傳遞的作用。優選地，所述的MMC為三相六橋臂結構；其中，每個橋臂均由若干個換流模塊串聯組成，每個橋臂均通過電抗器與換流變壓器對應的相端口連接；其輸出的三相交流電具有很小的諧波含量，幾乎不需任何濾波器，同時其結構特性大大降低了器件的開關頻率，進而減少損耗，控制靈活。進一步優選地，所述的換流模塊為HBSM(半橋子模塊);所需半導體器件數量最少，穩態運行損耗小。所述的HBSM由兩個開關管Tl T2和一個電容C構成；其中，開關管Tl的輸出端與開關管T2的輸入端相連并構成HBSM的一端,開關管Tl的輸入端和電容C的一端相連，開關管T2的輸出端與電容C的另一端相連并構成HBSM的另一端；所述的開關管的控制端接收外部設備提供的開關信號。所述的開關管為IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)。本發明的工作原理為交流電網的三相交流電經換流變壓器電壓等級變換，由正負極換流器內的MMC實現交流/直流變換，然后被電抗器平抑紋波后，通過直流輸電線路輸送到受端換流站。本發明的有益技術效果(I)本發明采用雙極結構形式，直流故障時只影響故障的一極，而對健全極幾乎沒有影響，從而提高了系統可靠性。(2)本發明換流器采用中性母線引出接地，易于系統分期建設和增容擴建，先投運單極再投運雙極，有利于早日發揮投資效益；同時中性母線通過接地極引線接地為在單極大地回線運行方式下的系統提供電流回流通路，平衡運行時接地電流很小。(3)本發明運行方式靈活，能夠適合不同電壓等級、不同容量下直流輸電；可在雙極平衡、雙極不平衡、單極大地回線、單極金屬回線等運行方式下運行，運行靈活多樣。(4)本發明將經過優選子模塊數目后的MMC作為一個單元，以“搭積木”的形式實現直流輸電系統的所需直流電壓和直流電流。使得整個設計制造流程具有模塊化、標準化，可以縮短的提高工程設計、建造和運行周期，能夠及早收回投資和提高運行效益。


圖I (a)為現有技術采用交流側星形電抗接地方式的直流換流站結構示意圖。圖I (b)為現有技術采用直流側箝位電阻接地方式的直流換流站結構示意圖。圖2為本發明直流換流站的結構示意圖。圖3(a)為基于MMC串聯構成的換流單元結構示意圖。·
圖3(b)為基于MMC并聯構成的換流單元結構示意圖。圖3(c)為基于MMC支路并聯構成的換流單元結構示意圖。圖4為MMC的結構示意圖。圖5為HBSM的結構示意圖。圖6(a)為兩個MMC并聯構成基本換流單元的直流換流站運行模式示意圖。圖6 (b)為當正極換流單元中一個MMC退出運行時直流換流站運行模式示意圖。圖6 (C)為當整個正極換流單元中退出運行時直流換流站運行模式示意圖。圖6 (d)為當正、負極換流單元中均有一個MMC退出運行時直流換流站運行模式示意圖。圖7(a)直流換流站正極(故障極)換流單元功率的響應曲線示意圖。圖7(b)直流換流站負極(健全極)換流單元功率的響應曲線示意圖。圖7(c)直流換流站正極(故障極)直流電壓的響應曲線示意圖。圖7(d)直流換流站負極(健全極)閥側三相電流的示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。如圖2所示，一種基于雙極式結構的直流換流站，包括一換流器、多個換流變壓器和兩個平波電抗器。換流器由兩個換流單元組成；其中，正極換流單元的一端為換流器的正端，正極換流單元的另一端與負極換流單元的一端相連并通過中性母線接地，負極換流單元的另一端為換流器的負端。換流站的正負端分別通過兩個平波電抗器與直流輸電線路相連。換流單元可以由η個MMC串聯構成，如圖3 (a)所示；換流單元可以由η個MMC并聯構成，如圖3 (b)所示；換流單元也可以由k條MMC支路并聯組成，MMC支路由η個MMC串聯組成，形成由η X k個MMC串并聯構成矩陣形式的換流單元，如圖3 (c)所示。每個MMC均通過換流變壓器與交流電網連接，換流變壓器的接線方式可以為Ytl/Λ或 Υ0/Υ。如圖4所示，MMC為三相六橋臂結構；其中，每個橋臂均由m個HBSM串聯組成，每個橋臂均通過電抗器與換流變壓器對應的相端口連接；n、k和m均為大于O的自然數。如圖5所示，HBSM由兩個IGBT管Tl T2和一個電容C構成；其中，IGBT管Tl的發射極與IGBT管T2的集電極相連并構成HBSM的一端，IGBT管Tl的集電極和電容C的一端相連，IGBT管T2的發射極與電容C的另一端相連并構成HBSM的另一端；IGBT管Tl T2的門極均接收外部設備提供的開關信號。為進一步說明本發明的實施過程，下面結合具體工程參數進行說明。MMC標準單元的基本參數為直流側100kV，每個橋臂由100個HBSM串聯，采樣頻率為10000Hz，額定電流為lkA。電容電壓排序算法、模塊調制策略、控制器參數均作為控制單元內嵌到標準單元中，其他諸如水冷系統、測量與傳感系統等與之相關系統也同樣可以內嵌到標準單元，在不同應用場合無需重新設計和參數重新整定；與之相連的換流變壓器也可以做到模塊化、標準化設計。
對于±200kV、400MW的直流輸電系統，則采用如圖3(a)所示串聯形式，即每個換流單元需要兩個MMC標準單元串聯即可；對于±100kV、40(MW的直流輸電系統，則采用如圖3(b)所示并聯形式，即每個換流單元需要兩個MMC標準單元并聯即可；而對于±200kV、80(MW的直流輸電系統，則采用如圖3(c)所示的矩陣形式，即每個換流單元需要2X2個MMC標準單元串并聯即可。由此可以看出采用MMC標準單元串并聯構成直流換流站結構，可以利用類似“搭積木”的形式，快速完成直流輸電系統電壓等級、輸送容量的配合，有效減少設計周期，同時也可大大縮短設備建造、系統調試、運行和維護周期，能及早投入運行，有利于早日發揮投資效益。為進一步說明本實施方式的運行模式靈活性，以土 100kV、40(MW的直流輸電直流換流站為例，其正負極換流單元由兩個MMC并聯而成。正常運行模式如圖6(a)所示，此時上下兩個MMC均投入運行。由于調度、維修或故障等原因，導致某個MMC需要退出運行，則運行模式如圖6(b)所示，系統仍可以輸送75%的額定功率。當有兩個MMC需要退出運行，則存在兩種基本運行模式，分別如圖6(c)和圖6(d)，這樣系統仍可輸送50%的額定功率。相比之下如圖1(a)和圖1(b)所示的由單換流器構成自然雙極結構的傳統直流換流站，如果MMC退出運行，則會導致整個系統停運。為進一步驗證本實施方式的有效效果，在電磁暫態軟件PSCAD/EMTDC中搭建兩端MMC-HVDC仿真平臺，為提高仿真速度，換流單元由一個MMC組成。穩態運行時換流站I (送電端)采用定有功功率和定無功功率控制，換流站2 (受電端)采用定電壓控制和定無功功率控制。直流輸電線路選擇為200公里架空線；為方便分析和對比，以容量200MVA、IOOkV為標么系統的基準值。級聯子模塊調制策略采用最近電平調制方法。仿真情景為直流線路正極發生暫時接地故障并重啟動。初始階段系統兩極的有功無功參考指令分別為200MW(標么值為I. Opu)和40Mvar (標么值為0. 2pu)，假設穩態運行
I.2s時系統的正極線路在IOOkm處發生暫時金屬性接地短路故障，持續時間0. 05s，正負極換流單元功率、電壓響應特性如圖7(a) (c)所示，閥側(換流變壓器與MMC所連接的地方)電流響應特性曲線如圖7(d)所示。故障發生后，經過檢測延時，故障保護邏輯動作，通過交流斷路器或直流斷路器等其他故障隔離裝置，通過向故障極換流器發出閉鎖指令；整個閉鎖過程約1/4個周波。閉鎖時各極功率輸送和直流電壓很快降至零，保持故障極換流器閉鎖狀態持續O. 3s,以使線路充分去游離。故障期間為盡量彌補功率缺失，健全極過負荷運行。線路故障清除后，向故障極換流器發出解鎖指令，對系統進行重啟動，同時使健全極恢復到原有穩態運行水平。從仿真結果來看，由于本結構采用雙極結構形式，直流故障時只影響故障極，而對健全極幾乎沒有影響，從而提高了系統可靠性。此外本實施方式結構采用雙極中間中性母線引出接地，易于系統分期建設和增容擴建，先投運單極再投運雙極，有利于早日發揮投資效益；同時接地支路為在單極大地回線 運行方式下的系統提供電流回流通路，平衡運行時接地電流很小。運行方式靈活，能夠適合不同電壓等級、不同容量下直流輸電；可在雙極平衡、雙極不平衡、單極大地回線、單極金屬回線等運行方式下進行，運行靈活多樣。總之，由本發明構成的直流輸電系統具有廣闊的應用前景。
權利要求
1.一種基于雙極式結構的直流換流站，包括與交流電網連接的換流器，所述的換流器用于將交流電網上的交流電轉換為直流電；其特征在于 所述的換流器由兩個換流單元組成；其中，正極換流單元的一端為換流器的正端，正極換流單元的另一端與負極換流單元的一端相連并通過中性母線接地，負極換流單元的另一端為換流器的負端。
2.根據權利要求I所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的換流單元由若干個MMC串聯或并聯組成。
3.根據權利要求I所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的換流單元由若干條MMC支路并聯組成，所述的MMC支路由若干個MMC串聯組成。
4.根據權利要求2或3所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的MMC通過換流變壓器與交流電網連接。
5.根據權利要求I所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的換流器的正負端均連接有平波電抗器。
6.根據權利要求4所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的換流變壓器的接線方式為Ytl/Λ或1/Υ。
7.根據權利要求4所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的MMC為三相六橋臂結構；其中，每個橋臂均由若干個換流模塊串聯組成，每個橋臂均通過電抗器與換流變壓器對應的相端口連接。
8.根據權利要求7所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的換流模塊為HBSM。
9.根據權利要求8所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的HBSM由兩個開關管Tl Τ2和一個電容C構成；其中，開關管Tl的輸出端與開關管Τ2的輸入端相連并構成HBSM的一端,開關管Tl的輸入端和電容C的一端相連,開關管Τ2的輸出端與電容C的另一端相連并構成HBSM的另一端；所述的開關管的控制端接收外部設備提供的開關信號。
10.根據權利要求9所述的基于雙極式結構的直流換流站，其特征在于所述的開關管為 IGBT。
全文摘要
本發明公開了一種基于雙極式結構的直流換流站，由兩個換流單元串聯構成，其串聯接點通過中性母線接地，換流單元由多個MMC串并聯構成。本發明通過采用雙極結構形式，直流故障時只影響故障的一極，而對健全極幾乎沒有影響，從而提高了系統可靠性；同時本發明采用了中性母線引出接地，易于系統分期建設和增容擴建，先投運單極再投運雙極，有利于早日發揮投資效益；同時中性母線通過接地極引線接地為在單極大地回線運行方式下的系統提供電流回流通路，平衡運行時接地電流很小。
文檔編號H02J1/06GK102938560SQ20121040146
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者徐政, 薛英林, 唐庚, 劉昇, 張哲任 申請人:浙江大學