雙極柔性直流輸電系統及其換流站的制作方法

本發明涉及電力技術領域，尤其涉及一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站。

背景技術：

柔性直流輸電技術是一種新型直流輸電技術，合理的控制保護策略決定了柔性直流輸電系統安全穩定運行。它的靈活應用性能使其在城市電網互聯、清潔能源并網以及孤島供電等領域有著廣闊的應用前景。

為了實現大容量功率輸送的要求，需要增加子模塊數量以提高其電壓等級，但過多子模塊級聯，使閥控設備控制難度增加，因此采用雙極結構形式，在減少單個換流單元子模塊級聯數目的同時，達到同樣的傳輸功率成為一種可行選擇。

直流側短路故障是目前雙極柔性直流輸電技術所面對的主要問題之一。當雙極柔性直流輸電系統直流側發生故障時，由于其特殊的拓撲結構，將產生非常大的短路電流。該短路電流流過換流器，使得換流器的電流應力增大，甚至造成換流器的損壞，同時也嚴重威脅了故障線路中相關設備的安全。

技術實現要素：

本發明的實施例提供一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站，可抑制雙極柔性直流輸電系統直流側發生故障時產生的短路電流。

為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：

一方面，提供一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站，包括正極性換流部分和負極性換流部分；所述正極性換流部分包括第一換流器；所述負極性換流部分包括第二換流器；所述換流站還包括限流模塊；所述限流模塊包括電抗器，所述電抗器串聯在中性母線上。

優選的，所述限流模塊還包括一個避雷器；所述避雷器的一端與所述中性母線連接，另一端接地；其中，所述避雷器設置在換流器的低電壓端與所述電抗器之間。

優選的，所述限流模塊包括兩個避雷器；其中一個所述避雷器的一端與所述第一換流器的低壓端連接，另一端接地；另一個所述避雷器的一端與所述第二換流器的低壓端連接，另一端接地。

優選的，所述電抗器包括至少一個子電抗器；其中，當所述電抗器包括多個子電抗器時，多個子電抗器以串聯和/或并聯方式設置。

基于上述優選的，所述第一換流器和所述第二換流器均包括多個閥組件；每個閥組件均包括絕緣柵雙極型晶體管換流閥。

另一方面，提供一種雙極柔性直流輸電系統，包括送電端換流站和受電端換流站；所述送電端換流站和/或所述受電端換流站為上述的換流站。

進一步優選的，所述送電端換流站和所述受電端換流站均為所述換流站；所述送電端換流站為交流轉直流換流站；所述受電端換流站為直流轉交流換流站。

進一步優選的，第一換流器和第二換流器的交流端與換流變壓器連接；所述送電端換流站中正極性換流部分的第一換流器高壓端與所述受電端換流站中正極性換流部分的所述第一換流器高壓端、所述送電端換流站中負極性換流部分的第二換流器高壓端與所述受電端換流站中負極性換流部分的所述第二換流器高壓端通過雙極性高壓直流輸電線連接。

本發明提供一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站，通過設置包括電抗器的限流模塊，當所述換流站的直流側出現故障發生短路時，流過電抗器的電流突然增大，而根據電抗器的特性，其會產生反向電流來限制突然增大的電流，因而可抑制所述換流站直流側的短路電流，保證了換流站中的換流器以及線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，僅通過一個限流模塊同時減小正極性換流部分和負極性換流部分直流側的短路電流，降低了所述換流站的成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站的拓撲示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中限流模塊的拓撲示意圖一；

圖3為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中限流模塊的拓撲示意圖二；

圖4為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中限流模塊的拓撲示意圖三；

圖5為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中限流模塊的拓撲示意圖四；

圖6為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中限流模塊的拓撲示意圖五；

圖7為本發明實施例提供的一種雙極柔性直流輸電系統的拓撲示意圖。

附圖說明：

01-送電端換流站；02-受電端換流站；100-正極性換流部分；110-第一換流器；111-第一換流器低壓端；112-第一換流器高壓端；200-負極性換流部分；210-第二換流器；211-第二換流器低壓端；212-第二換流器高壓端；300-限流模塊；310-電抗器；311-子電抗器；320-避雷器；400-中性母線；500-換相電抗器；600-換流變壓器。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明實施例提供一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站，包括正極性換流部分100和負極性換流部分200；正極性換流部分100包括第一換流器110；負極性換流部分200包括第二換流器210；所述換流站還包括限流模塊300；限流模塊300包括電抗器310，電抗器310串聯在中性母線400上。

其中，限流模塊300用于當正極性換流部分100或負極性換流部分200直流側出現故障，造成所述換流站直流側短路時，降低短路電流。

需要說明的是，第一，第一換流器110和第二換流器210可用于將交流電轉換為直流電，也可用于將直流電轉換為交流電。

不管第一換流器110和第二換流器210用于將交流電轉換為直流電，還是將直流電轉換為交流電，第一換流器高壓端112和第二換流器高壓端212都是分別連接正高壓直流輸電線和負高壓直流輸電線。

第二，不對第一換流器110和第二換流器210內部具體的結構進行限定，只要根據需要，能將交流電轉換為直流電，或將直流電轉換為交流電即可。

第三，電抗器310的具體參數可根據其所應用的具體換流站進行設定，只要保證在發生直流側短路時，換流站中的器件不被破壞即可。

本發明實施例提供一種換流站，通過設置包括電抗器310的限流模塊300，當所述換流站的直流側出現故障發生短路時，流過電抗器310的電流突然增大，而根據電抗器310的特性，其會產生反向電流來限制突然增大的電流，因而可抑制所述換流站直流側的短路電流，保證了換流站中的換流器以及線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，僅通過一個限流模塊300同時減小正極性換流部分100和負極性換流部分200直流側的短路電流，降低了所述換流站的成本。

考慮到當正極性換流部分100的直流側出現短路故障時，第一換流器高壓端112與第一換流器低壓端111連通，導致第一換流器低壓端111的電壓突增；或者，當負極性換流部分200的直流側出現短路故障時，第二換流器高壓端212與第二換流器低壓端211連通，導致第二換流器低壓端211的電壓突增。在此情況下，為了避免所述換流站中的器件被破壞，需要所述換流站第一換流器低壓端111和第二換流器低壓端211的對地絕緣水平較高，從而導致第一換流器110和第二換流器210成本的提高。基于此，優選的，如圖2所示，限流模塊300還包括一個避雷器320；避雷器320的一端與中性母線400連接，另一端接地；其中，避雷器320設置在換流器的低電壓端與電抗器310之間。

需要說明的是，本領域技術人員應該知道，避雷器320可以降低線路中的電壓和電流，保護電器設備免受高瞬態過電壓的危害。

本發明實施例中，通過使限流模塊300還包括避雷器320，在所述換流站的直流側發生短路故障，且當第一換流器低壓端111的電壓或第二換流器低壓端211的電壓升至避雷器320的保護電壓水平時，避雷器320工作，使短路回路中的部分電流通過避雷器320流入大地，從而降低了電抗器310的電流應力，也可以提高第一換流器低壓端111和第二換流器低壓端211的對地絕緣水平，進而可降低對第一換流器低壓端111和第二換流器低壓端211的對地絕緣水平的要求。

或者，優選的，如圖3所示，所述限流模塊300包括兩個避雷器320；其中一個避雷器320的一端與第一換流器低壓端111連接，另一端接地；另一個避雷器320的一端與第二換流器低壓端211連接，另一端接地。

本發明實施例分別在第一換流器低壓端111和第二換流器低壓端211連接一個避雷器320，可以更好的降低第一換流器低壓端111和第二換流器低壓端211的對地絕緣水平以及電抗器310的電流應力。

相對采用更大開斷能力的直流斷路器及其相應設備，由于高壓電、大容量的直流斷路器仍處于研制階段，暫時無法直接應用于工程中，且其制作成本高昂，因此限制了其在直流工程中的實際應用；或者，相對采用傳統的限流器設備，但是傳統的限流器設備在發生故障后需要斷開線路，影響系統的潮流分布和穩定性；或者相對采用基于載流隔離器的快速故障電流限制器，發生故障后不需要斷開線路，故障結束后電流可從旁路開關繼續流通，不影響系統正常運行下的潮流分布，但是其設備復雜，制造成本較高。本發明實施例由于限流模塊300最多包括電抗器310和避雷器320，使得所述換流站的拓撲不含大功率電力電子器件，造價相對低廉，體積較小，實現簡單且性能優異，因而易于實際應用推廣。

由于金屬氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester，MOA)具有動作響應快、可耐多重雷電過電壓或操作過電壓、能量吸收能力大、耐污穢性能好等優點，因此，優選的，避雷器320為金屬氧化物避雷器。

優選的，電抗器310包括至少一個子電抗器311；其中，當電抗器310包括多個子電抗器311時，多子電抗器311以串聯和/或并聯方式設置。

以電抗器310包括兩個子電抗器311為例，如圖4所示，電抗器310中的兩個子電抗器311串聯連接。或者，如圖5所示，電抗器310中的兩個子電抗器311并聯連接。

以電抗器310包括三個子電抗器311為例，如圖6所示，電抗器310中其中兩個子電抗器311并聯連接，并與另一個子電抗器311串聯連接。

需要說明的是，將多個子電抗器311采用串和/或并聯的方式設置具有很多種情況，圖4-6只是分別給出了三種設置方式中的一種情況。

本發明實施例采用多個子電抗器311串和/或并聯組合的方式限制短路電流，可以降低每個子電抗器311的參數，從而可降低成本。

考慮到絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是開通、關斷均可控的全控型器件，IGBT換流閥對輸電系統的控制更加靈活，可控制無功功率而使換流站無需龐大的無功補償裝置，而且IGBT換流閥的開關頻率相對較高，使換流站的輸出電壓諧波量較小，從而使應用IGBT換流閥的換流站安裝的濾波裝置的容量大大減小。基于此，優選的，第一換流器110和第二換流器210均包括多個閥組件；每個閥組件均包括絕緣柵雙極型晶體管換流閥。

本發明實施例還提供一種雙極柔性直流輸電系統，如圖7所示，包括送電端換流站01和受電端換流站02；送電端換流站01和/或受電端換流站02為前述任一實施例的換流站。

需要說明的是，圖7以送電端換流站01和受電端換流站02均為前述任一實施例的換流站進行示意。

本發明實施例通過在雙極柔性直流輸電系統的換流站中設置包括電抗器310的限流模塊300，當所述換流站的直流側出現故障發生短路時，流過電抗器310的電流突然增大，而根據電抗器310的特性，其會產生反向電流來限制突然增大的電流，因而可抑制所述換流站直流側的短路電流，保證了換流站中的換流器以及線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，僅通過一個限流模塊300同時減小正極性換流部分100和負極性換流部分200直流側的短路電流，降低了所述換流站的成本。

進一步優選的，如圖7所示，送電端換流站01和受電端換流站02均為本發明實施例前述任一實施例的換流站；送電端換流站01為交流轉直流換流站；受電端換流站02為直流轉交流換流站。

其中，當所述換流站為送電端換流站01時，第一換流器110和第二換流器210用于將交流電變為線路輸電能力強、損耗小的直流電；當所述換流站為送電端換流站01時，第一換流器110和第二換流器210用于將接收到的直流電轉化為可大面積輸電的交流電。

本發明實施例使所述雙極柔性輸電系統的送電端換流站01和受電端換流站02均包括限流模塊300，可以保證當所述雙極柔性輸電系統的直流側出現故障發生短路時，送電端換流站01和受電端換流站02的線路中的短路電流均被抑制，從而保護線路中的元器件不被破壞。

進一步優選的，如圖7所示，第一換流器110和第二換流器210的交流端與換流變壓器600連接；送電端換流站01中正極性換流部分100的第一換流器高壓端112與受電端換流站02中正極性換流部分100的第一換流器高壓端112、送電端換流站01中負極性換流部分200的第二換流器高壓端212與受電端換流站02中負極性換流部分200的第二換流器高壓端212通過雙極性高壓直流輸電線連接。

其中，所述雙極柔性直流輸電系統還包括換相電抗器500、換流變壓器600、以及交流系統。

換相電抗器500與第一換流器110、第二換流器210的交流端連接，用以減小電力半導體器件換相時對交流系統波形的影響，以及限制交流側的短路電流。

換流變壓器600通過換相電抗器500與第一換流器110、第二換流器210的交流端連接。

需要說明的是，第一換流器110和第二換流器210的交流端與換流變壓器600連接，即送電端換流站01和受電端換流站02的第一換流器110和第二換流器210的交流端均與換流變壓器600連接。

本發明實施例通過將第一換流器110和第二換流器210的交流端與換流變壓器600連接，一方面，可實現交流電網與直流電網之間的連接；另一方面，可以實現電壓的變換，使送電端換流站01直流側電壓或受電端換流站02的交流側電壓符合其額定電壓及容許電壓偏移。在此基礎上，通過雙極性高壓直流輸電線連接送電端換流站01和受電端換流站02，可提高線路傳輸能力，降低線路傳輸過程中的功耗。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。