雙極柔性直流輸電系統及其換流站、換流站的控制方法與流程

本發明涉及電子技術領域，尤其涉及一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站、換流站的控制方法。

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。

由于雷擊、接地、山火等造成的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，使得換流閥的電流應力增大，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、換流站的控制方法，可以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：

第一方面，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和第一限流模塊；所述負極性換流部分包括第二換流器和第二限流模塊。

所述第一限流模塊包括第一限流電阻器，所述第一限流電阻器的一端與所述第一換流器的低壓端連接，另一端與中性母線連接；所述第一限流模塊還包括與所述第一限流電阻器并聯的第一旁路開關。

所述第二限流模塊包括第二限流電阻器，所述第二限流電阻器的一端與所述第二換流器的低壓端連接，另一端與中性母線連接；所述第二限流模塊還包括與所述第二限流電阻器并聯的第二旁路開關。

優選的，所述第一限流模塊還包括第一避雷器，所述第一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；和/或，所述第二限流模塊還包括第二避雷器，所述第二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，所述第一限流電阻器包括至少一個第一子限流電阻器；其中，當所述第一限流電阻器包括至少兩個第一子限流電阻器時，至少兩個第一子限流電阻器以串聯和/或并聯方式設置；和/或，所述第二限流電阻器包括至少一個第二子限流電阻器；其中，當所述第二限流電阻器包括至少兩個第二子限流電阻器時，至少兩個第二子限流電阻器以串聯和/或并聯方式設置。

第二方面，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；所述換流站還包括第三限流模塊；所述第三限流模塊包括第三限流電阻器，所述第三限流電阻器串聯在中性母線上；所述第三限流模塊還包括與所述第三限流電阻器并聯的第三旁路開關。

優選的，所述第三限流模塊還包括一個第三避雷器；所述第三避雷器的一端與所述中性母線連接，另一端接地；其中，所述第三避雷器設置在換流器的低壓端與所述第三限流電阻器之間。

優選的，所述第三限流模塊包括兩個第三避雷器；其中一個所述第三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；另一個所述第三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，所述第三限流電阻器包括至少一個第三子限流電阻器；其中，當所述第三限流電阻器包括至少兩個第三子限流電阻器時，至少兩個第三子限流電阻器以串聯和/或并聯方式設置。

第三方面，提供一種雙極柔性直流輸電系統，包括送電端換流站和/或受電端換流站；所述送電端換流站和/或所述受電端換流站為第一方面或第二方面所述的換流站。

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。

第四方面，提供一種如第一方面或第二方面所述的換流站的控制方法，包括：當發生直流短路時，控制旁路開關打開；否則，控制旁路開關關閉。

本發明實施例提供一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站、換流站的控制方法，通過在換流站中設置限流模塊，并使限流模塊包括限流電阻器和與其并聯的旁路開關，當所述換流站的正極性換流部分或負極性換流部分發生直流側短路故障時，通過打開發生故障的換流部分的旁路開關，使得短路電流可流過發生故障的換流部分的限流電阻器，因而可抑制短路回路中的電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于所述換流站的工作電流非常大，當所述換流站正常工作，或者短路回路中的電流值降低到正常范圍內時，通過閉合發生故障的換流部分的旁路開關，可避免限流模塊中各器件長時間在大電流下運行而被損壞。

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換流站的拓撲示意圖一；

圖2為本發明實施例提供的一種換流站的拓撲示意圖二；

圖3(a)為本發明實施例提供的一種限流電阻器的拓撲示意圖一；

圖3(b)為本發明實施例提供的一種限流電阻器的拓撲示意圖二；

圖4為本發明實施例提供的一種換流站的拓撲示意圖三；

圖5為本發明實施例提供的一種換流站的拓撲示意圖四；

圖6為本發明實施例提供的一種換流站的拓撲示意圖五；

圖7為本發明實施例提供的一種限流電阻器的拓撲示意圖三；

圖8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。

附圖標記：

01-送電端換流站；02-受電端換流站；11-第一換流器；12-第二換流器；21-第一限流模塊；22-第二限流模塊；23-第三限流模塊；31-第一限流電阻器；301-第一子限流電阻器；32-第二限流電阻器；302-第二子限流電阻器；33-第三限流電阻器；303-第三子限流電阻器；41-第一旁路開關；42-第二旁路開關；43-第三旁路開關；51-第一避雷器；52-第二避雷器；53-第三避雷器；100-正極性換流部分；200-負極性換流部分；300-中性母線。

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，如圖1所示，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11和第一限流模塊21；負極性換流部分200包括第二換流器12和第二限流模塊22。

第一限流模塊21包括第一限流電阻器31，第一限流電阻器31的一端與第一換流器11的低壓端連接，另一端與中性母線300連接；第一限流模塊21還包括與第一限流電阻器31并聯的第一旁路開關41。

第二限流模塊22包括第二限流電阻器32，第二限流電阻器32的一端與第二換流器12的低壓端連接，另一端與中性母線300連接；第二限流模塊22還包括與第二限流電阻器32并聯的第二旁路開關42。

其中，第一限流模塊21的工作原理為：當正極性換流部分100正常工作時，第一旁路開關41閉合；當正極性換流部分100發生直流側短路故障時，第一旁路開關41打開，第一限流電阻器31用于抑制正極性短路回路中的短路電流；當正極性短路回路中的電流降低到正常范圍內時，第一旁路開關41閉合。

第二限流模塊22的工作原理為：當負極性換流部分200正常工作時，第二旁路開關42閉合；當負極性換流部分200發生直流側短路故障時，第二旁路開關42打開，第二限流電阻器32用于抑制負極性短路回路中的短路電流；當負極性短路回路中的電流值降低到正常范圍內時，第二旁路開關42閉合。

對于限流電阻器(包括第一限流電阻器31和第二限流電阻器32)的工作原理，本領域技術人員應該知道，當限流電阻器串聯于電路中時，用以限制所在支路電流的大小，以防止電流過大燒壞電路中的元器件。

需要說明的是，第一，所述換流站直流側的短路故障程度不同，所述換流站的工作方式不同。

示例的，當正極性換流部分100發生直流側短路故障時，第一限流電阻器31使短路回路中的電流值降低到正常范圍內，在此基礎上，若正極性換流部分100直流側短路故障不可恢復，系統將正極性換流部分100閉鎖，所述換流站通過負極性換流部分200進行單極運行；若正極性換流部分100直流側短路故障可以恢復，則不影響雙極柔性直流輸電系統的正常工作。

當負極性換流部分200發生直流側短路故障時，第二限流電阻器32使短路回路中的電流值降低到正常范圍內，在此基礎上，若負極性換流部分200直流側短路故障不可恢復，系統將負極性換流部分200閉鎖，所述換流站通過正極性換流部分100進行單極運行；若負極性換流部分200直流側短路故障可以恢復，則不影響雙極柔性直流輸電系統的正常工作。

第二，第一換流器11和第二換流器12均包括多個絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡稱IGBT)換流閥，每個IGBT換流閥由若干個閥組件構成。

第三，第一換流器11和第二換流器12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11和第二換流器12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11的高壓端和第二換流器12的高壓端都是分別連接正高壓直流輸電線和負高壓直流輸電線。

第四，第一限流電阻器31和第二限流電阻器32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，換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備不被破壞即可。

本發明實施例提供一種換流站，通過在正極性換流部分100設置第一限流模塊21，在負極性換流部分200設置第二限流模塊22，并使第一限流模塊21包括第一限流電阻器31和與第一限流電阻器31并聯的第一旁路開關41，使第二限流模塊22包括第二限流電阻器32和與第二限流電阻器32并聯的第二旁路開關42，當所述換流站的正極性換流部分100或負極性換流部分200發生直流側短路故障時，通過打開發生故障的換流部分的旁路開關，使得短路電流可流過發生故障的換流部分的限流電阻器，因而可抑制短路回路中的電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于所述換流站的工作電流非常大，當所述換流站正常工作，或者短路回路中的電流值降低到正常范圍內時，通過閉合發生故障的換流部分的旁路開關，可避免第一限流模塊21和第二限流模塊22中各器件長時間在大電流下運行而被損壞。

此外，由于第一限流模塊21和第二限流模塊22獨立設置，可以在所述換流站的故障只發生在正極性換流部分100或負極性換流部分200其中一極時，可保證另一極不發生明顯變化，即，對正常工作極的影響較小。

優選的，如圖2所示，第一限流模塊21還包括第一避雷器51，第一避雷器51的一端與第一換流器11的低壓端連接，另一端接地。和/或，第二限流模塊22還包括第二避雷器52，第二避雷器52的一端與第二換流器12的低壓端連接，另一端接地。

需要說明的是，第一，圖2以第一限流模塊21和第二限流模塊22均包括避雷器為例進行示意，但本發明實施例并不限于此，可以僅使第一限流模塊21包括第一避雷器51，或者僅使第二限流模塊22包括第二避雷器52。

第二，本領域技術人員應該知道，避雷器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，通過在第一限流模塊21中設置第一避雷器51，當所述換流站的正極性換流部分100發生直流側短路故障，且當第一換流器11低壓端的電壓升至第一避雷器51的保護電壓水平時，第一避雷器51工作，使短路回路中的部分電流通過第一避雷器51流入大地，從而降低了第一限流電阻器31的電流應力，也可以降低第一換流器11低壓端的過電壓水平，保護故障線路中的換流器及其他相關設備免受電流過高而被損壞。通過在第二限流模塊22中設置第二避雷器52，當所述換流站的負極性換流部分200發生直流側短路故障，且當第二換流器12低壓端的電壓升至第二避雷器52的保護電壓水平時，第二避雷器52工作，使短路回路中的部分電流通過第二避雷器52流入大地，從而降低了第二限流電阻器32的電流應力，同時也可以降低第二換流器12低壓端的過電壓水平，保護故障線路中的換流器及其他相關設備免受電流過高而被損壞。

此外，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。本發明實施例由于第一限流模塊21最多包括第一限流電阻器31、第一旁路開關41和第一避雷器51，第二限流模塊22最多包括第二限流電阻器32、第二旁路開關42和第二避雷器52，使得所述換流站的拓撲不含大功率電力電子開關器件，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。

優選的，如圖3(a)所示，第一限流電阻器31包括至少一個第一子限流電阻器301；其中，當第一限流電阻器31包括至少兩個第一子限流電阻器301時，至少兩個第一子限流電阻器301以串聯和/或并聯方式設置；和/或，如圖3(b)所示，第二限流電阻器32包括至少一個第二子限流電阻器302；其中，當第二限流電阻器32包括至少兩個第二子限流電阻器302時，至少兩個第二子限流電阻器302以串聯和/或并聯方式設置。

本發明實施例中，由于相較于參數值較小的限流電阻器，參數值較大的限流電阻器成本更高，通過將至少兩個第一子限流電阻器301以串聯和/或并聯方式設置，將至少兩個第二子限流電阻器302以串聯和/或并聯方式設置，可以減小限流電阻器所需的參數值，從而容易得到需要的限流電阻器，其成本相對較低。

本發明實施例還提供一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站，如圖4所示，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11；負極性換流部分200包括第二換流器12；所述換流站還包括第三限流模塊23；第三限流模塊23包括第三限流電阻器33，第三限流電阻器33串聯在中性母線300上；第三限流模塊23還包括與第三限流電阻器33并聯的第三旁路開關43。

第三限流模塊23的工作原理為：當正極性換流部分100和負極性換流部分200正常工作時，第三旁路開關43閉合；當正極性換流部分100或負極性換流部分200發生直流側短路故障時，第三旁路開關43打開，第三限流電阻器33用于抑制短路回路中的短路電流；當短路回路中的電流降低到正常范圍內時，第三旁路開關43閉合。

本發明實施例提供一種換流站，通過在所述換流站設置第三限流模塊23，并使第三限流模塊23包括第三限流電阻器33和與第三限流電阻器33并聯的第三旁路開關43，當所述換流站的正極性換流部分100或負極性換流部分200發生直流側短路故障時，打開第三旁路開關43，使得短路電流可流過第三限流電阻器33，因而可抑制短路回路中的電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于所述換流站的工作電流非常大，當所述換流站正常工作，或者短路回路中的電流值降低到正常范圍內時，通過閉合第三旁路開關43，避免第三限流模塊23中各器件長時間在大電流下運行而被損壞。

優選的，如圖5所示，第三限流模塊23還包括一個第三避雷器53；第三避雷器53的一端與中性母線300連接，另一端接地；其中，第三避雷器53設置在換流器的低壓端與第三限流電阻器33之間。

或者，優選的，如圖6所示，第三限流模塊23包括兩個第三避雷器53；其中一個第三避雷器53的一端與第一換流器11的低壓端連接，另一端接地；另一個第三避雷器53的一端與第二換流器12的低壓端連接，另一端接地。

本發明實施例中，通過在第三限流模塊23中設置第三避雷器53，當所述換流站的正極性換流部分100或負極性換流部分200發生直流側短路故障，且當第一換流器11或第二換流器12低壓端的電壓升至第三避雷器53的保護電壓水平時，第三避雷器53工作，使短路回路中的部分電流通過第三避雷器53流入大地，從而降低了第三限流電阻器33的電流應力，同時也可以降低第一換流器11或第二換流器12低壓端的過電壓水平，保護故障線路中的換流器及其他相關設備免受電流過高而被損壞。此外，由于第三限流模塊23最多包括第三限流電阻器33、第三旁路開關43和第三避雷器53，使得所述換流站的拓撲不含大功率電力電子開關器件，造價相對低廉，體積較小，實現簡單且性能優異，易于實際應用推廣。

優選的，如圖7所示，第三限流電阻器33包括至少一個第三子限流電阻器303；其中，當第三限流電阻器33包括至少兩個第三子限流電阻器303時，至少兩個第三子限流電阻器303以串聯和/或并聯方式設置。

本發明實施例中，由于相較于參數值較小的限流電阻器，參數值較大的限流電阻器成本更高，通過將至少兩個第三子限流電阻器303以串聯和/或并聯方式設置，可以減小限流電阻器所需的參數值，從而容易得到需要的限流電阻器，其成本相對較低。

本發明實施例還提供一種雙極柔性直流輸電系統，如圖8所示，所述雙極柔性直流輸電系統包括送電端換流站01和/或受電端換流站02；送電端換流站01和/或受電端換流站02為本發明前述任一實施例的換流站。

其中，送電端換流站01用于將交流電壓經第一換流器11和第二換流器12整流為線路輸電能力強、損耗小的直流電壓，并傳送到受電端換流站02；受電端換流站02用于將第一換流器11和第二換流器12接收到的直流電壓轉化為可大面積輸電的交流電壓。

此外，所述雙極柔性直流輸電系統還包括交流系統、換流變壓器、以及換相電抗器等。

換流變壓器的一端與交流系統連接，另一端通過換相電抗器與第一換流器11、第二換流器12的交流端連接，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。

換相電抗器的一端與換流變壓器連接，另一端與第一換流器11、第二換流器12的交流端連接。

基于此，第一換流器11和第二換流器12的交流端可與換流變壓器及換相電抗器連接；送電端換流站01中正極性換流部分100的第一換流器11的高壓端與受電端換流站02中正極性換流部分100的第一換流器11的高壓端、送電端換流站01中負極性換流部分200的第二換流器12的高壓端與受電端換流站02中負極性換流部分200的第二換流器12的高壓端通過雙極性高壓直流輸電線連接。

本發明實施例通過在所述雙極柔性直流輸電系統的換流站中設置限流模塊，并使限流模塊包括限流電阻器和與其并聯的旁路開關，當所述換流站的正極性換流部分100或負極性換流部分200發生直流側短路故障時，通過打開發生故障的換流部分的旁路開關，使得短路電流可流過發生故障的換流部分的限流電阻器，因而可抑制短路回路中的電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于所述換流站的工作電流非常大，當所述換流站正常工作，或者短路回路中的電流值降低到正常范圍內時，通過閉合發生故障的換流部分的旁路開關，可避免限流模塊中各器件長時間在大電流下運行而被損壞。

優選的，送電端換流站01和受電端換流站02均為本發明前述任一實施例的所述換流站。

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均為本發明前述任一實施例的換流站，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的正極性換流部分100和負極性換流部分200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損壞。

本發明實施例還提供一種如本發明前述任一實施例的換流站的控制方法，當發生直流短路時，控制旁路開關打開；否則，控制旁路開關關閉。

需要說明的是，所述雙極柔性直流輸電系統中的自動控制保護裝置可以根據邏輯判斷發出信號，從而控制旁路開關的狀態。

此外，當所述換流站中的正極性換流部分100或負極性換流部分200直流側短路故障不可恢復時，也可以通過所述雙極柔性直流輸電系統中的自動控制保護裝置自動控制正極性換流部分100或負極性換流部分200閉鎖。

本發明實施例中，當所述換流站出現直流側短路故障時，自動打開旁路開關，能更快速地抑制短路回路中的電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。當所述換流站正常工作，或者短路回路中的電流值降低到正常范圍內時，自動閉合旁路開關，避免限流模塊中各器件長時間在大電流下運行而被損壞。

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。