采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统

摘要

本发明涉及本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统。该输电系统采用三极接线形式，每极接线包括导线及导线两端分别连接的换流器；所述换流器包括电压源换流器和电流源换流器。本发明结合电压源型换流器可控性强和电流源型换流器容量大、成本低的优点，设计一种兼顾灵活性和经济性的混合型输电系统。该种输电系统利用电压源换流器和双向晶闸管换流器电流双向导通能力，配合开关切换装置，很好的解决了交流线路改造成直流线路的导线利用率和无功补偿等问题，为解决大型城市负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

权利要求

1.采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，其特征在于，所述输电系统采用三极接线形式，每极接线包括导线及导线两端分别连接的换流器；所述换流器包括电压源换流器和电流源换流器；

所述三条导线采用三相交流架空线路或电缆，对应于所述输电系统的第1极导线、第2极导线和第3极导线；

所述输电系统包括下述两种结构方案：

一种结构方案如下：其中一极接线包括第1极导线和电流源换流器；另一极接线包括第2极导线和电流源换流器；第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；

另一种结构方案如下：其中一极接线包括第1极导线和电压源换流器；另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；第三极接线包括第3极导线和电流源换流器。

2.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，所述一种结构方案中，所述一极接线包括第1极导线和电流源换流器；所述第1极导线两端对称设置有电流源换流器；

另一极接线包括第2极导线和电流源换流器；所述第2极导线两端对称设置有电流源换流器；所述电流源换流器采用单向晶闸管；

第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；所述第3极导线两端对称设置有开关切换装置和电压源换流器；

所述第3极导线两端通过开关切换装置分别与电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地；或所述第3极导线两端分别通过开关切换装置与电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地。

3.如权利要求2所述的输电系统，其特征在于，所述第1极导线及第1极导线两端对称设置的电流源换流器与第2极导线及第2极导线两端对称设置的电流源换流器构成双极高压直流输电接线形式；所述第1极导线、第2极导线和第3极导线的公共接地点连接。

4.如权利要求2所述的输电系统，其特征在于，所述开关切换装置用于实现第3极导线电压极性的反转；其采用机械开关、晶闸管开关、基于可关断器件的开关或机械开关与晶闸管开关的组合。

5.如权利要求1所述的输电系统，其特征在于，所述另一种结构方案中，所述一极接线包括第1极导线和电压源换流器；所述第1极导线两端对称设置有电压源换流器；所述第1极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地；

另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；所述第2极导线两端对称设置有电压源换流器；所述第2极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地；

第三极接线包括第3极导线和电流源换流器；所述第3极导线两端对称设置有电流源换流器。

6.如权利要求5所述的输电系统，其特征在于，所述电流源换流器为双向反并联的晶闸管；所述第1极导线、第2极导线和第3极导线的接地点连接。

7.如权利要求1-6中任一项所述的输电系统，其特征在于，所述电流源换流器采用基于晶闸管半控型电力电子开关器件的换流器；所述电压源换流器采用基于可关断电力电子器件的电压源型AC-DC或DC-AC换流器；

其中首端的电流源换流器和电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；

其中末端的电流源换流器和电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。

8.如权利要求7所述的输电系统，其特征在于，所述第1极导线和第2极导线的电压和电流极性恒定，所述第3极导线实现电压极性的反转。

说明书

采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统。

背景技术

[0002] 新增输电走廊面临越来越多的经济与环保限制，尤其是大型城市中心区域，增加传统架空输电线路不符合城市规划要求，同时新增地下电缆也受到多方限制。将交流线路改造为直流运行不仅能够消除了交流系统对功率潮流的限制，而且输电容量也将增大。面对新增输电走廊越来越困难、负荷水平日益增长的矛盾，将现有交流线路转换为直流运行，在免去新建输电走廊的同时提升电能输送能力，为上述问题提供了经济有效的解决方案。

[0003] 针对交流线路直流转换的研究近年来得到国内外研究机构的一致关注。针对如何充分利用数目为奇数的三相交流线路的输电能力的问题，有文献提出了几种解决方案。Barthold提出一种将三相交流线路改造为三极直流输电的方案，通过极3采用双向晶闸管实现电流双向导通，周期性分担其他两极的电流以最大化输电能力，但与传统高压直流输电HVDC一样不可避免的需要配备大量无功补偿设备。ABB公司提出一种将三相交流线路改造为柔性直流输电的方案，采用一个额外相支路将第三极导线周期性的连接到第一极导线或第二极导线，从而利用第三极导线传导电流，但不能实现线路损耗在三条导线之间的均匀分配。随着负荷的增大，该方案第1极和第2极导线首先达到热稳定极限，无法充分利用第3极导线的热稳定极限。

[0004] 若单纯以输电为目的，传统高压直流输电HVDC以其输电容量大、技术成熟而被大规模采用，但由于晶闸管为半控型器件，需要大量的无功补偿与滤波装置，导致高压直流输电HVDC技术用于系统互联时存在固有局限。基于IGBT等全控型器件的电压源换流器可控性更强，能够实现对有功和无功快速独立地控制，并可用于向无源网络供电、事故后快速恢复供电和黑启动等场合，但容量相对较小，换流器成本较高。因此有必要探寻兼顾经济型与灵活性的新型交流线路直流转换方案。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，结合电压源型换流器可控性强和电流源型换流器容量大、成本低的优点，设计一种兼顾灵活性和经济性的混合型输电系统。该种输电系统利用电压源换流器和双向晶闸管换流器电流双向导通能力，配合开关切换装置，很好的解决了交流线路改造成直流线路的导线利用率和无功补偿等问题，为解决大型城市负荷日益增长与新建线路日趋困难的矛盾具有重要意义。

[0006] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

[0007] 采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，其改进之处在于，所述输电系统采用三极接线形式，每极接线包括导线及导线两端分别连接的换流器；所述换流器包括电压源换流器和电流源换流器。

[0008] 优选的，所述三条导线采用三相交流架空线路或电缆，对应于所述输电系统的第1极导线、第2极导线和第3极导线。

[0009] 优选的，所述输电系统包括下述两种结构方案：

[0010] 一种结构方案如下：其中一极接线包括第1极导线和电流源换流器；另一极接线包括第2极导线和电流源换流器；第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；

[0011] 另一种结构方案如下：其中一极接线包括第1极导线和电压源换流器；另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；第三极接线包括第3极导线和电流源换流器。

[0012] 较优选的，所述一种结构方案中，所述一极接线包括第1极导线和电流源换流器；所述第1极导线两端对称设置有电流源换流器；

[0013] 另一极接线包括第2极导线和电流源换流器；所述第2极导线两端对称设置有电流源换流器；所述电流源换流器采用单向晶闸管；

[0014] 第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；所述第3极导线两端对称设置有开关切换装置和电压源换流器；

[0015] 所述第3极导线两端通过开关切换装置分别与电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地；或

[0016] 所述第3极导线两端分别通过开关切换装置与电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地。

[0017] 较优选的，所述第1极导线及第1极导线两端对称设置的电流源换流器与第2极导线及第2极导线两端对称设置的电流源换流器构成双极高压直流输电接线形式；所述第1极导线、第2极导线和第3极导线的公共接地点连接。

[0018] 较优选的，所述开关切换装置用于实现第3极导线电压极性的反转；其采用机械开关、晶闸管开关、基于可关断器件的开关或机械开关与晶闸管开关的组合。

[0019] 较优选的，所述另一种结构方案中，所述一极接线包括第1极导线和电压源换流器；所述第1极导线两端对称设置有电压源换流器；所述第1极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容正极连接；所述直流钳位电容负极接地；

[0020] 另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；所述第2极导线两端对称设置有电压源换流器；所述第2极导线两端分别与所述电压源换流器的直流钳位电容负极连接；所述直流钳位电容正极接地；

[0021] 第三极接线包括第3极导线和电流源换流器；所述第3极导线两端对称设置有电流源换流器。

[0022] 较优选的，所述电流源换流器为双向反并联的晶闸管；所述第1极导线、第2极导线和第3极导线的接地点连接。

[0023] 较优选的，所述电流源换流器采用基于晶闸管半控型电力电子开关器件的换流器；所述电压源换流器采用基于可关断电力电子器件的电压源型AC-DC或DC-AC换流器；

[0024] 其中首端的电流源换流器和电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；

[0025] 其中末端的电流源换流器和电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。

[0026] 较优选的，所述第1极导线和第2极导线的电压和电流极性恒定，所述第3极导线实现电压极性的反转。

[0027] 与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

[0028] 本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，能够很好的解决三相交流线路，尤其单回三相交流线路改造为直流输电后的导线利用率问题。采用该种结构能最大化三条导线的传输功率，同时直流电流在三根导线之间流动，不与大地构成通路。该输电系统结构将结合采用晶闸管换流器和电压源换流器配合使用以降低换流站成本，对无功补偿设备的需求降低，并具备提供动态无功支撑的能力。该种采用混合型AC-DC换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统结构可以应用于三相交流架空线路或三相交流电缆输电系统直流改造等场合，并增加系统运行的经济性、灵活性和可靠性。

附图说明

[0029] 图1是本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构图；

[0030] 图2是本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构方案1示意图；

[0031] 图3是本发明提供的开关切换装置功能示意图；

[0032] 图4是本发明提供的开关切换装置一种实施方案图；

[0033] 图5是本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构方案2示意图。

[0034] 图6是本发明提供的输电系统各极导线电流、电压变化示意图；

[0035] 图7是本发明提供的输电系统各极导线功率变化示意图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0037] 本发明采用采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构图如图1所示，图1是本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构图，输电系统采用三极接线形式，每极接线包括导线及导线两端分别连接的换流器；换流器包括电压源换流器和电流源换流器。输电系统两端各采用三台AC-DC或DC-AC换流器，三台换流器直流侧的一端共地连接，另一端分别与三条输电线路相连。该输电系统通过周期性的改变各极直流电流的大小或方向使电流在三极导线上均匀分配，使导线的整体利用率达到最高。

[0038] 输电系统包括下述两种结构方案：

[0039] 一种结构方案如下：其中一极接线包括第1极导线和电流源换流器；另一极接线包括第2极导线和电流源换流器；第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；

[0040] 一极接线包括第1极导线和电流源换流器；第1极导线两端对称设置有电流源换流器；

[0041] 另一极接线包括第2极导线和电流源换流器；第2极导线两端对称设置有电流源换流器；电流源换流器采用单向晶闸管；

[0042] 第三极接线包括第3极导线、开关切换装置和电压源换流器；第3极导线两端对称设置有开关切换装置和电压源换流器；第3极导线两端通过开关切换装置分别与电压源换流器的直流钳位电容正极连接；直流钳位电容负极接地；或

[0043] 第3极导线两端分别通过开关切换装置与电压源换流器的直流钳位电容负极连接；直流钳位电容正极接地。

[0044] 第1极导线及第1极导线两端对称设置的电流源换流器与第2极导线及第2极导线两端对称设置的电流源换流器构成双极高压直流输电接线形式；第1极导线、第2极导线和第3极导线的公共接地点连接。开关切换装置用于实现第3极导线电压极性的反转；其采用机械开关、晶闸管开关、基于可关断器件的开关或机械开关与晶闸管开关的组合。

[0045] 另一种结构方案如下：其中一极接线包括第1极导线和电压源换流器；另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；第三极接线包括第3极导线和电流源换流器；

[0046] 一极接线包括第1极导线和电压源换流器；第1极导线两端对称设置有电压源换流器；第1极导线两端分别与电压源换流器的直流钳位电容正极连接；直流钳位电容负极接地；

[0047] 另一极接线包括第2极导线和电压源换流器；第2极导线两端对称设置有电压源换流器；第2极导线两端分别与电压源换流器的直流钳位电容负极连接；直流钳位电容正极接地；

[0048] 第三极接线包括第3极导线和电流源换流器；第3极导线两端对称设置有电流源换流器。

[0049] 电流源换流器为双向反并联的晶闸管；第1极导线、第2极导线和第3极导线的接地点连接。

[0050] 电流源换流器采用基于晶闸管半控型电力电子开关器件的换流器；电压源换流器采用基于可关断电力电子器件的电压源型AC-DC或DC-AC换流器；其中首端的电流源换流器和电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线；其中末端的电流源换流器和电压源换流器的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统的同一母线，或不同母线。

[0051] 第1极导线和第2极导线的电压和电流极性恒定，所述第3极导线实现电压极性的反转。

[0052] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0053] 实施例1

[0054] 本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构方案1如图2所示，该输电系统包括三条输电导线L1、L2、L3，两台开关切换装置，四台电流源型换流器CSC1、CSC1’、CSC2、CSC2’，两台电压源换流器VSC3、VSC3’，电压源换流器的直流钳位电容C3、C3’，以及交流系统1、交流系统2。

[0055] 导线L1的两端与CSC1，CSC1’的正极相连，导线L2的两端与CSC2，CSC2’的负极相连，导线L3的两端连接开关切换装置，进而与直流钳位电容C3、C3’的正极或负极相连。公共接地点连接到CSC1，CSC1’的负极，CSC2，CSC2’的正极，并通过开关切换装置与直流钳位电容C3、C3’的正极或负极连接。

[0056] 其中首端的电流源换流器CSC1、CSC2以及电压源换流器VSC3的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统1的同一母线，或不同母线；

[0057] 其中末端的电流源换流器CSC1’、CSC2’以及电压源换流器VSC3’的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统2的同一母线，或不同母线。

[0058] 开关切换装置位于第3极导线L2的两端，可采用机械开关，晶闸管开关或机械开关与晶闸管开关的组合。开关切换装置的功能示意图如图3所示，双向开关SW1，SW1’可同时将节点1与节点3连接，节点2与节点4连接，实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的正极与导线L3相连，C3、C3’的负极接地，导线L3电压极性为正；或同时将节点1与节点4’连接，节点2与节点3’连接，实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的负极与导线L3相连，C3、C3’的正极接地，导线L3电压极性为负。

[0059] 开关切换装置的一种实施方案如图4所示，每台开关切换装置包含两组采用晶闸管开关两侧并联高速机械开关的复合开关SW1、SW1’与SW2、SW2’。SW1、SW1’导通可同时将节点1与节点3连接，节点2与节点4连接，即实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的正极与导线L3相连，C3、C3’的负极接地。SW2、SW2’导通可同时将节点1与节点4连接，节点2与节点3连接，即实现图1所示直流钳位电容C3、C3’的正极接地，C3、C3’的负极与导线L3相连。

[0060] 实施例2

[0061] 本发明提供的采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统结构方案2如图5所示，该输电系统包括三条输电导线L1、L2、L3，四台电压源型换流器VSC1、VSC1’、VSC2、VSC2’，电压源换流器的直流钳位电容C1、C1’、C2、C2’，两台如采用双向晶闸管开关的电流源换流器CSC3、CSC3’，以及交流系统1、交流系统2。

[0062] 导线L1的两端与直流钳位电容C1、C1’的正极相连，导线L2的两端与直流钳位电容C2、C2’的负极相连，导线L3的两端与CSC3、CSC3’相连。公共接地点连接到C1、C1’的负极，C2、C2’的正极，CSC3、CSC3’的接地极。

[0063] 其中首端的电流源换流器CSC3以及电压源换流器VSC1、VSC1的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统1的同一母线，或不同母线；

[0064] 其中末端的电流源换流器CSC3’以及电压源换流器VSC1’、VSC2’的交流侧分别通过换流变压器或电抗器并联接入交流系统2的同一母线，或不同母线。

[0065] 本发明采用混合型AC-DC换流技术提高三相交流线路传输能力的输电系统的工作原理如下：

[0066] 本发明提供的输电系统各极导线电流、电压变化示意图如图6所示。通过周期性改变3个极电流的大小，能够在发热限制相同的条件下增大直流系统的输送功率。通过周期性改变第3极电压和电流的极性，实现第1极、第2极电流的周期性分担。第1极、第2极电流的大小在Imax和Imin之间周期性变化，但方向不变；第3极的电流大小不变（Imax-Imin），但方向周期性变化。

[0067] 第1极、第2极、第3极发热限制相同，设其热稳定极限电流为IN=1.0pu。为使第3极达到其发热限制，则需满足式①：

[0068] Imax-Imin＝IN＝1.0pu ①；

[0069] 导线L1、L2的电流在最大电流Imax和最小电流Imin之间变化，电流在一个循环周期内的有效值同样要达到其发热限制，以保证三条导线的发热均达到其热稳定极限。具体在图5中表现为2△t时间内，导线L1、L2、L3的电流有效值相等因此需满足式②：

[0070] ②；

[0071] 由式①和式②可得，导线L1、L2的运行电流Imax为1.37IN，Imin为0.37IN。

[0072] 导线L1、L2、L3的功率变化情况如图7所示，其中导线L1、L2的功率以2△t为周期在最大功率Pmax和最小功率Pmin之间变化，平均功率功率为0.87PN。导线L3输送功率维持PN不变，混合型输电系统的总传输功率为2.74PN。

[0073] 本发明提出采用混合换流技术提高交流线路传输能力的输电系统，该结构采用采用三条导线及导线两端基于半控型电力电子器件的电流源换流器和基于IGBT等全控型电力电子器件的电压源换流器构成三极接线形式，直流侧各极共地连接。本发明充分利用第3极换流器电流双向流通能力周期性地改变第3极导线的电压、电流极性，在保证3极直流功率方向不变的前提下，实现第1极、第2极电流的周期性分担。通过适当的控制，可使3极导线电流均达到其发热限制。本发明所述结构中直流电流在三根导线之间流动，不与大地构成通路，避免了高频电磁干扰和大地中金属设备的腐蚀。本发明可以将交流线路的热稳定极限功率提高60%以上。同时，本发明采用混合型AC-DC换流技术，相比完全采用电压源换流器成本降低，同时也具备一定的动态电压支撑能力，从而提高系统运行的经济性、灵活性和可靠性。

[0074] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。