混合直流输电拓扑系统

摘要

本发明涉及一种混合直流输电拓扑系统，包括整流侧换流站和连接整流侧换流站的逆变侧换流站，整流侧换流站包括整流侧换流变压器和电网换相换流器，逆变侧换流站包括采用全桥子模块拓扑或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，以及连接模块化多电平换流器的逆变侧换流变压器。该混合直流输电拓扑系统可以在传统直流输电系统的基础上，通过将逆变侧电网换相型换流器替换为采用全桥子模块拓扑或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，将传统直流输电系统改造为柔性直流换流站，从而形成混合直流拓扑。通过在传统的直流输电系统的基础上进行改造的方式，能够充分利用被改造端的传统直流输电一次设备，减小额外采购设备的数量，缩短改造工期，降低成本。

权利要求

1.一种混合直流输电拓扑系统，其特征在于，包括整流侧换流站和连接所述整流侧换流站的逆变侧换流站，所述整流侧换流站包括整流侧换流变压器和电网换相换流器，所述电网换相换流器连接所述整流侧换流变压器和所述逆变侧换流站；所述整流侧换流变压器接入交流电进行变压处理后输出至所述电网换相换流器，所述电网换相换流器对变压处理后的交流电进行整流得到直流电输送至所述逆变侧换流站；

所述逆变侧换流站包括采用全桥子模块拓扑，或者采用全桥子模块拓扑和半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，以及连接所述模块化多电平换流器的逆变侧换流变压器，所述模块化多电平换流器连接所述电网换相换流器，对所述电网换相换流器输送的直流电进行转换得到交流电并输送至所述逆变侧换流变压器，所述逆变侧换流变压器对接收的交流电进行变压处理后输出。

2.根据权利要求1所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述电网换相换流器为由半控型功率半导体组成的十二脉动桥式换流器，且每个所述十二脉动桥式换流器由两个六脉动桥式换流器串联构成。

3.根据权利要求2所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述半控型功率半导体为晶闸管。

4.根据权利要求1所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述全桥子模块拓扑为由可关断的全控型功率半导体以及储能电容组成且可输出正电平、负电平和零电平的拓扑结构，所述半桥子模块拓扑为由可关断的全控型功率半导体以及储能电容组成且可输出正电平和零电平的拓扑结构。

5.根据权利要求4所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述可关断的全控型功率半导体包括绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、可关断晶闸管、电力场效应管、电子注入增强栅晶体管、门极换流晶闸管和碳化硅增强型结型场效应晶体管中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述整流侧换流变压器和所述逆变侧换流变压器均为双绕组变压器。

7.根据权利要求1所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述整流侧换流变压器和所述逆变侧换流变压器均为三绕组变压器。

8.根据权利要求1所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，还包括直流架空线，所述电网换相换流器通过所述直流架空线与所述模块化多电平换流器连接。

9.根据权利要求8所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述逆变侧换流站还包括交流穿墙套管和直流穿墙套管，所述模块化多电平换流器通过所述交流穿墙套管与所述逆变侧换流变压器连接，所述模块化多电平换流器通过所述直流穿墙套管与所述直流架空线连接。

10.根据权利要求1所述的混合直流输电拓扑系统，其特征在于，所述整流侧换流站还包括连接所述电网换相换流器的整流侧接地极，所述逆变侧换流站还包括连接所述块化多电平换流器的逆变侧接地极。

说明书

混合直流输电拓扑系统

技术领域

[0001] 本发明涉及直流输电系统技术领域，特别是涉及一种混合直流输电拓扑系统。

背景技术

[0002] 目前直流输电系统主要有基于电网换相技术的传统直流输电系统(LCC-HVDC)和基于电压源型换流器的柔性直流输电系统(VSC-HVDC)。传统直流输电系统输送容量大、成本低，但存在逆变侧易换相失败，对交流系统的依赖性强等缺点。而柔性直流输电系统能够独立调节有功功率和无功功率，具有优越的可控性和灵活性，可有效解决受端电网就地电源支撑相对不足、电压稳定薄弱等问题，然而柔性直流成本较高，且损耗相对较高。因此结合传统直流输电和柔性直流输电优势的混合直流输电具有工程应用前景。

[0003] 柔性直流和传统直流在电路结构和工作原理上存在较大差异，从而导致其交流场和直流场的一次设备也有很大不同。传统的混合直流输电拓扑柔性直流端一次设备采用柔性直流输电系统的原则进行设计，从而仍然具有柔性直流成本较高，且损耗相对较高的缺点。

发明内容

[0004] 基于此，有必要针对上述问题，提供一种成本低的混合直流输电拓扑系统。

[0005] 一种混合直流输电拓扑系统，包括整流侧换流站和连接所述整流侧换流站的逆变侧换流站，

[0006] 所述整流侧换流站包括整流侧换流变压器和电网换相换流器，所述电网换相换流器连接所述整流侧换流变压器和所述逆变侧换流站；所述整流侧换流变压器接入交流电进行变压处理后输出至所述电网换相换流器，所述电网换相换流器对变压处理后的交流电进行整流得到直流电输送至所述逆变侧换流站；

[0007] 所述逆变侧换流站包括采用全桥子模块拓扑或采用全桥子模块拓扑和半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，以及连接所述模块化多电平换流器的逆变侧换流变压器，所述模块化多电平换流器连接所述电网换相换流器，对所述电网换相换流器输送的直流电进行转换得到交流电并输送至所述逆变侧换流变压器，所述逆变侧换流变压器对接收的交流电进行变压处理后输出。

[0008] 上述混合直流输电拓扑系统，包括整流侧换流站和连接整流侧换流站的逆变侧换流站，整流侧换流站包括整流侧换流变压器和电网换相换流器，逆变侧换流站包括采用全桥子模块拓扑或采用全桥子模块拓扑和半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，以及连接模块化多电平换流器的逆变侧换流变压器。该混合直流输电拓扑系统可以在传统直流输电系统的基础上，通过将逆变侧电网换相型换流器替换为采用全桥子模块拓扑或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，保留传统直流输电系统逆变侧换流变压器，将传统直流输电系统改造为柔性直流换流站，从而形成混合直流拓扑。通过在传统的直流输电系统的基础上进行改造的方式，能够充分利用被改造端的传统直流输电一次设备，减小额外采购设备的数量，缩短改造工期，降低成本。

附图说明

[0009] 图1为一实施例中混合直流输电拓扑系统的结构图；

[0010] 图2为一实施例中混合直流输电拓扑系统的示意图；

[0011] 图3为另一实施例中混合直流输电拓扑系统的示意图；

[0012] 图4为又一实施例中混合直流输电拓扑系统的示意图；

[0013] 图5为又一实施例中混合直流输电拓扑系统的示意图；

[0014] 图6为一实施例中模块化多电平换流器的示意图；

[0015] 图7为一实施例中全桥子模块的示意图；

[0016] 图8为一实施例中半桥子模块的示意图。

具体实施方式

[0017] 一种混合直流输电拓扑系统，如图1所示，包括整流侧换流站100和连接整流侧换流站100的逆变侧换流站200。

[0018] 整流侧换流站100包括整流侧换流变压器110和电网换相换流器120，电网换相换流器120连接整流侧换流变压器110和逆变侧换流站200。整流侧换流变压器110接入交流电进行变压处理后输出至电网换相换流器120，电网换相换流器120对变压处理后的交流电进行整流得到直流电输送至逆变侧换流站200。

[0019] 逆变侧换流站200包括采用全桥子模块拓扑或或采用全桥子模块拓扑和半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器210，以及连接模块化多电平换流器210的逆变侧换流变压器220，即本实施例中模块化多电平换流器210可采用全桥子模块拓扑结构，或者采用全桥子模块拓扑和半桥子模块拓扑混合结构。模块化多电平换流器210连接电网换相换流器120，对电网换相换流器120输送的直流电进行转换得到交流电并输送至逆变侧换流变压器
220，逆变侧换流变压器220对接收的交流电进行变压处理后输出。

[0020] 通过对直流输电系统进行改造，将逆变侧电网换相型换流器替换为模块化多电平换流器210，从而将传统直流换流站改造为柔性直流换流站，节省建设混合直流输电系统的成本。本实施例中直流输电系统是采用双极结构的架空线直流输电系统，电压等级既可以是超高压，也可以是特高压。具体地，逆变侧换流站200每一极由两个或者多个模块化多电平换流器210组成，能够降低对柔性直流换流器通流能力的要求，降低柔性直流换流器的制造难度和制造成本。

[0021] 在其中一个实施例中，如图2所示，电网换相换流器120为由半控型功率半导体组成的十二脉动桥式换流器，且每个十二脉动桥式换流器由两个六脉动桥式换流器串联构成。采用十二脉动桥式换流器可以简化滤波装置，节省换流站造价。本实施例中半控型功率半导体具体为晶闸管，操作简单、可靠性高且成本低。可以理解，在其他实施例中，电网换相换流器120也可以是其他类型的换流器，且具体的组成器件也可不同。

[0022] 在其中一个实施例中，继续参照图2，模块化多电平换流器210的全桥子模块拓扑为由可关断的全控型功率半导体以及储能电容组成且可输出正电平、负电平、零电平的拓扑结构，提高模块化多电平换流器210的稳定性和适用性。模块化多电平换流器210的半桥子模块拓扑为由可关断的全控型功率半导体以及储能电容组成且可输出正电平和零电平的拓扑结构。模块化多电平换流器210的全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合为模块化多电平换流器210一个桥臂内既有一定数量的全桥子模块，又有一定数量的半桥子模块的拓扑结构，降低模块化多电平换流器210的造价和成本。将逆变侧电网换相型换流器替换为模块化多电平换流器210，是指将每一个六脉动桥式换流器替换为一个模块化多电平换流器210。本实施例中可关断的全控型功率半导体包括绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、可关断晶闸管、电力场效应管、电子注入增强栅晶体管、门极换流晶闸管和碳化硅增强型结型场效应晶体管中的至少一种。可根据实际情况选取具体的类型，适用性高。

[0023] 在其中一个实施例中，混合直流输电拓扑系统还包括直流架空线300，电网换相换流器120通过直流架空线300与模块化多电平换流器210连接。通过直流架空线300传输直流电，结构简单、线路造价低、走廊利用率高、运行损耗小、维护便利以及满足大容量、长距离输电要求。

[0024] 进一步地，逆变侧换流站200还包括交流穿墙套管和直流穿墙套管，模块化多电平换流器210通过交流穿墙套管与逆变侧换流变压器220连接，通过直流穿墙套管与直流架空线300连接。此外，整流侧换流站100还包括连接电网换相换流器120的整流侧接地极，逆变侧换流站200还包括连接块化多电平换流器210的逆变侧接地极。通过对逆变侧的改造，将逆变侧换流站200的电网换相换流器替换为模块化多电平换流器210，保留模块化多电平换流器210与逆变侧换流变压器220的连接方式不变，保留模块化多电平换流器210与接地极的连接方式不变。

[0025] 在其中一个实施例中，如图2和图4所示，整流侧换流变压器110和逆变侧换流变压器220均为双绕组变压器。在另一实施例中，如图3和图5所示，整流侧换流变压器110和逆变侧换流变压器220也可均为三绕组变压器。

[0026] 具体地，图2所示的混合直流输电拓扑系统采用三绕组换流变压器，直流输电电压等级为超高压。整流侧换流站100的每一极由一个十二脉动桥式换流器构成。每一个十二脉动桥式换流器由两个六脉动桥式换流器串联构成，两个六脉动桥式换流器通过交流侧的三绕组变压器与交流系统联接。通过将逆变侧换流站200的六脉动桥式换流器替换为采用全桥子模块或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器210，将逆变侧换流站200改造为柔性直流换流站，从而实现混合直流输电拓扑。逆变侧换流站200的逆变侧换流变压器220予以保留，模块化多电平换流器210与逆变侧换流变压器220联接的穿墙套管予以保留，模块化多电平换流器210与直流架空线300联接的穿墙套管予以保留，接地极予以保留。其他交直流场一次设备根据具体实施实例予以拆除或保留。

[0027] 图3所示的混合直流输电拓扑系统采用双绕组换流变压器，直流输电电压等级为超高压。整流侧换流站100的每一极由一个十二脉动桥式换流器构成。每一个十二脉动桥式换流器由两个六脉动桥式换流器串联构成，两个六脉动桥式换流器通过交流侧的双绕组变压器与交流系统联接。通过将逆变侧换流站200的六脉动桥式换流器替换为采用全桥子模块或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器210，将逆变侧换流站200的改造为柔性直流换流站，从而实现混合直流输电拓扑。逆变侧换流站200的逆变侧换流变压器220予以保留，模块化多电平换流器210与逆变侧换流变压器220联接的穿墙套管予以保留，模块化多电平换流器210与直流架空线300联接的穿墙套管予以保留，接地极予以保留。其他交直流场一次设备根据具体实施实例予以拆除或保留。

[0028] 图4所示的混合直流输电拓扑系统采用三绕组换流变压器与交流系统联接，直流输电电压等级为特高压。整流侧换流站100的每一极由两个十二脉动桥式换流器串联构成。每一个十二脉动桥式换流器由两个六脉动桥式换流器串联构成，两个六脉动桥式换流器通过交流侧的三绕组变压器与交流系统联接。通过将逆变侧换流站200的六脉动桥式换流器替换为采用全桥子模块或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器
210，将逆变侧换流站200改造为柔性直流换流站，从而实现混合直流输电拓扑。逆变侧换流站200的逆变侧换流变压器220予以保留，模块化多电平换流器210与逆变侧换流变压器220联接的穿墙套管予以保留，模块化多电平换流器210与直流架空线300联接的穿墙套管予以保留，接地极予以保留。其他交直流场一次设备根据具体实施实例予以拆除或保留。

[0029] 图5所示的混合直流输电拓扑系统采用双绕组换流变压器，直流输电电压等级为特高压。整流侧换流站100的每一极由两个十二脉动桥式换流器串联构成。每一个十二脉动桥式换流器由两个六脉动桥式换流器串联构成，两个六脉动桥式换流器通过交流侧的双绕组变压器与交流系统联接。通过将逆变侧换流站200的六脉动桥式换流器替换为采用全桥子模块或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器210，将逆变侧换流站200改造为柔性直流换流站，从而实现混合直流输电拓扑。逆变侧换流站200的逆变侧换流变压器220予以保留，模块化多电平换流器210与逆变侧换流变压器220联接的穿墙套管予以保留，模块化多电平换流器210与直流架空线300联接的穿墙套管予以保留，接地极予以保留。其他交直流场一次设备根据具体实施实例予以拆除或保留。

[0030] 图6所示为一实施例中逆变侧模块化多电平换流器的示意图。模块化多电平换流器210每一相可以分上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块和与子模块串联的桥臂电感组成。子模块结构可以全部采用全桥型，或者部分采用全桥型，部分采用半桥型。全桥型子模块结构如图7所示，主要包括一个储能电容器、四个全控型功率半导体和四个反并联二极管构成的全桥电路。每个子模块可以输出+Uc、0、-Uc三种电平。半桥型子模块结构如图8所示，主要包括一个储能电容器、两个全控型功率半导体和两个反并联二极管构成的半桥电路。每个子模块可以输出+Uc和0两种电平。通过控制模块化多电平换流器210中输出-Uc电平子模块的数量，可以实现模块化多电平换流器210直流侧和交流侧的四象限运行，使得改造前后模块化多电平换流器210输出的直流电压大小和交流电压大小保持不变，实现充分利用传统直流输电一次设备的目的。

[0031] 上述混合直流输电拓扑系统，可以在传统直流输电系统的基础上，通过将逆变侧电网换相型换流器替换为采用全桥子模块拓扑或全桥子模块拓扑与半桥子模块拓扑混合的模块化多电平换流器，将传统直流输电系统改造为柔性直流换流站，从而形成混合直流拓扑。通过在传统的直流输电系统的基础上进行改造的方式，能够充分利用被改造端的传统直流输电一次设备，减小额外采购设备的数量，缩短改造工期，降低成本。

[0032] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0033] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。