双极柔性直流输电系统及其换流站的制作方法

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种双极柔性直流输电系统及其换流站。

背景技术：

柔性直流输电技术是一种新型直流输电技术，合理的控制保护策略决定了柔性直流输电系统安全稳定运行。它的灵活应用性能使其在城市电网互联、清洁能源并网以及孤岛供电等领域有着广阔的应用前景。

为了实现大容量功率输送的要求，需要增加子模块数量以提高其电压等级，但过多子模块级联，使阀控设备控制难度增加，因此采用双极结构形式，在减少单个换流单元子模块级联数目的同时，达到同样的传输功率成为一种可行选择。

直流侧短路故障是目前双极柔性直流输电技术所面对的主要问题之一。当双极柔性直流输电系统直流侧发生故障时，由于其特殊的拓扑结构，将产生非常大的短路电流。该短路电流流过换流器，使得换流器的电流应力增大，甚至造成换流器的损坏，同时也严重威胁了故障线路中相关设备的安全。

技术实现要素：

本发明的实施例提供一种双极柔性直流输电系统及其换流站，可抑制双极柔性直流输电系统直流侧发生故障时产生的短路电流。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，提供一种用于双极柔性直流输电系统的换流站，包括正极性换流部分和负极性换流部分；所述正极性换流部分包括第一换流器；所述负极性换流部分包括第二换流器；所述换流站还包括限流模块；所述限流模块包括电抗器，所述电抗器串联在中性母线上。

优选的，所述限流模块还包括一个避雷器；所述避雷器的一端与所述中性母线连接，另一端接地；其中，所述避雷器设置在换流器的低电压端与所述电抗器之间。

优选的，所述限流模块包括两个避雷器；其中一个所述避雷器的一端与所述第一换流器的低压端连接，另一端接地；另一个所述避雷器的一端与所述第二换流器的低压端连接，另一端接地。

优选的，所述电抗器包括至少一个子电抗器；其中，当所述电抗器包括多个子电抗器时，多个子电抗器以串联和/或并联方式设置。

基于上述优选的，所述第一换流器和所述第二换流器均包括多个阀组件；每个阀组件均包括绝缘栅双极型晶体管换流阀。

另一方面，提供一种双极柔性直流输电系统，包括送电端换流站和受电端换流站；所述送电端换流站和/或所述受电端换流站为上述的换流站。

进一步优选的，所述送电端换流站和所述受电端换流站均为所述换流站；所述送电端换流站为交流转直流换流站；所述受电端换流站为直流转交流换流站。

进一步优选的，第一换流器和第二换流器的交流端与换流变压器连接；所述送电端换流站中正极性换流部分的第一换流器高压端与所述受电端换流站中正极性换流部分的所述第一换流器高压端、所述送电端换流站中负极性换流部分的第二换流器高压端与所述受电端换流站中负极性换流部分的所述第二换流器高压端通过双极性高压直流输电线连接。

本发明提供一种双极柔性直流输电系统及其换流站，通过设置包括电抗器的限流模块，当所述换流站的直流侧出现故障发生短路时，流过电抗器的电流突然增大，而根据电抗器的特性，其会产生反向电流来限制突然增大的电流，因而可抑制所述换流站直流侧的短路电流，保证了换流站中的换流器以及线路上的相关设备的安全性。在此基础上，仅通过一个限流模块同时减小正极性换流部分和负极性换流部分直流侧的短路电流，降低了所述换流站的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站的拓扑示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站中限流模块的拓扑示意图一；

图3为本发明实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站中限流模块的拓扑示意图二；

图4为本发明实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站中限流模块的拓扑示意图三；

图5为本发明实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站中限流模块的拓扑示意图四；

图6为本发明实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站中限流模块的拓扑示意图五；

图7为本发明实施例提供的一种双极柔性直流输电系统的拓扑示意图。

附图说明：

01-送电端换流站；02-受电端换流站；100-正极性换流部分；110-第一换流器；111-第一换流器低压端；112-第一换流器高压端；200-负极性换流部分；210-第二换流器；211-第二换流器低压端；212-第二换流器高压端；300-限流模块；310-电抗器；311-子电抗器；320-避雷器；400-中性母线；500-换相电抗器；600-换流变压器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种用于双极柔性直流输电系统的换流站，包括正极性换流部分100和负极性换流部分200；正极性换流部分100包括第一换流器110；负极性换流部分200包括第二换流器210；所述换流站还包括限流模块300；限流模块300包括电抗器310，电抗器310串联在中性母线400上。

其中，限流模块300用于当正极性换流部分100或负极性换流部分200直流侧出现故障，造成所述换流站直流侧短路时，降低短路电流。

需要说明的是，第一，第一换流器110和第二换流器210可用于将交流电转换为直流电，也可用于将直流电转换为交流电。

不管第一换流器110和第二换流器210用于将交流电转换为直流电，还是将直流电转换为交流电，第一换流器高压端112和第二换流器高压端212都是分别连接正高压直流输电线和负高压直流输电线。

第二，不对第一换流器110和第二换流器210内部具体的结构进行限定，只要根据需要，能将交流电转换为直流电，或将直流电转换为交流电即可。

第三，电抗器310的具体参数可根据其所应用的具体换流站进行设定，只要保证在发生直流侧短路时，换流站中的器件不被破坏即可。

本发明实施例提供一种换流站，通过设置包括电抗器310的限流模块300，当所述换流站的直流侧出现故障发生短路时，流过电抗器310的电流突然增大，而根据电抗器310的特性，其会产生反向电流来限制突然增大的电流，因而可抑制所述换流站直流侧的短路电流，保证了换流站中的换流器以及线路上的相关设备的安全性。在此基础上，仅通过一个限流模块300同时减小正极性换流部分100和负极性换流部分200直流侧的短路电流，降低了所述换流站的成本。

考虑到当正极性换流部分100的直流侧出现短路故障时，第一换流器高压端112与第一换流器低压端111连通，导致第一换流器低压端111的电压突增；或者，当负极性换流部分200的直流侧出现短路故障时，第二换流器高压端212与第二换流器低压端211连通，导致第二换流器低压端211的电压突增。在此情况下，为了避免所述换流站中的器件被破坏，需要所述换流站第一换流器低压端111和第二换流器低压端211的对地绝缘水平较高，从而导致第一换流器110和第二换流器210成本的提高。基于此，优选的，如图2所示，限流模块300还包括一个避雷器320；避雷器320的一端与中性母线400连接，另一端接地；其中，避雷器320设置在换流器的低电压端与电抗器310之间。

需要说明的是，本领域技术人员应该知道，避雷器320可以降低线路中的电压和电流，保护电器设备免受高瞬态过电压的危害。

本发明实施例中，通过使限流模块300还包括避雷器320，在所述换流站的直流侧发生短路故障，且当第一换流器低压端111的电压或第二换流器低压端211的电压升至避雷器320的保护电压水平时，避雷器320工作，使短路回路中的部分电流通过避雷器320流入大地，从而降低了电抗器310的电流应力，也可以提高第一换流器低压端111和第二换流器低压端211的对地绝缘水平，进而可降低对第一换流器低压端111和第二换流器低压端211的对地绝缘水平的要求。

或者，优选的，如图3所示，所述限流模块300包括两个避雷器320；其中一个避雷器320的一端与第一换流器低压端111连接，另一端接地；另一个避雷器320的一端与第二换流器低压端211连接，另一端接地。

本发明实施例分别在第一换流器低压端111和第二换流器低压端211连接一个避雷器320，可以更好的降低第一换流器低压端111和第二换流器低压端211的对地绝缘水平以及电抗器310的电流应力。

相对采用更大开断能力的直流断路器及其相应设备，由于高压电、大容量的直流断路器仍处于研制阶段，暂时无法直接应用于工程中，且其制作成本高昂，因此限制了其在直流工程中的实际应用；或者，相对采用传统的限流器设备，但是传统的限流器设备在发生故障后需要断开线路，影响系统的潮流分布和稳定性；或者相对采用基于载流隔离器的快速故障电流限制器，发生故障后不需要断开线路，故障结束后电流可从旁路开关继续流通，不影响系统正常运行下的潮流分布，但是其设备复杂，制造成本较高。本发明实施例由于限流模块300最多包括电抗器310和避雷器320，使得所述换流站的拓扑不含大功率电力电子器件，造价相对低廉，体积较小，实现简单且性能优异，因而易于实际应用推广。

由于金属氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester，MOA)具有动作响应快、可耐多重雷电过电压或操作过电压、能量吸收能力大、耐污秽性能好等优点，因此，优选的，避雷器320为金属氧化物避雷器。

优选的，电抗器310包括至少一个子电抗器311；其中，当电抗器310包括多个子电抗器311时，多子电抗器311以串联和/或并联方式设置。

以电抗器310包括两个子电抗器311为例，如图4所示，电抗器310中的两个子电抗器311串联连接。或者，如图5所示，电抗器310中的两个子电抗器311并联连接。

以电抗器310包括三个子电抗器311为例，如图6所示，电抗器310中其中两个子电抗器311并联连接，并与另一个子电抗器311串联连接。

需要说明的是，将多个子电抗器311采用串和/或并联的方式设置具有很多种情况，图4-6只是分别给出了三种设置方式中的一种情况。

本发明实施例采用多个子电抗器311串和/或并联组合的方式限制短路电流，可以降低每个子电抗器311的参数，从而可降低成本。

考虑到绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是开通、关断均可控的全控型器件，IGBT换流阀对输电系统的控制更加灵活，可控制无功功率而使换流站无需庞大的无功补偿装置，而且IGBT换流阀的开关频率相对较高，使换流站的输出电压谐波量较小，从而使应用IGBT换流阀的换流站安装的滤波装置的容量大大减小。基于此，优选的，第一换流器110和第二换流器210均包括多个阀组件；每个阀组件均包括绝缘栅双极型晶体管换流阀。

本发明实施例还提供一种双极柔性直流输电系统，如图7所示，包括送电端换流站01和受电端换流站02；送电端换流站01和/或受电端换流站02为前述任一实施例的换流站。

需要说明的是，图7以送电端换流站01和受电端换流站02均为前述任一实施例的换流站进行示意。

本发明实施例通过在双极柔性直流输电系统的换流站中设置包括电抗器310的限流模块300，当所述换流站的直流侧出现故障发生短路时，流过电抗器310的电流突然增大，而根据电抗器310的特性，其会产生反向电流来限制突然增大的电流，因而可抑制所述换流站直流侧的短路电流，保证了换流站中的换流器以及线路上的相关设备的安全性。在此基础上，仅通过一个限流模块300同时减小正极性换流部分100和负极性换流部分200直流侧的短路电流，降低了所述换流站的成本。

进一步优选的，如图7所示，送电端换流站01和受电端换流站02均为本发明实施例前述任一实施例的换流站；送电端换流站01为交流转直流换流站；受电端换流站02为直流转交流换流站。

其中，当所述换流站为送电端换流站01时，第一换流器110和第二换流器210用于将交流电变为线路输电能力强、损耗小的直流电；当所述换流站为送电端换流站01时，第一换流器110和第二换流器210用于将接收到的直流电转化为可大面积输电的交流电。

本发明实施例使所述双极柔性输电系统的送电端换流站01和受电端换流站02均包括限流模块300，可以保证当所述双极柔性输电系统的直流侧出现故障发生短路时，送电端换流站01和受电端换流站02的线路中的短路电流均被抑制，从而保护线路中的元器件不被破坏。

进一步优选的，如图7所示，第一换流器110和第二换流器210的交流端与换流变压器600连接；送电端换流站01中正极性换流部分100的第一换流器高压端112与受电端换流站02中正极性换流部分100的第一换流器高压端112、送电端换流站01中负极性换流部分200的第二换流器高压端212与受电端换流站02中负极性换流部分200的第二换流器高压端212通过双极性高压直流输电线连接。

其中，所述双极柔性直流输电系统还包括换相电抗器500、换流变压器600、以及交流系统。

换相电抗器500与第一换流器110、第二换流器210的交流端连接，用以减小电力半导体器件换相时对交流系统波形的影响，以及限制交流侧的短路电流。

换流变压器600通过换相电抗器500与第一换流器110、第二换流器210的交流端连接。

需要说明的是，第一换流器110和第二换流器210的交流端与换流变压器600连接，即送电端换流站01和受电端换流站02的第一换流器110和第二换流器210的交流端均与换流变压器600连接。

本发明实施例通过将第一换流器110和第二换流器210的交流端与换流变压器600连接，一方面，可实现交流电网与直流电网之间的连接；另一方面，可以实现电压的变换，使送电端换流站01直流侧电压或受电端换流站02的交流侧电压符合其额定电压及容许电压偏移。在此基础上，通过双极性高压直流输电线连接送电端换流站01和受电端换流站02，可提高线路传输能力，降低线路传输过程中的功耗。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。