双极柔性直流输电系统及其换流站的制作方法

本实用新型涉及电力技术领域，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：

本实用新型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，本实用新型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和第一限流模块；所述负极性换流部分包括第二换流器和第二限流模块；所述第一限流模块包括第一电抗器；所述第一电抗器的一端与所述第一换流器的低压端连接，另一端与中性母线连接；所述第二限流模块包括第二电抗器；所述第二电抗器的一端与所述第二换流器的低压端连接，另一端与所述中性母线连接。

优选的，所述第一限流模块还包括第一避雷器；所述第一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。

基于上述优选的，所述第二限流模块还包括第二避雷器；所述第二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，所述第一电抗器包括至少一个第一子电抗器；其中，当所述第一电抗器包括多个第一子电抗器时，多个第一子电抗器串联和 /或并联连接；和/或，所述第二电抗器包括至少一个第二子电抗器；其中，当所述第二电抗器包括多个第二子电抗器时，多个第二子电抗器串联和/或并联连接。

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。

本实用新型提供一种双极柔性直流输电系统及其换流站，通过在正极性换流部分中设置包括第一电抗器的第一限流模块，在负极性换流部分中设置包括第二电抗器的第二限流模块，当正极性换流部分或负极性换流部分的直流侧发生短路故障时，发生故障的换流部分的电抗器的电流会突然增大，而根据电抗器的特性，其会产生反向电流来限制电流的突然增大，因而可抑制正极性换流部分或负极性换流部分直流侧的短路电流，保证了换流站中的换流器以及故障线路上的相关设备的安全性。在此基础上，由于第一限流模块和第二限流模块独立设置，可以在所述换流站的故障只发生在正极性换流部分或负极性换流部分其中一极时，可保证另一极不发生明显变化，即，对正常工作极的影响较小。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为本实用新型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为本实用新型实施例提供的一种用于双极柔性直流输电系统的换流站第一限流模块的拓扑示意图；

图3为本实用新型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第二限流模块的拓扑示意图；

图4为本实用新型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第一和第二限流模块的拓扑示意图一；

图5为本实用新型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第一和第二限流模块的拓扑示意图二；

图6为本实用新型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第一和第二限流模块的拓扑示意图三；

图7为本实用新型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第一和第二限流模块的拓扑示意图四；

图8为本实用新型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；120- 第一限流模块；121-第一电抗器；122-第一避雷器；123-第一子电抗器；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；220-第二限流模块；221-第二电抗器；222- 第二避雷器；223-第二子电抗器；300-中性母线；400-换相电抗器； 500-换流变压器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供一种用于双极柔性直流输电系统的换流站，如图1所示，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和第一限流模块120；负极性换流部分200包括第二换流器210和第二限流模块220。

第一限流模块120包括第一电抗器121；第一电抗器121的一端与第一换流器低压端111连接，另一端与中性母线300连接；第二限流模块220包括第二电抗器221；第二电抗器221的一端与第二换流器低压端211连接，另一端与中性母线300连接。

其中，第一限流模块120用于当正极性换流部分100出现故障，即，正极性换流部分100发生直流侧短路时，降低短路电流；第二限流模块220用于当负极性换流部分200出现故障，即，负极性换流部分200发生直流侧短路时，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，第一电抗器121和第二电抗器221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，换流站中的元器件不被破坏即可。

本实用新型实施例提供一种换流站，通过在正极性换流部分100 中设置包括第一电抗器121的第一限流模块120，在负极性换流部分 200中设置包括第二电抗器221的第二限流模块220，当正极性换流部分100或负极性换流部分200的直流侧发生短路故障时，发生故障的换流部分的电抗器的电流会突然增大，而根据电抗器的特性，其会产生反向电流来限制电流的突然增大，因而可抑制正极性换流部分 100或负极性换流部分200直流侧的短路电流，保证了换流站中的换流器以及故障线路上的相关设备的安全性。在此基础上，由于第一限流模块120和第二限流模块220独立设置，可以在所述换流站的故障只发生在正极性换流部分100或负极性换流部分200其中一极时，可保证另一极不发生明显变化，即，对正常工作极的影响较小。

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，从而导致第一换流器低压端111的电压突增，在此情况下，为了避免正极性换流部分100 中的器件被破坏，需要第一换流器低压端111的对地绝缘水平较高，从而导致第一换流器110成本的提高。基于此，优选的，如图2所示，第一限流模块120还包括第一避雷器122；第一避雷器122的一端与第一换流器低压端111连接，另一端接地。

需要说明的是，本领域技术人员应该知道，避雷器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。

本实用新型实施例中，通过使第一限流模块120还包括第一避雷器122，当正极性换流部分100的直流侧发生短路故障，且当第一换流器低压端111的电压升至第一避雷器122的保护电压水平时，第一避雷器122工作，使短路回路中的部分电流通过第一避雷器122流入大地，从而降低了第一电抗器121的电流应力，也可以提高第一换流器低压端111的对地绝缘水平，进而可降低对第一换流器低压端111 的对地绝缘水平的要求。

同理，考虑到当负极性换流部分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，从而导致第二换流器低压端211的电压突增，在此情况下，为了避免负极性换流部分200中的器件被破坏，需要第二换流器低压端211的对地绝缘水平较高，从而导致第二换流器210成本的提高。基于此，优选的，如图 3所示，第二限流模块220还包括第二避雷器222；第二避雷器222 的一端与第二换流器低压端211连接，另一端接地。

本实用新型实施例中，通过使第二限流模块220还包括第二避雷器222，当负极性换流部分200的直流侧发生短路故障，且当第二换流器低压端211的电压升至第二避雷器222的保护电压水平时，第二避雷器222工作，使短路回路中的部分电流通过第二避雷器222流入大地，从而降低了第一电抗器121的电流应力，也可以提高第二换流器低压端211的对地绝缘水平，进而可降低对第二换流器低压端211 的对地绝缘水平的要求。

在上述基础上，如图4所示，优选的，第一限流模块120还包括第一避雷器122；第一避雷器122的一端与第一换流器低压端111连接，另一端接地。第二限流模块220还包括第二避雷器222；第二避雷器222的一端与第二换流器低压端211连接，另一端接地。

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。本实用新型实施例由于第一限流模块120最多包括第一电抗器121和第一避雷器122，第二限流模块220最多包括第二电抗器221和第二避雷器222，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，优选的第一避雷器122和第二避雷器222为金属氧化物避雷器。

优选的，第一电抗器121包括至少一个第一子电抗器123；其中，当所述第一电抗器121包括多个第一子电抗器123时，多个第一子电抗器123串联和/或并联连接；和/或，第二电抗器221包括至少一个第二子电抗器223；其中，当第二电抗器221包括多个第二子电抗器 223时，多个第二子电抗器223串联和/或并联连接。

以第一电抗器121包括两个第一子电抗器123，第二电抗器221 包括两个第二子电抗器223为例，如图5所示，第一电抗器121中的两个第一子电抗器123并联连接，第二电抗器221中的两个第二子电抗器223并联连接。或者，如图6所示，第一电抗器121中的两个第一子电抗器123串联连接，第二电抗器221中的两个第二子电抗器 223串联连接。

以第一电抗器121包括三个第一子电抗器123，第二电抗器221 包括三个第二子电抗器223为例，如图7所示，第一电抗器121中其中两个第一子电抗器123并联连接，并与另一个第一子电抗器123串联连接，第二电抗器221中其中两个第二子电抗器223并联连接，并与另一个第二子电抗器223串联连接。

需要说明的是，将多个子电抗器采用串和/或并联的方式设置具有很多种情况，图5-7只是分别给出了三种设置方式中的一种情况。

本实用新型实施例采用多个第一子电抗器123和多个第二子电抗器223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的相关参数，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IGBT换流阀。

本实用新型实施例还提供一种双极柔性直流输电系统，如图8 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8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。

本实用新型实施例通过在双极柔性直流输电系统的换流站的在正极性换流部分100中设置包括第一电抗器121的第一限流模块120，在负极性换流部分200中设置包括第二电抗器221的第二限流模块 220，当正极性换流部分100或负极性换流部分200的直流侧发生短路故障时，发生故障的换流部分的电抗器的电流会突然增大，而根据电抗器的特性，其会产生反向电流来限制电流的突然增大，因而可抑制正极性换流部分100或负极性换流部分200直流侧的短路电流，保证了换流站中的换流器以及故障线路上的相关设备的安全性。在此基础上，由于第一限流模块120和第二限流模块220独立设置，可以在所述换流站的故障只发生在正极性换流部分100或负极性换流部分 200其中一极时，可保证另一极不发生明显变化，即，对正常工作极的影响较小。

优选的，如图8所示，送电端换流站01和受电端换流站02均为本实用新型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。

本实用新型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均包括第一限流模块120和第二限流模块220，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的正极性换流部分100和负极性换流部分200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8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500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400、换流变压器500以及交流系统。

换相电抗器400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500通过换相电抗器400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500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500连接。

本实用新型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500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，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。