电流源型主动换相换流器的光伏高压直流输电系统

本文件涉及输电，尤其涉及一种电流源型主动换相换流器的光伏高压直流输电系统。

背景技术：

1、现阶段化石能源短缺和环境污染问题突出，以太阳能和风能为代表的新能源由于清洁、环保、利用率高，成为应对能源危机的核心。

2、太阳能利用以光伏并网发电形式为主，随着大规模光伏开发利用，高效可靠的并网技术成为目前关注的焦点。

3、常见的大规模光伏压直流输电技术中，光伏通过dc/dc变换器、lc逆变器以及工频变压器后接入送端电压源直流输电换流器，经换流器整流后通过高压直流输电技术传递至远方受端电压源高压直流输电换流器，经换流器逆变后接入交流电网。然而，光伏从发电到交流送端电能变换级数众多，运行损耗高。此外，高压直流电压源换流器内部含有大量储能电容，装置体积大、重量重、造价高昂。因此，亟需开展新型光伏高压直流输电技术研究。

技术实现思路

1、本说明书提供了一种电流源型主动换相换流器的伏高压直流输电系统，用以解决现有的输电系统中电流源型输电方系统的电能变换级数过高、电能损耗过大、输电效率低、装置体积大、成本高昂的问题。所述输电系统包括：

2、依序连接的光伏电源模块、升压模块、高压直流传输模块、高压主动换相换流模块和输电入网模块；

3、其中，所述升压模块包括低压主动换相换流器、中频变压器和高压不控整流桥；高压主动换相换流模块包括第一高压主动换相换流器、第二高压主动换相换流器、第一变压器和第二变压器。

4、在一些优选的实施方式中，所述光伏电源模块，包括光伏电源、低压直流电容cpv和低压直流电感ldc3；

5、其中，所述低压直流电容cpv连接在光伏电源的输出端正极和光伏电源的输出端负极之间，光伏电源的输出端正极连接所述低压直流电感lac3后作为光伏电源模块的正极，光伏电源的输出端负极作为光伏电源模块的输出端负极。

6、在一些优选的实施方式中，所述升压模块，具体包括：

7、低压主动换相换流器，连接在光伏电源模块的输出端正极与光伏电源模块的输出端负极之间，包括第一全控功率半导体器件s31、第二全控功率半导体器件s32、第三全控功率半导体器件s33和第四全控功率半导体器件s34；

8、由光伏电源模块输出端正极的第一公共节点py3通过并联的第一低压主动换相换流桥臂和第二低压主动换相换流桥臂连接至第二公共节点ny3，第二公共节点ny3连接至光伏电源模块的输出端负极；全控功率半导体器件的方向均为靠近第一公共节点py3为阳极，靠近第二公共节点ny3为阴极；

9、第一低压主动换相换流桥臂包括依序连接的第一全控功率半导体器件s31和第二全控功率半导体器件s32，从第一全控功率半导体器件s31与第二全控功率半导体器件s32之间引出第一低压输出端x1；

10、第二低压主动换相换流桥臂包括依序连接的第三全控功率半导体器件s33和第四全控功率半导体器件s34，从第三全控功率半导体器件s33和第四全控功率半导体器件s34之间引出第二低压输出端x2；

11、中频变压器的输入端分别连接第一低压输出端x1和第二低压输出端x2，中频变压器的输出端分别连接不控整流桥的第一输入端和不控整流桥的第二输入端；

12、不控整流桥的第三公共节点pd与不控整流桥通过并联的不控整流桥第一桥臂和不控整流桥第二桥臂连接至第四公共节点nd；

13、不控整流桥第一桥臂包括第一二极管组d1和第二二极管组d2，第一二极管组d1与第二二极管组d2的中点连接不控整流桥的第一输入端；不控整流桥的第二桥臂包括第三二极管组d3和第四二极管组d4，第三二极管组d3与第四二极管组d4的重点连接不控整流桥的第二输入端；二极管组中的所有二极管的连接方向均为靠近第三公共节点pd的为阴极，靠近第四公共节点nd的为阳极；

14、第三公共节点pd为升压模块输出端正极，第四公共节点nd为升压模块输出端负极。

15、在一些优选的实施方式中，所述全控功率半导体器件为晶闸管。

16、在一些优选的实施方式中，所述高压直流传输模块，包括高压直流电容cdc、第一高压直流电感ldc1、高压直流电缆、第二高压直流电感ldc2；

17、所述高压直流电容cdc连接在升压模块输出端正极和升压模块输出端负极之间；

18、高压直流电容cdc的正极通过所述第一高压直流电感ldc1连接至同相输入高压直流电缆的第一端p1，高压直流电容cdc的负极连接至反相输入高压直流电缆的第一端n1；

19、同相输入高压直流电缆的第二端p2通过第二高压直流电感ldc2连接至高压直流传输模块同相输出端，反相输入高压直流电缆的第二端n2作为高压直流传输模块的反相输入端。

20、在一些优选的实施方式中，所述高压主动换相换流模块，包括第一高压主动换相换流器、第二高压主动换相换流器、第一变压器和第二变压器。

21、在一些优选的实施方式中，所述高压主动换相换流模块，具体包括：

22、第一变压器的副边三相连接端子记为a1、b1和c1，第一变压器的原边三相连接端子记为a1、b1和c1；

23、第二变压器的副边三相连接端子记为a2、b2和c2，第二变压器的原边三相连接端子记为a2、b2和c2；

24、第一高压主动换相换流器的第一端py1与高压直流传输模块的同相输出端连接，第一高压主动换相换流器的第二端ny1与第二高压主动换相换流器的第一端py2连接，第二高压主动换相换流器的第二端ny2与高压直流传输模块的反相输出端连接；

25、第一高压主动换相换流器的第一端py1，通过并联的第一高压主动换相换流桥臂、第二高压主动换相换流桥臂和第三高压主动换相换流桥臂连接至第一高压主动换相换流器的第二端ny1；

26、第一高压主动换相换流桥臂包括依序连接的第一高压全控功率半导体器件s11和第四高压全控功率半导体器件s14；第二高压主动换相换流桥臂包括依序连接的第三高压全控功率半导体器件s13和第六高压全控功率半导体器件s16；第三高压主动换相换流桥臂包括依序连接的第五高压全控功率半导体器件s15和第二高压全控功率半导体器件s12；高压全控功率半导体器件的方向均为靠近第一高压主动换相换流器第一端py1为阳极，靠近第一高压主动换相换流器的第二端ny1为阴极；在第一高压全控功率半导体器件s11与第四高压全控功率半导体器件s14之间引出第一高压主动换相换流器第一输出相u1；在第三高压全控功率半导体器件s13与第六高压全控功率半导体器件s16之间引出第一高压主动换相换流器第二输出相v1，在第五高压全控功率半导体器件s15与第二高压全控功率半导体器件s12之间引出第一高压主动换相换流器第三输出相w1；

27、第二高压主动换相换流器的第一端py2，通过并联的第四高压主动换相换流桥臂、第五高压主动换相换流桥臂和第六高压主动换相换流桥臂连接至第二高压主动换相换流器的第二端ny2；

28、第四高压主动换相换流桥臂包括依序连接的第七高压全控功率半导体器件s21和第十高压全控功率半导体器件s24；第五高压主动换相换流桥臂包括依序连接的第九高压全控功率半导体器件s23和第十二高压全控功率半导体器件s26；第六高压主动换相换流桥臂包括依序连接的第十一高压全控功率半导体器件s25和第八高压全控功率半导体器件s22；高压全控功率半导体器件的方向均为靠近第二高压主动换相换流器第一端py2为阳极，靠近第二高压主动换相换流器的第二端ny2为阴极；在第七高压全控功率半导体器件s21与第十高压全控功率半导体器件s24之间引出第二高压主动换相换流器第一输出相u2；在第九高压全控功率半导体器件s23与第十二高压全控功率半导体器件s26之间引出第二高压主动换相换流器第二输出相v2，在第十一高压全控功率半导体器件s25与第八高压全控功率半导体器件s22之间引出第二高压主动换相换流器第三输出相w2；

29、第一高压主动换相换流器第一输出相u1、第一高压主动换相换流器第二输出相v1和第一高压主动换相换流器第三输出相w1分别与第一变压器的副边三相连接端子a1、b1和c1连接；

30、第二高压主动换相换流器第一输出相u2、第二高压主动换相换流器第二输出相v2和第二高压主动换相换流器第三输出相w2分别与第二变压器的副边三相连接端子a2、b2和c2连接；

31、第一变压器的原边三相连接端子a1、b1和c1分别与第二变压器的原边三相连接端子a2、b2和c2连接。

32、在一些优选的实施方式中，所述输电入网模块，具体包括：

33、第一变压器的原边三相连接端子a1、b1和c1分别与第二变压器的原边三相连接端子a2、b2和c2连接后的初始三相电路，分别从第一滤波节点d、第二滤波节点e和第三滤波节点f，经由第一滤波电容ca、第二滤波电容cb和第三滤波电容cc汇集于滤波节点mc；

34、初始三相电路各自通过第一滤波电感la、第二滤波电感lb和第三滤波电感lc连接至三相交流电网的a相端子、三相交流电网的b相端子和三相交流电网的c相端子。

35、本发明的另一方面，还提出了一种电流源型主动换相换流器的光伏高压直流输电方法，所述方法基于上述输电系统实施，所述方法包括对升压模块进行控制的步骤和对高压主动换相换流模块进行控制的步骤；

36、所述对升压模块进行控制的步骤，具体包括：

37、在开关周期中[0～tad]阶段，使第一全控功率半导体器件s31、第二全控功率半导体器件s32、第三全控功率半导体器件s33和第四全控功率半导体器件s34均导通；其中tad表示叠流调节时间；

38、在开关周期中[tad～1/2fsw]阶段，使第一全控功率半导体器件s31和第四全控功率半导体器件s34导通，使第二全控功率半导体器件s32和第三全控功率半导体器件s33关断；其中，fsw表示全控功率半导体器件的开关频率；

39、在开关周期中[1/2fsw～1/2fsw+tad]阶段，控制第一全控功率半导体器件s31、第二全控功率半导体器件s32、第三全控功率半导体器件s33和第四全控功率半导体器件s34均导通；

40、在开关周期中[1/2fsw+tad～1/fsw]阶段，使第一全控功率半导体器件s31、第四全控功率半导体器件s34关断，使第二全控功率半导体器件s32、第三全控功率半导体器件s33导通；

41、所述叠流调节时间tad，根据光伏最大发出功率变化，其计算方法为：

42、

43、其中，umax表示光伏电源最大发电功率时的低压电容电压，fsw表示全控功率半导体器件的开关频率，udc1表示高压直流电缆输入电压；

44、所述方法还包括对高压主动换相换流模块进行控制的步骤，具体包括：

45、通过控制高压全控功率半导体器件s11、s12、s13、s14、s15、s16、s21、s22、s23、s24、s25和s26的导通时间对第二高压直流电感ldc2的电流idc2进行控制；

46、具体为：

47、在每个电网基频周期1/f内，定义三相交流电网的a相端子、三相交流电网的b相端子和三相交流电网的c相端子的三相交流电源电压中usa和usc均为正，且usa＝usc的时刻为t0；f表示高压全控功率半导体器件的开关频率；

48、在每个电网基频周期1/f内，导通角度均为关断角度均为调节时间为tr，且

49、高压全控功率半导体器件s11的开通时刻为t0-tr，关断时刻为高压全控功率半导体器件s12的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s13的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s14的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s15的开通时刻为关断时刻t0～tr+1/f；高压全控功率半导体器件s16的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s21的开通时刻为t0+tr，关断时刻为高压全控功率半导体器件s22的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s23的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s24的开通时刻为关断时刻为高压全控功率半导体器件s25的开通时刻为关断时刻为t0+tr+1/f；高压全控功率半导体器件s26的开通时刻为关断时刻为上述开通或关断的时刻中，若出现大于1/f的情况，则令这一开通或关断时刻减去1/f再作为实际的开通或关断时刻；上述开通或关断的时刻中，若出现小于0的情况，则令这一开通或关断时刻加上1/f再作为实际的开通或关断时刻。

50、在一些优选的实施方式中，所述对高压主动换相换流模块进行控制，还包括通过改变所述调节时间tr对高压直流电缆输出电压udc2进行控制的步骤，具体包括：

51、高压直流电缆输出电压udc2恒为正值，若高压直流电缆输出电压udc2小于其参考值时，以预设的步长降低调节时间tr，直至udc2等于其参考值，否则增大调节时间tr。

52、本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

53、(1)低压侧采用电流源主动换相换流器以及高压不控整流桥，无需增加额外的dc/dc变换器可实现光伏发电最大功率跟踪，同时减少了一级电能变换，系统开关损耗低。

54、(2)送端高压侧采用不控整流桥，可实现能量单向流动，减少了全控半导体器件使用，进而降低系统造价。

55、(3)受端高压侧采用组合型电流源主动换相换流器，内部无需多模块储能电容，降低换流器占地面积，提高了系统功率密度。