[发明专利]一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统拓扑结构

说明书

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，具体涉及一种将现有的交流线路改造成直流输电线路的三极直流输电系统。

背景技术

随着我国经济持续高速发展，电力需求矛盾日益突出。一方面电力负荷的增长超出了原有交流输电线路的传输能力，而受土地资源限制，很难获得新的输电走廊；另一方面，传统交流输电受绝缘、交流电网特性限制，线路输送功率很少达到导线所能承受的最大热功率，因此需要采用新技术进一步挖掘现有线路的输电潜力。

与交流输电相比较，采用直流输电，线路电流可以达到导线所能承受的最大热极限。2004年，Barthold L O在专利US6714427B1中提出一种采用直流电流调制，将交流输电线路转化为直流输电线路的三极直流输电技术。在对交流线路改造成直流输电线路的各种转换方案中，由于三极直流输电方案可以充分利用原有的交流三相线路，因此相对于双极和单极直流输电改造方案，三极直流输电方案在提高输电能力、经济成本和可靠性等方面上具有优势。目前利用三极直流输电技术将交流线路改造成直流输电线路处在原理性研究阶段，尚无工程应用实例。

图1为Barthold L O提出的基于常规LCC-HVDC的三极直流输电主回路图，由图所示，极1、极2为常规LCC-HVDC双极输电系统，极3为具有双向导通能力的单极输电系统，其电压极性和电流方向都可以快速改变。

LCC-HVDC采用半控型晶闸管，具有技术成熟、输送功率大、经济性好等优点，但存在对交流系统强度较为敏感，逆变侧易发生换相失败；不能接入无源系统；无功消耗大，输出电压、输出电流谐波含量高，需要安装滤波装置来消除谐波等缺点。

近年来，基于电压源变流器的柔性高压直流输电(VSC-HVDC)技术发展很快，与传统直流输电技术相比，具有不需要电网换相电压支撑，可向无源网络供电；不存在换相失败；可实现有功功率、无功功率独立控制；无需无功补偿装置等优点。

VSC-HVDC常用的拓扑结构包括两电平换流器、三电平换流器和模块化多电平换流器(MMC)结构。两电平换流器、三电平换流器由于电平数很少，在直流输电等高压大功率场合应用需要解决器件串联均压、损耗较大等问题，MMC-HVDC具有开关频率低、损耗小、易扩展等特点，较好的解决了上述难题。

图1中的三极直流输电方案由于采用常规的LCC-HVDC技术，因此同样存在LCC-HVDC的缺点。如逆变侧交流系统发生故障将引起直流三个极同时发生换相失败，导致直流线路输送功率中断，对受端系统安全稳定构成威胁。此外，在三极直流系统运行过程中，各极电流大小以及极3电压极性和电流方向都需要按一定周期快速改变，势必对两端交流系统产生扰动。

为了解决上述问题，充分利用柔性高压直流输电的的优点，提出一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统拓扑结构，利用模块化多电平换流器快速调节输出无功，l改善两侧交流系统的性能，避免整个系统逆变侧发生换相失败，提高了三极直流输电可靠性，满足交流线路改造成直流输电线路需求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统拓扑结构，满足交流线路改造成直流输电线路需要，解决基于LCC-HVDC的三极直流输电的缺点，保证整个直流系统稳定运行。

本发明的技术方案是，一种基于模块化多电平换流器的三极直流输电系统拓扑结构，采用三极连接形式进行直流输电，每个极包括整流侧换流变压器、整流侧换流器、整流侧平波电抗器、直流输电线路、逆变侧平波电抗器、逆变侧换流器、逆变侧换流变压器组；整流侧换流器和逆变侧换流器采用模块化多电平结构，并通过串并联不同数量子模块单元以适应不同电压等级和电流的需要，三极直流系统所采用的三根输电线路既可以是电缆，也可以是架空线路。

进一步，三极直流输电系统中采用两个模块化多电平换流器串联构成正负双极的换流器，两极中间引出接地支路，与具有双向导通能力模块化多电平换流器组成的第三个极接地端相连；三个极整流换流器、逆变换流器的相单元中点分别与换流变压器绕组副边相连，三个极整流换流器、逆变换流器直流侧通过平波电抗器与三根输电线路相连，分别构成三极直流输电系统作为正极的极1，作为负极的极2，兼作为正极/负极的极3。

进一步，所述三极直流输电系统运行中，两个极直流电压极性和直流电流方向恒定不变，电流定值在最大值和最小值之间周期性调制；第三个极直流电压极性和直流电流方向都可以快速改变，其直流电流定值取另外两个极的直流电流定值之差，直流电压跟随直流电流方向变化呈现周期性的反转以保证直流功率传输方向不变。