本發明涉及電力技術領域，尤其涉及一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站。

背景技術：

柔性直流輸電技術是一種新型直流輸電技術，合理的控制保護策略決定了柔性直流輸電系統安全穩定運行。它的靈活應用性能使其在城市電網互聯、清潔能源并網以及孤島供電等領域有著廣闊的應用前景。

為了實現大容量功率輸送的要求，需要增加子模塊數量以提高其電壓等級，但過多子模塊級聯，使閥控設備控制難度增加，因此采用雙極結構形式，在減少單個換流單元子模塊級聯數目的同時，達到同樣的傳輸功率成為一種可行選擇。

直流側短路故障是目前雙極柔性直流輸電技術所面對的主要問題之一。當雙極柔性直流輸電系統直流側發生故障時，由于其特殊的拓撲結構，將產生非常大的短路電流。該短路電流流過換流器，使得換流器的電流應力增大，甚至造成換流器的損壞，同時也嚴重威脅了故障線路中相關設備的安全。

技術實現要素：

本發明的實施例提供一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站，可抑制雙極柔性直流輸電系統直流側發生故障時產生的短路電流。

為達到上述目的，本發明的實施例采用如下技術方案：

一方面，提供一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站，包括正極性換流部分和負極性換流部分；所述正極性換流部分包括第一換流器和第一限流模塊；所述負極性換流部分包括第二換流器和第二限流模塊；所述第一限流模塊包括第一電抗器；所述第一電抗器的一端與所述第一換流器的低壓端連接，另一端與中性母線連接；所述第一限流模塊包括第一電抗器；所述第一電抗器的一端與所述第一換流器的低壓端連接，另一端與所述中性母線連接。

優選的，所述第一限流模塊還包括第一避雷器；所述第一避雷器的一端與所述第一換流器的低壓端連接，另一端接地。

基于上述優選的，所述第二限流模塊還包括第二避雷器；所述第二避雷器的一端與所述第二換流器的低壓端連接，另一端接地。

優選的，所述第一電抗器包括至少一個第一子電抗器；其中，當所述第一電抗器包括多個第一子電抗器時，多個第一子電抗器串聯和/或并聯連接；和/或，所述第二電抗器包括至少一個第二子電抗器；其中，當所述第二電抗器包括多個第二子電抗器時，多個第二子電抗器串聯和/或并聯連接。

優選的，所述第一換流器和所述第二換流器均包括多個閥組件；每個閥組件均包括絕緣柵雙極型晶體管換流閥。

另一方面，提供一種雙極柔性直流輸電系統，包括送電端換流站和受電端換流站；所述送電端換流站和/或所述受電端換流站為上述換流站。

進一步優選的，所述送電端換流站和所述受電端換流站均為所述換流站；所述送電端換流站為交流轉直流換流站；所述受電端換流站為直流轉交流換流站。

進一步優選的，第一換流器和第二換流器的交流端與換流變壓器連接；所述送電端換流站中正極性換流部分的第一換流器高壓端與所述受電端換流站中正極性換流部分的所述第一換流器高壓端、所述送電端換流站中負極性換流部分的第二換流器高壓端與所述受電端換流站中負極性換流部分的所述第二換流器高壓端通過雙極性高壓直流輸電線連接。

本發明提供一種雙極柔性直流輸電系統及其換流站，通過在正極性換流部分中設置包括第一電抗器的第一限流模塊，在負極性換流部分中設置包括第二電抗器的第二限流模塊，當正極性換流部分或負極性換流部分的直流側發生短路故障時，發生故障的換流部分的電抗器的電流會突然增大，而根據電抗器的特性，其會產生反向電流來限制電流的突然增大，因而可抑制正極性換流部分或負極性換流部分直流側的短路電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于第一限流模塊和第二限流模塊獨立設置，可以在所述換流站的故障只發生在正極性換流部分或負極性換流部分其中一極時，可保證另一極不發生明顯變化，即，對正常工作極的影響較小。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站的拓撲示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站第一限流模塊的拓撲示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中第二限流模塊的拓撲示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中第一和第二限流模塊的拓撲示意圖一；

圖5為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中第一和第二限流模塊的拓撲示意圖二；

圖6為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中第一和第二限流模塊的裝置拓撲示意圖三；

圖7為本發明實施例提供的一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站中第一和第二限流模塊的拓撲示意圖四；

圖8為本發明實施例提供的一種雙極柔性直流輸電系統的拓撲示意圖。

附圖說明：

01-送電端換流站；02-受電端換流站；100-正極性換流部分；110-第一換流器；111-第一換流器低壓端；112-第一換流器高壓端；120-第一限流模塊；121-第一電抗器；122-第一避雷器；123-第一子電抗器；200-負極性換流部分；210-第二換流器；211-第二換流器低壓端；212-第二換流器高壓端；220-第二限流模塊；221-第二電抗器；222-第二避雷器；223-第二子電抗器；300-中性母線；400-換相電抗器；500-換流變壓器。

具體實施方式

本發明實施例提供一種用于雙極柔性直流輸電系統的換流站，如圖1所示，包括正極性換流部分100和負極性換流部分200；正極性換流部分100包括第一換流器110和第一限流模塊120；負極性換流部分200包括第二換流器210和第二限流模塊220。

第一限流模塊120包括第一電抗器121；第一電抗器121的一端與第一換流器低壓端111連接，另一端與中性母線300連接；第二限流模塊220包括第二電抗器221；第二電抗器221的一端與第二換流器低壓端211連接，另一端與中性母線300連接。

其中，第一限流模塊120用于當正極性換流部分100出現故障，即，正極性換流部分100發生直流側短路時，降低短路電流；第二限流模塊220用于當負極性換流部分200出現故障，即，負極性換流部分200發生直流側短路時，降低短路電流。

需要說明的是，第一，第一換流器110和第二換流器210可用于將交流電轉換為直流電，也可用于將直流電轉換為交流電。

不管第一換流器110和第二換流器210用于將交流電轉換為直流電，還是將直流電轉換為交流電，第一換流器高壓端112和第二換流器高壓端212都是分別連接正高壓直流輸電線和負高壓直流輸電線。

第二，不對第一換流器110和第二換流器210內部具體的結構進行限定，只要根據需要，能將交流電轉換為直流電，或將直流電轉換為交流電即可。

第三，第一電抗器121和第二電抗器221的具體參數可根據其所應用的具體換流站進行設定，只要保證在發生直流側短路時，換流站中的元器件不被破壞即可。

本發明實施例提供一種換流站，通過在正極性換流部分100中設置包括第一電抗器121的第一限流模塊120，在負極性換流部分200中設置包括第二電抗器221的第二限流模塊220，當正極性換流部分100或負極性換流部分200的直流側發生短路故障時，發生故障的換流部分的電抗器的電流會突然增大，而根據電抗器的特性，其會產生反向電流來限制電流的突然增大，因而可抑制正極性換流部分100或負極性換流部分200直流側的短路電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于第一限流模塊120和第二限流模塊220獨立設置，可以在所述換流站的故障只發生在正極性換流部分100或負極性換流部分200其中一極時，可保證另一極不發生明顯變化，即，對正常工作極的影響較小。

考慮到當正極性換流部分100的直流側出現短路故障時，第一換流器高壓端112與第一換流器低壓端111連通，從而導致第一換流器低壓端111的電壓突增，在此情況下，為了避免正極性換流部分100中的器件被破壞，需要第一換流器低壓端111的對地絕緣水平較高，從而導致第一換流器110成本的提高。基于此，優選的，如圖2所示，第一限流模塊120還包括第一避雷器122；第一避雷器122的一端與第一換流器低壓端111連接，另一端接地。

需要說明的是，本領域技術人員應該知道，避雷器可以降低線路中的電壓和電流，保護電器設備免受高瞬態過電壓的危害。

本發明實施例中，通過使第一限流模塊120還包括第一避雷器122，當正極性換流部分100的直流側發生短路故障，且當第一換流器低壓端111的電壓升至第一避雷器122的保護電壓水平時，第一避雷器122工作，使短路回路中的部分電流通過第一避雷器122流入大地，從而降低了第一電抗器121的電流應力，也可以提高第一換流器低壓端111的對地絕緣水平，進而可降低對第一換流器低壓端111的對地絕緣水平的要求。

同理，考慮到當負極性換流部分200的直流側出現短路故障時，第二換流器高壓端212與第二換流器低壓端211連通，從而導致第二換流器低壓端211的電壓突增，在此情況下，為了避免負極性換流部分200中的器件被破壞，需要第二換流器低壓端211的對地絕緣水平較高，從而導致第二換流器210成本的提高。基于此，優選的，如圖3所示，第二限流模塊220還包括第二避雷器222；第二避雷器222 的一端與第二換流器低壓端211連接，另一端接地。

本發明實施例中，通過使第二限流模塊220還包括第二避雷器222，當負極性換流部分200的直流側發生短路故障，且當第二換流器低壓端211的電壓升至第二避雷器222的保護電壓水平時，第二避雷器222工作，使短路回路中的部分電流通過第二避雷器222流入大地，從而降低了第一電抗器121的電流應力，也可以提高第二換流器低壓端211的對地絕緣水平，進而可降低對第二換流器低壓端211的對地絕緣水平的要求。

在上述基礎上，如圖4所示，優選的，第一限流模塊120還包括第一避雷器122；第一避雷器122的一端與第一換流器低壓端111連接，另一端接地。第二限流模塊220還包括第二避雷器222；第二避雷器222的一端與第二換流器低壓端211連接，另一端接地。

相對采用更大開斷能力的直流斷路器及其相應設備，由于高壓電、大容量的直流斷路器仍處于研制階段，暫時無法直接應用于工程中，且其制作成本高昂，因此限制了其在直流工程中的實際應用；或者，相對采用傳統的限流器設備，但是傳統的限流器設備在發生故障后需要斷開線路，影響系統的潮流分布和穩定性；或者相對采用基于載流隔離器的快速故障電流限制器，發生故障后不需要斷開線路，故障結束后電流可從旁路開關繼續流通，不影響系統正常運行下的潮流分布，但是其設備復雜，制造成本較高。本發明實施例由于第一限流模塊120最多包括第一電抗器121和第一避雷器122，第二限流模塊220最多包括第二電抗器221和第二避雷器222，使得所述換流站的拓撲不含大功率電力電子器件，造價相對低廉，體積較小，實現簡單且性能優異，因而易于實際應用推廣。

由于金屬氧化物避雷器(Metal Oxide Arrester，MOA)具有動作響應快、可耐多重雷電過電壓或操作過電壓、能量吸收能力大、耐污穢性能好等優點，因此，優選的第一避雷器122和第二避雷器222為金屬氧化物避雷器。

優選的，第一電抗器121包括至少一個第一子電抗器123；其中，當所述第一電抗器121包括多個第一子電抗器123時，多個第一子電抗器123串聯和/或并聯連接；和/或，第二電抗器221包括至少一個第二子電抗器223；其中，當第二電抗器221包括多個第二子電抗器223時，多個第二子電抗器223串聯和/或并聯連接。

以第一電抗器121包括兩個第一子電抗器123，第二電抗器221包括兩個第二子電抗器223為例，如圖5所示，第一電抗器121中的兩個第一子電抗器123并聯連接，第二電抗器221中的兩個第二子電抗器223并聯連接。或者，如圖6所示，第一電抗器121中的兩個第一子電抗器123串聯連接，第二電抗器221中的兩個第二子電抗器223串聯連接。

以第一電抗器121包括三個第一子電抗器123，第二電抗器221包括三個第二子電抗器223為例，如圖7所示，第一電抗器121中其中兩個第一子電抗器123并聯連接，并與另一個第一子電抗器123串聯連接，第二電抗器221中其中兩個第二子電抗器223并聯連接，并與另一個第二子電抗器223串聯連接。

需要說明的是，將多個子電抗器采用串和/或并聯的方式設置具有很多種情況，圖5-7只是分別給出了三種設置方式中的一種情況。

本發明實施例采用多個第一子電抗器123和多個第二子電抗器223串和/或并聯組合的方式限制短路電流，可以降低每個子電抗器的相關參數，從而可降低成本。

考慮到絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是開通、關斷均可控的全控型器件，IGBT換流閥對輸電系統的控制更加靈活，可控制無功功率而使換流站無需龐大的無功補償裝置，而且IGBT換流閥的開關頻率相對較高，使換流站的輸出電壓諧波量較小，從而使應用IGBT換流閥的換流站安裝的濾波裝置的容量大大減小。基于此，優選的，第一換流器110和第二換流器210均包括多個閥組件；每個閥組件均包括IGBT換流閥。

本發明實施例還提供一種雙極柔性直流輸電系統，如圖8所示，包括送電端換流站01和受電端換流站02；送電端換流站01和/或受電端換流站02為前述任一實施例的換流站。

需要說明的是，圖8以送電端換流站01和受電端換流站02均為前述任一實施例的換流站進行示意。

本發明實施例通過在雙極柔性直流輸電系統的換流站的在正極性換流部分100中設置包括第一電抗器121的第一限流模塊120，在負極性換流部分200中設置包括第二電抗器221的第二限流模塊220，當正極性換流部分100或負極性換流部分200的直流側發生短路故障時，發生故障的換流部分的電抗器的電流會突然增大，而根據電抗器的特性，其會產生反向電流來限制電流的突然增大，因而可抑制正極性換流部分100或負極性換流部分200直流側的短路電流，保證了換流站中的換流器以及故障線路上的相關設備的安全性。在此基礎上，由于第一限流模塊120和第二限流模塊220獨立設置，可以在所述換流站的故障只發生在正極性換流部分100或負極性換流部分200其中一極時，可保證另一極不發生明顯變化，即，對正常工作極的影響較小。

優選的，如圖8所示，送電端換流站01和受電端換流站02均為本發明實施例前述任一實施例的換流站；送電端換流站01為交流轉直流換流站；受電端換流站02為直流轉交流換流站。

其中，當所述換流站為送電端換流站01時，第一換流器110和第二換流器210用于將交流電變為線路輸電能力強、損耗小的直流電；當所述換流站為送電端換流站01時，第一換流器110和第二換流器210用于將接收到的直流電轉化為可大面積輸電的交流電。

本發明實施例使所述雙極柔性輸電系統的送電端換流站01和受電端換流站02均包括第一限流模塊120和第二限流模塊220，可以保證當所述雙極柔性輸電系統的直流側出現故障發生短路時，送電端換流站01和受電端換流站02的正極性換流部分100和負極性換流部分200的線路中的短路電流均被抑制，從而保護線路中的元器件不被破壞。

進一步優選的，如圖8所示，第一換流器110和第二換流器210的交流端與換流變壓器500連接；送電端換流站01中正極性換流部分100的第一換流器高壓端112與受電端換流站02中正極性換流部分100的第一換流器高壓端112、送電端換流站01中負極性換流部分200的第二換流器高壓端212與受電端換流站02中負極性換流部分200的第二換流器高壓端212通過雙極性高壓直流輸電線連接。

其中，所述雙極柔性直流輸電系統還包括換相電抗器400、換流變壓器500以及交流系統。

換相電抗器400與第一換流器110、第二換流器210的交流端連接，用以減小電力半導體器件換相時對交流系統波形的影響，以及限制交流側的短路電流。

換流變壓器500通過換相電抗器400與第一換流器110、第二換流器210的交流端連接。

需要說明的是，第一換流器110和第二換流器210的交流端與換流變壓器500連接，即送電端換流站01和受電端換流站02的第一換流器110和第二換流器210的交流端均與換流變壓器500連接。

本發明實施例通過將第一換流器110和第二換流器210的交流端與換流變壓器500連接，一方面，可實現交流電網與直流電網之間的連接；另一方面，可以實現電壓的變換，使送電端換流站01直流側電壓或受電端換流站02的交流側電壓符合其額定電壓及容許電壓偏移。在此基礎上，通過雙極性高壓直流輸電線連接送電端換流站01和受電端換流站02，可提高線路傳輸能力，降低線路傳輸過程中的功耗。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以所述權利要求的保護范圍為準。