專利名稱：220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
目前，我國大部分城鄉(xiāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)均采用IOkV作為主要的供電電壓。由于近年來經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在負(fù)荷密度較大的城市中心區(qū)已經(jīng)暴露出供電能力不足、站點(diǎn)和線路走廊資源極為緊張等問題，而且在低負(fù)荷的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)出現(xiàn)電壓降落過大，用戶電壓質(zhì)量難以得到保障，供電距離受限等情況，因此，將配電網(wǎng)采取20kV電壓等級成為配電網(wǎng)。隨著變壓器技術(shù)的發(fā)展，目前220/20kV交流直降模式相繼投產(chǎn)運(yùn)行，合理配置電壓層級序列，減少IIOkV電壓層級，將極大節(jié)約土地資源，降低電網(wǎng)損耗，降低用電成本。220/20kV交流直降模式雖然節(jié)約土地資源，降低電網(wǎng)損耗，降低用電成本起到一定推動作用，但是還是處于交流輸配電技術(shù)基礎(chǔ)上，輸電走廊通道仍然處于緊張狀態(tài)、電能質(zhì)量的提高仍未解決、無法實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的快速調(diào)節(jié)、可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)饋入也存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法，可提高電能質(zhì)量、快速獨(dú)立控制有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)、適宜可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)饋入。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)，包括:
220kV的三相交流母線，用于匯總220kV交流電能；
220kV交流側(cè)三相交流斷路器，用于隔離故障；
220/20kV交流直降變壓器，用于將220kV交流電直降為20kV交流電，以及將220kV高壓側(cè)與20kV低壓側(cè)相隔尚；
三相電抗器，用于電壓源換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量交換，以及對20kV交流電進(jìn)行濾波；
電壓源換流器，包括絕緣柵雙極晶體管IGBT換流閥橋臂，其采用三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)，用于將濾波后20kV交流電通過換流閥原理轉(zhuǎn)換為20kV直流電；以及正直流母線與負(fù)直流母線，用于匯集所述20kV直流電能。進(jìn)一步地，還包括:
對稱設(shè)置的直流電容Cl和C2，用于為所述電壓源換流器提供直流電壓支撐，緩沖所述IGBT換流閥橋臂關(guān)斷時的沖擊電流，減少直流側(cè)諧波。進(jìn)一步地,還包括:
接地點(diǎn)，從所述對稱的直流電容Cl、C2中間引出，用于保持直流側(cè)兩極平衡，正常運(yùn)行時上、下極的直流電流大小相等，方向相反。進(jìn)一步地,還包括:
直流開關(guān)QF1、QF2，分別在故障時隔離所述正直流母線與負(fù)直流母線。進(jìn)一步地，所述IGBT換流閥橋臂具體包括:可關(guān)斷器件VTal、VTa2、VTbU VTb2、VTcl、VTc2 ;續(xù)流二極管 VDal、VDa2、VDbl、VDb2、VDcl、VDc2 ;其中，續(xù)流二極管 VDal、VDa2的正極分別和可關(guān)斷器件VTal、VTa2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDal、VDa2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTal、VTa2的集電極相連；續(xù)流二極管VDbl、VDb2的正極分別和可關(guān)斷器件VTbU VTb2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDbl、VDb2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTbl、VTb2的集電極相連；續(xù)流二極管VDcl、VDc2的正極分別和可關(guān)斷器件VTcl、VTc2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDcl、VDc2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTcl、VTc2的集電極相連。進(jìn)一步地，所述220kV的三相交流母線，220kV交流側(cè)三相交流斷路器以及220/20kV交流直降變壓器組成柔性直流輸配電的交流區(qū)，所述三相電抗器，電壓源換流器以及正直流母線與負(fù)直流母線組成柔性直流輸配電的直流區(qū)。進(jìn)一步地，所述直流區(qū)嵌入在所述交流區(qū)的低壓側(cè)。進(jìn)一步地，所述直流區(qū)與交流區(qū)分開安裝。本發(fā)明還提供一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電方法，包括以下步驟:
將220kV交流直降為20kV交流；
將20kV交流經(jīng)過三相電抗器濾波；
將經(jīng)過濾波后的20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流；
將20kV直流電能匯集到正直流母線與負(fù)直流母線上。進(jìn)一步地，所述將經(jīng)過濾波后的20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流，具體是指:
采用三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管IGBT換流閥橋臂，將濾波后的20kV交流轉(zhuǎn)變成20kV直流。本發(fā)明首次提出220kV交流直降為20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法，可以有效減少IlOkV電壓層級，節(jié)約土地資源，降低電網(wǎng)損耗，降低用電成本；同時采用柔性直流輸電，可提高電能質(zhì)量、快速獨(dú)立控制有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)、適宜可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)饋入等。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例一 220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例一 220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)的換流閥工作
原理示意圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例一 220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例一 220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法的輸配 電過程分區(qū)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述。隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的半導(dǎo)體器件一絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。將IGBT作為開關(guān)器件的電壓源換流器(Voltage-Sourced Converter, VSC),隨后在工業(yè)驅(qū)動裝置上得到廣泛應(yīng)用，再經(jīng)過隨后的IGBT器件的電壓和容量多次升級后，使得采用IGBT構(gòu)成的電壓源換流器在直流輸配電網(wǎng)中應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。在直流輸配電網(wǎng)應(yīng)用中換流器采用IGBT閥和兩電平(或多電平)三相機(jī)構(gòu)，并使用脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation，PWM)控制IGBT閥的開斷狀況，具備上述功能后使得由其構(gòu)成的直流配電網(wǎng)系統(tǒng)在許多方面不同于常規(guī)的直流輸配電，可以克服常規(guī)的直流輸配電中呈現(xiàn)的多類問題。這種新型的直流輸配電技術(shù)，簡稱為“柔性直流(High VoltageDirect Current Flexible, HVDC-Flexible)”。本發(fā)明實(shí)施例即在現(xiàn)有 220/20kV 交流直降系統(tǒng)上增設(shè)柔性直流輸配電電路,共同形成可將220kV直降為20kV的柔性直流輸配電系統(tǒng)。請首先參照圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例一提供的220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)，包括:
220kV的A、B、C三相交流母線(包括Ma、Mb、Mc)，用于匯總220kV交流電能，與目前電力系統(tǒng)中運(yùn)行的交流母線相同；
220kV交流側(cè)三相交流斷路器(包括DLa、DLb、DLc)，用于隔離故障等，與目前電力系統(tǒng)中運(yùn)行的交流斷路器相同；
220/20kV交流直降變壓器，用于將220kV交流電直降為20kV交流電，以及將220kV高壓側(cè)與20kV低壓側(cè)相隔尚；
三相電抗器LA、LB、LC，用于電壓源換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量交換，以及對20kV交流電進(jìn)行濾波；
電壓源換流器，包括IGBT換流閥橋臂，其采用三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)，用于將濾波后20kV交流電通過換流閥原理轉(zhuǎn)換為20kV直流電，其具體包括:可關(guān)斷器件VTal、VTa2、VTb 1、VTb2、VTc 1、VTc2 ；續(xù)流二極管 VDal、VDa2、VDb 1、VDb2、VDc 1、VDc2 ;其中，續(xù)流二極管VDal、VDa2的正極分別和可關(guān)斷器件VTal、VTa2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDal、VDa2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTal、VTa2的集電極相連；續(xù)流二極管VDbl、VDb2的正極分別和可關(guān)斷器件VTbl、VTb2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDbl、VDb2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTbl、VTb2的集電極相連；續(xù)流二極管VDcl、VDc2的正極分別和可關(guān)斷器件VTcl、VTc2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDcl、VDc2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTcl、VTc2的集電極相連；
正直流母線與負(fù)直流母線，用于匯集直流電能。此外，本實(shí)施例還包括對稱設(shè)置的直流電容Cl和C2，用于為電壓源換流器提供直流電壓支撐，緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流，減少直流側(cè)諧波；
接地點(diǎn)d，在對稱的兩組電容C1、C2中間引出，由于直流側(cè)的柔性輸配電系統(tǒng)通常是雙極運(yùn)行，接地點(diǎn)d可以保持直流側(cè)兩極平衡，正常運(yùn)行時上、下極的直流電流大小相等，方向相反；
直流開關(guān)QFl、QF2，分別在故障時隔離正直流母線與負(fù)直流母線。再請參照圖2所示，IGBT換流閥橋臂的工作原理是:以A相橋臂的上、下兩個可關(guān)斷器件VTal、VTa2具有四種不同的電流路徑為例，如圖2所示，當(dāng)上半橋臂的可關(guān)斷器件VTal觸發(fā)時，若電流為正，則流通路徑從直流電容Cl正極性端經(jīng)可關(guān)斷器件VTal至輸出端，如圖2所示中a路徑；若電流為負(fù)，則流通路徑從輸出端經(jīng)續(xù)流二極管VDal至直流電容Cl正極性端，如2所示中b路徑。當(dāng)下半橋臂的可關(guān)斷器件VTa2觸發(fā)時，若電流為正，則流通路徑從直流電容C2負(fù)極性端經(jīng)續(xù)流二極管VDa2至輸出端，如2所示中d路徑；若電流為負(fù)，則流通路徑從輸出端經(jīng)可關(guān)斷器件VTa2至直流電容C2負(fù)極性端，如2所示中c路徑。B相、C相橋臂與A相橋臂類似，不再贅述?；诒景l(fā)明實(shí)施例一本發(fā)明實(shí)施例二提供一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電方法，包括以下步驟:
將220kV交流直降為20kV交流；
將20kV交流經(jīng)過三相電抗器濾波；
將經(jīng)過濾波后的20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流；
將20kV直流電能匯集到正直流母線與負(fù)直流母線上。其中，將經(jīng)過濾波后的20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流，具體是指:采用三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管IGBT換流閥橋臂，將濾波后的20kV交流轉(zhuǎn)變成20kV直流。在上述各步驟中涉及的元器件已在本實(shí)施例一中進(jìn)行了說明，此處不再贅述。需要說明的是，本發(fā)明實(shí)施例提供的柔性直流輸配電方法，系針對電能輸出端的實(shí)現(xiàn)，故20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流僅是整流過程。至于經(jīng)過20kV直流輸電線路向用戶側(cè)再經(jīng)過換流閥原理逆變成用戶所需要的電能(如圖3中虛框所示)，并不在本發(fā)明實(shí)施例的說明范圍。再如圖4所示，利用本發(fā)明實(shí)施例柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法將220kV交流直降為20kV柔性直流輸配電過程分為交流區(qū)和直流區(qū)。具體實(shí)現(xiàn)時有兩種實(shí)現(xiàn)方案:一是將直流區(qū)嵌入在交流區(qū)的低壓側(cè)；二是將交流區(qū)和直流區(qū)分開安裝。柔性直流(HVDC-Flexible)是從常規(guī)直流輸配電技術(shù)發(fā)展而來，優(yōu)點(diǎn)均為其常規(guī)直流輸配電的優(yōu)點(diǎn)，例如:柔性直流輸配電線路相比于目前運(yùn)行中交流輸配電網(wǎng)線路要少一根導(dǎo)線，使其線路成本低，損耗小，節(jié)約了輸配電線路大量走廊通道；柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)較少故障率，一般采用電纜作為配電網(wǎng)系統(tǒng)通道，電纜的輸送容量大、損耗小、使用周期長、輸送距離不受限制；柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)采用電纜作為輸配電通道，一般在地下使用直埋技術(shù)，工程成本低、工期短，還減少對環(huán)境的影響；另外，柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定強(qiáng)；柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非同步系統(tǒng)的互聯(lián)；柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)所輸送的有功功率和無功功率可以快速獨(dú)立控制；柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)較好地分期建設(shè)、擴(kuò)展性好；事故后快速恢復(fù)供電和黑啟動；可以向無源電網(wǎng)供電等等。本發(fā)明實(shí)施例首次提出220kV交流直降為20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法，可以有效減少IlOkV電壓層級，節(jié)約土地資源，降低電網(wǎng)損耗，降低用電成本；同時采用柔性直流輸電，可提高電能質(zhì)量、快速獨(dú)立控制有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)、適宜可再生能源(如風(fēng)能、太陽能等)饋入。以上所揭露的僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)，其特征在于，包括: 220kV的三相交流母線，用于匯總220kV交流電能； 220kV交流側(cè)三相交流斷路器，用于隔離故障； 220/20kV交流直降變壓器，用于將220kV交流電直降為20kV交流電，以及將220kV高壓側(cè)與20kV低壓側(cè)相隔尚； 三相電抗器，用于電壓源換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量交換，以及對20kV交流電進(jìn)行濾波； 電壓源換流器，包括絕緣柵雙極晶體管IGBT換流閥橋臂，其采用三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)，用于將濾波后20kV交流電通過換流閥原理轉(zhuǎn)換為20kV直流電；以及 正直流母線與負(fù)直流母線，用于匯集所述20kV直流電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 對稱設(shè)置的直流電容Cl和C2，用于為所述電壓源換流器提供直流電壓支撐，緩沖所述IGBT換流閥橋臂關(guān)斷時的沖擊電流，減少直流側(cè)諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 接地點(diǎn)，從所述對稱的直流電容Cl、C2中間引出，用于保持直流側(cè)兩極平衡，正常運(yùn)行時上、下極的直流電流大小相等，方向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 直流開關(guān)QF1、QF2，分別在故障時隔離所述正直流母線與負(fù)直流母線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述IGBT換流閥橋臂具體包括:可關(guān)斷器件 VTaU VTa2、VTbl、VTb2、VTcl、VTc2 ;續(xù)流二極管 VDal、VDa2、VDbl、VDb2、VDcUVDc2 ;其中，續(xù)流二極管VDal、VDa2的正極分別和可關(guān)斷器件VTal、VTa2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDal、VDa2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTal、VTa2的集電極相連；續(xù)流二極管VDbU VDb2的正極分別和可關(guān)斷器件VTbl、VTb2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDbl、VDb2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTbl、VTb2的集電極相連；續(xù)流二極管VDcl、VDc2的正極分別和可關(guān)斷器件VTcl、VTc2的發(fā)射極相連，續(xù)流二極管VDcl、VDc2的負(fù)極分別和可關(guān)斷器件VTcl、VTc2的集電極相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述220kV的三相交流母線，220kV交流側(cè)三相交流斷路器以及220/20kV交流直降變壓器組成柔性直流輸配電的交流區(qū)，所述三相電抗器，電壓源換流器以及正直流母線與負(fù)直流母線組成柔性直流輸配電的直流區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述直流區(qū)嵌入在所述交流區(qū)的低壓側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述直流區(qū)與交流區(qū)分開安裝。
9.一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電方法，包括以下步驟: 將220kV交流直降為20kV交流； 將20kV交流經(jīng)過三相電抗器濾波； 將經(jīng)過濾波后的20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流； 將20kV直流電能匯集到正直流母線與負(fù)直流母線上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述將經(jīng)過濾波后的20kV交流通過換流閥原理轉(zhuǎn)變成20kV直流，具體是指: 采用三相兩電平橋式結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管IGBT換流閥橋臂，將濾波后的20kV交流轉(zhuǎn) 變成20kV直流。
全文摘要
本發(fā)明提供一種220kV交流直降20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)，包括220kV的三相交流母線，用于匯總220kV交流電能；220kV交流側(cè)三相交流斷路器，用于隔離故障；220/20kV交流直降變壓器，用于將220kV交流電直降為20kV交流電，以及將220kV高壓側(cè)與20kV低壓側(cè)相隔離；三相電抗器，用于電壓源換流器與交流系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量交換，以及對20kV交流電進(jìn)行濾波；電壓源換流器，用于將濾波后20kV交流電通過換流閥原理轉(zhuǎn)換為20kV直流電；以及正直流母線與負(fù)直流母線，用于匯集所述20kV直流電能。本發(fā)明實(shí)施例首次提出220kV交流直降為20kV柔性直流輸配電系統(tǒng)及方法，可以有效減少110kV電壓層級，節(jié)約土地資源；同時采用柔性直流輸電，可提高電能質(zhì)量、快速獨(dú)立控制有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)、適宜可再生能源饋入。
文檔編號H02J5/00GK103117566SQ20131005156
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月17日
發(fā)明者王世祥 申請人:深圳供電局有限公司