《混合直流輸電拓撲系統》是南方電網科學研究院有限責任公司、中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心於2015年11月12日申請的專利，該專利的公布號為CN105262125A，授權公布日為2016年1月20日，發明人是黃偉煌、李明、黎小林、黃瑩、饒宏等。該發明涉及直流輸電系統技術領域。
《混合直流輸電拓撲系統》包括整流側換流站和連線整流側換流站的逆變側換流站，整流側換流站包括整流側換流變壓器和電網換相換流器，逆變側換流站包括採用全橋子模組拓撲或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，以及連線模組化多電平換流器的逆變側換流變壓器。該混合直流輸電拓撲系統可以在傳統直流輸電系統的基礎上，通過將逆變側電網換相型換流器替換為採用全橋子模組拓撲或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，將傳統直流輸電系統改造為柔性直流換流站，從而形成混合直流拓撲。通過在傳統的直流輸電系統的基礎上進行改造的方式，能夠充分利用被改造端的傳統直流輸電一次設備，減小額外採購設備的數量，縮短改造工期，降低成本。
2021年11月，《混合直流輸電拓撲系統》獲得第八屆廣東專利獎金獎。
（概述圖為《混合直流輸電拓撲系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：混合直流輸電拓撲系統
- 申請人：南方電網科學研究院有限責任公司、中國南方電網有限責任公司電網技術研究中心
- 申請日：2015年11月12日
- 申請號：201510772656X
- 發明人：黃偉煌、李明、黎小林、黃瑩、饒宏、李岩、許樹楷、劉濤、尋斌斌、李婧靚、田凌、鐘澎
- 公布號：CN105262125A
- 公布日：2016年1月20日
- 地址：廣東省廣州市越秀區東風東路水均崗8號
- 分類號：H02J3/36(2006.01)I
- 代理機構：廣州華進聯合專利商標代理有限公司
- 代理人：李巍
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2015年前直流輸電系統主要有基於電網換相技術的傳統直流輸電系統（LCC-HVDC）和基於電壓源型換流器的柔性直流輸電系統（VSC-HVDC）。傳統直流輸電系統輸送容量大、成本低，但存在逆變側易換相失敗，對交流系統的依賴性強等缺點。而柔性直流輸電系統能夠獨立調節有功功率和無功功率，具有優越的可控性和靈活性，可有效解決受端電網就地電源支撐相對不足、電壓穩定薄弱等問題，然而柔性直流成本較高，且損耗相對較高。因此結合傳統直流輸電和柔性直流輸電優勢的混合直流輸電具有工程套用前景。
柔性直流和傳統直流在電路結構和工作原理上存在較大差異，從而導致其交流場和直流場的一次設備也有很大不同。傳統的混合直流輸電拓撲柔性直流端一次設備採用柔性直流輸電系統的原則進行設計，從而仍然具有柔性直流成本較高，且損耗相對較高的缺點。
發明內容
專利目的
《混合直流輸電拓撲系統》的目的是提供一種成本低的混合直流輸電拓撲系統。
技術方案
《混合直流輸電拓撲系統》包括整流側換流站和連線所述整流側換流站的逆變側換流站，所述整流側換流站包括整流側換流變壓器和電網換相換流器，所述電網換相換流器連線所述整流側換流變壓器和所述逆變側換流站；所述整流側換流變壓器接入交流電進行變壓處理後輸出至所述電網換相換流器，所述電網換相換流器對變壓處理後的交流電進行整流得到直流電輸送至所述逆變側換流站。
所述逆變側換流站包括採用全橋子模組拓撲或採用全橋子模組拓撲和半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，以及連線所述模組化多電平換流器的逆變側換流變壓器，所述模組化多電平換流器連線所述電網換相換流器，對所述電網換相換流器輸送的直流電進行轉換得到交流電並輸送至所述逆變側換流變壓器，所述逆變側換流變壓器對接收的交流電進行變壓處理後輸出。
改善效果
《混合直流輸電拓撲系統》包括整流側換流站和連線整流側換流站的逆變側換流站，整流側換流站包括整流側換流變壓器和電網換相換流器，逆變側換流站包括採用全橋子模組拓撲或採用全橋子模組拓撲和半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，以及連線模組化多電平換流器的逆變側換流變壓器。該混合直流輸電拓撲系統可以在傳統直流輸電系統的基礎上，通過將逆變側電網換相型換流器替換為採用全橋子模組拓撲或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，保留傳統直流輸電系統逆變側換流變壓器，將傳統直流輸電系統改造為柔性直流換流站，從而形成混合直流拓撲。通過在傳統的直流輸電系統的基礎上進行改造的方式，能夠充分利用被改造端的傳統直流輸電一次設備，減小額外採購設備的數量，縮短改造工期，降低成本。
附圖說明
圖1為一實施例中混合直流輸電拓撲系統的結構圖；
圖2為一實施例中混合直流輸電拓撲系統的示意圖；
圖3為另一實施例中混合直流輸電拓撲系統的示意圖；
圖4為又一實施例中混合直流輸電拓撲系統的示意圖；
圖5為又一實施例中混合直流輸電拓撲系統的示意圖；
圖6為一實施例中模組化多電平換流器的示意圖；
圖7為一實施例中全橋子模組的示意圖；
圖8為一實施例中半橋子模組的示意圖。
權利要求
1.《混合直流輸電拓撲系統》其特徵在於，包括整流側換流站和連線所述整流側換流站的逆變側換流站，所述整流側換流站包括整流側換流變壓器和電網換相換流器，所述電網換相換流器連線所述整流側換流變壓器和所述逆變側換流站；所述整流側換流變壓器接入交流電進行變壓處理後輸出至所述電網換相換流器，所述電網換相換流器對變壓處理後的交流電進行整流得到直流電輸送至所述逆變側換流站；所述逆變側換流站包括採用全橋子模組拓撲或採用全橋子模組拓撲和半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，以及連線所述模組化多電平換流器的逆變側換流變壓器，所述模組化多電平換流器連線所述電網換相換流器，對所述電網換相換流器輸送的直流電進行轉換得到交流電並輸送至所述逆變側換流變壓器，所述逆變側換流變壓器對接收的交流電進行變壓處理後輸出。
2.根據權利要求1所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述電網換相換流器為由半控型功率半導體組成的十二脈動橋式換流器，且每個所述十二脈動橋式換流器由兩個六脈動橋式換流器串聯構成。
3.根據權利要求2所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述半控型功率半導體為晶閘管。
4.根據權利要求1所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述全橋子模組拓撲為由可關斷的全控型功率半導體以及儲能電容組成且可輸出正電平、負電平和零電平的拓撲結構，所述半橋子模組拓撲為由可關斷的全控型功率半導體以及儲能電容組成且可輸出正電平和零電平的拓撲結構。
5.根據權利要求4所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述可關斷的全控型功率半導體包括絕緣柵雙極型電晶體、集成門極換流晶閘管、可關斷晶閘管、電力場效應管、電子注入增強柵電晶體、門極換流晶閘管和碳化矽增強型結型場效應電晶體中的至少一種。
6.根據權利要求1所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述整流側換流變壓器和所述逆變側換流變壓器均為雙繞組變壓器。
7.根據權利要求1所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述整流側換流變壓器和所述逆變側換流變壓器均為三繞組變壓器。
8.根據權利要求1所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，還包括直流架空線，所述電網換相換流器通過所述直流架空線與所述模組化多電平換流器連線。
9.根據權利要求8所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述逆變側換流站還包括交流穿牆套管和直流穿牆套管，所述模組化多電平換流器通過所述交流穿牆套管與所述逆變側換流變壓器連線，所述模組化多電平換流器通過所述直流穿牆套管與所述直流架空線連線。
10.根據權利要求1所述的混合直流輸電拓撲系統，其特徵在於，所述整流側換流站還包括連線所述電網換相換流器的整流側接地極，所述逆變側換流站還包括連線所述塊化多電平換流器的逆變側接地極。
實施方式
《混合直流輸電拓撲系統》如圖1所示，包括整流側換流站100和連線整流側換流站100的逆變側換流站200。
整流側換流站100包括整流側換流變壓器110和電網換相換流器120，電網換相換流器120連線整流側換流變壓器110和逆變側換流站200。整流側換流變壓器110接入交流電進行變壓處理後輸出至電網換相換流器120，電網換相換流器120對變壓處理後的交流電進行整流得到直流電輸送至逆變側換流站200。
逆變側換流站200包括採用全橋子模組拓撲或或採用全橋子模組拓撲和半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器210，以及連線模組化多電平換流器210的逆變側換流變壓器220，即該實施例中模組化多電平換流器210可採用全橋子模組拓撲結構，或者採用全橋子模組拓撲和半橋子模組拓撲混合結構。模組化多電平換流器210連線電網換相換流器120，對電網換相換流器120輸送的直流電進行轉換得到交流電並輸送至逆變側換流變壓器220，逆變側換流變壓器220對接收的交流電進行變壓處理後輸出。
通過對直流輸電系統進行改造，將逆變側電網換相型換流器替換為模組化多電平換流器210，從而將傳統直流換流站改造為柔性直流換流站，節省建設混合直流輸電系統的成本。該實施例中直流輸電系統是採用雙極結構的架空線直流輸電系統，電壓等級既可以是超高壓，也可以是特高壓。具體地，逆變側換流站200每一極由兩個或者多個模組化多電平換流器210組成，能夠降低對柔性直流換流器通流能力的要求，降低柔性直流換流器的製造難度和製造成本。
在其中一個實施例中，如圖2所示，電網換相換流器120為由半控型功率半導體組成的十二脈動橋式換流器，且每個十二脈動橋式換流器由兩個六脈動橋式換流器串聯構成。採用十二脈動橋式換流器可以簡化濾波裝置，節省換流站造價。該實施例中半控型功率半導體具體為晶閘管，操作簡單、可靠性高且成本低。可以理解，在其他實施例中，電網換相換流器120也可以是其他類型的換流器，且具體的組成器件也可不同。
在其中一個實施例中，繼續參照圖2，模組化多電平換流器210的全橋子模組拓撲為由可關斷的全控型功率半導體以及儲能電容組成且可輸出正電平、負電平、零電平的拓撲結構，提高模組化多電平換流器210的穩定性和適用性。模組化多電平換流器210的半橋子模組拓撲為由可關斷的全控型功率半導體以及儲能電容組成且可輸出正電平和零電平的拓撲結構。模組化多電平換流器210的全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合為模組化多電平換流器210一個橋臂內既有一定數量的全橋子模組，又有一定數量的半橋子模組的拓撲結構，降低模組化多電平換流器210的造價和成本。將逆變側電網換相型換流器替換為模組化多電平換流器210，是指將每一個六脈動橋式換流器替換為一個模組化多電平換流器210。該實施例中可關斷的全控型功率半導體包括絕緣柵雙極型電晶體、集成門極換流晶閘管、可關斷晶閘管、電力場效應管、電子注入增強柵電晶體、門極換流晶閘管和碳化矽增強型結型場效應電晶體中的至少一種。可根據實際情況選取具體的類型，適用性高。
在其中一個實施例中，混合直流輸電拓撲系統還包括直流架空線300，電網換相換流器120通過直流架空線300與模組化多電平換流器210連線。通過直流架空線300傳輸直流電，結構簡單、線路造價低、走廊利用率高、運行損耗小、維護便利以及滿足大容量、長距離輸電要求。
進一步地，逆變側換流站200還包括交流穿牆套管和直流穿牆套管，模組化多電平換流器210通過交流穿牆套管與逆變側換流變壓器220連線，通過直流穿牆套管與直流架空線300連線。此外，整流側換流站100還包括連線電網換相換流器120的整流側接地極，逆變側換流站200還包括連線塊化多電平換流器210的逆變側接地極。通過對逆變側的改造，將逆變側換流站200的電網換相換流器替換為模組化多電平換流器210，保留模組化多電平換流器210與逆變側換流變壓器220的連線方式不變，保留模組化多電平換流器210與接地極的連線方式不變。
在其中一個實施例中，如圖2和圖4所示，整流側換流變壓器110和逆變側換流變壓器220均為雙繞組變壓器。在另一實施例中，如圖3和圖5所示，整流側換流變壓器110和逆變側換流變壓器220也可均為三繞組變壓器。
具體地，圖2所示的混合直流輸電拓撲系統採用三繞組換流變壓器，直流輸電電壓等級為超高壓。整流側換流站100的每一極由一個十二脈動橋式換流器構成。每一個十二脈動橋式換流器由兩個六脈動橋式換流器串聯構成，兩個六脈動橋式換流器通過交流側的三繞組變壓器與交流系統聯接。通過將逆變側換流站200的六脈動橋式換流器替換為採用全橋子模組或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器210，將逆變側換流站200改造為柔性直流換流站，從而實現混合直流輸電拓撲。逆變側換流站200的逆變側換流變壓器220予以保留，模組化多電平換流器210與逆變側換流變壓器220聯接的穿牆套管予以保留，模組化多電平換流器210與直流架空線300聯接的穿牆套管予以保留，接地極予以保留。其他交直流場一次設備根據具體實施實例予以拆除或保留。
圖3所示的混合直流輸電拓撲系統採用雙繞組換流變壓器，直流輸電電壓等級為超高壓。整流側換流站100的每一極由一個十二脈動橋式換流器構成。每一個十二脈動橋式換流器由兩個六脈動橋式換流器串聯構成，兩個六脈動橋式換流器通過交流側的雙繞組變壓器與交流系統聯接。通過將逆變側換流站200的六脈動橋式換流器替換為採用全橋子模組或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器210，將逆變側換流站200的改造為柔性直流換流站，從而實現混合直流輸電拓撲。逆變側換流站200的逆變側換流變壓器220予以保留，模組化多電平換流器210與逆變側換流變壓器220聯接的穿牆套管予以保留，模組化多電平換流器210與直流架空線300聯接的穿牆套管予以保留，接地極予以保留。其他交直流場一次設備根據具體實施實例予以拆除或保留。
圖4所示的混合直流輸電拓撲系統採用三繞組換流變壓器與交流系統聯接，直流輸電電壓等級為特高壓。整流側換流站100的每一極由兩個十二脈動橋式換流器串聯構成。每一個十二脈動橋式換流器由兩個六脈動橋式換流器串聯構成，兩個六脈動橋式換流器通過交流側的三繞組變壓器與交流系統聯接。通過將逆變側換流站200的六脈動橋式換流器替換為採用全橋子模組或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器210，將逆變側換流站200改造為柔性直流換流站，從而實現混合直流輸電拓撲。逆變側換流站200的逆變側換流變壓器220予以保留，模組化多電平換流器210與逆變側換流變壓器220聯接的穿牆套管予以保留，模組化多電平換流器210與直流架空線300聯接的穿牆套管予以保留，接地極予以保留。其他交直流場一次設備根據具體實施實例予以拆除或保留。
圖5所示的混合直流輸電拓撲系統採用雙繞組換流變壓器，直流輸電電壓等級為特高壓。整流側換流站100的每一極由兩個十二脈動橋式換流器串聯構成。每一個十二脈動橋式換流器由兩個六脈動橋式換流器串聯構成，兩個六脈動橋式換流器通過交流側的雙繞組變壓器與交流系統聯接。通過將逆變側換流站200的六脈動橋式換流器替換為採用全橋子模組或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器210，將逆變側換流站200改造為柔性直流換流站，從而實現混合直流輸電拓撲。逆變側換流站200的逆變側換流變壓器220予以保留，模組化多電平換流器210與逆變側換流變壓器220聯接的穿牆套管予以保留，模組化多電平換流器210與直流架空線300聯接的穿牆套管予以保留，接地極予以保留。其他交直流場一次設備根據具體實施實例予以拆除或保留。
圖6所示為一實施例中逆變側模組化多電平換流器的示意圖。模組化多電平換流器210每一相可以分上下兩個橋臂，每個橋臂由N個子模組和與子模組串聯的橋臂電感組成。子模組結構可以全部採用全橋型，或者部分採用全橋型，部分採用半橋型。全橋型子模組結構如圖7所示，主要包括一個儲能電容器、四個全控型功率半導體和四個反並聯二極體構成的全橋電路。每個子模組可以輸出+Uc、0、-Uc三種電平。半橋型子模組結構如圖8所示，主要包括一個儲能電容器、兩個全控型功率半導體和兩個反並聯二極體構成的半橋電路。每個子模組可以輸出+Uc和0兩種電平。通過控制模組化多電平換流器210中輸出-Uc電平子模組的數量，可以實現模組化多電平換流器210直流側和交流側的四象限運行，使得改造前後模組化多電平換流器210輸出的直流電壓大小和交流電壓大小保持不變，實現充分利用傳統直流輸電一次設備的目的。
上述混合直流輸電拓撲系統，可以在傳統直流輸電系統的基礎上，通過將逆變側電網換相型換流器替換為採用全橋子模組拓撲或全橋子模組拓撲與半橋子模組拓撲混合的模組化多電平換流器，將傳統直流輸電系統改造為柔性直流換流站，從而形成混合直流拓撲。通過在傳統的直流輸電系統的基礎上進行改造的方式，能夠充分利用被改造端的傳統直流輸電一次設備，減小額外採購設備的數量，縮短改造工期，降低成本。
榮譽表彰
2021年11月，《混合直流輸電拓撲系統》獲得第八屆廣東專利獎金獎。
