一種基于h橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，以交流方波輸電為主要特征的非正弦交流輸電方式，即選取一定的時間間隔，周期性的倒換各條交流電纜線路工作電壓、電流的極性，避免空間電荷的積累，實現(xiàn)對電纜線路的增容改造。充分利用了H橋MMC直流側(cè)電壓極性、大小可靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，以及H橋換流鏈的雙向阻斷、雙向?qū)ㄌ匦?，使交流輸電線路工作于方波交流輸電模式下，不僅大大提高原交流電纜線路的輸送能力，還避免了交流電纜在三極直流方式下的空間電荷積累效應(yīng)，為解決城市電纜線路輸電增容改造難題提供了新思路。
【專利說明】-種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及輸電系統(tǒng)，具體涉及一種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系 統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展速度加快，城市用電負荷不斷增長，客觀上要求電網(wǎng)規(guī)模與 傳輸容量保持持續(xù)發(fā)展，然而新增輸電走廊面臨越來越多的經(jīng)濟與環(huán)保限制，尤其是大型 城市中心區(qū)域，增加傳統(tǒng)架空輸電線路不符合城市規(guī)劃要求，新增地下電纜也受到多方限 制，矛盾日益突出?？傮w來看，目前城市電網(wǎng)普遍存在以下問題 ：
[0003] (1)城市用電負荷增加，交流電纜線路輸送能力不足，線路走廊匱乏。
[0004] 以遼寧電網(wǎng)為例，截止2012年底，遼寧省市轄供電區(qū)66千伏公用線路最大負載 率超過80%的重載線路比例達到6%左右，N-1通過率僅為85%，部分聯(lián)絡(luò)線路由于重載 不能滿足N-1要求；遼寧省市轄10千伏公用線路重載比例達到10%左右，N-1通過率僅為 72 %。對于這些重載的交流電纜線路，無法通過加裝FACTS裝置大幅提高輸送能力，而新建 線路遇到的阻力越來越大，特別是進城的線路工程，在征地、環(huán)保方面難以得到支持。另外， 城市電網(wǎng)的建設(shè)成本也在逐年提升，尤其是電纜線路工程的造價上升較快。因此，通過技改 工程等途徑，在利用現(xiàn)有線路走廊及線路設(shè)施的情況下，提高線路傳輸容量，成為城市電網(wǎng) 發(fā)展的必由之路。
[0005] (2)城市電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益緊密，短路電流問題突出。
[0006] 城市電網(wǎng)發(fā)展速度較快，電網(wǎng)線路相互交織，緊密程度較高，等效阻抗較小，導致 電網(wǎng)的短路電流水平較高。如采用新建交流電纜線路來解決城市電網(wǎng)供電能力不足的問 題，將會造成電網(wǎng)進一步緊密，等效阻抗進一步減小，從而導致短路電流增大，影響電網(wǎng)安 全運行。
[0007] (3)城市電網(wǎng)無功電壓調(diào)節(jié)日趨困難，電壓穩(wěn)定性問題不容忽視。
[0008] 城市電網(wǎng)中電纜線路日益增多，市區(qū)變電站受用地限制，感性無功配置普遍不足， 無功電壓調(diào)節(jié)日趨困難，尤其是電網(wǎng)低谷負荷時段，電壓偏高情況嚴重。此外，城市電網(wǎng)中 空調(diào)負荷、電動機負荷比重較大，由于快速的動態(tài)無功調(diào)整能力不足，電網(wǎng)高峰負荷時段動 態(tài)電壓穩(wěn)定問題逐漸突出。
[0009] 鑒于上述問題，有必要拓展新的思路，研究新的技術(shù)手段，既要充分發(fā)揮現(xiàn)有線路 走廊輸?shù)妮旊姖摿?，又要防止出現(xiàn)短路電流超標和動態(tài)無功支撐不足等問題。
[0010] 從輸電線路方面來看，制約交流電纜線路傳輸容量的主要因素是絕緣耐受能力。 目前，交流系統(tǒng)的絕緣按照電壓峰值設(shè)計，但是傳輸容量是由電壓有效值決定，僅為峰值的 71%。定性分析，直流電壓下電場強度與電導率成反比分布，該特性使線路絕緣中氣隙等絕 緣弱點承受的電場強度較小，電場分布更合理。同時直流高壓下固體電介質(zhì)的氣隙中發(fā)生 局部放電后，由放電產(chǎn)生的電荷會使氣隙里的場強減弱，從而抑制氣隙內(nèi)局部放電的發(fā)展。 而交流情況下，其電場強度與介電常數(shù)成反比，導致氣泡所承受的電場強度高于絕緣材料， 同時電壓不斷改變方向，每個半波里都重復(fù)發(fā)生局部放電，促使電介質(zhì)材料分解、老化、變 質(zhì)等損傷，所以直流電壓下聚合物絕緣層的局部放電現(xiàn)象遠沒有交流電壓下的嚴重。因此 相同絕緣的直流耐受電壓比交流耐受電壓要高。此外，交流輸電系統(tǒng)由于其自身的特性，操 作過電壓水平通常在2. 5pu?3pu，為保證安全運行，交流系統(tǒng)絕緣耐受能力需按額定電壓 的2. 5倍甚至更高來選取。而直流輸電系統(tǒng)操作過電壓水平低于交流輸電系統(tǒng)，因此相同 的絕緣裕度下，直流運行電壓可以高于交流運行電壓。
[0011] 對于電纜線路，由于其對地電容要比架空線路大得多，如果采用交流輸電方式并 且當電纜長度超過一定數(shù)值（如40?60km)時，就會出現(xiàn)電容電流占用電纜芯線全部有 效負載能力的情況。上已述及，將原有輸電系統(tǒng)改為直流運行可提高輸送能力，但是，交流 電纜線路在直流工況下空間電荷積累嚴重，長時間加壓后絕緣中電場強度可增至初始值的 7?9倍。而實際運行的交流電纜在研制時沒有考慮空間電荷問題，所以將交流電纜線路轉(zhuǎn) 為直流運行后，空間電荷將導致電場畸變，嚴重時可引起電纜絕緣的擊穿。 實用新型內(nèi)容
[0012] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種基于H橋子模塊的非正弦 交流輸電系統(tǒng)，以交流方波輸電為主要特征的非正弦交流輸電方式，即選取一定的時間間 隔，周期性的倒換各條交流電纜線路工作電壓、電流的極性，避免空間電荷的積累，實現(xiàn)對 電纜線路的增容改造。充分利用了 H橋MMC直流側(cè)電壓極性、大小可靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，以及 H橋換流鏈的雙向阻斷、雙向?qū)ㄌ匦?，使交流輸電線路工作于方波交流輸電模式下，不僅 大大提高原交流電纜線路的輸送能力，還避免了交流電纜在三極直流方式下的空間電荷積 累效應(yīng)，為解決城市電纜線路輸電增容改造難題提供了新思路。
[0013] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取如下方案：
[0014] 本發(fā)明提供一種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括與送端交 流系連接的送端電壓源換流器、與受端交流系統(tǒng)連接的受端電壓源換流器以及依次連接于 所述端電壓源換流器和所述受端電壓源換流器之間的送端極間電流切換開關(guān)和受端極間 電流切換開關(guān)；
[0015] 所述送端電壓源換流器和受端電壓源換流器均為H橋模塊化多電平電壓源換流 器；所述H橋模塊化多電平電壓源換流器的每個橋臂均包括N個依次串聯(lián)的H橋子模塊。 [0016] 所述送端極間電流切換開關(guān)包括送端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和送端下橋臂電流轉(zhuǎn) 移開關(guān)；
[0017] 所述送端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)包括H橋子模塊串聯(lián)支路及由分壓電阻和雙向旁 路晶閘管并聯(lián)組成的Rl-Thl支路；H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接所述送端電壓源換流器正 極，另一端連接第三極交流電纜線路；所述送端電壓源換流器的正極通過連接Rl-Thl支路 與所述第一極交流電纜線路連接；
[0018] 所述送端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)包括H橋子模塊串聯(lián)支路及由分壓電阻和雙向旁 路晶閘管并聯(lián)組成的R2-Th2支路；H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接所述送端電壓源換流器負 極，另一端連接第三極交流電纜線路；所述送端電壓源換流器的負極通過連接R2_Th2支路 與所述第二極交流電纜線路連接。
[0019] 所述受端極間電流切換開關(guān)包括受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和受端下橋臂電流轉(zhuǎn) 移開關(guān)；所述受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)均包括H橋子模塊串聯(lián) 支路；
[0020] 所述受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)中的H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接第一極交流電 纜線路，另一端連接第三極交流電纜線路；
[0021] 所述受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)中的H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接第二極交流電 纜線路，另一端連接第三極交流電纜線路。
[0022] 所述H橋子模塊串聯(lián)支路包括N個串聯(lián)的H橋子模塊。
[0023] 所述送端電壓源換流器和受端電壓源換流器、送端極間電流切換開關(guān)和受端極間 電流切換開關(guān)中的H橋子模塊均包括兩組相同的IGBT串聯(lián)橋臂，每個橋臂均由兩個IGBT 模塊串聯(lián)組成，每個IGBT模塊均包括IGBT和與所述IGBT反并聯(lián)的二極管，所述IGBT串聯(lián) 橋臂分別與直流電容并聯(lián)。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果在于：
[0025] 1、充分利用了H橋MMC直流側(cè)電壓極性、大小可靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，以及H橋換流鏈 的雙向阻斷、雙向?qū)ㄌ匦裕菇涣鬏旊娋€路工作于方波交流輸電模式下，提高原交流電纜 線路輸送能力50%以上；
[0026] 2、可以避免交流電纜線路在三極直流方式下的空間電荷積累效應(yīng)，適用于交流電 纜線路的增容改造；
[0027] 3、能夠充分、均衡利用三相交流電纜線路的通流能力，而且三相電流之和在任意 時刻為零，不會產(chǎn)生流經(jīng)大地的零序環(huán)流；
[0028] 4、具備動態(tài)無功支撐和系統(tǒng)調(diào)壓的能力，不會增加系統(tǒng)短路電流，并且可向無源 網(wǎng)絡(luò)供電；
[0029] 5、采用的核心部件為H橋子模塊，技術(shù)成熟度高，可擴展性強，推廣應(yīng)用前景良 好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明實施例中基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031] 圖2是本實用新型實施例中H橋子模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3是本實用新型實施例中基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)中各極交流電 纜線路電流、電壓變化示意圖。

【具體實施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0034] 本實用新型提供了一種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，以交流方波輸電 為主要特征的非正弦交流輸電方式，即選取一定的時間間隔，周期性的倒換各條交流電纜 線路工作電壓、電流的極性，避免空間電荷的積累，實現(xiàn)對電纜線路的增容改造。充分利用 了H橋MMC直流側(cè)電壓極性、大小可靈活調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，以及H橋換流鏈的雙向阻斷、雙向?qū)?通特性，使交流輸電線路工作于方波交流輸電模式下，不僅大大提高原交流電纜線路的輸 送能力，還避免了交流電纜在三極直流方式下的空間電荷積累效應(yīng)，為解決城市電纜線路 輸電增容改造難題提供了新思路。
[0035] 如圖1，本發(fā)明提供一種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括與 送端交流系連接的送端電壓源換流器、與受端交流系統(tǒng)連接的受端電壓源換流器以及依次 連接于所述端電壓源換流器和所述受端電壓源換流器之間的送端極間電流切換開關(guān)和受 端極間電流切換開關(guān)；
[0036] 所述送端電壓源換流器和受端電壓源換流器均為H橋模塊化多電平電壓源換流 器；所述H橋模塊化多電平電壓源換流器的每個橋臂均包括N個依次串聯(lián)的H橋子模塊。
[0037] 所述送端極間電流切換開關(guān)包括送端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和送端下橋臂電流轉(zhuǎn) 移開關(guān)；
[0038] 所述送端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)包括H橋子模塊串聯(lián)支路及由分壓電阻和雙向旁 路晶閘管并聯(lián)組成的Rl-Thl支路；H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接所述送端電壓源換流器正 極，另一端連接第三極交流電纜線路；所述送端電壓源換流器的正極通過連接Rl-Thl支路 與所述第一極交流電纜線路連接；
[0039] 所述送端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)包括H橋子模塊串聯(lián)支路及由分壓電阻和雙向旁 路晶閘管并聯(lián)組成的R2-Th2支路；H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接所述送端電壓源換流器負 極，另一端連接第三極交流電纜線路；所述送端電壓源換流器的負極通過連接R2_Th2支路 與所述第二極交流電纜線路連接。
[0040] 所述受端極間電流切換開關(guān)包括受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和受端下橋臂電流轉(zhuǎn) 移開關(guān)；所述受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)均包括H橋子模塊串聯(lián) 支路；
[0041] 所述受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)中的H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接第一極交流電 纜線路，另一端連接第三極交流電纜線路；
[0042] 所述受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)中的H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接第二極交流電 纜線路，另一端連接第三極交流電纜線路。
[0043] 所述H橋子模塊串聯(lián)支路包括N個串聯(lián)的H橋子模塊。
[0044] 如圖2,所述送端電壓源換流器和受端電壓源換流器、送端極間電流切換開關(guān)和受 端極間電流切換開關(guān)中的H橋子模塊均包括兩組相同的IGBT串聯(lián)橋臂，每個橋臂均由兩個 IGBT模塊串聯(lián)組成，每個IGBT模塊均包括IGBT和與所述IGBT反并聯(lián)的二極管，所述IGBT 串聯(lián)橋臂分別與直流電容并聯(lián)。
[0045] 送端電壓源換流器能夠通過控制H橋子模塊不同開關(guān)器件的導通和關(guān)斷實現(xiàn) +/-/〇三種輸出電壓，實現(xiàn)送端電壓源換流器對交流輸電線路輸出電壓極性的周期性倒換。
[0046] 所述送端電壓源換流器的輸入端接入送端交流系統(tǒng)的同一母線或不同母線；所述 受端電壓源換流器接入受端交流系統(tǒng)的同一母線或不同母線。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括與送端交 流系連接的送端電壓源換流器、與受端交流系統(tǒng)連接的受端電壓源換流器以及依次連接于 所述端電壓源換流器和所述受端電壓源換流器之間的送端極間電流切換開關(guān)和受端極間 電流切換開關(guān)； 所述送端電壓源換流器和受端電壓源換流器均為H橋模塊化多電平電壓源換流器；所 述H橋模塊化多電平電壓源換流器的每個橋臂均包括N個依次串聯(lián)的H橋子模塊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，其特征在于：所述 送端極間電流切換開關(guān)包括送端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和送端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)； 所述送端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)包括H橋子模塊串聯(lián)支路及由分壓電阻和雙向旁路晶 閘管并聯(lián)組成的Rl - Thl支路；H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接所述送端電壓源換流器正極， 另一端連接第三極交流電纜線路；所述送端電壓源換流器的正極通過連接Rl - Thl支路與 第一極交流電纜線路連接； 所述送端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)包括H橋子模塊串聯(lián)支路及由分壓電阻和雙向旁路晶 閘管并聯(lián)組成的R2 - Th2支路；H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接所述送端電壓源換流器負極， 另一端連接第三極交流電纜線路；所述送端電壓源換流器的負極通過連接R2 - Th2支路與 第二極交流電纜線路連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，其特征在于：所述 受端極間電流切換開關(guān)包括受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)；所述受 端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)和受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)均包括H橋子模塊串聯(lián)支路； 所述受端上橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)中的H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接第一極交流電纜線 路，另一端連接第三極交流電纜線路； 所述受端下橋臂電流轉(zhuǎn)移開關(guān)中的H橋子模塊串聯(lián)支路一端連接第二極交流電纜線 路，另一端連接第三極交流電纜線路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，其特征在于：所述H橋子模塊串聯(lián)支路包括N個串聯(lián)的H橋子模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于H橋子模塊的非正弦交流輸電系統(tǒng)，其特征在于：所述 送端電壓源換流器和受端電壓源換流器、送端極間電流切換開關(guān)和受端極間電流切換開關(guān) 中的H橋子模塊均包括兩組相同的IGBT串聯(lián)橋臂，每個橋臂均由兩個IGBT模塊串聯(lián)組成， 每個IGBT模塊均包括IGBT和與所述IGBT反并聯(lián)的二極管，所述IGBT串聯(lián)橋臂分別與直 流電容并聯(lián)。
【文檔編號】H02J3/00GK204144944SQ201420591157
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】周飛, 田鑫, 于弘洋, 荊平, 葛維春, 劉劍, 張宏宇, 全成浩, 沈方, 孫剛, 宋穎巍, 胡大龍, 劉巖, 龔樹東, 宋卓然, 趙德偉, 楊繼業(yè), 呂忠華, 高靖, 王長春, 孫巖, 李寧, 萬青, 蔣理, 寧遼逸, 劉靖波, 陳國龍 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院