СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМОЙ ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF HYBRID SYSTEM OF DIRECT CURRENT TRANSMISSION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области электропередачи постоянного тока (DC), а именно, к способу и устройству, применяющемуся в системе электропередачи постоянного тока, как минимум, один из концов которого образован модульным многоуровневым преобразователем, в частности, к способу и устройству управления гибридной системой электропередачи постоянного тока.
Существующий уровень техники
Технологию высоковольтной передачи постоянного тока (HVDC) можно разделить на два типа: HVDC на основе преобразователя с линейной коммутацией (LCC-HVDC) и HVDC на основе преобразователя с питанием от источника напряжения (VSC-HVDC). Преимущества технологии LCC-HVDC - низкая стоимость, невысокий уровень потерь и большой срок службы. Большая часть всех систем передачи постоянного тока работает на технологии LCC-HVDC. Однако у технологии LCC-HVDC есть и недостатки, такие как частое опрокидывание, зависимость от связанной системы переменного тока (АС), большое потребление реактивной мощности, высокие требования к площади, занимаемой преобразовательной подстанцией, и т.д. Технология нового поколения VSC-HVDC позволяет управлять процессом разъединения активной и реактивной мощности, не требует компенсации мощности; устройство отличается компактностью конструкции, не занимает много места и решает проблему опрокидывания. Однако на данный момент эта технология обладает некоторыми недостатками, например, высокая стоимость, значительное рассеивание мощности и т.д. Поэтому создание гибридной системы передачи постоянного тока, в которой передающий конец образован преобразователем с линейной коммутацией, а принимающий конец - преобразователем с питанием от источника напряжения, позволяет сочетать преимущества и компенсировать недостатки обеих технологий, т.е. получить более высокую номинальную мощность на единицу преобразователя с линейной коммутацией и сократить расходы на установку за счет использования технологии LCC, увеличить срок службы и эффективность работы за счет использования технологии LCC, сократить потребность в площади за счет использования преобразователей VSC, не требующих установки фильтров, получить возможность автономного пуска и независимого контроля качества благодаря технологии VSC и устранить вероятность опрокидывания за счет технологии VSC. Таким образом, у гибридной системы HVDC имеется множество вариантов применения.
Однако существующая гибридная система передачи постоянного тока имеет следующий недостаток: при сбое в сети переменного тока, где расположен преобразователь LCC, с передающего конца, в особенности при пробое на землю, выходное напряжение постоянного тока с преобразователя LCC снижается в зависимости от снижения напряжения переменного тока. Тем не менее, в рамках существующей технологии VSC-HVDC напряжением постоянного тока на преобразователе VSC невозможно управлять по отдельности и напрямую и подстраивать его под эталонное напряжение постоянного тока, вместо этого напряжением можно управлять только опосредованно, за счет изменения напряжения на конденсаторе или напряжения на подмодуле. Кроме того, напряжение постоянного тока невозможно уменьшать на большие значения из-за ограничений индекса модуляции. Поэтому в случае значительного падения напряжения переменного тока на передающем конце максимальное напряжение постоянного тока на выпрямителе LCC будет меньше, чем на обратном преобразователе VSC. В таком случае постоянный ток мгновенно снижается до нулевого значения, в результате чего происходит разрыв в линии электропередачи, что влечет за собой больше отрицательных последствий для связанной системы переменного тока, чем простое опрокидывание. Продолжительность разрыва в линии электропередачи практически равна продолжительности опрокидывания. Поэтому поиск эффективного способа управления передачей, позволяющего избежать разрыва электропередачи в таких случаях, остается актуальным.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ и устройство управления гибридной системой электропередачи постоянного тока для эффективного управления напряжением и постоянным током с многоуровневого преобразователя, позволяющего избежать разрыва электропередачи в случае сбоя в сети переменного тока со стороны преобразователя LCC.
Для достижения заявленной задачи в настоящем изобретении применяются следующее техническое решение:
Предлагается способ управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, где гибридная система электропередачи постоянного тока состоит из выпрямительной станции преобразователя, подключенной к электросети переменного тока с передающего конца, станции обратного преобразователя, подключенной к электросети переменного тока с принимающего конца, и линии электропередачи постоянного тока, соединяющей выпрямительную преобразующую станцию и станцию обратного преобразователя, при этом выпрямительная преобразующая станция состоит из, как минимум, одной группы устройств преобразователей тока CSC, а станция обратного преобразователя состоит из, как минимум, одной группы модульных многоуровневых преобразователей. Способ включает в себя: регулировку общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под напряжение постоянного тока выпрямительной подстанции на другом конце; или регулировку общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под величину постоянного тока или мощность постоянного тока; регулировку общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под величину постоянного тока и напряжение постоянного тока выпрямительной подстанции на другом конце.
Согласно настоящему способу управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, напряжение постоянного тока выпрямительной станции на другом конце соответствует фактическому измеренному напряжению постоянного тока или расчетному значению постоянного тока.
Согласно настоящему способу управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, общее количество вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя соответствует числу всех фактически действующих подмодулей, которые выдают уровень, отличный от нуля, для одной фазы модульного многоуровневого преобразователя.
Согласно настоящему способу управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, подмодули, которые способны выдавать отрицательный уровень используются в качестве плечей модульного многоуровневого преобразователя.
Настоящее изобретение также предлагает устройство управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, которое состоит из блока дискретизации, определяющего блока и главного управляющего блока, при этом:
блок дискретизации применяется для получения напряжения и постоянного тока гибридной системы электропередачи постоянного тока, переменного тока сети переменного тока, к которой подключен модульный многоуровневый преобразователь и напряжения на конденсаторе для подмодулей модульного многоуровневого преобразователя;
определяющий блок применяется для определения наличия отклонения по мощности или величине постоянного тока, который передается по системе электропередачи постоянного тока, от эталонного значения исходя из соответствующего аналогового значения, полученного блоком дискретизации;
главный управляющий блок используется для регулировки общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под напряжение постоянного тока выпрямительной подстанции на другом конце; или
регулировки общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под величину постоянного тока или мощность постоянного тока; или
регулировки общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под величину постоянного тока и напряжение постоянного тока выпрямительной подстанции на другом конце.
Применение вышеперечисленных решений позволяет достичь полезного эффекта:
(1) Благодаря способу управления согласно настоящему изобретению, можно регулировать выход по напряжению постоянного тока в большом диапазоне от -Ud до +Ud, что позволит избежать разрывов на линии электропередачи из-за сбоев в сети переменного тока со стороны LCC.
(2) Благодаря способу управления согласно настоящему изобретению, гибридная система электропередачи постоянного тока может эффективно управлять постоянным током и мощностью постоянного тока.
(3) Благодаря способу управления согласно настоящему изобретению, полярность напряжения гибридной системы электропередачи постоянного тока можно быстро обращать.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 - схема гибридной двусторонней системы электропередачи постоянного тока на основе однополюсной симметричной обмотки;
Фигура 2 - схема гибридной двусторонней системы электропередачи постоянного тока на основе двухполюсной симметричной обмотки;
Фигура 3 - логическая блок-схема способа управления гибридной системой электропередачи постоянного тока согласно настоящему изобретению;
Фигура 4 - конструктивная блок-схема устройства управления гибридной системой электропередачи постоянного тока согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приводится описание вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.
Гибридная система электропередачи постоянного тока состоит из выпрямительной станции преобразователя, подключенной к электросети переменного тока с передающего конца, станции обратного преобразователя, подключенной к электросети переменного тока с принимающего конца, и линии электропередачи постоянного тока, соединяющей выпрямительную преобразующую станцию и станцию обратного преобразователя. Станция обратного преобразования подключена к электросети переменного тока с принимающего конца через трансформатор. Выпрямительная преобразующая станция состоит из, как минимум, одной группы устройств преобразователей тока CSC, а станция обратного преобразователя состоит из, как минимум, одной группы модульных многоуровневых преобразователей
Как правило, на выпрямительной преобразовательной станции установлен преобразователь тока CSC на основе тиристора, при этом у преобразователя тока может быть шестипульсный мостиковый контур, двенадцатипульсный мостиковый контур или двойной двенадцатипульсный мостиковый контур. На станции обратного преобразователя установлен модульный многоуровневый преобразователь на основе полностью управляемого силового электронного устройства. Подмодули, которые способны выдавать отрицательный уровень, используются в качестве плечей модульного многоуровневого преобразователя, например, такие полные мостовые подмодули, полюсные двойные подмодули или сдвоенные полюсные двойные подмодули. Подмодули оснащены полностью управляемым коммутационным аппаратом, например, БТИЗ, БТКЗ, ИТОЗ или запираемый тиристор.
На Фигуре 1 показана гибридная двусторонняя система электропередачи постоянного тока на основе однополюсной симметричной обмотки, а на Фигуре 2 показана гибридная двусторонняя система электропередачи постоянного тока на основе двухполюсной симметричной обмотки. Это наиболее часто используемые гибридные двусторонние системы электропередачи постоянного тока. Настоящее изобретение относится к гибридным двусторонним системам электропередачи постоянного тока, показанным на Фигурах 1 и 2, но не ограничивается ими. Описанный способ относится ко всем гибридным системам электропередачи постоянного тока. Ниже приводится вариант осуществления со ссылкой на Фигуру 2.
Как показано на Фигуре 2, гибридная система электропередачи постоянного тока состоит из выпрямительной преобразовательной станции и станции обратного преобразования, которые соединяются двумя линиями электропередачи постоянного тока. Выпрямительная преобразовательная станция применяется для преобразования трехфазного переменного тока сети переменного тока на передающем конце в постоянный ток и передачи постоянного тока на станцию обратного преобразования по линии электропередачи. Исходя из технологических условий системы требуется определить, подключен ли пассивный фильтр к шине на входе электросети переменного тока на передающем конце. Если используется тиристорный преобразователь тока, необходимо использовать пассивный фильтр, а в некоторых случаях - и дополнительный конденсатор реактивной мощности. Выпрямительная преобразовательная станция согласно Фигуре 2 образована путем последовательного соединения тиристорных преобразователей, которые образуют каскадный узел, подключающийся к электроду заземления. Кроме последовательного соединения, положительный и отрицательный конец подключаются к линиям электропередачи через сглаживающий реактор. Кроме того, между линией электропередачи и землей установлен фильтр постоянного тока.
Тиристорный преобразователь имеет двенадцатипульсный мостиковый контур, каждое плечо которого образовано путем последовательного соединения нескольких тиристоров, а управление тиристорным преобразователем осуществляется в соответствии с постоянной политикой управления мощностью. Тиристорный преобразователь подключен к сети переменного тока на передающем конце через трехобмоточный трансформатор по схеме Y0/Y/Δ, а выключатель переменного тока находится со стороны первичной обмотки трансформатора. Трансформатор преобразует уровень напряжения под трехфазный переменный ток системы переменного тока на передающем конце, чтобы подстроиться к требуемому уровню напряжения постоянного тока. Другая схема вторичной обмотки трансформатора обеспечивает трехфазный переменный ток с фазовым углом 30° для верхнего и нижнего шестипульсного мостикового контура двенадцатипульсного мостикового тиристорного преобразователя, чтобы снизить ток гармонической составляющей, поступающий в электросеть.
Станция обратного преобразователя предназначена для преобразования постоянного тока в трехфазный переменный ток и передачи трехфазного переменного тока в электросеть переменного тока на принимающем конце. Станция обратного преобразователя образована путем последовательного соединения двух групп преобразователем с питанием от источника мощности, которые образуют каскадный узел, подключающийся к электроду заземления. Преобразователь с питанием от источника мощности подключен к сети переменного тока на принимающем конце через двухобмоточный трансформатор по схеме Y0/Δ, а выключатель переменного тока находится со стороны первичной обмотки трансформатора. Преобразователь с питанием от источника мощности регулируется по постоянному среднему напряжению на конденсаторе подмодулей и согласно постоянной политике управления реактивной мощностью.
REF
REF
REF
В случае серьезного пробоя на землю в системе переменного тока на передающем конце, где расположена выпрямительная преобразовательная станция, выходное напряжение постоянного тока от тиристорного преобразователя может значительно снизиться вместе с напряжением переменного тока, при этом напряжение постоянного тока со стороны выпрямителя меньше выходного напряжения, которое выдает модульный многоуровневый преобразователь со стороны обратного преобразователя. В этом случае величина постоянного тока в гибридной системе электропередачи будет меньше эталонного значения, заданного системой. Таким образом, регулятор постоянного тока станции обратного преобразователя снижает эталонное значение U напряжения постоянного тока. В этом случае количество всех подмодулей, вставленных в каждую фазу модульного многоуровневого преобразователя и выдающих уровень, отличный от нуля, равняется N_SUM=U/Uc, где Uc - значение напряжения на конденсаторе для подмодуля. Поскольку система со стороны переменного тока регулируется под постоянное напряжение на конденсаторе подмодулей, Uc можно считать постоянным значением. При снижении эталонного значения U напряжения постоянной сети общее количество N_SUM вставленных подмодулей модульного многоуровневого конвертера также снижается, т.е. значение напряжения постоянного тока, фактически выработанное модульным многоуровневым преобразователем, также снижается, причем постоянный ток, который передается гибридной системой электропередачи, приближается к эталонному значению, благодаря чему удается избежать разрыва электропередачи в системе. Логическая блок-схема всего процесса управления показана на Фигуре 3.
Согласно вышеописанному методу управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, общее количество вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярность выходного уровня вставленных подмодулей также можно регулировать в режиме реального времени в соответствии со значением напряжения постоянного тока, замеренного по факту выпрямительной станцией, или расчетным значением напряжения постоянного тока.
Согласно вышеописанному методу управления гибридной системой электропередачи постоянного тока, общее количество вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярность выходного уровня вставленных подмодулей также можно регулировать в режиме реального времени в соответствии с величиной постоянного тока и со значением напряжения постоянного тока, замеренного по факту выпрямительной станцией на другом конце, или расчетным значением напряжения постоянного тока.
REF
REF
REF
REF
Ниже описывается вариант осуществления изобретения, позволяющий более подробно раскрыть конкретный вариант применения способа управления гибридной системой электропередачи, как показано на Фигуре 2. Для гибридной системы электропередачи, как показано на Фигуре 2, предполагается, что плечи модульного многоуровневого преобразователя со стороны обратного преобразователя состоят из 200 подмодулей с расчетным напряжением на конденсаторе по 1,6 кВ для каждого подмодуля. Далее, при нормальном режиме работы, расчетное напряжение постоянного тока в системе составит 320 кВ, т.е. эталонное значение U напряжения постоянного тока в системе тоже будет равно 320 кВ. При нормальном режиме работы количество подмодулей, вставленных в каждую фазу модульного многоуровневого преобразователя и выдающих уровень, отличный от нуля, составляет N_SUM=U/Uc=200. Если принять, что количество NREF подмодулей, преобразуемых по выходному напряжению модуляции внутренним контуром управления переменного тока, составляет 85, то количество подмодулей, которые необходимо вставить в верхнее плечо модульного многоуровневого преобразователя рассчитывается по формуле NP=0.5*200-85=15, а количество подмодулей, которое необходимо вставить в нижнее плечо модульного многоуровневого преобразователя - по формуле NP=0.5*200+85=185. Таким образом, в данном случае 15 подмодулей, которые выдают положительный уровень, вставлены в верхнее плечо модульного многоуровневого преобразователя со стороны обратного преобразователя, а 185 подмодулей, которые выдают положительный уровень, вставлены в нижнее плечо. В случае серьезного пробоя на землю в системе переменного тока на передающем конце, где расположена выпрямительная преобразовательная станция, выходное напряжение постоянного тока от тиристорного преобразователя может значительно снизиться вместе с напряжением переменного тока, при этом напряжение постоянного тока со стороны выпрямителя меньше выходного напряжения, которое выдает модульный многоуровневый преобразователь со стороны обратного преобразователя. В этом случае величина постоянного тока в гибридной системе электропередачи будет меньше эталонного значения, заданного системой. Как показано на Фигуре 3, регулятор постоянного тока на логической блок-схеме начинает регулировать систему. В этом случае эталонное значение U напряжения постоянного тока может опуститься до уровня менее 320 кВ, а количество всех подмодулей, вставленных в каждую фазу модульного многоуровневого преобразователя и выдающих уровень, отличный от нуля, равняется N_SUM=U/Uc<200, например, N_SUM=125. То есть, в данном случае напряжение постоянного тока гибридной системы электропередач снижается с 320 кВ до 200 кВ, выходное напряжение модульного многоуровневого преобразователя со стороны обратного преобразователя соответствует напряжению постоянного тока со стороны выпрямителя, а постоянный ток, который передается гибридной системой электропередачи, восстанавливается до эталонного значения. Если принять, что количество NREF подмодулей, преобразуемых по выходному напряжению модуляции внутренним контуром управления переменного тока, все еще составляет 85, то количество подмодулей, которые необходимо вставить в верхнее плечо модульного многоуровневого преобразователя рассчитывается по формуле NP=0.5*125-85=-23 (с округлением), а количество подмодулей, которое необходимо вставить в нижнее плечо модульного многоуровневого преобразователя - по формуле NP=0.5*125+85=148 (с округлением). То есть, в данном случае в верхнее плечо модульного многоуровневого преобразователя со стороны обратного преобразователя вставлено 23 подмодуля, выдающих отрицательный уровень, а в нижнее плечо - 148 подмодулей, выдающих положительный уровень.
Настоящее изобретение также предлагает устройство для управления гибридной системой электропередачи, как показано на Фигуре 4, которое состоит из блока дискретизации, определяющего блока и главного управляющего блока, при этом:
блок дискретизации применяется для получения напряжения и постоянного тока гибридной системы электропередачи постоянного тока, переменного тока сети переменного тока, к которой подключен модульный многоуровневый преобразователь и напряжения на конденсаторе для подмодулей модульного многоуровневого преобразователя;
определяющий блок применяется для определения наличия отклонения по мощности или величине постоянного тока, который передается по системе электропередачи постоянного тока, от эталонного значения исходя из соответствующего аналогового значения, полученного блоком дискретизации;
главный управляющий блок используется для регулировки общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под напряжение постоянного тока выпрямительной подстанции на другом конце; или
регулировки общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под величину постоянного тока или мощность постоянного тока; или
регулировки общего количества вставленных подмодулей модульного многоуровневого преобразователя и полярности выходного уровня вставленных подмодулей в режиме реального времени под величину постоянного тока и напряжение постоянного тока выпрямительной подстанции на другом конце.
Вышеприведенное описание представляет собой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Следует отметить, что специалист в состоянии вносить усовершенствования и модификации, не отходя от принципа настоящего изобретения. Любые подобные изменения и модификации подпадают в область патентной защиты настоящего изобретения.