ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА СО ВСТРЕЧНЫМ ВКЛЮЧЕНИЕМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ ПОТОКА МОЩНОСТИ В ОБРАТНОМ НАПРАВЛЕНИИ
DC HYBRID TRANSMISSION SYSTEM WITH COUNTABLE ON AND POWER FLOW TRANSFER CONTROL IN OPPOSITE DIRECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области силовой электроники и, в частности, к гибридной системе передачи постоянного тока и способу управления передачей потока мощности в обратном направлении.
Описание известного уровня техники
Технология передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) может классифицироваться на две категории: технология HVDC с использованием преобразователей с линейной коммутацией (LCC-HVDC) на основе тиристоров и технология HVDC с использованием преобразователей с питанием от источника напряжения (VSC-HVDC) на основе полностью контролируемых силовых электронных устройств. LCC-HVDC — это доведенная до полного развития технология с низкими затратами и низкими потерями. На сегодня большинство действующих систем передачи постоянного тока в мире являются системами LCC-HVDC. Тем не менее, существует несколько недостатков в системе LCC-HVDC, таких как нарушение коммутации на стороне инвертора, сильная зависимость от системы переменного тока, поглощение больших количеств реактивной мощности, большая общая площадь преобразовательной станции и т.п. VSC-HVDC, будучи новым поколением технологии HVDC, может достигать нескольких преимуществ, таких как несвязное регулирование активной мощности и реактивной мощности, отсутствие необходимости в компенсации реактивной мощности, компактная конструкция, небольшая площадь, отсутствие нарушения коммутации, и т.п.; тем не менее, на данный момент также существуют недостатки, такие как высокие затраты, большие потери и т.п. Технологии LCC-HVDC и VSC-HVDC, таким образом, комбинируются друг с другом, где один вывод использует LCC-преобразователь и один вывод использует VSC-преобразователь, для образования гибридной технологии передачи постоянного тока. Гибридная технология передачи постоянного тока может интегрировать преимущества технологий LCC-HVDC и VSC-HVDC, такие как полное развитие, низкая стоимость и низкие потери для LCC-HVDC, а также хорошее регулирование работы, небольшая площадь и отсутствие нарушений коммутации для VSC-HVDC, и может иметь широкие перспективы в техническом применении.
При применении гибридной передачи постоянного тока со встречным включением передача потока мощности в обратном направлении должна быть принята к рассмотрению. Для отсутствия нарушения коммутации на стороне инвертера гибридной передачи постоянного тока как в случае передачи в прямом направлении, так и в случае передачи в обратном направлении потока мощности, необходимо оптимизировать конструкцию гибридной системы передачи постоянного тока и разработать соответствующий способ управления передачей потока мощности в обратном направлении.
Краткое описание изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в предоставлении гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением и способа быстрого управления передачей потока мощности в обратном направлении для нее. Система позволяет, путем предоставления переключателей режима, VSC-преобразователю всегда выполнять операцию инверсии в случае передачи в прямом направлении или передачи в обратном направлении потока мощности, так чтобы избежать проблемы потенциального нарушения коммутации для LCC-преобразователя, в процессе операции инверсии. Также предоставляется способ управления, который реализует быструю передачу потока мощности в обратном направлении посредством переключателей режима.
Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение принимает следующие технические решения:
Гибридная система передачи постоянного тока содержит LCC-преобразователь и VSC-преобразователь, находящиеся во встречном включении, и дополнительно содержит с первого по четвертый переключатели режима и шины первой и второй систем переменного тока, при этом шина первой системы переменного тока соединена с одним выводом первого переключателя режима и одним выводом второго переключателя режима соответственно, другой вывод первого переключателя режима соединен с LCC-преобразователем и одним выводом четвертого переключателя режима соответственно, другой вывод второго переключателя режима соединен с VSC-преобразователем и одним выводом третьего переключателя режима соответственно, и шина второй системы переменного тока соединена с другим выводом третьего переключателя режима и другим выводом четвертого переключателя режима соответственно;
при передаче мощности в прямом направлении первый переключатель режима и третий переключатель режима закрыты, и второй переключатель режима и четвертый переключатель режима открыты; и
при передаче мощности в обратном направлении первый переключатель режима и третий переключатель режима открыты, и второй переключатель режима и четвертый переключатель режима закрыты.
Как дополнительный предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения каждый с первого по четвертый переключатели режима является изолирующим переключателем или прерывателем цепи, или комбинацией изолирующего переключателя и прерывателя цепи.
Как дополнительный предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна точка заземления находится на стороне постоянного тока LCC-преобразователя и VSC-преобразователя, находящихся во встречном включении, или по меньшей мере одна точка заземления находится на вентильной стороне VSC-преобразователя.
Как дополнительный предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения наличие по меньшей мере одной точки заземления на вентильной стороне VSC-преобразователя означает, что поле переменного тока на вентильной стороне трансформатора VSC-преобразователя заземлены посредством реактивного сопротивления по схеме звезды с сопротивлением заземленной нейтрали, или что обмотки на вентильной стороне трансформатора VSC-преобразователя заземлены посредством сопротивления заземленной нейтрали.
Настоящее изобретение также предоставляет способ управления передачей потока мощности в обратном направлении вышеописанной гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением, при этом способ управления передачей потока мощности в обратном направлении включает следующие этапы:
(1) после получения команды для передачи потока мощности в обратном направлении - переход к этапу (2), в противном случае - продолжение пребывания на этапе (1);
(2) выдача команды на отключение с блокировкой LCC-преобразователя и VSC-преобразователя гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением, переход к этапу (3);
(3) после изменения передачи мощности в прямом направлении на передачу мощности в обратном направлении, переход к этапу (4), или после изменения передачи мощности в обратном направлении на передачу мощности в прямом направлении, переход к этапу (5);
(4) открытие первого переключателя Q1 режима, второго переключателя Q2 режима, третьего переключателя Q3 режима и четвертого переключателя Q4 режима, и после ожидания заданной реверсной задержки закрытие второго переключателя Q2 режима и четвертого переключателя Q4 режима, переход к этапу (6);
(5) открытие первого переключателя Q1 режима, второго переключателя Q2 режима, третьего переключателя Q3 режима и четвертого переключателя Q4 режима, и после ожидания заданной реверсной задержки закрытие первого переключателя Q1 режима и третьего переключателя Q3 режима, переход к этапу (6); и
(6) возобновление работы гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением.
В вышеуказанном способе управления передачей потока мощности в обратном направлении, конкретное время задержки заданной реверсной задержки определяется на основе системного анализа.
Благодаря применению вышеуказанных решений, предпочтительные эффекты настоящего изобретения будут следующими:
(1) применение переключателей режима можно гарантировать, что VSC-преобразователь как при передаче мощности в прямом направлении, так и при передаче мощности в обратном направлении, всегда выполняет операцию инверсии, с тем, чтобы избежать проблемы потенциального нарушения коммутации для LCC-преобразователя, во время операции инверсии; и
(2) быстрый процесс передачи потока мощности в обратном направлении стал проще и в то же время надежным.
Краткое описание графических материалов
На фиг. 1 представлена схема гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей заземленную сторону постоянного тока, согласно настоящему изобретению;
на фиг. 3 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь с заземлением нейтрали и VSC-преобразователь с заземлением через активно-реактивное сопротивление, согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь с заземлением нейтрали и VSC-преобразователь с заземлением нейтрали конвертерного трансформатора, согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь с заземлением нейтрали и VSC-преобразователь без заземления, согласно настоящему изобретению;
на фиг. 6 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь без заземления и VSC-преобразователь с заземлением через активно-реактивное сопротивление, согласно настоящему изобретению;
на фиг. 7 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь без заземления и VSC-преобразователь с заземлением нейтрали конвертерного трансформатора, согласно настоящему изобретению; и
на фиг. 8 представлена блок-схема способа передачи потока мощности в обратном направлении гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением согласно настоящему изобретению;
где: LCC представляет LCC-преобразователь; VSC представляет VSC-преобразователь; Q1 - Q4 представляют с первого по четвертый переключатели режима соответственно; и B1 и B2 представляют шины первой и второй систем переменного тока соответственно.
Подробное описание изобретения
Технические решения настоящего изобретения подробнее изображены ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы и конкретные варианты осуществления.
На фиг. 1 представлена схема гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением согласно настоящему изобретению. Гибридная система передачи постоянного тока со встречным включением содержит топологию передачи со встречным включением, состоящую из LCC-преобразователя и VSC-преобразователя, находящихся во встречном включении, посредством сглаживающего реактора L, а также первый переключатель Q1 режима, второй переключатель Q2 режима, третий переключатель Q3 режима и четвертый переключатель Q4 режима. Первый переключатель Q1 режима соединен с шиной B1 первой системы переменного тока на одном конце и соединен со стороны переменного тока LCC-преобразователя на другом конце; второй переключатель Q2 режима соединен с шиной B1 первой системы переменного тока на одном конце и соединен со стороной переменного тока VSC-преобразователя на другом конце; третий переключатель Q3 режима соединен с шиной B2 второй системы переменного тока на одном конце и соединен со стороной переменного тока VSC-преобразователя на другом конце; и четвертый переключатель Q4 режима соединен с шиной B2 второй системы переменного тока на одном конце и соединен со стороной переменного тока LCC-преобразователя на другом конце.
Было определено, что в гибридной системе передачи постоянного тока со встречным включением, описанной выше, поток активной мощности от первой системы переменного тока ко второй системе переменного тока называется передачей мощности в прямом направлении, и поток активной мощности от второй системы переменного тока к первой системе переменного тока называется передачей мощности в обратном направлении. При передаче мощности в прямом направлении, первый переключатель Q1 режима и третий переключатель Q3 режима закрыты, и второй переключатель Q2 режима и четвертый переключатель Q4 режима открыты. При передаче мощности в обратном направлении, первый переключатель Q1 режима и третий переключатель Q3 режима открыты, и второй переключатель Q2 режима и четвертый переключатель Q4 режима закрыты. В связи с этим VSC-преобразователь как при передаче мощности в прямом направлении, так и при передаче мощности в обратном направлении, всегда выполняет операцию инверсии в качестве приемного конца, с тем, чтобы избежать проблемы потенциального нарушения коммутации для LCC-преобразователя во время операции инверсии.
В гибридной системе передачи постоянного тока со встречным включением, описанной выше, каждый из первого переключателя Q1 режима, второго переключателя Q2 режима, третьего переключателя Q3 режима и четвертого переключателя Q4 режима является изолирующим переключателем или прерывателем цепи, или комбинацией изолирующего переключателя и прерывателя цепи. В гибридной системе передачи постоянного тока со встречным включением, описанной выше, соединения могут быть выполнены непосредственно с помощью проводов или также могут быть выполнены опосредовано с помощью других переключателей, где опосредованные соединения являются эквивалентными к непосредственным соединениям посредством проводов, когда другие переключатели закрыты.
Вышеописанная топология передачи со встречным включением, состоящая из LCC-преобразователя и VSC-преобразователя, находящихся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L, может иметь одну или несколько форм, как показано на фиг. 2 – фиг. 7.
На фиг. 2 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей заземленную сторону постоянного тока, согласно настоящему изобретению. В LCC-преобразователе используют 12-импульсную мостовую схему, где каждое плечо мостовой схемы состоит из нескольких тиристоров, соединенных последовательно. LCC-преобразователь соединен с отправным выводом сети переменного тока посредством трансформатора с тремя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Y/Δ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения на трехфазный переменный ток системы отправного конца переменного тока, чтобы адаптировать до необходимого уровня напряжения постоянного тока. Различные соединения вторичной стороны трансформатора обеспечивают трехфазный переменный ток со сдвигом по фазе в 30° для верхнего 6-импульсного моста преобразователя и нижнего 6-импульсного моста преобразователя 12-импульсного мостового тиристорного преобразования, так чтобы уменьшить поток гармонического тока в сети. VSC-преобразователь соединен с приемным выводом сетки переменного тока посредством трансформатора с двумя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Δ. LCC-преобразователь и VSC-преобразователь находятся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L, с соединенным с точкой заземления плюсовым проводом или минусовым проводом стороны постоянного тока.
На фиг. 3 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь с заземлением нейтрали и VSC-преобразователь с заземлением через активно-реактивное сопротивление, согласно настоящему изобретению. В LCC-преобразователе используют 12-импульсную мостовую схему, где каждое плечо мостовой схемы состоит из нескольких тиристоров, соединенных последовательно. Средняя точка между верхним 6-импульсным мостом преобразователя и нижним 6-импульсным мостом преобразователя 12-импульсного мостового преобразователя соединена с точкой заземления. LCC-преобразователь соединен с отправным выводом сети переменного тока посредством трансформатора с тремя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Y/Δ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения на трехфазный переменный ток системы отправного конца переменного тока, чтобы адаптировать до необходимого уровня напряжения постоянного тока. Различные соединения вторичной стороны трансформатора обеспечивают трехфазный переменный ток со сдвигом по фазе в 30° для верхнего 6-импульсного моста преобразователя и нижнего 6-импульсного моста преобразователя 12-импульсного мостового тиристорного преобразования, так чтобы уменьшить поток гармонического тока в сети. VSC-преобразователь соединен с приемным выводом сетки переменного тока посредством трансформатора с двумя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Δ. Вентильная сторона VSC-преобразователя заземлена посредством реактивного сопротивления по схеме звезды с сопротивлением заземленной нейтрали. LCC-преобразователь и VSC-преобразователь находятся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L.
На фиг. 4 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь с заземлением нейтрали и VSC-преобразователь с заземлением нейтрали конвертерного трансформатора, согласно настоящему изобретению. В LCC-преобразователе используют 12-импульсную мостовую схему, где каждое плечо мостовой схемы состоит из нескольких тиристоров, соединенных последовательно. Средняя точка между верхним 6-импульсным мостом преобразователя и нижним 6-импульсным мостом преобразователя 12-импульсного мостового преобразователя соединена с точкой заземления. LCC-преобразователь соединен с отправным выводом сети переменного тока посредством трансформатора с тремя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Y/Δ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения на трехфазный переменный ток системы отправного конца переменного тока, чтобы адаптировать до необходимого уровня напряжения постоянного тока. Различные соединения вторичной стороны трансформатора обеспечивают трехфазный переменный ток со сдвигом по фазе в 30° для верхнего 6-импульсного моста преобразователя и нижнего 6-импульсного моста преобразователя 12-импульсного мостового тиристорного преобразования, так чтобы уменьшить поток гармонического тока в сети. VSC-преобразователь соединен с приемным выводом сетки переменного тока посредством трансформатора с двумя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Δ/Y0. Нейтральная точка вентильной стороны трансформатора использует заземление через активное сопротивление или непосредственное присоединение к земле. LCC-преобразователь и VSC-преобразователь находятся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L.
На фиг. 5 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь с заземлением нейтрали и VSC-преобразователь без заземления, согласно настоящему изобретению. В LCC-преобразователе используют 12-импульсную мостовую схему, где каждое плечо мостовой схемы состоит из нескольких тиристоров, соединенных последовательно. Средняя точка между верхним 6-импульсным мостом преобразователя и нижним 6-импульсным мостом преобразователя 12-импульсного мостового преобразователя соединена с точкой заземления. LCC-преобразователь соединен с отправным выводом сети переменного тока посредством трансформатора с тремя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Y/Δ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения на трехфазный переменный ток системы отправного конца переменного тока, чтобы адаптировать до необходимого уровня напряжения постоянного тока. Различные соединения вторичной стороны трансформатора обеспечивают трехфазный переменный ток со сдвигом по фазе в 30° для верхнего 6-импульсного моста преобразователя и нижнего 6-импульсного моста преобразователя 12-импульсного мостового тиристорного преобразования, так чтобы уменьшить поток гармонического тока в сети. VSC-преобразователь соединен с приемным выводом сетки переменного тока посредством трансформатора с двумя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Δ/Y0. Сторона VSC-преобразователя не заземлена. LCC-преобразователь и VSC-преобразователь находятся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L.
На фиг. 6 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь без заземления и VSC-преобразователь с заземлением через активно-реактивное сопротивление, согласно настоящему изобретению. В LCC-преобразователе используют 12-импульсную мостовую схему, где каждое плечо мостовой схемы состоит из нескольких тиристоров, соединенных последовательно. LCC-преобразователь соединен с отправным выводом сети переменного тока посредством трансформатора с тремя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Y/Δ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения на трехфазный переменный ток системы отправного конца переменного тока, чтобы адаптировать до необходимого уровня напряжения постоянного тока. Различные соединения вторичной стороны трансформатора обеспечивают трехфазный переменный ток со сдвигом по фазе в 30° для верхнего 6-импульсного моста преобразователя и нижнего 6-импульсного моста преобразователя 12-импульсного мостового тиристорного преобразования, так чтобы уменьшить поток гармонического тока в сети. Сторона LCC-преобразователя не заземлена. VSC-преобразователь соединен с приемным выводом сетки переменного тока посредством трансформатора с двумя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Δ. Вентильная сторона VSC-преобразователя заземлена посредством реактивного сопротивления по схеме звезды с сопротивлением заземленной нейтрали. LCC-преобразователь и VSC-преобразователь находятся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L.
На фиг. 7 представлена схема топологии гибридной передачи постоянного тока со встречным включением, имеющей LCC-преобразователь без заземления и VSC-преобразователь с заземлением нейтрали конвертерного трансформатора, согласно настоящему изобретению. В LCC-преобразователе используют 12-импульсную мостовую схему, где каждое плечо мостовой схемы состоит из нескольких тиристоров, соединенных последовательно. LCC-преобразователь соединен с отправным выводом сети переменного тока посредством трансформатора с тремя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Y/Δ. Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения на трехфазный переменный ток системы отправного конца переменного тока, чтобы адаптировать до необходимого уровня напряжения постоянного тока. Различные соединения вторичной стороны трансформатора обеспечивают трехфазный переменный ток со сдвигом по фазе в 30° для верхнего 6-импульсного моста преобразователя и нижнего 6-импульсного моста преобразователя 12-импульсного мостового тиристорного преобразования, так чтобы уменьшить поток гармонического тока в сети. Сторона LCC-преобразователя не заземлена. VSC-преобразователь соединен с приемным выводом сетки переменного тока посредством трансформатора с двумя обмотками, соединенными с соответствующими конфигурациями Y0/Δ. Нейтральная точка вентильной стороны трансформатора использует заземление через активное сопротивление или непосредственное присоединение к земле. LCC-преобразователь и VSC-преобразователь находятся во встречном включении посредством сглаживающего реактора L.
Как показано на фиг. 8, способ передачи потока мощности в обратном направлении гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением согласно настоящему изобретению включает:
этап 101: после получения команды для передачи потока мощности в обратном направлении - переход к этапу 102, в противном случае - продолжение пребывания на этапе 101;
этап 102: выдача команды на отключение с блокировкой LCC-преобразователя и VSC-преобразователя гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением;
этап 103: после изменения передачи мощности в прямом направлении на передачу мощности в обратном направлении последовательное выполнение этапа 104a, этапа 104b и этапа 104c; или после изменения передачи мощности в обратном направлении на передачу мощности в прямом направлении последовательное выполнение этапа 105a, этапа 105b и этапа 105c;
этап 104a: открытие всех переключателей режима, то есть первый переключатель Q1 режима, второй переключатель Q2 режима, третий переключатель Q3 режима и четвертый переключатель Q4 режима открыты;
этап 104b: ожидание заданной реверсной задержки;
этап 104c: закрытие второго переключателя Q2 режима и четвертого переключателя Q4 режима, переход к этапу 106;
этап 105a: открытие всех переключателей режима, то есть первый переключатель Q1 режима, второй переключатель Q2 режима, третий переключатель Q3 режима и четвертый переключатель Q4 режима открыты;
этап 105b: ожидание заданной реверсной задержки;
этап 105c: закрытие первого переключателя Q1 режима и третьего переключателя Q3 режима, переход к этапу 106; и
этап 106: возобновление работы гибридной системы передачи постоянного тока со встречным включением.
На этапе 104b и этапе 105b, как описано выше, конкретное время реверсной задержки может определяться на основе системного анализа и предпочтительно в диапазоне от 1 с до 60 мин, принимая во внимание время разрядки демпфирующей цепи преобразователя, например, время разрядки конденсатора перед возобновлением работы фильтра переменного тока.
Вышеописанные варианты осуществления приведены лишь с целью иллюстрации технической концепции настоящего изобретения, и не ограничиваются объемом настоящего изобретения. Любые модификации технических решений на основе технической концепции настоящего изобретения, подпадают под объем настоящего изобретения.