直流输电系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及直流输电领域，具体而言，涉及一种直流输电系统及其控制方法。


背景技术：

2.城市电网是城市现代化建设的重要基础设施之一，是电力系统的主要负荷中心，具有用电量大、负荷密度高和供电质量要求高等特点。随着居民用电量的提高和新能源汽车的规模接入电网，导致城市供电能力不足、供电不平衡和供电廊道紧张的问题日益突出。
3.直流输电技术具有输电半径大，输电能力强，控制系统潮流方向，维持互联的交流系统电压和频率稳定等功能，在电网中被广泛应用。
4.目前主流的直流输电技术包括基于晶闸管的常规直流输电技术和基于igbt的柔性直流输电技术。但是这两种技术都存在设备体积大、造价高、运行维护复杂的问题。并且，城市配电网土地资源紧张，配网维护人员水平参差不齐。因此，有必要研究低成本、小体积、少维护的直流输电系统，该系统还应具备维持直流电压稳定的功能，同时还应具备直流故障时的快速闭锁和直流故障后的快速恢复功能。
5.cn104617796a《一种模块化的ac/dc变换器及换流器拓扑》中介绍了一种包含移相变压器、交流滤波支路、三相桥、储能单元和限流单元的拓扑。该拓扑通过三相桥igbt的频繁开关来维持直流电压，通过限流单元实现直流故障的快速闭锁。但是，该拓扑的三相桥采用igbt，频繁开关，存在损耗较大，控制复杂，且设备造价高等问题，而且该拓扑需要配置交流滤波器来滤除高频开关谐波，因此设备体积较大。
6.现有的地铁直流供电系统，采用移相变压器加二极管整流桥的方式产生直流电，给地铁供电。该拓扑最主要的缺陷为直流侧电压随负载波动范围较大，无法满足直流系统电压稳定性的要求。所以一般只用在低电压或者对直流波动耐受能力比较强的场合，比如地铁或舰船直流系统。
7.因此，需要一种低成本、小体积、少维护的直流输电系统，该系统可以应用于城市直流输电系统的送端，具备维持直流电压稳定功能，同时具备直流故障时的快速闭锁和直流故障后的快速恢复功能。
8.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

9.本技术旨在提供一种低成本、小体积、少维护的直流输电系统及其控制方法，该系统可以应用于城市直流输电系统的送端，具备维持直流电压稳定功能，同时具备直流故障时的快速闭锁和直流故障后的快速恢复功能。
10.根据本技术的一方面，提供一种直流输电系统，包括移相变压器、n个斩波整流单元和第一电抗器，n为大于等于1的整数，其中：
11.所述移相变压器包括原边和至少一个副边，所述原边接入交流电网，一个所述副
边电连接一个所述斩波整流单元；
12.n个所述斩波整流单元串联连接；
13.每个所述斩波整流单元包括第一输出端子；
14.第一个所述的斩波整流单元的所述第一输出端子电连接所述第一电抗器。
15.根据一些实施例，所述斩波整流单元包括第二输出端子、三相整流桥、电容、第一开关和第二开关，其中：
16.所述电容并联在所述三相整流桥的直流侧；
17.所述第一开关和所述第二开关组成半桥电路后并联在所述三相整流桥的直流侧；
18.所述第一开关和所述第二开关的连接点为所述第一输出端子，所述三相整流桥的直流侧的负极为所述第二输出端子；
19.所述第一开关为全控型功率器件。
20.根据一些实施例，所述第二开关为二极管。
21.根据一些实施例，所述第二开关为全控型功率器件。
22.根据一些实施例，所述第n个所述斩波整流单元的所述第二输出端子电连接第二电抗器。
23.根据一些实施例，所述第一电抗器电连接所述第一避雷器，所述第二电抗器电连接所述第二避雷器。
24.根据一些实施例，所述三相整流桥的交流侧电连接熔丝接入所述移相变压器的副边绕组，旁路开关与所述第二开关并联。
25.根据一些实施例，所述斩波整流单元故障时，所述旁路开关闭合。
26.根据一些实施例，所述旁路开关闭合，所述斩波整流单元的所述第一开关故障时，所述熔丝熔断。
27.根据本技术的一方面，提供一种基于前文所述的直流输电系统的控制方法，包括：
28.测量交流系统电压、直流输电系统输送的功率、直流电压和直流电流；当所述交流系统电压较高或所述直流输电系统输送的功率小于第一阈值的额定负载，所述斩波整流单元工作在斩波模式；或当所述交流系统电压较低或所述直流输电系统输送的功率大于第二阈值的额定负载，所述斩波整流单元工作退出斩波模式；或当所述直流电压低于电压保护门槛值或所述直流电流大于电流保护门槛值时，所述斩波整流单元的所述第一开关关断。
29.根据一些实施例，所述斩波整流单元工作在斩波模式包括：
30.所述斩波整流单元的电压达到第一电压阈值；调节所述斩波整流单元的占空比d，使直流输电系统输出电压为v2,满足v2＝d*v1*n，v1为所述第一电压阈值。
31.根据一些实施例，所述斩波整流单元工作退出斩波模式，包括：
32.所述斩波整流单元的电压小于第二电压阈值；所述斩波整流单元的所述第一开关一直导通。
33.根据一些实施例，所述斩波整流单元的载波周期为t，n个所述斩波整流单元采用载波移相调制方式，相邻所述斩波整流单元的移相时间为t/n。
34.根据本技术的一些实施例的技术方案可具有以下有益效果中的一个或多个：
35.(1)本技术在二极管整流桥后增加一个半桥电路，通过该半桥电路控制直流电压的稳定，保证直流输电系统的电压不会随负载波动。
36.(2)本技术的斩波单元第一开关采用自适应斩波方式，当斩波单元电压较大时，斩波单元斩波控制电压；当斩波单元电压较低时，斩波单元第一开关保持导通。采用该方式可以极大的降低斩波单元第一开关的开关损耗，极大提高直流输电系统的整体效率。
37.(3)本技术提出n个斩波整流单元工作在载波移相的方式，在相同的电抗器的感值情况下，相同的滤波效果，开关频率可以降低n倍。
38.(4)本技术提供单个斩波单元故障旁路方案，包括熔丝和旁路开关。当斩波整流单元故障时，旁路开关闭合，直流输电系统可以继续运行。如果此时斩波单元第一开关发生短路故障，熔丝会因为过流熔断。
39.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本技术。
附图说明
40.通过参照附图详细描述其示例实施例，本技术的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，而不是对本技术的限制。
41.图1示出根据本技术示例实施例的一种直流输电系统示意图；
42.图2示出根据本技术示例的一种直流输电系统示意图的又一实施例；
43.图3示出根据本技术示例实施例的斩波整流单元示意图；
44.图4示出根据本技术示例的斩波整流单元示意图的又一实施例；
45.图5示出根据本技术示例的斩波整流单元示意图的又一实施例；
46.图6示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法；
47.图7示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法；
48.图8示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法；
49.图9示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法。
50.图中标号说明：
51.1、移相变压器；2、斩波整流单元；3、第一电抗器；4、第二电抗器；5、第一避雷器；6、第二避雷器；21、斩波整流单元的第一开关；22、斩波整流单元的第二开关；23、斩波整流单元的电容；24、斩波整流单元的整流桥；25、旁路开关；26、熔丝。
具体实施方式
52.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
53.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
54.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也
不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
55.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
56.本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的，因此不能用于限制本技术的保护范围。
57.本技术提供一种低成本、小体积、少维护的直流输电系统及其控制方法，可以应用于城市直流输电系统的送端，具备维持直流电压稳定功能，同时具备直流故障时的快速闭锁和直流故障后的快速恢复功能。
58.下面将参照附图对本技术的实施例进行描述。
59.图1示出根据本技术示例实施例的一种直流输电系统示意图。
60.参见图1，直流输电系统包括移相变压器1、斩波整流单元2、电抗器3和4、避雷器5和6。
61.如图1所示，移相变压器1中的移相变压器原边接入交流电网，一个副边绕组连接一个斩波整流单元2，一个直流输电系统包括n个斩波整流单元2，n为大于等于1的整数，其中，第一个斩波整流单元的第一输出端子电连接电抗器3，第二输出端子电连接第二个斩波整流单元的第一输出端子，第二个斩波整流单元的第二输出端子电连接第三个斩波整流单元的第一输出端子，以此连接，第n-1个斩波整流单元的第二输出端子电连接第n个斩波整流单元的第一输出端子,第n个斩波整流单元的第二输出端子电连接电抗器4；电抗器3电连接避雷器5，电抗器4电连接避雷器6。
62.根据示例实施例，电抗器可以滤波以及防雷。但是对于架空线路，雷击可以发生在正极，也可以发生在负极，因此在两侧均配置电抗器和避雷器。
63.根据示例实施例，电抗器3和4的电感值不低于1mh。
64.根据示例实施例，本技术采用移相变压器和二极管作为核心器件。二极管广泛应用于各个行业，具有成本低、可靠性高、无需控制等多个优点。
65.根据示例实施例，本技术的拓扑结构采用自然换流方式，换流效率高，对系统无冲击。采用移相变压器可以极大减少交流侧的谐波电流。36脉动以上的移相变压器可以不用在交流侧配置滤波器，因此可以极大的减小体积和造价。
66.根据示例实施例，移相变压器可以实现各斩波整流单元的交流侧电磁隔离，因此采用载波移相不会导致环流。
67.图2示出根据本技术示例的一种直流输电系统示意图的又一实施例。
68.参见图2，图2与图1的区别在于：只在斩波整流单元一侧配置电抗器3，并且无需配备避雷器。
69.根据一些实施例，对于采用电缆的直流线路，仅需在一侧配置电抗器就可以满足工程应用需求。
70.图3示出根据本技术示例实施例的斩波整流单元示意图。
71.参见图3，根据本技术示例实施例的斩波整流单元包括三相整流桥24、电容23、第一开关21、第二开关22。
72.如图3所示，电容23并联在三相整流桥24的直流侧，第一开关21和第二开关22组成半桥电路后并联在三相整流桥24的直流侧，第一开关21包括反并联连接的可关断半导体和第一二极管d1，第二开关22包括第二二极管d2，其中第一二极管d1正极电连接第二二极管d2负极，第二二极管d2负极电连接第一输出端子z1，第二二极管d2正极电连接第二输出端子z2，第二二极管d2正极电连接三相整流桥24的正极端。
73.根据示例实施例，二极管不能控制，因此当负载变化时，直流侧电压会产生波动，不利于直流系统的安全稳定运行。本技术在整流桥直流侧并联一个半桥电路，通过该半桥电路控制直流电压的稳定，保证直流输电系统的电压不会随着负载的变化波动。
74.根据示例实施例，因为半桥斩波过程中会产生高频纹波电流，因此配置电抗器来滤除高频纹波，如图1所示。
75.根据一些实施例，斩波整流单元的载波周期为t，n个斩波整流单元采用载波移相调制方式，相邻斩波整流单元的移相时间为t/n。
76.根据示例实施例，以容量8mw，直流电压8kv的直流输电系统为例，该直流输电系统，包括1台移相变压器、8个斩波整流单元、斩波整流单元的直流侧的正极和负极分别配置了1台电抗器，在直流出线端配置了避雷器。本技术提出8个斩波整流单元工作在载波移相的方式，令斩波整流单元的载波周期为8ms，8个斩波整流单元采用载波移相调制方式，相邻斩波整流单元的移相时间为1ms。采用载波移相，在相同的电抗器的感值情况下，相同的滤波效果，开关频率可以降低8倍，进而降低损耗。
77.图4示出根据本技术示例的斩波整流单元示意图的又一实施例。
78.参见图4，图4与图3的区别在于，图4的第二开关22在原第二二极管d2反并联一个可关断半导体。
79.根据示例实施例，第二开关22采用与第一开关21同样的全控型功率器件，进行同步整流，有利于降低损耗。
80.图5示出根据本技术示例的斩波整流单元示意图的又一实施例。
81.参见图5，图5与图3的区别在于，在斩波整流单元的交流侧增加熔丝26，在第二开关22侧并联旁路开关25。
82.根据示例实施例，当斩波整流单元2发生故障时，旁路开关25闭合，第二开关22被短路，故障的斩波整流单元2被旁路，整个直流输电系统可以继续运行。
83.根据示例实施例，在旁路开关25闭合后，当斩波整流单元2的第一开关21短路故障时，熔丝26会因为过流熔断。若没有熔丝，旁路开关25闭合，会导致移相变压器的副边绕组通过整流桥24短路，进而导致整流桥24到的损坏或者移相变压器故障。
84.图6示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法。
85.参见图6，在s610，测量交流系统电压、直流输电系统输送的功率、直流电压和直流电流。
86.在s620，交流系统电压较高或直流输电系统输送的功率小于第一阈值的额定负载。
87.根据示例实施例，当交流系统电压较高，高于额定电压的1％-15％时，或直流输电
系统输送的功率小于50％额定负载时，则转到s630。
88.在s630，斩波整流单元工作在斩波模式。
89.在s640，交流系统电压较低或直流输电系统输送的功率大于第二阈值的额定负载。
90.根据示例实施例，当交流系统电压较低，低于额定电压的1％-10％时，或者直流输电系统输送的功率大于50％额定负载时，则转到s650。
91.在s650，斩波整流单元工作退出斩波模式。
92.在s660，直流电压低于保护门槛值或直流电流大于保护门槛值。
93.根据示例实施例，当直流电压低于保护门槛值或直流电流大于保护门槛值时，则转到s670。
94.在s670，斩波整流单元的第一开关关断。
95.图7示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法。
96.参见图7，在s710，当交流系统电压较高或直流输电系统输送的功率小于第一阈值的额定负载。
97.根据示例实施例，当交流系统电压较高，高于额定电压的1％-15％时，或直流输电系统输送的功率小于50％额定负载时，斩波整流单元的电压会升高10％-20％，斩波整流单元工作在斩波模式，转到s730。
98.在s730，斩波整流单元的电压达到第一电压阈值。
99.根据示例实施例，当斩波整流单元的电压升高至第一电压阈值，则转到s750。
100.在s750，调节斩波整流单元的占空比d。
101.根据示例实施例，斩波整流单元工作在直流斩波模式，直流输电系统输出电压为v2,满足v2＝d*v1*n，v1为第一电压阈值。
102.图8示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法。
103.参见图8，在s810，交流系统电压较低或直流输电系统输送的功率大于第二阈值的额定负载。
104.根据示例实施例，当交流系统电压较低，低于额定电压的1％-10％时，或者直流输电系统输送的功率大于50％额定负载时，斩波整流单元的电压会降低5％-15％，斩波整流单元工作退出斩波模式，转到s830。
105.在s830，斩波整流单元的电压小于第二电压阈值。
106.根据示例实施例，当斩波整流单元的电压降低至第二电压阈值，则转到s850。
107.在s850，斩波整流单元的第一开关一直导通。
108.根据示例实施例，直流输电系统的控制方法可以降低斩波整流单元开关频率，进而降低开关损耗，减小散热器体积，降低成本，提高效率。
109.图9示出根据本技术示例实施例的直流输电系统的控制方法。
110.参见图9，在s910,直流电压低于保护门槛值或直流电流大于保护门槛值。
111.根据示例实施例，当直流电压低于保护门槛值或直流电流大于保护门槛值，则转到s930。
112.在s930，斩波整流单元的第一开关关断。
113.应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示
例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
114.此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本技术示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
115.以上具体地示出和描述了本技术的示例性实施例。应可理解的是，本技术不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本技术意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。