CN104600726B - 一种基于轻型直流输电的抽水蓄能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，该系统包括：第一换流桥、第二换流桥、交流电网、抽水蓄能机组；第一换流桥接入交流电网，并通过直流电缆连接第二换流桥，第二换流桥接入抽水蓄能机组；其中，当进行抽水工况时，第一换流桥将交流电网的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第二换流桥，第二换流桥将直流电逆变为交流电传输至抽水蓄能机组进行抽水；当进行发电工况时，利用抽水蓄能机组发电，第二换流桥将抽水蓄能机组发出的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第一换流桥，第一换流桥将直流电逆变为交流电传输至交流电网。

Description

一种基于轻型直流输电的抽水蓄能系统

技术领域

本发明涉及水电领域，尤指一种基于轻型直流输电的抽水蓄能系统。

背景技术

抽水蓄能发电机/电动机组是一种双向可逆式水轮机组，在电网负荷过大时，为保障电能质量，采用发电工况，与传统常规水轮-发电机组功能一样，当夜间电网负荷小时，改为抽水，作为电动机，把下库的水抽至上库，转化为势能储备。

传统的抽水蓄能机组的单元接线是在发电机/发电机组出口装设GCB(generatorcircuit breaker)开关，即发电机出口断路器，用以同期并网和事故跳闸的功效。经主变压器升压后与系统并网运行，因GCB开关还兼做出口同期开关，加之一般容量较大，对此开关要求很高。一般它的造价都超高。在我国现有的开关很难满足其要求，一般依赖国外进口。

因此，在现有的抽水蓄能电厂中，发电机组运行在抽水工况下只能恒功率运行，负荷不可调整，使电网运行调度难度加大。

为了实现调速，在抽水蓄能中还会采用双馈感应电机技术，通过双向变频器进行控制，该技术具有灵活的运行方式，在抽水蓄能电动-发电机组的调速方面有着不定期下的优越性。但是双馈感应电机结构复杂，造价高，运行维护的量大，对于我国现在应用的抽水蓄能机组不适用。利用这种方案在电动机工况下，机组可调的余量相对较小，加之大功率变频器容量的限制，不可能做的很大。

发明内容

针对现有抽水蓄能电站中所存的不足，本发明利用轻型直流输电方法可以轻松的控制有功和无功，在运行在电动机工况时，通过控制系统对电动机提供有功，即可很容易的实现对电动机功率的控制与调整，并且利用轻型直流方法还可控制电流的关断，利用此功能可代替发电机出口GCB开关的功能。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，所述系统包括：第一换流桥、第二换流桥、交流电网、抽水蓄能机组；所述第一换流桥接入交流电网，并通过直流电缆连接第二换流桥，所述第二换流桥接入抽水蓄能机组；其中，当进行抽水工况时，所述第一换流桥将交流电网的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第二换流桥，所述第二换流桥将直流电逆变为交流电传输至抽水蓄能机组进行抽水；当进行发电工况时，利用所述抽水蓄能机组发电，所述第二换流桥将抽水蓄能机组发出的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第一换流桥，所述第一换流桥将直流电逆变为交流电传输至交流电网。

本发明提出的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，至少具备以下优点：

1、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统通过换流器的关断电流能力，可以在无源逆变状态下工作，不需要依赖电压进行换相，克服了传统直流必须在有源网络情况下工作的局限，从而使利用轻型直流向孤岛负荷送电成为一种比较可靠的解决方案。

2、换流桥采用了PWM控制技术，其控制更加灵活、快速，可以独立控制有功和无功。而传统的直流输电系统只有触发角一个控制量，不可能独立的控制有功、无功。

3、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统统进行潮流翻转时直流电压极性不随之改变，只是直流电流改变方向，利用这个特点可以方便、灵活地组成多端网络进行直流输电。

4、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统不仅不消耗交流侧提供的无功功率，而且在必要的时候还能够向交流系统提供无功功率，稳定接入点交流网络电压。在抽水蓄能系统发生故障时，可以不向故障系统提供有功功率，而且还能提供一些无功功率的支持，从而迅速的恢复交流网络的电压，稳定系统的功角。

5、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统的换流桥能控制电流的关断，不会增加系统的短路容量，并且可以代替发电机组出口的GCB开关。在增加新的抽水蓄能系统时，原来系统的保护参数和运行参数的短路容量。增加新的抽水蓄能系统时，原来系统的保护参数和运行参数可以不变，因此轻型直流可以方便的加入到交流网络当中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统结构示意图。

图2为本发明一具体实施例的抽水蓄能系统的电路结构示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

图1为本发明一实施例的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统结构示意图。如图1所示，该系统包括：第一换流桥1、第二换流桥2、交流电网3、抽水蓄能机组4；第一换流桥1接入交流电网3，并通过直流电缆连接第二换流桥2，第二换流桥2接入抽水蓄能机组4；其中，

当进行抽水工况时，第一换流桥1将交流电网3的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第二换流桥2，第二换流桥2将直流电逆变为交流电传输至抽水蓄能机组4进行抽水；

当进行发电工况时，利用抽水蓄能机组4发电，第二换流桥2将抽水蓄能机组4发出的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第一换流桥1，第一换流桥1将直流电逆变为交流电传输至交流电网3。

上述系统可以替代传统意义上的GCB开关，实现抽水或发电工况的调整。

图2为本发明一具体实施例的抽水蓄能系统的电路结构示意图。如图2所示，第一换流桥1及第二换流桥2为电压源换流器(VSC)，分别包括三相三桥臂电路；其中，

第一换流桥1的三桥臂的中点分别接入交流电网3，三桥臂的两端分别通过直流电缆连接第二换流桥2；

第二换流桥2的三桥臂的中点分别接入抽水蓄能机组4，三桥臂的两端分别通过直流电缆连接第一换流桥1。

在桥臂中所用的二极管为反向二极管，又称续流二极管，是负载向直流反馈能量的通道，同时也是起着使负载电流连续的作用。

在本实施例中，换流桥的输出由VSC的控制系统调节。VSC电力电子器件采用大功率的绝缘栅双极晶体管(IGBT)，可任意开通或关断，因而可对交流侧电压与电流可以实现精确控制。控制系统采用正弦脉宽调制(SPWM)技术控制，可根据交流系统的需要自动调节电压、频率、有功与无功。

通过上述换流桥及直流电缆即组成了轻型直流输电系统(VSC-HVDC)。

结合图2所示，该系统包括：第一交流汇流母线5、第一换流电抗器6、第一交流滤波器7、第二交流汇流母线8、第二换流电抗器9、第二交流滤波器10；其中，

第一换流桥1的三桥臂的中点接入第一交流汇流母线；

第一换流电抗器6的一端连接第一交流汇流母线8，另一端接入交流电网3并连接第一交流滤波器7的一端，该器件可作为交流侧与直流侧进行能量交换的纽带，用于使电流的上升变的平滑，在一定程度上减少第一换流桥1输出谐波分量；

第一交流滤波器7的另一端接地，用于滤除第一换流桥1产生的谐波电流。

第二换流桥2的三桥臂的中点接入第二交流汇流母线8；

第二换流电抗器9的一端连接第二交流汇流母线8，另一端接入抽水蓄能机组4并连接第二交流滤波器10的一端，用于使电流的上升变的平滑，在一定程度上减少第二换流桥2输出谐波分量；

第二交流滤波器10的另一端接地，用于滤除第二换流桥2产生的谐波电流。

在本实施例中，两个换流桥之间通过两根直流电缆；其中，

第一直流电缆11连接于第一换流桥1的三桥臂的一端及第二换流桥2的三桥臂的一端；

第二直流电缆12连接于第一换流桥1的三桥臂的另一端及第二换流桥2的三桥臂的另一端。

在本实施例中，该系统包括四个直流侧电容，用于为直流电缆的传输提供稳定的直流电压，缓冲换流桥的桥臂在判断时刻产生的冲击电流，并且还能减少直流侧谐波分量；其中，

第一直流侧电容C1及第二直流侧电容C2串联，分别连接第一直流电缆11的一端及第二直流电缆12的一端，两个电容之间设置有一接地线；

第三直流侧电容C3及第四直流侧C4电容串联，分别连接第一直流电缆11的另一端及第二直流电缆12的另一端，两个电容之间设置有一接地线。

当进行抽水工况或发电工况时，利用脉冲宽度调制(PWM)技术控制第一换流桥1或第二换流桥2。更具体地，是利用SPWM技术控制换流桥。

在另一实施例中，该系统还包括换流变压器(图未示)，其通过调节变压器二次电压来调节换流桥最大的传输的无功功率和有功功率，同时当脉冲宽度调制(PWM)控制当中的调制度M较小时，可以通过调节换流变压器的变比来改变调制度的大小，从而减少输出的谐波，达到减少损耗和交流滤波器的目的。

本发明提出的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，至少具备以下优点：

1、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统通过换流器的关断电流能力，可以在无源逆变状态下工作，不需要依赖电压进行换相，克服了传统直流必须在有源网络情况下工作的局限，从而使利用轻型直流向孤岛负荷送电成为一种比较可靠的解决方案。

2、换流桥采用了PWM控制技术，其控制更加灵活、快速，可以独立控制有功和无功。而传统的直流输电系统只有触发角一个控制量，不可能独立的控制有功、无功。

3、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统统进行潮流翻转时直流电压极性不随之改变，只是直流电流改变方向，利用这个特点可以方便、灵活地组成多端网络进行直流输电。

4、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统不仅不消耗交流侧提供的无功功率，而且在必要的时候还能够向交流系统提供无功功率，稳定接入点交流网络电压。在抽水蓄能系统发生故障时，可以不向故障系统提供有功功率，而且还能提供一些无功功率的支持，从而迅速的恢复交流网络的电压，稳定系统的功角。

5、基于轻型直流输电的抽水蓄能系统的换流桥能控制电流的关断，不会增加系统的短路容量，并且可以代替发电机组出口的GCB开关。在增加新的抽水蓄能系统时，原来系统的保护参数和运行参数的短路容量。增加新的抽水蓄能系统时，原来系统的保护参数和运行参数可以不变，因此轻型直流可以方便的加入到交流网络当中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，其特征在于，所述系统包括：第一换流桥、第二换流桥、交流电网、抽水蓄能机组；所述第一换流桥接入交流电网，并通过直流电缆连接第二换流桥，所述第二换流桥接入抽水蓄能机组；其中，

当进行抽水工况时，所述第一换流桥将交流电网的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第二换流桥，所述第二换流桥将直流电逆变为交流电传输至抽水蓄能机组进行抽水；

当进行发电工况时，利用所述抽水蓄能机组发电，所述第二换流桥将抽水蓄能机组发出的交流电整流为直流电，并通过直流电缆传输至第一换流桥，所述第一换流桥将直流电逆变为交流电传输至交流电网；

当进行抽水工况或发电工况时，利用脉冲宽度调制技术控制所述第一换流桥或第二换流桥；

所述系统还包括：

换流变压器，用于通过调节变压器的二次电压来调节所述第一换流桥和所述第二换流桥传输的最大的无功功率和有功功率。

2.根据权利要求1所述的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，其特征在于，所述第一换流桥及第二换流桥为电压源换流器，分别包括三相三桥臂电路；其中，

所述第一换流桥的三桥臂的中点分别接入交流电网，三桥臂的两端分别通过直流电缆连接第二换流桥；

所述第二换流桥的三桥臂的中点分别接入抽水蓄能机组，三桥臂的两端分别通过直流电缆连接第一换流桥。

3.根据权利要求2所述的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，其特征在于，所述系统包括：第一交流汇流母线、第一换流电抗器、第一交流滤波器；其中，

所述第一换流桥的三桥臂的中点接入第一交流汇流母线；

所述第一换流电抗器的一端连接第一交流汇流母线，另一端接入交流电网并连接第一交流滤波器的一端，用于使电流的上升变的平滑，在一定程度上减少第一换流桥输出谐波分量；

所述第一交流滤波器的另一端接地，用于滤除第一换流桥产生的谐波电流。

4.根据权利要求2所述的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，其特征在于，所述系统包括：第二交流汇流母线、第二换流电抗器、第二交流滤波器；其中，

所述第二换流桥的三桥臂的中点接入第二交流汇流母线；

所述第二换流电抗器的一端连接第二交流汇流母线，另一端接入抽水蓄能机组并连接第二交流滤波器的一端，用于使电流的上升变的平滑，在一定程度上减少第二换流桥输出谐波分量；

所述第二交流滤波器的另一端接地，用于滤除第二换流桥产生的谐波电流。

5.根据权利要求2所述的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，其特征在于，所述系统包括两根直流电缆；其中，

所述第一直流电缆连接于第一换流桥的三桥臂的一端及第二换流桥的三桥臂的一端；

所述第二直流电缆连接于第一换流桥的三桥臂的另一端及第二换流桥的三桥臂的另一端。

6.根据权利要求5所述的基于轻型直流输电的抽水蓄能系统，其特征在于，所述系统包括四个直流侧电容，用于为直流电缆的传输提供稳定的直流电压，缓冲换流桥的桥臂在判断时刻产生的冲击电流，并且还能减少直流侧谐波分量；其中，

第一直流侧电容及第二直流侧电容串联，分别连接所述第一直流电缆的一端及第二直流电缆的一端，两个电容之间设置有一接地线；

第三直流侧电容及第四直流侧电容串联，分别连接所述第一直流电缆的另一端及第二直流电缆的另一端，两个电容之间设置有一接地线。