一种LCC-HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种LCC

【技术实现步骤摘要】
一种LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法


[0001]本专利技术属于新型电力系统的主动支撑及其安全领域，具体涉及一种LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法。

技术介绍

[0002][0003]风光等可再生能源的主要利用方式是发电，其发电方式与并网方式与传统的同步发电机组有很大的不同。例如，风光发电一般通过电力电子装置并网，因而无法为电网提供惯性支撑。目前，几乎所有的风光发电单元采用电力电子变流器跟踪电网频率，作为电流源与电网互动。在此背景下，风光发电随机波动和电力电子装置低惯量等特性，将给我国高比例风光发电的送端、受端交流电力系统的同步稳定、抗干扰、控制保护等性能带来严峻挑战，威胁高比例新能源电力系统的安全稳定运行。
[0004]在此背景下，如图1所示，当弱受端交流系统发生瞬时扰动如功率瞬间缺失，此时常规直流将通过触发角、熄弧角、电流控制等快速控制方式，以10毫秒级瞬间响应该扰动。然而该响应将连锁影响弱送端交流系统，造成弱送端系统的有功功率缺失，从而影响送端系统的安全稳定运行。

技术实现思路

[0005]为解决高比例风光等新能源发电、高比例LCC
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HVDC直流输电等场景下，交流系统惯量低、抗干扰、同步稳定、继电保护等性能弱化所面临的挑战与问题，本专利技术提出一种 LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法。所述的 LCC
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HVDC驱动变频变压器，直接取直流电于HVDC直流系统，直流电机无需额外整流环节，同时变频变压器的转子侧连接于换流阀的交流侧，变频变压器的电压调整功能将有利于换流阀交流侧电压的稳定，减小LCC
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HVDC换相失败发生的概率。
[0006]本专利技术的变频变压器集成了变压器、移相器、水轮发电机、双馈电机、直流驱动控制等相关技术，其核心是在定子和转子侧装有三相绕组的旋转变压器，并通过直流电机驱动转子，以调整转子磁场相对于定子磁场的相位移，从而控制变频变压器传输的有功功率大小和方向。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法，其特征在于：首先对常规直流LCC
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HVDC系统驱动变频变压器的换流站进行改造，并设置地下浅埋变频变压器系统，进一步设计基于变频变压器转子动能的电网构网支撑功能、弱交流系统故障防御及保护系统以及进行LCC
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HVDC驱动变频变压器的容量估算和支撑本地风光场站 MPPT最大发电功率估算。
[0009]进一步地，对常规直流LCC
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HVDC系统驱动变频变压器的换流站进行改造包括：在
原有常规直流即LCC
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HVDC基础上，分别在其整流侧、逆变侧换流阀的最高直流电压、最低直流电压处串联低容量半可控晶闸管换流阀，添加换流阀的交流侧与变频变压器的转子通过集电环相连，同时变频变压器的定子与外部交流系统相连，并通过三绕组变压器升压；
[0010]变频变压器的转子由直流电机驱动旋转，同时驱动直流电机的直流系统直接从 LCC
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HVDC直流侧取电，并且不需要额外直流整流环节。
[0011]进一步地，所述地下浅埋变频变压器系统被浅埋于换流站换流阀或者常规变压器所在的地下位置，用于降低换流站新安装变频变压器的占地面积，隔离变频变压器转子旋转带来的噪音以及有利于水冷系统的水自然流动，进而快速冷却集电环高速运行产生一定的摩擦热。
[0012]进一步地，通过快速释放或存储变频变压器转子动能，向电网提供构网支撑功能，包括： 1)弱交流系统频率调整功能；2)弱交流系统电压支撑和稳定功能；3)提供紧急功率支援和旋转备用功能。
[0013]进一步地，当弱交流系统遭受严重扰动如三相接地故障时，LCC
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HVDC换流阀在有无安装变频变压器时的故障防御及保护系统发生变化，无变频变压器时，LCC
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HVDC换流阀交流侧电流瞬间降为零，而本专利技术提出安装变频变压器，由于变频变压器为电磁变换装置，则其交流侧短路电流表现为幅值较大的正弦波，这将有利于继电保护系统的设计。
[0014]进一步地，所述LCC
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HVDC驱动变频变压器的容量估算和支撑本地风光场站MPPT最大发电功率估算包括：
[0015]推导变频变压器转子动能的变化量为：
[0016][0017]上式中，ω1为变频变压器转子当前的转速，ω(t)为变频变压器转子所能达到的转速，J
VFT
为变频变压器转子的惯量，对式(3)求导：
[0018][0019]由式(4)可推断，采用变频变压器的转子快速变化率，估算出该变频变压器能够支撑的非同步机即无惯量逆变器的容量大小，即P
inverter
，RoCoF
max
为弱交流系统的最大频率变化率，远小于变频变压器的转子快速变化率；
[0020]根据式(4)，推断弱交流系统中能够安装的最大风光发电逆变器容量或最大LCC
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HVDC 输入功率。
[0021]本专利技术提出的LCC
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HVDC驱动变频变压器，即不需要传统变频变压器中的直流侧整流装置，而改为直流驱动电源直接取自LCC
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HVDC传输直流功率。值得一提的是，变频变压器具有一定的惯量，通过其动能的释放，从而为弱交流系统提供紧急功率支援，也有利于调整LCC
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HVDC交流侧端口的电压变化，进而避免交流电压波动引起直流电流的巨大变化，并保留换流器触发角的运行范围。同时，LCC
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HVDC驱动变频变压器可减少在交流系统的无功补偿容量，也构建了交流短路电流，以利于保护装置对换流器交流侧安全运行的保障。
附图说明
[0022]图1为连接送端、受端弱交流系统的常规高压直流输电方式示意图；
[0023]图2为常规直流LCC
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HVDC系统连接变频变压器及其构成改造示意图；
[0024]图3为地下浅埋变频变压器的位置示意图；
[0025]图4为交流系统故障后的变频变压器、LCC换流阀交流侧电流曲线图；
[0026]图5为变频变压器瞬时电压支撑弱交流系统的电网拓扑示意图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028]步骤1：常规直流LCC
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法，其特征在于：首先对常规直流LCC
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HVDC系统驱动变频变压器的换流站进行改造，并设置地下浅埋变频变压器系统，进一步设计基于变频变压器转子动能的电网构网支撑功能、弱交流系统故障防御及保护系统以及进行LCC
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HVDC驱动变频变压器的容量估算和支撑本地风光场站MPPT最大发电功率估算。2.如权利要求1所述的一种LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法，其特征在于：对常规直流LCC
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HVDC系统驱动变频变压器的换流站进行改造包括：在原有常规直流即LCC
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HVDC基础上，分别在其整流侧、逆变侧换流阀的最高直流电压、最低直流电压处串联低容量半可控晶闸管换流阀，添加换流阀的交流侧与变频变压器的转子通过集电环相连，同时变频变压器的定子与外部交流系统相连，并通过三绕组变压器升压；变频变压器的转子由直流电机驱动旋转，同时驱动直流电机的直流系统直接从LCC
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HVDC直流侧取电，并且不需要额外直流整流环节。3.如权利要求2所述的一种LCC
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HVDC驱动变频变压器的电网构网支撑系统及其拓扑功能设计方法，其特征在于：所述地下浅埋变频变压器系统被浅埋于换流站换流阀或者常规变压器所在的地下位置，用于降低换流站新安装变频变压器的占地面积，隔离变频变压器转子旋转带来的噪音以及有利于水冷系统的水自然流动，进而快速冷却集电环高速运行产生一定...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶华，李奕璇，裴玮，韩一江，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：