基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统及其调谐方法

摘要

本发明涉及一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统及其调谐方法，输电系统包括远距离输电线路和输电线路柔性调谐装置。柔性调谐装置分为变频式和同步补偿式两种类型。变频式柔性调谐装置基于电力电子变频原理，通过调节输电频率来构造变频式半波输电系统。同步补偿式柔性调谐装置基于电力电子换流器同步补偿原理，通过调节输电线路的等效电气距离来构造同步补偿式半波输电系统。半波输电具有传输距离远、首末端电压稳定性好、输送功率理论极限为无穷大、无需安装无功补偿装置、无需设置中间开关站等优点，经济性甚至优于直流输电，特别适用于点对点、大容量、超远距离电力输配，对于跨洲、跨国输电以及偏远地区供电具有很强的竞争力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输电系统及其方法，具体讲涉及一种基于电力电子换流技术的柔性半波 输电系统及其调谐方法。

背景技术

在全球能源互联的大背景下，为有效解决全球能源资源分布和市场需求严重失衡的问题， 北极风能、赤道太阳能的集中规模化开发和跨洲、跨国远距离输配成为必然的趋势。传统交 流输电受制于输送功率极限、无功电压控制、系统安全稳定等因素的制约，已经无法适应于 超远距离输电。半波输电技术作为一种点对点、超远距离、大容量输电技方案，对于跨洲、 跨国输电以及偏远地区供电具有很强的竞争力。

半波输电(HWACT，halfwavelengthAC transmission)是指输电的电气距离接近1个工 频半波，即3000km(50Hz)或2600km(60Hz)的超远距离的三相交流输电。无损情况下的 半波线路就像一台变比为-1的理想变压器，初级电压和次级电压大小相同、相位相反，具有 首末端电压稳定性好、输送功率的理论极限无穷大等优点。同时，由于半波线路无需安装无 功补偿装置，全线无需设置中间开关站，输电设备数量可大大减少，因而造价很低，经济性 甚至优于直流输电。巴西为把亚马孙河流域的大水电送到负荷中心，把半波输电技术作为一 种备选方案进行详细理论研究和仿真计算，并制定了500kV半波输电“北电南送”的工程方 案。韩国也曾经研究过用半波输电将西伯利亚的水电送到韩国。2006年以来，国内开始研究 半波输电，并以l000kV特高压半波输电、±800kV直流输电、±l000kV直流输电作为西电 东送的备选方案进行了经济性分析，结果表明l000kV特高压半波输电的经济性更优。

半波输电的关键技术主要涉及输电线路调谐、潜供电流抑制、绝缘配合、沿线取电、保 护安控等。目前，现有的半波输电方案基于无源型或T型网络进行输电线路调谐，一定程度 上限制了半波输电技术的发展和应用。一方面，无源调谐网络对系统频率变化和双回线适应 性较差，容易因失谐而失去半波特性；另一方面，无源调谐网络内部发生短路故障时，易引 发谐振，产生幅值很高的过电压；其次，无源调谐仅适用于电气距离小于半波长的线路。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统及其 调谐方法，本发明采用电力电子换流技术对输电线路进行柔性化调谐。柔性调谐装置分为变 频式和同步补偿式两种类型。变频式柔性调谐装置基于电力电子变频原理，通过调节输电频 率来构造变频式半波输电系统，解决偏远地区超远距离供电问题。同步补偿式柔性调谐装置 基于电力电子换流器同步补偿原理，通过调节输电线路的等效电气距离来构造同步补偿式半 波输电系统，解决超远距离跨洲、跨国输电问题。半波输电具有传输距离远、首末端电压稳 定性好、输送功率理论极限为无穷大、无需安装无功补偿装置、无需设置中间开关站等优点， 经济性甚至优于直流输电，特别适用于点对点、大容量、超远距离电力输配，对于跨洲、跨 国输电以及偏远地区供电具有很强的竞争力。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统，其改进之处在于，所述系 统包括调谐输电线路和柔性调谐装置；所述柔性调谐装置包括通过变频式柔性调谐装置和同 步补偿式柔性调谐装置；所述变频式柔性调谐装置和同步补偿式柔性调谐装置均配置于调谐 输电线路两端；通过变频式柔性调谐装置或同步补偿式柔性调谐装置实现半波长调谐。

进一步地，所述变频式柔性调谐装置包括对称配置于调谐输电线路两端的送端变频式柔 性调谐装置和受端变频式柔性调谐装置，所述送端变频式柔性调谐装置接入送端交流系统， 所述受端变频式柔性调谐装置接入受端交流系统。

进一步地，所述送端变频式柔性调谐装置和受端变频式柔性调谐装置均包括矩阵式交交 变频器和滤波电容；所述矩阵式交交变频器串联在调谐输电线路上；所述滤波电容一端接地， 另一端通过母线并联接入调谐输电线路上；

所述矩阵式交交变频器由9个具备双向电压阻断能力和自关断能力的半导体开关器件组 成矩阵结构，通过对9个半导体开关器件的逻辑控制，实现对频率的变换。

进一步地，所述同步补偿式柔性调谐装置包括配置于调谐输电线路两端的送端同步补偿 式柔性调谐装置和受端同步补偿式柔性调谐装置，所述送端同步补偿式柔性调谐装置串联接 入送端交流系统，所述受端同步补偿式柔性调谐装置串联接入受端交流系统。

进一步地，所述送端同步补偿式柔性调谐装置和受端同步补偿式柔性调谐装置均采用Π 型结构；所述Π型结构包括静止串联同步补偿器SSSC以及设置于其两端的静止无功补偿器 STATCOM；所述静止串联同步补偿器SSSC串联在调谐输电线路上；设置于静止串联同步补 偿器SSSC两端的静止无功补偿器STATCOM并联在调谐输电线路上。

本发明还提供一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统的调谐方法，其改进之处 在于，所述方法通过调谐变频式柔性调谐装置的矩阵式交交变频器或同步补偿式柔性调谐装 置的静止串联同步补偿器SSSC和静止无功补偿器STATCOM实现半波长调谐。

进一步地，所述调谐变频式柔性调谐装置的矩阵式交交变频器包括：所述矩阵式交交变 频器升高调谐输电线路上传播的电磁波频率实现波长减小，将调谐输电线路电气长度小于半 波长的线路补偿至半波长通过降低调谐输电线路上传播的电磁波频率实现波长增大，将 电气长度大于半波长的线路减少至半波长

电磁波波长由频率表示为：

λ＝v/f        (1)；

式中，v为电磁波的传播速度，为3*10⁸m/s，f为系统频率。

进一步地，所述变频式柔性调谐装置能够实现频率闭环控制，以系统频率和输电线路的 正序电感和电容参数为参考输入。

进一步地，所述同步补偿式柔性调谐装置的静止串联同步补偿器SSSC和静止无功补偿 器STATCOM包括：对于长度小于半波长的输电线路，对同步补偿式柔性调谐装置串联部分 进行感性调节、并联部分进行容性调节补偿实际数显线路电气长度至半波长；对于长度大于 半波长的输电线路，对同步补偿式柔性调谐装置串联部分进行容性调节、并联部分进行感性 调节补偿实际输电线路电气长度至半波长；所述串联部分为静止串联同步补偿器SSSC；所述 并联部分为静止无功补偿器STATCOM；

设线路待补偿电气长度为l，则静止串联同步补偿器SSSC等效补偿电感值为：

$L=\frac{1}{\omega }\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\sinh \left(\omega \sqrt{L_0{C}_0}l\right)---\left(2\right);$

静止无功补偿器STATCOM等效补偿电容为：

$C=\frac{1}{\omega }\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\frac{1-\cosh \left(\omega \sqrt{L_0{C}_0}l\right)}{\sinh \left(\omega \sqrt{L_0{C}_0}l\right)}---\left(3\right);$

式中：ω、L₀、C₀分别表示系统频率、单位长度线路电感、单位长度线路电容。

进一步地，所述同步补偿式柔性调谐装置的静止串联同步补偿器SSSC和静止无功补偿 器STATCOM均能实现等效电感和电抗闭环控制，以系统频率和输电线路的正序电感和电容 参数为参考输入。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提出的变频式和同步补偿式柔性调谐装置，能够灵活适应系统频率变化和输电 线路结构或参数变化，不会发生因失谐而失去半波特性的问题。

2、本发明提出的变频式和同步补偿式柔性调谐装置，避免了无源调谐网络内部发生短路 故障导致的谐振和过电压问题。

3、本发明提出的变频式和同步补偿式柔性调谐装置，不仅适用于电气距离小于半波长的 线路，还适用于电气距离大于半波长的线路。

4、本发明提出的变频式柔性调谐装置，通过调节输电频率来构造变频式半波输电系统， 解决偏远地区超远距离供电问题。

5、本发明提出的同步补偿式柔性调谐装置，基于电力电子换流器同步补偿原理，通过调 节输电线路的等效电气距离来构造同步补偿式半波输电系统，解决超远距离跨洲、跨国输电 问题。

6、本发明提出的柔性半波输电系统，具有传输距离远、首末端电压稳定性好、输送功率 理论极限为无穷大、无需安装无功补偿装置、无需设置中间开关站等优点，经济性甚至优于 直流输电，特别适用于点对点、大容量、超远距离电力输配，对于跨洲、跨国输电以及偏远 地区供电具有很强的竞争力。

附图说明

图1是本发明实施例中基于变频式柔性调谐装置的半波输电系统拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例中基于同步补偿式柔性调谐装置的半波输电系统拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统，该系统通过变频式柔性调 谐装置或同步补偿式柔性调谐装置实现半波长调谐；所述变频式柔性调谐装置和同步补偿式 柔性调谐装置均配置于调谐输电线路两端。

如图1，本发明提供一种变频式柔性线路调谐装置，所述变频式柔性线路调谐装置由矩 阵式交交变频器、滤波电容构成，所述矩阵式交交变频器串联在调谐输电线路上；所述滤波 电容一端接地，另一端通过母线并联接入调谐输电线路上。所述矩阵式交交变频器由9个具 备双向电压阻断能力和自关断能力的半导体开关器件组成矩阵结构，通过对9个半导体开关 器件的逻辑控制，实现对频率的变换。所述矩阵式交交变频器能够实现升频、降频，能量可 双向流动。

如图2，本发明提供一种静止同步补偿器串并联构成的同步补偿式柔性线路调谐装置， 所述同步补偿式柔性调谐装置配置于线路两端，通过调整同步补偿装置等效电容、电感值使 线路参数调谐为半波长。所述同步补偿式柔性调谐装置采用Π型结构，分别配置于线路送端、 受端，对于长度小于半波长的线路，同步补偿式柔性调谐装置串联部分进行感性调节、并联 部分进行容性调节可补偿实际线路电气长度至半波长；对于长度大于半波长的线路，同步补 偿式柔性调谐装置串联部分进行容性调节、并联部分进行感性调节可补偿实际线路电气长度 至半波长。所述Π型结构包括静止串联同步补偿器SSSC以及设置于其两端的静止无功补偿 器STATCOM；所述静止串联同步补偿器SSSC串联在调谐输电线路上；设置于静止串联同 步补偿器SSSC两端的静止无功补偿器STATCOM并联在调谐输电线路上。

本发明还提供一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统的调谐方法，所述方法通 过调谐变频式柔性调谐装置的矩阵式交交变频器或同步补偿式柔性调谐装置的静止串联同步 补偿器SSSC和静止无功补偿器STATCOM实现半波长调谐。

所述变频式柔性线路调谐装置配置于线路两端，电磁波波长由频率表示为：

λ＝v/f  (1)；

式中，v为波的传播速度，接近3*10⁸m/s，f为系统频率，通过矩阵式交交变频器升 高输电线路上传播的电磁波频率可实现波长减小，从而将电气长度小于半波长的线路补偿 至半波长；通过降低输电线路上传播的电磁波频率可实现波长增大，从而将电气长度大于半 波长的线路补偿至半波长。

所述变频式柔性调谐装置频率闭环控制，以系统频率、线路参数为参考输入，能够灵活 适应系统频率变化和输电线路结构或参数变化，从而持续保持半波补偿，不会发生因失谐而 失去半波特性的问题。

所述同步补偿式柔性调谐装置采用Π型结构，分别配置于线路送端、受端，对于长度小 于半波长的线路，同步补偿式柔性调谐装置串联部分进行感性调节、并联部分进行容性调 节可补偿实际线路电气长度至半波长；对于长度大于半波长的线路，同步补偿式柔性调谐 装置串联部分进行容性调节、并联部分进行感性调节可补偿实际线路电气长度至半波长。

所述Π型同步补偿调谐装置由1套静止串联同步补偿器SSSC、2套静止无功补偿器 STATCOM组成，设线路待补偿电气长度为l，则SSSC等效补偿电感值为：

$L=\frac{1}{\omega }\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\sinh \left(\omega \sqrt{L_0{C}_0}l\right)---\left(2\right);$

STATCOM等效补偿电容为：

$C=\frac{1}{\omega }\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\frac{1-\cosh \left(\omega \sqrt{L_0{C}_0}l\right)}{\sinh \left(\omega \sqrt{L_0{C}_0}l\right)}---\left(3\right);$

其中：ω、L₀、C₀分别表示系统频率、单位长度线路电感、单位长度线路电容。

所述同步补偿式柔性调谐装置SSSC、STATCOM构件均可实现等效电感、电抗闭环控制， 以系统频率、线路参数为参考输入，能够灵活适应系统频率变化和输电线路结构或参数变化， 调整输出感抗、容抗，从而持续保持半波补偿，不会发生因失谐而失去半波特性的问题。

实施例1

本发明提供的一种基于分频式调谐装置的柔性半波输电系统，包括送端变频式柔性调谐 装置、受端变频式柔性调谐装置、调谐输电线路，以及送端交流系统、受端交流系统。变频 式柔性调谐装置分别串入送端交流系统及输电线路、受端交流系统及输电线路之间。

以调谐输电线路长为例，要达成半波长输电，则在送端通过变频式调谐装置使输电线 路上电磁波频率升频至2f，而在受端通过变频式调谐装置使流入受端交流系统频率降频回 f，从而实现输电线路等效电气距离为半波长。

实施例2

本发明提供的一种基于同步补偿式调谐装置的柔性半波输电系统，包括送端同步补偿调 谐装置、受端同步补偿调谐装置、调谐输电线路，以及送端交流系统、受端交流系统。

由静止串联同步补偿器SSSC、静止无功补偿器STATCOM构成Π型调谐装置，串入送 端交流系统、交流线路、受端交流系统之间。

以调谐输电线路长为例，要达成半波长输电，则送、受两端调谐装置需补偿电气长 度的等值电容、电抗，送、受端调谐装置各补偿电气长度。

送、受端Π型调谐装置中，SSSC等效补偿电抗值为：

$L=\frac{1}{\omega }\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\sinh \left(j\frac{\pi }{4}\right)---\left(4\right);$

STATCOM等效补偿电容值为：

$C=\frac{1}{\omega }\sqrt{\frac{L_0}{C_0}}\frac{1-\cosh \left(j\frac{\pi }{4}\right)}{\sinh \left(j\frac{\pi }{4}\right)}---\left(5\right);$

本发明提供一种基于电力电子换流技术的柔性半波输电系统及其调谐方法，所述柔性半 波输电系统通过变频式柔性调谐装置或同步补偿式柔性调谐装置实现半波长调谐，避免了现 有半波输电无源调谐网络对系统频率变化和双回线适应性较差，容易因失谐而失去半波特性 及无源调谐网络内部发生短路故障时引发过电压问题，且同时适用于电气距离大于或小于半 波长的线路。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体 实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换， 均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。