CN104022666A

CN104022666A - 一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀

Info

Publication number: CN104022666A
Application number: CN201410238350.1A
Authority: CN
Inventors: 王刚; 张海涛; 易荣
Original assignee: Rongxin Power Electronic Co Ltd
Current assignee: Rongxin Power Electronic Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-09-03

Abstract

本发明涉及一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，该换流阀结构应用于高压大容量柔性直流输电系统(VSC-HVDC)，可实现电能的远距离输送和控制。本发明的目的是提供一种可充分发挥不同子模块的优点，同时避免单一类型子模块构成的换流阀的缺点的新型换流阀拓扑结构。阀组每相包括上、下2个桥臂；每个桥臂均由若干个子模块构成；每个桥臂中至少包含2种基本拓扑结构的子模块；同一桥臂子模块之间串联连接。子模块的基本拓扑结构为半桥结构，全桥结构，箝位双子模块结构或其他结构。该换流阀采用架空线作为直流输电线路，应用于10kV及以上电压的柔性直流输电系统中。

Description

一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流阀结构，该换流阀结构应用于高压大容量柔性直流输电系统(步止C-H步DC核，可实现电能的远距离输送和控制。

背景技术

柔性高压直流输电系统，又称电压源型高压直流输电系统(VSC-HVDC)，是应用于电力系统的性能极其优越的远距离输电手段。其基本技术手段是：通过采用开通和关断均可控的全控型电力电子器件，如IGBT等开关器件，实现有功，无功的高度可控和迅速响应。直流输电系统无交流系统的电抗效应和电容效应，可实现低损耗水平下的高功率密度远距离电能传输，且不会引起线路沿途分布电容的空充效应所导致的过电压。因此，柔性直流输电系统普遍应用在孤岛送电，电厂远距离接入，不同电网(同步或异步)间的互联，高可靠性供电网络等领域。尤其是在海上远距离孤岛送电，海上远距离风电场电能的收集与接入方面，柔性高压直流输电是性能最优异的方式。

换流阀是柔性直流输电系统中最核心的设备，它承担着交流电和直流电之间的相互转换，是连接交流电力系统和直流电力系统之间的纽带。目前，柔性直流输电换流阀的结构分为2电平结构，3电平结构和多电平结构。多电平结构的换流阀谐波小，电压高，是实线大容量柔性直流输电系统的常用方法。其中，模块化多电平(MMC)结构的换流阀是多电平换流阀中性能最优异的。其具有电流大，易于应用于高电压场合,对功率器件要求低，制造难度小，控制相对简单等优点。其基本结构可参见图1。

图1中模块化多电平换流阀中的子模块1，按照电路基本拓扑结构，至少可分为半桥子模块(图2)，全桥子模块(图3)和箝位双子模块(图4)。另外，还有其他基本拓扑结构的子模块。

由半桥子模块(图2)组成的换流阀，每个模块仅使用2个全控器件10和2个二极管9，造价最低。其有3种工作状态，即：

1)闭锁状态：T₁，T₂均截止。电流由B经D₂流向A，A、B间相当于短路；或由A经D₁、C流向B，电容器充电。正常运行时，不允许出现这种状态。

2)投入状态：T₁开通，T₂截止。电流由B经C，T₁流向A,模块电容器放电；或由A经D₁,C流向B，电容器充电。此时A、B间电压为电容器电压。

3)旁路状态：T₂开通，T₁截止。电流由B经D₂流向A,或由A经T₂流向B。此时A、B间电压仅为D₂或T₂的正向压降，几乎为0。

当直流系统发生短路故障时，控制系统发出闭锁命令，模块工作于闭锁状态。若短路电流由B流向A，则由于子模块中二极管D₂构成的电流通路，此通路中，没有能够控制短路电流的设备，从而造成短路电流和短路电流变化率过大。若没有装设直流断路器，则图2半桥子模块不适用于短路故障概率较高的场合。

由全桥子模块(图3)组成的换流阀，每个模块至少包含4个全控器件10和4个二极管9，造价最高。其有4种工作状态，即：

1)闭锁状态：T₁，T₂,T₃，T₄均截止。电流由A经D₁，C，D₄流向B，或由B经D₂，C，D₃流向A；或。无论A、B间电流方向如何，电容器都处于充电状态。正常运行时，不允许出现这种状态。

2)正向投入状态：T₁，T₄开通，T₂,T₃截止。电流由A经D₁，C，D₄流向B,模块电容器充电；或由B经T₄,C,T₁流向A，电容器放电。此时A、B间电压为电容器正向电压。

3)反向投入状态：T₂，T₃开通，T₁,T₄截止。电流由A经T₃，C，T₂流向B,模块电容器放电；或由B经D₂,C，D₃流向A，电容器充电。此时A、B间电压为电容器负向电压。

4)旁路状态或切除状态：T₁，T₂开通，T₃，T₄截止；或T₁，T₂截止，T₃，T₄开通。此时图3全桥子模块工作于旁路状态，A、B间电压几乎为0。

当直流系统发生短路故障时，图3全桥子模块迅速进入闭锁状态，根据上述叙述，电容器8处于充电状态，从而起到限制短路电流和短路电流变化率的作用。这种子模块适用于短路故障概率较高的场合。

由箝位双子模块(图4)组成的换流阀，至少包含5个全控器件10和7个二极管9和11，但换流器(图1)所需子模块数量仅为半桥子模块换流阀和全桥子模块换流阀的一半，总体造价介于半桥子模块换流阀和全桥子模块换流阀之间。其有4种工作状态，即：

1)闭锁状态：T₁₁，T₁₂,T₂₁，T₂₂，T₀均截止。电流由A经D₁₁，C₁，D₀，C₂，D₂₁流向B，A、B间电压为2倍单个电容器电压；或由B经D₂₂、C₂，D₂₃，D₁₃，C₁，D₁₂流向A(其中，C₂-D₂₃，D₁₃-C₁两个支路并联)，,A、B间电压为电容器C₁或C₂的电压。无论A、B间电流方向如何，电容器都处于充电状态。正常运行时，不允许出现这种状态。

2)正常运行模式：引导回路11中的T₀始终保持导通，以引导回路11为分界，左右各为一个半桥子模块(图2)，由于钳位二极管13即D₁₃与D₂₃的单向导通特性，两个半桥子模块相当于串联连接，外部特性上等同于两个半桥子模块的特性。此时A、B间电压为电容器2倍电容器正向电压或1倍电容器正向电压。

3)旁路状态或切除状态：与正常运行模式类似，当两个半桥子模块都处于旁路状态时，整个箝位双子模块(图4)处于旁路状态或切除状态，A、B间电压几乎为0。

当直流系统发生短路故障时，整个箝位双子模块(图4)迅速进入闭锁状态，无论短路电流方向如何，短路电流通路上必然存在两个或串联或并联的正向电压的电容器C₁，C₂，相当于给电容器充电，从而起到限制短路电流和短路电流变化率的作用，可适用于短路故障概率较高的场合。

现有换流阀均采用单一类型的子模块，每个桥臂上的子模块数量相同，这种结构的换流阀不能充分利用不同拓扑结构的子模块在性能或成本上的优点，所制造的换流阀或者成本低但无法限制短路电流，或者能够限制短路电流但成本太高。

发明内容

本发明的目的是提供一种可充分发挥不同子模块的优点，同时避免单一类型子模块构成的换流阀的缺点的新型换流阀拓扑结构，该拓扑结构用于柔性直流输电系统中，成本低，并可有效限制短路电流。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，所述的换流阀每相包括上、下2个桥臂；每个桥臂均由若干个子模块串联连接构成；每个桥臂中至少包含2种基本拓扑结构的子模块；所述的换流阀上、下2个桥臂构成一个相单元，各相单元并联连接。

所述的子模块基本拓扑结构为半桥结构、全桥结构、箝位双子模块结构或其他结构。

所述的子模块中至少包含1个半桥结构的子模块。

所述的每个桥臂中包含2种基本拓扑结构子模块，两种子模块采用半桥与全桥结构；或采用半桥结构与箝位双子模块结构。

所述的换流阀不同桥臂的子模块数量可以相同，也可以不同。

所述的换流阀应用于10k步及以上电压的柔性直流输电系统中。

所述换流阀采用架空线作为直流输电线路；所述换流阀可通过阀电抗器与交流系统相连接；所述换流阀可通过开关设备与交流系统相连接。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明可充分利用2种或2种以上子模块各自的优点，克服其缺点，在较低成本下实现适用于高压直流架空线的柔性直流换流阀。

当这2种子模块采用半桥与全桥结构时，以半桥模块为桥臂主体，配合少量全桥模块，则整个阀组的成本仅略高于完全半桥模块的阀组，大大低于完全全桥模块的阀组，成本较低，控制方法相对简单。同时，直流侧短路时，短路电流通路中含有少量全桥结构子模块，这些全桥子模块中的电容器可抑制短路电流的上升率和大小，从而具备完全全桥子模块阀组的优点。

当这2种子模块采用半桥与箝位双子模块结构时，以半桥模块为桥臂主体，配合少量箝位双子模块，则整个阀组的成本仅略高于完全由箝位双子模块构成的阀组，大大低于完全箝位双子模块结构的阀组，成本较低，控制方法相对简单。同时，直流侧短路时_主短路电流通路中含有少量箝位双子模块，这些箝位双子模块中的电容器可抑制短路电流的上升率和大小，从而具备完全由箝位双子模块构成的阀组的优点。

2)本发明所述的换流阀组，若以某1种子模块为主体，另外1种或几种模块为辅，则主体子模块开发的控制保护系统可仅进行少量的修改即可应用于新阀组，原有控制模式也可以最大范围的给予保留，重新开发和调试的工作量较小。

3)本发明所述的换流阀组，若以损耗最小的子模块为主体，另外1种或几种模块为辅，则损耗主要由主体子模块产生，阀组整体损耗接近于完全由主体子模块组成的阀组，可以在损耗增加不多的情况下发挥其他结构子模块的优势。

附图说明

图1是模块化多电平换流阀组电路图。

图2是半桥结构的子模块(H-SM)基本电路结构图。

图3是全桥结构的子模块(F-SM)基本电路结构图。

图4是箝位双子模块结构的子模块(C-SM)基本电路结构图。

图1～图4中：

1为子模块(SM，submodule)，各子模块(SM)的结构不要求相同

2为上桥臂

3为阀电抗器

4为下桥臂

5为一个相单元

6为直流极线

7为一个阀组

8为子模块电容器

9为二极管

10为全控器件

11为箝位双子模块引导回路的全控器件(如IGBT)

12为箝位双子模块引导回路的反并联二极管

13为箝位二极管

图5是子模块为半桥结构与箝位双子模块结构的模块化多电平换流阀组拓扑图。

图6是子模块为半桥结构与全桥结构的模块化多电平换流阀组拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术内容作进一步详细说明。

实施例1

参照图5，以N1个半桥结构的子模块(图2，H-SM)为主体，在桥臂中串联N2个箝位双子模块(图4，C-SM)。通常情况下，为了节省成本，N1大于N2。

正常运行时，箝位双子模块(C-SM)引导回路中的全控器件开通，整个模块等效于两个半桥子模块(图2，H-SM)串联，从而可按常规半桥子模块的控制方法控制箝位双子模块(C-SM)的两个等效半桥子模块。

当发生直流侧故障时，所有模块全控器件闭锁。图5中N1个半桥子模块(图2,H-SM)闭锁后，短路电流通过输出端之间的二极管流通。而箝位双子模块(C-SM)中，引导回路全控器件闭锁，使得该回路相当于开路。于是短路电流通过2个反并联二极管和两个直流电容器流通，其幅值和变化率被电容器限制在一定范围内，同时，短路电流被二极管和全控器件迅速阻断。

实施例2

参照图6，以N1个半桥结构的子模块(图2，H-SM)为主体，在桥臂中串联N2个全桥子模块(图3，F-SM)。通常情况下，为了节省成本，N1大于N2。

正常运行时，全桥子模块(F-SM)与半桥子模块(H-SM)同时参与换流阀控制，采用通常控制方式。当发生直流侧故障时，所有模块全控器件闭锁。图6中N1个半桥子模块(图2，H-SM)闭锁后，短路电流通过输出端之间的二极管流通。而全桥子模块(F-SM)中，短路电流通过2个反并联二极管和直流电容器流通，其幅值和变化率被电容器限制在一定范围内，同时，短路电流被二极管和全控器件迅速阻断。

以上实施例例举了半桥结构子模块与箝位双子模块构成的阀组及半桥结构子模块与全桥子模块构成的阀组。对于其他结构的子模块及其组合构成的阀组，均在本发明的权利保护范围之内。

Claims

1.一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，其特征在于，所述的换流阀每相包括上、下2个桥臂；每个桥臂均由若干个子模块串联连接构成；每个桥臂中至少包含2种基本拓扑结构的子模块；所述的换流阀上、下2个桥臂构成一个相单元，各相单元并联连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，其特征在于，所述的子模块基本拓扑结构为半桥结构、全桥结构、或箝位双子模块结构。

3.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，其特征在于，所述的子模块中至少包含1个半桥结构的子模块。

4.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，其特征在于，所述的每个桥臂中包含2种基本拓扑结构子模块，两种子模块采用半桥与全桥结构；或采用半桥结构与箝位双子模块结构。

5.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，其特征在于，所述的换流阀不同桥臂的子模块数量可以相同，也可以不同。

6.根据权利要求1所述的一种用于柔性直流输电系统的模块化多电平换流阀，其特征在于，所述的换流阀应用于10kV及以上电压的柔性直流输电系统中。