一种具有无功需求的高压直流换流器及其控制方法

1.本发明属于高压直流输电领域，特别涉及一种具有无功需求的高压直流换流器及其控制方法。


背景技术：

2.高压直流输电技术(hvdc，high-voltage direct current)由于其输送容量大、损耗低、可靠性高等优势，目前被广泛应用。而换相失败是高压直流输电系统可能发生的故障之一。其故障的本质在于常规高压直流输电换流器采用晶闸管组成三相桥式整流作为基本单元，每个桥臂均由晶闸管阀串组成，由于晶闸管阀串无法主动控制电流关断，且晶闸管具有本征的反向恢复时间，往往为几百微秒。在换流器中，退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内晶闸管仍处于其恢复时间，则在阀电压变成正向时，被换相的阀都将向原来预定退出导通的阀倒换相，这种情况称为换相失败。换相失败将会导致换流阀闭锁，中断直流系统的输电通道，严重的情况下可能会导致电网崩溃。
3.为此，在常规高压直流输电换流器运行时，运行在定关断角γ控制模式，会依据晶闸管的恢复时间设置关断角γ的整定值为14
°‑
18
°
，以保证晶闸管在关断角γ的时间内能够完成其恢复过程。设μ为换相重叠角，p为有功功率则换流器的无功功率需求q可以按如下式计算：
[0004][0005][0006]
因此，无功功率需求q与其定关断角γ的整定值密切相关，而目前，由于晶闸管的恢复时间限制，必须将关断角设置在14
°
以上，以保证不会出现故障，而这导致了换流器的无功补偿的需求很大。因此，目前的高压直流换流器，配备了很大容量的无功补偿装置。大量的无功补偿装置不仅造价高昂，而且占地面积巨大。


技术实现要素：

[0007]
针对上述问题，本发明提供一种具有无功需求的高压直流换流器及其控制方法。
[0008]
本发明的一种具有无功需求的高压直流换流器，包括桥臂，所述桥臂包括：晶闸管阀串和零恢复时间阀串，
[0009]
其中，
[0010]
所述零恢复时间阀串包括零恢复时间单元q1，
…
，qm，m为整数且m≥1。
[0011]
进一步，
[0012]
所述零恢复时间单元包括具有双向承压能力的电力电子器件。
[0013]
进一步，
[0014]
所述具有双向承压能力的电力电子器件选自下列器件的一种或几种：
[0015]
具有双向承压能力的集成门极换流晶闸管、可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、注
入增强型栅极晶体管。
[0016]
进一步，
[0017]
所述零恢复时间单元包括不具有双向承压能力的电力电子器件与开关器件的串联组合。
[0018]
进一步，
[0019]
所述不具有双向承压能力的电力电子器件选自下列器件的一种或几种：
[0020]
不具有双向承压能力的集成门极换流晶闸管、可关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、注入增强型栅极晶体管。
[0021]
进一步，
[0022]
所述开关器件为二极管。
[0023]
本发明还提供一种具有无功需求的高压直流换流器控制方法，用于控制上述具有无功需求的高压直流换流器，所述控制方法包括步骤：
[0024]
所述高压直流换流器运行时，控制零恢复时间阀串和晶闸管阀串同时开通；
[0025]
在桥臂电流由正向过零点时，由所述零恢复时间阀串中的零恢复时间单元的门极驱动检测所述桥臂电流是否过零点，在检测到所述桥臂电流过零点之后，控制零恢复时间阀串关断。
[0026]
进一步，
[0027]
通过桥臂的就地板或子控制板检测所述桥臂电流是否过零点，而不通过所述门极驱动检测所述桥臂电流是否过零点。
[0028]
进一步，
[0029]
在桥臂电流由正向过零点时，设置一定的判断时间，在所述判断时间内，检测所述桥臂电流是否过零点，即在所述判断时间内，检测所述桥臂电流是否始终为0。
[0030]
进一步，
[0031]
所述判断时间包括连续的控制系统指令周期。
[0032]
本发明的具有无功需求的高压直流换流器及其控制方法，相较于目前的常规高压直流换流器，可以极大的减少无功功率需求，即减小无功补偿装置的容量，也即大量降低了无功装置的造价和占地面积，在应用中具有非常优良的经济性和可靠性，尤其在直流工程当中的效益非常明显，可以节省的经济性成本上亿元。
[0033]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
图1示出了根据本发明实施例的高压直流换流器结构示意图；
[0036]
图2示出了根据本发明实施例的晶闸管阀串控制时序图；
[0037]
图3示出了根据本发明实施例的零恢复时间阀串控制时序图；
[0038]
图4示出了根据本发明实施例的桥臂电流工作时序图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
发明的高压直流换流器结构如图1所示，包括桥臂ap、bp、cp、an、bn、cn，每个桥臂均包括晶闸管阀串和零恢复时间阀串(可根据具体工况，以不同器件的不同组合构成间隔串联结构)。其中，每个晶闸管阀串包括晶闸管s1，
…
，sk，k为整数且k≥1；每个零恢复时间阀串包括零恢复时间单元q1，
…
，qm，m为整数且m≥1；每个零恢复时间单元是具有双向承压能力的电力电子器件如具有双向承压能力的集成门极换流晶闸管(igct)或可关断晶闸管(gto)或绝缘栅双极晶体管(igbt)或注入增强型栅极晶体管(iegt)的中的一种或多种，也可为不具有双向承压能力的igct或gto或igbt或iegt器件与二极管的串联组合，即不具有双向承压能力的igct和二极管串联、或不具有双向承压能力的gto和二极管串联、或不具有双向承压能力的igbt和二极管串联、或不具有双向承压能力的iegt和二极管串联。
[0041]
所述零恢复时间单元，由于在反向电压作用过程中，本征地具有反向承压的能力，同时可以耐受正向电压的作用，因此可以将其视为接近于零恢复时间，与具有几百微秒恢复时间的晶闸管有本质的不同。从而在换流器的每一个阀臂(即桥臂)中加入一定数量和比例的零恢复时间阀串，可以将整体换流器运行在定关断角γ控制模式时的关断角γ整定值减小，从而大幅减小无功功率q需求、无功补偿装置的容量，实现超低的无功需求，实现经济性和可靠性的大幅提升，具有非常有益的应用价值和研究意义。
[0042]
本发明还提出了上述高压直流换流器的控制方法如下：
[0043]
1)在本发明提出的具有无功需求的高压直流换流器运行时，晶闸管阀串由于晶闸管只能控制开通，无法控制关断，因此其在桥臂电流由正向过零点时，晶闸管自然关断。
[0044]
2)在本发明提出的具有无功需求的高压直流换流器运行时，零恢复时间阀串和晶闸管阀串同时开通。在桥臂电流由正向过零点时(如图4中的t0时刻所示)，由零恢复时间单元的门极驱动检测桥臂电流是否过零点，或由阀臂的就地板、子控制板检测桥臂电流是否过零点。在检测到电流过零点之后，控制零恢复时间阀串关断。就地板、子控制板可为单独的子控制系统，用于执行预定的控制、检测、数据处理等功能。
[0045]
3)上述第2点中，为了防止电流过零点检测误判，需要设置一定的判断时间，在所述判断时间桥臂电流始终为零，则可判断为桥臂电流真正过零点，没有出现桥臂电流过零点检测误判。这个判断时间一般与控制时的频率有关，根据具体工况，往往需要连续几个周期(控制系统指令周期)来进行判断，这几个周期加在一块就是判断时间。周期数目根据具体工况确定。
[0046]
本发明的控制方法的逻辑如图2-图4所示，图2中，晶闸管阀串的开通时间为0至时刻t0，在这一开通时间内，如图4所示，桥臂电流经历了从0增至一稳定值，在该稳定值下工作一段时间再衰减为0的过程。如图3所示，零恢复时间阀串是在时刻t0至t1之间所构成的
判断时间(即上述连续几个周期)内对桥臂电流进行防止电流过零点检测误判的检测。从而在此运行模式下，可以实现极小关断角的运行。
[0047]
本发明提供的高压直流换流器及其控制方法，通过配置一定数量和比例的零恢复时间的电力电子器件或电力电子器件单元，以极小关断角的运行模式，将高压直流换流器运行在定关断角γ控制模式时，减小了关断角γ的整定值，从而在一定有功功率的情况下，大幅减小无功功率q需求，即减小无功补偿装置的配置容量，也就大幅降低了无功装置的造价和占地面积，在高压直流输电hvdc的应用中具有非常优良的经济性和可靠性，提升对国民经济的促进作用。
[0048]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。