一种新型三相串联模块化多电平hvdc换流器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高电压、大功率电力变换装置拓扑结构及其控制策略领域，涉及一种 新型三相串联模块化多电平HVDC换流器。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器(multilevel modular converter，MMC)是电压源换流器 (voltage source converter，VSC)的一种拓扑结构，由Marquardt和Lesnicar于2002年在 IEEE Power Tech Conference提出，是高压直流输电技术发展的最新成果。相对于两电平 和三电平换流器拓扑结构，MMC拓扑结构有诸多优点：模块化设计，通过调整子模块的串联 个数可以实现电压及功率等级的灵活变化;开关频率低，损耗下降;输出电压波形非常平滑 且接近理想正弦波形，谐波含量少，在网侧不需要大容量交流滤波器;故障穿越能力强等。 基于上述特点，将MMC应用于直流输电可以显著提高直流输电系统的可靠性和适应性。但 是，为了输出同样电压等级的直流电压，使用半桥或全桥的MMC系统需要使用的开关器件数 是传统两电平VSC拓扑的两倍或四倍，故成本太高是目前MMC系统的一个主要缺点。同时，直 流侧短路故障也是目前MMC所面对的主要问题。实际工程中采用半桥子模块，当直流侧发生 故障时，由于反并联二极管仍能为故障电流提供通路，系统近似发生三相短路，且无法通过 闭锁换流器来切断故障电流，严重危害系统的安全稳定运行。且由于直流电流不存在过零 点，熄弧困难，高压大容量直流断路器的制造工艺尚不成熟，目前仍处于实验阶段，在工程 中鲜有应用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种新型三相串联模块化多 电平HVDC换流器，该换流器的成本低，同时能够阻断直流短路电流。
[0004] 为达到上述目的，本发明所述的新型三相串联模块化多电平HVDC换流器包括直流 输出端、三相交流输入端、第一变压器、第二变压器、第三变压器、第一单相变流器、第二单 相变流器及第三单相变流器，其中，三相交流输入端的三个输出端分别与第一变压器中初 级线圈的一端、第二变压器中初级线圈的一端及第三变压器中初级线圈的一端相连接，第 一变压器中初级线圈的另一端、第二变压器中初级线圈的另一端及第三变压器中初级线圈 的另一端相连接，第一变压器中次级线圈的一端、第二变压器中次级线圈的一端及第三变 压器中次级线圈的一端分别与第一单相变流器中的第一辅助桥臂、第二单相变流器中的第 一辅助桥臂及第三单相变流器中的第一辅助桥臂相连接；
[0005] 第一单相变流器中的第二辅助桥臂与直流输出端的正极相连接，第一单相变流器 中的主桥臂与第一变压器中次级线圈的另一端及第二单相变流器中的第二辅助桥臂相连 接，第二单相变流器中的主桥臂与第二变压器中次级线圈的另一端及第三单相变流器中的 第三辅助桥臂相连接，第三单相变流器中的主桥臂与第三变压器中次级线圈的另一端及直 流输出端的负极相连接；
[0006] 第一单相变流器中的第二辅助桥臂、第二单相变流器中的第二辅助桥臂及第三单 相变流器中的第二辅助桥臂均由n/2个全桥子模块、第一电感及第一电阻依次串联而成，n 为大于等于2的偶数。
[0007] 第一变压器的次级线圈、第一单相变流器中的第一辅助桥臂及主桥臂组成第一交 流侧回路，第二变压器的次级线圈、第二单相变流器中的第一辅助桥臂及主桥臂组成第二 交流侧回路，第三变压器的次级线圈、第三单相变流器中的第一辅助桥臂及主桥臂组成第 三交流侧回路，其中第一交流侧回路的内环电流、第二交流侧回路的内环电流及第三交流 侧回路的内环电流均采用交流侧有功、无功电流前馈解耦控制方法进行控制，第一交流侧 回路中的主桥臂、第二交流侧回路中的主桥臂及第三交流侧回路中的主桥臂均采用定有功 功率及定交流电压控制方法进行控制，第一交流侧回路中的第一辅助桥臂、第二交流侧回 路中的第一辅助桥臂及第三交流侧回路中的第一辅助桥臂均采用电流定向的定直流电压 控制方法进行控制。
[0008] 引入无功功率分配系数k，通过调节无功功率分配系数k实现无功功率在第一交流 侧回路中主桥臂与第一辅助桥臂之间的分配、第二交流侧回路中主桥臂与第一辅助桥臂之 间的分配、以及第三交流侧回路中主桥臂与第一辅助桥臂之间的分配。
[0009] 第一单相电流器中的第二辅助桥臂及主桥臂组成第一直流电路，第二单相电流器 中的第二辅助桥臂及主桥臂组成第二直流电路，第三单相电流器中的第二辅助桥臂及主桥 臂组成第三直流电路，其中，第一直流电路中的内环电流、第二单相电流器中的内环电流及 第三单相电流器中的内环电流均通过直流电流的前馈闭环控制方法进行控制，第一直流电 路中的主桥臂、第二单相电流器中的主桥臂及第三单相电流器中的主桥臂通过定直流电压 进行控制，第一直流电路中的第二辅助桥臂、第二单相电流器中的第二辅助桥臂及第三单 相电流器中的第二辅助桥臂通过定直流电压控制。
[0010] 第一单相变流器中的主桥臂、第二单相变流器中的主桥臂及第三单相变流器中的 主桥臂均由n个半桥子模块依次串联而成。
[0011] 第一单相变流器中的第一辅助桥臂、第二单相变流器中的第一辅助桥臂及第三单 相变流器中的第一辅助桥臂均由第二电阻、第二电感及n/2个半桥子模块依次串联而成。
[0012] 本发明具有以下有益效果：
[0013] 本发明所述的新型三相串联模块化多电平HVDC换流器包括第一单相变流器、第二 单相变流器及第三单相变流器，其中第一单相变流器、第二单相变流器及第三单相变流器 串联连接，在使用相同开关器件数的情况下，实现更高直流电压的输出，从而有效的降低系 统的成本及体积，提高系统的可靠性，同时不存在相间环流，无需进行环流抑制等控制措 施，另外，第一单相变流器中的第二辅助桥臂、第二单相变流器中的第二辅助桥臂及第三单 相变流器中的第二辅助桥臂均由n/2个全桥子模块依次串联而成，在直流侧出现短路故障 时，能够通过第二辅助桥臂IGBT触发脉冲的快速封锁阻断直流短路电流的产生，从而无需 采用交流断路器切断直流故障。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的三相等效电路；
[0015]图2为本发明的一相等效电路；
[0016] 图3为本发明的交流侧一相等效电路；
[0017] 图4为本发明的直流侧一相等效电路；
[0018] 图5为本发明中通过PI调节实现有功电流和无功电流的前馈解耦闭环控制的控制 策略框图；
[0019] 图6为本发明中外环控制策略采用功率和电压控制的控制策略框图；
[0020] 图7为本发明中通过PI调节实现直流输出电流的闭环控制的控制策略框图；
[0021] 图8为本发明中采用电压闭环的PI调节器控制主桥臂中各个子模块的直流电压恒 定的控制策略框图；
[0022] 图9为本发明中对直流侧辅助桥臂电压￥31、￥^、￥。3中含有直流电压分量￥^。进行控 制的控制策略框图；
[0023] 图10为新型三相串联模块化多电平HVDC换流器稳态运行时的桥臂调制波示意图；
[0024] 图11为k = 1时本发明中交流侧电压电流的波形图；
[0025] 图12为k = 1时本发明中直流侧电压电流的波形图；
[0026] 图13为k = l时本发明中传输有功功率和无功功率的波形图；
[0027] 图14为k = l时本发明中主桥臂和辅助桥臂直流电容电压的波形图；
[0028] 图15为k = l时本发明中交流侧电流的频谱分析图；
[0029] 图16为k = l时本发明中直流侧电流的频谱分析图；
[0030] 图17为k = l时本发明中交流侧辅助桥臂调制波的波形图；
[0031] 图18为k = l时本发明中直流侧辅助桥臂调制波的波形图；
[0032] 图19为k = l时本发明中主桥臂调制波的波形图；
[0033 ]图20为k = 0.6时本发明中交流侧电压电流的波形图；
[0034]图21为k = 0.6时本发明中直流侧电压电流的波形图；
[0035] 图22为k = 0.6时本发明中传输有功功率和无功功率的波形图；
[0036] 图23为k = 0.6时本发明中主桥臂和辅助桥臂直流电容电压的波形图；
[0037]图24为k = 0.6时本发明中交流侧电流的频谱分析图；
[0038]图25为k = 0.6时本发明中直流侧电流的频谱分析图；
[0039] 图26为k = 0.6时本发明中交流侧辅助桥臂调制波的波形图；
[0040] 图27为k = 0.6时本发明中直流侧辅助桥臂调制波的波形图；
[0041 ]图28为k = 0.6时本发明中主桥臂调制波的波形图；
[0042]图29为本发明的电路图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0044]参考图29，本发明所述的新型三相串联模块化多电平HVDC换流器包括直流输出 端、三相交流输入端、第一变压器T1、第二变压器T2、第三变压器T3、第一单相变流器、第二 单相