一种抑制hvdc换相失败的串-并联组合补偿器及方法
【专利摘要】本发明提供一种抑制HVDC换相失败的串?并联组合补偿器及方法，该补偿器设置在HVDC系统逆变侧交流母线与受端电网之间，且串?并联组合补偿器包括交换单元、相互连接的输出电压控制单元及输出电流控制单元；该方法根据电压信号；判断受端电网故障，并进行协调和优化控制，生成控制指令并进行控制。本发明提出的补偿器及方法实现了在受端电网发生故障时有效补偿直流输电系统逆变侧交流母线的电压跌落，提高线路传输能力并抑制换相失败的发生，保证了高压直流输电系统的可靠及稳定的运行。
【专利说明】
-种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器及方法
技术领域
[0001] 本发明设及电力系统高压直流输电领域，具体设及一种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器及方法。
【背景技术】
[0002] 基于晶闽管的电网换相高压直流输电化ine-Commutated-Conve;rte;r High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)系统具有输电容量大、线路造价低、非同步联网能力 强，在远距离大容量输电及大区域联网等方面具有很大优势并在我国电力系统应用广泛。
[0003] 换相失败是LCC-HVDC系统最常见的故障之一。导致换相失败故障的原因有很多， 但当晶闽管及其触发系统均正常工作时，发生换相失败的主要原因是当受端电网发生故障 时引起的电网电压跌落或波动。
[0004] 公开号为CN103337870A的中国专利公开的《一种高压直流输电换相失败的防御方 法》，通过其换相失败防御系统输出矩形波指令给控制保护系统，在控制保护系统的触发角 指令中减去该矩形波，提前触发晶闽管。该方法是一种增大关断角的换相失败防御措施。
[0005] 公开号为CN103737907A的中国专利公开的《一种基于电流限制法的直流输电换相 失败防御方法》，采用在发生交流电网故障时，通过减小直流电流指令的方法来抑制换相失 败。该方法可避免提前触发带来的增大直流电流、增大直流输电系统的功率因数角等不利 影响，使晶闽管所需的换相面积减小，有利于防御直流输电系统发生换相失败故障。但是， 由于LCC-HVDC直流母线串联有较大容量的平波电抗器，其电流下降速度较慢，因此该方法 抑制换相失败的反应速度相对较慢。
[0006] 上述方法主要是增大关断角或减小直流电流，可作为换相失败的辅助防御手段， 但无法从根本上避免换相失败的发生。
[0007] 在《高电压技术》2014年第40卷第8期2440-2448页刊登的"含有STATCOM的高压直 流输电系统控制方法"一文(作者赵成勇等)提出了含有静止无功补偿器(STATCOM)的HVDC 系统控制方法，当受端电网=相故障引起=相电压跌落时，该方法可W减少换相失败的发 生概率，但仅适合受端电网故障较轻的工况，当电网电压跌落较严重时，则补偿电压跌落所 需要STATCOM容量会很大。
【发明内容】
[000引有鉴于此，本发明提供的一种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器及方法，该 补偿器及方法实现了在受端电网发生故障时有效补偿直流输电系统逆变侧交流母线的电 压跌落，提高线路传输能力并抑制换相失败的发生，保证了高压直流输电系统的可靠及稳 定的运行。
[0009] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0010] -种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器，所述串-并联组合补偿器设置在 HVDC系统逆变侧交流母线与受端电网之间，且所述串-并联组合补偿器包括交换单元、相互 连接的输出电压控制单元及输出电流控制单元；
[0011] 所述输出电压控制单元串联在所述逆变侧交流母线与受端电网之间；
[0012] 所述输出电流控制单元并联在所述逆变侧交流母线上或受端电网的母线上；
[0013] 所述输出电压控制单元及输出电流控制单元均连接至所述交换单元。
[0014] 优选的，所述交换单元包括交-交电源变换器及连接至所述交-交电源变换器的控 制器，所述输出电压控制单元为一个串联侧变压器，所述输出电流控制单元为一个并联侧 变压器；
[0015] 所述交-交电源变换器上设有=相输入端及=相输出端；
[0016] 所述串联侧变压器与所述交-交电源变换器的=相输入端连接；
[0017] 所述并联侧变压器与所述交-交电源变换器的=相输出端连接。
[0018] 优选的，所述交-交电源变换器包括用直流母线连接的并联侧模块化多电平变换 器及串联侧模块化多电平变换器；
[0019] 所述并联侧模块化多电平变换器和串联侧模块化多电平变换器均为=相桥结构 且均包括=相上桥臂和下桥臂；
[0020] 所述上桥臂和下桥臂均包括半桥子模块串及电抗器，所述半桥子模块串包括多个 依次串联的半桥子模块；
[0021] 所述上桥臂的电抗器串联在所述上桥臂的半桥子模块串的末端，所述下桥臂的电 抗器串联在所述下桥臂的半桥子模块串的首端；
[0022] 所述上桥臂的电抗器与所述下桥臂的电抗器连接、且各连接点分别为所述模块化 多电平变换器交流侧各相的输入端；
[0023] 所述上桥臂的半桥子模块串的首端均与正直流母线连接；
[0024] 所述下桥臂的半桥子模块串的末端均与负直流母线连接。
[0025] 优选的，所述半桥子模块包括串联的两个功率开关管及电容器，且所述电容器与 两个所述功率开关管所在支路并联；
[0026] 所述功率开关管内设有反并联二极管；
[0027] 其中一个所述功率开关管的两端分别为所述半桥子模块的两个输出端。
[0028] 优选的，所述交-交电源变换器为模块化多电平矩阵变换器，且所述模块化多电平 矩阵变换器的内部结构为3x3矩阵结构；
[0029] 所述模块化多电平矩阵变换器中设有九个功率链，所述功率链包括依次串联的电 抗器及多个H桥子模块，且所述功率链的两端分别为第一输出端和第二输出端；
[0030] 每个所述功率链的第一输出端均与所述模块化多电平矩阵变换器各相的输入端 连接，且每个所述功率链的第二输出端均与所述模块化多电平矩阵变换器各相的输出端连 接。
[0031] 优选的，所述H桥子模块包括电容器、及两条功率开关管支路，且两条功率开关管 均与所述电容器并联;一条所述功率开关管支路上串联有第一功率开关管和第二功率开关 管，另一条所述功率开关管支路上串联有第=功率开关管和第四功率开关管；
[0032] 所述第一功率开关管的发射极分别连接至所述第二功率开关管的集电极及所述H 桥子模块的第一输出端，且所述第一功率开关管的集电极连接所述电容器的正极;所述第 二功率开关管的发射极连接所述电容器的负极；
[0033] 所述第=功率开关管的发射极分别连接至所述第四功率开关管的集电极及所述H 桥子模块的第二输出端，且所述第=功率开关管的集电极连接所述电容器的正极，所述第 四功率开关管的发射极连接所述电容器的负极。
[0034] 优选的，所述控制器包括相互通信的电压检测单元、故障判别单元、协调控制单元 及内环调控单元；
[0035] 所述电压检测单元，用于对所述HVDC系统逆变侧交流母线电压和受端电网电压进 行检测，得到所述受端电网电压信号；
[0036] 所述故障判别单元，用于分析所述受端电网电压信号，并判断所述受端电网是否 发生故障；
[0037] 所述协调控制单元，用于根据所述受端电网的运行状况，对所述串-并联组合补偿 器的所述输出电流控制单元及输出电流控制单元进行协调和优化控制，生成所述输出电压 控制单元的输出电压指令及所述输出电流控制单元的输出电流无功分量指令；
[0038] 所述内环调控单元，用于根据所述输出电压指令及输出电流无功分量指令，分别 实现所述输出电压控制单元的输出电压控制、所述输出电流控制单元的输出电流控制、子 模块电容电压控制W及功率开关管触发控制。
[0039] -种抑制HVDC换相失败的方法，所述方法用设置在HVDC系统逆变侧交流母线与受 端电网之间的串-并联组合补偿器实现，所述串-并联组合补偿器包括交换单元、相互连接 的输出电压控制单元及输出电流控制单元;所述输出电压控制单元串联在所述逆变侧交流 母线与受端电网之间;所述输出电流控制单元并联在所述逆变侧交流母线上或受端电网的 母线上;所述输出电压控制单元及输出电流控制单元均连接至所述交换单元;所述交换单 元包括交-交电源变换器及连接至所述交-交电源变换器的控制器;所述控制器包括相互通 信的电压检测单元、故障判别单元、协调控制单元及内环调控单元；
[0040] 所述方法包括如下步骤：
[0041 ] 步骤1.所述电压检测单元检测所述HVDC系统中逆变侧交流母线电压和受端电网 电压信号；
[0042] 步骤2.所述故障判别单元分析所述逆变侧交流母线电压和受端电网电压信号，判 断所述受端电网是否发生故障；
[0043] 若是，则进入步骤3;
[0044] 若否，则进入步骤4;
[0045] 步骤3.所述协调控制单元W补偿电网电压跌落为目标，根据所述受端电网运行状 况和所述故障判别单元的输出信号，对所述输出电压控制单元和输出电流控制单元进行协 调和优化控制;生成控制指令，进入步骤5;
[0046] 步骤4.所述协调控制单元W补偿无功为目标，控制所述输出电压控制单元及输出 电流控制单元分别实现串联无功补偿及并联无功补偿;生成控制指令，进入步骤5;
[0047] 步骤5.所述内环调控单元根据所述控制指令，分别实现所述电压控制单元的输出 电压控制、所述输出电流控制单元的输出电流控制、子模块电容电压控制W及功率开关管 触发控制。
[004引优选的，所述步骤3包括：
[0049] 3-1.所述协调控制单元W补偿电网电压跌落为目标，根据所述受端电网故障状 况，对所述输出电压控制单元及输出电流控制单元的电压补偿量进行协调和优化；
[0050] 3-2.所述协调控制单元对预设的交流母线电压整定值和测量值进行比较和运算， 分别生成所述输出电压控制单元的输出电压指令信号和所述输出电流控制单元的输出电 流无功分量指令，进入步骤5。
[0051] 优选的，所述步骤4包括：
[0052] 4-1.所述协调控制单元W补偿无功为目标，所述输出电压控制单元补偿电网线路 阻抗，实现串联无功补偿，所述输出电流控制单元根据HVDC系统无功需求，实现并联无功补 偿；
[0053] 4-2.所述输出电压控制单元及输出电流控制单元分别生成输出电压指令信号和 电流无功分量指令，进入步骤5。
[0054] 从上述的技术方案可W看出，本发明提供了一种抑制HVDC换相失败的串-并联组 合补偿器及方法，该补偿器设置在HVDC系统逆变侧交流母线与受端电网之间，且串-并联组 合补偿器包括交换单元、相互连接的输出电压控制单元及输出电流控制单元;该方法根据 电压信号;判断受端电网故障，并进行协调和优化控制，生成控制指令并进行控制。本发明 提出的补偿器及方法实现了在受端电网发生故障时有效补偿直流输电系统逆变侧交流母 线的电压跌落，提高线路传输能力并抑制换相失败的发生，保证了高压直流输电系统的可 靠及稳定的运行。
[0055] 与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有W下优异效果：
[0056] 1、本发明所提供的技术方案中，当受端电网发生故障时，通过控制串-并联组合补 偿器的串联侧输出电压，能有效补偿电网电压跌落，从而抑制换相失败的发生，同时将串联 侧吸收的有功功功率通过并联侧输出到电网。
[0057] 2、本发明所提供的技术方案，当受端电网正常运行时，通过控制串-并联组合补偿 器的串联侧输出电压，能有效补偿线路阻抗，实现串联无功补偿功能，提高线路传输能力， 同时并联侧可用于输出无功电流，实现并联无功无偿功能。
[0058] 3、本发明所提供的技术方案，当受端电网发生故障时，如果单独采用串联补偿器 补偿电网电压跌落，则要求串联补偿器具有吸收有功功率的能力，因此现有的动态电压恢 复器无法满足该要求，而采用串-并联组合补偿器可W将串联部分吸收的有功功率通过并 联侧输出到电网。
[0059] 4、本发明所提供的技术方案，现有的单独采用并联无功发生器STATCOM的电网电 压跌落补偿方案，是通过向接入点注入容性无功电流来提高接入点电压，但仅适合于电压 跌落较轻的工况;而本发明的采用串-并联组合补偿器电网电压跌落补偿方案，可W协调和 优化串联和并联部分的补偿容量，比单独STATCOM具有更宽的电压补偿范围。
[0060] 5、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
【附图说明】
[0061] 图1是本发明的抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器的一种主接线图；
[0062] 图2是本发明的抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器的另一种主接线图；
[0063] 图3是模块化多电平变换器(MMC)的交-交变换器拓扑图；
[0064] 图4是是半桥子模块拓扑结构图；
[0065] 图5是本发明的基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)的交-交变换器拓扑图；
[0066] 图6是本发明的M3C功率链结构图；
[0067] 图7是本发明的H桥子模块拓扑结构图；
[0068] 图8是本发明的控制器框图；
[0069] 图9是本发明的一种抑制HVDC换相失败的方法的流程图；
[0070] 图10是本发明的串-并联组合补偿方法中步骤3的流程示意图；
[0071] 图11是本发明的串-并联组合补偿方法中步骤4的流程示意图。
[00巧其中，I-HVDC系统逆变侧；2-交流母线；3-受端电网；4-控制器;5-串-并组合补偿 器;501-输出电压控制单元;502-输出电流控制单元;503-交换单元;6-交-交电源变换器； 7-串联侧变压器;8-并联侧变压器;9-半桥子模块;901-功率开关管；10-并联侧模块化多电 平变换器;C-电容器；11-串联侧模块化多电平变换器;1^-电抗器；12-功率链；13-H桥子模 块；14-电压检测单元；15-故障判别单元；16-协调控制单元；17-内环调控单元;Sl-第一功 率开关管;S2-第二功率开关管;S3-第=功率开关管;S4-第四功率开关管。
【具体实施方式】
[0073] 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 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，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。
[0074] 如图1所示，本发明提供一种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器的主接线 图，串-并联组合补偿器5设置在HVDC系统逆变侧1交流母线2与受端电网3之间，且串-并联 组合补偿器5包括交换单元503、相互连接的输出电压控制单元501及输出电流控制单元 502；
[0075] 输出电压控制单元501串联在逆变侧1交流母线2与受端电网3之间；
[0076] 输出电流控制单元502并联在逆变侧1交流母线2上；
[0077] 输出电压控制单元501及输出电流控制单元502均连接至交换单元503;
[0078] 其中，交换单元503包括交-交电源变换器6及连接至交-交电源变换器6的控制器 4,输出电压控制单元501为一个串联侧变压器7,输出电流控制单元502为一个并联侧变压 器8;
[0079] 交-交电源变换器6上设有=相输入端及=相输出端；
[0080] 串联侧变压器7与交-交电源变换器6的=相输入端连接；
[0081] 并联侧变压器8与交-交电源变换器6的S相输出端连接；
[0082] 即串-并组合补偿器5的输出电流控制单元502通过串联侧变压器7串联在直流输 电系统逆变侦Ul交流母线2与受端电网3之间，串-并组合补偿器5的输出电流控制单元502通 过并联侧变压器8并联在受端电网3母线上，控制器4控制串-并组合补偿器5的交-交电源变 换器6,分别在串联变压器输出端产生补偿电压和并联变压器输出端产生补偿电流。
[0083] 如图2所示，本发明提供一种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器的另一种主 接线图，
[0084] 其中，输出电流控制单元502并联在受端电网3的母线上；
[0085] 即串-并组合补偿器5的输出电压控制单元501通过串联侧变压器7串联在直流输 电系统逆变侧1交流母线2与受端交流电网3之间，串-并组合补偿器5的输出电流控制单元 502通过并联侧变压器8并联在逆变侧1的交流母线2上，控制器4控制串-并组合补偿器5的 交-交电源变换器6,分别在串联变压器输出端产生补偿电压和并联变压器输出端产生补偿 电流。
[0086] 如图3所示，本发明提供一种串-并联组合补偿器中交-交电源变换器6的一种主接 线图，交-交电源变换器6包括用直流母线连接的并联侧模块化多电平变换器10及串联侧模 块化多电平变换器11;
[0087] 并联侧模块化多电平变换器10和串联侧模块化多电平变换器11均为=相桥结构 且均包括=相上桥臂和下桥臂；
[0088] 上桥臂和下桥臂均包括半桥子模块串及电抗器L，半桥子模块串包括多个依次串 联的半桥子模块9;
[0089] 上桥臂的电抗器L串联在上桥臂的半桥子模块串的末端，下桥臂的电抗器L串联在 下桥臂的半桥子模块串的首端；
[0090] 上桥臂的电抗器L与下桥臂的电抗器L连接、且各连接点分别为模块化多电平变换 器交流侧各相的输入端；
[0091] 上桥臂的半桥子模块串的首端均与正直流母线连接；
[0092] 下桥臂的半桥子模块串的末端均与负直流母线连接；
[0093] 即交-交电源变换器6包括两台"背靠背"连接的模块化多电平变换器(MMC)，其中 并联侧模块化多电平变换器10和串联侧模块化多电平变换器11通过通过正直流母线连接。 模块化多电平变换器(MMC)为=相桥结构，包括=相上桥臂和下桥臂，所述桥臂包括N个半 桥子模块化BSM)，N个半桥子模块皿SM串联与电抗器L连接，上桥臂的电抗器L与下桥臂的电 抗器L相连，其连接点作为模块化多电平变换器(MMC)交流侧一相的输入端，上桥臂的第一 个半桥子模块与正直流母线连接，下桥臂的第N个半桥子模块与负直流母线连接。
[0094] 如图4所示，半桥子模块9包括串联的两个功率开关管901及电容器C，且电容器C与 两个功率开关管901所在支路并联；
[00M]各个功率开关管901内均设有反并联二极管；
[0096] 其中一个功率开关管901的两端分别为半桥子模块9的两个输出端；
[0097] 即半桥子模块9包括2只带有反并联二极管的功率开关管901和电容器C，其图4中 显示的上功率开关管和下功率开关管串联之后与电容C并联，上或下功率开关管的两端为 半桥子模块的两个输出端。
[0098] 如图5所示，本发明提供一种串-并联组合补偿器中交-交电源变换器6的另一种主 接线图，其中，交-交电源变换器6为模块化多电平矩阵变换器(M3C)，且模块化多电平矩阵 变换器的内部结构为3x3矩阵结构；
[0099] 模块化多电平矩阵变换器(M3C)中设有九个M3C功率链12,功率链12包括依次串联 的电抗器L及多个H桥子模块13,且功率链12的两端分别为第一输出端和第二输出端；
[0100] 如图6所示，每个功率链12的第一输出端均与模块化多电平矩阵变换器(M3C)各相 的输入端连接，且每个功率链12的第二输出端均与模块化多电平矩阵变换器(M3C)各相的 输出端连接。
[0101] 即功率链12由电抗器L与N个H桥子模块(FBSMH3串联而成，电抗器L的一端为功率 链12的第一输出端，电抗器L的另一端连接第一 H桥子模块13的第一输出端，第一 H桥子模块 13的第二输出端连接第二子模块13的第一输出端，第二子模块13的第二输出端连接第=H 桥子模块13的第一输出端，W此类推，第(N-1化桥子模块13的第二输出端连接到第N个H桥 子模块13的第一输出端，第N个H桥子模块13的第二输出端为功率链12的第二输出端。
[0102] 如图7所示，H桥子模块13包括电容器C及两条功率开关管支路，且两条功率开关管 均与电容器C并联;一条功率开关管支路上串联有第一功率开关管Sl和第二功率开关管S2， 另一条功率开关管支路上串联有第=功率开关管S3和第四功率开关管S4;
[0103] 第一功率开关管Sl的发射极分别连接至第二功率开关管S2的集电极及H桥子模块 13的第一输出端，且第一功率开关管Sl的集电极连接电容器C的正极;第二功率开关管S2的 发射极连接电容器C的负极；
[0104] 第=功率开关管S3的发射极分别连接至第四功率开关管S4的集电极及H桥子模块 13的第二输出端，且第=功率开关管S3的集电极连接电容器C的正极，第四功率开关管S4的 发射极连接电容器C的负极；
[0105] 即H桥子模块13包括4只带有反并联二极管的功率开关管和电容器C，其中，第一功 率开关管Sl的发射极与第二功率开关管S2集电极连接，并连接所述H桥子模块的第一输出 端，第一功率开关管Sl的集电极连接电容器C的正极，第二功率开关管S2的发射极连接电容 器C的负极；
[0106] 第=功率开关管S3的发射极与第四功率开关管S4集电极连接，并连接所述H桥子 模块的第二输出端，第=功率开关管S3的集电极连接电容器C的正极，第四功率开关管S4的 发射极连接电容器C的负极。
[0107] 如图8所示，控制器4包括相互通信的电压检测单元14、故障判别单元15、协调控制 单元16及内环调控单元17;
[0108] 电压检测单元14,用于对HVDC系统逆变侧1交流母线2电压和受端电网3电压进行 检测，得到受端电网3电压信号；
[0109] 故障判别单元15,用于分析受端电网3电压信号，并判断受端电网3是否发生故障；
[0110] 协调控制单元16,用于根据受端电网3的运行状况，对串-并联组合补偿器5的输出 电流控制单元501及输出电流控制单元502进行协调和优化控制，生成输出电压控制单元 501的输出电压指令及输出电流控制单元502的输出电流无功分量指令；
[0111] 内环调控单元17,用于根据输出电压指令及输出电流无功分量指令，分别实现输 出电压控制单元502的输出电压控制、输出电流控制单元503的输出电流控制、子模块电容 电压控制W及功率开关管901的触发控制；
[0112] 即电压检测单元14,用于对直流输电系统逆变侧交流母线2电压和受端电网3电压 进行检测;故障判别单元15,用于对电压检测单元14输出的S相电压信号化进行分析，判别 受端电网3是否发生故障；协调控制单元16,用于根据受端电网3的运行状况，对所述串-并 联组合补偿器5串联和输出电流控制单元502进行协调和优化控制，生成所需的输出电压控 制单元501输出电压指令A护和输出电流控制单元502输出电流无功分量指令
[0113] 内环调控单元17,用于根据输出电压控制单元501的输出电压指令A护和输出电 流控制单元502的输出电流指令无功分量<，各别实现所述串-并联组合补偿器5输出电压 控制单元501输出电压控制、输出电流控制单元502输出电流控制、子模块电容电压控制W 及功率开关管触发控制。
[0114] 如图9所示，本发明提供一种抑制HVDC换相失败的方法，方法用设置在HVDC系统逆 变侧1交流母线2与受端电网3之间的串-并联组合补偿器5实现，串-并联组合补偿器5包括 交换单元503、相互连接的输出电压控制单元501及输出电流控制单元502;输出电压控制单 元501串联在逆变侧1交流母线2与受端电网3之间;输出电流控制单元502并联在逆变侧1交 流母线2上或受端电网3的母线上;输出电压控制单元501及输出电流控制单元502均连接至 交换单元503;
[0115] 交换单元503包括交-交电源变换器6及连接至交-交电源变换器6的控制器4;控制 器4包括相互通信的电压检测单元14、故障判别单元15、协调控制单元16及内环调控单元 17;
[0116] 包括如下步骤：
[0117] 步骤1.检测HVDC系统中逆变侧1交流母线2电压和受端电网3电压信号；
[0118] 步骤2.分析逆变侧1交流母线2电压和受端电网3电压信号，判断受端电网3是否发 生故障；
[0119] 若是，则进入步骤3;
[0120] 若否，则进入步骤4;
[0121] 步骤3.协调控制单元16W补偿电网电压跌落为目标，根据受端电网3运行状况和 故障判别单元15的输出信号，对输出电压控制单元501和输出电流控制单元502进行协调和 优化控制;生成控制指令，进入步骤5;
[0122] 步骤4.协调控制单元16W补偿无功为目标，控制输出电压控制单元501及输出电 流控制单元502分别实现串联无功补偿及并联无功补偿;生成控制指令，进入步骤5;
[0123] 步骤5.内环调控单元17根据控制指令，分别实现电压控制单元501的输出电压控 审Ij、输出电流控制单元502的输出电流控制、子模块电容电压控制W及功率开关管触发控 制。
[0124] 如图10所示，步骤3包括：
[0125] 3-1.协调控制单元16W补偿电网电压跌落为目标，根据受端电网故障状况，对输 出电压控制单元501及输出电流控制单元502的电压补偿量进行协调和优化；
[0126] 3-2.协调控制单元16对预设的交流母线电压整定值和测量值进行比较和运算，分 别生成输出电压控制单元501的输出电压指令信号和输出电流控制单元502的输出电流无 功分量指令，进入步骤5;
[0127] 即根据受端电网3运行状况和故障判别单元15的输出信号，对所述串-并联组合补 偿器5串联和输出电流控制单元502进行协调和优化控制，生成所需的输出电压控制单元 501输出电压指令Alf和输出电流控制单元502输出电流无功分量指令/;。
[0128] 其中，当受端电网3发生故障时，所述串-并联组合补偿器5的输出电压控制单元 501W补偿电网电压跌落为目标，根据受端电网3的故障状况，对串联和输出电流控制单元 502所提供的电压补偿量进行协调和优化，对预设的交流母线电压整定值和测量值进行比 较和运算，分别生成输出电压控制单元501输出电压指令信号和和输出电流控制单元502输 出电流无功分量指令；
[0129] 当受端电网正常运行时，所述串-并联组合补偿器的输出电压控制单元501W补偿 无功为目标，输出电压控制单元501用于补偿电网线路阻抗，实现串联无功补偿，输出电流 控制单元502根据直流输电系统无功需求，实现并联无功补偿，分别生成输出电压控制单元 501输出电压指令信号和和输出电流控制单元502输出电流无功分量指令。
[0130] 如图11所示，步骤4包括：
[0131] 4-1.协调控制单元16W补偿无功为目标，输出电压控制单元501补偿电网线路阻 抗，实现串联无功补偿，输出电流控制单元502根据HVDC系统无功需求，实现并联无功补偿；
[0132] 4-2.输出电压控制单元501及输出电流控制单元502分别生成输出电压指令信号 和电流无功分量指令，进入步骤5;
[0133] 即根据输出电压控制单元501的输出电压指令AU*和输出电流控制单元502的输 出电流无功分量指令各别实现输出电压控制单元501输出电压控制、输出电流控制单元 502输出电流控制、子模块电容C电压控制W及功率开关管触发控制。
[0134] 本发明提供第一个利用串-并联组合补偿器抑制HVDC换相失败的串-并联组合补 偿方法的具体应用例：
[0135] 将所述串-并联组合补偿器5的输出电流控制单元502通过部分变压器8并联在受 端电网3母线上，如图1所示，并且其中所述交-交电源变换器6采用图3所示的"背靠背"模块 化多电平变换器(MMC)电路。
[0136] 本发明提供第二个利用串-并联组合补偿器抑制HVDC换相失败的串-并联组合补 偿方法的具体应用例：
[0137] 将所述串-并联组合补偿器5的输出电流控制单元502通过部分变压器8并联在逆 变侧1的交流母线2上，如图2所示，并且其中所述交-交电源变换器6采用图3所示的"背靠 肾'模块化多电平变换器(MMC)电路。
[013引本发明提供第S个利用串-并联组合补偿器抑制HVDC换相失败的串-并联组合补 偿方法的具体应用例：
[0139] 将所述串-并联组合补偿器5的输出电流控制单元502通过部分变压器8并联在受 端电网3母线上，如图1所示，并且其中所述交-交电源变换器6采用图4所示的模块化多电平 矩阵变换器M3C电路。
[0140] 本发明提供第四个利用串-并联组合补偿器抑制HVDC换相失败的串-并联组合补 偿方法的具体应用例：
[0141] 将所述串-并联组合补偿器5的输出电流控制单元502通过部分变压器8并联在逆 变侧1的交流母线2上，如图2所示，并且其中所述交-交电源变换器6采用图3所示的模块化 多电平矩阵变换器M3C电路。
[0142] W上实施例仅用W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W对本发明的【具体实施方式】进 行修改或者等同替换，而运些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在 申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种抑制HVDC换相失败的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述串-并联组合补偿 器设置在HVDC系统逆变侧交流母线与受端电网之间，且所述串-并联组合补偿器包括交换 单元、相互连接的输出电压控制单元及输出电流控制单元； 所述输出电压控制单元串联在所述逆变侧交流母线与受端电网之间； 所述输出电流控制单元并联在所述逆变侧交流母线上或受端电网的母线上； 所述输出电压控制单元及输出电流控制单元均连接至所述交换单元。2. 如权利要求1所述的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述交换单元包括交-交电源 变换器及连接至所述交-交电源变换器的控制器，所述输出电压控制单元为一个串联侧变 压器，所述输出电流控制单元为一个并联侧变压器； 所述交-交电源变换器上设有三相输入端及三相输出端； 所述串联侧变压器与所述交-交电源变换器的三相输入端连接； 所述并联侧变压器与所述交-交电源变换器的三相输出端连接。3. 如权利要求2所述的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述交-交电源变换器包括用 直流母线及连接的并联侧模块化多电平变换器及串联侧模块化多电平变换器； 所述并联侧模块化多电平变换器和串联侧模块化多电平变换器均为三相桥结构且均 包括三相上桥臂和下桥臂； 所述上桥臂和下桥臂均包括半桥子模块串及电抗器，所述半桥子模块串包括多个依次 串联的半桥子模块； 所述上桥臂的电抗器串联在所述上桥臂的半桥子模块串的末端，所述下桥臂的电抗器 串联在所述下桥臂的半桥子模块串的首端； 所述上桥臂的电抗器与所述下桥臂的电抗器连接、且各连接点分别为所述模块化多电 平变换器交流侧各相的输入端； 所述上桥臂的半桥子模块串的首端均与正直流母线连接； 所述下桥臂的半桥子模块串的末端均与负直流母线连接。4. 如权利要求3所述的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述半桥子模块包括串联的 两个功率开关管及电容器，且所述电容器与两个所述功率开关管所在支路并联； 所述功率开关管内设有反并联二极管； 其中一个所述功率开关管的两端分别为所述半桥子模块的两个输出端。5. 如权利要求2所述的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述交-交电源变换器为模块 化多电平矩阵变换器，且所述模块化多电平矩阵变换器的内部结构为3x3矩阵结构； 所述模块化多电平矩阵变换器中设有九个功率链，所述功率链包括依次串联的电抗器 及多个Η桥子模块，且所述功率链的两端分别为第一输出端和第二输出端； 每个所述功率链的第一输出端均与所述模块化多电平矩阵变换器各相的输入端连接， 且每个所述功率链的第二输出端均与所述模块化多电平矩阵变换器各相的输出端连接。6. 如权利要求5所述的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述Η桥子模块包括电容器、 及两条功率开关管支路，且两条功率开关管均与所述电容器并联;一条所述功率开关管支 路上串联有第一功率开关管和第二功率开关管，另一条所述功率开关管支路上串联有第三 功率开关管和第四功率开关管； 所述第一功率开关管的发射极分别连接至所述第二功率开关管的集电极及所述Η桥子 模块的第一输出端，且所述第一功率开关管的集电极连接所述电容器的正极;所述第二功 率开关管的发射极连接所述电容器的负极； 所述第三功率开关管的发射极分别连接至所述第四功率开关管的集电极及所述Η桥子 模块的第二输出端，且所述第三功率开关管的集电极连接所述电容器的正极，所述第四功 率开关管的发射极连接所述电容器的负极。7. 如权利要求2至6任一项所述的串-并联组合补偿器，其特征在于，所述控制器包括相 互通信的电压检测单元、故障判别单元、协调控制单元及内环调控单元； 所述电压检测单元，用于对所述HVDC系统逆变侧交流母线电压和受端电网电压进行检 测，得到所述受端电网电压信号； 所述故障判别单元，用于分析所述受端电网电压信号，并判断所述受端电网是否发生 故障； 所述协调控制单元，用于根据所述受端电网的运行状况，对所述串-并联组合补偿器的 所述输出电流控制单元及输出电流控制单元进行协调和优化控制，生成所述输出电压控制 单元的输出电压指令及所述输出电流控制单元的输出电流无功分量指令； 所述内环调控单元，用于根据所述输出电压指令及输出电流无功分量指令，分别实现 所述输出电压控制单元的输出电压控制、所述输出电流控制单元的输出电流控制、子模块 电容电压控制以及功率开关管触发控制。8. -种抑制HVDC换相失败的方法，其特征在于，所述方法用设置在HVDC系统逆变侧交 流母线与受端电网之间的串-并联组合补偿器实现，所述串-并联组合补偿器包括交换单 元、相互连接的输出电压控制单元及输出电流控制单元;所述输出电压控制单元串联在所 述逆变侧交流母线与受端电网之间;所述输出电流控制单元并联在所述逆变侧交流母线上 或受端电网的母线上;所述输出电压控制单元及输出电流控制单元均连接至所述交换单 元;所述交换单元包括交-交电源变换器及连接至所述交-交电源变换器的控制器;所述控 制器包括相互通信的电压检测单元、故障判别单元、协调控制单元及内环调控单元； 所述方法包括如下步骤： 步骤1.所述电压检测单元检测所述HVDC系统中逆变侧交流母线电压和受端电网电压 信号； 步骤2.所述故障判别单元分析所述逆变侧交流母线电压和受端电网电压信号，判断所 述受端电网是否发生故障； 若是，则进入步骤3; 若否，则进入步骤4; 步骤3.所述协调控制单元以补偿电网电压跌落为目标，根据所述受端电网运行状况和 所述故障判别单元的输出信号，对所述输出电压控制单元和输出电流控制单元进行协调和 优化控制;生成控制指令，进入步骤5; 步骤4.所述协调控制单元以补偿无功为目标，控制所述输出电压控制单元及输出电流 控制单元分别实现串联无功补偿及并联无功补偿;生成控制指令，进入步骤5; 步骤5.所述内环调控单元根据所述控制指令，分别实现所述电压控制单元的输出电压 控制、所述输出电流控制单元的输出电流控制、子模块电容电压控制以及功率开关管触发 控制。9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括： 3-1.所述协调控制单元以补偿电网电压跌落为目标，根据所述受端电网故障状况，对 所述输出电压控制单元及输出电流控制单元的电压补偿量进行协调和优化； 3- 2.所述协调控制单元对预设的交流母线电压整定值和测量值进行比较和运算，分别 生成所述输出电压控制单元的输出电压指令信号和所述输出电流控制单元的输出电流无 功分量指令，进入步骤5。10. 如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括： 4- 1.所述协调控制单元以补偿无功为目标，所述输出电压控制单元补偿电网线路阻 抗，实现串联无功补偿，所述输出电流控制单元根据HVDC系统无功需求，实现并联无功补 偿； 4-2.所述输出电压控制单元及输出电流控制单元分别生成输出电压指令信号和电流 无功分量指令，进入步骤5。
【文档编号】H02J3/18GK105826924SQ201610164438
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】王轩, 李鹏, 武丹, 石浩, 付永生, 燕翚, 王广柱, 欧朱建, 潘爱强
【申请人】中电普瑞科技有限公司, 南京南瑞集团公司, 国网上海市电力公司, 国家电网公司, 山东大学