一种电压源换流器单元拓扑结构及控制方法与流程

本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种电压源换流器单元拓扑结构及控制方法。

背景技术：

高压直流输电系统可分为两种类型：基于晶闸管换流器的常规直流输电系统(LCC-HVDC)和基于全控型电压源换流器的柔性直流输电系统(VSC-HVDC)。常规直流输电系统成本低、损耗小、运行技术成熟，目前世界上正在运行的直流输电系统绝大部分都是LCC-HVDC系统，但常规直流输电系统存在逆变侧易发生换相失败、对交流系统的依赖性强、需吸收大量无功功率、换流站占地面积大等缺点；而新一代的柔性直流输电系统则具有能够实现有功功率及无功功率解耦控制、可以向无源网络供电、结构紧凑占地面积小、不存在换相失败问题等优点，但也存在成本较高的缺陷。因此，综合常规直流输电和柔性直流输电两者优点，一端换流站采用晶闸管换流器、另一端换流站采用电压源换流器的混合直流输电技术具有良好的工程应用前景。远期来看，随着电压源换流器所用全控器件价格的降低，两端换流站均采用电压源换流器的柔性直流输电技术也将会得到越来越广泛的应用。

为了满足远距离大容量的输电需求，常规直流输电工程采用两个或多个晶闸管换流器串联的技术以提升直流输电系统的直流电压等级和输送容量，目前国内已有多个晶闸管换流器串联型直流输电工程建成投运。对于一端换流站采用晶闸管换流器串联、另一端换流站采用电压源换流器串联的串联型混合直流输电技术以及两端均采用电压源换流器串联的串联型柔性直流输电技术目前尚处在研究阶段。

对于采用换流器串联技术的直流输电系统，对主回路拓扑结构和控制系统的要求是能够实现直流极运行过程中换流器的在线投入和在线退出，以满足直流极两个或两个以上换流器串联运行时的如下需求：1)单个换流器可以手动正常退出进行检修，检修完毕后可以投入继续运行；2)单个换流器发生故障时可以自动故障退出；3)单个换流器的在线投退不影响其他换流器的正常运行，上述需求可以保证串联型直流输电系统运行的灵活性和可靠性。目前晶闸管换流器串联型直流输电系统的拓扑结构及晶闸管换流器的投退方法均已成熟。

对于串联型混合直流输电系统以及串联型柔性直流输电系统，如仍采用晶闸管换流器串联型直流输电系统的拓扑结构进行电压源换流器的在线投退，由于电压源换流器存在电容储能元件，会引起电压源换流器出现类似直流侧正极、负极短路的严重故障，导致换流器投退失败，目前尚未见到可实现串联型直流输电系统中电压源换流器在线投退的拓扑结构和控制方法被提出，因此有必要结合电压源换流器的特点提供一种可实现电压源换流器在线投退的拓扑结构及控制方法，以满足串联型混合直流输电系统或串联型柔性直流输电系统的运行和维护需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种电压源换流器单元拓扑结构及控制方法，用于实现直流输电系统直流极两个或两个以上换流器串联运行时单个电压源换流器的在线投入和在线退出，可以满足串联型混合直流输电系统或串联型柔性直流输电系统的运行和维护需要。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种电压源换流器单元拓扑结构，其特征在于：包括相互串联的第一单元隔离刀闸(D1)、单元隔离开关(S1)、电压源换流器、第二单元隔离刀闸(D2)和连接导线，上述串联回路的始端和末端分别作为该电压源换流器单元的第一直流端点(X1)和第二直流端点(X2)，用于与其它电压源换流器单元进行串联；

还包括单元旁路刀闸(D3)，其跨接于所述第一直流端点(X1)和第二直流端点(X2)之间；

还包括单元旁路开关(S2)，其跨接于所述第一单元隔离刀闸(D1)的近电压源换流器端(Y1)和第二单元隔离刀闸(D2)的近电压源换流器端(Y2)之间；

所述串联回路包括下述两种拓扑结构：

i)第一直流端点(X1)依次经第一单元隔离刀闸(D1)、单元隔离开关(S1)连接至电压源换流器正端(Z1)，第二直流端点(X2)经第二单元隔离刀闸(D2)连接至电压源换流器负端(Z2)；

ii)第一直流端点(X1)经第一单元隔离刀闸(D1)连接至电压源换流器正端(Z1)，第二直流端点(X2)依次经第二单元隔离刀闸(D2)、单元隔离开关(S1)连接至电压源换流器负端(Z2)。

上述方案中，电压源换流器单元中的电压源换流器采用模块化多电平结构并包括下述两种类型或者其中一种类型的子模块：

第一类子模块为在非闭锁状态下能输出正、负、零三类电平的子模块；

第二类子模块为在非闭锁状态下只能输出正、零两类电平的子模块。

上述方案中，电压源换流器单元中电压源换流器的桥臂的子模块配置方式包括下述两种：

方式一，每相上、下桥臂均由所述第一类子模块级联组成；

方式二，每相上、下桥臂均为由所述第一类子模块、第二类子模块两种类型子模块级联组成的混合桥臂，各桥臂两种子模块的数量配置比例相同，且在两种子模块电容额定电压相同的情况下，每个桥臂中第一类子模块的数量配置比例大于等于50％。

上述方案中，电压源换流器单元中可配置限流电阻用于换流器单元在线投退过程中流过电压源换流器的直流电流的限制控制，其特征在于：结构还包括限流电阻(R1)和电阻旁路开关(S3)，电阻旁路开关(S3)与限流电阻(R1)相并联，之后，再串联在所述拓扑结构i)中，在电压源换流器负端(Z2)和第二单元隔离刀闸(D2)的近电压源换流器端(Y2)之间串联；或者，电阻旁路开关(S3)与限流电阻(R1)相并联，之后，再串联在所述结构ii)中，在电压源换流器正端(Z1)和第一单元隔离刀闸(D1)的近电压源换流器端(Y1)之间串联。

上述方案中，电压源换流器单元中可配置退出处理装置用于实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线退出，其特征在于：还包括由至少一个半导体开关器件形成的退出处理装置；所述处理装置并联接在电压源换流器的正端和负端之间，或者并联接在电压源换流器子模块的正端和负端之间；所述处理装置的半导体开关器件导通方向与流经电压源换流器的直流电流方向一致，且在电压源换流器正常运行过程中保持为截止状态。

上述方案中，所述退出处理装置的半导体开关器件是半控型开关器件，或者全控型开关器件。

上述方案中，所述退出处理装置的半导体开关器件是单个半导体开关器件，或者是多个半导体开关器件串联和/或并联。

上述方案中，所述退出处理装置还包括至少一个电感，所述电感和半导体开关器件串联连接。

上述方案中，所述退出处理装置的电感是单个电感，或者是多个电感串联和/或并联。

另外，本发明还提供一种电压源换流器单元拓扑结构的控制方法，其特征在于：实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线投入，并包含以下步骤：

步骤一：收到下发的换流器单元投入命令，对待投入电压源换流器单元进行连接操作，顺序合上第二单元隔离刀闸(D2)、合上第一单元隔离刀闸(D1)、合上单元旁路开关(S2)、拉开单元旁路刀闸(D3)；

步骤二：合上待投入电压源换流器单元所对应的换流变进线开关并对待投入电压源换流器单元中的电压源换流器进行充电控制，将待投入电压源换流器单元中的电压源换流器各桥臂子模块的电容电压充至接近额定值；

步骤三：解锁待投入电压源换流器单元中的电压源换流器并控制其输出的直流电压(U_d)为0；

步骤四：合上待投入电压源换流器单元中的单元隔离开关(S1)，控制流经待投入电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)至与已运行电压源换流器的直流电流实际测量值基本相等时拉开待投入电压源换流器单元中的单元旁路开关(S2)；

步骤五：如待投入电压源换流器单元所在换流站为直流电压控制站，则控制待投入电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)至运行目标值；如待投入电压源换流器单元所在换流站为直流电流控制站或直流功率控制站，则控制流经待投入电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)至运行目标值；之后，待投入电压源换流器单元投入完成。

在上述电压源换流器单元在线投入步骤三中，实现待投入电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)为0的控制方法，具体包括：将该电压源换流器各桥臂中的第一类子模块正常解锁并输出与交流电压相匹配的电压参考波，每相上、下桥臂输出的电压参考波幅值相等且相位相反，如果电压源换流器桥臂中配置了第二类子模块，则第二类子模块均旁路退出。

其中，所述第一类子模块为在非闭锁状态下能输出正、负、零三类电平的子模块，所述第二类子模块为在非闭锁状态下只能输出正、零两类电平的子模块。

在上述电压源换流器单元在线投入过程中，按照先投入直流电流控制站或直流功率控制站的换流器单元、再投入直流电压控制站的换流器单元的顺序进行换流器单元的在线投入操作。

本发明还提供一种电压源换流器单元拓扑结构的控制方法，其特征在于：实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线正常退出，并包含以下步骤：

步骤一：收到下发的换流器单元退出命令，控制待退出电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)下降至0；

步骤二：合上待退出电压源换流器单元中的单元旁路开关(S2)，使流经待退出电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流转移至单元旁路开关(S2)；

步骤三：拉开待退出电压源换流器单元中的单元隔离开关(S1)并闭锁待退出电压源换流器单元中的电压源换流器；

步骤四：对待退出电压源换流器单元进行隔离操作，顺序拉开待退出电压源换流器单元所对应的换流变进线开关、合上单元旁路刀闸(D3)、拉开单元旁路开关(S2)、拉开第一单元隔离刀闸(D1)、拉开第二单元隔离刀闸(D2)，待退出电压源换流器单元退出完成。

在上述电压源换流器在线正常退出步骤一中，控制待退出电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)下降至0的方法，具体包括：将该电压源换流器各桥臂中的第一类子模块保持正常解锁并输出与交流电压相匹配的电压参考波，每相上、下桥臂输出的电压参考波幅值相等且相位相反，如电压源换流器桥臂中配置了第二类子模块，则第二类子模块均旁路退出。

其中，所述第一类子模块为在非闭锁状态下能输出正、负、零三类电平的子模块，所述第二类子模块为在非闭锁状态下只能输出正、零两类电平的子模块。

在上述电压源换流器单元在线正常退出过程中，按照先退出直流电压控制站的换流器单元、再退出直流电流控制站或直流功率控制站的换流器单元的顺序进行换流器单元的在线正常退出操作。

对于配置了所述退出处理装置的电压源换流器单元的在线正常退出过程，在上述步骤一和步骤二之间还包括步骤A：将待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件触发导通为直流电流(I_d)提供一个电流通道；在步骤三和步骤四之间还包括步骤B：闭锁待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件。

本发明还提供一种电压源换流器单元拓扑结构的控制方法，其特征在于：实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线故障退出，包含以下步骤：

步骤一：通过检测电气量和/或非电气量识别出电压源换流器单元发生故障后，向该换流器单元下发在线故障退出命令；

步骤二：将待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件触发导通为直流电流(I_d)提供一个电流通道，同时闭锁待退出电压源换流器单元中的电压源换流器，并跳开待退出电压源换流器单元所对应的换流变进线开关；

步骤三：合上待退出电压源换流器单元中的单元旁路开关(S2)，使流经待退出电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)转移至单元旁路开关(S2)；

步骤四：闭锁待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件，并拉开待退出电压源换流器单元中的单元隔离开关(S1)；

步骤五：对待退出电压源换流器单元进行隔离操作，顺序合上单元旁路刀闸(D3)、拉开单元旁路开关(S2)、拉开第一单元隔离刀闸(D1)、拉开第二单元隔离刀闸(D2)，待退出电压源换流器单元退出完成。

在上述电压源换流器单元在线故障退出过程中，其它换流站对应需退出的换流器单元按照其在线正常退出过程进行相应的退出操作。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过合理的电压源换流器单元拓扑结构设计，实现了直流输电系统直流极两个或两个以上换流器串联运行时单个电压源换流器的在线投入和在线退出，满足串联型混合直流输电系统或串联型柔性直流输电系统的运行和维护需要。

2、本发明提出的控制方法可以实现串联型混合直流输电系统或串联型柔性直流输电系统中电压源换流器的在线平稳投入和退出，不影响其它运行换流器的正常稳定运行。

附图说明

图1是本发明电压源换流器单元的第一实施例的拓扑结构图；

图2是本发明电压源换流器单元的第二实施例的拓扑结构图；

图3是采用本发明电压源换流器单元的两端双极串联型混合直流输电系统主回路示意图；

图4是采用本发明电压源换流器单元的两端双极串联型柔性直流输电系统主回路示意图；

图5是本发明电压源换流器单元中电压源换流器的拓扑示意图，图中每相上、下桥臂可均由第一类子模块级联组成，或均由第一类子模块和第二类子模块混合级联组成；

图6是本发明电压源换流器单元的第三实施例的拓扑结构图；

图7是本发明电压源换流器单元的第四实施例的拓扑结构图；

图8是本发明电压源换流器单元中电压源换流器输出直流电压为0时三相上、下桥臂输出的电压参考波波形图；

图9是本发明电压源换流器单元中电压源换流器输出直流电压为0时的三相交流电压波形图；

图10是本发明的一种由单个半导体开关器件组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图；

图11是本发明的一种由单个半导体开关器件和电感串联组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图；

图12是本发明的一种由多个半导体开关器件组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图；

图13是本发明的一种由多个半导体开关器件及电感组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图；

图14是本发明配置退出处理装置的电压源换流器单元的第一种实施例拓扑结构图；

图15是本发明配置退出处理装置的电压源换流器单元的第二种实施例拓扑结构图；

图16是本发明配置退出处理装置的电压源换流器单元的第三种实施例拓扑结构图；

图17是本发明配置退出处理装置的电压源换流器单元的第四种实施例拓扑结构图；

图18是采用本发明配置退出处理装置的电压源换流器单元的两端双极串联型混合直流输电系统主回路示意图；

图19是采用本发明配置退出处理装置的电压源换流器单元的两端双极串联型柔性直流输电系统主回路示意图；

图20是本发明子模块中配置退出处理装置的电压源换流器的第一种实施例拓扑示意图；

图21是本发明子模块中配置退出处理装置的电压源换流器的第二种实施例拓扑示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种电压源换流器单元拓扑结构及控制方法，用于实现直流输电系统直流极两个或两个以上换流器串联运行时单个电压源换流器的在线投入和在线退出，可以满足串联型混合直流输电系统或串联型柔性直流输电系统的运行和维护需要。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

本发明提供一种电压源换流器单元拓扑结构用于实现电压源换流器的在线投入和在线退出，所述电压源换流器单元包括：相互串联的第一单元隔离刀闸(D1)、单元隔离开关(S1)、电压源换流器、第二单元隔离刀闸(D2)和连接导线，上述串联回路的始端和末端分别作为该电压源换流器单元的第一直流端点(X1)和第二直流端点(X2)，用于与其它电压源换流器单元进行串联；还包括单元旁路刀闸(D3)，其跨接于所述第一直流端点(X1)和第二直流端点(X2)之间；还包括单元旁路开关(S2)，其跨接于所述第一单元隔离刀闸(D1)的近电压源换流器端(Y1)和第二单元隔离刀闸(D2)的近电压源换流器端(Y2)之间；所述串联回路包括下述两种拓扑结构：

i)第一直流端点(X1)依次经第一单元隔离刀闸(D1)、单元隔离开关(S1)连接至电压源换流器正端(Z1)，第二直流端点(X2)经第二单元隔离刀闸(D2)连接至电压源换流器负端(Z2)，如图1所示，其适用于配置在直流正极的电压源换流器单元；

ii)第一直流端点(X1)经第一单元隔离刀闸(D1)连接至电压源换流器正端(Z1)，第二直流端点(X2)依次经第二单元隔离刀闸(D2)、单元隔离开关(S1)连接至电压源换流器负端(Z2)，如图2所示，其适用于配置在直流负极的电压源换流器单元。

由上述电压源换流器单元组成的两端双极串联型混合直流输电系统主回路示意图如图3所示。

由上述电压源换流器单元组成的两端双极串联型柔性直流输电系统主回路示意图如图4所示。

上述方案中，电压源换流器单元中的电压源换流器采用模块化多电平结构并包括下述两种类型或者其中一种类型的子模块：

第一类子模块为在非闭锁状态下能输出正、负、零三类电平的子模块，如全桥子模块(FBSM)等。

第二类子模块为在非闭锁状态下只能输出正、零两类电平的子模块，如半桥子模块(HBSM)、类全桥子模块(SFBSM)等。

上述方案中，电压源换流器单元中电压源换流器的拓扑示意图如图5所示，其中U_ap、U_bp、U_cp分别为电压源换流器A、B、C三相的上桥臂电压，U_an、U_bn、U_cn分别为A、B、C三相的下桥臂电压。

上述方案中，电压源换流器单元中电压源换流器的桥臂的子模块配置方式包括下述两种：

方式一，每相上、下桥臂均由第一类子模块级联组成，该方式可以保证电压源换流器能输出为0的直流电压。

方式二，每相上、下桥臂均为由第一类子模块、第二类子模块两种类型子模块级联组成的混合桥臂，各桥臂两种子模块的数量配置比例相同，且在两种子模块电容额定电压相同的情况下，每个桥臂中第一类子模块的数量配置比例大于等于50％。方式二减少了电压源换流器桥臂中第一类子模块的使用数量且仍然可以保证电压源换流器能输出为0的直流电压，降低了电压源换流器的设计成本和运行损耗，具有更高的工程应用价值。

考虑到上述方案中电压源换流器单元的回路阻值较低，可以根据实际需要在电压源换流器单元中配置限流电阻，用以对在线投退过程中流经电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流进行限制控制，配置限流电阻的电压源换流器单元包括：相互串联的第一单元隔离刀闸(D1)、单元隔离开关(S1)、电压源换流器、限流电阻(R1)、第二单元隔离刀闸(D2)和连接导线，该串联回路的始端和末端分别作为该电压源换流器单元的第一直流端点(X1)和第二直流端点(X2)，用于与其它电压源换流器单元进行串联；单元旁路刀闸(D3)，其跨接于所述第一直流端点(X1)和第二直流端点(X2)之间；单元旁路开关(S2)，其跨接于所述第一单元隔离刀闸(D1)的近电压源换流器端(Y1)和第二单元隔离刀闸(D2)的近电压源换流器端(Y2)之间；电阻旁路开关(S3)，其与限流电阻(R1)相并联；所述串联回路包括下述两种拓扑结构：

i)第一直流端点(X1)依次经第一单元隔离刀闸(D1)、单元隔离开关(S1)连接至电压源换流器正端(Z1)，第二直流端点(X2)依次经第二单元隔离刀闸(D2)、限流电阻(R1)连接至电压源换流器负端(Z2)，如图6所示，其适用于配置在直流正极的电压源换流器单元；

ii)第一直流端点(X1)依次经第一单元隔离刀闸(D1)、限流电阻(R1)连接至电压源换流器正端(Z1)，第二直流端点(X2)依次经第二单元隔离刀闸(D2)、单元隔离开关(S1)连接至电压源换流器负端(Z2)，如图7所示，其适用于配置在直流负极的电压源换流器单元。

本发明还提供一种电压源换流器单元拓扑结构的控制方法用于实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线投入，具体包含以下步骤：

步骤一：收到下发的换流器单元投入命令，对待投入电压源换流器单元进行连接操作，顺序合上第二单元隔离刀闸(D2)、合上第一单元隔离刀闸(D1)、合上单元旁路开关(S2)、拉开单元旁路刀闸(D3)；对于配置了限流电阻的待投入电压源换流器单元，限流电阻初始设定为投入状态即电阻旁路开关(S3)处于分位；

步骤二：合上待投入电压源换流器单元所对应的换流变进线开关并对该换流器单元进行交流不控充电，待交流不控充电完成后启动充电控制，将各桥臂子模块的电容电压充至接近额定值；

步骤三：待投入电压源换流器单元在定电压控制方式下设定该电压源换流器单元中电压源换流器的直流电压指令值(U_d-ord)为0并解锁该电压源换流器，在电压控制器作用下该电压源换流器输出的直流电压(U_d)控制为0，此时该电压源换流器的运行状态为：各桥臂中的第一类子模块正常解锁并输出与交流电压相匹配的电压参考波，每相上、下桥臂输出的电压参考波幅值相等且相位相反，如电压源换流器桥臂中配置了第二类子模块，则第二类子模块均旁路退出；此时该电压源换流器上、下桥臂输出的电压参考波波形如图8所示，其中U_an-ref、U_bn-ref、U_cn-ref分别为该电压源换流器A、B、C三相下桥臂的电压参考波，U_ap-ref、U_bp-ref、U_cp-ref分别为A、B、C三相上桥臂的电压参考波，U_d为该电压源换流器输出的直流电压；此时该电压源换流器对应的三相交流电压波形如图9所示，其中U_a、U_b、U_c分别为A、B、C三相的交流电压。

步骤四：合上待投入电压源换流器单元的单元隔离开关(S1)完成该电压源换流器单元中电压源换流器的电气连接，将该电压源换流器的控制模式平滑切换为定电流控制方式并设定该电压源换流器的直流电流指令值(I_d-ord)为已运行电压源换流器直流电流的实际测量值，在电流控制器作用下，当流经该电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)调节至与已运行电压源换流器直流电流实际测量值基本相等时拉开单元旁路开关(S2)；对于配置了限流电阻的电压源换流器单元，在单元旁路开关(S2)拉开后合上电阻旁路开关(S3)退出限流电阻(R1)；

步骤五：如待投入电压源换流器单元所在换流站为直流电压控制站，则将待投入电压源换流器单元中电压源换流器的控制模式平滑切换为定电压控制方式并设定该电压源换流器的直流电压指令值(U_d-ord)为运行目标值，在电压控制器作用下该电压源换流器单元中电压源换流器逐步提升输出的直流电压(U_d)以一定的速率斜坡上升至运行目标值；如待投入电压源换流器单元所在换流站为直流电流控制站或直流功率控制站，则将待投入电压源换流器单元中电压源换流器的控制模式保持为定电流控制方式并设定该电压源换流器的直流电流指令值(I_d-ord)为本直流极的直流电流运行目标值，在电流控制器作用下，流经该电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)调节至本直流极的直流电流运行目标值；之后，待投入电压源换流器单元投入完成。

对于两端直流输电系统，通常采用的控制模式是一端换流站控制直流电流或直流功率、另一端换流站控制直流电压，两端配合使直流输送功率维持在目标值，控制模式可以在两端换流站之间进行转换。

在上述电压源换流器单元在线投入过程中，按照先投入直流电流控制站或直流功率控制站的换流器单元，再投入直流电压控制站的换流器单元的顺序进行换流器单元的在线投入操作。

本发明还提供一种电压源换流器单元拓扑结构的控制方法用于实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线正常退出，具体包含以下步骤：

步骤一：收到下发的换流器单元退出命令，如待退出电压源换流器单元所在换流站为直流电压控制站，则待退出电压源换流器单元中电压源换流器的控制模式保持为定电压控制方式并设定该电压源换流器的直流电压指令值(U_d-ord)为0，在电压控制器作用下该电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)以一定的速率斜坡下降至0；如待退出电压源换流器单元所在换流站为直流电流控制站或直流功率控制站，则先将待退出电压源换流器单元中电压源换流器的控制模式由定电流控制方式平滑切换为定电压控制方式并设定该电压源换流器的直流电压指令值(U_d-ord)为0，在电压控制器的作用下该电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)以一定的速率斜坡下降至0；当待退出电压源换流器单元中电压源换流器输出的直流电压(U_d)下降至0时，该电压源换流器的运行状态为：各桥臂中的第一类子模块保持正常解锁并输出与交流电压相匹配的电压参考波，每相上、下桥臂输出的电压参考波幅值相等且相位相反，如电压源换流器桥臂中配置了第二类子模块，则第二类子模块均旁路退出。

步骤二：合上待退出电压源换流器单元的单元旁路开关(S2)，使流经该电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)转移至单元旁路开关(S2)；对于配置了限流电阻的电压源换流器单元，在单元旁路开关(S2)合上后，拉开电阻旁路开关(S3)投入限流电阻(R1)；

步骤三：拉开待退出电压源换流器单元的单元隔离开关(S1)并闭锁该电压源换流器单元中的电压源换流器；

步骤四：对待退出电压源换流器单元进行隔离操作，顺序执行如下操作：拉开待退出电压源换流器单元所对应的换流变进线开关、合上单元旁路刀闸(D3)、拉开单元旁路开关(S2)、拉开第一单元隔离刀闸(D1)、拉开第二单元隔离刀闸(D2)，完成待退出电压源换流器单元中电压源换流器的电气隔离，待退出电压源换流器单元退出完成。

在上述电压源换流器单元在线正常退出过程中，按照先退出直流电压控制站的换流器单元，再退出直流电流控制站或直流功率控制站的换流器单元的顺序进行换流器单元的在线正常退出操作。

当单个电压源换流器发生故障时，电压源换流器的全控型开关器件需要快速闭锁以隔离故障，这导致电压源换流器失去正常控制能力，无法采用上述在线正常退出的控制方法进行电压源换流器的在线故障退出。经研究，通过在电压源换流器单元中配置退出处理装置可以实现电压源换流器的在线故障退出，退出处理装置包括：至少一个半导体开关器件，或者至少一个半导体开关器件和一个电感，所述半导体开关器件和所述电感串联而成；所述装置并联接在电压源换流器的正端和负端之间，或者并联接在电压源换流器子模块(SM)的正端和负端之间。

所述退出处理装置的半导体开关器件导通方向与流经电压源换流器的直流电流方向一致，且在电压源换流器正常运行过程中保持为截止状态，不影响直流输电系统的正常运行；所述半导体开关器件是半控型开关器件，如晶闸管(SCR)，或者全控型开关器件，如IGBT、IGCT、IEGT、GTO等。

图10所示为一种单个半导体开关器件的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图，包含第一并联端子1、第二并联端子2用于所述装置与电压源换流器的并联，3为半导体开关器件。

图11所示为一种由单个半导体开关器件和电感组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图，包含第一并联端子1、第二并联端子3用于所述装置与电压源换流器的并联，所述半导体开关器件4的阴极(若为半控型开关器件，则称为阴极，若为全控型开关器件则称为发射极，下述若涉及阴极，则相同)与电感5串联于2。所述电感5可以是单个电感，也可以由多个电感串联和/或并联而成。

图12所示为一种由多个半导体开关器件组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图，包含第一并联端子1、第二并联端子4用于所述装置与电压源换流器的并联，所述装置由包含但不限于半导体开关器件5和半导体开关器件6的多个半导体开关器件形成，半导体开关器件5的阴极与下一个半导体开关器件的阳极(若为半控型开关器件，则称为阳极，若为全控型开关器件则称为集电极，下述若涉及阳极，则相同)相连于2，半导体开关器件6的阳极与上一个半导体开关器件的阴极相连于3。所述装置中所有半导体开关器件均采用同一触发脉冲，在同一时刻被触发导通，在支路电流降为0时同时关断，或者在同一时刻被触发关断。

图13所示为一种由多个半导体开关器件及电感组成的电压源换流器单元退出处理装置的结构示意图，包含第一并联端子1、第二并联端子5用于所述装置与电压源换流器的并联，所述装置由包含但不限于半导体开关器件6和半导体开关器件7的多个半导体开关器件与电感8串联形成，半导体开关器件6的阴极与下一个半导体开关器件的阳极相连于2，半导体开关器件7的阳极与上一个半导体开关器件的阴极相连于3，半导体开关器件7的阴极与电感8相连于4。所述电感8可以是单个电感，也可以由多个电感串联和/或并联而成。所述装置中的所有半导体开关器件均采用同一触发脉冲，在同一时刻被触发导通，在支路电流降为0时同时关断，或者在同一时刻被触发关断。

所述退出处理装置并联接在电压源换流器正端(Z1)和负端(Z2)之间时，所述电压源换流器单元包括下述四种拓扑结构：

i)图14所示结构适用于配置在整流站直流正极的电压源换流器单元，其退出处理装置中半导体开关器件的导通方向为Z2指向Z1，与流经电压源换流器的直流电流(I_d)方向一致；

ii)图15所示结构适用于配置在逆变站直流正极的电压源换流器单元，其退出处理装置中半导体开关器件的导通方向为Z1指向Z2，与流经电压源换流器的直流电流(I_d)方向一致；

iii)图16所示结构适用于配置在整流站直流负极的电压源换流器单元，其退出处理装置中半导体开关器件的导通方向为Z2指向Z1，与流经电压源换流器的直流电流(I_d)方向一致；

iv)图17所示结构适用于配置在逆变站直流负极的电压源换流器单元，其退出处理装置中半导体开关器件的导通方向为Z1指向Z2，与流经电压源换流器的直流电流(I_d)方向一致。

图18所示为由配置所述退出处理装置的电压源换流器单元组成的两端双极串联型混合直流输电系统主回路示意图，直流电流方向由晶闸管换流器换流站流向电压源换流器换流站。

图19所示为由配置所述退出处理装置的电压源换流器单元组成的两端双极串联型柔性直流输电系统主回路示意图，直流电流方向由电压源换流器换流站1流向电压源换流器换流站2。

所述退出处理装置并联接在电压源换流器子模块正端(A)和负端(B)之间时，所述电压源换流器单元中的电压源换流器包括下述两种拓扑结构：

i)图20所示结构适用于配置在整流站直流正极和负极的电压源换流器，其退出处理装置中半导体开关器件的导通方向为B指向A，与流经电压源换流器的直流电流(I_d)方向一致；

ii)图21所示结构适用于配置在逆变站直流正极和负极的电压源换流器，其退出处理装置中半导体开关器件的导通方向为A指向B，与流经电压源换流器的直流电流(I_d)方向一致。

在实际工程应用中可以在电压源换流器的三相桥臂中选择一相，将该相上、下桥臂各子模块均配置退出处理装置，其余两相不配置，以减少半导体开关器件的使用数量。

需要说明的是，对于直流电流可以双向流动的串联型柔性直流输电系统，可以采用将两组退出处理装置反向并联的方式进行配置，保证在正向和反向两个电流方向下均能实现电压源换流器单元在线退出。

对于配置了所述退出处理装置的电压源换流器单元，可以在上述电压源换流器单元在线正常退出控制方法的步骤一和步骤二之间加入步骤A：将待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件触发导通为直流电流(I_d)提供一个电流通道；在步骤三和步骤四之间加入步骤B：闭锁待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件；增加上述步骤的技术优点是：可以保证在步骤二中待退出电压源换流器单元的单元旁路开关(S2)合上前电压源换流器输出的直流电压(U_d)为0，使单元旁路开关(S2)具备合闸条件。

本发明还提供一种电压源换流器单元退出处理方法，其特征在于：实现电压源换流器单元在直流极运行过程中的在线故障退出，具体包含以下步骤：

步骤一：通过检测电气量和/或非电气量识别出电压源换流器单元发生故障后，向该换流器单元下发在线故障退出命令；

步骤二：将待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件触发导通为直流电流(I_d)提供一个电流通道，同时闭锁待退出电压源换流器单元中的电压源换流器，并跳开待退出电压源换流器单元所对应的换流变进线开关；

步骤三：合上待退出电压源换流器单元中的单元旁路开关(S2)，使流经待退出电压源换流器单元中电压源换流器的直流电流(I_d)转移至单元旁路开关(S2)；

步骤四：闭锁待退出电压源换流器单元的退出处理装置中所有半导体开关器件，并拉开待退出电压源换流器单元中的单元隔离开关(S1)；

步骤五：对待退出电压源换流器单元进行隔离操作，顺序执行如下操作：合上单元旁路刀闸(D3)、拉开单元旁路开关(S2)、拉开第一单元隔离刀闸(D1)、拉开第二单元隔离刀闸(D2)，完成待退出电压源换流器单元中电压源换流器的电气隔离，待退出电压源换流器单元退出完成。

在上述电压源换流器单元在线故障退出过程中，其它换流站对应需退出的换流器单元按照其在线正常退出方法进行相应的退出操作。

需要说明的是，本发明所述电压源换流器单元拓扑结构实施例中配置的开关、刀闸等设备均为必要配置，在此基础上进行适当增加和调整也落入本发明的保护范围内。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。