一种集成耗能电路功能的换流器的制作方法

本发明涉及一种中、高直流输电领域的集成耗能电路功能的换流器，用于实现短时系统富余能量的耗散，提升系统的故障穿越能力。

背景技术：

随着世界人口的不断增加，气候的持续变暖，急需能够替代煤、石油、天然气等传统能源的可再生能源。从20世纪后，可再生能源如风能、太阳能、潮汐能等开始进入各个政府的规划议程之中，中国规划到2020年，可再生能源占总能源供应的15％，到2050年，可再生能源占总能源的1/3。截止目前为止，欧盟成员国中可再生能源占总能源比重为16.7％，我国可再生能源占能源比重为10.1％，十三五期间实现达到15％。

世界各国对风电并网提出了故障穿越能力，即交流主网在一定时间内发生一定程度的故障扰动时，要求系统能够穿越该故障而不至脱网，当故障消除后能够迅速恢正常运行状态。特别的对于利用vsc-hvdc并网的海上风电场，中、高直流输电系统是其唯一负载，当岸端交流电网故障而使得vsc-hvdc无法将海上风电输送至岸端交流电网时，富余功率会不断对电容充电，换流器闭锁，最终导致海上风电系统脱网。为解决上述问题，通常在整流侧增加交流耗能电阻装置或者在直流极线之间增加直流斩波耗散电路。交流耗能电阻装置占地面积大，必须设置在海上换流站平台上，增加了海上平台的负担。直流斩波电路可设置在岸端换流站，是海上风电场基于vsc-hvdc并网的首选方案，目前已有应用的直流斩波电路方案都必须搭建单独阀塔，导致占地及成本的大幅增加。

为了提升中、高直流输电系统的故障穿越能力，本发明提出了一种集成耗能电路功能的柔性直流换流器，该换流器能够运行在常规换流(整流/逆变)模式，还可工作于能量耗散模式以实现系统的故障穿越。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明旨在解决现有技术的缺点，为提升中、高直流输电系统故障穿越能力提供解决方案。

本发明提出一种集成耗能电路功能的换流器，该换流器的单相桥臂由n(n为大于2的偶数)个子模块串联，其中，前述子模块包含耗能模块、功率器件和储能元件组成。耗能模块前后分别与两个功率器件串联，该串联电路与储能元件并联。当第一功率器件关断、第二和第三功率器件均导通时，子模块输出端之间产生零电位差；当第一功率器件导通、第二和第三功率器件均关断时，子模块输出端之间产生储能元件两端的电位差。

耗能模块由耗能电阻与功率器件并联，当子模块工作于换流模式时，第二功率器件导通时，第三功率器件也必须导通，即耗能电阻被旁路，此时子模块呈现常规半桥mmc(模块化多电平换流器)子模块拓扑；子模块工作于耗能模式时，第二功率器件导通，第三功率器件关断，使得电流从耗能电阻上流过。

进一步的，耗能电阻与第三功率器件并联后，所组成的耗能模块与第二功率器件串联后连接在子模块输出端之间，使得耗能电阻上的电压降落始终不超过储能元件的电压降。

进一步的，耗能电阻与第一续流二极管反并联，由于耗能电阻上存在寄生电感，在第三功率器件导通后，耗能电阻上的电流可通过该续流二极管续流。

进一步的，换流器的单相桥臂的n个子模块，可以适当的调节这些子模块处于耗能模式及换流模式的个数，处于两种模式的子模块个数之和固定为n，即可实现投入耗能电阻个数的调节，降低了在直流极线上产生的电压电流变化率，避免了现有实施方案所存在的不足。

进一步的，每个子模块具有旁路开关，当子模块发生故障时触发该旁路开关，将该故障子模块旁路。

进一步的，前述子模块工作在换流模式时呈现常规半桥mmc子模块拓扑，可以通过将耗能模块与第一、第二功率器件的串联电路，同第四、第五功率器件的串联电路相并联，第四、第五功率器件分别与对应的续流二极管反并联，使得该子模块工作在换流模式时呈现常规全桥mmc子模块拓扑。当子模块工作于换流模式：第二功率器件导通时，第三功率器件也必须导通，耗能电阻由第三功率器件将其旁路，电流始终不从其上流过，则子模块可等效为所熟知的mmc全桥拓扑，子模块输出端之间的电压差可以为零、正的储能单元两端电压差和负的储能单元两端电压差。当子模块工作于耗能：第三功率器件关断且第二功率器件导通时，与前述子模块实施方案原理相同，耗能电阻上的电压差为储能元件两端的电压差，电流从耗能电阻、第二功率器件和第三续流二极管上流过，实现了将直流极线上的富余有功通过电阻转变为热量耗散的目的。此外，该子模块内可以存在不止一个耗能模块，即在第四、第五功率器件之间再串联一个耗能模块，该耗能模块同样由一个耗能电阻与第六功率器件并联，当第三、第六功率器件均导通时，该子模块同样可等效为所熟知的mmc全桥拓扑，此时子模块输出端之间的电压差同样可以为零、正的储能元件两端电压差和负的储能元件两端电压差，即所述扩展实施方案可以工作在换流模式。当第三、第六功率器件均关断且第二、第四功率器件均导通时，与前述子模块实施方案原理相同，两个耗能电阻上的电压差依然为储能元件两端的电压差，电流从两个耗能电阻上流过，即所述子模块扩展实施方案可以工作在耗能模式。

进一步的，所述功率器件可以为绝缘栅双极型晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或者mos场效应管。

合适地，通过控制与耗能电阻并联功率器件，可以使得子模块呈现能量耗散模式，由于储能元件的存在，使得投入的耗能电阻两端电压降始终为储能元件两端的电压降，实现了单个子模块耗散功率的限制，避免了单个模块电阻耗散功率过大导致异常发热情况的出现。

合适地，所述的耗能电阻及与之并联的功率器件均集成在换流器的每个子模块中，其散热方式与常规换流器散热方式相同。

合适地，本发明所提出换流器的单相桥臂可以作为单独的耗能电路连接至高电位电极和低电位电极，即将其配置为单独的耗能装置阀塔。

由此，本发明提出了一种集成耗能电路功能的换流器，在系统正常运行情况下，该换流器可工作于常规换流(整流/逆变)模式，当发生交流网侧故障时可以对直流极线上的富余功率进行耗散，实现系统的故障穿越。本发明具有如下优点：

1、现有技术均需要设置单独的耗能电路阀塔，而本方案将耗能电路集成至现有换流器子模块中，具有系统体积紧凑、集成度高的优点；

2、本发明只需在原有换流器子模块基础上，增加相应的耗能电阻及与之并联的功率器件、续流二极管，无需设置单独阀塔和散热系统，极大地节约了系统成本；

3、本发明方案通过控制桥臂上处于换流模式及耗能模式的子模块比例，各个子模块耗能电阻的投入与切除可以实现平滑切换，避免了现有技术所存在的耗能电阻投入与切除瞬间的电压电流变化率过大的问题；

4、本发明采用模块化子模块设计，具有通用性强、易维护等优点，此外，通过设置一定的冗余子模块，可以实现子模块故障后的快速隔离，系统冗余运行能力强。

附图说明

图1为现有技术一；

图2为现有技术二；

图3为本发明集成耗能电路功能的换流器桥臂拓扑；

图4为本发明子模块实施方案一；

图5为本发明子模块具体实施方案二；

图6为本发明子模块具体实施方案三；

图中标号名称：1、换流器单相桥臂；2、子模块；3、储能元件；4、耗能电阻；5、功率器件；6、二极管；7、耗能模块；8、旁路开关。

具体实施方式

图3所示为本发明的一个典型三相拓扑，每相桥臂由n个子模块串联而成，其中，至少有一相桥臂由本发明所提出的集成耗能电路的子模块串联而成，剩余桥臂依然采用普通mmc换流阀常用的半桥或者全桥子模块，此处不再详细阐述。

图4所示为本发明的所述子模块的一种实施方式，所述子模块由第三功率器件、第一续流二极管和耗能电阻组成的耗能模块，第一、第二功率器件，储能元件和旁路开关所组成。该子模块有两种工作模式，换流模式和耗能模式，当其工作于换流模式时：第一功率器件导通而第二、第三功率器件关断时，子模块输出端之间的电压差为储能元件之间的电压差，当第一功率器件关断而第二、第三功率器件导通时，子模块输出端之间的电压差为零，即当工作在普通换流模式时的耗能电阻由第三功率器件将其旁路，电流不从其上流过，由此子模块拓扑可以与常规mmc子模块半桥电路等同；耗能模式：当该子模块工作于耗能模式时，第三功率器件关断而第二功率器件导通，此时，耗能电阻两端的电压差为储能元件两端的电压差，电流从耗能电阻上流过，实现了将直流极线上的富余有功通过电阻转变为热量耗散的目的。

图5所示为本发明的所述子模块的另一种实施方式，前述子模块工作在换流模式时呈现常规半桥mmc子模块拓扑，可以通过将耗能模块与第一、第二功率器件的串联电路，同第四、第五功率器件的串联电路相并联，第四、第五功率器件分别与对应的续流二极管反并联，使得该子模块工作在换流模式时呈现常规全桥mmc子模块拓扑。当子模块工作于换流模式：第二功率器件导通时，第三功率器件也必须导通，耗能电阻由第三功率器件将其旁路，电流始终不从其上流过，则子模块可等效为所熟知的mmc全桥拓扑，子模块输出端之间的电压差可以为零、正的储能单元两端电压差和负的储能单元两端电压差。当子模块工作于耗能：第三功率器件关断且第二功率器件导通时，与前述子模块实施方案原理相同，耗能电阻上的电压差为储能元件两端的电压差，电流从耗能电阻、第二功率器件和第三续流二极管上流过，实现了将直流极线上的富余有功通过电阻转变为热量耗散的目的。图6所示方案为图5所示实施方案的一种扩展，该子模块内可以存在不止一个耗能模块，即在第四、第五功率器件之间再串联一个耗能模块，该耗能模块同样由一个耗能电阻与第六功率器件并联，当第三、第六功率器件均导通时，该子模块同样可等效为所熟知的mmc全桥拓扑，此时子模块输出端之间的电压差同样可以为零、正的储能元件两端电压差和负的储能元件两端电压差，即所述扩展实施方案可以工作在换流模式。当第三、第六功率器件均关断且第二、第四功率器件均导通时，与前述子模块实施方案原理相同，两个耗能电阻上的电压差依然为储能元件两端的电压差，电流从两个耗能电阻上流过，即所述子模块扩展实施方案可以工作在耗能模式。

前述阐明了本发明子模块实施方案的工作原理，即可以工作在换流模式和耗能模式下。对于本发明所提出的集成耗能电路功能的换流器，当其工作的正常换流(整流/逆变)模式时，要求所有含有耗能电阻的子模块均工作在换流模式下，此时本发明所提出的换流器与常规换流器工作方式及原理一致。而当交流系统发生故障需要进行能量耗散时，对于由含耗能电阻的子模块串联而组成的换流器桥臂，可以适当的调节这些子模块处于耗能模式及换流模式的个数，处于两种模式的子模块个数之和固定为n，可实现投入耗能电阻个数的调节，即实现了耗散功率的连续调节。降低了在直流极线上产生的电压电流变化率，避免现有技术所存在的不足。

综上，本发明创新地设计了本发明的技术方案也完全能够适用于中、高直流输电的其他应用领域。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，尽管为说明本发明的目的公开了本发明的较佳实施例和附图，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此在本发明原理的基础上，做出的若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。