半全混合换流站故障穿越的全桥阀段辅助耗能措施

本发明涉及电力电子，具体涉及半全混合换流站故障穿越的全桥阀段辅助耗能措施。

背景技术：

1、基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)的柔性直流输电技术，是未来构建多端直流和直流电网的重要环节。

2、随着直流输电向更大容量、更远距离、更高电压发展，采用架空线路的输电方案具备明显的经济优势，应用更为广泛。然而，架空线路直流故障率高，直流断路器的工程实践还不够成熟，利用半桥子模块与全桥子模块混合的换流站拓扑实现直流侧故障穿越成为了主流方案，受到了广泛的关注。半全混合换流站中，利用全桥可以输出负压的特性可以有效实现直流侧故障穿越。为了进一步降低成本，则需要不断降低全桥比例。依据能量守恒定理，若忽略短时间内交流侧馈入的故障能量，数量较少的全桥子模块需要吸收直流电抗器释放的故障能量与半桥子模块电容放电产生的故障能量，因此全桥子模块的电容电压将会增大，超过子模块电力电气器件的最大电压限值，导致电力电子器件的损坏。

3、为保证故障穿越期间半全混合换流站电力电子器件不被损坏，可以采用吸收故障能量的方式来降低全桥子模块的电容电压。故障能量吸收措施大多应用于直流断路器中，利用金属氧化物可变电阻器v-i特性曲线非线性的特点，当其两端电压超过金属氧化物可变电阻器的动作电压时，金属氧化物可变电阻器将为故障能量提供通路，起到限制过电压并吸收故障能量的作用。该思路可以应用于半全混合换流站故障穿越期间故障能量的消耗。

4、现主流方案中，金属氧化物可变电阻器的动作电压一般为其长期运行电压的1.6倍左右，而全桥阀段负向电压限值的绝对值要小于其稳态电压峰值的1.6倍，可能会造成长期运行状态下避雷器的损坏。鉴于此，主要研究重点在于构造可靠的耗能支路，使故障发生后金属氧化物可变电阻器可靠耗能且长期运行状态下不被损坏。

技术实现思路

1、为解决低比例全桥的半全混合换流站在故障穿越期间全桥子模块电压应力越限的问题，本发明提供了三种半全混合换流站故障穿越的全桥阀段辅助耗能措施，包括：①金属氧化物可变电阻器+气隙的串联结构与全桥阀段并联的桥臂拓扑改造方案；②金属氧化物可变电阻器+半导体开关器件的串联结构与全桥阀段并联的桥臂拓扑改造方案；③金属氧化物可变电阻器+快速机械开关串联结构与全桥阀段并联的桥臂拓扑改造方案。本发明提供的金属氧化物可变电阻器+气隙串联结构与全桥阀段并联的辅助耗能措施，在稳态时由金属氧化物可变电阻器与气隙的并联电容、并联电阻共同分压，在故障穿越期间气隙达到击穿电压后首先被击穿，金属氧化物可变电阻器投入消耗故障能量，可以保证在长期运行状态下金属氧化物可变电阻器不被损坏且在故障穿越期间有效耗能。本发明提供的金属氧化物可变电阻器+半导体开关器件串联结构与全桥阀段并联的辅助耗能措施，在稳态时半导体开关器件无触发信号，保持关断状态，在故障穿越期间接收触发信号且快速开通，可以保证在长期运行状态下金属氧化物可变电阻器被有效隔离，且在故障穿越期间快速投入耗能。本发明提供的金属氧化物可变电阻器+快速机械开关串联结构与全桥阀段并联的辅助耗能措施，故障发生后闭合机械开关且故障清除后打开机械开关，可以保证在稳态时隔离金属氧化物可变电阻器且在故障穿越期间及时投入金属氧化物可变电阻器。利用全桥阀段辅助耗能措施，可以实现在全桥阀段成本不显著增加的情况下，短时间内最大程度利用全桥子模块的负压产生能力，大幅降低全桥子模块的占比，逻辑简单，经济可靠，具有广泛的发展前景。

2、为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种金属氧化物可变电阻器+气隙串联结构与全桥阀段并联的桥臂拓扑改造辅助耗能措施，包括：

4、金属氧化物可变电阻器+气隙的串联结构：可以在金属氧化物可变电阻器动作电压不变的情况下降低其长期运行状态下的额定电压，满足稳态时全桥阀段的安全运行需求与故障穿越期间有效限制全桥子模块电容电压的需求。在长期运行工况下气隙不被击穿，气隙与金属氧化物可变电阻器共同承担正向的全桥阀段电压；故障发生后，气隙电压达到其击穿电压后首先被击穿，负向升高的全桥阀段电压全部由金属氧化物可变电阻器承担，金属氧化物可变电阻器起到限制全桥阀段电压进而限制全桥子模块电容电压并消耗故障能量的作用。

5、金属氧化物可变电阻器与气隙分别与电容c0、c并联：在稳态时金属氧化物可变电阻器与气隙承担的正向全桥阀段电压由电容c0、c串联分压，可以避免因金属氧化物可变电阻器的寄生电容cmov远远大于气隙寄生电容cgap而导致稳态时气隙的反复击穿。

6、金属氧化物可变电阻器与气隙分别与电阻r0、r并联：消除金属氧化物可变电阻器与气隙稳态下兆瓦数量级等效电阻对电压分配的影响，避免因耗能回路中a、b点电位不同而引发电容的充放电，进而引发气隙的反复击穿。电阻r0、r大小之比与电容c0、c大小之比互为倒数。

7、所述拓扑改造辅助耗能措施的工作时序为：

8、0～t1：稳态运行工况，全桥子模块作半桥使用，仅有正投入与旁路两种状态，气隙不放电。金属氧化物可变电阻器与气隙共同承担全桥阀段电压。该时段各电压的确定原则如式(1)所示。由于气隙与金属氧化物可变电阻器的寄生电容远小于其并联电容，气隙与金属氧化物可变电阻器的等效电阻远远大于其并联电阻，可以忽略其作用。

9、

10、其中vc为稳态运行工况下全桥阀段的电压峰值；vmovn为金属氧化物可变电阻器的额定电压，vgap为气隙的分压，c0为金属氧化物可变电阻器的并联电容，c为气隙并联电容，r为气隙并联电阻，r0为金属氧化物可变电阻器的并联电阻。

11、t1～t2：t1时刻，低比例全桥的半全混合换流站直流侧发生故障(在故障检测时间全桥子模块电压的上升幅度不高，因此不额外说明)，气隙与金属氧化物可变电阻器的负向电压同步上升，t2时刻气隙达到其击穿电压，气隙被击穿。

12、t2～t3：忽略电弧电压。t2时刻后上升的全桥阀段负电压全部由金属氧化物可变电阻器承担，t3时刻金属氧化物可变电阻器的电压上升至其动作电压。

13、t3～t4：金属氧化物可变电阻器限制全桥阀段负向最大电压并吸收故障能量，其中全桥子模块电容的最大电压不超过3.1kv，全桥阀段的负向电压不超过子模块电压限值与全桥子模块个数的乘积。

14、t4～t5：t4时刻开始，全桥阀段电压的绝对值开始下降，t5时刻全桥阀段电压下降至0，气隙的绝缘恢复。

15、另一方面，本发明提供一种金属氧化物可变电阻器+半导体开关器件的串联结构与全桥阀段并联的桥臂拓扑改造辅助耗能措施，包括：

16、半导体开关器件包括：晶闸管、igbt、gto等。

17、金属氧化物可变电阻器+半导体开关器件的串联支路：在长期运行工况下，金属氧化物可变电阻器不投入，被有效隔离；在故障穿越期间金属氧化物可变电阻器快速投入消耗故障能量。

18、所述拓扑改造辅助耗能措施的工作时序为：

19、0～t1：稳态运行工况，全桥子模块作半桥使用，仅有正投入与旁路两种状态，半导体开关器件无触发信号，金属氧化物可变电阻器被有效隔离。

20、t1～t2：t1时刻，低比例全桥的半全混合换流站直流侧发生故障(在故障检测时间全桥子模块电压变化不大，因此不额外说明)，触发半导体开关器件，金属氧化物可变电阻器限制全桥阀段过电压并吸收故障能量，全桥子模块电容的最大电压不超过3.1kv，全桥阀段的负向电压不超过子模块电压限值与全桥子模块个数的乘积。

21、t2～t3：直流故障被清除，关断半导体开关器件，恢复至稳态。

22、再一方面，本发明提供一种金属氧化物可变电阻器+快速机械开关的串联结构与全桥阀段并联的桥臂拓扑改造辅助耗能措施，包括：

23、金属氧化物可变电阻器+快速机械开关的串联支路：在长期运行工况下，金属氧化物可变电阻器不投入，被有效隔离；在故障穿越期间金属氧化物可变电阻器快速投入消耗故障能量。

24、所述拓扑改造辅助耗能措施的工作时序为：

25、0～t1：稳态运行工况，全桥子模块作半桥使用，仅有正投入与旁路两种状态，快速机械开关保持打开状态，金属氧化物可变电阻器被有效隔离。

26、t1～t2：t1时刻，低比例全桥的半全混合换流站直流侧发生故障(在故障检测时间全桥子模块电压变化不大，因此不额外说明)，快速机械开关闭合，金属氧化物可变电阻器限制全桥阀段过电压并吸收故障能量，全桥子模块电容的最大电压不超过3.1kv，全桥阀段的负向电压不超过子模块电压限值与全桥子模块个数的乘积。

27、t2～t3：直流故障被清除，快速机械开关打开，恢复至稳态。

28、与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

29、本发明提供的半全混合换流站故障穿越的全桥阀段辅助耗能措施可以借助金属氧化物可变电阻器吸收故障穿越期间直流电抗器与半桥阀段释放的故障能量，并限制全桥阀段负向过电压，避免全桥子模块的电力电子器件电压应力越限而损坏；同时利用全桥阀段辅助耗能措施可以进一步降低半全混合换流站的全桥占比，大幅降低半全混合换流站的建设成本与损耗成本。

30、本发明提供的金属氧化物可变电阻器+气隙串联结构与全桥阀段并联的子模块拓扑改造方案，利用气隙稳态时分压、暂态时首先击穿的特性，可以保证金属氧化物可变电阻器在长期运行过程中不被损坏且在故障穿越期间有效吸收能量。

31、本发明提供的金属氧化物可变电阻器+半导体开关器件串联结构与全桥阀段并联的拓扑改造方案，利用半导体开关器件接收触发信号后快速导通且易于关断的特性，可以保证在稳态时隔离金属氧化物可变电阻器，且在故障穿越期间及时投入金属氧化物可变电阻器吸收能量。

32、本发明提供的金属氧化物可变电阻器+快速机械开关串联结构与全桥阀段并联的辅助耗能措施，故障发生后闭合机械开关且故障清除后打开机械开关，可以保证在稳态时隔离金属氧化物可变电阻器且在故障穿越期间及时投入金属氧化物可变电阻器。