一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器及工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力系统输电技术领域，具体设及一种具有直流故障穿越能力的混合 型多电平换流器及工作方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的飞速发展，基于全控型半导体器件的电压源换流器（Voltage SourceConverter,VSC)已经越来越多地应用到高压直流输电领域。相比于传统直流输 电，基于VSC的柔性直流输电（VSC-HVDC)具有传输功率灵活可控、能够补偿无功缺额、可对 无源网络供电、容易构成多端网络等优点。根据换流器结构的不同，柔性直流输电可分为 低电平VSC-HVDC和基于模块化多电平换流器（ModularMultilevelConverter,MMC)的 MMC-HVDC。后者相比于前者具有开关频率低、损耗小、模块化结构易于扩展、对器件开关一 致性要求不高、适用于高电压场合等优点，因而近年来得到迅速发展。
[0003] 根据构成子模块结构的不同，通常可将MMC分为；半桥型MMCOlalf化idgeMMC， FBMMC)、全桥型MMC(化ll化idgeMMC，FBMMC)W及双猜位型MMC(ClampDoubleMMC， CDMMC)等。目前研究较多且已经投运或在建的柔性直流输电系统（如南澳=端柔性直流工 程、舟山五端柔性直流工程）均采用半桥型MMC结构。然而，半桥型MMC由于自身结构的特 点，在直流侧发生故障时无法通过控制换流器的闭锁来切断短路电流，只能由交流断路器 开断整个直流系统，该严重增加了故障清除时间，降低了供电可靠性。
[0004] 为减少直流故障对输电系统的影响，目前可采用的方法包括；加装高压直流断路 器、采用故障率较低的电缆作为传输线路、采用具有直流故障穿越能力的FBMMC或CDMMC。 但存在W下缺点：高压大功率直流断路器在工程应用中还不成熟且售价过高缺乏经济性； 电缆输电成本较高且容易受到铺设环境的制约；FBMMC或CDMMC自身具有清除直流故障能 力，但所需半导体器件数量成倍增加，缺少经济性和实用性。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了具有直流故障穿越能力的混合型多电 平换流器及工作方法，本发明能够通过闭锁换流器清除直流故障电流，且所需半导体器件 数量少，正常运行时输出电压波形质量高，具有较好的经济性和实用性。
[0006] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0007] -种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，包括=相桥式整流电路；所述=相 桥式整流电路的每个桥臂均包括相串联的错位层叠模块、级联双子模块组、半桥型子模块 组W及电抗器；所述错位层叠模块、级联双子模块组、半桥型子模块组为相互级联的结构； 所述故障发生时换流器闭锁前的放电过程是一个已知初始条件的振荡放电过程，闭锁后由 于桥臂等效电容值发生变化，当且仅当任何回路状态下桥臂级联电容所提供的反向电压始 终大于交流线电压幅值时，利用二极管反相阻断特性使短路电流下降为零，清除直流故障。 [000引所述错位层叠模块由m个半桥单元串联构成海个半桥单元包括2个IGBT即第一 IGBT及第二IGBT、2个反向二极管W及1个电容器；所述2个IGBT分别和相应的2个反向 二极管并联组成2组可控开关；第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连；电容器的正 极和第一IGBT的发射极相连，电容器的负极和第二IGBT的集电极相连。
[0009] 所述级联双子模块组由ns个级联双子模块串联构成；每个级联双子模块包括5个 IGBT即Ti~T5、5个反向二极管即Di~D5、2个电容器即Cl~〇2从及1个猜位二极管De; 所述5个IGBT分别和相应的5个反向二极管并联组成5组可控开关；所述Ti的集电极和 了2的发射极相连，T3的集电极和T4的发射极相连，T2的集电极和T5的集电极相连，T3的发 射极和Tg的发射极相连；所述电容器C1的正极分别与T1的发射极、二极管De的负极相连， 电容器Cl的负极和T2的集电极相连；所述电容器C2的负极分别与T4的集电极、二极管De 的正极相连，电容器C2的正极和T3的发射极相连。
[0010] 所述半桥型子模块组由riH个半桥型子模块串联构成；每个半桥型子模包括2个 IGBT即即第SIGBT及第四IGBT、2个反向二极管W及1个电容器；所述2个IGBT分别和 相应的2个反向二极管并联组成2组可控开关；所述第SIGBT的集电极和第四IGBT的发 射极相连；所述电容器的正极和第SIGBT的发射极相连，电容器的负极和第四IGBT的集电 极相连。
[0011] 所述错位层叠模块中半桥单元的个数m满足W下关系式：
[0012]
【主权项】
1. 一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，包括三相桥式整流电路； 所述三相桥式整流电路的每个桥臂均包括相串联的错位层叠模块、级联双子模块组、半桥 型子模块组以及电抗器；所述错位层叠模块、级联双子模块组、半桥型子模块组为相互级联 的结构；所述故障发生时换流器闭锁前的放电过程是一个已知初始条件的振荡放电过程， 闭锁后由于桥臂等效电容值发生变化，当且仅当任何回路状态下桥臂级联电容所提供的反 向电压始终大于交流线电压幅值时，利用二极管反相阻断特性使短路电流下降为零，清除 直流故障。
2. 如权利要求1所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 错位层叠模块由m个半桥单元串联构成；每个半桥单元包括2个IGBT即第一 IGBT及第二 IGBT、2个反向二极管以及1个电容器；所述2个IGBT分别和相应的2个反向二极管并联 组成2组可控开关；第一 IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连；电容器的正极和第一 IGBT的发射极相连，电容器的负极和第二IGBT的集电极相连。
3. 如权利要求1所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 级联双子模块组由ns个级联双子模块串联构成；每个级联双子模块包括5个IGBT即T T 5、5个反向二极管即Di~D 5、2个电容器即Cf C 2以及1个箝位二极管D 6;所述5个IGBT 分别和相应的5个反向二极管并联组成5组可控开关；所述T1的集电极和T 2的发射极相 连，T3的集电极和T 4的发射极相连，T 2的集电极和T 5的集电极相连，T 3的发射极和T 5的发 射极相连；所述电容器C1的正极分别与T ^勺发射极、二极管D 6的负极相连，电容器C i的负 极和以勺集电极相连；所述电容器C2的负极分别与T 4的集电极、二极管D6的正极相连，电 容器(：2的正极和T 3的发射极相连。
4. 如权利要求1所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 半桥型子模块组由nH个半桥型子模块串联构成；每个半桥型子模包括2个IGBT即即第三 IGBT及第四IGBT、2个反向二极管以及1个电容器；所述2个IGBT分别和相应的2个反向 二极管并联组成2组可控开关；所述第三IGBT的集电极和第四IGBT的发射极相连；所述电 容器的正极和第三IGBT的发射极相连，电容器的负极和第四IGBT的集电极相连。
5. 如权利要求2所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 错位层叠模块中半桥单元的个数m满足以下关系式：
其中：U。为半桥型子模块中的额定电容电压，Uni。为半桥单元中的额定电容电压。
6. 如权利要求5所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 级联双子模块组中级联双子模块的个数&满足以下关系式：
其中：Um为换流器交流侧相电压的最大值，U ^为级联双子模块中的额定电容电压。
7. 如权利要求6所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 半桥型子模块组中半桥型子模块的个数％满足以下关系式：
其中：Ud。为直流输电线路的额定直流电压，U。为半桥型子模块中的额定电容电压，η 3为 级联双子模块组中级联双子模块的个数。
8. 如权利要求7所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器，其特征是，所述 混合型多电平换流器可输出的总电平数Np满足以下关系式： Np= (n H+2ns+l) X (m+1) nH半桥型子模块组中半桥型子模块的个数，n s为级联双子模块组中级联双子模块的个 数。
9. 如权利要求1所述的一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器的工作方法，其特 征是，包括以下步骤： 步骤（1):换流站实时监测直流线路上的电压和电流，结合直流输电系统参数，设定相 应的故障检测阈值，完成对直流线路故障时刻及故障类型的确定； 步骤（2):直流输电系统检测到直流故障发生后，根据换流站直流侧出口处电流、电压 的变化以及潮流方向确定故障地点，并对潜在故障线路上的隔离开关进行标记，以便对闭 锁后的故障线路进行可靠的隔离； 步骤（3):对混合型多电平换流器中的级联双子模块发出闭锁信号，同时闭合半桥型 子模块及错位层叠模块各自并联的旁路开关，以保护半桥型子模块及错位层叠模块中的半 导体器件不受过电流损害，此过程所用时间应包括故障检测装置的延时和保护装置的动作 时间； 步骤（4):闭锁完毕后断开步骤（2)中标记的隔离开关，为确保故障电流完全消除，需 根据换流器的闭锁时间设定断开隔离开关的时刻； 步骤（5):对全部换流站发出解锁信号，设定换流站运行在定直流电压控制方式下，直 流母线电压上升至额定值，此时在步骤（4)中跳开的非故障线路上的隔离开关能够感应到 两端预设的直流电压，当满足两端电压差小于设定值时实现"握手"后隔离开关闭合，非故 障。
【专利摘要】本发明公开了具有直流故障穿越能力的混合型多电平换流器及工作方法，该换流器基于错位层叠理论，包括三相桥式整流电路；三相桥式整流电路的每个桥臂均包括相互级联的错位层叠模块、级联双子模块组、半桥型子模块组以及电抗器；故障发生时换流器闭锁前的放电过程是一个已知初始条件的振荡放电过程，闭锁后由于桥臂等效电容值发生变化，当且仅当任何回路状态下桥臂级联电容所提供的反向电压始终大于交流线电压幅值时，利用二极管反相阻断特性使短路电流下降为零，清除直流故障。通过闭锁换流器自限制清除直流故障电流，无需额外配备高压直流断路器，适用于普通架空线路，可应用于多端直流网络构建、新能源并网、无源网络供电等领域。
【IPC分类】H02H7-26
【公开号】CN104753043
【申请号】CN201510141886
【发明人】李可军, 孟新涵, 王卓迪, 孙莹
【申请人】山东大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月27日