一種換流器模塊單元、換流器、直流輸電系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于柔性直流輸電領域，特別涉及一種換流器模塊單元，基于該換流器模塊單元的模塊化多電平換流器、直流輸電系統，以及前述換流器模塊單元、模塊化多電平換流器及直流輸電系統的控制方法。
【背景技術】
[0002]柔性直流輸電系統的核心是基于全控器件的電壓源變流器。多電平技術是實現高壓大容量電壓源變流器的優選方案。相對于二電平換流器，多電平換流器可以使用低壓器件實現高電壓等級輸出，而并不需要開關器件的直接串聯。近幾年來，模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的出現使多電平換流器在柔性直流輸電領域也得到了成功的應用。模塊化多電平換流器的換流器采用模塊化設計，由若干個結構完全相同的基本單元模塊串聯構成，每一個模塊稱為換流器模塊單元，通過增加換流器中的串聯模塊個數和電流水平，可以應用于不同的電壓及功率等級場合。
[0003]然而傳統的半橋模塊單元存在無法有效處理直流故障的固有缺陷，當換流器直流側發生故障時，由于全控器件的反并聯續流二極管容易構成故障點與交流系統直接連通的能量饋送回路，無法單純依靠換流器動作完成直流側故障電流的清除，只能依靠交流設備切斷與交流系統的連接，但該方法存在響應速度較慢、重啟動配合動作時序復雜、系統恢復時間較長等問題，限制了傳統半橋模塊換流器的工程應用。
[0004]為提高MMC換流器的直流故障穿越能力，基本模塊結構演變出兩種單元:全橋模塊和箝位雙模塊，這兩種模塊單元均能實現換流器的直流故障清除與穿越，但都存在各自的不足:
[0005]全橋模塊主要由四只全控開關和直流支撐電容組成，相較傳統半橋模塊，使用的開關器件多一倍，模塊輸出直流電容電壓或旁路時均同時有兩個全控開關流過電流，損耗也大一倍。
[0006]箝位雙模塊為兩個傳統半橋模塊通過一個全控開關和兩個箝位二極管級聯而成，相較全橋模塊有效減少了全控開關數量，降低了運行損耗，但該單元存在兩方面的問題:一是當箝位雙模塊處在所有全控開關閉鎖狀態時，由于拓撲中二極管的結構不對稱，在啟動交流充電時每個橋臂的等效電容是不一致的，電容電壓的上升速率不一致，從而使得整個換流器的高電位取能和監控的一致性較差，容易造成系統誤判；二是在直流故障時，箝位雙模塊的兩個直流支撐電容并聯投入到交流系統電壓和故障點之間，模塊直流電壓的上升較慢，清除故障的動態響應時間較長。
[0007]鑒于以上分析，本發明人對換流器模塊單元的結構進行研究改進，本案由此產生。
【發明內容】
[0008]本發明的目的，在于提供一種換流器模塊單元、換流器、直流輸電系統及控制方法，其可提供良好的直流側故障穿越性能，克服全橋模塊和箝位雙模塊等結構的局限和不足，在經濟性和技術性上均有較好表現。
[0009]為了達成上述目的，本發明的解決方案是:
[0010]一種換流器模塊單元，包括兩個儲能元件、5個開關模塊和一個二極管，其中，第一開關模塊的負極連接第二開關模塊的正極，第一開關模塊的正極連接第一儲能元件的正極，第二開關模塊的負極連接第一儲能元件的負極；二極管的負極連接第一開關模塊的正極，二極管的正極分別連接第二儲能元件的負極及第四開關模塊的負極，而第四開關模塊的正極連接第三開關模塊的負極，所述第二儲能元件的正極連接第三開關模塊的正極；所述第三開關模塊的正極還連接第五開關模塊的正極，而第五開關模塊的負極連接第二開關模塊的負極；并將第一開關模塊的負極作為換流器模塊單元的第一引出端，將第三開關模塊的負極作為換流器模塊單元的第二引出端。
[0011]上述各開關模塊均包括開關管及與其反向并聯的續流二極管，并以開關管的正極作為其所在開關模塊的正極，以開關管的負極作為其所在開關模塊的負極。
[0012]上述開關管采用可關斷半導體器件。
[0013]上述開關管采用IGBT、IGCT、GTO或MOSFET ;采用IGBT時，其集電極作為所述開關管的正極，其發射極作為所述開關管的負極；采用IGCT或GTO時，其陽極作為所述開關管的正極，其陰極作為所述開關管的負極；采用MOSFET時，其漏極作為所述開關管的正極，其源極作為所述開關管的負極。
[0014]上述儲能元件采用電容。
[0015]一種如前所述的一種換流器模塊單元的控制方法，控制換流器模塊單元工作在以下六種工作狀態:
[0016]正向電流充電狀態:在正向電流下，控制第一、四、五開關模塊中的開關管開通，控制第二、三開關模塊中的開關管關斷；
[0017]正向電流旁路狀態:在正向電流下，控制第二、三、五開關模塊中的開關管開通，控制第一、四開關模塊中的開關管關斷；
[0018]負向電流放電狀態:在負向電流下，控制第一、四、五開關模塊中的開關管開通，控制第二、三開關模塊中的開關管關斷；
[0019]負向電流旁路狀態:在負向電流下，控制第二、三、五開關模塊中的開關管開通，控制第一、四開關模塊中的開關管關斷；
[0020]正向電流閉鎖狀態:在正向電流下，控制5個開關模塊中的開關管全部關斷；
[0021]負向電流閉鎖狀態:在負向電流下，控制5個開關模塊中的開關管全部關斷。
[0022]一種模塊化多電平換流器，包括上橋臂和下橋臂，所述上、下橋臂均包括有相互級聯的至少兩個如前所述的換流器模塊單元，所述同一橋臂中的所有換流器模塊單元同向連接，上橋臂中第一個換流器模塊單元的第一引出端作為該模塊化多電平換流器的正極點，下橋臂中最后一個換流器模塊單元的第二引出端作為該模塊化多電平換流器的負極點，所述正、負極點均用以接入直流網絡中；而上橋臂中最后一個換流器模塊單元的第二引出端與下橋臂中第一個換流器模塊單元的第一引出端相互連接，作為該模塊化多電平換流器的交流端點，用以接入交流網絡中。
[0023]上述上、下橋臂中分別串聯有至少一個電抗器。
[0024]上述上、下橋臂中，每個換流器模塊單元的第一、二引出端之間還并聯旁路裝置。
[0025]一種單極直流輸電系統，包括整流器和逆變器，所述整流器由三個如前所述的一種模塊化多電平換流器并聯構成，該三個模塊化多電平換流器的交流端點分別連接交流系統或負載的三相；所述逆變器由另外三個如前所述的一種模塊化多電平換流器并聯構成，該三個模塊化多電平換流器的交流端點分別連接交流系統或負載的三相；所述整流器中三個模塊化多電平換流器的正極點與逆變器中三個模塊化多電平換流器的正極點通過直流連接進行連接，整流器中三個模塊化多電平換流器的負極點與逆變器中三個模塊化多電平換流器的負極點也通過直流連接進行連接。
[0026]一種如前所述的一種單極直流輸電系統的控制方法，包括如下步驟:
[0027](al)判斷直流側是否故障，若故障則轉步驟(a2)；
[0028](a2)當出現直流故障時，對故障所在極的每個換流器模塊單元中的開關管加關斷信號;
[0029](a3)待直流故障消除后，重新啟動各換流器模塊單元。
[0030]一種雙極直流輸電系統，包括整流側和逆變側