一種改進型模塊化多電平換流器子模塊拓撲的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力系統輸配電技術領域,涉及一種模塊化多電平換流器及其子模 塊。
【背景技術】
[0002] 柔性直流輸電技術為解決大型風電場等可再生能源的并網瓶頸,為城市高壓電網 的增容改造、電網互聯及孤島供電提供了新手段和技術方案,具有較強的技術優勢,是改變 大電網發展格局的戰略選擇,已列入《國家能源科技"十二五"規劃》高性能輸變電關鍵設 備,是需要重點技術攻關的重大技術裝備。
[0003]由于柔性直流輸電是從常規直流輸電的基礎上發展起來的,因此除了常規直流輸 電技術所具有的優點,柔性直流輸電較之常規直流輸電還具有緊湊化、模塊化設計,易于移 動、安裝、調試和維護,易于擴展和實現多端直流輸電等優點。
[0004] MMC-HVDC(基于模塊化多電平換流器的直流輸電技術)是VSC-HVDC(電壓源換流 器型高壓直流輸電)中的一種新型結構。和級聯H橋變流器相比,MMC保留了高度模塊化的 結構特點,同時又具有一個高壓直流母線,能夠實現輸出電壓、輸出電流的四象限運行。和 傳統的二、三電平變流器相比,MMC不存在開關管串聯并聯的均壓、均流的問題。MMC的每個 子模塊結構相對簡單,控制容易,可以無限擴展,特別適用于HVDC領域。由于MMC將VSC的 兩電平或三電平提高到幾十電平甚至上百電平,從而在維持耐壓水平的基礎之上增大系統 電壓等級、大大減少了開關器件的開關頻率從而減小開關損耗、輸出電壓波形更趨近正弦 波從而進一步減產諧波含量。同時,MMC采用完全一致的模塊化技術,其模塊化結構使其可 擴展性強,便于實現冗余控制,在研發、制造、動態和靜態均壓以及減小環流方面有著重要 優勢。
[0005] 在工程建設方面,南匯風電場柔性輸電示范工程,作為我國第一個MMC工程,于 2011年7月完成工程驗收,成為我國首條正式投入商用的基于MMC的HVDC輸電工程。同時 南網的大型風電場柔性直流輸電工程和國網舟山五端柔性直流工程正在建設。
[0006] 傳統的MMC-HVDC工程通常采用直流電纜進行傳輸,直流電纜安全穩定性能較好, 但其價格較高,長距離輸電成本較高。而在大容量的傳輸中更多的采用價格便宜,散熱效果 更好架空線傳輸。而在架空線傳輸中,傳統的半橋結構從本質上缺乏直流故障隔離能力:當 直流側發生故障時,全控型開關器件反并聯的續流二極管易構成故障點交流系統直接連通 的能量饋送回路,必須通過跳開交流斷路器來將其切斷,其缺點在于機械響應較慢(最快 也需2~3個周波),影響電力的正常傳輸,同時可能造成換流閥器件的過流和過壓。往往 需要采用增大設備額定參數、配置高速旁路開關等輔助性措施,因此該拓撲并不適用于易 發生閃絡等暫時性故障的架空線路輸電,而需要鋪設造價昂貴、故障率低的電纜線路。
[0007]因此,需要設計新的子模塊結構,能夠有效的隔離直流故障。
【發明內容】
[0008] 針對上面所述問題和在高壓大功率場合的應用要求,本發明在原來半橋結構的基 礎上提出一種模塊化多電平換流器子模塊拓撲結構,由兩個半橋結構和兩個電容組成,新 的改進結構不改變原有子模塊的結構和控制策略方式,改進串聯部分可以實現單獨控制。 新的改進結構提高了系統的故障穿越能力,在直流側故障時候,能夠有效隔離故障電流。
[0009] 本發明技術方案:一種模塊化多電平換流器子模塊拓撲結構,由半橋結構和限流 模塊串聯組成;所述半橋結構包括第一開關模塊、第二開關模塊;所述第一開關模塊的負 極和第二開關模塊的正極相連;所述第一電容的負極和第二電容的正極相連;第一電容的 正極和第一半橋中的第一開關模塊的正極、第二半橋中第一開關模塊的的正極相連;第一 半橋中第二電容的負極和第一電容的負極相連;第二半橋中第二開關的負極和第二電容的 負極相連;
[0010] 所述第一半橋結構的第一開關模塊的負極與第二開關模塊的正極之間的節點為 所述拓撲結構的輸入端,第二半橋結構的第一開關模塊的負極與第二開關模塊的正極之間 的節點為所述拓撲結構的輸出端。
[0011] 進一步的,所述的兩個半橋結構中的第一開關模塊、第二開關模塊均由一個絕緣 柵雙極型晶體管和一個二極管反并聯組成。
[0012] 進一步的,正常工作情況下,正常工作情況下,改進型拓撲結構能夠輸出0、 +Um、-Um、+2Um四種電平情況,多種電平情況的輸出能夠一定程度上減少橋臂子模塊數(與 半橋結構相比),減小諧波畸變率。
[0013] 基于模塊化多電平換流器子模塊拓撲結構實現的一種模塊化多電平換流器,包括 三個相單元,每一個相單元分上下橋臂,每個橋臂包括若干個串聯的子模塊拓撲結構,每相 上下橋臂串聯的子模塊拓撲結構數量相同;上下橋臂分別串聯限流電抗器,每相從上至下 為:上橋臂所有子模塊、上橋臂電抗器、下橋臂電抗器、下橋臂所有子模塊;且每相上下橋 臂的連接處外接三相交流電壓,上橋臂最上面子模塊拓撲結構的輸入端與直流正極相連, 下橋臂最下端子模塊輸出端與直流負極相連。
[0014] 進一步的,在直流輸電系統中,當直流側發生雙極短路故障,先檢測到故障電流, 然后關閉改進型子模塊中兩個半橋結構中第一開關盒第二開關的觸發信號。故障電流從拓 撲結構的輸出端進入拓撲結構后,通過第二半橋結構中第一開關模塊的二極管、第一電容, 然后流經第一半橋結構第二開關的二極管,并從輸入端流出。該結構能夠通過電容削減故 障電流,達到消除故障目的。
[0015] 進一步的,當所述的故障為直流永久性故障時,具體過程為:關斷兩個半橋結構中 的第一開關模塊和第二開關模塊中絕緣柵雙極型晶體管的觸發脈沖,然后斷開交流側斷路 器,進行檢修,故障修復后,進行重合閘,再開啟兩個半橋結構中的第一開關模塊、第二開關 豐旲塊。
[0016] 進一步的,當所述的故障為直流暫時性故障時,具體過程為:關斷兩個半橋結構中 的第一開關模塊和第二開關模塊中絕緣柵雙極型晶體管的觸發脈沖,等待直流側故障電流 為零,故障消除后,重新觸發兩個半橋結構中的第一開關模塊、第二開關模塊的絕緣柵雙極 型晶體管,建立直流側電壓,等待系統進入穩態運行。
[0017] 本發明技術方案:本發明主要針對直流側雙極短路故障,研究雙極短路故障下,故 障電流關斷機理,抑制措施。
[0018] 本發明的優點在于:1)在高壓大容量的傳輸過程中,能夠有效的抑制直流側故障 電流,無需交流斷路器動作;2)該電路能夠有效的保護了原子模塊電容,在故障恢復后能 夠實現快速的恢復;3)與其他拓撲結構比較,節省了元器件。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明的模塊化多電平換流器改進子模塊拓撲原理圖。
[0020] 圖2是本發明的含有改進型子模塊結構的三相模塊化多電平變流器原理圖。
[0021] 圖3是本發明的直流故障下電流從正極(1端)流入電流流向原理圖。
[0022] 圖4是本發明的直流故障下電流從負極(2端)流入電流流向原理