[發明專利]一種具有直流故障穿越能力的模塊化多電平變流器

有效

• 申請號: 201410332103.8
• 申請日: 2014-07-11
• 公開（公告）號: CN104078994A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 趙劍鋒;李東野
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36;H02H7/10
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種具有直流故障穿越能力的模塊化多電平變流器，屬于電力電子應用的技術領域。

背景技術

隨著經濟的快速發展、社會生產規模的逐步擴大，各種形式的電力需求不斷增長，對電力電子設備的要求也越來越高，電力電子技術隨之飛速發展，其中多電平變換器因具有輸出電壓高、諧波含量低、電壓變化率小、功率開關器件電壓應力小、開關頻率低等優點正逐漸成為高壓大功率電力應用領域的研究熱點。隨著全控型電力電子器件耐壓等級和容量的不斷提升，使得采用半導體開關構成的多種電壓源變流器并應用于高壓大功率場合成為可能。其中模塊化多電平變流器(modular?multilevel?converter，MMC)因為具有高度模塊化結構而易于擴容，具有公共直流母線可以提高系統可靠性且有利于降低成本，對系統主回路的雜散參數不敏感而易于實現，不平衡運行能力、故障穿越和恢復能力強，輸出波形好等優點，使得其較傳統的兩電平或三電平變流器具有一系列優點，所以是近期國內外的研究焦點。

模塊化多電平變流器不僅繼承了傳統高壓大功率多電平變流器的優點，而且以其獨特的優勢在高壓電力系統的電能傳輸和電能質量問題等方面都具有很大潛力。目前國內外有關模塊化多電平換流器的推廣應用主要集中在高壓直流輸電領域，例如2010年底完成項目測試的西門子公司開發的連接美國匹茲堡和舊金山的高壓直流輸電系統，以及2011年完成工程驗收的我國首條正式投入商用的南匯風電場的高壓直流輸電工程都是基于模塊化多電平換流器建立的。因此對模塊化多電平換流器在高壓直流輸電(High?Voltage?Direct?Current?Transmission，HVDC)及輸配電系統中的關鍵技術研究，將會對我國堅強智能電網建設提供有力的技術支撐。

直流側故障是HVDC工程設計運行必須考慮的一種嚴重故障類型，對設備參數、控制策略和保護配置具有重要影響，然而現有技術存在無法有效處理直流故障的固有缺陷。當直流側發生故障時，全控型開關器件所反并聯的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，無法單純依靠變流器動作完成直流側故障電流的清除。目前已投運的HVDC工程大多采用電纜敷設線路，以減少直流故障發生概率，但造價昂貴、經濟效益差。從原理上分析，處理直流側故障的基本途徑有3類：(1)利用交流側設備如交流斷路器、交流熔斷器等切斷與交流系統的連接，但該方法響應速度較慢、重啟動配合動作時序復雜、系統恢復時間較長；(2)利用直流側設備如直流斷路器隔離故障點，但直流斷路器存在滅弧非常困難、線路能量不易耗散、造價昂貴、技術不成熟等缺點，在高壓大容量場合鮮有應用；(3)利用變流器自身控制實現直流側故障的自清除，無需機械設備動作，故系統恢復很快，事實上這種思路已廣泛應用在傳統直流輸電技術中，即通過強制移相快速消除弧道電流。尋找具有直流故障穿越能力的新型變流器是目前學術界和工業界的研究熱點，對它的研究具有重要的理論價值和現實指導意義。

在傳統模塊化多電平變流器中，如圖1所示，出現直流故障后需要將所有半導體開關關斷，但在關斷前，由于檢測、判斷以及保護裝置動作的延時性，所有半導體開關并不能立刻關斷。在這段時間內，故障點的電流由兩部分組成：一是交流電源通過與半導體開關反并聯的續流二極管D2向直流側故障點饋送交流電流；二是投入的模塊電容通過半導體開關T1進行快速放電。二者都會導致直流側電流急劇增大，半導體開關T1和續流二極管D2都要承受過流，可能會造成器件損壞。半導體開關關斷后，電容放電回路切斷，故障點電流也由兩部分組成：一是交流側饋入的交流電流，二是橋臂電感的放電電流，此時只有續流二極管D2承受過流，過流程度不會超過開關管關斷前，一直持續到交流側斷路器動作，切斷交流電流，電感續流逐漸降為0。由此可見，單純使用第一模塊的模塊化多電平變流器不具備直流故障自清除的能力，因為與全控器件反并聯的二極管會構成故障點與交流系統直接相連的能量饋送回路，并且是不可控的。這對整個系統來說無疑很危險。

發明內容

技術問題：針對上述現有技術，提出一種具有直流故障穿越能力的模塊化多電平變流器，在實現傳統模塊化多電平變流器功能的基礎上，使其具有直流故障穿越能力。

技術方案：一種具有直流故障穿越能力的模塊化多電平變流器，該變流器包括A相上下橋臂、B相上下橋臂以及C相上下橋臂；子模塊包括第一模塊和第二模塊；