[發明專利]一種用于柔性直流輸電換流閥的子模塊拓撲結構及方法

在審

• 申請號: 201711318392.6
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN107910886A
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 張海濤;翁海清;王國強;陳俊;周月賓;黃潤鴻;王健
• 申請（專利權）人: 榮信匯科電氣技術有限責任公司;南方電網科學研究院有限責任公司;夢網榮信科技集團股份有限公司
• 主分類號: H02J3/36
• 分類號: H02J3/36;H02M7/00
• 代理公司: 鞍山嘉訊科技專利事務所21224
• 代理人: 張群

技術領域

本發明涉及柔性直流輸電和電力電子應用技術領域，特別涉及一種用于柔性直流輸電換流閥的子模塊拓撲結構。

背景技術

基于MMC電壓源換流器的柔性直流輸電系統具有向無源系統或者弱交流系統供電、有功和無功快速獨立控制、易于構成多端網絡和環境友好等優異性能，并且MMC-HVDC 系統的輸送電壓諧波含量極低，無需再配置額外的濾波器，使得基于MMC的柔性直流輸電在輸電領域有著廣泛的應用前景。MMC-HVDC的核心部件是橋臂上的功率子模塊(以下簡稱子模塊)，目前常用的子模塊是半橋拓撲的子模塊，如圖1所示。半橋子模塊組成的 MMC柔直系統在直流線路故障時，不能抑制故障電流，只能依靠上層控保系統通過斷開交流側斷路器來清除故障，因而故障響應速度慢，故障電流大，一次故障將導致整體直流系統停止有功傳輸和無功支撐達數秒以上，嚴重影響系統穩定。

因此，業界提出了采用傳統的全橋結構子模塊，如圖2所示，來組成MMC柔直系統。全橋子模塊組成的柔直系統能夠自由控制輸出直流電壓的正負，能夠在直流線路故障時快速輸出負電壓抑制故障電流，并且能夠在直流側故障時繼續在交流側提供無功支撐，明顯提高了系統的可靠性。但是全橋子模塊的損耗很大，組成柔直系統成本太高，在實際工程中難以實用。同時，全橋子模塊能夠對稱輸出同樣的正負電壓，這遠超出了直流系統對抑制故障電流的要求，在實際工程中并不需要柔直系統輸出相當于額定電壓的負電壓。

為了在系統可靠性和成本及損耗之間取得較好的平衡，業界提出了多種方法進行折中。專利CN201420288038一種用于柔性直流輸電系統的模塊化多電平換流閥提出，在橋臂中將全橋子模塊和半橋子模塊進行混合配置，如圖3所示，這樣既發揮的全橋子模塊抑制故障電流的特點，又能夠降低成本和損耗的增加。但這種方案在直流側故障時，只有全橋子模塊參與故障電流的抑制，進而相應的故障電流能量都進入了全橋子模塊，將導致故障后全橋子模塊和半橋子模塊的電壓嚴重不平衡。為了保證系統的可靠性，必須增加全橋子模塊的耐壓設計，增加了成本。專利CN103731059一種模塊化多電平變流器的新型雙鉗位子模塊結構電路提出一種新拓撲，能夠抑制故障電流，但是在抑制故障電流時，內部開關管T5將承受兩倍于正常值的電壓，這意味著T5必須設計為IGBT直接串聯，驅動設計很復雜，可行性較低。專利CN103904926A一種改進的模塊化多電平換流器子模塊拓撲將半橋子模塊和去除一個IGBT的全橋子模塊串聯，雖然能夠抑制故障電流，但它不僅有與 CN201420288038相同的缺點，而且在正常運行時不能輸出負電平，降低了柔直換流器在系統動態時的響應。

發明內容

為了解決背景技術中所述問題，本發明提供一種用于柔性直流輸電換流閥的子模塊拓撲結構，在專利CN201420288038的基礎上，通過一個附加的二極管，將全橋和半橋混合拓撲改造成能夠抑制故障電流的新拓撲，而且在抑制故障電流的過程中，子模塊中的兩個電容自動保持電壓均衡，避免了電壓不平衡和耐壓過高的問題。同時，在通常運行過程中，用本發明子模塊組成的換流器能夠輸出相當于一半額定電壓的負電平，滿足系統動態調節的需要。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案實現：

一種用于柔性直流輸電換流閥的子模塊拓撲結構，所述的換流閥的子模塊拓撲結構由全橋結構子模塊(1)和半橋結構子模塊(2)相連接構成。

所述的全橋結構子模塊(1)的一個交流端A2與半橋結構子模塊(2)的直流端正極 D21相連接，全橋結構子模塊(1)的直流端負極D12通過二極管D7與半橋結構子模塊(2) 的直流端負極D22相連接。

全橋結構子模塊(1)的另一個交流端A1和半橋結構子模塊(2)的交流端A3為所述的換流閥的子模塊拓撲結構的兩個輸出端。

在所述的全橋結構子模塊(1)的直流端負極D12與二極管D7之間還連接有電抗器 L7。

一種用于柔性直流輸電換流閥的子模塊拓撲結構的控制方法，在調制過程中當電容C1 的電壓高于電容C2的電壓時，不觸發全橋結構子模塊(1)中的IGBT3。

在生產過程中，將全橋結構子模塊(1)中的IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4及電容 C1封裝在一個低雜散電抗的機械單元中，將半橋結構子模塊(2)中的IGBT5、IGBT6、電容C2以及二極管D7和電抗器L7封裝在另一個低雜散電抗的機械單元中，最終將兩個單元相鄰排列在閥塔上并連接為一個完整的子模塊。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：