一种具有直流电压反向功能的多电平换流器

摘要

本发明公开了一种具有直流电压反向功能的多电平换流器，包括MMC；MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂从MMC的电网接入端至直流耦合端均由一电抗器和一模块化多电平单元串联组成；模块化多电平单元两端通过一电压反向控制单元分别与直流耦合端和电抗器连接，电压反向控制单元用于控制MMC以直流电压正向运行或直流电压反向运行。本发明仅需在换流器每个桥臂的模块化多电平单元两端分别添加两组反并联晶闸管，即可实现整个多电平换流器的直流电压正、反向运行功能，设备成本少，效果好，十分适用于三极直流输电系统中的极3换流器。

权利要求

1.一种具有直流电压反向功能的多电平换流器，包括MMC；所述的MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂从MMC的电网接入端至直流耦合端均由一电抗器和一模块化多电平单元串联组成；其特征在于：所述的模块化多电平单元两端通过一电压反向控制单元分别与直流耦合端和电抗器连接，所述的电压反向控制单元用于控制MMC以直流电压正向运行或直流电压反向运行；

所述的电压反向控制单元由两个具有三端口结构的电压反向控制模块Q1～Q2组成；

其中，电压反向控制模块Q1的第一端口与MMC的直流耦合端和电压反向控制模块Q2的第三端口相连，电压反向控制模块Q1的第二端口与模块化多电平单元的正极端相连，电压反向控制模块Q1的第三端口与电压反向控制模块Q2的第一端口和电抗器相连，电压反向控制模块Q2的第二端口与模块化多电平单元的负极端相连；

所述的电压反向控制模块由两个反并联晶闸管AT1～AT2组成；其中，反并联晶闸管AT1的一端为电压反向控制模块的第一端口，反并联晶闸管AT1的另一端与反并联晶闸管AT2的一端相连且为电压反向控制模块的第二端口，反并联晶闸管AT2的另一端为电压反向控制模块的第三端口；

所述的反并联晶闸管由两个可控硅反并联组成，所述的可控硅的门极接收外部设备提供的开关控制信号。

2.根据权利要求1所述的多电平换流器，其特征在于：所述的模块化多电平单元由若干个HBSM串联组成；所述的HBSM由两个开关管T1～T2和一个电容C构成；其中，开关管T1的输出端与开关管T2的输入端相连并构成HBSM的一端，开关管T1的输入端和电容C的一端相连，开关管T2的输出端与电容C的另一端相连并构成HBSM的另一端；所述的开关管的控制端接收外部设备提供的开关控制信号。

3.根据权利要求2所述的多电平换流器，其特征在于：所述的开关管采用IGBT。

说明书

一种具有直流电压反向功能的多电平换流器

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统换流技术领域，具体涉及一种具有直流电压反向功能的多电平换流器。

背景技术

[0002] 我国电力规划的总体方针是“西电东送、南北互供、全国联网”。然而，随着电网规模的日益扩大和结构的日趋复杂，加之涉及征地问题的利益纠葛近年来也逐渐显现出来，在原有的线路基础上再开辟出新的线路走廊就显得更加困难。因此，利用原有的高压交流站和线路网架，改造并转换成直流输电工程，成为解决这一问题非常值得探讨的思路。再者，对于超大规模的电网来说，用直流工程将其分隔成数个异步子系统，可以有效减少交流同步联网所带来的一系列问题，如短路电流超限、低频振荡加剧、故障大范围传递等。

[0003] 在各种交流线路转换成直流线路的方案中，三极直流输电相比传统的双极和单极直流输电，在技术应用、经济成本和可靠性等方面都体现出一定的优势。L.O.Barthold等人在标题为Principles and Applocations of Current-Modulated HVDC Transmission Systems（IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition.May21-26,2006,Dallas,TX,USA:1429-1435）的文献中提出了一种能够有效提升直流输送容量的直流电流不平衡调制方法。图1是典型的三极直流输电系统示意图，其直流回路由双极和单极线路并联组成；但与常规的双极直流输电不同的是，极1和极2的中性点电流不流入大地，而是通过具有双向通道的极3进行回流（回流方式分别如虚线和点划线所示）。

[0004] 图2展示了正常运行时三个极上的电压电流调节特性；从图可以看出，正常运行时，三极直流输电各极的电流不是恒定的，而是在两个阶跃值间不断转换；极1和极2电流的绝对值在最大值Imax和最小值Imin之间跳变，极3流过的电流是极1与极2电流的差值；极1和极2的电压极性保持不变；由于极3的电流方向要发生周期性的变化，极3的电压也必须呈现周期性的反转以保证功率的传输方向不变，维持交直流稳定，即极3需要同时具有直流电压与直流电流反向功能。因而上述文献提出极3由反并联的双向晶闸管构成换流桥，或者由两个不同向的晶闸管换流桥并联组成；根据上述电流调制方式，在稳态运行下，三极直流系统能够传输的功率是双极直流的1.366倍，有效提升直流系统传输容量，有利于更大程度地支援电网的功率需求，促进电网的发展和稳定运行。

[0005] 然而，上述极3采用的换流桥其基本换相单元为晶闸管，存在如下缺陷：

[0006] 1.不能向无源网络供电，不适用于向远距离的孤立负荷输电；

[0007] 2.换相失败，引起直流传输功率大容量缺额，造成交直流响应特性恶化；

[0008] 3.需要安装多组交流滤波器和直流滤波器，增加设备成本；

[0009] 4.上述电流调制过渡阶段，由于无功功率调节较缓慢，引起交流系统无功剩余，产生过电压；

[0010] 5.上述电流调制过渡阶段，由于直流电流需要反向，存在过零点现象，而传统直流具有最小直流功率（电流）的要求，一般为额定值的10%左右，因而，过渡阶段容易引发过电压等问题。

[0011] 模块化多电平电压源型换流器（modular multilevel converter，MMC）通过半桥子模块串联构成换流阀，易于扩展，谐波畸变小，开关损耗低，适用于高电压大功率场合，具有广阔的应用前景，而且，由其组成的直流输电系统能够实现有功无功解耦控制，不存在换相失败问题，在交流侧和直流侧均不需要装设滤波器，无最小传输功率限制。但是，其子模块0，1电平特性决定了MMC-HVDC（基于MMC的高压直流输电系统）仅含有直流电流双向传输能力，直流电压不能实现反向，因而MMC不能直接用于三极直流的极3换流器。

发明内容

[0012] 针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有直流电压反向功能的多电平换流器，能够满足直流电流反向的同时，实现直流电压反向，适用于三极直流输电系统中的极3换流器。

[0013] 一种具有直流电压反向功能的多电平换流器，包括MMC；所述的MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂从MMC的电网接入端至直流耦合端均由一电抗器和一模块化多电平单元串联组成；所述的模块化多电平单元两端通过一电压反向控制单元分别与直流耦合端和电抗器连接，所述的电压反向控制单元用于控制MMC以直流电压正向运行或直流电压反向运行。

[0014] 所述的模块化多电平单元由若干个HBSM（半桥子模块）串联组成；所述的HBSM由两个开关管T1~T2和一个电容C构成；其中，开关管T1的输出端与开关管T2的输入端相连并构成HBSM的一端，开关管T1的输入端和电容C的一端相连，开关管T2的输出端与电容C的另一端相连并构成HBSM的另一端；所述的开关管的控制端接收外部设备提供的开关控制信号。

[0015] 所述的开关管采用IGBT。

[0016] 所述的电压反向控制单元由两个具有三端口结构的电压反向控制模块Q1~Q2组成；其中，电压反向控制模块Q1的第一端口与MMC的直流耦合端和电压反向控制模块Q2的第三端口相连，电压反向控制模块Q1的第二端口与模块化多电平单元的正极端相连，电压反向控制模块Q1的第三端口与电压反向控制模块Q2的第一端口和电抗器相连，电压反向控制模块Q2的第二端口与模块化多电平单元的负极端相连。

[0017] 所述的电压反向控制模块由两个反并联晶闸管AT1~AT2组成；其中，反并联晶闸管AT1的一端为电压反向控制模块的第一端口，反并联晶闸管AT1的另一端与反并联晶闸管AT2的一端相连且为电压反向控制模块的第二端口，反并联晶闸管AT2的另一端为电压反向控制模块的第三端口。

[0018] 所述的反并联晶闸管由两个可控硅反并联组成，所述的可控硅的门极接收外部设备提供的开关控制信号。

[0019] 本发明的工作原理为：在稳态正向直流电压运行情况下，每个桥臂始终触发导通与模块化多电平单元正负极端相连接的两个电压反向控制模块的反并联晶闸管AT1，其反并联晶闸管AT2不施加触发信号，处于闭锁状态。通过投切模块化多电平单元中的半桥子模块，使交流电压波形逼近所期望的正弦参考波，从而完成能量的稳定传输。当需要进行直流电压反向运行时，先按一定的斜率逐渐降低直流系统的直流电流或直流功率直至为0；然后，闭锁两个电压反向控制模块的反并联晶闸管AT1的触发信号，经一周波时间，触发导通两个电压反向控制模块的反并联晶闸管AT2，直流电压实现反向；最后，根据直流功率或直流电流的指令要求，逐渐增大直流电流直至稳态额定运行。至此，整个直流电压反向过程已完成；当需要直流电压再次正向运行时，可采用类似的步骤实现。

[0020] 本发明仅需在换流器每个桥臂的模块化多电平单元两端分别添加两组反并联晶闸管，即可实现整个多电平换流器的直流电压正、反向运行功能，设备成本少，效果好，且十分适用于三极直流输电系统中的极3换流器。

附图说明

[0021] 图1为三极直流输电系统的结构示意图。

[0022] 图2为三极直流输电系统中三极直流电压电流调节特性示意图。

[0023] 图3为本发明多电平换流器的结构示意图。

[0024] 图4为模块化多电平单元的结构示意图。

[0025] 图5为电压反向控制模块的结构示意图。

[0026] 图6为本发明多电平换流器的仿真波形图。

具体实施方式

[0027] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。

[0028] 如图3所示，一种具有直流电压反向功能的多电平换流器，包括MMC；MMC为三相六桥臂结构，每个桥臂从MMC的电网接入端至直流耦合端均由一电抗器L和一模块化多电平单元H串联组成；模块化多电平单元两端通过一电压反向控制单元分别与直流耦合端和电抗器L连接。

[0029] 如图4所示，模块化多电平单元由若干个HBSM串联组成，HBSM由两个IGBT管T1~T2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成HBSM的一端，IGBT管T1的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T2的发射极与电容C的另一端相连并构成HBSM的另一端；IGBT管T1~T2的门极均接收外部设备提供的开关控制信号。

[0030] 电压反向控制单元用于控制MMC以直流电压正向运行或直流电压反向运行；其由两个具有三端口结构的电压反向控制模块Q1~Q2组成；其中，电压反向控制模块Q1的第一端口与MMC的直流耦合端和电压反向控制模块Q2的第三端口相连，电压反向控制模块Q1的第二端口与模块化多电平单元H的正极端相连，电压反向控制模块Q1的第三端口与电压反向控制模块Q2的第一端口和电抗器相连，电压反向控制模块Q2的第二端口与模块化多电平单元H的负极端相连。

[0031] 如图5所示，电压反向控制模块由两个反并联晶闸管AT1~AT2组成；其中，反并联晶闸管AT1的一端为电压反向控制模块的第一端口，反并联晶闸管AT1的另一端与反并联晶闸管AT2的一端相连且为电压反向控制模块的第二端口，反并联晶闸管AT2的另一端为电压反向控制模块的第三端口。

[0032] 反并联晶闸管由两个可控硅反并联组成，可控硅的门极接收外部设备提供的开关控制信号。

[0033] 本实施方式的多电平换流器稳态运行期间，模块化多电平单元通过合理安排子模块的导通状态，实现桥臂多电平电压源特性；所期望的桥臂电压输出参考波ujk（j=a,b,c;k＝p,n）由下式决定：

[0034]

[0035] 上式中：Udc为直流电压，vj是由双闭环矢量控制器或其他非线性控制器得到的换流器输出电压参考值。本实施例采用载波移向调制方法，首先根据桥臂电压参考波形和直流电压确定桥臂的有效输出电平数和投切子模块数，然后收集子模块电容电压检测信号并对其排序，最后根据桥臂电流极性选择具体哪些半桥子模块投入，哪些切除。

[0036] 假使当前直流电压运行于正向稳定状态，每个桥臂始终触发导通与模块化多电平单元负极端和正极端相连接的两个电压反向控制模块的反并联晶闸管AT1，其反并联晶闸管AT2不施加触发信号，处于闭锁状态。反之，则始终触发导通反并联晶闸管AT2，闭锁反并联晶闸管AT1。

[0037] 当直流电压需要由正向改成反向运行时，先按一定的斜率逐渐降低直流系统的直流电流直至为0；然后，闭锁两个电压反向控制模块的反并联晶闸管AT1的触发信号，经一周波时间，触发导通两个电压反向控制模块的反并联晶闸管AT2，直流电压实现反向；最后，根据直流功率或直流电流的指令要求，逐渐增大直流电流直至稳态额定运行。至此，整个直流电压反向过程已完成。当需要直流电压再次正向运行时，可采用类似的步骤实现。

[0038] 可见，仅需要通过对直流电流或直流功率以及两个反并联晶闸管AT1~AT2的控制，就能实现直流电压正向和反向之间的过渡调节。

[0039] 为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，通过在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建响应模型，具体仿真参数如下：送、受端交流系统电压等级10kV，系统电抗0.005H；换流变压器采用Y0/Δ接法的双绕组变压器，漏抗0.1pu，容量40MVA；模块化多电平单元采用36个子模块，不考虑冗余，每相有12个，上下桥臂各6个，子模块直流电容6000μF，额定电压6.667kV，开关器件均采用IGBT，每桥臂串联电抗器0.004H；直流系统直流电压为±20kV，直流电流1kA，直流功率40MW。整流站采用定有功功率和定无功功率控制模式，逆变站采用定直流电压和定无功功率控制模式，并采用载波移向调制和电容电压均衡策略，设定有功功率和无功功率的参考值为1.0pu和0pu。

[0040] 假设系统当前稳定运行于正向直流电压状态，当直流电压需要反向时，整个过程波形示意图如下。图6(a)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，直流电压波形示意图；图6(b)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，直流电流波形示意图；图6(c)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，电网接入端三相交流系统有功无功波形示意图；图6(d)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，电网接入端三相交流电压波形示意图；图6(e)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，电网接入端三相交流电流波形示意图；图6(f)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，a相上桥臂电压反向控制模块Q2中反并联晶闸管AT1上的电压波形示意图；图6(g)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，a相上桥臂电压反向控制模块Q2中反并联晶闸管AT1上的电流波形示意图；图6(h)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，a相上桥臂电压反向控制模块Q2中反并联晶闸管AT2上的电压波形示意图；图6(i)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，a相上桥臂电压反向控制模块Q2中反并联晶闸管AT2上的电流波形示意图；图6(j)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，a相上桥臂模块化多电平单元模块电容电压波形示意图；图6(k)为本实施方式在1.0s~1.45s运行期间，所有桥臂上电压反向控制模块内的反并联晶闸管AT1和反并联晶闸管AT2触发信号示意图。

[0041] 从上述图中可以看出，在t=1.05s时刻，直流电流开始缓慢下降，同时系统有功功率也逐渐下降，经0.1s左右时间，直流电压和有功功率均已降至为0；在t=1.2s时刻，反并联晶闸管AT1被闭锁，各电气信号量均未发生变化，经一个周波0.02s，即t=1.22s时刻，反并联晶闸管AT2被触发导通，直流电压实现快速反向，同时，加在反并联晶闸管AT2上的电压因晶闸管导通而降至为0；在t=1.26s时刻，直流功率逐渐增大，向额定值恢复，由于直流电压已反向，为保持直流功率的传输方向不变，此时，直流电流朝着相反方向恢复，直至系统重新稳定运行。可见，整个过程比较缓和，不会出现过电压和过电流现象，对系统和设备的影响较小。