CCC-PHC型混合级联直流换流器、整流站、逆变站和输电系统

摘要

本发明公开CCC‑PHC型混合级联直流换流器、整流站、逆变站和输电系统，属于高压直流换流器领域。包括：CCC直流侧负极接口接平波电抗器一端，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；平波电抗器另一端用于接直流电网正极；PHC直流侧下接口接地，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；PHC，用于在正常工况下，给CCC提供直流电压，并向CCC传输有功功率；在交流电网发生短路故障时，增大PHC无功输出，以满足CCC低交流电压工况下所需无功功率；CCC，用于在正常工况时，将交流转化为直流，输出到平波电抗器；在直流电网发生直流故障时，通过CCC改变输出电压极性，来阻隔故障电流。本发明通过换流器CCC和PHC进行级联，不仅具有CCC传输容量大，兼具PHC控制灵活优点。

权利要求

1.一种整流站，其特征在于，包括：CCC‑PHC型混合级联直流换流器、平波电抗器和交流滤波器；

所述CCC‑PHC混合级联直流换流器包括：一个电容换相换流器CCC和至少一个混合并联换流器PHC，PHC之间采用并联方式连接；

CCC的直流侧负极接口用于连接直流电网，直流侧正极接口与PHC的直流侧上接口连接，交流侧接口用于连接交流电网；

PHC的直流侧下接口用于接地，交流侧接口用于连接交流电网；

所述CCC包括：电容子模块SM由两组晶闸管和一个电容器构成桥式结构；多组SM串联在三相桥臂上；SM的正方向与晶闸管的两端电压方向一致；所述SM上晶闸管的触发角被控制实现电容值的改变；SM有3种工作模式：放电模式、旁路模式、充电模式；所述CCC采用定直流电流控制；

所述PHC包括：三条独立链路CL，每一个链路CL用于产生三相交流电压；与CL并联的H桥开关模块HVSS以基频进行导通和关断；采用三次谐波注入控制；

CCC的直流侧负极接口连接平波电抗器的一端，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；

平波电抗器的另一端用于连接直流电网的正极；

PHC的直流侧下接口接地，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；

PHC，用于在正常工况下，独立控制有功和无功输出，维持交流电压稳定和传输有功功率；在交流电网发生短路故障时，增大PHC的无功输出，维持电压稳定，同时向CCC提供无功功率，以满足CCC在低交流电压下工作所需无功功率；

CCC，用于在正常工况时，通过调节延迟触发角来控制传输有功功率大小；在直流电网发生直流故障时，通过CCC改变输出电压极性，来阻隔故障电流；

平波电抗器，用于将CCC输出直流电压纹波限制在预设范围内，抑制直流线路的故障电流上升，减小交流脉动分量并滤除部分谐波；

交流滤波器，用于滤除交流谐波，给CCC提供无功功率补偿；

通过CCC改变输出电压极性，来阻隔故障电流，通过以下方式实现：

将CCC的延迟触发角强制移相至135°，改变输出电压的极性，阻断故障电流；同时，对PHC施加闭锁信号，使半桥子模块HBSM工作在闭锁模式。

2.如权利要求1所述的整流站，其特征在于，CCC采用三相六桥臂结构，由两个独立的CCC串联组成，每一个桥臂上包含晶闸管换流阀与SM串联；连接CCC的两台单元变压器的绕组方式采取Y0/Y和Y0/Δ连接方式，其中，Y0/Y和Y0/Δ绕组变压器之间的移相角为30°，一次侧绕组中性点均直接接地，二次侧绕组中性点采用高阻或不接地方式。

3.如权利要求1所述的整流站，其特征在于，PHC的每个相位都由一个链路CL和一个H桥组成，其中，链路CL由多个半桥子模块HBSM的串联连接组成，H桥由四个高压开关模块组成，每个高压开关模块通过IGBT开关的串联连接组成。

说明书

CCC‑PHC型混合级联直流换流器、整流站、逆变站和输电系统

技术领域

[0001] 本发明属于高压直流换流器技术领域，更具体地，涉及CCC‑PHC型混合级联直流换流器、整流站、逆变站和输电系统。

背景技术

[0002] 电容换相换流器(Capacitor Commutated Converter,CCC)的基本结构是在传统换流器LCC桥臂上串联若干个电容器子模块，利用电容器电压作为换流阀晶闸管换相的辅助换相电压。因此，电容换相换流器能够提高换流器的功率因数，减低无功损耗，但换流器CCC的电容的存在增加换流器的绝缘水平，而且在换流器发生换相失败后，电容充电失控从而导致换流器连续换相失败。

[0003] 并联混合换流器(Parallel Hybrid Converter,PHC)是新兴的拓扑之一，由于其关键优点，它在高压直流输电系统应用中获得了重要的研究兴趣。相比于MMC，PHC的优势有：(1)链路中的半桥型子模块(Half Bridge Sub Module,HBSM)不在主干路路径中，只提供输出电压幅值。因此子模块HBSM所需的电容尺寸较小和子模块的开关损耗大大降低；(2)由于其串联结构，定直流控制的链路电压所需的子模块(Sub Module，SM)数量大大减少，约为半桥型的1/2；(3)H型桥以基频切换，从而减少了切换损耗。但PHC依然存在一些缺陷，由于H桥开关中存在反并联二极管，在直流侧故障情况下，PHC故障电流穿过开关器件，造成器件的损坏。此外，PHC需要一个大的平波电抗器来过滤直流侧谐波。

发明内容

[0004] 针对现有技术直流系统中直流故障过电流问题和逆变侧原LCC换流器在交流电网发生故障时所引起的换相失败问题的缺陷和改进需求，本发明提供了一种CCC‑PHC型混合级联直流换流器、整流站、逆变站和输电系统，其目的在于不仅具有电容换相换流器CCC传输容量大，兼具PHC控制灵活优点。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种CCC‑PHC型混合级联直流换流器，包括：一个电容换相换流器CCC和至少一个混合并联换流器PHC，PHC之间采用并联方式连接；

[0006] CCC的直流侧负极接口用于连接直流电网，直流侧正极接口与PHC的直流侧上接口连接，交流侧接口用于连接交流电网；

[0007] PHC的直流侧下接口用于接地，交流侧接口用于连接交流电网。

[0008] 有益效果：采用级联结构，不仅利用了PHC控制灵活的特点，而且兼容了CCC传输容量大；CCC的单向导电特性解决了PHC直流故障问题；PHC给CCC提供无功补偿，降低CCC换相失败的概率。

[0009] 为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种整流站，包括：如第一方面所述的CCC‑PHC型混合级联直流换流器、平波电抗器和交流滤波器；

[0010] 所述CCC包括：电容子模块SM由两组晶闸管和一个电容器构成桥式结构；多组SM串联在三相桥臂上；SM的正方向与晶闸管的两端电压方向一致；所述SM上晶闸管的触发角被控制实现电容值的改变；SM有3种工作模式：放电模式、旁路模式、充电模式；所述CCC采用定直流电流控制；

[0011] 所述PHC包括：PHC直流链路CL由半桥型子模HBSM相互串联组成；三相CL输出三相全波交流电压；与CL并联的H桥开关模块HVSS以基频进行导通和关断；采用三次谐波注入控制；

[0012] CCC的直流侧负极接口连接平波电抗器的一端，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；

[0013] 平波电抗器的另一端用于连接直流电网的正极；

[0014] PHC的直流侧下接口接地，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；

[0015] PHC，用于在正常工况下，独立控制有功和无功输出，维持交流电压稳定和传输有功功率；在交流电网发生短路故障时，增大PHC的无功输出，维持电压稳定，同时向CCC提供无功功率，以满足CCC在低交流电压下工作所需无功功率；

[0016] CCC，用于在正常工况时，通过调节延迟触发角来控制传输有功功率大小；在直流电网发生直流故障时，通过CCC改变输出电压极性，来阻隔故障电流；

[0017] 平波电抗器，用于将CCC输出直流电压纹波限制在预设范围内，抑制直流线路的故障电流上升，减小交流脉动分量并滤除部分谐波；

[0018] 交流滤波器，用于滤除交流谐波，给CCC提供无功功率补偿。

[0019] 有益效果：平波电抗器能够有效降低直流的谐波含量，改善传输的电能质量；交流滤波器可以过滤相应次数交流谐波，给予CCC的无功补偿。

[0020] 优选地，通过CCC改变输出电压极性，来阻隔故障电流，通过以下方式实现：

[0021] 将CCC的延迟触发角强制移相至135°，改变输出电压的极性，阻断故障电流；同时，对PHC施加闭锁信号，使HBSM工作在闭锁模式。

[0022] 有益效果：考虑到现有技术整流站PHC无法穿越直流故障，而造成器件损坏。本发明通过CCC与PHC级联，CCC通过强制改变延迟触发角至135°，改变其输出电压的极性，阻断短路电流回路，达到穿越直流故障的目的。

[0023] 优选地，CCC采用三相六桥臂结构，由两个独立的CCC串联组成，每一个桥臂上包含晶闸管换流阀与电容子模块串联，连接CCC的两台单元变压器的绕组方式采取Y0/Y和Y0/Δ连接方式，其中，Y0/Y和Y0/Δ绕组变压器之间的移相角为30°，一次侧绕组中性点均直接接地，二次侧绕组中性点采用高阻或不接地方式。

[0024] 有益效果：CCC的电容子模块能增强其抵抗交流侧电压波动的能力，在交流母线电压出现波动或者不平衡时，电容子模块采取多投入电容子模块来抑制交流电压波动，延长允许换相的时间范围，降低发生换相失败的概率。而在换相失败发生后，可使电容模块工作在放电模式，帮助恢复。

[0025] 通过两台变压器的串联以及两个独立的CCC串联结构，CCC输出波形为12脉波，减少了谐波含量和降低无功功率需求，从而降低平波电抗器和交流滤波器的装机容量。

[0026] 优选地，PHC的每个相位都由一个链路CL和一个H型桥组成，其中，链路CL由多个半桥型子模块HBSM的串联连接组成，H桥由四个高压开关模块组成，每个高压开关模块通过IGBT开关的串联连接组成。

[0027] 有益效果：该混合并联换流器PHC拓扑链路中的HBSM不在主路径中，因此降低了所需的导通损耗和电容尺寸；PHC链路的子模块数量较MMC减少一半，降低了整流站的建设成本和运行损耗。

[0028] 为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种CCC‑PHC型混合级联直流换流器，一个CCC和至少一个PHC，PHC之间采用并联方式连接；

[0029] CCC的直流侧正极接口用于连接直流电网，直流侧负极接口与PHC的直流侧上接口连接，交流侧接口用于连接交流电网；

[0030] PHC的直流侧下接口用于接地，交流侧接口用于连接交流电网。

[0031] 为实现上述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种逆变站，包括：如第三方面所述的CCC‑PHC型混合级联直流换流器、平波电抗器和交流滤波器；

[0032] 所述CCC包括：电容子模块SM由两组晶闸管和一个电容器构成桥式结构；多组SM串联在三相桥臂上；SM的正方向与晶闸管的两端电压方向一致；所述SM上晶闸管的触发角被控制实现电容值的改变；SM有3种工作模式：放电模式、旁路模式、充电模式；所述CCC采用定直流电流控制；

[0033] 所述PHC包括：PHC直流链路CL由半桥型子模HBSM相互串联组成；三相CL输出三相全波交流电压；与CL并联的H桥开关模块HVSS以基频进行导通和关断；采用三次谐波注入控制；

[0034] CCC的直流侧正极接口连接平波电抗器的一端，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；

[0035] 平波电抗器的另一端用于连接直流电网的正极；

[0036] PHC的直流侧下接口接地，交流侧接口通过变压器与交流母线连接；多个PHC之间采用并联形式连接；

[0037] PHC，用于在正常工况下，独立控制有功和无功输出，维持交流电压稳定和传输有功功率，并向CCC传输有功功率；在交流电网发生短路故障时，通过增大PHC的无功输出，以满足CCC低交流电压工况下工作所需无功功率；

[0038] CCC，用于在正常工况时，通过调节延迟触发角来控制传输功率；在直流电网发生直流故障时，通过CCC改变输出电压极性，以阻隔故障电流；

[0039] 平波电抗器，用于将CCC输出直流电压纹波限制在预设范围内，抑制直流线路的故障电流上升，减小交流脉动分量并滤除部分谐波；

[0040] 交流滤波器，用于滤除交流谐波，持续给CCC提供传输无功功率补偿。

[0041] 有益效果：平波电抗器能够有效降低直流的谐波含量，改善传输的电能质量；交流滤波器补偿CCC的无功损耗，降低交流母线电压跌落程度。

[0042] 优选地，CCC采用三相六桥臂结构，由两个独立的CCC串联组成，每一个桥臂上包含晶闸管换流阀与电容子模块串联，连接CCC的两台单元变压器的绕组方式采取Y0/Y和Y0/Δ连接方式，其中，Y0/Y和Y0/Δ绕组变压器之间的移相角为30°，一次侧绕组中性点均直接接地，二次侧绕组中性点采用高阻或不接地方式。

[0043] 优选地，PHC的桥臂都由一个链路CL和一个H桥模块组成，其中，链路CL由多组半桥型子模块HBSM的串联连接组成，H桥模块由四个高压开关模块组成，每个高压开关模块通过IGBT开关的串联连接组成。

[0044] 为实现上述目的，按照本发明的第五方面，一种混合直流输电系统，所述混合直流输电系统包括如第二方面所述的整流站，如第三方面所述的逆变站。

[0045] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0046] 本发明通过换流器CCC和换流器PHC两种换流器级联，该拓扑综合了换流器CCC和换流器PHC两种换流器的优点，具备了自清除直流故障工作能力，PHC无需配备高全桥MMC，亦不需要配置直流断路器。同时，该拓扑具有灵活的控制能力，优化换流站的运行方式，弥补电容换相换流器CCC无功功率的不足，进一步降低其发生换相失败的概率。然而，混合并联换流器PHC的直流侧和交流侧呈现强耦合性，同时H桥开关器件中存在反并联二极管，在直流侧故障情况下，并联混合换流器PHC将会失控，强大的故障电流将烧毁换流器。级联型结构使系统能够依靠CCC自身的动作清除直流故障,避免故障扩大。因此本发明提出的拓扑适用于远距离大容量的高压直流输电系统，具有广阔的应用前景。

附图说明

[0047] 图1为本发明提供的采用CCC与PHC混合级联的整流站拓扑图；

[0048] 图2为本发明提供的改进型电容换相换流器CCC拓扑图；

[0049] 图3为本发明提供的电容子模块工作模式；

[0050] 图4为本发明提供的混合并联换流器PHC拓扑的控制结构图；

[0051] 图5为本发明提供的混合并联换流器PHC拓扑图。

具体实施方式

[0052] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0053] 如图1所示，本发明的一种整流站拓扑，该拓扑的换流单元由基于晶闸管技术的电容换相换流器CCC、基于全控型器件的混合并联换流器PHC、平波电抗器以及交流滤波等。其中，电容换相换流器CCC与混合并联换流器PHC级联，其中，混合并联换流器PHC为一个或多个模块化多电平换流器并联组成，混合并联换流器PHC的另外一端接地，电容换相换流器CCC上端与直流输电线路连接。

[0054] 如图2所示，电容换相换流器CCC采用三相六桥臂结构，由两个独立的CCC串联组成，每一个桥臂上包含晶闸管换流阀与电容子模块串联。

[0055] 所述电容子模块包括四个晶闸管和一个电容器构成的桥式结构。其中，四个晶闸管编号分别为T1～T4，左边为T1、T2；右边为T4、T3。

[0056] 电容换相换流器CCC由两个独立的CCC串联组成。两台单元变压器的绕组方式采取Y0/Y和Y0/Δ连接方式。其中，Y0/Y和Y0/Δ绕组变压器的移相角均为30°，一次侧绕组中性点均直接接地，二次侧绕组中性点采用高阻或不接地方式。

[0057] 如图3所示，电容子模块有三种工作模式：

[0058] 预充电模式：在系统正常工作时，电容电压低于额定值时且晶闸管T1和T3导通，T2和T4关断时，电容处于预充电模式；

[0059] 旁路模式：在交流系统正常运行或故障情况下，阀臂处于非换相过程且电容电压在额定值时，T1和T2导通，T3和T4关断(T3和T4导通，T1和T2关断)，电容器处于旁路状态；

[0060] 放电模式：在交流系统故障情况下，控制正在换相导通的阀臂所串联的电容器投入运行，即晶闸管T2和T4导通，T1和T3关断，可以在换相过程提供辅助换相电压，增大换相面积，提高换相成功的概率。

[0061] 所述电容换相CCC抑制换相失败的方式：

[0062] (1)在交流侧电压出现波动但换流器未发生换相失败时，在即将换相的两相的电路串入多个电容模块，给予电压支撑，增加逆变角。

[0063] (2)在换相失败发生后，旁路换相桥臂的电容模块，直至换相失败自动清除，避免连续换相失败。

[0064] 混合并联换流器PHC单元的拓扑结构如图4所示。并联混合换流器PHC的每个相位都由一个链路CL和一个H型桥组成。链路CL由N个半桥型子模块HBSM的串联连接组成，H桥由四个高压开关模块S1～S4(High Voltage Series Switch，HVSS)组成，每个模块通过绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)开关的串联连接组成。

[0065] 每一个半桥型子模块由两个含反并联二极管的开关器件IGBT和一个电容组成。开关器件T1和T2串联，电容分别与开关器件T1的发射极和开关器件T2的集电极相连；开关管T1和T2的控制端均接收外部设备提供的开关信号。

[0066] 所述高压开关模块HVSS通过开关器件的串联连接组成。开关器件均选用IGBT。

[0067] 混合并联换流器PHC有三条独立链路CL，每一个链路用于产生三相交流电压vsy(即vsy＝|vs|，其中，y＝a、b或c)，移相为120°。链路CL通过串联连接。瞬时直流电压vdc和链路CL电压Vi的表达式如下：

[0068] vdc＝va+vb+vc＝|vSa|+|vSb|+|vSc|

[0069] 链路CL产生的整流电压的峰值为vdcz/2，即每个CL产生的最大电压为vdcz/2。由于在一个链路CL中共有N个子模块，因此，每个SM电容器电压的额定值都为vdcz/2N。

[0070] H桥的每个高压开关器件HVSS都包含串联的IGBT，在所需交流电压vSy的正(负)半周期中，S1和S4(S2和S3)接通。

[0071] 链路CL电压的平均值应等于平均直流链路电压Vdc，以保证换流器的稳态运行。换流器输出交流电压正弦波的平均值和并联混合换流器PHC的调制系数MI如下：

[0072] Vdc＝6Vs/π

[0073] MI＝2VS/Vdc＝2π/6≈1.05

[0074] 子模块SM电容器是模块化多电平换流器中最大的器件。子模块SM电容器的大小决定了转换器的成本、投资和占地面积。HBSM电容器大小可确定为：

[0075]

[0076] 其中，ΔEm表示电容器储存的能量差，即最大能量和最小能量之间的差值；NSM表示链路CL中子模块的数量。

[0077] 平波电抗器设计要求：

[0078]

[0079] 其中，Δidc是idc中最大的纹波幅值。

[0080] CCC‑PHC型混合级联直流换流器拓扑用于整流站时，换流器CCC采用定直流电流控制；CCC‑PHC型混合级联直流换流器拓扑用于逆变站时，换流器CCC采用定直流电压控制。

[0081] 如图5所示，基于全控型器件的混合并联换流器PHC，其控制策略为三次谐波注入法：

[0082] 为了实现混合并联换流器PHC的直流侧和交流侧解耦，向链路CL电压vci注入三次谐波，使得在直流侧的平均电压保持恒定。注入三次谐波后，修改后的链路CL电压输出值：

[0083] vym＝VS|sin(ωt‑dπ/3)+λsin(3ωt)|

[0084] 其中，a、b、c相分别为＝0、2或4；λ为3次谐波的幅度与变压器二次侧电压的幅度之比。

[0085] 由于三次谐波分量在变压器中相互抵消，因此输出电压是正弦波：

[0086] Vdc＝6VS(1+λ/3)/π

[0087] 将此修改后的链路CL参考电压与高频载波进行比较，来确定要投入子模块的数量n。

[0088] 为了更好说明该拓扑的优势，以下以两个故障为例说明其作用：

[0089] 1.消除直流故障的控制步骤：

[0090] (1)当所述的级联混合直流换流器作为整流器时，消除直流故障需要将整流器换流单元的晶体管换流器强制实施移相至135°左右，并对混合并联换流器PHC施加闭锁控制，使整流器输出负电压，从而彻底消除直流故障电流。

[0091] (2)当所述的级联混合直流换流器作为逆变器时，由于该拓扑换流单元基于晶闸管技术的换流器CCC换流阀的单向导通性，直流故障电流将被自然被清除。

[0092] 2.逆变侧交流电压发生故障时原LCC易发生换相失败，针对该问题以A相和B相的电容子模块为例，具体说明电容子模块的作用：

[0093] (1)如图3所示，首先需要电容器C充电。在系统正常运行时，A相上桥臂晶闸管换流阀导通，T1、T3导通，电容器充电至额定电压，电位左正右负。等该电容子模块两端电压下降，T1承受负向电压，T1关断。在下一个周期，只给予T4、T3或者T1、T2晶闸管的触发信号，子模块电容C被旁路，之后a相电流流经T1、T2或者T3、T4。

[0094] (2)逆变侧交流电压出现短路故障时，电压下降，无法提供的换相面积，严重时会出现换相失败。在A相到B相换相过程中，A相电压偏低，需要导通T2，T4，电容串入A相桥臂，提高了A相换相电压，增加换相面积，减低换相失败的概率；当换相成功后，电容电压减低至零，保持该触发信号，电容器C又可以反方向充电，充电至额定值后，便旁路电容器，为下一次辅助换相补充电压。

[0095] (3)假设故障依然出现换相失败的情况，旁路掉所有换相桥臂上的电容模块，直到换相失败恢复。

[0096] (4)与此同时，混合并联换流器PHC的定交流电压控制策略，可以维持交流电压的稳定，在一定程度上进一步降低了电容换相换流器的电压。

[0097] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。