CN104578130B - 一种混合直流输电换流器及直流输电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混合直流输电换流器，其有四种拓扑结构，分别是电流源型阀组单元的阳、阴极与电压源型阀组单元的正、负极组合串联连接电路。电流源型阀组单元只包括电流源型阀组；或者包括电流源型阀组与旁通开关；或者包括电流源型阀组与旁通开关及刀闸组件。电压源型阀组单元只包括电压源型阀组；或者包括电压源型阀组及其旁通电路；或者包括电压源型阀组及其旁通电路和刀闸组件。由上述混合直流输电换流器构成的直流输电装置有效解决了基于晶闸管的直流输电***换相失败问题以及基于电压源换流器的直流输电***直流故障问题，具有损耗较低、不需要或需要较少的无功补偿装置、可接入无源交流***并具备功率反送功能。

Description

一种混合直流输电换流器及直流输电装置
技术领域
本发明属于高压直流输电、特高压直流输电领域，具体涉及一种基于晶闸管的电流源型阀组单元和基于可关断的全控型功率半导体的电压源型阀组单元串联连接的直流输电换流器结构。
背景技术
基于晶闸管的电流源型高压直流输电优点为换流器损耗小，发生直流线路故障时可通过移相来重启直流***；缺点是逆变侧换流器工作在有源逆变，不能接入无源***；逆变侧接入弱交流***出现扰动后容易发生换相失败；无功消耗大，电压、电流谐波含量高，需要安装滤波装置提供无功功率和滤波。基于电压源换流器的直流输电优点为可控性高，可接入无源***，不需要无功补偿装置；缺点为换流器开关损耗大，不能控制直流侧故障时的故障电流，在故障发生后只能通过断开交流侧断路器来切除故障。
现有的特高压直流输电技术采用两个由电流源型阀组及其跨接的开关串联组成，换流器损耗小，故障时冗余度高，但仍存在不能接入无源***、无功损耗大和容易发生换相失败等缺点。
现有的基于电压源换流器的高压直流输电可控性高，可接入无源***；缺点为换流器开关损耗大，不能控制直流侧故障时的故障电流。对于直流侧故障，ABB公司采用增加直流线路的断路器来解决直流侧故障；西门子公司采用全桥电路结构来解决；阿尔斯通公司采用全桥电路并且桥臂串联电力电子开关器件的方式来解决。上述换流器结构都存在增加的电路只为了消除直流侧故障，增加了直流***损耗和成本。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种混合直流输电换流器，不需要或需要较少的无功补偿装置，在直流***所接的交流电网有扰动或故障时提供一定的直流电压和交流电压支撑来防止换相失败，在直流故障时防止逆变侧交流***向直流***注入故障电流，并且增加的电路用于转换功率且效率更高。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：1、一种混合直流输电换流器，其特征在于：所述的混合直流输电换流器由电流源型阀组单元和电压源型阀组单元串联组成，有四种串联连接拓扑结构：
(1)电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的负极相连；或者
(2)电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的正极相连；或者
(3)电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的正极相连；或者
(4)电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的负极相连；
电流源型阀组单元只包括电流源型阀组；或者包括电流源型阀组与旁通开关，二者并联连接；或者包括电流源型阀组与旁通开关及刀闸组件，电流源型阀组与旁通开关并联连接，并联后的单元两端分别和连接刀闸的一端相连，连接刀闸的另一端并联旁通刀闸；
电压源型阀组单元只包括电压源型阀组；或者包括电压源型阀组及其旁通电路；或者包括电压源型阀组及其旁通电路和刀闸组件，并且电压源型阀组及其旁通电路两端分别和连接刀闸的一端相连，连接刀闸的另一端并联旁通刀闸。
上述方案中：所述电流源型阀组为六脉动桥式电路或十二脉动桥式电路，其由不可关断的半控型功率半导体组成。
上述方案中：所述不可关断的半控型功率半导体是不可关断的晶闸管。
上述方案中：所述电压源型阀组及其旁通电路为电压源型阀组与旁通开关并联电路；或者旁通开关与电感连接后再与电压源型阀组并联电路；或者电压源型阀组与电感连接后再与旁通开关并联电路。
上述方案中：所述电压源型阀组是以下任一种或多种：两电平换流器、二极管箝位型多电平换流器、模块化多电平换流器MMC、混合多电平换流器HMC、两电平级联型换流器CSL或堆叠式两电平换流器CTL，其由可关断的全控型功率半导体组成。
上述方案中：所述可关断的全控型功率半导体是以下任一种或多种：绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力场效应管Power MOSFET、电子注入增强栅晶体管IEGT、门极换流晶闸管GCT或碳化硅增强型结型场效应晶体管SiC-JFET。
上述方案中：所述阀组的旁通开关是以下任一种或多种：机械式开关、电力电子开关或刀闸。
另外,本发明还提供一种直流输电装置，其特征在于：所述直流输电装置的一个或多个直流极由上述方案所述的混合直流输电换流器构成。
本发明的特点：提出一种混合直流输电换流器，不需要或需要较少的无功补偿装置，在直流***逆变侧所接的交流电网有扰动或故障时提供一定的直流电压和逆变提供一定的交流电压支撑来防止换相失败，在直流故障时防止逆变侧交流***向直流***注入故障电流。同时具有损耗较低、通过跨接的旁通开关能够接入无源交流***和具备功率反送功能。
附图说明
图1是电流源型阀组单元和电压源型阀组单元相连的四种拓扑结构；
图2是电流源型阀组单元的结构图；
其中，(a)为只包括电流源型阀组，(b)为包括电流源型阀组与旁通开关，(c)为包括电流源型阀组与旁通开关及刀闸组件；
图3是电压源型阀组单元的结构图；
其中，(a)为只包括电压源型阀组，(b)为包括电压源型阀组及其旁通电路，(c)为包括电压源型阀组及其旁通电路与刀闸组件；
图4是电压源型阀组及其旁通电路的结构图；
其中，(a)为电压源型阀组与旁通开关并联电路，(b)为旁通开关与电感连接后再与电压源型阀组并联电路，(c)为电压源型阀组与电感连接后再与旁通开关并联电路；
图5是本发明优选的电流源型阀组单元和电压源型阀组单元相连的四种拓扑结构；
图6是由本发明的四种拓扑结构组成的高压直流输电装置。
图7是由传统的电流源型阀组组成的换流器和本发明的两种拓扑结构组成的高压直流输电装置。
具体实施方式
一种混合直流输电换流器，其由电流源型阀组单元和电压源型阀组单元串联组成，有四种串联连接拓扑结构：
(1)电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的负极相连；或者
(2)电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的正极相连；或者
(3)电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的正极相连；或者
(4)电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的负极相连。
电流源型阀组单元只包括电流源型阀组；或者包括电流源型阀组与旁通开关，二者并联连接；或者包括电流源型阀组与旁通开关及刀闸组件，电流源型阀组与旁通开关并联连接，并联后的单元两端分别和连接刀闸的一端相连，连接刀闸的另一端并联旁通刀闸。
电流源型阀组为六脉动桥式电路或十二脉动桥式电路，其由不可关断的半控型功率半导体组成。不可关断的半控型功率半导体是不可关断的晶闸管。
电压源型阀组单元只包括电压源型阀组；或者包括电压源型阀组及其旁通电路；或者包括电压源型阀组及其旁通电路和刀闸组件，并且电压源型阀组及其旁通电路两端分别和连接刀闸的一端相连，连接刀闸的另一端并联旁通刀闸。电压源型阀组及其旁通电路为电压源型阀组与旁通开关并联电路；或者旁通开关与电感连接后再与电压源型阀组并联电路；或者电压源型阀组与电感连接后再与旁通开关并联电路。
电压源型阀组是以下任一种或多种：两电平换流器、二极管箝位型多电平换流器、模块化多电平换流器MMC、混合多电平换流器HMC、两电平级联型换流器CSL或堆叠式两电平换流器CTL，其由可关断的全控型功率半导体组成。可关断的全控型功率半导体是以下任一种或多种：绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力场效应管Power MOSFET、电子注入增强栅晶体管IEGT、门极换流晶闸管GCT或碳化硅增强型结型场效应晶体管SiC-JFET。
当电流源型阀组单元和电压源型阀组单元同时变换电流时，拓扑结构(1)和(3)中电流通过电流源型阀组流向电压源型阀组；拓扑结构(2)和(4)中电流通过电压源型阀组流向电流源型阀组。电流源型阀组通过控制触发延迟角实现阀组两端为正电压或负电压；电压源型阀组正、负极两端只能为正电压。
如果电流源型阀组单元和电压源型阀组单元包括旁通开关，当旁通开关合上时，可将相应的阀组短接。当电流源型阀组所跨接的旁通开关合上时，如果电压源型阀组由双向流通电流的开关器件组成，其所在的换流器能实现双向电流流动；当电压源型阀组所跨接的旁通开关合上时，其所在的换流器只能单向电流流动，从电流源型阀组的阳极流向其阴极。
如果电流源型阀组单元和电压源型阀组单元都不包括旁通开关，上述四种串联连接拓扑结构有一种运行状态：
状态1：电流源型阀组和电压源型阀组串联接入直流***，交换有功功率和无功功率；
如果电流源型阀组单元和电压源型阀组单元都包括旁通开关和刀闸组件，上述四种串联连接拓扑结构有四种运行状态：
状态1：电流源型阀组和电压源型阀组串联接入直流***，交换有功功率和无功功率；
状态2：电流源型阀组接入直流***，交换有功功率和无功功率，电压源型阀组旁通且工作在无功补偿状态；
状态3：电流源型阀组接入直流***，交换有功功率和无功功率，电压源型阀组旁通且闭锁；
状态4：电流源型阀组旁通且闭锁，电压源型阀组接入直流***，交换有功功率和无功功率。
如果电流源型阀组单元不包括旁通开关和刀闸组件，电压源型阀组包括旁通开关和刀闸组件，上述四种串联连接拓扑结构有三种运行状态：
状态1：电流源型阀组和电压源型阀组串联接入直流***，交换有功功率和无功功率；
状态2：电流源型阀组接入直流***，交换有功功率和无功功率，电压源型阀组旁通且工作在无功补偿状态；
状态3：电流源型阀组接入直流***，交换有功功率和无功功率，电压源型阀组旁通且闭锁。
如果电流源型阀组单元包括旁通开关和刀闸组件，电压源型阀组不包括旁通开关和刀闸组件，上述四种串联连接拓扑结构有两种运行状态：
状态1：电流源型阀组和电压源型阀组串联接入直流***，交换有功功率和无功功率；
状态4：电流源型阀组旁通且闭锁，电压源型阀组接入直流***，交换有功功率和无功功率。
当工作在状态1或状态2时，电压源型阀组为电流源型阀组提供无功功率，从而减少无功补偿装置配置；当拓扑结构(3)和(4)应用于逆变侧且工作在状态1时，逆变侧交流电网有扰动或故障时电压源型阀组提供一定的直流电压和逆变提供一定的交流电压支撑来防止电流源型阀组换相失败；当拓扑结构(3)和(4)应用于逆变侧且工作在状态1时，直流故障时逆变侧电流源型阀组只能单向导通电流从而阻断故障电流；当工作在状态4时，逆变侧能够接入无源***；当工作在状态2、状态3或状态4时，能够实现功率反送。
阀组跨接的旁通开关是以下任一种或多种：机械式开关、电力电子开关或刀闸。阀组的旁通开关及刀闸组件由跨接的旁通开关、跨接的旁通刀闸和二者的连接刀闸组成。
上述混合直流输电换流器构成直流输电装置的一个直流极。
借助以下附图对本发明的实施例进行描述，其中，相同的组件使用相同的附图标记。图1为本发明电流源型阀组单元和电压源型阀组单元相连的四种拓扑结构。其中，图1(a)是电流源型阀组单元的阴极X1和电压源型阀组单元的负极X4相连的拓扑结构；图1(b)是电流源型阀组单元的阳极X2和电压源型阀组单元的正极X3相连的拓扑结构；图1(c)是电流源型阀组单元的阴极X1和电压源型阀组单元的正极X3相连的拓扑结构；图1(d)是电流源型阀组单元的阳极X2和电压源型阀组单元的负极X4相连的拓扑结构。
图2是电流源型阀组单元的结构图，有三种结构形式：只包括电流源型阀组1，如图2(a)所示；包括电流源型阀组1与旁通开关3并联连接，如图2(b)所示；包括电流源型阀组1与旁通开关及刀闸组件，电流源型阀组1与旁通开关3并联连接，并联后的单元两端分别和连接刀闸5的一端相连，连接刀闸5的另一端并联旁通刀闸4，如图2(c)所示。
图3是电压源型阀组单元的结构图，有三种结构形式：只包括电压源型阀组2，如图2(a)所示；包括电压源型阀组及其旁通电路，如图2(b)所示；包括电压源型阀组及其旁通电路，并且两端X5、X6分别和连接刀闸5的一端相连，连接刀闸5的另一端并联旁通刀闸4，如图2(c)所示。其中，电压源型阀组及其旁通电路有三种结构形式：电压源型阀组2与旁通开关3并联电路，如图4(a)所示；旁通开关3与电感6连接后再与电压源型阀组2并联电路，如图4(b)所示；电压源型阀组2与电感6连接后再与旁通开关3并联电路，如图4(c)所示。
电流源型阀组1为六脉动或十二脉动三相桥式电路，十二脉动三相桥式电路包括两个互相串联连接的六脉动三相桥式电路。电压源型阀组2是以下任一种或多种：两电平换流器、二极管箝位型多电平换流器、模块化多电平换流器MMC、混合多电平换流器HMC、两电平级联型换流器CSL或堆叠式两电平换流器CTL。
高压直流输电装置由上述的一种或几种拓扑结构组成。整流站选择图1(a)、图1(b)的拓扑结构，逆变站选择图1(c)、图1(d)的拓扑结构。除此之外，本发明的拓扑结构还可与传统的全部由电流源型阀组组成的换流器、全部由电压源型阀组组成的换流器，共同构成高压直流输电装置。
图5为本发明优选的电流源型阀组单元和电压源型阀组单元相连的四种拓扑结构。电流型阀组单元包括电流源型阀组与旁通开关及刀闸组件，电压型阀组单元包括电压源型阀组与旁通开关及刀闸组件。其中，图5(a)是优选的电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的负极相连的拓扑结构；图5(b)是优选的电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的正极相连的拓扑结构；图5(c)是优选的电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的正极相连的拓扑结构；图5(d)是优选的电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的负极相连的拓扑结构。
实施例1：
图6示出了高压直流输电装置全部由图5所示的四种拓扑结构组成的一个实施例，其通过直流线路15将整流站20和逆变站21相连。整流站20由拓扑结构(1)16和(2)17分别组成其负极换流器和正极换流器，逆变站21由拓扑结构(3)18和(4)19分别组成其正极换流器和负极换流器。阀组1为电流源型阀组，其与基于晶闸管的电流源型高压直流输电变压器8次级绕组相连，阀组2为电压源型阀组，其与基于电压源换流器的高压直流输电变压器9次级绕组相连。要指出的是，交流电网是三相的，然而在图6中为清楚起见仅示出一相。高压直流输电变压器的初级绕组借助交流开关11与交流电网10分合，如果采用电压源型阀组2为电流源型阀组1提供无功功率，则交流滤波器少配置或不配置。为了抑制电压源型阀组的桥臂环流和故障下的浪涌电流，设置桥臂电抗器12；为了平滑直流电路的直流电压和抑制直流故障电流，设置平波电抗器13。图6中示出接地极导线7，其用于换流器与接地极的连接。直流线路15和接地极导线7之间配置直流滤波器14。
直流功率从整流站20流向逆变站21时，换流器的两个阀组同时工作，整流站20的电流源型阀组1工作在电流或功率控制模式；整流站20的电压源型阀组2工作在电压控制模式；逆变站21的电流源型阀组1工作在伽马角控制或电压控制模式；电压源型阀组2工作在电压控制模式。电压源型阀组2为电流源型阀组1提供无功功率，电流源型阀组1的功率损耗小于电压源型阀组2。
当逆变站21接入到无源交流***时，上述高压直流输电装置先将两站的电流源型阀组1跨接的旁通开关3或旁通刀闸4合上，启动两站的电压源型阀组2，逆变站21的电压源型阀组2运行后提供交流电压，然后启动两站的电流源型阀组1。当出现直流线路故障时，整流站20的电流源型阀组1通过移相降低电压，具备线路重启功能，电压源型阀组2通过合上阀组内部的保护性电力电子开关器件、跨接的旁通开关3，跳开交流开关11，合上旁通刀闸4，断开保护性电力电子开关器件、跨接的旁通开关3，断开连接刀闸5隔离故障，隔离后合上交流开关11可工作在无功补偿模式；逆变站21的电流源型阀组1不能反向流通电流，从而自然阻断来隔离故障，逆变站21的电压源型阀组2工作在无功补偿模式。当逆变站21有扰动或有交流故障时，逆变站21的电压源型阀组2提供直流电压来抑制故障直流电流的增加并在故障相逆变产生具有一定幅值的交流正弦电压，为电流源型阀组1提供一定的直流电压和交流电压支撑，从而有效防止换相失败。
直流功率从逆变站21流向整流站20时，换流器只能一个阀组工作，如两个站的电压源型阀组2同时工作，电流源型阀组1通过跨接的旁通开关3或旁通刀闸4隔离；或两个站的电流源型阀组1同时工作，电压源型阀组2通过跨接的旁通开关3或旁通刀闸4隔离。其中，两个站的电压源型阀组2同时工作可实现在线的功率反送。
实施例2：
图7示出了高压直流输电装置由传统的电流源型阀组组成的换流器和图5所示的两种拓扑结构组成的一个实施例。高压直流输电装置整流站20由电流源型阀组单元串联的拓扑结构24组成，逆变站21由拓扑结构(3)18和(4)19分别组成其正极换流器和负极换流器。阀组1为电流源型阀组，其与基于晶闸管的电流源型高压直流输电变压器8次级绕组相连，阀组2为电压源型阀组，其与基于电压源换流器的高压直流输电变压器9次级绕组相连。整流站20配置交流滤波器23滤除谐波和提供无功功率，其通过交流开关22与交流电网10分合。为了抑制电压源型阀组的桥臂环流和故障下的浪涌电流，设置桥臂电抗器12；为了平滑直流电路的直流电压和抑制直流故障电流，设置平波电抗器13。图7中示出接地极导线7，其用于换流器与接地极的连接。直流线路15和接地极导线7之间配置直流滤波器14。
直流功率从整流站20流向逆变站21时，换流器的两个阀组同时工作，整流站20的一个电流源型阀组1工作在电流或功率控制模式，另一个电流源型阀组1工作在电压控制模式；逆变站21的电流源型阀组1工作在伽马角控制或电压控制模式；电压源型阀组2工作在电压控制模式。整流站20由交流滤波器23提供无功功率；逆变站21的电压源型阀组2为电流源型阀组1提供无功功率。
当逆变站21接入到无源交流***时，上述高压直流输电装置先将整流站20的一个电流源型阀组1和逆变站21的电流源型阀组1分别跨接的旁通开关3或旁通刀闸4合上，启动逆变站21的电压源型阀组2，启动整流站20的另一个电流源型阀组1。逆变站21的电压源型阀组2运行后提供交流电压，然后启动逆变站21的电流源型阀组1和整流站20的未运行的电流源型阀组1。当出现直流线路故障时，整流站20的两个电流源型阀组1通过移相降低电压，具备线路重启功能；逆变站21的电流源型阀组1不能反向流通电流，从而自然阻断来隔离故障，逆变站21的电压源型阀组2工作在无功补偿模式。当逆变站21有扰动或有交流故障时，逆变站21的电压源型阀组2提供直流电压来抑制故障直流电流的增加并在故障相逆变产生具有一定幅值的交流正弦电压，为电流源型阀组1提供一定的直流电压和交流电压支撑，从而有效防止换相失败。
直流功率从逆变站21流向整流站20时，逆变站21只能电流源型阀组1工作，电压源型阀组2通过跨接的旁通开关3或旁通刀闸4隔离，整流站20的一个电流源型阀组1工作，另一个电流源型阀组1通过跨接的旁通开关3或旁通刀闸4隔离。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种混合直流输电换流器，其特征在于：所述的混合直流输电换流器由电流源型阀组单元和电压源型阀组单元串联组成，有四种串联连接拓扑结构：
(1)电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的负极相连；或者
(2)电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的正极相连；或者
(3)电流源型阀组单元的阴极和电压源型阀组单元的正极相连；或者
(4)电流源型阀组单元的阳极和电压源型阀组单元的负极相连；
电流源型阀组单元包括电流源型阀组与旁通开关，二者并联连接；或者包括电流源型阀组与旁通开关及刀闸组件，电流源型阀组与旁通开关并联连接，并联后的单元两端分别和连接刀闸的一端相连，连接刀闸的另一端并联旁通刀闸；
所述电流源型阀组单元的旁通开关是以下任一种或多种：机械式开关或电力电子开关；
电压源型阀组单元包括电压源型阀组及其旁通电路；或者包括电压源型阀组及其旁通电路和刀闸组件，并且电压源型阀组及其旁通电路两端分别和连接刀闸的一端相连，连接刀闸的另一端并联旁通刀闸；
所述电压源型阀组及其旁通电路为旁通开关与电感连接后再与电压源型阀组并联电路；或者电压源型阀组与电感连接后再与旁通开关并联电路；
所述电压源型阀组单元的旁通开关采用电力电子开关。
2.如权利要求1所述的一种混合直流输电换流器，其特征在于：所述电流源型阀组为六脉动桥式电路或十二脉动桥式电路，其由不可关断的半控型功率半导体组成。
3.如权利要求2所述的一种混合直流输电换流器，其特征在于：所述不可关断的半控型功率半导体是不可关断的晶闸管。
4.如权利要求1所述的一种混合直流输电换流器，其特征在于：所述电压源型阀组是以下任一种或多种：两电平换流器、二极管箝位型多电平换流器、模块化多电平换流器MMC、混合多电平换流器HMC、两电平级联型换流器CSL或堆叠式两电平换流器CTL，上述所有类型换流器的可控开关器件由可关断的全控型功率半导体组成。
5.如权利要求4所述的一种混合直流输电换流器，其特征在于：所述可关断的全控型功率半导体是以下任一种或多种：绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、可关断晶闸管GTO、电力场效应管Power MOSFET、电子注入增强栅晶体管IEGT、门极换流晶闸管GCT或碳化硅增强型结型场效应晶体管SiC-JFET。
6.一种直流输电装置，其特征在于：所述直流输电装置的一个或多个直流极由权利要求1所述的混合直流输电换流器构成。
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