CN105071425B - 一种基于lcc和mmc的混合直流输电*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于LCC和MMC的混合直流输电***，包括一个由MMC子模块构成的MMC换流器和由至少一个LCC构成的LCC换流器***，MMC换流器的直流端对应连接LCC换流器***；MMC换流器中的每个桥臂上均包括至少两种MMC子模块。该***不仅结构简单可靠，而且还能够结合LCC和MMC的各自优点并克服各自的缺点，利用MMC的有功无功独立调节能力来调节交流电压，从而增加LCC的最大传输有功功率能力并减小其换相失败的可能；而且MMC中可以根据实际需要接入至少两种类型的子模块，控制更加灵活多变，在直流侧发生故障时可以控制其直流端输出相应的电压，从而克服普通MMC无法有效处理直流故障的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于LCC和MMC的混合直流输电***，属于高压直流输电技术领域。
背景技术
随着电力科学技术的发展，传统直流输电***(又称电网换相换流器高压直流输电***，Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)以其远距离大容量输电、有功功率快速可控等特点在世界范围内得到了快速发展。但LCC-HVDC由于采用无自关断能力的普通晶闸管作为换流元件，需要借助一定强度的交流***实现换相，这使其存在着逆变站有换相失败风险、无法对弱交流***供电、不能作为电网大停电的恢复电源，且运行中需要消耗大量无功功率等缺陷，一定程度上制约了它的发展。
近年来以全控型电力电子器件为基础的电压源型换流器高压直流输电(VoltageSource Converter Based High Voltage Direct Current，VSC-HVDC)因其可独立控制有功无功功率、不存在换相失败、可为无源孤岛供电等诸多优点得到学术界与工业界的青睐。而基于模块化多电平换流器的MMC-HVDC具有扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低、无需交流滤波装置等诸多优点，已成为柔性直流输电***的主流趋势。但是MMC-HVDC***造价昂贵、无法有效地处理直流短路故障等缺点，使其在长距离大容量输电场合的运行受到制约。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于LCC和MMC的混合直流输电***，用以解决现有的LCC直流输电***和MMC直流输电***均存在着缺陷的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于LCC和MMC的混合直流输电***，包括一个由MMC子模块构成的MMC换流器和由至少一个LCC构成的LCC换流器***，所述MMC换流器的直流端通过直流输电线路对应连接所述LCC换流器***的直流端；所述MMC换流器中的每个桥臂上均包括至少两种所述MMC子模块。
所述MMC换流器中的每个桥臂上均包括两种所述MMC子模块，分别为全桥子模块和半桥子模块，每个桥臂中的全桥子模块和半桥子模块的比例大于或者等于1：1。
所述MMC子模块中，至少有一种子模块为混合双子模块，所述混合双子模块包括4个功率模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，所述T1的阳极连接所述T4的阳极，所述T2的阴极连接T3的阴极，所述T1的阴极连接所述T2的阳极，所述T4的阴极通过所述电容C2连接所述T3的阳极，所述T1和T4的连接点与所述T2和T3的连接点之间连接所述电容C1，所述T1和T2的连接点为所述混合双子模块的一个端口，所述C2和T4的连接点为所述混合双子模块的另一个端口。
所述功率模块为IGBT模块，所述功率模块的阳极为IGBT模块的集电极，所述功率模块的阴极为IGBT模块的发射极。
每个所述功率模块均反向并联一个二极管。
所述LCC换流器***的交流端与地之间串接有交流无功补偿装置组，所述交流无功补偿装置组与一个交流滤波器组并联。
所述LCC换流器***的直流母线上串设有直流平波电抗器。
所述LCC换流器***的直流母线之间连接有一个直流滤波器。
本发明提供的混合直流输电***中，在直流输电线路的两端分别连接MMC换流器和LCC换流器***，其不仅结构简单可靠，而且还能够结合LCC和MMC的各自优点并克服各自的缺点，利用MMC的有功无功独立调节能力来调节交流电压，从而增加LCC的最大传输有功功率能力并减小其换相失败的可能；而且MMC中可以根据实际需要接入至少两种类型的子模块，控制更加灵活多变，在直流侧发生故障时可以控制其直流端输出相应的电压，从而克服普通MMC无法有效处理直流故障的缺点。
附图说明
图1是基于LCC和MMC的混合直流输电***的***结构图；
图2是混合双子模块的结构示意图；
图3-1是混合子模块正常工作模式下的第一种工作状态示意图；
图3-2是混合子模块正常工作模式下的第二种工作状态示意图；
图3-3是混合子模块正常工作模式下的第三种工作状态示意图；
图3-4是混合子模块正常工作模式下的第四种工作状态示意图；
图4-1是混合子模块闭锁模式下的其中一种工作状态示意图；
图4-2是混合子模块闭锁模式下的另一种工作状态示意图；
图5是模块混合型模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图；
图6是半桥子模块的拓扑结构示意图；
图7是全桥子模块的拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，该混合直流输电***包括送端换流站和受端换流站，送端换流站主要由电网换相换流器LCC换流装置构成，受端换流站主要由一个模块化多电平换流器MMC构成，其中，LCC换流装置的交流侧接入送端交流***，MMC的交流侧接入受端交流***，LCC换流装置与MMC分别连接在直流输电线路的两端。
LCC换流装置的交流侧通过换流变压器连接送端交流电网，送端交流电网与地之间串接有交流无功补偿装置组，交流无功补偿装置组与交流滤波器组ACF并联，用于滤除换流装置运行所产生的谐波电流并提供所需无功功率。LCC换流装置的直流母线之间连接有一个直流滤波器DCF，并且直流母线上串设有直流平波电抗器。直流平波电抗器和滤波器DCF连接在LCC换流装置的直流侧，用于平抑直流电中的纹波。
LCC换流装置是由半控型的晶闸管为基础构成的三相桥式电路，可以是6个桥臂构成的6脉冲换流器，即是由一个电网换相换流器LCC构成；还可以是由两个6脉冲换流器组成的12脉冲换流器，即是由两个电网换相换流器LCC构成；当然，还可以由更多的电网换相换流器LCC构成。通过该LCC换流装置的控制，可以将送端电网的交流电转换为直流电，并经直流输电线路传给受端换流站。通过MMC的控制，可以将直流输电线路上的直流电转换为受端交流***的交流电，从而实现送受端***能量传输。
MMC是由三相六个桥臂组成，每个桥臂上均包括两种子模块，其中一种子模块为混合双子模块，另外一种子模块为全桥子模块、半桥子模块或者钳位双子模块。
如图2所示，该混合双子模块包括4个IGBT模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，T1的集电极连接T4的集电极，T2的发射极连接T3的发射极，T1的发射极连接T2的集电极，T4的发射极通过电容C2连接T3的集电极，T1和T4的连接点与T2和T3的连接点之间连接电容C1，T1和T2的连接点为该混合双子模块的一个端口，C2和T4的连接点为该混合双子模块的另一个端口。混合双子模块内所有的IGBT(T1、T2、T3、T4)均反并联了续流二极管，T1、T2、T3、T4的基极分别接受外部设备提供的控制信号。
该混合双子模块有两种工作模式，正常运行模式和闭锁模式。在正常运行模式下，T1和T2之间最多只能有一个IGBT导通，为了防止电容C1短路，T1和T2均不能同时导通；T3和T4之间最多只能有一个IGBT导通。
混合双子模块在正常工作模式下，有4种工作状态，正常运行模式下的4种运行状态如图3-1至3-4所示，(1)为当T1、T3导通时的电流流向，(2)为当T1、T4导通时的电流流向，(3)为当T2、T3导通时的电流流向，(4)为当T2、T4导通时的电流流向。如表1所示，当T1、T3导通时，端口输出电压为两个电容电压和；当T1、T4导通时，端口输出电压为零；当T2、T3导通时，端口输出电压为电容C2电压；当T2、T4导通时，端口输出电压为电容C1的反向电压，即为输出负电压。电流方向不影响端口输出电压。表1中，Usm表示子模块端口输出电压。
表1
由混合双子模块的正常工作模式可知，该子模块能够输出4种电压，分别为两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压。说明该子模块能够代替2个半桥子模块输出2倍电容电压的同时，具备全桥子模块的负电压特性，能提高直流电压利用率，提升***容量。
混合双子模块在闭锁模式下，有2种工作状态，闭锁模式下的2种运行状态如图4-1和4-2所示。在闭锁状态下，所有IGBT均处于关断状态。当流过正向电流(电流方向由A至B)时，端口输出电压为两个电容电压和；当流过负向电流时，端口输出电压为电容C1的负向电压，即与电流反向的电压。
该混合双子模块能够输出4种电压，分别为两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压。由于一个该混合双子模块能够输出两倍的电容电压，所以一个混合双子模块相当于两个半桥子模块，其能够同时替代两个半桥子模块。而且，由于该混合双子模块能够输出负向的电压，其具备全桥子模块的负电压特性，所以该混合双子模块能够提高直流电压利用率，提升***的容量。而且，混合双子模块内部的两个电容器，可以根据需要合理配置这两个电容电压为不同值。该方式下，能够有效扩展MMC的应用范围，例如合理配置子模块中的两个电容电压以实现该MMC提高调制度的同时具备STATCOM运行故障穿越能力。
另外，该混合直流输电***工作时，受端换流站可进行有功、无功解耦控制，并能够连接弱交流***，或向无源网络供电，提高***技术性。当直流线路出现短路故障时，LCC换流装置可以通过调整触发角来克服直流故障。由于MMC中的桥臂由混合双子模块与其他一种或者几种现有子模块级联构成，那么，该混合式MMC换流器按照实际情况进行拓展时具有广泛的应用，如提高调制度的同时具备STATCOM运行故障穿越能力、节约***硬件成本等。
实施例2
本实施例中，MMC中的每个桥臂中包括的两种子模块为全桥子模块和半桥子模块，如图5所示。全桥子模块和半桥子模块以全控型电力电子器件构成，比如IGBT，其拓扑结构如图6和7所示。
其中，每个桥臂中的全桥子模块和半桥子模块的比例大于或者等于一比一，MMC由于使用了全桥子模块和半桥子模块混合，当直流线路出现短路故障时，LCC换流装置可以通过调整触发角来克服直流故障，而MMC可以通过闭锁子模块来阻断短路电流，或控制其直流端输出零电压，从而有效的穿越直流短路故障，提高***在直流短路故障时的投运率，另一方面也降低或避免了造价高昂的直流电缆的使用，适用于架空线传输方式，从而提高了***经济性。
上述两个实施例中，功率模块为IGBT，其并不局限于IGBT，还可以是其他类型的全控型器件，每个器件反向并联一个二极管。
上述两个实施例中，送电端为LCC，受电端为MMC，作为其他的实施例，送电端还可以是MMC，受电端为LCC。
上述两个实施例中，MMC换流器中的每个桥臂上均包括两种MMC子模块，作为其他的实施例，其并不局限于两种子模块，桥臂上还可以包括更多类型的子模块。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于LCC和MMC的混合直流输电***，其特征在于，包括一个由MMC子模块构成的MMC换流器和由至少一个LCC构成的LCC换流器***，所述MMC换流器的直流端通过直流输电线路对应连接所述LCC换流器***的直流端；所述MMC换流器中的每个桥臂上均包括至少两种所述MMC子模块；所述MMC子模块中，至少有一种子模块为混合双子模块，所述混合双子模块包括4个功率模块：T1、T2、T3、T4和2个电容：C1、C2，所述T1的阳极连接所述T4的阳极，所述T2的阴极连接T3的阴极，所述T1的阴极连接所述T2的阳极，所述T4的阴极通过所述电容C2连接所述T3的阳极，所述T1和T4的连接点与所述T2和T3的连接点之间连接所述电容C1，所述T1和T2的连接点为所述混合双子模块的一个端口，所述C2和T4的连接点为所述混合双子模块的另一个端口。
2.根据权利要求1所述的基于LCC和MMC的混合直流输电***，其特征在于，所述功率模块为IGBT模块，所述功率模块的阳极为IGBT模块的集电极，所述功率模块的阴极为IGBT模块的发射极。
3.根据权利要求2所述的基于LCC和MMC的混合直流输电***，其特征在于，每个所述功率模块均反向并联一个二极管。
4.根据权利要求1所述的基于LCC和MMC的混合直流输电***，其特征在于，所述LCC换流器***的交流端与地之间串接有交流无功补偿装置组，所述交流无功补偿装置组与一个交流滤波器组并联。
5.根据权利要求1所述的基于LCC和MMC的混合直流输电***，其特征在于，所述LCC换流器***的直流母线上串设有直流平波电抗器。
6.根据权利要求1所述的基于LCC和MMC的混合直流输电***，其特征在于，所述LCC换流器***的直流母线之间连接有一个直流滤波器。
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