CN111953221A - 一种模块化多电平换流器及换流站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器及换流站，所述模块化多电平换流器包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂设置有多个级联的换流器子模块，所述换流器子模块包括第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和第一电容，其中，所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块串联形成开关支路；所述开关支路、缓冲电路和第一电容相互并联；所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块均包括IGCT器件及与其反并联的第一二极管。换流器中设有IGCT器件，实现了将换流器和负荷开关集成于一个换流站中，减小了换流站整体的体积和成本，实现换流站高度集成化，使得换流站可靠性高，且能广泛的应用到柔性直流输电***中。

Description

一种模块化多电平换流器及换流站
技术领域
本发明属于电力输电领域，特别涉及一种模块化多电平换流器及换流站。
背景技术
柔性直流输电已经成为目前最有潜质的新型电力传输方式，并且已经在大容量输电***中得到了应用。模块化多电平换流器是目前最为主流的拓扑结构。现已投运的柔性直流输电工程多是采用基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)的模块化多电平换流器，但是在直流故障清除方面有很大的实现困难，往往在直流短路故障发生时会产生极大的直流短路故障电流，为此需要分断直流短路故障电流，需要极大分断电流能力的直流断路器，此类直流断路器的造价高且体积非常巨大。因此，如图1所示，换流站采用的是基于IGBT的模块化多电平换流器，且将换流器和断路器分别置于两个独立的换流站中。
从而如何提供一种模块化多电平换流器以及能够实现换流站集成换流和开关一体化的功能越来越成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种模块化多电平换流器及换流站，提高换流器的可靠性以及实现了换流站集成换流和开关一体化的功能。
本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器，包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂设置有多个级联的换流器子模块，所述换流器子模块包括第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和第一电容，其中，
所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块串联形成开关支路；
所述开关支路、缓冲电路和第一电容相互并联；
所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块均包括IGCT器件及与其反并联的第一二极管。
进一步地，所述第二全控型开关模块并联在所述换流器子模块的输出端。
进一步地，所述换流器子模块中第一全控型开关模块中的IGCT器件的阴极与第二全控型开关模块中的IGCT器件的阳极连接。
进一步地，所述缓冲电路包括第一电感、第一电阻、第二二极管和第二电容，其中，
所述第一电感的第一端与分别与所述第一电容的第一端和第一电阻的第一端连接，其第二端分别与第一全控型开关模块和第二二极管的正极连接；
第二二极管的负极分别与第一电阻的第二端和第二电容的第一端连接；
第二电容的第二端分别与第二全控型开关模块和第一电容的第二端连接。
本发明的另一目的在于提供一种换流站，包括上述所述的模块化多电平换流器、负荷开关和第一电抗器，其中，
所述模块化多电平换流器与所述负荷开关的一端连接；
所述负荷开关的另一端与所述第一电抗器的一端连接。
进一步地，所述模块化多电平换流器还包括直流侧和交流侧，其中，
所述模块化多电平换流器的直流侧正极通过依次连接负荷开关和第一电抗器后与直流线路连接；
所述模块化多电平换流器的交流侧与交流电网连接。
进一步地，模块化多电平换流器中所有第一全控型开关模块和第二全控型开关模块中的IGCT器件，用于在直流线路发生短路故障时，通过控制第一全控型开关模块中的IGCT器件闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件导通，令交流电网处于三相短路状态以及直流线路的直流端口电势为零，最终令故障电流停止上升。
进一步地，所述第一电抗器为平波电抗器。
进一步地，所述负荷开关为额定负荷开关，用于在直流线路的故障电流达到负荷开关的额定电流值时，进行分闸切断故障电流。
进一步地，所述额定负荷开关为机械式负荷开关、电子式负荷开关或混合式负荷开关。
本发明中的所述模块化多电平换流器中的第一全控型开关模块和第二全控型开关模块均采用了IGCT器件，相比于IGBT，由于IGCT具有非常高的浪涌电流承受能力、通态电流能力、正向阻断电压能力以及可靠性，并且还具有非常低的通态压降，从而使得模块化多电平换流器具有电流大、阻断电压高、可靠性高、结构紧凑以及低导通损耗等优点。
进一步，换流站能够将模块化多电平换流器和负荷开关集成于一个站中，大幅减小了换流站整体的体积和成本，实现了高度集成化和很高的经济性，可以在未来的柔性直流输电***中得到广泛的应用。
此外，由于通过控制第一全控型开关模块中的IGCT器件闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件导通，能够有效地令故障电流停止上升，从而负荷开关仅需要分断额定电流大小的直流电流，从而也大幅减小了负荷开关所需的体积、用量和成本。且换流站中只需要平波电抗器，平波电抗器电感值小，不需要考虑限流功能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有技术中的一种换流站和断路器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的一种模块化多电平换流器的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中的一种换流站的结构示意图；
图4示出了本发明实施例中的换流站中UMMC、UDC和iDC在控制过程中的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明实施例中介绍了一种模块化多电平换流器，包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂设置有多个级联换流器子模块，其中，每相桥臂的上桥臂中的换流器子模块分别为n个，在图2中分别为：SMap1、SMap2……SMapn，SMbp1、SMbp2……SMbpn，SMcp1、SMcp2……SMcpn。每相桥臂的下桥臂中的换流器子模块分别为n个，在图2中分别为：SMan1、SMan2……SMann，SMbn1、SMbn2……SMbpnn，SMcn1、SMcn2……SMcnn。进一步，所述换流器子模块包括第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和第一电容。所述第一全控型开关模块包括IGCT(integrated GateCommutated Thyristors：集成门极换流晶闸管)器件Sxi1及与其反并联的第一二极管Dxi1；所述第二全控型开关模块包括IGCT器件Sxi2及与其反并联的第一二极管Dxi2；且所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块串联形成开关支路；所述开关支路、缓冲电路和第一电容Cxi相互并联。进一步，所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块串联时，所述IGCT器件Sxi1与IGCT器件Sxi2方向相同，即所述IGCT器件Sxi1的阴极与所述IGCT器件Sxi2的阳极连接。所述模块化多电平换流器中的第一全控型开关模块和第二全控型开关模块均采用了IGCT器件，相比于IGBT，由于IGCT具有非常高的浪涌电流承受能力、通态电流能力、正向阻断电压能力以及可靠性，并且还具有非常低的通态压降，从而使得模块化多电平换流器具有电流大、阻断电压高、可靠性高、结构紧凑以及低导通损耗等优点。
本实施例中，每个与IGCT器件反并联的第一二极管能够有效对故障电流进行反向截止，从而保护所述IGCT器件。
进一步具体的，如图2所示，所述第二全控型开关模块并联在所述换流器子模块的输出端，上桥臂和下桥臂上的多个换流器子模块均通过各自的输出端实现连接。进一步，所述缓冲电路包括第一电感Lxis、第一电阻Rxis、第二二极管Dxis和第二电容Cxis，其中，所述第一电感Lxis的第一端与分别与所述第一电容Cxi的第一端和第一电阻Rxis的第一端连接，其第二端分别与第一全控型开关模块和第二二极管Dxis的正极连接；第二二极管的负极分别与第一电阻Rxis的第二端和第二电容Cxis的第一端连接；第二电容Cxis的第二端分别与第二全控型开关模块和第一电容Cxi的第二端连接。第一电容Cxi的第一端为正极，第二端为负极，且电压采用Vc表示。采用缓冲电路，在模块化多电平换流器正常工作时，能够有效地抑制第一全控型开关模块和/或第二全控型开关模块上电流或者电压的上升率。而模块化多电平换流器工作在直流线路短路故障状态下时，由于采取了第一全控型开关模块中的IGCT器件闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件导通的方法，所述缓冲电路在故障处理时处于旁路状态。
本实施例中，所述每相桥臂的上桥臂和下桥臂上还设置有第二电抗器(图2-3中未示出)，且与相应桥臂上级联的多个换流器子模块串联。
如图3所示，本发明实施例中还介绍了一种换流站，所述换流站包括上述所述的模块化多电平换流器以及负荷开关和第一电抗器，其中，所述模块化多电平换流器包括直流侧和交流侧；所述模块化多电平换流器直流侧的正极与所述负荷开关的一端连接，所述负荷开关的另一端与所述第一电抗器的一端连接，所述第一电抗器的另一端与直流线路连接。进一步，所述模块化多电平换流器的负极与所述第一电抗器的另一端形成所述换流站的直流端口，即为换流站的直流端口，通过该直流端口，实现所述换流站与直流线路连接。所述模块化多电平换流器的交流侧形成换流站的交流端口与交流电网连接。本发明实施例中的将换流器和负荷开关集成于一个换流站中，大幅减小了换流站整体的体积和成本，实现了高度集成化和很高的经济性，可以在未来的柔性直流输电***中得到广泛的应用。此外，将上述所述的模块化多电平换流器应用到换流站中，从而使得基于IGCT的换流站在面对直流短路故障时，能够实现直流故障自清除的功能，且能够很好地限制直流短路故障电流的上升。
图3中，所述负荷开关为额定负荷开关。用于在直流线路的故障电流达到负荷开关的额定电流值时，进行分闸切断故障电流。由于通过控制第一全控型开关模块中的IGCT器件闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件导通，能够有效地令故障电流停止上升。负荷开关仅需要分断额定电流大小的直流电流即可，从而也大幅减小了负荷开关所需的体积、用量和成本。进一步，所述额定负荷开关为机械式负荷开关、电子式负荷开关或混合式负荷开关。所述第一电抗器为平波电抗器。由于上述所述的模块化多电平换流器能够直接限制直流线路短路故障时故障电流的上升，因此，本发明实施例中的换流器不需要配备大电感值的电抗器用于限流，仅将电抗器用于平波。从而本发明实施例中的第一电抗器的电感值小，无需考虑限流功能。但对于基于IGBT-MMC(Modular Multilevel Converter：模块化多电平变流器)，由于其无法限制故障时故障电流的快速上升，为此需要配备大电感值的电抗器，用于限流，同时还利用电抗器来平波。
本发明实施例中还介绍了一种上述所述换流站的控制方法，所述控制方法的控制过程具体包括以下步骤：
1)t0时刻：假定在t0时刻发生直流线路短路故障，直流线路短路故障导致的故障电流开始快速上升。
2)t1时刻：检测到短路故障发生且换流器子模块保护动作时刻。当检测到直流线路短路故障后，模块化多电平变流器中所有换流器子模块中的第一全控型开关模块的IGCT器件Sxi1闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件Sxi2导通。具体的，t0～t1时间段的长度为直流线路发生短路故障后的延时时间，其中，t0～t1时间段的长度为0.3ms(毫秒)。
当直流线路发生短路故障后，换流站中模块化多电平变流器的所有换流器子模块中的第一全控型开关模块的IGCT器件Sxi1闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件Sxi2导通，从而使得模块化多电平换流器交流侧连接的交流电网处于三相短路状态，具体的，相当于通过模块化多电平换流器所有桥臂上的第二电抗器三相短路，换流站直流端口电势相当于零，同时，所述模块化多电平变流器直流侧的电势也为零，且此时故障电流停止上升。
3)t2时刻：负荷开关切断故障电流时刻，此时通过负荷开关的直流线路短路故障的故障电流达到最大值。t1～t2时间段的长度为负荷开关接收到动作命令并分开开关的时间，t1～t2时间段的长度约为3ms。负荷开关切断之后，隔绝了直流线路和模块化多电平换流器，所述故障电流开始衰减，且自此，直流线路开始去游离。进一步，所述故障电流的最大值为负荷开关额定电流值。
4)t3时刻：模块化多电平换流器中所有换流器子模块中的第二全控型开关模块的IGCT器件Sxi2的闭锁时刻。在负荷开关分断完故障电流之后，已不需要再通过IGCT器件主动短路来钳制模块化多电平换流器直流侧端口的电压。因此，IGCT器件可以在所处的每相桥臂的电流过零点或者小电流时控制关断，结束交流电网的三相短路状态，t2～t3时间段的长度为控制模块化多电平换流器闭锁的时间，t2～t3时间段的长度小于10ms。本发明实施例中，所述小电流为每相桥臂上的电流不大于IGCT器件重复可关断电流的预设值，所述IGCT器件重复可关断电流的预设值为IGCT的重复可关断电流最大能力，市场占有率最高的四英寸IGCT器件的重复可关断电流最大能力可以为4.5kA(千安培)，但不限于4.5kA，5kA、6kA等都适用于本发明。
5)t4时刻：模块化多电平换流器解除闭锁的时刻，此时重新打开所有换流器子模块中的IGCT器件，即令所有IGCT器件Sxi1和IGCT器件Sxi2导通。模块化多电平换流器由闭锁状态慢慢恢复电压到正常运行状态。恢复所述电压的过程往往需要一到两个周波，共约40ms的时间。但只需保证在负荷开关重合闸之前已经完成恢复起电压即可。所述电压为模块化多电平换流器正常运行时的额定直流电压。
6)t5时刻：控制负荷开关重合闸的时刻。此时模块化多电平换流器已经解锁，且恢复到正常运行时的电压。t2～t5时间段的长度为直流线路去游离的时间，从而，t2～t5时间段的长度约为300ms。
7)t6时刻：负荷开关完成重合的时刻，模块化多电平换流器恢复向直流侧传输功率。t5～t6时间段的长度为负荷开关重合闸的时间，对于机械式负荷开关，t5～t6时间段的长度约为15～20ms。
通过上述控制过程，模块化多电平换流器的电压UMMC以及直流线路直流端口的电压UDC和电流iDC的变化如图4所示。且控制过程中，涉及的每个时间段的长度时间长度均有效地说明对本发明实施例中的换流站能够快速的对直流线路短路故障进行处理和恢复，且可靠性更高。
将设置有IGCT器件的模块化多电平换流器和负荷开关共同布置于一个换流站内，使得结构更紧凑，使得换流站同时具备换流和开关的功能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器，包括三相桥臂，每相桥臂包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂设置有多个级联的换流器子模块，其特征在于，所述换流器子模块包括第一全控型开关模块、第二全控型开关模块、缓冲电路和第一电容，其中，
所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块串联形成开关支路；
所述开关支路、缓冲电路和第一电容相互并联；
所述第一全控型开关模块和第二全控型开关模块均包括IGCT器件及与其反并联的第一二极管。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第二全控型开关模块并联在所述换流器子模块的输出端。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流器子模块中第一全控型开关模块中的IGCT器件的阴极与第二全控型开关模块中的IGCT器件的阳极连接。
4.根据权利要求1-3任一所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述缓冲电路包括第一电感、第一电阻、第二二极管和第二电容，其中，
所述第一电感的第一端与分别与所述第一电容的第一端和第一电阻的第一端连接，其第二端分别与第一全控型开关模块和第二二极管的正极连接；
第二二极管的负极分别与第一电阻的第二端和第二电容的第一端连接；
第二电容的第二端分别与第二全控型开关模块和第一电容的第二端连接。
5.一种换流站，其特征在于，包括权利要求1所述的模块化多电平换流器、负荷开关和第一电抗器，其中，
所述模块化多电平换流器与所述负荷开关的一端连接；
所述负荷开关的另一端与所述第一电抗器的一端连接。
6.根据权利要求5所述的换流站，其特征在于，所述模块化多电平换流器还包括直流侧和交流侧，其中，
所述模块化多电平换流器的直流侧正极通过依次连接负荷开关和第一电抗器后与直流线路连接；
所述模块化多电平换流器的交流侧与交流电网连接。
7.根据权利要求6所述的换流站，其特征在于，模块化多电平换流器中所有第一全控型开关模块和第二全控型开关模块中的IGCT器件，用于在直流线路发生短路故障时，通过控制第一全控型开关模块中的IGCT器件闭锁，第二全控型开关模块的IGCT器件导通，令交流电网处于三相短路状态以及直流线路的直流端口电势为零，最终令故障电流停止上升。
8.根据权利要求7所述的换流站，其特征在于，所述第一电抗器为平波电抗器。
9.根据权利要求8所述的换流站，其特征在于，所述负荷开关为额定负荷开关，用于在直流线路的故障电流达到负荷开关的额定电流值时，进行分闸切断故障电流。
10.根据权利要求9所述的换流站，其特征在于，所述额定负荷开关为机械式负荷开关、电子式负荷开关或混合式负荷开关。
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