CN112332377A - 一种适用于直流电网的故障电流主动转移型mmc拓扑 - Google Patents

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蒋纯冰
赵成勇
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Abstract

本发明涉及一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，属于多端直流、直流电网技术领域；该故障电流主动转移型MMC拓扑包含换流器单元和断路单元，其中换流器单元由改进结构的换流站组成，换流器单元由IGBT、二极管、金属氧化物避雷器组成，改进后的换流器在具备主动转移直流故障电流降低线路开断电气应力要求的同时降低了桥臂电流的过流程度与过流时间，提高子模块器件的可靠性。断路单元由快速机械开关、IGBT、二极管、金属氧化物避雷器、晶闸管组成。该故障电流主动转移型MMC拓扑在***正常运行时，其换流器单元作为换流站运行，与正常工作状态相同；在故障时通过换流器单元和断路单元之间的协同配合控制，实现了故障的隔离。

Description

一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑
技术领域
本发明涉及一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，属于多端直流、直流电网领域。
背景技术
柔性直流电网作为消纳高比例新能源的有效手段，已成为电网建设与发展的重要方向，多端直流输电和直流电网成为未来的发展趋势。但是由于直流线路发生故障时，直流故障电流没有过零点，因此无法像交流输电那样利用过零点熄弧，这给直流断路器的研制带来了较大困难，目前的实现方法如下：通过叠加振荡电流产生电流过零点，从而分断电流，缺点是关断电流有限且有较长的关断延迟；直流线路增加逆变-整流环节，在逆变后的交流侧用交流断路器将电流切断，但是由于要等到电流过零点才能关断，会造成较长的关断延迟，且投资成本和运行成本较高；将大量的电力电子器件串联，同时并联避雷器，在正常工作时电流流过低阻抗支路，从而降低损耗，在关断时先将电流转移至电力电子支路，然后打开隔离开关，再利用电力电子器件进行关断，同时利用避雷器吸收故障电流能量。缺点是关断电流有限，并且关断时要先将电流转移至电力电子支路，而且要等待隔离开关完全打开，因此有较大的关断延迟。部分不依赖于直流断路器的故障清除策略，如半全混合拓扑等，由于器件使用量较多，因此投资成本和运行成本较高，在一定程度上降低了经济性。未来多端直流和直流电网中的直流断路器的研制依然有许多难题需要解决，研究适用于高压大容量场合，且具有良好经济性和快速性的故障清除策略已经成为迫切需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑。
本发明的目的在于克服当前高压直流断路器关断延迟较长，电压等级较低，造价高昂的缺点和降低故障过程中桥臂子模块内器件的过流程度与过流时间，提高子模块器件的可靠性。
本发明所采用的技术方案是：在***正常运行时，换流器单元作为换流站运行，断路单元不影响***的正常运行；在直流线路发生故障时，换流器单元通过触发并联在桥臂电抗之间的全部IGBT，一方面利用MMC桥臂实现了直流故障电流主动转移，使得MMC辅助分断直流故障线路，无需在每条线路上配置成本较高的传统混合式直流断路器，提高了经济性，另一方面，实现了故障期间故障电流的主动转移，大大降低了MMC子模块内器件过流时间及过流程度，降低了对器件的电气应力要求并且延长了器件寿命；LCS将直流故障电流转移至MMC桥臂，有助于创造零电流条件来分离故障线路中的UFD触点，为UFD的打开提供条件；由反向并联的晶闸管组成的RCDS支路作为能量泄放支路，直流线路中储存的能量将通过RCDS、故障线路和故障点形成的回路释放，同时保证了电流转移过程的顺利进行。与现有技术相比，本发明具有的优势为：
1、关断延迟小，由于将机械开关完全打开所需时间较长，至少需要2ms，传统混合式断路器中的电力电子支路并联在机械开关支路上，需要待机械开关完全打开后才能闭锁电力电子支路，随后还有能量吸收回路的吸收能量过程；而该断路单元中的快速机械开关没有并联支路，在故障发生时，换流器执行辅助断路和与电流转移操作后即可分断快速机械开关，快速机械开关完全打开后故障便被成功隔离，降低了关断延迟。
2、经济性好，将当前工程应用的换流站附加一些电路即可改造成换流器单元，正常运行时不影响其作为换流站的功能；每条线路上无需使用造价高昂的混合式直流断路器，大大降低了投资成本。
3、换流器子模块内的器件可靠性提高，故障发生后，换流器将交流电流主动转移至CTM模块，大大降低了换流器子模块内器件过流时间及过流程度，降低了对器件的电气应力要求并且延长了器件寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1示出了一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，包括换流器单元和断路单元。其中换流器单元由改进结构的换流站组成，在换流站每相上下桥臂之间并联电流转移模块CTM，其由IGBT(T3、T4、T5、T6)及二极管组成，同时并联金属氧化物避雷器，并且三相CTM出线相连；断路单元由快速机械开关UFD、负荷转移开关LCS、能量吸收支路RCDS组成；
图2示出了故障电流转移过程中直流故障电流转移路径；
图3示出了故障电流转移过程中交流故障电流转移路径；
图4示出了故障清除操作流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑结构如图1所示，包括换流器单元和断路单元，其中，断路单元由快速机械开关、IGBT、二极管、金属氧化物避雷器、晶闸管组成；图二对换流器拓扑结构进行了进一步展示，在换流站每相上下桥臂之间并联电流转移模块CTM，其由IGBT(T3、T4、T5、T6)及二极管组成，同时并联金属氧化物避雷器，并且三相CTM出线相连。
故障电流转移原理如图3所示，故障时，通过导通子模块中的T2开关管，旁路全部子模块，子模块内电容停止充放电，同时触发电流转移模块(CTM)中的T3～T6开关管，一方面实现了直流故障电流主动转移，使得MMC辅助分断直流故障线路，另一方面实现了交流电流的主动转移，大大降低了MMC子模块内器件过流时间及过流程度；故障清除操作流程图如图4所示：
t0时刻发生直流短路故障，全部换流站经过波传输延迟后，故障电流迅速增大。由于线路电感的存在，距离故障点较近的换流器所占故障电流的比例较大。
t1时刻，随着故障被检测并定位，换流器开始动作，关断T1开关管，导通T2开关管，换流器内的子模块电容被旁路，阻止故障极子模块电容放电。同时触发CTM模块中的IGBT(T3～T6)，CTM模块投入。
t2时刻，LCS达到开断条件，LCS动作为UFD的打开创造零电流条件。由于直流线路平波电抗器中储存的能量将通过RCDS、故障线路和故障点形成的回路释放，由于故障电流经过低阻抗通路转移，因此不会引发LCS电气应力集中的问题。
t3时刻，可以分断与LCS串联的UFD(根据目前的技术条件，UFD的分断时间需要2ms)，随着UFD断口达到最大分断间隙，故障被成功隔离。
t4时刻，可将换流器恢复正常操作，投入子模块并退出CTM模块。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (4)

1.一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，其特征在于：包括换流器单元、断路单元；其中换流器单元包括全控型器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)、二极管、桥臂电感、金属氧化物避雷器、导线等；断路单元包括快速机械开关、IGBT、二极管、金属氧化物避雷器、晶闸管等。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，其特征在于：在换流站每相上下桥臂之间并联电流转移模块CTM，其由IGBT(T3、T4、T5、T6)及二极管组成，同时并联金属氧化物避雷器，并且三相CTM模块出线相连；在正常运行时，换流器单元作为换流站运行，与换流站的功能相同，故障时作为能够实现故障电流主动转移的换流器单元使用。
3.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，其特征在于：断路单元由快速机械开关、IGBT、二极管、金属氧化物避雷器、晶闸管组成，其中快速机械开关(UFD)串联在直流线路上，IGBT及二极管反向串联同时并联金属氧化物避雷器组成的负荷转移开关(LCS)串联在直流线路上，并在直流线路上配置由多个晶闸管反向并联组成的能量吸收支路(RCDS)。
4.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，其特征在于：在直流线路发生短路故障时，换流器单元通过触发子模块内的T2开关管和并联在桥臂电抗之间的全部IGBT(T3～T6)，一方面实现了直流故障电流的主动转移，使得MMC辅助分断直流故障线路，另一方面实现了故障电流的主动转移，大大降低了MMC子模块内器件过流时间及过流程度；LCS将直流故障电流转移至MMC桥臂，有助于创造零电流条件来分离故障线路中的UFD；由反向并联的晶闸管组成的RCDS支路作为能量泄放支路，直流线路中储存的能量将通过RCDS支路、故障线路和故障点形成的回路释放，同时保证了电流转移过程的顺利进行。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Inventor before: Zhao Chengyong

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