一种适用于直流电网选择性清除故障的双端口嵌套型模块化多电平换流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流电网领域，具体涉及一种适用于直流电网选择性清除故障的双端口嵌套型模块化多电平换流器及其控制方法。

背景技术

近年来，柔性直流输电技术在远距离大容量输电场合发挥其优势，MMC已成为直流电网和多端直流输电的优选拓扑，工程上的典型代表为张北直流电网与昆柳龙三端工程。

张北电网中采用半桥型MMC与直流断路器配合的方案清除直流故障，为了实现选择性清除故障，需在每一个换流站的正负极出线上均装设直流断路器，直流断路器总成本甚至超过半桥型MMC的成本。

昆柳龙三端工程中采用半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)与全桥子模块(full bridge sub module,FBSM)串联构成的半全混合型MMC，能够不依赖直流断路器实现故障自清除，但是不具备选择性。在直流电网中如何低成本的实现直流故障的选择性清除具有重要的工程应用价值。

目前对于能够实现直流电网中多通过改变换流站拓扑实现故障自清除，而对换流站的改造均基于子模层面和桥臂层面，主要研究重点在于具备故障自清除能力的换流站配合不同线路上的机械开关实现故障清除，该类故障清除方案中换流站不具备多端口控制能力，故障清除过程中非故障线路受到影响，对于具有选择性故障自清除能力的换流站研究还存在空白。

发明内容

为了克服上述换流站无法实现选择性清除故障的问题，本发明提供一种双端口嵌套型MMC拓扑及其控制方法，换流器拓扑包括以下几个部分：

常通支路，包括嵌套H

阻断支路，包括嵌套H

电流转移支路，用于在常通支路向阻断支路切换时提供桥臂电感上电流转移的通路，并吸收该过程中的能量；

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种双端口嵌套型MMC，换流站结构包括：

根据权利要求1所述的双端口嵌套型MMC拓扑，其特征在嵌套H

所述嵌套H

所述嵌套H

所述嵌套H

所述嵌套H

所述嵌套H

所述常通支路，可以由UFD和LCS串联构成；所述的LCS为N个IGBT单元串联构成，为使电流双向流通，单个IGBT单元中IGBT与二极管反并联；

所述阻断支路，可以由二极管同向串联组成；

所述半桥型MMC中桥臂电感旁并联电流转移支路，形成公共点h、l；

所述电流转移支路，由IGBT反并联二极管后与避雷器并联，再同向串联二极管组成。

另一方面，双端口嵌套型MMC连接的线路1和线路2正常运行时，本发明提供了一种稳态控制方法，包括：

双端口嵌套型MMC中嵌套H

再一方面，双端口嵌套型MMC所连线路2检测到直流故障后，本发明还提供一种选择性清除故障的方法，包括：

旁路半桥型MMC中全部HBSM，导通电流转移支路中的IGBT，关闭嵌套H

嵌套H

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的双端口嵌套型MMC通过双层H桥嵌套的结构，独立控制换流站的两个端口，在其中一个端口的线路上发生直流故障后，故障线路所连的嵌套H桥桥臂翻转，使换流站整体输出负电压实现无闭锁穿越故障，非故障线路所连的嵌套H桥对外输出正电压；

本发明提供的双端口嵌套型MMC的控制方法分为换流器所连接的线路正常运行、换流器所连端口检测到直流故障后选择性清除故障清除两种情况对双端口嵌套型MMC实现控制，操作简单，可靠性强；

本发明提供的技术方案通过双层嵌套H桥中电力电子器件的控制，切换桥臂，控制半桥型MMC分别对线路1和线路2对外整体输出正电压或负电压。

本发明提供的技术方案实现了选择性清除故障，减小了直流电网中直流故障保护的电力电子器件使用数量，有效降低了现有工程中直流断路器的高成本问题。

附图说明

图1是本发明实施例1中双端口嵌套型MMC拓扑；

图2是本发明实施例2中稳态电流路径示意图；

图3是本发明实施例3中直流故障电流流经常通支路和电流转移支路的示意图；

图4是本发明实施例3中桥臂电感上直流电流换向过程的示意图；

图5是本发明实施例3中直流故障电流衰减过程中的电流通路示意图。

图6是本发明实施例3中故障线路切除后电网稳定在新的运行状态时，换流站内部电流通路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种双端口嵌套型MMC，其结构示意图如图1所示，具体包括嵌套H

其中的常通支路，用于在稳定工况下实现稳态电流的传输，以及故障后的主动关断实现故障电流的转移，其导通时换流站整体对外输出正电压，通态损耗小；

其中的阻断支路，用于在故障发生后实现半桥型MMC对外输出电压的翻转，并将故障电流钳位在0，实现无闭锁故障穿越，切除故障线路。

其中的电流转移支路，用于在嵌套H桥切换时吸收桥臂电感上的能量，实现桥臂电感上电流换向。

实施例2

本发明实施例2提供了一种双端口嵌套型MMC稳态时的控制方法，具体过程如下：

系统正常运行时，双端口嵌套型MMC中嵌套H

实施例3

本发明实施例3提供一种双端口嵌套型MMC所连线路发生故障时的控制方法，适用于该换流站所连的其中一条线路检测到直流故障后进行所连H桥的桥臂切换，具体过程如下：

系统检测到线路2上发生直流故障后，旁路半桥型MMC中所有HBSM，导通电流转移支路中的IGBT，翻转嵌套H

导通电流转移支路中的IGBT，关断嵌套H

此时半桥型MMC通过嵌套H

线路2故障电流衰减至0后，阻断支路上的二极管将直流电流钳位在0，实现选择性清除故障。成功切除线路2后，导通嵌套H

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的具体技术方案而非限制于此，所属领域的技术人员参照上述实例所做的无创造性修改或等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。