一种混合型柔性直流输电换流器

技术领域

本发明属于新型柔性直流输电技术领域，具体涉及一种混合型柔性直流输电换流器。

背景技术

大规模清洁能源的送出与消纳是世界性难题，多端直流输电技术是解决大规模清洁能源送出与消纳难题的有力抓手，其中基于模块化多电平换流器的柔性高压直流输电技术(Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)因易于拓展的模块化结构与较低的运行损耗等独特优势在直流电网中得到了快速发展。

针对陆上大规模新能源远距离接入的场景，一般多采用架空线送出方式，架空线受地形地貌、气候等地理因素影响大，因此直流线路发生雷击短路的故障频发，这会严重影响输电系统的运行可靠性。

为应对上述问题，在多端柔性直流输电系统直流故障清除方面做了大量研究，并形成部分技术方案。目前主要有“直流转换开关+桥臂阻尼”清除、“直流断路器+半桥换流器”清除和采用“全桥+半桥换流器”自清除三种方案。其中采用直流断路器的清除方案整体造价昂贵；换流器自清除方案虽不需要昂贵的直流断路器，但是换流阀成本较高，运行损耗较大，对控制器的要求高；采用桥臂阻尼和直流谐振开关方式的故障清除和恢复的时间较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混合型柔性直流输电换流器，用于解决基于半桥子模块构成的MMC换流器的方案利用换流器无法自清除直流故障，需要配置直流断路器来清除直流故障，导致方案成本高昂，以及采用桥臂阻尼和直流谐振开关方式的方案需要MMC交流侧交流断路器的动作配合，存在恢复时间长的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种混合型柔性直流输电换流器，包括并联连接的六个桥臂，每个桥臂包括半桥子模块HBSM和具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块SDSM，半桥子模块HBSM的一端和改进型串联双子模块SDSM的一端串联连接，半桥子模块HBSM的另一端连接交流侧，改进型串联双子模块SDSM的另一端连接直流侧，半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM能够对电容电压进行排序并生成调制信号，用于在直流侧发生短路故障时清除直流故障电流。

具体的，半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配置方式包括不完全阻断型和完全阻断型。

进一步的，不完全阻断型具体为：

根据阻断阀侧交流馈入的短路电流计算换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比。

更进一步的，换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比具体为：

换流器闭锁后，半桥子模块HBSM被旁路，改进型串联双子模块SDSM提供阻断阀侧交流馈入短路电流的通路的反向钳位电压，闭锁后一相上下桥臂改进型串联双子模块SDSM投入的反向电压之和大于阀侧交流线电压的幅值时为不完全阻断型，根据单位子模块电容电压计算对应一相上下桥臂包含改进型串联双子模块SDSM的个数，基于每相半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的个数，得到半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的比例。

具体的，完全阻断型具体为：

在直流线路侧布置机械开关，构成全、半混合柔性直流输电系统换流阀，根据机械开关的动作时间和开断能力配置阻尼常数，以及半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比。

进一步的，换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比具体为：

根据换流阀闭锁后直流线路上机械开关的动作时间以及机械开关能分断的电流，基于改进型串联双子模块SDSM提供的反向钳位电压和阻尼电阻以及桥臂电感、直流电抗器以及故障直流线路到故障点的阻抗构成RCL回路，计算选定阻尼电阻值情况下，机械开关最快动作时间内直流电流能衰减到机械开关的分断能力范围，此时对应的一相上下桥臂提供的反向电压大小，得到每相改进型串联双子模块SDSM的个数，此时换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的比例为完全阻断型的配置方式。

具体的，半桥子模块HBSM包括带阻尼二极管D7的三极管T7，三极管T7的发射极分两路，一路连接对应的改进型串联双子模块SDSM，另一路与带阻尼二极管D8的三极管T8的集电极连接，三极管T8的发射极分两路，一路经电容C与三极管T7的集电极连接，另一路经对应的电感Lm与交流侧连接。

具体的，具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块SDSM包括第一半桥子模块和第二半桥子模块，第一半桥子模块的一端经串联支路与第二半桥子模块的一端连接，第二半桥子模块的另一端经串联钳位阻尼支路与第一半桥子模块的另一端连接；在直流故障闭锁状态时，利用串联钳位阻尼支路耗散桥臂故障电流交、直流分量。

进一步的，第一半桥子模块包括串联连接的带阻尼二极管D1的三极管T1和带阻尼二极管D2的三极管T2；第二半桥子模块包括串联连接的带阻尼二极管D3的三极管T3和带阻尼二极管D4的三极管T4，三极管T1的发射极分两路，一路经电感Ld连接直流侧，另一路经三极管T2的发射极分两路，一路与带阻尼二极管D5的三极管T5的发射极连接，另一路经电容C1后分两路，一路连接三极管T1的集电极，另一路经二极管D6与电阻R1的一端连接；三极管T5的集电极分两路，一路连接电容C2的正极，另一路经三极管T3的发射极后分两路，一路连接半桥子模块HBSM，另一路经三极管T4的发射极后分两路，一路连接电容C2的负极，另一路与电阻R1的另一端连接。

具体的，直流侧短路故障时，改进型串联双子模块SDSM进入闭锁模式，改进型串联双子模块SDSM的阻尼电阻与电容电压形成RCL回路。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种混合型柔性直流输电换流器，各个桥臂的拓扑结构为半桥子模块与具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块的串联结构，在正常运行时相当于两个半桥子模块串联运行，在故障模式下，相当于具备阻尼能力的全桥/半桥混合换流阀；混合型柔性直流输电换流器比与全半混合的柔性直流输电换流器所需子模块数量更少，所需器件数量更少，具有更好的经济性；在阻断交流侧向故障点馈入电流的路径同时，利用自身结构快速耗散故障电流，节省了直流线路上直流断路器的成本，提高了建设柔性直流输电系统的经济性，在保证快速清除直流故障的同时降低了建设具备直流故障清除能力的换流阀的成本，为柔性直流输电系统未来更大面积的应用推广提供可能性。

进一步的，换流阀中子模块的配比选择应综合考虑成本与清除直流故障的效果，配置方式可分为不完全阻断型和完全阻断型两种方式。

进一步的，不完全阻断方式下，根据阻断阀侧交流馈入的短路电流计算换流阀中两种子模块的配比。

进一步的，此时换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比在保证阻断阀侧交流源向故障点馈入短路电流的路径的同时，尽可能地减少改进型串联双子模块SDSM的占比，可以减少换流阀所需的电力电子器件的数量，降低成本，提高经济性。

进一步的，完全阻断方式下，可在直流线路侧布置低断流能力的机械开关构成低比例的全、半混合柔性直流输电系统换流阀，根据机械开关的动作时间和开断能力配置阻尼常数及两种子模块的配比。

进一步的，此时换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比与低断流能力的机械开关的动作时间和开断能力相配合，能快速地在短时间内将故障电流衰减到机械开关可以分断地大小，达到快速清除隔离直流故障的目的。

进一步的，半桥子模块HBSM是各类组成MMC换流阀的子模块中结构最为简单、需要电力电子器件数量最少的子模块类型，且半桥子模块HBSM的控制简单，换流阀中设置半桥子模块HBSM可以降低桥臂调制触发信号的控制难度，并且可以减少电力电子器件的使用，降低了成本。

进一步的，本发明提出的换流器由半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM组成，改进型串联双子模块SDSM的存在是该换流器能自清除直流故障的关键，改进型串联双子模块SDSM能在闭锁后提供反向电压并且将阻尼电阻串联在之路中，阻断交流源向故障点馈入短路电流的同时，利用阻尼电阻加速衰减故障电流。

进一步的，在发生直流侧短路故障时阻断交流侧向直流侧馈入短路电流的通路，同时通过阻尼电阻耗散故障电流的交、直流分量，具备具备直流故障自清除的能力，相比于采用桥臂阻尼和直流谐振开关方式的故障清除方案，很大程度提升了直流故障的清除速度，有利于提高在柔性直流输电系统的运行稳定性。

综上所述，本发明利用换流器实现自清除直流故障，恢复时间短，成本更低，经济性更好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明混合型柔性直流输电换流器的拓扑结构图；

图2为本发明半桥子模块HBSM的拓扑结构图；

图3为本发明改进型串联双子模块SDSM的拓扑结构图；

图4为本发明的仿真结果示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种混合型柔性直流输电换流器，具备直流故障自清除能力，在直流侧发生短路故障时能够快速清除直流故障电流，阻断交流系统向直流系统馈入电流，并且不需要昂贵的直流断路器，同时能利用阻尼电阻耗散短路故障电流直流分量，相比采用“全桥+半桥换流器”自清除直流故障清除方案需要更少的子模块数量、更少的器件，成本更低，经济性更好。

请参阅图1，本发明一种混合型柔性直流输电换流器，包括半桥子模块HBSM和具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块SDSM，半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM按照一定比例混合串联组成六个桥臂；各个桥臂由两部分串联组成，一部分为半桥子模块的串联结构，一部分为改进型串联双子模块SDSM的串联结构，在实际运行调制过程中，半桥子模块和具备直流故障清除能力的改进型串联双子模块SDSM一起进行子模块电容电压排序以及调制信号生成。

按照需求选择半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配置方式为不完全阻断型或者完全阻断型。若选择为不完全阻断型，则根据换流阀闭锁后任一相的上桥臂和下桥臂中，改进型串联双子模块SDSM投入的反向钳位电压之和大于阀侧交流线电压的幅值的原则来设置每个桥臂中改进型串联双子模块SDSM的个数，即得到每个桥臂中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM各占的比例；若选择为完全阻断型，则根据换流阀闭锁后机械开关的最快动作时间和机械开关可以分断的电流大小，根据闭锁后形成的RLC二阶电路求解满足在机械开关动作时刻直流故障电流可以衰减到机械开关可以分断的范围时一相上下桥臂提供的反向电压的大小，进一步得到每相改进型串联双子模块SDSM的个数和各个桥臂中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的比例。

在正常运行时，相当于两个半桥子模块HBSM串联运行，在故障模式下，相当于具备阻尼能力的全桥/半桥混合换流阀；换流阀中半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM的配比选择综合考虑成本与清除直流故障的效果，配置方式分为不完全阻断型和完全阻断型两种方式。

完全阻断方式下，不需要直流线路配置直流开关，根据阻断阀侧交流馈入的短路电流计算换流阀中两种子模块的配比；

不完全阻断方式下，可在直流线路侧布置低断流能力的机械开关构成低比例的全、半混合柔性直流输电系统换流阀，根据机械开关的动作时间和开断能力配置阻尼常数及两种子模块的配比。

在预充电阶段与正常运行阶段的工作原理与功能一致，但在发生直流侧短路故障时阻断交流侧向直流侧馈入短路电流的通路，同时通过阻尼电阻耗散故障电流的交、直流分量，具备具备直流故障自清除的能力。

请参阅图2，半桥子模块HBSM具体为：

带阻尼二极管D7的三极管T7的发射极分两路，一路连接对应的改进型串联双子模块SDSM，另一路与带阻尼二极管D8的三极管T8的集电极连接，三极管T8的发射极分两路，一路经电容C与带阻尼二极管D7的三极管T7的集电极连接，另一路经电感Lm与交流侧连接。

请参阅图3，改进型串联双子模块SDSM包括第一半桥子模块和第二半桥子模块，第一半桥子模块的一端经串联支路与第二半桥子模块的一端连接，第二半桥子模块的另一端经串联钳位阻尼支路与第一半桥子模块的另一端连接；在直流故障闭锁状态时，利用串联钳位阻尼支路耗散桥臂故障电流交、直流分量。具体为：

第一半桥子模块包括串联连接的带阻尼二极管D1的三极管T1和带阻尼二极管D2的三极管T2；第二半桥子模块包括串联连接的带阻尼二极管D3的三极管T3和带阻尼二极管D4的三极管T4，三极管T1的发射极分两路，一路经电感Ld连接直流侧，另一路经三极管T2的发射极分两路，一路与带阻尼二极管D5的三极管T5的发射极连接，另一路经电容C1后分两路，一路连接三极管T1的集电极，另一路经二极管D6与电阻R1的一端连接；带阻尼二极管D5的三极管T5的集电极分两路，一路连接电容C2的正极，另一路经三极管T3的发射极后分两路，一路连接半桥子模块HBSM，另一路经三极管T4的发射极后分两路，一路连接电容C2的负极，另一路与电阻R1的另一端连接。

与普通全半混合的柔性直流输电换流器相比，一个具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块相当于两个全桥子模块串联运行的功能，在两种换流器直流故障自清除能力相同时，一个具备直流故障自清除能力的混合型柔性直流输电换流器比与全半混合的柔性直流输电换流器所需子模块数量更少，所需器件数量更少，具有更好的经济性。

本发明一种混合型柔性直流输电换流器的工作原理具体为：

在预充电阶段与正运行阶段，设置改进型串联双子模块SDSM的工作模式，此时换流器与半桥换流器工作原理一致；

当发生直流侧短路故障时，换流阀闭锁，所有半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM进入闭锁模式，闭锁后的改进型串联双子模块SDSM相当于两个全桥子模块的功能，此时交流系统向直流系统馈入故障电流的通路被阻断，同时改进型串联双子模块SDSM中的阻尼电阻与改进型串联双子模块SDSM提供的反向子模块的电容电压以及桥臂电感、直流电抗器、故障线路的阻抗形成RCL回路，迅速耗散故障电流直流分量，以此清除短路故障电流。

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、完整地描述，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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在PSCAD仿真平台搭建直流侧为320KV电压等级的单站混合型柔性直流输电换流器，与同电压等级、同系统参数以及闭锁后具备相同提供子模块反向电压大小的全半混合型MMC进行仿真比较，比较两类换流阀在发生直流侧出口处接地短路故障闭锁后的直流故障电流的清除速度，仿真结果如图4，其中FBHB为全半混合型MMC，SDHB为提出的混合型柔性直流输电换流器，“-1ohm”为仿真模型中每个改进型串联双子模块SDSM中阻尼电阻为1欧姆的意思，以此类推。

请参阅图4，根据显示的波形可以看出由半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM组成的混合型柔性直流输电换流器相比较与同电压等级、同系统参数以及闭锁后具备相同提供子模块反向电压大小的全半混合型MMC，由于阻尼电阻的作用，故障电流清除速度更为快速。

同时闭锁后一个改进型串联双子模块SDSM提供的反向电压相当于两个全桥子模块FBSM提供的反向电压，一个改进型串联双子模块SDSM需要的IGBT数量为5个，两个桥子模块FBSM需要的IGBT的数量为8个，因此由半桥子模块HBSM和改进型串联双子模块SDSM组成的混合型柔性直流输电换流器的成本也更低。

综上所述，本发明一种混合型柔性直流输电换流器，用一个具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块SDSM替代两个串联的全桥子模块，具有带直流故障清除能力的子模块的低配比性，在具备相同的闭锁后提供桥臂子模块反向电压的除能力时，需要更少的具有带直流故障清除能力的子模块，总子模块个数降低，成本更低，经济性更好。

以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。