一种应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC拓扑

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC拓扑。

背景技术

柔性直流输电技术具备有功无功独立控制能力，是大规模新能源并网的重要技术手段，模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在柔性直流工程中发挥重要作用。

柔性直流输电所采用的电压源换流器普遍具有低惯量、低阻尼特性，直流线路发生短路故障后，几毫秒内故障电流就会达到器件过流能力上限，然而，直流断路器的工程实践还不成熟，柔性直流输电工程中依然存在直流保护难题。昆柳龙工程中采用半桥子模块(half bridge sub-module,HBSM)和全桥子模块(full bridge sub-module,FBSM)混合型柔直换流阀，其中FBSM比例为70％，通过FBSM将换流站电压降至零电压附近，清除直流故障电流，但高比例的FBSM大大增加了电力电子器件数量与运行损耗，其经济性有所下降。因此，具备故障自清除能力同时具备经济性的换流站拓扑成为亟需研究的重点。

目前对于换流站直流故障穿越的研究主要通过在换流器中配置一定数量具备故障阻断能力的子模块，侧重于降低输出单位负电平所需电力电子器件数量，实现抑制故障电流的目的，对于具有负电平输出能力的阀段层面的研究还存在空白。

发明内容

为了克服上述现有技术中混合式MMC稳态损耗大且经济性差的问题，本发明提供一种应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC拓扑及其控制方法，高低阀换流站包含高阀MMC与低阀MMC，高阀MMC采用换流阀嵌套式MMC拓扑。换流阀嵌套式MMC包含半桥型MMC、通流支路、暂态阻流支路和能量转移支路。半桥型MMC用于实现换流站整流逆变功能，其控制方式与传统半桥MMC相同；通流支路，用于在系统稳态时实现稳态电流的导通，高低阀MMC按照半桥型MMC状态运行，整体换流站对外输出正电压，通态损耗小；暂态阻流支路，用于在直流故障时实现高阀MMC电压翻转，对外输出负电压，整体换流站输出电压为0，实现故障穿越；能量转移支路，用于在嵌套桥臂切换时吸收半桥型MMC的桥臂电感上的能量。半桥型MMC嵌套于通流支路与暂态阻流支路构成的嵌套桥臂中，通过嵌套桥臂的切换操作，可以控制高阀MMC直流电压的翻转。本发明提供的换流阀嵌套式MMC的控制方法，分为换流站所在的线路正常运行和直流故障后进行故障清除两种情况对换流阀嵌套式MMC实现控制。逻辑简单，可靠性高，能够实现无闭锁直流故障穿越，节约成本，降低稳态损耗。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC，包括：

高低阀换流站包含高阀MMC与低阀MMC，高阀MMC采用换流阀嵌套式MMC拓扑。

换流阀嵌套式MMC包含半桥型MMC、通流支路、暂态阻流支路和能量转移支路。

半桥型MMC用于实现换流站整流逆变功能，其控制方式与传统半桥MMC相同。

通流支路，用于在系统稳态时实现稳态电流的导通，高低阀MMC按照半桥型MMC状态运行，整体换流站对外输出正电压，通态损耗小。

暂态阻流支路，用于在直流故障时实现高阀MMC电压翻转，对外输出负电压，整体换流站输出电压为0，实现故障穿越。

能量转移支路，用于在嵌套桥臂切换时吸收半桥型MMC的桥臂电感上的能量。

所述两组通流支路和暂态阻流支路分别串联于公共点a和b，形成嵌套桥臂。

所述半桥型MMC嵌套于两组通流支路和暂态阻流支路形成的嵌套桥臂中，形成公共点p和n；

所述能量转移支路分别并联于半桥型MMC内三相桥臂电感上，形成公共点c和d。

所述高阀MMC内三个相单元分别与交流侧A，B，C三相连接。

所述通流支路包括超快速机械开关UFD和IGBT模块。

所述IGBT模块包括IGBT、与IGBT同向串联的两个二极管，和与IGBT反并联的两个二极管，IGBT与四个二极管构成H桥结构；

所述暂态阻流支路由多支同向串联晶闸管反并联多支二极管构成；

所述能量转移支路由单个避雷器、多支IGBT和多支二极管组成，避雷器、二极管串联支路和IGBT串联支路反并联后与一个和IGBT同向的二极管串联；

另一方面，换流站所在线路正常运行时，本发明提供了一种换流阀嵌套式MMC的控制方法，包括：

换流阀嵌套式MMC中，通流支路上IGBT均导通，稳态电流经通流支路流经半桥型MMC，高低阀MMC分别输出额定直流电压U

再一方面，换流站所在线路检测到直流故障后，本发明还提供另一种换流阀嵌套式MMC的控制方法，包括：

首先旁路高低阀MMC中全部子模块，嵌套桥臂1-4承受0电压，为之后的桥臂切换创造0电压环境，同时导通能量转移支路中的IGBT。

之后关断通流支路的IGBT，给超快速机械开关UFD发出分断信号，导通暂态阻流支路的晶闸管，2ms后UFD分断成功，桥臂切换完成，直流电流由桥臂1、4切换为桥臂2、3。

关断能量转移支路中的IGBT，直流电流流经能量转移支路中避雷器，经短暂能量释放后重新流经桥臂电感，避雷器电流变为0，高阀MMC直流电流完成换向；

重新投入高低阀MMC中全部子模块，此时高阀MMC输出负电压，与低阀MMC输出的正电压抵消，换流站输出电压为0，抑制故障电流，实现无闭锁故障穿越。

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：

本发明提供的应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC包括半桥型MMC、通流支路、暂态阻流支路和能量转移支路。通流支路，用于在系统正常运行时实现稳态电流的导通，高低阀MMC按照正常状态运行，换流站整体对外输出正电压，稳态运行损耗小；暂态阻流支路，用于在直流故障时实现高阀MMC电压翻转，阀段对外输出负电压，换流站整体输出电压为0，抑制故障电流，实现故障穿越；能量转移支路，用于嵌套桥臂切换时，吸收直流电流反向过程中半桥型MMC内桥臂电感上的能量，防止电感过电压。

本发明提供的换流阀嵌套式MMC的控制方法，分为换流站所在的线路正常运行和直流故障后进行故障清除两种情况对换流阀嵌套式MMC实现控制。逻辑简单，可靠性高，能够易于实现无闭锁直流故障穿越。

本发明中的通流支路，用于在系统稳态时实现稳态电流的导通，其采用少量电力电子器件与超快速隔离开关UFD，节约了成本，增加了可靠性，同时降低了通态损耗；

本发明中的暂态阻流支路，用于在直流故障时实现高阀MMC电压翻转，采用低成本器件二极管，降低了直流故障处理成本；

本发明提供的技术方案通过换流阀嵌套式MMC的嵌套桥臂切换操作，可以控制MMC对外直流电压的正负极性，从源侧有效处理直流故障；

本发明提供的技术方案降低了稳态损耗，减小了故障处理的器件使用量，提升了经济性。

附图说明

图1是本发明实施例1中应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC拓扑；

图2是本发明实施例2中系统正常运行时稳态直流电流路径示意图；

图3是本发明实施例3中嵌套桥臂切换过程中直流电流路径示意图；

图4是本发明实施例3中嵌套桥臂切换完成后避雷器电流路径示意图；

图5是本发明实施例3中嵌套桥臂切换完成后直流电流路径示意图；

图6是本发明实施例3中故障后换流站状态示意图。

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提供一种应用于高低阀换流站的换流阀嵌套式MMC，其拓扑结构如图1所示，换流站由高阀MMC和低阀MMC串联构成，高阀MMC采用换流阀嵌套式MMC结构，具体包括半桥型MMC、通流支路、暂态阻流支路、能量转移支路，各个支路功能如下：

其中的通流支路，用于在系统正常运行时实现稳态电流的导通，高低阀MMC按照正常状态运行，换流站对外输出正电压；

其中的暂态阻流支路，用于在直流故障时实现高阀MMC内电压翻转，对外输出变为负电压，换流站电压降为0，直流电流衰减到0后，二极管抵住直流电流防止反向，直流电流维持在0，实现无闭锁故障穿越。

其中的能量转移支路，用于在嵌套桥臂切换时吸收半桥型MMC内桥臂电感能量，防止电感过电压。

上述两组通流支路分别和暂态阻流支路分别串联于公共点a，b，形成嵌套桥臂。

上述半桥型MMC嵌套于嵌套桥臂中，形成公共点p和n。

上述能量转移支路并联于半桥型MMC内桥臂电感的两端，形成公共点c和d。

上述半桥型MMC内三相分别与交流系统ABC三相连接。

上述通流支路包括超快速机械开关UFD和与IGBT模块。

上述IGBT单元包括IGBT、与IGBT串联的二极管和与IGBT反并联的二极管。

上述能量转移支路由单个避雷器、多支IGBT和多支二极管组成，避雷器、二极管串联支路和IGBT串联支路反并联后与一个和IGBT同向的二极管串联。

上述暂态阻流支路由多支同向串联晶闸管反并联多支二极管构成。

实施例2

本发明实施例2提供了一种换流阀嵌套式MMC的稳态控制方法，具体过程如下：

系统正常运行时，高阀MMC中桥臂1、4的通流支路的IGBT导通，桥臂2、3的暂态阻流支路晶闸管关断，能量转移支路中IGBT关断，稳态直流电流由连接点b流经通流支路及半桥型MMC后，通过连接点a流向直流侧，高阀MMC输出电压U

实施例3

本发明实施例3提供的换流阀嵌套式MMC的控制方法，适用于换流阀嵌套式MMC所在的线路检测到直流故障后进行嵌套桥臂切换，具体过程如下：

系统检测到直流故障后，先旁路高低阀MMC中全部半桥子模块，高低阀MMC直流电压变为0。导通能量转移支路中的IGBT，之后关断桥臂1、4中的IGBT，UFD开始分断，导通桥臂2、3中的晶闸管，嵌套桥臂中的直流电流由原先桥臂1、4的通流支路转移至桥臂2、3的暂态阻流支路。换流站对外输出直流电流方向不变，直流电压为0，高阀中半桥型MMC内直流电流反向，与其桥臂电感电流直流分量共同流经能量转移支路中的IGBT。嵌套桥臂切换过程中直流电流路径示意图如图3所示。

经过2ms，UFD可靠分断后，嵌套桥臂切换完成，关断能量转移支路的IGBT并重新投入高低阀MMC中全部半桥子模块，高阀中半桥型MMC内直流电流与桥臂电感电流直流分量转移至能量转移支路的避雷器中。嵌套桥臂切换完成后避雷器电流路径示意图如图4所示。

经过短暂时间，桥臂电感能量释放完成后，避雷器中电流降为零，半桥型MMC内直流电流重新流经桥臂电感，直流电流完成换向。嵌套桥臂切换完成后直流电流路径示意图如图5所示。

换流站嵌套桥臂切换完成，高阀MMC输出直流电压U

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。