基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器研究

摘要

由于采用晶闸管作为换流器件，电网换相高压直流输电(line-commutated-converter high voltage direct current，LCC-HVDC)依赖交流系统换相，交流母线电压的波动容易引发LCC换相失败，导致LCC传输的有功功率下降。为预防换相失败的发生，现有研究提出了串联电容换相电容器(capacitor-commutated converters，CCC)技术，抑制换相失败效果显著，然而一旦CCC发生了换相失败，电容会进行不对称的充放电，引起电容过电压，最终导致CCC的故障恢复能力减弱，在故障消除后很难快速地恢复到额定运行状态，甚至有可能在恢复过程中再次发生换相失败。该情况会对系统造成二次扰动，对电网的安全稳定十分不利，因此有必要对该问题进行深入研究。
　　首先，分析了CCC的运行机理及换相失败后电容电压的变化特征，发现电容电压的不可控性是导致CCC换相失败后难以恢复的关键原因。因此，论文从提高电容换相换流器电容电压可控性的角度出发，提出了一种输出电压可控的反并联晶闸管全桥子模块（anti-parallel thyristor full bridge sub module，APT-FBSM）结构，将该子模块串联于换流阀与换流变压器之间，形成了一种新型电容换相换流器拓扑(enhanced capacitor commutated converter，ECCC)。提出了ECCC-HVDC输电系统的基本控制策略。依据直流系统可能运行的不同工况，提出了阀臂晶闸管与APT-FBSM晶闸管的协调控制策略。
　　其次，理论分析了新型电容换相换流器的电压电流应力，得到了子模块晶闸管的电压应力计算公式，并以此为理论指导，提出了APT-FBSM的参数设计方法。在PSCAD/EMTDC下将CIGRE标准测试模型中的LCC-HVDC改造为ECCC-HVDC。APT-SBSM的参数选择合理，子模块电压电流应力在合理范围内;ECCC不会增加阀臂晶闸管的电压应力。
　　最后，重点针对交流系统感性故障、子模块换流变压器侧短路故障和子模块换流阀侧短路故障，对ECCC与CCC的暂态运行特性及其故障恢复特性进行了比较研究。采用换相失败免疫力和临界电压作为评价指标，评估ECCC提高直流系统换相能力的大小。对比分析了ECCC与CCC换相失败后电容电压的变化特征及故障消除后系统恢复到额定运行状态的速度。仿真结果表明，ECCC能够提高换流器抵御换相失败的能力，降低换流器发生换相失败的概率。与CCC相比，ECCC的电容电压更为可控，能够帮助直流系统快速恢复到额定运行状态，说明ECCC具有更强的故障恢复能力。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景

1．2 研究意义及现状

1．2．1 研究意义

1．2．2 研究现状

1．3 本文主要工作

第2章 新型电容换相换流器拓扑及其控制策略

2．1 电容换相换流器的工作原理和不足

2．1．1 电容换相换流器的工作原理

2．1．2 电容换相换流器的不足

2．2 基于反并联晶闸管全桥子模块的新型拓扑

2．3 新型拓扑结构系统的基本控制策略

2．4 阀臂和子模块的协调控制策略

2．5 本章小结

第3章 新型拓扑的应力分析及参数设计方法

3．1 新型拓扑电压应力分析

3．1．1 子模块晶闸管电压应力分析

3．1．2 阀臂晶闸管电压应力分析

3．2 新型拓扑电流应力分析

3．3 新型电容换相换流器参数设计方法

3．3．1 直流系统参数

3．3．2 反并联晶闸管全桥子模块参数

3．4 电压电流应力验证

3．4．1 子模块电压电流应力验证

3．4．2 阀臂晶闸管电压应力验证

3．5 本章小结

第4章 新型电容换相换流器直流系统故障特性

4．1 故障点分类

4．2 交流系统短路故障

4．2．1 换相失败抵御能力

4．2．2 换相失败后恢复特性

4．3 子模块换流变压器侧短路故障

4．3．1 子模块换流变压器侧单相接地

4．3．2 子模块换流变压器侧相间短路

4．4 子模块换流阀侧短路故障

4．4．1 子模块换流阀侧单相接地

4．4．2 子模块换流阀侧相间短路

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢