一种具有处理直流故障功能的多电平换流器

摘要

本发明公开了一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式整流电路；三相桥式整流电路的每个桥臂从电网接入端至直流耦合端依次由桥臂导通开关、电抗器和模块化多电平单元串联构成；三相桥式整流电路的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元。本发明的多电平换流器采用全桥子模块级联而成的模块化多电平单元，并在直流侧设置直流故障处理单元，使得系统开关频率低、器件损耗小、谐波小；当直流侧发生短路故障，系统能够自限制清除直流故障电流，故无需配置大额定值的开关器件或串并联多个开关器件，大大降低了相应的成本，减小了系统的体积和重量，可广泛应用于新能源并网，城市配电、孤岛送电、远距离大容量送电等多个场合。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统换流技术领域，具体涉及一种具有处理直流故障功能 的多电平换流器。

背景技术

目前应用在轻型高压直流输电、动态无功补偿等中高压大功率场合的电压 源换流器拓扑结构主要分为两大类：一类是以两电平换流器为代表的第一代电 压源换流器；另一类是以模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter， MMC)为代表的新一代电压源换流器。前者桥臂通常由大量的半导体器件串并 联而成，目前已在多个实际工程成功运行，技术日趋成熟，但存在器件开关频 率高、损耗大、动态均压难、谐波较大、容量难以提升等缺点；后者桥臂由多 个半桥结构的子模块串联而成，具有扩展性好、输出电压波形质量高、开关频 率低、损耗小、器件一致触发性要求低等优点，近年来发展迅速。

然而上述的两种拓扑结构都不具备直流闭锁能力，当直流侧发生短路故障 时，全控型开关器件所并联的二极管将构成不控整流通路，造成过电压过电流。 目前，通常以断开交流断路器作为处理直流故障的惯用手段，但这样的操作手 段存在两个主要问题：一是开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，从故 障发生到清除这期间，开关器件仍存在承受过电压过电流危险，故要求开关器 件不得不选用额定值偏大的元件或串并联多个开关器件，增加相应的成本，增 大了换流器的体积和重量；二是如果频繁开断交流断路器将大大缩短其寿命， 同时需要配置成本昂贵故障率低的电缆作为直流线路。

发明内容

本发明提供了一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，能够自限制清 除直流故障电流，且子模块数量少，减小了换流器的体积和重量。

一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式整流电路；

所述的三相桥式整流电路的每个桥臂从电网接入端至直流耦合端依次由桥 臂导通开关、电抗器和模块化多电平单元串联构成；所述的三相桥式整流电路 的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元。

所述的模块化多电平单元由若干个全桥子模块串联构成；所述的全桥子模 块由四个IGBT和一个电容构成，其中：第一IGBT的发射极与第三IGBT的集 电极相连并构成所述的全桥子模块的一端，第一IGBT的集电极与第二IGBT的 集电极和第一电容的一端相连，第二IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连 并构成所述的全桥子模块的另一端，第四IGBT的发射极与第三IGBT的发射极 和第一电容的另一端相连。

所述的直流故障处理单元为非模块化直流故障处理单元或模块化直流故障 处理单元：

所述的非模块化直流故障处理单元由两个直流导通开关和一个电容构成， 其中：第一直流导通开关的一端与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与 第二直流导通开关的一端相连并构成所述的非模块化直流故障处理单元的负 极，第二直流导通开关的另一端与第一直流导通开关的另一端相连并构成所述 的非模块化直流故障处理单元的正极。

所述的模块化直流故障处理单元包括n个半桥子模块，其由第一半桥子模 块至第n半桥子模块依次串联而成，其中：第一半桥子模块的正极为所述的模 块化直流故障处理单元的正极，第n半桥子模块的负极为所述的模块化直流故 障处理单元的负极，n为大于等于1的自然数；所述的半桥子模块由两个IGBT 和一个电容构成，其中：第五IGBT的集电极与第三电容的一端相连，第三电容 的另一端与第六IGBT的发射极相连并构成所述的半桥子模块的负极，第六 IGBT的集电极与第五IGBT的发射极相连并构成所述的半桥子模块的正极。

所述的桥臂导通开关或直流导通开关由若干个IGBT串联构成。

本发明的工作原理为：稳态运行情况下旁通直流故障处理单元，利用桥臂 导通开关循环交替导通或关断各个桥臂，通过投入或切除模块化多电平单元中 的级联子模块，使交流电压波形逼近所期望的正弦参考波，从而完成能量的稳 定传输。当直流侧发生故障时，闭锁桥臂导通开关中的全控型开关器件，将各 桥臂模块化多电平单元内的子模块负投入且同时开通直流故障单元使得串联二 极管阳极电势低于阴极电势，利用其反向阻断能力达到限制并清除直流故障电 流的目的，类似于传统直流通过增大触发角将整流状态变为逆变状态以完成闭 锁熄弧的过程。

本发明的多电平换流器采用全桥子模块级联而成的模块化多电平单元，使 得系统开关频率低、器件损耗小、谐波小；并在直流公共母线上设置直流故障 处理单元，利用半桥形式减少器件数量；当直流侧发生短路故障，通过桥臂导 通开关、模块化多电平单元和直流故障处理单元协调配合能够自限制清除直流 故障电流，故无需配置大额定值的开关器件或串并联多个开关器件，大大降低 了相应的成本，减小了系统的体积和重量，可广泛应用于新能源并网，城市配 电、孤岛送电、远距离大容量送电等多个场合。

附图说明

图1为本发明多电平换流器的结构示意图。

图2为本发明中桥臂导通开关结构示意图。

图3为本发明中模块化多电平单元结构示意图。

图4为本发明中模块化直流故障处理单元的结构示意图。

图5为本发明桥臂导通开关导通和关断触发脉冲示意图。

图6为本发明直流双极短路故障闭锁原理示意图。

图7(a)为本发明在0.6s～0.7s稳态运行期间a相电压参考波示意图。

图7(b)为本发明在0.6s～0.7s稳态运行期间a相上桥臂导通开关S1导通和关 断触发脉冲波示意图。

图7(c)为本发明在0.6s～0.7s稳态运行期间a相下桥臂导通开关S2导通和关 断触发脉冲波示意图。

图7(d)为本发明在0.6s～0.7s稳态运行期间a相上桥臂模块化多电平单元输 出阶梯正弦波形示意图。

图7(e)为本发明在0.6s～0.7s稳态运行期间a相下桥臂模块化多电平单元输 出阶梯正弦波形示意图。

图8(a)为本发明在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行 期间，a相上桥臂模块化多电平单元模块电容电压波形示意图。

图8(b)为本发明在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行 期间，系统公共耦合点三相电压波形示意图。

图8(c)为本发明在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行 期间，系统公共耦合点三相电流波形示意图。

图8(d)为本发明在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行 期间，系统注入换流器有功功率和无功功率波形示意图。

图9为本发明在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行期 间，换流器直流侧电流波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技 术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式 整流电路；三相桥式整流电路的每个桥臂5从电网接入端至直流耦合端依次由 桥臂导通开关1、电抗器2和模块化多电平单元3串联构成；三相桥式整流电路 的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元4。

如图2所示，桥臂导通开关1由八个IGBT串联构成。

如图3所示，模块化多电平单元3由十个全桥子模块串联构成；全桥子模 块F_SM由四个IGBT和一个电容构成，其中：第一IGBT T₁的发射极与第三 IGBT T₃的集电极相连并构成全桥子模块F_SM的一端，第一IGBT T₁的集电极 与第二IGBT T₂的集电极和第一电容C₁的一端相连，第二IGBT T₂的发射极与 第四IGBT T₄的集电极相连并构成全桥子模块F_SM的另一端，第四IGBT T₄的发射极与第三IGBT T₃的发射极和第一电容C₁的另一端相连。

如图4所示，直流故障处理单元4为模块化直流故障处理单元；模块化直 流故障处理单元包括三个半桥子模块，其由第一半桥子模块H_SM₁至第三半桥 子模块H_SM₃依次串联而成，其中：第一半桥子模块H_SM₁的正极为模块化直 流故障处理单元的正极，第三半桥子模块H_SM₃的负极为模块化直流故障处理 单元的负极；半桥子模块H_SM由两个IGBT和一个电容构成，其中：第五IGBT T₅的集电极与第三电容C₃的一端相连，第三电容C₃的另一端与第六IGBT T₆的发射极相连并构成半桥子模块H_SM的负极，第六IGBT T₆的集电极与第五 IGBT T₅的发射极相连并构成半桥子模块H_SM的正极。

第三电容C₃的电压极性与直流侧电压极性相反，直流故障处理单元4正常 运行时处于旁通状态，直流故障期间产生负电平以限制故障电流。

本实施方式的多电平换流器稳态运行时，需要桥臂导通开关、模块化多电 平单元和直流故障处理单元相互协调来完成能量的平稳传输，其中桥臂导通开 关交替导通和开断相关桥臂，模块化多电平单元通过特定的调制方式形成阶梯 正弦波，直流故障处理单元旁通。为满足系统稳态运行的要求，交流系统相电 压幅值U_m与直流电压U_dc的最优关系满足如下：

$U_{\mathrm{dc}\left(\mathrm{opt}\right)}=\frac{\pi }{2}{U}_m---\left(1\right)$

为满足直流侧电压稳定，本实施方式的模块化多电平单元的全桥子模块最 少数量N_{B_min}满足：

$N_{B\_\min }{U}_c\ge \frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}---\left(2\right)$

而相同容量和电压水平下，现有技术的MMC单桥臂子模块最少数量 N_{MMC_min}满足：

$N_{\mathrm{MMC}\_\min }{U}_c\ge U_{\mathrm{dc}}---\left(3\right)$

因此仅考虑稳态情况不考虑冗余模块，本实施方式桥臂所需的全桥子模块 数比MMC所需半桥子模块数要少一半，意味着模块电容也要少一半，从而大 大减少了换流器的体积和重量。

本实施方式的多电平换流器稳态运行期间，桥臂导通开关开断状态同换流 器级矢量控制器输出的三相电压参考波密切相关。以图1中的a相为例，当换 流器矢量控制器或其他非线性控制器输出的a相电压参考波Va＞0时桥臂导通 开关S1导通而桥臂导通开关S4关断，当Va＜0时桥臂导通开关S1关断而桥臂 导通开关S4导通，其余桥臂的桥臂导通开关控制方式类似。如果不考虑开关死 区和延时等因素，一个工频周期可分为6段小区间，每个时间段内同时有三个 桥臂导通，所对应的具体桥臂导通开关编号见图5。由于桥臂导通开关一般只在 两端电压过零点附近开断，从而实现了电压的软开断，故开关损耗低、电压应 力小。

本实施方式的多电平换流器稳态运行期间，模块化多电平单元通过合理安 排子模块的导通状态，实现桥臂多电平电压源特性；所期望的电压参考波u_jk由 下式决定：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{jp}}+v_j=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}\\ u_{\mathrm{jn}}-v_j=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}\end{array}\right)j=a,b,c---\left(4\right)$

式4中：v_j由双闭环矢量控制器或其他非线性控制器得到的换流器输出电压参 考值。本实施例采用最近电平调制法，首先根据电压参考波和直流电压确定桥 臂的有效输出电平数和投切子模块数，然后收集子模块电容电压监测信号并对 其排序，最后根据桥臂电流极性选择具体那些全桥子模块输出正电平、那些输 出负电平和那些输出零电平。

当直流故障期间，控制各桥臂模块化多电平单元和直流故障处理单元，使 之产生相应的负电平；封锁所有桥臂导通开关内IGBT的触发脉冲，则此时桥臂 导通开关呈现为级联二极管形式，由于阳极电势低于阴极电势则利用反向阻断 能力可以实现将故障电流降为零的目标，以a、b相桥臂为例的直流故障闭锁原 理如图6所示。为了满足直流故障闭锁需要，直流故障处理单元内的电容充电 电压应该满足：

$\sqrt{3}{U}_m<u_{\mathrm{jp}}+u_{\mathrm{dp}}+u_{\mathrm{jn}}+u_{\mathrm{dn}},j=a,b,c---\left(5\right)$

式5中：u_jp、u_jn分别为j相上、下桥臂模块化多电平单元输出电压，u_dp、u_dn分 别为换流器正负极直流故障处理单元电容电压。

为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，通过在电力系统暂态仿真 软件PSCAD/EMTDC中搭建相应模型，具体仿真参数：额定参数±200千伏/1 千安/400兆瓦；送端交流系统、受端交流系统电压等级220千伏，系统电抗0.01 亨；换流变压器采用Y₀/Δ接法的双绕组变压器，漏抗0.1pu；模块化多电平单 元采用60个子模块，不考虑冗余，每相有20个，上下桥臂各10个，子模块直 流电容4000微法，额定电压20千伏，开关器件均采用IGBT，每桥臂串联电抗 器0.04亨；直流故障处理单元电容电压为30kV；直流侧采用理想直流电压源串 联电阻来模拟。采用定有功功率和定无功功率基本控制模式，模块化多电平单 元采用最近电平调制和电容电压均衡策略，桥臂导通开关和直流故障处理单元 采用上述的控制方法；有功功率、无功功率的参考值为1.0pu和0pu。

假设系统稳态运行至0.8s，发生直流侧双极短路故障，故障持续0.1s后清 除故障，系统恢复稳态运行。图7(a)为本实施方式在0.6s～0.7s稳态运行期间a 相电压参考波示意图；图7(b)为本实施方式在0.6s～0.7s稳态运行期间a相上桥 臂导通开关S1导通和关断触发脉冲波示意图；图7(c)为本实施方式在0.6s～0.7s 稳态运行期间a相下桥臂导通开关S4导通和关断触发脉冲波示意图；图7(d)为 本实施方式在0.6s～0.7s稳态运行期间a相上桥臂模块化多电平单元输出阶梯正 弦波形示意图；图7(e)为本实施方式在0.6s～0.7s稳态运行期间a相下桥臂模块 化多电平单元输出阶梯正弦波形示意图；图8(a)为本实施方式在0.7s～1.1s(其 中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行期间，a相上桥臂模块化多电平单元 模块电容电压波形示意图；图8(b)为本实施方式在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发 生直流双极短路故障)运行期间，系统公共耦合点三相电压波形示意图；图8(c) 为本实施方式在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行期间， 系统公共耦合点三相电流波形示意图；图8(d)为本实施方式在0.7s～1.1s(其中 0.8s～0.9s发生直流双极短路故障)运行期间，系统注入换流器有功功率和无功 功率波形示意图；图9为本实施方式在0.7s～1.1s(其中0.8s～0.9s发生直流双极 短路故障)运行期间，换流器直流侧电流波形示意图。

从上述图来看，本实施方式稳态运行时能够实现能量稳定传输；桥臂导通 开关交替导通和关断，所承受的电压应力小；桥臂模块化多电平单元在最近电 平调制和电容电压均衡控制下，保证了阶梯正弦波的形成和模块电容电压波动 限制在一定范围内，且开关器件频率低损耗小；交流系统公共接入点电压电流 波形品质很好，不需配置滤波器。当直流侧发生双极短路故障时，模块化多电 平单元和直流故障处理单元产生负电平，利用二极管的反向阻断特性将直流电 流降到零；故障清除后，直流功率恢复特性良好。

因此本实施方式的多电平换流器具有器件开关频率低损耗小、控制灵活、 波形品质佳谐波含量小、模块数量降低、体积重量小、能够自处理直流故障等 优点，可以采用廉价的架空线替代昂贵的电缆以作为直流线路，在新能源并网， 城市配电、孤岛送电、远距离大容量送电等多个领域场合具有广阔的发展空间， 值得大力推广。