[发明专利]模块化多电平换流器子模块冗余控制投切方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种变流器的控制方法，尤其是涉及一种应用于柔性直流输电技术领域的模块化多电平换流器子模块（Submodule）冗余控制投切方法。

背景技术

柔性直流输电技术是一种基于电压源换流器的新型的高压直流输电技术，凭借其没有换向失败问题，可实现有功和无功功率的快速解耦控制以及谐波含量低的优越性间更广泛应用于分布式发电并网、交流系统的异步互联、多端直流输电和城市配电网增容等领域。

模块化多电平换流器作为实现柔性直流输电工程化的电压源型换流器拓扑之一近年来受到极大关注。该换流器主电路拓扑结构示意图如图1所示，换流器包括3个相单元（Phase Unit）1，每个相单元1包括2个桥臂2，一共含有6个桥臂2。每个桥臂2由n个相同的子模块3和1个换流电抗器4串联而成。如附图2所示，子模块3主要包括：两个IGBT开关管，包括第一开关管T1和第二开关管T2，与每个IGBT开关管反向并联的二极管D1和D2、与第二开关管T2反向并联的晶闸管D3、旁路开关K、均压电阻R、支撑电容C等。上层控制系统通过控制第一开关管T1和第二开关管T2的导通和关断，子模块3输出Uc或0（Uc为支撑电容C两端的电压，即直流侧电压）。其中，晶闸管D3主要是在直流侧发生短路故障后、断路器断开前这段时间内进行触发导通，以承担本应流过二极管的过电流，起到保护续流二极管的作用。旁路开关K能实现冗余子模块和故障子模块的快速切换，而且一旦闭合即不能通过控制断开，只有当换流器停电检修时通过手动复位。子模块3的工作状态共有三种：

（1）闭锁状态：第一开关管T1、第二开关管T2均关断，一般在启动前和严重故障时出现，正常运行时不出现；

（2）投入状态：第一开关管T1开通、第二开关管T2关断，此时子模块3输出电压为支撑电容C的电压；

（3）切出状态：第一开关管T1关断、第二开关管T2开通，通过控制各子模块3的投入和切出就可生成稳定的交流与直流输出电压，从而改变换流器的输出电压及功率等级。

由于模块化多电平换流器含有大量级联子模块，为了使换流器能在少量子模块发生故障情况下仍正常运行，必须设计相应的冗余保护。因此，在MMC-HVDC（Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current，模块化多电平换流器型高压直流输电）系统中换流器的上、下桥臂均设置一定数量（一个或少数几个）的冗余子模块，且通常将其置于冷备用状态。当监测和保护装置监测到某桥臂有子模块发生故障后，会发出报警信号，闭锁该故障子模块，并向其旁路开关K发出闭合指令。待旁路开关K有效闭合后，故障子模块将被旁路，系统降压降载运行；若需投入冗余子模块，则需跳开高压侧开关，让系统退出运行，然后再经过一个启动和功率提升阶段，降低了换流器的工作效率，这就限制了该方案的应用。因此需要设计一种适合模块化多电平换流器的冗余子模块投切方法。

在现有技术当中，由管敏渊等人于2011年08月25日刊登在《电力系统自动化》上的论文《模块化多电平换流器子模块故障特性和冗余保护》，其主要内容为：将少量冗余子模块置于热备用状态，保证以最快的速度接入桥臂来替换故障子模块；其余子模块被置于冷备用的闭锁状态，能可靠保护IGBT中没有电流流过。其实现框图如图3所示。

该方法的具体步骤为：

（1）设置冷热备用冗余子模块。在冗余子模块中选取1个或2～3个（因总的冗余子模块数量不同而定）置于热备用的切出状态；剩余冗余子模块置于冷备用闭锁状态，保证其IGBT中没有电流，用于可靠保护IGBT；

（2）热备用冗余子模块投入进行。一旦出现子模块故障，立即向故障子模块发出旁路指令并将故障子模块的触发信号施加给处于热备用的冗余子模块，该冗余子模块将经历一个电容充电过程后开始正常工作；

（3）冷备用冗余子模块进入热备用。先将冷备用闭锁状态的冗余子模块切换至冷备用切出状态，然后断开旁路开关使其进入热备用状态。