[发明专利]一种换流器模块单元、换流器、直流输电系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种换流器模块单元，基于该换流器模块单元的模块化多电平换流器、直流输电系统，以及前述换流器模块单元、模块化多电平换流器及直流输电系统的控制方法。

背景技术

柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源变流器。多电平技术是实现高压大容量电压源变流器的优选方案。相对于二电平换流器，多电平换流器可以使用低压器件实现高电压等级输出，而并不需要开关器件的直接串联。近几年来，模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的出现使多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用。模块化多电平换流器的换流器采用模块化设计，由若干个结构完全相同的基本单元模块串联构成，每一个模块称为换流器模块单元，通过增加换流器中的串联模块个数和电流水平，可以应用于不同的电压及功率等级场合。

然而传统的半桥模块单元存在无法有效处理直流故障的固有缺陷，当换流器直流侧发生故障时，由于全控器件的反并联续流二极管容易构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路，无法单纯依靠换流器动作完成直流侧故障电流的清除，只能依靠交流设备切断与交流系统的连接，但该方法存在响应速度较慢、重启动配合动作时序复杂、系统恢复时间较长等问题，限制了传统半桥模块换流器的工程应用。

为提高MMC换流器的直流故障穿越能力，基本模块结构演变出两种单元：全桥模块和箝位双模块，这两种模块单元均能实现换流器的直流故障清除与穿越，但都存在各自的不足：

全桥模块主要由四只全控开关和直流支撑电容组成，相较传统半桥模块，使用的开关器件多一倍，模块输出直流电容电压或旁路时均同时有两个全控开关流过电流，损耗也大一倍。

箝位双模块为两个传统半桥模块通过一个全控开关和两个箝位二极管级联而成，相较全桥模块有效减少了全控开关数量，降低了运行损耗，但该单元存在两方面的问题：一是当箝位双模块处在所有全控开关闭锁状态时，由于拓扑中二极管的结构不对称，在启动交流充电时每个桥臂的等效电容是不一致的，电容电压的上升速率不一致，从而使得整个换流器的高电位取能和监控的一致性较差，容易造成系统误判；二是在直流故障时，箝位双模块的两个直流支撑电容并联投入到交流系统电压和故障点之间，模块直流电压的上升较慢，清除故障的动态响应时间较长。

鉴于以上分析，本发明人对换流器模块单元的结构进行研究改进，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种换流器模块单元、换流器、直流输电系统及控制方法，其可提供良好的直流侧故障穿越性能，克服全桥模块和箝位双模块等结构的局限和不足，在经济性和技术性上均有较好表现。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种换流器模块单元，包括两个储能元件、5个开关模块和一个二极管，其中，第一开关模块的负极连接第二开关模块的正极，第一开关模块的正极连接第一储能元件的正极，第二开关模块的负极连接第一储能元件的负极；二极管的负极连接第一开关模块的正极，二极管的正极分别连接第二储能元件的负极及第四开关模块的负极，而第四开关模块的正极连接第三开关模块的负极，所述第二储能元件的正极连接第三开关模块的正极；所述第三开关模块的正极还连接第五开关模块的正极，而第五开关模块的负极连接第二开关模块的负极；并将第一开关模块的负极作为换流器模块单元的第一引出端，将第三开关模块的负极作为换流器模块单元的第二引出端。

上述各开关模块均包括开关管及与其反向并联的续流二极管，并以开关管的正极作为其所在开关模块的正极，以开关管的负极作为其所在开关模块的负极。

上述开关管采用可关断半导体器件。

上述开关管采用IGBT、IGCT、GTO或MOSFET；采用IGBT时，其集电极作为所述开关管的正极，其发射极作为所述开关管的负极；采用IGCT或GTO时，其阳极作为所述开关管的正极，其阴极作为所述开关管的负极；采用MOSFET时，其漏极作为所述开关管的正极，其源极作为所述开关管的负极。

上述储能元件采用电容。

一种如前所述的一种换流器模块单元的控制方法，控制换流器模块单元工作在以下六种工作状态：

正向电流充电状态：在正向电流下，控制第一、四、五开关模块中的开关管开通，控制第二、三开关模块中的开关管关断；

正向电流旁路状态：在正向电流下，控制第二、三、五开关模块中的开关管开通，控制第一、四开关模块中的开关管关断；