[发明专利]具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统柔性直流输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体将涉及一种具备直流故障穿越能力的柔性直流输电MMC换流阀拓扑。

背景技术

直流短路故障是MMC-HVDC系统最为常见的一种故障，传统基于半桥式子模块的MMC换流器在直流双极短路故障时无法通过闭锁子模块IGBT来切断交流系统向直流短路点的馈能回路，必须快速跳开交流断路器或直流隔离开关以清除故障电流，这不仅增加了系统成本，提高了对设备的技术要求，同时也降低了系统投运率，减慢了故障恢复速度。

目前工程上大多采用制造难度大、成本高的直流电缆敷设线路以降低直流故障发生率，但并不能从根本解决半桥式MMC换流器对直流故障的处理失效问题。鉴于此，通过换流器自身控制实现故障电流自清除成为一种最经济有效的方法，也使得寻找具有直流故障穿越能力的换流器拓扑成为研究趋势。

目前能够穿越直流故障的换流器拓扑有两大类，一类是基于IGBT串联开关与全桥子模块混联的混合式换流器拓扑，一类是由新型子模块拓扑，如全桥子模块或钳位双子模块级联的模块化多电平换流器拓扑。前者结构复杂，控制难度高，不利于工程实施。后者中全桥子模块式MMC除直流故障穿越能力外，还因子模块负电压特性能提高直流电压利用率，从而提升系统容量；钳位双子模块式MMC则具有较全桥子模块更少的器件数，经济性更高，但相比于半桥式MMC仍处于劣势。因此，非常有必要寻找一类优化的MMC拓扑，使其兼具直流故障穿越功能、高容量与低成本等优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的混合子模块式MMC换流器拓扑，其通过闭锁换流器在具有直流故障穿越能力的同时，还能满足系统高容量和低成本的要求。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

具备直流故障穿越能力的混合子模块式MMC换流器，包括三相共六个桥臂，每个桥臂均由m个半桥式子模块(HBSM)，n个全桥式子模块(FBSM)以及l个钳位双子模块(CDSM)级联构成。

在已知的系统有功功率P、无功功率Q、总容量S、直流电压U_dc以及受器件电流应力限制的桥臂电流I_arm等条件的约束下，计算电网相电压峰值(换算到阀侧)U_m＝S·U_dc/(3I_arm·U_dc-P)，并由此计算P、Q全额输出时系统满载调制度k；当k≤1时，全桥子模块数配置为n＝0；当k>1时，全桥子模块数n＝(k-1)·U_dc/2/U_c，其中U_c为子模块电容额定电压；考虑系统过载能力及电网电压波动范围。

l≥3Um/2/Uc-n.]]>

m＝U_dc/U_c-2l。

结合FBSM的高直流电压利用率、FBSM和CDSM共有的直流故障电流自清除以及HBSM的经济性优势，根据实际需求，对m、n以及l的数目进行优化选取，可以使该换流器应用于柔性直流输电系统，特别是对系统直流故障时投运率要求较高的场合，使其在具备直流故障穿越能力的同时，还能提升系统容量，节约经济成本。

附图说明

图1为混合子模块式MMC换流器及其子模块拓扑示意图；

图2(a)、(b)、(c)分别为半桥子模块、全桥子模块、钳位双子模块在直流故障电流下闭锁时的等效电路(箭头表示电流流向，粗线条表示电流路径)；

图3(a)、(b)为桥臂电压与直流电压关系图；

图4为直流双极短路故障电流回路示意图；

图5为直流双极短路故障仿真波形；

图6为混合子模块式MMC与半桥子模块式MMC仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。