[发明专利]双向功率阀及其控制方法和使用其的混合多端高压直流系统

说明书

提供用于发生在高压直流导体中的电流的双向功率阀(1)、用于其的控制方法以及采用双向功率阀的混合多端高压直流系统。双向功率阀(1)包括第一导通方向(D1)的第一功率二极管布置(10)，第二导通方向(D2)的第二功率二极管(11)布置；与第二功率二极管(11)串联连接的机械隔离开关(12)；其中：第一功率二极管布置(10)与串联连接的第二功率二极管布置(11)和机械隔离开关(12)并联连接；并且第一功率二极管布置(10)的第一导通方向(D1)与第二功率二极管布置(11)的第二导通方向(D2)彼此相反。可以以对开关事件定时精度更低要求来实现电流的换向和重换向，这使得机械隔离开关(12)和功率二极管的使用成为可能。因而这将导致成本和功率传输损耗显著降低。

技术领域

本发明涉及一种功率阀，更具体地涉及一种双向功率阀、其控制方法、以及采用双向功率阀的混合多端高压直流系统(HVDC)。

背景技术

已知功率二极管可以用于高压直流(HVDC)系统，以允许直流电流通过直流(DC)输电线在一个方向上传递到逆变器，且阻断在相反方向上的直流电流。阻断在相反方向上的直流电流对去除发生在直流输电线上的故障电流很重要，故障电流通常为短路接地的结果。

在论文“A LCC and MMC hybrid HVDC topology with DC line faultclearance capability”,Geng Tang and Zheng Xu,Volume 62,November 2014,International Journal of Electrical Power&Energy Systems中描述这种功率二极管布置。论文提出了一种混合多端HVDC系统(混合MTDC系统)，其中整流器采用电网换相变流器(LCC)且逆变器采用两个电压源变流器(VSC)。系统提供直流输电线故障消除能力，适合于大功率传输。用安装在靠近逆变器处架空线(直流输电线)上的功率二极管可以实现对直流输电线故障的弹性。直流输电线故障的仿真结果确认了所安装的功率二极管可阻断故障电流路径的可行性。由于在VSC之间放置了功率二极管，在两个VSC之间不可能完成功率支撑，因而混合MTDC系统的灵活性下降。

针对功率二极管可能需要旁路电路，用于在反向偏置的功率二极管处在相反方向上旁路直流电流。旁路电路和功率二极管组成了一个双向功率阀。专利EP 2790285公开了电路拓扑的一个示例。具体地，考虑到其关于图1的描述，教导了一种双向功率阀(双向开关)，双向功率阀由一对反向平行连接的晶闸管组成，晶闸管中的第一晶闸管用作到晶闸管中的第二晶闸管的旁路电路，并且能够导通相对于第二晶闸管在相反方向上旁路直流电流。技术人员应当明白，当第二晶闸管用导通方向相同的功率二极管代替时，第一晶闸管也可以旁路反向的直流电流而操作。

尽管这类三端功率半导体设备(例如晶闸管、IGBT等)几乎瞬时响应控制要求，但是它们也带来了相对成本高的缺点，并且当直流电流流过三端功率半导体设备时也有传输损耗。

与晶闸管相比，二极管由于制造简单且不需要控制而具有明显低的成本。尽管二极管不可以控制电气导通，但它可以阻断来自一个方向上的电流。此外，二极管的功率损耗部分少于晶体管的功率损耗。机械隔离开关具有比上述两种半导体设备明显低的功率损耗和成本。除此之外，机械隔离开关也具有导通和关断功能，尽管动作不能在电流流过时实施。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供用于发生在高压直流导体中的电流的双向功率阀，双向功率阀包括：第一导通方向的第一功率二极管布置；第二导通方向的第二功率二极管布置；与第二功率二极管布置串联连接的机械隔离开关；其中：第一功率二极管布置与串联连接的第二功率二极管布置和机械隔离开关并联连接；并且第一功率二极管布置的第一导通方向与第二功率二极管布置的第二导通方向彼此相反。