[发明专利]换流器、基于半VSC三极直流系统及其故障转移控制方法

说明书

本发明公开一种换流器、基于半VSC三极直流系统及其故障转移控制方法，由3个1/2 VSC构成的交流侧接地三极直流系统，每个1/2 VSC采用具有输出全电平数组合的高效率全电平子模块级联而成。这种三极结构直流系统有正常双极运行模式、单极(正极或负极)运行模式、两单极并联运行模式，而每个1/2 VSC有功率传输和动态无功补偿两种运行状态。通过对1/2 VSC的控制和运行模式的灵活转换，将直流侧故障瞬态能量逆变转移到交流电网，消除故障极的1/2 VSC对其他极的影响，确保故障期间通过其他1/2 VSC进行正常的功率传输，保障了供电的连续性和稳定性，较大程度提升现有交流线路的输电容量，以缓解输电网输电能力的欠缺，潮流拥塞等问题，有利于交直流系统长期稳定运行。

技术领域

本发明属于电力系统直流输配电领域，具体涉及到一种换流器、基于半VSC三极直流系统及其故障转移控制方法。

背景技术

在电力系统输配电领域，随着光伏、风电等新能源并网和储能接入以及电动汽车等间歇性负荷的规模越来越大，需要采用灵活的方式接入传统交流输配电网中。基于电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)的高压直流输配电技术具备有功功率、无功功率可独立灵活控制，可向无源系统供电，波形质量好，潮流翻转时电压极性不需要改变等特点，为大规模可再生能源接入提供了有效解决方案。其中，最具代表性的是采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为换流器的柔性直流电网技术，该技术可以有效的综合各种新能源、负荷的分布特性进行多元互补，是实现大规模新能源消纳的有效手段。

直流电网具有“低惯量、低阻抗”的特性，在发生直流侧短路故障后，故障电流上升快、幅值大，严重危害系统设备的安全运行，需要在几个毫秒内完成对故障的检测和隔离。由于直流电流不存在自然过零点，需要高压大容量直流断路器。常见的直流侧故障处理方法主要有三种：(1)利用交流断路器切断交直流系统的连接，然而开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，无法满足要求；(2)跳开直流断路器以隔离直流侧短路故障点，但直流断路器装置成本高，且目前尚无实用可靠的高压直流断路器装置；(3)借助MMC自身控制实现直流侧短路故障的自清除，但仍需要闭锁子模块和换流器，导致直流电网功率传输的中断，待故障清除后才能重新恢复。由此可见，目前的直流侧短路故障处理技术尚不成熟，阻碍了柔性直流电网技术的大规模应用。

若直流故障电流上升越快，则故障处理执行部分动作时的故障电流越大，开断难度也就越大，因此，采用合理的接地方式和限流参数配置，能够抑制直流故障电流的上升速度，有助于降低对装置的直流开断速度和容量的要求。例如：通过配置直流平波电抗器和接地电阻能够分别降低直流故障电流的上升速度和稳态值，然而为了不影响换流器的控制特性这两个参数不宜过大，因此这种措施是受限的。由于交流电网接地方式和换流变压器接线方式的不同，根据需要直流电网有交流侧接地和直流侧接地两种接地方式，这两种接地方式下都可以适当的配置接地电阻，在一定程度上能够增大直流单极接地故障的回路阻抗从而减小故障电流的瞬态值和稳态值，但对直流电网极间短路故障不起作用。

受限于现行的直流故障电流限流和开断技术，直流电网的故障穿越能力不足，其供电的连续性和可靠性无法达到传统交流电网的水平。为了降低故障率，提高供电可靠性，现行柔性直流电网中多采用电力电缆，而未来将不可避免的需要应用于采用架空线的场合，这将对直流电网的故障穿越能力和可靠连续供电提出了更高的要求。

发明内容