本發(fā)明屬于柔性直流輸配電，具體為一種基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器。

背景技術(shù)：

1、柔性直流輸電系統(tǒng)與常規(guī)的基于晶閘管換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)相比運行方式更加靈活，是輸送新能源電力的重要手段。為了發(fā)展遠距離柔性直流輸電技術(shù)，必須實現(xiàn)快速直流故障清除。然而目前高壓直流斷路器技術(shù)還不夠成熟且成本較高，開斷能力也還有限，故仍然難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2、采用全橋型子模塊的模塊化多電平換流器(modular?multilevel?converter,mmc)是最典型的具備直流故障清除能力的改進型mmc拓撲，然而其成本和損耗相對半橋型mmc過高。為了既利用全橋型子模塊的優(yōu)點，同時又避免全部采用全橋子模塊帶來的高成本、高損耗問題，將半橋型與全橋型子模塊摻雜使用的混合型mmc得到了更多的關(guān)注?；旌闲蚼mc相較于全橋mmc而言，成本和損耗顯著降低，但仍然保留了后者的直流故障清除能力以及調(diào)制比可以大于1的特性。

3、混合型mmc的直流故障清除能力嚴(yán)重受限于全橋子模塊的數(shù)量?；旌闲蚼mc需要高比例的全橋子模塊(為了保證直流故障電流清除能力，一般在50％及以上)，導(dǎo)致其成本和功率損耗很高，且因為子模塊電容需要在故障清除期間吸收大量能量，當(dāng)直流輸電線路較長時還可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的全橋子模塊子模塊過電壓問題。

4、可見，現(xiàn)有依靠換流器的故障清除方案大多僅僅是“能夠”清除直流故障，但是還做不到“快速”清除。并且現(xiàn)有方案中具備較強直流故障清除能力的換流器，其成本和損耗均較高，難于實用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出了一種基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，通過晶閘管換流電路來改變換流器內(nèi)部的故障電流路徑，以增強混合型mmc的直流故障電流清除能力。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，包括三相電路，每相電路包含上下兩個橋臂，所述上橋臂從高壓端至低壓端依次由n1個半橋子模塊、n2個全橋子模塊以及一個橋臂電抗器串聯(lián)構(gòu)成；所述下橋臂從高壓端至低壓端依次由一個橋臂電抗器、n2個全橋子模塊以及n1個半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，n1和n2均為大于1的自然數(shù)；每個橋臂中，串聯(lián)在一起的半橋子模塊兩端并聯(lián)了一條晶閘管支路，所述晶閘管支路包括若干個串聯(lián)的晶閘管，晶閘管支路的一端接到相鄰直流側(cè)，另外一端接在半橋子模塊和全橋子模塊的交界處，所述直流側(cè)依次串聯(lián)快速機械開關(guān)以及負載轉(zhuǎn)移開關(guān)后與直流線路相連接；

3、在正常運行時，直流側(cè)的快速機械開關(guān)和負載轉(zhuǎn)移開關(guān)保持導(dǎo)通，所有晶閘管支路保持關(guān)斷，各相橋臂通過子模塊的投入和切出控制其輸出電壓；

4、若直流側(cè)發(fā)生故障，將全橋子模塊和半橋子模塊閉鎖來限制故障電流，利用負載轉(zhuǎn)移開關(guān)將故障電流從半橋子模塊轉(zhuǎn)移到晶閘管中，以重構(gòu)故障電流路徑，使得半橋子模塊和全橋子模塊能夠在故障電流路徑中提供反電勢，從而清除直流故障電流。

5、優(yōu)選地，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障，具體的處理過程如下：

6、在檢測到直流側(cè)發(fā)生短路故障后，閉鎖所有全橋子模塊和半橋子模塊，在橋臂電流變?yōu)樨撘院笥|發(fā)相電壓最低的上晶閘管支路和相電壓最高的下晶閘管支路，同時將與這兩個晶閘管支路并聯(lián)的半橋子模塊全部旁路，并打開直流側(cè)負載轉(zhuǎn)移開關(guān)；

7、快速機械開關(guān)在零電流的情況下快速斷開，待快速機械開關(guān)的絕緣電壓高于單個橋臂中半橋子模塊電壓后，所有半橋子模塊也再次閉鎖；在此后的一段時間內(nèi)，晶閘管支路交替換流，上晶閘管支路中相電壓較低相導(dǎo)通，下晶閘管支路中相電壓較高相導(dǎo)通；半橋子模塊和全橋子模塊在故障電流路徑中提供總大小為兩倍額定直流電壓的反電勢，這個反電勢迅速清除直流故障電流。

8、優(yōu)選地，全橋子模塊占所有子模塊的比例根據(jù)三相交流電壓來設(shè)計，即一個上橋臂和一個下橋臂中全橋子模塊電壓之和應(yīng)設(shè)置為三相交流電壓經(jīng)過二極管全橋不控整流后形成的直流電壓的平均值左右。

9、優(yōu)選地，每個晶閘管支路的電壓應(yīng)力為所并聯(lián)的橋臂內(nèi)半橋子模塊電壓之和。

10、優(yōu)選地，所述快速機械開關(guān)最大電流應(yīng)力為直流故障電流。

11、優(yōu)選地，每個負載轉(zhuǎn)移開關(guān)由兩個反向串聯(lián)的igbt組成，其最大電流應(yīng)力為直流故障電流。

12、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

13、本發(fā)明提出利用晶閘管換流來清除mmc的直流故障電流，降低了混合型mmc對全橋子模塊比例的需求，從而降低了成本和功率損耗，同時增強了混合型mmc的直流故障清除能力，本發(fā)明提出的方案有效緩解了故障清除中的全橋子模塊過電壓問題。

14、本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分的從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，其特征在于，包括三相電路，每相電路包含上下兩個橋臂，所述上橋臂從高壓端至低壓端依次由n1個半橋子模塊、n2個全橋子模塊以及一個橋臂電抗器串聯(lián)構(gòu)成；所述下橋臂從高壓端至低壓端依次由一個橋臂電抗器、n2個全橋子模塊以及n1個半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成，n1和n2均為大于1的自然數(shù)；每個橋臂中，串聯(lián)在一起的半橋子模塊兩端并聯(lián)了一條晶閘管支路，所述晶閘管支路包括若干個串聯(lián)的晶閘管，晶閘管支路的一端接到相鄰直流側(cè)，另外一端接在半橋子模塊和全橋子模塊的交界處，所述直流側(cè)依次串聯(lián)快速機械開關(guān)以及負載轉(zhuǎn)移開關(guān)后與直流線路相連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，其特征在于，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障，具體的處理過程如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，其特征在于，全橋子模塊占所有子模塊的比例根據(jù)三相交流電壓來設(shè)計，即一個上橋臂和一個下橋臂中全橋子模塊電壓之和設(shè)置為三相交流電壓經(jīng)過二極管全橋不控整流后形成的直流電壓的平均值。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，其特征在于，每個晶閘管支路的電壓應(yīng)力為所并聯(lián)的橋臂內(nèi)半橋子模塊電壓之和。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，其特征在于，所述快速機械開關(guān)最大電流應(yīng)力為直流故障電流。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器，其特征在于，每個負載轉(zhuǎn)移開關(guān)由兩個反向串聯(lián)的igbt組成，其最大電流應(yīng)力為直流故障電流。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于晶閘管換流電路輔助的混合型模塊化多電平換流器(Modular?multilevel?converter,MMC)，在混合型MMC的基礎(chǔ)上，為每個橋臂中的串聯(lián)半橋子模塊并聯(lián)了晶閘管支路(由若干個串聯(lián)的晶閘管構(gòu)成)，晶閘管支路的一端接到相鄰直流側(cè)，另外一端接在半橋子模塊和全橋子模塊的交界處，并在直流側(cè)依次串聯(lián)快速機械開關(guān)以及負載轉(zhuǎn)移開關(guān)后與直流線路相連接。發(fā)生直流短路故障后，本發(fā)明可以快速動態(tài)調(diào)整故障電流路徑，使得半橋子模塊和全橋子模塊都能夠參與清除直流故障電流。本發(fā)明能夠顯著提升混合型MMC的故障電流清除速度，降低對于全橋子模塊的需求。因此，本發(fā)明的成本和損耗也將低于常規(guī)混合型MMC。此外，因為半橋子模塊也參與了直流故障清除和能量吸收，所以全橋子模塊過電壓問題也得到了有效緩解。

技術(shù)研發(fā)人員：方雄風(fēng),余東偉,李磊,汪誠
受保護的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19