一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種模塊化多電平換流器新型子模塊 拓?fù)洹?br>【背景技術(shù)】
[0002] 柔性直流輸電技術(shù)為解決大型風(fēng)電場等可再生能源的并網(wǎng)瓶頸，為城市高壓電網(wǎng) 的增容改造、電網(wǎng)互聯(lián)及孤島供電提供了新手段和技術(shù)方案，具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，是改變 大電網(wǎng)發(fā)展格局的戰(zhàn)略選擇，已列入《國家能源科技"十二五"規(guī)劃》高性能輸變電關(guān)鍵設(shè) 備，是需要重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)的重大技術(shù)裝備。
[0003] 由于柔性直流輸電是從常規(guī)直流輸電的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此除了常規(guī)直流輸 電技術(shù)所具有的優(yōu)點(diǎn)，柔性直流輸電較之常規(guī)直流輸電還具有緊湊化、模塊化設(shè)計(jì)，易于移 動(dòng)、安裝、調(diào)試和維護(hù)，易于擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)多端直流輸電等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] MMC-HVDC (基于模塊化多電平換流器的直流輸電技術(shù)）是VSC-HVDC (電壓源換流 器型高壓直流輸電）中的一種新型結(jié)構(gòu)。和級聯(lián)H橋變流器相比，MMC保留了高度模塊化的 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)又具有一個(gè)高壓直流母線，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓、輸出電流的四象限運(yùn)行。和 傳統(tǒng)的二、三電平變流器相比，MMC不存在開關(guān)管串聯(lián)并聯(lián)的均壓、均流的問題。MMC的每個(gè) 子模塊結(jié)構(gòu)相對簡單，控制容易，可以無限擴(kuò)展，特別適用于HVDC領(lǐng)域。由于MMC將VSC的 兩電平或三電平提高到幾十電平甚至上百電平，從而在維持耐壓水平的基礎(chǔ)之上增大系統(tǒng) 電壓等級、大大減少了開關(guān)器件的開關(guān)頻率從而減小開關(guān)損耗、輸出電壓波形更趨近正弦 波從而進(jìn)一步減產(chǎn)諧波含量。同時(shí)，MMC采用完全一致的模塊化技術(shù)，其模塊化結(jié)構(gòu)使其可 擴(kuò)展性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)冗余控制，在研發(fā)、制造、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓以及減小環(huán)流方面有著重要 優(yōu)勢。
[0005] 在工程建設(shè)方面，南匯風(fēng)電場柔性輸電示范工程，作為我國第一個(gè)MMC工程，于 2011年7月完成工程驗(yàn)收，成為我國首條正式投入商用的基于MMC的HVDC輸電工程。同時(shí) 南網(wǎng)的大型風(fēng)電場柔性直流輸電工程和國網(wǎng)舟山五端柔性直流工程正在建設(shè)。
[0006] 傳統(tǒng)的MMC-HVDC工程通常采用直流電纜進(jìn)行傳輸，直流電纜安全穩(wěn)定性能較好， 但其價(jià)格較高，長距離輸電成本較高。而在大容量的傳輸中更多的采用價(jià)格便宜，散熱效果 更好架空線傳輸。而在架空線傳輸中，傳統(tǒng)的半橋結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上缺乏直流故障隔離能力：當(dāng) 直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，全控型開關(guān)器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管易構(gòu)成故障點(diǎn)交流系統(tǒng)直接連通 的能量饋送回路，必須通過跳開交流斷路器來將其切斷，其缺點(diǎn)在于機(jī)械響應(yīng)較慢（最快 也需2~3個(gè)周波），影響電力的正常傳輸，同時(shí)可能造成換流閥器件的過流和過壓。往往 需要采用增大設(shè)備額定參數(shù)、配置高速旁路開關(guān)等輔助性措施，因此該拓?fù)洳⒉贿m用于易 發(fā)生閃絡(luò)等暫時(shí)性故障的架空線路輸電，而需要鋪設(shè)造價(jià)昂貴、故障率低的電纜線路。
[0007] 因此，需要設(shè)計(jì)新的子模塊結(jié)構(gòu)，能夠有效的隔離直流故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對上面所述問題和在高壓大功率場合的應(yīng)用要求，本發(fā)明在原來半橋結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)上提出一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由串聯(lián)的半橋結(jié)構(gòu)和限流模塊組成， 新的改進(jìn)結(jié)構(gòu)不改變原有子模塊的結(jié)構(gòu)、控制策略和電容均壓方式，改進(jìn)串聯(lián)部分可以實(shí) 現(xiàn)單獨(dú)控制。新的改進(jìn)結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的故障穿越能力，在直流側(cè)故障時(shí)候，能夠有效隔離 故障電流。
[0009] 本發(fā)明技術(shù)方案：一種模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由半橋結(jié)構(gòu)和限流 模塊串聯(lián)組成；所述半橋結(jié)構(gòu)包括相互串聯(lián)的第一開關(guān)模塊、第二開關(guān)模塊和第一電容； 所述第一開關(guān)模塊的負(fù)極與第二開關(guān)模塊的正極相連；所述第一電容的正極和第一開關(guān)模 塊的正極相連，第一電容的負(fù)極和第二開關(guān)模塊的負(fù)極相連；
[0010] 所述限流模塊由第二電容、二極管和第三開關(guān)模塊組成；所述二極管的負(fù)級和第 二電容的正極相連，二極管的正極與第三開關(guān)模塊的正極相連，第三開關(guān)模塊的負(fù)極和第 二電容的負(fù)級相連，限流模塊的第二電容負(fù)級和第二開關(guān)模塊的負(fù)級相連；
[0011] 所述半橋結(jié)構(gòu)的第一開關(guān)模塊的負(fù)極與第二開關(guān)模塊的正極之間的節(jié)點(diǎn)為所述 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入端，限流模塊的第三開關(guān)模塊的正極和二極管正極之間的節(jié)點(diǎn)為所述拓?fù)?結(jié)構(gòu)的輸出端。
[0012] 進(jìn)一步的，所述第一開關(guān)模塊、第二開關(guān)模塊和第三開關(guān)模塊均由一個(gè)絕緣柵雙 極型晶體管和一個(gè)二極管反并聯(lián)組成。
[0013] 進(jìn)一步的，正常工作情況下，限流模塊中的第三開關(guān)模塊的絕緣柵雙極型晶體管 一直施加脈沖，使其一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而使得第二電容和二極管處于短路狀態(tài)，對輸出 無影響。
[0014] 基于模塊化多電平換流器子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種模塊化多電平換流器，包括 三個(gè)相單元，每一個(gè)相單元分上下橋臂，每個(gè)橋臂包括若干個(gè)串聯(lián)的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相 上下橋臂串聯(lián)的子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)量相同；上下橋臂分別串聯(lián)限流電抗器，每相從上至下 為：上橋臂所有子模塊、上橋臂電抗器、下橋臂電抗器、下橋臂所有子模塊；且每相上下橋 臂的連接處外接三相交流電壓，上橋臂最上面子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入端與直流正極相連， 下橋臂最下端子模塊輸出端與直流負(fù)極相連。
[0015] 進(jìn)一步的，在直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障，先檢測到故障電流， 然后關(guān)閉所有第一開關(guān)模塊和第二開關(guān)模塊的觸發(fā)信號，同時(shí)關(guān)斷限流模塊中的第三開關(guān) 模塊信號，電流從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出端進(jìn)入拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，通過限流模塊的二極管和第二電容 從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入端流出，而不再通過限流模塊的第三開關(guān)模塊和第一電容。該結(jié)構(gòu)能夠 通過電容削減故障電流，達(dá)到消除故障目的。半橋結(jié)構(gòu)所并聯(lián)電容不流經(jīng)電流，得到保護(hù)， 使得故障后可以快速恢復(fù)。
[0016] 進(jìn)一步的，當(dāng)所述的故障為直流永久性故障時(shí)，具體過程為：關(guān)斷第一開關(guān)模塊、 第二開關(guān)模塊和第三開關(guān)模塊中絕緣柵雙極型晶體管的觸發(fā)脈沖，然后斷開交流側(cè)斷路 器，進(jìn)行檢修，故障修復(fù)后，進(jìn)行重合閘，再開啟第一開關(guān)模塊、第二開關(guān)模塊和第三開關(guān)模 塊。
[0017] 進(jìn)一步的，當(dāng)所述的故障為直流暫時(shí)性故障時(shí)，具體過程為：關(guān)斷第一開關(guān)模塊、 第二開關(guān)模塊和第三開關(guān)模塊中絕緣柵雙極型晶體管的觸發(fā)脈沖，等待直流側(cè)故障電流為 零后，重新觸發(fā)第一開關(guān)模塊、第二開關(guān)模塊和第三開關(guān)模塊的絕緣柵雙極型晶體管，建立 直流側(cè)電壓，等待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
[0018] 本發(fā)明技術(shù)方案：本發(fā)明主要針對直流側(cè)雙極短路故障，研宄雙極短路故障下，故 障電流關(guān)斷機(jī)理，抑制措施。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1)在高壓大容量的傳輸過程中，能夠有效的抑制直流側(cè)故障 電流，無需交流斷路器動(dòng)作；2)該電路能夠有效的保護(hù)了原子模塊電容，在故障恢復(fù)后能 夠?qū)崿F(xiàn)快速的恢復(fù)；3