一種換流器模塊單元、換流器、直流輸電系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于柔性直流輸電領(lǐng)域，特別涉及一種換流器模塊單元，基于該換流器模塊單元的模塊化多電平換流器、直流輸電系統(tǒng)，以及前述換流器模塊單元、模塊化多電平換流器及直流輸電系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性直流輸電系統(tǒng)的核心是基于全控器件的電壓源變流器。多電平技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高壓大容量電壓源變流器的優(yōu)選方案。相對(duì)于二電平換流器，多電平換流器可以使用低壓器件實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)輸出，而并不需要開關(guān)器件的直接串聯(lián)。近幾年來(lái)，模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)的出現(xiàn)使多電平換流器在柔性直流輸電領(lǐng)域也得到了成功的應(yīng)用。模塊化多電平換流器的換流器采用模塊化設(shè)計(jì)，由若干個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的基本單元模塊串聯(lián)構(gòu)成，每一個(gè)模塊稱為換流器模塊單元，通過(guò)增加換流器中的串聯(lián)模塊個(gè)數(shù)和電流水平，可以應(yīng)用于不同的電壓及功率等級(jí)場(chǎng)合。
[0003]然而傳統(tǒng)的半橋模塊單元存在無(wú)法有效處理直流故障的固有缺陷，當(dāng)換流器直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，由于全控器件的反并聯(lián)續(xù)流二極管容易構(gòu)成故障點(diǎn)與交流系統(tǒng)直接連通的能量饋送回路，無(wú)法單純依靠換流器動(dòng)作完成直流側(cè)故障電流的清除，只能依靠交流設(shè)備切斷與交流系統(tǒng)的連接，但該方法存在響應(yīng)速度較慢、重啟動(dòng)配合動(dòng)作時(shí)序復(fù)雜、系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，限制了傳統(tǒng)半橋模塊換流器的工程應(yīng)用。
[0004]為提高M(jìn)MC換流器的直流故障穿越能力，基本模塊結(jié)構(gòu)演變出兩種單元:全橋模塊和箝位雙模塊，這兩種模塊單元均能實(shí)現(xiàn)換流器的直流故障清除與穿越，但都存在各自的不足:
[0005]全橋模塊主要由四只全控開關(guān)和直流支撐電容組成，相較傳統(tǒng)半橋模塊，使用的開關(guān)器件多一倍，模塊輸出直流電容電壓或旁路時(shí)均同時(shí)有兩個(gè)全控開關(guān)流過(guò)電流，損耗也大一倍。
[0006]箝位雙模塊為兩個(gè)傳統(tǒng)半橋模塊通過(guò)一個(gè)全控開關(guān)和兩個(gè)箝位二極管級(jí)聯(lián)而成，相較全橋模塊有效減少了全控開關(guān)數(shù)量，降低了運(yùn)行損耗，但該單元存在兩方面的問(wèn)題:一是當(dāng)箝位雙模塊處在所有全控開關(guān)閉鎖狀態(tài)時(shí)，由于拓?fù)渲卸O管的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，在啟動(dòng)交流充電時(shí)每個(gè)橋臂的等效電容是不一致的，電容電壓的上升速率不一致，從而使得整個(gè)換流器的高電位取能和監(jiān)控的一致性較差，容易造成系統(tǒng)誤判；二是在直流故障時(shí)，箝位雙模塊的兩個(gè)直流支撐電容并聯(lián)投入到交流系統(tǒng)電壓和故障點(diǎn)之間，模塊直流電壓的上升較慢，清除故障的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。
[0007]鑒于以上分析，本發(fā)明人對(duì)換流器模塊單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究改進(jìn)，本案由此產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的，在于提供一種換流器模塊單元、換流器、直流輸電系統(tǒng)及控制方法，其可提供良好的直流側(cè)故障穿越性能，克服全橋模塊和箝位雙模塊等結(jié)構(gòu)的局限和不足，在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性上均有較好表現(xiàn)。
[0009]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0010]一種換流器模塊單元，包括兩個(gè)儲(chǔ)能元件、5個(gè)開關(guān)模塊和一個(gè)二極管，其中，第一開關(guān)模塊的負(fù)極連接第二開關(guān)模塊的正極，第一開關(guān)模塊的正極連接第一儲(chǔ)能元件的正極，第二開關(guān)模塊的負(fù)極連接第一儲(chǔ)能元件的負(fù)極；二極管的負(fù)極連接第一開關(guān)模塊的正極，二極管的正極分別連接第二儲(chǔ)能元件的負(fù)極及第四開關(guān)模塊的負(fù)極，而第四開關(guān)模塊的正極連接第三開關(guān)模塊的負(fù)極，所述第二儲(chǔ)能元件的正極連接第三開關(guān)模塊的正極；所述第三開關(guān)模塊的正極還連接第五開關(guān)模塊的正極，而第五開關(guān)模塊的負(fù)極連接第二開關(guān)模塊的負(fù)極；并將第一開關(guān)模塊的負(fù)極作為換流器模塊單元的第一引出端，將第三開關(guān)模塊的負(fù)極作為換流器模塊單元的第二引出端。
[0011]上述各開關(guān)模塊均包括開關(guān)管及與其反向并聯(lián)的續(xù)流二極管，并以開關(guān)管的正極作為其所在開關(guān)模塊的正極，以開關(guān)管的負(fù)極作為其所在開關(guān)模塊的負(fù)極。
[0012]上述開關(guān)管采用可關(guān)斷半導(dǎo)體器件。
[0013]上述開關(guān)管采用IGBT、IGCT、GTO或MOSFET ;采用IGBT時(shí)，其集電極作為所述開關(guān)管的正極，其發(fā)射極作為所述開關(guān)管的負(fù)極；采用IGCT或GTO時(shí)，其陽(yáng)極作為所述開關(guān)管的正極，其陰極作為所述開關(guān)管的負(fù)極；采用MOSFET時(shí)，其漏極作為所述開關(guān)管的正極，其源極作為所述開關(guān)管的負(fù)極。
[0014]上述儲(chǔ)能元件采用電容。
[0015]一種如前所述的一種換流器模塊單元的控制方法，控制換流器模塊單元工作在以下六種工作狀態(tài):
[0016]正向電流充電狀態(tài):在正向電流下，控制第一、四、五開關(guān)模塊中的開關(guān)管開通，控制第二、三開關(guān)模塊中的開關(guān)管關(guān)斷；
[0017]正向電流旁路狀態(tài):在正向電流下，控制第二、三、五開關(guān)模塊中的開關(guān)管開通，控制第一、四開關(guān)模塊中的開關(guān)管關(guān)斷；
[0018]負(fù)向電流放電狀態(tài):在負(fù)向電流下，控制第一、四、五開關(guān)模塊中的開關(guān)管開通，控制第二、三開關(guān)模塊中的開關(guān)管關(guān)斷；
[0019]負(fù)向電流旁路狀態(tài):在負(fù)向電流下，控制第二、三、五開關(guān)模塊中的開關(guān)管開通，控制第一、四開關(guān)模塊中的開關(guān)管關(guān)斷；
[0020]正向電流閉鎖狀態(tài):在正向電流下，控制5個(gè)開關(guān)模塊中的開關(guān)管全部關(guān)斷；
[0021]負(fù)向電流閉鎖狀態(tài):在負(fù)向電流下，控制5個(gè)開關(guān)模塊中的開關(guān)管全部關(guān)斷。
[0022]一種模塊化多電平換流器，包括上橋臂和下橋臂，所述上、下橋臂均包括有相互級(jí)聯(lián)的至少兩個(gè)如前所述的換流器模塊單元，所述同一橋臂中的所有換流器模塊單元同向連接，上橋臂中第一個(gè)換流器模塊單元的第一引出端作為該模塊化多電平換流器的正極點(diǎn)，下橋臂中最后一個(gè)換流器模塊單元的第二引出端作為該模塊化多電平換流器的負(fù)極點(diǎn)，所述正、負(fù)極點(diǎn)均用以接入直流網(wǎng)絡(luò)中；而上橋臂中最后一個(gè)換流器模塊單元的第二引出端與下橋臂中第一個(gè)換流器模塊單元的第一引出端相互連接，作為該模塊化多電平換流器的交流端點(diǎn)，用以接入交流網(wǎng)絡(luò)中。
[0023]上述上、下橋臂中分別串聯(lián)有至少一個(gè)電抗器。
[0024]上述上、下橋臂中，每個(gè)換流器模塊單元的第一、二引出端之間還并聯(lián)旁路裝置。
[0025]一種單極直流輸電系統(tǒng)，包括整流器和逆變器，所述整流器由三個(gè)如前所述的一種模塊化多電平換流器并聯(lián)構(gòu)成，該三個(gè)模塊化多電平換流器的交流端點(diǎn)分別連接交流系統(tǒng)或負(fù)載的三相；所述逆變器由另外三個(gè)如前所述的一種模塊化多電平換流器并聯(lián)構(gòu)成，該三個(gè)模塊化多電平換流器的交流端點(diǎn)分別連接交流系統(tǒng)或負(fù)載的三相；所述整流器中三個(gè)模塊化多電平換流器的正極點(diǎn)與逆變器中三個(gè)模塊化多電平換流器的正極點(diǎn)通過(guò)直流連接進(jìn)行連接，整流器中三個(gè)模塊化多電平換流器的負(fù)極點(diǎn)與逆變器中三個(gè)模塊化多電平換流器的負(fù)極點(diǎn)也通過(guò)直流連接進(jìn)行連接。
[0026]一種如前所述的一種單極直流輸電系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟:
[0027](al)判斷直流側(cè)是否故障，若故障則轉(zhuǎn)步驟(a2)；
[0028](a2)當(dāng)出現(xiàn)直流故障時(shí)，對(duì)故障所在極的每個(gè)換流器模塊單元中的開關(guān)管加關(guān)斷信號(hào);
[0029](a3)待直流故障消除后，重新啟動(dòng)各換流器模塊單元。
[0030]一種雙極直流輸電系統(tǒng)，包括整流側(cè)和逆變側(cè)