CN103701145B - 一种基于混杂式mmc的混合型直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统，包括整流换流站和逆变换流站，其中逆变换流站采用混杂式MMC。本发明直流输电系统具有有功无功解耦控制能力，并能够向无源网络输电，同时不存在换相失败风险且具有直流故障自清除能力；在送端交流系统发生接地故障情况下，本发明混杂式MMC利用全桥子模块能够输出负电平的能力，在保证系统可控、稳定的前提下，能够降低其输出的直流电压，使其与整流站的直流电压相配合，维持直流功率继续传输；混杂式MMC中两类子模块个数比例的优化能够使得混杂式模块化多电平换流器在满足直流系统稳态和暂态运行要求下，较大程度地降低电力电子器件的使用个数，减少投资成本。

Description

一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统。

背景技术

基于LCC（电网换相换流器）的传统高压直流输电系统（LCC-HVDC）具有造价低、损耗小、可靠性高等优点，目前已在海底电缆送电、大容量远距离输电、异步电网互联等场合得到了广泛应用。但是，LCC-HVDC逆变侧存在换相失败的风险，且不适合向弱交流系统或无源网络送电，限制了其进一步发展。

由两电平VSC（基于全控型电力电子器件的电压源型换流器）或模块化多电平换流器（MMC）构成的高压直流输电系统具有独立控制有功无功、不存在换相失败、可为无源孤岛供电等诸多优点，具有较好的发展前景。但是，VSC类换流器与LCC相比存在运行损耗大、制造成本高等缺点。因此，整合LCC和VSC两者优势的混合直流输电系统引起了学者们的广泛关注。

李广凯等人在标题为新型混合直流输电方式的研究（电网技术，2006，30(4)：82-86）的文献中利用LCC和两电平VSC的优势互补，提出了LCC-VSC直流输电系统。徐政等人在专著《柔性直流输电系统》中，针对MMC无法处理直流故障的问题，一方面通过引入CMMC（基于钳位双子模块的模块化多电平换流器），提出了LCC-CMMC混合直流输电系统；另一方面，通过加装大功率二极管，提出了LCC-二极管-MMC混合直流输电系统，能够较好地处理直流故障。

但是，目前提出的这些混合拓扑都忽视了一个问题：当LCC所在的送端交流系统发生故障，尤其是较严重的接地故障时，LCC输出的直流电压将随交流电压发生下降。然而，上述的VSC类换流器由于受系统稳定运行的限制，直流电压不能出现较大幅度的减小。因而，在送端交流系统电压跌落较多的情况下，将出现整流站输出的最大直流电压小于逆变站的现象，同时，由于LCC的单向导通性，直流电流将快速下降至0，出现功率中断。功率中断时间与交流系统故障时间相同，危害性更胜于换相失败。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统，能够向无源负荷输电，无换相失败风险，具有直流线路故障自清除能力，在送端交流发生故障时，仍具有继续传输功率的能力。

一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统，包括：与送端交流电网连接的整流换流站以及与受端交流电网连接的逆变换流站，所述的整流换流站通过直流输电线路与逆变换流站连接；

所述的整流换流站和逆变换流站均包括有与对应交流电网连接的交流母线以及通过换流变压器与交流母线连接的换流单元；

整流换流站的换流单元采用晶闸管换流器，其用于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电，并通过直流输电线路将该直流电输送至逆变换流站；

逆变换流站的换流单元采用MMC，其用于将所述的直流电转换为三相交流电并输入受端交流电网；其中，MMC每个桥臂均由N个半桥子模块和M个全桥子模块混合级联构成并串接有桥臂电抗器，N和M均为大于0的自然数。

优选地，所述的直流输电线路两端对应与整流换流站和逆变换流站之间均设有平波电抗器；其用于平滑直流电流，缓解故障情况下直流电流的大幅度波动，减少来自线路上的操作过电压或雷击过电压对阀厅的损害。

优选地，所述的整流换流站的交流母线上挂接有交流滤波器和无功补偿器；滤波器能够滤除整流换流站产生的谐波，无功补偿器能够补偿整流换流站对无功功率的需求。

所述的晶闸管换流器为十二脉动桥式晶闸管换流器。

所述的换流变压器用于将交流电网的三相交流电进行电压等级变换；承受直流偏置电压，并起到隔离直流偏置电压进入交流电网以及隔离零序分量的作用。

所述的半桥子模块由两个IGBT管T₁～T₂和电容C₁构成；其中，IGBT管T₁的集电极与电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与IGBT管T₂的发射极相连且为半桥子模块的低压端，IGBT管T₂的集电极与IGBT管T₁的发射极相连且为半桥子模块的高压端；两个IGBT管T₁～T₂的基极均接收外部设备提供的控制信号。

所述的全桥子模块由四个IGBT管G₁～G₄和电容C₂构成；其中，IGBT管G₁的集电极与IGBT管G₂的集电极和电容C₂的一端相连，IGBT管G₁的发射极与IGBT管G₃的集电极相连且为全桥子模块的高压端，IGBT管G₃的发射极与IGBT管G₄的发射极和电容C₂的另一端相连，IGBT管G₂的发射极与IGBT管G₄的集电极相连且为全桥子模块的低压端；四个IGBT管G₁～G₄的基极均接收外部设备提供的控制信号。

所述的半桥子模块的个数N满足以下关系式：

$N=Z\left(\frac{1}{2}(1+\mathrm{\η})N_s\right),N_s=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_c}$

其中：为大于的最小整数，η为电压比例系数(一般可取0.1～0.2)，U_dc为直流输电线路的额定直流电压，U_c为半桥子模块或全桥子模块中的额定电容电压。

所述的全桥子模块的个数M满足以下关系式：

$M=W\left(\frac{1}{2}(m-\mathrm{\η})N_s\right)+1,m=\frac{U_m}{U_{\mathrm{dc}}/2},N_s=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_c}$

其中：为小于的最大整数，η为电压比例系数，U_dc为直流输电线路的额定直流电压，m为电压调制比，U_c为半桥子模块或全桥子模块中的额定电容电压，U_m为MMC交流侧输出相电压的幅值。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明的混合型直流输电系统逆变站能够实现有功功率、无功功率解耦控制，能够向无源网络供电，同时不存在换相失败风险。

（2）在直流线路发生接地故障时，本发明晶闸管换流器通过强制移相使其进入逆变运行方式，混杂式MMC利用全桥子模块的直流电流闭锁能力，实现直流故障隔离，因而，本发明的混合型直流输电系统具有直流故障自清除能力。

（3）在送端交流系统发生接地故障情况下，本发明混杂式MMC利用全桥子模块能够输出负电平的能力，在保证系统可控、稳定的前提下，能够降低其输出的直流电压，使其与整流站的直流电压相配合，维持直流功率继续传输。

（4）本发明混杂式MMC中两类子模块个数比例的优化能够使得混杂式MMC在满足直流系统稳态和暂态运行要求下，较大程度地降低电力电子器件的使用个数，减少投资成本。

附图说明

图1为本发明混合型直流输电系统的结构示意图。

图2为十二脉动桥式晶闸管换流器结构示意图。

图3为本发明混杂式MMC的结构示意图。

图4(a)为正向电流流向下半桥子模块闭锁状态时的等效电路图。

图4(b)为反向电流流向下半桥子模块闭锁状态时的等效电路图。

图4(c)为正向电流流向下全桥子模块闭锁状态时的等效电路图。

图4(d)为反向电流流向下全桥子模块闭锁状态时的等效电路图。

图4(e)为正向电流流向下MMC桥臂的等效电路图。

图4(f)为反向电流流向下MMC桥臂的等效电路图。

图4(g)为闭锁状态下交流系统馈入直流网络的路径示意图。

图5(a)为本发明送端交流系统电压瞬时值的响应曲线。

图5(b)为本发明送端交流系统电压有效值的响应曲线。

图5(c)为本发明逆变换流站直流侧电压的响应曲线。

图5(d)为本发明直流电流响应曲线。

图6(a)为本发明故障点的直流电压响应曲线。

图6(b)为本发明故障点对地的电流响应曲线。

图6(c)为本发明流入逆变换流站的直流电流响应曲线。

图6(d)为本发明晶闸管换流器的触发角响应曲线。

图6(e)为本发明桥臂子模块电容电压响应曲线。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统包括与送端交流系统连接的整流换流站和与受端交流系统连接的逆变换流站。整流换流站和逆变换流站均包括有一交流母线和换流单元，换流单元通过换流变压器挂接于交流母线上。整流换流站的交流母线上挂接有交流滤波器和无功补偿器。分别用于滤除整流换流站产生的谐波，和补偿整流换流站对无功功率的需求。

整流换流站的换流变压器为一台接线方式为Y₀/Y/Δ的三绕组变压器或由两台接线方式分别为Y₀/Δ和Y₀/Y的两绕组变压器构成；逆变换流站的换流变压器为一台接线方式为Y₀/Δ的两绕组变压器。换流变压器用于将交流系统提供的三相交流电进行电压等级变换；承受直流偏置电压，并起到隔离直流偏置电压进入交流电网的作用；隔离零序分量。

直流输电端口与直流输电线路之间设有平波电抗器，用于平滑直流电流，缓解故障情况下直流电流的大幅度波动，减少来自线路上的操作过电压或雷击过电压对阀厅的损害。

如图2所示，整流换流站的换流单元采用十二脉动桥式晶闸管换流器。作用是将电压等级变换后的三相交流电转换为直流电；其每个桥臂串联多个晶闸管。

如图3所示，逆变换流站的换流单元采用混杂式MMC，其采用三相六桥臂结构，每个桥臂由N个半桥子模块（HBSM），M个全桥子模块（FBSM）和一个桥臂电抗器串联组成。其中，U_dc为直流电压，u_vj(j=a,b,c)为换流器交流出口处三相电压，u_pj和u_nj分别为j相上、下桥臂级联子模块的输出电压，i_pj和i_nj分别为j相上、下桥臂电流，U_c为子模块电容电压，u_smi为一个桥臂第i(i∈{1,2,…(M+N)})个子模块输出电压。

半桥子模块由两个IGBT管T₁～T₂和电容C构成；其中，IGBT管T₁的集电极与电容C的一端相连，电容C的另一端与IGBT管T₂的发射极相连且为半桥子模块的低压端，IGBT管T₂的集电极与IGBT管T₁的发射极相连且为半桥子模块的高压端；两个IGBT管T₁～T₂的基极均接收外部设备提供的控制信号。

全桥子模块由四个IGBT管T₁～T₄和电容C构成；其中，IGBT管T₁的集电极与IGBT管T₂的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T₁的发射极与IGBT管T₃的集电极相连且为全桥子模块的高压端，IGBT管T₃的发射极与IGBT管T₄的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T₂的发射极与IGBT管T₄的集电极相连且为全桥子模块的低压端；四个IGBT管T₁～T₄的基极均接收外部设备提供的控制信号。

本发明的混合型直流输电系统需要满足如下三个运行条件：（1）稳态运行；（2）送端交流系统接地故障情况下，直流系统仍具有继续传输直流功率的能力；（3）直流系统具有直流故障自清除能力。混杂式MMC具有三相对称性，故以下以A相为例进行分析。

（1）稳态运行

不考虑子模块之间的电容电压差，对于桥臂第i个子模块，输出电压u_smi与电容电压U_c之间的关系为：

u_smi=S_i×U_c

其中，S_i为桥臂第i个子模块的开关函数。对于半桥子模块，处于切除状态时，T₁关断，T₂导通，S_i=0；处于投入状态时，T₁导通，T₂关断，S_i=1。对于全桥子模块，处于正投入状态时，T₁、T₄导通，T₂、T₃关断，S_i=1；处于负投入状态时，T₁、T₄关断，T₂、T₃导通，S_i=-1；处于切除状态时，T₁、T₂导通，T₃、T₄关断，或T₁、T₂关断，T₃、T₄导通，S_i=0。上、下桥臂级联子模块的输出电压为：

$u_{\mathrm{pa}}=\underset{i=1}{\overset{N+M}{\mathrm{\Σ}}}(S_i\×U_c),u_{\mathrm{na}}=\underset{i=1}{\overset{N+M}{\mathrm{\Σ}}}(S_i\×U_c)$

根据混杂式MMC的电路结构，可以得到：

$u_{\mathrm{pa}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{va}}-L_0\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{pa}}}{\mathrm{dt}},u_{\mathrm{na}}=\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}+u_{\mathrm{va}}-L_0\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{na}}}{\mathrm{dt}}$

设m为电压调制比，其定义为：

$m=\frac{U_m}{U_{\mathrm{dc}}/2}$

其中：U_m为交流出口处相电压的峰值。与直流电压相比，桥臂电抗上的电压降一般较小，可忽略不计。输出的上桥臂电压和下桥臂电压需满足：

$\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}(1-m)\≤\{u_{\mathrm{pa}},u_{\mathrm{na}}\}\≤\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}(1+m)$

利用级联子模块，每个桥臂能够输出的最高电压和最低电压为：

{u_pa,u_na}_max=(M+N)U_c {u_pa,u_na}_min=-MU_c

为满足系统可控的要求，可以获得如下约束要求：

$\left\{\begin{array}{c}(M+N)U_c\≥\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}(1+m)\\ -{\mathrm{MU}}_c\≤\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}(1-m)\end{array}\right.$

（2）送端交流系统接地故障

整流换流站采用定直流电流和后备最小触发角控制，逆变换流站采用定直流电压和定无功功率控制。

当整流侧交流电压因故障跌落时，定电流控制将通过减小触发角α来维持电流平衡。然而，当触发角α减小至最小触发角(5°)时，晶闸管换流器已失去调节触发角的能力，其所能提供的直流电压与交流系统的电压直接关联。因此，当整流侧交流系统跌落的电压超过一定范围时，整流换流站仅能提供的直流电压U’_dcr基本是确定的，为：

其中：U’_vr为交流故障阀侧电压，I’_dc为故障后的直流电流，X_r为等效换相电抗。故障后，直流系统的电压由送端交流系统电压确定，而不再受逆变换流站控制，混杂式模块化多电平换流器转而进入定电流控制，控制I’_dc。

当直流电压随着交流电压跌落而下降至一定程度时，此时再维持直流电流也仅能小额功率，对交直流系统的支援能力十分有限。因此，本发明提出最小续流电压的概念，即当送端交流故障引起直流电压跌落至最小续流电压U_dcL以下时，混合直流系统将不再输送直流功率。最小续流电压可采用下式表示：

U_dcL=ηU_dc

其中：η为电压比例系数，一般而言，η可取0.1～0.2。为使得混合直流系统在进入最小续流电压前，保有稳定运行、继续传输功率的能力，需满足下式：

$-{\mathrm{MU}}_c\≤\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}(\mathrm{\η}-m)$

（3）直流线路接地故障

直流线路发生接地故障后，流过桥臂的电流迅速增加。为防止IGBT等电力电子器件因过电流被烧坏，全桥和半桥子模块一般会在5ms内进入闭锁模式。图4(a)和(b)，(c)和(d)分别给出了半桥子模块和全桥子模块闭锁时，不同电流流向下的等效电路。图4(e)和(f)给出了单个桥臂在不同电流流向下的等值电路和等效电压。

闭锁后，桥臂级联子模块电容所提供的反电势将迫使故障电流迅速下降至零或小于某个很小的限值，整个过程一般在数十甚至几个毫秒内结束，持续时间与故障地点和直流网络所存能量有关。此时，交流系统馈入换流器或直流网络的潜在通路有两条，如图4(g)所示：经换流器内部两相上桥臂(或下桥臂)构成的路径1；经换流器两相上下桥臂和直流侧故障弧道构成的路径2。保证换流器完全闭锁、故障弧道不复燃的条件是上述两个回路内级联模块电容提供的反电势大于等于交流线电压幅值，即：

联合式上述三种运行工况，可以得出单个桥臂上全桥子模块数M需满足下式：

$N_s=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_c}$

$M\≥\frac{1}{2}(m-\mathrm{\η})N_s---\left(a\right)$

$M\≥\frac{\sqrt{3}}{4}{\mathrm{mN}}_s---\left(b\right)$

当η<0.134m时，根据式(a)确定M值。一般而言，m值的范围为0.9～1，因而取η=0.1时，M的取值由式(a)确定。由于全桥子模块使用的电力电子器件为半桥子模块的两倍，从投资角度而言，在满足系统各工况运行要求的条件下，应尽量减少全桥子模块在桥臂子模块中所占的比例，因而，M的取值为：

$M={\left[\frac{1}{2}(m-\mathrm{\&eta;})N_s\right]}_{*}+1$

其中，[x]_*表示取小于变量x的最大整数。N的确定需要满足下式：

$(M+N)U_c\&GreaterEqual;\frac{1}{2}{U}_{\mathrm{dc}}(1+m)$

因而有：

$N={\left[\frac{1}{2}(1+\mathrm{\&eta;})N_s\right]}^{*}$

其中，[x]^*表示取大于变量x的最小整数。

因而，可以确定半桥子模块个数N和全桥子模块个数M之比为：

$\frac{N}{M}=\frac{{\left[\frac{1}{2}(1+\mathrm{\&eta;})N_s\right]}^{*}}{{\left[\frac{1}{2}(m-\mathrm{\&eta;})N_s\right]}_{*}+1}\&ap;\frac{1+\mathrm{\&eta;}}{m-\mathrm{\&eta;}}$

为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了如图1所示的模型，额定直流电压500kV，额定直流电流1kA，额定功率500MW，送端和受端交流系统参数相同：电动势525kV，Z_ac=34.7∠80°Ω，短路比SCR为5；设定电压调制比m为0.9，电压比例系数η为0.1。每个桥臂含有16个全桥子模块，24个半桥子模块，子模块电容为5000μF，电容额定电压12.5kV，桥臂电感为37.2mH。

图5给出了送端交流系统发生三相短路接地故障的仿真波形。图5(a)为送端交流系统电压瞬时值，图5(b)为送端交流系统电压有效值，图5(c)为逆变换流站直流侧电压，图5(d)为直流电流。从图中可以看出，在t=1.0s发生接地故障后，送端交流电压降低至0.38pu，直流电压减小至170kV左右。在故障瞬间，直流电流几乎跌落至0，但通过控制器调节后，直流电流能够马上回升，使得整个直流系统能够继续传输功率。

图6给出了直流线路靠近逆变换流站侧发生接地短路故障的仿真波形。图6(a)为故障点的直流电压波形，图6(b)为故障点对地的电流，图6(c)为流入逆变换流站的直流电流，图6(d)为晶闸管换流器的触发角，图6(e)为桥臂子模块电容电压。在t=0.1s故障发生后，直流电压瞬间跌落为0，直流电流迅速增大，子模块的电容电压因快速放电而快速减小。故障发生5ms后，整流换流站将触发角拉至120°，使其处于逆变运行状态，同时闭锁混杂式模块化多电平换流器的所有子模块。上述动作后，直流电流开始逐渐减小，全桥子模块的电容电压待变化至能够阻隔直流通路时，不再继续变化。

从上述具体分析及详细的仿真验证中可以看出，本实施方式具有直流故障自清除能力，在送端交流系统发生接地故障情况下，能够维持直流功率继续传输。

Claims (6)

1.一种基于混杂式MMC的混合型直流输电系统，包括与送端交流电网连接的整流换流站以及与受端交流电网连接的逆变换流站，所述的整流换流站通过直流输电线路与逆变换流站连接；所述的整流换流站和逆变换流站均包括有与对应交流电网连接的交流母线以及通过换流变压器与交流母线连接的换流单元；其特征在于：

整流换流站的换流单元采用晶闸管换流器，其用于将送端交流电网的三相交流电转换为直流电，并通过直流输电线路将该直流电输送至逆变换流站；

逆变换流站的换流单元采用MMC，其用于将所述的直流电转换为三相交流电并输入受端交流电网；其中，MMC每个桥臂均由N个半桥子模块和M个全桥子模块混合级联构成并串接有桥臂电抗器，N和M均为大于0的自然数；

所述的半桥子模块的个数N满足以下关系式：

$\begin{array}{cc}N=Z\left(\frac{1}{2}(1+\mathrm{\&eta;})N_s\right)& N_s=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_c}\end{array}$

所述的全桥子模块的个数M满足以下关系式：

$\begin{array}{ccc}M=W\left(\frac{1}{2}(m-\mathrm{\&eta;})N_s\right)+1& m=\frac{U_m}{U_{\mathrm{dc}}/2}& N_s=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{U_c}\end{array}$

其中：为大于的最小整数，为小于的最大整数，η为电压比例系数，U_dc为直流输电线路的额定直流电压，m为电压调制比，U_c为半桥子模块或全桥子模块中的额定电容电压，U_m为MMC交流侧输出相电压的幅值。

2.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的直流输电线路两端对应与整流换流站和逆变换流站之间均设有平波电抗器。

3.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的整流换流站的交流母线上挂接有交流滤波器和无功补偿器。

4.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的晶闸管换流器为十二脉动桥式晶闸管换流器。

5.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的半桥子模块由两个IGBT管T₁～T₂和电容C₁构成；其中，IGBT管T₁的集电极与电容C₁的一端相连，电容C₁的另一端与IGBT管T₂的发射极相连且为半桥子模块的低压端，IGBT管T₂的集电极与IGBT管T₁的发射极相连且为半桥子模块的高压端；两个IGBT管T₁～T₂的基极均接收外部设备提供的控制信号。

6.根据权利要求1所述的混合型直流输电系统，其特征在于：所述的全桥子模块由四个IGBT管G₁～G₄和电容C₂构成；其中，IGBT管G₁的集电极与IGBT管G₂的集电极和电容C₂的一端相连，IGBT管G₁的发射极与IGBT管G₃的集电极相连且为全桥子模块的高压端，IGBT管G₃的发射极与IGBT管G₄的发射极和电容C₂的另一端相连，IGBT管G₂的发射极与IGBT管G₄的集电极相连且为全桥子模块的低压端；四个IGBT管G₁～G₄的基极均接收外部设备提供的控制信号。