CN103986177A - 一种串入可控子模块的lcc-hvdc拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，该拓扑结构为在六脉动换流器的六个阀臂上串联若干可控子模块；改变所述可控子模块的工作状态辅助换相，提高直流输电系统抵御换相失败的能力。该LCC-HVDC拓扑结构既能够提高直流输电系统抵御换相失败能力，在正常运行情况下又不会给系统造成谐波问题。

Description

一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种输配电技术领域的装置，具体讲涉及一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构。
背景技术
电网换相高压直流输电(Line-Commutated-Converter High Voltage Direct Current，LCC-HVDC)凭借其在远距离大容量输电、有功功率快速控制等方面的优势在世界范围内得到了广泛应用；但由于其采用不能自关断的晶闸管作为换流器件，需要一定强度的交流系统提供换相电压，这使其具有一定的局限性，突出表现为换相失败问题。
在换相过程刚结束时，若刚退出导通的阀在反向电压作用的一段时间内未能恢复正向电压阻断能力，或换相过程未能结束，则电压转向后，被换相的阀将向原来预定退出导通的阀倒换相，发生换相失败。
电容器换相换流器(Capacitor Commutated Converter，CCC)是一种现有技术中最为典型的强迫换相电路。但CCC存在以下问题：当三个换相电容器上的电压不平衡时，逆变器的换相性能将变坏；在换相故障时，电容器持续充电至过电压，换流器将失去自恢复能力；引入的电容器造成直流输电系统中的电流谐波污染问题。
因此，提供一种能够提高直流输电系统抵御换相失败能力，同时，各工况下不会对换相过程造成负面影响，不会给系统造成谐波问题的拓扑结构显得尤为重要。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构。
实现上述目的所采用的解决方案为：
一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，其改进之处在于：所述拓扑结构为在六脉动换流器的阀臂上串联可控子模块；所述可控子模块的两个输出端并联均压回路。
进一步的，所述可控子模块包括电容和依次连接的由二极管和IGBT组成的器件组。
进一步的，所述器件组的数目为二；所述二极管和IGBT的数目分别为一。
进一步的，所述器件组的器件组一的IGBT的集电极与所述二极管的正极连接；所述器件组的器件组二的所述IGBT的射极与所述二极管的负极连接；
所述器件组一的二极管的负极与所述器件组二的IGBT的集电极连接；所述器件组二的二极管的正极与所述器件组一的IGBT的射极连接；
所述电容的正极与负极分别连接在所述器件组一的二极管和所述器件组二的IGBT与所述器件组二的二极管和所述器件组一的IGBT之间。
进一步的，所述器件组一的IGBT的集电极端和所述器件组二的IGBT的射极端为所述可控子模块的连接端P和连接端N。
进一步的，电流从连接端P流向连接端N时，所述可控子模块的工作状态包括：
A、IGBT一和IGBT二存在触发脉冲的工作状态一，电流通路为连接端P-IGBT一-电容-IGBT二-连接端N；
B、IGBT一和IGBT二均无触发脉冲的工作状态二，电流通路为连接端P-二极管一-电容-二极管二-连接端N；
C、仅IGBT一或仅IGBT二有触发脉冲的工作状态三，电流通路为连接端P-IGBT一-二极管二-连接端N或连接端P-二极管一-IGBT二-连接端N。
当电流从连接端N流向连接端P时，电流通过所述可控子模块并联的均压回路。
进一步的，交流系统故障时将开通阀臂的换相过程中，所述可控子模块工作于所述工作状态一，输出负电容电压，电容被放电；
交流系统故障时将关断阀臂的换相过程中，所述可控子模块工作于所述工作状态二，输出正电容电压，电容被充电；
交流系统正常运行或者交流系统故障时的非换相过程中，所述可控子模块工作于所述工作状态三，输出零电压，电容被旁路。
进一步的，交流系统正常运行时，所述可控子模块对换相电压不产生影响；交流系统故障期间，所述可控子模块电容处于充放电的交替循环中，两换相阀臂的可控子模块共同提供辅助换相电压；
故障清除后，待系统恢复正常运行时，所述可控子模块通过所述工作状态一和所述工作状态二调整电容电压至额定值，为下次交流系统故障做好准备。
进一步的，当所述可控子模块处于所述工作状态二时，若其电容电压达到额定值，则立刻切换为工作状态三，使电容被旁路，电容电压保持不变。
进一步的，所述IGBT采用多个IGBT并联结构的IGBT组；所述六脉动换流器的六个阀臂上串联一个或多个所述可控子模块。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的LCC-HVDC拓扑结构，适用于传统高压直流输电，可以降低直流输电发生换相失败的概率，提高了交直流系统运行的稳定性。
2、本发明提供的LCC-HVDC拓扑结构，在换流阀正常工作时电容器不投入使用，延长电容使用寿命，同时不会产生谐波。
3、本发明提供的LCC-HVDC拓扑结构，将强迫换相桥路中电压等级较高的单个电容拆分为若干电压等级较低、封装在可控子模块中的电容；因此电容的充放电过程，以及电容的投入和退出灵活可控。
4、本发明提供的LCC-HVDC拓扑结构，在包括换相失败在内的各工况下不会对换相过程造成负面影响，也不会因电容的接入给LCC换流器带来过压问题。
5、本发明提供的LCC-HVDC拓扑结构，在交流系统单相故障、三相故障、三相不对称等情况下均可提高LCC-HVDC抵御换相失败的能力。
6、本发明提供的LCC-HVDC拓扑结构在现有的电流源换流器LCC结构基础上，综合考虑LCC阀臂的电流是单向流动的特点、运用于电网的成本、对模块本身的自我保护，提供了可控子模块的结构，该结构可以降低直流输电发生换相失败的概率，在正常情况下也不给系统造成谐波。
附图说明
图1为本发明提供的一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构的拓扑图；
图2为本发明实施例中串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑控制策略示意图；
图3为本发明实施例中可控子模块处于工作状态三时的电流流通路径图；
图4为本发明实施例中阀臂反向漏电流的流通路径图；
图5为本发明实施例中可控子模块处于工作状态一时的电流流通路径图；
图6为本发明实施例中可控子模块处于工作状态二时的电流流通路径图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明提供了一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，该拓扑结构为在六脉动换流器的阀臂上串联可控子模块；可控子模块的两个输出端并联均压回路。可控子模块包括电容和依次连接的由二极管和IGBT组成的器件组。
上述器件组的数目为二；二极管和IGBT的数目分别为一。器件组的器件组一的IGBT的集电极与二极管的正极连接；器件组的器件组二的IGBT的射极与二极管的负极连接；器件组一的二极管的负极与器件组二的IGBT的集电极连接；器件组二的二极管的正极与器件组一的IGBT的射极连接；电容的正极与负极分别连接在器件组一的二极管和器件组二的IGBT与器件组二的二极管和器件组一的IGBT之间。器件组一的IGBT的集电极端和器件组二的IGBT的射极端为可控子模块的连接端P和连接端N。
本发明提供的拓扑结构中的IGBT可采用多个IGBT并联结构的IGBT组；六脉动换流器的六个阀臂上串联一个或多个所述可控子模块。
如图1所示，图1为本发明提供的一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构的拓扑图；串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构为在现有的LCC-HVDC拓扑结构，即六脉动换流器(三相桥式换流器)的六个阀臂上串联若干可控子模块；所述可控子模块的两个输出端并联均压回路；所述均压回路包括串联的电阻和电容。
改变所述可控子模块的工作状态辅助换相，提高直流输电系统抵御换相失败的能力。
六个阀臂上还包括串联的晶闸管组，分别为V1、V2、V3、V4、V5、V6。
所述可控子模块类似H桥结构，如图1所示，包括两个IGBT、两个二极管和一个电容器。二极管一D1、IGBT二T2、二极管二D2和IGBT一T1依次连接。所述两个IGBT可采用单个IGBT，也可采用为多个并联结构的IGBT组。
所述二极管一的负极与所述IGBT二的集电极连接，所述IGBT二的射极与所述二极管二的负极连接，所述二极管二的正极与所述IGBT一的射极连接，所述IGBT一的集电极与所述二极管一的正极连接；
所述电容的正极与负极分别连接在所述二极管一和所述IGBT二与所述二极管二和所述IGBT一之间。
所述IGBT一的集电极端和所述IGBT二的射极端为所述可控子模块的连接端P和连接端N。
可控子模块的工作状态
可控子模块的工作状态分为两种情况：
情况一：电流从连接端P流向连接端N时，所述可控子模块的工作状态包括：
A、IGBT一和IGBT二存在触发脉冲的工作状态一，电流通路为P-T1-C-T2-N(连接端P-IGBT一-电容-IGBT二-连接端N)；
B、IGBT一和IGBT二均无触发脉冲的工作状态二，电流通路为P-D1-C-D2-N(连接端P-二极管一-电容-二极管二-连接端N)；
C、仅IGBT一或仅IGBT二有触发脉冲的工作状态三，电流通路为P-T1-D2-N或P-D1-T2-N(连接端P-IGBT一-二极管二-连接端N或连接端P-二极管一-IGBT二-连接端N)。
情况二：当电流从连接端N流向连接端P时，电流通过所述可控子模块并联均压回路。
可控子模块工作状态一应用于交流系统故障时将开通阀臂的换相过程，此时可控子模块输出负电容电压，电容被放电。
可控子模块工作状态二应用于交流系统故障时将关断阀臂的换相过程，此时可控子模块输出正电容电压，电容被充电；
可控子模块工作状态三应用于交流系统正常运行或者交流系统故障时的非换相过程，此时可控子模块输出零电压，电容被旁路。
结合图3-6对所述LCC-HVDC拓扑结构做进一步说明。
换流阀正常工作时，即故障时刻之前，仅给可控子模块的T1(T2)触发脉冲，可控子模块处于工作状态三，此时可控子模块中的电容被旁路，电容电压不变。
当阀臂通过正向电流时，电流通路为P-T1-D2-N(P-D1-T2-N)，如图3所示；当阀臂通过反向漏电流时，可控子模块开关管无法导通，电流通路为可控子模块的并联均压回路，如图4所示。
结合图2进行说明，当交流系统发生故障时，对于已开通的阀臂n(n＝1，2，…，6)，在阀臂关断过程之前的t1时刻，触发可控子模块的开关管T2(T1)，使可控子模块切换为工作状态一，电容提前放电，电流通路如图5所示。
t2时刻，不触发可控子模块的开关管T2(T1)，使可控子模块切换为工作状态三，放电结束，电容被旁路，电压保持不变。
t3时刻阀臂关断过程开始，不触发可控子模块的开关管T1(T2)，使可控子模块切换为工作状态二，其输出电压为uC(t)，电容充电，电流通路如图6所示。
t4时刻阀臂n完全关断，触发子模块的开关管T1(T2)，可控子模块切换为工作状态三。
t5时刻阀臂n开通过程开始，触发子模块的开关管T2(T1)，可控子模块切换为工作状态一，其输出电压为-uC(t)，电容放电。
t6时刻阀臂n完全开通，不触发可控子模块开关管T2(T1)，可控子模块切换为工作状态三，t6-t7期间电容被旁路。
此后可控子模块工作状态重复t3-t4-t5-t6-t7(t3)的过程，电容处于充放电交替进行的动态平衡之中。
在交流系统发生故障时，对于已关断的阀臂，其可控子模块不需要提前放电，而是按照t5-t6-t7(t3)-t4-t5的过程进行状态切换，直到故障清除。而对于正处于开通或关断过程中的阀臂，其可控子模块将按照t6-t7(t3)-t4-t5-t6或t4-t5-t6-t7(t3)-t4的过程进行状态切换。
以上过程中，各时刻可控子模块的开关管的开闭情况分为两种，从上到下可以是T2-T2-T1-T1-T2-T2或者T1-T1-T2-T2-T1-T1两种情况。
当交流系统正常运行时，所述可控子模块对换相电压不产生影响；交流系统故障期间，所述可控子模块电容处于充放电的交替循环中，两换相阀臂的可控子模块共同提供辅助换相电压。
同时，为了保护子模块开关管，使其耐压不超过额定值，当所述可控子模块处于所述工作状态二时，若其电容电压达到额定值，则立刻切换为工作状态三，使电容被旁路，电容电压保持不变。
故障清除后，待系统恢复正常运行时，所述可控子模块通过所述工作状态一和所述工作状态二调整电容电压至额定值，为下次交流系统故障做好准备。
本实施例中，所述可控子模块的IGBT一和IGBT二采用多个IGBT并联的IGBT组结构，将并联的多个IGBT视为整体，控制其同时触发或不触发。
本发明还提供了另一种LCC-HVDC拓扑结构，该拓扑结构针对十二脉动换流器，该十二脉动换流器的拓扑结构是由两个六脉动换流器的结构串联而成。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本申请而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，其特征在于：所述拓扑结构为在六脉动换流器的阀臂上串联可控子模块；所述可控子模块的两个输出端并联均压回路。
2.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于：所述可控子模块包括电容和依次连接的由二极管和IGBT组成的器件组。
3.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于：所述器件组的数目为二；所述二极管和IGBT的数目分别为一。
4.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于：所述器件组的器件组一的IGBT的集电极与所述二极管的正极连接；所述器件组的器件组二的所述IGBT的射极与所述二极管的负极连接；
所述器件组一的二极管的负极与所述器件组二的IGBT的集电极连接；所述器件组二的二极管的正极与所述器件组一的IGBT的射极连接；
所述电容的正极与负极分别连接在所述器件组一的二极管和所述器件组二的IGBT与所述器件组二的二极管和所述器件组一的IGBT之间。
5.如权利要求4所述的拓扑结构，其特征在于：所述器件组一的IGBT的集电极端和所述器件组二的IGBT的射极端为所述可控子模块的连接端P和连接端N。
6.如权利要求5所述的拓扑结构，其特征在于：电流从连接端P流向连接端N时，所述可控子模块的工作状态包括：
A、IGBT一和IGBT二存在触发脉冲的工作状态一，电流通路为连接端P-IGBT一-电容-IGBT二-连接端N；
B、IGBT一和IGBT二均无触发脉冲的工作状态二，电流通路为连接端P-二极管一-电容-二极管二-连接端N；
C、仅IGBT一或仅IGBT二有触发脉冲的工作状态三，电流通路为连接端P-IGBT一-二极管二-连接端N或连接端P-二极管一-IGBT二-连接端N。
当电流从连接端N流向连接端P时，电流通过所述可控子模块并联的均压回路。
7.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于：交流系统故障时将开通阀臂的换相过程中，所述可控子模块工作于所述工作状态一，输出负电容电压，电容被放电；
交流系统故障时将关断阀臂的换相过程中，所述可控子模块工作于所述工作状态二，输出正电容电压，电容被充电；
交流系统正常运行或者交流系统故障时的非换相过程中，所述可控子模块工作于所述工作状态三，输出零电压，电容被旁路。
8.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于：交流系统正常运行时，所述可控子模块对换相电压不产生影响；交流系统故障期间，所述可控子模块电容处于充放电的交替循环中，两换相阀臂的可控子模块共同提供辅助换相电压；
故障清除后，待系统恢复正常运行时，所述可控子模块通过所述工作状态一和所述工作状态二调整电容电压至额定值，为下次交流系统故障做好准备。
9.如权利要求6所述的拓扑结构，其特征在于：当所述可控子模块处于所述工作状态二时，若其电容电压达到额定值，则立刻切换为工作状态三，使电容被旁路，电容电压保持不变。
10.如权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于：所述IGBT采用多个IGBT并联结构的IGBT组；
所述六脉动换流器的六个阀臂上串联一个或多个所述可控子模块。
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