CN105634026B

CN105634026B - 一种基于反并联晶闸管全桥子模块换流器的电网换相换流器结构

Info

Publication number: CN105634026B
Application number: CN201510665100.0A
Authority: CN
Inventors: 郭春义; 蒋碧松; 赵成勇; 李春华
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2019-02-26
Anticipated expiration: 2035-10-16
Also published as: CN105634026A

Abstract

本发明提供了一种基于反并联晶闸管全桥子模块的电网换相换流器。其特征在于，十二脉动换流器与和换流变压器每相之间分别串联有反并联晶闸管全桥子模块。所述的反并联晶闸管全桥子模块由四组反并联的晶闸管和一个电容器构成。该拓扑结构能够在交流系统故障时，控制反并联晶闸管全桥子模块中的电容为换流器阀臂提供辅助换相电压，增大系统换相面积，有效降低传统电网换相换流器换相失败发生概率。且反并联晶闸管全桥子模块的灵活可控性，使得其不仅在交流系统正常工作时不会引起额外的谐波问题，而且能够避免出现换相故障时电容器持续充电至过电压而引起的换流器失去自恢复能力的问题。

Description

一种基于反并联晶闸管全桥子模块换流器的电网换相换流器结构

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，具体涉及一种基于反并联晶闸管全桥子模块换流器的电网换相换流器结构。

背景技术

由于电网换相高压直流输电(line-commutated converter high voltagedirect current，LCC-HVDC)采用无自关断能力的普通晶闸管作为换流元件，只能对元件的开通进行控制，元件的关断是靠交流电流每周期过零点来实现的。因此LCC-HVDC系统需要一定强度的交流系统来实现换相，这使得LCC-HVDC在交流系统发生故障交流母线电压降低时客观上存在着换相失败的可能。

换相失败可能会导致许多非常严重的后果。换相失败会引起换流变压器直流偏磁，换流阀过热，过电压等问题，在多馈入直流系统中，各个LCC-HVDC系统之间及交直流系统之间有很强的耦合。当某一直流子系统附近的交流线路发生故障时，通常会导致多个换流器的同时或级联换相失败。多条LCC-HVDC同时或级联换相闭锁时，将导致直流通道的功率大范围转移到交流通道，造成交流通道阻塞，对电网安全稳定运行带来巨大冲击。

为了提高交直流系统运行的安全稳定性，在直流输电领域对直流换相技术进行了大量的研究。传统的做法有利用辅助阀的人工换相、利用迭加谐波电压的单步人工换相、采用串联电容器换相换流器（capacitor commutated converter, CCC）技术等。但是CCC 存在以下问题：不对称故障时故障恢复时间明显长于LCC ；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。与CCC 把电容器放在换流变压器阀侧不同,采用可控串联电容器换流器（controlled seriescapacitor converter，CSCC）技术把电容器放在换流变压器网侧，并可对电容值进行动态调整，但本质与CCC 相似,仍然存在上述问题，而且其对滤波装置的跟随特性要求更高。

因此，提供一种能够提高传统直流输电在故障情况下抵御换相失败的能力，同时，在正常工作状态下不会给系统造成谐波问题的拓扑结构显得格外重要。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于反并联晶闸管全桥子模块（anti-parallel thyristor based Full bridge submodule，APT-FBSM）的电网换相换流器结构。

实现上述目的所采用的解决方案为：在换流器和换流变压器每相之间分别串入APT-FBSM。

优选的，所述的APT-FBSM由四组晶闸管和一个电容器构成桥式结构。

优选的，所述的四组晶闸管，每组晶闸管均由两个晶闸管反并联构成。

优选的，所述的APT-FBSM有三种工作状态：

（1）在交流系统正常运行，电容电压低于初始给定值时且阀臂处于开通过程（阀臂从关断到导通过程）时，对对其所串联的APT-FBSM进行预充电；

（2）在交流系统正常运行或故障情况下，阀臂处于非换相过程且电容电压满足设定值时，APT-FBSM的电容器旁路；

（3）在交流系统故障情况下，控制正在换相导通的阀臂所串联的APT-FBSM电容器投入运行，为换相过程提供辅助换相电压，增大换相面积，利于换相成功。

优选的，当所述的APT-FBSM处于所述工作状态一时，若子模块电容电压达到额定值，则立即切换为工作状态二，使电容旁路，保持电容电压不变。

优选的，当所述的APT-FBSM处于所述工作状态三时，换相导通的阀臂APT-FBSM电容进行放电，电容电压逐渐减小，电流逐渐增大；当换相导通的阀臂电流达到直流电流额定值，换相关断的阀臂电流降为零的时候，换相过程结束，电容电压减小到零附近，此时，APT-FBSM晶闸管的触发信号不变，对电容器进行反向充电；电容电压反向充到额定值时，切换为状态二，为下一次的换相过程做好准备。

优选的，交流系统故障期间，每相串联的APT-FBSM对该相的上下两个阀臂都可以起到辅助换相的作用。

与现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、本发明提供的一种基于反并联晶闸管全桥子模块电网换相换流器结构，在交流系统故障时可以控制APT-FBSM中的电容为换流器阀臂提供辅助换相电压，有效地抑制传统电网换相换流器换相失败的发生，提高传统直流输电系统的输电能力。

2、本发明提供的一种基于反并联晶闸管全桥子模块电网换相换流器结构，在正常工作时电容器不投入使用，延长电容的使用寿命，同时不会加大直流侧系统的谐波问题。

3、本发明提供的一种基于反并联晶闸管全桥子模块电网换相换流器结构，采用晶闸管构成的全桥结构对电容器的投入和退出灵活控制，使子模块电容电压得到控制，保证APT-FBSM的正常运行，避免出现因电容电压失控而使换流器失去自恢复能力的问题。

4、与现有技术CN201410193488.4采用IGBT和二极管构成可控子模块串联于换流器阀臂不同，本发明的APT-FBSM采用的器件是晶闸管，通过反并联晶闸管构成的可控子模块串联在换流阀和换流变压器之间。

5、现有技术CN201410081076.1公开了一种强迫换相桥路，该技术是对换流器阀臂进行拓扑改造，而且每个阀臂都需要配置一个电容器。而本发明是在换流器和换流变压器每相之间分别串入APT-FBSM，没有对换流器阀臂进行拓扑改造，同时每相只需配置一个电容器。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明提供的一种基于反并联晶闸管全桥子模块电网换相换流器结构图；

图2是：本发明实施例中APT-FBSM预充电原理图；

图3是：本发明实施例中APT-FBSM电容旁路时，电流流通路径图；

图4是：本发明实施例中APT-FBSM辅助换相时，电流流通路径图；

图5是：本发明实施例中APT-FBSM辅助换相结束后电容反方向充电，电流流通路径图；

其中，VT1~VT6为换流器阀臂晶闸管；APT-FBSM为基于反并联晶闸管的全桥子模块；VT11~VT14、VT41~VT44为APT-FBSM的内部晶闸管，C1为APT-FBSM的电容器；e_a、e_b、e_c为APT-FBSM的阀侧电压；e_a’、e_b’、e_c’为APT-FBSM的换流变压器侧电压。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种基于反并联晶闸管全桥子模块的电网换相换流器结构，该拓扑为在换流器和换流变压器每相之间分别串入APT-FBSM。所述的APT-FBSM由四组反并联的晶闸管和一个电容器构成；所述的四组晶闸管，每组晶闸管均由两个晶闸管反并联构成。

所述的APT-FBSM有三种工作状态：

当所述的APT-FBSM处于所述工作状态一时，若子模块电容电压达到额定值，则立即切换为工作状态二，使电容旁路，保持电容电压不变。

当所述的APT-FBSM处于所述工作状态三时，换相导通的阀臂APT-FBSM电容进行放电，电容电压逐渐减小，电流逐渐增大；当换相导通的阀臂电流达到直流电流额定值，换相关断的阀臂电流降为零的时候，换相过程结束，电容电压减小到零附近，此时，APT-FBSM晶闸管的触发信号不变，对电容器进行反向充电；电容电压反向充到额定值时，切换为状态二，为下一次的换相过程做好准备。

交流系统故障期间，每相串联的APT-FBSM对该相的上下两个阀臂都可以起到辅助换相的作用。

以A相的APT-FBSM为例，具体说明APT-FBSM的工作原理：

首先需要给电容器C1预充电。当阀臂4进入导通过程时,导通晶闸管VT41、VT44，不给其他晶闸管导通信号。如图2所示，电流流通路径为VT41、C1、VT44，电容器进行充电。电容器电压迅速上升，很快就能达到辅助换相所需的额定电压。此时，电容器的电位为上正下负，晶闸管串VT42承受正向电压，再给晶闸管串VT42导通信号，VT42立即进入导通状态，VT44承受负向电压，VT44关断。如图3所示，电流流经晶闸管VT41、VT42，子模块电容C1旁路。之后a相电流流经VT41、VT42或者VT13、VT14。

当交流系统出现故障时，无法提供足够的换相面积，换流器可能发生换相失败。此时，需要通过投入APT-FBSM，增大换相面积，帮助换流阀臂进行换相，防止换相失败的发生。

发生故障后，以VT2向VT4换相为例，先导通VT42、VT43，电容电压辅助换相；当换相过程结束，电容电压减小到零附近，不改变晶闸管的触发信号，继续对电容器进行反向充电；电容电压反向充到额定值时，导通VT41、VT42，旁路电容器，此时，电容器的电位为上负下正。上述过程中电流的流通路径如图4、图5所示。半个周期后VT5向VT1换相时，晶闸管的导通顺序为：VT12、VT13-VT11、VT12。

同理，发生故障后，若先进行VT5向VT1换相，则晶闸管的导通顺序为：VT11、VT14-VT11、VT12-VT41、VT44-VT41、VT42。不管故障发生后是哪个桥臂先导通，只要保证在换相期间APT-FBSM增大换流器的换相面积，换相结束后对电容器反向充电即可。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种基于反并联晶闸管全桥子模块（anti-parallel thyristor based Fullbridge submodule，APT-FBSM）的电网换相换流器拓扑，其特征在于该拓扑中所述换流器与换流变压器每相之间分别串联有反并联晶闸管全桥子模块，该反并联晶闸管全桥子模块的电路构成为：模块进线同时连接晶闸管VT14、VT12的阴极和晶闸管VT41、VT43的阳极；晶闸管VT14的阳极、VT41的阴极均连接晶闸管VT13的阴极、晶闸管VT42的阳极以及电容器C1的一端；电容器C1另一端连接晶闸管VT43的阴极、晶闸管VT44的阳极、晶闸管VT12的阳极以及晶闸管VT11的阴极；晶闸管VT13的阳极、晶闸管VT42的阴极、晶闸管VT44的阴极以及晶闸管VT11的阳极共同连接到模块的出线侧；所述换流器及换流变压器均为三相。

2.如权利要求1所述的一种基于反并联晶闸管全桥子模块的电网换相换流器结构，其特征在于，反并联晶闸管全桥子模块有三种工作状态：

（1）状态一：在交流系统正常运行，电容器C1两端的电压低于初始给定值时且阀臂处于开通过程，即从关断到导通过程时，对其所串联的反并联晶闸管全桥子模块进行预充电；

（2）状态二：在交流系统正常运行或故障情况下，阀臂处于非换相过程且电容器C1两端的电压满足设定值时，反并联晶闸管全桥子模块的电容器C1旁路；

（3）状态三：在交流系统故障情况下，控制正在换相导通的阀臂所串联的反并联晶闸管全桥子模块电容器C1投入运行，为换相过程提供辅助换相电压，增大换相面积，利于换相成功。

3.如权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，当所述的反并联晶闸管全桥子模块处于所述状态一时，若反并联晶闸管全桥子模块电容器C1两端电压达到额定值，则立即切换为状态二，使电容器C1处于旁路状态，保持电容器C1电压不变。

4.如权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，当所述的反并联晶闸管全桥子模块处于所述状态三时，换相导通的阀臂所串联的反并联晶闸管全桥子模块的电容器C1进行放电，电容器C1两端电压逐渐减小，电流逐渐增大；当换相导通的阀臂电流达到直流电流额定值，换相关断的阀臂电流降为零的时候，换相过程结束，电容器C1两端电压减小到零附近，此时，反并联晶闸管全桥子模块晶闸管的触发信号不变，对电容器C1进行反向充电；电容器C1电压反向充到额定值时，切换为状态二，为下一次的换相过程做好准备。

5.如权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，交流系统故障期间，每相串联的反并联晶闸管全桥子模块对该相的上下两个阀臂起到辅助换相的作用。