CN107968588B - 一种级联换流阀、直流输电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级联换流阀、直流输电系统及其控制方法，级联换流阀在直流侧串联的高压阀组和低压阀组，高压阀组为第一换流器，低压阀组包括两个并联的第二换流器和第三换流器，在所述换流器中至少有一个为混合型多电平输出换流器，第一换流器的交流侧与第三换流器的交流侧通过变压器并联构成级联换流阀的第一交流端，第二换流器的交流侧构成级联换流阀的第二交流端。级联换流阀具备多种工作模式和交流系统接入方式，在降低直流系统总体制造成本、占地面积的前提下能够同时实现高电压，大容量，远距离直流功率传输以及受端交流网络的分层接入与异步分区互联，从而提高系统稳定性和可靠性。本发明适用于多直流馈入落点的电力系统。

Description

一种级联换流阀、直流输电系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种级联换流阀、直流输电系统及其控制方法。
背景技术
21世纪以来，随着环境问题的日益突出，为了减少碳排放、降低燃煤发电比例，需大规模开发并利用可再生能源。我国新能源基地具有分散、分布偏远、强波动性等特点，且与负荷中心呈逆向分布，导致大容量远距离输送电能的需求日益增加。采用高压交流输电系统并网存在造价高昂、稳定性问题严重等固有缺陷。采用基于电网换相换流器技术(LCC)的常规高压直流输电技术，传输容量大、技术成熟，在解决我国西北地区新能源外送、西南地区水电外送等问题中得到了大量的工程实践，在我国华东和珠三角地区更是形成了多回直流馈入的输电格局。
电网换相换流器需要受端交流电网提供足够的换相电压，易发生换相失败；在换相失败后的功率恢复过程中还需吸收大量的无功功率。因此，当受端系统某点发生交流故障时，可能引起多回直流线路同时发生换相失败，导致多回直流线路输送功率暂时中断，对送、受端交流系统的安全稳定性构成严重威胁。多直流落点集中馈入中部和东部电网带来的安全稳定问题将是未来我国电网发展面临的突出问题之一。
为解决多直流落点馈入问题，目前有两种方案。第一，从改进换流器设备的角度，采用模块化多电平换流器(MMC)替换常规的电网换相换流器。模块化多电平换流器具备功率控制解耦，可自换相等优势，从而可以有效解决多直流馈入问题。第二，从改善受端交流电网结构的角度，通过柔性背靠背直流系统将交流电网异步分区，限制交流故障的影响范围，提高受端电网的稳定性。
其中，针对改进换流器设备，唐庚、徐政等人提出了一种LCC-MMC混合高压直流输电系统。该系统将传统的电网换相换流器(LCC)与模块化多电平换流器(MMC)相结合，在受端用MMC替代LCC，从而解决多直流落点馈入的问题。(唐庚,徐政,薛英林.LCC-MMC混合高压直流输电系统[J].电工技术学报,2013,28(10):301-310)。
针对改进受端交流电网结构，周保荣等人提出对受端负荷密集的交流电网，将同步运行网架向异步运行网架改变，避免受端系统某点发生故障后引起多回直流线路同时换相失败的问题，从而降低多直流落点馈入对交流电网的影响，避免因受端故障而导致的电网解列的发生(周保荣,洪潮,金小明等.南方电网同步运行网架向异步运行网架的转变研究[J].中国电机工程学报,2016,36(08):2084-2092.)。新南威尔士大学的EvripidisKaratsivos等人提出了能够适用于多直流落点，交流系统异步互联的基于VSC背靠背系统，这种背靠背拓扑通过交流系统的异步互联，解决直流系统受端多馈入的问题(E.Karatsivos,V.G.Agelidis,G."Asynchronous AC systems interconnection withDC-bus capacitor-less VSC back-to-back topology,"2016IEEE InternationalConference on Power System Technology(POWERCON),Wollongong,NSW,2016,pp.1-6.)。
上述徐政等人的方案，虽然能够实现高电压大容量远距离直流功率传输，同时解决因受端换流器换相失败导致的直流系统多馈入问题，但对于受端负荷中心，未将交流系统进行异步分区互联，受端系统故障时依然可能导致系统失稳甚至解列。针对上述周保荣等人以及Evripidis Karatsivos等人的异步运行方案虽然能够实现多直流落点馈入且能实现交流系统异步互联，但受限于开关原件的耐压能力及所提出的拓扑结构的局限性，所提的方案无法实现高电压大容量的远距离直流电能传输。若将大容量远距离直流输电系统直接与背靠背异步运行系统结合，则需要在原基础上增设换流站，从而需要使用更多的占地面积以及换流设备，建造成本大幅提高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种级联换流阀、直流系统及其控制方法，在实现高电压大容量远距离直流输电的同时，解决了现有交直流输电系统中由于未实现交流系统异步分区导致在受端电网多直流馈入下发生交直流故障时交直流输电系统发生失稳或者解列技术问题。
为实现本发明的上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供一种级联换流阀，包括有在直流侧串联的高压阀组和低压阀组，高压阀组为第一换流器，低压阀组包括两个并联的第二换流器和第三换流器第一换流器的交流侧与第三换流器的交流侧通过变压器并联构成级联换流阀的第一交流端，第二换流器的交流侧构成级联换流阀的第二交流端。
由于第一交流端由第一换流器的交流侧与第三换流器的交流侧通过变压器并联构成级联换流阀的第一交流端，第二换流器的交流侧构成级联换流阀的第二交流端，且第二换流器和第三换流器并联连接，能够实现第一交流端连接的交流系统和第二交流端连接的交流系统实现异步互联，在发生交流故障时，通过设置第一换流器至第三换流器的工作方式，可以实现级联换流阀所连接的交流系统与所连接的直流系统可以继续传输功率。
当发生直流故障时，低压阀组第三换流器中直流控制回路由定直流电压控制切换为定直流电流控制，从而抑制短路过电流；通过改变直流电流极性，由接收功率转变为输出功率，第三换流器的直流侧电压保持不变。低压阀组第二换流器和高压阀组中第一换流器采用降有功功率控制；第一换流器接收功率降低，电流极性反向，电压极性反向；由于第二换流器和第三换流器并联，低压阀组第二换流器电压极性电流极性均不变，故直流侧电压降为零，第二换流器和第一换流器维持定有功功率控制，功率相应下降。
优选地，第三换流器交流侧直接作为级联换流阀第三交流端，第三交流端用于同第三交流系统连接。即级联换流阀的低压阀组中第三换流器3除可以将交流系统4以不同电压等级接入直流系统外，还可以将另一独立交流系统20接入。即低压阀组中第三换流器3负极与直流输电线路负极相连，该换流器的交流侧通过交流变压器与交流电网20相连。
更进一步地，对于不同的交直流系统实际工况，以及各换流器的工作特性，级联换流阀中换流器可为采用电网换相换流器、半桥模块化多电平换流器或混合型模块化多电平换流器，实现多种换流器组合。
优选的，当受端交流系统负荷密集，且一二类负荷较多时，需要充分保证交流电网的可靠性，因此高压阀组阀和低压阀组阀均可由具备直流故障穿越能力的混合型模块化多电平换流器组成。
优选的，当直流功率传输较大时，为了在控制建造成本的前提下提高受端的额定接收功率，级联换流阀高压阀组可使用电网换相换流器，低压阀组阀采用混合型模块化多电平换流器并联。
更进一步的，高压阀组并联有高压晶闸管，高压晶闸管用于旁路高压阀组，低压阀组两个支路上串联有低压晶闸管，低压晶闸管用于旁路低压阀组中换流器。级联换流阀高压阀组设置有由晶闸管控制通断的旁路，低压阀组设置有串联于各支路的晶闸管，通过对换流阀中高低压阀组的投切操作，可以实现多种状态模式的切换，以应对不同的工况需要以及对换流阀设备的检修需要。
更进一步地，通过切换高压晶闸管和低压晶闸管的状态使得级联换流阀工作于交流分层接入模式，背靠背降压异步运行模式或混合高压直流输电模式。
优选的，需要对高压阀组进行检修或高压阀组发生接地故障时，可以通过向旁路中的晶闸管13施加触发信号，将高压阀组旁路，使得高压阀组在不影响直流系统运行的情况下退出运行。系统切换为背靠背降压异步运行模式。
优选的，换流阀低压阀组阀设置有串联于各支路的晶闸管15、17，需要对低压阀组的各支路进行检修时，可通过闭锁换流器配合晶闸管和断路器的作用，在不影响直流系统运行的情况下退出换流器。
优选的，当低压阀组中第二换流器2退出运行时，系统切换为混合高压直流输电模式。当低压阀组中第三换流器3退出运行时，系统切换为交流分层接入模式。
作为本发明的另一方面，本发明提供了一种直流输电系统，包括位于送端的第四换流器和位于受端的级联换流阀，第四换流器的直流侧与级联换流阀的直流侧并联。
更进一步地，上述级联换流阀的直流侧与第四换流器的直流侧可采用不对称正极接线方式，不对称负极接线方式以及双极性接线方式连接。
优选地，所述级联换流阀可采用不对称正极性接线形式，级联换流阀高压阀组正极与送端第四换流器正极通过直流输电线路相连，级联换流阀低压阀组和送端第四换流器的负极分别接地。
优选地，所述级联换流阀可采用双极性接线形式，送端第四换流器为由正极子换流器和负极子换流器通过连接成双极性接线形式，所述电网换相换流器正极和级联换流阀高压阀组正极通过直流输电线路相连，送端换流器和级联换流阀低压阀组的负极通过金属回线接地。
优选地，所述级联换流阀采用不对称负极性接线形式，其中送端第四换流器负极和级联换流阀低压阀组负极通过直流输电线路相连，第四换流器和高压阀组的正极分别接地。
作为本发明的另一方面，本发明提供了一种直流输电系统的直流故障控制方法，包括如下步骤：
步骤1：判断直流输电系统直流侧是否发现故障，若是，则进入步骤2，否则，进入步骤3；
步骤2：低压阀组第三换流器中直流控制回路由定直流电压控制切换为定直流电流控制，从而抑制短路过电流；通过改变直流电流极性，由接收功率转变为输出功率。低压阀组第二换流器和高压阀组中第一换流器继续维持定有功功率控制，有功功率参考值适当降低；第一换流器接收功率不变，电流极性反向，电压极性反向；由于第二换流器和第三换流器并联，低压阀组第二换流器电压极性电流极性均不变，继续维持定有功功率控制，接收功率不变。
步骤3：送端第四换流器采用定直流电压控制方式，用于以支撑直流系统架空线的高电压等级；级联换流阀中的高压阀组和低压阀组中第二换流器采用定有功功率控制，低压阀组中第三换流器采用定直流电压控制；
通过直流故障期间电压和电流均受控，从而保证直流故障时换流站期间不产生过电流。
更进一步地，对于采用混合型模块化多电平换流器的级联换流阀，换流器采用交直流解耦的独立控制机制，其中控制系统分为交流控制回路和直流控制回路，能够独立控制直流电流和交流电流。
更进一步地，上述的交流控制回路为基于旋转坐标系下的解耦控制，将三相交流电流在旋转坐标系中解耦为d轴电流和q轴电流，根据dq轴电流将交流控制回路解耦为有功电流控制和无功电流控制。其中，d轴有功电流控制将所有子模块的电容电压控制保持恒定，从而维持系统交直流侧的有功功率平衡；q轴无功电流控制保证换流器传输的无功功率保持恒定。
更进一步地，上述有功电流的指令值以及直流电流的指令值由有功外环控制器产生，该有功外环控制器用于控制模块化多电平换流器存储的总能量或者其所有子模块电容电压平均值或者直流电压等表征换流器所存储的能量的物理量。
作为本发明的另一方面，本发明提供了一种直流输电系统的交流故障控制方法，包括如下步骤：
步骤1：判断直流输电系统中级联换向阀的第二交流端是否发现故障，若是，则进入步骤2，否则，进入步骤3；
步骤2：低压阀组中第二换流器的直流电流控制回路外环的切换为零功率控制，使第二交流系统与第二换流器之间不再传输功率，以避免出现功率不平衡的现象。
步骤3：送端第四换流器采用定直流电压控制方式，用于以支撑直流系统架空线的高电压等级；级联换流阀中的高压阀组和低压阀组中第二换流器采用定有功功率控制，低压阀组中第三换流器采用定直流电压控制；
直流输电系统中级联换向阀的第二交流端发现故障时，低压阀组中第二换流器的直流电流控制回路外环的切换为零功率控制，使第二交流系统与第二换流器之间不再传输功率，以避免出现功率不平衡的现象。此时，由于低压阀组对两交流系统的隔离分区作用，受端第一交流系统不受第二系统故障的影响，不会出现低电压，过电流运行的现象。
当受端第一交流系统发生交流短路故障时，由于两个交流系统分别独立接收送端功率，低压阀组中第二换流器采用定有功功率的控制策略，且混合型模块化多电平换流器具备在交流故障下的不间断运行能力，交流侧故障不影响其直流系统电压。因此，第二交流系统的电压幅值，接收功率以及电压幅值不受第一交流系统故障的影响。
优选地，所述交流系统的公共交流母线可以采用但不局限于单母线、双母线、单母线分段的接线方式。
优选地，所述级联换流阀使用的全控型电力电子器件可以为绝缘门极双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或门极可关断晶闸管。
优选地，所述级联换流阀输电系统的直流输电线路可以采用直流电缆、架空线路、架空线路与电缆线路混合等形式。
总体而言，本发明的拓扑结构及其控制方法相比与现有技术，具有如下技术效果：
(1)设计了级联换流阀的拓扑结构及其控制策略，使其能够同时实现高电压、大容量、远距离架空线直流功率传输以及受端交流系统的分层接入以及背靠背异步分区互联，从而使系统具备直流故障穿越能力、交流故障穿越以及电网的分层接入能力，提高系统稳定性。解决了多直流落点馈入的问题，同时能实现直流故障不闭锁穿越和交流故障穿越，提高交直流系统的稳定性。
(2)本发明相比于传统的高压直流输电系统与背靠背异步运行系统，采用同换流站建设级联换流阀的方式，显著减少换流站的占地面积，降低换流设备使用数量与建造成本。
(3)本发明中的级联结构，针对交直流系统不同实际情况的需要，提出高低压阀组可为包括电网换相换流器、半桥模块化多电平换流器以及混合型模块化多电平换流器多种不同换流器的组合形式。
(4)本发明中的级联结构，根据检修或故障等工况的需要，提出换流器的多种投切工作模式，通过晶闸管、断路器的配合，使换流器平稳投入运行或退出运行，实现级联换流阀多种工作模式的切换。
(5)设计了级联换流阀直流故障期间的控制策略，在发生直流故障时抑制直流短路电流，将高低压阀组切换为低电压运行，使换流阀的直流侧输出电压与故障点电压相等，实现直流故障下的不间断运行。
(6)设计了级联换流阀交流故障期间的控制策略，交流故障下将故障侧对应的换流阀组切换为零功率控制，平衡交直流功率。同时利用其级联结构，使两交流系统分别独立接收送端传输的功率，使得在一侧发生故障时，另一侧交流系统不受影响，继续保持安全稳定工作于稳定状态。
附图说明
图1是采用混合型模块化多电平换流器的级联换流阀直流系统的示意图；
图2是由晶闸管构成的电网换相换流器拓扑；
图3是由半桥子模块构成的模块化多电平换流器拓扑；
图4是由全桥型子模块、半桥型子模块构成的混合型模块化多电平换流器拓扑；
图5(a)为按照本发明提供的多种工作模式结构中背靠背工作模型，图5(b)为按照本发明提供的多种工作模式结构中交流分层接入模式，图5(c)为按照本发明提供的多种工作模式结构中混合高压直流模式；
图6(a)为级联换流阀中第一混合型MMC和第三混合型MMC的控制器结构示意图，图6(b)为级联换流阀中第二混合型MMC的控制器结构示意图；
图7是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，其中，送端电网换相换流器和受端级联换流阀均采用不对称正极性接线方式，高压阀组和低压阀组均采用混合型模块化多电平换流器；
图8是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，其中，送端电网换相换流器与受端级联换流阀均采用不对称负极性接线方式，高压阀组和低压阀组均采用混合型模块化多电平换流器；
图9是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的低压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，高压阀组为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式；
图10是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的低压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，高压阀组为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称负极性接线方式；
图11是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的低压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，高压阀组为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用双极性接线方式；
图12是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式；
图13是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称负极性接线方式；
图14是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用双极性接线方式；
图15是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统交流系统4分层接入的高压阀组1和低压阀组中第三换流器3由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式；
图16是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统交流系统4分层接入的高压阀组1和低压阀组中第三换流器3由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，送端和受端均采用不对称负极性接线方式；
图17是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的交流系统4接入的高压阀组1和低压阀组中第三换流器3由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，送端和受端均采用双极性接线方式；
图18是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，连接交流系统5的低压阀组中第二换流器2由混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器。送端和受端均采用不对称正极性接线方式；
图19是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，连接交流系统5的低压阀组中第二换流器2由混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器。送端和受端均采用不对称负极性接线方式；
图20是本发明实施例提供的级联换流阀的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，连接交流系统5的低压阀组中第二换流器2由混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器。送端和受端均采用双极性接线方式。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的目的在于降低直流输电系统的建造成本，在实现大容量远距离直流功率传输的同时，通过将受端交流系统通过直流背靠背结构异步分区互联，解决了受端电网多直流馈入的问题，保证直流线路故障下的不间断运行，减小交流系统故障影响范围，提高系统稳定性。
如图1所示，采用混合型模块化多电平换流器的级联换流阀直流系统包括位于送端的第四换流器和位于受端的级联换流阀，第四换流器的直流侧与级联换流阀的直流侧并联。在送端采用电网换相换流器，位于送端的第四换流器和位于受端的级联换流阀采用双极性接线方式，送端电网换相换流器正极子换流器的负极和混合级联换流阀低压阀组负极通过金属回线接地。直流电流无需流经大地，而是经过图中金属回线构成回路从而避免了直流电流对沿线金属管道等其他民用设备的腐蚀。
受端为级联换流阀，级联换流阀以高压阀组和低压阀组的级联方式组成，其中低压阀组为两换流器支路并联，高压阀组与低压阀组串联。高压阀组并联有高压晶闸管，高压晶闸管用于旁路高压阀组，低压阀组两个支路上串联有低压晶闸管，低压晶闸管用于旁路低压阀组中换流器。
第一换流器的交流侧通过交流变压器与第一交流系统4连接，第三换流器的交流侧通过交流变压器、变压器与第一交流系统4连接，第三换流器的交流侧也可以通过交流变压器同第三交流系统21连接，第二换流器的交流侧通过交流变压器与第二交流系统5连接。
由于第二换流器与第三换流器并联，实现第二换流器连接的交流系统同第三换流器连接的交流系统异互联，故当与第二换流器交流侧连接的交流系统出现交流故障后，让第二换流器工作于零功率控制情况，与第三换流器和第一换流器连接的第一交流系统功率不受影响，又由于三个换流器中至少有一个是混合型多电平输出换流器，能够维持高压阀组的直流端电压或者低压阀组的直流端电压不变，进而实现另一个阀组的直流端电压不变，实现交流故障穿越。当与第一换流器连接的交流系统出现故障后，由于第二换流器连接的交流系统同第三换流器连接的交流系统异互联，第一交流系统并不影响第二交流系统传输功率，同理，由于混合型多电平输出换流器的存在，能够维持直流输电系统直流端电压保持不变，实现交流故障穿越。
图2为本发明级联换流阀可以使用的电网换相换流器的结构，电网换相换流器采用12脉波晶闸管换相的结构。
图3为本发明级联换流阀可以使用的半桥型模块化多电平换流器，换流器各个桥臂均采用半桥型子模块结构。
图4为可采用本发明所提出控制系统的混合型模块化多电平换流器拓扑，拓扑含有三个桥臂，每个桥臂均由50％全桥子模块与50％半桥子模块串联组成。其特征为存在能够输出负电压的子模块，可保证桥臂子模块电容电压维持额定的同时根据工况调整直流电压。本发明所设计的控制系统适用于各种已公知的混合型模块化多电平换流器拓扑。
本发明所提出的级联换流阀能工作于多种工作模式。图5(a)所示，当需要对送端换流器或高压阀组进行检修时，可通过高压晶闸管配合断路器动作，旁路高压阀组，换流阀工作模式变为低直流电压下的低压阀组背靠背异步运行，可继续维持交直流系统稳定工作。
图5(b)所示当需要对低压阀组3需要检修时，可通过闭锁换流器，配合断路器动作，使低压阀组中第三换流器3退出运行。换流阀工作模式变为高压阀组与低压阀组中第二换流器2将第一交流系统4和第二交流系统5分层接入的模式，也可以满足直流故障下的不间断运行。
图5(c)所示，当需要对低压阀组中第二换流器2需要检修时，可通过闭锁换流器，配合断路器动作，使低压阀组中第二换流器2退出运行。换流阀工作模式变为高压阀组与低压阀组中第三换流器3对第一交流系统4的特高压直流输电模式，同时可以满足直流故障下的不间断运行。
根据图5(a)至图5(c)所示的级联换流阀多种工作模式，以低压阀组中第二换流器2的退出和投入为例，设计换流器投退的方式为：系统接收到阀组的退出运行的命令后，其IGBT基极施加负向电压，使换流器实现闭锁。换流器闭锁后，支路电流逐渐减小，当流经第二换流器线路上低压晶闸管阀组15的电流小于晶闸管维持电流时，晶闸管关断，此时再断开断路器16即可使第二换流器2退出直流系统且不影响另外两换流器的正常工作。当需要使第二换流器2重新加入直流系统时，可先闭合断路器16，并给低压晶闸管15施加触发信号，随着逆变侧交流系统给桥臂子模块电容充电，第二换流器2直流电压逐步升高，当其高于低压晶闸管15导通电压时，低压晶闸管15导通，此时，换流器启动并重新加入直流系统。
根据图5(a)至图5(c)所示的级联换流阀多种工作模式，当高压阀组负极发生接地短路故障，高压阀组将承受接近两倍的额定电压，高压阀组电容充电，极易损坏换流器。因此，高压阀组负极发生接地短路时，向高压晶闸管6施加触发信号使其导通，从而将高压阀组旁路，避免其在负极接地故障发生时受到损坏。
图6为本发明所提出的级联换流阀的控制策略，表1为图6中主要变量的缩写物理含义。在混合型模块化多电平换流器内环电流控制层面，采用交直流电流控制解耦的方式，其中，交流内环采用dq解耦的控制方式。级联换流阀正常工作时，高压阀组的交流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定交流电流控制；直流外环采用定有功功率控制，内环定直流电流控制。低压阀组中第二换流器2的交流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定交流电流控制；直流外环采用定有功功率控制，内环定直流电流控制。低压阀组中第三换流器3的交流外环采用子模块平均电容电压控制，内环定交流电流控制；直流外环采用定直流电压控制，内环采用定直流电流控制。
根据模块化多电平换流器基本理论，当桥臂环流被充分抑制时，桥臂电流的表达式为iarm＝idc/3+iac/2，其中iarm、idc、iac分别代表桥臂电流、直流电流、以及模块化多电平换流器各相交流电流，当直流电流与交流电流同时受控时，桥臂电流将被控制在安全范围内，从而确保任何工况下，换流器均不会因为桥臂过电流而闭锁。
图6中涉及到的子模块平均电容电压控制中，其实际值可以由所有子模块电容电压值之和相加后除以子模块总个数而得。由于直流故障穿越期间，主要投入具备输出直流负压的子模块，为提高控制器的响应速度，子模块电容电压平均值也可以是所有具备输出直流负压能力的子模块的电容电压的平均值。
图6中状态Ⅱ为直流短路故障下的穿越控制，当换流阀检测到直流电压跌落时，送端停止功率传输。低压阀组第三换流器3直流控制切换为定直流电流控制以降低直流调制比Mdc，此时控制直流电流极性反转，从接收功率状态转变为输出功率状态。同时，高压阀组维持定功率控制不变，电压极性反向，电流极性反向，功率极性与大小均不变；低压阀组2维持定功率控制不变，电压极性电流极性不变。
图7为另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，如图7所示，该实施例的级联换流阀直流系统的送端换流器与受端换流阀直流侧均采用不对称正极接线方式。送端换流器正极和级联换流阀高压阀组正极通过直流线路相连，级联换流阀均采用混合型模块化多电平换流器。该实施例混合型直流输电系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图8为另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，如图8所示，送端换流器与受端级联换流阀均采用不对称负极接线方式。送端换流器的负极和级联换流阀低压阀组的正极分别接地。级联换流阀均采用混合型模块化多电平换流器，该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图9为另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，如图9所示，原级联换流阀系统的低压阀组换流器由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，从而扩大受端容量，高压阀组为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图10是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的低压阀组换流器由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，从而扩大受端容量，高压阀组为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称负极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的高压阀组正极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图11是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的低压阀组换流器由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，从而扩大受端容量，高压阀组为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用双极性接线方式，送端换流器和受端换流阀低压阀组负极通过金属回线接地。直流电流无需流经大地，而是经过图中金属回线构成回路从而避免了直流电流对沿线金属管道等其他民用设备的腐蚀。
图12是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组换流器由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，以增大直流输电系统额定容量，低压阀组仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图13是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，以增大直流输电系统容量。低压阀组换流器仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称负极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的正极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图14是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，以增大直流输电系统容量。低压阀组换流器仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用双极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极通过金属回线接地。直流电流无需流经大地，而是经过图中金属回线构成回路从而避免了直流电流对沿线金属管道等其他民用设备的腐蚀。
图15是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组1和低压阀组中第三换流器3由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组中第二换流器2仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图16是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组1和低压阀组中第三换流器3由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组中第二换流器2仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称负极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的正极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图17是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组1和低压阀组中第三换流器3由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组中第二换流器2仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用双极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极通过金属回线接地。直流电流无需流经大地，而是经过图中金属回线构成回路从而避免了直流电流对沿线金属管道等其他民用设备的腐蚀。
图18是另一实施例中的级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组中第二换流器2由混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器。低压阀组中第三换流器3仍为混合型模块化多电平换流器，送端和受端均采用不对称正极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图19是另一实施例中的级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组中第二换流器2由混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器，低压阀组中第三换流器3仍为混合型模块化多电平换流器。送端和受端均采用不对称负极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的正极分别接地。该实施例级联换流阀系统在正常运行时，接地极会流过较大电流，可额外设计接地极。
图20是另一实施例中级联换流阀直流系统的示意图，原级联换流阀系统的高压阀组由混合型模块化多电平换流器更换为电网换相换流器，低压阀组2由混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器，低压阀组中第三换流器3仍为混合型模块化多电平换流器。混合型模块化多电平换流器更换为半桥型模块化多电平换流器。送端和受端均采用双极性接线方式，送端换流器和受端换流阀的负极通过金属回线接地。直流电流无需流经大地，而是经过图中金属回线构成回路从而避免了直流电流对沿线金属管道等其他民用设备的腐蚀。
表1各主要变量缩写物理意义
以上所述仅为本领域的技术人员容易理解的本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种直流输电系统的直流故障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：判断直流输电系统直流侧是否发现故障，若是，则进入步骤2，否则进入步骤3；
步骤2：低压阀组第三换流器中直流控制回路由定直流电压控制切换为定直流电流控制，从而抑制短路过电流；低压阀组第二换流器和高压阀组中第一换流器采用降有功功率控制，实现第一换流器电压极性反向，第二换流器电压极性保持不变，使得直流输电系统直流侧电压为零；
步骤3：送端第四换流器采用定直流电压控制方式，用于以支撑直流系统架空线的高电压等级；级联换流阀中的高压阀组和低压阀组中第二换流器采用定有功功率控制，低压阀组中第三换流器采用定直流电压控制；
所述直流输电系统包括位于送端的第四换流器和位于受端的级联换流阀，第四换流器的直流侧与级联换流阀的直流侧并联；所述级联换流阀包括在直流侧串联的高压阀组和低压阀组，高压阀组为第一换流器，低压阀组包括两个并联的第二换流器和第三换流器，第一换流器的交流侧与第三换流器的交流侧通过变压器并联构成级联换流阀的第一交流端，第二换流器的交流侧构成级联换流阀的第二交流端。
2.一种直流输电系统的交流故障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：判断直流输电系统中级联换向阀的第二交流端是否发现故障，若是，则进入步骤2，否则，进入步骤3；
步骤2：低压阀组中第二换流器的直流电流控制回路外环的切换为零功率控制，使第二交流系统与第二换流器之间不再传输功率，以避免出现功率不平衡的现象；
步骤3：送端第四换流器采用定直流电压控制方式，用于以支撑直流系统架空线的高电压等级；级联换流阀中的高压阀组和低压阀组中第二换流器采用定有功功率控制，低压阀组中第三换流器采用定直流电压控制；
所述直流输电系统包括位于送端的第四换流器和位于受端的级联换流阀，第四换流器的直流侧与级联换流阀的直流侧并联；所述级联换流阀包括在直流侧串联的高压阀组和低压阀组，高压阀组为第一换流器，低压阀组包括两个并联的第二换流器和第三换流器，第一换流器的交流侧与第三换流器的交流侧通过变压器并联构成级联换流阀的第一交流端，第二换流器的交流侧构成级联换流阀的第二交流端。
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