CN108321828B - 一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑 - Google Patents

一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑 Download PDF

Info

Publication number
CN108321828B
CN108321828B CN201710033656.7A CN201710033656A CN108321828B CN 108321828 B CN108321828 B CN 108321828B CN 201710033656 A CN201710033656 A CN 201710033656A CN 108321828 B CN108321828 B CN 108321828B
Authority
CN
China
Prior art keywords
current
source type
voltage
unit
direct
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201710033656.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108321828A (zh
Inventor
赵成勇
郭春义
许建中
李佩霖
王烨
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North China Electric Power University filed Critical North China Electric Power University
Priority to CN201710033656.7A priority Critical patent/CN108321828B/zh
Publication of CN108321828A publication Critical patent/CN108321828A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108321828B publication Critical patent/CN108321828B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

本发明提供了一种电流源‑混合电压源串联型换流器拓扑，所述混合串联型换流器拓扑由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成，所述电流源型换流单元换流单位为二极管或者晶闸管组成的LCC，所述电压源型换流单元的各相桥臂由不具备负电平输出能力的半桥子模块、IGBT组件和具备负电平输出能力的全桥子模块串联构成。该混合串联型换流器拓扑应用于直流输电系统中时，该直流系统通过控制不仅可阻断直流故障电流，而且也可实现快速潮流反转(不需要额外机械开关)。因此，该混合串联型换流器拓扑不仅适用于两端高压直流输电系统，而且也可应用于直流电网中。

Description

一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑
技术领域
本发明涉及一种输配电技术领域的装置，具体涉及一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑。
背景技术
由于能源分布的禀赋特性，需要将大量的电能从能源储量丰富的西北地区输送到负荷较重的东部沿海地区，因而需要架设高电压、大容量线路进行远距离输电，实现西电东送的战略目标。
目前，电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based highvoltage direct current,LCC-HVDC)作为电流源型换流器已成熟应用于大容量、远距离的输电工程。但是，由于LCC-HVDC采用晶闸管作为换流器件，存在需要具有一定强度的交流系统为其提供换相支撑，最大传输有功功率和电压稳定性受交流系统短路比限制等问题。
20世纪90年代以后，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)作为电压源型换流器得到了快速发展。目前VSC的结构有两电平结构、二极管箝位结构、模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)结构等。MMC独特的优点使其成为目前工程应用中最有前景的拓扑结构。MMC又包括全桥型MMC (Full-Bridge MMC,FBMMC)、半桥型MMC(Half-Bridge MMC,HBMMC)、箝位双子模块MMC(clamping double sub-module MMC,CDMMC)等。VSC-HVDC的系统特性，决定了其可以在一定程度上弥补LCC-HVDC的缺点。为了充分发挥 LCC-HVDC与VSC-HVDC的优势，抵御LCC可能发生的换相失败问题，可采用结合LCC和VSC技术特点的混合直流输电拓扑结构。
目前，采用混合直流输电系统进行远距离大容量输电已成为研究和工程应用的热点问题。而高电压大容量远距离输电时，混合直流系统需采用架空线路，这就不可避免地带来了直流故障问题，而除了FBMMC和CDMMC型的VSC换流器拓扑结构外，其它结构的VSC换流器均不能有效阻断直流故障电流。
现有可行的技术手段是采用直流电缆(降低直流故障发生概率)、采用全桥模块化多电平换流器(Full-Bridge Modular Multilevel Converter,FBMMC，该拓扑结构具有直流故障穿越能力，但是成本将增加很多)、采用直流断路器(目前投资很高，且没有任何工程实用经验)。虽然利用FBMMC子模块可输出三种电平的特性，提高混合直流输电拓扑的故障穿越能力。但是FBMMC所需要的半导体器件较半桥MMC增多一倍，投资成本明显增加，因此严重制约了FBMMC的工程应用，所以目前工程中VSC多采用HBMMC结构。快速潮流反转也是系统运行的一个重要需求。
因此，有必要提供一种可应用于直流输电系统的换流器拓扑，使得直流输电系统应用该换流器拓扑以后，不仅可以提高LCC换相失败的抵御能力，而且同时具备直流故障穿越能力和潮流快速反转能力。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑。
实现上述目的所采用的解决方案为:
一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑，所述换流器拓扑由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成，并定义电压源型换流单元的电压占比为 K1；所述电流源型换流单元换流单位为二极管或者晶闸管组成的LCC，所述电压源型换流单元的子模块单元由不具备负电平输出能力的半桥子模块、IGBT组件和具备负电平输出能力的全桥子模块两类构成。并定义电压源型换流单元中具备负电平输出能力的子模块单元个数的占比为K2；所定义K1、K2如下：
Figure GDA0002762224660000021
Figure GDA0002762224660000022
式中，UV为电压源型换流单元电压，UI为电流源型换流单元电压，n-为电压源型换流单元中具备负电平输出能力的子模块单元个数，n+为电压源型换流单元中不具备负电平输出能力的子模块单元个数。
进一步地，所述混合串联型换流器拓扑作为逆变站应用于直流输电系统中时，当系统发生直流故障，由于所述混合串联型换流器拓扑中的电流源型换流单元具有单向导电性，因此可阻断逆变站向故障点的电流馈入，从而阻断直流故障电流。
进一步地，所述电压源型换流单元可通过合理配比桥臂不同类型(即具备、不具备负电平输出能力)的子模块单元的数目，实现灵活地控制系统直流电压的输出，如快速潮流反转、应对不同程度直流故障下的电压跌落等。
进一步地，所述混合串联型换流器拓扑作为逆变站应用于直流输电系统中时，可以阻断该逆变站对故障点的电流馈入，因此可用隔离开关替换逆变站出口侧的断路器，从而降低成本。
进一步地，对于所述混合串联型换流器拓扑作为逆变站应用于直流输电系统中时，可以通过合理配置K1、K2，实现故障穿越。
进一步地，定义混合串联型换流器拓扑的反转电压率η如下：
Figure GDA0002762224660000031
式中，UV-为电压源型换流单元可输出的最大负压，UI-为电流源型换流单元可输出的最大负压。
进一步地，对于所述混合串联型换流器拓扑，可以通过合理配置K1、K2，实现系统反转电压率η的要求。
进一步地，在直流电网中，所述混合串联型换流器拓扑作为整流站时，当系统发生直流故障，若满足K2≥0.5，则通过控制使所述电压源型换流单元直流侧输出电压为零，形成“虚短”状态；与此同时，通过强迫移相使所述电流源型换流单元向逆变状态过渡，直至其直流侧输出电压为零，此时整流站直流侧的整体电压为零，从而阻断其对故障点的电流馈入，同时由于电流源型换流单元的单向导电性，可避免其他换流站向其馈入电流，从而在发生直流故障时保护该换流站的安全。
进一步地，在直流电网中，所述混合串联型换流器拓扑作为整流站时，可用于送端接入新能源，其优势是可提供无功补偿。
进一步地，在直流电网中，所述混合串联型换流器拓扑作为整流站时，可用于送端为孤岛送电，其优势是甩负荷时可通过调节无功，显著降低系统过电压水平。
进一步地，所述的混合串联型换流器拓扑若要匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流，可分别对换流单元进行并联，形成换流单元组。
进一步地，所述的混合串联型换流器拓扑不仅适用于两端高压直流输电系统的整流站和逆变站，而且也可应用于直流电网中。
附图说明
图1为本发明所提出的混合串联型换流器拓扑；
图2为本发明所提出的混合串联型换流器拓扑的并联结构示意图；
图3为电流源型换流单元例一图；
图4为电流源型换流单元例二图；
图5为电压源型换流单元中不具备负电平输出能力的子模块单元例一图；
图6为电压源型换流单元中不具备负电平输出能力的子模块单元例二图；
图7为电压源型换流单元中具备负电平输出能力的子模块单元例图；
图8为电压源型换流单元例一图；
图9为电压源型换流单元例二图；
图10为电压源型换流单元例三图；
图11为电压源型换流单元例四图；
图12为本发明所提出的混合串联型换流器拓扑应用于高压直流输电系统的实施例一图；
图13为本发明所提出的混合串联型换流器拓扑应用于高压直流输电系统的实施例二图；
图14为四端直流输电系统拓扑结构。
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。
本发明提供了一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑。所述换流器拓扑由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成；所述电流源型换流单元换流单位为二极管或者晶闸管组成的LCC，所述电压源型换流单元的子模块单元由不具备负电平输出能力的半桥子模块、IGBT组件和具备负电平输出能力的全桥子模块两类构成。如图1所示，图1为本发明所提出的混合直流换流器拓扑结构；结构包括串联的电流源型换流单元和电压源型换流单元。该拓扑为电流源- 混合电压源串联型换流器拓扑结构。
图1中混合直流换流器拓扑结构若要匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流，可分别对换流单元进行并联，形成换流单元组，拓扑结构如图2 所示。
电流源型换流单元有基于晶闸管或者二极管组成的LCC等结构，分别如图 3、4所示。
电压源型换流单元中，子模块单元由不具备负电平输出能力的子模块单元和具备负电平输出能力的子模块单元两类构成。
不具备负电平输出能力的子模块单元包含半桥子模块、IGBT组件等，如图 5、6所示。
具备负电平输出能力的子模块单元包含如图7所示的全桥子模块。
综合前所述的电流源型换流单元拓扑及电压源型换流单元拓扑，有多种混合串联型换流器拓扑结构，列举4种如图8、9、10、11所示。
若整流侧采用电流源型换流单元，逆变侧采用电流源-混合电压源串联型换流器拓扑，则可组成单极混合直流输电结构如图12所示、双极混合直流输电结构如图13所示。
当发生直流故障时，图1中混合直流换流器拓扑结构作为逆变侧时，电流源型换流单元具有单向导电性，可以阻断换流器对故障点的电流馈入。
当发生直流故障时，图1中混合直流换流器拓扑结构作为逆变侧时，由于电流源型换流单元可阻断换流器对故障点的电流馈入，因此可以将逆变站出口侧的断路器替换为隔离开关，以降低成本。
图1中混合直流换流器拓扑结构中的电压源型换流单元可通过合理配比桥臂不同类型(即具备、不具备负电平输出能力)的子模块单元的数目，实现灵活地控制系统直流电压的输出，如快速潮流反转、应对不同程度故障下的电压跌落等。
例如：子模块单元中半桥子模块(不具备负电平输出能力的子模块单元)与全桥子模块(具备负电平输出能力的子模块单元)的个数比为1：1时，或IGBT 组件(不具备负电平输出能力的子模块单元)与全桥子模块(具备负电平输出能力的子模块单元)的个数比为1：1时，可通过控制使电压源型换流单元输出电压为零，形成“虚短”状态，从而不需要额外的机械开关，并且MMC处于“热备用”状态，可以实现快速潮流反转。
如图14所示的四端直流输电系统，其中换流站2、4为整流站，1、3为逆变站。在该直流电网中，所提出的混合串联型换流器拓扑(如图8、9、10、11) 既可应用于整流站又可应用于逆变站，例如，换流站1、2、3均采用所提出的混合串联型换流器拓扑，而换流站4仅采用电流源型换流器。
在直流电网中，图1中混合直流换流器拓扑结构作为整流站时，当系统发生直流故障，若满足K2≥0.5，可通过控制使所述电压源型换流单元输出电压为零，形成“虚短”状态；同时，通过强迫移相使所述电流源型换流单元向逆变状态过渡，直至其输出电压为零，从而使整流站直流侧的输出电压为零，进而阻断其对故障点的电流馈入；同时由于电流源型换流单元的单向导电性，可以避免其他换流站向其馈入电流，从而在发生直流故障时保护换流站的安全。
在直流电网中，图1中混合直流换流器拓扑结构作为整流站时，可用于送端新能源接入，其优势是可提供无功补偿。
在直流电网中，图1中混合直流换流器拓扑结构作为整流站时，可用于送端为孤岛送电，其优势是甩负荷时可通过调节无功，显著降低系统过电压水平。
图1中混合直流换流器拓扑结构不仅适用于两端高压直流输电系统的整流站和逆变站，而且也可应用于直流电网中。

Claims (7)

1.一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑，其特征在于：所述换流器拓扑由电流源型换流单元和电压源型换流单元串联构成，并定义电压源型换流单元的电压占比为K1；所述电流源型换流单元为二极管或者晶闸管组成的LCC；所述电压源型换流单元的子模块单元由不具备负电平输出能力的子模块单元和具备负电平输出能力的子模块单元两类构成，不具备负电平输出能力的子模块单元为半桥子模块，具备负电平输出能力的子模块单元为全桥子模块，并定义电压源型换流单元中具备负电平输出能力的子模块单元个数的占比为K2；在直流电网中，所述串联型换流器拓扑作为整流站时，当系统发生直流故障，若满足K2≥0.5，则通过控制使所述电压源型换流单元直流侧输出电压为零，形成“虚短”状态；与此同时，通过强迫移相使所述电流源型换流单元向逆变状态过渡，直至其直流侧输出电压为零，此时整流站直流侧的整体电压为零，从而阻断其对故障点的电流馈入，同时由于电流源型换流单元的单向导电性，可避免其他换流站向其馈入电流，从而在发生直流故障时保护换流站的安全；所定义K1、K2如下：
Figure FDA0003254391770000011
Figure FDA0003254391770000012
式中，UV为电压源型换流单元电压，UI为电流源型换流单元电压，n-为电压源型换流单元中具备负电平输出能力的子模块单元个数，n+为电压源型换流单元中不具备负电平输出能力的子模块单元个数。
2.如权利要求1所述的串联型换流器拓扑，其特征在于：所述串联型换流器拓扑作为逆变站应用于直流输电系统中时，当系统发生直流故障，由于所述串联型换流器拓扑中的电流源型换流单元具有单向导电性，因此可阻断逆变站向故障点的电流馈入，从而阻断直流故障电流。
3.如权利要求1所述的串联型换流器拓扑，其特征在于：所述电压源型换流单元通过合理配比桥臂中具备负电平输出能力、不具备负电平输出能力的子模块单元的数目，实现灵活地控制系统直流电压的输出，以实现快速潮流反转、应对不同程度故障下的电压跌落。
4.如权利要求1所述的串联型换流器拓扑,其特征在于：所述串联型换流器拓扑作为整流站应用于直流输电系统中时，通过合理配置K1、K2，实现故障穿越。
5.如权利要求1所述的串联型换流器拓扑，其特征在于：定义拓扑反转电压率η如下：
Figure FDA0003254391770000021
式中，UV-为电压源型换流单元可输出的最大负压，UI-为电流源型换流单元可输出的最大负压。
6.如权利要求5所述的串联型换流器拓扑，其特征在于：通过合理配置K1、K2，实现直流输电系统对反转电压率η的要求。
7.如权利要求1所述的串联型换流器拓扑，其特征在于：若要匹配电流源型换流单元和电压源型换流单元的电流，分别对换流单元进行并联，形成换流单元组。
CN201710033656.7A 2017-01-18 2017-01-18 一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑 Expired - Fee Related CN108321828B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710033656.7A CN108321828B (zh) 2017-01-18 2017-01-18 一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710033656.7A CN108321828B (zh) 2017-01-18 2017-01-18 一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108321828A CN108321828A (zh) 2018-07-24
CN108321828B true CN108321828B (zh) 2022-01-11

Family

ID=62892872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710033656.7A Expired - Fee Related CN108321828B (zh) 2017-01-18 2017-01-18 一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108321828B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110289774B (zh) * 2019-07-03 2024-06-18 南京南瑞继保电气有限公司 一种高压直流输电换流单元及其控制方法和控制装置
CN219513973U (zh) * 2020-03-24 2023-08-11 西门子能源全球有限公司 用于大电流负载的供电装置和具有供电装置的设备
CN113517711B (zh) * 2020-04-09 2024-08-13 南京南瑞继保电气有限公司 一种故障控制装置、混合直流输电系统及故障处理方法
CN111800027B (zh) * 2020-07-14 2021-08-27 南方电网电力科技股份有限公司 一种换流装置及直流输电系统
CN112145370B (zh) * 2020-09-04 2021-11-02 上海电气风电集团股份有限公司 通信质量检测方法、系统和可读存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103997033A (zh) * 2014-05-23 2014-08-20 华北电力大学 一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统
CN104578130A (zh) * 2015-01-08 2015-04-29 南京南瑞继保电气有限公司 一种混合直流输电换流器及直流输电装置
CN105379090A (zh) * 2013-07-15 2016-03-02 西门子公司 用于高压直流应用的模块化多电平直流/直流转换器
CN205489555U (zh) * 2016-03-01 2016-08-17 南方电网科学研究院有限责任公司 一种直流输电系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105379090A (zh) * 2013-07-15 2016-03-02 西门子公司 用于高压直流应用的模块化多电平直流/直流转换器
CN103997033A (zh) * 2014-05-23 2014-08-20 华北电力大学 一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统
CN104578130A (zh) * 2015-01-08 2015-04-29 南京南瑞继保电气有限公司 一种混合直流输电换流器及直流输电装置
CN205489555U (zh) * 2016-03-01 2016-08-17 南方电网科学研究院有限责任公司 一种直流输电系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN108321828A (zh) 2018-07-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10084387B2 (en) LCC and MMC series-connected HVDC system with DC fault ride-through capability
CN108321828B (zh) 一种电流源-混合电压源串联型换流器拓扑
WO2017152720A1 (zh) 一种混合直流输电系统控制方法及装置
CN104901524B (zh) 一种模块化多电平变流器的直流双极短路故障穿越方法
CN110798090B (zh) 一种组合型模块化多电平换流拓扑及其调制方法
EP3082212A1 (en) Tripolar flexible direct-current power transmission system and method
CN103997033A (zh) 一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统
CN103001242B (zh) 一种基于模块化多电平换流器的hvdc兼upfc系统
CN104052026A (zh) 用于模块化多电平换流器的子模块拓扑及其应用
CN106253725B (zh) 适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器
CN210693795U (zh) 一种组合型模块化多电平换流拓扑
CN103731059A (zh) 一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路
Dorn et al. HVDC transmission technology for sustainable power supply
CN104796025B (zh) 一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构
EP3446400A1 (en) Converter arrangement
CN108336750A (zh) 换流器、基于半vsc三极直流系统及其故障转移控制方法
CN110289774A (zh) 一种高压直流输电换流单元及其控制方法和控制装置
CN111600497A (zh) 抑制高压直流换相失败的串联双向二极管桥换流器
CN110768233A (zh) 适用于直流电网且具备潮流控制功能的组合式高压直流断路器及其控制方法
CN217720738U (zh) 一种海上柔性直流海缆永久性故障穿越系统
CN116131325A (zh) 一种用于远距离海上风电场直流汇集外送的固态变压器
CN106452104B (zh) 单极电流交错连接三电平子模块
Zhou et al. The development of HVDC transmission system
CN111555333B (zh) 直流调压单元的控制方法及控制装置
CN105186550A (zh) 一种改进型模块化多电平换流器子模块拓扑

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20220111