CN110380445B - 混合直流换流器及其故障穿越方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混合直流换流器及其故障穿越方法，包括：不控整流器、辅助换流器、电抗器；不控整流器的第一输入端连接至电抗器的一端，电抗器的另一端连接至高压直流侧的正极，不控整流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极，辅助换流器的第一输入端连接电抗器的一端，辅助换流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极；不控整流器的输出端与辅助换流器的相连；其中：辅助换流器中的卸荷支路与辅助换流器中的半桥子模块串联，且卸荷支路的两端还通过第一开关器件与辅助换流器中的三相MMC换流器的两个输入端连接。本发明解决了混合直流换流器电网故障穿越问题，通过电路结构的优化，减少器件数量，降低了混合换流器故障穿越的实现成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及混合直流换流器及其故障穿越方法。
背景技术
当风电场通过柔性直流输电系统向交流电网输送功率时，如果交流侧电网电压发生跌落，此时会造成风电场功率无法从受端换流站输送出去，从而在直流侧堆积，导致直流侧电压上升。而直流侧电压升高可能使得换流站电力电子器件过电压损坏，造成巨大的损失。
经检索，申请(专利)号:201711288924.6，名称:“混合型海上风场直流换流器”的文献中公开了子模块串，子模块串的一端连接至模块化多电平变换器，另一端连接至高压直流输电线路；子模块串的另一端经过滤波电路连接至高压直流输电线路，从而实现了子模块数量的减小，但是其没有公开电网出现故障时，如何实现故障穿越。
现有的故障穿越技术方案，往往需要使用额外的双向DC-DC变换器与超级电容器，且卸荷电阻采用开关管来控制通断，这也使得开关管必须可以承受很高的直流电压。因此，整个方案的实施难度大，制作成本高。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种混合直流换流器及其控制方法。
第一方面，本发明实施例提供一种混合直流换流器，包括：不控整流器、辅助换流器、电抗器；所述不控整流器的第一输入端连接至所述电抗器的一端，所述电抗器的另一端连接至高压直流侧的正极，所述不控整流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极，所述辅助换流器的第一输入端连接所述电抗器的一端，所述辅助换流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极；所述不控整流器的输出端与所述辅助换流器的相连，并构成所述混合直流换流器的输出端；所述混合直流换流器的输出端连接至交流侧电网；其中：
所述辅助换流器中包含有卸荷支路，所述卸荷支路与所述辅助换流器中的半桥子模块串联，且所述卸荷支路的两端还通过第一开关器件与所述辅助换流器中的三相MMC换流器的两个输入端连接。
可选地，所述卸荷支路包括：串联的多个半桥子模块、卸荷电阻，以及第二开关器件；其中，所述卸荷支路中的半桥子模块的数量为所述三相MMC换流器中半桥子模块数量的1/6。
可选地，当所述辅助换流器中高压则的半桥子模块数量足够时，所述卸荷支路包括：串联的卸荷电阻，以及第二开关器件。
可选地，当交流侧电网发生交流电压跌落的故障，且所述高压直流侧的电压超过设定值时，所述第二开关器件导通。
可选地，所述电抗器包括：电感Lm，所述不控整流器的第一输入端连接至所述电感Lm的一端，所述电感Lm的另一端连接至高压直流侧的正极，所述辅助换流器的第一输入端连接所述电感Lm的一端。
可选地，所述电抗器包括：第一电感和第二电感，所述不控整流器的第一输入端连接至所述第二电感的一端，所述第二电感的另一端分别连接至第一电感的一端、所述辅助换流器的第一输入端，所述第一电感的另一端连接至高压直流侧的正极。
第二方面，本发明实施例提供一种混合直流换流器的故障穿越方法，应用在第一方面中任一项所述的混合直流换流器中；当所述混合直流换流器完成换流后，风场产生的所有有功功率均由所述不控整流器传输到高压直流母线上，此时，控制所述开关器件断开，使得所述卸荷支路与所述辅助换流器中的三相MMC换流器分离。
可选地，当交流侧电网发生交流电压跌落的故障，且所述高压直流侧的电压超过设定值时，控制所述卸荷支路导通。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的混合直流换流器及其故障穿越方法，通过在辅助换流器中设置卸荷支路，从而可以在高压直流侧电压超过预设值时，控制卸荷支路导通，从而解决了电网故障穿越问题，并通过电路结构的优化，减少器件数量，降低了混合换流器的实现成本，适用性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的混合直流换流器的结构示意图；
图2为现有技术中的电抗器的连接结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的电抗器的连接结构示意图一；
图4为本发明实施例中提供的电抗器的连接结构示意图二；
图5为本发明实施例的交流侧电压波形图；
图6为本发明实施例的不带故障穿越时的直流电压波形图；
图7为本发明实施例的带故障穿越时的直流电压波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例提供的混合直流换流器的结构示意图，如图1所示，可以包括：不控整流器、辅助换流器、电抗器2；不控整流器的第一输入端连接至电抗器2的一端，电抗器2的另一端连接至高压直流侧的正极，不控整流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极，辅助换流器的第一输入端连接电抗器2的一端，辅助换流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极；不控整流器的输出端与辅助换流器的相连，并构成混合直流换流器的输出端；混合直流换流器的输出端连接至交流侧电网；其中：辅助换流器中包含有卸荷支路1，卸荷支路1与辅助换流器中的半桥子模块串联，且卸荷支路的两端还通过第一开关器件与辅助换流器中的三相MMC换流器的两个输入端连接。
本实施例中，辅助换流器中新增加的卸荷支路，由一串半桥子模块、卸荷电阻以及开关构成，半桥子模块也可以替换为带卸荷电阻的子模块。当混合直流换流器完成换流后，风场产生的所有有功功率均由不控整流器传输到高压直流母线上，此时辅助换流器直流侧电流很小，因此可以闭锁高压子模块串的信号，并且断开开关，使得辅助换流器中的三相MMC换流器分离。在此过程以及稳定运行的过程中，卸荷支路中的子模块串始终闭锁。其中，卸荷支路的子模块数量为辅助换流器中三相MMC换流器的1/6，也可以通过增加高压子模块串的子模块数量，使其能够承受高压直流电压，从而免去卸荷支路中的子模块串。
当电网侧发生交流电压跌落的故障时，直流侧电压将会升高。当直流侧电压超过设定值时，此时控制辅助换流器中的高压子模块串与卸荷支路中的子模块串导通，因此直流侧的有功功率通过卸荷电阻进行释放，使得直流侧电压降低，从而实现了故障穿越。
进一步地，图2为现有技术中的电抗器的连接结构示意图；图3为本发明实施例中提供的电抗器的连接结构示意图一；图4为本发明实施例中提供的电抗器的连接结构示意图二。如图2～图4所示，现有的混合直流换流器的直流侧包含两个电感，分别为不控整流器直流侧的限流电感L1和辅助换流器直流侧的滤波电感L2。本发明中将这两个电感进行组合，可以合为如图3所示的一个电感Lm，Lm大小为L1和L2中的最大值。启动阶段电感Lm作为辅助换流器的滤波电感使用，输送功率阶段该电感Lm作为限流电感使用。可选地，如图4所示，也可以从Lm中接出线将其分为两个部分，其中电感Lm2可以起到在启动阶段限制高频环流进入不控整流器的作用，电感Lm1则在启动过程中限制高频环流进入直流母线，两者一起作稳定运行时的限流电抗器使用。
进一步地，本发明实施例还提供了混合直流换流器的控制方法，应用在上述任一项的混合直流换流器中；当混合直流换流器完成换流后，风场产生的所有有功功率均由不控整流器传输到高压直流母线上，此时，控制开关器件断开，使得卸荷支路与辅助换流器中的三相MMC换流器分离。
可选地，当交流侧电网发生交流电压跌落的故障，且高压直流侧的电压超过设定值时，控制卸荷支路导通。
上述实施例中的技术方案，为混合直流换流器提供了故障穿越方案，能够限制故障期间的直流电压，防止装置损坏；仅额外增加了少量的卸荷子模块，卸荷支路开关的主体由混合换流器中的高压子模块串构成，因此相比传统的MMC-HVDC故障穿越方法，降低了直流侧卸荷所需成本；将直流侧的电抗器进行了组合优化，减少了直流侧电抗器所需数量，同样降低了混合换流器的成本。
具体地，下面结合附图及具体实施例对本发明方案进行进一步的详细说明。
针对一个50MW海上风场设计高压直流输电系统，混合换流器采用12脉波不控整流器，辅助换流器高压子模块串MMC模块数量为45个，小容量三相MMC每相桥臂子模块数量为8个，卸荷支路MMC模块数量也为8个。岸上采用全功率MMC换流站作为受端换流站，每相桥臂子模块数量为10个。直流侧电压为100kV,卸荷电阻为1000欧姆，设置当直流侧电压高于120kV时开始进行故障穿越，当直流电压降低至105kV时停止。在MATLAB/SIMULINK上进行仿真实验，搭建图1所示的混合直流换流器。图5、图6、图7为相应的仿真结果。在混合换流器完成功率转移后，所有有功功率均由二极管传输，此时闭锁高压子模块串并断开卸荷支路的开关。在3s时岸上交流电网侧发生电压跌落故障，交流电压幅值跌落为原来的20％，持续625ms。如图5，可以看到直流电压持续上升，最高达到了170kV。采用本发明中的故障穿越方法后，仿真结果如图7所示。当直流侧电压上升至120kV时，高压子模块串与卸荷模块串导通，直流侧电压下降，故障期间直流侧电压始终低于120kV。在3.625s交流侧电压恢复，直流侧电压跌落，3.8s恢复稳定。
通过以上实施例可以出，通过在辅助换流器中设置卸荷支路，可以在高压直流侧电压超过预设值时，控制卸荷支路导通，从而解决了电网故障穿越问题，并通过电路结构的优化，减少器件数量，降低了混合换流器的故障穿越的实现成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种混合直流换流器，其特征在于，包括：不控整流器、辅助换流器、电抗器；所述不控整流器的第一输入端连接至所述电抗器的一端，所述电抗器的另一端连接至高压直流侧的正极，所述不控整流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极，所述辅助换流器的第一输入端连接所述电抗器的一端，所述辅助换流器的第二输入端连接至高压直流侧的负极；所述不控整流器的输出端与所述辅助换流器的相连，并构成所述混合直流换流器的输出端；所述混合直流换流器的输出端连接至交流侧电网；其中：
所述辅助换流器中包含有卸荷支路，所述卸荷支路与所述辅助换流器中高压侧的半桥子模块串联，且所述卸荷支路的两端还通过第一开关器件与所述辅助换流器中的三相MMC换流器的两个输入端连接。
2.根据权利要求1所述的混合直流换流器，其特征在于，所述卸荷支路包括：串联的多个半桥子模块、卸荷电阻，以及第二开关器件；其中，所述卸荷支路中的半桥子模块的数量为所述三相MMC换流器中半桥子模块数量的1/6。
3.根据权利要求1所述的混合直流换流器，其特征在于，当所述辅助换流器中高压侧的半桥子模块数量足够时，所述卸荷支路包括：串联的卸荷电阻，以及第二开关器件。
4.根据权利要求2或3所述的混合直流换流器，其特征在于，当交流侧电网发生交流电压跌落的故障，且所述高压直流侧的电压超过设定值时，所述第二开关器件导通。
5.根据权利要求1所述的混合直流换流器，其特征在于，所述电抗器包括：电感Lm，所述不控整流器的第一输入端连接至所述电感Lm的一端，所述电感Lm的另一端连接至高压直流侧的正极，所述辅助换流器的第一输入端连接所述电感Lm的一端。
6.根据权利要求1所述的混合直流换流器，其特征在于，所述电抗器包括：第一电感和第二电感，所述不控整流器的第一输入端连接至所述第二电感的一端，所述第二电感的另一端分别连接至第一电感的一端、所述辅助换流器的第一输入端，所述第一电感的另一端连接至高压直流侧的正极。
7.一种混合直流换流器的故障穿越方法，其特征在于，应用在权利要求1-6中任一项所述的混合直流换流器中；当所述混合直流换流器完成换流后，风场产生的所有有功功率均由所述不控整流器传输到高压直流母线上，此时，控制所述第一开关器件断开，使得所述卸荷支路与所述辅助换流器中的三相MMC换流器分离。
8.根据权利要求7所述的混合直流换流器的故障穿越方法，其特征在于，当交流侧电网发生交流电压跌落的故障，且所述高压直流侧的电压超过设定值时，控制所述卸荷支路导通。
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