CN111900886B - 一种柔性直流输电换流器 - Google Patents

一种柔性直流输电换流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电换流器，所述柔性直流输电换流器包括第一串联开关阀S1、第二串联开关阀S2、第三串联开关阀S3、第四串联开关阀S4、第五串联开关阀S5、第六串联开关阀S6、第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9、母线电感Ls、电容C f 、第一桥臂电感L1、第二桥臂电感L2、第一桥臂A1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第四桥臂A4。本发明通过控制桥臂电压使各个桥臂连接端输出需要的波形，再配合串联开关阀的导通关断使输出端口输出三相正弦电压的方法实现电压变换和功率传递。与传统模块化多电平换流器相比，本发明上下桥臂的功率传输频率更高，桥臂承担的直流电压应力更低。

Description

一种柔性直流输电换流器
技术领域
本发明属于高压直流输电和电力电子技术领域，涉及一种柔性直流输电换流器。
背景技术
可再生能源的大规模建设带来了能源消纳与送出问题，高压直流输电（Highvoltage direct current, HVDC）技术为新能源的跨区域远距离输送提供了很好的方案。模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）包含三相六个子模块桥臂，桥臂的子模块通过串联连接方式来承担高压直流侧的电压应力。MMC通过适当控制投入和旁路的子模块数目，可以在输出电压中获得多电平的三相正弦波形。由于其模块化结构、输出波形谐波含量低、转化效率高的特点，MMC在高压直流输电领域得到广泛的应用。
MMC三相六桥臂的拓扑结构，意味着其需要数目众多的子模块，且子模块中电容器的充放电周期为工频，导致电容容量极大。上述的子模块数目多、电容容量和体积大使得MMC的体积庞大笨重。
发明内容
为了解决传统模块化多电平换流器所具有的子模块数目多、电容容量大、体积笨重的问题，本发明提供了一种柔性直流输电换流器。本发明通过控制桥臂电压使各个桥臂连接端输出需要的波形，再配合串联开关阀的导通关断使输出端口输出三相正弦电压的方法实现电压变换和功率传递。与传统模块化多电平换流器相比，本发明上下桥臂的功率传输频率更高，桥臂承担的直流电压应力更低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种柔性直流输电换流器，包括第一串联开关阀S1、第二串联开关阀S2、第三串联开关阀S3、第四串联开关阀S4、第五串联开关阀S5、第六串联开关阀S6、第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9、母线电感Ls、电容C f 、第一桥臂电感L1、第二桥臂电感L2、第一桥臂A1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第四桥臂A4，其中：
所述母线电感Ls的一端连接直流侧正极，母线电感Ls的另一端连接电容C f 的正极和第一桥臂A1的输入端，电容C f 的负极连接直流侧负极和第四桥臂A4的输出端；
所述第一桥臂电感L1的两端分别连接第一桥臂A1的输出端和第二桥臂A2的输入端，第二桥臂电感L2的两端分别连接第三桥臂A3的输出端和第四桥臂A4的输入端，第一桥臂A1、第一桥臂电感L1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第二桥臂电感L2、第四桥臂A4呈现串联连接状态；
所述第一串联开关阀S1、第三串联开关阀S3、第五串联开关阀S5的电流输入端皆与第一桥臂电感L1和第二桥臂A2的输入端连接；第二串联开关阀S2、第四串联开关阀S4、第六串联开关阀S6的电流输出端皆与第二桥臂电感L2和第三桥臂A3的输出端连接，第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9的一端皆与第二桥臂A2的输出端和第三桥臂A3的输入端连接；
所述第七串联开关阀S7的另一端与第一串联开关阀S1的电流输出端、第四串联开关阀S4的电流输入端连接，连接端作为换流器三相输出的第一端口并与交流电网的a相进行连接；第八串联开关阀S8的另一端与第三串联开关阀S3的电流输出端、第六串联开关阀S6的电流输入端连接，连接端作为换流器三相输出的第二端口并与交流电网的b相进行连接；第九串联开关阀S9的另一端与第五串联开关阀S5的电流输出端、第二串联开关阀S2的电流输入端连接，连接端作为换流器三相输出的第三端口并与交流电网的c相进行连接。
一种上述柔性直流输电换流器实现功率传递和电压变换的方法，包括下述步骤：
步骤一、通过控制半桥子模块中开关的导通关断，实现子模块输出电压0或者电容电压，通过控制全桥子模块中开关的导通关断实现子模块输出电压0、正电容电压或者负电容电压；通过控制桥臂中各个子模块的输出电压实现桥臂电压的多样化输出；
步骤二、控制第二桥臂A2和第三桥臂A3的桥臂电压波形使得第一桥臂电感L1与第二桥臂A2连接处的输出电压u 1的波形形状接近波形1，即三相相电压波形的上面区域，对应每相波形的30°~150°的部分，使得第二桥臂A2与第三桥臂A3连接处的输出电压u 2的波形形状接近波形2，即三相相电压波形的中间区域，对应每相波形的0°~30°、150°~210°和330°~360°的部分，使得第三桥臂A3与第二桥臂电感L2连接处的输出电压u 3的波形形状接近波形3，即三相相电压波形的下面区域，对应每相波形的210°~330°的部分；
步骤三、使用第一桥臂A1和第四桥臂A4抵消由第二桥臂A2和第三桥臂A3的桥臂电压带来的六倍基频的电压脉动；
步骤四、控制第一桥臂A1和第四桥臂A4与第一桥臂电感L1和第二桥臂电感L2作用产生交流环流平衡四个桥臂的功率，环流频率为六倍基频，电容C f 为交流环流提供流通路径，母线电感Ls用来平抑直流电流的波动；
步骤五、合理控制串联开关阀的导通时刻和导通时间，使得第一桥臂电感L1与第二桥臂A2连接处的输出电压u 1、第二桥臂A2与第三桥臂A3连接处的输出电压u 2、第三桥臂A3与第二桥臂电感L2连接处的输出电压u 3经过串联开关阀后在换流器的三相输出的第一、第二、第三端口转化为三相正弦波形。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明相比于传统的模块化多电平换流器需要的电容容量小。本发明的桥臂间能量传输频率为六倍基频，在电容电压波动等级相同的情况下可以减少对电容容量的需求。
2、本发明相比于传统的模块化多电平换流器需要的子模块数目减少。模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，每个桥臂都需要承担直流侧电压。本发明的换流器结构只有四个桥臂，第一桥臂A1和第四桥臂A4只需要承担较小的电压脉动，因此需要的子模块数目很少；第二桥臂A2和第三桥臂A3共同承担直流侧电压，所需子模块数目少于MMC两个桥臂的子模块数目和。综上所述，本发明换流器结构的子模块总数少于传统模块化多电平换流器。
附图说明
图1为柔性直流输电换流器的电路原理图；
图2为串联开关阀采用IGBT的柔性直流输电换流器原理图；
图3为第一串联开关阀S1~第六串联开关阀S6对应的电路原理图；
图4为第七串联开关阀S7~第九串联开关阀S9对应的电路原理图；
图5为第一桥臂A1和第四桥臂A4的电路原理图；
图6为半桥子模块的电路原理图；
图7为全桥子模块的电路原理图；
图8为第二桥臂A2和第三桥臂A3的电路原理图；
图9为u 1、u 2、u 3电压波形形状示意图；
图10为串联开关阀S1~S6采用二极管的柔性直流输电换流器原理图；
图11为串联二极管D1~D6对应的电路原理图；
图12为串联开关阀S1~S6采用晶闸管的柔性直流输电换流器作为逆变器的原理图；
图13为串联开关阀S1~S6采用晶闸管的柔性直流输电换流器作为整流器的原理图；
图14为串联晶闸管S1~S6对应的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种柔性直流输电换流器，如图1，其结构包括第一串联开关阀S1、第二串联开关阀S2、第三串联开关阀S3、第四串联开关阀S4、第五串联开关阀S5、第六串联开关阀S6、第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9、母线电感Ls、电容C f 、第一桥臂电感L1、第二桥臂电感L2、第一桥臂A1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第四桥臂A4，其中：
所述母线电感Ls的一端连接直流侧正极，母线电感Ls的另一端连接电容C f 的正极和第一桥臂A1的输入端，电容C f 的负极连接直流侧负极和第四桥臂A4的输出端；
所述第一桥臂电感L1的两端分别连接第一桥臂A1的输出端和第二桥臂A2的输入端，第二桥臂电感L2的两端分别连接第三桥臂A3的输出端和第四桥臂A4的输入端，第一桥臂A1、第一桥臂电感L1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第二桥臂电感L2、第四桥臂A4呈现串联连接状态；
所述第一串联开关阀S1、第三串联开关阀S3、第五串联开关阀S5的电流输入端皆与第一桥臂电感L1和第二桥臂A2的输入端连接；第二串联开关阀S2、第四串联开关阀S4、第六串联开关阀S6的电流输出端皆与第二桥臂电感L2和第三桥臂A3的输出端连接，第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9的一端皆与第二桥臂A2的输出端和第三桥臂A3的输入端连接；
所述第七串联开关阀S7的另一端与第一串联开关阀S1的电流输出端、第四串联开关阀S4的电流输入端连接，连接端作为换流器三相输出的第一端口并与交流电网的a相进行连接；第八串联开关阀S8的另一端与第三串联开关阀S3的电流输出端、第六串联开关阀S6的电流输入端连接，连接端作为换流器三相输出的第二端口并与交流电网的b相进行连接；第九串联开关阀S9的另一端与第五串联开关阀S5的电流输出端、第二串联开关阀S2的电流输入端连接，连接端作为换流器三相输出的第三端口并与交流电网的c相进行连接。
本发明中，第一串联开关阀S1~第九串联开关阀S9采用IGBT的柔性直流输电换流器原理图如图2所示。
本发明中，第一串联开关阀S1到第六串联开关阀S6的结构相同，均由电力电子器件串联组成，电力电子器件包括全控型器件（IGBT、IGCT、GTO等）、半控型器件（晶闸管）以及二极管。如图3所示，串联开关阀均由IGBT正向串联组成。
本发明中，第七串联开关阀S7到第九串联开关阀S9的结构相同，均由反向串联连接的全控型器件串联组成。如图4所示，串联开关阀均由反向串联连接的IGBT串联组成。
本发明中，第一桥臂A1和第四桥臂A4由级联子模块组成，如图5所示，子模块包含半桥子模块HB1~HBN和全桥子模块FB1~FBM；第二桥臂A2和第三桥臂A3由级联子模块组成，如图8所示，子模块包含半桥子模块HB1~HBN；子模块的输出端子连接下一个子模块的输入端子，子模块的输入端子连接上一个子模块的输出端子。
本发明中，半桥子模块由第一开关、第二开关和电容组成，第一开关的集电极连接电容正极，第二开关的发射极连接电容负极，并作为输出端子，第一开关的发射极和第二开关的集电极连接，并作为输入端子。图6为半桥子模块电路图，模块中开关为IGBT，模块由第一IGBT S10、第二IGBT S11和电容组成，第一IGBT S10的集电极连接电容正极，第二IGBT S11的发射极连接电容负极，并作为输出端子，第一IGBT S10的发射极和第二IGBT S11的集电极连接，并作为输入端子。
本发明中，全桥子模块由第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和电容组成，第三开关和第四开关的集电极与电容正极连接，第五开关和第六开关的发射极与电容负极连接，第三开关的发射极与第五开关的集电极连接，并作为输入端子，第四开关的发射极与第六开关的集电极连接，并作为输出端子。图7为全桥子模块电路图，模块中开关为IGBT，模块由第三IGBT S12、第四IGBT S14、第五IGBT S13、第六IGBT S15和电容组成，第三IGBT S12和第四IGBT S14的集电极与电容正极连接，第五IGBT S13和第六IGBT S15的发射极与电容负极连接，第三IGBT S12的发射极与第五IGBT S13的集电极连接，并作为输入端子，第四IGBT S14的发射极与第六IGBT S15的集电极连接，并作为输出端子。
本发明通过下述方式实现功率传递和电压转换：
（1）通过控制半桥子模块中IGBT的导通关断，可以实现子模块输出电压0或者电容电压，通过控制全桥子模块中IGBT的导通关断可以实现子模块输出电压0、正电容电压或者负电容电压；通过控制桥臂中各个子模块的输出电压可以实现桥臂电压的多样化输出；
（2）控制第二桥臂A2和第三桥臂A3的桥臂电压波形使得第一桥臂电感L1与第二桥臂A2连接处的输出电压u 1的波形形状接近图9所示波形1，使得第二桥臂A2与第三桥臂A3连接处的输出电压u 2的波形形状接近图9所示波形2，使得第三桥臂A3与第二桥臂电感L2连接处的输出电压u 3的波形形状接近图9所示波形3；
（3）使用第一桥臂A1和第四桥臂A4抵消由第二桥臂A2和第三桥臂A3的桥臂电压带来的六倍基频的电压脉动；
（4）控制第一桥臂A1和第四桥臂A4与第一桥臂电感L1和第二桥臂电感L2作用产生交流环流平衡四个桥臂的功率，环流频率为六倍基频，电容C f 为交流环流提供流通路径，母线电感Ls用来平抑直流电流的波动；
（5）合理控制串联开关阀的导通时刻和导通时间，使得第一桥臂电感L1与第二桥臂A2连接处的输出电压u 1、第二桥臂A2与第三桥臂A3连接处的输出电压u 2、第三桥臂A3与第二桥臂电感L2连接处的输出电压u 3经过串联开关阀后在换流器的三相输出的第一、第二、第三端口转化为三相正弦波形。
本发明中的串联开关阀使用IGBT，由上述的技术方案可以实现由交流电网和直流线路的双向功率传输，同时可以实现对系统无功和有功的控制。
在仅需要单相功率传输的场景中，如图10所示换流器衍生结构可以作为连接直流线路和交流电网的整流站。区别在于串联开关阀S1、S2、S3、S4、S5、S6为串联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，其中串联二极管的结构均相同，如图11所示，均由二极管正向串联组成。
本发明亦可使用晶闸管作为组成换流器串联开关阀S1、S2、S3、S4、S5、S6的开关器件，如图12所示换流器衍生结构可以作为高压直流输电的逆变站，如图13所示换流器衍生结构可以作为高压直流输电的整流站。串联晶闸管阀的S1、S2、S3、S4、S5、S6的结构均相同，如图14所示，均由晶闸管正向串联组成。
换流器采用晶闸管作为开关阀S1、S2、S3、S4、S5、S6的组成器件时，可以作为现有常规直流输电换流阀的柔性改造，该柔性改造可以解决常规直流输电换流阀的换相失败问题，并提供无功控制能力。

Claims (7)

1.一种柔性直流输电换流器，其特征在于所述柔性直流输电换流器包括第一串联开关阀S1、第二串联开关阀S2、第三串联开关阀S3、第四串联开关阀S4、第五串联开关阀S5、第六串联开关阀S6、第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9、母线电感Ls、电容C f 、第一桥臂电感L1、第二桥臂电感L2、第一桥臂A1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第四桥臂A4，其中：
所述母线电感Ls的一端连接直流侧正极，母线电感Ls的另一端连接电容C f 的正极和第一桥臂A1的输入端，电容C f 的负极连接直流侧负极和第四桥臂A4的输出端；
所述第一桥臂电感L1的两端分别连接第一桥臂A1的输出端和第二桥臂A2的输入端，第二桥臂电感L2的两端分别连接第三桥臂A3的输出端和第四桥臂A4的输入端，第一桥臂A1、第一桥臂电感L1、第二桥臂A2、第三桥臂A3、第二桥臂电感L2、第四桥臂A4呈现串联连接状态；
所述第一串联开关阀S1、第三串联开关阀S3、第五串联开关阀S5的电流输入端皆与第一桥臂电感L1和第二桥臂A2的输入端连接；第二串联开关阀S2、第四串联开关阀S4、第六串联开关阀S6的电流输出端皆与第二桥臂电感L2和第三桥臂A3的输出端连接，第七串联开关阀S7、第八串联开关阀S8、第九串联开关阀S9的一端皆与第二桥臂A2的输出端和第三桥臂A3的输入端连接；
所述第七串联开关阀S7的另一端与第一串联开关阀S1的电流输出端、第四串联开关阀S4的电流输入端连接，第七串联开关阀S7、第一串联开关阀S1、第四串联开关阀S4的连接端作为换流器三相输出的第一端口并与交流电网的a相进行连接；第八串联开关阀S8的另一端与第三串联开关阀S3的电流输出端、第六串联开关阀S6的电流输入端连接，第八串联开关阀S8、第三串联开关阀S3、第六串联开关阀S6的连接端作为换流器三相输出的第二端口并与交流电网的b相进行连接；第九串联开关阀S9的另一端与第五串联开关阀S5的电流输出端、第二串联开关阀S2的电流输入端连接，第九串联开关阀S9、第五串联开关阀S5、第二串联开关阀S2的连接端作为换流器三相输出的第三端口并与交流电网的c相进行连接；
所述第一桥臂A1和第四桥臂A4由级联子模块组成，子模块包含半桥子模块HB1~HBN和全桥子模块FB1~FBM；第二桥臂A2和第三桥臂A3由级联子模块组成，子模块包含半桥子模块HB1~HBN；子模块的输出端子连接下一个子模块的输入端子，子模块的输入端子连接上一个子模块的输出端子。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流器，其特征在于所述第一串联开关阀S1到第六串联开关阀S6的结构相同，均由电力电子器件正向串联组成。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电换流器，其特征在于所述电力电子器件包括全控型器件、半控型器件或二极管。
4.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流器，其特征在于所述第七串联开关阀S7到第九串联开关阀S9的结构相同，均由反向串联连接的全控型器件串联组成。
5.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流器，其特征在于所述半桥子模块由第一开关、第二开关和电容组成，第一开关的集电极连接电容正极，第二开关的发射极连接电容负极，并作为输出端子，第一开关的发射极和第二开关的集电极连接，并作为输入端子。
6.根据权利要求1所述的柔性直流输电换流器，其特征在于所述全桥子模块由第三开关、第四开关、第五开关、第六开关和电容组成，第三开关和第四开关的集电极与电容正极连接，第五开关和第六开关的发射极与电容负极连接，第三开关的发射极与第五开关的集电极连接，并作为输入端子，第四开关的发射极与第六开关的集电极连接，并作为输出端子。
7.一种权利要求1-6任一项所述柔性直流输电换流器实现功率传递和电压变换的方法，其特征在于所述方法包括下述步骤：
步骤一、通过控制半桥子模块中开关的导通关断，实现子模块输出电压0或者电容电压，通过控制全桥子模块中开关的导通关断实现子模块输出电压0、正电容电压或者负电容电压；通过控制桥臂中各个子模块的输出电压实现桥臂电压的多样化输出；
步骤二、控制第二桥臂A2和第三桥臂A3的桥臂电压波形使得第一桥臂电感L1与第二桥臂A2连接处的输出电压u 1的波形形状接近波形1，即三相相电压波形的上面区域，对应每相波形的30°~150°的部分，使得第二桥臂A2与第三桥臂A3连接处的输出电压u 2的波形形状接近波形2，即三相相电压波形的中间区域，对应每相波形的0°~30°、150°~210°和330°~360°的部分，使得第三桥臂A3与第二桥臂电感L2连接处的输出电压u 3的波形形状接近波形3，即三相相电压波形的下面区域，对应每相波形的210°~330°的部分；
步骤三、使用第一桥臂A1和第四桥臂A4抵消由第二桥臂A2和第三桥臂A3的桥臂电压带来的六倍基频的电压脉动；
步骤四、控制第一桥臂A1和第四桥臂A4与第一桥臂电感L1和第二桥臂电感L2作用产生交流环流平衡四个桥臂的功率，环流频率为六倍基频，电容C f 为交流环流提供流通路径，母线电感Ls用来平抑直流电流的波动；
步骤五、合理控制串联开关阀的导通时刻和导通时间，使得第一桥臂电感L1与第二桥臂A2连接处的输出电压u 1、第二桥臂A2与第三桥臂A3连接处的输出电压u 2、第三桥臂A3与第二桥臂电感L2连接处的输出电压u 3经过串联开关阀后在换流器的三相输出的第一、第二、第三端口转化为三相正弦波形。
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