CN113708654A - 集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀及控制方法 - Google Patents

Abstract

集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀及控制方法，包括三相单元和控制模块，每个单元分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由至少一个子模块串联构成；子模块包括第一子模块和第二子模块；每个桥臂均包含一定数量的第一子模块和一定数量的第二子模块，所述第二子模块为SM子模块；所述第一子模块为带有耗能单元的SM子模块；有益效果：减少了穿墙套管和绝缘框架，降低了设备成本和占地面积；耗能单元可以与MMC子模块共用水冷、功能与控保系统，降低成本；耗能单元在故障期间只承受电容电压，直流电压仍由电容电压组成，不存在绝缘击穿的风险，且三相桥臂电流平衡；此拓扑在耗能期间不影响换流阀自身的控制逻辑；在保证盈余功率耗散的同时进一步减少器件成本。

Description

集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀及控制方法

技术领域：

本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀及其控制方法。

背景技术：

为解决全球能源危机，风力发电在全球发展迅速，我国提出了“碳达峰、碳中和”的能源结构战略性调整。我国海上风能资源丰富，具有广阔的发展前景。模块化多电平换流阀（modular multilevel Converter，MMC）已成为柔性直流输电系统的首选换流阀拓扑。当受端电网侧发生低压故障时，交流电压跌落使得受端电网侧换流站输出的有功功率下降，而风电机输入的功率在故障过程中基本保持不变，因此风电场的功率无法全部送出，直流侧线路会因为盈余功率而不断充电，极间直流电压不断升高，影响MMC-HVDC的稳定安全运行，严重情况下可能导致风机组脱网。工程上一般加装耗能装置以动态消纳盈余功率，耗能装置根据安装位置又可以分为风机内部耗能装置、直流侧耗能装置、交流侧耗能装置、以及集成在换流阀内部的耗能装置。风机内部的耗能装置具有吸收功率有限、动作延迟高等缺陷，一般作为后备保护使用。由于海上平台空间以及成本等因素的限制，交流侧耗能装置一般不适用于海上风电柔性直流输电系统。直流侧耗能装置并联于VSC-HVDC 系统直流母线两端，又可以分为集中式耗能装置和分布式耗能装置，集中式方案需要大量功率器件串联，对器件开关一致性要求较高，du/dt和di/dt比较大，且风冷电阻需要穿墙套管，导致成本较高；分布式方案水冷电阻需要水冷系统，并需要解决高压绝缘、控制保护、高压供能等技术难题，结构复杂，造价昂贵。

集成在换流阀内部的耗能装置技术还不够成熟，现有技术如中国专利申请的申请号：CN2019103935653，公开号：CN110224423 A，公开一种柔性直流耗能装置及其环流控制方法，包括混合型模块化多电平换流器；混合型模块化多电平换流器包括三相单元，每个单元分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由至少一个子模块串联构成；仅一相单元的子模块为第一子模块，其余两相单元的子模块为第二子模块；其中，第一子模块为带有斩波电路的半桥子模块或带有斩波电路的全桥子模块，第二子模块为半桥子模块或全桥子模块；当其中一相单元的子模块为带有斩波电路的半桥子模块时，其余两相单元的子模块为半桥子模块；当其中一相单元的子模块为带有斩波电路的全桥子模块时，其余两相单元的子模块为全桥子模块。此技术将斩波电路仅加装在一相中，导致加装斩波电路的桥臂电流比未加装斩波单元的桥臂电流明显升高，三相桥臂电流不平衡导致功率损耗增加，需要增设额外的控制以抑制环流。且第一相所有子模块均加装斩波电路，在故障期间只有一半子模块参与耗能，配置数量不是最优。中国专利申请的申请号：CN2019111293225，公开号：CN110867884 A，公开一种耗能模块、海上风电经柔性直流外送系统及故障穿越策略，该海上风电经柔性直流外送系统，包括海上风电场，海上风电场的电能依次经过模块化多电平换流阀、直流电缆和含集成斩波器的MMC输送至陆上交流系统；其中，含集成斩波器的MMC中集成有上的耗能模块海上风电经柔性直流外送系统，包括海上风电场，海上风电场的电能依次经过模块化多电平换流阀、直流电缆和含集成斩波器的MMC输送至陆上交流系统；其中，含集成斩波器的MMC中集成有上的耗能模块。此技术将耗能电阻串联在MMC中，故障期间电阻和电容共同承受直流电压，会抬高直流线路电压，导致原换流阀控制策略不再适用，同时会加大换流阀损耗。

此外，如中国专利CN 105099206 A，CN 105119305 A，CN 105305843 A，CN105939101 A，CN 107884696 A，CN 106711999 A，CN 106712072 A，CN 106655851 A，CN106887946 A，CN 207753632 U，CN 110829478 A， CN 209823437 U，CN 111416529 A，CN111431389 A，CN 111800027 A，CN 112542957 A，CN 112467742 A，CN 212462803 U，CN112886550 A等现有技术，经过分析，在MMC模块中均不存在耗能单元，想要实现受端交流故障穿越需要额外配置耗能装置，进而出现现有耗能装置存在的一系列问题。

综上所述，现有的集成在换流阀内部的耗能装置还存在一定的不足，集成盈余功率耗散功能的换流阀拓扑、配置策略和控制方法还有待改进。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明公开一种集成盈余功率耗散功能的新型柔性直流换流阀，并提供其子模块配置策略和控制方法，作为经济可靠的交流故障穿越解决方案。

一种集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，包括混合型模块化多电平换流阀，所述混合型模块化多电平换流阀包括三相单元和控制模块，每个单元分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由至少一个子模块串联构成；其中，所述子模块包括第一子模块和第二子模块；每个桥臂均包含一定数量的第一子模块和一定数量的第二子模块，所述第二子模块为SM子模块；其特征为：所述第一子模块为带有耗能单元的SM子模块。

优选为：所述SM子模块可以是半桥子模块、全桥子模块或钳位双子模块。

优选为：当所述MMC子模块为带有耗能单元的半桥子模块时，所述第一子模块包括第一直流电容C ₁、第一开关模块S ₁₁、第二开关模块S ₁₂和耗能单元；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂串联后，与所述直流电容C ₁并联；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₁均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂的连接点为半桥子模块的正极端，所述第二开关模块S ₁₂的负端为半桥子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₁、耗能电阻R；开关器件G ₁和耗能电阻R串联后，并联在半桥子模块的直流电容C ₁的两端。

优选为：所述耗能单元与SM子模块共用电容、水冷系统、供能系统和控保系统。

优选为：当所述MMC子模块为带有耗能单元的全桥子模块时，所述第一子模块包括第二直流电容C ₂、第三开关模块S ₁₃、第四开关模块S ₁₄、第五开关模块S ₁₅、第六开关模块S ₁₆和所述耗能单元；所述第三开关模块S ₁₃和第四开关模块S ₁₄串联，第五开关模块S ₁₅第和六开关模块S ₁₆串联，与所述直流电容C ₂并联；所述开关模块均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第三开关模块S ₁₃和第四开关模块S ₁₄的连接点为全桥子模块的正极端，所述第四开关模块S ₁₄的负端为全桥子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₂、耗能电阻R，开关器件G ₂和耗能电阻R串联后，并联在全桥子模块的直流电容C ₂的两端。

优选为：当所述MMC子模块为带有耗能单元的钳位双子模块时，所述第一子模块包括第三直流电容C ₃、第四直流电容C ₄、第七开关模块S ₁₇、第八开关模块S ₁₈、第九开关模块S ₁₉、第十开关模块S ₁₁₀、第十一开关模块S ₁₁₁、两个体二极管以及所述耗能单元；所述第七开关模块S ₁₇和第八开关模块S ₁₈串联，第九开关模块S ₁₉和第十开关模块S ₁₁₀串联，并联后与所述第十一开关模块S ₁₁₁、第三直流电容C ₃以及第四直流电容C ₄并联；所述开关模块均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第七开关模块S ₁₇和第八开关模块S ₁₈的连接点为钳位双子模块的正极端，所述第八开关模块S ₁₈的负端为钳位双子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₃、耗能电阻R ₁，开关器件G ₄、耗能电阻R ₂。开关器件G ₃和耗能电阻R ₁串联后，并联在钳位双子模块的直流电容C ₃的两端；开关器件G ₄和耗能电阻R ₂串联后，并联在钳位双子模块的直流电容C ₄的两端。

优选为：所述控制模块包括功率器件控制模块、耗能单元控制模块、电容电压检测模块、直流母线电压检测模块；所述功率器件控制模块与所述开关模块的开关管均连接，用于控制开关管的开通与关断，并获取开关管的状态；所述耗能单元控制模块与耗能单元中开关器件连接，用于触发耗能单元；所述电容电压检测模块与所述子模块直流电容并联，用于检测直流电容的实时电压；所述直流母线电压检测模块与直流母线并联，用于检测直流母线上的实时电压。

本发明还公开一种模块配置方法，包括上述集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀。

本发明还公开一种包括上述集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀的控制方法。

本发明相对现有技术存在如下有益效果：

1、减少了穿墙套管和绝缘框架，降低了设备成本和占地面积。

2、耗能单元可以与MMC子模块共用水冷、功能与控保系统，降低成本。

3、耗能单元在故障期间只承受电容电压，直流电压仍由电容电压组成，不存在绝缘击穿的风险，且三相桥臂电流平衡。

4、此拓扑在耗能期间不影响换流阀自身的控制逻辑。

5、不仅保证直流电压能够平稳过渡，同时子模块采用平均电容电压控制，保障了柔直换流阀的安全。

6、提供一种含耗能子模块和不含耗能子模块混合配置方案，在保证盈余功率耗散的同时进一步减少器件成本。

附图说明

图1为本发明海上风电场柔直系统示意图。

图2为本发明集成盈余功率耗散功能的新型柔性直流换流阀拓扑图。

图3为集成盈余功率耗散功能的新型换流阀控制模块示意图。

图4为本发明集成盈余功率耗散功能的新型换流阀耗能单元投切控制方法流程图。

具体实施方式：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种集成盈余功率耗散功能的新型柔性直流换流阀，在模块化多电平换流阀MMC模块的基础上，采用开关器件和耗能电阻串联构成分散布置式耗能单元，使得换流阀的具有有功功率消纳功能。每个桥臂中均包括两种类型的子模块，且配置数量相同，发生故障时各桥臂的电压电流水平一致，保持三相平衡。

实施例1

参见附图2所示。一种集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，包括混合型模块化多电平换流阀MMC子模块，所述混合型模块化多电平换流阀MMC子模块包括三相单元和控制模块，每个单元分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由至少一个子模块串联构成；其中，所述子模块包括第一子模块和第二子模块；每个桥臂均包含一定数量的第一子模块和一定数量的第二子模块，所述第二子模块为SM子模块；其特征为：所述第一子模块为带有耗能单元的SM子模块。所述SM子模块可以是半桥子模块、全桥子模块或钳位双子模块。

当所述MMC子模块为带有耗能单元的半桥子模块时，所述第一子模块包括第一直流电容C ₁、第一开关模块S ₁₁、第二开关模块S ₁₂和耗能单元；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂串联后，与所述直流电容C ₁并联；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂的连接点为半桥子模块的正极端，所述第二开关模块S ₁₂的负端为半桥子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₁、耗能电阻R；开关器件G ₁和耗能电阻R串联后，并联在半桥子模块的直流电容C ₁的两端。所述耗能单元与SM子模块共用电容、水冷系统、供能系统和控保系统。

当所述MMC子模块为带有耗能单元的全桥子模块时，所述第一子模块包括第二直流电容C ₂、第三开关模块S ₁₃、第四开关模块S ₁₄、第五开关模块S ₁₅、第六开关模块S ₁₆和所述耗能单元；所述第三开关模块S ₁₃和第四开关模块S ₁₄串联，第五开关模块S ₁₅第和六开关模块S ₁₆串联，与所述直流电容C ₂并联；所述开关模块均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第三开关模块S ₁₃和第四开关模块S ₁₄的连接点为全桥子模块的正极端，所述第四开关模块S ₁₄的负端为全桥子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₂、耗能电阻R，开关器件G ₂和耗能电阻R串联后，并联在全桥子模块的直流电容C ₂的两端。

当所述MMC子模块为带有耗能单元的钳位双子模块时，所述第一子模块包括第三直流电容C ₃、第四直流电容C ₄、第七开关模块S ₁₇、第八开关模块S ₁₈、第九开关模块S ₁₉、第十开关模块S ₁₁₀、第十一开关模块S ₁₁₁、两个体二极管以及所述耗能单元；所述第七开关模块S ₁₇和第八开关模块S ₁₈串联，第九开关模块S ₁₉和第十开关模块S ₁₁₀串联，并联后与所述第十一开关模块S ₁₁₁、第三直流电容C ₃以及第四直流电容C ₄并联；所述开关模块均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第七开关模块S ₁₇和第八开关模块S ₁₈的连接点为钳位双子模块的正极端，所述第八开关模块S ₁₈的负端为钳位双子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₃、耗能电阻R ₁，开关器件G ₄、耗能电阻R ₂。开关器件G ₃和耗能电阻R ₁串联后，并联在钳位双子模块的直流电容C ₃的两端；开关器件G ₄和耗能电阻R ₂串联后，并联在钳位双子模块的直流电容C ₄的两端。

所述控制模块包括功率器件控制模块、耗能单元控制模块、电容电压检测模块、直流母线电压检测模块；所述功率器件控制模块与所述开关模块的开关管均连接，用于控制开关管的开通与关断，并获取开关管的状态；所述耗能单元控制模块与耗能单元中开关器件连接，用于触发耗能单元；所述电容电压检测模块与所述子模块直流电容并联，用于检测直流电容的实时电压；所述直流母线电压检测模块与直流母线并联，用于检测直流母线上的实时电压。

实施例2

本发明还公开一种模块配置策略，包括上述集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，以总成本最小为优化目标，集成盈余功率耗散功能的新型换流阀的耗能单元总成本W由器件成本Q和散热成本D两部分组成，其中器件成本Q包括开关器件成本S与耗能电阻成本M，设单个开关器件和耗能电阻的成本分别为a ₁和a ₂，m为每个桥臂中第一子模块的配置个数，目标函数表达为下式：

故障穿越期间耗能电阻消耗的功率与风机发出的功率遵循功率守恒原则，对于单个桥臂，可以得到下式。

其中，U _SMC为第一子模块电容的额定电压，P _wind为风机额定输出的有功功率，R为耗能电阻的阻值。

根据已建成的工程经验，其中，散热成本D与单个器件的散热功率p的关如下所示，其中a为常数。

在故障穿越过程中，单个器件的散热功率p可以表达为下式。

综上，可以获得每个桥臂中使总成本最低的第一子模块配置数量m ₁与相应的耗能电阻R ₁，其表达式如下所示：

除了成本因素的制约，第一子模块配置的数量还得考虑流过耗能单元的电流。随着第一子模块配置数量的减少，故障穿越期间流经耗能单元的电流i _EDU增大，但不得超过开关器件关断电流I₁和桥臂闭锁电流I₂，因此第一子模块配置数量m ₂还需考虑下式制约：

综合考虑成本与流经耗能单元电流的制约，最终确定第一子模块的最优配置数量m如下式。

实施例3

本发明还公开一种新型换流阀耗能单元投切控制方法，具体投切控制方法如下：

实时检测海上风电场柔直系统的直流母线电压和加装耗能单元子模块的电容电压。换流阀正常运行时，耗能单元不动作，新型柔性直流换流阀只具备能量交换的能力。陆上换流站发生短路或接地故障时，交流电压U _ac迅速跌落，系统送出功率P _out下降，而风机产生的功率P _wind短时间内不变，功率平衡被打破，差额功率ΔP对直流海缆及换流阀等效电容C _eq充电，直流电压U _dc上升；

所述直流母线电压检测单元检测到直流母线电压升高且达到滞环控制上限时，耗能单元外环控制信号Touter_loop由0变为1，耗能单元可以投入动作。所述电容电压单元检测单元对子模块电容电压进行检测，当达到电容电压滞环控制上限时，耗能单元内环控制信号Tinner_loop由0变为1，控制所述子模块耗能单元的开关管闭合，在换流阀排序的周期内，被选择投入的子模块，其并联的耗能单元依次动作，开始消纳盈余功率，U _dc开始下降。

耗能电阻消耗盈余功率，电压下降，当直流母线电压下降于滞环控制上下限之间时，以及子模块电容电压下降于滞环控制上下限之间时，耗能继续投入，继而电压进一步下降。耗能单元投入的数量达到峰值，直流电压持续下降。在该过程中，由于电阻持续耗能，电容电压下降，当电容电压小于滞环控制下限时，耗能单元的内环控制信号Tinner_loop为0，耗能单元依次退出，差额功率再次对子模块电容充电，U _dc抬升。此后则是反复重复上述过程，将U _dc控制在额定值附近的范围内。

故障开始清除，U _ac逐渐抬升，岸上换流器并网功率恢复瞬间会出现P _out过冲，将直流母线电压U _dc拉低至额定值以下后再恢复至额定值附近正常并网运行。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明本发明工作原理。

参见图1，海上风电柔性直流输电系统从左往右依次为海上风电场、风电场侧换流站、海底电缆、电网侧换流站及交流电网。其中风电场侧换流站安装常规的模块化多电平换流阀，电网侧换流站安装集成盈余功率耗散功能的新型柔性直流换流阀。当受端电网故障时，两端换流站的不平衡有功功率将导致直流母线电压升高，为了保证柔直送出系统的安全以及电力系统的稳定运行，电网侧换流站新型换流阀内的耗能单元开通，耗能电阻将盈余功率耗散。

参见图2，集成盈余功率耗散功能的新型柔性直流换流阀的拓扑，包括三相六桥臂和控制模块，每个桥臂上含n个子模块，其中配置m个数的带耗能单元SM子模块的和n-m个数的不带耗能单元的SM子模块。SM子模块可以是半桥子模块、全桥子模块或钳位双子模块。

耗能单元包括全控型开关器件IGBT、耗能电阻R，两者串联后并联在子模块的电容两端。耗能单元与SM子模块共用电容、水冷系统、供能系统和控保系统。

带耗能单元SM子模块的和不带耗能单元的SM子模块的个数配置策略需要考虑两个制约因素。一个是以总成本最小为优化目标，总成本由器件成本和散热成本两部分组成，其中器件成本包括开关器件成本与耗能电阻成本。另一个是考虑耗能单元的电流不得超过开关器件关断电流和桥臂闭锁电流。最终子模块配置需要选取两个制约因素所确定的配置个数最大的方案。

如图3所示，控制模块包括M1功率器件控制模块、M2耗能单元控制模块、M3电容电压检测模块、M4直流母线电压检测模块。

M1、功率器件控制模块与SM子模块开关模块的开关管连接，用于控制开关管的开通与关断，并获取开关管的状态。开关管开通时，对应SM子模块处于正常工作状态。

M2、耗能单元控制模块与耗能单元中开关器件连接，用于触发耗能单元。耗能单元中的开关器件开通时，耗能电阻开始消纳盈余有功功率。

M3、电容电压检测模块与所述子模块直流电容并联，用于检测直流电容的实时电压，作为电容电压内滞环控制的控制条件。

M4、直流母线电压检测模块与直流母线并联，用于检测直流母线上的实时电压，作为直流母线外滞环控制的控制条件。

参见图4，本发明提供的一种集成盈余功率耗散功能的新型柔性直流换流阀的控制方法示意图，包括直流母线电压外滞环控制和电容电压内滞环控制，保证故障器件直流电压和电容电压均在系统允许的范围内波动。

Step1、实时检测海上风电场柔直系统的直流母线电压u _dc和加装耗能单元子模块的电容电压u _c。换流阀正常运行时，耗能单元不动作，新型柔性直流换流阀只具备能量交换的能力。

Step2、陆上换流站发生短路或接地故障时，交流电压u _ac迅速跌落，系统送出功率P _out下降，而风机产生的功率P _wind短时间内不变，功率平衡被打破，差额功率ΔP对直流海缆及换流阀等效电容C _eq充电，直流电压u _dc上升。

Step3、所述直流母线电压检测模块检测到u _dc升高且达到滞环控制上限时，耗能单元外环控制信号Touter_loop由0变为1，耗能单元可以投入动作。当u _dc处于滞环控制上下限之间且Touter_loop为1时，耗能单元继续保持可以投入的状态。当u _dc下降且达到滞环控制下限时，耗能单元外环控制信号Touter_loop由1变为0，耗能单元处于闭锁状态。当u _dc处于滞环控制上下限之间且Touter_loop为0时，耗能单元继续保持闭锁的状态。

Step4、当耗能单元处于可以投入的状态时，电容电压检测模块检测u _c，当u _c升高且达到滞环控制上限时，耗能单元内环控制信号Tinner_loop由0变为1，控制所述子模块耗能单元的开关管闭合，在换流阀排序的周期内，被选择投入的子模块，其并联的耗能单元依次动作，开始消纳盈余功率，U _dc开始下降。当u _dc处于滞环控制上下限之间且Tinner_loop为1时，耗能单元继续保持投入的状态。当u _dc下降且达到滞环控制下限时，耗能单元外环控制信号Tinner_loop由1变为0，耗能单元处于闭锁状态。当u _dc处于滞环控制上下限之间且Touter_loop为0时，耗能单元继续保持闭锁的状态。

Step5、故障清除，U _ac逐渐抬升，岸上换流器并网功率恢复瞬间会出现P _out过冲，将直流母线电压U _dc拉低至额定值以下后再恢复至额定值附近正常并网运行。

结合上述具体实施例，本发明相对现有技术，存在如下优点：

1.针对直流耗能方案需要单独在直流线路上装设耗能电阻的技术，新型换流阀只需要在陆上换流站换流阀原有的半桥子模块中加装由开关器件和耗能电阻构成的耗能单元。

2.针对集中式耗能装置电压均衡问题以及穿墙套管价格昂贵的问题，新型换流阀的耗能单元分布在MMC中，能够解决大量功率器件直串均压困难，耗能动作期间直流电压波动大的问题，且无需穿墙套管，节省设备成本和占地面积。

3.针对分布式耗能装置器件数量众多，造价昂贵的问题，新型换流阀的耗能单元与MMC共用水冷系统、供能系统和控保系统，采用独立的控制逻辑，不影响MMC的正常运行，具有成本低，可靠性高、占地面积小等优点。

4.针对现有的串联在换流阀内部以及仅安装于一相的耗能装置存在的问题，新型换流阀的耗能单元并联在电容电压两端，换流阀正常运行时不承受电压，故障期间只承受电容电压，不存在绝缘击穿的风险。耗能单元平均分配到六个桥臂中，使得各桥臂电压电流均衡，不需要增加额外的环流抑制控制。

5.针对现有的加装于换流阀内部的耗能装置控制方法不足的问题，提供一种电容电压内环和直流电压外环控制的方法，既可以制约直流电压波动，又可以保证电容电压在适当范围内波动，限制盈余能量流向受端换流阀而造成换流阀中模块电压的抬升，保障了柔直换流阀的安全。

6.针对将耗能单元直接串联在MMC桥臂中的技术缺陷，本方案加装的耗能单元并联在子模块两端分散布置的方式，采用独立控制，在耗能期间不影响换流阀自身的控制逻辑。

7.针对现有的一相桥臂中全部安装耗能单元的技术，提出的一种以最小成本为目标函数的耗能单元配置方案，可以寻得耗能单元配置最优解，在保证耗散盈余能量的同时最大程度的减小成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，包括混合型模块化多电平换流阀MMC子模块，所述混合型模块化多电平换流阀MMC子模块包括三相单元和控制模块，每个单元分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由至少一个子模块串联构成；其中，所述子模块包括第一子模块和第二子模块；每个桥臂均包含一定数量的第一子模块和一定数量的第二子模块，所述第二子模块为SM子模块；其特征为：所述第一子模块为带有耗能单元的SM子模块。

2.根据权利要求1所述的集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：所述SM子模块可以是半桥子模块、全桥子模块或钳位双子模块。

3.根据权利要求2所述的集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：当所述MMC子模块为带有耗能单元的半桥子模块时，所述第一子模块包括第一直流电容C ₁、第一开关模块S ₁₁、第二开关模块S ₁₂和耗能单元；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂串联后，与所述直流电容C ₁并联；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₁均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第一开关模块S ₁₁和第二开关模块S ₁₂的连接点为半桥子模块的正极端，所述第二开关模块S ₁₂的负端为半桥子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₁、耗能电阻R；开关器件G ₁和耗能电阻R串联后，并联在半桥子模块的直流电容C ₁的两端。

4.根据权利要求2所述的集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：当所述MMC子模块为带有耗能单元的全桥子模块时，所述第一子模块包括第二直流电容C ₂、第三开关模块S ₁₃、第四开关模块S ₁₄、第五开关模块S ₁₅、第六开关模块S ₁₆和所述耗能单元；所述第三开关模块S ₁₃和第四开关模块S ₁₄串联，第五开关模块S ₁₅和第六开关模块S ₁₆串联，与所述直流电容C ₂并联；所述开关模块均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第三开关模块S ₁₃和第四开关模块S ₁₄的连接点为全桥子模块的正极端，所述第四开关模块S ₁₄的负端为全桥子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₂、耗能电阻R，开关器件G ₂和耗能电阻R串联后，并联在全桥子模块的直流电容C ₂的两端。

5.根据权利要求2所述的集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：当所述MMC子模块为带有耗能单元的钳位双子模块时，所述第一子模块包括第三直流电容C ₃、第四直流电容C ₄、第七开关模块S ₁₇、第八开关模块S ₁₈、第九开关模块S ₁₉、第十开关模块S ₁₁₀、第十一开关模块S ₁₁₁、两个体二极管以及所述耗能单元；所述第七开关模块S ₁₇和第八开关模块S ₁₈串联，第九开关模块S ₁₉和第十开关模块S ₁₁₀串联，并联后与所述第十一开关模块S ₁₁₁、第三直流电容C ₃以及第四直流电容C ₄并联；所述开关模块均包括全控型开关器件IGBT和与IGBT反并联的二极管；所述第七开关模块S ₁₇和第八开关模块S ₁₈的连接点为钳位双子模块的正极端，所述第八开关模块S ₁₈的负端为钳位双子模块的负极端；所述耗能单元包括开关器件G ₃、耗能电阻R ₁，开关器件G ₄、耗能电阻R ₂；开关器件G ₃和耗能电阻R ₁串联后，并联在钳位双子模块的直流电容C ₃的两端；开关器件G ₄和耗能电阻R ₂串联后，并联在钳位双子模块的直流电容C ₄的两端。

6.根据权利要求1所述的集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：还包括控制模块，所述控制模块包括功率器件控制模块、耗能单元控制模块、电容电压检测模块、直流母线电压检测模块；

所述功率器件控制模块与所述第一子模块中开关模块的开关管均连接，用于控制开关管的开通与关断，并获取开关管的状态；

所述耗能单元控制模块与耗能单元中开关器件连接，用于触发耗能单元；

所述电容电压检测模块与所述子模块直流电容并联，用于检测直流电容的实时电压；

所述直流母线电压检测模块与直流母线并联，用于检测直流母线上的实时电压。

7.根据权利要求1所述的集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：所述耗能单元与SM子模块共用电容、水冷系统、供能系统和控保系统。

8.一种带有耗能单元的子模块配置方法，包括权利要求1-7任一所述集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀，其特征为：包括如下步骤，

步骤1：以总成本最小为优化目标，集成盈余功率耗散功能的新型换流阀的耗能单元总成本W由器件成本Q和散热成本D两部分组成，其中器件成本Q包括开关器件成本S与耗能电阻成本M，设单个开关器件和耗能电阻的成本分别为a ₁和a ₂，m为每个桥臂中第一子模块的配置个数，目标函数表达为下式：

步骤2：故障穿越期间耗能电阻消耗的功率与风机发出的功率遵循功率守恒原则，对于单个桥臂，可以得到下式：

其中，U _SMC为第一子模块电容的额定电压，P _wind为风机额定输出的有功功率，R为耗能电阻的阻值；

步骤3：根据已建成的工程经验，其中，散热成本D与单个器件的散热功率p的关如下所示，其中a为常数：

在故障穿越过程中，单个器件的散热功率p可以表达为下式：

步骤4：获得每个桥臂中使总成本最低的第一子模块配置数量m ₁与相应的耗能电阻R ₁，其表达式如下所示：

除了成本因素的制约，第一子模块配置的数量还得考虑流过耗能单元的电流，随着第一子模块配置数量的减少，故障穿越期间流经耗能单元的电流i _EDU增大，但不得超过开关器件关断电流I₁和桥臂闭锁电流I₂，因此第一子模块配置数量m ₂还需考虑下式制约：

步骤5：确定第一子模块的最优配置数量m如下式：

。

9.一种包括权利要求1-7任一所述集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀的控制方法。

10.一种换流阀耗能单元投切控制方法，其特征为：所述换流阀为权利要求1-7任一所述集成盈余功率耗散功能的柔性直流换流阀。

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