CN212462803U - 一种多类型换流器并存的柔性直流配电网 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多类型换流器并存的柔性直流配电网，其包括改进型的模块化多电平换流器ET_MMC、两电平电压源型换流器VSC、直流变压器DCT。通过在半桥型MMC拓扑中增加外部晶闸管并联支路、限流电抗和耗能模块实现直流故障的自清除设计了一种改进的ET‑MMC拓扑，弥补了半桥型MMC不控整流的缺陷。对于VSC和DCT，通过新增通态低损耗支路、换流器侧能量吸收支路和线路能量吸收支路吸收剩余能量。

Description

一种多类型换流器并存的柔性直流配电网

技术领域

本实用新型属于电力技术领域，尤其涉及一种多类型换流器并存的柔性直流配电网。

背景技术

近年来，分布式能源、直流负荷在电力系统中所占比重不断增大，利用直流电网实现分布式能源的消纳和直流负荷的接入，可节省电力电子换流设备，降低投资成本。实现交、直流转换的换流器技术是柔性直流电网的核心技术之一。其中，两电平电压源型换流器(Two-level Voltage Source Converter，Two-level VSC)以其控制方式简单，经济性好的优点成为初期换流器的首选。

目前柔性直流系统的故障隔离方法主要有三大类：利用交流断路器隔离、利用直流断路器隔离和利用具有故障自清除能力的换流器隔离。其中，利用交流断路器隔离直流故障是目前普遍采用的方法，但由于交流断路器的固有动作时间一般为数十毫秒，即使不考虑故障检测时间和交流断路器断开后故障电流衰减到零的时间，也只能是一种权宜之计。利用直流断路器隔离直流故障是目前最理想的直流故障隔离方式。ABB公司研制出的基于机械开关与IGBT阀组串联结构的混合型直流断路器可实现无弧开断，且故障隔离时间为毫秒级^[6]。但大量的串联IGBT阀组导致其造价高昂，这对电压等级较低的中低压直流配电网来说，并不满足其经济性要求。

针对以上问题及挑战，研究重点在具有直流故障穿越能力的换流器上。其中，全桥子模块(Full-Bridge Sub-Module,FB-SM)和嵌位双子模块(Clamp Double Sub-Module，CD-SM)是典型的具有故障穿越能力的MMC子模块。其原理均可概括为：故障发生后，通过将电容反极性接入电路，使得故障电流向其充电从而衰减到0，实现故障自清除。此外，还有资料提出了多种具有直流故障穿越能力的MMC子模块，包括串联双子模块、二极管钳位型子模块和增强自阻型子模块。但与半桥子模块(Half-Bridge Sub-Module,HB-SM)相比，上述子模块存在开关器件多、开关损耗大、投资成本高的不足，因此部分学者提出了改进型 HB-SM。但是，由于单晶闸管法并未阻断交流电流的馈入，因此不能实现故障穿越。在此基础上，有资料提出了双晶闸管法(Double Thyristor Switch Scheme, DTSS)，直流故障发生后，闭锁IGBT的同时导通双晶闸管旁路，此时由于上下桥臂完全对称，相当于在交流侧发生了三相短路，交流侧电流停止向直流侧馈入，从而实现故障清除。也有不少文献通过改进型直流断路器隔离故障。但交流侧需要承受较大的故障电流，易引起交流侧过流保护的动作。上述改进型 HB-SM方案大都在MMC子模块中并联晶闸管，在子模块数目较多时，并联的晶闸管个数会大幅上升，增加了投资成本。

此外，在含有分布式能源接入的多端柔性直流电网中，换流器种类除了 MMC之外还包括VSC和直流变压器(DCTransformer,DCT)，直流故障发生后，分布式电源也可能通过VSC或DCT向故障点馈入电流，而上述文献均仅对 MMC拓扑进行改进，且多针对两端直流电网，对VSC和DCT的故障穿越研究较少。因此，有必要针对多类型换流器并存的多端环状柔直电网，设计完备的故障隔离方案

实用新型目的

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多类型换流器并存的柔性直流配电网。

实用新型内容

本实用新型提供了一种多类型换流器并存的多端柔性直流配电网，其包括改进型模块化多电平换流器ET-MMC、两电平电压源型换流器VSC、直流变压器DCT；

所述改进型模块化多电平换流器ET-MMC，其电路拓扑包括：

耗能模块T，其包括通态低损耗支路和耗能支路，所述通态低损耗支路由负载转换开关LCS和超快速机械开关UFD组成，所述负载转换开关LCS由两个反串联的IGBT和与之反并联的二极管组成，所述耗能支路由耗能电阻 Rc构成；

MMC模块，其由两个串接的IGBT和一个电容器构成，并与电源负极连接；

A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂，A相下桥臂、B相下桥臂；所述 A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂之间相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂的其中一端分别与所述A相上桥臂、B相上桥臂连接，所述A相下桥臂、B相下桥臂的另一端分别与电源负极连接；

多个限流电抗Lr，所述限流电抗Lr分别连接在A相上桥臂、B相上桥臂、 C相上桥臂的每一路上连接一个；

外部晶闸管并联支路，由n个双向导通晶闸管对串联而成，所述外部晶闸管并联支路的一端与电源负极连接；

桥臂电感L，其一端与C相上桥臂连接，另一端分别与外部晶闸管并联支路、MMC模块连接，所述外部晶闸管并联支路与MMC模块并联；

隔离开关K，其一端连接所述耗能模块T，另一端与电源正极连接。

所述两电平电压源型换流器VSC，其电路拓扑包括：通态低损耗支路、线路能量吸收支路、换流器侧能量吸收支路、两个相互并联的电容Cs、A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂，A相下桥臂、B相下桥臂；

所述线路能量吸收支路跨接在电源的正负极两端，连接正极的一端与所述通态低损耗支路相连接，所述通态低损耗支路由超快速机械开关UFD₁和负载转换开关LCS₁构成，所述负载转换开关LCS₁由两个反串接的IGBT构成；

所述换流器侧能量吸收支路与所述通态低损耗支路串接，与所述线路能量吸收支路并联；所述线路能量吸收支路由线路R_l1和线路二极管串联组成；所述换流器侧能量吸收支路由电阻R_c1和一个双向导通晶闸管串联构成，所述换流器侧能量吸收支路和两个电容C_S相互并联；

所述A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂之间相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂的其中一端分别与所述A相上桥臂、B相上桥臂连接，所述A相下桥臂、B相下桥臂的另一端分别与电源负极连接；所述C相上桥臂的一端与一个IGBT并联。

所述直流电压变压器DCT，其电路拓扑包括：通态低损耗支路、线路能量吸收支路、换流器侧能量吸收支路、两个相互并联的电容C₂，以及相互感应的绕组单元#1、#2；

所述线路能量吸收支路跨接在电源的正负极两端，连接正极的一端与所述通态低损耗支路相连接，所述通态低损耗支路由超快速机械开关UFD₁和负载转换开关LCS构成，所述负载转换开关LCS由两个反串接的IGBT构成；

所述换流器侧能量吸收支路与所述通态低损耗支路串接，与所述线路能量吸收支路和两个电容C₂相互并联，所述换流器侧能量吸收支路由电阻R_c2和一个双向导通晶闸管串联构成；

所述绕组单元#1包括线圈1、四个IGBT、一个电容C₁，其中四个IGBT 两两反串联成两个支路，两个支路之间相互并联，线圈两端分别与两个支路之一连接；

所述绕组单元#2包括线圈2、四个IGBT，其中四个IGBT两两反串联成两个支路，两个支路之间相互并联，所述线圈两端分别与两个支路之一连接；

所述两个电容C₂与绕组单元#2并联。

优选地，对于所述外部晶闸管并联支路所包括的n个双向导通晶闸管，所述n满足式(1)：

式中，U_dc是所述双向导通晶闸管的直流线路额定电压，U_DRM是所述双向导通晶闸管的断态重复峰值电压。

附图说明

图1是本实用新型所搭建的六端环状柔直配电网模型。

图2本实用新型配电网中的改进型模块化多电平换流器ET-MMC的电路拓扑图。

图3是本实用新型配电网中的两电平电压源型换流器VSC的电路拓扑图。

图4是本实用新型配电网中的直流变压器DCT的电路拓扑图。

图5是本实用新型MMC的交流馈入电流通路的等效电路。

图6是本实用新型MMC中桥臂电感的放电通路的等效电路。

图7是本实用新型DCT中电容C₂的放电通路的等效电路。

图8是本实用新型VSC的交流馈入电流通路的等效电路。

图9是本实用新型VSC和DCT的线路电感放电回路的等效电路。

图10是本实用新型实施例中模块化多电平换流器MMC的仿真结果。

图11是本实用新型实施例中无源直流变压器UDCT的仿真结果。

图12是本实用新型实施例中有源源直流变压器BDCT的仿真结果。

图13是本实用新型实施例中模块化多电平换流器MMC的闭锁仿真结果。

具体实施方式

以下参照附图详细阐述本实用新型。

在本实用新型所述的多类型换流器并存的多端柔性直流配电网中，模块化多电平换流器MMC、两电平电压源型换流器VSC、直流变压器DCT同时存在。

图2示出了本实用新型的改进型模块化多电平换流器ET-MMC的电路拓扑，由图可知，其包括：耗能模块T，其包括通态低损耗支路和耗能支路，所述通态低损耗支路由负载转换开关LCS和超快速机械开关UFD组成，所述负载转换开关LCS由两个反串联的IGBT和与之反并联的二极管组成，所述耗能支路由耗能电阻Rc构成；MMC模块，其由两个串接的IGBT和一个电容器构成，并与电源负极连接；A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂，A相下桥臂、B相下桥臂；A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂之间相互并联， A相下桥臂、B相下桥臂相互并联，A相下桥臂、B相下桥臂的其中一端分别与A相上桥臂、B相上桥臂连接，A相下桥臂、B相下桥臂的另一端分别与电源负极连接；多个限流电抗Lr分别连接在A相上桥臂、B相上桥臂、C 相上桥臂的每一路上；由n个双向导通晶闸管对串联而成外部晶闸管并联支路，该外部晶闸管并联支路的一端与电源负极连接；桥臂电感L一端与C相上桥臂连接，另一端分别与外部晶闸管并联支路、MMC模块连接，外部晶闸管并联支路与MMC模块并联；隔离开关K一端连接耗能模块T，另一端与电源正极连接。

图3是本实用新型配电网中的两电平电压源型换流器VSC的电路拓扑图由图可知，其由通态低损耗支路、线路能量吸收支路、换流器侧能量吸收支路、两个相互并联的电容Cs、A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂，A相下桥臂、B相下桥臂以及IGBT构成。线路能量吸收支路跨接在电源的正负极两端，连接正极的一端与所述通态低损耗支路相连接，通态低损耗支路由超快速机械开关UFD₁和负载转换开关LCS₁构成，负载转换开关LCS₁由两个反串接的 IGBT构成。换流器侧能量吸收支路与通态低损耗支路串接，与线路能量吸收支路并联；线路能量吸收支路由线路R_l1和线路二极管串联组成，换流器侧能量吸收支路由电阻R_c1和一个双向导通晶闸管串联构成，换流器侧能量吸收支路和两个电容C_S相互并联。A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂之间相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂的其中一端分别与所述A相上桥臂、B相上桥臂连接，所述A相下桥臂、B 相下桥臂的另一端分别与电源负极连接；所述C相上桥臂的一端与一个IGBT 并联。

图4是本实用新型配电网中的直流变压器DCT的电路拓扑图由图可知，其包括通态低损耗支路、线路能量吸收支路、换流器侧能量吸收支路、两个相互并联的电容C₂，以及相互感应的绕组单元#1、#2。其中，线路能量吸收支路跨接在电源的正负极两端，连接正极的一端与所述通态低损耗支路相连接，通态低损耗支路由超快速机械开关UFD₁和负载转换开关LCS构成，负载转换开关LCS由两个反串接的IGBT构成。换流器侧能量吸收支路与通态低损耗支路串接，与线路能量吸收支路和两个电容C₂相互并联，换流器侧能量吸收支路由电阻R_c2和一个双向导通晶闸管串联构成。绕组单元#1包括线圈1、四个IGBT、一个电容C₁，其中四个IGBT两两反串联成两个支路，两个支路之间相互并联，线圈两端分别与两个支路之一连接；绕组单元#2包括线圈2、四个IGBT，其中四个IGBT两两反串联成两个支路，两个支路之间相互并联，所述线圈两端分别与两个支路之一连接，两个电容C₂与绕组单元#2并联。

通过设计本实用新型模块化多电平换流器ET-MMC、两电平电压源型换流器VSC、直流变压器DCT的关键参数得到本实用新型所述的多类型换流器并存的多端柔性直流配电网。

1.1反并联晶闸管对数n的确定

外部晶闸管并联支路在换流器闭锁前处于关断状态，此时加在晶闸管支路两端的电压为子模块电容电压之和。由于晶闸管对过电压较为敏感，当外加正向电压超过其断态重复峰值电压UDRM一定值时晶闸管就会误导通，影响换流器的正常运行；当外加反向电压超过其反向重复峰值电压URRM一定值时，晶闸管会立即损坏。因此，若外部晶闸管并联支路中的晶闸管个数太少，很可能使得与IGBT同极性的晶闸管因承受正向过电压而误导通，与IGBT反极性的晶闸管因承受反向过电压损毁；但若并联晶闸管个数过多，系统的运维成本会增大。因此有必要对双向导通晶闸管对数进行选择。

正常运行时子模块中IGBT和其反并联二极管交替导通，子模块电容被充电，晶闸管并联支路电压为电容电压之和。故障发生到子模块闭锁前，子模块电容迅速放电，晶闸管并联支路电压降低，流过故障点电流主要是子模块电容放电电流。则导通前晶闸管并联支路电压的最大值不超过直流线路额定电压 U_dc/2，故n的选择应满足式(1)。

式中，U_dc是所述双向导通晶闸管的直流线路额定电压，U_DRM是所述双向导通晶闸管的断态重复峰值电压。

1.2 L_r的确定

MMC闭锁后，交流系统与限流电抗L_r、外部晶闸管并联支路形成回路，此时交流系统相当于发生了三相短路，交流侧电流迅速上升。L_r能限制交流侧三相短路电流水平，避免交流保护误动，因此L_r的选取需与交流过流保护定值相配合。图5为本实用新型所应用的改进型模块化多电平换流器(ET_MMC) 在子模块闭锁后交流馈流回路等效电路，由于此时三相完全对称，以下以A 相为例说明。

图5中，usa＝√2U_sasin(ωt)为A相交流电源电压，ω为工频角频率，U_sa为 A相交流电源电压有效值；L_eq、R_eq为交流侧等效电感、电阻；L为桥臂电感；L_r为交流侧限流电感。由于换流器闭锁前交流侧馈流很小，假设为0，并忽略晶闸管的导通压降。则流过交流系统的电流I_sa如式(2)所示。

设交流侧允许的最大过流幅值为Ima，则有：

由式(3)即可确定Lr的取值。

1.3 R_c、R_c1、R_c2的确定

R_c的确定

R_c主要发挥加速电流衰减的作用，且Rc取值越大，电流衰减得越快。因此 R_c值应与系统对故障隔离的速度要求相配合。图6为本实用新型MMC中桥臂电感的放电通路的等效电路，其中，R_f、L_f分别为MMC直流出口到故障点之间的等效电阻、电感。

设系统进入电感续流阶段时刻为零时刻(由于换流器闭锁前子模块放电电流为主，零时刻取为换流器闭锁时刻t1)，则电感续流电流如式(4)-(5)所示。

I_L(t)＝I_L(t₁)e^-t/τ (4)

以故障隔离速度最慢的出口金属性双极短路故障作为考察对象，并设系统故障隔离时间的上限要求为t_max，则R_c的取值应满足式(6)。

R_c≥10L_r/3t_max (6)

R_c1、R_c2的确定

由于Rc2起到加速DCT输出端电容放电过程，其大小需与系统对故障隔离的速度要求相配合。

图7为电容C₂放电通路等效电路。R_c1、R_e分别为换流器侧能量吸收支路的吸能电阻和晶闸管的导通电阻；u_C、i_C分别为电容电压和电容放电电流。可知，电容放电回路为R_C串联电路。根据基尔霍夫定律，电容电压u_C和放电电流i_C分别满足式(7)、(8)。其中，t_Z为电流转移到换流器侧能量吸收支路时刻，u_C(t_Z) 为该时刻的电容电压；R＝R_c2+R_e；C＝2C₂。

u_C＝u_C(t_Z)e^-t/RC (7)

根据表1，e-t/τ在经过5τ的衰减时间后降为初始值的0.7％，近似认为衰减到0。则电容放电阶段，若忽略晶闸管的导通电阻，放电电流经10Rc1Cs的时间近似衰减到0。则R_c2的选择应满足式(9)：

10R_c1C_s<t_max (9)

R_c1的确定除满足式(9)之外，还应与交流侧允许的最大过流幅值相配合。VSC 交流馈入阶段等效电路图如图8所示。

其中，U_s为VSC交流侧等效电源有效值，R_e为晶闸管导通电阻，R_g为桥臂导通电阻。则R_c1的确定还应满足式(10)。

式中，Im_v为VSC交流侧过流定值。根据式(7)、(10)即可确定R_c1的大小。

R_l1、R_l2的确定

对于VSC和DCT，当快速机械开关断开后，线路能量吸收支路与直流线路、短路点构成线路电感续流回路。以VSC为例，其续流回路如图9。

其中，R_l1为VSC线路能量吸收支路的吸能电阻；R_f1、L_f1分别为VSC直流出口到故障点之间的等效电阻、电感；i_L1为线路电感续流。则线路能量吸收支路电流计算公式如式(11)所示。

I_L1(t)＝I_L1(t_Z)e^-t/τ (11)

式中，τ₁＝L_f1/(R_f1+R_l1)。在设计吸能电阻R_l1时，应考虑最严峻的情况，即直流出口至故障点的线路长度最长。设该长度下线路电阻、电感分别为R_{f1_m}、L_{f1_m}，则R_l1的选择应满足使(12)：

5L_{f1_m}/(R_{f1_m}+R_l1)<t_max (12)

R_l2的确定原则与R_l1相同。

实施例1

在PSCAD/ETMDC平台搭建的六端环状柔直配电网模型如图1所示，部分参数在如表1所列出。

表1仿真系统主要参数

采用某公司1.8kV/500A压接式高压大功率晶闸管，其结构与实际工程中所用器件相同。该晶闸管断态重复峰值电压U_DRM和反向重复峰值电压U_RRM均为 1.8kV，允许的最大峰值电压U_TM＝2kV。设交流侧过电流上限为1.5kA，系统对故障线路切除时间上限要求为t_max＝30ms。关键参数选择如表2。

表2关键参数取值

进行仿真结果分析，过程如下：

设0.5s时线路1中点发生双极短路故障。为了保证供电可靠性，直流保护通常需要在2ms内识别故障。考虑最严重的情况，即保护装置动作时间为2ms，并立即向各换流站发送闭锁信号。MMC1的仿真结果如图12所示。

可以看出，t₀时刻故障发生后，电流迅速上升。经过2ms后系统检测到故障并闭锁换流站，同时导通外部晶闸管并联支路，电流从MMC1的6个桥臂转移到晶闸管并联支路，桥臂电流变为0，如图10(a)、(b)所示。此时交流侧通过晶闸管支路相当于发生了三相短路，交流电流迅速上升，如图10(c)所示。在L_r的限流作用下，三相短路电流幅值为1kA，小于过流保护定值。图10(d)为MMC 直流端口电流，t₀～t₁为子模块放电阶段，流过直流端口电流主要为子模块放电电流；t₁时刻换流站闭锁后，直流电流停止上升，此时直流电流主要为桥臂电感续流，并在闭锁后约20ms衰减至0。MMC2仿真波形与MMC1类似，由于故障点距离MMC2较远，波形中电流幅值相较于图10有所降低，且由于放电回路中电阻成分增大，电流衰减得更快。

VSC1和UDCT所连低压母线仅含有交直流负荷，故障后向故障点提供的电流仅为电容放电电流因此无需闭锁换流站，只需保护装置确认故障后触发导通换流支路即可。以UDCT为例，其仿真结果如图11所示。

换流器侧能量吸收支路可以看出，主支路电流在t₁时刻开始转移，由于辅助电子开关关断速度很快，电流并迅速将为0。如图11(a)所示。同一时刻，电容放电电流开始向转移，线路电感续流开始向线路能量吸收支路转移，如图11(c)、 (d)所示。图11(b)为电容放电电流的仿真结果，在主支路导通之前，放电电流迅速上升，t₁时刻达到最大值4.1kA。此后电容电流通过换流器侧能量吸收支路迅速衰减，并在20ms左右将为0。图11(e)所示为UDCT直流出口电流，t₀～t₁时间段内，流过直流出口的电流为电容放电电流；t₁～t_L时间段，其电流为线路电感续流，并在t₁之后9ms左右衰减至0。VSC1的仿真结果与图11类似，由于故障点距离VSC1较远，各电流幅值会有所降低，且线路电感续流将在更短时间衰减至0。由于VSC1和UDCT直流侧电容相等，且有R_l2＝R_l1，因此电容放电电流衰减时间基本相等。

VSC2和BDCT为有源换流器，其中，BDCT低压母线连接光伏电源和直流负荷，VSC2交流出口母线连接交流负荷和风机。为防止分布式电源向故障点馈入电流，需闭锁换流器。BDCT仿真结果如图12。VSC2仿真结果与BDCT类似，不再赘述。

与图11类似，主支路电流在t₁时刻开始转移，如图12(a)所示。同一时刻，换流器侧能量吸收支路和线路能量吸收支路电流开始衰减。其中，换流器侧能量吸收支路电流经过15ms衰减至0，线路能量吸收支路电流经过6.5ms衰减至0，如图12(c)、12(d)所示。图12(e)所示为BDCT直流出口电流，t₀～t₁时间段内，流过直流出口的电流为电容放电电流；在主支路电流转移后BDCT直流出口电流为线路电感续流，并在t₁后6.5ms左右衰减至0。

换流器自保护的影响

本实用新型的配电网在进行故障隔离时，需在保护装置确认故障后向所有有源换流站发送闭锁信号。同时，换流站为防止电力电子器件过流损毁，子模块一般均配过流保护，在子模块电流达到过流定值后立即闭锁。若子模块自动闭锁时间和收到系统发出的闭锁信号而闭锁时间不相等，可能对隔离方案产生影响。因此有必要分析换流器自保护的影响。

按照换流器是否需要闭锁，可将图1中的换流器分为两大类。第一类为有源换流器，包括MMC1、MMC2、VSC2和BDCT。为防止直流故障后各类电源向故障点的馈入，该类换流器在确认故障后需闭锁。第二类换流器为无源换流器，包括VSC1和UDCT。由于所连低压母线仅含有交直流负荷，故障后向故障点提供的电流仅为电容放电电流因此无需闭锁换流站。对第一类换流器，直流故障发生后由于子模块电容放电或交流馈入使得子模块电流上升，若超过自保护定值，换流器自动迅速闭锁。若换流器自动闭锁时间小于系统保护动作时间，则换流器先自动闭锁，故障电流开始下降。当收到系统发送的闭锁信号时由于换流器已经先行闭锁，相当于将故障清除过程提前，故障电流衰减得更快，故障隔离时间缩短。若换流器自动闭锁时间大于系统保护动作时间，换流器在收到系统的闭锁信号后闭锁，故障清除过程如之前所述。对于第二类换流器，故障后向故障点提供的电流仅为电容放电电流，子模块不过流，换流站不会自闭锁，因此对所提方案无影响。综上，无论哪种类型的换流器，其自保护都不会对所提方案产生不利影响。当线路1发生双极短路故障，且MMC1在确认故障前先行闭锁，各换流站直流出口电流仿真结果如图13所示。

其中，t₀为故障发生时刻，t_b为MMC1自动闭锁时刻，t₁为系统确认故障时刻。相较于图10(d)，可以看出，MMC1先行闭锁后，相当于将MMC1直流出口电流衰减过程提前从t₁提前至t_b。系统在t₁时刻确认故障，MMC1直流出口电流发生短时波动，但不会影响其整体的衰减过程。同理UDCT直流出口电流虽然在t_b时刻虽然会发生短时波动，但不会影响整体的变化过程。对于BDCT，由于距离故障点相对较远，其直流出口电流波形基本不变。网络中剩余换流器直流出口电流波形与图13(c)类似，不再重复说明。

本实用新型的有益效果

采用本实用新型所提出配电网，在进行故障隔离时与传统的双晶闸管法和改进双晶闸管法进行比较，由此来说明本实用新型的有益效果及优势。

1.故障隔离速度比较

故障隔离速度是反映不同类型换流器隔离能力的一个重要参数，直接关系到直流故障保护处理速度的快慢和系统的供电可靠性。由之前的分析可知，上述三种方法均能有效阻断交流馈入，其故障隔离时间取决于电感续流衰减的快慢。对于双晶闸管法，电感续流自然衰减到0，若放电回路中电阻分量较小，则衰减时间常数很大，衰减速度将远远无法满足系统对故障隔离的速度要求。当直流电压为±20kV，桥臂电感为20mH时，若在MMC直流出口处发生金属性短路，双晶闸管法故障切除时间需4s以上，这一速度是远远无法满足直流系统毫秒级保护速动性要求的。

改进双晶闸管法在双晶闸管法的基础上增加了电阻R，避免交流过流的同时加速电感的衰减，有效地提高了故障隔离速度。但R的投入使得限流模块中IGBT 需承受R的压降，为避免IGBT承受大正压而误导通或大反压被反向击穿，R 阻值的选取范围受限，在高压大电流条件下隔离速度可能不满足要求。

2.经济性比较

本实用新型采用的半桥型MMC桥臂子模块数为24，由于每个半桥子模块包含两只IGBT和两只二极管，因此，每个相单元需IGBT和二极管数量为96只，对于整个换流器，共需IGBT和二极管均为288只。双晶闸管法仅在每个子模块中增加了一对反并联晶闸管，如图1所示。由于其并未改变IGBT的数量，因此双晶闸管法无需新增IGBT，但每个子模块需新增2只晶闸管，对于整个换流器需新增的晶闸管为288只。

改进双晶闸管法相较于双晶闸管法，在每个桥臂新增了限流模块Q。该模块由两只反并联的IGBT以及与之并联的电阻R构成。则改进双晶闸管法每个桥臂需新增2只IGBT，对于整个换流器，需新增12只IGBT。相较于普通的半桥型MMC，改进双晶闸管法需额外增加288只晶闸管、12只IGBT和6个阻值为 4.5Ω的电阻。

ET_MMC在双晶闸管的基础上在交流三相新增了限流电感Lr，并将双晶闸管移到换流器外部，在保证隔离效果的同时大大减少了晶闸管只数，如图3所示。可知，ET_MMC每个桥臂新增了6组双向导通晶闸管对，对于整个换流器需新增晶闸管为76只，大大降低了运维成本。此外，ET_MMC还新增了耗能模块T，包含两个反串联的IGBT和与之反并联的二极管以及限流电阻。综上，相较于常规半桥型MMC，ET_MMC仅需新增76只晶闸管、2只IGBT、1个阻值为6Ω的电阻和3个电感。

假设开关器件额定电压值都相同，根据以上分析计算，ET-MMC与双晶闸管型MMC和改进双晶闸管型MMC在器件用量的对比如表3所示。

表3几种类型的MMC所需器件对比

可见，本实用新型的ET_MMC具有良好的经济性。

3.附加功率损耗比较

附加功率损耗主要取决于新增常开器件的通态损耗。对于双晶闸管型MMC，由于仅增加了晶闸管，且在正常运行时，反并联晶闸管处于关断状态，因此无附加功率损耗。

对于改进双晶闸管型MMC，正常运行时，其限流模块Q中的反并联IGBT 处于导通状态，限流电阻被旁路，则其附加功率损耗即为Q中IGBT的通态损耗，但仅在每个桥臂中增加一对IGBT，与换流器桥臂中原有的IGBT相比数量较少，其损耗可以忽略不计。

对于ET_MMC，正常运行时，外部晶闸管并联支路关断，耗能模块中的通态低损耗支路导通，其附加功率损耗即为耗能模块中IGBT的通态损耗。与改进双晶闸管型MMC相似，由于仅导通了一只IGBT和二极管，其附加功率损耗与改进双晶闸管型MMC相比更低。

由此可见，本实用新型针对MMC、VSC和DCT并存的柔性直流配电网的故障隔离问题，首先提出一种具有直流故障穿越能力的ET-MMC拓扑。通过在半桥型MMC拓扑中增加外部晶闸管并联支路、限流电抗和耗能模块实现直流故障的自清除，弥补了半桥型MMC不控整流的缺陷。对于VSC和DCT，通过新增通态低损耗支路、换流器侧能量吸收支路和线路能量吸收支路吸收剩余能量。

经过与传统的双晶闸管MMC相比，本实用新型具有如下优点：

1)本实用新型的ET_MMC在阻断交流馈入的同时大大减少了新增晶闸管数量，具有良好的经济性。

2)各吸能支路加速故障电流衰减速度，大大缩短故障隔离所需的时间。

3)换流器因自保护功能闭锁不影响隔离效果。

Claims (3)

1.一种多类型换流器并存的多端柔性直流配电网，其特征在于，包括改进型模块化多电平换流器ET-MMC、两电平电压源型换流器VSC、直流变压器DCT；

其中，所述改进型模块化多电平换流器ET-MMC的电路拓扑包括：

耗能模块T，其包括通态低损耗支路和耗能支路，所述通态低损耗支路由负载转换开关LCS和超快速机械开关UFD组成，所述负载转换开关LCS由两个反串联的IGBT和与之反并联的二极管组成，所述耗能支路由耗能电阻R_c构成；

MMC模块，其由两个串接的IGBT和一个电容器构成，并与电源负极连接；

A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂，A相下桥臂、B相下桥臂；所述A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂之间相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂的其中一端分别与所述A相上桥臂、B相上桥臂连接，所述A相下桥臂、B相下桥臂的另一端分别与电源负极连接；

多个限流电抗Lr，所述限流电抗Lr分别连接在A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂的每一路上连接一个；

外部晶闸管并联支路，由n个双向导通晶闸管对串联而成，所述外部晶闸管并联支路的一端与电源负极连接；

桥臂电感L，其一端与C相上桥臂连接，另一端分别与外部晶闸管并联支路、MMC模块连接，所述外部晶闸管并联支路与MMC模块并联；

隔离开关K，其一端连接所述耗能模块T，另一端与电源正极连接。

2.如权利要求1所述的一种多类型换流器并存的多端柔性直流配电网，其特征在于，所述两电平电压源型换流器VSC的电路拓扑包括通态低损耗支路、线路能量吸收支路、换流器侧能量吸收支路、两个相互并联的电容Cs、A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂，A相下桥臂、B相下桥臂；

所述线路能量吸收支路跨接在电源的正负极两端，连接正极的一端与所述通态低损耗支路相连接，所述通态低损耗支路由超快速机械开关UFD₁和负载转换开关LCS₁构成，所述负载转换开关LCS₁由两个反串接的IGBT构成；

所述换流器侧能量吸收支路与所述通态低损耗支路串接，与所述线路能量吸收支路并联；所述线路能量吸收支路由线路电阻R_l2和线路二极管串联组成；所述换流器侧能量吸收支路由电阻R_c1和一个双向导通晶闸管串联构成，所述换流器侧能量吸收支路和两个电容C_S相互并联；

所述A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂之间相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂相互并联，所述A相下桥臂、B相下桥臂的其中一端分别与所述A相上桥臂、B相上桥臂连接，所述A相下桥臂、B相下桥臂的另一端分别与电源负极连接；所述C相上桥臂的一端与一个IGBT并联。

3.如权利要求2所述的一种多类型换流器并存的多端柔性直流配电网，其特征在于，所述直流变压器DCT的电路拓扑包括通态低损耗支路、线路能量吸收支路、换流器侧能量吸收支路、两个相互并联的电容C₂，以及相互感应的绕组单元#1、#2；

所述线路能量吸收支路跨接在电源的正负极两端，连接正极的一端与所述通态低损耗支路相连接，所述线路能量吸收支路由线路电阻R_l2和线路二极管串联构成，所述通态低损耗支路由超快速机械开关UFD₂和负载转换开关LCS₂构成，所述负载转换开关LCS₂由两个反串接的IGBT构成；

所述换流器侧能量吸收支路与所述通态低损耗支路串接，与所述线路能量吸收支路和两个电容C₂相互并联，所述换流器侧能量吸收支路由电阻R_c2和一个双向导通晶闸管串联构成；

所述绕组单元#1包括线圈1、四个IGBT、一个电容C₁，其中四个IGBT两两反串联成两个支路，两个支路之间相互并联，线圈1两端分别与两个支路之一连接；

所述绕组单元#2包括线圈2、四个IGBT，其中四个IGBT两两反串联成两个支路，两个支路之间相互并联，所述线圈2两端分别与两个支路之一连接；

所述两个电容C₂与绕组单元#2并联。

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