[发明专利]一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种新型的基于MMC（Modualize Multi-level Convertor，模块化多电平变流器）和电磁耦合的柔性直流输电装置及其系统。该装置及其系统既可以用于柔性直流输电，也可以用于其它变流器场合，如拖动电机等。

背景技术

传统的基于MMC的模块化多电平换流器装置主电路结构如附图1所示，主要由电网1、交流侧的变压器2、换流阀3和负载4构成。其中换流阀2各桥臂串联的为功率单元SM。其中，电网1多为三相高压电网，变压器2主要升压或降压（由换流器2位于整流侧或回馈侧决定变压器2是降压还是升压）。其中的换流阀3由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元SM和一个相电抗器L1串联成。其中，每个桥臂上的功率单元SM的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。

附图1所示模块化多电平换流器装置中的换流阀3有6个相同的桥臂，每个桥臂各有一个相电抗器L1，主要作用是抑制环流和降低故障电流的上升率。传统的基于MMC的柔性直流输电装置及其系统主要存在以下几个方面的问题：

1、相电抗器L1不可省略；

2、当负载4的阻抗很小时，要求换流阀3的相电抗器L1很大，这也使得相电抗器L1的体积、重量、成本成倍增加。

3、6个相电抗器L1一方面将占用大量场地面积，并增加设备的成本和场地土建成本；另一方面将增加设备布置和电缆走线的复杂度和美观度，并增加大量工作量。

发明内容

本发明的目的是针对传统的基于MMC的柔性直流输电装置及其系统主电路存在的技术问题，提供一种新型的基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置及其系统，以达到省略换流器各桥臂上相电抗器，而相应的相电抗器电抗值由变压器二次侧绕组提供的目的，能够满足换流器的各项性能要求，有效地降低柔性直流输电装置及其系统的体积和重量，减少装置的成本和占地面积。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置的技术实现方案，一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置，包括：变压器和换流阀，换流阀又包括换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂。变压器的一次侧三相绕组分别与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别与换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂上每个桥臂的功率单元支路相连，换流阀与电网之间通过电磁耦合进行能量传递。换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂均与负载相连。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，变压器的一次侧三相绕组采用三角型接法与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂对应的功率单元支路之间。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置的另一种技术方案，变压器的一次侧三相绕组采用星型接法与电网的三相相连，变压器的二次侧三相绕组分别连接在换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂对应的功率单元支路之间。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，变压器的二次侧三相绕组之间相互独立，二次侧三相绕组的每相绕组是单个绕组或是两个以上的多个绕组相互串联。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置包括两个以上的换流阀，两个以上的换流阀之间相互并联。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，换流阀上桥臂和/或换流阀下桥臂上每个桥臂的功率单元支路均包括一个或两个以上相互串联的功率单元，功率单元采用半桥功率单元或是H桥功率单元。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，柔性直流输电装置包括三种工作状态：

（1）从三相交流侧的电网获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源；

（2）从负载侧获得单相交流或直流电源能量，并为三相交流侧的电网提供有功能量；

（3）电网交流侧与负载侧之间无功能量的相互传递。

作为本发明一种基于模块化多电平变流器柔性直流输电装置技术方案的进一步改进，当柔性直流输电装置从三相交流侧的电网获得有功能量，并为负载侧提供单相交流或直流电源时，负载为包括直流传输线路等直流负载或功率变换器中作为能量回馈用的网侧变换器装置、电机的驱动用变换器在内的换流器装置，或是包括单相交流电机在内的单相交流负载。