[发明专利]一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及柔性直流输电（VSC-HVDC）技术领域，具体涉及一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置。

背景技术

基于电压源换流器的柔性直流输电技术（VSC-HVDC）由于其卓越的可控性和灵活性，近几年发展迅速。国外的ABB和Siemens两公司均已在柔性直流输电领域掌握了核心技术，我国也在2011年7月完成了亚洲首个柔性直流输电示范性工程。伴随着电力需求的增长和对系统稳定性的苛刻要求，柔性直流输电的工程应用必将不断增多。

对于远距离大容量输电，从经济角度讲，直流输电可以较大幅度地提高线路传输效率，并大幅度降低线路建设投资成本，优于交流输电。而传统直流输电天生存在换相失败的技术缺陷，为其在大容量输电上的应用埋下了隐患。作为新一代直流输电技术，柔性直流输电在克服传统直流输电技术缺陷的同时，又能实现对有功功率和无功功率的独立控制，开辟了直流输电领域的新篇章，但其传输容量却受限于基本器件单元——IGBT的极限性能上。但目前电力系统对高压大容量输电的需要又不断增长，因此亟待在现有器件极限性能的基础上，开发提升柔性直流输电换流器传输容量的新技术。

目前已投运的VSC-HVDC多采用两电平VSC或三电平VSC拓扑结构。两电平VSC存在的主要问题是过高开关频率带来的过高开关损耗、IGBT串联带来的静态、动态均压和电磁干扰。三电平VSC存在的主要问题为直流侧的均压和直流侧中性点存在的3次谐波电流影响。上述两种拓扑结构也给VSC的设计、布局及装配带来了极大的难度。模块化多电平换流器采用模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此在网侧不需要大容量交流滤波器；开关器件的开关频率低，开关损耗也就相应的减少；由于MMC拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，提高了故障穿越能力，因此得到了广泛推广。

目前用于柔性直流输电的模块化多电平换流器的子模块多采用半桥式拓扑结构。其核心单元——半桥式子模块（Half-Bridge Sub Module，HBSM）如图3所示，由两个带有反并联二极管的可关断电力电子器件和一个电容器构成。u_sm为子模块输出电压，U₀为子模块直流侧电容电压。每个子模块都是两端元件，通过对两个开关器件T₁和T₂的控制，u_sm可以同时在两种电流方向的情况下进行电容电压U₀与0之间的切换。可知子模块可以输出的电压只有U₀和0两种电平状态。

赵成勇，李路遥等人的“一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑”（南方电网技术，2012，Vol.6，No.6）提及一种新型三电平子模块拓扑结构（如图4所示）。该子模块主要由三个IGBT和两个电容组成，相对于原来的半桥结构该子模块多了中间一个小型的H桥结构，此结构起到了一个双向开关的作用，当T₃导通时半桥中间的线路无论电流的方向如何都会处于导通状态。该拓扑子模块共有4种运行状态：（1）T₁，T₂，T₃均闭锁；（2）T₁开通，T₂和T₃均关断；（3）T₂开通，T₁和T₃均关断；（4）T₃开通，T₁和T₂均关断。可知子模块可以输出的电压值有三档，即2U₀，U₀，0。该方法通过一种新型的子模块拓扑结构，用一个由三个IGBT组成的三电平子模块实现了两个由4个IGBT构成的半桥式子模块的功能。

上述方法虽然可以在输出同样电平数的情况下减少IGBT的使用，但在器件电流和直流电缆电压使用到极限的情况下仍然无法提高换流器的传输容量，即传输容量仍然受制于IGBT的通流能力。

发明内容