[实用新型]一种组合型模块化多电平换流拓扑

说明书

本实用新型公开了一种组合型模块化多电平换流拓扑。该拓扑包括一个或多个相单元，相单元包括由整形电路和开关电路组成的直流上、下桥臂和由子模块串联组成的交流桥臂，以及交流电抗器。在相单元中，直流桥臂连续导通半个工频周期，通过控制开关电路的导通或关断；移相角为直流上桥臂导通滞后于交流电压的相位角，由功率因数角和交流电压调制度决定；交流桥臂由可控输出正负电平的子模块串联组成，正常工况下与直流桥臂共同实现能量转换，直流故障后生成反向电动势，主动穿越直流故障。本实用新型公开的组合型模块化多电平换流器功率器件数和电容数量及容值均小于现有常用拓扑，兼顾了故障穿越能力和系统经济性能，提高了系统的可靠性。

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种组合型模块化多电平换流拓扑。

背景技术

高压直流输电(HVDC)较高压交流输电(HVAC)具有输电效率高、易接纳分布式电源、大型储能设备较少等优势，有望成为解决远距离、大容量和跨区域电力输送的优选方案。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、器件动作次数少等特点，日益成为HVDC输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。

现已投入运行的MMC-HVDC项目中，输电载体绝大多数采用直流侧短路故障发生率低的地下电缆或海底电缆，但地下电缆或海底电缆造价高昂，难以适用于大容量远距离输电；且一旦挖掘和抛锚破坏电缆绝缘层即发生永久性故障，检修困难。因此，采用价格低、容量大的架空线输送是我国柔性直流输电的发展趋势。然而，架空线的线路裸露且空气绝缘，易发生直流侧短路故障。由于全控型器件的过流能力不足，造成了以架空线为传输载体的柔性直流输电工程的直流故障处理能力欠缺。如何高性能地解决柔性直流输电系统的直流侧故障问题是国内外学者的研究热点。

目前，直流断路器技术尚不成熟，造价高、损耗大、灭弧难，难以应用在高电压、大容量的工程中处理直流侧短路故障。传统电流源型直流输电中，直流侧发生短路故障后，短路电流通过晶闸管转移到交流侧，通过交流侧设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障。然而，通过交流侧设备阻断直流侧故障的方法响应时间长、系统恢复复杂，且柔性直流输电中全控型器件的过流能力较晶闸管弱，采用该方法仍需晶闸管保护过流。近年来，国内外学者提出多种拓扑结构，试图通过换流器自身动作来实现对直流故障的隔离和穿越，以克服直流断路设备和交流断路设备的诸多不足。其中，最具代表性的是箝位双子模块(ClampDouble Sub-Module,CDSM)和全桥子模块(Full Bridge Sub-Module,FBSM)结构。在发生直流侧短路故障时，CDSM和FBSM可通过闭锁所有全控型器件，通过二极管续流效应和电容储能效应箝位短路电流至零，从而隔离直流侧短路故障。CDSM子模块结构由于两个箝位二极管的作用，不能主动输出负电平，冗余状态少，故障处理能力有限。FBSM结构对称，可以输出负电平，在直流侧发生短路故障时换流器可作为静止无功补偿器(STATCOM)对交流侧进行无功补偿，但全桥子模块的功率器件多，造价高、损耗大，导致换流器的建造成本和运行成本低，不利于大规模应用。因此，如何兼顾换流器建造成本和故障穿越能力是柔性直流输电领域换流拓扑研究的热点问题。

本实用新型结合子模块特性和功率开关特性公开了一种新型组合型模块化多电平换流拓扑，该拓扑的功率器件数和子模块电容数量均小于全桥型模块化多电平换流器，且与全桥型模块化多电平换流器具有相同的直流故障穿越能力，实现了换流器建造成本和故障穿越能力的兼顾。

发明内容

鉴于上述，本实用新型提供了一种组合型模块化多电平换流拓扑，具有兼顾直流故障穿越能力和建造成本低的优点。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：