[发明专利]一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略

说明书

本发明公开了一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略，该混合型MMC通过在直流故障处理过程中在换流器交流侧人为制造三相相间短路，阻止交流侧能量进入直流系统，大大降低了处理直流故障所需要的全桥子模块比例，且与高全桥比例的子模块混合型MMC拥有相同的直流故障处理速度，故障处理过程中人为制造的三相相间短路故障持续时间不超过30ms，不会对交流系统产生较大影响。本发明MMC相比已有的子模块混合型MMC，在使用更少的全桥子模块情况下同样能够处理直流故障，能够减少所需的电力电子器件数量，大大降低了建设架空线高压柔性直流输电系统的成本，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略。

背景技术

随着电力电子技术的蓬勃发展，基于模块化多电平换流器(modular multilevelconverter，MMC)的高压直流输电(high voltage direct current，HVDC)技术正受到越来越多的关注。和其他电压源型换流器拓扑相比，模块化多电平换流器具有显著优势，由于采用基本运行单元级联的形式，该拓扑避免了大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题；该拓扑可在保证经济性的同时输出高品质电压波形，因此近年来被迅速应用到新能源并网、海上风电送出等场合。

采用架空线输电线路的MMC-HVDC面临的主要问题是如何处理直流线路故障，目前可行的直流故障处理方案主要分为两种：1.使用直流断路器；2.使用具有直流故障自清除能力的子模块(如全桥子模块、钳位双子模块或其他变型子模块)。第一种方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；第二种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网。采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后10ms左右故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般在20ms左右，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。

当采用半桥子模块MMC加直流断路器的方式来构成直流电网时，直流断路器就成为直流电网的关键性元件。目前高压直流断路器构造方案主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械型断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合型断路器；虽然目前已开发出技术上可行的高压直流断路器，但其成本高昂，体积巨大，难以像交流断路器那样在电网中广泛使用。

而当采用具有直流故障自清除能力的MMC来构成直流电网时，以全桥子模块为例，与相同容量和电压等级的半桥子模块MMC相比，全桥MMC使用的电力电子器件个数几乎为其两倍，不仅增加投资成本，而且引入了更多的运行损耗。

因此有文献提出了由半桥子模块和全桥子模块共同构成的子模块混合型MMC换流站，不仅拥有直流故障处理的能力，同时相比全桥MMC一定程度上减少了电力电子器件个数和运行损耗。然而为了满足直流故障处理速度的需求，通常要求子模块混合型中的全桥子模块数量占所有子模块的50％以上，而在现有实际工程中甚至达到了75％，这大大减弱了子模块混合型MMC相对于全桥MMC的优势，增加了建造成本和运行损耗。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种低全桥比例子模块混合型MMC及其直流故障处理策略，该混合型MMC所需全桥子模块比例较低，且与高全桥比例的子模块混合型MMC拥有相同的直流故障处理速度，大大降低了建设架空线高压柔性直流输电系统的成本，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。