[发明专利]一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑

说明书

本发明涉及一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，属于多端直流、直流电网技术领域；该故障电流主动转移型MMC拓扑包含换流器单元和断路单元，其中换流器单元由改进结构的换流站组成，换流器单元由IGBT、二极管、金属氧化物避雷器组成，改进后的换流器在具备主动转移直流故障电流降低线路开断电气应力要求的同时降低了桥臂电流的过流程度与过流时间，提高子模块器件的可靠性。断路单元由快速机械开关、IGBT、二极管、金属氧化物避雷器、晶闸管组成。该故障电流主动转移型MMC拓扑在系统正常运行时，其换流器单元作为换流站运行，与正常工作状态相同；在故障时通过换流器单元和断路单元之间的协同配合控制，实现了故障的隔离。

技术领域

本发明涉及一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑，属于多端直流、直流电网领域。

背景技术

柔性直流电网作为消纳高比例新能源的有效手段，已成为电网建设与发展的重要方向，多端直流输电和直流电网成为未来的发展趋势。但是由于直流线路发生故障时，直流故障电流没有过零点，因此无法像交流输电那样利用过零点熄弧，这给直流断路器的研制带来了较大困难，目前的实现方法如下：通过叠加振荡电流产生电流过零点，从而分断电流，缺点是关断电流有限且有较长的关断延迟；直流线路增加逆变-整流环节，在逆变后的交流侧用交流断路器将电流切断，但是由于要等到电流过零点才能关断，会造成较长的关断延迟，且投资成本和运行成本较高；将大量的电力电子器件串联，同时并联避雷器，在正常工作时电流流过低阻抗支路，从而降低损耗，在关断时先将电流转移至电力电子支路，然后打开隔离开关，再利用电力电子器件进行关断，同时利用避雷器吸收故障电流能量。缺点是关断电流有限，并且关断时要先将电流转移至电力电子支路，而且要等待隔离开关完全打开，因此有较大的关断延迟。部分不依赖于直流断路器的故障清除策略，如半全混合拓扑等，由于器件使用量较多，因此投资成本和运行成本较高，在一定程度上降低了经济性。未来多端直流和直流电网中的直流断路器的研制依然有许多难题需要解决，研究适用于高压大容量场合，且具有良好经济性和快速性的故障清除策略已经成为迫切需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于直流电网的故障电流主动转移型MMC拓扑。

本发明的目的在于克服当前高压直流断路器关断延迟较长，电压等级较低，造价高昂的缺点和降低故障过程中桥臂子模块内器件的过流程度与过流时间，提高子模块器件的可靠性。

本发明所采用的技术方案是：在系统正常运行时，换流器单元作为换流站运行，断路单元不影响系统的正常运行；在直流线路发生故障时，换流器单元通过触发并联在桥臂电抗之间的全部IGBT，一方面利用MMC桥臂实现了直流故障电流主动转移，使得MMC辅助分断直流故障线路，无需在每条线路上配置成本较高的传统混合式直流断路器，提高了经济性，另一方面，实现了故障期间故障电流的主动转移，大大降低了MMC子模块内器件过流时间及过流程度，降低了对器件的电气应力要求并且延长了器件寿命；LCS将直流故障电流转移至MMC桥臂，有助于创造零电流条件来分离故障线路中的UFD触点，为UFD的打开提供条件；由反向并联的晶闸管组成的RCDS支路作为能量泄放支路，直流线路中储存的能量将通过RCDS、故障线路和故障点形成的回路释放，同时保证了电流转移过程的顺利进行。与现有技术相比，本发明具有的优势为：

1、关断延迟小，由于将机械开关完全打开所需时间较长，至少需要2ms，传统混合式断路器中的电力电子支路并联在机械开关支路上，需要待机械开关完全打开后才能闭锁电力电子支路，随后还有能量吸收回路的吸收能量过程；而该断路单元中的快速机械开关没有并联支路，在故障发生时，换流器执行辅助断路和与电流转移操作后即可分断快速机械开关，快速机械开关完全打开后故障便被成功隔离，降低了关断延迟。

2、经济性好，将当前工程应用的换流站附加一些电路即可改造成换流器单元，正常运行时不影响其作为换流站的功能；每条线路上无需使用造价高昂的混合式直流断路器，大大降低了投资成本。