一种耗能型模块化多电平换流器及控制方法与流程

1.本发明涉及一种耗能型模块化多电平换流器及控制方法，属于柔性直流输电技术领域。


背景技术：

2.大容量柔性直流输电技术是继交流输电、常规直流输电后的一种新型输电方式，具有直流线路无充电功率限制、可实现新能源电场与交流电网的解耦等特点，具有无需换相电压、无换相失败、可交流故障穿越、电压波形质量高和有功功率无功功率可独立控制等诸多技术优势，能够实现大规模风电、光伏、抽蓄等多种能源的接入和输送，是大规模新能源接入的重要发展方向。
3.对于送端孤岛接入新能源(如风电、光伏等)的柔性直流输电系统，当发生受端交流电网接地等暂时性故障后，受端换流站由于交流电压跌落而导致有功功率吸收能力降低，此时送端新能源机组短时间内仍将持续输出有功功率，致使系统出现较大功率盈余，系统直流电压随之迅速上升。若不采取相应的控制措施，直流电压上升可能进一步引发系统保护动作，闭锁换流阀，同时可能会使送端新能源并网点交流电压发生连带波动，引发新能源特别是风电机组大面积脱网，系统可用率大幅度降低。考虑到新能源与直流送出系统重启时间较长，一旦系统在受端交流电网故障下穿越失败而被迫停止运行，将会造成严重的经济损失，更会对电网产生较大冲击，进而影响其安全稳定运行。
4.现有解决上述问题的思路，是配置灵活可控的耗能装置，以实现系统功率平衡避免出现能量盈余。根据接入位置不同可分为交流耗能装置和直流耗能装置。但对于海上风电柔直送出系统而言，海上平台面积紧张、运维困难、造价昂贵，海上送端换流站交流侧配置交流耗能装置显得非常不现实。直流耗能装置是目前海上风电柔直送出领域主要采用的解决方案，然而需要额外引入大量功率器件或模块电容；此外独立设置的耗能支路可能需要配置穿墙套管、限流电抗器、开关和测量装置等，整个成套耗能解决方案经济性较差。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供了一种耗能型模块化多电平换流器及控制方法，其在传统模块化多电平换流器的基础上对换流器拓扑进行了优化调整，同时具备正常换流器和故障时过压抑制、盈余功率平抑，具有新增设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点。
6.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种耗能型模块化多电平换流器，包括：换流器采用三相六臂结构，三相中包括x相换流臂和y相耗能臂，x y＝3，且x，y均为大于等于0的整数，换流臂包括若干串联的换流模块，耗能臂上包括若干耗能模块，耗能模块包括一与储能电容并联的igbt，正常运行状态下，igbt闭锁，耗能臂等效于换流臂，在子模块出现过压或停运时，igbt导通，储能电容快速放电。
7.进一步，每相换流臂和耗能臂具均包括一上桥臂和一下桥臂，每个桥臂包括若干
串联的换流模块或耗能模块，每个桥臂上均设置一缓冲电感，缓冲电感用于抑制环流和故障电流上升率。
8.进一步，换流臂包括两个串联的子模块，旁路开关、旁路晶闸管、储能电容和均压电阻，其中，储能电容和均压电阻均与两个串联的子模块并联，且储能电容与均压电阻并联；旁路开关和旁路晶闸管均与其中一个子模块并联，且旁路开关和旁路晶闸管并联。
9.进一步，耗能模块包括两个串联的子模块，旁路开关、旁路晶闸管、储能电容、均压电阻、第三子模块和耗能电阻，其中，储能电容和均压电阻均与两个串联的子模块并联，且储能电容与均压电阻并联；旁路开关和旁路晶闸管均与其中一个子模块并联，且旁路开关和旁路晶闸管并联，第三子模块和耗能电阻均与储能电容并联，且第三子模块和耗能电阻串联。
10.进一步，三个子模块结构相同，均包括一igbt和与其反向并联的二极管。
11.进一步，耗能模块包括两个运行模式：正常模式和耗能模式，在正常模式下，第三子模块中igbt闭锁，与旁路开关和旁路晶闸管并联的子模块开通，另一个子模块闭锁时，为切除状态，输出电压为零；与旁路开关和旁路晶闸管并联的子模块闭锁，另一个子模块开通时，为投入状态，输出电压为储能电容的电压；耗能模式在子模块出现过压和停运时激活，第三子模块中igbt导通，储能电容经耗能电阻快速放电。
12.本发明还公开了一种耗能型模块化多电平换流器的控制方法，采用上述任一项的耗能型模块化多电平换流器，包括：在正常运行时，耗能模块第三子模块中igbt闭锁，耗能臂等效为换流臂；当交流侧发生故障，引起系统功率盈余，直流侧电压过高时，进入功率盈余抑制控制策略；若仅个别换流模块或耗能模块中的储能电容过压，进入暂时性耗能控制策略；停运时，需要快速放电，进入加速放电控制策略。
13.进一步，功率盈余抑制控制策略为：根据盈余功率大小决定耗能模块投入个数，并轮换导通电容电压高的个数的耗能模块进行耗能；耗能模块的第三子模块中igbt导通时，通过耗能电阻的电流等于桥臂电流与耗能模块的储能电容放电电流之和，耗能模块的储能电容电压降低；当第三子模块中igbt关断时，通过耗能电阻的电流为零，桥臂总电流等于该桥臂上耗能模块的储能电容充电电流之和，耗能模块的储能电容电压升高，耗能臂的总耗能功率与耗能模块投入个数成正比，耗能模块全部投入时，耗能臂的总耗能功率达到最大。
14.进一步，暂时性耗能控制策略为：当耗能模块的电压超过预设上限u
sm(up)
时，则耗能模块应进入耗能模式，当子耗能模块降低到预设下限u
sm(low)
时，则耗能模块退出耗能模式进入正常模式。
15.进一步，加速放电控制策略包括以下步骤：进入停运策略，换流器闭锁，换流变进线断路器跳开；换流器y相换流臂解锁，控制输出电压不超过直流电压；控制x相耗能臂n个耗能模块进入耗能模式，加速放电直到控制板卡无法上电为止。
16.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
17.1、本发明在传统模块化多电平换流器的基础上对换流器拓扑进行了优化调整，同时具备正常换流器和故障时过压抑制、盈余功率平抑，具有新增设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点。
18.2、本发明控制方法具有步骤简单易行和清晰明了等特点，可以有效解决交流系统故障引起功率盈余抑制困难和停运过程中停电时间较长等问题。
19.3、常规方法中单独配置的耗能装置在投切过程中，子模块电容存在持续的充放电过程，为了限制子模块电压波动，所采用的子模块电容较大(mf级)；每个分布式耗能电阻的耗能功率为mw级，且与功率器件集成于子模块内，散热设计要求高，需配置专用的内外冷系统；本发明可以共用原有换流器已有的辅助系统，成本效率明显提升。
附图说明
20.图1是本发明一实施例中耗能型模块化多电平换流器的结构示意图；
21.图2是本发明一实施例中换流模块的结构示意图；
22.图3是本发明一实施例中耗能模块的结构示意图；
23.图4是本发明一实施例中耗能状态下耗能臂电气等效示意图，图4(a)是耗能臂耗能模块运行模式示意图；图4(b)是耗能臂耗能模块的电气等效电路图，其中与正极连接的子模式对应的是耗能模式；与负极连接的子模式对应的是正常模式。
具体实施方式
24.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.为了解决现有技术中存在的需要额外引入大量功率器件或模块电容；独立设置的耗能支路需要整个成套耗能解决方案经济性较差的问题。本发明提出了一种耗能型模块化多电平换流器及控制方法，采用三相六桥臂结构，由x个换流臂和y个耗能臂(x y＝3，x≥0，y≥0)构成。正常运行时本发明中耗能模块中igbt闭锁，耗能臂等效为换流臂；故障时可通过耗能模块投入实现盈余功率抑制和直流电压过压抑制。相较于常规单独配置直流耗能装置而言，本发明节省了大量功率器件和电容，经济性好，技术成熟度高，可广泛用于柔性直流输电特别是海上风电柔直送出技术领域中。下面结合附图，通过实施例对本发明方案进行详细阐述。
26.实施例一
27.本实施例公开了一种耗能型模块化多电平换流器，如图1所示，包括：换流器采用三相六臂结构，三相中包括x相换流臂和y相耗能臂，x y＝3，且x，y均为大于等于0的整数，换流臂包括若干串联的换流模块(sm)，耗能臂上包括若干耗能模块(csm)，耗能模块包括一与储能电容并联的igbt，正常运行状态下，igbt闭锁，耗能臂等效于换流臂，在子模块出现过压或停运时，igbt导通，储能电容快速放电。
28.每相换流臂和耗能臂具均包括一上桥臂和一下桥臂，每个桥臂包括若干串联的换流模块或耗能模块，每个桥臂上均设置一缓冲电感，缓冲电感用于抑制环流和故障电流上升率。
29.如图2所示，换流臂包括两个串联的子模块，旁路开关、旁路晶闸管、储能电容和均压电阻，其中，储能电容和均压电阻均与两个串联的子模块并联，且储能电容与均压电阻并联；旁路开关和旁路晶闸管均与其中一个子模块并联，且旁路开关和旁路晶闸管并联。三个子模块结构相同，均包括一igbt和与其反向并联的二极管。
30.如图3所示，耗能模块包括两个串联的子模块，旁路开关、旁路晶闸管、储能电容、均压电阻、第三子模块和耗能电阻，其中，储能电容和均压电阻均与两个串联的子模块并联，且储能电容与均压电阻并联；旁路开关和旁路晶闸管均与其中一个子模块并联，且旁路开关和旁路晶闸管并联，第三子模块和耗能电阻均与储能电容并联，且第三子模块和耗能电阻串联。
31.如图4所示，耗能模块包括两个运行模式：正常模式和耗能模式，
32.在正常模式下，第三子模块中igbt闭锁，与旁路开关和旁路晶闸管并联的子模块开通，另一个子模块闭锁时，为切除状态，输出电压为零；与旁路开关和旁路晶闸管并联的子模块闭锁，另一个子模块开通时，为投入状态，输出电压为储能电容的电压；
33.耗能模式在子模块出现过压和停运时需加速放电时激活，第三子模块中igbt导通，储能电容经耗能电阻快速放电。
34.实施例二
35.基于相同的发明构思，本实施例公开了一种耗能型模块化多电平换流器的控制方法，采用上述任一项的耗能型模块化多电平换流器，包括：在正常运行时，耗能模块第三子模块中igbt闭锁，耗能臂等效为换流臂，采用正常模式运行；当交流侧发生故障，引起系统功率盈余，直流侧电压过高时，进入功率盈余抑制控制策略；若仅个别换流模块或耗能模块中的储能电容过压，进入暂时性耗能控制策略；停运时，需要快速放电，进入加速放电控制策略。
36.功率盈余抑制控制策略为：根据盈余功率大小决定耗能模块投入个数，并轮换导通电容电压高的个数的耗能模块进行耗能；耗能模块的第三子模块中igbt导通时，通过耗能电阻的电流等于桥臂电流与耗能模块的储能电容放电电流之和，耗能模块的储能电容电压降低；当第三子模块中igbt关断时，通过耗能电阻的电流为零，桥臂总电流等于该桥臂上耗能模块的储能电容充电电流之和，耗能模块的储能电容电压升高，耗能臂的总耗能功率与耗能模块投入个数成正比，耗能模块全部投入时，耗能臂的总耗能功率达到最大。
37.功率盈余抑制控制策略中，当直流电压上升到预设值u
dc(set)
时,满足如下条件，投入功率盈余抑制控制策略。
38.u
dc
≥u
dc(set)
ꢀꢀ
(1)
39.在功率盈余抑制过程中，耗能臂上、下两个桥臂投入耗能型子模块总数为n，处于耗能模式的子模块个数为n，直流电压为u
dc
，耗能臂电流为ir，每个耗能臂的总耗能功率为p，最大耗能功率为p
max
，则有：
[0040][0041][0042][0043][0044]
p
total
＝xp
ꢀꢀ
(6)
[0045]
p
total(max)
＝xp
max
ꢀꢀ
(7)
[0046]
暂时性耗能控制策略为：当耗能模块的电压超过预设上限u
sm(up)
时，则耗能模块应进入耗能模式，当子耗能模块降低到预设下限u
sm(low)
时，则耗能模块退出耗能模式进入正常模式。
[0047]
加速放电控制策略包括以下步骤：进入停运策略，换流器闭锁，换流变进线断路器跳开；换流器y相换流臂解锁，控制输出电压不超过直流电压；控制x相耗能臂n个耗能模块进入耗能模式，加速放电直到控制板卡无法上电为止。
[0048]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，包括：所述换流器采用三相六臂结构，所述三相中包括x相换流臂和y相耗能臂，x y＝3，且x，y均为大于等于0的整数，所述换流臂包括若干串联的换流模块，所述耗能臂上包括若干耗能模块，所述耗能模块包括一与储能电容并联的igbt，正常运行状态下，所述igbt闭锁，耗能臂等效于换流臂，在子模块出现过压或停运时，igbt导通，储能电容快速放电。2.如权利要求1所述的耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，每相所述换流臂和耗能臂具均包括一上桥臂和一下桥臂，每个桥臂包括若干串联的换流模块或耗能模块，每个桥臂上均设置一缓冲电感，所述缓冲电感用于抑制环流和故障电流上升率。3.如权利要求2所述的耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流臂包括两个串联的子模块，旁路开关、旁路晶闸管、储能电容和均压电阻，其中，储能电容和均压电阻均与所述两个串联的子模块并联，且储能电容与所述均压电阻并联；旁路开关和旁路晶闸管均与其中一个子模块并联，且旁路开关和旁路晶闸管并联。4.如权利要求2所述的耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，所述耗能模块包括两个串联的子模块，旁路开关、旁路晶闸管、储能电容、均压电阻、第三子模块和耗能电阻，其中，储能电容和均压电阻均与所述两个串联的子模块并联，且储能电容与所述均压电阻并联；旁路开关和旁路晶闸管均与其中一个子模块并联，且旁路开关和旁路晶闸管并联，第三子模块和耗能电阻均与所述储能电容并联，且第三子模块和耗能电阻串联。5.如权利要求3或4所述的耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，三个所述子模块结构相同，均包括一igbt和与其反向并联的二极管。6.如权利要求4所述的耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，所述耗能模块包括两个运行模式：正常模式和耗能模式，在所述正常模式下，第三子模块中igbt闭锁，与旁路开关和旁路晶闸管并联的子模块开通，另一个子模块闭锁时，为切除状态，输出电压为零；与旁路开关和旁路晶闸管并联的子模块闭锁，另一个子模块开通时，为投入状态，输出电压为储能电容的电压；所述耗能模式在子模块出现过压和停运时激活，第三子模块中igbt导通，储能电容经耗能电阻快速放电。7.一种耗能型模块化多电平换流器的控制方法，采用如权利要求1-6任一项所述的耗能型模块化多电平换流器，其特征在于，包括：在正常运行时，耗能模块第三子模块中igbt闭锁，耗能臂等效为换流臂，耗能模式采用正常模式运行；当交流侧发生故障，引起系统功率盈余，直流侧电压过高时，进入功率盈余抑制控制策略；若仅个别换流模块或耗能模块中的储能电容过压，进入暂时性耗能控制策略；停运时，需要快速放电，进入加速放电控制策略。8.如权利要求7所述的耗能型模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，所述功率盈余抑制控制策略为：根据盈余功率大小决定耗能模块投入个数，并轮换导通对应个数的耗能模块进行耗能；所述耗能模块的第三子模块中igbt导通时，通过耗能电阻的电流等于桥臂电流与耗能模块的储能电容放电电流之和，耗能模块的储能电容电压降低；当第三子模块中igbt关断时，通过耗能电阻的电流为零，桥臂总电流等于该桥臂上耗能模块的储能电容充电电流之和，耗能模块的储能电容电压升高，耗能臂的总耗能功率与耗能模块投入
个数成正比，耗能模块全部投入时，耗能臂的总耗能功率达到最大。9.如权利要求7所述的耗能型模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，所述暂时性耗能控制策略为：当耗能模块的电压超过预设上限u
sm(up)
时，则耗能模块应进入耗能模式，当子所述耗能模块降低到预设下限u
sm(low)
时，则耗能模块退出耗能模式进入正常模式。10.如权利要求7所述的耗能型模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，所述加速放电控制策略包括以下步骤：进入停运策略，换流器闭锁，换流变进线断路器跳开；换流器y相换流臂解锁，控制换流器的输出电压不超过直流电压；控制x相耗能臂中n个耗能模块进入耗能模式，加速放电直到控制板卡无法上电为止。

技术总结
本发明属于柔性直流输电技术领域，涉及一种耗能型模块化多电平换流器及控制方法，包括：换流器采用三相六臂结构，三相中包括x相换流臂和y相耗能臂，x y＝3，且x，y均为大于等于0的整数，换流臂包括若干串联的换流模块，耗能臂上包括若干耗能模块，耗能模块包括一与储能电容并联的IGBT，正常运行状态下，IGBT闭锁，耗能臂等效于换流臂，在子模块出现过压或停运时，IGBT导通，储能电容快速放电。其在传统模块化多电平换流器的基础上对换流器拓扑进行了优化调整，同时具备正常换流器和故障时过压抑制、盈余功率平抑，具有新增设备数量少、作用明晰、配置紧凑、占地面积优化、经济性较高等优点。点。点。


技术研发人员：郭铭群 薛英林 马为民 李明 张进 张燕秉 肖鲲 张涛 马玉龙 祝全乐 贺立 郝致远 冮明泽
受保护的技术使用者：国网经济技术研究院有限公司
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/5/25