專利名稱：一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)換流技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器。
背景技術(shù)：
我國電力規(guī)劃的總體方針是“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”。然而，隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大和結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，加之涉及征地問題的利益糾葛近年來也逐漸顯現(xiàn)出來，在原有的線路基礎(chǔ)上再開辟出新的線路走廊就顯得更加困難。因此，利用原有的高壓交流站和線路網(wǎng)架，改造并轉(zhuǎn)換成直流輸電工程，成為解決這一問題非常值得探討的思路。再者，對于超大規(guī)模的電網(wǎng)來說，用直流工程將其分隔成數(shù)個異步子系統(tǒng)，可以有效減少交流同步聯(lián)網(wǎng)所帶來的一系列問題，如短路電流超限、低頻振蕩加劇、故障大范圍傳遞等。在各種交流線路轉(zhuǎn)換成直流線路的方案中，三極直流輸電相比傳統(tǒng)的雙極和單極直流輸電，在技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)濟成本和可靠性等方面都體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。L.0.Barthold等人在標題為 Principles and Applocations of Current-Modulated HVDC TransmissionSystems (IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition.May21-26，2006, Dallas, TX, USA: 1429-1435)的文獻中提出了一種能夠有效提升直流輸送容量的直流電流不平衡調(diào)制方法。圖1是典型的三極直流輸電系統(tǒng)示意圖，其直流回路由雙極和單極線路并聯(lián)組成；但與常規(guī)的雙極直流輸電不同的是，極I和極2的中性點電流不流入大地，而是通過具有雙向通道的極3進行回流(回流方式分別如虛線和點劃線所示)。圖2展示了正常運行時三個極上的電壓電流調(diào)節(jié)特性；從圖可以看出，正常運行時，三極直流輸電各極的電流不是恒定的，而是在兩個階躍值間不斷轉(zhuǎn)換；極I和極2電流的絕對值在最大值Imax和最小值Imin之間跳變，極3流過的電流是極I與極2電流的差值；極I和極2的電壓極性保持不變；由于極3的電流方向要發(fā)生周期性的變化，極3的電壓也必須呈現(xiàn)周期性的反轉(zhuǎn)以保證功率的傳輸方向不變，維持交直流穩(wěn)定，即極3需要同時具有直流電壓與直流電流反向功能。因而上述文獻提出極3由反并聯(lián)的雙向晶閘管構(gòu)成換流橋，或者由兩個不同向的晶閘管換流橋并聯(lián)組成；根據(jù)上述電流調(diào)制方式，在穩(wěn)態(tài)運行下，三極直流系統(tǒng)能夠傳輸?shù)墓β适请p極直流的1.366倍，有效提升直流系統(tǒng)傳輸容量，有利于更大程度地支援電網(wǎng)的功率需求，促進電網(wǎng)的發(fā)展和穩(wěn)定運行。然而，上述極3采用的換流橋其基本換相單元為晶閘管，存在如下缺陷:1.不能向無源網(wǎng)絡(luò)供電，不適用于向遠距離的孤立負荷輸電；2.換相失敗，引起直流傳輸功率大容量缺額，造成交直流響應(yīng)特性惡化；3.需要安裝多組交流濾波器和直流濾波器，增加設(shè)備成本；4.上述電流調(diào)制過渡階段，由于無功功率調(diào)節(jié)較緩慢，引起交流系統(tǒng)無功剩余，產(chǎn)生過電壓；5.上述電流調(diào)制過渡階段，由于直流電流需要反向，存在過零點現(xiàn)象，而傳統(tǒng)直流具有最小直流功率(電流)的要求，一般為額定值的10%左右，因而，過渡階段容易引發(fā)過電壓等問題。模塊化多電平電壓源型換流器(modular multilevel converter, MMC)通過半橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成換流閥，易于擴展，諧波畸變小，開關(guān)損耗低，適用于高電壓大功率場合，具有廣闊的應(yīng)用前景，而且，由其組成的直流輸電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有功無功解耦控制，不存在換相失敗問題，在交流側(cè)和直流側(cè)均不需要裝設(shè)濾波器，無最小傳輸功率限制。但是，其子模塊0，I電平特性決定了 MMC-HVDC (基于MMC的高壓直流輸電系統(tǒng))僅含有直流電流雙向傳輸能力，直流電壓不能實現(xiàn)反向，因而MMC不能直接用于三極直流的極3換流器。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器，能夠滿足直流電流反向的同時，實現(xiàn)直流電壓反向，適用于三極直流輸電系統(tǒng)中的極3換流器。一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器，包括MMC ;所述的MMC為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂從MMC的電網(wǎng)接入端至直流耦合端均由一電抗器和一模塊化多電平單元串聯(lián)組成；所述的模塊化多電平單元兩端通過一電壓反向控制單元分別與直流耦合端和電抗器連接，所述的電壓反向控制單元用于控制MMC以直流電壓正向運行或直流電壓反向運行。所述的模塊化多電平單元由若干個HBSM (半橋子模塊)串聯(lián)組成；所述的HBSM由兩個開關(guān)管Tf T2和一個電容C構(gòu)成；其中，開關(guān)管Tl的輸出端與開關(guān)管T2的輸入端相連并構(gòu)成HBSM的一端,開關(guān)管Tl的輸入端和電容C的一端相連,開關(guān)管T2的輸出端與電容C的另一端相連并構(gòu)成HBSM的另一端；所述的開關(guān)管的控制端接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。所述的開關(guān)管采用IGBT。所述的電壓反向控制單元由兩個具有三端口結(jié)構(gòu)的電壓反向控制模塊Qf Q2組成；其中，電壓反向控制模塊Ql的第一端口與MMC的直流f禹合端和電壓反向控制模塊Q2的第三端口相連，電壓反向控制模塊Ql的第二端口與模塊化多電平單元的正極端相連，電壓反向控制模塊Ql的第三端口與電壓反向控制模塊Q2的第一端口和電抗器相連，電壓反向控制模塊Q2的第二端口與模塊化多電平單元的負極端相連。所述的電壓反向控制模塊由兩個反并聯(lián)晶閘管ATf AT2組成；其中，反并聯(lián)晶閘管ATl的一端為電壓反向控制模塊的第一端口，反并聯(lián)晶閘管ATl的另一端與反并聯(lián)晶閘管AT2的一端相連且為電壓反向控制模塊的第二端口，反并聯(lián)晶閘管AT2的另一端為電壓反向控制模塊的第三端口。所述的反并聯(lián)晶閘管由兩個可控硅反并聯(lián)組成，所述的可控硅的門極接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。本發(fā)明的工作原理為:在穩(wěn)態(tài)正向直流電壓運行情況下，每個橋臂始終觸發(fā)導(dǎo)通與模塊化多電平單元正負極端相連接的兩個電壓反向控制模塊的反并聯(lián)晶閘管AT1，其反并聯(lián)晶閘管AT2不施加觸發(fā)信號，處于閉鎖狀態(tài)。通過投切模塊化多電平單元中的半橋子模塊，使交流電壓波形逼近所期望的正弦參考波，從而完成能量的穩(wěn)定傳輸。當(dāng)需要進行直流電壓反向運行時，先按一定的斜率逐漸降低直流系統(tǒng)的直流電流或直流功率直至為O ;然后，閉鎖兩個電壓反向控制模塊的反并聯(lián)晶閘管ATI的觸發(fā)信號，經(jīng)一周波時間，觸發(fā)導(dǎo)通兩個電壓反向控制模塊的反并聯(lián)晶閘管AT2，直流電壓實現(xiàn)反向；最后，根據(jù)直流功率或直流電流的指令要求，逐漸增大直流電流直至穩(wěn)態(tài)額定運行。至此，整個直流電壓反向過程已完成；當(dāng)需要直流電壓再次正向運行時，可采用類似的步驟實現(xiàn)。本發(fā)明僅需在換流器每個橋臂的模塊化多電平單元兩端分別添加兩組反并聯(lián)晶閘管，即可實現(xiàn)整個多電平換流器的直流電壓正、反向運行功能，設(shè)備成本少，效果好，且十分適用于三極直流輸電系統(tǒng)中的極3換流器。


圖1為三極直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為三極直流輸電系統(tǒng)中三極直流電壓電流調(diào)節(jié)特性示意圖。圖3為本發(fā)明多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為模塊化多電平單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為電壓反向控制模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明多電平換流器的仿真波形圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案及其工作原理進行詳細說明。如圖3所示，一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器，包括MMC ;MMC為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂從MMC的 電網(wǎng)接入端至直流耦合端均由一電抗器L和一模塊化多電平單元H串聯(lián)組成；模塊化多電平單元兩端通過一電壓反向控制單元分別與直流耦合端和電抗器L連接。如圖4所示，模塊化多電平單元由若干個HBSM串聯(lián)組成，HBSM由兩個IGBT管ΤΓΤ2和一個電容C構(gòu)成；其中，IGBT管Tl的發(fā)射極與IGBT管T2的集電極相連并構(gòu)成HBSM的一端，IGBT管Tl的集電極和電容C的一端相連，IGBT管T2的發(fā)射極與電容C的另一端相連并構(gòu)成HBSM的另一端；IGBT管Tf T2的門極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。電壓反向控制單元用于控制MMC以直流電壓正向運行或直流電壓反向運行；其由兩個具有三端口結(jié)構(gòu)的電壓反向控制模塊Qf Q2組成；其中，電壓反向控制模塊Ql的第一端口與MMC的直流耦合端和電壓反向控制模塊Q2的第三端口相連，電壓反向控制模塊Ql的第二端口與模塊化多電平單元H的正極端相連，電壓反向控制模塊Ql的第三端口與電壓反向控制模塊Q2的第一端口和電抗器相連，電壓反向控制模塊Q2的第二端口與模塊化多電平單元H的負極端相連。如圖5所示，電壓反向控制模塊由兩個反并聯(lián)晶閘管ATf AT2組成；其中，反并聯(lián)晶閘管ATl的一端為電壓反向控制模塊的第一端口，反并聯(lián)晶閘管ATl的另一端與反并聯(lián)晶閘管AT2的一端相連且為電壓反向控制模塊的第二端口，反并聯(lián)晶閘管AT2的另一端為電壓反向控制模塊的第三端口。反并聯(lián)晶閘管由兩個可控硅反并聯(lián)組成，可控硅的門極接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。
本實施方式的多電平換流器穩(wěn)態(tài)運行期間，模塊化多電平單元通過合理安排子模塊的導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)橋臂多電平電壓源特性；所期望的橋臂電壓輸出參考波u# (j=a, b,c;k=P, η)由下式?jīng)Q定:
權(quán)利要求
1.一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器，包括MMC ;所述的MMC為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂從MMC的電網(wǎng)接入端至直流耦合端均由一電抗器和一模塊化多電平單元串聯(lián)組成；其特征在于:所述的模塊化多電平單元兩端通過一電壓反向控制單元分別與直流耦合端和電抗器連接，所述的電壓反向控制單元用于控制MMC以直流電壓正向運行或直流電壓反向運行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平換流器，其特征在于:所述的模塊化多電平單元由若干個HBSM串聯(lián)組成；所述的HBSM由兩個開關(guān)管Tf T2和一個電容C構(gòu)成；其中，開關(guān)管Tl的輸出端與開關(guān)管T2的輸入端相連并構(gòu)成HBSM的一端,開關(guān)管Tl的輸入端和電容C的一端相連，開關(guān)管T2的輸出端與電容C的另一端相連并構(gòu)成HBSM的另一端；所述的開關(guān)管的控制端接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電平換流器，其特征在于:所述的開關(guān)管采用IGBT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平換流器，其特征在于:所述的電壓反向控制單元由兩個具有三端口結(jié)構(gòu)的電壓反向控制模塊Qf Q2組成；其中，電壓反向控制模塊Ql的第一端口與MMC的直流耦合端和電壓反向控制模塊Q2的第三端口相連，電壓反向控制模塊Ql的第二端口與模塊化多電平單元的正極端相連，電壓反向控制模塊Ql的第三端口與電壓反向控制模塊Q2的第一端口和電抗器相連，電壓反向控制模塊Q2的第二端口與模塊化多電平單元的負極端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多電平換流器，其特征在于:所述的電壓反向控制模塊由兩個反并聯(lián)晶閘管ΑΤΓΑΤ2組成；其中，反并聯(lián)晶閘管ATl的一端為電壓反向控制模塊的第一端口，反并聯(lián)晶閘管ATl的另一端與反并聯(lián)晶閘管AT2的一端相連且為電壓反向控制模塊的第二端口，反并聯(lián)晶閘管AT2的另一端為電壓反向控制模塊的第三端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多電平換流器，其特征在于:所述的反并聯(lián)晶閘管由兩個可控硅反并聯(lián)組成，所述的可控硅的`門極接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有直流電壓反向功能的多電平換流器，包括MMC；MMC為三相六橋臂結(jié)構(gòu)，每個橋臂從MMC的電網(wǎng)接入端至直流耦合端均由一電抗器和一模塊化多電平單元串聯(lián)組成；模塊化多電平單元兩端通過一電壓反向控制單元分別與直流耦合端和電抗器連接，電壓反向控制單元用于控制MMC以直流電壓正向運行或直流電壓反向運行。本發(fā)明僅需在換流器每個橋臂的模塊化多電平單元兩端分別添加兩組反并聯(lián)晶閘管，即可實現(xiàn)整個多電平換流器的直流電壓正、反向運行功能，設(shè)備成本少，效果好，十分適用于三極直流輸電系統(tǒng)中的極3換流器。
文檔編號H02M7/483GK103107725SQ20131004781
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者徐政, 許烽, 張哲任, 唐庚, 薛英林 申請人:浙江大學(xué)