[发明专利]MMC子模块电路拓扑结构、故障穿越方法及其应用

说明书

MMC子模块电路拓扑结构故障穿越方法及其应用，其中MMC子模块的输入端和开关器件的集电极连接，其输出端与所开关器件的发射极连接；反并联二极管的正极与功率半导体开关器件的发射极连接，其负极与开关器件的集电极连接；保护间隙与所述MOV串联后与开关器件并联；均压电阻分别与保护间隙和所述MOV并联。本发明根据海上风电VSC‑HVDC系统受端交流侧发生低压故障时直流线路电压短时提高的特征现象，采用了集成串联间隙氧化锌避雷器的MMC子模块结构，当低压故障发生时，在MMC基本控制策略和MMC子模块投切策略不变的情况下即可抑制直流线路电压的短时上升，且不必额外加装直流耗能装置。

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，尤其是涉及一种基于MMC换流器的MMC子模块电路拓扑结构、故障穿越方法及其应用。

背景技术

柔性直流输电技术因其能够直接连接弱交流系统、没有输电距离限制、不需要另外设置无功补偿装置，在电力系统中产生了广泛的应用需求。当受端交流侧发生低压故障时，交流电网电压跌落导致受端换流站功率送出能力下降，如果不采取任何措施，盈余功率会在数十毫秒内造成直流系统过电压，威胁系统的安全运行，严重情况下可能造成海上风电风机脱网。

现有解决方案主要分为两种，一种是通过控制策略调节传输功率，另一种是利用耗能装置消纳风机发出的功率。

针对通过控制策略调节传输功率实现故障穿越的方案，不仅非常依赖送端换流站与受端换流站之间的通讯可靠性，且现有研究表明，在不限制稳态运行功率的前提下采用控制方法无法同时解决直流电网的2类盈余功率问题。(方案一详见：郭贤珊,梅念,李探,李高望,魏争,苑宾.张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法[J].电网技术,2019,43(01):157-164.DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2018.1643.)

针对采用直流耗能装置实现故障穿越的方案，当海上风电VSC-HVDC系统受端交流侧电压下降至0.9p.u.以下时，风电机组低电压穿越启动，当风电场交流电压下降至0.2p.u.，受端网侧变流器不输出有功功率，需要依靠机组内部卸荷电路消纳盈余功率，低压穿越时间为100～150ms。内部卸荷电路通常采用直流耗能装置，耗能电阻工作时发热严重，故需要单独安装在室外散热，又因为电阻两端电压很高，耗能电阻存在绝缘击穿风险，在绝缘要求下两端引线需要接进穿墙套管，成本高昂。(方案二详见：许彬,高冲,张静.应用于海上风电接入的VSC-HVDC系统主网侧交流故障穿越的新型直流耗能装置拓扑[J].中国电机工程学报,2021,41(01):88-97+400.DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.191984.)。

专利CN111162559A发明的直流耗能装置可在直流耗能装置进行投切时，平抑直流母线电压，保证直流耗能装置总体的故障穿越性能；专利CN111224421A发明的大功率的耗能装置，用于消耗柔性直流输电系统直流侧盈余功率；专利CN111224421A设计了一种采用金属氧化物限压器、GAP、间隙火花放电装置等成熟设备元件组成的具备故障穿越能力的主回路；上述专利都需要在现有柔性直流输电系统的基础上额外增加电力设备来实现故障穿越，并且需要根据直流系统的状态控制此电力设备的投入与退出，不仅成本高昂，对系统的可靠性也不利。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明公开一种基于MMC换流器的海上风电柔性直流系统故障穿越方法，其技术方案如下：

集成串联间隙氧化锌避雷器的MMC子模块的电路拓扑结构，包含功率半导体开关器件、反并联二极管、保护间隙、MOV、均压电阻；其特征为：

所述MMC子模块的输入端和所述功率半导体开关器件的集电极连接，其输出端与所述功率半导体开关器件的发射极连接；

所述反并联二极管的正极与所述功率半导体开关器件的发射极连接，其负极与所述功率半导体开关器件的集电极连接；