[发明专利]用于模块化多电平换流器的子模块拓扑及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种模块化多电平换流器新型子模块拓扑以及由新型子模块拓扑与半桥型子模块拓扑构成的混合型换流器拓扑。

背景技术

目前，高压直流输电(HVDC)技术在可再生能源并网领域得到了广泛的应用。随着高压直流输电技术的进一步发展，能够实现多电源供电、多落点受电的多端直流输电(MTDC)技术与直流电网技术得到了强烈的关注。

无论是两端高压直流输电技术，还是多端高压直流输电技术以及直流电网技术，换流器技术都是其关键技术之一。换流器将交流电变换成直流电或者将直流电变换成交流电，来实现交流-直流/直流-交流的能量传输。可用于交流-直流/直流-交流变换的技术主要有基于晶闸管的相控换流器和基于全控型电力电子器件的电压源型换流器两种。然而相控换流器在工作时需要外在交流电压源为其提供换相电压，而且在基于相控换流器的多端直流输电系统中容易发生连锁换相失败导致系统的崩溃。基于全控型电力电子器件的电压源型换流器能够实现有功和无功的独立解耦控制、能向弱电网或者孤岛供电、且易于构成多端直流系统，在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有很大优势。近年来，电压源型高压直流输电在可再生能源接入领域得到广泛应用，取得了巨大的发展。

然而随着新型可再生能源容量的不断增大，高压直流输电系统需要传输的电能越来越大，预期到2015年，电压源型换流器的典型电压和功率为±320kV，1000MW。这对电压源型换流器提出了很高的要求。传统的两电平电压源型换流器由于受限于全控型器件的功率等级，不易实现高压大功率的电能传输。

随着电压源型换流器技术的进一步发展，现有技术中出现了一种模块化多电平换流器技术(MMC)，其具有交流输出电压谐波畸变率很小，模块化结构易于封装，开关器件承受更小的电气应力，开关损耗低等优点，并且能实现高压大功率等级的电能传输。模块化多电平换流器按照子模块拓扑结构的不同，一般分为半桥型、全桥型与箝位双型三种类型。

基于半桥型子模块的模块化多电平换流器是三种类型中最常用的变流器技术，得到了学术界与工业界深入的研究与广泛的应用。2010年，世界首条商业运行的MMC-HVDC系统，即美国Trans Bay Cable工程采用的就是半桥型MMC技术。上海南汇示范工程以及广东南澳3端柔性直流输电工程是国内已经投入运行的MMC工程；浙江舟山的5端柔性直流输电工程正在建设中，厦门2端柔性直流输电工程也处于规划中。这些工程均采用的是基于半桥型子模块的MMC技术。

这些MMC-HVDC工程大多采用低故障率的直流电缆线路，以减少直流故障发生概率，但造价昂贵、经济效益差。在多端直流输电系统以及直流电网中，直流侧故障是工程设计运行必须考虑的一种严重故障类型，其对设备参数、控制策略和保护配置具有重要影响，然而由于没有成熟的直流断路器设备，只能通过利用交流侧设备如交流断路器、交流熔断器等切断与交流系统的连接，但该方法响应速度较慢、重启动配合动作时序复杂、系统恢复时间较长。有效的解决方案是利用换流器自身控制实现直流侧故障的自清除，无需机械设备动作，系统恢复速度快。随着架空线传输直流电、三极直流输电技术等的提出，具有阻断直流故障电流功能的模块化多电平换流器技术越来越受到重视。

全桥型与箝位双型MMC由于它们所采用的子模块结构特殊，具有隔离直流故障的能力。但是全桥型与箝位双型MMC为了实现隔离直流故障的功能，采用了更多的全控型电力电子器件。在相同电压、功率等级输出条件下，全桥MMC比半桥型MMC增加了一倍的全控型电力电子器件的数量，这很大地增加了MMC的成本；箝位双型MMC的一个子模块中包含两个电容，比半桥型MMC增加了25％的全控型电力电子器件数量，但增加了系统的控制复杂度与子模块封装、工业设计难度，降低了系统的可靠性。

针对具有直流故障隔离功能的换流器中全控型电力电子器件数量过多的问题，目前存在一种方式是将箝位双子模块型与半桥型子模块进行串联构成混合型模块化多电平换流器。这种混合型换流器在发生直流侧故障后能有效隔离直流故障，同时全控型电力电子器件的数量只比半桥型MMC增加了17.5％。但是这种混合型换流器在发生直流侧故障后，箝位双子模块型电容会一直处于充电状态，造成电容电压过大，必须在箝位双子模块型中加入阻尼电阻来耗散掉多余的能量，额外的阻尼电阻会加大子模块的体积，散热器，重量等，从而加大子模块的制造成本与工艺设计难度，提高子模块成本。

发明内容