具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块及其控制方法、换流阀与流程

1.本发明涉及电力设备技术领域，特别涉及一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块及其控制方法、换流阀。


背景技术：

2.基于mmc(modular multilevel converter,模块化多电平换流器)的柔性直流输电系统控制灵活，能够实现有功、无功的独立解耦控制，在大规模分布式新能源并网、城市供电、孤岛供电、电网黑启动、多端直流联网、弱系统联网等领域具有很大市场应用前景。目前国内已有多个mmc拓扑结构应用工程。
3.现有基于mmc拓扑结构中存在大量直流电容设备，在受端交流系统故障或者换流站接地故障工况下出现系统功率出现盈余，盈余功率将对模块电容进行充电，从而导致系统过电压情况出现，严重危害一次设备安全。现阶段解决系统功率盈余主要通过在系统交流侧或者直流侧加装耗能装置，在交流系统故障工况下，投入耗能装置来消耗盈余功率，可实现交流系统故障穿越，但是整个设备投资较大，特别是交流耗能装置无法解决受端站内故障的续流过电压问题。对于站内接地故障引起的换流阀单桥臂子模块整体续流过电压也可通过在桥臂两端并联避雷器的方式进行过电压限制，但是该种方式属于被动防御，无法对避雷器进行控制，也无法解决交流系统故障引起的换流阀过电压问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的是提供一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块及其控制方法、换流阀，通过增加过压抑制电路，有效降低换流阀设备在站内极端故障工况下及交流系统故障穿越过程中的过电压应力，大大提高了柔性直流换流阀设备交流系统故障穿越能力和站内极端故障的耐受能力，具有较大工程应用潜力。
5.为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块，包括：功率电路和过压抑制电路；
6.所述功率电路包括：第一旁路开关、第一功率器件、第二功率器件、直流电容和均压电阻；
7.所述过压抑制电路包括：第三功率器件、第二旁路开关、第一避雷器和第二避雷器；
8.所述第一功率器件的源极与所述第二功率器件的漏级连接，所述第一旁路开关与所述第二功率器件及换流阀单桥臂子模块的连接端口并联连接；
9.所述第一避雷器的正极与第一功率器件的漏级及所述直流电容和所述均压电阻的一端共连接，其负极与所述第二避雷器的正极连接；
10.所述第二避雷器的负极与所述直流电容和所述均压电阻的一端及所述第二功率器件的源极共连接；
11.所述第二旁路开关和所述第三功率器件与所述第二避雷器并联连接。
12.进一步地，所述第三功率器件由若干个具备全控功能的功率器件 igbt、iegt或者igct串并联构成。
13.进一步地，所述第二旁路开关和所述第三功率器件在故障工况下同时触发。
14.进一步地，所述第一避雷器的保护电压值为：
15.u
mov1-p
＝u
sm_max
/k；
16.其中，u
sm_max
表示换流阀单桥臂子模块可靠运行最大电压值，k表示所述换流阀单桥臂子模块电容电压不均衡度。
17.进一步地，所述第一避雷器和所述第二避雷器的总体保护电压值为：
18.u
mov-ref
＝u
sm_p
/λ；
19.其中，u
sm_p
表示所述换流阀单桥臂子模块的i段过电压保护整定值，λ表示所述第一避雷器和所述第二避雷器选取的荷电率。
20.相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块控制方法，用于控制上述任一具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块，包括如下步骤：
21.检测换流阀单桥臂子模块的实时电压；
22.当所述实时电压小于或等于预设电压值时，保持第二旁路开关分闸且第三功率器件关断；
23.当所述实时电压大于所述预设电压值时，闭合所述第二旁路开关且导通所述第三功率器件。
24.进一步地，所述闭合所述第二旁路开关且导通所述第三功率器件，包括：
25.在第一预设时间内导通所述第三功率器件；
26.在第二预设时间内闭合所述第二旁路开关。
27.相应地，本发明实施例的第三方面提供了一种换流阀，包括：上述任一具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块。
28.进一步地，所述换流阀桥臂子模块为全桥拓扑结构或半桥拓扑结构。
29.本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
30.通过增加过压抑制电路，有效降低换流阀设备在站内极端故障工况下及交流系统故障穿越过程中的过电压应力，大大提高了柔性直流换流阀设备交流系统故障穿越能力和站内极端故障的耐受能力，具有较大工程应用潜力。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块电路原理图；
32.图2是柔直系统极端故障工况下选用常规柔直子模块构成柔直换流阀的电压应力仿真波形图；
33.图3是柔直系统极端故障工况下选用本发明子模块构成柔直换流阀的电压应力仿真波形图；
34.图4是本发明实施例提供的具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块控制方法逻辑图；
35.图5是本发明实施例提供的换流阀示意图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
37.请参照图1，本发明实施例的第一方面提供了一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块，包括：功率电路和过压抑制电路。功率电路包括：第一旁路开关、第一功率器件、第二功率器件、直流电容和均压电阻。过压抑制电路包括：第三功率器件、第二旁路开关、第一避雷器和第二避雷器。
38.第一功率器件的源极与第二功率器件的漏级连接，第一旁路开关与第二功率器件及换流阀单桥臂子模块的连接端口并联连接；第一避雷器的正极与第一功率器件的漏级及直流电容和均压电阻的一端共连接，其负极与第二避雷器的正极连接；第二避雷器的负极与直流电容和均压电阻的一端及第二功率器件的源极共连接；第二旁路开关和第三功率器件与第二避雷器并联连接。
39.含有过压抑制功能子模块结构的柔性直流输电mmc换流阀级控制策略及子模块投入切除策略较优化前无差别。不同之处在于，本发明所提出一种过压抑制功能子模块，包括功率电路和过压抑制电路，过压抑制电路包括第三功率器件s1、第二旁路开关k2、第一避雷器mov1以及第二避雷器 mov2。第一避雷器mov1与第一功率器件t1、直流电容c及均压电阻r其中一端共连接，第二避雷器mov2与第二功率器件t2、直流电容c及均压电阻r另外一端共连接，第二旁路开关k2、第三功率器件s1与第二避雷器mov2并联连接。
40.系统正常运行工况下，具备过压抑制功能子模块中的功率电路中功率器件执行换流阀控制系统下发的开关指令，实现子模块投入与切除；而第二旁路开关k2处于分闸状态、第三功率器件s1处于关断状态。
41.在系统故障工况下，若阀控系统检测到换流阀单桥臂子模块平均电压达到保护整定值后，触发闭合第二旁路开关k2与导通第三功率器件s1，利用第一避雷器mov1吸收系统故障能量，限制子模块直流电容c电压的升高。
42.进一步地，第三功率器件由若干个具备全控功能的功率器件igbt、 iegt或者igct串并联构成。
43.优选的，第二旁路开关和第三功率器件在故障工况下同时触发。设计第二旁路开关k1合闸时间在5ms以内、第三功率器件s1导通时间在us 级别，第三功率器件s1仅在第二旁路开关k2合闸前短时通流，第三功率器件s1不需要配置散热装置。
44.具体的，第一避雷器的保护电压值为：
45.umov1-p＝usm_max/k；
46.其中，usm_max表示换流阀单桥臂子模块可靠运行最大电压值，k表示换流阀单桥臂子模块电容电压不均衡度。
47.mov1的保护电压值由单桥臂子模块可靠运行最大电压值以及单桥臂子模块电容电压不均衡度决定。
48.mov1和mov2的总体保护电压值由子模块功率器件最大耐受电压值决定。mov1和mov2的总体参考电压值由单个子模块i段过电压保护整定值与避雷器荷电率决定。
49.具体的，第一避雷器和第二避雷器的总体保护电压值为：
50.u
mov-ref
＝u
sm_p
/λ；
51.其中，u
sm_p
表示换流阀单桥臂子模块的i段过电压保护整定值，λ表示第一避雷器和第二避雷器选取的荷电率。
52.请参照图2和图3，通过对比分析常规柔直子模块构成柔直换流阀拓扑与具备过压抑制功能子模块构成柔直换流阀拓扑在同一柔性直流输电系统工况下对子模块过电压应力的抑制作用，来说明本发明的有效性。
53.以
±
400kv柔性直流输电工程为例，子模块额定工作电压2000v，选取4500v/3000a规格igbt，则单个桥臂子模块可靠运行最大电压值选取 3000v，单桥臂子模块电压不均衡度为1.1，mov1的保护电压值选取 2700v；换流阀选取4500v规格igbt，最大耐受能力为4500v，mov1和mov2 的总体保护电压值设计为4500v；mov荷电率选取0.85，子模块i段过电压保护整定值为3150v，则mov1和mov2的总体参考电压值为3706v。
54.按照柔性直流输电系统联接变压器阀侧发生单相金属性接地故障考虑，仿真验证中故障发生在2.02s时刻。图2表示选用常规柔直子模块构成柔直换流阀后子模块电压最大值达到3724v，图3表示选用具备过压抑制功能子模块构成柔直换流阀后子模块电压最大值达到2700v，子模块过电压应力值较常规子模块拓扑降低约28％，大大降低了极端故障工况下换流阀子模块的过电压应力。
55.相应地，请参照图4，本发明实施例的第二方面提供了一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块控制方法，用于控制上述任一具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块，包括如下步骤：
56.步骤s100，检测换流阀单桥臂子模块的实时电压。
57.步骤s200，当实时电压小于或等于预设电压值时，保持第二旁路开关分闸且第三功率器件关断；
58.步骤s300，当实时电压大于预设电压值时，闭合第二旁路开关且导通第三功率器件。
59.具体的，换流阀单桥臂子模块的实时电压小于预设电压值时，第二旁路开关分闸且第三功率器件关断。
60.进一步地，闭合第二旁路开关且导通第三功率器件，包括：
61.步骤s310，在第一预设时间内导通第三功率器件。
62.步骤s320，在第二预设时间内闭合第二旁路开关。
63.相应地，请参照图5，本发明实施例的第三方面提供了一种换流阀，包括：上述任一具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块。
64.柔性直流输电mmc换流阀拓扑结构如附图5所示，换流阀由三相6个桥臂组成，每个桥臂又由n个功率单元sm和一个相电抗器larm串联成。其中，每个桥臂上的功率单元sm的个数由工程的电压等级及功率器件等条件决定，不同的工程n的值不同。
65.mmc换流阀内部所有子模块均应用本发明所提供的一种具备过压抑制功能子模块结构。
66.进一步地，换流阀桥臂子模块为全桥拓扑结构或半桥拓扑结构。
67.本发明实施例旨在保护一种具备过压抑制功能的换流阀桥臂子模块，具备如下效
果：
68.通过增加过压抑制电路，有效降低换流阀设备在站内极端故障工况下及交流系统故障穿越过程中的过电压应力，大大提高了柔性直流换流阀设备交流系统故障穿越能力和站内极端故障的耐受能力，具有较大工程应用潜力。应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。