换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，交流侧用于接换流变压器的三相电源，直流侧包括第一端子和第二端子，第一端子经过平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，第二端子接地。具有该换流器的柔性直流系统有正常双极运行模式，单级运行模式，两单极并联运行模式和增容运行模式。通过对故障极电压的控制和运行模式的灵活转换，实现直流侧故障瞬态能量的快速转移，有效抑制直流故障电流，同时确保故障期间功率传输的稳定性和连续性。

DC / DC three level flexible DC system and its control method

The invention discloses a converter and a DC side grounding three stage structure flexible DC system and a control method. The DC electrode of the converter comprises a positive pole, a negative pole and a third pole. Each DC electrode includes a flat wave reactor and a modularized level converter with direct current and direct current energy, and modularized electricity. The flat converter includes the AC side and the DC side, the AC side is used for the three-phase power supply for the converter transformer. The DC side includes the first terminal and the second terminal. The first terminal is connected to the DC line as a DC electrode after the flat wave reactor, and the second terminal is grounded. The flexible DC system with this converter has normal bipolar operation mode, single stage operation mode, two monopole parallel operation mode and compatibilization operation mode. Through the control of the fault voltage and the flexible conversion of the operating mode, the rapid transfer of the transient energy of the DC side fault is realized, the DC fault current is suppressed effectively, and the stability and continuity of the power transmission during the fault are ensured.

【技术实现步骤摘要】
换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法
本专利技术属于电力系统直流输配电领域，具体涉及到一种换流器、直流侧接地三级结构柔性直流系统及控制方法。
技术介绍
在电力系统输配电领域，随着光伏、风电等新能源并网和储能接入以及电动汽车等间歇性负荷的规模越来越大，需要采用灵活的方式接入传统交流输配电网中。基于电压源型换流器(VoltageSourceConverter,VSC)的高压直流输配电技术具备有功功率、无功功率可独立灵活控制，可向无源系统供电，波形质量好，潮流翻转时电压极性不需要改变等特点，为大规模可再生能源接入提供了有效解决方案。其中，最具代表性的是采用模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)作为换流器的柔性直流电网技术，该技术可以有效的综合各种新能源、负荷的分布特性进行多元互补，是实现大规模新能源消纳的有效手段。直流电网具有“低惯量、低阻抗”的特性，在发生直流侧短路故障后，故障电流上升快、幅值大，严重危害系统设备的安全运行，需要在几个毫秒内完成对故障的检测和隔离。由于直流电流不存在自然过零点，需要高压大容量直流断路器。常见的直流侧故障处理方法主要有三种：(1)利用交流断路器切断交直流系统的连接，然而开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，无法满足要求；(2)跳开直流断路器以隔离直流侧短路故障点，但直流断路器装置成本高，且目前尚无实用可靠的高压直流断路器装置；(3)借助MMC自身控制实现直流侧短路故障的自清除，但仍需要闭锁子模块和换流器，导致直流电网功率传输的中断，待故障清除后才能重新恢复。由此可见，目前的直流侧短路故障处理技术尚不成熟，阻碍了柔性直流电网技术的大规模应用。若直流故障电流上升越快，则故障处理执行部分动作时的故障电流越大，开断难度也就越大，因此，采用合理的接地方式和限流参数配置，能够抑制直流故障电流的上升速度，有助于降低对装置的直流开断速度和容量的要求。例如：通过配置直流平波电抗器和接地电阻能够分别降低直流故障电流的上升速度和稳态值，然而为了不影响换流器的控制特性这两个参数不宜过大，因此这种措施是受限的。由于交流电网接地方式和换流变压器接线方式的不同，根据需要直流电网有交流侧接地和直流侧接地两种接地方式，这两种接地方式下都可以适当的配置接地电阻，在一定程度上能够增大直流单极接地故障的回路阻抗从而减小故障电流的瞬态值和稳态值，但对直流电网极间短路故障不起作用。受限于现行的直流故障电流限流和开断技术，直流电网的故障穿越能力不足，其供电的连续性和可靠性无法达到传统交流电网的水平。为了降低故障率，提高供电可靠性，现行柔性直流电网中多采用电力电缆，而未来将不可避免的需要应用于采用架空线的场合，这将对直流电网的故障穿越能力和可靠连续供电提出了更高的要求。
技术实现思路
本公开一方面的目的在于提供一种换流器，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，所述模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，所述交流侧用于接换流变压器的三相电源，所述直流侧包括第一端子和第二端子，所述第一端子经过所述平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，所述第二端子接地。在上述的换流器，所述第二端子直接接地或经电阻接地。在上述的换流器，所述模块化电平变换器为三相六桥臂结构，所述六桥臂结构为分别具有3个桥臂的上桥臂组和下桥臂组，每个桥臂由1个桥臂电感Larm和若干子模块(SM1～SMn)串联构成，其中三个上桥臂并联为所述第一端子，三个下桥臂并联为所述第二端子。在上述的换流器，所述子模块为全电平子模块。本公开另一方面的目的在于提供一种直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，每一端均包括换流变压器和上述技术方案中的所述换流器，交流电网经过所述换流变压器与所述换流器连接，所述换流器中的模块化电平变换器的交流侧互相隔离。在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述换流变压器采用绕组大于等于两个的三相变压器。在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述换流变压器为三相四绕组结构，一个交流绕组端子接交流电网，阀侧三个绕组端子分别接所述换流器的正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧。在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，所述换流变压器为三相双绕组结构，正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平变换器的交流侧均接有一个所述换流变压器，三个所述换流变压器的另一端并接交流电网。本公开又一目的在于提供一种针对上述直流侧接地三级结构柔性直流系统的控制方法，包括：当正极直流线路发生接地故障时，正极闭锁，第3极解锁运行为“临时正极”，柔性直流系统由第3极和负极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；当负极直流线路发生接地故障时，负极闭锁，第3极解锁运行为“临时负极”，柔性直流系统由正极和第3极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；正极和负极直流线路之间发生极间短路故障时，柔性直流系统转换到两正极并联或两负极并联运行模式；两负极并联运行转换过程如下，正极输出电压和电流都翻转作为“临时负极”，第3级解锁运行为“临时正极”，由第3级和两个负极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；两正极并联运行转换过程如下：负极输出电压和电流都翻转作为“临时正极”，第3级解锁运行为“临时负极”，由第3级和两个正极传输功率同时将故障级电压和故障电流将为0；故障清除后第3极闭锁，恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。在上述的直流侧接地三级结构柔性直流系统控制方法，当需要短时间内增大传输功率时，第3级周期性运行于正极性和负极性状态，交替配合负极和正极定向的传输功率；增容结束后第3极闭锁，恢复到通过正负两极传输功率的双极运行模式。本公开提供的三级结构换流器、直流侧接地三极结构柔性直流系统，较之当前直流系统普遍采用的双极结构，增加了第3极作为辅助极，这种三极结构直流系统有正常双极运行模式、单极(正极或负极)运行模式、两单极并联运行模式和增容运行模式。通过对故障极电压的控制和运行模式的灵活转换，实现故障瞬态能量的快速转移，有效抑制故障电流，同时确保故障期间功率传输的连续性和稳定性不受影响。较大程度提升现有交流线路的输电容量，以缓解输电网输电能力的欠缺，潮流拥塞等问题，有利于交直流系统长期稳定运行。附图说明图1为根据一示例性实施例示出的基于3个MMC的三极结构换流器。图2为根据一示例性实施例示出的直流侧接地三极结构柔性直流系统的双极运行模式。图3为根据一示例性实施例示出的直流侧接地三级结构柔性直流系统的暂态运行模式；其中(a)为単极(负极)运行模式，(b)为単极(正极)运行模式，(c)为两単极并联运行模式，(d)为增容运行模式。图4为根据一示例性实施例示出的柔性直流系统正极接地故障时，运行模式切换过程的参量变化。图5为根据一示例性实施例示出的柔性直流系统极间短路时，运行模式切换过程的参量变化。图6为根据一示例性实施例示出的柔性直流系统正常运行时，双极运行模式切换到增容运行模式过程中的参量变化。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种换流器，其特征在于，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，所述模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，所述交流侧用于接换流变压器的三相电源，所述直流侧包括第一端子和第二端子，所述第一端子经过所述平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，所述第二端子接地。

【技术特征摘要】
1.一种换流器，其特征在于，换流器的直流电极包括正极、负极和第3极，其中每个直流电极均包括平波电抗器和具有直流电压和直流电流双向运行能力的模块化电平变换器，所述模块化电平变换器包括交流侧和直流侧，所述交流侧用于接换流变压器的三相电源，所述直流侧包括第一端子和第二端子，所述第一端子经过所述平波电抗器后作为直流电极接入直流线路，所述第二端子接地。2.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述第二端子直接接地或经电阻接地。3.根据权利要求1所述的换流器，其特征在于，所述模块化电平变换器为三相六桥臂结构，所述六桥臂结构为分别具有3个桥臂的上桥臂组和下桥臂组，每个桥臂由1个桥臂电感Larm和若干子模块(SM1～SMn)串联构成，其中三个上桥臂并联为所述第一端子，三个下桥臂并联为所述第二端子。4.根据权利要求3所述的换流器，其特征在于，所述子模块为全电平子模块。5.一种直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述柔性直流系统为两端结构，一端为送端另一端为受端，每一端均包括换流变压器和权利要求1-4之一的所述换流器，交流电网经过所述换流变压器与所述换流器连接，所述换流器中的模块化电平变换器的交流侧互相隔离。6.根据权利要求5所述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述换流变压器采用绕组大于等于两个的三相变压器。7.根据权利要求6所述的直流侧接地三级结构柔性直流系统，其特征在于，所述换流变压器为三相四绕组结构，一个交流绕组端子接交流电网，阀侧三个绕组端子分别接所述换流器的正极模块化电平变换器、负极模块化电平变换器和第3级模块化电平...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42