一种提升柔性直流输电系统容量的方法

摘要

本发明涉及柔性直流输电（VSC‑HVDC）技术领域，具体涉及一种提升柔性直流输电系统容量的方法及其装置。本发明通过在模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）桥臂中增加可产生负电压的全桥子模块（Full‑Bridge Sub Module，FBSM），平衡换流器输出直流电压的同时调节换流器交流输出电压，从而提升换流器的传输容量。此方法不对IGBT元件的通流能力提出更高的要求，从现有的工程技术出发，极大地优化了柔性直流输电技术在实际工程中的应用。

主权项

一种提升柔性直流输电系统容量的方法，其特征在于，所述方法在模块化多电平换流器每相的上下桥臂中串联全桥子模块，利用全桥子模块输出负电压的能力平衡模块化多电平换流器输出的直流电压，同时调节模块化多电平换流器的交流输出电压，提升模块化多电平换流器的传输容量；当要求模块化多电平换流器传输容量由S₁提高到S₂，即S₂＝k S₁，k＞1时，在模块化多电平换流器每桥臂中增加的全桥子模块的数量N用下式表示：N＝‑u_p2/U₀   ①；其中：u_p2为容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点时要求的上桥臂输出交流电压；k＝S₂/S₁，即提升容量的倍数；U₀为模块化多电平换流器中子模块额定电压；其中容量为S₂的模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点时要求的上桥臂输出交流电压u_p2和模块化多电平换流器输出最高交流电压运行点时要求的下桥臂输出交流电压u_n2分别用下述表达式表示：其中：U_cmax2为容量为S₂的模块化多电平换流器最高输出交流电压，其表达式如下：U_cmax2＝nU_cmax1＝nU_dc/2   ③；其中：U_dc为直流电压，n为容量为S₂的换流器最高输出交流电压与容量为S₁的换流器的最高输出电压之比，用下式表示：n与k的函数关系为：n＝f(k)；其中：U_v1为容量为S₁模块化多电平换流器联接变压器阀侧额定电压；I_dc1为容量为S₁时的桥臂直流分量，表达式如下：其中：为模块化多电平换流器的额定功率因数；所述方法用的装置为提升柔性直流输电系统容量的装置，所述装置包括电压源型模块化多电平换流器，所述电压源型模块化多电平换流器由三相六桥臂组成，每个桥臂包括电抗器和子模块，所述每个桥臂的子模块级联后一端通过电抗器与电网的变压器连接，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，在所述电压源型模块化多电平换流器每相的上下桥臂分别串联全桥子模块；所述全桥子模块包括四个IGBT模块及直流电容C，两两IGBT模块串联后组成的串联支路并联，所述直流电容并联在两个串联支路之间；每个IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，所述IGBT器件分别为T1、T2、T3和T4；续流二极管分别为D1、D2、D3和D4；所述T1与D1反并联组成IGBT模块I；所述T2与D2反并联组成IGBT模块II；所述T3与D3反并联组成IGBT模块III；所述T4与D4反并联组成IGBT模块IV；所述全桥子模块包括5种控制状态，分别为：1)闭锁状态，2)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀，3)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝‑U₀，4)切出状态1：T2和T4开通，同时T1和T3关断；5)切出状态2：T1和T3开通，同时T2和T4关断；所述1)中，闭锁状态下全桥子模块运行情况如下：在该状态下，所有IGBT器件均保持关断状态，该状态等效为两电平换流器的一相桥臂中的两个开关器件关断；定义电流流向直流电容C正极的方向为正方向，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₁和D₄向直流电容C充电；当电流反向流动，则电流流过全桥子模块的续流二极管D₂和D₃将直流电容C充电；2)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝U₀时全桥子模块运行情况如下：当IGBT器件T1和T4开通，同时T2和T3关断时，若电流正向流动，电流将通过续流二极管D₁和D₄流入电容，对直流电容C充电；若电流反向流动，电流将通过T1和T4为直流电容C放电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为正的电容电压，全桥子模块始终投入工作；3)投入状态，且全桥子模块的输出电压u_sm＝‑U₀时全桥子模块运行情况如下：当IGBT器件T2和T3开通，同时T1和T4关断时，若电流正向流动，电流将通过T2和T3为直流电容C放电；若电流反向流动，电流将通过续流二极管D₂和D₃流入直流电容C，对直流电容C充电；不管电流处于何种流通方向，全桥子模块的输出端电压表现为负的电容电压，全桥子模块始终投入工作；4)状态4和状态5：全桥子模块切出状态的运行情况如下：当IGBT器件T2和T4开通，同时T1和T3关断或者T1和T3开通，同时T2和T4关断时，若电流正向流通，电流将通过T2和D₄或者T3和D₁将全桥子模块的电容电压旁路；若电流反向流通，电流将通过T4和D₂或者T1和D₃将全桥子模块的电容电压旁路；不管电流方向如何，全桥子模块的输出电压均为零，切出状态相当于切出模块化多电平换流器的桥臂；由模块化多电平换流器的工作原理得到，模块化多电平换流器在运行中，包括：<1>保持上下桥臂电压和为直流电压U_dc，<2>调节上下桥臂的输出电压，使交流输出电压U_c为正弦波，由此得到：其中：u_p表示模块化多电平换流器其中一相上桥臂的桥臂电压；u_n表示模块化多电平换流器其中一相下桥臂的桥臂电压，在保持输出直流电压为U_dc的情况下提高交流输出电压U_c的值。