PDF《适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块拓扑》

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a e p s G i n f o . c o m 适用于远距离大容量架空线输电的交叉型子模块拓扑 刘高任1 ,徐政1 ,张哲任1 ,许烽1,

2 ( 1. 浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市

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2 7;

2. 国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江省杭州市

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1 4 ) 摘要:提出了 一种适用于模块化多电平换流器的具有直流故障自清除能力的交叉型子模块(CCSM) .该子模块由1 2个绝缘栅双极型晶体管、

1 2个反并联二极管和4个电容组成, 可分别输 出4电平、 2电平、 0电平和-2电平.同等输出条件下, C C S M 除了具有较高的经济性以外, 还可 在保证直流故障自清除能力的基础上为换流器提供更广泛的运行范围, 尤其适用于电压等级高、 输 送容量大、 采用架空线路传输的柔性直流输电系统.此外, 还研究了基于 C C S M 的调制方法及电 容电压平衡策略, 并在 P S C A D / EMT D C中搭建了仿真模型, 验证了所提拓扑及控制策略的有效性 与可行性. 关键词:模块化多电平换流器;

子模块拓扑;

直流故障自清除能力;

交叉型子模块 收稿日期:

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修回日期:

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0 4. 上网日期:

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0 5. 国家电网公司科技项目( DW

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5 ) .

0 引言 为了解决新能源并网与消纳问题, 基于电压源 换流器( V S C) 的高压直流输电( HV D C) 技术已经成 为目前学术研究的热点[

1 G 3] .在众多 V S C 拓扑中, 基于模 块化多电平换流器(MMC) 的VSCGHV D C 具有显著优势.MMC拓扑采用子模块级联的方式 构成, 避免了大量开关器件直接串联, 不存在一致触 发等问题.此外, 该拓扑还具有交流电压谐波畸变 率低、 易于封装维护、 开关器件承受电气应力小、 开 关损耗低等优点, 近年来已被广泛应用到工程实际 中来[

4 G 6] . 如何有效处理直流故障是关乎柔性直流输电技 术发展 的关键性技术难题.在现有MMC G HV D C 工程 中, MMC 多由半桥子模块(HBSM) 构成. H B S M 由两个绝缘栅双极型晶体管( I G B T) 、 两个 反并联二极管和一个电容器组成.虽然 H B S M 具 有较好的经济性, 但其并不具备直流故障自清除能 力.当系统发生直流短路故障时, H B S M 中的反并 联二极管将为短路电流提供流通路径, 因此系统无 法通过闭锁换流器来切断故障电流, 只能依靠断开 交流断路器来处理[ 7] .由于适用于高压大功率场合 的直流断路器还未达到商业化应用的水平, 因此在 实际工程中直流线路只能采用故障率低, 但造价昂 贵的直流电缆.在远距离大容量直流输电工程中, 这种方式无疑将大幅提升工程的整体造价, 影响其 经济效益. 为了有效解决上述技术问题, 学界及工业界提 出了多 种具有直流故障自清除能力的子模块拓扑[

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1 7] , 其中以全桥子模块( F B S M) 和钳位双子模块 ( C D S M) 最为成熟.当系统直流侧发生短路故障时, 子模块将快速闭锁.此时, 桥臂将通过子模块电 容建立反向电压, 从而使故障电流下降至零, 以达到 快速清除直流故障的目的. 这两种子模块的缺点在于, 其设备成本和运行 损耗均高于 H B S M [

1 8 ] .在同等情况, F B S M 需要电 力电子器件数量为 H B S M 的两倍, 其运行损耗也将 增加约1

0 0%.C D S M 相较于 F B S M 在经济性上有 较大提升, 然而受限于知识产权问题, 该拓扑在国内 暂时无法得到商业化应用, 这大大制约了国内柔性 直流输电事业的发展.此外, 受限于现有制造工艺, 单个子模块的功率传输能力较小.实际工程中, 为 了实现较高的电压等级与传输能力, 每桥臂串联的 子模块数量将达到数百个, 这对系统的调制策略与 控制器性能均提出了较高要求.因此, 研究一种具 有较强经济性, 且更适用于高压大容量输电场合的 子模块拓扑具有十分重要的工程价值和实际意义. 针对现 有技术缺陷, 本文提出了一种适用于MMC拓扑的具有直流故障自清除能力的交叉型子 模块( C C S M) .该子模块由1 2个I G B T、