一种LCC-HVDC拓扑结构及其可控子模块充电初始电压确定方法技术

本发明专利技术提供了一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，该拓扑结构为在六脉动换流器的六个阀臂上串联若干可控子模块；本发明专利技术还提供了一种针对串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构的可控子模块的最优充电初始电压确定方法，用于防止可控子模块电容电压不受控制，保证可控子模块的正常工作运行，提高LCC-HVDC拓扑对换相失败的防御作用。

【技术实现步骤摘要】
一种LCC-HVDC拓扑结构及其可控子模块充电初始电压确定方法
本专利技术涉及一种输配电
的装置，具体讲涉及一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构及其可控子模块充电初始电压确定方法。
技术介绍
20世纪50年代以来，传统电网换相高压直流输电(Line-Commutated-ConverterHighVoltageDirectCurrent，LCC-HVDC)以其大容量远距离输电、有功功率快速可控等特点在世界范围内得到了快速的发展。但由于其采用不能自关断的晶闸管作为换流器件，需要一定强度的交流系统提供换相电压，这使其具有一定的局限性，突出表现为换相失败问题。换相失败的发生严重限制了直流系统传输功率，使得传输功率从正常值突然下降到很小的值甚至是零，为整个交-直-交系统带来巨大的扰动。现有技术中，从拓扑结构上对换流器进行的改进主要包括电容器换相换流器(CapacitorCommutatedConverter，CCC)、可控串联电容器换流器(ControlledSeriesCapacitorConverter，CSCC)和电压源换流器(VoltageSourceConverter，VSC)等。但CCC存在以下问题：当三个换相电容器上的电压不平衡时，逆变器的换相性能将变坏[1]；在换相故障时，电容器持续充电至过电压，换流器将失去自恢复能力；引入的电容器造成直流输电系统中的电流谐波污染问题[12]。与CCC把电容器放在换流变压器阀侧不同，CSCC把电容器放在换流变压器网侧，并可对电容值进行动态调整，但本质与CCC相似。VSC虽然没有换相失败问题，但其在远距离大容量输电中无法替代LCC-HVDC的地位。本专利技术针对一种改进的LCC-HVDC拓扑。该改进的LCC-HVDC拓扑与CCC最大的不同是将电容器封装在一种可控子模块中，可控子模块能控制其内部电容的旁路和投入，进而实现对子模块输出电压的控制。当交流系统发生故障时，在该改进LCC-HVDC拓扑中的某两个阀臂进行换相时，通过控制对应阀臂上的子模块，使其内部的电容投入到换相过程中。此时子模块的输出电压即为电容电压，为换相过程提供了辅助换相电压。在换相过程中，若电容被投入，且电容电压值越大，则子模块输出电压越大，对换相过程的帮助作用越明显。然而，在该改进的LCC-HVDC拓扑中，当电容投入时，电容将被充电或放电，其电压值将随着换相过程的进行而升高或降低。若不对电容电压进行控制，则当电容电压过高时，子模块中各开关器件所承受的电压过高，威胁到子模块的正常工作运行；当电容电压过低时，则子模块输出电压亦较低，对换相过程的帮助作用有限。综上，改进的LCC-HVDC拓扑对提高原LCC-HVDC拓扑抵御换相失败的能力有一定作用，但如果其可控子模块电容电压不受控制，则可能威胁到可控子模块的正常工作运行，或降低所述改进的LCC-HVDC拓扑对换相失败的防御作用。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构及其充电初始电压确定方法。实现上述目的所采用的解决方案为：一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，其改进之处在于：所述拓扑结构为在六脉动换流器的阀臂中串联可控子模块，所述可控子模块输出的两端口并联均压回路；所述可控子模块包括电容和依次连接的由二极管和IGBT组成的器件组。进一步的，所述IGBT采用多个IGBT并联结构的IGBT组；所述六脉动换流器的六个阀臂上串联一个或多个所述可控子模块。进一步的，所述器件组的数目为二；所述二极管和IGBT的数目分别为一。进一步的，所述器件组的器件组一的IGBT的集电极与所述二极管的正极连接；所述器件组的器件组二的所述IGBT的射极与所述二极管的负极连接；所述器件组一的二极管的负极与所述器件组二的IGBT的集电极连接；所述器件组二的二极管的正极与所述器件组一的IGBT的射极连接；所述电容的正极与负极分别连接在所述器件组一的二极管和所述器件组二的IGBT与所述器件组二的二极管和所述器件组一的IGBT之间。一种确定上述任一项权利要求的拓扑结构的可控子模块充电初始电压方法，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：I、确定所述可控子模块的电抗值Xr、电容值C、待关断阀臂的关断过程中所对应的交流系统的线电压有效值U、平均直流电流Id、待关断阀臂的触发角α和待关断阀臂的关断角γ；II、确定所述可控子模块的充电初始电压。进一步的，所述步骤I中，按下式确定线电压有效值U：式中，ω＝dθ/dt，θ为所述交流系统线电压的相角；为所述交流系统线电压的初始相位角；a、b分别为所述交流系统线电压的正弦、余弦分量幅值。进一步的，所述步骤I中，按下式确定所述平均直流电流Id：式中，Id0和Id3、Id1和Id4、Id2和Id5分别为不同波动周期相对位置相同的三组直流电流。进一步的，所述步骤I中，确定所述待关断阀臂的触发角α和所述待关断阀臂的关断角γ的确定方法为：采用同相上的另一阀臂刚结束的关断过程中测量得到的触发角α和所述关断角γ作为待关断阀臂的所述可控子模块的所述待关断阀臂的触发角α和所述待关断阀臂的关断角γ。进一步的，所述步骤H包括：确定换相过程结束时ωt＝μ＝π-α-γ，其中，α为所述LCC-HVDC拓扑的待关断阀臂的触发角，γ为所述LCC-HVDC拓扑的待关断阀臂的关断角；ω=dθ/dt，θ为所述交流系统的线电压的相角；按下式确定充电初始电压：式中，uopen(0)为待开通阀臂的所述可控子模块电容初始电压；uclose(t)|t=m/w为阀臂完全关断后的子模块电容电压；C为电容值；Xr为电抗值；U为待关断阀臂的关断过程中，所对应的交流系统的线电压有效值；Id为待关断的阀臂在关断过程中的平均电流。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的LCC-HVDC拓扑结构，适用于传统高压直流输电，可以降低直流输电发生换相失败的概率，提高了交直流系统运行的稳定性。2、本专利技术提供的LCC-HVDC拓扑结构，在换流阀正常工作时电容器不投入使用，延长电容使用寿命，同时不会产生谐波。3、本专利技术提供的LCC-HVDC拓扑结构，将强迫换相桥路中电压等级较高的单个电容拆分为若干电压等级较低、封装在可控子模块中的电容；因此电容的充放电过程，以及电容的投入和退出灵活可控。4、本专利技术提供的LCC-HVDC拓扑结构，在包括换相失败在内的各工况下不会对换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种串入可控子模块的LCC‑HVDC拓扑结构，其特征在于：所述拓扑结构为在六脉动换流器的阀臂中串联可控子模块，所述可控子模块输出的两端口并联均压回路；所述可控子模块包括电容和依次连接的由二极管和IGBT组成的器件组。

【技术特征摘要】
1.一种串入可控子模块的LCC-HVDC拓扑结构，其特征在于：所述拓扑结构为在六脉动换流器的阀臂中串联可控子模块，所述可控子模块输出的两端口并联均压回路；所述可控子模块包括电容和依次连接的由二极管和IGBT组成的器件组；所述六脉动换流器的六个阀臂上串联一个或多个所述可控子模块；所述器件组的数目为二；所述二极管和IGBT的数目分别为一；所述器件组的器件组一的IGBT的集电极与所述二极管的正极连接；所述器件组的器件组二的所述IGBT的射极与所述二极管的负极连接；所述器件组一的二极管的负极与所述器件组二的IGBT的集电极连接；所述器件组二的二极管的正极与所述器件组一的IGBT的射极连接；所述电容的正极与负极分别连接在所述器件组一的二极管和所述器件组二的IGBT与所述器件组二的二极管和所述器件组一的IGBT之间；所述可控子模块充电初始电压确定方法包括以下步骤：I、确定所述可控子模块的电抗值Xr、电容值C、待关断阀臂的关断过程中所对应的交流系统的线电压有效值U、平均直流电流Id、待关断阀臂的触发角α和待关断阀臂的关断角γ；II、确定所述可控子模块的充电初始电压；所述步骤II包括：确定换相过程结束时ωt＝μ＝π-α-γ，其中，α为所述LCC-HVDC拓扑的待关断阀臂的触发角，γ为所述LCC-HVDC拓扑的待关断阀臂的关断角；ω＝dθ/dt，θ为所述交流系统的线电压的相角；按下式确定充电初始电压：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘羽超，郭春义，赵成勇，倪晓军，许韦华，阳岳希，
申请(专利权)人：华北电力大学，国网智能电网研究院，中电普瑞电力工程有限公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11