阅读说明：本技术 主动换相型高压直流输电换流器 (Active phase-change type high-voltage direct-current transmission converter ) 是由 李子欣 徐飞 赵聪 高范强 王平 李耀华 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：一种主动换相型高压直流输电换流器,由逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26、第一直流滤波电感L<Sub>dc1</Sub>和第二直流滤波电感L<Sub>dc2</Sub>组成。通过调节所述的逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16的开关时刻及导通时间,对流过第一直流滤波电感的电流i<Sub>dc1</Sub>进行控制,通过调节所述的逆阻型可关断器件S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关时刻及导通时间对流过第二直流滤波电感的电流i<Sub>dc2</Sub>进行控制。所述主动换相型高压直流输电换流器的三相交流侧电流与所连接的三相交流电源电压均同相位。在避免现有的基于晶闸管的电网换相换流器换相失败的情况下,不采用额外无功补偿设备实现了换流器单位功率因数运行,相比现有技术具有更好的可靠性和经济性。(An active phase-change type high-voltage direct-current transmission converter comprises reverse-resistance type turn-off devices S11, S12, S13, S14, S15, S16, S21, S22, S23, S24, S25 and S26, a first direct-current filter inductor L dc1 And a second DC filter inductor L dc2 And (4) forming. By adjusting the switching time and the conducting time of the reverse-resistance type turn-off devices S11, S12, S13, S14, S15 and S16, the current i flowing through the first direct-current filter inductor is converted into the current i dc1 Controlling the current i flowing through the second DC filter inductor by adjusting the switching time and the conducting time of the reverse resistance type turn-off devices S21, S22, S23, S24, S25 and S26 dc2 And (5) controlling. And the three-phase alternating current side current of the active phase-change type high-voltage direct-current transmission converter and the voltage of a connected three-phase alternating current power supply are in the same phase. Under the condition of avoiding the commutation failure of the existing thyristor-based power grid commutation converter, the unit power factor operation of the converter is realized without adopting extra reactive compensation equipment, and the thyristor-based power grid commutation converter has better reliability and economy compared with the prior art.)

主动换相型高压直流输电换流器

技术领域

本发明涉及一种主动换相型高压直流输电换流器。

背景技术

在高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)领域，现有的换流器主要包括基于晶闸管的电网换相换流器(Line Commutated Converter，LCC)和基于电压源换流器(Voltage-Source Converter，VSC)的柔性直流换流器。

由于LCC-HVDC中的晶闸管为被动换相器件，其关断由外电路决定，且可控量只有触发角，存在换相失败风险，且谐波、无功电流大。发明专利CN201310430659提出了一种可减少换相失败风险的改进电路，但是并不能完全解决LCC-HVDC的换相失败问题。而VSC-HVDC换流器的直流侧一般需要直流电容，例如发明专利CN201080066222，当发生直流短路时，此类换流器很难进行故障穿越运行。尽管基于全桥型的子模块的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)可以实现HVDC系统的直流侧故障穿越，但相对于传统的基于半桥子模块电路拓扑，全桥型MMC所需功率半导体和子模块电容数量巨大，导致换流器造价高，且损耗有显著增加，限制了其推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有HVDC换流器技术存在的缺点，提出一种主动换相的高压直流输电换流器。

本发明主动换相型高压直流输电换流器，由逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26、直流滤波电感L_dc、第一联接变压器和第二联接变压器组成；所述的主动换相型高压直流输电换流器三相交流侧的三相连接端子分别为A、B、C；第一联接变压的原边三相连接端子分别为A1、B1、C1，第一联接变压器的副边三相连接端子分别为a1、b1、c1，第一联接变压的原边三相连接端子A1、B1、C1分别连接到三相交流连接端子A、B、C；第二联接变压器的原边三相连接端子分别为A2、B2、C2，第二联接变压器的副边三相连接端子分别为a2、b2、c2，第二联接变压器的原边三相连接端子A2、B2、C2分别连接到三相交流连接端子A、B、C；逆阻型可关断器件S11的阳极连接到P1点，逆阻型可关断器件S11的阴极连接到a1点；逆阻型可关断器件S14的阳极连接到a1点，逆阻型可关断器件S14的阴极连接到M点；逆阻型可关断器件S13的阳极连接到P1点，逆阻型可关断器件S13的阴极连接到b1点；逆阻型可关断器件S16的阳极连接到b1点，可关断器件S16的阴极连接到M点；逆阻型可关断器件S15的阳极连接到P1点，逆阻型可关断器件S15的阴极连接到c1点；逆阻型可关断器件S12的阳极连接到c1点，逆阻型可关断器件S12的阴极连接到M点；逆阻型可关断器件S21的阳极连接到M点，可关断器件S21的阴极连接到a2点；可关断器件S24的阳极连接到a2点，逆阻型可关断器件S24的阴极连接到N点；逆阻型可关断器件S23的阳极连接到M点，逆阻型可关断器件S23的阴极连接到b2点；逆阻型可关断器件S26的阳极连接到b2点，逆阻型可关断器件S26的阴极连接到N点；逆阻型可关断器件S25的阳极连接到M点，可关断器件S25的阴极连接到c2点；逆阻型可关断器件S22的阳极连接到c2点，逆阻型可关断器件S22的阴极连接到N点。直流滤波电感L_dc的一端连接到P点，直流滤波电感L_dc的另外一端连接到P1点。P点作为所述主动换相型高压直流输电换流器的高压直流输出正极连接端子，N点作为所述主动换相型高压直流输电换流器的高压直流输出负极连接端子。从第一联接变压的原边三相连接端子A1流向A点的电流为i_a1，第一联接变压的原边三相连接端子B1流向B点的电流为i_b1，第一联接变压的原边三相连接端子C1流向C点的电流为i_c1，从第二联接变压器的原边三相连接端子A2流向A点的电流为i_a2，第二联接变压器的原边三相连接端子B2流向B点的电流为i_b2，第二联接变压器的原边三相连接端子C2流向C点的电流为i_c2。从所述主动换相型高压直流输电换流器三相交流侧的连接端子A流向三相交流电源的电流为i_ag，三相交流侧的连接端子B流向三相交流电源的电流为i_bg，三相交流侧的连接端子C流向三相交流电源的电流为i_cg，且满足：i_ag＝i_a1+i_a2，i_bg＝i_b1+i_b2，i_cg＝i_c1+i_c2。从P点经过直流滤波电感L_dc流向P1点的电流为i_dc。所述主动换相型高压直流输电换流器交流侧三相连接端子A、B、C所连接的三相交流电源电压分别为u_sa、u_sb和u_sc，且u_sa、u_sb和u_sc的电压幅值相等，频率均为F的正弦波，u_sa的初相角超前u_sb初相角120°，u_sb的初相角超前u_sc初相角120°。

所述的第一联接变压器的a1、b1、c1侧电压与A1、B1、C1侧的三相电压相位相同，幅值之比为K，K为正数；所述的第二联接变压器的a1、b1、c1侧电压与A1、B1、C1侧的三相电压相位相同，幅值之比亦为K。

通过调节所述的逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关时刻及导通时间，对流过直流滤波电感L_dc的电流i_dc进行控制；所述的逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关时刻及导通时间按照如下方式确定：

在每个周期1/F内，所述主动换相型高压直流输电换流器交流侧三相连接端子A、B、C所连接的三相交流电源电压中，u_sa和u_sc均为正且u_sa＝u_sc的时刻定义为T₀。逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关频率均为F，且在每个周期1/F内的导通角度均为1/F/3，在每个周期1/F内的关断时间均为2/F/3；定义调节时间T_R，T_R为正数，且0≤T_R≤1/F/2，逆阻型可关断器件S11的开通时刻为T₀-T_R，关断时刻为T₀-T_R+1/F/3；逆阻型可关断器件S12的开通时刻为T₀-T_R+1/F/6，关断时刻为T₀-T_R+1/F/2；逆阻型可关断器件S13的开通时刻为T₀-T_R+1/F/3，关断时刻为T₀-T_R+2/F/3；逆阻型可关断器件S14的开通时刻为T₀-T_R+1/F/2，关断时刻为T₀-T_R+5/F/6；逆阻型可关断器件S15的开通时刻为T₀-T_R+2/F/3，关断时刻为T₀-T_R+1/F；逆阻型可关断器件S16的开通时刻为T₀-T_R+5/F/6，关断时刻为T₀-T_R+7/F/6；逆阻型可关断器件S21的开通时刻为T₀+T_R，关断时刻为T₀+T_R+1/F/3；逆阻型可关断器件S22的开通时刻为T₀+T_R+1/F/6，关断时刻为T₀+T_R+1/F/2；逆阻型可关断器件S23的开通时刻为T₀+T_R+1/F/3，关断时刻为T₀+T_R+2/F/3；逆阻型可关断器件S24的开通时刻为T₀+T_R+1/F/2，关断时刻为T₀+T_R+5/F/6；逆阻型可关断器件S25的开通时刻为T₀+T_R+2/F/3，关断时刻为T₀+T_R+1/F；逆阻型可关断器件S26的开通时刻为T₀+T_R+5/F/6，关断时刻为T₀+T_R+7/F/6；上述开通或关断的时刻中，若出现大于1/F的情况，则令这一开通或关断时刻减去1/F再作为实际的开通或关断时刻；上述开通或关断的时刻中，若出现小于0的情况，则令这一开通或关断时刻加上1/F再作为实际的开通或关断时刻。

通过调节所述的调节时间T_R，对流过直流滤波电感L_dc的电流i_dc进行控制；当所述主动换相型高压直流输电换流器直流侧连接端子P和N之间的电压平均值为正时，若直流滤波电感的电流i_dc小于i_dc的参考值时，则减小调节时间T_R，否则增大调节时间T_R；当所述主动换相型高压直流输电换流器直流侧连接端子P和N之间的电压平均值为负时，若直流滤波电感的电流i_dc小于i_dc的参考值时，则增大调节时间T_R，否则减小调节时间T_R。

本发明主动换相型高压直流输电换流器中，交流电流i_a1，i_b1，i_c1的基波成分均超前各自的交流三相电压u_sa，u_sb，u_sc；交流电流i_a2，i_b2，i_c2的基波成分均滞后各自的交流三相电压u_sa，u_sb，u_sc；交流电流i_ag，i_bg，i_cg的基波成分均与各自的交流三相电压u_sa，u_sb，u_sc相位相同。

附图说明

图1为本发明主动换相型高压直流输电换流器电路原理图；

图2为本发明主动换相型高压直流输电换流器在采用所述控制方法时的三相交流侧A相电压、电流仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明主动换相型高压直流输电换流器电路原理图。本发明主动换相型高压直流输电换流器由逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26、直流滤波电感L_dc、第一联接变压器1和第二联接变压器2组成；所述的主动换相型高压直流输电换流器三相交流侧的三相连接端子分别为A、B、C；第一联接变压器1的原边三相连接端子分别为A1、B1、C1，第一联接变压器1的副边三相连接端子分别为a1、b1、c1，第一联接变压器1的原边三相连接端子A1、B1、C1分别连接到三相交流连接端子A、B、C；第二联接变压器2的原边三相连接端子分别为A2、B2、C2，第二联接变压器2的副边三相连接端子分别为a2、b2、c2，第二联接变压器2的原边三相连接端子A2、B2、C2分别连接到三相交流连接端子A、B、C；逆阻型可关断器件S11的阳极连接到P1点，逆阻型可关断器件S11的阴极连接到a1点；逆阻型可关断器件S14的阳极连接到a1点，逆阻型可关断器件S14的阴极连接到M点；逆阻型可关断器件S13的阳极连接到P1点，逆阻型可关断器件S13的阴极连接到b1点；逆阻型可关断器件S16的阳极连接到b1点，逆阻型可关断器件S16的阴极连接到M点；逆阻型可关断器件S15的阳极连接到P1点，逆阻型可关断器件S15的阴极连接到c1点；逆阻型可关断器件S12的阳极连接到c1点，逆阻型可关断器件S12的阴极连接到M点；逆阻型可关断器件S21的阳极连接到M点，逆阻型可关断器件S21的阴极连接到a2点；逆阻型可关断器件S24的阳极连接到a2点，逆阻型可关断器件S24的阴极连接到N点；逆阻型可关断器件S23的阳极连接到M点，逆阻型可关断器件S23的阴极连接到b2点；逆阻型可关断器件S26的阳极连接到b2点，逆阻型可关断器件S26的阴极连接到N点；逆阻型可关断器件S25的阳极连接到M点，逆阻型可关断器件S25的阴极连接到c2点；逆阻型可关断器件S22的阳极连接到c2点，逆阻型可关断器件S22的阴极连接到N点。直流滤波电感L_dc的一端连接到P点，直流滤波电感L_dc的另外一端连接到P1点。P点作为所述主动换相型高压直流输电换流器的高压直流输出正极连接端子，N点作为所述主动换相型高压直流输电换流器的高压直流输出负极连接端子。从第一联接变压器1的原边三相连接端子A1流向A点的电流为i_a1，第一联接变压器1的原边三相连接端子B1流向B点的电流为i_b1，第一联接变压器1的原边三相连接端子C1流向C点的电流为i_c1，从第二联接变压器2的原边三相连接端子A2流向A点的电流为i_a2，第二联接变压器2的原边三相连接端子B2流向B点的电流为i_b2，第二联接变压器2的原边三相连接端子C2流向C点的电流为i_c2。所述主动换相型高压直流输电换流器从第一联接变压器1的原边三相连接端子A流向三相交流电源的电流为i_ag，从第一联接变压器1的原边三相连接端子B流向三相交流电源的电流为i_bg，从第一联接变压器1的原边三相连接端子C流向三相交流电源的电流为i_cg，且满足：i_ag＝i_a1+i_a2，i_bg＝i_b1+i_b2，i_cg＝i_c1+i_c2。从P点经过直流滤波电感L_dc流向P1点的电流为i_dc。所述主动换相型高压直流输电换流器交流侧三相连接端子A、B、C所连接的三相交流电源电压分别为u_sa、u_sb和u_sc，且u_sa、u_sb和u_sc为电压幅值相等，频率均为F的正弦波，u_sa的初相角超前u_sb初相角120°，u_sb的初相角超前u_sc初相角120°。

所述的第一联接变压器1的a1、b1、c1侧电压与A1、B1、C1侧的三相电压相位相同，幅值之比为K，K为正数；所述的第二联接变压器2的a1、b1、c1侧电压与A1、B1、C1侧的三相电压相位相同，幅值之比亦为K。

通过调节所述的逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关时刻及导通时间，对流过直流滤波电感L_dc的电流i_dc进行控制；所述的逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关时刻及导通时间按照如下方式确定：

在每个周期1/F内，所述主动换相型高压直流输电换流器交流侧三相连接端子A、B、C所连接的三相交流电源电压u_sa和u_sc均为正且u_sa＝u_sc的时刻定义为T₀。逆阻型可关断器件S11、S12、S13、S14、S15、S16、S21、S22、S23、S24、S25、S26的开关频率均为F，且在每个周期1/F内的导通角度均为1/F/3，在每个周期1/F内的关断时间均为2/F/3；定义调节时间T_R，T_R为正数，且0≤T_R≤1/F/2，逆阻型可关断器件S11的开通时刻为T₀-T_R，关断时刻为T₀-T_R+1/F/3；逆阻型可关断器件S12的开通时刻为T₀-T_R+1/F/6，关断时刻为T₀-T_R+1/F/2；逆阻型可关断器件S13的开通时刻为T₀-T_R+1/F/3，关断时刻为T₀-T_R+2/F/3；逆阻型可关断器件S14的开通时刻为T₀-T_R+1/F/2，关断时刻为T₀-T_R+5/F/6；逆阻型可关断器件S15的开通时刻为T₀-T_R+2/F/3，关断时刻为T₀-T_R+1/F；逆阻型可关断器件S16的开通时刻为T₀-T_R+5/F/6，关断时刻为T₀-T_R+7/F/6；逆阻型可关断器件S21的开通时刻为T₀+T_R，关断时刻为T₀+T_R+1/F/3；逆阻型可关断器件S22的开通时刻为T₀+T_R+1/F/6，关断时刻为T₀+T_R+1/F/2；逆阻型可关断器件S23的开通时刻为T₀+T_R+1/F/3，关断时刻为T₀+T_R+2/F/3；逆阻型可关断器件S24的开通时刻为T₀+T_R+1/F/2，关断时刻为T₀+T_R+5/F/6；逆阻型可关断器件S25的开通时刻为T₀+T_R+2/F/3，关断时刻为T₀+T_R+1/F；逆阻型可关断器件S26的开通时刻为T₀+T_R+5/F/6，关断时刻为T₀+T_R+7/F/6；上述开通或关断的时刻中，若出现大于1/F的情况，则令这一开通或关断时刻减去1/F再作为实际的开通或关断时刻；上述开通或关断的时刻中，若出现小于0的情况，则令这一开通或关断时刻加上1/F再作为实际的开通或关断时刻。

通过调节所述的调节时间T_R对流过直流滤波电感L_dc的电流i_dc进行控制；当所述主动换相型高压直流输电换流器直流侧连接端子P和N之间的电压平均值为正时，若直流滤波电感的电流i_dc小于i_dc的参考值时，则减小调节时间T_R，否则增大调节时间T_R；当所述主动换相型高压直流输电换流器直流侧连接端子P和N之间的电压平均值为负时，若直流滤波电感的电流i_dc小于i_dc的参考值时，则增大调节时间T_R，否则减小调节时间T_R。

本发明所述主动换相型高压直流输电换流器中，交流电流i_a1，i_b1，i_c1的基波成分均超前各自的交流三相电压u_sa，u_sb，u_sc；交流电流i_a2，i_b2，i_c2的基波成分均滞后各自的交流三相电压u_sa，u_sb，u_sc；交流电流i_ag，i_bg，i_cg的基波成分均与各自的交流三相电压u_sa，u_sb，u_sc相位相同。

图2为本发明主动换相型高压直流输电换流器在采用所述控制方法时的三相交流侧A相电压、电流仿真波形图。如图2所示，三相交流电源线电压有效值为1000V，频率为50Hz，三相联接变压器T1和三相联接变压器T2的原边与副边电压幅值及相位均相同，及三相联接变压器T1和三相联接变压器T2的变比均为K＝1，直流电流i_dc＝1000A，调节时间T_R设置为1ms。由仿真结果可见，i_a1基波成分超前u_sa，i_a2基波成分滞后u_sa，i_ag基波成分与u_sa相位几乎相同。对于三相交流电源来说其基波功率因数几乎为1。本发明主动换相型高压直流输电换流器在采用所述控制方法时无需额外的无功补偿设备即实现了高功率因数运行。同时，由于本发明中的所有逆阻型可关断器件均可主动关断，可以消除基于晶闸管的电网换相换流器中存在的换相失败问题，更加安全和经济。