一种具有直流故障清除能力的换流站及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统控制技术领域，具体设及一种具有直流故障清除能力的换流 站及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器具有交流输出电压谐波崎变率低，模块化结构易于封装，开 关器件承受的电气应力小，开关损耗低等优点。自2002年提出后，经过十余年的发展，已为 业界广泛承认。由半桥子模块构成的模块化多电平换流器是现今高压直流工程中最常用的 结构方案，但由于其不具有直流故障自清除能力，因此现有的基于模块化多电平换流器的 高压直流工程均采用低故障率的直流电缆线路，W减少直流故障发生概率，但其造价昂贵。 多端直流输电系统W及直流电网中，架空直流输电线路将会得到越来越多的应用。半桥型 模块化多电平换流器发生直流故障时，换流器丧失了控制能力，工作在不控整流状态，只能 通过开断与换流器相连接的交流断路器焰灭电弧。
[0003] 为解决上述技术问题，目前存在两种解决方案；（1)替换半桥子模块，采用具有直 流故障自清除能力的子模块，如全桥子模块、错位双子模块或其他变型子模块；(2)仍采用 半桥子模块，但在直流线路上引入直流断路器来处理直流故障。
[0004] 对于第一种方案而言，从目前的研究成果来看，任何其他型的子模块都需要采用 更多的电力电子器件（基于全桥子模块的模块化多电平换流器所采用的IGBT数量为半桥 子模块的两倍，错位双子模块比半桥子模块增加了 25% )，该一方面增加了投资成本，另一 方面将引入更多的运行损耗（基于全桥子模块的模块化多电平换流器的运行损耗相比于 半桥子模块增加的百分比为68 %~95 %，错位双子模块相比于半桥子模块增加的百分比 为34%~58%)，运行损耗的增大大大降低了工程效益，无形中增加了系统的投资成本。对 于第二种方案而言，高压直流断路器目前还未有商业化应用，且造价昂贵。另外，为有效切 除故障电流，每条直流线路两端都需要安装直流断路器，在未来的多端直流输电系统W及 直流电网中，为保证输电的冗余度，直流线路的条数将明显多于换流站个数，直流断路器的 安装个数亦将大大增加，由此所导致的电网造价将成数倍增加。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种具有直流故障清除能力 的换流站及其控制方法，能够快速有效地清除直流故障，与子模块替换方案相比，本发明的 造价成本与其相当或略高于，但运行损耗较低；与采用直流断路器的方案相比，造价成本将 有大幅度的降低，尤其是在多端直流输电系统中。
[0006] 一种具有直流故障清除能力的换流站，包括；模块化多电平换流器、平波电抗器、 快速分流切断开关、快速开断开关、电流转移开关和线路放电引导电路；其中：
[0007] 所述的模块化多电平换流器交流侧与电网相连接，直流侧的高压端与平波电抗器 的一端相连，直流侧的低压端接地；平波电抗器的另一端与快速开断开关的一端W及快速 分流切断开关的一端相连，快速分流切断开关的另一端接地，快速开断开关的另一端与电 流转移开关的一端相连，电流转移开关的另一端与线路放电引导电路的高压端W及直流输 电线路相连，线路放电引导电路的低压端接地。
[000引所述的模块化多电平换流器用于将电网的交流电转换为直流电，其采用S相六桥 臂结构，每个桥臂均由若干个半桥子模块和一个电抗器串联组成。
[0009] 所述的半桥子模块由两个带反并二极管的IGBT管Ti~T2和一个电容C构成；其 中，IGBT管Ti的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成半桥子模块的高压端，IGBT管T1 的集电极与电容C的一端相连，IGBT管T,的发射极与电容C的另一端相连并构成半桥子模 块的低压端，两个IGBT管Ti~T2的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
[0010] 所述的快速分流切断开关用于故障电流的分流及切除，具备承受直流高电压的能 力，其由多个开关单元串联组成，所述的开关单元包括多个带反并二极管的IGBT管和一个 避雷器；其中，所有IGBT管串联后与避雷器并联，其中一半的IGBT管采用正向连接，另一半 的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
[0011] 所述的快速开断开关用于快速隔离故障且具备零电流下快速开断的能力，其采用 ABB公司的超快速断路器。
[0012] 所述的电流转移开关用于将电流转移至快速分流切断开关所在的支路上，其包括 多个带反并二极管的IGBT管和一个避雷器；其中，所有IGBT管串联后与避雷器并联，其中 一半的IGBT管采用正向连接，另一半的IGBT管采用反向连接，所有IGBT管的基极均接收 来自外部设备提供的开关控制信号；由于不需要承受高电压等级，电流转移开关中串联的 IGBT个数不需要太多。
[0013] 所述的线路放电引导电路包括一个快速闭合开关和一个电阻；其中，快速闭合开 关的一端构成线路放电引导电路的高压端，快速闭合开关的另一端与电阻的一端相连，电 阻的另一端构成线路放电引导电路的低压端并接地。
[0014] 所述的快速闭合开关具备快速的闭合能力，W便线路放电引导电路能够快速投入 主回路，其采用ABB公司的超快速断路器或由多个晶闽管串联构成。
[0015] 上述换流站在直流故障状况下的控制方法，包括如下步骤：
[0016] (1)在直流输电线路中检测到故障电流后，立刻对线路放电引导电路内的快速闭 合开关施加闭合信号，同时对快速分流切断开关内的所有开关管施加开通信号；使得模块 化多电平换流器直流侧的输出电流分别流入故障点、线路放电引导电路化及快速分流切断 开关；
[0017] 似在快速闭合开关完成闭合后，对电流转移开关内的所有开关管施加关断信号； 使得模块化多电平换流器直流侧的输出电流仅流入快速分流切断开关，直流输电线路的剩 余能量将通过线路放电引导电路与故障点之间的回路实现泄放；
[0018] (3)在电流转移开关完成电流开断后，对快速开断开关施加开断信号，实现模块化 多电平换流器与直流输电线路物理隔离；进而对快速分流切断开关内的所有开关管施加关 断信号，剩余能量将通过快速分流切断开关内的避雷器泄放，至此，直流故障清除。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：
[0020] (1)子模块替换方案相比于半桥子模块需要使用更多的电力电子器件，而该些额 外的器件可用于本发明换流站内快速分流切断开关等设备上，因而本发明换流站的造价成 本与子模块替换方案相当或略高于，但在运行损耗方面，本发明的换流站与采用半桥子模 块的模块化多电平换流器相同，低于子模块替换方案。
[0021] (2)本发明与采用直流断路器的方案相比，造价成本将有大幅度的降低，尤其是在 多端直流输电系统中，直流断路器的使用数目将随着线路数的增加同比增大。而本发明的 换流器与直流线路数无关，设备造价只与换流站的个数有关。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明换流站的结构示意图。
[0023] 图2为本发明换流站在直流故障状况下的控制流程示意图。
【具体实施方式】
[0024] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 及其相关原理进行详细说明。
[0025] 如图1所示，本发明具有直流故障清除能力的换流站，包括；模块化多电平换流器 1，平波电抗器2,快速分流切断开关3,超快速开断开关4,电流转移开关5和线路放电引导 电路6。其中；模块化多电平换流器1的交流端与交流电网相连接，低压直流端直接接地， 高压直流端与平波电抗器2的一端相连。平波电抗器2可抑制直流电流波动和直流电流在 故障情况下的上升率。平波电抗器2的另一端连接至超快速开断开关4,并与快速分流切断 开关3的高压端相连，快速分流切断开关3的低压端直接接地。超快速开断开关4的另一 端与电流转移开关5的一端相连，电流转移开关5的另一端连接至直流线路，同时，连接至 线路放电引导电路6的高压端，线路放电引导电路6的低压端直接接地。
[0026] 模块化多电平换流器1采用=相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个半桥子模块和 一桥臂电抗器串联组成，用于将交流电网的=相交流电转换为直流电。半桥子模块输出电 压存在正和零两种电平，桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流 上升，保护IGBT等器件的作用。半桥子模块由两个IGBT管Ti~T2和一个电容C构成；其 中，IGBT管Ti的输出端与IGBT管T2的输入端相连并构成半桥子模块的一端，IGBT管T1的 输入端和