半控型直流卸荷装置及其所嵌入的柔直换流器的控制方法

本发明涉及柔性直流输配电、电力电子，具体地，涉及一种半控型直流卸荷装置及其所嵌入的柔直换流器的控制方法。

背景技术：

1、柔性直流输电技术，具有有功无功独立可控、无需无功补偿、可向无源网络供电、潮流反转时电压极性不变等特点，非常适用于远距离大规模新能源并网。

2、以大规模海上风电并网系统为例，由于风电机组惯性大，海上换流器(送端)的送出功率不能突变。当岸上换流器(受端)交流并网侧发生故障时，岸上换流器(受端)并网功率受到限制，无法将海上换流器(送端)的送出功率完全消纳。盈余功率会对换流器中的电容器以及直流海缆寄生电容进行充电，导致过电压。直流卸荷装置能够消耗直流电网中的盈余功率，避免发生过电压或风机大规模脱网。

3、现有的直流卸荷装置，可以分为集中式卸荷装置、分布式卸荷装置和混合式卸荷装置三种。其中，集中式卸荷装置存在串联开关器件均压困难问题，且工作时电压波动大；分布式卸荷装置的电压波动小，但是大量子模块需要更多的igbt、晶闸管等开关器件，同时需要额外的水冷装置，显著增加了成本；混合式卸荷装置是集中式和分布式卸荷装置的结合，与分布式卸荷装置相比，一定程度上减少了装置成本，但仍需要大量开关器件和水冷装置。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种半控型直流卸荷装置及其所嵌入的柔直换流器的控制方法。

2、根据本发明的一个方面，提供一种半控型直流卸荷装置，半控型直流卸荷装置内嵌安装在柔直换流器上，在并网侧交流系统故障发生时消耗盈余功率；

3、所述半控型直流卸荷装置的拓扑，包括第一种拓扑或第二种拓扑；

4、所述第一种拓扑，包括上下两个相同的部分，分别连接在柔直换流器的上桥臂中间和下桥臂中间；每个部分包括三相星接的卸荷桥臂；所述卸荷桥臂包括电阻，或是串联的机械开关和电阻，或是串联的双向半控型开关器件串和电阻；

5、所述第二种拓扑，包括上下两个相同的部分，分别连接在柔直换流站的上桥臂中间和下桥臂中间；每个部分包括三相变换器和一个卸荷桥臂；所述三相变换器每个桥臂包括串联的半控型开关器件或串联的二极管；所述卸荷桥臂包括电阻，或是串联的半控型开关器件串和电阻，或是串联的半控型开关器件串、电阻和双极型子模块，

6、优选地，所述柔直换流器为中压级或高压级、具有模块化多电平结构的、三相的电压源型变流器，其具备交直流电能变换的功能，能够实现中高压交流电网和直流系统的联接。

7、优选地，所述柔直换流器的每相包括：第一上换流器桥臂、第二上换流器桥臂、第一下换流器桥臂、第二下换流器桥臂、上桥臂电抗器和下桥臂电抗器；

8、所述上桥臂电抗器一端采用星型连接，其中性点连接直流端口的正极，各相所述上桥臂电抗器的另一端连接对应相的所述第一上换流器桥臂上端。所述第二上换流器桥臂的上端连接所述第一上换流器桥臂的下端，所述第二上换流器桥臂的下端连接交流端口；

9、所述下桥臂电抗器一端采用星型连接，其中性点连接直流端口的负极，各相所述下桥臂电抗器的另一端连接对应相的所述第二下换流器桥臂下端；所述第一下换流器桥臂的下端连接所述第二下换流器桥臂的上端，所述第一下换流器桥臂的上端连接交流端口。

10、优选地，所述的柔直换流器的每个换流器桥臂包括多个串联连接的换流器子模块；

11、所述换流器子模块包括全控型开关器件和子模块电容。

12、优选地，所述换流器子模块采用双极型子模块，或单极型子模块，或混合的双极型子模块与单极型子模块。

13、优选地，直流卸荷装置的第一种拓扑中，每相包括两个相同的上卸荷桥臂、下卸荷桥臂；

14、所述上卸荷桥臂的一端采用星型连接，另一端连接在所述第一上换流器桥臂和所述第二上换流器桥臂之间；

15、所述下卸荷桥臂的一端采用星型连接，另一端连接在所述第一下换流器桥臂和所述第二下换流器桥臂之间。

16、优选地，直流卸荷装置的第二种拓扑中，采用两个相同的上卸荷单元、下卸荷单元；

17、所述上卸荷单元内嵌于所述第一上换流器桥臂和所述第二上换流器桥臂之间；

18、所述下卸荷单元内嵌于所述第一下换流器桥臂和所述第二下换流器桥臂之间；

19、每个上卸荷单元或下卸荷单元，包括两组三相星型连接的开关串和一个卸荷桥臂组成；所述开关串的中性点分别连接所述卸荷桥臂的两端；所述开关串的交流端口分别作为所述下卸荷单元的交流端口，与柔直换流器连接。

20、优选地，所述电阻为耗散盈余功率的功率电阻。

21、根据本发明的第二个方面，提供一种半控型直流卸荷装置及其所嵌入的柔直换流器的控制方法，采用所述的半控型直流卸荷装置，该控制方法包括两种运行模式：

22、模式1：正常运行模式，在此模式下，交流系统正常运行，所述半控型直流卸荷装置所嵌入的柔直换流器进行无功功率控制，所述半控型直流卸荷装置不工作；

23、模式2：故障卸荷模式，在此模式下，交流系统发生短路或接地故障，直流电网出现盈余功率，所述半控型直流卸荷装置所嵌入的柔直换流器进行有功功率控制，即柔直换流器进行交流电流控制；所述半控型直流卸荷装置进行卸荷功率控制,即所述半控型直流卸荷装置中的卸荷桥臂有功功率控制；以及所述柔直换流器桥臂之间的能量均衡控制。

24、优选地，对于半控型直流卸荷装置的第一种拓扑，所述柔直换流器桥臂之间的能量均衡控制，包括：

25、在所述第一上换流器桥臂和第二上换流器桥臂之间加入上换流器桥臂能量均衡控制电压，实现所述第一上换流器桥臂和第二上换流器桥臂的能量均衡；

26、在所述第一下换流器桥臂和第二下换流器桥臂之间加入下换流器桥臂能量均衡控制电压，实现所述第一下换流器桥臂和第二下换流器桥臂的能量均衡。

27、优选地，对于半控型直流卸荷装置的第一种拓扑，卸荷桥臂有功功率控制，包括：

28、在所述第一上换流器桥臂和第二上换流器桥臂之间加入上卸荷桥臂卸荷功率控制电压，实现所述上卸荷桥臂中耗散功率的控制；

29、在所述第一下换流器桥臂和第二下换流器桥臂之间加入下卸荷桥臂卸荷功率控制电压，实现所述下卸荷桥臂中耗散功率的控制。

30、优选地，上、下换流器桥臂的能量均衡控制电压为工频正弦波；上、下卸荷桥臂的卸荷功率控制电压是不同于工频频率的正弦波；

31、所述能量均衡控制电压和所述卸荷功率控制电压频率不同，实现所述换流器桥臂能量平衡控制的解耦。

32、优选地，在故障卸荷模式，柔直换流器桥臂电压方程式为：

33、

34、其中，uap1、uap2、uan1、uan2分别是所述柔直换流器的a相的第一上换流器桥臂、第二上换流器桥臂、第一下换流器桥臂、第二下换流器桥臂在所述模式1即正常工作模式下的调制电压；u,ap1、u,ap2、u,an1、u,an2分别是所述柔直换流器的a相的所述第一上换流器桥臂、第二上换流器桥臂、第一下换流器桥臂、第二下换流器桥臂在所述模式2即故障卸荷工作模式下的调制电压；ujpa和ujna分别是所述柔直换流器的a相的所述上换流器桥臂能量均衡控制电压和所述下换流器桥臂能量均衡控制电压；uxpa和uxna分别是所述半控型直流卸荷装置的a相的所述上卸荷桥臂卸荷功率控制电压和所述下卸荷桥臂卸荷功率控制电压。

35、与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下的一种有益效果：

36、1、本发明实施例的半控型直流卸荷装置能够在交流系统故障时消耗盈余功率，有效避免直流系统过电压。与现有直流卸荷装置相比，大幅减少了开关器件数量、卸荷桥臂无需子模块电容，使用机械开关或双向半控型开关器件代替全控型开关器件，具有建造成本低的显著经济性优势；

37、2、与现有并联型集中式直流卸荷装置相比，本发明实施例提供的半控型直流卸荷装置，使用机械开关或双向半控型开关器件，不存在全控型开关器件串联均压困难的问题；直流卸荷装置内嵌安装在换流器内，卸荷时的直流电压纹波小；

38、3、与现有并联型分布式或混合式直流卸荷装置相比，本发明实施例的半控型直流卸荷装置，开关器件更少，卸荷桥臂无需子模块电容，使用集中式电阻，便于散热，降低了换流器的散热压力，因此显著降低了装置的成本；

39、4、本发明实施例提供的半控型直流卸荷装置和其所嵌入的柔直换流器运行控制方法，不仅控制换流器桥臂之间的能量均衡，确保换流器稳定运行，并且能准确、独立、连续调节卸荷功率，实现受端换流器交流侧故障时，直流电网电压的稳定。本发明实施例的卸荷桥臂内没有电容，不存在传统卸荷装置的子模块电容均压问题，控制方法更为简化。