主动换相型高压直流输电换流器.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911066054.7 (22)申请日 2019.11.04 (71)申请人 中国科学院电工研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村北二条6 号 (72)发明人 赵聪栾轲栋李子欣王平 李耀华 (74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 11251 代理人 关玲 (51)Int.Cl. H02J 3/36(2006.01) H02M 7/48(2007.01) (54)发明名称 一种主动换相型高压直流输电换流器 (57)摘要 一种主动换相型高压直流输电换流器。

2、， 由第 一主动换相换流器、 第二主动换相换流器、 第一 变压器、 第二变压器和直流滤波电感Ldc组成。 通 过控制第一主动换相换流器和第二主动换相换 流器可关断器件开关时刻及导通时间， 实现对三 相电网电流控制。 所述的主动换相型高压直流输 电换流器不仅能够有效避免传统的基于晶闸管 的电网换相换流器换相失败风险， 还能够实现单 位功率因数运行且三相电网侧电流不含有5次和 7次谐波， 减少了无功补偿装置容量， 具有较高的 可靠性和较好的经济性。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 110854895 A 2020.02.28 CN 110854895 A 1.一种主动换相型高压直流输电。

3、换流器， 由第一主动换相换流器、 第二主动换相换流 器、 第一变压器、 第二变压器和直流滤波电感Ldc构成； 第一主动换相换流器和第一变压器的 副边连接， 第一变压器的原边连接到三相交流电网， 第二主动换相换流器和第二变压器的 副边连接第二变压器的原边连接到三相交流电网； 第一主动换相换流器和高压直流侧正极 连接端子P之间串接有直流滤波电感Ldc， 其特征在于： 所述的第一主动换相换流器包含逆阻型可关断器件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6 以及交流侧连接端子u1、 v1、 w1； 所述的第二主动换相换流器包含逆阻型可关断器件Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5和Q6， 以及交流侧连。

4、接端子u2、 v2、 w2； 高压直流侧正极连接端子P连接至滤波电感 Ldc的一端， 滤波电感Ldc的另一端连接至第一主动换相换流器逆阻型可关断器件S1、 S3、 S5 的阳极， 第一主动换相换流器逆阻型可关断器件S4、 S6、 S2的阴极分别连接至第二主动换相 换流器逆阻型可关断器件S1、 S3、 S5的阳极， 第二主动换相换流器逆阻型可关断器件S4、 S6、 S2的阴极连接至高压直流侧负极连接端子N； 第一主动换相换流器交流侧连接端子u1、 v1、 w1分别连接至第一变压器原边连接端子a1、 b1、 c1， 第二主动换相换流器交流侧连接端子 u2、 v2、 w2分别连接至第二变压器原边连接。

5、端子a2、 b2、 c2； 第一变压器副边连接端子A1、 B1、 C1和第二变压器副边连接端子A2、 B2、 C2并联后分别连接至三相交流电网连接端子A、 B、 C。 2.如权利要求1所述的主动换相型高压直流输电换流器， 其特征在于： 所述的第一变压 器的原边绕组和副边绕组采用Y/Y连接方式， 原、 副边变比为n:1； 第二变压器的原边绕组和 副边绕组采用/Y连接方式， 原、 副边变比为1.732n:1， n为正数。 3.如权利要求1所述的主动换相型高压直流输电换流器， 其特征在于： 所述主动换相型 高压直流输电换流器逆阻型可关断器件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 Q1、 Q2。

6、、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6开通时刻 与关断时刻规律如下： 以第一主动换相换流器交流侧相电压ua1与uc1为正， 且ua1uc1为起始时刻， 三相交流电 网频率为f， 逆阻型可关断器件S1开通时刻为起始时刻， 关断时刻为1/3f， 逆阻型可关断器 件S2开通时刻为1/6f， 关断时刻为1/2f， 逆阻型可关断器件S3开通时刻为1/3f， 关断时刻为 2/3f， 逆阻型可关断器件S4开通时刻为1/2f， 关断时刻为5/6f， 逆阻型可关断器件S5开通时 刻为2/3f， 关断时刻为f， 逆阻型可关断器件S6开通时刻为5/6f， 关断时刻为7/6f； 以第二主动换相换流器交流侧相电压ua2与uc。

7、2为正且ua2uc2为起始时刻， 三相交流电 网频率为f， 逆阻型可关断器件Q1开通时刻为起始时刻， 关断时刻为1/3f， 逆阻型可关断器 件Q2开通时刻为1/6f， 关断时刻为1/2f， 逆阻型可关断器件Q3开通时刻为1/3f， 关断时刻为 2/3f， 逆阻型可关断器件Q4开通时刻为1/2f， 关断时刻为5/6f， 逆阻型可关断器件Q5开通时 刻为2/3f， 关断时刻为f， 逆阻型可关断器件Q6开通时刻为5/6f， 关断时刻为7/6f。 4.如权利要求1所述的主动换相型高压直流输电换流器， 其特征在于： 所述主动换相型 高压直流输电换流器三相交流电网侧的电压、 电流相位相同， 且三相交流电网。

8、电流中不含 有5次和7次谐波分量。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110854895 A 2 一种主动换相型高压直流输电换流器 技术领域 0001 本发明涉及一种高压直流输电换流器。 背景技术 0002 传统的高压交流输电技术存在发电系统与所接入电网频率耦合严重、 长距离传输 引起的大量感性无功且需要考虑电路分布参数特性、 输电杆塔成本高以及输电走廊面积大 等缺点。 为解决这一问题， 高压直流输电(high voltage direct current， HVDC)技术于上 世纪50年代诞生， 相比高压交流输电技术， 高压直流输电不存在频率耦合问题， 直流输电线 路不存在无功且不需要考虑电。

9、路分布参数特性， 输电杆塔成本低， 输电走廊面积小， 这些优 势使得高压直流输电技术自诞生以来一直受到国内外学者及研究机构的广泛关注。 0003 目前， 根据应用于高压直流输电系统换流器类型不同， 可将现有的高压直流输电 换流器分为两类： 基于晶闸管和电流源型电网换相换流器(line commutated converter， LCC)、 基于可关断器件和电压源型模块化多电平换流器(modular multilevel converter， MMC)。 0004 基于电网换相换流器的高压直流输电技术经历半个多世纪的发展已日趋成熟， 世 界范围内采用电网换相换流器的高压直流输电工程已有百余项， 。

10、是目前主流的高压直流输 电换流器技术。 但由于晶闸管属于半控器件， 导致电网换相换流器交流侧电流永远滞后于 电压， 即交流侧存在大量无功， 而且电网换相换流器输出电平数少， 因此， 采用电网换相换 流器的高压直流输电工程都需要配置大量的滤波器和无功补偿装置， 占地面积较大， 成本 高昂。 0005 近年来， 有学者提出基于模块化多电平换流器的高压直流输电技术， 与电网换相 换流器相比， 模块化多电平换流器能够输出多电平， 谐波特性好， 有功功率与无功功率可独 立控制， 不需要设置滤波器及无功补偿装置。 因此， 采用模块化多电平换流器的高压直流输 电技术在中国也称为 “柔性高压直流输电” 技术。。

11、 但是， 应用于柔性高压直流输电系统的模 块化多电平换流器的每个桥臂含有大量子模块， 每个子模块包含一个直流电容。 由于直流 电容含有基频波动分量， 导致子模块电容体积较大、 成本较高。 从而导致应用于柔性高压直 流输电系统的模块化多电平换流器体积庞大、 成本高。 0006 为解决以上问题 ， 相关专利与文献分别提出了不同的方法。 中国专利CN 105634026 A提出一种基于反并联晶闸管全桥子模块的电网换相换流器拓扑结构， 该拓扑 能够在交流发生故障时通过控制全桥子模块输出电压降低电网换相换流器换相失败发生 概率， 提高换流器的自恢复能力， 但该拓扑采用的反并联晶闸管全桥子模块增加了换流器。

12、 成本， 降低了可靠性。 中国专利CN 109510230 A提出通过增大逆变侧换流站关断角， 增加阀 组的换相裕度， 从而避免连续换相失败， 该方法降低了电网换相换流器功率因数， 一定程度 上增加了无功补偿装置容量， 导致换流器成本较高。 刊登在 IEEE Transactions on Power Electronics 2018年第33卷第1期97-109页的 Optimized Design of Full-Bridge Modular Multilevel Converter With Low Energy Storage Requirements for HVdc 说明书 1/4 。

13、页 3 CN 110854895 A 3 Transmission System 分析表明， 当全桥型模块化多电平换流器工作于调制比为1.414时， 其子模块电容电压的基频波动分量得到大幅度抑制， 从而可以大幅度减小其子模块电容。 但全桥型模块化多电平换流器需要大量的半导体开关器件， 导致换流器成本和损耗均较 高。 发明内容 0007 本发明的目的在于克服现有技术的缺点， 提出一种主动换相型高压直流输电换流 器控制方法。 本发明既能够避免传统的基于晶闸管的电网换相换流器存在的换相失败风 险， 又能够减少半导体开关器件和储能电容数量， 降低换流器成本。 同时， 本发明的控制方 法还能够保证电网侧。

14、电压与电流相位相同且电网电流中不含有5次和7次谐波分量。 0008 本发明的主动换相型高压直流输电换流器由第一主动换相换流器、 第二主动换相 换流器、 第一变压器、 第二变压器和直流滤波电感Ldc构成； 第一主动换相换流器和第一变压 器的副边连接， 第一变压器的原边连接到三相交流电网， 第二主动换相换流器和第二变压 器的副边连接， 第二变压器的原边连接到三相交流电网。 第一主动换相换流器和高压直流 侧正极连接端子P之间串接有直流滤波电感Ldc。 0009 所述的第一主动换相换流器包含逆阻型可关断器件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6以及交流 侧连接端子u1、 v1、 w1； 所述的第。

15、二主动换相换流器包含逆阻型可关断器件Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5 和Q6， 以及交流侧连接端子u2、 v2、 w2。 高压直流侧正极连接端子P连接至滤波电感Ldc的一 端， 滤波电感Ldc的另一端连接至第一主动换相换流器逆阻型可关断器件S1、 S3、 S5的阳极， 第一主动换相换流器逆阻型可关断器件S4、 S6、 S2的阴极分别连接至第二主动换相换流器 逆阻型可关断器件S1、 S3、 S5的阳极， 第二主动换相换流器逆阻型可关断器件S4、 S6、 S2的阴 极连接至高压直流侧负极连接端子N； 第一主动换相换流器交流侧连接端子u1、 v1、 w1分别 连接至第一变压器原边连接端子a1、 。

16、b1、 c1， 第二主动换相换流器交流侧连接端子u2、 v2、 w2 分别连接至第二变压器原边连接端子a2、 b2、 c2； 第一变压器副边连接端子A1、 B1、 C1和第二 变压器副边连接端子A2、 B2、 C2并联后分别连接至三相交流电网连接端子A、 B、 C。 0010 本发明的主动换相型高压直流输电换流器的第一变压器的原边绕组、 副边绕组采 用Y/Y连接方式， 原、 副边变比为n:1； 第二变压器的原边绕组、 副边绕组采用/Y连接方式， 原、 副边变比为1.732n:1， n为正数。 0011 本发明主动换相型高压直流输电换流器的控制方法如下： 0012 所述主动换相型高压直流输电换流。

17、器逆阻型可关断器件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6开通时刻与关断时刻规律如下： 0013 以第一主动换相换流器交流侧相电压ua1与uc1为正， 且ua1uc1为起始时刻， 三相交 流电网频率为f， 逆阻型可关断器件S1开通时刻为起始时刻， 关断时刻为1/3f， 逆阻型可关 断器件S2开通时刻为1/6f， 关断时刻为1/2f， 逆阻型可关断器件S3开通时刻为1/3f， 关断时 刻为2/3f， 逆阻型可关断器件S4开通时刻为1/2f， 关断时刻为5/6f， 逆阻型可关断器件S5开 通时刻为2/3f， 关断时刻为f， 逆阻型可关断器件S6开。

18、通时刻为5/6f， 关断时刻为7/6f； 0014 以第二主动换相换流器交流侧相电压ua2与uc2为正， 且ua2uc2为起始时刻， 三相交 流电网频率为f， 逆阻型可关断器件Q1开通时刻为起始时刻， 关断时刻为1/3f， 逆阻型可关 断器件Q2开通时刻为1/6f， 关断时刻为1/2f， 逆阻型可关断器件Q3开通时刻为1/3f， 关断时 说明书 2/4 页 4 CN 110854895 A 4 刻为2/3f， 逆阻型可关断器件Q4开通时刻为1/2f， 关断时刻为5/6f， 逆阻型可关断器件Q5开 通时刻为2/3f， 关断时刻为f， 逆阻型可关断器件Q6开通时刻为5/6f， 关断时刻为7/6f。。

19、 0015 本发明的主动换相型高压直流输电换流器三相交流电网侧的电压、 电流相位相同 且三相交流电网电流中不含有5次和7次谐波分量。 附图说明 0016 图1为主动换相型高压直流输电换流器； 0017 图2为本发明一个实施例的主动换相型高压直流输电换流器仿真波形。 具体实施方式 0018 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。 0019 图1为本发明的主动换相型高压直流输电换流器。 如图1所示， 第一主动换相换流 器和第一变压器的副边连接， 第一变压器的原边连接到三相交流电网， 第二主动换相换流 器和第二变压器的副边连接， 第二变压器的原边连接到三相交流电网。 第一主动换相换流 器和高压。

20、直流侧正极连接端子P之间串接有直流滤波电感Ldc。 0020 所述的主动换相型高压直流输电换流器由第一主动换相换流器、 第二主动换相换 流器、 第一变压器、 第二变压器和直流滤波电感Ldc构成。 所述的第一主动换相换流器包含逆 阻型可关断器件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6以及交流侧连接端子u1、 v1、 w1； 所述的第二主动换相 换流器包含逆阻型可关断器件Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5和Q6以及交流侧连接端子u2、 v2、 w2。 高压直 流侧正极连接端子P连接至滤波电感Ldc的一端， 滤波电感Ldc的另一端连接至第一主动换相 换流器逆阻型可关断器件S1、 S3、 S5的。

21、阳极， 第一主动换相换流器逆阻型可关断器件S4、 S6、 S2的阴极分别连接至第二主动换相换流器逆阻型可关断器件S1、 S3、 S5的阳极， 第二主动换 相换流器逆阻型可关断器件S4、 S6、 S2的阴极连接至高压直流侧负极连接端子N； 第一主动 换相换流器交流侧连接端子u1、 v1、 w1分别连接至第一变压器原边连接端子a1、 b1、 c1， 第二 主动换相换流器交流侧连接端子u2、 v2、 w2分别连接至第二变压器原边连接端子a2、 b2、 c2； 第一变压器副边连接端子A1、 B1、 C1和第二变压器副边连接端子A2、 B2、 C2并联后分别连接 至三相交流电网连接端子A、 B、 C。 。

22、0021 本发明的主动换相型高压直流输电换流器的第一变压器的原边绕组、 副边绕组采 用Y/Y连接方式， 原、 副边变比为n:1； 第二变压器原边绕组、 副边绕组采用/Y连接方式， 原、 副边变比为1.732n:1， n为正数。 0022 本发明的主动换相型高压直流输电换流器的控制方法如下： 0023 所述主动换相型高压直流输电换流器逆阻型可关断器件S1、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 Q1、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6的开通时刻与关断时刻规律如下： 0024 以第一主动换相换流器交流侧相电压ua1与uc1为正且ua1uc1为起始时刻， 三相交 流电网频率为f， 逆阻型可关断。

23、器件S1开通时刻为起始时刻， 关断时刻为1/3f， 逆阻型可关 断器件S2开通时刻为1/6f， 关断时刻为1/2f， 逆阻型可关断器件S3开通时刻为1/3f， 关断时 刻为2/3f， 逆阻型可关断器件S4开通时刻为1/2f， 关断时刻为5/6f， 逆阻型可关断器件S5开 通时刻为2/3f， 关断时刻为f， 逆阻型可关断器件S6开通时刻为5/6f， 关断时刻为7/6f； 0025 以第二主动换相换流器交流侧相电压ua2与uc2为正且ua2uc2为起始时刻， 三相交 说明书 3/4 页 5 CN 110854895 A 5 流电网频率为f， 逆阻型可关断器件Q1开通时刻为起始时刻， 关断时刻为1/。

24、3f， 逆阻型可关 断器件Q2开通时刻为1/6f， 关断时刻为1/2f， 逆阻型可关断器件Q3开通时刻为1/3f， 关断时 刻为2/3f， 逆阻型可关断器件Q4开通时刻为1/2f， 关断时刻为5/6f， 逆阻型可关断器件Q5开 通时刻为2/3f， 关断时刻为f， 逆阻型可关断器件Q6开通时刻为5/6f， 关断时刻为7/6f。 0026 本发明主动换相型高压直流输电换流器三相交流电网侧的电压、 电流相位相同， 且三相交流电网电流中不含有5次和7次谐波分量。 0027 以下为本发明的一个实施例： 0028 在本实施例中， 主动换相型高压直流输电换流器主电路参数如下表所示： 0029 0030 图2。

25、a、 图2b为上述实施例的主动换相型高压直流输电换流器仿真波形。 其中， 图2a 为主动换相型高压直流输电换流器电网侧A相电网电压与电流波形， 为方便观察， 将电网电 流乘以25， 由图2a的仿真波形可知， 该主动换相型高压直流输电换流器电网电压与电流相 位相同， 即换流器运行于单位功率因数条件下， 可大幅度减少换流器所需的无功补偿装置。 图2b为该主动换相型高压直流输电换流器A相电流经快速傅里叶变换后各次谐波幅值， 根 据仿真波形可知， 除频率为50Hz的基频分量外， A相电流最低次谐波频率为550Hz， 即11次谐 波， 因此， 该主动换相型高压直流输电换流器A相电流不含有5次和7次谐波分量。 说明书 4/4 页 6 CN 110854895 A 6 图1 图2a 说明书附图 1/2 页 7 CN 110854895 A 7 图2b 说明书附图 2/2 页 8 CN 110854895 A 8 。