一種基于反并聯(lián)晶閘管全橋子模塊的新型電容換相換流器
2017-5-28 12:03:43??????點(diǎn)擊：
引文信息
趙成勇, 蔣碧松, 郭春義, 等. 一種基于反并聯(lián)晶閘管全橋子模塊的新型電容換相換流器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2017,37(4):229-238
Zhao Chengyong, Jiang Bisong, Guo Chunyi, et al. An enhanced capacitor commutated converters based on an anti-parallel thyristor full bridge sub module[J]. Proceedings of the CSEE,2017,37(4):229-238(in Chinese).
趙成勇
趙成勇教授帶領(lǐng)的直流輸電研究團(tuán)隊(duì)長期致力于傳統(tǒng)直流輸電、柔性直流輸電以及直流電網(wǎng)方面的研究。研究團(tuán)隊(duì)包括教師4人，在讀博士生8人，在讀碩士生30人。先后主持完成國家863計(jì)劃課題“柔性直流供電關(guān)鍵技術(shù)”、國家自然科學(xué)基金、國家科技支撐項(xiàng)目子任務(wù)等縱向項(xiàng)目，并與國家電網(wǎng)公司、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司等進(jìn)行長期科研項(xiàng)目合作。獲2011年度國家能源科技進(jìn)步獎等省部級獎勵(lì)3項(xiàng)。2009年以來完成科研項(xiàng)目32項(xiàng)，全部圍繞直流輸電領(lǐng)域。研究團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)直流輸電、柔性直流輸電及直流電網(wǎng)、混合直流輸電等方面取得若干研究成果，為直流輸電領(lǐng)域培養(yǎng)了12名博士，100多名碩士。
趙成勇，博士、教授、博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))直流輸電與電能質(zhì)量方向?qū)W術(shù)帶頭人，入選華北電力大學(xué)學(xué)科帶頭人支持計(jì)劃。IEEE Senior Member。2013年1-3月和2015年8-9月在加拿大Manitoba大學(xué)做訪問教授。2015年8月獲聘為Manitoba大學(xué)兼職教授，指導(dǎo)Manitoba大學(xué)博士生一名。
兼任中國電機(jī)工程學(xué)會直流輸電與電力電子專委會技術(shù)委員會委員，中國電源學(xué)會電能質(zhì)量專委會委員，電力行業(yè)電能質(zhì)量及柔性輸電標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員。發(fā)表論文210余篇，被SCI檢索28篇、EI檢索100余篇。出版專著兩部：《混合直流輸電》和《柔性直流輸電建模和仿真技術(shù)》，其中前者入選“十二五”國家重點(diǎn)圖書出版規(guī)劃項(xiàng)目“智能電網(wǎng)研究與應(yīng)用叢書”，后者入選“國家電網(wǎng)公司電力科技著作出版基金”。授權(quán)發(fā)明專利28項(xiàng)，申請發(fā)明專利60余項(xiàng)。
1項(xiàng)目背景
傳統(tǒng)的電網(wǎng)換相高壓直流電源輸電系統(tǒng)(line commutated converter high voltage direct current，LCC-HVDC)輸送容量大，功率快速可控，在我國“西電東送”和“全國聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略中扮演著重要角色。然而，其采用無自關(guān)斷能力的晶閘管作為換流元件，交流故障條件下容易導(dǎo)致其換相失敗。這不僅會造成直流電源電流短時(shí)激增、對換流閥造成沖擊，還會造成直流電源功率短時(shí)間大量損失。隨著直流電源輸電工程的大量建設(shè)，我國華東、廣東等區(qū)域電網(wǎng)已有多條直流電源饋入，因此由某一直流電源系統(tǒng)換相失敗可能引發(fā)的多條直流電源系統(tǒng)級聯(lián)換相失敗將對電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
采用電容換相換流器(capacitor commutated converter，CCC)技術(shù)一定程度上可以克服傳統(tǒng)電網(wǎng)換相換流器的上述缺點(diǎn)。然而一旦CCC發(fā)生了換相失敗，電容會進(jìn)行不對稱的充放電，引起電容過電壓，最終導(dǎo)致CCC的故障恢復(fù)能力減弱，在故障消除后很難快速地恢復(fù)到額定運(yùn)行狀態(tài)，甚至有可能在恢復(fù)過程中再次發(fā)生換相失敗。該情況會對系統(tǒng)造成二次擾動，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定十分不利，因此有必要對該問題進(jìn)行深入研究。
2論文所解決的問題及意義
本文從提高電容換相換流器電容電壓可控性的角度出發(fā)，將反并聯(lián)晶閘管全橋子模塊(anti-parallel thyristor full bridge sub module，APT-FBSM)串入到換流閥和換流變壓器之間，提出了一種新型的電容換相換流器(enhanced capacitor commutated converter，ECCC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文所提的ECCC結(jié)構(gòu)不僅在正常工作時(shí)不會引起額外的諧波問題，而且在交流系統(tǒng)故障時(shí)可以為換流器閥臂提供輔助換相電壓，增大系統(tǒng)換相面積，從而有效降低傳統(tǒng)LCC換流器換相失敗發(fā)生的概率。同時(shí)，由于其對電容電壓的靈活控制能力，可以有效避免換相失敗發(fā)生后類似CCC換流器失去自恢復(fù)能力的問題，因此該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣具備故障快速恢復(fù)能力。
3論文重點(diǎn)內(nèi)容
CCC換流器故障恢復(fù)能力弱的根本原因是電容電壓的不可控性。如果能夠在首次發(fā)生換相失敗后，旁路電容，阻止電容的持續(xù)充電，就可以有效解決CCC的這一缺陷。因此，本文提出了一種基于反并聯(lián)晶閘管全橋子模塊(anti-parallel thyristor full bridge sub module，APT-FBSM)的新型電容換相換流器(enhanced capacitor commutated converter，ECCC)，該拓?fù)鋵⒎床⒙?lián)晶閘管全橋子模塊代替CCC的固定電容器，串聯(lián)于換流閥與換流變壓器之間。ECCC與APT-FBSM的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1中：子模塊晶閘管閥VT11~VT41與VT12~VT42組成4組反并聯(lián)晶閘管；C為電容；uc為電容電壓；S端點(diǎn)連接換流閥，S′端點(diǎn)連接換流變壓器。其中每個(gè)晶閘管閥VTij(i＝1、2、3、4，j＝1、2)可以由若干晶閘管串聯(lián)組成。
圖1 新型電容換相換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：(a)換流器結(jié)構(gòu) (b)子模塊APT-FBSM
ECCC控制的基本思想是：正常運(yùn)行時(shí)，子模塊電容旁路，直流電源系統(tǒng)特性與LCC一致；發(fā)生交流故障時(shí)，子模塊電容進(jìn)行輔助換相，降低換相失敗發(fā)生概率，同時(shí)避免電容的持續(xù)充電。
本文分析了子模塊晶閘管的電壓電流應(yīng)力。在PSCAD/EMTDC環(huán)境中對ECCC的子模塊電壓電流應(yīng)力、抵御換相失敗的能力和換相失敗后恢復(fù)能力進(jìn)行了仿真研究。
4結(jié)論
本文提出了一種基于反并聯(lián)晶閘管的新型電容換相換流器拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)洳捎梅床⒙?lián)晶閘管全橋子模塊結(jié)構(gòu)取代原有的CCC固定電容器，實(shí)現(xiàn)電容電壓的可控性。本文設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)控制策略，分析了子模塊晶閘管的電壓與電流應(yīng)力。仿真結(jié)果表明：ECCC可以有效降低換相失敗發(fā)生的概率；同時(shí)，由于其對電容電壓的靈活控制能力，可以有效避免換相失敗發(fā)生后類似CCC換流器失去自恢復(fù)能力的問題，具備故障快速恢復(fù)能力；并且，子模塊的電壓電流應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)。
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