本發(fā)明屬于直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法。

背景技術(shù)：

高壓直流輸電系統(tǒng)可分為兩種類型：基于晶閘管換流器的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)(LCC-HVDC)和基于全控型電壓源換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)。常規(guī)直流輸電系統(tǒng)成本低、損耗小、運(yùn)行技術(shù)成熟，目前世界上正在運(yùn)行的直流輸電系統(tǒng)絕大部分都是LCC-HVDC系統(tǒng)，但常規(guī)直流輸電系統(tǒng)存在逆變側(cè)易發(fā)生換相失敗、對交流系統(tǒng)的依賴性強(qiáng)、需吸收大量無功功率、換流站占地面積大等缺點(diǎn)；而新一代的柔性直流輸電系統(tǒng)則具有能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率及無功功率解耦控制、可以向無源網(wǎng)絡(luò)供電、結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小、不存在換相失敗問題等優(yōu)點(diǎn)，但也存在成本較高的缺陷。因此，綜合常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電兩者優(yōu)點(diǎn)，一端換流站采用晶閘管換流器、另一端換流站采用電壓源換流器的混合直流輸電技術(shù)具有良好的工程應(yīng)用前景。遠(yuǎn)期來看，隨著電壓源換流器所用全控器件價(jià)格的降低，兩端換流站均采用電壓源換流器的柔性直流輸電技術(shù)也將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

為了滿足遠(yuǎn)距離大容量的輸電需求，常規(guī)直流輸電工程采用兩個(gè)或多個(gè)晶閘管換流器串聯(lián)的技術(shù)以提升直流輸電系統(tǒng)的直流電壓等級和輸送容量，目前國內(nèi)已有多個(gè)晶閘管換流器串聯(lián)型直流輸電工程建成投運(yùn)。對于一端換流站采用晶閘管換流器串聯(lián)、另一端換流站采用電壓源換流器串聯(lián)的串聯(lián)型混合直流輸電技術(shù)以及兩端均采用電壓源換流器串聯(lián)的串聯(lián)型柔性直流輸電技術(shù)目前尚處在研究階段。

對于采用換流器串聯(lián)技術(shù)的直流輸電系統(tǒng)，對主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的要求是能夠?qū)崿F(xiàn)直流極運(yùn)行過程中換流器的在線投入和在線退出，以滿足直流極兩個(gè)或兩個(gè)以上換流器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的如下需求：1)單個(gè)換流器可以手動(dòng)正常退出進(jìn)行檢修，檢修完畢后可以投入繼續(xù)運(yùn)行；2)單個(gè)換流器發(fā)生故障時(shí)可以自動(dòng)故障退出；3)單個(gè)換流器的在線投退不影響其他換流器的正常運(yùn)行，上述需求可以保證串聯(lián)型直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性和可靠性。目前晶閘管換流器串聯(lián)型直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及晶閘管換流器的投退方法均已成熟。

對于串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)以及串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)，如仍采用晶閘管換流器串聯(lián)型直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行電壓源換流器的在線投退，由于電壓源換流器存在電容儲能元件，會引起電壓源換流器出現(xiàn)類似直流側(cè)正極、負(fù)極短路的嚴(yán)重故障，導(dǎo)致?lián)Q流器投退失敗，目前尚未見到可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)型直流輸電系統(tǒng)中電壓源換流器在線投退的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法被提出，因此有必要結(jié)合電壓源換流器的特點(diǎn)提供一種可實(shí)現(xiàn)電壓源換流器在線投退的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，以滿足串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)或串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，用于實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)直流極兩個(gè)或兩個(gè)以上換流器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)單個(gè)電壓源換流器的在線投入和在線退出，可以滿足串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)或串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)需要。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于：包括相互串聯(lián)的第一單元隔離刀閘(D1)、單元隔離開關(guān)(S1)、電壓源換流器、第二單元隔離刀閘(D2)和連接導(dǎo)線，上述串聯(lián)回路的始端和末端分別作為該電壓源換流器單元的第一直流端點(diǎn)(X1)和第二直流端點(diǎn)(X2)，用于與其它電壓源換流器單元進(jìn)行串聯(lián)；

還包括單元旁路刀閘(D3)，其跨接于所述第一直流端點(diǎn)(X1)和第二直流端點(diǎn)(X2)之間；

還包括單元旁路開關(guān)(S2)，其跨接于所述第一單元隔離刀閘(D1)的近電壓源換流器端(Y1)和第二單元隔離刀閘(D2)的近電壓源換流器端(Y2)之間；

所述串聯(lián)回路包括下述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

i)第一直流端點(diǎn)(X1)依次經(jīng)第一單元隔離刀閘(D1)、單元隔離開關(guān)(S1)連接至電壓源換流器正端(Z1)，第二直流端點(diǎn)(X2)經(jīng)第二單元隔離刀閘(D2)連接至電壓源換流器負(fù)端(Z2)；

ii)第一直流端點(diǎn)(X1)經(jīng)第一單元隔離刀閘(D1)連接至電壓源換流器正端(Z1)，第二直流端點(diǎn)(X2)依次經(jīng)第二單元隔離刀閘(D2)、單元隔離開關(guān)(S1)連接至電壓源換流器負(fù)端(Z2)。

上述方案中，電壓源換流器單元中的電壓源換流器采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)并包括下述兩種類型或者其中一種類型的子模塊：

第一類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下能輸出正、負(fù)、零三類電平的子模塊；

第二類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下只能輸出正、零兩類電平的子模塊。

上述方案中，電壓源換流器單元中電壓源換流器的橋臂的子模塊配置方式包括下述兩種：

方式一，每相上、下橋臂均由所述第一類子模塊級聯(lián)組成；

方式二，每相上、下橋臂均為由所述第一類子模塊、第二類子模塊兩種類型子模塊級聯(lián)組成的混合橋臂，各橋臂兩種子模塊的數(shù)量配置比例相同，且在兩種子模塊電容額定電壓相同的情況下，每個(gè)橋臂中第一類子模塊的數(shù)量配置比例大于等于50％。

上述方案中，電壓源換流器單元中可配置限流電阻用于換流器單元在線投退過程中流過電壓源換流器的直流電流的限制控制，其特征在于：結(jié)構(gòu)還包括限流電阻(R1)和電阻旁路開關(guān)(S3)，電阻旁路開關(guān)(S3)與限流電阻(R1)相并聯(lián)，之后，再串聯(lián)在所述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)i)中，在電壓源換流器負(fù)端(Z2)和第二單元隔離刀閘(D2)的近電壓源換流器端(Y2)之間串聯(lián)；或者，電阻旁路開關(guān)(S3)與限流電阻(R1)相并聯(lián)，之后，再串聯(lián)在所述結(jié)構(gòu)ii)中，在電壓源換流器正端(Z1)和第一單元隔離刀閘(D1)的近電壓源換流器端(Y1)之間串聯(lián)。

上述方案中，電壓源換流器單元中可配置退出處理裝置用于實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線退出，其特征在于：還包括由至少一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件形成的退出處理裝置；所述處理裝置并聯(lián)接在電壓源換流器的正端和負(fù)端之間，或者并聯(lián)接在電壓源換流器子模塊的正端和負(fù)端之間；所述處理裝置的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通方向與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流方向一致，且在電壓源換流器正常運(yùn)行過程中保持為截止?fàn)顟B(tài)。

上述方案中，所述退出處理裝置的半導(dǎo)體開關(guān)器件是半控型開關(guān)器件，或者全控型開關(guān)器件。

上述方案中，所述退出處理裝置的半導(dǎo)體開關(guān)器件是單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件，或者是多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件串聯(lián)和/或并聯(lián)。

上述方案中，所述退出處理裝置還包括至少一個(gè)電感，所述電感和半導(dǎo)體開關(guān)器件串聯(lián)連接。

上述方案中，所述退出處理裝置的電感是單個(gè)電感，或者是多個(gè)電感串聯(lián)和/或并聯(lián)。

另外，本發(fā)明還提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于：實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線投入，并包含以下步驟：

步驟一：收到下發(fā)的換流器單元投入命令，對待投入電壓源換流器單元進(jìn)行連接操作，順序合上第二單元隔離刀閘(D2)、合上第一單元隔離刀閘(D1)、合上單元旁路開關(guān)(S2)、拉開單元旁路刀閘(D3)；

步驟二：合上待投入電壓源換流器單元所對應(yīng)的換流變進(jìn)線開關(guān)并對待投入電壓源換流器單元中的電壓源換流器進(jìn)行充電控制，將待投入電壓源換流器單元中的電壓源換流器各橋臂子模塊的電容電壓充至接近額定值；

步驟三：解鎖待投入電壓源換流器單元中的電壓源換流器并控制其輸出的直流電壓(U_d)為0；

步驟四：合上待投入電壓源換流器單元中的單元隔離開關(guān)(S1)，控制流經(jīng)待投入電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)至與已運(yùn)行電壓源換流器的直流電流實(shí)際測量值基本相等時(shí)拉開待投入電壓源換流器單元中的單元旁路開關(guān)(S2)；

步驟五：如待投入電壓源換流器單元所在換流站為直流電壓控制站，則控制待投入電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)至運(yùn)行目標(biāo)值；如待投入電壓源換流器單元所在換流站為直流電流控制站或直流功率控制站，則控制流經(jīng)待投入電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)至運(yùn)行目標(biāo)值；之后，待投入電壓源換流器單元投入完成。

在上述電壓源換流器單元在線投入步驟三中，實(shí)現(xiàn)待投入電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)為0的控制方法，具體包括：將該電壓源換流器各橋臂中的第一類子模塊正常解鎖并輸出與交流電壓相匹配的電壓參考波，每相上、下橋臂輸出的電壓參考波幅值相等且相位相反，如果電壓源換流器橋臂中配置了第二類子模塊，則第二類子模塊均旁路退出。

其中，所述第一類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下能輸出正、負(fù)、零三類電平的子模塊，所述第二類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下只能輸出正、零兩類電平的子模塊。

在上述電壓源換流器單元在線投入過程中，按照先投入直流電流控制站或直流功率控制站的換流器單元、再投入直流電壓控制站的換流器單元的順序進(jìn)行換流器單元的在線投入操作。

本發(fā)明還提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于：實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線正常退出，并包含以下步驟：

步驟一：收到下發(fā)的換流器單元退出命令，控制待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)下降至0；

步驟二：合上待退出電壓源換流器單元中的單元旁路開關(guān)(S2)，使流經(jīng)待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流轉(zhuǎn)移至單元旁路開關(guān)(S2)；

步驟三：拉開待退出電壓源換流器單元中的單元隔離開關(guān)(S1)并閉鎖待退出電壓源換流器單元中的電壓源換流器；

步驟四：對待退出電壓源換流器單元進(jìn)行隔離操作，順序拉開待退出電壓源換流器單元所對應(yīng)的換流變進(jìn)線開關(guān)、合上單元旁路刀閘(D3)、拉開單元旁路開關(guān)(S2)、拉開第一單元隔離刀閘(D1)、拉開第二單元隔離刀閘(D2)，待退出電壓源換流器單元退出完成。

在上述電壓源換流器在線正常退出步驟一中，控制待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)下降至0的方法，具體包括：將該電壓源換流器各橋臂中的第一類子模塊保持正常解鎖并輸出與交流電壓相匹配的電壓參考波，每相上、下橋臂輸出的電壓參考波幅值相等且相位相反，如電壓源換流器橋臂中配置了第二類子模塊，則第二類子模塊均旁路退出。

其中，所述第一類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下能輸出正、負(fù)、零三類電平的子模塊，所述第二類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下只能輸出正、零兩類電平的子模塊。

在上述電壓源換流器單元在線正常退出過程中，按照先退出直流電壓控制站的換流器單元、再退出直流電流控制站或直流功率控制站的換流器單元的順序進(jìn)行換流器單元的在線正常退出操作。

對于配置了所述退出處理裝置的電壓源換流器單元的在線正常退出過程，在上述步驟一和步驟二之間還包括步驟A：將待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件觸發(fā)導(dǎo)通為直流電流(I_d)提供一個(gè)電流通道；在步驟三和步驟四之間還包括步驟B：閉鎖待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件。

本發(fā)明還提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于：實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線故障退出，包含以下步驟：

步驟一：通過檢測電氣量和/或非電氣量識別出電壓源換流器單元發(fā)生故障后，向該換流器單元下發(fā)在線故障退出命令；

步驟二：將待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件觸發(fā)導(dǎo)通為直流電流(I_d)提供一個(gè)電流通道，同時(shí)閉鎖待退出電壓源換流器單元中的電壓源換流器，并跳開待退出電壓源換流器單元所對應(yīng)的換流變進(jìn)線開關(guān)；

步驟三：合上待退出電壓源換流器單元中的單元旁路開關(guān)(S2)，使流經(jīng)待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)轉(zhuǎn)移至單元旁路開關(guān)(S2)；

步驟四：閉鎖待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件，并拉開待退出電壓源換流器單元中的單元隔離開關(guān)(S1)；

步驟五：對待退出電壓源換流器單元進(jìn)行隔離操作，順序合上單元旁路刀閘(D3)、拉開單元旁路開關(guān)(S2)、拉開第一單元隔離刀閘(D1)、拉開第二單元隔離刀閘(D2)，待退出電壓源換流器單元退出完成。

在上述電壓源換流器單元在線故障退出過程中，其它換流站對應(yīng)需退出的換流器單元按照其在線正常退出過程進(jìn)行相應(yīng)的退出操作。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明通過合理的電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了直流輸電系統(tǒng)直流極兩個(gè)或兩個(gè)以上換流器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)單個(gè)電壓源換流器的在線投入和在線退出，滿足串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)或串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)需要。

2、本發(fā)明提出的控制方法可以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)或串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)中電壓源換流器的在線平穩(wěn)投入和退出，不影響其它運(yùn)行換流器的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電壓源換流器單元的第一實(shí)施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明電壓源換流器單元的第二實(shí)施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖3是采用本發(fā)明電壓源換流器單元的兩端雙極串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖；

圖4是采用本發(fā)明電壓源換流器單元的兩端雙極串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖；

圖5是本發(fā)明電壓源換流器單元中電壓源換流器的拓?fù)涫疽鈭D，圖中每相上、下橋臂可均由第一類子模塊級聯(lián)組成，或均由第一類子模塊和第二類子模塊混合級聯(lián)組成；

圖6是本發(fā)明電壓源換流器單元的第三實(shí)施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖7是本發(fā)明電壓源換流器單元的第四實(shí)施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖8是本發(fā)明電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出直流電壓為0時(shí)三相上、下橋臂輸出的電壓參考波波形圖；

圖9是本發(fā)明電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出直流電壓為0時(shí)的三相交流電壓波形圖；

圖10是本發(fā)明的一種由單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是本發(fā)明的一種由單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件和電感串聯(lián)組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是本發(fā)明的一種由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是本發(fā)明的一種由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件及電感組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是本發(fā)明配置退出處理裝置的電壓源換流器單元的第一種實(shí)施例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖15是本發(fā)明配置退出處理裝置的電壓源換流器單元的第二種實(shí)施例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖16是本發(fā)明配置退出處理裝置的電壓源換流器單元的第三種實(shí)施例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖17是本發(fā)明配置退出處理裝置的電壓源換流器單元的第四種實(shí)施例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖18是采用本發(fā)明配置退出處理裝置的電壓源換流器單元的兩端雙極串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖；

圖19是采用本發(fā)明配置退出處理裝置的電壓源換流器單元的兩端雙極串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖；

圖20是本發(fā)明子模塊中配置退出處理裝置的電壓源換流器的第一種實(shí)施例拓?fù)涫疽鈭D；

圖21是本發(fā)明子模塊中配置退出處理裝置的電壓源換流器的第二種實(shí)施例拓?fù)涫疽鈭D。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法，用于實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)直流極兩個(gè)或兩個(gè)以上換流器串聯(lián)運(yùn)行時(shí)單個(gè)電壓源換流器的在線投入和在線退出，可以滿足串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)或串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)需要。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

本發(fā)明提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)電壓源換流器的在線投入和在線退出，所述電壓源換流器單元包括：相互串聯(lián)的第一單元隔離刀閘(D1)、單元隔離開關(guān)(S1)、電壓源換流器、第二單元隔離刀閘(D2)和連接導(dǎo)線，上述串聯(lián)回路的始端和末端分別作為該電壓源換流器單元的第一直流端點(diǎn)(X1)和第二直流端點(diǎn)(X2)，用于與其它電壓源換流器單元進(jìn)行串聯(lián)；還包括單元旁路刀閘(D3)，其跨接于所述第一直流端點(diǎn)(X1)和第二直流端點(diǎn)(X2)之間；還包括單元旁路開關(guān)(S2)，其跨接于所述第一單元隔離刀閘(D1)的近電壓源換流器端(Y1)和第二單元隔離刀閘(D2)的近電壓源換流器端(Y2)之間；所述串聯(lián)回路包括下述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

i)第一直流端點(diǎn)(X1)依次經(jīng)第一單元隔離刀閘(D1)、單元隔離開關(guān)(S1)連接至電壓源換流器正端(Z1)，第二直流端點(diǎn)(X2)經(jīng)第二單元隔離刀閘(D2)連接至電壓源換流器負(fù)端(Z2)，如圖1所示，其適用于配置在直流正極的電壓源換流器單元；

ii)第一直流端點(diǎn)(X1)經(jīng)第一單元隔離刀閘(D1)連接至電壓源換流器正端(Z1)，第二直流端點(diǎn)(X2)依次經(jīng)第二單元隔離刀閘(D2)、單元隔離開關(guān)(S1)連接至電壓源換流器負(fù)端(Z2)，如圖2所示，其適用于配置在直流負(fù)極的電壓源換流器單元。

由上述電壓源換流器單元組成的兩端雙極串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖如圖3所示。

由上述電壓源換流器單元組成的兩端雙極串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖如圖4所示。

上述方案中，電壓源換流器單元中的電壓源換流器采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)并包括下述兩種類型或者其中一種類型的子模塊：

第一類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下能輸出正、負(fù)、零三類電平的子模塊，如全橋子模塊(FBSM)等。

第二類子模塊為在非閉鎖狀態(tài)下只能輸出正、零兩類電平的子模塊，如半橋子模塊(HBSM)、類全橋子模塊(SFBSM)等。

上述方案中，電壓源換流器單元中電壓源換流器的拓?fù)涫疽鈭D如圖5所示，其中U_ap、U_bp、U_cp分別為電壓源換流器A、B、C三相的上橋臂電壓，U_an、U_bn、U_cn分別為A、B、C三相的下橋臂電壓。

上述方案中，電壓源換流器單元中電壓源換流器的橋臂的子模塊配置方式包括下述兩種：

方式一，每相上、下橋臂均由第一類子模塊級聯(lián)組成，該方式可以保證電壓源換流器能輸出為0的直流電壓。

方式二，每相上、下橋臂均為由第一類子模塊、第二類子模塊兩種類型子模塊級聯(lián)組成的混合橋臂，各橋臂兩種子模塊的數(shù)量配置比例相同，且在兩種子模塊電容額定電壓相同的情況下，每個(gè)橋臂中第一類子模塊的數(shù)量配置比例大于等于50％。方式二減少了電壓源換流器橋臂中第一類子模塊的使用數(shù)量且仍然可以保證電壓源換流器能輸出為0的直流電壓，降低了電壓源換流器的設(shè)計(jì)成本和運(yùn)行損耗，具有更高的工程應(yīng)用價(jià)值。

考慮到上述方案中電壓源換流器單元的回路阻值較低，可以根據(jù)實(shí)際需要在電壓源換流器單元中配置限流電阻，用以對在線投退過程中流經(jīng)電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流進(jìn)行限制控制，配置限流電阻的電壓源換流器單元包括：相互串聯(lián)的第一單元隔離刀閘(D1)、單元隔離開關(guān)(S1)、電壓源換流器、限流電阻(R1)、第二單元隔離刀閘(D2)和連接導(dǎo)線，該串聯(lián)回路的始端和末端分別作為該電壓源換流器單元的第一直流端點(diǎn)(X1)和第二直流端點(diǎn)(X2)，用于與其它電壓源換流器單元進(jìn)行串聯(lián)；單元旁路刀閘(D3)，其跨接于所述第一直流端點(diǎn)(X1)和第二直流端點(diǎn)(X2)之間；單元旁路開關(guān)(S2)，其跨接于所述第一單元隔離刀閘(D1)的近電壓源換流器端(Y1)和第二單元隔離刀閘(D2)的近電壓源換流器端(Y2)之間；電阻旁路開關(guān)(S3)，其與限流電阻(R1)相并聯(lián)；所述串聯(lián)回路包括下述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

i)第一直流端點(diǎn)(X1)依次經(jīng)第一單元隔離刀閘(D1)、單元隔離開關(guān)(S1)連接至電壓源換流器正端(Z1)，第二直流端點(diǎn)(X2)依次經(jīng)第二單元隔離刀閘(D2)、限流電阻(R1)連接至電壓源換流器負(fù)端(Z2)，如圖6所示，其適用于配置在直流正極的電壓源換流器單元；

ii)第一直流端點(diǎn)(X1)依次經(jīng)第一單元隔離刀閘(D1)、限流電阻(R1)連接至電壓源換流器正端(Z1)，第二直流端點(diǎn)(X2)依次經(jīng)第二單元隔離刀閘(D2)、單元隔離開關(guān)(S1)連接至電壓源換流器負(fù)端(Z2)，如圖7所示，其適用于配置在直流負(fù)極的電壓源換流器單元。

本發(fā)明還提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法用于實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線投入，具體包含以下步驟：

步驟一：收到下發(fā)的換流器單元投入命令，對待投入電壓源換流器單元進(jìn)行連接操作，順序合上第二單元隔離刀閘(D2)、合上第一單元隔離刀閘(D1)、合上單元旁路開關(guān)(S2)、拉開單元旁路刀閘(D3)；對于配置了限流電阻的待投入電壓源換流器單元，限流電阻初始設(shè)定為投入狀態(tài)即電阻旁路開關(guān)(S3)處于分位；

步驟二：合上待投入電壓源換流器單元所對應(yīng)的換流變進(jìn)線開關(guān)并對該換流器單元進(jìn)行交流不控充電，待交流不控充電完成后啟動(dòng)充電控制，將各橋臂子模塊的電容電壓充至接近額定值；

步驟三：待投入電壓源換流器單元在定電壓控制方式下設(shè)定該電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電壓指令值(U_d-ord)為0并解鎖該電壓源換流器，在電壓控制器作用下該電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)控制為0，此時(shí)該電壓源換流器的運(yùn)行狀態(tài)為：各橋臂中的第一類子模塊正常解鎖并輸出與交流電壓相匹配的電壓參考波，每相上、下橋臂輸出的電壓參考波幅值相等且相位相反，如電壓源換流器橋臂中配置了第二類子模塊，則第二類子模塊均旁路退出；此時(shí)該電壓源換流器上、下橋臂輸出的電壓參考波波形如圖8所示，其中U_an-ref、U_bn-ref、U_cn-ref分別為該電壓源換流器A、B、C三相下橋臂的電壓參考波，U_ap-ref、U_bp-ref、U_cp-ref分別為A、B、C三相上橋臂的電壓參考波，U_d為該電壓源換流器輸出的直流電壓；此時(shí)該電壓源換流器對應(yīng)的三相交流電壓波形如圖9所示，其中U_a、U_b、U_c分別為A、B、C三相的交流電壓。

步驟四：合上待投入電壓源換流器單元的單元隔離開關(guān)(S1)完成該電壓源換流器單元中電壓源換流器的電氣連接，將該電壓源換流器的控制模式平滑切換為定電流控制方式并設(shè)定該電壓源換流器的直流電流指令值(I_d-ord)為已運(yùn)行電壓源換流器直流電流的實(shí)際測量值，在電流控制器作用下，當(dāng)流經(jīng)該電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)調(diào)節(jié)至與已運(yùn)行電壓源換流器直流電流實(shí)際測量值基本相等時(shí)拉開單元旁路開關(guān)(S2)；對于配置了限流電阻的電壓源換流器單元，在單元旁路開關(guān)(S2)拉開后合上電阻旁路開關(guān)(S3)退出限流電阻(R1)；

步驟五：如待投入電壓源換流器單元所在換流站為直流電壓控制站，則將待投入電壓源換流器單元中電壓源換流器的控制模式平滑切換為定電壓控制方式并設(shè)定該電壓源換流器的直流電壓指令值(U_d-ord)為運(yùn)行目標(biāo)值，在電壓控制器作用下該電壓源換流器單元中電壓源換流器逐步提升輸出的直流電壓(U_d)以一定的速率斜坡上升至運(yùn)行目標(biāo)值；如待投入電壓源換流器單元所在換流站為直流電流控制站或直流功率控制站，則將待投入電壓源換流器單元中電壓源換流器的控制模式保持為定電流控制方式并設(shè)定該電壓源換流器的直流電流指令值(I_d-ord)為本直流極的直流電流運(yùn)行目標(biāo)值，在電流控制器作用下，流經(jīng)該電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)調(diào)節(jié)至本直流極的直流電流運(yùn)行目標(biāo)值；之后，待投入電壓源換流器單元投入完成。

對于兩端直流輸電系統(tǒng)，通常采用的控制模式是一端換流站控制直流電流或直流功率、另一端換流站控制直流電壓，兩端配合使直流輸送功率維持在目標(biāo)值，控制模式可以在兩端換流站之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在上述電壓源換流器單元在線投入過程中，按照先投入直流電流控制站或直流功率控制站的換流器單元，再投入直流電壓控制站的換流器單元的順序進(jìn)行換流器單元的在線投入操作。

本發(fā)明還提供一種電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制方法用于實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線正常退出，具體包含以下步驟：

步驟一：收到下發(fā)的換流器單元退出命令，如待退出電壓源換流器單元所在換流站為直流電壓控制站，則待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的控制模式保持為定電壓控制方式并設(shè)定該電壓源換流器的直流電壓指令值(U_d-ord)為0，在電壓控制器作用下該電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)以一定的速率斜坡下降至0；如待退出電壓源換流器單元所在換流站為直流電流控制站或直流功率控制站，則先將待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的控制模式由定電流控制方式平滑切換為定電壓控制方式并設(shè)定該電壓源換流器的直流電壓指令值(U_d-ord)為0，在電壓控制器的作用下該電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)以一定的速率斜坡下降至0；當(dāng)待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)下降至0時(shí)，該電壓源換流器的運(yùn)行狀態(tài)為：各橋臂中的第一類子模塊保持正常解鎖并輸出與交流電壓相匹配的電壓參考波，每相上、下橋臂輸出的電壓參考波幅值相等且相位相反，如電壓源換流器橋臂中配置了第二類子模塊，則第二類子模塊均旁路退出。

步驟二：合上待退出電壓源換流器單元的單元旁路開關(guān)(S2)，使流經(jīng)該電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)轉(zhuǎn)移至單元旁路開關(guān)(S2)；對于配置了限流電阻的電壓源換流器單元，在單元旁路開關(guān)(S2)合上后，拉開電阻旁路開關(guān)(S3)投入限流電阻(R1)；

步驟三：拉開待退出電壓源換流器單元的單元隔離開關(guān)(S1)并閉鎖該電壓源換流器單元中的電壓源換流器；

步驟四：對待退出電壓源換流器單元進(jìn)行隔離操作，順序執(zhí)行如下操作：拉開待退出電壓源換流器單元所對應(yīng)的換流變進(jìn)線開關(guān)、合上單元旁路刀閘(D3)、拉開單元旁路開關(guān)(S2)、拉開第一單元隔離刀閘(D1)、拉開第二單元隔離刀閘(D2)，完成待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的電氣隔離，待退出電壓源換流器單元退出完成。

在上述電壓源換流器單元在線正常退出過程中，按照先退出直流電壓控制站的換流器單元，再退出直流電流控制站或直流功率控制站的換流器單元的順序進(jìn)行換流器單元的在線正常退出操作。

當(dāng)單個(gè)電壓源換流器發(fā)生故障時(shí)，電壓源換流器的全控型開關(guān)器件需要快速閉鎖以隔離故障，這導(dǎo)致電壓源換流器失去正常控制能力，無法采用上述在線正常退出的控制方法進(jìn)行電壓源換流器的在線故障退出。經(jīng)研究，通過在電壓源換流器單元中配置退出處理裝置可以實(shí)現(xiàn)電壓源換流器的在線故障退出，退出處理裝置包括：至少一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件，或者至少一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件和一個(gè)電感，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件和所述電感串聯(lián)而成；所述裝置并聯(lián)接在電壓源換流器的正端和負(fù)端之間，或者并聯(lián)接在電壓源換流器子模塊(SM)的正端和負(fù)端之間。

所述退出處理裝置的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通方向與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流方向一致，且在電壓源換流器正常運(yùn)行過程中保持為截止?fàn)顟B(tài)，不影響直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行；所述半導(dǎo)體開關(guān)器件是半控型開關(guān)器件，如晶閘管(SCR)，或者全控型開關(guān)器件，如IGBT、IGCT、IEGT、GTO等。

圖10所示為一種單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包含第一并聯(lián)端子1、第二并聯(lián)端子2用于所述裝置與電壓源換流器的并聯(lián)，3為半導(dǎo)體開關(guān)器件。

圖11所示為一種由單個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件和電感組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包含第一并聯(lián)端子1、第二并聯(lián)端子3用于所述裝置與電壓源換流器的并聯(lián)，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件4的陰極(若為半控型開關(guān)器件，則稱為陰極，若為全控型開關(guān)器件則稱為發(fā)射極，下述若涉及陰極，則相同)與電感5串聯(lián)于2。所述電感5可以是單個(gè)電感，也可以由多個(gè)電感串聯(lián)和/或并聯(lián)而成。

圖12所示為一種由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包含第一并聯(lián)端子1、第二并聯(lián)端子4用于所述裝置與電壓源換流器的并聯(lián)，所述裝置由包含但不限于半導(dǎo)體開關(guān)器件5和半導(dǎo)體開關(guān)器件6的多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件形成，半導(dǎo)體開關(guān)器件5的陰極與下一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件的陽極(若為半控型開關(guān)器件，則稱為陽極，若為全控型開關(guān)器件則稱為集電極，下述若涉及陽極，則相同)相連于2，半導(dǎo)體開關(guān)器件6的陽極與上一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件的陰極相連于3。所述裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件均采用同一觸發(fā)脈沖，在同一時(shí)刻被觸發(fā)導(dǎo)通，在支路電流降為0時(shí)同時(shí)關(guān)斷，或者在同一時(shí)刻被觸發(fā)關(guān)斷。

圖13所示為一種由多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件及電感組成的電壓源換流器單元退出處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包含第一并聯(lián)端子1、第二并聯(lián)端子5用于所述裝置與電壓源換流器的并聯(lián)，所述裝置由包含但不限于半導(dǎo)體開關(guān)器件6和半導(dǎo)體開關(guān)器件7的多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件與電感8串聯(lián)形成，半導(dǎo)體開關(guān)器件6的陰極與下一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件的陽極相連于2，半導(dǎo)體開關(guān)器件7的陽極與上一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件的陰極相連于3，半導(dǎo)體開關(guān)器件7的陰極與電感8相連于4。所述電感8可以是單個(gè)電感，也可以由多個(gè)電感串聯(lián)和/或并聯(lián)而成。所述裝置中的所有半導(dǎo)體開關(guān)器件均采用同一觸發(fā)脈沖，在同一時(shí)刻被觸發(fā)導(dǎo)通，在支路電流降為0時(shí)同時(shí)關(guān)斷，或者在同一時(shí)刻被觸發(fā)關(guān)斷。

所述退出處理裝置并聯(lián)接在電壓源換流器正端(Z1)和負(fù)端(Z2)之間時(shí)，所述電壓源換流器單元包括下述四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

i)圖14所示結(jié)構(gòu)適用于配置在整流站直流正極的電壓源換流器單元，其退出處理裝置中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通方向?yàn)閆2指向Z1，與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流(I_d)方向一致；

ii)圖15所示結(jié)構(gòu)適用于配置在逆變站直流正極的電壓源換流器單元，其退出處理裝置中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通方向?yàn)閆1指向Z2，與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流(I_d)方向一致；

iii)圖16所示結(jié)構(gòu)適用于配置在整流站直流負(fù)極的電壓源換流器單元，其退出處理裝置中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通方向?yàn)閆2指向Z1，與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流(I_d)方向一致；

iv)圖17所示結(jié)構(gòu)適用于配置在逆變站直流負(fù)極的電壓源換流器單元，其退出處理裝置中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通方向?yàn)閆1指向Z2，與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流(I_d)方向一致。

圖18所示為由配置所述退出處理裝置的電壓源換流器單元組成的兩端雙極串聯(lián)型混合直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖，直流電流方向由晶閘管換流器換流站流向電壓源換流器換流站。

圖19所示為由配置所述退出處理裝置的電壓源換流器單元組成的兩端雙極串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)主回路示意圖，直流電流方向由電壓源換流器換流站1流向電壓源換流器換流站2。

所述退出處理裝置并聯(lián)接在電壓源換流器子模塊正端(A)和負(fù)端(B)之間時(shí)，所述電壓源換流器單元中的電壓源換流器包括下述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

i)圖20所示結(jié)構(gòu)適用于配置在整流站直流正極和負(fù)極的電壓源換流器，其退出處理裝置中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通方向?yàn)锽指向A，與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流(I_d)方向一致；

ii)圖21所示結(jié)構(gòu)適用于配置在逆變站直流正極和負(fù)極的電壓源換流器，其退出處理裝置中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通方向?yàn)锳指向B，與流經(jīng)電壓源換流器的直流電流(I_d)方向一致。

在實(shí)際工程應(yīng)用中可以在電壓源換流器的三相橋臂中選擇一相，將該相上、下橋臂各子模塊均配置退出處理裝置，其余兩相不配置，以減少半導(dǎo)體開關(guān)器件的使用數(shù)量。

需要說明的是，對于直流電流可以雙向流動(dòng)的串聯(lián)型柔性直流輸電系統(tǒng)，可以采用將兩組退出處理裝置反向并聯(lián)的方式進(jìn)行配置，保證在正向和反向兩個(gè)電流方向下均能實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在線退出。

對于配置了所述退出處理裝置的電壓源換流器單元，可以在上述電壓源換流器單元在線正常退出控制方法的步驟一和步驟二之間加入步驟A：將待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件觸發(fā)導(dǎo)通為直流電流(I_d)提供一個(gè)電流通道；在步驟三和步驟四之間加入步驟B：閉鎖待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件；增加上述步驟的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：可以保證在步驟二中待退出電壓源換流器單元的單元旁路開關(guān)(S2)合上前電壓源換流器輸出的直流電壓(U_d)為0，使單元旁路開關(guān)(S2)具備合閘條件。

本發(fā)明還提供一種電壓源換流器單元退出處理方法，其特征在于：實(shí)現(xiàn)電壓源換流器單元在直流極運(yùn)行過程中的在線故障退出，具體包含以下步驟：

步驟一：通過檢測電氣量和/或非電氣量識別出電壓源換流器單元發(fā)生故障后，向該換流器單元下發(fā)在線故障退出命令；

步驟二：將待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件觸發(fā)導(dǎo)通為直流電流(I_d)提供一個(gè)電流通道，同時(shí)閉鎖待退出電壓源換流器單元中的電壓源換流器，并跳開待退出電壓源換流器單元所對應(yīng)的換流變進(jìn)線開關(guān)；

步驟三：合上待退出電壓源換流器單元中的單元旁路開關(guān)(S2)，使流經(jīng)待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的直流電流(I_d)轉(zhuǎn)移至單元旁路開關(guān)(S2)；

步驟四：閉鎖待退出電壓源換流器單元的退出處理裝置中所有半導(dǎo)體開關(guān)器件，并拉開待退出電壓源換流器單元中的單元隔離開關(guān)(S1)；

步驟五：對待退出電壓源換流器單元進(jìn)行隔離操作，順序執(zhí)行如下操作：合上單元旁路刀閘(D3)、拉開單元旁路開關(guān)(S2)、拉開第一單元隔離刀閘(D1)、拉開第二單元隔離刀閘(D2)，完成待退出電壓源換流器單元中電壓源換流器的電氣隔離，待退出電壓源換流器單元退出完成。

在上述電壓源換流器單元在線故障退出過程中，其它換流站對應(yīng)需退出的換流器單元按照其在線正常退出方法進(jìn)行相應(yīng)的退出操作。

需要說明的是，本發(fā)明所述電壓源換流器單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)施例中配置的開關(guān)、刀閘等設(shè)備均為必要配置，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)增加和調(diào)整也落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。