引文信息

赵成勇, 蒋碧松, 郭春义, 等. 一种基于反并联晶闸管全桥子模块的新型电容换相换流器[J]. 中国电机工程学报,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).

赵成勇

赵成勇教授带领的直流输电研究团队长期致力于传统直流输电、柔性直流输电以及直流电网方面的研究。研究团队包括教师4人，在读博士生8人，在读硕士生30人。先后主持完成国家863计划课题“柔性直流供电关键技术”、国家自然科学基金、国家科技支撑项目子任务等纵向项目，并与国家电网公司、中国南方电网有限责任公司等进行长期科研项目合作。获2011年度国家能源科技进步奖等省部级奖励3项。2009年以来完成科研项目32项，全部围绕直流输电领域。研究团队在传统直流输电、柔性直流输电及直流电网、混合直流输电等方面取得若干研究成果，为直流输电领域培养了12名博士，100多名硕士。

　　赵成勇，博士、教授、博士生导师。现任新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)直流输电与电能质量方向学术带头人，入选华北电力大学学科带头人支持计划。IEEE Senior Member。2013年1-3月和2015年8-9月在加拿大Manitoba大学做访问教授。2015年8月获聘为Manitoba大学兼职教授，指导Manitoba大学博士生一名。

　　兼任中国电机工程学会直流输电与电力电子专委会技术委员会委员，中国电源学会电能质量专委会委员，电力行业电能质量及柔性输电标准化技术委员会委员。发表论文210余篇，被SCI检索28篇、EI检索100余篇。出版专著两部：《混合直流输电》和《柔性直流输电建模和仿真技术》，其中前者入选“十二五”国家重点图书出版规划项目“智能电网研究与应用丛书”，后者入选“国家电网公司电力科技著作出版基金”。授权发明专利28项，申请发明专利60余项。

1项目背景

　　传统的电网换相高压直流电源输电系统(line commutated converter high voltage direct current，LCC-HVDC)输送容量大，功率快速可控，在我国“西电东送”和“全国联网”战略中扮演着重要角色。然而，其采用无自关断能力的晶闸管作为换流元件，交流故障条件下容易导致其换相失败。这不仅会造成直流电源电流短时激增、对换流阀造成冲击，还会造成直流电源功率短时间大量损失。随着直流电源输电工程的大量建设，我国华东、广东等区域电网已有多条直流电源馈入，因此由某一直流电源系统换相失败可能引发的多条直流电源系统级联换相失败将对电网安全运行带来更严峻的挑战。

　　采用电容换相换流器(capacitor commutated converter，CCC)技术一定程度上可以克服传统电网换相换流器的上述缺点。然而一旦CCC发生了换相失败，电容会进行不对称的充放电，引起电容过电压，最终导致CCC的故障恢复能力减弱，在故障消除后很难快速地恢复到额定运行状态，甚至有可能在恢复过程中再次发生换相失败。该情况会对系统造成二次扰动，对电网的安全稳定十分不利，因此有必要对该问题进行深入研究。

2论文所解决的问题及意义

　　本文从提高电容换相换流器电容电压可控性的角度出发，将反并联晶闸管全桥子模块(anti-parallel thyristor full bridge sub module，APT-FBSM)串入到换流阀和换流变压器之间，提出了一种新型的电容换相换流器(enhanced capacitor commutated converter，ECCC)拓扑结构。本文所提的ECCC结构不仅在正常工作时不会引起额外的谐波问题，而且在交流系统故障时可以为换流器阀臂提供辅助换相电压，增大系统换相面积，从而有效降低传统LCC换流器换相失败发生的概率。同时，由于其对电容电压的灵活控制能力，可以有效避免换相失败发生后类似CCC换流器失去自恢复能力的问题，因此该拓扑结构同样具备故障快速恢复能力。

3论文重点内容

　　CCC换流器故障恢复能力弱的根本原因是电容电压的不可控性。如果能够在首次发生换相失败后，旁路电容，阻止电容的持续充电，就可以有效解决CCC的这一缺陷。因此，本文提出了一种基于反并联晶闸管全桥子模块(anti-parallel thyristor full bridge sub module，APT-FBSM)的新型电容换相换流器(enhanced capacitor commutated converter，ECCC)，该拓扑将反并联晶闸管全桥子模块代替CCC的固定电容器，串联于换流阀与换流变压器之间。ECCC与APT-FBSM的结构如图1所示。

　　图1中：子模块晶闸管阀VT11~VT41与VT12~VT42组成4组反并联晶闸管；C为电容；uc为电容电压；S端点连接换流阀，S′端点连接换流变压器。其中每个晶闸管阀VTij(i＝1、2、3、4，j＝1、2)可以由若干晶闸管串联组成。

图1 新型电容换相换流器拓扑结构：(a)换流器结构 (b)子模块APT-FBSM

　　ECCC控制的基本思想是：正常运行时，子模块电容旁路，直流电源系统特性与LCC一致；发生交流故障时，子模块电容进行辅助换相，降低换相失败发生概率，同时避免电容的持续充电。

　　本文分析了子模块晶闸管的电压电流应力。在PSCAD/EMTDC环境中对ECCC的子模块电压电流应力、抵御换相失败的能力和换相失败后恢复能力进行了仿真研究。　

4结论

　　本文提出了一种基于反并联晶闸管的新型电容换相换流器拓扑。该拓扑采用反并联晶闸管全桥子模块结构取代原有的CCC固定电容器，实现电容电压的可控性。本文设计了协调控制策略，分析了子模块晶闸管的电压与电流应力。仿真结果表明：ECCC可以有效降低换相失败发生的概率；同时，由于其对电容电压的灵活控制能力，可以有效避免换相失败发生后类似CCC换流器失去自恢复能力的问题，具备故障快速恢复能力；并且，子模块的电压电流应力均在合理范围内。