厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介

柔直换流阀工作原理:柔直换流阀的工作原理涉及到电力电子技术，特别是晶闸管（SCR）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的应用。

它的主要功能是通过控制直流电流来调节交流电的电压和频率，实现直流输电系统中的能量转换和管理。

具体来说：
换流过程：当交流电通过换流阀时，它被转换成直流电；同样地，当直流电通过换流阀时，它又被转换回交流电。

这种转换过程需要快速且精确的控制，以确保整个系统的稳定性。

换流器组件：换流阀通常由多个部分组成，包括IGBT驱动板卡、水熔板等，这些部件压接在一起形成完整的柔直模块。

这个模块是换流站的中心设备之一，负责完成交流到直流的转变以及直流到交流的转变。

控制策略：为了实现上述换流过程，需要采用特定的控制策略，这可能涉及复杂的算法和模型，以优化换流器的性能并保持系统的稳定性。

柔性和刚性：柔直换流阀的设计旨在提高其在复杂环境下的适应能力和可靠性。

这意味着它们既具有柔韧性以适应不同的条件，又具有一定的刚度以保证必要的电气性能。

厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能简介摘要：柔性直流输电在国家能源结构调整、区域能源互联发展中具有重要的作用，是一种具有广泛应用前景的先进输电技术。

换流阀是柔性直流换流站中的核心设备。

目前常用的拓扑结构为模块化多电平换流器（MMC）的拓扑构造。

其中构成换流阀的基本原件即子模块。

本文针对厦门柔性直流换流阀子模块结构及功能做一个简要介绍。

引言厦门柔直是世界首个采用对称双极接线方案的柔性直流工程，电压等级为±320kV，直流电流1600A，输送容量达1000MW。

换流阀是其核心设备，常用的电压源换流器主要有两电平、三电平和模块化多电平三种。

厦门柔直采用的是模块化多电平换流器，其制造难度和损耗较低，波形质量高。

什么是模块化多电平换流器呢？就是将IGBT换流阀子模块一个一个串联起来，每一个子模块可以等效为一个电容，其额定运行电压为1.6kV，厦门柔直每个桥臂有200个子模块处于工作状态，通过控制投入和退出子模块的数量来实现阶梯正弦波。

下面简单介绍构成厦门柔直工程换流阀的基本元件子模块的结构。

1、换流阀换流阀是柔性直流输电工程中的核心设备，输电过程中的整流和逆变过程均通过换流阀完成。

厦门工程换流阀采用模块化、积木式设计。

每极换流阀A、B、C三相分上下桥臂共6桥臂18个阀塔构成，每个阀塔由12个阀模块构成，每个阀模块包含6个子模块。

2、子模块组成及结构IGBT子模块是换流阀的最小电气单元，采用半桥结构，见下图2-1。

由以下8个部分组成：旁路开关K、晶闸管T、直流电容器C、均压电阻R、直流取能电源、子模块控制器（CLC+GDU）、散热器和IGBT模块（IGBT-二极管反并联对：S1、S2）。

图2-1子模块电器结构示意图3、旁路开关3.1旁路开关结构：旁路开关主要由本体、操动机构、控制板三个部分组成。

3.2主要作用：由图2-1可以看到旁路开关与下管IGBT（S2）并联运行，其主要作用为隔离故障子模块，使其从主电路中完全隔离出来，而使故障子模块不影响整个系统的正常运行。

柔性直流换流阀IGBT 过流失效研究冯静波1，吕铮1，邓卫华2，胡榕2，王新颖1(1. 先进输电技术国家重点实验室（全球能源互联网研究院有限公司），北京　102209；2. 大功率电力电子北京市重点实验室，北京　102209)摘　要：IGBT 过流失效极易导致模块爆炸、水冷系统漏水甚至换流阀停运，是危害柔性直流输电系统安全运行的重要因素之一。

基于模块多电平柔性直流换流阀结构特点和运行工况，总结分析了柔性直流换流阀IGBT 的短路过电流、脉冲式过电流和续流二极管过电流这3种过流失效类型及其特征；结合MMC 换流阀的工作原理及特点，提出了IGBT 3种过流方式的保护方案及参数配置方法；通过±420 kV/1 250 MW 换流阀采用的3 300 V/1 500 A 焊接型IGBT 器件进行了失效分析与保护方案的试验验证，试验结果证明了过流失效分析的正确性和过电流保护方案的有效性。

关键词：柔性直流换流阀；IGBT ；过流失效；过流保护；保护方案DOI ：10.11930/j.issn.1004-9649.2020062170 引言大功率电力电子技术在直流输电领域的发展应用，有效改善了直流输电的运行性能，大大促进了高压直流输电技术的发展。

目前直流输电领域形成以半控型大功率晶闸管为核心功率器件的电网换相电流源型高压直流输电技术（LCC-HVDC ）和以全控型电力电子器件为核心功率器件的电压源型高压直流输电技术（VSC-HVDC ）。

前者具有单一脉冲控制、交流系统提供换相电流、没有无功自调节能力、有功无功不能独立控制的特点；后者采用PWM 调制技术、有功和无功可独立控制、可无源逆变工作、具备静止无功补偿等功能[1-6]。

模块化多电平换流阀（modular multilevel converter ，MMC ）是目前使用较广泛的电压源型直流输电换流阀，IGBT 作为换流阀的“心脏”，其健壮性决定着换流阀的可靠性。

海上风电柔性直流输电关键设计技术摘要：针对海上风电柔性直流送出的关键设计技术，本文从系统设计、接线设计、关键设备选择、绝缘配合等几个领域进行了深入研究，阐述了柔性直流设计的核心设备配置方案及参数选取原则，为柔性直流设计的主要技术原则提供了技术积累。

关键词：柔性直流; 海上风电;设计技术引言海上风电作为中国风电发展的下一个至高点，是我国实现能源结构转型的重要手段。

与陆上风电相比，海上风电具有几个优点：风力大、风密度大、风力比较稳定；离负荷中心近，不需要长距离大容量的输电线路；节约资源、节约土地，是最具发展潜力的清洁资源之一。

2022 年以来，海上风电项目离岸距离随单机容量提升不断提升，海风项目深远化趋势明显。

针对深远海风电，传统高压交流送出受无功电流、充电电压、损耗等影响，在远距离高压大容量场景下受限。

而高压直流输电由于存在换流器的触发延⾓和关断⾓以及波形的⾓正弦，需要吸收⾓量的⾓功功率，其值约为换流站所通过的直流功率的40%~60%。

因⾓需要⾓量的⾓功功率补偿及滤波设备，需要大面积海上平台用于布置以上设备。

且常规直流系统存在换相失败的问题，需要强交流系统支撑，而海上风电难以满足。

再此背景下，柔性直流输电因其不需要无功补偿，可接入弱交流系统、无源系统，占地面积小等特点，在深远海风电中的优势逐渐显现。

1、柔性直流输电网络设计技术柔性直流输电系统从网络型式上常见的有：两端型、多端型及网络型。

两端型接线：点对点，或背靠背构成，送出端换流站与接收端换流站一一对应，两端型换流站也是目前应用最多的接线型式。

多端型接线：打破两端型一一对应的特征，可以实现一端送出，多端接收。

也可以实现多端送出，一端接收。

网络型接线：在多端型接线的基础上发展而来，可是实现多个送端站和多个接收站互联。

换流站常用接线型式有对称单极、对称双极+金属回线、对称双极+接地极等几种类型，接线示意如下图：图1 对称单极接线图2 对称双极+金属回线接线图3 对称双极+接地极接线2、换流阀设计技术相较于陆上换流站，海上换流站造价对换流阀设备的重量和体积更敏感；海上高湿度、高盐度环境，对换流阀设备防护设计要求更高；换流阀采用整体运输、安装抗震抗倾斜、运行抗振动的要求高；同时海上环境下检修对天气条件要求高，且窗口期较短，对换流阀可靠性要求高。

113科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON动力与电气工程根据换流阀能否主动切断电流,一般将高压直流输电技术分为两类[1]。

第一类以晶闸管为主要器件,需要交流电网提供换相电压,因此被称为电网换相换流器型直流输电(Line Commutated Converter based H V D C ,L C C -H V D C );另一类换流阀采用IGBT等可关断器件,不需要交流电网提供电压支撑,换流器本身相当于一个电压源,因此被称为电压源换流器型直流输电(Voltage-Sourced Converter based HVDC,V S C-H V DC )[2]。

L C C -H V D C 技术的发展已较为成熟,但对于需要在受端电网某一区域集中落点多回直流输电线路的情况,这种技术本身的换相失败问题,可能造成多回直流输电线路输送功率中断,使得受端电网的安全稳定性受到较大威胁[1]。

而V S C -H V D C 技术由于不存在换相失败的问题,在交流系统电压跌落时仍能保持一定的功率传输,因此可以很好地解决上述问题。

V S C -H V D C 采用自关断器件(主要是IGBT),可以同时控制输出交流电压的幅值和相位,从而实现有功功率和无功功率的独立解耦控制。

它本身可以发出或吸收无功功率,能够向无源网络或弱交流系统供电,便于构成多端直流电网[2]。

由于以上一系列特性,使V S C -H V D C 技术在输电和配电领域都有着广泛的应用前景。

世界三大电力设备制造商都分别推出了自己的VS C 产品。

A B B 公司将V S C -H V D C 的商标注册为“HVDC Light”,Siemens公司称其为“HVDC PLUS”,Alstom公司的VSC产品商标为“HVDC MaxSine”。

2006年5月,由中国电科院组织国内权威专家在北京召开的“轻型直流输电系统关键技术研究框架研讨会”,与会专家一致建议将基于VSC技术的直流输电统称为“柔性直流输电”[1]。

硕士学位论文题目: MMC在柔性直流输电中的应用研究生专业指导教师完成日期MMC在柔性直流输电中的应用研究生：指导教师：2016年12月论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日摘要模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)是一种具有较好发展前景的新型变换器拓扑结构，本文旨在通过对模块化多电平变换器及其在高压直流输电（MMC-HVDC）中的控制方法进行研究，提高变换器的可靠性。

本文首先对MMC的子模块拓扑结构进行分析，详细阐述了子模块的运行机理，并建立了变换器的数学模型。

介绍了两种预充电策略，并比较变换器常用的几种调制方式，对其各自的优缺点进行阐述。

其次，根据能量守恒原则对子模块电容电压和环流进行数学建模分析，给出了相应的控制器以减小电容电压波动和抑制环流谐波。

之后简要分析了MMC系统损耗的组成，给出了所占比重较大的开关损耗的计算方法，并对传统的电容电压排序算法进行优化，提出改进的排序算法，以达到减小开关频率和开关损耗的目的。

对控制方法进行仿真验证，证明控制方法的正确性。

再次，结合模块化多电平变换器自身特点，详细研究两端MMC-HVDC输电系统中系统控制层、换流站控制层、换流阀控制层中的控制策略。

本文对换流站控制层和换流阀控制层进行了详细讨论，给出相应的控制方法，并对各控制层中的控制方法进行了仿真验证，证明控制方法的有效性。

最后，设计和搭建了一台三相模块化五电平变换器，给出主要单元的原理图。

其中控制单元采用DSP和FPGA协同控制，给出了DSP与FPGA的功能框图与程序流程图。

在样机中加入换流站层控制器与换流阀层控制器，分别在本地负载和并网两种工况下进行实验，给出样机稳定运行时的实验波形，验证了所设计控制方法的可行性。

关键词：模块化多电平变换器；柔性直流输电；调制策略；电容电压均压控制；环流抑制ABSTRACTModular multilevel converter (MMC) is a relatively new and promising topology, which has gained a lot of interest in industry in the recent years due to its modularity, scalability, reliability. Its characteristic of modular design can easily adapted for applications that require different power and voltage levels, such as supplies for electric railways, static compensators (STATCOMs) and high-voltage direct current transmission (HVDC) . This dissertation aims to improve the reliability of this system by studying the control strategies of MMC and MMC-HVDC systems.First, the topology and the basic operating principles of Sub -Module(SM) are introduced. Then two control strategies for pre-charging of capacitors were analyzed. What’s more, this dissertation compared several modulation strategies that are commonly used in system, and describe d their advantages and disadvantages respectively.Second, the mathematic model for capacitor voltage-balancing and circulating current was analyzed based on the conservation of energy. According to the mathematic model, this paper put forward the corresponding control method and circulating current suppressing controller to reduce the voltage fluctuation and eliminate the inner balancing currents. Then make clear the loss composition of MMC system, and give a formula to calculate the switching losses which take a large percentage of total losses. By optimized the traditional capacitance voltage sorting algorithm, an improved sorting algorithm is put forward in order to reduce the switching frequency and switching losses. Then a simulation model was provided to realize and configure the control strategies.Third, combined with the characteristics of MMC, the thesis analyzed the control method in MMC based VSC-HVDC system. The control strategies were divided into system layer, converter layer and valve control layer in the HVDC system. The controllers and the system in the last two layers discussed in detail in the thesis, a simulation model was used to verify the feasibility of control strategies.Finally, a three-phase MMC experimental platform was built. The software and hardware design of the platform were elaborated. The control strategy discussed in this thesis was implemented on the platform. The experimental waveforms were presented and the validity of theoretical analysis were demonstrated.Keywords: Modular multilevel converter(MMC),VSC-HVDC, modulation strategy, capacitor voltage balance, circulating current suppression目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 电压源变换器拓扑结构 (3)1.3 模块化多电平变换器的应用 (5)1.4 论文的主要工作 (6)2 模块化多电平变换器（MMC）拓扑结构和运行原理 (8)2.1 模块化多电平变换器及子模块（sub module，SM）拓扑结构 (8)2.2 MMC子模块工作原理 (10)2.3 MMC的数学模型 (13)2.4 MMC预充电方案 (15)2.4.1 自励式充电 (15)2.4.2 它励式充电 (16)2.5本章小结 (16)3 MMC的调制方法与控制策略 (18)3.1 MMC的调制方法 (18)3.1.1 载波层叠调制 (18)3.1.2 载波相移调制 (19)3.1.3 最近电平逼近调制 (19)3.1.4 空间矢量调制 (20)3.2 电容电压平衡控制 (21)3.2.1 直接选择排序均压控制 (21)3.2.2 改进的排序均压控制 (23)3.2.3 独立均压控制 (24)3.2.4 仿真验证 (26)3.3 环流模型与环流控制策略 (28)3.3.1 环流数学模型 (28)3.3.2 环流谐波抑制策略 (32)3.3.3 仿真验证 (35)3.4 本章小结 (35)4 MMC在柔性直流输电（VSC-HVDC）中三相平衡控制策略 (36)4.1 MMC-HVDC系统控制基本原理 (36)4.2 MMC-HVDC的数学模型 (37)4.3 MMC-HVDC的控制策略 (38)4.3.1 内环控制器设计 (38)4.3.2 外环控制器设计 (39)4.4 仿真验证 (41)4.5 本章小结 (42)5 MMC分布式实验平台设计和实验结果 (43)5.1 硬件设计 (43)5.1.1 控制电路 (44)5.1.2 桥臂功率单元 (45)5.1.3 采样电路 (45)5.1.4 驱动电路 (46)5.2 程序设计 (46)5.2.1 DSP程序设计 (47)5.2.2 FPGA程序设计 (49)5.3 实验结果 (50)5.4 本章小结 (51)6 总结与展望 (53)6.1 总结 (53)6.2 展望 (54)参考文献 (55)致谢......................................................................................错误！未定义书签。

柔性直流输电控制系统的功能与设计研究摘要：当前我国的柔性直流输电控制系统运用效果较好，本文将对柔性直流输电控制系统的总体架构、硬件组成、控制功能以及保护功能进行设计研究，希望能够对相关研究人员的研究工作有帮助，不断推社会的快速发展。

关键词：直流电；输电控制；控制系统；功能设计引言：与正常的直流相比，柔性直流不需要使用电网电压进行换相，不存在换相失败这一说法，同时柔性直流对交流系统的依赖性较低，能够完成黑启动等功能。

因此，有必要大面积推广柔性直流，用以满足社会居民的高质量用电需求。

1系统总体架构本文所设计的柔性直流输电控制系统主要采用三层两网的双重化冗余配置分层分布式结构，所谓的三层是指I/O设备层、监控层以及控制保护层，控制保护层又包含了交直流站控层和柔性直流单元控制保护层，两网是指站控LAN网和监控LAN网。

控制保护层属于柔性直流输电控制系统所处位置层，该控制系统由CSD-353A控制装置和CSD601扩展I/O装置组成。

通过IEC61850/MMS协议，CSD-353A控制装置能够利用电以太网双网链路与SCADA进行通信。

同时，使用IEC61850/MMS协议，能够使CSD-353A控制装置通过光以太网双网链路与I/O层CSD601设备进行通信，采用IEC60044-8协议与阀控点对点通信，即A-A通信和B-B通信。

CSD-353A控制装置通过利用LAN冗余站控网与交流站控网一同完成对交流电开关刀闸的有效控制。

另外，CSD-353A控制装置还能通过LAN冗余站控和直流站控完成对有功协调以及无功协调的控制，交换机和CSD-601通过扩展I/O 通信，能够完成系统阀厅、阀冷、辅助设备以及连接变之间的信号交互。

2系统硬件组成本文设计的柔性直流输电控制系统能够完成的功能包括运行人员工作站和远动工作站之间的通信、通过LAN冗余站控网实现直流站控和交流站控之间的通信、实现与集中故障录波之间的通信、实现与柔性直流保护单元之间的通信、系统模拟量接入以及主时钟信号接入等功能。

131中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2017.05 （上）柔性直流换流器结构及技术展望赵敏，李顺昕，吕昕，杨金刚，杨敏(国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038)摘要：柔性直流输电技术是采用全控型电力电子器件以及电压源换流器的新型输电技术。

本文分析了两电平、三电平以及模块化多电平三大类换流器拓扑结构的特点，从器件层面、换流器层面以及系统层面展开了柔性直流与传统直流技术的比较，展望了柔性直流技术的发展局限性以及应用场景。

关键词：柔性直流；换流器；高压直流输电；模块化多电平中图分类号：TM721.1 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2017）05（上）-0131-021 概述柔性直流输电技术（HVDC Flexible，其中HVDC 指高压直流输电），简称柔性直流，又称为电压源换流器型高压直流输电（VSC-HVDC 或VSC-Transmission，其中VSC 指电压源换流器）、轻型直流（HVDC Light）以及新型直流（HVDC Plus），是指采用IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）等全控型电力电子器件以及电压源换流器的第三代直流输电技术。

相比于采用晶闸管以及电流源换流器的第二代直流输电技术（文中称为“传统直流输电”），柔性直流具有一系列新特点，目前受到国内外的广泛关注。

2 换流器拓扑结构柔性直流的换流器包含逆变器和整流器，原理相通。

换流器的拓扑结构主要分为两电平、三电平和模块化多电平三大类，对应换流器直流侧单相原始输出电压（未滤波前）的电平数量。

2.1 两电平两电平结构最为简单。

换流器共有六个桥臂，每相对应两个桥臂，每个桥臂由多个基本单元串联构成，每个基本单元由单个IGBT 和与之反并联的二极管构成。

三相的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）公用同一个三角波载波信号，调制信号依次相差120°，每相输出电压的PWM 波形只有±Udc/2两种电平，其中Udc 为直流侧电压。

柔性直流换流站阀厅消防系统分析文章以厦门±320kV柔性直流工程为例，对柔性直流换流站阀厅消防的配置、联动关系、跳闸逻辑进行了详细的介绍和分析，总结了阀厅消防系统日常运行维护注意事项。

标签：柔性直流换流站；阀厅；消防系统厦门±320kV柔性直流工程是世界上第一个采用真双极接线、电压和容量双创国际之最的柔性直流输电工程，是国家电网的重点科技示范工程，被列为重点防火单位。

而阀厅内的IGBT换流阀是本工程的核心设备，对柔性直流研究和发展起着不可替代的作用。

为有效控制阀厅火灾，保护换流阀，厦门柔直工程配置了阀厅火灾消防系统，用于阀厅火灾时报警、切非联动和跳闸。

阀厅消防系统设备配置：极早期烟雾探测器（VESDA）又称吸气式感烟火灾探测器、紫外火焰探测器、手报、声光报警器、消防广播、消防管道及消防栓。

极早期烟雾探测系统对烟雾敏感，紫外火焰探测器对明火及电弧敏感。

故阀厅采用极早期烟雾探测器和紫外火焰探测器作为火灾检测设备。

手报也可作为火灾报警的一个探测点，但因为正常运行时，阀厅不允许人员进入，所以正常运行时，此探测点无法动作。

阀厅内极早期烟雾探测系统的管路布置探测范围覆盖阀厅全部面积，同一处的烟雾满足至少有2个探测器检测得到。

每个阀厅设置四个极早期烟雾探测器（也称空气采样装置），其中有一个烟雾探头安装于阀厅进风的新风口，用于防止阀厅外部周围环境有火灾而产生的烟雾引起阀厅极早期烟雾探测系统误动。

另外三个的烟雾探头分别置于阀厅上方不同位置。

极早期烟雾探测系统一般分为4级报警，分别是警告、行动、火警1和火警2，采用火警2（最高级别报警）作为跳闸信号。

阀厅紫外火焰探测器的探头布置完全覆盖阀厅面积，每个阀厅8个紫外火焰探测器。

阀层中有火焰产生时，发出的明火或弧光能够满足至少被2个探测器检测到。

极I阀厅、极II阀厅分别属一个区域，本区域内火警只联动切非或跳闸本区域内设备，不会相互影响。

1 切非联动关系及动作后果阀厅内紫外火焰探测器、空气采样主机或手报单点预警启动声光报警，两点报警则确认火警，联动启动消防广播，切非动作：切除该极的照明和通风总电源空开；延时20秒切除该极阀厅的空调组合机电源空开（站用电室380V低压配电屏内），延时切除空调组合机电源以保证阀厅空调系统关闭送风阀、回风阀及其新风管防火阀有足够的时间。

厦门柔性直流换流站启动过程分析柔性直流输电与传统的高压直流输电技术相比，最主要的特点是采用了基于全控型大功率器件IGBT（绝缘栅双极晶体管）的电压源换流器（VSC）。

由于IGBT是具有自关断能力的全控型器件，因而柔性直流输电系统无需交流系统提供换相电压，可以向有源或无源网络供电。

厦门±320kV柔性直流输电科技示范工程是世界上第一个采用真双极接线方案，电压等级最高，容量最大的柔性直流输电系统，直流输送容量1000MW，直流电流1600A，其典型系统结构如图1所示。

图1 厦门柔直工程系统结构图1、换流阀结构厦门柔直换流器拓扑采用模块化多电平换流器（Modular MultilevelConverter，简称MMC）结构，如图2所示。

MMC拓扑与传统的两电平和三电平结构相比，换流器交流侧输出电压变化小，电平阶梯数量多，跨度小，更趋近于正弦波。

图2 MMC拓扑结构图换流器有A、B、C三相上、下共6个桥臂，每个桥臂由216个子模块（其中16个作为冗余配置）级联而成。

在换流器运行过程中，子模块可能出现如图3所示的四种运行状态，图中带箭头的虚线表示各种运行状态下，通过子模块的电流路径及方向。

换流器闭锁状态：即所有桥臂的子模块均处于图3（c）所示的闭锁状态，交流侧电压分别对上、下桥臂子模块进行周期性的循环充电，此时直流侧电压为交流侧线电压的包络线。

换流器运行状态：每一时刻各相上、下桥臂处于运行状态的子模块总数量均保持200个不变，其余子模块则处于冗余或旁路状态。

例如，当某相桥臂电抗器交流侧交流电压为0时，该相上下桥臂各有100个子模块处于运行状态，输出高电平；其余子模块处于冗余或旁路状态，输出电压为0。

考虑极限情况，则需要上桥臂或下桥臂有200个子模块随时能处于运行状态，因而三相上、下桥臂各配置了16个子模块作为冗余量，以提高换流器的可靠性。

当旁路子模块数量达到16个时，换流器则失去冗余能力，可靠性降低。