CN103023312B - 一种基于晶闸管器件的mmc换流阀子模块装置及其控制方法 - Google Patents

一种基于晶闸管器件的mmc换流阀子模块装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统和电力电子领域，具体涉及一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置及其控制方法，该装置包括主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；所述主电路包括晶闸管单元I、晶闸管单元II和电容器C；所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。该方法包括下述步骤：（1）分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电；（2）所述子模块工作并输出电压。基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块结构利用晶闸管器件代替IGBT器件，降低了器件的开关损耗，降低了控制复杂度，提高了子模块的转换效率。

Description

一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统和电力电子领域，具体涉及一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置及其控制方法，尤其涉及一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块拓扑结构装置及其控制方法。
背景技术
由于能源短缺和环境趋向恶化，大力发展新能源成为我国发展的主要方向，柔性直流输电技术是新能源并网的主要手段。柔性直流输电技术的核心设备-电压源控制（VSC）换流阀，目前主要采用模块化多电平（MMC）结构，它先由可关断器件构成子模块，再利用多个子模块串联组成。
子模块的结构对于VSC换流阀的性能及控制的复杂度至关重要，目前采用的子模块结构见图1，由两个IGBT器件和一个电容器组成半桥结构，通过控制IGBT器件的开通和关断输出电压。IGBT器件，相较于晶闸管器件，其开关损耗较大，控制复杂，单只器件的额定电压电流较低，随着电压等级的不断提高，子模块串联数增加，子模块间的平衡均压困难，不利于换流阀向高压大容量方向发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置及其控制方法，本发明基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块结构利用晶闸管器件代替IGBT器件，降低了器件的开关损耗，降低了控制复杂度，提高了子模块的转换效率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其改进之处在于，所述装置包括主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；所述主电路包括晶闸管单元I、晶闸管单元II和电容器C；所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。
其中，所述晶闸管单元I与晶闸管单元II并联；电容器C连接在晶闸管单元I与晶闸管单元II之间。
其中，所述晶闸管单元I包括晶闸管T1和与其反并联的二极管D1；所述晶闸管T1的阴极、二极管D1的阳极连接、二极管D1的阴极和晶闸管T1的阳极依次连接组成闭合回路I；所述晶闸管单元II包括晶闸管T2和与其反并联的二极管D2；所述晶闸管T2的阴极、二极管D2的阳极连接、二极管D2的阴极和晶闸管T2的阳极依次连接组成闭合回路II。
其中，所述强迫换流电路的个数为2；其中一个强迫换流电路包括晶闸管T3和T5、电感L1和电容C1；所述电感L1和电容C1串联组成L1-C1支路；所述晶闸管T5与L1-C1支路并联；晶闸管T3连接在L1-C1支路和晶闸管单元I之间；
另一个强迫换流电路包括晶闸管T4和T6、电感L2和电容C2；所述电感L2和电容C2串联组成L2-C2支路；所述晶闸管T6与L2-C2支路并联；晶闸管T4连接在L2-C2支路和晶闸管单元II之间。
本发明基于另一目的提供的一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
（1）分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电；
（2）所述子模块工作并输出电压。
其中，所述步骤（1）中，分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电包括下述步骤：
①触发晶闸管T3与T2，所电容器C给电容C1充电，直到电容C1两端的电压UC1大于或等于电容器C的电压值，所述晶闸管T3与T2关断；
②触发晶闸管T5，电容C1沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路，使得电容C1上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C1电压为-UC1，所述晶闸管T5关断；
③触发晶闸管T4与T1，利用电容器C给电容C2充电，直到电容C2两端的电压UC2大于或等于电容器C的电压值，晶闸管T1与T4关断；
④触发晶闸管T6，电容C2沿着晶闸管T6-电感L2形成振荡回路，使得电容C2上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2电压为-UC2，所述晶闸管T6关断。
其中，所述步骤（2）中，所述子模块工作并输出电压包括下述步骤：
一、当所述电流I为正时，触发晶闸管T1，晶闸管T2关断，晶闸管T1流过电流为电流I，输出电压为零；
二、开通晶闸管T3，电容C1沿二极管D1-晶闸管T3-电感L1形成振荡回路，使得流过晶闸管T1上的电流为零，晶闸管T1关断，当振荡电流过零时，晶闸管T3关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C1电压为+UC1，电流I转移到电容器C-二极管D2回路，输出电压为电容器C的电压Uc；
触发晶闸管T5，电容C1沿电感L1-晶闸管T5回路振荡，使得电容C1的电压反向，当振荡电流为零时，电容C1上电压为-UC1，为下一次晶闸管T1的强迫换流准备；
三、当所述电流I为负时，触发晶闸管T2，晶闸管T1关断，晶闸管T2上流过的电流为I，输出电压为电容器C上电压UC；
四、开通晶闸管T4，电容C2沿电感L2-晶闸管T4-二极管D2形成振荡回路，使得流过晶闸管T2上的电流为零，晶闸管T2关断，当振荡电流过零后，晶闸管T4关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C2电压为+UC2，电流I转移到二极管D1回路，输出电压为零；
触发晶闸管T6，电容C2沿晶闸管T6-电感L2回路振荡，使得电容C2的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2上电压为-UC2，为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块结构利用晶闸管器件代替IGBT器件，降低了器件的开关损耗，降低了控制复杂度，提高了子模块的转换效率；
2、单只晶闸管器件较之于IGBT器件，额定电压电流大，当换流阀电压提高时，所需子模块串联级数少，降低了子模块间的均压难度，更利于MMC换流阀向更高电压等级发展。
3、本发明提供的晶闸管器件较之于IGBT器件工艺成熟，可靠性高。
附图说明
图1是基于IGBT器件的MMC换流阀子模块拓扑结构；
图2是本发明提供的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块拓扑结构如图2所示，包括主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；主电路包括晶闸管单元I、晶闸管单元II和电容器C；所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。
晶闸管单元I与晶闸管单元II并联；电容器C连接在晶闸管单元I与晶闸管单元II之间。
晶闸管单元I包括晶闸管T1和与其反并联的二极管D1；所述晶闸管T1的阴极、二极管D1的阳极连接、二极管D1的阴极和晶闸管T1的阳极依次连接组成闭合回路I；所述晶闸管单元II包括晶闸管T2和与其反并联的二极管D2；所述晶闸管T2的阴极、二极管D2的阳极连接、二极管D2的阴极和晶闸管T2的阳极依次连接组成闭合回路II。
强迫换流电路的个数为2；其中一个强迫换流电路包括晶闸管T3和T5、电感L1和电容C1；所述电感L1和电容C1串联组成L1-C1支路；所述晶闸管T5与L1-C1支路并联；晶闸管T3连接在L1-C1支路和晶闸管单元I之间；
另一个强迫换流电路包括晶闸管T4和T6、电感L2和电容C2；所述电感L2和电容C2串联组成L2-C2支路；所述晶闸管T6与L2-C2支路并联；晶闸管T4连接在L2-C2支路和晶闸管单元II之间。
本发明提供的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，所述方法包括下述步骤：
（1）在子模块工作之前，分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电；
①触发晶闸管T3与T2，所电容器C给电容C1充电，直到电容C1两端的电压UC1大于或等于电容器C的电压值，所述晶闸管T3与T2关断；
②触发晶闸管T5，电容C1沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路，使得电容C1上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C1电压为-UC1，所述晶闸管T5关断；
③触发晶闸管T4与T1，利用电容器C给电容C2充电，直到电容C2两端的电压UC2大于或等于电容器C的电压值，晶闸管T1与T4关断；
④触发晶闸管T6，电容C2沿着晶闸管T6-电感L2形成振荡回路，使得电容C2上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2电压为-UC2，所述晶闸管T6关断。
（2）强迫换流回路预充电过程结束后，子模块进入工作状态，其工作原理如下：
一、当所述电流I为正时，触发晶闸管T1，晶闸管T2关断，晶闸管T1流过电流为电流I，输出电压为零；
二、开通晶闸管T3，电容C1沿二极管D1-晶闸管T3-电感L1形成振荡回路，使得流过晶闸管T1上的电流为零，晶闸管T1关断，当振荡电流过零时，晶闸管T3关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C1电压为+UC1，电流I转移到电容器C-二极管D2回路，输出电压为电容器C的电压Uc；
触发晶闸管T5，电容C1沿电感L1-晶闸管T5回路振荡，使得电容C1的电压反向，当振荡电流为零时，电容C1上电压为-UC1，为下一次晶闸管T1的强迫换流准备；
三、当所述电流I为负时，触发晶闸管T2，晶闸管T1关断，晶闸管T2上流过的电流为I，输出电压为电容器C上电压UC；
四、开通晶闸管T4，电容C2沿电感L2-晶闸管T4-二极管D2形成振荡回路，使得流过晶闸管T2上的电流为零，晶闸管T2关断，当振荡电流过零后，晶闸管T4关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C2电压为+UC2，电流I转移到二极管D1回路，输出电压为零；
触发晶闸管T6，电容C2沿晶闸管T6-电感L2回路振荡，使得电容C2的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2上电压为-UC2，为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。
理想情况下，以上四个工作模式各运行一次为一个工作周期，子模块输出电压U0为零和UC两种电平。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其特征在于，所述装置包括主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；所述主电路包括晶闸管单元I、晶闸管单元II和电容器C；所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成；
所述晶闸管单元I与晶闸管单元II并联；电容器C连接在晶闸管单元I与晶闸管单元II之间；
所述晶闸管单元I包括晶闸管T1和与其反并联的二极管D1；所述晶闸管T1的阴极、二极管D1的阳极连接、二极管D1的阴极和晶闸管T1的阳极依次连接组成闭合回路I；所述晶闸管单元II包括晶闸管T2和与其反并联的二极管D2；所述晶闸管T2的阴极、二极管D2的阳极连接、二极管D2的阴极和晶闸管T2的阳极依次连接组成闭合回路II；
所述强迫换流电路的个数为2；其中一个强迫换流电路包括晶闸管T3和T5、电感L1和电容C1；所述电感L1和电容C1串联组成L1-C1支路；所述晶闸管T5与L1-C1支路并联；晶闸管T3连接在L1-C1支路和晶闸管单元I之间；
另一个强迫换流电路包括晶闸管T4和T6、电感L2和电容C2；所述电感L2和电容C2串联组成L2-C2支路；所述晶闸管T6与L2-C2支路并联；晶闸管T4连接在L2-C2支路和晶闸管单元II之间。
2.一种如权利要求1所述的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电；
(2)所述子模块工作并输出电压；
所述步骤(1)中，分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电包括下述步骤：
①触发晶闸管T3与T2，所电容器C给电容C1充电，直到电容C1两端的电压UC1大于或等于电容器C的电压值，所述晶闸管T3与T2关断；
②触发晶闸管T5，电容C1沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路，使得电容C1上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C1电压为-UC1，所述晶闸管T5关断；
③触发晶闸管T4与T1，利用电容器C给电容C2充电，直到电容C2两端的电压UC2大于或等于电容器C的电压值，晶闸管T1与T4关断；
④触发晶闸管T6，电容C2沿着晶闸管T6-电感L2形成振荡回路，使得电容C2上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2电压为-UC2，所述晶闸管T6关断；
所述步骤(2)中，所述子模块工作并输出电压包括下述步骤：
一、当电流I为正时，触发晶闸管T1，晶闸管T2关断，晶闸管T1流过电流为电流I，输出电压为零；
二、开通晶闸管T3，电容C1沿二极管D1-晶闸管T3-电感L1形成振荡回路，使得流过晶闸管T1上的电流为零，晶闸管T1关断，当振荡电流过零时，晶闸管T3关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C1电压为+UC1，电流I转移到电容器C-二极管D2回路，输出电压为电容器C的电压Uc；
触发晶闸管T5，电容C1沿电感L1-晶闸管T5回路振荡，使得电容C1的电压反向，当振荡电流为零时，电容C1上电压为-UC1，为下一次晶闸管T1的强迫换流准备；
三、当电流I为负时，触发晶闸管T2，晶闸管T1关断，晶闸管T2上流过的电流为I，输出电压为电容器C上电压UC；
四、开通晶闸管T4，电容C2沿电感L2-晶闸管T4-二极管D2形成振荡回路，使得流过晶闸管T2上的电流为零，晶闸管T2关断，当振荡电流过零后，晶闸管T4关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C2电压为+UC2，电流I转移到二极管D1回路，输出电压为零；
触发晶闸管T6，电容C2沿晶闸管T6-电感L2回路振荡，使得电容C2的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2上电压为-UC2，为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。
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