CN103731059A - 一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路。其技术方案是，所述子模块结构电路包括5个绝缘栅双极型晶体管，5个反向的二极管，2个相同的电容器以及1个独立二极管。本发明应用于模块化多电平电压源换流器中，系统在器件增加较少的情况下，能够很好的应对直流故障，在直流侧双极直流故障下可以通过闭锁换流器快速切断直流故障电流，而不需要交流断路器的参与，提高了系统的可靠性。

Description

一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路。

背景技术

近年来，模块化多电平换流器(Modular multilevel converter， MMC)发展迅速，已经成功地应用在高压直流输电系统(High Voltage Direct Current System，HVDC)领域。MMC采用了大量的全控型器件绝缘栅双极型晶体管IGBT，这使得MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter Based HVDC)具有诸多优点，非常适合高电压、大功率的供电场合，应用前景广阔。半桥子模块（Half-Bridge Sub-Module，HBSM）结构电路是主要的MMC的子模块可选电路结构，由于HBSM的损耗小、成本低，目前几乎所有的MMC-HVDC工程都是以半桥型MMC(Half-Bridge MMC，HBMMC)为其电路结构的。但是，当HBMMC-HVDC发生直流双极短路故障时，系统无法通过闭锁换流器自身来切断短路故障电流，这也严重危害了系统的安全。

目前，直流断路器在高压大功率场合中的工程应用还无法实现，而由HBMMC构成的柔性直流输电系统HBMMC-HVDC(Half-Bridge Modular Multilevel Converter based HVDC)在发生双极短路故障时又无法通过闭锁换流器来切断故障短路电流，因此整个系统只能在故障发生后通过交流短路器来切断故障电流，这给系统的可靠性带来了严重影响。为了尽可能的避免直流故障，现有的MMC工程均是采用故障率低的电缆作为传输线路而不是采用成本较低的架空线，这对MMC-HVDC在长距离输电方面的发展产生了极大的制约。

发明内容

针对上面技术背景中描述的采用半桥子模块结构电路的HBMMC-HVDC系统无法应对直流故障的问题，本发明提出了一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路。

本发明的技术方案是，一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路，其特征在于，所述子模块结构电路包括5个绝缘栅双极型晶体管（T₁, T₂, T₃, T₄、T₅），5个反向的二极管(D₁, D₂, D₃, D₄、D₅)，2个相同的电容器C₁和C₂以及1个独立二极管D₆；

其中，所述的5个绝缘栅双极型晶体管分别和相应的5个反向二极管并联组成5组可控开关，其连接方式是绝缘栅双极型晶体管的集电极与反向二极管的阴极相联，绝缘栅双极型晶体管的发射极与反向二极管的阳极相联；

所述的绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极和绝缘栅双极型晶体管T₂的发射极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₁的发射极和绝缘栅双极型晶体管T₅的发射极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₂的集电极和反向二极管D₆的阴极相串联；

所述的绝缘栅双极型晶体管T₃的发射极和绝缘栅双极型晶体管T₄的集电极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₃的集电极和绝缘栅双极型晶体管T₅的集电极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₄的发射极和反向二极管D₆的阳极相串联；

所述电容器C₁的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极、反向二极管D₁的阳极、绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极、反向二极管D₅的阳极相联，电容器C₁的正极分别与绝缘栅双极型晶体管T₂的集电极、反向二极管D₂的阴极、独立二极管D₆的阴极相联；

所述电容器C₂的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T₄的发射极、反向二极管D₄的阳极、独立向二极管D₆的阳极相联，电容器C₂的正极分别与绝缘栅双极型晶体管T₃的集电极、绝缘栅双极型晶体管T₅的集电极、反向二极管D₃的阴极、反向二极管D₅的阴极相联。

所述子模块结构电路电平输出包括三种电平状态。

所述子模块结构电路包括三种运行状态。

本发明的有益效果是，一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路应用于模块化多电平电压源换流器中，系统在器件增加较少的情况下，能够很好的应对直流故障，在直流侧双极直流短路下可以通过闭锁换流器快速切断直流故障电流，而不需要交流断路器的参与，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图；

图2是本发明提供的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路图；

图3是采用本发明子模块结构电路的MMC换流器电路图；

图4是本发明提供的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路稳态运行情况下的电流流动方向；其中，（a）表示状态1，子模处于切除状态，输出0电平；（b）表示状态2，子模块处于投入状态，输出2电平；

图5是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路在闭锁情况下的电流流动方向；其中，（a）和（b）分别表示子模块不同的电流流向方向。

图中各符号：图1中SM₁，SM₂，…，SM_N表示MMC某桥臂中第1,2，…，N子模块结构电路，L ₀表示桥臂电抗器，U _dc 表示MMC正负极直流母线间的电压差，P为正极直流母线，N为负极直流母线。

图2中T₁、T₂、T₃、T₄、T₅分别表示5个绝缘栅双极型晶体管，D₁、D₂、D₃、D₄、D₅表示5个反向二极管，U_SM表示子模块输出电压，U_C表示电容电压，C₁表示子模块中的第一个电容器；C₂表示子模块中第二个电容器，U_C1表示电容C₁的电压值；U_C2表示电容C₂的电压值。

图3中的符号与图1和图2中意义相同，i_SM表示流入子模块结构电路的电流；

图4和图5中的符号与图1、图2和图3中意义相同。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图。图1中，模块化多电平电压源换流器(MMC)的拓扑结构，每相有上下两个桥臂，每个桥臂由N个基础电路组成。

图2是本发明提供的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路图。图2中，所述子模块结构电路包括5个绝缘栅双极型晶体管（T₁, T₂, T₃, T₄、T₅），5个反向的二极管(D₁, D₂, D₃, D₄、D₅)，2个相同的电容器C₁和C₂以及1个独立二极管D₆；

其中，所述的5个绝缘栅双极型晶体管分别和相应的5个反向二极管并联组成5组可控开关，其连接方式是绝缘栅双极型晶体管的集电极与反向二极管的阴极相联，绝缘栅双极型晶体管的发射极与反向二极管的阳极相联；

所述的绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极和绝缘栅双极型晶体管T₂的发射极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₁的发射极和绝缘栅双极型晶体管T₅的发射极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₂的集电极和反向二极管D₆的阴极相串联；

所述的绝缘栅双极型晶体管T₃的发射极和绝缘栅双极型晶体管T₄的集电极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₃的集电极和绝缘栅双极型晶体管T₅的集电极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₄的发射极和反向二极管D₆的阳极相串联；

所述电容器C₁的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极、反向二极管D₁的阳极、绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极、反向二极管D₅的阳极相联，电容器C₁的正极分别与绝缘栅双极型晶体管T₂的集电极、反向二极管D₂的阴极、独立二极管D₆的阴极相联；

所述电容器C₂的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T₄的发射极、反向二极管D₄的阳极、独立向二极管D₆的阳极相联，电容器C₂的正极分别与绝缘栅双极型晶体管T₃的集电极、绝缘栅双极型晶体管T₅的集电极、反向二极管D₃的阴极、反向二极管D₅的阴极相联。

图3是采用本发明结构电路的MMC换流器电路图，采用本发明结构电路的NDCMMC同样可以实现采用半桥子模块结构电路HBMMC的功能。

图4是本发明提供的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路稳态情况下电流流动方向图。本发明提供的结构电路在稳态情况下共有2种运行状态，能够产生2中电平状态：（1）T₁，T₃，T₅开通，T₂和T₃均关断；（2）T₂，T₄，T₅开通，T₁和T₃均关断。

现对稳态情况下2种进行分析，状态1：绝缘栅双极型晶体管T₁，T₃，T₅开通，T₂和T₃均关断，此时的电流可以双向流动，电流不经过电容器，2个电容都不进行充电或放电，输出0电平；

状态2：绝缘栅双极型晶体管T₂，T₄，T₅开通，T₁和T₃均关断，此时的电流仍然可以双向流动，但电流无论从何种方向流动，都要经过2个电容器，2个电容都会进行充电或放电，输出2电平。

图5是本发明提供的一种改进的模块化多电平换流器基础电路在闭锁情况下的电流流动方向；其中，（a）和（b）分别表示子模块不同的电流流向方向。本发明提供的结构电路可以提高第三种运行状态，即状态3：T₁，T₂，T₃，T₄，T₅均闭锁。在此种运行状态下，电流始终对2个电容器充电，使电容电压增大，从而可以建立较大的反向电动势来切断直流故障电流。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路，其特征在于，所述子模块结构电路包括5个绝缘栅双极型晶体管（T₁、T₂、T₃、T₄、T₅），5个反向的二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅)，2个相同的电容器C₁和C₂以及1个独立二极管D₆；

其中，所述的5个绝缘栅双极型晶体管分别和相应的5个反向二极管并联组成5组可控开关，其连接方式是绝缘栅双极型晶体管的集电极与反向二极管的阴极相联，绝缘栅双极型晶体管的发射极与反向二极管的阳极相联；

所述的绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极和绝缘栅双极型晶体管T₂的发射极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₁的发射极和绝缘栅双极型晶体管T₅的发射极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₂的集电极和反向二极管D₆的阴极相串联；

所述的绝缘栅双极型晶体管T₃的发射极和绝缘栅双极型晶体管T₄的集电极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₃的集电极和绝缘栅双极型晶体管T₅的集电极相串联，绝缘栅双极型晶体管T₄的发射极和反向二极管D₆的阳极相串联；

所述电容器C₁的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极、反向二极管D₁的阳极、绝缘栅双极型晶体管T₁的集电极、反向二极管D₅的阳极相联，电容器C₁的正极分别与绝缘栅双极型晶体管T₂的集电极、反向二极管D₂的阴极、独立二极管D₆的阴极相联；

所述电容器C₂的负极分别与绝缘栅双极型晶体管T₄的发射极、反向二极管D₄的阳极、独立向二极管D₆的阳极相联，电容器C₂的正极分别与绝缘栅双极型晶体管T₃的集电极、绝缘栅双极型晶体管T₅的集电极、反向二极管D₃的阴极、反向二极管D₅的阴极相联。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路，其特征在于，所述子模块结构电路电平输出包括2种电平状态。

3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的新型双嵌位子模块结构电路，其特征在于，所述子模块结构电路包括三种运行状态。

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