CN103904926A - 一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑 - Google Patents

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赵成勇
张建坡
赵鹏豪
黄晓明
陆翌
裘鹏
王朝亮
周飞
宗波
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North China Electric Power University
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Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑。其技术方案是，在不改变传统模块化多电平换流器中子模块间串联连接方式的前提下，对半桥子模块拓扑进行了改进，设计了串联双子模块拓扑。本发明应用于模块化多电平电压源换流器中，在直流侧发生故障的时候，具有直流故障电流的闭锁能力，避免了交流断路器动作。

Description

一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑
技术领域
本发明属于输配电技术领域，涉及一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑。
 
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用了模块化拓扑，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，从而减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，因此在网侧不需要大容量交流滤波器。同时由于模块化拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，避免了两电平拓扑结构的三相桥臂耦合关系，从而提高了故障穿越能力。基于以上优势，模块化多电平换流器在大规模风电并网、电网互联、电力交易、城市配网增容及电能质量提高等方面都有着广阔的应用前景。
如何处理直流侧故障一直是基于电压源换流器型直流输电所面临的难题。由于模块化多电平换流器多采用半桥子模块拓扑，在直流侧发生故障时，尽管可以闭锁所有的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，但是由于IGBT反并联的续流二极管为短路电流提供通路，使得短路电流不能被阻断，从而使其不具备直流侧短路电流闭锁能力。而当前高压大容量直流断路器制造工艺尚不成熟，在高电压大容量场合鲜有应用，因此直流侧故障只能够依靠换流站跳开交流断路器来切断故障电流，但该方法系统响应速度较慢、重新启动配合动作时序复杂、恢复时间也较长。为了减少系统直流侧故障概率，当前的直流输电工程不得不采用故障率低而价格昂贵的直流电缆作为传输介质，从而限制了低成本的架空线路的应用。
发明内容
针对上述问题，在总结目前学术界和工业界对模块化多电平换流器拓扑结构的研究及改进方案的基础上，本发明对传统的半桥拓扑进行了相应的改进，在不改变子模块串联联接形式、控制策略、调制策略和均压策略下，设计了具有直流故障电流闭锁能力的双子模块串联拓扑，从而提高系统的直流侧故障穿越能力。
本发明的技术方案是，一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑，其特征在于，在不改变传统模块化多电平换流器中子模块间串联连接方式的前提下，对半桥子模块(Half Bridge Sub module, HBSM)进行了改进，设计了如图1所示的串联双子模块拓扑(Series Con-nected Double Sub module，SCDSM)。该拓扑包含两个半桥子模块，两个子模块间为串联连接方式，具有各自独立工作状态，因此与基于传统半桥拓扑的MMC相比，控制策略、调制策略和均压策略都不需要改变。
附图说明
图1是本发明提出的一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑；其中，T1-T5代表绝缘栅双极型晶体管，D1-D6代表二极管，C1-C2为电容器，SM1-SM2代表子模块；
图2是在直流侧发生严重故障情况下，系统闭锁所有IGBT时，桥臂电流流通路径；其中，T1-T5代表绝缘栅双极型晶体管，D1-D6代表二极管，C1-C2为电容器，SM1-SM2代表子模块；i代表电流；
图3是直流侧故障闭锁电流路径；其中N代表子模块个数，UC代表子模块电容电压，i dc 代表直流侧电流。
具体实施方式
下面结合附图，对串联双子模块拓扑进行详细说明。
图1是本发明提出的一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑。其中IGBT T5作为引导开关，工作于常通状态，等效为短路，而二极管D6由于电容C1两端电压作用而处于反向偏置状态，等效为开路。
图2为在直流侧发生严重故障情况下，系统闭锁所有IGBT时，桥臂电流流通路径。当桥臂电流大于零时，模块中的电容C1和C2串联且处于充电状态，模块输出电压为2Uc。而当桥臂电流小于零时，由于SM2处于切除状态，因而只有SM1中的C1处于充电状态，此时模块输出电压为-Uc。
在系统正常运行情况下，直流电压，模块电压与阀侧交流电压关系如式(1)所示，其中Uc为单个子模块电容电压，Uph，UL分别为交流相电压和线电压幅值，m为调制度，一般取0.8到0.9之间，N为子模块个数。
                                                                  
Figure 2014100968629100002DEST_PATH_IMAGE001
    (1)
当直流侧发生故障闭锁后，虽然由于模块电容的暂时放电会造成模块电容电压的降低，但是由于快速闭锁和桥臂电抗的限流作用，降低的程度不会很大。根据图3，当直流侧发生两极短路故障时，电容充电电流将在不同相的上下桥臂间循环流动，此时对于共有2N个模块电容投入充电，而两相桥臂间电压为交流线电压，根据式(1)可以得出
                                        
Figure 2014100968629100002DEST_PATH_IMAGE002
     (2)
当直流侧发生单极接地故障时，根据图3，此时桥臂中有N个模块电容投入充电，而桥臂两端电压为交流相电压，同理根据式(1)则有
                      
Figure 2014100968629100002DEST_PATH_IMAGE003
    (3)
此外，对于图3中上桥臂间或下桥臂间可能存在的充电电流路径，由于此时投入电容个数为3N，而桥臂间电压为线电压，根据公式(1)，可以得出
                                     (4)
所以，根据式(2)、式(3)和式(4)可以得出，无论是直流侧两极短路还是单极接地故障，伴随着投入模块电容的充电效应，改拓扑都能够保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，从而实现二级管的反向偏置，达到抑制故障电流的效果。

Claims (3)

1.一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑，其特征在于，在不改变传统模块化多电平换流器中子模块间串联连接方式的前提下，对半桥子模块进行了改进，通过引导开关将两个子模块串联起来，具有各自独立的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑，其特征在于，该拓扑应用于直流输电中，直流侧发生单极接地短路故障时，伴随着投入模块电容的充电效应，都能够保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，从而实现二级管的反向偏置，达到抑制故障电流的效果。
3. 根据权利要求1所述的一种改进的模块化多电平换流器子模块拓扑，其特征在于，该拓扑应用于直流输电中，直流侧发生两极短路故障时，伴随着投入模块电容的充电效应，都能够保证投入模块电容电压之和迅速大于交流电压的幅值，从而实现二级管的反向偏置，达到抑制故障电流的效果。
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