CN104037754B - 一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路，包括模块级联电路、电压转换电路和补偿电路；所述模块级联电路与电压转换电路并联后，与所述补偿电路串联。本发明提供的适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路，其可以简单、有效实现交直流故障穿越，适用于高压大容量直流架空线领域的应用。

Description

一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路
技术领域
本发明涉及一种拓扑结构，具体涉及一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路。
背景技术
柔性直流输电系统是基于以全控型器件(IGBT)为核心的电压源型换流器的直流输电系统，其性能优越，应用扩展性好，在风电接入、电网互联、城市供电以及孤岛供电等多个领域有着广阔的应用前景，近年来，模块化多电平柔性直流输电技术发展极为迅速。
柔性直流输电系统是基于以全控型器件(IGBT)为核心的电压源型换流器的直流输电系统，其性能优越，应用扩展性好，在风电接入、电网互联、城市供电以及孤岛供电等多个领域有着广阔的应用前景，近年来，模块化多电平柔性直流输电技术发展极为迅速。
柔性直流输电系统的换流器是其核心元件，用于实现交直流电气量的转换，高压柔性直流换流器的发展从原有的两电平拓扑、三电平拓扑，逐渐转变为现在的模块化多电平拓扑，其由6个桥臂组成，每个桥臂由多个子模块(Submodule,SM)串联而成，子模块是由两个(或四个)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)及电容器组成的半桥(或全桥)结构，其工作原理是通过IGBT器件的开通和关断，将电容投入电路或者退出电路，合理的控制多个子模块的投入和退出，就可以在交直流侧形成稳定的电压，从而形成稳定的系统工作点进行功率传输。
然而，现有的模块化多电平技术采用多个子模块叠加，需要大量的电容和IGBT器件，若采用全桥拓扑，需要的器件数量更多，价格非常昂贵，采用新型的拓扑以降低系统造价，并将系统从电缆应用推广到架空线应用已成为非常重要的研究方向。
Alstom公司在2010年提出了新型的柔性直流拓扑，其中一种单相拓扑结构如附图1，该拓扑通过由半桥子模块级联而成的阀1开关动作形成电压|Uc|，通过全桥补偿电路的开关动作将|Uc|引至交流侧形成所需要的交流电压。
附图2所给出的结构是三相功率传输结构，分别由上述单相结构串联形成，可以有效的实现功率传输，新型拓扑结构大幅度优化，所需器件和电容数量少，经济优势大。
然而，新拓扑在应用过程中仍存在一定的问题，由于结构大幅度优化所带来的影响，是交流故障穿越需要复杂的调制控制，由此造成系统设计复杂，同时该拓扑无法实现直流故障穿越，在架空线应用领域受到了较大的限制。
新型拓扑结构的提出为柔性直流向各种领域发展提供了崭新的方法。新型拓扑价格相对较低，损耗小，可实现大容量等级应用，有着广阔的应用前景。
新型拓扑结构在2010年文章“A New Hybrid Voltage-Sourced Converter for HVDC PowerTransmission”中由D.R.TRAINER等人提出，拓扑采用单相全桥结构和半桥子模块级联结构串并联的形式，实现功率传输，但难以实现直流故障穿越，交流故障也需要通过复杂的控制实现。
申请号为US2012/0069610A1的专利针对该拓扑结构提出专利要求，提出的所有拓扑均无法有效实现直流故障穿越，且难以实现交流故障穿越。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路，其可以简单、有效实现交直流故障穿越，适用于高压大容量直流架空线领域的应用。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路，所述拓扑电路包括模块级联电路、电压转换电路和补偿电路；所述模块级联电路与电压转换电路并联后，与所述补偿电路串联。
所述电压转换电路与模块级联电路的直流出口端并联，所述补偿电路位于电压转换电路与模块级联电路组合结构的直流出口正极或者负极。
所述模块级联电路由至少两个半桥子模块串联而成；通过控制每个半桥子模块的开关状态，使模块级联电路产生交流电压和直流电压。
所述半桥子模块由两个全控型开关器件和电容器组成，两个全控型开关器件串联后与电容器并联；通过控制全控器件的开关，使其输出零和电容电压，从而形成电压阶梯；所述全控型开关器件为IGBT或GTO。
通过协调控制模块级联电路中多个半桥子模块开关状态，使得所述模块级联电路产生需要输出的交流正弦波的绝对值；通过所述电压转换电路中成对的IGBT的导通将其引导至交流侧，形成交流正半波波形，当电压至过零点时，关断成对IGBT，导通另外成对的IGBT，将模块输出电压反向引导至交流侧，形成交流负半波，从而完成交流电压的变换。
所述电压转换电路由电力电子H桥结构形成，该电力电子H桥结构其包括四个桥臂，每个桥臂分别联结交流端和直流端，且均由若干个全控型开关器件和反并联二极管级联而成；通过控制每个桥臂上IGBT的开通和关断，将模块级联电路输出的交流电压引导至交流侧，形成交流电压正半波，同时通过在交流电压过零点转换自身开关状态，将模块级联电路输出的交流电压反向引导至交流侧，产生交流电压的负半波。
所述补偿电路由全桥子模块串联而成，该电路用于正常情况下的谐波不常，交流系统故障下和直流系统故障下直流电压的补偿。
所述全桥子模块由四个全控型开关器件和电容器组成，所述全控型开关器件为IGBT或GTO。
所述补偿电路在正常情况下，对直流电压产生的谐波进行补偿，同时当交流系统发生故障时，直流电压的跌落将由其进行补偿，以保证直流电压的恒定，当直流系统发生故障时，该电路将产生负的总直流电压以隔离故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、通过改变系统结构布局，有效提高了原有拓扑的稳态运行性能；
2、可简单有效实现交直流故障穿越；
3、稳态运行可以通过控制其输出电平，实现新拓扑的有源滤波；
4、交流系统故障下通过控制其投入退出，可以实现交流系统故障的穿越；
5、直流系统故障下通过控制其投入退出，可以实现直流系统故障的穿越。
附图说明
图1是现有技术中柔性直流拓扑中单相拓扑结构图；
图2是现有技术中由图1中单相拓扑机构组成的三相功率传输结构图；
图3是本发明实施例中半桥子模块结构图；
图4是本发明实施例中全桥子模块的结构图；
图5是本发明实施例中适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路单相结构图；
图6是本发明实施例中适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路三相结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图5，本发明提供一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路，所述拓扑电路包括模块级联电路、电压转换电路和补偿电路；所述模块级联电路与电压转换电路并联后，与所述补偿电路串联。
所述电压转换电路与模块级联电路的直流出口端并联，所述补偿电路位于电压转换电路与模块级联电路组合结构的直流出口正极或者负极。
所述模块级联电路由至少两个半桥子模块串联而成；通过控制每个半桥子模块的开关状态，使模块级联电路产生交流电压和直流电压。
如图3，所述半桥子模块由两个全控型开关器件和电容器组成，两个全控型开关器件串联后与电容器并联；通过控制全控器件的开关，使其输出零和电容电压，从而形成电压阶梯；所述全控型开关器件为IGBT或GTO。
通过协调控制模块级联电路中多个半桥子模块开关状态，使得所述模块级联电路产生需要输出的交流正弦波的绝对值；通过所述电压转换电路中成对的IGBT的导通将其引导至交流侧，形成交流正半波波形，当电压至过零点时，关断成对IGBT，导通另外成对的IGBT，将模块输出电压反向引导至交流侧，形成交流负半波，从而完成交流电压的变换。
所述电压转换电路由电力电子H桥结构形成，该电力电子H桥结构其包括四个桥臂，每个桥臂分别联结交流端和直流端，且均由若干个全控型开关器件和反并联二极管级联而成；通过控制每个桥臂上IGBT的开通和关断，将模块级联电路输出的交流电压引导至交流侧，形成交流电压正半波，同时通过在交流电压过零点转换自身开关状态，将模块级联电路输出的交流电压反向引导至交流侧，产生交流电压的负半波。
所述补偿电路由全桥子模块串联而成，该电路用于正常情况下的谐波不常，交流系统故障下和直流系统故障下直流电压的补偿。
如图4，所述全桥子模块由四个全控型开关器件和电容器组成，所述全控型开关器件为IGBT或GTO。
所述补偿电路在正常情况下，对直流电压产生的谐波进行补偿，同时当交流系统发生故障时，直流电压的跌落将由其进行补偿，以保证直流电压的恒定，当直流系统发生故障时，该电路将产生负的总直流电压以隔离故障。
如图6，三相结构由单相结构在直流侧串联组成，即A相的负极与B相正极相连，B相负极与C相正极相连，A相正极和C相负极分别作为三相结构的正极和负极。
三相结构中的补偿电路可以根据实际的结构需求有所变动位置，如补偿电路可自由的以任意数量组合布置于图五中的各个位置。
新拓扑通过改变整体结构布局，具有如下运行特点：
正常运行工况下，结构直流侧由于采用三相半波叠加，直流侧存在偶次谐波，通过加装模块补偿电路，可以通过投入所需要的子模块数量，从而消除直流侧谐波，构成有源滤波装置；
交流系统故障下，新拓扑结构可以通过A、B、C模块输出各自需要的电压，维持交流侧输出所需要的电流，其他的直流电压构成由补偿补偿电路补充构成，由于此时一般不传输有功功率，补偿补偿电路能够保持能量平衡；
直流系统故障下，新拓扑结构通过A、B、C模块输出各自需要的电压，通过补偿补偿电路产生和A、B、C串联叠加电压相反的电压，由于不传输有功功率，补偿补偿电路仍能维持能量平衡，同时能够保证直流电压为零，实现故障电流的清零，保证故障的有效清除。
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 (1)

1.一种适用于故障穿越的模块化多电平柔性直流拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路包括模块级联电路、电压转换电路和补偿电路；所述模块级联电路与电压转换电路并联后，与所述补偿电路串联；
所述电压转换电路与模块级联电路的直流出口端并联，所述补偿电路位于电压转换电路与模块级联电路组合结构的直流出口正极或者负极；
所述模块级联电路由至少两个半桥子模块串联而成；通过控制每个半桥子模块的开关状态，使模块级联电路产生交流电压和直流电压；
所述半桥子模块由两个全控型开关器件和电容器组成，两个全控型开关器件串联后与电容器并联；通过控制全控器件的开关，使其输出零和电容电压，从而形成电压阶梯；所述全控型开关器件为IGBT或GTO；
通过协调控制模块级联电路中多个半桥子模块开关状态，使得所述模块级联电路产生需要输出的交流正弦波的绝对值；通过所述电压转换电路中成对的IGBT的导通将其引导至交流侧，形成交流正半波波形，当电压至过零点时，关断成对IGBT，导通另外成对的IGBT，将模块输出电压反向引导至交流侧，形成交流负半波，从而完成交流电压的变换；
所述电压转换电路由电力电子H桥结构形成，该电力电子H桥结构其包括四个桥臂，每个桥臂分别联结交流端和直流端，且均由若干个全控型开关器件和反并联二极管级联而成；通过控制每个桥臂上IGBT的开通和关断，将模块级联电路输出的交流电压引导至交流侧，形成交流电压正半波，同时通过在交流电压过零点转换自身开关状态，将模块级联电路输出的交流电压反向引导至交流侧，产生交流电压的负半波；
所述补偿电路由全桥子模块串联而成，该电路用于正常情况下的谐波补偿，交流系统故障下和直流系统故障下直流电压的补偿；
所述全桥子模块由四个全控型开关器件和电容器组成，所述全控型开关器件为IGBT或GTO；
所述补偿电路在正常情况下，对直流电压产生的谐波进行补偿，同时当交流系统发生故障时，直流电压的跌落将由其进行补偿，以保证直流电压的恒定，当直流系统发生故障时，该电路将产生负的总直流电压以隔离故障。
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