CN104052026A - 用于模块化多电平换流器的子模块拓扑及其应用 - Google Patents

用于模块化多电平换流器的子模块拓扑及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,包括:相互串联的第一开关模块和第二开关模块,其中第一开关模块的负端与第二开关模块的正端相连接,开关模块由一个全控型器件和一个二极管反并联而成;直流电容,其正极和负极分别与第一开关模块的正端和第二开关模块的负端相连接;还包括第三开关模块,其与第一开关模块和第二开关模块电气连接,使得正常工作时该第三开关模块的全控型器件一直施加触发脉冲从而一直处于导通状态,而发生直流故障时通过闭锁该第三开关模块的触发脉冲实现阻断直流故障电流。本发明还公开了包括该子模块的换流器及其应用。本发明可以实现隔离直流故障功能,同时减少了子模块中开关器件的数量与开关损耗,降低了触发同时性的要求。

Description

技术领域
[0001] 本发明属于电力系统输配电技术领域,更具体地,涉及一种模块化多电平换流器 新型子模块拓扑以及由新型子模块拓扑与半桥型子模块拓扑构成的混合型换流器拓扑。 用于模块化多电平换流器的子模块拓扑及其应用
背景技术
[0002] 目前,高压直流输电(HVDC)技术在可再生能源并网领域得到了广泛的应用。随 着高压直流输电技术的进一步发展,能够实现多电源供电、多落点受电的多端直流输电 (MTDC)技术与直流电网技术得到了强烈的关注。
[0003] 无论是两端高压直流输电技术,还是多端高压直流输电技术以及直流电网技术, 换流器技术都是其关键技术之一。换流器将交流电变换成直流电或者将直流电变换成交流 电,来实现交流-直流/直流-交流的能量传输。可用于交流-直流/直流-交流变换的 技术主要有基于晶闸管的相控换流器和基于全控型电力电子器件的电压源型换流器两种。 然而相控换流器在工作时需要外在交流电压源为其提供换相电压,而且在基于相控换流器 的多端直流输电系统中容易发生连锁换相失败导致系统的崩溃。基于全控型电力电子器件 的电压源型换流器能够实现有功和无功的独立解耦控制、能向弱电网或者孤岛供电、且易 于构成多端直流系统,在提高系统的稳定性和输电能力等方面具有很大优势。近年来,电压 源型高压直流输电在可再生能源接入领域得到广泛应用,取得了巨大的发展。
[0004] 然而随着新型可再生能源容量的不断增大,高压直流输电系统需要传输的电能越 来越大,预期到2015年,电压源型换流器的典型电压和功率为±320kV,1000MW。这对电压 源型换流器提出了很高的要求。传统的两电平电压源型换流器由于受限于全控型器件的功 率等级,不易实现高压大功率的电能传输。
[0005] 随着电压源型换流器技术的进一步发展,现有技术中出现了一种模块化多电平换 流器技术(MMC),其具有交流输出电压谐波畸变率很小,模块化结构易于封装,开关器件承 受更小的电气应力,开关损耗低等优点,并且能实现高压大功率等级的电能传输。模块化多 电平换流器按照子模块拓扑结构的不同,一般分为半桥型、全桥型与箝位双型三种类型。
[0006] 基于半桥型子模块的模块化多电平换流器是三种类型中最常用的变流器技术,得 到了学术界与工业界深入的研究与广泛的应用。2010年,世界首条商业运行的MMC-HVDC系 统,即美国Trans Bay Cable工程采用的就是半桥型MMC技术。上海南汇示范工程以及广东 南澳3端柔性直流输电工程是国内已经投入运行的MMC工程;浙江舟山的5端柔性直流输 电工程正在建设中,厦门2端柔性直流输电工程也处于规划中。这些工程均采用的是基于 半桥型子模块的MMC技术。
[0007] 这些MMC-HVDC工程大多采用低故障率的直流电缆线路,以减少直流故障发生概 率,但造价昂贵、经济效益差。在多端直流输电系统以及直流电网中,直流侧故障是工程设 计运行必须考虑的一种严重故障类型,其对设备参数、控制策略和保护配置具有重要影响, 然而由于没有成熟的直流断路器设备,只能通过利用交流侧设备如交流断路器、交流熔断 器等切断与交流系统的连接,但该方法响应速度较慢、重启动配合动作时序复杂、系统恢复 时间较长。有效的解决方案是利用换流器自身控制实现直流侧故障的自清除,无需机械设 备动作,系统恢复速度快。随着架空线传输直流电、三极直流输电技术等的提出,具有阻断 直流故障电流功能的模块化多电平换流器技术越来越受到重视。
[0008] 全桥型与箝位双型MMC由于它们所采用的子模块结构特殊,具有隔离直流故障的 能力。但是全桥型与箝位双型MMC为了实现隔离直流故障的功能,采用了更多的全控型电 力电子器件。在相同电压、功率等级输出条件下,全桥MMC比半桥型MMC增加了一倍的全控 型电力电子器件的数量,这很大地增加了 MMC的成本;箝位双型MMC的一个子模块中包含两 个电容,比半桥型MMC增加了 25 %的全控型电力电子器件数量,但增加了系统的控制复杂 度与子模块封装、工业设计难度,降低了系统的可靠性。
[0009] 针对具有直流故障隔离功能的换流器中全控型电力电子器件数量过多的问题,目 前存在一种方式是将箝位双子模块型与半桥型子模块进行串联构成混合型模块化多电平 换流器。这种混合型换流器在发生直流侧故障后能有效隔离直流故障,同时全控型电力电 子器件的数量只比半桥型MMC增加了 17.5%。但是这种混合型换流器在发生直流侧故障 后,箝位双子模块型电容会一直处于充电状态,造成电容电压过大,必须在箝位双子模块型 中加入阻尼电阻来耗散掉多余的能量,额外的阻尼电阻会加大子模块的体积,散热器,重量 等,从而加大子模块的制造成本与工艺设计难度,提高子模块成本。
发明内容
[0010] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供一种用于模块化多电平换流器 的具有阻断直流故障电流功能的子模块拓扑结构,相比于现有的具备阻断直流故障电流的 子模块,其具有减少子模块中全控型电力电子器件的数量,降低子模块的工艺实现难度的 优点,使用这些子模块可以构成具备隔离直流故障功能的模块化多电平换流器。
[0011] 按照本发明的一个方面,提供一种用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结 构,其中,该子模块拓扑结构包括:
[0012] 相互串联的第一开关模块和第二开关模块,其中第一开关模块的负端与第二开关 模块的正端相连接,其中所述开关模块由一个全控型器件和一个二极管反并联而成;以及
[0013] 直流电容,其正极和负极分别与第一开关模块的正端和第二开关模块的负端相连 接;
[0014] 其特征在于,还包括第三开关模块,其与上述第一开关模块和第二开关模块电气 连接,使得正常工作时该第三开关模块的全控型器件一直施加触发脉冲从而一直处于导通 状态,而发生直流故障时通过闭锁该第三开关模块的触发脉冲实现阻断直流故障电流。
[0015] 作为本发明的改进,所述第三开关模块负端与第二开关模块的负端相连接,第三 开关模块正端作为所述子模块的输出负端,第一开关模块和第二开关模块的连接点作为子 模块的输出正端。
[0016] 作为本发明的改进,还包括一个第四二极管,其阳极与第三开关模块的正端相连, 阴极与直流电容的正极相连。
[0017] 作为本发明的改进,所述第三开关模块正端与第一开关模块和第二开关模块的连 接点连接,第三开关模块负端作为所述子模块的输出正端,第二开关模块负端作为所述子 模块的输出负端。
[0018] 作为本发明的改进,所述第三开关模块负端与第一开关模块和第二开关模块的连 接点连接,第三开关模块正端作为所述子模块的输出负端,第一开关模块正端作为所述子 模块的输出正端。
[0019] 作为本发明的改进,所述第三开关模块正端与第一开关模块正端连接,第三开关 模块负端作为所述子模块的输出正端,第一开关模块和第二开关模块的连接点作为所述子 模块的输出负端。
[0020] 作为本发明的改进,还包括一个第四二极管,其阳极与直流电容的负端相连,阴极 与第三开关模块的负端相连。
[0021] 作为本发明的改进,所述全控型器件可以是绝缘门极双极型晶体管(IGBT)、集成 门极换流晶闸管(IGCT)或门极可关断晶闸管(GT0)。
[0022] 按照本发明的另一方面,提供一种模块化多电平换流器,其包括一个或多个相单 元,每个相单元包括串联连接的上桥臂和下桥臂,以及与该上桥臂和下桥臂分别对应串联 的桥臂电感,其中,上桥臂正端和下桥臂的负端分别与直流母线的正极和负极相连接,每个 相单元的上桥臂负端和下桥臂正端的连接点处作为A,B,C三相输出端子引出点,上桥臂或 下桥臂由多个上述子模块拓扑依次串联而成。
[0023] 按照本发明的又一方面,提供一种模块化多电平换流器,其包括一个或多个相单 元,每个相单元包括串联连接的上桥臂和下桥臂,以及与该上桥臂和下桥臂分别对应串联 的桥臂电感,其中,上桥臂正端和下桥臂的负端分别与直流母线的正极和负极相连接,每个 相单元的上桥臂负端和下桥臂正端的连接点处作为A,B,C三相输出端子引出点,上桥臂或 下桥臂由一个或多个上述子模块拓扑与一个或多个半桥型子模块拓扑混合串联而成。
[0024] 作为本发明的改进,所述上桥臂或下桥臂中的上述子模块拓扑个数与半桥型子模 块拓扑相同。
[0025] 按照本发明的再一方面,通过一种利用上述模块化多电平换流器进行阻断直流故 障电流的方法,用于在发生直流故障时阻断该直流故障电流,其特征在于,该方法具体为, 在发生直流故障时,闭锁所述子模块拓扑的第三开关模块的触发脉冲,即可断开交流侧向 直流侧提供故障电流的通路。
[0026] 作为本发明的改进,所述直流故障通过检测直流电流值是否越限,或检测直流电 流上升速率是否越限等操作判断进行判断。
[0027] 作为本发明的改进,所述直流故障为直流侧永久性故障,其阻断直流故障电流具 体过程为:首先闭锁所有的全控型器件触发脉冲从而隔离直流故障,然后关断交流侧断路 器,以待直流侧故障清除后重新充电运行。
[0028] 作为本发明的改进,所述直流故障为直流侧暂时性故障,其阻断直流故障电流具 体过程为:首先闭锁所有的全控型器件触发脉冲从而隔离直流故障,待直流电弧熄灭后,解 锁每个子模块中第三开关模块的全控型器件的触发脉冲,由交流侧给直流线路充电,最后 解锁其余的全控型器件,以重新进入稳态运行。
[0029] 本发明的混合型模块化多电平换流器中,可以很大程度地减少全控型电力电子器 件的数量,只需在现有的半桥型MMC的基础上增加约25%的全控型电力电子器件就可以使 得混合型换流器具有隔离直流故障电流的功能。
[0030] 本发明的模块化多电平换流器子模块拓扑结构中,该子模块由三个开关模块,一 个直流电容,子模块输出正端以及子模块输出负端通过一定的电气连接而成,其中每个开 关模块由一个全控型器件和一个二极管反并联而成。记全控型器件集电极与二极管阴极的 连接处为开关模块的正端,全控型器件发射极与二极管阳极的连接处为开关模块的负端。
[0031] 本发明中,第一开关模块与第二开关模块依次串联,第一开关模块的负端与第二 开关模块的正端相连接;直流电容正极和直流电容的负极分别与第一开关模块的正端和第 二开关模块的负端相连接;从而完成直流电容、第一开关模块和第二开关模块的连接。若分 别将子模块输出正端和子模块输出负端与第一,第二开关模块的连接点和第二开关模块的 负端相连接,则构成了典型的半桥子模块拓扑,该拓扑不具备阻断直流故障电流的能力。
[0032] 本发明中为使子模块具有阻断直流故障电流的能力,将第三开关模块的负端与第 二开关模块的负端相连接,并进一步地将子模块输出正端和子模块输出负端分别与第一, 第二开关模块的连接点和第三开关模块的正端相连接。正常工作时第三开关模块的全控 型器件一直施加触发脉冲,一直处于导通状态,使得本发明在正常运行时与常规半桥子模 块无异,发生直流故障时通过闭锁第三开关模块的触发脉冲来达到阻断直流故障电流的目 的。
[0033] 本发明中,还可以将第三开关模块的正端与第一,第二开关模块的连接点相连接, 从第三开关模块的负端与直流电容的负极分别引出子模块输出正端及子模块输出负端。 [0034] 本发明中,还可以将第三开关模块的负端与第一,二开关模块的连接点相连接,从 直流电容的正极与第三开关模块的正端分别引出子模块输出正端和子模块输出负端。
[0035] 本发明中,还可以将第三开关模块的正端和直流电容正极相连接,从第三开关模 块的负端和第一,第二开关模块的连接点处分别引出子模块输出正端和子模块输出负端。
[0036] 本发明中,在发生直流故障时通过闭锁第三开关模块的触发脉冲就可以阻断直流 故障电流,但模块化多电平换流器在电平数较高时,对闭锁所有第三开关模块触发脉冲的 同时性要求高,否则子模块中的第三开关模块由于不同时闭锁而导致先闭锁的某个子模块 的第三开关模块中的全控型器件承受全部的交流电压而被烧毁,为了降低触发同时性的要 求,可以通过增加一个第四二极管,从而克服上述缺陷。。
[0037] 具体地,第四二极管的阳极可以与第三开关模块的正端相连,第四二极管的阴极 与直流电容的正极相连。新增加的第四二极管不会影响新型子模块的正常运行;在发生直 流侧故障后,如果故障电流从子模块输出正端流入,则故障电流从第一开关模块的反并联 二极管后,经由直流电容再经第三开关模块的反并联二极管流出,第三开关模块的全控型 器件承受压降几乎为〇 ;若故障电流从子模块输出负端流入,则故障电流流经由第四二极 管、直流电容、和第二开关模块的反并联二极管流通,第三开关模块的全控型器件承受的电 压被箝制在电容电压;这两种情况均不会导致第三开关模块中全控型器件由于不同时触发 闭锁而承受全部交流电压被烧毁,从而减少了触发同时性的要求。
[0038] 另外,增加的第四二极管,其阳极还可以与直流电容的负端相连,第四二极管的阴 极与第三开关模块的负端相连,也可以达到降低触发同时性的要求的目的。
[0039] 本发明中,每个相单元的一种连接方式是上桥臂电感的一端连接正极直流母线, 上桥臂电感的另一端与上桥臂正端相连接,上桥臂负端与下桥臂正端相连接,下桥臂负端 与下桥臂电感的一端连接,下桥臂电感的另一端与负极直流母线相连接,每个相单元的上 桥臂负端和下桥臂正端连接点处引出A,B,C三相输出端子。
[0040] 每个相单元的另一种连接方式是上桥臂的正端与正极直流母线连接,上桥臂的负 端与上桥臂电感的一端相连接,上桥臂电感的另一端与下桥臂电感的一端连接,下桥臂电 感的另一端与下桥臂的正端相连接,下桥臂的负端与负极直流母线相连接,每个相单元的 上桥臂电感与下桥臂电感连接处引出A,B,C三相输出端子。
[0041] 更进一步地,上述模块化多电平换流器可以包含一个或多个相单元从而构成一相 或多相模块化多电平换流器。
[0042] 更进一步地,本发明还提供了一种由上述子模块与常规半桥子模块构成的混合型 换流器,其技术细节为将上述由上述子模块构成的模块化多电平换流器的每个桥臂的一部 分上述子模块用常规的半桥型子模块替代从而减少所采用的上述子模块的数量以减少换 流器成本。
[0043] 更进一步地,混合型换流器的每个桥臂所包含的常规半桥子模块与上述子模块的 比例为1 :1从而减少为了达到阻断直流故障电流而额外增加的全控型器件数量,按1 :1的 比例,只需相比常规半桥型子模块MMC增加25 %的全控型器件就可以使得混合型换流器具 备阻断直流故障电流的能力。
[0044] 更进一步地,本发明还提供了一种利用上述子模块构成的模块化多电平换流器或 混合型模块化多电平换流器的阻断直流故障电流方法,发生直流故障时通过闭锁新型子模 块的第三开关模块的触发脉冲即可断开交流侧向直流侧提供故障电流的通路从而阻断直 流故障电流。
[0045] 更进一步地,本发明方案提出的由新型子模块拓扑构成的单相、三相或多相模块 化多电平换流器在直流侧发生故障后,通过以下隔离步骤隔离直流故障。
[0046] 针对直流侧永久性故障,隔离步骤1 :通过检测直流电流值是否越限,或检测直流 电流上升速率是否越限等操作判断是否发生直流侧故障;隔离步骤2,已判断发生直流故 障,则闭锁所有的全控型电力电子器件触发脉冲从而隔离直流故障;步骤3,关断交流侧断 路器,待直流侧故障清除后,系统再重新充电运行。
[0047] 针对直流侧暂时性故障,隔离步骤1 :通过检测直流电流值是否越限,或检测直流 电流上升速率是否越限等操作判断是否发生直流侧故障;隔离步骤2,若已判断发生直流 故障,则闭锁所有的全控型电力电子器件触发脉冲从而隔离直流故障;隔离步骤3,待直流 电弧熄灭后,解锁每个子模块中第三开关模块的全控型电力电子器件触发脉冲,由交流侧 给直流线路充电;隔离步骤4,解锁其余的全控型电力电子器件,恢复控制,系统重新进入 稳态运行。
[0048] 总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下有益效 果:本发明提供的新型子模块拓扑可以实现隔离直流故障功能,且相比于全桥型子模块、箝 位双型子模块与二极管箝位型子模块,减少了子模块中开关器件的数量与开关损耗,降低 了结构设计与工业应用的难度。
附图说明
[0049] 图1是常规的半桥型子模块的拓扑结构图;
[0050] 图2是常规的全桥型子模块的拓扑结构图;
[0051] 图3是常规的箝位双型子模块的拓扑结构图;
[0052] 图4是二极管箝位型子模块拓扑结构图;
[0053] 图5是本发明子模块的第一实施例的拓扑结构图;
[0054] 图6是本发明子模块的第二实施例的拓扑结构图;
[0055] 图7是本发明子模块的第三实施例的拓扑结构图;
[0056] 图8是本发明子模块的第四实施例的拓扑结构图;
[0057] 图9是本发明子模块的第五实施例的拓扑结构图;
[0058] 图10是本发明子模块的第六实施例的拓扑结构图;
[0059] 图11是由本发明子模块(第一实施例至第六实施例)构成的第一种三相模块化 多电平换流器拓扑;
[0060] 图12是由本发明子模块(第一实施例至第六实施例)构成的第二种三相模块化 多电平换流器拓扑;
[0061] 图13是本发明实施例提供的由子模块多种实施例和半桥型子模块构成的三相混 合型模块化多电平换流器结构示意图;
[0062] 图14是由新型子模块构成的三相9电平的模块化多电平换流器仿真示意图;
[0063] 图15是图14所示的模块化多电平换流器简化分析电路图
[0064] 图16是本发明实施例提供的三相模块化多电平换流器在故障后IGBT闭锁瞬间的 等值电路图;
[0065] 图17是本发明实施例提供的三相9电平模块化多电平换流器的子模块电容电压 值的仿真波形图;
[0066] 图18是本发明实施例提供的三相9电平模块化多电平换流器的上桥臂电流值的 仿真波形图。
具体实施方式
[0067] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0068] 本发明实施例提供的新型子模块拓扑主要用于构造新型模块化多电平换流器,使 得新型模块化多电平换流器用于两端直流输电,多端直流输电以及直流电网中,其显著的 技术性表现在相比于常规的不具备阻断直流故障电流能力的半桥型模块化多电平换流器, 只需要增加25%的全控型器件就可以使得新型的模块化多电平换流器具备阻断直流故障 电流的能力,相比于全桥型子模块与箝位双子模块型减少了子模块数量与开关损耗,更利 于工程设计与实现。
[0069]图1所示已公知的常规半桥型子模块拓扑,发生直流故障时,换流器所连接的交 流系统将通过下部二极管D2给直流故障电流供电从而使得直流电弧难以熄灭,并使交流 系统处于短路状态,D2流经较大的故障电流有可能被烧毁,需要断开交流侧开关以切断直 流故障电流,从而大大延迟了系统恢复供电的时间。
[0070] 如图2所示为已公知的全桥子模块拓扑,该拓扑具备阻断直流故障电流的能力, 但对比图1和图2可以明显看出,全桥子模块拓扑所采用的开关器件数量为半桥子模块的 2倍,成本大大增加。
[0071] 如图3所示的箝位双子模块拓扑,在发生直流侧故障时,将闭锁所有全控型器件, 箝位双子模块在故障时刻存在两条放电通路,但由于两条通路下直流电容电压之和大于交 流系统线电压幅值,将导致二极管被反向阻断,从而隔离直流故障。但是箝位双子模块型采 用了更多的半导体器件,增加了工艺设计的难度;同时由于闭锁后,直流网络储存的能量主 要由子模块电容吸收,如果能量过大会引起子模块电容电压增加幅度大,引起的过电压问 题可能烧毁半导体器件。
[0072] 图4所示的二极管箝位型子模块拓扑,该结构采用了三个IGBT器件、两个直流电 容器,利用二极管箝位来实现直流故障的隔离。但该拓扑采用了两个电容器,增加了子模块 的体积与设计成本。
[0073] 图5为本发明所提出的子模块的第一实施例,该新型子模块由三个开关模块1〜 3, 一个直流电容4,子模块输出正端5和子模块输出负端6构成。每个开关模块由全控型器 件(T1,T2,T3)和二极管(D1,D2,D3)反向并联而成。
[0074] 记全控型器件与二极管阴极的连接处为开关模块的正端,全控型器件与二极管阳 极的连接处为开关模块的负端。直流电容4的正极和负极分别与第一开关模块1的正端和 第二开关模块2的负端相连接,第一开关模块1的负端与第二开关模块2的正端相连接,从 而完成直流电容4,第一开关模块1和第二开关模块2的连接,若分别从第一,第二开关模块 的连接点以及第二开关模块2的负端引出子模块输出正端5和子模块输出负端6,则构成了 与图1完全一致的典型的半桥子模块拓扑,该拓扑不具备阻断直流故障电流的能力。
[0075] 为使子模块具有阻断直流故障电流的能力,本实施例中,将第三开关模块3的负 端与第二开关模块2的负端相连接,并进一步地将子模块输出正端5和子模块输出负端6 分别与第一开关模块1,第二开关模块2的连接点和第三开关模块3的正端相连接。正常工 作时会一直给第三开关模块3的全控型器件施加触发脉冲使得本发明实施例在正常运行 时与常规半桥子模块无异,发生直流故障时通过闭锁第三开关模块3的触发脉冲可以阻断 直流故障电流的通流途径。
[0076] 图6所示为本发明子模块的第二实施例,其与第一实施例不同之处仅在于,第三 开关模块3的正端与第一开关模块1的负端相连接,从第三开关模块3的负端与直流电容 4的负极(第二开关模块2的负端)分别引出子模块输出正端5及子模块输出负端6。
[0077] 图7为本发明子模块的第三的实施例,其与第一实施例不同之处仅在于,第三开 关模块3的负端与第一开关模块1的负端(该连接点也为第一开关模块1与第二开关模块 2的连接点)相连接,从直流电容4的正极(第一开关模块1的正极)与第三开关模块3的 正端分别引出子模块输出正端5和子模块输出负端6。
[0078] 图8为本发明子模块的第四实施例,其与第一实施例不同之处仅在于,第三开关 模块3的正端和直流电容4的正极(第一开关模块1的正极)相连接,从第三开关模块3 的负端和第一开关模块1的负端分别引出子模块输出正端5和子模块输出负端6。
[0079] 上述四种方案构成的模块化多电平换流器在直流侧发生故障后,对闭锁每个桥臂 的第三开关模块3中全控型器件的触发脉冲同时性要求很高。否则子模块中的第三开关模 块3由于不同时闭锁而导致先闭锁的某个子模块的第三开关模块3中的全控型器件承受全 部的交流电压而被烧毁,为减小触发同时性的要求,使本发明能更好地应用于高电平数的 模块化多电平换流器,可以进一步增加一个第四二极管构成新的实施方案。图9为本发明 子模块的的第五实施例,其与第一实施例不同之处仅在于,增加了一个第四二极管7,该二 极管7的阳极与第三开关模块3的正端相连,将二极管7的阴极与直流电容4的正极(第 一开关模块1的正极)相连。
[0080] 新增加的二极管7不影响子模块的正常运行;在发生直流侧故障后,若故障电流 从子模块输出正端5流入,则故障电流流经第一开关模块一的反并联二极管后,经由直流 电容4再从第三开关模块3的反并联二极管流通,第三开关模块的全控型器件承受压降几 乎为〇 ;若故障电流从子模块输出负端6流入,则故障电流流经二极管7、直流电容4、第二 开关模块2的反并联二极管流通,第三开关模块3中的全控型器件承受的电压被箝制在电 容电压;这两种情况均不会导致第三开关模块3中全控型器件由于不同时触发闭锁而承受 全部交流电压被烧毁,从而减少了触发同时性的要求。
[0081] 图10为本发明子模块的第六实施例,其与第四实施例不同之处仅在于,增加一个 二极管7,该二极管7的阳极与直流电容4的负端相连,将该二极管的阴极与第三开关模块 3的负端相连。
[0082] 图11所示为由本发明所提出的由上述子模块构成的三相模块化多电平换流器拓 扑,该新型三相模块化多电平换流器包括三个相单元11,每个相单元由上桥臂12,上桥臂 电感13,下桥臂电感14,下桥臂15依次串联而成,每个桥臂由N个子模块依次串联而成,每 个相单元11的正端与正极直流母线16相连接,相单元11的负端与直流负极母线17相连 接,从每个上桥臂电感,下桥臂电感的连接点处分别引出交流输出端子8〜10。每个桥臂的 具体连接方式示于图11左侧。
[0083] 图12所示为由本发明所提出的新型子模块改进型构成的新型三相模块化多电平 换流器的另一种实现方式,该拓扑与图11基本类似,区别仅在于构成每个相单元的桥臂与 桥臂电感的连接先后次序不同。该新型三相模块化多电平换流器包括三个相单元11,每个 相单元由上桥臂电感13,上桥臂12,下桥臂15,下桥臂电感14依次串联而成,从每个上桥 臂,下桥臂的连接点处分别引出交流输出端子8〜10,该方案其他部件实现形式与图11完 全一致,不再赘述。
[0084] 本发明中,根据新型模块化多电平换流器传输功率的大小,每个新型模块化多电 平换流器可以由一个或多个相单元组成从而构成一相或多相新型模块化多电平换流器,并 不限定于图11和图12实施例所述的相单元数量。
[0085] 图13为由新型子模块改进型拓扑和常规半桥型子模块混合而成的混合型换流 器,图13拓扑与图11拓扑基本一致,区别在于每个桥臂12,15由多个新型子模块和常规半 桥型子模块混合串联而成,其中新型子模块和常规半桥子模块的串联次序任意。所述的新 型子模块可以是上述实施例一至实施例六中的任何一种。
[0086] 每个桥臂所使用的新型子模块与常规半桥子模块的数量比例优选值为1 :1,这样 在发生直流故障时通过闭锁所有新型子模块的触发脉冲可以阻断直流故障电流同时又因 为选择了足够数量的新型子模块,新型子模块的第三开关模块3不会因为承载过电压而烧 毁。图14为本发明实施例提出的由新型子模块构成的三相9电平模块化多电平换流器仿 真示意图。为分析方便,取出图14的一相来进行分析,并将上下桥臂8个新型子模块分别 等效为一个子模块,如图15所示。电容22、28为上下桥臂的等效串联电容值,电容电压分 别是上桥臂、下桥臂子模块电容电压之和。当发生直流侧极对极短路故障29后,将闭锁开 关模块19、20、21、24、25、26中的全控型器件。假设故障电流从交流侧流向直流侧,上桥臂 由于IGBT闭锁,故障电流只能通过二极管23、电容22和开关模块20中的反并联二极管流 通,但上桥臂电容电压之和维持在直流电压U d。附近,而交流侧相电压幅值是小于^。的,二 极管承受反压而无法导通,上桥臂没有导电通路;下桥臂的故障电流也只能通过开关模块 24、26中的反并联二极管和电容27构成导电通路,但是由于下桥臂电容电压之和维持在直 流电压U d。附近,而交流侧相电压幅值是小于Ud。的,二极管承受反压而无法导通,下桥臂没 有导电通路。
[0087] 假设故障电流从直流侧流向交流侧,上桥臂故障电流的可能路径为电容22和开 关模块19、21中的反并联二极管,但上桥臂电容电压之和维持在直流电压Ud。附近,二极管 承受反压而无法导通,上桥臂没有导电通路;下桥臂的可能故障电流路径为开关模块24、 中的反并联二极管、电容27和二极管28,但是由于下桥臂电容电压之和维持在直流电压U d。 附近,二极管承受反压而无法导通,下桥臂没有导电通路。从而交流电源30无法向故障点 提供短路电流,实现了直流故障的隔离。
[0088] 在发生直流侧故障后,换流器在闭锁瞬间的等值电路如图16所示。取Um为三相 电源相电压幅值(即相对地的电压最大值),U。为子模块额定电容电压,N为每个桥臂上子 模块的个数,U a"为桥臂子模块电容电压之和,Ua" = N*U。。为了达到隔离直流侧故障功能, 需要满足下式:
[0089] Uffl < Uarm (1)
[0090] 取换流器电压调制比为M,则:
r 1 (2>
[0091]
[0092] 在换流器正常运行时,必须满足调制比M〈l,从而:
[0093]
(3)
[0094] 然而直流侧电压Ud。为N个子模块额定电容电压之和,即
[0095]
(4)
[0096] 由式(1)与式(4)可知,每相桥臂只需要N/2个新型子模块就可以达到隔离直流 故障功能。为此图13所示的混合型换流器中,每个桥臂所使用的新型子模块与常规半桥子 模块的数量比例优选值为1 :1。
[0097] 为验证本发明的技术可行性,利用国际通用直流输电仿真软件PSCAD/EMTDC搭建 了与对应的仿真算例进行仿真验证。
[0098] 仿真算例中,各个器件都采用PSCAD/EMTDC标准模型库中的详细模型。系统额定 容量为1000MVA,额定交流电压为230kV,直流电压为± 200kV,子模块电容为3000 μ F,桥臂 电感为0. 0154Η,上下桥臂各8个子模块。
[0099] 相应仿真结果如图17和图18所示,图17为子模块电容电压值,图18为直流电流 值。仿真时间Is时,系统在换流器直流侧出口处发生永久性极对极直流短路故障。从图17 可以看出,在发生短路故障,全控型器件触发脉冲被闭锁后,子模块电容电压值几乎维持在 额定电压值附近;从图18可以看出在发生直流侧短路故障后,直流故障电流立即下降至0, 能有效隔离直流故障。
[0100] 需要指出的是,图17和图18主要用于对本发明所提出的新型子模块进行原理性 验证,子模块的额定电压值为50kV。图17和图18所验证的原理可以推广应用到实际中的 任意电平数MMC。
[0101] 本发明实例提出的混合型换流器拓扑,具备隔离直流故障功能,相比于不具备阻 断直流故障电流的公知半桥型MMC仅仅增加了 25%的子模块数量。相比于已有的具有阻断 直流故障电流能力的MMC,不需要额外的阻尼电阻,减少了成本、降低了工业设计的难度,具 有相当大的工业应用价值。
[0102] 本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以 限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1. 一种用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,该子模块拓扑结构包 括: 相互串联的第一开关模块(1)和第二开关模块(2),其中第一开关模块(1)的负端与第 二开关模块(2)的正端相连接; 直流电容(4),其正极和负极分别与第一开关模块(1)的正端和第二开关模块(2)的负 端相连接; 其特征在于,还包括第三开关模块(3),其与上述第一开关模块(1)和第二开关模块 (2)电气连接,使得正常工作时该第三开关模块(3)的全控型器件一直施加触发脉冲从而 一直处于导通状态,而发生直流故障时通过闭锁该第三开关模块(3)的触发脉冲实现阻断 直流故障电流,其中,所述各开关模块(1、2、3)均由一个全控型器件和一个二极管反并联 而成。
2. 根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,所述 第三开关模块(3)负端与第二开关模块(2)的负端相连接,第三开关模块(3)正端作为所 述子模块的输出负端(6),第一开关模块和第二开关模块的连接点作为子模块的输出正端 (5)。
3. 根据权利要求2所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,还包 括一个第四二极管(7),其阳极与第三开关模块(3)的正端相连,阴极与直流电容(4)的正 极相连,以减小所述第三开关模块(3)的全控型器件的触发脉冲同时性要求。
4. 根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,所述 第三开关模块(3)正端与第一开关模块(1)和第二开关模块(2)的连接点连接,第三开关 模块(3)负端作为所述子模块的输出正端(5),第二开关模块(2)负端作为所述子模块的输 出负端(6)。
5. 根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,所述 第三开关模块(3)负端与第一开关模块(1)和第二开关模块(2)的连接点连接,第三开关 模块(3)正端作为所述子模块的输出负端(6),第一开关模块(1)正端作为所述子模块的输 出正端(5)。
6. 根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,所述 第三开关模块(3)正端与第一开关模块(1)正端连接,第三开关模块(3)负端作为所述子 模块的输出正端(5),第一开关模块(1)和第二开关模块(2)的连接点作为所述子模块的输 出负端(6)。
7. 根据权利要求6所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构,其中,还包 括一个第四二极管(7),其阳极与直流电容(4)的负端相连,阴极与第三开关模块(3)的负 端相连,以减小所述第三开关模块(3)的全控型器件的触发脉冲同时性要求。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的用于模块化多电平换流器中的子模块拓扑结构, 其中,所述全控型器件可以是绝缘门极双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT) 或门极可关断晶闸管(GTO)。
9. 一种模块化多电平换流器,其包括一个或多个相单元(11),每个相单元(11)包括串 联连接的上桥臂(12)和下桥臂(15),以及与该上桥臂(12)和下桥臂(15)分别对应串联 的桥臂电感(13、14),其中,上桥臂(12)正端和下桥臂(15)的负端分别与直流母线的正极 (16)和负极(17)相连接,每个相单元(11)的上桥臂(12)负端和下桥臂(15)正端的连接 点处作为A,B,C三相输出端子引出点,上桥臂(12)或下桥臂(15)由一个或多个上述权利 要求1-8中任一项或多项所述的子模块拓扑串联而形成。
10. -种混合型模块化多电平换流器,其包括一个或多个相单元(11),每个相单元包 括串联连接的上桥臂(12)和下桥臂(15),以及与该上桥臂(12)和下桥臂(15)分别对应串 联的桥臂电感(13、14),其中,上桥臂(12)正端和下桥臂(15)的负端分别与直流母线的正 极(16)和负极(17)相连接,每个相单元(11)的上桥臂(12)负端和下桥臂(15)正端的连 接点处作为A,B,C三相输出端子引出点,上桥臂(12)或下桥臂(15)由一个或多个上述权 利要求1-8中任一项所述的子模块拓扑与一个或多个半桥型子模块拓扑混合串联而成。
11. 根据权利要求10所述的一种模块化多电平换流器,其中,所述上桥臂(12)或下桥 臂(15)中的上述子模块拓扑个数与半桥型子模块拓扑相同。
12. -种利用上述权利要求9-11中任一项所述的模块化多电平换流器进行阻断直流 故障电流的方法,用于在发生直流故障时阻断该直流故障电流,其特征在于,该方法具体 为,在发生直流故障时,闭锁所述子模块拓扑的第三开关模块(3)的触发脉冲,即可断开交 流侧向直流侧提供故障电流的通路。
13. 根据权利要求12所述的方法,其中,所述直流故障通过检测直流电流值是否越限, 或检测直流电流上升速率是否越限进行判断。
14. 根据权利要求12或13所述的方法,其中,所述直流故障为直流侧永久性故障,其阻 断直流故障电流具体过程为:首先闭锁所有的全控型器件触发脉冲从而隔离直流故障,然 后开断交流侧断路器,以待直流侧故障清除后重新充电运行。
15. 根据权利要求12或13所述的方法,其中,所述直流故障为直流侧暂时性故障,其阻 断直流故障电流具体过程为:首先闭锁所有的全控型器件触发脉冲从而隔离直流故障,待 直流电弧熄灭后,解锁每个子模块中第三开关模块的全控型器件的触发脉冲,由交流侧给 直流线路充电,最后解锁其余的全控型器件,以重新进入稳态运行。
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