CN104078994A

CN104078994A - 一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器

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Publication number: CN104078994A
Application number: CN201410332103.8A
Authority: CN
Inventors: 赵剑锋; 李东野
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2034-07-11
Also published as: CN104078994B

Abstract

本发明提供了一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，其中模块分为第一模块和第二模块。第一模块与传统模块化多电平变流器中模块的结构相同，第二模块在第一模块的基础上增加了少量半导体开关、二极管和阻尼电阻。第一模块和第二模块均有电平叠加功能，但只有第二模块具有直流故障穿越能力。该具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器不仅能实现传统模块化多电平变流器功能，而且具备直流故障穿越能力。与现有具备直流故障穿越能力的模块化多电平电路相比，本电路所用器件少，结构简洁，传统模块化多电平变流器的调制和控制策略均适用，适合应用于高压大功率场合，特别是应用模块化多电平变流器且易发生直流故障的高压直流输电领域。

Description

一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器

技术领域

本发明涉及一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，属于电力电子应用的技术领域。

背景技术

随着经济的快速发展、社会生产规模的逐步扩大，各种形式的电力需求不断增长，对电力电子设备的要求也越来越高，电力电子技术随之飞速发展，其中多电平变换器因具有输出电压高、谐波含量低、电压变化率小、功率开关器件电压应力小、开关频率低等优点正逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。随着全控型电力电子器件耐压等级和容量的不断提升，使得采用半导体开关构成的多种电压源变流器并应用于高压大功率场合成为可能。其中模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)因为具有高度模块化结构而易于扩容，具有公共直流母线可以提高系统可靠性且有利于降低成本，对系统主回路的杂散参数不敏感而易于实现，不平衡运行能力、故障穿越和恢复能力强，输出波形好等优点，使得其较传统的两电平或三电平变流器具有一系列优点，所以是近期国内外的研究焦点。

模块化多电平变流器不仅继承了传统高压大功率多电平变流器的优点，而且以其独特的优势在高压电力系统的电能传输和电能质量问题等方面都具有很大潜力。目前国内外有关模块化多电平换流器的推广应用主要集中在高压直流输电领域，例如2010年底完成项目测试的西门子公司开发的连接美国匹兹堡和旧金山的高压直流输电系统，以及2011年完成工程验收的我国首条正式投入商用的南汇风电场的高压直流输电工程都是基于模块化多电平换流器建立的。因此对模块化多电平换流器在高压直流输电(HighVoltage Direct Current Transmission，HVDC)及输配电系统中的关键技术研究，将会对我国坚强智能电网建设提供有力的技术支撑。

直流侧故障是HVDC工程设计运行必须考虑的一种严重故障类型，对设备参数、控制策略和保护配置具有重要影响，然而现有技术存在无法有效处理直流故障的固有缺陷。当直流侧发生故障时，全控型开关器件所反并联的续流二极管容易构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路，无法单纯依靠变流器动作完成直流侧故障电流的清除。目前已投运的HVDC工程大多采用电缆敷设线路，以减少直流故障发生概率，但造价昂贵、经济效益差。从原理上分析，处理直流侧故障的基本途径有3类：(1)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；(2)利用直流侧设备如直流断路器隔离故障点，但直流断路器存在灭弧非常困难、线路能量不易耗散、造价昂贵、技术不成熟等缺点，在高压大容量场合鲜有应用；(3)利用变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，故系统恢复很快，事实上这种思路已广泛应用在传统直流输电技术中，即通过强制移相快速消除弧道电流。寻找具有直流故障穿越能力的新型变流器是目前学术界和工业界的研究热点，对它的研究具有重要的理论价值和现实指导意义。

在传统模块化多电平变流器中，如图1所示，出现直流故障后需要将所有半导体开关关断，但在关断前，由于检测、判断以及保护装置动作的延时性，所有半导体开关并不能立刻关断。在这段时间内，故障点的电流由两部分组成：一是交流电源通过与半导体开关反并联的续流二极管D2向直流侧故障点馈送交流电流；二是投入的模块电容通过半导体开关T1进行快速放电。二者都会导致直流侧电流急剧增大，半导体开关T1和续流二极管D2都要承受过流，可能会造成器件损坏。半导体开关关断后，电容放电回路切断，故障点电流也由两部分组成：一是交流侧馈入的交流电流，二是桥臂电感的放电电流，此时只有续流二极管D2承受过流，过流程度不会超过开关管关断前，一直持续到交流侧断路器动作，切断交流电流，电感续流逐渐降为0。由此可见，单纯使用第一模块的模块化多电平变流器不具备直流故障自清除的能力，因为与全控器件反并联的二极管会构成故障点与交流系统直接相连的能量馈送回路，并且是不可控的。这对整个系统来说无疑很危险。

发明内容

技术问题：针对上述现有技术，提出一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，在实现传统模块化多电平变流器功能的基础上，使其具有直流故障穿越能力。

技术方案：一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，该变流器包括A相上下桥臂、B相上下桥臂以及C相上下桥臂；子模块包括第一模块和第二模块；

所述A相上桥臂由级联的X个第一模块、Y个第二模块以及连接在末端的电感Lap构成，所述A相下桥臂由级联的X个第一模块、Y个第二模块以及连接在末端的电感Lan构成，所述电感Lap未与子模块连接的一端和电感Lan未与子模块连接的一端相连接并作为模块化多电平变流器的交流侧A相端口a；

所述B相上桥臂由级联的X个第一模块、Y个第二模块以及连接在末端的电感Lbp构成，所述B相下桥臂由级联的X个第一模块、Y个第二模块以及连接在末端的电感Lbn构成，所述电感Lbp未与子模块连接的一端和电感Lbn未与子模块连接的一端相连接并作为模块化多电平变流器的交流侧B相端口b；

所述C相上桥臂由级联的X个第一模块、Y个第二模块以及连接在末端的电感Lcp构成，所述C相下桥臂由级联的X个第一模块、Y个第二模块以及连接在末端的电感Lcn构成，所述电感Lcp未与子模块连接的一端和电感Lcn未与子模块连接的一端相连接并作为模块化多电平变流器的交流侧C相端口c；

其中，第一模块包括直流电容C1、半导体开关T1、半导体开关T2、续流二极管D1和续流二极管D2；所述半导体开关T1的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D1，所述半导体开关T2的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D2；所述半导体开关T1的发射极和半导体开关T2的集电极相连接作为第一模块的正极端A，所述半导体开关T2的发射极作为第一模块的负极端B，半导体开关T1的集电极与直流电容C1的正极相连接，半导体开关T2的发射极与直流电容C1的负极相连接；

第二模块包括直流电容C2、直流电容C3、半导体开关T3、半导体开关T4、半导体开关T5、半导体开关T6、半导体开关T7、续流二极管D3、续流二极管D4、续流二极管D5、续流二极管D6、续流二极管D7、续流二极管D8和阻尼电阻R；所述半导体开关T3的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D3，所述半导体开关T4的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D4，所述半导体开关T5的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D5，所述半导体开关T6的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D6，所述半导体开关T7的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D7；所述半导体开关T3的发射极和半导体开关T4的集电极相连接作为第二模块的正极端C，半导体开关T3的集电极与直流电容C2的正极相连接，半导体开关T4的发射极与直流电容C2的负极相连接，半导体开关T5的发射极和半导体开关T6的集电极相连接作为第二模块的负极端D，半导体开关T5的集电极与直流电容C3的正极相连接，半导体开关T6的发射极与直流电容C3的负极相连接，半导体开关T7的发射极与直流电容C2的负极相连接，半导体开关T7的集电极与直流电容C3的正极相连接，续流二极管D8的阴极与直流电容C2的正极相连接，续流二极管D8的阳极与阻尼电阻R的一端相连接，阻尼电阻R的另一端与直流电容C3的负极相连接。

进一步的，每相的上桥臂或下桥臂中第一模块和第二模块的数量满足如下关系：2Y+X＝n，4Y>n，其中n为一个上桥臂或一个下桥臂中所含的直流电容数目。

进一步的，在正常工作时使所有第二模块中的半导体开关T7均导通，在出现短路故障时封锁包含T7在内的所有半导体开关的触发信号,使所有半导体开关关断。

有益效果：本发明的具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，除了具备传统预充电电路的功能和优点外，相对于目前国内外所提出的设计方案，还具有如下的功能和特点：

1.本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器中的一个第二模块在电平叠加功能上相当于两个第一模块，只是增加了一个带有反向并联二极管的半导体开关、一个续流二极管和一个阻尼电阻，在具有同等直流故障穿越能力的电路中使用器件数量最少，电路结构简单，而且降低了生产成本。

2.本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器可以通过改变使用第一模块和第二模块的数量来达到调整故障穿越能力，第二模块的数量越多，直流故障穿越能力越强，以适应不同应用场合的需要。

3.本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器可以使用第一模块和第二模块的不同数目的组合方式来达到所需电平数目和对直流故障穿越能力的要求具有更大的灵活性和实用性，以适应不同应用场合。

4.本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器可使用传统模块化多电平变流器的所有调制和控制策略，可实现传统模块化多电平变流器的所有功能，且效果相同，适用性强，应用前景好。

5.本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器中虽然含有阻尼电阻，但是在模块化多电平变流器正常工作时，含有阻尼电阻支路中的二极管不导通，所以没有电流通过，不会增加系统的稳态运行损耗。出现直流故障的变流器闭锁瞬间阻尼电阻接入故障电流路径中，增加回路阻性成分，加速耗散直流网络能量，降低模块电容电压上升幅度，同时会减小了回路的时间常数，缩短变流器进入完全闭锁的时间，使得故障电流迅速降到零，起到了保护系统的作用，提高了系统的安全性。

附图说明

图1是传统模块化多电平变流器的整体原理框图；

图2是传统模块化多电平变流器模块1的原理框图；

图3是具有直流故障穿越能力的第二模块的原理框图；

图4是具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器的整体原理框图；

以上的图中有：第一模块中的直流电容C1、第一模块中的半导体开关T1、第一模块中的半导体开关T2、第一模块中的正极端A、第一模块中的负极端B、第二模块中的直流电容C2、第二模块中的直流电容C3、第二模块中的半导体开关T3、第二模块中的半导体开关T4、第二模块中的半导体开关T5、第二模块中的半导体开关T6、第二模块中的半导体开关T7、第一模块中的续流二极管D1、第一模块中的续流二极管D2、第二模块中的续流二极管D3、第二模块中的续流二极管D4、第二模块中的续流二极管D5、第二模块中的续流二极管D6、第二模块中的续流二极管D7、第二模块中的续流二极管D8、第二模块中的阻尼电阻R、第二模块中的正极端C、第二模块中的负极端D、每个桥臂含有第一模块的个数X、每个桥臂含有第二模块的个数Y、a相上桥臂电感Lap、a相下桥臂电感Lan、b相上桥臂电感Lbp、b相下桥臂电感Lbn、c相上桥臂电感Lcp、c相下桥臂电感Lcn、公共直流母线侧的正极P、公共直流母线侧的负极N、交流侧A相端口a、交流侧B相端口b、交流侧C相端口c。

具体实施方式

如图4所示，一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，该变流器包括A相上下桥臂、B相上下桥臂以及C相上下桥臂；子模块分为两种：第一模块和第二模块。

其中，第一模块包括直流电容C1、半导体开关T1、半导体开关T2、续流二极管D1和续流二极管D2。半导体开关T1的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D1，半导体开关T2的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D2。半导体开关T1的发射极和半导体开关T2的集电极相连接作为第一模块的正极端A，半导体开关T2的发射极作为第一模块的负极端B，半导体开关T1的集电极与直流电容C1的正极相连接，半导体开关T2的发射极与直流电容C1的负极相连接。第一模块的结构与传统模块化多电平变流器模块的结构相同，如图2所示。

如图3所示，第二模块包括直流电容C2、直流电容C3、半导体开关T3、半导体开关T4、半导体开关T5、半导体开关T6、半导体开关T7、续流二极管D3、续流二极管D4、续流二极管D5、续流二极管D6、续流二极管D7、续流二极管D8和阻尼电阻R。半导体开关T3的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D3，半导体开关T4的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D4，半导体开关T5的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D5，半导体开关T6的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D6，半导体开关T7的发射极和集电极之间正向串联续流二极管D7。半导体开关T3的发射极和半导体开关T4的集电极相连接作为第二模块的正极端C，半导体开关T3的集电极与直流电容C2的正极相连接，半导体开关T4的发射极与直流电容C2的负极相连接，半导体开关T5的发射极和半导体开关T6的集电极相连接作为第二模块的负极端D。半导体开关T5的集电极与直流电容C3的正极相连接，半导体开关T6的发射极与直流电容C3的负极相连接，半导体开关T7的发射极与直流电容C2的负极相连接，半导体开关T7的集电极与直流电容C3的正极相连接。续流二极管D8的阴极与直流电容C2的正极相连接，续流二极管D8的阳极与阻尼电阻R的一端相连接，阻尼电阻R的另一端与直流电容C3的负极相连接。

A相上桥臂由依次串联的X个第一模块、Y个第二模块以及电感Lap构成，A相下桥臂由依次串联的的电感Lan、X个第一模块、Y个第二模块构成。电感Lap未与子模块连接的一端和电感Lan未与子模块连接的一端相连接并作为模块化多电平变流器的交流侧A相端口a。

B相上桥臂由依次串联的X个第一模块、Y个第二模块以及电感Lbp构成，B相下桥臂由依次串联的的电感Lbn、X个第一模块、Y个第二模块构成。电感Lbp未与子模块连接的一端和电感Lbn未与子模块连接的一端相连接并作为模块化多电平变流器的交流侧B相端口b。

C相上桥臂由依次串联的X个第一模块、Y个第二模块以及电感Lcp构成，C相下桥臂由依次串联的的电感Lcn、X个第一模块、Y个第二模块构成。电感Lcp未与子模块连接的一端和电感Lcn未与子模块连接的一端相连接并作为模块化多电平变流器的交流侧C相端口b。

本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器中第一模块和第二模块串联数目的组合要根据需要的多电平数目和直流故障穿越能力来进行确定。所有上桥臂或下桥臂中所含的第一模块数和第二模块数目分别相同，从而所有上桥臂或下桥臂中所含的直流电容总数均相同。假设X和Y分别表示一个桥臂中所需第一模块和第二模块的数目，n表示这个桥臂所需提供的电平数，即一个桥臂中所含的直流电容数目，则需要满足2Y+X＝n关系。其中直流故障穿越能力要求，在发生直流短路故障的时候，单相反向电流通路中所需流经的电容数至少为n，因此需要满足4Y>n的关系。通过上述两个限制条件可以得到每个桥臂中所需第一模块和第二模块的数目，从而确定这种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器的结构。此外，每相桥臂中第一模块和第二模块的串联顺序可以改变。

本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器的预充电方式与传统模块化多电平变流器的预充电方式相同。

本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器的调制和控制策略均可采用传统模块化多电平变流器的调制和控制策略，只需保证第二模块中的T7在模块化多电平变流器正常工作时保持导通，模块化多电平变流器出现直流故障时闭锁即可。

本具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器在出现直流故障后需对变流器拓扑结构中所有半导体开关进行关断，，电容放电回路切断，故障点电流由交流侧馈入的交流电流和桥臂电感的放电电流组成；对于交流侧馈入的交流电流，由于通路中需要流经的直流电容数目至少为n个，交流相电压的幅值很难大于这些电容串联而成的电压值，所以交流侧馈入的交流电流很小甚至没有；而且不管电流的方向怎样，都会流经所有第二模块的直流电容并对其充电，并且有半个周期的电流需要流经阻尼电阻，使电流迅速减小，当电感中的能量全部转化为模块电容的能量时，电流减小为零，第二模块中的电容电压达到最大，变流器进入完全闭锁状态，从而实现了无需断开交流断路器，变流器就可自己清除直流故障电流的目的。由于第二模块的电容虽然在半导体开关关断前有部分进行了放电，但在半导体开关关断后，故障电流对其进行了充电，电容电压不会降到很低水平，从而对于故障后的再启动非常有利。通常情况下，系统会进行再启动，若能建立直流电压，则为暂时性故障且故障已清除，若不能建立直流电压，可尝试多次重启，若启动次数大于规定启动次数(如一次)，则定为永久性故障，应停运系统，进行故障检修。

本发明提出的一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，虽然增加了少量半导体开关、二极管和阻尼电阻的使用，但是在高压大功率场合，特别是HVDC领域，发生直流故障时，可以实现直流故障快速自清除，而且增加的阻尼电阻耗散了部分直流网络储存能量，减少了电容电压上升幅值，缩短故障电弧熄灭时间。所提出的电路结构简洁，并且传统模块化多电平变流器的调制与控制策略均可使用，必然能使其在模块化多电平变流器的高压大功率应用领域得到广泛应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器，其特征在于，该变流器包括A相上下桥臂、B相上下桥臂以及C相上下桥臂；子模块包括第一模块和第二模块；

2.根据权利要求1所述的一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器,其特征在于，每相的上桥臂或下桥臂中第一模块和第二模块的数量满足如下关系：2Y+X＝n，4Y>n，其中n为一个上桥臂或一个下桥臂中所含的直流电容数目。

3.根据权利要求1所述的一种具有直流故障穿越能力的模块化多电平变流器,其特征在于，在正常工作时使所有第二模块中的半导体开关T7均导通，在出现短路故障时封锁所有半导体开关的触发信号,使所有半导体开关关断,变流器进入闭锁状态。