CN104638615A - 具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器及其子模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器及其(Modular Multilevel Converter,MMC)子模块，串联双子模块由第一至第五IGBT晶体管T₁～T₅、第一至第六二极管D₁～D₆，以及第一、第二电容C₁～C₂构成；包括两种运行模式：正常运行模式和闭锁模式，在闭锁模式下所有可控开关即第一至第五IGBT晶体管T₁～T₅全部关断，此时子模块电容电压被反极性接入到电流流通路径中。在直流故障发生时，进入闭锁模式，将电容电压反极性接入，实现故障电流消除与故障隔离。多个串联双子模块串联构成模块化多电平换流器的一个桥臂；相同拓扑的六个桥臂构成一个三相全桥结构，构成模块化多电平换流器结构。本发明的故障隔离速度和防止故障复燃能力均大为提高，且投资成本和开关损耗大大降低。

Description

具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器及其子模块

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，特别是涉及一种具有直流故障隔离能力的MMC子模块新型拓扑结构及其故障隔离策略。

背景技术

柔性直流系统发生直流故障时，故障过电流将会严重影响整个直流系统包括交流侧、直流侧和换流器的安全可靠运行。因此，直流故障时，要求能够快速切除故障线路，即必须采取一定的故障隔离方法对直流故障线路进行隔离。

直流故障隔离是柔性直流系统发展的关键技术。但是，无论是基于传统两电平电压源换流器的直流系统还是基于传统的模块化多电平换流器的直流系统在发生直流故障时，故障电流都将快速上升到很大的过流水平，而且将长期存在。为了保证直流系统的安全可靠运行，要求在故障发生的几个毫秒内快速隔离故障直流线路。但是，由于直流系统故障时的故障电流无自然过零点，因此直流断路器难以在足够短的时间内快速熄弧并成功切除故障。尽管大容量的直流断路器技术本身也在发展和实践，但是利用换流器自身的拓扑和控制的改进来实现故障隔离仍然是重要的工程需求。针对这一现状，有必要对直流系统的故障隔离技术进行深入的研究。

目前，针对直流系统直流故障的隔离方法主要有三种：第一种方法是在直流故障时通过跳开交流侧断路器实现对直流故障线路的隔离。该方法简单、方便，但是却存在动作时间慢、停电面积大导致整个直流系统供电可靠性降低等缺点。第二种方法是利用直流断路器直接切除故障线路，但是目前仍缺乏具备工程应用能力的能够快速动作(一般为几个毫秒)的大容量直流断路器。因此，提出了通过对换流器的结构进行重新设计，利用换流器的动作实现直流故障的清除与隔离。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的直流系统故障隔离难的问题，本发明提出了一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器及其子模块，通过对MMC子模块的重新设计，在直流故障时使子模块内的电容电压反极性接入到故障电流流通路径，从而实现对故障电流的清除以及快速有效的故障隔离。

本发明提出了一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器子模块，所述子模块称为串联双子模块，由第一至第五IGBT(insulated-gate bipolartransistor，IGBT)晶体管T₁～T₅、第一至第六二极管D₁～D₆，以及第一、第二电容C₁～C₂构成；其中：第一IGBT晶体管T₁与第一二极管D₁的反并联结构与第二IGBT晶体管T₂与第二二极管D₂的反并联结构串联，然后再与第一电容C₁并联，构成第一并联结构；第三IGBT晶体管T₃与第三二极管D₃的反并联结构与第四IGBT晶体管T₄与第四二极管D₄的反并联结构串联，然后再与第二电容C₂并联，构成第二并联结构；所构成的第一并联结构与第二并联结构再以背靠背的形式构成并联，而且电容电压呈反极性并联；同时，所述背靠背并联臂上分别设置第六二极管D₆、以及第五IGBT晶体管T₅与第五二极管D₅的反并联结构；其中第六二极管D₆置于C₁正极与C₂负极相连的臂上，且D₆的阳极与C₁正极相连；第五IGBT晶体管T₅与第五二极管D₅的反并联结构设置于C₁负极与C₂正极相连的臂上，且D₅阳极与C₂正极相连。

本发明还提出了一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器，其特征在于，所述模块化多电平换流器由多个如权利要求1所述的串联双子模块构成。具体形式为：多个串联双子模块串联构成模块化多电平换流器的一个桥臂；相同拓扑的六个桥臂构成一个三相全桥结构，即为模块化多电平换流器结构。

与现有技术中传统的基于交流断路器的直流故障隔离方法相比，本发明隔离速度大大提高；并且由于是通过换流器内部的动作，实现故障隔离，不再依赖于直流断路器；与常规MMC相比，在投资成本和功率损耗上并未增加太多，但是却具有直流故障隔离能力；而且，与目前已存在的基于换流器动作的故障隔离方法(主要是全桥子模块(FullBridge Sub-Module，FBSM)，和钳位双子模块(Clamping Double Sub-Module，CDSM))，本发明具有其明显的优势：与全桥子模块相比，本发明的串联双子模块所需的可控开关IGBT数量大大减少，从而使得投资成本和开关损耗大大降低；与钳位双子模块相比，本发明的串联双子模块的故障隔离速度和防止故障复燃的能力均大为提高。

附图说明

图1为本发明的串联双子模块拓扑结构示意图；

图2为串联双子模块正常运行模式电流流通路径图；

图3为串联双子模块闭锁模式电流流通路径图；

图4为基于串联双子模块的MMC(S-MMC)结构示意图；

图5为故障隔离流程图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。

如图1所示，为新型的MMC换流器子模块的拓扑结构，本发明称之为串联双子模块(series double sub-module，SDSM)，由第一至第五IGBT晶体管(T₁～T₅)、第一至第六二极管(D₁～D₆)，以及第一、第二电容(C₁～C₂)构成。其中，第一IGBT晶体管T₁与第一二极管D₁的反并联结构与第二IGBT晶体管T₂与第二二极管D₂的反并联结构串联，然后再与第一电容C₁并联，构成第一并联；第三IGBT晶体管T₃与第三二极管D₃的反并联结构与第四IGBT晶体管T₄与第四二极管D₄的反并联结构串联，然后再与第二电容C₂并联，构成第二并联；所构成的第一并联与第二并联再以背靠背的形式构成并联，而且电容电压呈反极性并联。同时，所述背靠背并联臂上分别设置第六二极管D₆、以及第五IGBT晶体管T₅与第五二极管D₅的反并联结构；其中第六二极管D₆置于C₁正极与C₂负极相连的臂上，且D₆的阳极与C₁正极相连；第五IGBT晶体管T₅与第五二极管D₅的反并联结构设置于C₁负极与C₂正极相连的臂上，且D₅阳极与C₂正极相连。

U_SM表示串联双子模块SDSM的端口电压；U_SM1表示AO两点之间的电压(反映了第一并联结构内的电容C₁的投入情况)，U_SM2表示OB两点之间的电压(反映了第二并联结构内的电容C₂的投入情况)，i_SM表示串联双子模块SDSM端口的输入电流。

与传统MMC半桥子模块(halfbridge sub-module，HBSM)相比，该串联子模块的可控开关触发信号控制原理有所不同。该子摸块结构存在两种运行模式：正常运行模式和闭锁模式，具体如下表1所示。

表1、SDSM开发触发信号控制原理

表中“1”表示对应的IGBT晶体管导通，“0”表示对应的IGBT关断；U_c为子模块内电容的平均电压值。

由表1可知，正常运行模式存在四种运行状态和三种输出电平，该运行模式内可控开关T₅一直处于导通状态。

如图2所示，为串联双子模块在正常运行模式下的电流流通路径图，其中：

①当T₁和T₃导通，T₂和T₄关断，子模块内部电流流通路径如图2中(a)所示，此时电容C₁和C₂以串联形式接入电流流通路径，所以子模块的端电压U_SM＝2U_c。

②当T₁和T₄导通，T₂和T₃关断，子模块内部电流流通路径如图2中(b)所示，此时电容C₁接入电流流通路径，所以子模块的端电压U_SM＝U_c。

③当T₂和T₃导通，T₁和T₄关断，子模块内部电流流通路径如图2中(c)所示，此时电容C₂接入电流流通路径，所以子模块的端电压U_SM＝U_c。

④当T₂和T₄导通，T₁和T₃关断，子模块内部电流流通路径如图2中(d)所示，此时电容C₁和C₂均不接入电流流通路径，所以子模块的端电压U_SM＝0。

由以上分析可得，该子模块可以输出2U_c、U_c和0三种电平，而且在输出电平为U_c时可以任意控制具体投入哪一个电容。所以，一个串联双子模块在正常运行时相当于两个传统的半桥子模块。

如图3所示，为本发明的串联双子模块在闭锁模式下的电流流通路径图。闭锁模式时，所有可控开关(T₁～T₅)均关断。其电流流通路径取决于桥臂电流i_SM的正负，该模式可以实现以下两种功能，即：

①在直流系统起动运行时，闭锁模式可以实现对子模块电容的预充电；

②由图3可知，无论桥臂内电流处于何种方向，闭锁模式下电容电压总是与电流方向相反接入到电流流通路径中。因此，在直流故障发生时，可以通过使子模块进入闭锁模式，将电容电压反极性接入到故障电流流通路径，从而实现对故障电流的清除以及故障的隔离。

一个串联双子模块在正常运行模式时相当于两个半桥子模块，因此，一个电平数为2N+1的基于串联双子模块的模块化多电平换流器(简称S-MMC)拓扑结构可用图4表示(以C相上桥臂为例)。基于串联双子模块的MMC与传统的基于半桥子模块的MMC相比，除了每个桥臂内的子模块数减半以及可控开关触发信号控制原理不同之外，其它的如控制策略、电容电压平衡控制方式、调制方式均不发生改变。

根据以上所述内容，设计了如图5所示的故障隔离流程图。当直流故障发生以后，一旦检测到直流故障的发生，立即关断换流器子模块内的所有IGBT，使其进入闭锁模式。此时在故障电流流通路径中串联子模块内的电容电压相当于反极性接入，因此实现了对故障电流的消除，以及对故障的隔离。

Claims (4)

1.一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器子模块，其特征在于，所述子模块称为串联双子模块，由第一至第五IGBT(insulated-gate bipolartransistor，IGBT)晶体管T₁～T₅、第一至第六二极管D₁～D₆，以及第一、第二电容C₁～C₂构成；其中：第一IGBT晶体管T₁与第一二极管D₁的反并联结构与第二IGBT晶体管T₂与第二二极管D₂的反并联结构串联，然后再与第一电容C₁并联，构成第一并联结构；第三IGBT晶体管T₃与第三二极管D₃的反并联结构与第四IGBT晶体管T₄与第四二极管D₄的反并联结构串联，然后再与第二电容C₂并联，构成第二并联结构；所构成的第一并联结构与第二并联结构再以背靠背的形式构成并联，而且电容电压呈反极性并联；同时，所述背靠背并联臂上分别设置第六二极管D₆、以及第五IGBT晶体管T₅与第五二极管D₅的反并联结构；其中第六二极管D₆置于C₁正极与C₂负极相连的臂上，且D₆的阳极与C₁正极相连；第五IGBT晶体管T₅与第五二极管D₅的反并联结构设置于C₁负极与C₂正极相连的臂上，且D₅阳极与C₂正极相连。

2.如权利要求1所述的一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器子模块，其特征在于，所述串联双子模块存在两种运行模式，即正常运行模式和闭锁模式；在所述正常运行模式内，第五IGBT晶体管T₅一直处于导通状态，存在四种运行状态：

运行状态一：当T₁和T₃导通，T₂和T₄关断，此时电容C₁和C₂以串联形式接入电流流通路径，子模块端电压为2U_c；

运行状态二：当T₁和T₄导通，T₂和T₃关断，此时电容C₁接入电流流通路径，子模块端电压为U_c；

运行状态三：当T₂和T₃导通，T₁和T₄关断，此时电容C₂接入电流流通路径，子模块端电压为U_c；

运行状态四：当T₂和T₄导通，T₁和T₃关断，此时电容C₁和C₂均不接入电流流通路径，子模块端电压为0；

在闭锁模式内，所有可控开关即第一至第五IGBT晶体管T₁～T₅全部关断，此时，串联双子模块内的电容电压反极性接入到电流流通路径中，在发生直流故障时，使串联双子模块进入闭锁模式，将电容电压反极性投入到故障电流流通路径，从而实现对故障电流的消除以及故障的隔离。

3.一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器，其特征在于，所述模块化多电平换流器由多个如权利要求1所述的串联双子模块构成；具体形式为：多个串联双子模块串联构成模块化多电平换流器的一个桥臂；相同拓扑的六个桥臂构成一个三相全桥结构，即为模块化多电平换流器结构。

4.如权利要求3所述的一种具有直流故障隔离能力的模块化多电平换流器，其特征在于，所述串联双子模块存在两种运行模式，即正常运行模式和闭锁模式；在所述正常运行模式内，第五IGBT晶体管T₅一直处于导通状态，存在四种运行状态：

运行状态一：当T₁和T₃导通，T₂和T₄关断，此时电容C₁和C₂以串联形式接入电流流通路径，子模块端电压为2U_c；

运行状态二：当T₁和T₄导通，T₂和T₃关断，此时电容C₁接入电流流通路径，子模块端电压为U_c；

运行状态三：当T₂和T₃导通，T₁和T₄关断，此时电容C₂接入电流流通路径，子模块端电压为U_c；

运行状态四：当T₂和T₄导通，T₁和T₃关断，此时电容C₁和C₂均不接入电流流通路径，子模块端电压为0；

在闭锁模式内，所有可控开关即第一至第五IGBT晶体管T₁～T₅全部关断，此时，串联双子模块内的电容电压反极性接入到电流流通路径中，在发生直流故障时，使串联双子模块进入闭锁模式，将电容电压反极性投入到故障电流流通路径，从而实现对故障电流的消除以及故障的隔离。