CN105186550A - 一种改进型模块化多电平换流器子模块拓扑 - Google Patents

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CN105186550A CN201510512580.7A CN201510512580A CN105186550A CN 105186550 A CN105186550 A CN 105186550A CN 201510512580 A CN201510512580 A CN 201510512580A CN 105186550 A CN105186550 A CN 105186550A
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梅军
马天
郑建勇
缪惠宇
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Abstract

本发明提出了一种改进型模块化多电平换流器子模块拓扑,所述子模块由第一半桥、第二半桥、第一电容和第二电容组成;第一半桥的正极和第一电容正极相连,第一半桥的负端和第一电容的负极相连,第一电容的负极同时和第二电容的正极相连;第二半桥的正极和第一电容的正极相连,第二半桥的负极和第二电容的负极相连;所述第一半桥和第二半桥均有第一、第二开关装置组成,第一开关装置负极和第二开关装置正极相连;所述开关装置均有绝缘栅双极型晶体管和二极管反并联组成。本发明主要应用于高电压大容量的模块化多电平变流器中,在直流侧故障的时候,能够有效的实现直流故障电流的闭锁,较好的实现故障隔离,同时无需交流断路器动作。本发明结构简单,在故障清除后,有着快速的故障恢复能力。

Description

一种改进型模块化多电平换流器子模块拓扑
技术领域
[0001] 本发明涉及电力系统输配电技术领域,涉及一种模块化多电平换流器及其子模 块。
背景技术
[0002] 柔性直流输电技术为解决大型风电场等可再生能源的并网瓶颈,为城市高压电网 的增容改造、电网互联及孤岛供电提供了新手段和技术方案,具有较强的技术优势,是改变 大电网发展格局的战略选择,已列入《国家能源科技"十二五"规划》高性能输变电关键设 备,是需要重点技术攻关的重大技术装备。
[0003]由于柔性直流输电是从常规直流输电的基础上发展起来的,因此除了常规直流输 电技术所具有的优点,柔性直流输电较之常规直流输电还具有紧凑化、模块化设计,易于移 动、安装、调试和维护,易于扩展和实现多端直流输电等优点。
[0004] MMC-HVDC(基于模块化多电平换流器的直流输电技术)是VSC-HVDC(电压源换流 器型高压直流输电)中的一种新型结构。和级联H桥变流器相比,MMC保留了高度模块化的 结构特点,同时又具有一个高压直流母线,能够实现输出电压、输出电流的四象限运行。和 传统的二、三电平变流器相比,MMC不存在开关管串联并联的均压、均流的问题。MMC的每个 子模块结构相对简单,控制容易,可以无限扩展,特别适用于HVDC领域。由于MMC将VSC的 两电平或三电平提高到几十电平甚至上百电平,从而在维持耐压水平的基础之上增大系统 电压等级、大大减少了开关器件的开关频率从而减小开关损耗、输出电压波形更趋近正弦 波从而进一步减产谐波含量。同时,MMC采用完全一致的模块化技术,其模块化结构使其可 扩展性强,便于实现冗余控制,在研发、制造、动态和静态均压以及减小环流方面有着重要 优势。
[0005] 在工程建设方面,南汇风电场柔性输电示范工程,作为我国第一个MMC工程,于 2011年7月完成工程验收,成为我国首条正式投入商用的基于MMC的HVDC输电工程。同时 南网的大型风电场柔性直流输电工程和国网舟山五端柔性直流工程正在建设。
[0006] 传统的MMC-HVDC工程通常采用直流电缆进行传输,直流电缆安全稳定性能较好, 但其价格较高,长距离输电成本较高。而在大容量的传输中更多的采用价格便宜,散热效果 更好架空线传输。而在架空线传输中,传统的半桥结构从本质上缺乏直流故障隔离能力:当 直流侧发生故障时,全控型开关器件反并联的续流二极管易构成故障点交流系统直接连通 的能量馈送回路,必须通过跳开交流断路器来将其切断,其缺点在于机械响应较慢(最快 也需2~3个周波),影响电力的正常传输,同时可能造成换流阀器件的过流和过压。往往 需要采用增大设备额定参数、配置高速旁路开关等辅助性措施,因此该拓扑并不适用于易 发生闪络等暂时性故障的架空线路输电,而需要铺设造价昂贵、故障率低的电缆线路。
[0007]因此,需要设计新的子模块结构,能够有效的隔离直流故障。
发明内容
[0008] 针对上面所述问题和在高压大功率场合的应用要求,本发明在原来半桥结构的基 础上提出一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构,由两个半桥结构和两个电容组成,新 的改进结构不改变原有子模块的结构和控制策略方式,改进串联部分可以实现单独控制。 新的改进结构提高了系统的故障穿越能力,在直流侧故障时候,能够有效隔离故障电流。
[0009] 本发明技术方案:一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构,由半桥结构和限流 模块串联组成;所述半桥结构包括第一开关模块、第二开关模块;所述第一开关模块的负 极和第二开关模块的正极相连;所述第一电容的负极和第二电容的正极相连;第一电容的 正极和第一半桥中的第一开关模块的正极、第二半桥中第一开关模块的的正极相连;第一 半桥中第二电容的负极和第一电容的负极相连;第二半桥中第二开关的负极和第二电容的 负极相连;
[0010] 所述第一半桥结构的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为 所述拓扑结构的输入端,第二半桥结构的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间 的节点为所述拓扑结构的输出端。
[0011] 进一步的,所述的两个半桥结构中的第一开关模块、第二开关模块均由一个绝缘 栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。
[0012] 进一步的,正常工作情况下,正常工作情况下,改进型拓扑结构能够输出0、 +Um、-Um、+2Um四种电平情况,多种电平情况的输出能够一定程度上减少桥臂子模块数(与 半桥结构相比),减小谐波畸变率。
[0013] 基于模块化多电平换流器子模块拓扑结构实现的一种模块化多电平换流器,包括 三个相单元,每一个相单元分上下桥臂,每个桥臂包括若干个串联的子模块拓扑结构,每相 上下桥臂串联的子模块拓扑结构数量相同;上下桥臂分别串联限流电抗器,每相从上至下 为:上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块;且每相上下桥 臂的连接处外接三相交流电压,上桥臂最上面子模块拓扑结构的输入端与直流正极相连, 下桥臂最下端子模块输出端与直流负极相连。
[0014] 进一步的,在直流输电系统中,当直流侧发生双极短路故障,先检测到故障电流, 然后关闭改进型子模块中两个半桥结构中第一开关盒第二开关的触发信号。故障电流从拓 扑结构的输出端进入拓扑结构后,通过第二半桥结构中第一开关模块的二极管、第一电容, 然后流经第一半桥结构第二开关的二极管,并从输入端流出。该结构能够通过电容削减故 障电流,达到消除故障目的。
[0015] 进一步的,当所述的故障为直流永久性故障时,具体过程为:关断两个半桥结构中 的第一开关模块和第二开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲,然后断开交流侧断路 器,进行检修,故障修复后,进行重合闸,再开启两个半桥结构中的第一开关模块、第二开关 丰旲块。
[0016] 进一步的,当所述的故障为直流暂时性故障时,具体过程为:关断两个半桥结构中 的第一开关模块和第二开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲,等待直流侧故障电流 为零,故障消除后,重新触发两个半桥结构中的第一开关模块、第二开关模块的绝缘栅双极 型晶体管,建立直流侧电压,等待系统进入稳态运行。
[0017] 本发明技术方案:本发明主要针对直流侧双极短路故障,研究双极短路故障下,故 障电流关断机理,抑制措施。
[0018] 本发明的优点在于:1)在高压大容量的传输过程中,能够有效的抑制直流侧故障 电流,无需交流断路器动作;2)该电路能够有效的保护了原子模块电容,在故障恢复后能 够实现快速的恢复;3)与其他拓扑结构比较,节省了元器件。
附图说明
[0019] 图1是本发明的模块化多电平换流器改进子模块拓扑原理图。
[0020] 图2是本发明的含有改进型子模块结构的三相模块化多电平变流器原理图。
[0021] 图3是本发明的直流故障下电流从正极(1端)流入电流流向原理图。
[0022] 图4是本发明的直流故障下电流从负极(2端)流入电流流向原理图。
[0023] 图5是本发明的双极短路直流故障下电流流向原理图。
具体实施方式
[0024] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0025] 图1是本发明提出的改进的模块化多电平换流器子模型的拓扑。A端为正输入端, B端为输出端。该结构在正常工作时,根据所需要输出电平要求进行合理调制,当S1、S4开 通,S2、S3关断时,子模块输出电平为+2Um;当S3、S4开通,Sl、S2关断时,子模块输出电平 为+Um;当S2、S3开通,S1、S4关断时,子模块输出电平为-Um;当S1、S2开通,S3、S4关断 时,子模块输出电平为0。当发生直流故障时,关断所有子模块开关触发脉冲,故障电流从二 极管和电容流过。
[0026]图2是三相模块化多电平变流器结构,每个子模块都由图1所示的改进型子模块 组成,每相桥臂子模块可减小一半(跟半桥结构相比)。
[0027] 图3是当直流侧发生故障,电流从A端流入,电流流经第一半桥结构中第一开关的 二极管D1,子模块电容Cl、C2,然后经D4从B端流出。
[0028]图4是当直流侧发生故障,电流从B端流入,电流流经第二半桥结构中第一开关的 二极管D2,然后经电容C1,经二极管D3从A端流出。该结构能够通过电容削减故障电流, 达到消除故障目的。
[0029] 图5是当发生双极短路故障时电流流向图,图以A、B两相为例(每相简化用一个 子模块代替)。当故障时候,电流从电网一相向故障处流动,电流经过一相桥臂,而后经过 故障点,再经过另外一相桥臂后,流入另一相。当电流方向为反向时,如图5(红线所示)所 示,电流流经通路为。电流共通过2N个子模块,每个子模块电压为1]",电网连接点 为线电压UAB。
Figure CN105186550AD00051
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]可得:
[0035]
Figure CN105186550AD00061
[0036]又因为:m<1
[0037] UD2+UD3< 0
[0038] 其中:Ud。是正常运行情况下直流侧电压;U^U8分别是三相交流侧输出A相和B 相的相电压;m是调制比;UAB是AB相的线电压;UD2和UD3分别是子模块中二极管D2和D3两 端电压。
[0039] 当故障电流方向为正时,如图5 (蓝线所示)所示,即从A端流入,B端流出时,电 流流经通路为D1-C1-C2-D4。电流共通过2N个子模块,每个子模块电压为,电网连接点 为线电压UAB。
Figure CN105186550AD00062
[0040]
[0041 ]
[0042]又因为:m<1
[0043] UD1+UD4< 0
[0044] 可知不管故障电流方向,二极管承受反向电压,故障关断,可靠关断故障电流。
[0045] 以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中 的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这 些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种模块化多电平换流器子模块,其特征在于:由两个半桥和两个电容组成;所述 两个半桥各包括第一开关模块、第二开关模块;所述两个半桥的第一开关模块的负极和第 二开关模块的正极相连;所述第一电容的负极和第二电容的正极相连;第一电容的正极和 第一半桥中的第一开关模块的正极、第二半桥中第一开关模块的的正极相连;第一半桥中 第二开关模块的负极和第一电容的负极相连;第二半桥中第二开关模块的负极和第二电容 的负极相连; 所述第一半桥的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为所述拓扑 结构的输入端,第二半桥的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为所述 拓扑结构的输出端。
2. 根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块,其特征在于:所述两个半 桥的第一开关模块和第二开关模块均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组 成。
3. 根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块,其特征在于:正常工作情 况下,改进型拓扑结构能够输出0、+Um、-Um、+2Um四种电平情况。
4. 一种包含如权利要求1-3任一项所述的子模块的模块化多电平换流器,包括三个相 单元,每一个相单元分上下桥臂,其特征在于:每个桥臂包括若干个串联的所述子模块,每 相上下桥臂串联的子模块数量相同;上下桥臂分别串联限流电抗器,每相从上至下为:上 桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块;且每相上下桥臂的连 接处外接三相交流电压,上桥臂最上面子模块的输入端与直流正极相连,下桥臂最下端子 模块输出端与直流负极相连。
5. 根据权利要求4所述的模块化多电平换流器,其特征在于:在直流输电系统中,当直 流侧发生双极短路故障,先检测到故障电流,然后关闭所述子模块中两个半桥中第一开关 和第二开关的触发信号;故障电流从所述子模块的输出端进入所述子模块后,通过第二半 桥中第一开关模块的二极管、第一电容,然后流经第一半桥第二开关的二极管,并从所述子 模块的输入端流出。
6. 根据权利要求5所述的模块化多电平换流器,其特征在于:当所述的故障为直流永 久性故障时,具体过程为:关断两个半桥中的第一开关模块和第二开关模块中绝缘栅双极 型晶体管的触发脉冲,然后断开交流侧断路器,进行检修,故障修复后,进行重合闸,再开启 两个半桥中的第一开关模块、第二开关模块。
7. 根据权利要求5所述的模块化多电平换流器,其特征在于:当所述的故障为直流暂 时性故障时,具体过程为:关断两个半桥中的第一开关模块和第二开关模块中绝缘栅双极 型晶体管的触发脉冲,等待直流侧故障电流为零,故障消除后,重新触发两个半桥中的第一 开关模块、第二开关模块的绝缘栅双极型晶体管,建立直流侧电压,等待系统进入稳态运 行。
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