CN105226973A - 可关断子模块以及可切除直流故障的改进型半桥mmc-hvdc拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可关断子模块，其由普通子模块和第三开关管构成。本发明还公开了一种可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑，其由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂的一端分别连接于正、负极直流母线，二者的另一端均连接至相交流母线；上桥臂和下桥臂均由子模块组以及一桥臂电抗器串联构成，子模块组全部为可关断子模块的串联结构，或者为可关断子模块与普通子模块的混合串联结构。本发明通过在普通子模块续流回路上增加开关管，减小了直流侧故障对交流侧影响，可应用于架空线柔性直流输电、多端柔性直流输电等场合，同时该结构增加的器件数相对少，MMC控制保护策略几乎不用改动，子模块冗余策略、环流抑制策略、均压策略均可使用。

Description

可关断子模块以及可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统，具体涉及一种可关断子模块以及采用该可关断子模块的用于切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑结构。

背景技术

柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源型换流器，换流器拓扑的不同直接决定了换流器的性能，现有已经工程化的拓扑结构有以下几种：两电平、三电平、MMC(modularmultilevelconverter模块化多电平换流器)、CTL(CascadedTwo-LevelConverter基于级联两电平换流器)等。

MMC拓扑结构有显著优势：其一，MMC子模块多，交流侧谐波尤其是低频谐波含量很少，无须配置大型交流滤波器，节省空间；其二，开关频率相对较低，降低了开关损耗，采用最新一代器件和优化控制算法的MMC换流器损耗能降低到接近常规直流输电水平；其三，避免了器件直接串联，子模块故障后，可通过配置冗余子模块使系统在冗余范围内继续正常运行；其四，直流故障时，只有部分子模块放电，并且放电电流受桥臂电抗限制。

MMC拓扑结构主要包括半桥MMC拓扑结构、全桥MMC拓扑结构以及箍位双子模块MMC拓扑结构。半桥MMC拓扑结构相对于全桥MMC拓扑结构以及箍位双子模块MMC拓扑结构等，核心优势是子模块的高效利用带来的经济性与可靠性。

图1示出了三相半桥MMC的主电路拓扑结构，其共有6个桥臂，每相由上下两个桥臂构成，每个桥臂都是有相同数量、相同结构的子模块和一个桥臂电抗器串联构成，所有子模块的参数均相同，各个桥臂电抗器的参数也相同。现有子模块的结构包括第一开关管、第二开关管、第一反并联二极管、第二反并联二极管以及子模块电容，其中，第一开关管和第二开关管串联，第一反并联二极管、第二反并联二极管分别并接于第一开关管和第二开关管的两端，子模块电容的正、负极分别连接与第一反并联二极管的负极和第二反并联二极管的正极。

半桥MMC拓扑结构缺点在于因续流二极管(反并联二极管)的续流作用不能切除直流故障。目前该问题解决思路有两种，一种是使用直流断路器，但目前的直流断路器价格昂贵，性能参数指标远不能满足要求；第二种是开发新拓扑和新的控制策略。

针对MMC-HVDC不能切除直流故障问题，国内外学者在拓扑改进上做了深入研究。图2提出了一种桥臂上串联IGBT(含续流二极管)的改进型MMCHVDC拓扑，能够实现阻断直流电流的目的，但用的子模块众多，并联IGBT故障将导致整个系统瘫痪，无冗余性可言。图3提出一种箍位双子模块MMC结构，使用的器件数目介于半桥MMC与全桥MMC结构之间，但该结构控制复杂，所用器件较多。图4给出了全桥型的MMC拓扑具有直流故障穿越能力，但此类全桥性MMC拓扑器件成本翻倍，四个IGBT中任一个故障即导致整个模块即故障，大大减弱了系统的经济型与可靠性。图5提出了一种二极管箍位子模块拓扑，较箍位双子模块比，器件少了一半，但大大增加了电容数量，子模块均压问题突出，控制复杂。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的之一在于提供一种可关断子模块，其通过在现有普通子模块中增加一开关管，可有效切断直流线路故障时第二反并联二极管上的续流回路。

为了实现上述目的，本发明通过下列技术方案来实现：

一种可关断子模块，其由普通子模块和第三开关管构成，所述普通子模块均包括第一开关管、第二开关管、第一反并联二极管、第二反并联二极管以及子模块电容，所述第一开关管和第二开关管串联，第一反并联二极管、第二反并联二极管分别并接于第一开关管和第二开关管的两端，子模块电容的正、负极分别连接与第一反并联二极管的负极和第二反并联二极管的正极，所述第三开关管串接于第二反并联二极管上。

所述第一开关管的集电极和发射极分别与第一反并联二极管的负极和正极相连，所述第二开关管的集电极和发射极分别与第三开关管的发射极和第二反并联二极管的正极相连，第二反并联二极管的正极与第三开关管的集电极相连，第一开关管的发射极还与第二开关管的集电极相连。

所述第一、第二和第三开关管均为IGBT管，所述IGBT管的门极与一信号控制源连接。

本发明的另一目的在于提供一种改进型半桥MMC-HVDC拓扑结构。该拓扑采用可关断子模块或者可关断子模块与普通子模块的混合结构，能够有效切断直流线路故障时第二反并联二极管上的续流回路，减小线路故障时换流阀电流应力，从而降低直流侧故障对换流阀和对交流侧影响，可应用于架空线路柔性直流输电、多端柔性直流输电等场合。该结构增加的器件数相对少，常规MMCHVDC控制几乎不用改动，子模块冗余策略、环流抑制策略、均压策略均可使用。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

所述半桥MMC结构由三个相单元构成，每个相单元均分别由上桥臂和相对应的下桥臂组成，其中，上桥臂与其相对应的下桥臂的一端分别连接于正、负极直流母线，二者的另一端均连接至相交流母线；每个上桥臂和下桥臂均由子模块组以及一桥臂电抗器串联构成，其特征在于，所述子模块组全部为上述的可关断子模块的串联结构，或者为上述的可关断子模块与普通子模块的混合串联结构。

当子模块组为可关断子模块的串联结构时，三个上桥臂和三个下桥臂所具有的可关断子模块的数量和参数均相同；当子模块组为可关断子模块与普通子模块的混合串联结构时，三个上桥臂和三个下桥臂所具有的可关断子模块的数量和参数均相同，同时，它们所具有的普通子模块的数量和参数也相同。

无论是普通子模块还是可关断子模块，均称之为子模块，且均标记这些子模块的第一开关管的发射极为A点，标记第二开关管的发射极为B点；对于上桥臂而言，上桥臂最上端的子模块的A点连接于正极直流母线，其余子模块的A点与该其余子模块上邻的子模块的B点相连，上桥臂最下端的子模块的B点通过上桥臂的桥臂电抗器连接于相对应的相交流母线；对于下桥臂而言，下桥臂最下端的子模块的B点连接于负极直流母线，其余子模块的B点与该其余子模块下邻的子模块的A点相连，下桥臂最上端的子模块的A点通过下桥臂的桥臂电抗器连接于相对应的相交流母线。

当每个子模块组均采用可关断子模块与普通子模块的混合串联结构时，可关断子模块的数量至少为：

$n=\frac{\sqrt{2}{U}_{ac}}{U_{dc}}N$

其中，N为每个子模块组具有的子模块的总数量，U_dc为正负极直流母线之间电压，U_ac为交流母线电压，n为每个子模块组可关断子模块的数量(n≤N)，当上述公式计算值为非正整数时，其该计算值上邻的正整数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、通过在现有的普通子模块中增加一开关管构成可关断子模块，能够有效切断直流线路故障续流回路，从而降低直流侧故障对交流侧和阀侧影响，可应用于架空线柔性直流输电、多端柔性直流输电等场合；

2、该结构增加的器件数相对少，MMC控制几乎不用改动，子模块冗余策略、环流抑制策略、均压策略均可使用。

附图说明

图1是半桥MMC拓扑结构原理图；

图2是一种桥臂上串联IGBT(含续流二极管)的改进型MMC拓扑结构原理图；

图3是箍位双子模块MMC结构原理图；

图4是全桥型的MMC拓扑结构原理图；

图5是一种二极管箍位子模块拓扑结构原理图；

图6是半桥MMC拓扑正极接地电流流向图；

图7是图6正极接地时电流流经子模块的流向图；

图8是半桥MMC拓扑正极接地电流流向图；

图9是图8正极接地时电流流经子模块的流向图；

图10是本发明改进型半桥MMC拓扑结构的子模块结构图；

图11是电平换流器启动过程图；

图12是本发明改进型半桥MMC拓扑结构正极直流故障后1ms闭锁直流电压电流波形；

图13是本发明改进型半桥MMC拓扑结构正极直流故障后10ms闭锁直流电压电流波形；

图14是本发明改进型半桥MMC拓扑结构正极直流故障后1ms闭锁直流电压电流波形；

图15是本发明改进型半桥MMC拓扑结构正极直流故障后10ms闭锁直流电压电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

本发明提出一种改进型半桥MMC拓扑，除了能够切除直流故障外，器件数目大大减少，MMC控制几乎不用改动，子模块冗余策略、环流抑制策略、均压策略均可使用。现就该改进型半桥MMC拓扑的结构、控制方法以及仿真结果做以下说明。需要说明的是：本发明中出现的MMC-HVDC拓扑、MMC拓扑、MMC结构、MMC拓扑结构以及MMC均指代MMC-HVDC拓扑结构。

一、半桥MMC拓扑的工作原理

图1示出了三相半桥MMC的主电路拓扑结构，其共有6个桥臂，每相由上下两个桥臂构成，每个桥臂都是有相同数量、相同结构的子模块和一个桥臂电抗器串联构成。

现有的三相半桥MMC的主电路拓扑结构中，所有子模块的参数均相同，各个桥臂电抗器的参数也相同，子模块均采用普通子模块，其结构可参照图7所示，其由第一开关管(SWp)、第二开关管(SWn)、第一反并联二极管(Dp)、第二反并联二极管(Dn)以及子模块电容(Ccell)组成，第一开关管和第二开关管串联，第一反并联二极管、第二反并联二极管分别并接于第一开关管和第二开关管的两端，子模块电容的正、负极分别连接与第一反并联二极管的负极和第二反并联二极管的正极。

1、半桥MMC-HVDC拓扑直流故障电流流向

现有的子模块正常工作时的电压比不控整流大，因此，故障时刻，不可能再持续对子模块充电，因此直流故障时MMC上IGBT并联的二极管反向截止。由此可确定半桥MMC-HVDC故障时电流流向，参照图6-9所示。

可见，当线路故障时，均是与第二开关管(SWn)的续流二极管(Dn)构成回路，阻断该回路即可实现切除故障电流。

2、切断续流回路方法

请参照图10所示，为了实现对第二开关管(SWn)的续流二极管(Dn)构成的回路进行切断，在本发明较佳的实施例中，在该续流二极管(Dn)上串接一个第三开关管(SWx)，相对于现有的普通子模块结构，称之为可关断子模块。

可见，若在三相MMC-HVDC拓扑结构中均采用可关断子模块，故障时刻，该可关断子模块中的三个开关管均闭锁即可实现切除续流回路，开关管的数量为现有子模块的1.5倍，其余器件不变。

3、故障切除后耐压问题

下面讨论采用普通子模块和可关断子模块混合结构以节省器件。

假设每个桥臂共有N个子模块，串接了n个可关断子模块，Udc、Uac分别为MMC-HVDC直流电压、交流电压，IGBT全闭锁后，可关断子模块承受的电压为：

$U_{IGBT}=\frac{\sqrt{2}{U}_{ac}}{2n}$

正常运行时，每个IGBT承受的电压为：

$U_{IGBT}=\frac{U_{dc}}{2N}$

考虑IGBT相等的电压承受能力，可知，串接的可关断子模块数至少为：

$n=\frac{\sqrt{2}{U}_{ac}}{U_{dc}}N<N$

可见，每个桥臂N个子模块中，需要串接个可关断子模块，其余为常规子模块。采取混合结构后，IGBT个数只增加了个。

采用混合结构，普通子模块与可关断子模块排列顺序不限。

4、子模块供电问题

基于半桥MMC结构的柔性直流输电系统的启动过程分为接地，停运，备用，闭锁和解锁过程。合交流进线开关后，系统进入闭锁状态，交流系统通过续流二极管对子模块电容充电，此时所有的IGBT均关闭，因此该过程称为不控整流过程。工程上通过不控整流过程使子模块电容建立电压。用一个恒功率源器件从子模块电容中取电，从而驱动上、下IGBT在解锁指令下解锁。

显然，不控整流阶段前本文中所述可关断子模块要先“合”，否则无法建立子模块电压，从而无法驱动IGBT。IGBT门极开通控制信号一般为15V，关断信号为-5V或-15V。关于IGBT供电问题，可能有2种潜在解决方法：(1)阀控屏柜通过光纤供能，经过电压转换生成所需要的电压；(2)使用临时电池，等不控整流完成后再自取电供电。

5、切断电流时刻串联IGBT过电压

切断直流电流时刻，由于短时间电流变为0，必然产生过电压。切断时刻约早，保护效果越好，续流二极管串联IGBT所承受的过电压越大。该电压冲击可表示为(Lsum为等效电感，I为关断时刻电流，△T为IGBT闭锁时间)：

$U_{IGBT}=L_{sum}\frac{di}{dt}=L_{sum}\frac{I}{\mathrm{\&Delta;}T}$

可以看出，如果切除故障时刻电流非常大，则产生的过电压较大。因此，需要迅速判断故障，在故障刚开始时闭锁子模块。

二、控制方法

本发明改进型半桥MMC-HVDC拓扑的控制方法与常规半桥MMC-HVDC完全一致，换流器控制部分，均是采用电流内环加电压外环控制方式；阀控部分，采用载波移相或者最低电平逼近，加之均压控制策略，环流抑制策略，此处不再赘述。

对续流二极管Dn上串联IGBT(SWx)的控制：当该IGBT(SWx)处于常开状态时，则检测到故障电流，此时控制所有IGBT闭锁。

三、仿真结果

1、仿真模型的建立

基于PSCAD4.21搭建了21电平半桥MMC单端仿真模型，采用了载波移相调制。联接变压器为YnYn型，变比为0.38kV/2kV，直流额定电压2kV，子模块电容4400uF，启动电阻50Ω。上下桥分别使用了7个可关断子模块和3个普通模块。时序设置如下：

T＝0.02s时，合上续流二极管串联IGBT开关，开始充电；T＝0.7s时，合上启动电阻旁路开关；T＝1.5s，解锁，T＝2s时，建立2kV正常电压。

2、仿真结果

i.启动过程

如图11，U_dcref为直流电压参考指令，U_dcavm为直流电压。T＝0.2s时刻前，由于续流二极管被关断，无法不控整流；T＝0.7s，启动电阻切除后，直流电压有所抬升，大小约为0.7pu。可见，新加了IGBT后，如果解决了续流二极管串联IGBT的驱动问题，系统仍然可以正常不控充电。T＝1.5s解锁后，系统图按照给定的直流电压升压，并进入稳定状态。

ii.直流故障波形

正极故障时(接地电阻0.005Ω)，假设闭锁时间为1ms，直流电流和正负极直流电压波形(电压，V，电流，A)如图12所示。

正极故障时，假设闭锁时间为10ms，直流电流与直流电压正负极波形为如图13所示。

负极接地时，假设闭锁时间分别为1ms和10ms，直流电流和直流电压波形分别如图14和15所示。

由图12-15的波形可以看出，本文提出的改进型拓扑能够正常切除正负极直流线路故障，IGBT闭锁响应时间越短，产生的冲击电流越小，对系统影响越小。

直流故障导致IGBT闭锁后，一端接地，另一端处于不控整流状态。此时，若直流故障切除，可以重新解锁，实现了系统的重启动功能。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种可关断子模块，其特征在于，其由普通子模块和第三开关管构成，所述普通子模块包括第一开关管、第二开关管、第一反并联二极管、第二反并联二极管以及子模块电容，所述第一开关管和第二开关管串联，第一反并联二极管、第二反并联二极管分别并接于第一开关管和第二开关管的两端，子模块电容的正、负极分别连接与第一反并联二极管的负极和第二反并联二极管的正极，所述第三开关管串接于第二反并联二极管上。

2.根据权利要求1所述的可关断子模块，其特征在于，所述第一开关管的集电极和发射极分别与第一反并联二极管的负极和正极相连，所述第二开关管的集电极和发射极分别与第三开关管的发射极和第二反并联二极管的正极相连，第二反并联二极管的正极与第三开关管的集电极相连，第一开关管的发射极还与第二开关管的集电极相连。

3.根据权利要求2所述的可关断子模块，其特征在于，所述第一、第二和第三开关管均为IGBT或IEGT管，所述IGBT或IEGT管的门极与一信号控制源连接。

4.一种可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑，其为半桥MMC结构，所述半桥MMC结构由三个相单元构成，每个相单元均分别由上桥臂和相对应的下桥臂组成，其中，上桥臂与其相对应的下桥臂的一端分别连接于正、负极直流母线，二者的另一端均连接至相交流母线；每个上桥臂和下桥臂均由子模块组以及一桥臂电抗器串联构成，其特征在于，所述子模块组全部为权利要求1-3任一项所述的可关断子模块的串联结构，或者为权利要求1-3任一项所述的可关断子模块与普通子模块的混合串联结构。

5.根据权利要求4所述的可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑，其特征在于，当子模块组为可关断子模块的串联结构时，三个上桥臂和三个下桥臂所具有的可关断子模块的数量和参数均相同；当子模块组为可关断子模块与普通子模块的混合串联结构时，三个上桥臂和三个下桥臂所具有的可关断子模块的数量和参数均相同，同时，它们所具有的普通子模块的数量和参数也相同。

6.根据权利要求4所述的可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑，其特征在于，无论是普通子模块还是可关断子模块，均称之为子模块，且均标记这些子模块的第一开关管的发射极为A点，标记第二开关管的发射极为B点；对于上桥臂而言，上桥臂最上端的子模块的A点连接于正极直流母线，其余子模块的A点与该其余子模块上邻的子模块的B点相连，上桥臂最下端的子模块的B点通过上桥臂的桥臂电抗器连接于相对应的相交流母线；对于下桥臂而言，下桥臂最下端的子模块的B点连接于负极直流母线，其余子模块的B点与该其余子模块下邻的子模块的A点相连，下桥臂最上端的子模块的A点通过下桥臂的桥臂电抗器连接于相对应的相交流母线。

7.根据权利要求4所述的可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑，其特征在于，当每个子模块组均采用可关断子模块与普通子模块的混合串联结构时，可关断子模块的数量至少为：

$n=\frac{\sqrt{2}{U}_{ac}}{U_{dc}}N$

其中，N为每个子模块组具有的子模块的总数量，U_dc为正负极直流母线之间电压，U_ac为交流母线电压，n为每个子模块组可关断子模块的数量，当上述公式计算值为非正整数时，其该计算值上邻的正整数。