CN105450045A - 一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域。该变流器的结构由三相构成，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由若干对角桥式子模块及一台桥臂电抗器串联构成。上桥臂正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；3相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极；3相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接。本发明的多电平变流器可以清除直流短路故障电流，并且能够在直流故障时为交流电网提供无功支撑，且所用全控器件较少，成本较低。

Description

一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器
技术领域
本发明属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器。
背景技术
与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控开关器件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性高压直流输电系统，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。
现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用直流电缆，直流故障发生的概率较小，但线路造价较高；而如果采用架空线，可大幅节省线路成本，但却容易出现直流短路故障问题。其中，直流侧双极性短路故障是最为严重的直流故障。已有文献分析，当换流站发生直流双极性短路故障时，换流站应具备直流短路电流的闭锁能力，使故障电流能够快速清零；同时应能够为所连接的交流电网提供一定的无功支撑，以实现直流故障的穿越。(G.Tang,Z.Xu,andY.Zhou,"ImpactsofThreeMMC-HVDCConfigurationsonACSystemStabilityUnderDCLineFaults,"IEEETrans.PowerSystems,vol.29,no.6,pp.3030-3040,Nov.2014.)。然而，对于采用半桥结构的模块化多电平变流器，当直流侧双极性短路故障发生后，由于反并联二极管的存在，交流电源会经反并联二极管与直流故障点形成三相短路回路，同时子模块电容会迅速放电，会造成装置直流短路电流严重过流，造成器件损坏；即便将所有可控开关器件闭锁，仍然无法限制短路电流和保存电容能量，因而需要断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容能量并进行重启动。(王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平换流器HVDC直流双极短路子模块过电流分析[J].中国电机工程学报，2011，31(1)：1-7.)
为解决上述问题，已有文献在半桥式模块化多电平变流器的基础上，提出了多种具有直流故障穿越能力的多电平变流器，这些变流器可分为两大类：第一大类是用具有直流故障穿越能力的新型子模块代替半桥子模块，从而构成具有直流故障穿越能力的新型模块化多电平变流器。这类子模块包括全桥子模块、箝位双子模块(MarquardtR.Modularmultilevelconverter：anuniversalconceptforHVDC-networksandextendeddc-busapplications[C]//2010InternationalPowerElectronicsConference(IPEC).Sapporo，Japan：IEEE，2010：502-507.)、箝位单子模块(JiangchaoQin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；RuiZhou,"HybridDesignofModularMultilevelConvertersforHVDCSystemsBasedonVariousSubmoduleCircuits,"inPowerDelivery,IEEETransactionson,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、基于电感的电流源子模块(Lizana,R.；Perez,M.；Rodriguez,J.；BinWu,"ModularmultilevelconverterbasedoncurrentsourceH-bridgecellsimplementedwithlowcostreversingconductingIGCT,"inEnergyConversionCongressandExposition(ECCE),2013IEEE,vol.,no.,pp.3363-3367,15-19Sept.2013.)等；第二大类是混合式多电平变流器，该类变流器将模块化多电平变流器结构与两电平变流器结构混合起来，变流器中既采用全桥子模块，又采用级联IGBT(绝缘栅双极性晶体管)，这类变流器包括桥臂交替导通变流器(Merlin,M.M.C.；Green,T.C.；Mitcheson,P.D.；Trainer,D.R.；Critchley,R.；Crookes,W.；Hassan,F.,"TheAlternateArmConverter:ANewHybridMultilevelConverterWithDC-FaultBlockingCapability,"PowerDelivery,IEEETransactionson,vol.29,no.1,pp.310,317,Feb.2014.)和交流侧级联H桥的混合变流器(Adam,G.P.；Ahmed,K.H.；Williams,B.W.,"Mixedcellsmodularmultilevelconverter,"IndustrialElectronics(ISIE),2014IEEE23rdInternationalSymposiumon,vol.,no.,pp.1390,1395,1-4June2014)等。与第一大类变流器相比，第二大类变流器需要解决复杂的IGBT串联均压问题，且直流侧滤波器较大。而第一大类变流器其主要问题在于目前所提出的新型子模块所需IGBT数量较多，成本和损耗较半桥式模块化多电平变流器增加较多。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器。该变流器采用一种新型的对角桥式子模块，其所用IGBT个数与半桥子模块相当，从而使得所提出的变流器可以以较低成本实现故障电流的快速清除，同时能在直流故障后为交流电网提供无功支撑。
本发明提出的一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，该模块化多电平变流器包括结构相同的3相，每相由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂串联构成，上桥臂正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；3相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极；3相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接。
所述的基于对角桥式子模块的上、下桥臂均由N个对角桥式子模块以及一台滤波电抗器串联组成；其中，所述上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为该桥臂的正极端，第K个对角桥式子模块的负极端与第K+1个对角桥式子模块的正极端相连，(K＝1,2,…,N-1)，第N个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作为该桥臂的负极；所述下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为该桥臂的负极端，第K个对角桥式子模块的正极端与第K+1个对角桥式子模块的负极端相连，第N个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作为该桥臂的正极端。
所述上、下桥臂中对角桥式子模块的个数N满足N≥(Um+Udc/2)/Uc，其中Um为多电平变流器交流侧相电压幅值，Udc为多电平变流器直流侧额定电压，Uc为多电平变流器子模块额定电压。
所述的对角桥式子模块的可采用的第一种具体结构包括直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；所述第一可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阴极及直流电容器的正极端相连，所述第一可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阴极相连作为该对角桥式子模块的正极端；所述第二可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阳极及直流电容器的负极相连，所述第二可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阳极相连作为该对角桥式子模块的负极端。
所述的对角桥式子模块采用的第二种具体结构包括直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；所述第一可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阴极及直流电容器的正极端相连，所述第一可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阴极相连作为对角桥式子模块的负极端；所述第二可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阳极及直流电容器的负极相连，所述第二可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阳极相连，作为对角桥式子模块的正极端。
上述两种对角桥式子模块的具体结构还包括第三续流二极管和第四续流二极管所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、第四续流二极管的阴极相连，所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、第四续流二极管的阳极相连。
本发明的特点及有益效果：
本发明提出的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，采用对角桥式子模块构成桥臂，可以以较低的成本实现直流短路故障电流的自动清零，并且能够在直流故障时为交流电网提供无功支撑。与采用箝位双子模块、箝位单子模块、全桥子模块等子模块结构的模块化多电平电压源变流器相比，在电压输出能力相同时，本发明中涉及的对角桥式子模块所用可控开关器件数目是箝位双子模块的4/5、箝位单子模块2/3、全桥子模块的1/2；在交流侧电压一定时，本发明所提出的多电平变流器所需的子模块数是模块化多电平电压源变流器所需子模块数的3/4。与采用基于电感的全桥电流源子模块的多电平变流器相比，本发明中所涉及的对角桥式子模块不含电感，且全控器件数量较少，因此子模块体积、成本和损耗都有所减小。因此，本发明所提出的多电平变流器为采用架空线的远距离直流输电工程提供了成本较低的解决方案。
附图说明
图1是本发明的多电平变流器结构图；
图2是本发明的多电平变流器的上、下桥臂结构图；其中图2(a)是多电平变流器的上桥臂结构图，图2(b)是多电平变流器的下桥臂结构图；
图3为本发明的多电平变流器的对角桥式子模块结构图；其中图3(a)第一种对角桥式子模块结构图，图2(b)是第二种对角桥式子模块结构图；
图4为本发明的多电平变流器在直流侧短路故障前后的电气量波形图，其中图4(a)是直流侧短路故障前后变流器发出有功、无功的波形以及直流侧电流波形图，图4(b)是直流侧短路故障前后变流器直流侧电压波形以及直流侧电流波形图。
具体实施方式
本发明提出的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，下面结合附图和具体实施例进一步说明如下。
本发明提出的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其结构如图1所示，变流器共包括结构相同的A,B,C三相，每相由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂串联；上桥臂正极端P+为该相直流侧正极端，下桥臂负极端N-为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极DC+；变流器各相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极DC-。上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为该相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流侧电网各相线端Ag,Bg,Cg连接。
本发明提出的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其基于对角桥式子模块的桥臂结构如图2所示，每个基于对角桥式子模块的桥臂由N个对角桥式子模块以及一台滤波电抗器L串联组成。其中，上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为桥臂的正极端P+，每一个个对角桥式子模块的负极端均与下一个对角桥式子模块的正极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为桥臂的负极P-，如图2(a)所示。下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为桥臂的负极端N-，每一个对角桥式子模块的正极端均与下一个对角桥式子模块的负极端相连，最后一个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为桥臂的正极端N+，如图2(b)所示。桥臂中对角桥式子模块的个数N应满足N≥(Um+Udc/2)/Uc，其中Um为多电平变流器交流侧相电压幅值，Udc为多电平变流器直流侧额定电压，Uc为MMC子模块额定电压。
本发明提出的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其对角桥式子模块如图3所示，可以采用如下两种结构：
3-1)第一种对角桥式子模块结构，如图3(a)所示，包括直流电容器C0、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；其中，T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为对角桥式子模块的正极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的负极端。图中，T1、T2的集电极分别与D3、D4的阴极相连，T1、T2的发射极分别与D3、D4的阳极相连。上述结构中D3和D4也可以省略。
3-2)第二种对角桥式子模块结构，如图3(b)所示,包括直流电容器C0、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；其中，T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T1的发射极与D1的阴极相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，作为对角桥式子模块的负极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的正极端。图中，T1、T2的集电极分别与D3、D4的阴极相连，T1、T2的发射极分别与D3、D4的阳极相连。上述结构中D3和D4也可以省略。
下面以应用于三相交流电网的三相模块化多电平变流器为例说明本发明的具体实施例。
该实施例中，模块化多电平变流器的参数见下表。
在本实施例中，多电平变流器结构如图1所示，变流器共包括A,B,C三相，每相由上、下2个桥臂串联；上桥臂正极端P+为该相直流侧正极端，下桥臂负极端N-为该相直流侧负极端；变流器各相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极DC+；变流器各相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极DC-。上桥臂负极端P-与下桥臂正极端N+的连接点分别为该相交流侧端Ac,Bc,Cc；Ac,Bc,Cc分别与交流侧电网各相线端Ag,Bg,Cg连接。
该变流器的桥臂由4个对角桥式子模块以及一台滤波电抗器串联组成。其中，上桥臂中第1个对角桥式子模块的正极端作为桥臂的正极端P+，第K(K＝1,2,3)个对角桥式子模块的负极端与第K+1个对角桥式子模块的正极端相连，第4个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为桥臂的负极端P-。下桥臂中第1个对角桥式子模块的负极端作为桥臂的负极端N-，第K(K＝1,2,3)个对角桥式子模块的正极端与第K+1个对角桥式子模块的负极端相连，第4个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，滤波电抗器的另一端作为桥臂的正极端N+。
在本实施例的多电平变流器中，其对角桥式子模块采用如图3(a)所示的第一种结构：该子模块结构包括直流电容器C0、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第一续流二极管D1和第二续流二极管D2、第三续流二极管D3和第四续流二极管D4；其中，T1的集电极和D2的阴极分别与直流电容器C0的正极端相连，T2的发射极和D1的阳极分别与直流电容器C0的负极相连；T1的发射极与D1的阴极相连，其连接点作为对角桥式子模块的正极端；T2的集电极与D2的阳极相连，作为对角桥式子模块的负极端。在本实施例中，在t＝0.4s前变流器正常工作，变流器传输-6MW有功和2MVar无功。在t＝0.4s时发生直流侧双极短路故障，变流器通过闭锁所有子模块实现故障隔离；在t＝0.5s，变流器切换至无功补偿模式，为交流系统提供-4MVar无功支撑。图4(a)给出了直流侧短路故障前后变流器发出有功、无功的波形以及直流侧电流波形，图4(b)给出了直流侧短路故障前后变流器直流侧电压波形以及直流侧电流波形，可见在本发明所提出的多电平变流器能够在直流侧双极短路故障后可以实现故障闭锁和故障穿越。

Claims (5)

1.一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，该模块化多电平变流器包括结构相同的3相，每相由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂串联构成，上桥臂正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；3相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极；3相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接。
2.如权利要求1所述的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，所述的基于对角桥式子模块的上、下桥臂均由N个对角桥式子模块以及一台滤波电抗器串联组成；其中，所述基于对角桥式子模块的上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为该桥臂的正极端，第K个对角桥式子模块的负极端与第K+1个对角桥式子模块的正极端相连，K＝1,2,…,N-1)，第N个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作为该桥臂的负极；所述基于对角桥式子模块的下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为该桥臂的负极端，第K个对角桥式子模块的正极端与第K+1个对角桥式子模块的负极端相连，第N个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作为该桥臂的正极端。
3.如权利要求2所述变流器，其特征在于，所述上、下桥臂中对角桥式子模块的个数N满足N≥(Um+Udc/2)/Uc，其中Um为多电平变流器交流侧相电压幅值，Udc为多电平变流器直流侧额定电压，Uc为多电平变流器子模块额定电压。
4.如权利要求2或3所述的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，所述的对角桥式子模块采用如下两种具体结构的任一种：
1)对角桥式子模块的第一种具体结构包括直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；所述第一可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阴极及直流电容器的正极端相连，所述第一可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阴极相连作为该对角桥式子模块的正极端；所述第二可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阳极及直流电容器的负极相连，所述第二可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阳极相连作为该对角桥式子模块的负极端；
2)对角桥式子模块的第二种具体结构包括直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管；所述第一可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阴极及直流电容器的正极端相连，所述第一可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阴极相连作为对角桥式子模块的负极端；所述第二可控开关器件的发射极与第一续流二极管的阳极及直流电容器的负极相连，所述第二可控开关器件的集电极与第二续流二极管的阳极相连，作为对角桥式子模块的正极端。
5.如权利要求4所述的基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，所述的对角桥式子模块的具体结构还包括第三续流二极管和第四续流二极管，所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的集电极分别与所述第三续流二极管、第四续流二极管的阴极相连，所述第一可控开关器件、第二可控开关器件的发射极分别与所述第三续流二极管、第四续流二极管的阳极相连。
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