CN105763089A - 一种带耗能电阻的自阻型子模块及其应用 - Google Patents

一种带耗能电阻的自阻型子模块及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，该子模块拓扑结构包括相互串联的两开关模块，该开关模块由一个全控型器件和一个二极管反并联而成，且两开关模块中的第一开关模块的负端与第二开关模块的正端连接；直流电容，其正极和负极分别与第一开关模块的正端和第二开关模块的负端相连接；与第一开关模块或第二开关模块电气连接的第三开关模块；以及二极管，其与第三开关模块和直流电容电气连接，还包括与所述二极管串联联接构成串联组件的耗能电阻。本发明还公开了一种包括上述自阻型子模块拓扑结构的模块化多电平换流器。本发明可以有效抑制子模块直流电容电压在阻断直流故障期间的升高，保证系统运行安全。

Description

一种带耗能电阻的自阻型子模块及其应用
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种自阻型子模块拓扑以及具有该自阻型子模块拓扑的混合型换流器。
背景技术
自阻型子模块(Self-blockingSub-module)是一种新型的模块化多电平换流器子模块拓扑，由其构成的模块化多电平换流器(MMC)具备阻断直流故障电流功能，适用于架空线直流输电场合。
目前公认的模块化多电平换流器子模块共有半桥型子模块，全桥型子模块和箝位双型子模块三种。由半桥型子模块构成的MMC不具备阻断直流故障电流的能力，发生直流故障时需要开断交流断路器或者依赖直流断路器切断直流故障通路，这种方式降低了供电可靠性或者增加了系统成本；由全桥型子模块(或全桥与半桥组合)构成的MMC具备阻断直流故障电流的能力，但损耗及成本高；由自阻型子模块和半桥子模块混合构成的MMC(SB-MMC)只需要增加25％的全控型器件就具备阻断直流故障电流的能力。
中国专利文献201410233072.0中公开了一种自阻型子模块及其应用，相比于全桥型子模块与箝位双子模块型，这种自阻型子模块减少了子模块数量与开关损耗，更利于工程设计与实现。然而，在阻断直流故障期间，自阻型子模块的直流电容被负投入并持续被故障电流充电。例如，图1所示为现有技术中公知的一种自阻型子模块拓扑，发生直流故障时，其通过闭锁全控型器件T1、T2和T3的触发脉冲，可以阻断直流故障电流，但在故障电流降为零之前，故障电流流经D4、C、D2，并给直流电容C充电，造成直流电容电压升高。图2所示为现有技术中已公知的另一种自阻型子模块拓扑，发生直流故障时，通过闭锁T1、T2和T3的触发脉冲，可以阻断直流故障电流。但在故障电流降为零前，故障电流流经D1、C、D4，并持续给直流电容C充电，造成直流电容电压升高。
在自阻型子模块用于中频MMC(例如200Hz-500Hz的MMC)，由于中频MMC子模块电容及桥臂电感较小，直流电容电压充电会导致直流电容电压上升较快，在电压上升到较高值时会使得子模块的全控型器件承受过高电压，可能损毁全控型器件，从而威胁系统的安全运行，为此需要采用一定措施抑制直流电容电压上升。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑，相比于自阻型子模块，其可以更快速地阻断直流故障电流的上升，有效抑制子模块直流电容电压在阻断直流故障期间的升高，保证系统运行安全。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，该子模块拓扑结构包括：
相互串联的两开关模块，该开关模块由一个全控型器件和一个二极管反并联而成，且两开关模块中的第一开关模块的负端与第二开关模块的正端连接；
直流电容，其正极和负极分别与第一开关模块的正端和第二开关模块的负端相连接；
与所述第一开关模块或第二开关模块电气连接的第三开关模块；以及
二极管，其与所述第三开关模块和直流电容电气连接；
其特征在于，还包括与所述二极管串联联接构成串联组件的耗能电阻。
作为本发明的改进，所述第三开关模块负端与第二开关模块的负端相连接，第三开关模块正端作为所述子模块的输出负端，第一开关模块和第二开关模块的连接点作为子模块的输出正端。
作为本发明的改进，所述串联组件的阳极与第三开关模块的正端相连，阴极与直流电容的正极相连。
作为本发明的改进，所述第三开关模块正端与第一开关模块正端连接，第三开关模块负端作为所述子模块的输出正端，第一开关模块和第二开关模块的连接点作为所述子模块的输出负端。
作为本发明的改进，所述串联组件的阳极与直流电容的负极相连，阴极与第三开关模块的负端相连。
按照本发明的另一方面，提供一种模块化多电平换流器，其包括一个或多个相单元，其中，每个相单元包括串联连接的上桥臂和下桥臂，以及分别与该上桥臂和下桥臂对应串联的桥臂电感，所述上桥臂正端和下桥臂的负端分别与直流母线的正极和负极相连接，每个相单元的上桥臂负端和下桥臂正端的连接点处作为三相输出端子引出点，所述上桥臂或下桥臂由多个上述子模块拓扑依次串联而成，或者由一个或多个上述子模块拓扑与一个或多个半桥型子模块拓扑混合串联而成。
作为本发明的改进，所述上桥臂或下桥臂中的上述子模块拓扑个数与半桥型子模块拓扑相同。
本发明中，每个相单元的一种连接方式是上桥臂电感的一端连接正极直流母线，上桥臂电感的另一端与上桥臂正端相连接，上桥臂负端与下桥臂正端相连接，下桥臂负端与下桥臂电感的一端连接，下桥臂电感的另一端与负极直流母线相连接，每个相单元的上桥臂负端和下桥臂正端连接点处引出A、B、C三相输出端子。
本发明中，每个相单元的另一种连接方式是上桥臂的正端与正极直流母线连接，上桥臂的负端与上桥臂电感的一端相连接，上桥臂电感的另一端与下桥臂电感的一端连接，下桥臂电感的另一端与下桥臂的正端相连接，下桥臂的负端与负极直流母线相连接，每个相单元的上桥臂电感与下桥臂电感连接处引出A、B、C三相输出端子。
本发明中，上述模块化多电平换流器在发生直流故障时通过闭锁全部全控型器件的驱动信号从而阻断直流故障电流，阻断直流故障期间，自阻型子模块直流电容处于负投入状态，并被故障电流持续充电，但由于耗能电阻的引入，充电能量被耗能电阻吸收，使得直流电容电压值维持在正常范围。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明提供的子模块拓扑可以有效抑制阻断直流故障期间直流电容电压的升高，减小故障电流回路的时间常数，加快故障电流降为零的速度；
2)本发明提供的子模块拓扑应用于直流自耦变压器等存在直流电压源给故障点提供短路电流的场合可以更快速地阻断直流故障电流并抑制子模块电容电压的上升；
3)本发明提供的子模块拓扑应用于高于工频的场合时(例如200Hz～500Hz)，可以降低子模块电容值并有效抑制直流故障期间子模块电容电压上升。
附图说明
图1是现有技术中的一种自阻型子模块的拓扑结构图；
图2是现有技术中的另一种自阻型子模块的拓扑结构图；
图3是本发明一个实施例的自阻型子模块的拓扑结构图；
图4是本发明另一实施例的自阻型子模块的拓扑结构图；
图5是由本发明又一实施例中由两种自阻子模块构成的一种三相模块化多电平换流器拓扑；
图6是由本发明再一实施例中由两种自阻子模块构成的另二种三相模块化多电平换流器拓扑；
图7是本发明另一实施例中提供的由多个自阻型子模块和半桥型子模块构成的三相混合型模块化多电平换流器结构示意图；
图8是本发明再一实施例中由自阻型子模块构成的三相九电平模块化多电平换流器仿真示意图；
图9是图8所示的模块化多电平换流器单相简化分析电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
按照本发明一个实施例提供的子模块拓扑，其优选用于构造新型模块化多电平换流器和直流-直流变压器，使得新型模块化多电平换流器和直流-直流变压器用于两端直流输电，多端直流输电以及直流电网中，其显著的技术性表现在于相比公知的自阻型子模块，其可以有效抑制阻断直流故障期间直流电容电压的升高；并能广泛应用于直流自耦变压器、面对面式直流-直流变压器以及中频应用场合。
图3为本发明一个实施例所提供的子模块拓扑结构，如图3所示，该自阻型子模块包括相互串联的两开关模块，可以分别称为开关模块1和开关模块2，其中开关模块1的负端与开关模块2的正端相连接，开关模块1或2均由一个全控型器件和一个二极管反并联而成。
该子模块拓扑还包括直流电容4，其正极和负极分别与开关模块1的正端和开关模块2的负端相连接。
该子模块拓扑还包括开关模块3，其与开关模块1和第二开关模块2电气连接，还包括二极管7，其与开关模块3和直流电容4电气连接，如图3，其中二极管7与一个耗能电阻8串联，二极管7与耗能电阻8构成的串联组件。
如图3所示，在一个实施例中，开关模块3的负端与开关模块2的负端相连接，开关模块3正端作为所述子模块的输出负端，开关模块1和开关模块2的连接点作为子模块的输出正端。相应地，在串联组件的阳极与开关模块3的正端相连、阴极与直流电容4的正极相连.
该实施例的子模块拓扑结构，相当于在图1所示第一类自阻型子模块拓扑结构的基础上增加了耗能电阻8。该子模块拓扑结构在阻断直流故障期间，故障电流流经耗能电阻8、二极管7、直流电容4、开关模块2，直流网络能量被耗能电阻8迅速耗散，降低了子模块直流电容电压的上升幅度；同时也减小了故障电流回路的时间常数，使得故障电流迅速降到零，缩短了换流器进入完全闭锁的时间。
如图4所示，在另一个实施例中，开关模块3正端与开关模块1正端连接，开关模块3负端作为所述子模块的输出正端，开关模块1和开关模块2的连接点作为所述子模块的输出负端。相应地，串联组件的阳极与直流电容4的负极相连、阴极与开关模块3的负端相连。
该实施例中，该新型子模块相当于在图2所示第二类自阻型子模块拓扑结构的基础上增加了耗能电阻8。在阻断直流故障期间，故障电流流经开关模块1、直流电容4、耗能电阻8、二极管7，直流网络能量被耗能电阻R迅速耗散，降低了子模块直流电容电压的上升幅度；同时也减小了故障电流回路的时间常数，使得故障电流迅速降到零，缩短了换流器进入完全闭锁状态的时间。
图5所示为由本发明另一个实施例所提出的由上述子模块构成的三相模块化多电平换流器拓扑。在该实施例中，该三相模块化多电平换流器包括三个相单元11，每个相单元由上桥臂12，上桥臂电感13，下桥臂电感14，下桥臂15依次串联而成，每个桥臂由N个子模块依次串联而成，每个相单元11的正端与正极直流母线16相连接，相单元11的负端与直流负极母线17相连接，从每个上桥臂电感，下桥臂电感的连接点处分别引出交流输出端子8～10。在一个实施例中，单个桥臂的具体连接方式优选为图5左侧所示的拓扑结构。
图6所示为由本发明又一个优选实施例所提出的子模块改进型构成的新型三相模块化多电平换流器的另一种实现方式。该拓扑与图5所示的实施例的换流器基本类似，区别仅在于构成每个相单元的桥臂与桥臂电感的连接先后次序不同。该三相模块化多电平换流器包括三个相单元11，每个相单元由上桥臂电感13，上桥臂12，下桥臂15，下桥臂电感14依次串联而成，从每个上桥臂，下桥臂的连接点处分别引出交流输出端子8～10，该方案其他部件的实现形式与图5完全一致，不再赘述。
上述图5和图6所示的实施例中相单元的数量分别为三个，但是本发明中，实际上根据新型模块化多电平换流器传输功率的大小，每个模块化多电平换流器可以由一个或多个相单元组成，从而构成单相或多相新型模块化多电平换流器，并不限定于图5和图6实施例所述的相单元数量。
图7所示为由本发明另一个实施例提供的一种子模块拓扑和常规半桥型子模块混合而成的混合型换流器，图7拓扑与图5所示实施例的子模块拓扑基本一致，区别在于每个桥臂12或15由多个上述子模块和常规半桥型子模块混合串联而成，其中子模块和常规半桥子模块的串联次序任意。所述的新型子模块可以是上述各实施例中的任何一种。每个桥臂所使用的子模块与常规半桥子模块的数量比例优选值为1：1，这样在具备直流电流阻断能力的同时减少了换流器的成本，但本发明中并不限于此。
图8所示为本发明一个实施例提出的由子模块构成的三相九电平模块化多电平换流器示意图。在一个优选实施例中为分析方便，取出图8的其中任一相来进行分析，并将上下桥臂8个子模块分别等效为一个子模块，如图9所示。电容22、27为上下桥臂的等效串联电容值，电容电压分别是上桥臂、下桥臂子模块电容电压之和。当发生直流侧极对极短路故障29后，将闭锁开关模块19、20、21、24、25、26中的全控型器件，故障电流从交流侧流向直流侧。由于上桥臂IGBT(绝缘栅双极型晶体管)闭锁，故障电流只能通过耗能电阻31、二极管23、电容22和开关模块20中的反并联二极管流通，但上桥臂电容电压之和维持在直流电压Udc附近，而交流侧相电压幅值是小于Udc的，二极管承受反压而无法导通，上桥臂电故障电流会被阻断为0。在阻断直流故障期间，直流网络能量被耗能电阻31迅速耗散，子模块直流电容电压的升高被有效抑制；由于耗能电阻31的阻尼作用，还减小了故障电流回路的时间常数，加快了故障电流降为零的速度。下桥臂的故障电流也只能通过开关模块24、26中的反并联二极管和电容27构成导电通路，但是由于下桥臂电容电压之和维持在直流电压Udc附近，而交流侧相电压幅值是小于Udc的，二极管承受反压而无法导通，下桥臂没有导电通路。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，该子模块拓扑结构包括：
相互串联的两开关模块，所述开关模块由一个全控型器件和一个二极管反并联而成，且两开关模块中的第一开关模块的负端与第二开关模块的正端连接；
直流电容，其正极和负极分别与第一开关模块的正端和第二开关模块的负端相连接；
与所述第一开关模块或第二开关模块电气连接的第三开关模块；以及
二极管，其与所述第三开关模块和直流电容电气连接；
其特征在于，还包括与所述二极管串联联接构成串联组件的耗能电阻。
2.根据权利要求1所述的一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，其中，所述第三开关模块负端与第二开关模块的负端相连接，第三开关模块正端作为所述子模块的输出负端，第一开关模块和第二开关模块的连接点作为子模块的输出正端。
3.根据权利要求2所述的一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，其中，所述串联组件的阳极与第三开关模块的正端相连，阴极与直流电容的正极相连。
4.根据权利要求1所述的一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，其中，所述第三开关模块正端与第一开关模块正端连接，第三开关模块负端作为所述子模块的输出正端，第一开关模块和第二开关模块的连接点作为所述子模块的输出负端。
5.根据权利要求4所述的一种带耗能电阻的自阻型子模块拓扑结构，其中，所述串联组件的阳极与直流电容的负极相连，阴极与第三开关模块的负端相连。
6.一种模块化多电平换流器，其包括一个或多个相单元，其中，每个相单元包括串联连接的上桥臂和下桥臂，以及分别与该上桥臂和下桥臂对应串联的桥臂电感，所述上桥臂正端和下桥臂的负端分别与直流母线的正极和负极相连接，每个相单元的上桥臂负端和下桥臂正端的连接点处作为三相输出端子引出点，所述上桥臂或下桥臂由多个权利要求1-5中任一项所述的子模块拓扑依次串联而成，或者由一个或多个权利要求1-5中任一项所述的子模块拓扑与一个或多个半桥型子模块拓扑混合串联而成。
7.根据权利要求6所述的一种模块化多电平换流器，其中，所述上桥臂或下桥臂中的上述子模块拓扑个数与半桥型子模块拓扑相同。
8.根据权利要求6或7所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于，发生直流故障时，通过闭锁所述子模块拓扑中的开关模块中的全控型器件的驱动信号从而阻断直流故障电流。
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