CN105896477A - 一种模块化多电平换流器的接地保护方法及模块化多电平换流器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化多电平换流器的接地保护方法及模块化多电平换流器，涉及直流输电技术领域，以在模块化多电平换流器出现接地故障时，对模块化多电平换流器进行保护。其中所述模块化多电平换流器的接地保护方法，在模块化多电平换流器中的至少一个相单元的每个子模块上对应的并联至少一个保护电路，保护电路的一端与子模块的正极连接，保护电路的另一端与子模块的负极连接；当模块化多电平换流器出现接地故障时，控制保护电路导通；当模块化多电平换流器处于正常状态时，控制保护电路断开。本发明提供的模块化多电平换流器的接地保护方法用于对模块化多电平换流器进行保护。

Description

一种模块化多电平换流器的接地保护方法及模块化多电平换流器

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的接地保护方法及模块化多电平换流器。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，简称MMC)被广泛应用于直流输电系统，以在输电过程中输出交流电压。

模块化多电平换流器的通用拓扑结构包括：三个相单元，每个相单元由多个相同的子模块串联组成，每个子模块包括二极管、晶闸管和电容等器件。模块化多电平换流器采用了模块化拓扑，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化，并且可以扩展到任意电平输出，从而减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，输出电压非常平滑且接近理想正弦波形，实现了能量的高效传输。

在直流输电过程中，模块化多电平换流器有可能会出现接地故障，从而输入模块化多电平换流器直流电的一端和接地故障点之间就会有电流通过。由于输电距离较远，这时无法立即降低直流电端的输电电压，从而使得直流电端和接地故障点之间的子模块中的电容被过度充电，导致电容电压大幅上升，进而造成子模块中的其它器件因过压而被损坏。

发明内容

为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种模块化多电平换流器的接地保护方法及模块化多电平换流器，以在模块化多电平换流器出现接地故障时，对模块化多电平换流器进行保护。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种模块化多电平换流器的接地保护方法，所述模块化多电平换流器包括三个相单元，每个所述相单元包括串联的若干个相同的子模块，在至少一个所述相单元的每个子模块上对应的并联至少一个保护电路，所述保护电路的一端与所述子模块的正极连接，所述保护电路的另一端与所述子模块的负极连接；当所述模块化多电平换流器出现接地故障时，控制所述保护电路导通；当所述模块化多电平换流器处于正常状态时，控制所述保护电路断开；其中，所述子模块的正极为靠近所述模块化多电平换流器高电位的一端，所述子模块的负极为靠近所述模块化多电平换流器低电位的一端。

本发明所提供的模块化多电平换流器的接地保护方法，当模块化多电平换流器发生阀侧接地故障时，并联在子模块上的保护电路就会立即被导通，因保护电路相对于相单元中的子模块而言，电阻是极小的，从而相单元并联形成的直流母线(就是输入模块化多电平换流器直流电)中的电流就会沿着保护电路流至发生接地故障的位置处，进而避免了直流母线中的电流流入相单元中，也就避免了因相单元中子模块的电容被过度充电，而损坏子模块中的其它器件，因此有效地保护了该模块化多电平换流器。

另一方面，本发明提供了一种模块化多电平换流器，包括三个相单元，每个所述相单元包括串联的若干个相同的子模块，至少一个所述相单元的每个子模块上对应的并联有至少一个保护电路，所述保护电路的一端与所述子模块的正极连接，所述保护电路的另一端与所述子模块的负极连接；所述保护电路在所述模块化多电平换流器出现接地故障时为导通状态；所述保护电路在所述模块化多电平换流器处于正常状态时为断开状态；其中，所述子模块的正极为靠近所述模块化多电平换流器高电位的一端，所述子模块的负极为靠近所述模块化多电平换流器低电位的一端。

本发明所提供的模块化多电平换流器的有益效果与上述模块化多电平换流器的接地保护方法的有益效果相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为现有技术中的模块化多电平换流器的结构图；

图2为本发明实施例中的模块化多电平换流器的第一结构图；

图3为本发明实施例中的模块化多电平换流器的第二结构图；

图4为本发明实施例中的子模块的第一结构示意图；

图5为本发明实施例中的子模块的第二结构示意图。

附图标记：

10-模块化多电平换流器； 20-相单元； 30-子模块；

40-保护电路； 50-直流母线； 60-交流输出端；

71-晶闸管； 72-旁路开关； 80-变压器；

90-断路器。

具体实施方式

实施例一

本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器的接地保护方法，在说明该接地保护方法之前，首先简要介绍模块化多电平换流器的结构，参见图1～图3，模块化多电平换流器10包括三个相单元20，每个相单元20包括串联的若干个相同的子模块30，在本实施例中，结合图4和图5，为了防止模块化多电平换流器10出现接地故障而损坏相关器件，至少在其中一个相单元20的每个子模块30的上对应的并联至少一个保护电路40，当模块化多电平换流器10出现接地故障时，控制每个子模块30上对应的保护电路40导通，当模块化多电平换流器10处于正常状态时，控制每个子模块30上对应的保护电路40断开。保护电路40并联在对应的子模块30的出口处，即电流流入子模块30的线路和流出子模块30的线路之间，为了便于描述，称在子模块30中，靠近模块化多电平换流器10高电位的一端为子模块30的正极，靠近模块化多电平换流器10低电位的一端为子模块30的负极，因此，可以说保护电路40的一端连接在子模块30的正极，另一端连接在子模块30的负极。

参见图2和图3，在模块化多电平换流10中，三个相单元20并联形成直流母线50，每个相单元20分别连接引出一个电路，作为输出交流电的一端，也就是输出交流电的三相电压，以下称交流输出端60。在本实施例中，当某个相单元20的全部子模块30上均并联保护电路40时，若模块化多电平换流器10交流输出端的某处发生接地故障，这时，模块化多电平换流器10本身会闭锁子模块30中所有的功率器件，其中，功率器件包括绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)等，同时立即导通保护电路40，由于保护电路40相对于子模块30中的电容等，电阻是十分微小的，因此直流母线50中的电流就会流入该保护电路40中，从而故障电流经各子模块30的保护电路40流向接地故障点，进而避免了因子模块30中的电容被过度充电，而导致一些器件(如IGBT等功率器件)因过压而被损坏的现象，有效地对子模块30中的器件进行了保护，也就保护了模块化多电平换流器10。

参见图4和图5，为了实现上述模块化多电平换流器的接地保护方法，优选的，在每个保护电路40上均安装一个控制器件，该控制器件能够在模块化多电平换流器10出现接地故障时，被控制为导通状态，从而通过控制该控制器件导通使保护电路40导通，当模块化多电平换流器10处于正常状态时，又可被控制为断开状态，从而通过控制该控制器件断开使保护电路40断开。

参见图4，优选的，上述控制器件可以为具备较高的故障电流同流能力的晶闸管71，为了使晶闸管71在导通状态时，直流母线50中的电流能够经晶闸管71从高电位流向低电位，最终流向接地故障点，可将晶闸管71的阳极连接子模块30的正极，晶闸管71的阴极连接子模块30的负极。

当模块化多电平换流器10出现接地故障时，控制晶闸管71导通，具体的，可触发晶闸管71导通，从而通过控制晶闸管71导通使保护电路40导通；当模块化多电平换流器10处于正常状态时，控制晶闸管71关断，从而通过控制晶闸管71关断使保护电路40断开。

参见图5，优选的，上述控制器件也可以为具备较高的故障电流导通能力和毫秒级快速闭合能力的旁路开关72。该旁路开关72可为接触器、继电器等各类机械开关。

当模块化多电平换流器10出现接地故障时，控制旁路开关72闭合，从而通过控制旁路开关72闭合使保护电路40导通；当模块化多电平换流器10处于正常状态时，控制旁路开关72断开，从而通过控制旁路开关72断开使保护电路40断开。

为了实现双重保护，也可在同一个子模块30上既并联晶闸管71，又并联旁路开关72。

在本实施例中，当模块化多电平换流器10出现接地故障时，必须控制至少一个相单元20中，每个子模块30对应的至少一个保护电路40为导通状态，以确保直流母线50中的电流能够沿着这些保护电路40形成的通路流入接地故障点。

参见图2和图3，进一步的，模块化多电平换流器10的交流输出端60连接有变压器80，为了进一步保护模块化多电平换流器10，同时保护整个直流输电系统，还可在变压器80的网侧连接断路器90，当模块化多电平换流器10出现接地故障时，控制断路器90断开，以停止交流电压的输出；当模块化多电平换流器10处于正常状态时，控制断路器90闭合，以完成交流电压的输出。需要解释的是，变压器80连接在交流输出端60的一侧为阀侧，与阀侧相对的一侧为网侧。

参见图1～图3，在本实施中，所涉及到的模块化多电平换流器10的接地故障，其实也就是模块化多电平换流器10的阀侧接地故障。进一步说明，在本实施例中提到的模块化多电平换流器出现的接地故障的发生处可能是在相单元20内部的某一位置，也可能是相单元30的交流输出端60。相单元20通常包括上、下两个桥臂，在相单元20内部发生的接地故障实际上就是桥臂内部的某处发生接地故障，而交流输出端60发生的接地故障可包括单相接地故障、两相接地故障和三相接地故障三种情况。

在实际运用中，若模块化多电平换流器的某处发生接地故障，对于直流输电系统中的单极直流输电系统而言，则视为整个直流输送系统发生接地故障，而对于双极直流输送系统，则视为发生接地故障的位置处所在的某一极发生接地故障。

可选的，本实施例中的模块化多电平换流器10中的子模块30可以为半桥型子模块、全桥型子模块或者钳位双子模块型子模块等。

本实施例中的模块化多电平换流器的接地保护方法适用于直流输电系统，直流输电系统可以为柔性直流输电系统，也可以为混合直流输电系统。

其中，混合直流输电系统中既包括模块化多电平换流器，又包括基于电网换相换流器，当混合直流输电系统中检测到有接地故障，为了避免更严重的事故发生，还应当立即执行紧急停运指令。

为了更形象地说明本实施例中的模块化多电平环流器的接地保护方法，下面以双极直流输电系统为例，进一步说明。

需要说明的是，在图1～图3中，所表示的均为双极直流输电系统的正极部分，且正极部分包括串联的两个模块化多电平换流器10，以第一个模块化多电平换流器10为例，包括三个相单元20，每个相单元20包括两个桥臂，每个桥臂包括多个相同的串联的子模块30，图中所选用的子模块30为全桥型子模块，且以每个桥臂包括一个全桥型子模块作为示意。图中的箭头所指方向为模块化多电平换流器10出现接地故障时，直流母线50中的电流的流向。

参见图1，首先，简单介绍现有技术中未使用上述接地保护方法的情况，当一个模块化多电压换流器10中的一个相单元20的交流输出端60接地时，模块化多电平换流器10中的子模块被闭锁，也就是子模块30中的功率器件被关断，而直流母线50与接地故障点之间的压降超过了该相单元20上所有子模块30中的电容电压之和，因此直流母线50中的电流仍然会经子模块30中的二极管继续向电容充电，从而导致子模块30中的电容被过度充电，最终使电容电压达到正常工作时的两倍以上，进而子模块30中的功率器件存在因过压被损坏的危险。

参见图2，示例性的，一种采用上述接地保护方法的情况，在其中一个相单元20的每个子模块30上均并联一个晶闸管71，当一个相单元20的交流输出端60接地时，该模块化多电平换流器10中的子模块30被闭锁，也就是子模块30中的功率器件被关断，同时立即触发每个子模块30上的晶闸管71，晶闸管71被导通，保护电路40相应被导通，从而直流母线50中的电流迅速流向晶闸管71，并经晶闸管71流向接地故障点，从而避免了对子模块30中的电容过度充电，消除了子模块30中的功率器件因过压被损坏的隐患。

参见图3，另一种采用上述接地保护方法的情况，在其中一个相单元20的每个子模块30上均并联一个旁路开关72，当一个相单元20的交流输出端60接地时，该模块化多电平换流器10中的子模块30被闭锁，也就是子模块30中的功率器件被关断，同时立即闭合旁路开关72，保护电路40相应被导通，直流母线50中的电流迅速流向旁路开关72，并经旁路开关72流向接地故障点，从而避免了对子模块30中的电容过度充电，消除了子模块30中的功率器件因过压被损坏的隐患。

实施例二

参见图2～图5，本实施例提供了一种模块化多电平换流10，包括三个相单元20，每个相单元20包括串联的若干个相同的子模块30，至少一个相单元20的每个子模块30上对应的并联有至少一个保护电路40，保护电路40的一端与子模块30的正极连接，保护电路40的另一端与子模块30的负极连接，其中，子模块30的正极为靠近模块化多电平换流器10高电位的一端，子模块30的负极靠近模块化多电平换流器10低电位的一端。该保护电路40能够在模块化多电平换流器10出现接地故障时为导通状态，并在模块化多电平换流器10处于正常状态时为断开状态。

本实施所提供的模块化多电平换流器10能够在出现接地故障时，保护电路40相应的被导通，输入该模块化多电平换流器10的直流电流就会经过该保护电路40流向接地故障点，从而避免了直流电流流经子模块30，也就避免了直流电流流入子模块30对电容过度充电，进而消除了子模块30中的功率器件存在的因过压而被损坏的隐患，由此可见，上述模块化多电平换流器10能够起到保护自身的作用，同时间接保护了整个直流输电系统。

需要说明的是，实施例一中的各优选方案同样适用于实施例二。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种模块化多电平换流器的接地保护方法，所述模块化多电平换流器包括三个相单元，每个所述相单元包括串联的若干个相同的子模块，其特征在于，在至少一个所述相单元的每个子模块上对应的并联至少一个保护电路，所述保护电路的一端与所述子模块的正极连接，所述保护电路的另一端与所述子模块的负极连接；

当所述模块化多电平换流器出现接地故障时，控制所述保护电路导通；当所述模块化多电平换流器处于正常状态时，控制所述保护电路断开；

其中，所述子模块的正极为靠近所述模块化多电平换流器高电位的一端，所述子模块的负极为靠近所述模块化多电平换流器低电位的一端。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的接地保护方法，其特征在于，所述保护电路上安装有控制器件，当所述模块化多电平换流器出现接地故障时，通过所述控制器件使所述保护电路导通；当所述模块化多电平换流器处于正常状态时，通过所述控制器件使所述保护电路断开。

3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的接地保护方法，其特征在于，所述控制器件为晶闸管，所述晶闸管的阳极连接所述子模块的正极，所述晶闸管的阴极连接所述子模块的负极；

当所述模块化多电平换流器出现接地故障时，通过控制所述晶闸管导通使所述保护电路导通；当所述模块化多电平换流器处于正常状态时，通过控制所述晶闸管关断使所述保护电路断开。

4.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的接地保护方法，其特征在于，所述控制器件为旁路开关；

当所述模块化多电平换流器出现接地故障时，通过控制所述旁路开关闭合使所述保护电路导通；当所述模块化多电平换流器处于正常状态时，通过控制所述旁路开关断开使所述保护电路断开。

5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的接地保护方法，其特征在于，在所述模块化多电平换流器的输出交流电的一端连接变压器，所述变压器的网侧连接断路器；

当所述模块化多电平换流器出现接地故障时，控制所述断路器断开；当所述模块化多电平换流器处于正常状态时，控制所述断路器闭合；

其中，所述变压器连接所述子模块的一侧为阀侧，与所述阀侧相对的一侧为网侧。

6.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的接地保护方法，其特征在于，所述子模块可为半桥型子模块、全桥型子模块或者钳位双子模块型子模块。

7.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的接地保护方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器出现的接地故障为所述相单元内部的接地故障；或者，所述模块化多电平换流器出现的接地故障为所述相单元输出交流电的一端的接地故障。

8.一种模块化多电平换流器，包括三个相单元，每个所述相单元包括串联的若干个相同的子模块，其特征在于，至少一个所述相单元的每个子模块上对应的并联有至少一个保护电路，所述保护电路的一端与所述子模块的正极连接，所述保护电路的另一端与所述子模块的负极连接；

所述保护电路在所述模块化多电平换流器出现接地故障时为导通状态；所述保护电路在所述模块化多电平换流器处于正常状态时为断开状态；

其中，所述子模块的正极为靠近所述模块化多电平换流器高电位的一端，所述子模块的负极为靠近所述模块化多电平换流器低电位的一端。