CN106100404A - 一种模块化多电平换流器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模块化多电平换流器及其使用方法，涉及电力系统直流输电技术领域，为解决当模块化多电平换流器中的子模块出现过压或过流情况时，子模块中所采用的全控型功率半导体器件容易被损坏的问题。所述模块化多电平换流器包括：若干级联的半桥子模块和/或全桥子模块，模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，旁通对用于在故障情况下，将模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通。本发明提供的模块化多电平换流器用于输出交流电压。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统直流输电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器及其使用方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，以下简称MMC)是一种新型的电压源换流器，这种新型的电压源换流器包括若干级联的子模块，通过控制各个子模块的工作状态可以使MMC输出的交流电压逼近正弦波，从而实现能量的高效传输。
MMC所包括的子模块中，每个子模块均包含有一定数量的全控型功率半导体器件和电容器。在某些特定故障的工况下，子模块可能出现严重的过压或过流现象，而各个子模块中所采用的全控型功率半导体器件的过压和过流能力较弱，在过压或过流的情况下很容易被损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器及其使用方法，用于解决当模块化多电平换流器中的子模块出现过压或过流情况时，子模块中所采用的全控型功率半导体器件容易被损坏的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的第一方面提供一种模块化多电平换流器，包括若干级联的半桥子模块和/或全桥子模块，所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，所述旁通对用于在故障情况下，将所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极连通。
基于上述模块化多电平换流器的技术方案，本发明的第二方面提供一种模块化多电平换流器的使用方法，所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，当出现故障时，触发旁通对使所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极连通。
本发明提供的模块化多电平换流器中，模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，在出现特殊故障时(即有故障电压和故障电流出现)，旁通对能够被触发，并将模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通，这样就使得由于故障而产生的故障电压和故障电流经旁通对释放，而不必流经模块化多电平换流器中的各子模块后再释放，很好的避免了故障电压(高压)和故障电流(大电流)对子模块所产生的影响，保证了模块化多电平换流器的安全性和使用寿命。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的模块化多电平换流器中引入旁通对的第一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的模块化多电平换流器中引入旁通对的第二种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的模块化多电平换流器中引入旁通对的第三种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的模块化多电平换流器中引入旁通对的第四种结构示意图；
图5为本发明实施例提供的模块化多电平换流器中引入旁通对的第五种结构示意图。
附图标记：
1-第一晶闸管阀段， 2-第二晶闸管阀段，
3-第三晶闸管阀段， 4-第四晶闸管阀段，
5-上桥臂， 6-下桥臂。
具体实施方式
为了进一步说明本发明实施例提供的模块化多电平换流器及其使用方法，下面结合说明书附图进行详细描述。
请参阅图1，本发明实施例提供的模块化多电平换流器包括若干级联的半桥子模块和/或全桥子模块，模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，旁通对用于在故障情况下，将模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通。
在模块化多电平换流器正常运行时，旁通对处于闭锁状态；当模块化多电平换流器处在特定故障的工况下时，将多电平换流器被闭锁，并同时触发旁通对使旁通对将模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通，即通过旁通对将模块化多电平换流器旁路，使由于故障产生的故障电压和故障电流不经过模块化多电平换流器内部的子模块，而是经旁通对释放。
根据上述模块化多电平换流器中旁通对的工作情况可知，本发明实施例提供的模块化多电平换流器中引入的旁通对能够在子模块出现过压或过流的情况时，将模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通，这样就使得由于故障而产生的故障电压和故障电流经旁通对释放，而不必流经模块化多电平换流器中的各子模块后再释放，很好的避免了故障电压和故障电流对子模块所产生的影响，保证了模块化多电平换流器的安全性和使用寿命。
上述实施例提供的旁通对有多种结构，只要能够在出现故障的情况下将模块化多电平换流器的正极和负极连通即可，下面给出两种具体结构的旁通对，并对其产生的有益效果进行分析。
第一种旁通对结构：旁通对为并联在模块化多电平换流器的直流侧的第一晶闸管阀段1；具体的，请参阅图1和图2，第一晶闸管阀段1可以以两种不同的方式并联在模块化多电平换流器的直流侧，包括第一晶闸管阀段1的阳极与模块化多电平换流器的正极连接，第一晶闸管阀段1的阴极与模块化多电平换流器的负极连接；或，第一晶闸管阀段1的阳极与模块化多电平换流器的负极连接，第一晶闸管阀段1的阴极与模块化多电平换流器的正极连接。需要说明的是，对于上述第一晶闸管阀段1的阳极与模块化多电平换流器的负极连接，第一晶闸管阀段1的阴极与模块化多电平换流器的正极连接的方式，适用于在故障时模块化多电平换流器的正极电压和负极电压出现跳变的情况(即跳变后能够满足第一晶闸管阀段1的导通条件)。
更进一步的说，上述第一晶闸管阀段1可以包括依次串联的若干晶闸管，为了更详细的说明第一晶闸管阀段1的结构和具体连接方式，以第一晶闸管阀段1包括依次串联的第一晶闸管至第N晶闸管为例，即可以将第一晶闸管的阳极作为第一晶闸管阀段1的阳极，将第N晶闸管的阴极作为第一晶闸管阀段1的阴极；当第一晶闸管阀段1包括依次串联的若干晶闸管时，第一晶闸管阀段1具有较好的过压和过流能力，能够承受较大的故障电压和故障电流；当然，上述第一晶闸管阀段1也可以仅包括一个晶闸管，只要能够实现旁通的功能即可，而且在这种情况下，晶闸管的阳极即为第一晶闸管阀段1的阳极，晶闸管的阴极即为第一晶闸管阀段1的阴极。
将第一晶闸管阀段1并联在模块化多电平换流器的直流侧来作为旁通对，在模块化多电平换流器正常运行时，第一晶闸管阀段1处于闭锁状态；当出现故障时，可以将模块化多电平换流器闭锁，并同时触发第一晶闸管阀段1，第一晶闸管阀段1就能够实现其旁通的功能；而且只通过一个晶闸管阀段就能够实现旁通的功能，很好的节约了成本。
第二种旁通对结构：旁通对包括并联在模块化多电平换流器的上桥臂5两端的第二晶闸管阀段2，和并联在模块化多电平换流器的下桥臂6两端的第三晶闸管阀段3，且上桥臂与下桥臂为同相桥臂(上桥臂与下桥臂同为A相或同为B相或同为C相)；具体的，请参阅图3和图4，第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3同样可以以两种不同的方式分别并联在模块化多电平换流器的上、下桥臂上，包括第二晶闸管阀段2的阳极与模块化多电平换流器的正极连接，第二晶闸管阀段2的阴极与同一相上桥臂5和下桥臂6之间的交点连接；第三晶闸管阀段3的阳极与第二晶闸管阀段2的阴极连接，第三晶闸管阀段3的阴极与模块化多电平换流器的负极连接；或，第二晶闸管阀段2的阴极与模块化多电平换流器的正极连接，第二晶闸管阀段2的阳极与同一相上桥臂5和下桥臂6之间的交点连接；第三晶闸管阀段3的阴极与第二晶闸管阀段2的阳极连接，第三晶闸管阀段3的阳极与模块化多电平换流器的负极连接。需要说明的是，对于上述第二晶闸管阀段2的阴极与模块化多电平换流器的正极连接，第二晶闸管阀段2的阳极与同一相上桥臂5和下桥臂6之间的交点连接；第三晶闸管阀段3的阴极与第二晶闸管阀段2的阳极连接，第三晶闸管阀段3的阳极与模块化多电平换流器的负极连接的方式，适用于在故障时模块化多电平换流器的正极电压和负极电压出现跳变的情况(即跳变后能够满足第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3导通的条件)。
更详细的说，上述第二晶闸管阀段2可以包括依次串联的若干晶闸管，和/或，上述第三晶闸管阀段3同样包括依次串联的若干晶闸管；当第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3均包括若干晶闸管时，第二晶闸管阀段2的阳极和第三晶闸管阀段3的阳极均为其内部对应的晶闸管的阳极，第二晶闸管阀段2的阴极和第三晶闸管阀段3的阴极均为其内部对应的晶闸管的阴极，具体情况与第一晶闸管阀段1相同，此处不做赘述。当第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3均包括依次串联的若干晶闸管时，第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3均具有较好的过压和过流能力，能够承受较大的故障电压和故障电流；当然，第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3也均可以只包括一个晶闸管，这种情况下与上述第一晶闸管阀段1仅包括一个晶闸管相同，同样具有使用的器件数量少，节约生产成本的效果。
将第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3分别并联在模块化多电平换流器的上、下桥臂上，在模块化多电平换流器正常运行时，第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3均处于闭锁状态；当出现故障时，可以将模块化多电平换流器闭锁，并同时触发第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3，使得第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3处于导通状态，将模块化多电平换流器旁通，从而实现对电路的保护功能。
需要说明的是，第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3的并联方向要一致(即第二晶闸管阀段2的阳极和第三晶闸管阀段3的阴极连接；或第二晶闸管阀段2的阴极和第三晶闸管阀段3的阳极连接)，以保证第二晶闸管阀段2和第三晶闸管阀段3具有旁通功能。此外，对于第二种结构的旁通对，还可以根据实际需要同时在不同的相单元上并联旁通对，例如：在A相的上、下桥臂并联晶闸管阀段；和/或在B相的上、下桥臂并联晶闸管阀段；和/或在C相的上、下桥臂并联晶闸管阀段。
在出现故障的情况下，模块化多电平换流器的正极电压和负极电压可能出现跳变的情况，而由于晶闸管是在承受正向阳极电压的前提下，在其门极承受正向电压时才能够导通；因此，若将晶闸管阀段以上述的任意一种方式接入到模块化多电平换流器中，都可能由于模块化多电平换流器的正极电压和负极电压发生跳变，而出现晶闸管阀段不能够起到其旁通功能的情况；为了避免这种情况的出现，可以对上述给出的两种旁通对结构进一步优化，具体的，请参阅图5，对于上述第一种旁通对结构，可以引入第四晶闸管阀段4，使第四晶闸管阀段4的连接方式与第一晶闸管阀段1的连接方式相反，即当第一晶闸管阀段1的阳极连接模块化多电平换流器的正极，第一晶闸管阀段1的阴极连接模块化多电平换流器的负极时，使得第四晶闸管阀段4的阴极连接模块化多电平换流器的正极，第四晶闸管阀段4的阳极连接模块化多电平换流器的负极，这样当发生故障时，可以同时触发第一晶闸管阀段1和第四晶闸管阀段4，即保证第一晶闸管阀段1和第四晶闸管阀段4中会有一个晶闸管阀段能够被导通，发挥旁通的功能，从而实现对模块化多电平换流器的保护。
需要说明的是，无论对于上述第一种旁通对结构，还是第二种旁通对结构，基于上述进一步优化的原理，均可以通过增加相应方向的晶闸管阀段来避免上述由于模块化多电平换流器的正极电压和负极电压发生跳变，而出现晶闸管阀段不能够起到其旁通功能的情况，因此，基于上述原理的任何一种旁通对结构均应该在本专利的保护范围内。
上述实施例提供的旁通对除了采用晶闸管阀段外，还可以采用机械式旁路开关，即旁通对为并联在模块化多电平换流器的直流侧的第一机械式旁路开关；或旁通对包括并联在模块化多电平换流器的上桥臂5两端的第二机械式旁路开关，以及并联在与上桥臂5同一相的模块化多电平换流器的下桥臂6两端的第三机械式旁路开关。当采用机械式旁路开关作为旁通对时，不必考虑机械式旁路开关的接入方向，只要能够保证实现其旁路功能即可。
本发明实施例还提供了一种模块化多电平换流器的使用方法，基于上述实施例提供的模块化多电平换流器，即模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，在模块化多电平换流器正常运行时，旁通对处于闭锁状态，当出现故障时，将模块化多电平换流器闭锁，并触发旁通对使模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通。
本发明实施例提供的模块化多电平换流器的使用方法中，模块化多电平换流器中引入的旁通对能够在子模块出现过压或过流的情况时，将模块化多电平换流器的正极和模块化多电平换流器的负极连通，这样就使得由于故障而产生的故障电压和故障电流经旁通对释放，而不必流经模块化多电平换流器中的各子模块后再释放，很好的避免了故障电压和故障电流对子模块所产生的影响，保证了模块化多电平换流器的安全性和使用寿命。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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 (10)
1.一种模块化多电平换流器，包括若干级联的半桥子模块和/或全桥子模块，其特征在于，所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，所述旁通对用于在故障情况下，将所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极连通。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述旁通对为并联在所述模块化多电平换流器的直流侧的第一晶闸管阀段。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第一晶闸管阀段的阳极与所述模块化多电平换流器的正极连接，所述第一晶闸管阀段的阴极与所述模块化多电平换流器的负极连接；或
所述第一晶闸管阀段的阳极与所述模块化多电平换流器的负极连接，所述第一晶闸管阀段的阴极与所述模块化多电平换流器的正极连接。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第一晶闸管阀段包括依次串联的若干晶闸管。
5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述旁通对包括并联在所述模块化多电平换流器的上桥臂两端的第二晶闸管阀段，和并联在所述模块化多电平换流器的下桥臂两端的第三晶闸管阀段，所述上桥臂与所述下桥臂为同相桥臂。
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，所述第二晶闸管阀段的阳极与所述模块化多电平换流器的正极连接，所述第二晶闸管阀段的阴极与同一相上桥臂和下桥臂之间的交点连接；所述第三晶闸管阀段的阳极与所述第二晶闸管阀段的阴极连接，所述第三晶闸管阀段的阴极与所述模块化多电平换流器的负极连接；或
所述第二晶闸管阀段的阴极与所述模块化多电平换流器的正极连接，所述第二晶闸管阀段的阳极与同一相上桥臂和下桥臂之间的交点连接；所述第三晶闸管阀段的阴极与所述第二晶闸管阀段的阳极连接，所述第三晶闸管阀段的阳极与所述模块化多电平换流器的负极连接。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述第二晶闸管阀段包括依次串联的若干晶闸管，和/或，所述第三晶闸管阀段包括依次串联的若干晶闸管。
8.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述旁通对为并联在所述模块化多电平换流器的直流侧的第一机械式旁路开关。
9.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述旁通对包括并联在所述模块化多电平换流器的上桥臂两端的第二机械式旁路开关，和并联在与所述上桥臂同一相的所述模块化多电平换流器的下桥臂两端的第三机械式旁路开关。
10.一种模块化多电平换流器的使用方法，其特征在于，模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极之间设有旁通对，当出现故障时，触发旁通对使所述模块化多电平换流器的正极和所述模块化多电平换流器的负极连通。
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