CN106160545B - 一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种桥臂混合式双极性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，由正、负极MMC及两个变压器构成；正极MMC正极直流端作为本变流器正极直流母线，其负极直流端与负极MMC正极端相连，作为本变流器地极直流母线，负极MMC负极直流端作为本变流器负极直流母线；正、负极MMC分别通过第一、第二变压器与交流电网相连；正、负MMC的每相由不同类型的桥臂构成，与地极直流母线相连的桥臂由若干半桥子模块及一台电抗器串联构成，与正极或负极直流母线相连的桥臂由若干箝位子模块及一台电抗器串联构成；本变流器能够在清除直流故障电流的同时，为交流电网提供无功支撑，因而可为远距离柔性直流输电工程提供性能更优且成本更低的解决方案。

Description

一种桥臂混合式双极性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，特别涉及一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器。
背景技术
在柔性高压直流输电领域，模块化多电平变流器(MMC)自提出至今，已成为最有应用前景的变流器拓扑之一。模块化多电平变流器具有可模块化设计、开关频率低、损耗小、降低变压器数量、减少滤波器体积等优点。在直流侧将两个单极MMC串联后得到的双极MMC具有直流侧接地极，更高的母线电压等级和更高的传输容量等优点，因此是远程直流输电的更佳选择。尽管优势明显，但是对采用架空线路的基于双极MMC的柔性直流输电系统而言，其穿越直流故障的能力较差。双极MMC若发生单极对地故障就会导致连接故障极的单极MMC发生双极短路故障，而且传统的单极MMC的子模块常采用半桥子模块拓扑，缺少穿越双极短路故障的能力。这种类型的直流短路故障会导致桥臂电流和直流故障电流的迅速增加，进而导致电力电子设备的损坏。
若要穿越直流故障，就要求MMC能够快速清除直流故障电流，从而在发生非永久性直流故障时，尽快使直流线路恢复绝缘，功率传输重新启动；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。可以通过采用增强型子模块，如全桥子模块、箝位双子模块、箝位单子模块等代替半桥子模块。这些增强型子模块在发生直流故障时可以闭锁桥臂电流，并快速清除直流故障电流，但是这些子模块需要采用比半桥子模块更多的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，因此可通过将增强型子模块与半桥子模块混合构成MMC，从而减少变流器损耗和成本。目前，在已有技术公开的混合式MMC方案中，J.Qin,M.Saeedifard,A.Rockhill,and R.Zhou("Hybrid Design of Modular MultilevelConverters for HVDC Systems Based on Various Submodule Circuits,"IEEETrans.Power Del,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015)提出的基于箝位单子模块的混合子模块式MMC是最具经济性的一种拓扑，但是这种拓扑虽然可以清除直流故障电流，却无法在直流故障中为交流系统提供无功支撑；R.Zeng,L.Xu,L.Yao,and D.J.Morrow("Precharging and DC Fault Ride-Through of Hybrid MMC-Based HVDC Systems,"IEEETrans.Power Del.,vol.30,no.3,pp.1298-1306,Jun.2015)和A.Nami,J.Liang,F.Dijkhuizen,and P.Lundberg("Analysis of modular multilevel converters withDC short circuit fault blocking capability in bipolar HVDC transmissionsystems,"in Proc.ECCE-Europe 2015,Geneva,Switzerland,Sept.2015,pp.1-10,8-10)提出的基于全桥子模块的混合子模块式MMC可以在直流故障中为交流电网提供无功支撑，但变流器所需要的IGBT数量过多，经济性较差。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，能够在清除直流故障电流的同时，为交流电网提供无功支撑，并且能够在较低成本的前提下穿越直流故障。
本发明提出的一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，包括均由三相构成的正极模块化多电平变流器和负极模块化多电平变流器，以及两个变压器；其中，正极模块化多电平变流器的正极直流端作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的正极直流母线，正极模块化多电平变流器的负极直流端与负极模块化多电平变流器的正极端相连，作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的地极直流母线，负极模块化多电平变流器的负极直流端作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的负极直流母线；正极模块化多电平变流器的三相交流侧出线端与第一变压器(TR1)的副边三相出线端相连，第一变压器的原边三相出线端与外部的交流电网三相相连；负极模块化多电平变流器的三相交流侧出线端与第二变压器(TR2)的副边三相出线端相连，第二变压器的原边三相出线端与外部的交流电网三相相连；
所述构成正极模块化多电平变流器的三相结构相同，每相均由箝位子模块型桥臂和半桥子模块型桥臂两个不同的桥臂构成；在每相中，箝位子模块型桥臂的正极端作为该相直流侧正极端，半桥子模块型桥臂的负极端作为该相直流侧负极端，箝位子模块型桥臂的负极端与半桥子模块型桥臂的正极端相连，作为每相交流侧出线端；三相直流侧正极端相连，作为正极模块化多电平变流器的正极直流端；三相直流侧负极端相连，作为正极模块化多电平变流器的负极直流端；
所述构成负极模块化多电平变流器的三相结构相同，每相均由箝位子模块型桥臂和半桥子模块型桥臂两个不同的桥臂构成；在每相中，箝位子模块型桥臂的负极端作为该相直流侧负极端，半桥子模块型桥臂的正极端作为该相直流侧正极端，箝位子模块型桥臂的正极端与半桥子模块型桥臂的负极端相连，作为每相交流侧出线端；三相直流侧正极端相连，作为负极模块化多电平变流器的正极直流端；三相直流侧负极端相连，作为负极模块化多电平变流器的负极直流端。
本发明提出的一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特点及有益效果在于：
与已有技术采用半桥子模块结构的双极MMC相比，本发明提出的一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器能够在发生直流故障时迅速清除直流故障电流，保护系统电力电子设备，并能为交流电网提供无功支撑，维持交流电网电压稳定；与基于箝位单子模块的混合子模块式MMC相比，本发明提出的变流器能够在不增加器件成本的前提下，为交流电网提供一定的无功支撑；与基于全桥子模块的混合子模块式MMC相比，本发明提出的变流器能够降低IGBT数量，降低成本。因此，本发明所提出的多电平变流器为采用架空线的MMC远距离直流输电工程提供了成本较低且性能较好的解决方案。
附图说明
图1是本发明提出的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器结构图。
图2是本发明提出的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器中桥臂电路结构图；其中图2(a)是箝位子模块型桥臂电路结构图，图2(b)是半桥子模块型桥臂电路结构图。
图3是本发明提出的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器中的箝位子模块结构图；其中图3(a)是两电平箝位子模块结构图，图3(b)是三电平箝位子模块结构图；图3(c)是半桥子模块结构图。
图4是本发明提出的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器在直流侧短路故障前后正极、负极MMC发出有功、无功的波形以及直流侧电压、电流波形图。
具体实施方式
本发明提出的一种桥臂混合式双极性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。
本发明提出的一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器总体结构如图1所示。该桥臂混合式双极性模块化多电平变流器包括均由三相构成的正极模块化多电平变流器PMMC和负极模块化多电平变流器NMMC，变压器TR1和变压器TR2；其中PMMC的正极直流端P+作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的正极直流母线DC+；PMMC的负极直流端P-与NMMC的正极端N+相连，作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的地极直流母线DC0；NMMC的负极直流端N-作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的负极直流母线DC-；PMMC的三相交流侧出线端与TR1的副边三相出线端相连，TR1的原边三相出线端与外部的交流电网三相相连；NMMC的三相交流侧出线端与TR2的副边三相出线端相连，TR2的原边三相出线端与外部的交流电网三相相连；
所述PMMC由结构相同的a,b,c三相组成，每相均由箝位子模块型桥臂和半桥子模块型桥臂两个不同的桥臂构成。在x(x＝a,b,c)相中，箝位子模块型桥臂的正极端U+作为该相直流侧正极端Px+；半桥子模块型桥臂的负极端H-作为该相直流侧负极端Px-；箝位子模块型桥臂的负极端U-与半桥子模块型桥臂的正极端H+相连，作为该相交流侧出线端；a,b,c三相的直流侧正极端相连，作为PMMC的正极直流端P+；a,b,c三相的直流侧负极端相连，作为PMMC的负极直流端P-；
所述NMMC由结构相同的a,b,c三相组成，每相均由箝位子模块型桥臂和半桥子模块型桥臂两个不同的桥臂构成。在x(x＝a,b,c)相中，箝位子模块型桥臂的负极端U-作为该相直流侧负极端Nx-；半桥子模块型桥臂的正极端H+作为该相直流侧正极端Nx+；箝位子模块型桥臂的正极端U+与半桥子模块型桥臂的负极端H-相连，作为该相交流侧出线端；a,b,c三相的直流侧正极端相连，作为NMMC的正极直流端N+；a,b,c三相的直流侧负极端相连，作为NMMC的负极直流端N-。
所述箝位子模块型桥臂的结构如图2(a)所示，由N个箝位子模块和一台电抗器串联构成，其中第一个箝位子模块的正极端作为箝位子模块型桥臂的正极端U+，第K(K＝1,2,…,N-1)个箝位子模块的负极端与第K+1(K＝1,2,…,N-1)个箝位子模块的正极端相连，第N个箝位子模块的负极端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端作为箝位子模块型桥臂的负极端U-。构成该桥臂的箝位子模块个数N大于等于Um/(2Ucm)，其中Um为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器交流侧线电压峰值，Ucm为箝位子模块的额定电压。
所述半桥子模块型桥臂的结构如图2(b)所示，由M个半桥子模块和一台电抗器串联构成，其中第一个半桥子模块的正极端作为半桥子模块型桥臂的正极端H+，第L(L＝1,2,…,M-1)个半桥子模块的负极端与第L+1(L＝1,2,…,M-1)个半桥子模块的正极端相连，第N个半桥子模块的负极端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端作为半桥子模块型桥臂的负极端H-。桥臂中半桥子模块个数M大于等于Um/(2Uch)，其中Um为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器交流侧线电压峰值，Uch为半桥子模块电容器的额定电压。
本发明的箝位子模块可采用两电平箝位子模块，其电路结构如图3(a)所示，两电平箝位子模块包括直流电容器C0、第一全控开关器件T1、第二全控开关器件T2、第三全控开关器件T3、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3和箝位二极管D4；T1的集电极、T2的集电极、T3的集电极分别与D1的阴极、D2的阴极、D3的阴极相连；T1的发射极、T2的发射极、T3的发射极分别与D1的阳极、D2的阳极、D3的阳极相连；T1的集电极同时与D4的阴极和C0的正极端相连；T1的发射极和T2的集电极相连，作为两电平箝位子模块的正极端；T2的发射极同时与T3的发射极和C0的负极端相连；T3的集电极和D4的阳极相连，作为两电平箝位子模块的负极端。两电平箝位子模块的额定电压为C0的额定电压。
本发明的箝位子模块也可采用三电平箝位子模块，其电路结构如图3(b)所示，三电平箝位子模块包括第一直流电容器C1、第二直流电容器C2、第一可控开关器件T1、第二可控开关器件T2、第三可控开关器件T3、第四可控开关器件T4、第五可控开关器件T5、第六可控开关器件T6、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第三续流二极管D3、第四续流二极管D4、第五续流二极管D5、第六续流二极管D6、第一箝位二极管Dc1、第二箝位二极管Dc2；T1、T2、T3、T4、T5、T6的集电极分别与D1、D2、D3、D4、D5、D6的阴极相连，T1、T2、T3、T4、T5、T6的发射极分别与D1、D2、D3、D4、D5、D6的阳极相连，T1的集电极同时与Dc1的阴极和C1的正极端相连，T1的发射极与T2的集电极相连，作为三电平箝位子模块的正极端；T2的发射极同时与T3的发射极和C1的负极相连，T3的集电极同时与Dc1的阳极、T4的发射极和Dc2的阴极相连，T6的集电极同时与T4的集电极和C2的正极相连，T5的发射极同时与Dc2的阳极和C2的负极相连，T5的集电极与T6的发射极相连，作为三电平箝位子模块的负极端。三电平箝位子模块的额定电压为C1和C2的额定电压之和。
本发明的半桥子模块的电路结构如图3(c)所示，包括直流电容器C、第一全控开关器件T1、第二全控开关器件T2、第一续流二极管D1和第二续流二极管D2；T1的发射极与D1的阳极相连，T1的集电极同时与D1的阴极和C的正极端相连，T2的集电极与D2的阴极相连，T2的发射极同时与D2的阳极和C的负极端相连作为半桥子模块的负极端，T1的发射极与T2的集电极相连作为半桥子模块的正极端。半桥子模块的额定电压为C的额定电压。
本发明的变压器TR1和TR2均采用三相变压器，原边与交流电网三相相连，副边分别与PMMC和NMMC相连；TR1和TR2可均采用Y-Δ连接形式，也可均采用Y-Y连接形式；变压器变比为Uac:Ummc,其中Uac为交流电网线电压有效值，Ummc为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器交流侧线电压有效值。
所述两电平箝位子模块存在投入、旁路、闭锁三种工作状态。其中投入状态是指T1、T3导通，T2关断；旁路状态是指T1关断，T2和T3导通；闭锁状态是指可控开关器件全部关断。
所述三电平箝位子模块存在两电平投入、C1投入、C2投入、旁路、闭锁五种工作状态。其中两电平投入状态是指T1、T3、T4、T5导通，T2、T6关断；C1投入状态是指T1、T3、T4、T6导通，T2、T5关断；C2投入状态是指T2、T3、T4、T5导通，T1、T6关断；旁路状态是指T2、T3、T4、T6导通，T1、T5关断；闭锁状态是指全部可控开关器件全部关断。
半桥子模块存在投入、旁路、闭锁三种工作状态，其中投入状态是指T1导通，T2关断；旁路状态是指T1关断，T2导通；闭锁状态是指T1和T2全部关断。
PMMC和NMMC均具有正常工作模式和故障工作模式两种模式。在正常工作模式下，PMMC或NMMC中的各桥臂子模块状态由调制策略和子模块均压策略确定，其中调制策略可以采用包括但不限于最近电平逼近的方法，子模块均压策略可以采用包括但不限于电容电压排序的方法；在故障模式下，PMMC或NMMC中的箝位子模块的投入状态均为闭锁状态，而半桥子模块的投入状态由调制策略和子模块均压策略确定，其中调制策略可以采用包括但不限于最近电平逼近的方法，子模块均压策略可以采用包括但不限于电容电压排序的方法。在故障模式下，箝位子模块型桥臂通过闭锁箝位子模块以实现对直流故障电流的清除，而半桥子模块型桥臂则可控制注入交流电网的无功电流，为交流电网提供无功支撑。
本发明的一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的具体实施例说明如下：
本实施例中的箝位子模块采用如图3(a)所示的两电平箝位子模块，半桥子模块采用如图3(c)所示的半桥子模块；本实施例中各器件的相关参数详见下表。
在本实施例中，在t＝0.4s前变流器正常工作，传输10MW有功，发出0MVar无功，在t＝0.4s时发生直流侧双极短路故障，变流器在检测到故障电流后切换到故障工作模式，两个单极变流器切换至无功补偿模式，分别为交流系统提供5MVar无功支撑。图4是直流侧短路故障前后正极、负极MMC发出有功、无功的波形以及直流侧电压、电流波形图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直流故障穿越，并提供无功补偿。

Claims (7)

1.一种桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，包括均由三相构成的正极模块化多电平变流器和负极模块化多电平变流器，以及两个变压器；其中，正极模块化多电平变流器的正极直流端作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的正极直流母线，正极模块化多电平变流器的负极直流端与负极模块化多电平变流器的正极端相连，作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的地极直流母线，负极模块化多电平变流器的负极直流端作为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器的负极直流母线；正极模块化多电平变流器的三相交流侧出线端与第一变压器的副边三相出线端相连，第一变压器的原边三相出线端与外部的交流电网三相相连；负极模块化多电平变流器的三相交流侧出线端与第二变压器的副边三相出线端相连，第二变压器的原边三相出线端与外部的交流电网三相相连；
所述构成正极模块化多电平变流器的三相结构相同，每相均由箝位子模块型桥臂和半桥子模块型桥臂两个不同的桥臂构成；在每相中，箝位子模块型桥臂的正极端作为该相直流侧正极端，半桥子模块型桥臂的负极端作为该相直流侧负极端，箝位子模块型桥臂的负极端与半桥子模块型桥臂的正极端相连，作为每相交流侧出线端；三相直流侧正极端相连，作为正极模块化多电平变流器的正极直流端；三相直流侧负极端相连，作为正极模块化多电平变流器的负极直流端；
所述构成负极模块化多电平变流器的三相结构相同，每相均由箝位子模块型桥臂和半桥子模块型桥臂两个不同的桥臂构成；在每相中，箝位子模块型桥臂的负极端作为该相直流侧负极端，半桥子模块型桥臂的正极端作为该相直流侧正极端，箝位子模块型桥臂的正极端与半桥子模块型桥臂的负极端相连，作为每相交流侧出线端；三相直流侧正极端相连，作为负极模块化多电平变流器的正极直流端；三相直流侧负极端相连，作为负极模块化多电平变流器的负极直流端；
所述箝位子模块型桥臂由N个箝位子模块和一台电抗器串联构成；所述半桥子模块型桥臂由M个半桥子模块和一台电抗器串联构成。
2.如权利要求1所述的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，所述的箝位子模块型桥臂中，第一个箝位子模块的正极端作为箝位子模块型桥臂的正极端，第K个箝位子模块的负极端与第K+1个箝位子模块的正极端相连，K＝1,2,…,N-1，第N个箝位子模块的负极端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端作为箝位子模块型桥臂的负极端。
3.如权利要求2所述的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，所述桥臂中箝位子模块的个数N大于等于Um/(2Ucm)，其中，Um为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器交流侧线电压峰值，Ucm为箝位子模块的额定电压。
4.如权利要求1所述的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，所述的半桥子模块型桥臂中，第一个半桥子模块的正极端作为半桥子模块型桥臂的正极端，第L个半桥子模块的负极端与第L+1个半桥子模块的正极端相连，L＝1,2,…,M-1，第M个半桥子模块的负极端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端作为半桥子模块型桥臂的负极端。
5.如权利要求4所述的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，所述的桥臂中半桥子模块个数M大于等于Um/(2Uch)，其中，Um为桥臂混合式双极性模块化多电平变流器交流侧线电压峰值，Uch为半桥子模块电容器的额定电压。
6.如权利要求3所述的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，所述的箝位子模块采用两电平箝位子模块，其电路结构包括直流电容器、第一全控开关器件、第二全控开关器件、第三全控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管和箝位二极管；其中，第一、第二、第三全控开关器件的集电极分别与第一、第二、第三续流二极管的阴极相连，第一、第二、第三全控开关器件的发射极分别与第一、第二、第三续流二极管的阳极相连；第一全控开关器件的集电极同时与箝位二极管的阴极和直流电容器的正极端相连；第一全控开关器件的发射极和第二全控开关器件的集电极相连，作为两电平箝位子模块的正极端；第二全控开关器件的发射极同时与第三全控开关器件的发射极和直流电容器的负极端相连；第三全控开关器件的集电极和箝位二极管的阳极相连，作为两电平箝位子模块的负极端；两电平箝位子模块的额定电压为直流电容器的额定电压。
7.如权利要求3所述的桥臂混合式双极性模块化多电平变流器，其特征在于，所述的箝位子模块采用三电平箝位子模块，其电路结构包括第一直流电容器、第二直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管、第一箝位二极管、第二箝位二极管；其中，第一、第二、第三、第四、第五、第六可控开关器件的集电极分别与第一、第二、第三、第四、第五、第六续流二极管的阴极相连，第一、第二、第三、第四、第五、第六可控开关器件的发射极分别与第一、第二、第三、第四、第五、第六续流二极管的阳极相连；第一可控开关器件的集电极同时与第一箝位二极管的阴极和第一直流电容器的正极端相连；第一可控开关器件的发射极与第二可控开关器件的集电极相连，作为三电平箝位子模块的正极端；第二可控开关器件的发射极同时与第三可控开关器件的发射极和第一直流电容器的负极相连；第三可控开关器件的集电极同时与第一箝位二极管的阳极、第四可控开关器件的发射极和第二箝位二极管的阴极相连；第六可控开关器件的集电极同时与第四可控开关器件的集电极和第二直流电容器的正极相连；第五可控开关器件的发射极同时与第二箝位二极管的阳极和第二直流电容器的负极相连；第五可控开关器件的集电极与第六可控开关器件的发射极相连，作为三电平箝位子模块的负极端；三电平箝位子模块的的额定电压为第一直流电容器和第二直流电容器的额定电压之和。
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