CN107453634A - Mmc中的混合子模块电路、桥臂以及mmc拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种MMC中的混合子模块电路、桥臂以及MMC拓扑结构，混合子模块电路包括：全H桥子模块和半H桥子模块，半H桥子模块中包括第一电容，还包括：新型子模块，至少包括：三个开关单元以及第二电容，第一开关单元与第二开关单元正向串联后与第三开关单元反向串联，第一电容的负极与第一开关单元和第二开关单元的连接端相连；第二电容的正极与第一开关单元连接，第二电容的负极与第三开关单元连接，第二电容的负极还连接一个第一二极管的正极，第一二极管的负极连接第一电容的正极。该方案通过两个反向串联的开关单元强迫故障电流经由第一二极管给第一电容充电，充满电时故障电流的通路就会自动断开，实现对故障电流的切断清除。

Description

MMC中的混合子模块电路、桥臂以及MMC拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种MMC中的混合子模块电路、桥臂以及MMC拓扑结构。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，由多个结构相同的子模块(Sub-module，SM)级联构成。子模块的结构可以分为半H桥型、全H桥型和箝位双子模块型三种。模块化多电平换流器MMC是未来柔性直流输电技术的发展方向，并正推向工程化，MMC具有交流输出电压谐波畸变率低、输出电压波形质量高、模块化结构易于封装和扩展、开关器件承受的电气应力小，开关损耗低等优点。直流短路故障是目前MMC所面对的主要问题之一。实际工程中采用半桥子模块，当直流侧发生故障时，故障电流分为两部分：一部分故障电流为故障时刻投入的子模块电容在直流侧放电产生的，此部分可以通过MMC闭锁而清除；另一部分故障电流为交流侧通过半桥子模块的反并联二极管放电，放电方式为不控整流，这部分故障电流无法通过闭锁换流器来切除，严重危害系统的安全稳定运行。同时，由于直流系统的直流电流没有自然过零点，直流电感中储存的巨大能量增大了直流故障电流的开断难度，使直流断路器研制困难，目前仍处于实验阶段，在工程中鲜有应用。因此，清除直流侧故障只能依靠断开交流断路器来实现，但该方法动作速度慢，且系统恢复时间长。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中在MMC拓扑结构中，交流侧通过半桥子模块的反并联二极管放电产生的故障电流无法通过闭锁换流器来清除。从而提供一种MMC中的混合子模块电路、桥臂以及MMC拓扑结构。
有鉴于此，本发明实施例的第一方面提供了一种MMC中的混合子模块电路，包括：依次连接的全H桥子模块和半H桥子模块，所述半H桥子模块中包括第一电容和在所述第一电容的正极和负极之间正向串联的至少两个开关单元，其特征在于，还包括：新型子模块，所述新型子模块至少包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元以及第二电容，所述第一开关单元与所述第二开关单元正向串联后与所述第三开关单元反向串联，所述第一电容的负极与所述第一开关单元和所述第二开关单元的连接端相连；所述第二电容的正极与所述第一开关单元连接，所述第二电容的负极与所述第三开关单元连接，所述第二电容的负极还连接一个第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接所述第一电容的正极。
优选地，所述第一开关单元或第二开关单元或第三开关单元包括一个IGBT管和一个第二二极管，所述IGBT管的第一端与所述第二二极管的负极连接，所述IGBT管的第二端与所述第二二极管的正极连接。
优选地，所述第一开关单元的第一端连接所述第二开关单元的第二端，所述第二开关单元的第一端连接所述第三开关单元的第一端。
本发明实施例的第二方面提供了一种MMC桥臂，包括：半桥模块，包括多个级联的半H桥子模块；故障清除模块，包括多个级联的如本发明实施例的第一方面及其任一优选方案所述的MMC中的混合子模块电路；其中，每一个所述MMC桥臂中的混合子模块占比大于或等于62％。
优选地，所述故障清除模块一端的新型子模块与所述半桥子模块一端的所述半H桥子模块相连。
优选地，所述故障清除模块另一端的全H桥子模块连接直流母线的正极。
优选地，所述半桥子模块另一端的所述半H桥子模块与所述MMC桥臂的电抗相连。
本发明实施例的第三方面提供了一种MMC拓扑结构，包括：多个如本发明实施例的第二方面及其任一优选方案所述的MMC桥臂。
本发明的技术方案具有以下优点：
本发明实施例提供的MMC中的混合子模块电路、桥臂以及MMC拓扑结构，具体混合子模块由半H桥子模块、全桥H子模块和新型子模块三类子模块构成，其中新型子模块至少包括三个开关单元以及一个第二电容，通过将其中两个开关单元正向串联后与第三个开关单元反向串联，并将第二电容的正极连接至第一开关单元，第二电容的负极连接至第三开关单元，该第二电容的负极还连接一个第一二极管的正极，该第一二极管的负极连接至第一电容的正极，如此，在直流故障闭锁的时候，其中两个反向串联的开关单元可以强迫故障电流流经该第一二极管，并给第一电容充电，当第一电容充满电时，故障电流的通路就会自动断开，由此实现对故障电流的切断清除作用，与现有技术相比，无需直流断路器，响应动作快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1为本发明实施例1的MMC中的混合子模块电路的示意图；
图2为本发明实施例2的MMC桥臂的示意图；
图3为本发明实施例3的MMC拓扑结构的示意图；
附图说明：
101-第一开关单元，102-第二开关单元，103-第三开关单元，104-第一电容，105-第二电容，106-第一二极管，107-第二二极管，201-半桥模块，202-故障清除模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种MMC中的混合子模块电路，如图1所示，包括：依次连接的全H桥子模块和半H桥子模块，所述半H桥子模块中包括第一电容104和在所述第一电容104的正极和负极之间正向串联的至少两个开关单元，还包括：新型子模块，该新型子模块至少包括：3个开关管、1个第二电容105、4个第二二极管107和相应的导线，其中3个开关管和3个第二二极管107分别构成3个开关单元，具体地，开关管可以是全控制型电力电子器件，比如可以是IGBT管，则在开关单元组成的过程中，IGBT管的集电极(第一端)与一个第二二极管107的负极连接，IGBT管的发射极(第二端)与该第二二极管107的正极连接，即每一个开关管反并联一个第二二极管107，如此组合成三个开关单元；其中，第一开关单元101与所述第二开关单元102正向串联后与所述第三开关单元103反向串联，半H桥子模块中第一电容104的负极与所述第一开关单元101和所述第二开关单元102的连接端相连；新型子模块中第二电容105的正极与所述第一开关单元101连接，该第二电容105的负极与所述第三开关单元103连接，所述第二电容105的负极还连接一个第一二极管106的正极，所述第一二极管106的负极连接所述第一电容104的正极。如此，前两个开关管由于正向串联而触发时序一致，第三个开关管的触发时序与前两个开关管的触发时序互补，在直流故障闭锁的时候，这两个反向连接的开关管可以强迫故障电流经由二极管给半H桥子模块中第一电容104充电，如图1所示，箭头为故障电流的流向，这里定义的电流流向即开通状态下电流由电容正极能够经由该开关管流出的方向。
具体地，上述MMC中的混合子模块电路稳态时具有输出-Uc、0、Uc、2Uc、3Uc五种电平的能力，如下：
1、当要输出-Uc时，全桥子模块输出-Uc，半桥子模块和新型子模块处于旁路状态；
2、当要输出0电平时，可使三类子模块都处于旁路状态，亦可使全桥子模块输出-Uc，半桥子模块和新型子模块一个处于投入状态，一个处于旁路状态；
3、当要输出Uc电平时，可使3个子模块一个处于投入状态输出+Uc电平，另两个子模块处于旁路状态；亦可使半桥子模块和新型子模块都处于投入状态输出+Uc电平，全桥子模块输出-Uc电平；
4、当要输出2Uc电平时，可使3类子模块其中两类子模块处于投入状态，输出+Uc电平，另一类子模块处于旁路状态，亦可使3类子模块都处于投入状态，但是全桥子模块输出-Uc电平；
5、当要输出3Uc电平时，3类子模块都处于投入状态输出+Uc电平。
有上述分析可得MMC中的混合子模块电路在故障闭锁后，可以提供2Uc的箝位电压。
本实施例提供的一种MMC中的混合子模块电路，具体由半H桥子模块、全桥H子模块和新型子模块三类子模块构成，其中新型子模块至少包括三个开关单元以及一个第二电容105，通过将其中两个开关单元正向串联后与第三个开关单元反向串联，并将第二电容105的正极连接至第一开关单元101，第二电容105的负极连接至第三开关单元103，该第二电容105的负极还连接一个第一二极管106的正极，该第一二极管106的负极连接至第一电容104的正极，如此，在直流故障闭锁的时候，其中两个反向串联的开关单元可以强迫故障电流流经该第一二极管106，并给第一电容104充电，当第一电容104充满电时，故障电流的通路就会自动断开，由此实现对故障电流的切断清除作用，与现有技术相比，无需直流断路器，响应动作快。
实施例2
本实施例供了一种MMC桥臂，如图2所示，包括：半桥模块201和故障清除模块202，其中半桥模块201包括多个级联的半H桥子模块；故障清除模块202包括多个级联的如实施例1所述的MMC中的混合子模块电路；其中，所述故障清除模块202一端的新型子模块与所述半桥子模块一端的所述半H桥子模块相连。所述故障清除模块202另一端的全H桥子模块连接直流母线的正极。所述半桥子模块另一端的所述半H桥子模块与所述MMC桥臂的电抗相连，为了保证故障电流清除功能，所述混合子模块电路的个数大于或等于所述半H桥子模块的个数。具体地，针对不同的故障类型，每一个MMC桥臂中的混合子模块和半桥子模块可以按照一定的比例组成，其中，每一个所述MMC桥臂中的混合子模块占比大于或等于62％，比如，即针对可箝位双极短路故障，每一个MMC桥臂中的混合子模块占比为62％。以A相上MMC桥臂为例，混合子模块拓扑之间级联，半桥子模块之间级联，混合子模块拓扑级联后最上面的混合子模块中的全桥子模块连接直流母线的正极，混合子模块拓扑级联后最下面的混合子模块拓扑中的新型子模块与半桥子模块级联后最上面的半桥子模块相连，半桥子模块级联后最下面的子模块与桥臂电抗相连，桥臂电抗的另一端与交流母线相连。需要说明的是，上述两种模块个数的比例可以是根据实际情况进行改动，但是只有当混合子模与半桥子模块的比例大于等于62％时，才能实现故障电流的切断清除。
当系统直流侧短路故障发生时，闭锁所有开关管，所有的故障电流在流过混合子模块时，都将按照图1所示的箭头所标识的路径给混合子模块中第一电容104充电，一个混合子模块提供两个箝位电压即2Uc，从而起到切断交流侧经换流站而产生的不控整流的作用。
本实施例提供的MMC桥臂，通过引入有新型子模块组成的混合子模块，并将多个混合子模块级联构成故障清除模块202，将故障清除模块202与多个级联半桥子模块连接，其中每个MMC桥臂中混合子模块和半桥子模块按照大于或等于62％的比例参与组成，如此，在直流故障闭锁的时候，来自半桥模块201的故障电流会经由混合子模块切断清除，与现有技术相比，无需直流断路器，响应动作更快。
实施例3
本实施例供了一种MMC拓扑结构，如图3所示，包括：多个如实施例2所述的MMC桥臂，比如可以包括6个MMC桥臂，因此具有实施例2所述的MMC桥臂的所有有益效果。
本实施例提供的MMC拓扑结构，通过在桥臂中引入有新型子模块组成的混合子模块，并将多个混合子模块级联构成故障清除模块202，将故障清除模块202与多个级联半桥子模块连接，针对不同的故障类型，每一个MMC桥臂中的混合子模块和半桥子模块可以按照一定的比例组成，其中，每一个所述MMC桥臂中的混合子模块占比大于或等于62％，比如，即针对可箝位双极短路故障，每一个MMC桥臂中的混合子模块占比为62％，如此，在直流故障闭锁的时候，来自半桥模块201的故障电流会经由混合子模块切断清除，使得该MMC拓扑结构具有故障穿越能力，与现有技术相比，无需直流断路器，响应动作更快，特别是对于两端MMC工程，该MMC拓扑结构几乎能完全取代直流断路器的作用。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种MMC中的混合子模块电路，包括：依次连接的全H桥子模块和半H桥子模块，所述半H桥子模块中包括第一电容和在所述第一电容的正极和负极之间正向串联的至少两个开关单元，其特征还在于，还包括：新型子模块，所述新型子模块至少包括：第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元以及第二电容，所述第一开关单元与所述第二开关单元正向串联后与所述第三开关单元反向串联，所述第一电容的负极与所述第一开关单元和所述第二开关单元的连接端相连；所述第二电容的正极与所述第一开关单元连接，所述第二电容的负极与所述第三开关单元连接，所述第二电容的负极还连接一个第一二极管的正极，所述第一二极管的负极连接所述第一电容的正极。
2.根据权利要求1所述的MMC中的混合子模块电路，其特征在于，所述第一开关单元或第二开关单元或第三开关单元包括一个IGBT管和一个第二二极管，所述IGBT管的第一端与所述第二二极管的负极连接，所述IGBT管的第二端与所述第二二极管的正极连接。
3.根据权利要求2所述的MMC中的混合子模块电路，其特征在于，所述第一开关单元的第一端连接所述第二开关单元的第二端，所述第二开关单元的第一端连接所述第三开关单元的第一端。
4.一种MMC桥臂，其特征在于，包括：
半桥模块，包括多个级联的半H桥子模块；
故障清除模块，包括多个级联的如权利要求1至3中任一项所述的MMC中的混合子模块电路；
其中，每一个所述MMC桥臂中的混合子模块占比大于或等于62％。
5.根据权利要求4所述的MMC桥臂，其特征在于，所述故障清除模块一端的新型子模块与所述半桥子模块一端的所述半H桥子模块相连。
6.根据权利要求5所述的MMC桥臂，其特征在于，所述故障清除模块另一端的全H桥子模块连接直流母线的正极。
7.根据权利要求6所述的MMC桥臂，其特征在于，所述半桥子模块另一端的所述半H桥子模块与所述MMC桥臂的电抗相连。
8.一种MMC拓扑结构，其特征在于，包括：多个如权利要求4至7中任一项所述的MMC桥臂。
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