CN109617439A - 一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑 - Google Patents

一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑 Download PDF

Info

Publication number
CN109617439A
CN109617439A CN201811619972.3A CN201811619972A CN109617439A CN 109617439 A CN109617439 A CN 109617439A CN 201811619972 A CN201811619972 A CN 201811619972A CN 109617439 A CN109617439 A CN 109617439A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge arm
novel
phase
submodule
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811619972.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109617439B (zh
Inventor
梅军
朱鹏飞
管州
何梦雪
丁然
吴夕纯
范光耀
葛锐
王冰冰
严凌霄
陈武
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201811619972.3A priority Critical patent/CN109617439B/zh
Publication of CN109617439A publication Critical patent/CN109617439A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109617439B publication Critical patent/CN109617439B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/122—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for inverters, i.e. dc/ac converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，涉及模块化多电平换流器技术领域。该拓扑由上桥臂新型模块、桥臂电抗及吸收支路和下桥臂新型模块构成。各相上、下桥臂新型模块都是由n个新型子模块串联而成，每个新型子模块输出0或Uc两种电压。新型子模块的开关管均为全控型器件IGBT，桥臂电抗及吸收支路的开关管均为双向晶闸管。直流短路故障时，采取反压控制策略控制各新型子模块中第三开关管的通断，快速有效的阻断交流系统馈入电流，同时桥臂电抗及吸收电路吸收桥臂电抗及直流侧限流电抗器残余能量，显著减小直流侧限流电抗器及桥臂电抗器的电压应力，避免桥臂电抗器和直流侧限流电抗器因过电压损坏，保证了换流站器件的安全运行。

Description

一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑
技术领域
本发明涉及模块化多电平换流器技术领域，特别涉及一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑。
背景技术
模块化多电平换流器MMC凭借谐波含量少、开关频率低、可靠性高等优势已经在柔性直流工程中得到广泛应用。然而，当柔性直流电网直流侧发生双极短路故障时，直流短路故障电流快速上升，严重危害器件安全及换流站的安全运行。
传统半桥型MMC换流站无直流故障清除能力，即使闭锁子模块，也无法阻断交流系统的馈入，而直流短路电流无过零点，且直流短路器制造工艺不成熟，成本过高。故采用具有直流故障自清除能力的子模块拓扑来切断故障电流是一种行之有效的方法。
现有技术中，全桥型子模块可有效阻断直流故障电流，但其使用大量的开关器件，成本较高。箝位型双子模块拓扑有效降低了单位电平所需开关器件，但拓扑结构复杂，存在耦合问题，不利于子模块均压控制。二极管箝位型子模块结构简单，短路故障时，子模块电容只有部分接入，因此故障清除能力较弱，清除时间较长。
现有的故障自清除型子模块均利用子模块电容吸收直流系统能量，实现故障阻断。但是目前少开关器件的故障自清除型子模块进行故障清除时，仅有部分电容接入，故障阻断能力大大下降。而具有高故障阻断能力的故障自清除型子模块，存在开关器件数量过多，经济性低的问题。并且当直流系统能量较大时，电容电压幅值上升较大且闭锁时间延长，无法保证换流站器件的安全。此外，实际柔性直流工程中为了保护器件安全，需要限制换流站短路故障时的电流上升率，通常在换流站出口处安装有直流侧限流电抗器，在实现故障电流阻断时，还应注意到桥臂电抗器和直流侧限流电抗器中的残余能量可能造成过电压的问题。
发明内容
为解决半桥型MMC子模块拓扑无直流短路故障清除能力，现有自清除型子模块拓扑的成本高、阻断能力弱、控制复杂，以及直流侧限流电抗器大电压应力的问题。本发明提出了一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，不但具有快速清除直流短路故障电流的能力，而且器件使用较少、拓扑结构简单，桥臂电抗器及直流限流电抗器上的电压应力较小。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
提出的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，包括：A相上桥臂新型模块、B相上桥臂新型模块、C相上桥臂新型模块、A相桥臂电抗及吸收支路、B相桥臂电抗及吸收支路、C桥臂电抗及吸收支路、A相下桥臂新型模块、B相下桥臂新型模块、C相下桥臂新型模块。
各相上桥臂新型模块和各相下桥臂新型模块均有一个正极端和一个负极端；各相桥臂电抗及吸收支路均有一个交流电压端、一个正极端和一个负极端；各相上桥臂新型模块正极端均与直流线路正极相连，各相上桥臂新型模块负极端与对应相桥臂电抗及吸收支路正极端相连，各相桥臂电抗及吸收支路负极端与对应相下桥臂新型模块正极端相连，各相下桥臂新型模块负极端均与直流线路负极相连；各相桥臂电抗及吸收支路的交流电压端与对应相交流线路相连。
A相上桥臂新型模块、B相上桥臂新型模块、C相上桥臂新型模块、A相下桥臂新型模块、B相下桥臂新型模块、C相下桥臂新型模块都具有相同的拓扑结构，均由n个新型子模块串联而成。每个新型子模块有一个正极端、一个负极端。每个新型子模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管和电容器；第一开关管、第二开关管、第三开关管是全控型电力电子器件IGBT；第一开关管的发射极与第二开关管的集电极、第一二极管的阳极、第二二极管的阴极相连接于A点；第一开关管的集电极与第一二极管的阴极、电容器的正极相连；第二开关管的发射极与第三开关管的集电极、电容器的负极相连接于B点；第三开关管的发射极与第二二极管的阳极相连；交点A构成新型子模块的正极端；交点B构成新型子模块的负极端；新型子模块的输出电压是Usm。各相上桥臂新型模块中，第一新型子模块的正极端即为上桥臂新型模块的正极端，第n新型子模块的负极端即为上桥臂新型模块的负极端；其余各新型子模块的正极端与其前一级新型子模块的负极端相连、并且该新型子模块的负极端与其后一级新型子模块的正极端相连。各相下桥臂新型模块中，第n+1新型子模块的正极端即为下桥臂新型模块的正极端，第2n新型子模块的负极端即为下桥臂新型模块的负极端；其余各新型子模块的正极端与其前一级新型子模块的负极端相连、并且该新型子模块的负极端与其后一级新型子模块的正极端相连。
A相桥臂电抗及吸收支路、B相桥臂电抗及吸收支路、C桥臂电抗及吸收支路都具有相同的拓扑结构，各相桥臂电抗及吸收支路均包括：上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、第一电阻、第二电阻、第四开关管、第五开关管和接地极；第四开关管、第五开关管为双向晶闸管；第四开关管的一端与上桥臂电抗器相连接于P’点，第四开关管的另一端与第一电阻一端相连，第一电阻的另一端与第二电阻一端相连，第二电阻的另一端与第五开关管一端相连，第五开关管的另一端与下桥臂电抗器相连接于N’点，第一电阻和第二电阻的连接点与接地极G相连。上桥臂电抗器和下桥臂电抗器的连接点与桥臂电抗及吸收支路的交流电压端相连接，P’点与桥臂电抗及吸收支路的正极端相连接，N’点与桥臂电抗及吸收支路的负极端相连接。
提出的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，在正常工作时，新型子模块共有两种工作模式。分别说明如下：
(1)第一种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块的正极端流入、负极端流出时，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第二二极管关断，控制第一二极管导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管、第五开关管均关断。此时，电流ism流经第一二极管、电容器，向电容器充电，因此新型子模块输出电压为电容器两极间电压，即Usm＝UC。
(2)第一种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块的负极端流入、正极端流出时，控制第二开关管、第三开关管、第一二极管和第二二极管关断，控制第一开关管导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管、第五开关管均关断。此时，电流ism流经电容器、第一开关管，使电容器放电，因此新型子模块输出电压为电容器两极间电压，即Usm＝UC。
(3)第二种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块的正极端流入、负极端流出时，控制第一开关管、第三开关管、第一二极管和第二二极管关断，控制第二开关管导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管、第五开关管均关断。此时，电流ism流经第二开关管，电容器被旁路，因此新型子模块输出电压为零，即Usm＝0。
(4)第二种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块的负极端流入、正极端流出时，控制第一开关管、第二开关管和第一二极管关断，控制第三开关管和第二二极管导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管、第五开关管均关断。此时，电流ism流经第三开关管和第二二极管，电容器被旁路，因此新型子模块输出电压为零，即Usm＝0。
本发明所提具有直流短路故障阻断能力的MMC拓扑在故障清除阶段时，新型子模块中的第一开关管和第二开关管均开断，并采用故障清除控制策略控制新型子模块中的第三开关管的通断。故障清除控制策略，是一种反压控制策略，即控制电压最大相的下桥臂新型模块中所有的第三开关管导通、电压最小相的上桥臂新型模块中所有的第三开关管导通，并控制其余各相中所有的第三开关管关断，从而实现了阻断交流馈入电流。
所采用的反压控制策略，采集三相交流电压信号，并经过三相电压比较单元后，得到三相电压比较信号SAB、SBC、SCA，经过脉冲产生模块进行逻辑运算后，输出所需触发信号Aupper arm、Alower arm、Bupper arm、Blower arm、Cupper arm、Clower arm。
本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑的限流工作原理如下：
当换流站发生直流侧双极短路故障时，换流站检测到故障信号后发出闭锁信号，控制各相上下桥臂中的所有新型子模块的第一开关管和第二开关管关断，并控制所有桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管、第五开关管导通。同时，对各相上下桥臂中的新型子模块的第三开关管采取反压控制策略，即控制电压最大相的下桥臂新型模块中所有的第三开关管导通、电压最小相的上桥臂新型模块中所有的第三开关管导通，并控制其余各相中所有的第三开关管关断。从而，阻断交流系统向直流侧馈入电流，且交流电压反向加在直流侧限流电抗器两端。
桥臂电抗及吸收支路，为桥臂电抗器提供能量泄放回路，且为直流侧限流电抗器提供了续流回路，大大减小了桥臂电感与直流侧限流电抗器的电压应力。同时交流系统通过桥臂电抗及吸收支路在直流侧限流电抗器两端建立反向电压，实现直流故障电流的快速阻断。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果；
(1)本发明的MMC拓扑正常工作时可等效为半桥子模块MMC换流站，正常运行时子模块投切方式与半桥MMC拓扑投切方式相同，控制方式简单。
(2)对比现有故障自清除型子模块，本发明所提具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑不仅降低开关器件使用数量，而且具有故障电流高阻断能力。其次，本发明所提MMC拓扑利用了交流电源反向电压及桥臂吸收电路进行故障电流阻断，并非利用电容电压进行故障阻断，可快速建立故障清除回路，其故障阻断时间也比故障自清除型子模块阻断时间短。桥臂吸收支路为桥臂电抗器提供能量泄放回路，避免桥臂电抗器因残余能量出现过电压，同时为直流侧电抗器提供续流回路和交流系统提供回路，辅助直流侧故障电流平稳下降，避免直流侧限流电抗器过电压。
(3)本发明所采用的反压控制策略相比其它控制策略，如电流空间矢量，滞环控制等，具有控制简单，开关频率低，无需解耦等优点。
附图说明
图1为本发明所公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑；
图2a、图2b分别为一个新型子模块SM在第一种正常工作模式下电流正向、反向时的电流流通路径；
图3a、图3b分别为一个新型子模块SM在第二种正常工作模式下电流正向、反向时的电流流通路径；
图4为本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑的反压控制策略示意图；
图5为本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑处于限流工作状态时的电流流通路径；
图6为本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑的直流侧故障电流仿真波形图，
图7为本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑的直流限流电抗器Ld两端电压仿真波形图；
图8为本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑的A相上桥臂电抗器电压仿真波形；
图9为去除桥臂电抗及吸收支路后，直流侧限流电抗器两端电压仿真波形；
图10为去除桥臂电抗及吸收之路后，A相上桥臂电抗器电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，包括：A相上桥臂新型模块11、B相上桥臂新型模块12、C相上桥臂新型模块13、A相桥臂电抗及吸收支路21、B相桥臂电抗及吸收支路22、C桥臂电抗及吸收支路23、A相下桥臂新型模块31、B相下桥臂新型模块32、C相下桥臂新型模块33。
各相上桥臂新型模块和各相下桥臂新型模块均有一个正极端和一个负极端；各相桥臂电抗及吸收支路均有一个交流电压端、一个正极端和一个负极端；各相上桥臂新型模块正极端均与直流线路正极相连，各相上桥臂新型模块负极端与对应相桥臂电抗及吸收支路正极端相连，各相桥臂电抗及吸收支路负极端与对应相下桥臂新型模块正极端相连，各相下桥臂新型模块负极端均与直流线路负极相连；各相桥臂电抗及吸收支路的交流电压端与对应相交流线路相连。
A相上桥臂新型模块11、B相上桥臂新型模块12、C相上桥臂新型模块13、A相下桥臂新型模块31、B相下桥臂新型模块32、C相下桥臂新型模块33都具有相同的拓扑结构，均由n个新型子模块SM串联而成。每个新型子模块SM有一个正极端、一个负极端。每个新型子模块SM包括：第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第一二极管D1、第二二极管D2和电容器C；第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3是全控型电力电子器件IGBT；第一开关管T1的发射极与第二开关管T2的集电极、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极相连接于A点；第一开关管T1的集电极与第一二极管D1的阴极、电容器C的正极相连；第二开关管T2的发射极与第三开关管T3的集电极、电容器C的负极相连接于B点；第三开关管T3的发射极与第二二极管D2的阳极相连；交点A构成新型子模块SM的正极端；交点B构成新型子模块SM的负极端；新型子模块SM的输出电压是Usm。各相上桥臂新型模块中，第一新型子模块SM1的正极端即为上桥臂新型模块的正极端，第n新型子模块SMn的负极端即为上桥臂新型模块的负极端；其余各新型子模块SMi(i＝2……n-1)的正极端与其前一级新型子模块SMi-1的负极端相连，SMi的负极端与其后一级新型子模块SMi+1的正极端相连。各相下桥臂新型模块中，第n+1新型子模块SMn+1的正极端即为下桥臂新型模块的正极端，第2n新型子模块SM2n的负极端即为下桥臂新型模块的负极端；其余各新型子模块SMj(j＝n+2……2n-1)的正极端与其前一级新型子模块SMj-1的负极端相连，SMj的负极端与其后一级新型子模块SMj+1的正极端相连。
A相桥臂电抗及吸收支路21、B相桥臂电抗及吸收支路22、C桥臂电抗及吸收支路23都具有相同的拓扑结构，各相桥臂电抗及吸收支路均包括：上桥臂电抗器L0、下桥臂电抗器L1、第一电阻R1、第二电阻R2、第四开关管T4、第五开关管T5和接地极G；第四开关管T4、第五开关管T5为双向晶闸管；第四开关管T4的一端与上桥臂电抗器L0相连接于P’点，第四开关管T4的另一端与第一电阻R1一端相连，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2一端相连，第二电阻R2的另一端与第五开关管T5一端相连，第五开关管T5的另一端与下桥臂电抗器L1相连接于N’点，第一电阻R1和第二电阻R2的连接点与接地极G相连。上桥臂电抗器L0和下桥臂电抗器L1的连接点与桥臂电抗及吸收支路的交流电压端相连接，P’点与桥臂电抗及吸收支路的正极端相连接，N’点与桥臂吸收支路的负极端相连接。
本发明所公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，在正常工作时，子模块共有两种工作模式，下面结合具体实施例分别描述。
具体实施例一：
图2a和图2b分别为一个新型子模块SM在第一种正常工作模式下电流正向、反向时的电流流通路径。
图2a所示为第一种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块SM的正极端流入、负极端流出时，控制第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3和第二二极管D2关断，控制第一二极管D1导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管T4、第五开关管T5均关断。此时，电流ism流经第一二极管D1、电容器C，向电容器C充电，因此新型子模块SM输出电压为电容器两极间电压，即Usm＝UC。
图2b所示为第一种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块SM的负极端流入、正极端流出时，控制第二开关管T2、第三开关管T3、第一二极管D1和第二二极管D2关断，控制第一开关管T1导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管T4、第五开关管T5均关断。此时，电流ism流经电容器C、第一开关管T1，使电容器C放电，因此新型子模块SM输出电压为电容器两极间电压，即Usm＝UC。
具体实施例二：
图3a和图3b分别为一个新型子模块SM在第二种正常工作模式下电流正向、反向时的电流流通路径。
图3a所示为第二种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块SM的正极端流入、负极端流出时，控制第一开关管T1、第三开关管T3、第一二极管D1和第二二极管D2关断，控制第二开关管T2导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管T4、第五开关管T5均关断。此时，电流ism流经第二开关管T2，电容器C被旁路，因此新型子模块SM输出电压为零，即Usm＝0。
图3b所示为第二种正常工作模式下，当电流ism由新型子模块SM的负极端流入、正极端流出时，控制第一开关管T1、第二开关管T2和第一二极管D1关断，控制第三开关管T3和第二二极管D2导通；并且控制桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管T4、第五开关管T5均关断。此时，电流ism流经第三开关管T3和第二二极管D2，电容器C被旁路，因此新型子模块SM输出电压为零，即Usm＝0。
本发明所提具有直流短路故障阻断能力的MMC拓扑在故障清除阶段时，新型子模块SM中的第一开关管T1和第二开关管T2均开断，并采用故障清除控制策略控制新型子模块SM中的第三开关管T3的通断。故障清除控制策略，是一种反压控制策略，即控制电压最大相的下桥臂新型模块中所有的第三开关管T3导通、电压最小相的上桥臂新型模块中所有的第三开关管T3导通，并控制其余各相中所有的第三开关管T3关断，从而实现了阻断交流馈入电流。
图4为反压控制策略示意图，采集三相交流电压信号，并经过三相电压比较单元后，得到三相电压比较信号SAB、SBC、SCA，经过脉冲产生模块进行逻辑运算后，输出所需触发信号Aupper arm、Alower arm、Bupper arm、Blower arm、Cupper arm、Clower arm。
具体实施例三：
结合图5，详细说明本发明公开的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑的限流工作原理。
当换流站发生直流侧双极短路故障时，换流站检测到故障信号后发出闭锁信号，控制各相上下桥臂中的所有新型子模块SM的第一开关管T1和第二开关管T2关断，并控制所有桥臂电抗及吸收支路中的第四开关管T4、第五开关管T5导通。同时，对各相上下桥臂中的新型子模块SM的第三开关管T3采取反压控制策略，即控制电压最大相的下桥臂新型模块中所有的第三开关管T3导通、电压最小相的上桥臂新型模块中所有的第三开关管T3导通，并控制其余各相中所有的第三开关管T3关断。
假设此时A相电压最小、C相电压最大，则电流流通路径如图5所示，由于三相交流电流流通路径和三相桥臂电抗器电流续流路径对应，故图5仅示意A相交流电流流通路径以及B相桥臂电抗器电流续流路径。对于A相，交流电流的一部分is1流经A相桥臂电抗及吸收支路21的上桥臂电抗器L0、第四开关管T4和第一电阻R1后入接地极G；交流电流的另一部分is2流经A相桥臂电抗及吸收支路21的下桥臂电抗器L1、第二电阻R2、第五开关管T5后入接地极G。对于B相，B相桥臂电抗及吸收支路22的上桥臂电抗器L0、下桥臂电抗器L1的续流电流IL经第四开关管T4、第五开关管T5、第一电阻R1、第二电阻R2续流，从而使续流电流IL迅速衰减。而直流限流电抗器Ld的续流电流Id流经C相下桥臂新型模块33、C相桥臂电抗及吸收电路23、A相桥臂电抗及吸收电路21、A相上桥臂新型模块11构成能量泄放回路。
运用MATLAB/Simulink仿真实验平台对本发明所提方案进行验证，仿真结果如图6、图7、图8所示。0.25s发生双极直流短路故障，0.253s检测到故障向换流站发出闭锁信号，投入反压控制策略。从图6可见当0.253s投入反压控制策略后，直流侧故障电流不再上升并快速下降，至0.26s时，故障电流已降至零，去除所有开关管触发信号，直流故障被完全阻断。且从图7直流侧限流电抗器电压波形图，可以发现在故障清除阶段(0.253s至0.26s)时的直流限流电抗器Ld的电压水平明显小于故障检测阶段时(0.25s至0.253s)的电压水平，从图8可见，在故障清除阶段，桥臂电抗器上的电压水平，也控制在一个较低的水平内，保证了换流站在故障清除阶段不会在直流侧限流电抗器两端造成较大的电压应力。
去除桥臂吸收支路后，直流侧限流电抗器电压波形如图9所示，在故障清除初始阶段，即0.253s时刻，直流侧限流电抗器上产生一个高达100kV的过冲电压，严重危害电抗器和换流站的安全，同时如图10所示，在故障清除阶段，桥臂电抗器上也产生了一个104数量级的过电压，严重威胁换流站内电力电子器件的安全。
通过仿真结果发现，本发明所提具有直流短路故障电流清除能力的MMC拓扑可在几ms内快速清除直流故障电流，且通过桥臂吸收支路大大降低了直流限流电抗器和桥臂电抗器的电压应力，保护了换流站的安全。本发明所提拓扑具有良好的故障电流阻断特性，在故障清除时，直流故障电流近似线性下降，无振荡和突变等现象。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：包括：A相上桥臂新型模块(11)、B相上桥臂新型模块(12)、C相上桥臂新型模块(13)、A相桥臂电抗及吸收支路(21)、B相桥臂电抗及吸收支路(22)、C桥臂电抗及吸收支路(23)、A相下桥臂新型模块(31)、B相下桥臂新型模块(32)、C相下桥臂新型模块(33)；
以上各相上桥臂新型模块和各相下桥臂新型模块均有一个正极端和一个负极端；各相桥臂电抗及吸收支路均有一个交流电压端、一个正极端和一个负极端；各相上桥臂新型模块正极端均与直流线路正极相连，各相上桥臂新型模块负极端与对应相桥臂电抗及吸收支路正极端相连，各相桥臂电抗及吸收支路负极端与对应相下桥臂新型模块正极端相连，各相下桥臂新型模块负极端均与直流线路负极相连；各相桥臂电抗及吸收支路的交流电压端与对应相交流线路相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：所述A相上桥臂新型模块(11)、B相上桥臂新型模块(12)、C相上桥臂新型模块(13)、A相下桥臂新型模块(31)、B相下桥臂新型模块(32)、C相下桥臂新型模块(33)都具有相同的拓扑结构，均由n个新型子模块(SM)串联而成；
每个新型子模块(SM)有一个正极端、一个负极端；
各相上桥臂新型模块中，第一新型子模块(SM1)的正极端即为上桥臂新型模块的正极端第n新型子模块(SMn)的负极端即为上桥臂新型模块的负极端；其余各新型子模块(SMi)的正极端与其前一级新型子模块(SMi-1)的负极端相连，并且该新型子模块(SMi)的负极端与其后一级新型子模块(SMi+1)的正极端相连，其中i＝2……n-1；
各相下桥臂新型模块中，第n+1新型子模块(SMn+1)的正极端即为下桥臂新型模块的正极端，第2n新型子模块(SM2n)的负极端即为下桥臂新型模块的负极端；其余各新型子模块(SMj)的正极端与其前一级新型子模块(SMj-1)的负极端相连，并且该新型子模块(SMj)的负极端与其后一级新型子模块SMj+1的正极端相连，其中j＝n+2……2n-1；
每个新型子模块(SM)包括：第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和电容器(C)；第一开关管(T1)的发射极与第二开关管(T2)的集电极、第一二极管(D1)的阳极、第二二极管(D2)的阴极相连接于A点；第一开关管(T1)的集电极与第一二极管(D1)的阴极、电容器(C)的正极相连；第二开关管(T2)的发射极与第三开关管(T3)的集电极、电容器(C)的负极相连接于B点；第三开关管(T3)的发射极与第二二极管(D2)的阳极相连；交点A构成新型子模块(SM)的正极端；交点B构成新型子模块(SM)的负极端；新型子模块(SM)的输出电压是Usm。
3.根据权利要求2所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：每个新型子模块(SM)具备两种正常工作模式，第一种正常工作模式下，新型子模块(SM)输出电压是电容器(C)两极间电压，即Usm＝UC；第二种正常工作模式下，新型子模块(SM)输出电压为零，即Usm＝0。
4.根据权利要求2所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：所述第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)是全控型电力电子器件IGBT。
5.根据权利要求1所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：所述A相桥臂电抗及吸收支路(21)、B相桥臂电抗及吸收支路(22)、C桥臂电抗及吸收支路(23)都具有相同的拓扑结构，各相桥臂电抗及吸收支路均包括：上桥臂电抗器(L0)、下桥臂电抗器(L1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第四开关管(T4)、第五开关管(T5)和接地极(G)；第四开关管(T4)的一端与上桥臂电抗器(L0)相连接于P’点，第四开关管(T4)的另一端与第一电阻(R1)一端相连，第一电阻(R1)的另一端与第二电阻(R2)一端相连，第二电阻(R2)的另一端与第五开关管(T5)一端相连，第五开关管(T5)的另一端与下桥臂电抗器(L1)相连接于N’点，第一电阻(R1)和第二电阻(R2)的连接点与接地极G相连；上桥臂电抗器(L0)和下桥臂电抗器(L1)的连接点与桥臂电抗及吸收支路的交流电压端相连接，P’点与桥臂电抗及吸收支路的正极端相连接，N’点与桥臂吸收支路的负极端相连接。
6.根据权利要求5所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：所述第四开关管(T4)、第五开关管(T5)为双向晶闸管。
7.根据权利要求2所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：在故障清除阶段时，新型子模块(SM)中的第一开关管(T1)和第二开关管(T2)均开断，所述新型子模块(SM)中的第三开关管(T3)的通断采用反压控制策略。
8.根据权利要求7所述的一种具有直流短路故障电流阻断能力的MMC拓扑，其特征在于：所述反压控制策略，是控制电压最大相的下桥臂新型模块中所有的第三开关管(T3)导通、电压最小相的上桥臂新型模块中所有的第三开关管(T3)导通，并控制其余各相中所有的第三开关管(T3)关断。
CN201811619972.3A 2018-12-28 2018-12-28 一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑 Active CN109617439B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811619972.3A CN109617439B (zh) 2018-12-28 2018-12-28 一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811619972.3A CN109617439B (zh) 2018-12-28 2018-12-28 一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109617439A true CN109617439A (zh) 2019-04-12
CN109617439B CN109617439B (zh) 2020-01-03

Family

ID=66011862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811619972.3A Active CN109617439B (zh) 2018-12-28 2018-12-28 一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109617439B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111049407A (zh) * 2020-01-03 2020-04-21 东南大学 具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法
CN111917317A (zh) * 2020-07-03 2020-11-10 上海交通大学 一种能阻断直流故障的柔直换流器、子模块及其保护方法
CN112803758A (zh) * 2021-01-15 2021-05-14 西安交通大学 具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器及方法
CN112952791A (zh) * 2021-03-31 2021-06-11 中国科学院电工研究所 直流潮流控制器
WO2021164304A1 (zh) * 2020-02-20 2021-08-26 浙江大学 一种低全桥比例子模块混合型mmc及直流故障处理方法
WO2021196563A1 (zh) * 2020-04-01 2021-10-07 浙江大学 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略
CN113629771A (zh) * 2021-09-06 2021-11-09 阳光电源股份有限公司 一种光伏系统和光伏关断方法
CN113872458A (zh) * 2021-09-23 2021-12-31 南京南瑞继保电气有限公司 一种轻型模块化换流阀及其控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3001552A1 (en) * 2014-09-23 2016-03-30 Alstom Technology Ltd Voltage source converter and control thereof
CN106602531A (zh) * 2016-10-18 2017-04-26 华北电力大学 模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路
CN107221921A (zh) * 2017-07-26 2017-09-29 全球能源互联网研究院 柔直输电架空线路防止子模块过流的主接线方法
CN107395042A (zh) * 2017-08-29 2017-11-24 华北电力大学（保定） 具备清障能力的mmc子模块及具有该子模块的换流器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3001552A1 (en) * 2014-09-23 2016-03-30 Alstom Technology Ltd Voltage source converter and control thereof
CN106602531A (zh) * 2016-10-18 2017-04-26 华北电力大学 模块化多电平换流器对直流短路故障的桥臂旁路保护电路
CN107221921A (zh) * 2017-07-26 2017-09-29 全球能源互联网研究院 柔直输电架空线路防止子模块过流的主接线方法
CN107395042A (zh) * 2017-08-29 2017-11-24 华北电力大学（保定） 具备清障能力的mmc子模块及具有该子模块的换流器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王振浩等: "具备直流故障清除能力的电流转移型模块化多电平换流器", 《中国电机工程学报》 *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111049407A (zh) * 2020-01-03 2020-04-21 东南大学 具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法
CN111049407B (zh) * 2020-01-03 2021-03-02 东南大学 具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法
WO2021164304A1 (zh) * 2020-02-20 2021-08-26 浙江大学 一种低全桥比例子模块混合型mmc及直流故障处理方法
WO2021196563A1 (zh) * 2020-04-01 2021-10-07 浙江大学 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略
CN111917317A (zh) * 2020-07-03 2020-11-10 上海交通大学 一种能阻断直流故障的柔直换流器、子模块及其保护方法
CN112803758A (zh) * 2021-01-15 2021-05-14 西安交通大学 具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器及方法
CN112803758B (zh) * 2021-01-15 2021-12-28 西安交通大学 具有故障阻断的非隔离型高压直流-直流变流器及方法
CN112952791A (zh) * 2021-03-31 2021-06-11 中国科学院电工研究所 直流潮流控制器
CN113629771A (zh) * 2021-09-06 2021-11-09 阳光电源股份有限公司 一种光伏系统和光伏关断方法
CN113629771B (zh) * 2021-09-06 2024-05-14 阳光电源股份有限公司 一种光伏系统和光伏关断方法
CN113872458A (zh) * 2021-09-23 2021-12-31 南京南瑞继保电气有限公司 一种轻型模块化换流阀及其控制方法
CN113872458B (zh) * 2021-09-23 2023-08-08 南京南瑞继保电气有限公司 一种轻型模块化换流阀及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109617439B (zh) 2020-01-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109617439A (zh) 一种具有直流短路故障电流阻断能力的mmc拓扑
US10148083B2 (en) Fault current-suppressing damper topology circuit and control method thereof and converter
CN104578865B (zh) 一种三电平四桥臂t型容错变流器及其控制方法
EP2999103A1 (en) Sub-module, protection unit, converter, and control method thereof
EP3041127A1 (en) Submodule topology for modular multi-level converter and application thereof
CN105634026A (zh) 一种基于反并联晶闸管全桥子模块换流器的电网换相换流器结构
WO2013060368A1 (en) Interface arrangement between ac and dc systems for reliable opening of the circuit breaker in time
Li et al. Active-forced-commutated bridge using hybrid devices for high efficiency voltage source converters
CN109995258A (zh) 一种逆阻型二极管钳位子模块及其故障电流阻断方法
CN106505897A (zh) 一种具备直流故障穿越能力的低损耗mmc子模块拓扑
CN112039360A (zh) 一种具备故障电流阻断和自均压能力的mmc子模块
CN112311273B (zh) 一种基于谐振回路的混合式换流器拓扑结构及其控制方法
CN111030493A (zh) 一种模块化多电平换流器的子模块及其保护电路
CN106953509A (zh) 一种模块化多电平换流器子模块过电压保护装置
CN113258802B (zh) 一种具备直流故障清除和自均压能力的子模块拓扑结构
CN107947611B (zh) 一种应用于柔性直流输电系统的mmc模块拓扑结构
CN112671024B (zh) 全桥晶闸管耗能子模块及辅助换相控制方法
WO2003015277A1 (fr) Pont de commutation de puissance serie capable de partage automatique de la tension
Song et al. Modular Multilevel Converter Using IGCT-based Cross-Connected Modules for Medium Voltage DC Grids
CN113992037B (zh) 一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法
CN116722760B (zh) 一种用于无闭锁故障穿越的桥臂拓扑结构及其控制方法
Meng et al. On the transient short-circuit of RCD snubber in high power three-level IGBT inverter
CN214380681U (zh) 交流侧可控关断的混合式换流器拓扑结构
CN113595114B (zh) 一种常规高压直流系统用直流侧可控储能装置及控制方法
CN212726884U (zh) 一种模块化多电平换流器及换流站

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant