CN109995258A - 一种逆阻型二极管钳位子模块及其故障电流阻断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆阻型二极管钳位子模块，第一半桥子模块包括第一开关单元、第二开关单元与第一电容；第二半桥子模块包括第三开关单元、第四开关单元与第二电容；第二开关单元采用两个绝缘栅双极型晶体管反向并联的结构形式，从而具有双向导通‑双向阻断功能；其余开关单元均采用绝缘栅双极型晶体管反向并联续流二极管的结构形式，从而具有双向导通‑单向阻断功能；通过工作模式的切换能够输出0、U_C、2U_C三种工作电平，对正、反故障电流能够分别提供2U_C、U_C的反电动势进行阻断。还提供一种故障电流阻断方法，正向故障电流对第一电容与第二电容串联充电，反向故障电流对第二电容充电，在充电过程中产生反电动势对故障电流进行阻断。

Description

一种逆阻型二极管钳位子模块及其故障电流阻断方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平换流器领域，特别涉及一种用于多电平换流器中的具有故障阻断能力的逆阻型二极管钳位子模块。还涉及一种故障电流的阻断方法。

背景技术

随着现代电力电子技术的迅速发展，以绝缘栅双极晶体管（Insulated GateBipolar Transistor，IGBT）为代表的新型可关断电力电子器件和脉宽调制（Pulse WidthModulation，PWM）为理论基础的电压源型换流器开始应用于直流输电，在我国通常称作柔性直流输电。与常规高压直流输电技术相比，柔性直流输电具有有功和无功独立控制、无换相失败风险、潮流反转时电压极性不变，可向无源负荷供电等优势，在城市中心负荷供电、分布式新能源并网与消纳等领域前景广阔，尤其适用于构建多端直流输电系统和未来直流电网。相比于交流系统，由于直流系统的阻尼相对较小，系统故障传播速度更快，系统控制响应时间要求更短，继电保护方法设计难度更大；因此直流侧故障控制保护问题是目前MMC工程应用所面对的主要问题之一。现阶段已投运的工程中均是采用半桥模块化多电平换流器技术，当直流侧发生故障时，反并联二极管会为短路电流提供通路，系统近似发生三相短路，短路电流不能被阻断，严重危害系统的安全稳定运行。

对于直流侧的故障，最理想的手段就是采用直流断路器隔离和清除直流故障，但系统需要额外增加设备投资，而且由于直流电流不存在过零点，熄弧困难，加大了故障电流阻断难度，且现阶段高压大电流直流断路器仍然处于研究开发阶段，其制造工艺还不成熟。虽然可以依靠开断交流侧断路器来清除故障，但该方法动作速度慢，系统恢复时间长，一定程度上限制了MMC向多端直流输电系统以及直流电网领域的发展和应用。因此，利用电力电子器件开关速度快的特点，研制具备直流侧故障电流阻断能力的MMC拓扑结构来实现直流侧故障电流的阻断是一种行之有效的方法。针对该问题，国内外学者展开了大量研究。其中全桥子模（HBSM）块虽然具有故障电流穿阻断能力，但由于其拓扑结构中存在过多的开关器件，导致损耗严重，难以在工程实际中应用；钳位型双子模块拓扑结构（CDSM）虽然具有故障电流清除能力，但是其正常工作时存在一个持续导通的开关器件，损耗仍然部分问题仍需考虑。有学者提出了一种二极管钳位式双子模块拓扑结构，该结构可以有效阻断故障电流，且需要的子模块数量可下降一半，但是相比于CDSM，其单位输出电平所需的器件数量高，且正常工作情况下存在始终导通的两个开关器件，损耗严重。

综上所述，具有故障阻断能力的子模块拓扑结构均存在器件数量多、损耗严重等问题，如何保证子模块故障能力的前提下减少单位输出电平所需要的器件数量，降低损耗目前尚未有可行的拓扑结构。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种逆阻型二极管钳位子模块，在不影响故障阻断能力的前提下，降低了单位输出电平的器件数量和损耗。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种逆阻型二极管钳位子模块，包括串联的第一半桥子模块与第二半桥子模块；第一半桥子模块包括第一开关单元、第二开关单元与第一电容；第二半桥子模块包括第三开关单元、第四开关单元与第二电容；第一电容与第二电容的参数完全相同，并且第一电容与第二电容的电压参考值均为U_C；

第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元均采用绝缘栅双极型晶体管反向并联续流二极管的结构形式，从而具有双向导通-单向关断能力；第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元的关断是指绝缘栅双极型晶体管，第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元的导通是指双向同时导通；第二开关单元采用两个绝缘栅双极型晶体管反向并联的结构形式，从而具有双向导通-双向关断能力；第二开关单元的关断是指两个绝缘栅双极型晶体管同时关断，第二开关单元的导通是指双向导通；

第一开关单元串联第二开关单元后与第一电容并联，并且第一电容的正极端与第一开关单元中的绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第一电容的负极端与第二开关单元连接；

第三开关单元与第四开关单元正向串联后与第二电容并联，即第三开关单元中绝缘栅双极型晶体管的发射集与第四开关单元中绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二电容的正极端与第三开关单元连接，第二电容的负极端与第四开关单元连接；

第一电容的负极端与第二电容的正极端连接，从而将第一半桥子模块与第二半桥子模块串联起来；

第一开关单元与第二开关单元之间接第一供电端，第三开关单元与第四开关单元之间接第二供电端；第二电容的负极端通过钳位二极管与第一供电端连接，并且钳位二极管的阳极与第二电容的负极端连接，钳位二极管的阴极与第一供电端连接。

进一步的，通过工作模式的切换能够输出0、U_C、2U_C三种工作电压。

进一步的，具有以下四种工作模式：

工作模式1：第一开关单元与第四开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，使得第一电容与第二电容均被旁路，输出工作电压为零；

工作模式2：第二开关单元与第四开关单元关断，第一开关单元与第三开关单元导通，使得第一电容串联到电路中，第二电容被旁路，输出工作电压为U_C；

工作模式3：第一开关单元与第三开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，使得第一电容被旁路，第二电容串联到电路中，输出工作电压为U_C；

工作模式4：第二开关单元与第三开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，第一电容与第二电容均串联到电路中，输出工作电压为2U_C。

进一步的，对于从第一供电端流入的正向故障电流能够提供2U_C的反电动势进行阻断；对于从第二供电端流入的反向故障电流能够提供U_C的反电动势进行阻断。

还提供一种采用本发明的逆阻型二极管钳位子模块的故障电流阻断方法，包括以下步骤：

步骤1：当故障发生时，关断第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元与第四开关单元；

步骤2：判断故障电流方向：若故障电流从第一供电端，则为正向故障电流，进入步骤3；若故障电流从第二供电端流入，则为逆向故障电流，进入步骤4；

步骤3：正向故障电流依次通过第一开关单元的续流二极管、第一电容、第二电容、第四开关单元的续流二极管，并从第二供电端流出，从而使得正向故障电流对串联的第一电容与第二电容充电，第一电容与第二电容在充电过程中产生反电动势对正向故障电流进行阻断；

步骤4：反向故障电流依次通过第三开关单元的续流二极管、第二电容、钳位二极管，并从第一供电端流出，从而使得第一电容被旁路，反向故障电流对串入电路中的第二电容进行充电，第二电容在充电过程中产生反电动势对反向故障电流进行阻断。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、传统的CDSM中全部采用具有双向导通-单向阻断功能的开关单元，本发明改变了其中一个开关单元的结构，即第二开关单元采用两个绝缘栅双极型晶体管反向并联的结构形式，形成具有双向导通-双向阻断功能的开关单元，并相应的调整了电路结构。与传统的CDSM相比，本发明的逆阻型二极管钳位子模块减少了开关单元与钳位二极管的数量，并且工作电平输出能力与传统的CDSM相同，从而减少单位输出电平所需要的器件数量。

2、传统的CDSM虽然也能输出3种工作电平，但是每种工作电平的输出均要求有三个开关单元同时导通，本发明对应每种工作电平的输出均只要求两个开关单元导通，能够降低损耗。

3、在电容的参考电压相同的情况下，传统的CDSM对正向故障电流的阻断能力为2U_C，对反向故障电流的阻断能力为0.5 U_C。然而，本发明对正向故障电流的阻断能力为2U_C，对反向故障电流的阻断能力为U_C，由此可见本发明对反向电流的故障阻断能力大幅度提升。

附图说明

图1是现有技术中CDSM的拓扑结构示意图；

图2是本具体实施方式中逆阻型二极管钳位子模块的拓扑结构示意图；

图3是本发的故障阻断方法中正向故障电流流入子模块时电流流通路径示意图；

图4是本发的故障阻断方法中反向向故障电流流入子模块时电流流通路径示意图。

具体实施方式

参考图2所示，一种逆阻型二极管钳位子模块，包括串联的第一半桥子模块与第二半桥子模块；第一半桥子模块包括第一开关单元、第二开关单元与第一电容C1；第二半桥子模块包括第三开关单元、第四开关单元与第二电容C2；第一电容C1与第二电容C2的参数完全相同，并且第一电容C1与第二电容C2的电压参考值均为U_C；

第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元均采用绝缘栅双极型晶体管反向并联续流二极管的结构形式，从而具有双向导通-单向关断能力；第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元的关断是指绝缘栅双极型晶体管，第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元的导通是指双向同时导通；第二开关单元采用两个绝缘栅双极型晶体管反向并联的结构形式，从而具有双向导通-双向关断能力；第二开关单元的关断是指两个绝缘栅双极型晶体管同时关断，第二开关单元的导通是指双向导通；

第一开关单元包括绝缘栅双极型晶体管VT1与续流二极管VD1，续流二极管VD1的阳极与绝缘栅双极型晶体管VT1的发射极连接，二极管VD1的阴极与绝缘栅双极型晶体管VT1的集电极连接，从而形成反向并联；

第三开关单元包括绝缘栅双极型晶体管VT4与续流二极管VD4，续流二极管VD4的阳极与绝缘栅双极型晶体管VT4的发射极连接，续流二极管VD4的阴极与绝缘栅双极型晶体管VT4的集电极连接，从而形成反向并联；

第四开关单元包括绝缘栅双极型晶体管VT5与续流二极管VD5，续流二极管VD5的阳极与绝缘栅双极型晶体管VT5的发射极连接，续流二极管VD5的阴极与绝缘栅双极型晶体管VT5的集电极连接，从而形成反向并联；

第二开关单元包括绝缘栅双极型晶体管VT2与绝缘栅双极型晶体管VT3，绝缘栅双极型晶体管VT3的集电极、发射极分别与绝缘栅双极型晶体管VT2的发射极、集电极连接，从而形成反向并联；

第一开关单元串联第二开关单元后与第一电容并联，并且第一电容的正极端与第一开关单元中的绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第一电容的负极端与第二开关单元连接；

第三开关单元与第四开关单元正向串联后与第二电容并联，即第三开关单元中绝缘栅双极型晶体管的发射集与第四开关单元中绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二电容的正极端与第三开关单元连接，第二电容的负极端与第四开关单元连接；

第一电容的负极端与第二电容的正极端连接，从而将第一半桥子模块与第二半桥子模块串联起来；

第一开关单元与第二开关单元之间接第一供电端，第三开关单元与第四开关单元之间接第二供电端；第二电容的负极端通过钳位二极管D1与第一供电端连接，并且钳位二极管D1的阳极与第二电容的负极端连接，钳位二极管D1的阴极与第一供电端连接。

参考图2所示，本发明的具有故障阻断能力的逆阻型混合子模块具有以下4种工作模式，通过工作模式的切换能够输出0、U_C、2U_C三种工作电压：

工作模式1：第一开关单元与第四开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，使得第一电容与第二电容均被旁路，输出工作电压为零；

工作模式2：第二开关单元与第四开关单元关断，第一开关单元与第三开关单元导通，使得第一电容串联到电路中，第二电容被旁路，输出工作电压为U_C；

工作模式3：第一开关单元与第三开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，使得第一电容被旁路，第二电容串联到电路中，输出工作电压为U_C；

工作模式4：第二开关单元与第三开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，第一电容与第二电容均串联到电路中，输出工作电压为2U_C。

对于传统的CDSM虽然也能输出3种工作电平，但是每种工作电平的输出均要求有三个开关单元同时导通，参考图1所示：1）传统的CDSM输出2U_C的工作电平要求VT1、VT7与VT4导通；2）传统的CDSM输出U_C的工作电平要求VT1、VT6、VT4导通；3）传统的CDSM输出0的工作电平要求VT2、VT6、VT4导通。由此可见，传统的CDSM必须要求VT4一直导通，每种工作电平的输出均要求有三个开关单元同时导通，本发明的工作模式1与工作模式2均只要求两个开关单元导通，能够降低损耗。

参考图1所示，传统的CDSM的故障阻断能力分析：

正向故障电流发生时，VT1、 VT2、 VT4、 VT6 、VT7均关断，正向故障电流依次从续流二极管VD1、电容C1、续流二极管VD4、电容C2、续流二极管VD7流过，电容C1、C2串联充电，最大能够产生2UC的反电动势。

反向故障电流发生时，VT1、 VT2、 VT4、 VT6 、VT7均关断，反向故障电流从续流二极管VD6分成两支分支：第一支经二极管VD3、电容C1，再到续流二极管VD2；第二支经电容C2、二极管VD5，再到续流二极管VD2；电容C1、C2并联充电，最大能够产生0.5UC的反电动势。

如图1所示，传统的CDSM需要用到5个开关单元，两个钳位二极管（VD3、VD5），然而本发明的逆阻型二极管钳位子模块只需要用到4个开关单元，并只需要1个钳位二极管。在不影响故障工作电平输出能力的前提下，降低了单位输出电平的器件数量和损耗，并同时提高了对反向故障电流的故障阻断能力。

本发明的逆阻型二极管钳位子模块的故障电流阻断方法的故障电流阻断方法，包括以下步骤：

步骤1：当故障发生时，关断第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元与第四开关单元；

步骤2：判断故障电流方向：若故障电流从第一供电端，则为正向故障电流，进入步骤3；若故障电流从第二供电端流入，则为逆向故障电流，进入步骤4；

步骤3：参考图3所示，正向故障电流依次通过第一开关单元的续流二极管VD1、第一电容C1、第二电容C2、第四开关单元的续流二极管VD4，并从第二供电端流出，从而使得正向故障电流对串联的第一电容C1与第二电容C2充电，第一电容C1与第二电容C2在充电过程中产生反电动势对正向故障电流进行阻断；

步骤4：参考图4所示，反向故障电流依次通过第三开关单元的续流二极管VD3、第二电容C2、钳位二极管D1，并从第一供电端流出，从而使得第一电容C1被旁路，反向故障电流对串入电路中的第二电容C2进行充电，第二电容C2在充电过程中产生反电动势对反向故障电流进行阻断。

实际产生反电动势的大小跟系统故障电流初始值以及等效电容有关有，且等效电容越小，故障电流初始值越大，故障阻断电压越大。本发明中的故障阻断能力是指最大能够产生的反电动势，本发明的逆阻型二极管钳位子模块对正向故障电流最大能够提供2UC的反电动势，对逆向故障电流最大能够提供UC的反电动势。

Claims (5)

1.一种逆阻型二极管钳位子模块，其特征在于：包括串联的第一半桥子模块与第二半桥子模块；第一半桥子模块包括第一开关单元、第二开关单元与第一电容；第二半桥子模块包括第三开关单元、第四开关单元与第二电容；第一电容与第二电容的参数完全相同，并且第一电容与第二电容的电压参考值均为U_C；

第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元均采用绝缘栅双极型晶体管反向并联续流二极管的结构形式，从而具有双向导通-单向关断能力；第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元的关断是指绝缘栅双极型晶体管，第一开关单元、第三开关单元与第四开关单元的导通是指双向同时导通；第二开关单元采用两个绝缘栅双极型晶体管反向并联的结构形式，从而具有双向导通-双向关断能力；第二开关单元的关断是指两个绝缘栅双极型晶体管同时关断，第二开关单元的导通是指双向导通；

第一开关单元串联第二开关单元后与第一电容并联，并且第一电容的正极端与第一开关单元中的绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第一电容的负极端与第二开关单元连接；

第三开关单元与第四开关单元正向串联后与第二电容并联，即第三开关单元中绝缘栅双极型晶体管的发射集与第四开关单元中绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，第二电容的正极端与第三开关单元连接，第二电容的负极端与第四开关单元连接；

第一电容的负极端与第二电容的正极端连接，从而将第一半桥子模块与第二半桥子模块串联起来；

第一开关单元与第二开关单元之间接第一供电端，第三开关单元与第四开关单元之间接第二供电端；第二电容的负极端通过钳位二极管与第一供电端连接，并且钳位二极管的阳极与第二电容的负极端连接，钳位二极管的阴极与第一供电端连接。

2.根据权利要求1所述的逆阻型二极管钳位子模块，其特征在于：通过工作模式的切换能够输出0、U_C、2U_C三种工作电压。

3.根据权利要求2所述的逆阻型二极管钳位子模块，其特征在于：具有以下四种工作模式：

工作模式1：第一开关单元与第四开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，使得第一电容与第二电容均被旁路，输出工作电压为零；

工作模式2：第二开关单元与第四开关单元关断，第一开关单元与第三开关单元导通，使得第一电容串联到电路中，第二电容被旁路，输出工作电压为U_C；

工作模式3：第一开关单元与第三开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，使得第一电容被旁路，第二电容串联到电路中，输出工作电压为U_C；

工作模式4：第二开关单元与第三开关单元关断，第二开关单元与第四开关单元导通，第一电容与第二电容均串联到电路中，输出工作电压为2U_C。

4.根据权利要求1所述的逆阻型二极管钳位子模块，其特征在于：对于从第一供电端流入的正向故障电流能够提供2U_C的反电动势进行阻断；对于从第二供电端流入的反向故障电流能够提供U_C的反电动势进行阻断。

5.一种采用如权利要求1所述的逆阻型二极管钳位子模块的故障电流阻断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：当故障发生时，关断第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元与第四开关单元；

步骤2：判断故障电流方向：若故障电流从第一供电端，则为正向故障电流，进入步骤3；若故障电流从第二供电端流入，则为逆向故障电流，进入步骤4；

步骤3：正向故障电流依次通过第一开关单元的续流二极管、第一电容、第二电容、第四开关单元的续流二极管，并从第二供电端流出，从而使得正向故障电流对串联的第一电容与第二电容充电，第一电容与第二电容在充电过程中产生反电动势对正向故障电流进行阻断；

步骤4：反向故障电流依次通过第三开关单元的续流二极管、第二电容、钳位二极管，并从第一供电端流出，从而使得第一电容被旁路，反向故障电流对串入电路中的第二电容进行充电，第二电容在充电过程中产生反电动势对反向故障电流进行阻断。