CN110417290B - 一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路及其控制方法。涉及电力系统直流输配电保护控制领域，尤其涉及一种具有直流侧故障穿越能力的MMC子模块拓扑电路及其控制方法。提供了一种模块化程度高，可靠性更高，并且正反向故障抑制电流能力更强、更均衡的新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路及其控制方法。包括进线端口X、出线端口Y，在进线端口X和出线端口Y之间串联连接有至少二个半桥子模块，所述半桥子模块具有输入端口、输出端口一和输出端口二，所述的功率开关器件可以是IGBT或MOSFET。本发明具有很强的故障电流抑制能力。

Description

一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统直流输配电保护控制领域，尤其涉及一种具有直流侧故障穿越能力的MMC子模块拓扑电路及其控制方法。
背景技术
随着新能源发电和直流负荷的不断增加，直流输配电网以及交直流混合配电网的应用越来越得到重视。而模块化多电平环流器(modular multilevel converter, MMC)因为具有简单的模块化结构、良好的可扩展性、开关频率低、损耗低、良好的谐波特性以及电能质量调节能力，受到国内外学者的欢迎，并被广泛的应用于直流输电系统和直流配电系统。然而，传统半桥型子模块结构的MMC虽然使用器件数量较低、成本和损耗较低，但是却无法快速的隔离和穿越MMC直流侧短路故障，最终会导致系统瘫痪，甚至会毁坏MMC，造成巨大的成本损失。
随后，一些具有故障穿越能力的MMC子模块拓扑被提出，
如申请号为CN201410400214.8的专利提出了一种半桥结构和全桥结构混用的子模块结构，全桥子模块用于实现换流器直流路故障时的自阻断。然而全桥子模块的开关器件数量较多，导致成本和损耗较高。
申请号为CN201510416707.5的专利提出的MMC子模块拓扑虽然使用的器件较少，但是当故障电流反向时具有较弱的故障电流阻断能力。
申请号为CN201520350619.5的专利提出的子模块拓扑结构具有较强的故障电流阻断能力，且每个子模块比全桥结构少一个开关器件。但是这些专利文献提出的子模块拓扑仅仅考虑了故障电流的阻断能力，没有考虑故障大电流流过开关器件给其带来的损坏，导致换流器可靠性不高。
为此，本申请人在2015-8-28向国家知识产权局提出申请号为2015105433494，名称：一种具有直流侧故障阻断能力的 MMC 子模块，公开号：CN105119511A的专利申请，该案出于直流侧能够及时、完全地锁闭短路电流，且结构简单、所需器件少、集成度高的目的，提出了具有一定模块化的实施方案（具体技术方案略），所提出的子模块拓扑结构虽然具有一定的直流短路故障穿越能力；但是我们在实际试验中发现，该案存在以下三点技术问题：
1、无论故障电流正向还是反向，故障电流都会流经MMC功率开关子模块中的反向并联二极管，容易造成MMC功率开关子模块的损坏，降低换流器的可靠性。
2、电路中的开关器件T3和二极管D8的耐压是半桥模块中开关器件耐压的二倍，即2倍的子模块的电容电压，因此需要选择更高电压等级的开关器件，或者使用多个开关器件串联的方式，增加配置的成本，配置较难。不能真正实现模块化的特点。
3、同时故障电流反向时，只有C1和C2两个子模块电容串联到MMC桥臂中，C3和C4被旁路了，因此，故障电流的抑制能力较弱。
发明内容
本发明针对以上存在的技术问题，提供了一种模块化程度高，可靠性更高，并且正反向故障抑制电流能力更强、更均衡的新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路及其控制方法。
本发明的技术方案是：包括进线端口X、出线端口Y，在进线端口X和出线端口Y之间串联连接有至少二个半桥子模块，所述半桥子模块具有输入端口、输出端口一和输出端口二，
各所述半桥子模块输入端口的前端设一开关器件，
各所述半桥子模块输出端口一的前端设一晶闸管；
在最后一子模块的后端还并联连接有尾端一晶闸管和尾端开关器件；
两相邻子模块中前端子模块的输出端口一与后端子模块的输出端口二之间连接有一二极管；
在所述进线端口X和第一子模块输出端口二之间连接一头端二极管，所述出线端口和所述最后一子模块的输出端口一之间连接一尾端二极管。
所述半桥子模块由两个功率开关器件和一个电容组成；其中第一个开关器件GJ1的发射极与第二个开关器件GJ2的集电极连接，构成所述半桥子模块的输入端口；
所述第一个开关器件GJ1的集电极与所述电容的正极连接，构成所述半桥子模块的输出端口一；
所述第二个开关器件GJ2的发射极与所述电容负极连接，构成所述半桥子模块的输出端口二；
所述J为1~n。
所述至少二个半桥子模块为N个，依序为H1、H2……Hn；
所述开关器件为N个，依序为Q1、Q2……Qn；所述尾端开关器件为Qn+1；
所述晶闸管为N个，依序为VT1、VT2……VTn；所述尾端为VTn+1；
所述二极管为N-1个，依序为D2、D3……Dn；所述头端二极管为D1，所述尾端二极管为Dn+1。
所述开关器件Q1的发射极连接所述进线端口X、集电极连接所述第一半桥子模块H1的输入端口；
所述第J个开关器件Qj的发射极与第J-1个半桥子模块的输出端口二连接，所述第J个开关器件Qj的集电极与第J个半桥子模块的输入端口连接；
所述尾端开关器件Qn+1的发射极与所述半桥子模块HN的输出端口二连接，所述尾端开关器件Qn+1的集电极与所述出线端口Y连接；
所述J为2、3……n。
所述晶闸管VT1的阳极连接所述进线端口X、阴极连接所述第一半桥子模块H1的输出端口一；
第J个晶闸管VTj的阳极与第J-1个半桥子模块的输出端口二连接、阴极连接第J个半桥子模块的输出端口一；
所述尾端晶闸管VTn+1的阳极连接所述半桥子模块HN的输出端口二、阴极连接所述出线端口Y；
所述J为2、3……n。
所述头端二极管D1的负极与所述进线端口X连接、正极连接第一半桥子模块H1的输出端口二；
所述第J个二极管的负极与第J-1个半桥子模块的输出端口一连接、正极与第J个半桥子模块的输出端口二连接；
第J+1个二极管的负极与第N个半桥子模块的输出端口一连接、负极与出线端口Y连接；
所述J为2、3……n。
所述的功率开关器件可以是IGBT或MOSFET。
本发明的控制方法，按以下步骤进行：
1）、换流器正常运行时，设置初始状态；闭锁所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1的控制极触发信号，且触发所有开关器件Q1, Q2…Qn,Qn+1处于导通状态、半桥子模块的两个开关器件处于互补导通状态；
2）、检测故障信号；当检测到换流器发生直流短路故障时，闭锁所有半桥子模块中开关器件的触发信号，闭锁所有开关器件Q1, Q2…Qn,Qn+1的触发信号；检测故障电流方向，当故障电流为正时，去步骤3）；当故障电流为负时，去步骤4）；
3）、触发所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1处于导通状态，故障电流由进线端口X进入，再流经所有晶闸管和各子模块中的电容，有效的抑制了故障电流，且避免了故障大电流流过功率开关器件；检测故障电流值，当故障电流值为0时，完毕；
4）、闭锁所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1，故障电流由出线端口Y进入，再流经所有二极管和各子模块中的电容，有效的抑制了故障电流，且避免了故障大电流流过功率开关器件；检测故障电流值，当故障电流值为0时，完毕。
本发明运行时，无论故障电流正向还是反向，都可以避免故障期间故障大电流流过功率开关器件及其反向并联二极管，避免故障电流给开关器件带来损坏。因为所有功率开关器件、晶闸管和二极管的耐压一样，都是子模块的电容电压，所以所述子模块拓扑具有很高的模块化特性，更容易配置，且具有一定的级联逻辑关系,更便于实现模块化。故障期间，无论故障电流正向还是反向，所有子模块中的电容都会通过串联的方式投入到MMC桥臂中，来抑制故障电流，因此，所述的一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑具有很强的故障电流抑制能力。
附图说明
图1是本发明的电路原理图，
图2是本发明中子模块的原理图，
图3是本发明针对正向故障电流的工作原理图，
图4是本发明针对反向故障电流的工作原理图，
图5是本发明控制流程图；
图中H1、H2……Hn为半桥子模块，
Usm1、Usm2……Usmn为半桥子模块中电容器，
G11、G12、G21、G22……Gn1、Gn2为半桥子模块中开关器件，
Q1、Q2……Qn、Qn+1为开关器件，
VT1、VT2……VTn、VTn+1为晶闸管，
D1、D2、D3……Dn、Dn+1为二极管，
X为进线端口，Y为出线端口；
图3、4中的箭头方向表达为故障电流方向。
具体实施方式
下面结合附图1-5进一步说明本发明，
如图1所示，本发明包括进线端口X、出线端口Y，在进线端口X和出线端口Y之间串联连接有至少二个半桥子模块，所述半桥子模块具有输入端口、输出端口一和输出端口二，
各所述半桥子模块输入端口的前端设一开关器件，
各所述半桥子模块输出端口一的前端设一晶闸管；
在最后一子模块的后端还并联连接有尾端一晶闸管和尾端开关器件；
两相邻子模块中前端子模块的输出端口一与后端子模块的输出端口二之间连接有一二极管；
在所述进线端口X和第一子模块输出端口二之间连接一头端二极管，所述出线端口和所述最后一子模块的输出端口一之间连接一尾端二极管。
如图2所示，所述半桥子模块由两个功率开关器件和一个电容组成；其中第一个开关器件GJ1的发射极与第二个开关器件GJ2的集电极连接，构成所述半桥子模块的输入端口；
所述第一个开关器件GJ1的集电极与所述电容的正极连接，构成所述半桥子模块的输出端口一；
所述第二个开关器件GJ2的发射极与所述电容负极连接，构成所述半桥子模块的输出端口二；
所述J为1~n。
所述至少二个半桥子模块为N个，依序为H1、H2……Hn；
所述开关器件为N个，依序为Q1、Q2……Qn；所述尾端开关器件为Qn+1；
所述晶闸管为N个，依序为VT1、VT2……VTn；所述尾端为VTN+1；
所述二极管为N-1个，依序为D2、D3……Dn；所述头端二极管为D1，所述尾端二极管为Dn+1。
所述开关器件Q1的发射极连接所述进线端口X、集电极连接所述第一半桥子模块H1的输入端口；
所述第J个开关器件Qj的发射极与第J-1个半桥子模块的输出端口二连接，所述第J个开关器件Qj的集电极与第J个半桥子模块的输入端口连接；
所述尾端开关器件Qn+1的发射极与所述半桥子模块HN的输出端口二连接，所述尾端开关器件QN+1的集电极与所述出线端口Y连接；
所述J为2、3……n。
所述晶闸管VT1的阳极连接所述进线端口X、阴极连接所述第一半桥子模块H1的输出端口一；
第J个晶闸管VTj的阳极与第J-1个半桥子模块的输出端口二连接、阴极连接第J个半桥子模块的输出端口一；
所述尾端晶闸管VTn+1的阳极连接所述半桥子模块HN的输出端口二、阴极连接所述出线端口Y；
所述J为2、3……n。
所述头端二极管D1的负极与所述进线端口X连接、正极连接第一半桥子模块H1的输出端口二；
所述第J个二极管的负极与第J-1个半桥子模块的输出端口一连接、正极与第J个半桥子模块的输出端口二连接；
第J+1个二极管的负极与第N个半桥子模块的输出端口一连接、负极与出线端口Y连接；
所述J为2、3……n。
所述的功率开关器件可以是IGBT或MOSFET。
本发明的控制方法，如图5所示，按以下步骤进行：
1）、换流器正常运行时，设置初始状态；闭锁所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1的控制极触发信号，且触发所有开关器件Q1, Q2…Qn,Qn+1处于导通状态、半桥子模块的两个开关器件处于互补导通状态；
2）、检测故障信号；当检测到换流器发生直流短路故障时，闭锁所有半桥子模块中开关器件的触发信号，闭锁所有开关器件Q1, Q2…Qn,Qn+1的触发信号；检测故障电流方向，当故障电流为正时，去步骤3）；当故障电流为负时，去步骤4）；
3）、触发所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1处于导通状态，故障电流由进线端口X进入，再流经所有晶闸管和各子模块中的电容，有效的抑制了故障电流，且避免了故障大电流流过功率开关器件，如图3所示；检测故障电流值，当故障电流值为0时，完毕；
4）、闭锁所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1，此时，所有晶闸管处于闭锁状态，因此，故障电流由出线端口Y进入，再流经所有二极管和各子模块中的电容，有效的抑制了故障电流，且避免了故障大电流流过功率开关器件，如图4所示；检测故障电流值，当故障电流值为0时，完毕。

Claims (6)

1.一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路，包括进线端口X、出线端口Y，其特征在于，在进线端口X和出线端口Y之间串联连接有n个半桥子模块，依序为H1、H2……Hn；所述半桥子模块具有输入端口、输出端口一和输出端口二；
各所述半桥子模块输入端口的前端设一开关器件，所述开关器件为n个，依序为Q1、Q2……Qn；
各所述半桥子模块输出端口一的前端设一晶闸管；所述晶闸管为n个，依序为VT1、VT2……VTn；
在最后一半桥子模块的后端还并联连接有尾端晶闸管VTn+1和尾端开关器件Qn+1；
两相邻半桥子模块中前端子模块的输出端口一与后端子模块的输出端口二之间连接有一二极管，
在所述进线端口X和第一半桥子模块输出端口二之间连接一头端二极管，所述出线端口和所述最后一半桥子模块的输出端口一之间连接一尾端二极管；
所述开关器件Q1的发射极连接所述进线端口X、集电极连接第一半桥子模块H1的输入端口；
第J个开关器件QJ的发射极与第J-1个半桥子模块的输出端口二连接，所述第J个开关器件QJ的集电极与第J个半桥子模块的输入端口连接；
所述尾端开关器件Qn+1的发射极与半桥子模块Hn的输出端口二连接，所述尾端开关器件Qn+1的集电极与所述出线端口Y连接；
所述晶闸管VT1的阳极连接所述进线端口X、阴极连接第一半桥子模块H1的输出端口一；
第J个晶闸管VTJ的阳极与第J-1个半桥子模块的输出端口二连接、阴极连接第J个半桥子模块的输出端口一；
所述尾端晶闸管VTn+1的阳极连接半桥子模块Hn的输出端口二、阴极连接所述出线端口Y；
J为2、3……n。
2.根据权利要求1所述的一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路，其特征在于，所述依序为H1、H2……Hn 的n个半桥子模块中的任一半桥子模块由两个功率开关器件和一个电容组成；
所述任一半桥子模块中第一个开关器件Gk1的发射极与第二个开关器件Gk2的集电极连接，构成所述半桥子模块的输入端口；
所述任一半桥子模块中所述第一个开关器件Gk1的集电极与所述电容的正极连接，构成所述半桥子模块的输出端口一；
所述第二个开关器件Gk2的发射极与所述电容负极连接，构成所述半桥子模块的输出端口二；
k为半桥子模块序号码，k为1~n。
3.根据权利要求1所述的一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路，其特征在于，所述二极管为n-1个，依序为D2、D3……Dn；所述头端二极管为D1，所述尾端二极管为Dn+1。
4.根据权利要求3所述的一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路，其特征在于，所述头端二极管D1的负极与所述进线端口X连接、正极连接第一半桥子模块H1的输出端口二；
第J个二极管的负极与第J-1个半桥子模块的输出端口一连接、正极与第J个半桥子模块的输出端口二连接；
所述尾端二极管Dn+1的负极与第n个半桥子模块的输出端口一连接、负极与出线端口Y连接；
J为2、3……n。
5.根据权利要求1所述的一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路，其特征在于，所述开关器件是IGBT或MOSFET。
6.一种权利要求1所述新型模块化多电平换流器子模块拓扑电路的控制方法，其特征在于，按以下步骤进行：
1）、换流器正常运行时，设置初始状态；闭锁所有晶闸管VT1, VT2…VTn, VTn+1的控制极触发信号，且触发所有开关器件Q1, Q2…Qn,Qn+1处于导通状态、半桥子模块的两个开关器件处于互补导通状态；
2）、检测故障信号；当检测到换流器发生直流短路故障时，闭锁所有半桥子模块中开关器件的触发信号，闭锁所有开关器件Q1, Q2…Qn,Qn+1的触发信号；检测故障电流方向，当故障电流为正时，去步骤3）；当故障电流为负时，去步骤4）；
3）、触发所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1处于导通状态，故障电流由进线端口X进入，再流经所有晶闸管和各半桥子模块中的电容；检测故障电流值，当故障电流值为0时，完毕；
4）、闭锁所有晶闸管VT1, VT2…VTn,VTn+1，故障电流由出线端口Y进入，再流经所有二极管和各半桥子模块中的电容；检测故障电流值，当故障电流值为0时，完毕。
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