CN110829867A

CN110829867A - 一种具有故障电流对称清除能力的新型mmc子模块拓扑

Info

Publication number: CN110829867A
Application number: CN201911100494.XA
Authority: CN
Inventors: 王毅; 陶建业; 许同; 魏晓光; 王新颖
Original assignee: Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd; North China Electric Power University Baoding
Current assignee: Global Energy Interconnection Research Institute Co Ltd; North China Electric Power University Baoding
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本发明公开了一种具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，所述拓扑包括第一和第二双向开关及第一和第二电容；第一和第二电容以串联的形式相联；第一双向开关的一端连接全桥子模块的进线端，另一端连接第一电容的负极；第二双向开关的一端连接第一电容的负极，另一端连接全桥子模块的出线端。本发明提出的双向开关钳位式全桥子模块(BCFSM)，其具有单位电平输出所需IGBT数量少、模块内电压平衡控制简单、故障电流清除能力对称的优点，有利于故障电流的快速清除和故障后系统的快速恢复。

Description

一种具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑。

背景技术

随着分布式能源与直流输电技术的迅速发展，各种换流方式被陆续提出。模块化多电平换流器(MMC)因其可拓展性好、谐波含量少、传输效率高、控制灵活等优点而得到广泛关注。

为了应对架空直流输电线路经常出现的瞬时性故障，当今可供选择的解决方法主要有以下三种：使用交流断路器、使用直流断路器和使用具有故障电流清除能力的新型子模块。交流断路器因系统恢复运行时间长而不能很好地应对瞬时性故障，直流断路器因其技术不成熟还无法用于大故障电流的切除。因此国内外学者对具有故障电流清除能力的新型子模块进行了大量的研究，提出了许多新的子模块拓扑方案。

现有的具备故障电流清除能力的子模块可大致分为器件反向阻断型和电容反压阻断型两类。其中电容反压阻断性型又可分为单电容子模块与双电容子模块两类。单电容子模块是在半桥的基础上附加了器件使其具备了故障电流清除能力，如全桥子模块(FBSM)、二极管钳位子模块(DCSM)、类全桥子模块(SFBSM)、单钳位子模块(CSSM)和具有双向开关的二极管钳位子模块(DCBSSM)等。单电容子模块单位电平输出所需IGBT数量一定会大于2，数量最少的DCSM也需要2.5个。双电容子模块是在两个半桥或一个半桥加一个全桥的基础上附加器件后得到的，如二极管钳位双子模块(DCDSM)、钳位双子模块(CDSM)、增强型混合子模块(EHSM)、混合子模块(Hybrid MMC)、二极管钳位多电平子模块(DCMSM)、不对称双子模块(ADCC)、五电平交叉连接子模块(FLCSM)和串联双子模块(SDSM)等。它们在闭锁后大多不具备故障电流对称清除能力，即电流正向时的阻断电压为+2Uc，反向时的阻断电压为-Uc。为了节省投资一般将具有故障电流清除能力的子模块(非半桥子模块)与半桥子模块混合(如全桥-半桥混合子模块)构成桥臂，当非半桥子模块的故障电流清除能力不对称时，它在桥臂中的数量要比对称时高一倍。

说明书附图1所示为现有的单电容子模块拓扑的结构图。说明书附图2所示为现有的双电容子模块拓扑的结构图。

表1对现有MMC子模块拓扑的器件数目与故障电流清除能力进行了对比。

表1现有MMC子模块拓扑

从器件使用数量和故障电流清除能力方面看，现有的拓扑中表现较好的单电容子模块是单钳位子模块(CSSM)和类全桥子模块(SFBSM)，表现较好的双电容子模块是串联双子模块(SDSM)。三者都具备故障电流对称清除能力，单位电平输出所需的IGBT数量分别为3个、3个和2.5个。因为同等耐压能力的IGBT比二极管的造价高的多，所以子模块单位电平输出所需的IGBT数量更加重要。

现有拓扑或多或少都有一些弊端。DCSM、DCDSM、CDSM、EHSM、ADCC、DCMSM、HybridMMC在闭锁过程中不具备故障电流对称清除能力。FBSM和FLCSM的单位电平输出所需的IGBT数量较多，子模块造价和运行损耗较高。ADCC和DCMSM不能单独输出两个电容的电压，模块内的电容电压平衡控制更加复杂。

因此希望有一种具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑能够解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了一种具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑,所述拓扑包括第一和第二双向开关及第一和第二电容；第一和第二电容以串联的形式相联；第一双向开关的一端连接全桥子模块的进线端，另一端连接第一电容的负极；第二双向开关的一端连接第一电容的负极，另一端连接全桥子模块的出线端。

优选地，所述第一双向开关包括第三开关和第五、第六、第七及第八二极管；所述第二双向开关包括第四开关和第九、第十、第十一及第十二二极管。

优选地,当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关断开和第四开关闭合时，输出所述第一电容的电压；当电流方向为正时，电流依次通过第一二极管、第一电容、第九二极管、第四开关和第十二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第十二极管、第四开关、第十一二极管、第一电容和第一开关。

优选地,当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关闭合和第四开关断开时，输出所述第二电容的电压；当电流方向为正时，电流依次通过第五二极管、第三开关、第八二极管、第二电容和第二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第二开关、第二电容、第六二极管、第三开关和第七二极管。

优选地,当所述第一开关闭合，第二开关闭合，第三开关断开和第四开关断开时，输出所述第一电容和第二电容的电压之和；当电流方向为正时，电流依次通过第一二极管、第一电容、第二电容和第二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第二开关、第二电容、第一电容和第一开关。

优选地，当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关闭合和第四开关闭合时，输出电压为零；当电流方向为正时，电流依次通过第五二极管、第三开关、第八二极管、第九二极管、第四开关和第十二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第十二极管、第四开关、第十一二极管、第六二极管、第三开关和第七二极管。

优选地,当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开时，子模块闭锁，当电流方向为正时，电流依次通过第一二极管、第一电容、第二电容和第二二极管，输出电压为2Uc；当电流方向为负时，电流依次通过第三二极管、第一电容、第二电容和第四二极管，输出电压为-2Uc；在子模块闭锁状态下有对称的故障电流清除能力，故障电流同时对第一电容和第二电容进行充电，子模块闭锁状态下电容电压平衡。

本发明提出了一种具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，本发明具有单位电平输出所需IGBT数量少、模块内电压平衡控制简单、故障电流清除能力对称的优点，有利于故障电流的快速清除和故障后系统的快速恢复，本发明的有益效果包括：

1、提出了双向开关钳位式全桥子模块(BCFSM)，其单位电平输出所需的IGBT仅为2，与半桥子模块相等，比现有的具备故障电流清除能力的拓扑都少。单位电平输出所需的二极管为7，考虑到二极管的造价大大低于IGBT，所以不会对子模块的造价产生太大影响。

2、BCFSM可单独输出电容C1或C2的电压，采用传统的电容电压排序即可实现电容电压的平衡，简化了电容电压平衡的控制难度。

3、BCFSM继承了全桥子模块的优点，闭锁过程中具有故障电流对称清除能力，能够实现故障电流清除过程中电容电压均衡的功能，有利于故障后系统的快速恢复。

附图说明

图1为单电容子模块结构示意图。

图2为双电容子模块结构示意图。

图3为双向开关钳位式全桥子模块结构示意图。

图4为交流侧电压波形图。

图5为直流侧电流波形图。

图6为双向开关钳位式全桥子模块a相上桥臂电容电压波形图。

图7为双向开关钳位式全桥子模块在闭锁状态下的电容电压波形图。

图8为增强型混合子模块在闭锁状态下的电容电压波形图。

图9为双向开关钳位式全桥子模块在正常工作状态下的电流通路图。

图10为双向开关钳位式全桥子模块在闭锁状态下的电流通路图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图3所示，双向开关钳位式全桥子模块对传统的全桥子模块进行改进，增加了一个电容、两个双向开关，省去了两个IGBT。两个电容以串联的形式相联，每个电容的电压为Uc，省去了全桥子模块的T2和T3。其中一个双向开关的一端连接到全桥的进线端，另一端连接到电容C1的负极(同时是电容C2的正极)；另一个双向开关的一端连接到电容C1的负极(同时是电容C2的正极)，另一端连接到全桥的出线端。

1.使用Matlab/simulink搭建21电平单端MMC-HVDC系统，对BCFSM的正常工作状态和闭锁状态进行仿真。

设置0.798s时发生了双极短路故障，0.8s时所有子模块闭锁。从图4中可以看到，正常运行时在交流侧产生21电平的阶梯波。图5表示的是直流侧电流的波形。0.798s时发生双极短路故障，直流侧电流迅速升高，0.8s时所有子模块闭锁，直流侧电流在1.5ms左右的时间内降到0。实验波形证明BCFSM在正常工作时能够实现可靠换流，闭锁后拥有故障电流清除能力。

BCFSM包含4个IGBT，单位电平输出需要的IGBT仅为两个。与表1中的其他子模块相比，BCFSM单位电平输出需要的IGBT数目最少，考虑到二极管的成本远远低于IGBT，所以BCFSM的经济性比表1中具备故障电流清除能力的拓扑都要好。

2.二极管钳位多电平子模块(DCMSM)不能单独输出电容C1的电压、不对称双子模块(ADCC)不能单独输出电容C2的电压，因此需要添加子模块内的电压平衡控制，增加了电容电压平衡的控制难度。BCFSM可单独输出电容C1和C2的电压，采用传统的基于排序算法的电容电压平衡控制就可以实现BCFSM模块内和模块间的电容电压平衡，简化了控制难度。如图6所示，a相上桥臂的电容电压平衡效果好，电容电压稳定在1000V附近。

3.BCFSM在闭锁状态下拥有故障电流对称清除能力，故障电流在正反向时对C1和C2两个电容同时充电。图7显示了全部子模块为BCFSM时，闭锁状态下的电容电压波形。0.8s时闭锁全部子模块，电容电压平衡情况较好。

图8显示了全部子模块为EHSM时，闭锁状态下的电容电压波形。因为EHSM不具备故障电流对称清除能力，所以闭锁状态下电流反向时仅对C1进行充电。0.8s时闭锁全部子模块，电容电压平衡情况较BCFSM差的多。

表2给出了BCFSM的开关状态，把T1和T3分为一组，T2和T4分为一组。两组开关管可以分别控制电容C1和C2的投切，采用传统的电容电压排序控制策略即可实现电容电压平衡。

表2 BCFSM的开关状态

状态	T1	T2	T3	T4	正向电流输出	反向电流输出
							1	1	0	0	1	U<sub>C1</sub>	U<sub>C1</sub>
2	0	1	1	0	U<sub>C2</sub>	U<sub>C2</sub>
							3	1	1	0	0	U<sub>C1</sub>+U<sub>C2</sub>	U<sub>C1</sub>+U<sub>C2</sub>
4	0	0	1	1	0	0
							5	0	0	0	0	U<sub>C1</sub>+U<sub>C2</sub>	-(U<sub>C1</sub>+U<sub>C2</sub>)

如图9(a)(b)所示，当开关状态为1001时，输出电容C1的电压。当电流方向为正时，电流通路为D1→C1→D9→T4→D12；当电流方向为负时，电流通路为D10→T4→D11→C1→T1。

如图9(c)(d)所示，当开关状态为0110时，输出电容C2的电压。当电流方向为正时，电流通路为D5→T3→D8→C2→D2；当电流方向为负时，电流通路为T2→C2→D6→T3→D7。

如图9(e)(f)所示，当开关状态为1100时，输出电容C1与C2电压之和。当电流方向为正时，电流通路为D1→C1→C2→D2；当电流方向为负时，电流通路为T2→C2→C1→T1。

如图9(g)(h)所示，当开关状态为0011时，输出电压为0。当电流方向为正时，电流通路为D5→T3→D8→D9→T4→D12；当电流方向为负时，电流通路为D10→T4→D11→D6→T3→D7。

如图10(a)(b)所示，当闭锁状态下电流方向为正时，电流的通路为D1→C1→C2→D2，输出电压为2Uc；当闭锁状态下电流方向为负时，电流的通路为D3→C1→C2→D4，输出电压为-2Uc。在闭锁状态下拥有对称的故障电流清除能力，故障电流可同时对C1和C2进行充电，所以闭锁状态下电容电压依然平衡。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于，所述拓扑包括第一和第二双向开关及第一和第二电容；第一和第二电容以串联的形式相联；第一双向开关的一端连接全桥子模块的进线端，另一端连接第一电容的负极；第二双向开关的一端连接第一电容的负极，另一端连接全桥子模块的出线端。

2.根据权利要求1所述的具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于：所述第一双向开关包括第三开关和第五、第六、第七及第八二极管；所述第二双向开关包括第四开关和第九、第十、第十一及第十二二极管。

3.根据权利要求2所述的具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关断开和第四开关闭合时，输出所述第一电容的电压；当电流方向为正时，电流依次通过第一二极管、第一电容、第九二极管、第四开关和第十二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第十二极管、第四开关、第十一二极管、第一电容和第一开关。

4.根据权利要求2所述的具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关闭合和第四开关断开时，输出所述第二电容的电压；当电流方向为正时，电流依次通过第五二极管、第三开关、第八二极管、第二电容和第二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第二开关、第二电容、第六二极管、第三开关和第七二极管。

5.根据权利要求2所述的具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关闭合，第二开关闭合，第三开关断开和第四开关断开时，输出所述第一电容和第二电容的电压之和；当电流方向为正时，电流依次通过第一二极管、第一电容、第二电容和第二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第二开关、第二电容、第一电容和第一开关。

6.根据权利要求2所述的具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关闭合和第四开关闭合时，输出电压为零；当电流方向为正时，电流依次通过第五二极管、第三开关、第八二极管、第九二极管、第四开关和第十二二极管；当电流方向为负时，电流依次通过第十二极管、第四开关、第十一二极管、第六二极管、第三开关和第七二极管。

7.根据权利要求1所述的具有故障电流对称清除能力的新型MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开时，子模块闭锁，当电流方向为正时，电流依次通过第一二极管、第一电容、第二电容和第二二极管，输出电压为2Uc；当电流方向为负时，电流依次通过第三二极管、第一电容、第二电容和第四二极管，输出电压为-2Uc；在子模块闭锁状态下有对称的故障电流清除能力，故障电流同时对第一电容和第二电容进行充电，子模块闭锁状态下电容电压平衡。