CN110890743B - 具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，包括两个子系统和一个三相工频变压器，每个子系统包括三个相单元，每一个相单元分上、下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，所述子模块拓扑由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连。本发明通过控制开关模块的开断即可实现直流侧短路的故障阻断，同时不会增加损耗。

Description

具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器
技术领域
本发明涉及电力系统输配电技术领域，具体地，涉及一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器。
背景技术
随着可再生能源发电量的提升，可再生能源并网成为了当下一个非常重要的研究方向。
柔性直流输电技术为解决可再生能源并网提供了一种解决思路，具有较强的技术优势。多端直流、直流电网等概念也被提出，并开始运用于实际系统。
直流电网中，经常会存在一些直流直流变换器用于提升直流电压或对电压极性进行反转。在两侧直流电压需要隔离的场合。通常会使用隔离型直流变压器。
直流变压器的结构相对多样，其中有利用模块化多电平换流器工作原理的直流变压器。利用两个模块化多电平换流器通过工频变压器连接，即可实现一种基于模块化多电平换流器的高压大功率直流变压器。
传统的基于模块化多电平换流器的直流变压器采用半桥结构的子模块拓扑，而半桥子模块拓扑由于下管的反并联二极管不受控制脉冲控制，在直流侧发生短路故障时会形成交流侧到直流故障点的续流回路，即使正常侧换流器迅速闭锁，故障侧换流器桥臂电感内储存的能量还是会利用续流二极管形成回路，造成通路中续流二极管的长时间过流。从而容易造成续流二极管的损坏。因此通常在换流器系统中配置含有具有故障阻断能力的子模块。
现有具有故障阻断能力的子模块拓扑普遍存在一个问题，即在变换器正常工作状态下每个子模块中会有一个额外开关器件位于正常的电流路径上，该器件处于常开状态。当出现故障时，该开关器件关断，从而使得电流从另一条路径流通，以实现故障电流阻断或限制的效果。该额外的开关器件将增加系统的导通损耗，从而造成资源的损失。
经检索，中国发明专利申请号：201910726553.8，该专利公开了一种具有故障阻断能力的柔性直流输电DC/DC变换器，所述柔性直流输电DC/DC变换器包括晶闸管串T11、晶闸管串T12、晶闸管串T21、晶闸管串T22、半桥子模块串、电感L，半桥子模块串包括半桥子模块SM1～半桥子模块SMN；晶闸管串T11和T21反向并联，分别与直流低压侧正极和半桥子模块SM1的输入级相连；晶闸管串T12和T22反向并联，分别与直流高压侧正极和半桥子模块SM1输入级相连；半桥子模块SMN的电流输出端与电感L的第一端相连；电感L的第二端同时与直流低压侧负极和直流高压侧负极相连。
但是上述专利存在以下不足：在正常运行状态下，对各个晶闸管的驱动信号必须保持同时性，而且必须得保证各个晶闸管运行时的均压，对于驱动电路和均压电路提出了较高的需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的提供一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，可实现直流侧短路的故障阻断，具有更高的可靠性。
根据本发明的目的，提供一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，包括两个子系统和一个三相工频变压器，每个子系统包括三个相单元，每一个相单元分上、下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同；上、下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂连接处外接所述三相工频变压器绕组，各子系统每相上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出端子与该子系统直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与该子系统直流母线负极相连；
每个桥臂中，所述子模块由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，其中：
所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连；
所述四个电容中，第一个电容的正极与所述第一开关模块的正极相连；所述第一个电容的负极与第二个电容的正极相连；所述第二个电容的负极与所述第二开关模块的负极相连；第三个电容的正极与所述第三开关模块的正极相连；所述第三个电容的负极与第四个电容的正极相连，所述第四个电容的负极与所述第四开关模块的负极相连；
所述两个续流二极管中，第一个续流二极管的正极与所述第一个电容的负极相连，所述第一个续流二极管的负极与所述第四开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的正极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的负极与所述第三个电容的负极相连；
所述第一开关模块的负极和所述第二开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第一个输出端子；所述第三开关模块的负极和所述第四开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第二个输出端子。
可选地，所述第一个输出端子连接第一个半桥结构的输出口和第二续流二极管的阴极，所述第二个输出端子连接第二个半桥结构的输出口和第一续流二极管的阳极。
可选地，所述第一开关模块、所述第四开关模块均由一个绝缘栅双极晶体管和一个二极管反并联组成。
可选地，所述第二开关模块、所述第三开关模块均为逆阻型开关模块。进一步的，所述第二开关模块由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管组成；所述第三开关模块由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。
可选地，正常工作情况下，所述第二开关模块的负极接第一个输出端子的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管以及第三开关模块的正极接第二个输出端子的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管保持导通状态；所述两个续流二极管由于承受反压保持关断状态，不加入电路，从而不产生导通损耗。
可选地，在直流输电系统中，当检测到某一侧子系统直流侧发生双极短路故障，立即关断系统中所有全控开关，即实现该侧系统的故障阻断；所述全控开关包括所述第一开关模块、所述第四开关模块中的绝缘栅双极晶体管，以及，所述第二开关模块、所述第三开关模块中的逆阻型绝缘栅双极晶体管。
可选地，当故障为任意侧直流永久性故障时：关断所述变压器内所有子模块的全控开关；切断电流后，断开直流侧闸刀，故障修复后，使两侧换流器运行于零有功给定的条件下，观察是否仍会出现直流侧过流现象，若未出现直流侧过流，则认为故障已经排除，可以闭合交流侧断路器恢复系统运行。
可选地，当故障为任意侧直流暂时性故障时：关断所有全控开关；等待直流侧电流归零，电流归零后，达到设定时间时，令系统运行于零有功给定的条件下，观察是否仍会出现直流侧过流现象，若未出现直流侧过流，则认为故障已经排除，可以恢复系统运行。
可选地，当一侧子系统需要从交流侧启动时：
先由交流侧不控整流充电启动，待子模块所有电容电压达到对应额定值的30％后，进入可控整流模式；再待电容电压达到额定值后，进入正常工作状态。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明上述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，在正常状态下，该拓扑与基于传统半桥子模块的模块化多电平直流变压器具有相同的导通元件数量，因而也具有相近的导通损耗。
本发明上述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，采用模块化结构，各模块的工作相对独立，不需要同时触发，且单一模块出现故障后可以旁路，相较之下，具有更高的可靠性。
本发明上述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，通过控制开关模块的状态，能够实现两边直流侧各自短路故障情况下的故障隔离，隔离速度快。
本发明上述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，在故障时能保持子模块电容电压，恢复供电速度快。
本发明上述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，任意侧子系统交流侧启动过程与基于传统半桥的模块化多电平直流变压器系统相似，控制简单。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器原理图；
图2为本发明一实施例中的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器子模块拓扑结构；
图3为本发明一实施例中的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器子模块在直流故障下经开关管控制后的等效电路图；
图4为本发明一实施例中的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器的一端交流侧启动策略流程图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这都属于本发明的保护范围。
图1为本发明一实施例中具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器原理图。图中，模块化多电平直流变压器包括两个子系统和一个三相工频变压器Transformer1，每个子系统包括三个相单元，每一个相单元分上、下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同；上、下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂连接处外接所述三相工频变压器绕组，各子系统每相上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出端子与该子系统直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与该子系统直流母线负极相连。
图2为本发明一实施例中的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器子模块拓扑结构。参照图2所示，多电平直流直流变换器中每个桥臂的子模块由两个半桥结构、四个电容C1～C4和两个续流二极管D3～D4组成。
两个半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块、第二开关模块；第一开关模块T1的负极与第二开关模块的正极相连。第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；第三开关模块的负极与第四开关模块的正极相连；第三开关模块的正极与第二开关模块的负极相连。具体的，参照图2所示，第一开关模块由一个绝缘栅双极晶体管T1和一个二极管D1反并联组成；第四开关模块由一个绝缘栅双极晶体管T2和一个二极管D2反并联组成；第二开关模块为逆阻型开关模块，由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管TR2组成，第三开关模块为逆阻型开关模块，由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管TR3和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管TR4组成。
四个电容中，第一个电容C1的正极与第一开关模块T1的正极相连；第一个电容C1的负极与第二个电容C2的正极相连；第二个电容C2的负极与第二开关模块的负极相连；第三个电容C3的正极与第三开关模块的正极相连；第三个电容C3的负极与第四个电容C4的正极相连；第四个电容C4的负极与第四开关模块的负极相连；第一个续流二极管正极D3与第一个电容C1的负极相连；第一个续流二极管D3的负极与第四开关模块正极相连；第二个续流二极管D4的正极与第二开关模块正极相连；第二个续流二极管D4负极与第三个电容C3的负极相连。
上述实施例的多电平换流器子模块，第一开关模块的负极和第二开关模块正极之间的节点为第一个输出端子1；第三开关模块负极和第四开关模块正极之间的节点作为第二个输出端子2。其中第一个输出端子1连接一个半桥结构的输出口和第二续流二极管D4的阴极，第二个输出端子2连接另一个半桥结构的输出口和第一续流二极管D3的阳极。
上述子模块在直流侧正常工况下，第二开关模块、第三开关模块中TR2和TR4管处于常通状态，等效于TR1和TR3的反并联二极管，整个模块等效于两个半桥模块串联，因此可输出0，VC，2VC三种电平。正常工况下，续流二极管D3和D4由于至少承受幅值为0.5VC的反向电压，处于关断状态，因此不会产生损耗。
在正常工况下，该子模块产生3种电平时电流均只通过2个半导体开关器件，与两个串联的半桥模块的在正常工作时，电流流过的开关器件数目相同。由已有器件的数据手册分析可以得出，该新提出的子模块具备低于所有现有具备故障阻断能力的子模块的导通损耗。
参照图1、图2所示，模块化多电平直流变压器结构，每个桥臂的每个子模块均由图2所示的所提子模块组成。模块化多电平直流变压器整体由两个模块化多电平换流器(子系统)组成。
图3为本发明一实施例中的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器子模块在直流故障下经开关管控制后的等效电路图。当一侧直流侧发生短路故障后，封锁所有可控开关之后，一侧模块化多电平换流器系统的等效电路。在直流输电系统中，当检测到某一侧子系统直流侧发生双极短路故障，立即关断系统中所有全控开关，全控开关具体包括第一、第四开关模块中的绝缘栅双极晶体管，第二、第三开关模块中的逆阻型绝缘栅双极晶体管，即可实现该侧系统的故障阻断。
进一步的，当故障为任意侧直流永久性故障时，具体过程为：关断直流变压器系统内所有子模块的全控开关；切断电流后，断开直流侧闸刀，故障修复后，使两侧换流器运行于零有功给定的条件下，观察是否仍会出现直流侧过流现象，若未出现直流侧过流，则认为故障已经排除，可以闭合交流侧断路器恢复系统运行。
当故障为任意侧直流暂时性故障时，具体过程为：关断所有全控开关，包括第一、第二绝缘栅双极晶体管，第一、第二、第三和第四逆阻型绝缘栅双极晶体管，等待直流侧电流归零，电流归零后，达到特定时间时，令系统运行于零有功给定的条件下，观察是否仍会出现直流侧过流现象，若未出现直流侧过流，则认为故障已经排除，可以恢复系统运行。
由图中可以看出，无论是电流路径为1还是2，电流都将流经电容，从而可以使电流迅速衰减至0，使得开关管只需承受较短时间的过流。从而起到保护系统的作用。
图4为本发明一实施例中的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器的一端交流侧启动策略流程图，当一侧子系统需要从交流侧启动时，可以先由交流侧不控整流充电启动，待电容电压达到合适值后，进入可控整流模式；再待电容电压达到额定值后，进入正常工作状态。由于系统中所有模块结构相同，故在可控整流开始阶段无需进行分组操作，控制简单。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，包括两个子系统和一个三相工频变压器，每个子系统包括三个相单元，每一个相单元分上、下桥臂，其特征在于：每个桥臂包括若干个串联的子模块，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同；每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上、下桥臂连接处外接三相工频变压器绕组，各子系统每相上桥臂最上面子模块的第一个输出端子与该子系统直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与该子系统直流母线负极相连；
每个桥臂中，所述子模块由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，其中：
所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连；所述第二开关模块和所述第三开关模块为逆阻型开关模块；
所述四个电容中，第一个电容的正极与所述第一开关模块的正极相连；所述第一个电容的负极与第二个电容的正极相连；所述第二个电容的负极与所述第二开关模块的负极相连；第三个电容的正极与所述第三开关模块的正极相连；所述第三个电容的负极与第四个电容的正极相连，所述第四个电容的负极与所述第四开关模块的负极相连；
所述两个续流二极管中，第一个续流二极管的负极与所述第一个电容的负极相连，所述第一个续流二极管的正极与所述第四开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的正极与所述第三个电容的负极相连；
所述第一开关模块的负极和所述第二开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第一个输出端子；所述第三开关模块的负极和所述第四开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第二个输出端子。
2.根据权利要求1所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：所述第一个输出端子连接第一个半桥结构的输出口和第二续流二极管的阴极，所述第二个输出端子连接第二个半桥结构的输出口和第一续流二极管的阳极。
3.根据权利要求1所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：所述第一开关模块、所述第四开关模块均由一个绝缘栅双极晶体管和一个二极管反并联组成。
4.根据权利要求1所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：所述第二开关模块由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管组成；
所述第三开关模块由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。
5.根据权利要求4所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：正常工作情况下，所述第二开关模块的负极接第一个输出端子的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管以及第三开关模块的正极接第二个输出端子的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管保持导通状态；所述两个续流二极管由于承受反压保持关断状态，不加入电路，从而不产生导通损耗。
6.根据权利要求4所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：在直流输电系统中，当检测到某一侧子系统直流侧发生双极短路故障，立即关断系统中所有全控开关，即实现该侧系统的故障阻断；所述全控开关包括所述第一开关模块、所述第四开关模块中的绝缘栅双极晶体管，以及，所述第二开关模块、所述第三开关模块中的逆阻型绝缘栅双极晶体管。
7.根据权利要求6所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：当故障为任意侧直流永久性故障时：
关断所述变压器内所有子模块的全控开关；
切断电流后，断开直流侧闸刀，故障修复后，使两侧换流器运行于零有功给定的条件下，观察是否仍会出现直流侧过流现象，若未出现直流侧过流，则认为故障已经排除，可以闭合交流侧断路器恢复系统运行。
8.根据权利要求6所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：当故障为任意侧直流暂时性故障时:
关断所有全控开关；
等待直流侧电流归零，电流归零后，达到设定时间时，令系统运行于零有功给定的条件下，观察是否仍会出现直流侧过流现象，若未出现直流侧过流，则认为故障已经排除，可以恢复系统运行。
9.根据权利要求1-8任一项所述的具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平直流变压器，其特征在于：当一侧子系统需要从交流侧启动时：
先由交流侧不控整流充电启动，待子模块所有电容电压达到对应额定值的30％后，进入可控整流模式；再待电容电压达到额定值后，进入正常工作状态。
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