CN110994560A - 一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，所述换流器包括三个相单元，每一个单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，子模块由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，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；第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连，第二开关模块的负极与第三开关模块的正极相连，第三开关模块的负极与第四开关模块的正极相连；利用逆阻型绝缘栅双极晶体管性质，在发生直流侧极间短路故障时，关断逆阻型绝缘栅双极晶体管组成的双向开关，阻断故障回路。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

一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法
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换流器的故障穿越方法。
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。其中利用模块化多电平换流器的柔性直流输电技术相比传统的两电平、三电平换流器具有更好的可维护性、拓展性，且不存在开关管串联均压、并联均流问题。模块化多电平换流器的每个子模块的结构相对简单，控制容易，且由于模块化易于拓展的特性使之特别适合与高压直流输电领域。模块化多电平换流器输出的电平数可以通过调整桥臂中子模块的数目进行调整，直流侧的电压也可以通过调整每相子模块的数目进行控制，这样模块化多电平换流器构成的系统的电压等级和输出的谐波含量都可以得到有效的控制。
传统的模块化多电平换流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，从而将短路故障传递到交流侧，对电网稳定性造成影响。所以需要通过直流、交流断路器或其他方式阻断故障电流。然而，直流断路器目前暂无成熟的技术，且造价过于昂贵；交流断路器需要较长的响应时间，在交流断路器断开前需要换流阀器件承受较大的电流应力，极易造成器件的损坏。故需要一种子模块拓扑，对这种子模块进行控制即可阻断直流侧故障。
现有具有故障阻断能力的子模块拓扑普遍存在一个问题，即在换流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。现有故障穿越方式几乎全部基于该额外的开关器件的控制，从而无法降低系统的导通损耗。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的提供一种基于具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平换流器故障穿越方法，无需额外的开关器件即可实现直流侧短路的故障阻断，进而实现故障穿越。
根据本发明的第一方面，提供一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，所述换流器包括三个相单元，每一个单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，所述子模块由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，其中：
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；
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；
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；
所述故障穿越方法包括：
利用所述逆阻型绝缘栅双极晶体管性质，在发生直流侧极间短路故障时，关断所述逆阻型绝缘栅双极晶体管组成的双向开关，阻断故障回路，从而使得故障电流经过所述电容，继而利用电容电压和子模块中的二极管的反向阻断性质来阻断故障电流。此处二极管是指对应的子模块的续流通路中包含的器件，这些器件在直流侧故障发生时进行桥臂电感电流的续流，在电感电流过零后，又因为各子模块的电容电压串联后大于交流侧线电压而承受反压完成关断。
可选地，当检测到直流侧发生双极短路故障时：
关断所述子模块中的第一开关模块～第四开关模块中所有全控开关，从而利用所述子模块的电容电压使续流二极管承受反压，从而关断；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，当发生的故障为直流侧永久性故障时：
利用所述续流二极管反压关断特性阻断故障电流之后，断开交流侧断路器，再断开直流侧开关；
故障修复后，闭合直流侧开关，若未过流则对所述逆阻型绝缘栅双极晶体管施加触发脉冲，之后系统进入有功给定为零的状态，若不出现直流侧过流，则可进行交流侧重合闸，之后恢复正常运行状态；
若出现直流侧过流，则再次封锁所述第一开关模块～所述第四开关模块中所有全控开关脉冲。
可选地，当发生的故障为直流侧暂时性故障时：
利用所述续流二极管反压关断特性阻断故障电流之后，达到设定时间后，对所述逆阻型绝缘栅双极晶体管施加触发脉冲，之后换流器进入有功给定为零的运行状态；
若未出现直流侧短路情况，则证明暂时性故障已清除，将换流器有功给定软起动；若仍出现短路情况，说明直流侧暂时性故障还未清除，重新闭锁脉冲，并定时重启动，直到重启动成功为止；
若重启动超过三次，则认为是发生了永久性故障。
可选地，所述换流器中，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同。
可选地，所述换流器中，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三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出端子与直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与直流母线负极相连。
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，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。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明上述的低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，无需额外的开关器件，通过控制逆阻型绝缘栅双极晶体管的开断即可实现直流侧短路的故障阻断，进而实现故障穿越。
本发明上述的低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，通过控制开关模块和续流二极管的状态，能够实现直流故障情况下的故障隔离，隔离速度快。
本发明上述的低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，在故障时能保持子模块电容电压，恢复供电速度快。
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为本发明一实施例方法中低损耗模块化多电平换流器原理图；
图2为本发明一实施例方法中低损耗模块化多电平换流器的子模块拓扑结构；
图3为本发明一实施例方法中低损耗模块化多电平换流器的子模块在直流故障下经开关管控制后的等效电路图。
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。
参照图1-3所示，本发明实施例中提供一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，该方法利用逆阻型绝缘栅双极晶体管性质，在发生直流侧极间短路故障时，关断逆阻型绝缘栅双极晶体管组成的双向开关，阻断故障回路，从而使得故障电流经过电容，继而利用电容电压和模块中的二极管的反向阻断性质来阻断故障电流。由于逆阻型绝缘栅双极晶体管的导通压降小于串联的同电压等级的绝缘栅双极晶体管和二极管的总导通压降，因此，相对传统混合桥电路，可以使得系统整体的导通压降更小，在多模块系统中。系统损耗主要取决于导通损耗，因此系统具有更高的效率。
具体的，上述低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法适用的低损耗模块化多电平换流器如图1-2所示。图1是一种三相模块化多电平换流器结构，其中每个桥臂的每个子模块均由图2所示的子模块组成。该换流器无需依靠额外的开关器件，在具备故障阻断能力的同时，具有低损耗的特点，可实现直流侧短路的故障阻断。
参照图1所示，低损耗模块化多电平换流器包括三个相单元，每一个单元分上下桥臂，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三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出端子与直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与直流母线负极相连。
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，第三开关模块也为逆阻型开关模块，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。
图3为本发明一实施例方法中低损耗模块化多电平换流器的子模块在直流故障下经开关管控制后的等效电路图。图3是当直流侧发生故障后，封锁所有可控开关之后，系统的等效电路。当电流从第一个输出端子1流入时，该子模块等效于两个二极管和四个电容串联；当电流从第二个输出端子2流入时，该子模块相当于两个二极管和两个电容串联。
当检测到直流侧发生双极短路故障，立即关断子模块中的所有全控开关(全控开关包括绝缘栅双极晶体管T1和T2，逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1～TR4)，从而利用系统内子模块电容电压使续流二极管承受反压，从而关断。具体的，当发生直流双极短路故障后，由于直流侧电压低于每个相单元中所有子模块电容电压的串联，故电流方向应为从2端流入。图3中标注出了该模块化多电平换流器系统的一条电流通路。故障电流的路径为D3->C1->C2->D4。设直流侧电压额定值为Vdc，系统调制比为m，二极管D3两端的电压为VD3，二极管D4两端的电压为VD4，各桥臂均有N个子模块，每个独立电容的电压为0.5VC，电网每相电压的峰值为Vgm。可以由模块化多电平换流器运行特点得出：
Vdc＝N·4·0.5VC＝2NVC
Figure BDA0002288200570000071
故障态时，取图3所示的电流路径，可得：
Figure BDA0002288200570000072
VAB＝2N·2·0.5VC+2N·(VD3+VD4)
由此可得：
Figure BDA0002288200570000073
而通常情况下有调制比m不大于1，故：
VD3+VD4＜0
即两个续流二极管处于反向偏置状态，电流会被阻断。
之后，根据故障情况确定是否需要断开交流断路器和直流侧开关。若需要进行直流侧电路检修，则需要在检修前断开直流侧开关和交流侧断路器，检修完成后闭合直流侧开关，使系统于零有功指令下开始工作，若不出现过流，则可进行交流侧重合闸操作，从而实现故障穿越。
当发生的故障为直流侧暂时性故障时，不需要断开直流侧和交流侧开关，利用续流二极管反压关断特性阻断故障电流之后，等待一个设定重启动时间。达到设定时间后，对逆阻型绝缘栅双极晶体管施加触发脉冲，之后换流器系统进入有功给定为零的运行状态，若未出现直流侧短路情况，则证明暂时性故障已清除，可将换流器有功给定软起动；若仍出现短路情况，说明直流侧暂时性故障还未清除，重新闭锁TR1、TR2、TR3、TR4脉冲，并定时重启动，直到重启动成功为止。若重启动次数超过三次，也可认为是发生了永久性故障，可以断开开关进行检修。
当发生的故障为直流侧永久性故障时，利用续流二极管反压关断特性阻断故障电流之后，断开交流侧断路器，再断开直流侧开关。进行检修，故障修复后，闭合直流侧开关，若未过流则可对逆阻型绝缘栅双极晶体管施加触发脉冲，之后系统进入有功给定为零的状态，若不出现直流侧过流，则可进行交流侧重合闸，之后恢复正常运行状态；若出现直流侧过流，则再次封锁所有全控开关脉冲。
本发明上述实施例提出一种新型的低导通损耗的换流器故障穿越方法，无需依靠外部开关器件，控制换流器的逆阻型绝缘栅双极晶体管，即可实现直流侧短路的故障阻断，同时，可以实现相对传统双向开关更低的导通损耗。
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)

1.一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，其特征在于：
所述换流器包括三个相单元，每一个单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，所述子模块由两个半桥结构、四个电容和两个续流二极管组成，其中：
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；
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；
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；
所述故障穿越方法包括：
利用所述逆阻型绝缘栅双极晶体管性质，在发生直流侧极间短路故障时，关断所述逆阻型绝缘栅双极晶体管组成的双向开关，阻断故障回路，从而使得故障电流经过所述电容，继而利用电容电压和子模块中的二极管的反向阻断性质来阻断故障电流。
2.根据权利要求1所述的低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，其特征在于：当检测到直流侧发生双极短路故障时：
关断所述子模块中的第一开关模块～第四开关模块中所有全控开关，从而利用所述子模块的电容电压使续流二极管承受反压，从而关断；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。
3.根据权利要求1所述的低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，其特征在于：当发生的故障为直流侧永久性故障时：
利用所述续流二极管反压关断特性阻断故障电流之后，断开交流侧断路器，再断开直流侧开关；
故障修复后，闭合直流侧开关，若未过流则对所述逆阻型绝缘栅双极晶体管施加触发脉冲，之后系统进入有功给定为零的状态，若不出现直流侧过流，则可进行交流侧重合闸，之后恢复正常运行状态；
若出现直流侧过流，则再次封锁所述第一开关模块～所述第四开关模块中所有全控开关脉冲。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，其特征在于：当发生的故障为直流侧暂时性故障时：
利用所述续流二极管反压关断特性阻断故障电流之后，达到设定时间后，对所述逆阻型绝缘栅双极晶体管施加触发脉冲，之后换流器进入有功给定为零的运行状态；
若未出现直流侧短路情况，则证明暂时性故障已清除，将换流器有功给定软起动；若仍出现短路情况，说明直流侧暂时性故障还未清除，重新闭锁脉冲，并定时重启动，直到重启动成功为止；
若重启动超过三次，则认为是发生了永久性故障。
5.根据权利要求1所述的一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，其特征在于：所述换流器中，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同。
6.根据权利要求5所述的一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，其特征在于：所述换流器中，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三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出端子与直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与直流母线负极相连。
7.根据权利要求6所述的一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，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。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，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。
9.根据权利要求1-6任一项所述的一种低损耗模块化多电平换流器故障穿越方法，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。
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