CN112350603A - 一种具有直流故障自清除能力的改进电容型mmc拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流输电技术领域，公开了一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，其中，一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，包括多个桥臂，桥臂中包括半桥单元，绝缘栅双极型晶体管及与其反并联的二极管和嵌位电容，利用电容箝位和二极管的反向截止特性，本发明的一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑具有清除直流故障的能力，兼具经济性与快速清除正反向直流故障的优点。

Description

一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构
技术领域
本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构。
背景技术
基于电压源换流器的高压直流输电技术是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。
模块化多电平换流器采用单元级联的方式构成三相六桥臂结构，消除了传统两电平换流器所固有的器件串联均压、触发一致性等问题，具有模块化、低谐波含量、低损耗等优势。但传统的半桥子模块MMC在直流故障后，由于二极管的续流效应，系统近似发生三相短路，不能依靠自身快速实现直流故障自清除，并且无法通过封锁换流器的驱动信号来阻断故障电流，严重危害系统的安全运行。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构；为满足子模块的直流故障自清除能力，在保证经济性的情况下，提出一种改进电容型子模块拓扑，对该拓扑的具体结构、运行原理进行了分析，在搭建的双端直流输电系统中验证了所提拓扑的有效性。
本发明所采用的技术方案为：一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，其特征在于：包括第一半桥单元，第二半桥单元，第四绝缘栅双极型晶体管T2，第五绝缘栅双极型晶体管T3，所述第四绝缘栅双极型晶体管T2上有反并联第五阻流二极管D2，所述第五绝缘栅双极型晶体管T3上有反并联第六阻流二极管D3；第四绝缘栅双极型晶体管T2集电极c、第五绝缘栅双极型晶体管T3发射级e均与所述第一半桥单元相连，第四绝缘栅双极型晶体管T2发射极e、第五绝缘栅双极型晶体管T3集电极c均与所述第二半桥单元相连。
优选的：所述第一半桥单元包括：第一绝缘栅双极型晶体管T1，第一嵌位电容C1，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1上反并联第一阻流二极管D1，第一绝缘栅双极型晶体管T1发射极e与第二阻流二极管D6负极相连，第一绝缘栅双极型晶体管T1集电极c与第一嵌位电容C1正极相连，第二阻流二极管D6正极与第一嵌位电容C1负极相连；
所述第二半桥单元包括：第二绝缘栅双极型晶体管T4，第三绝缘栅双极型晶体管T5，第二嵌位电容C2，所述第二绝缘栅双极型晶体管T4上有反并联第三阻流二极管D4，所述第三绝缘栅双极型晶体管T5上有反并联第四阻流二极管D5，第二绝缘栅双极型晶体管T4发射极e与第三绝缘栅双极型晶体管T5集电极相连，第二绝缘栅双极型晶体管T4集电极c与所述第二嵌位电容C2正极相连，第三绝缘栅双极型晶体管T5集电极e与第二嵌位电容C2负极相连。
优选的：所述第一钳位电容C1和第二钳位电容C2均为电解电容。
优选的：所述第一钳位电容C1的电容值和第二钳位电容C2的电容值一致。
一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构的调制方法：该拓扑结构具有2种工作模式：正常运行模式和闭锁模式；正常工作时，根据第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2、第五绝缘栅双极型晶体管T3、第二绝缘栅双极型晶体管T4、第三绝缘栅双极型晶体管T5的轮流开断，子模块可输出零电压、一倍电压和两倍电压三种电平，保证直流电压的恒定和直流功率的稳定。
进一步的：第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2和第二绝缘栅双极型晶体管T4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时输出零电平，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第五绝缘栅双极型晶体管T3和第二绝缘栅双极型晶体管T4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断或第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2和第三绝缘栅双极型晶体管T5导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时输出一倍电压，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第五绝缘栅双极型晶体管T3和第三绝缘栅双极型晶体管T5导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时，输出两倍电压；所有绝缘栅双极型晶体管关断时输出两倍电压或一倍电压。
综上所述，本发明的有益效果为：
1、本发明利用ICSM子模块电容箝位功能和二极管的反向截止特性，拥有清除直流故障的能力，具有快速清除正反向直流故障的优点；
2、本发明具有减少换流器成本的优点。
附图说明
图1为改进电容型子模块拓扑结构；
图2为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块工作状态的示意图；
图3为本发明用于展示子模块闭锁后等效回路示意图；
图4为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块在发生故障闭锁后电流方向为正时故障电流示意图；
图5为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块在发生故障闭锁后电流方向为负时故障电流示意图；、
图6为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块在发生永久双极短路故障后A相桥臂电流图；
图7为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块在发生永久双极短路故障后直流电流图；
图8为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块在发生永久双极短路故障后子模块电容电压图；
图9为本发明用于展示一种具有直流故障自清除能力子模块在发生永久双极短路故障后直流电压图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
下面结合本发明的附图1～9，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
参照图1，一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，包括第一半桥单元，第二半桥单元，第四绝缘栅双极型晶体管T2，第五绝缘栅双极型晶体管T3，所述第四绝缘栅双极型晶体管T2上有反并联第五阻流二极管D2，所述第五绝缘栅双极型晶体管T3上有反并联第六阻流二极管D3，所述第四绝缘栅双极型晶体管T2集电极c和所述第五绝缘栅双极型晶体管T3发射级e均与所述第一半桥单元相连，所述第四绝缘栅双极型晶体管T2发射极e和所述第五绝缘栅双极型晶体管T3集电极c均与所述第二半桥单元相连。
参照图1，所述第一半桥单元包括：第一绝缘栅双极型晶体管T1，第一嵌位电容C1，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1上有反并联第一阻流二极管D1，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1发射极e与第二阻流二极管负极相连，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1集电极c与所述第一嵌位电容C1正极相连，所述第二阻流二极管正极与所述第一嵌位电容C1负极相连；所述第二半桥单元包括：第二绝缘栅双极型晶体管T4，第三绝缘栅双极型晶体管T5，第二嵌位电容C2，所述第二绝缘栅双极型晶体管T4上有反并联第三阻流二极管D4，所述第三绝缘栅双极型晶体管T5上有反并联第四阻流二极管D5，所述第二绝缘栅双极型晶体管T4发射极e与所述第三绝缘栅双极型晶体管T5集电极相连，所述第二绝缘栅双极型晶体管T4集电极c与所述第二嵌位电容C2正极相连，所述第三绝缘栅双极型晶体管T5集电极e与所述第二嵌位电容C2负极相连。
参照图1、2，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2和第二绝缘栅双极型晶体管T4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时输出零电平，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第五绝缘栅双极型晶体管T3和第二绝缘栅双极型晶体管T4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断或第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2和第三绝缘栅双极型晶体管T5导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时输出一倍电压，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第五绝缘栅双极型晶体管T3和第三绝缘栅双极型晶体管T5导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时，输出两倍电压。所有绝缘栅双极型晶体管关断时输出两倍电压或一倍电压。
参照图3，Deq、Leq、Ceq、Req分别为回路等效二极管、等效电感、等效电容及等效串联电容。流入子模块电流方向存在差异，对ICSM故障阻断机理分两种形式进行分析。参照图4、5当子模块电流iSM>0时，改进电容型子模块的电容充电路径如图4所示。
故障电流在子模块中的流向如图4中红色虚线所示，故障电流通过二极管D1、D3、D5对电容C1、C2进行充电，即：
Figure BDA0002750629610000041
式中UC为每个子模块中一个电容的额定电压。
参照图4，等效回路中等效二极管个数为6N，等效电容电压为4NUC，N为MMC每个桥臂ICSM的个数。根据基尔霍夫定律，可列出回路电压方程如下：
Figure BDA0002750629610000042
式中UD为单个二极管的电压。
又因为直流侧电压Udc＝2NUC，所以式(2)可写为：
Figure BDA0002750629610000043
在MMC系统中，交流侧电压与直流侧电压关系为：
Figure BDA0002750629610000044
式中，M为电压调制比。
结合式(3)、(4)可得：
Figure BDA0002750629610000051
根据式(5)可看出在MMC闭锁后回路二极管将承受反向电压而截止，与MMC中子模块的数量N无关，因此本文中所提出的ICSM在子模块中电流大于0时可实现直流侧故障的自清除。
参照图5，当子模块电流小于0时，故障电流流向如图5所示。故障电流如图中红色虚线所示。分析方式与iSM>0时类似，可以发现当iSM<0时改进电容型子模块同样具有直流侧故障自清除能力。
实施例1
本实施例用于验证具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构的直流故障自阻断能力
在PSCAD中搭建混合MMC双端直流输电系统，MMC直流侧采用定直流电压控制以维持直流电压的稳定，模型相关参数见表4。采用传统的排序法即可保证电容电压的均衡，调制策略为最近电平逼近调制。系统稳定运行后1s时发生永久极间短路故障，故障检测时间为0.001s，MMC中所有子模块会在1.001s时闭锁。
表1系统参数
Figure BDA0002750629610000052
参照图6-9，采用ICSM与HBSM的混合MMC故障自清除仿真结果如图6-9所示。系统稳定后1s时发生故障，在子模块闭锁前，交流侧和子模块电容共同向短路点提供短路电流，桥臂电流和直流电流迅速突增。1.001s时子模块闭锁，ICSM闭锁回路中二极管反向截止，交流侧注入短路点的故障电流被阻断，桥臂电流与直流电流迅速衰减至0，如图6、7所示。子模块电容电压如图8所示，故障电流被切断后，各子模块电容电压均保持恒定且数值维持在5kV左右,从而有利于直流故障清除后MMC的快速重启。直流电压如图9所示，在IGBT闭锁后直流侧电压也迅速跌落至0kV。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，其特征在于：包括第一半桥单元，第二半桥单元，第四绝缘栅双极型晶体管T2，第五绝缘栅双极型晶体管T3，所述第四绝缘栅双极型晶体管T2上有反并联第五阻流二极管D2，所述第五绝缘栅双极型晶体管T3上有反并联第六阻流二极管D3；第四绝缘栅双极型晶体管T2集电极c、第五绝缘栅双极型晶体管T3发射级e均与所述第一半桥单元相连，第四绝缘栅双极型晶体管T2发射极e、第五绝缘栅双极型晶体管T3集电极c均与所述第二半桥单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，其特征在于：所述第一半桥单元包括：第一绝缘栅双极型晶体管T1，第一嵌位电容C1，所述第一绝缘栅双极型晶体管T1上反并联第一阻流二极管D1，第一绝缘栅双极型晶体管T1发射极e与第二阻流二极管D6负极相连，第一绝缘栅双极型晶体管T1集电极c与第一嵌位电容C1正极相连，第二阻流二极管D6正极与第一嵌位电容C1负极相连；
所述第二半桥单元包括：第二绝缘栅双极型晶体管T4，第三绝缘栅双极型晶体管T5，第二嵌位电容C2，所述第二绝缘栅双极型晶体管T4上有反并联第三阻流二极管D4，所述第三绝缘栅双极型晶体管T5上有反并联第四阻流二极管D5，第二绝缘栅双极型晶体管T4发射极e与第三绝缘栅双极型晶体管T5集电极相连，第二绝缘栅双极型晶体管T4集电极c与所述第二嵌位电容C2正极相连，第三绝缘栅双极型晶体管T5集电极e与第二嵌位电容C2负极相连。
3.根据权利要求2所述的一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，其特征在于：所述第一钳位电容C1和第二钳位电容C2均为电解电容。
4.根据权利要求2所述的一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构，其特征在于：所述第一钳位电容C1的电容值和第二钳位电容C2的电容值一致。
5.一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构的调制方法，其特征在于：该拓扑结构具有2种工作模式：正常运行模式和闭锁模式；正常工作时，根据第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2、第五绝缘栅双极型晶体管T3、第二绝缘栅双极型晶体管T4、第三绝缘栅双极型晶体管T5的轮流开断，子模块可输出零电压、一倍电压和两倍电压三种电平，保证直流电压的恒定和直流功率的稳定。
6.根据权利要求5所述的一种具有直流故障自清除能力的改进电容型MMC拓扑结构的调制方法，其特征在于：第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2和第二绝缘栅双极型晶体管T4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时输出零电平，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第五绝缘栅双极型晶体管T3和第二绝缘栅双极型晶体管T4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断或第一绝缘栅双极型晶体管T1、第四绝缘栅双极型晶体管T2和第三绝缘栅双极型晶体管T5导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时输出一倍电压，第一绝缘栅双极型晶体管T1、第五绝缘栅双极型晶体管T3和第三绝缘栅双极型晶体管T5导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时，输出两倍电压；所有绝缘栅双极型晶体管关断时输出两倍电压或一倍电压。
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