CN113489359A - 一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑，属于高压柔性直流输电技术领域。本发明包括半桥子模块SM1，改进型全桥子模块SM2，双向开关S1和二极管D7。半桥子模块SM1和改进型全桥子模块SM2通过级联的方式连接，二极管D7串联设置在半桥子模块SM1中电容C1的正极和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间，双向开关S1串联设置在半桥子模块SM1的负极输出端口和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间。本发明能实现故障电流的快速自清除，具有直流侧故障自清除能力，适用于海上风电柔性直流输电系统。与半桥MMC拓扑相比，具备直流侧故障清除能力，与全桥MMC拓扑相比，减少绝缘栅双极型晶体管数量，降低成本。

Description

一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑
技术领域
本发明涉及一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑，属于高压柔性直流输电技术领域。
背景技术
随着高压直流输电技术的不断发展，模块化多电平换流器(MMC)已是目前柔性直流输电领域中应用最为广泛、最为普遍的换流器，与其他换流器相比，MMC具有制造难度下降、损耗成倍下降、阶跃电压降低、波形质量高、故障处理能力强等特点。柔性直流输电系统发生故障的概率极大，基于MMC的柔性直流输电系统必须要求具备故障穿越能力。
近年来，我国启动了多个海上风电柔性直流输电项目，其中包括江苏如东海上风电柔性直流输电示范项目、江苏射阳风电场柔性直流输电项目等。由于架空线路相对于电缆线路故障率较高，因此海上风电柔性直流输电系统必须具备一定的直流故障处理能力。传统直流输电使用的晶闸管是半控器件，只能控制导通，不能控制关断，采用PWM调制方法，谐波含量大，需要大量无功补偿装置。MMC柔性直流输电采用的是全控型功率器件，使用最近电平逼近调制技术，输出电压电流谐波含量低，通过控制子模块电容的投切来实现控制目标，实现电能的传输。在故障情况下，全控型电力电子器件涌流能力和耐压水平能力不及晶闸管，并且半桥型子模块不具备直流故障阻断能力，制约着柔性直流技术的发展。当MMC直流侧故障，子模块闭锁后，故障电流可通过子模块反并联的二极管形成回路，故障电流较大，不具备故障电流自阻断能力，严重情况下可能会导致器件损坏和换流站停运。
目前在MMC直流故障时，常采用投入负电平的方式清除故障电流，因此希望有一种子模块拓扑，能够实现故障直流的自清除，解决当前海上风电柔性直流输电中电流较大无法通过断路器切断故障回路的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑，用以实现直流故障情况下的故障电流的自动清除，从而解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑，包括端口以及与端口相连的子模块拓扑，所述端口分为电压正极输入端口和电压负极输出端口，所述子模块拓扑包括半桥子模块SM1，改进型全桥子模块SM2，双向开关S1和二极管D7。半桥子模块SM1和改进型全桥子模块SM2通过级联的方式连接，二极管D7串联设置在半桥子模块SM1中电容C1的正极和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间，双向开关S1串联设置在半桥子模块SM1的负极输出端口和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间。
所述半桥子模块SM1包括绝缘栅双极型晶体管T1和T2、二极管D1和D2、电容C1；绝缘栅双极型晶体管T1与二极管D1反并联，T1发射级与D1阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T2与二极管D2反并联，T2发射级与D2阳极相连，T2集电极与D2阴极相连，电容C1正极和负极分别连接于T1集电极和D2阳极，绝缘栅双极型晶体管T1发射级和绝缘栅双极型晶体管T2集电极连接于MMC子模块拓扑的电压正极输入端口。
所述改进型全桥子模块SM2包括绝缘栅双极型晶体管T3和T4、二极管D3和D4、电容C2、双向开关S2和二极管D8；绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3反并联，T3发射极与D3阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T4与二极管D4反并联，T4发射极与D4阳极相连，T4集电极与D3阴极相连，电容C2正极和负极分别连接于T3集电极和D4阳极，双向开关S2中的绝缘栅双极型晶体管T6与二极管D61、D63和D62、D64并联，二极管D62阳极和D64阴极共同连接于二极管D8阳极和子模块拓扑的电压负极输出端口，二极管D61和D63阴极共同连接于C2负极、T3发射极和T4集电极，二极管D8阳极连接于T3集电极、D3阴极和C2正极，二极管D8阴极连接于双向开关S2中的D62阳极、D64阴极和子模块拓扑的电压负极输出端口，绝缘栅双极型晶体管T3发射极和绝缘栅双极型晶体管T4集电极连接于双向开关S1中的D51阳极、D53阴极和二极管D7阳极。
所述双向开关S1包括绝缘栅双极型晶体管T5、二极管D51、D53、D52和D54，所述半桥子模块SM1包括绝缘栅双极型晶体管T2、二极管D1和电容C1，所述改进型全桥子模块SM2包括绝缘栅双极型晶体管T3和T4；绝缘栅双极型晶体管T5与二极管D51、D53和D52、D54并联，T5发射极与D53、D54阳极相连，T5集电极与D51、D52阴极相连，二极管D52阳极和D54阴极共同连接于半桥子模块SM1中的T2发射极和电容C1负极，二极管D51和D53阴极共同连接于二极管D7正极与改进型全桥子模块SM2中的T3发射极和T4集电极。
所述二极管D7阳极连接于双向开关S1中的D51阳极、D53阴极与改进型全桥子模块SM2中的T3发射极和T4集电极，二极管D7阴极连接于半桥子模块SM1中的T1集电极、D1阴极和C1正极。
作为优选，子模块稳态运行时，绝缘栅双极型晶体管T1～T4按照最近电平逼近调制策略触发导通和关断，双向开关S1、S2中绝缘栅双极型晶体管T5、T6保持导通实现子模块充放电的双向通路。子模块输出电压usm与子模块电容电压之间的关系如下：
usm＝[P1P4UC1+P2P3Uc2+P1P3(UC1+UC2)]P5P6
式中P1、P2、P3、P4、P5、P6分别为T1、T2、T3、T4、T5、T6绝缘栅双极型晶体管的触发信号，取值为1(开通)和0(关断)，在子模块端口输出电压方面，输入输出特性、控制难度与半桥子模块或全桥子模块相似。
所述子模块拓扑的正极输入端口与负极输出端口的电压差为子模块的输出电压，通过控制晶体管的导通可实现不同的电压输出。
所述子模块的控制方法如下：
当需要子模块的输出电压等于电容C1正极与负极的电压差和电容C2正极与负极的电压差之和，即UC1+UC2时，绝缘栅双极型晶体管T1、T3、T5和T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当电流ism从所述MMC子模块的电压正极输入端口注入，即ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→D52→T5→D53→D3→C2→D61→T6→D64；
当电流ism从所述MMC子模块的电压负极输出端口注入时，即ism<0，电流流通路径为：D62→T6→D63→C2→T3→D51→T5→D54→C1→T1；
当需要输出电平等于电容C1正极与负极的电压差，即UC1时，绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T5、T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→D52→T5→D53→T4→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→D4→D51→T5→D5→C1→T1；
当需要输出电平等于电容C2正极与负极的电压差，即UC2时，绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T5和T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism>0时，电流流通路径为：T2→D52→T5→D53→D3→C2→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→C2→T3→D51→T5→D54→D2；
当需要输出电压等于零时，绝缘栅双极型晶体管T2、T4、T5、T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism>0时，电流流通路径为：T2→D52→T5→D53→D3→T4→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→D4→D51→T5→D54→D2；
当需要输出电平等于电容C1负极与正极的电压差与电容C2负极与正极的电压差之和，即-(UC1+UC2)时，所有绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism<0时，电流流通路径为：D8→C2→D4→D7→C1→D2。
若直流侧发生短路故障，关断绝缘栅双极型晶体管T1～T6，半桥子模块SM1中的电容C1和改进型全桥子模块SM2中的电容C2串联接入电路充电，MMC子模块拓扑中电压正极输入端口输出电平为-(UC1+UC2)，利用MMC中子模块电容串联负投入充电吸收故障回路电流能量，从而清除故障电流。
本发明能够输出4种不同的电压，从而满足不同的工作需求；当直流侧发生故障时，利用MMC中子模块电容串联福投入充电吸收故障回路电流能量，从而清除故障电流。
本发明的有益效果是：本发明能实现故障电流的快速自清除，具有直流侧故障自清除能力，适用于海上风电柔性直流输电系统。与半桥MMC拓扑相比，具备直流侧故障清除能力，与全桥MMC拓扑相比，减少绝缘栅双极型晶体管数量，降低成本。
附图说明
图1是本发明子模块拓扑结构图；
图2是本发明应用到模块化多电平换流器中的MMC拓扑结构图；
图3是本发明正常运行下的4种工作模式电流通路示意图；
图4是本发明故障闭锁下的1种工作模式电流通路示意图；
图5是本发明直流出口发生短路下直流侧电流清除仿真波形示意图；
图6是本发明直流出口发生短路下阀侧交流电流清除仿真波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑，包括端口以及与端口相连的子模块拓扑，所述端口分为电压正极输入端口和电压负极输出端口，所述子模块拓扑包括半桥子模块SM1，改进型全桥子模块SM2，双向开关S1和二极管D7。半桥子模块SM1和改进型全桥子模块SM2通过级联的方式连接，二极管D7串联设置在半桥子模块SM1中电容C1的正极和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间，双向开关S1串联设置在半桥子模块SM1的负极输出端口和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间。
所述半桥子模块SM1包括绝缘栅双极型晶体管T1和T2、二极管D1和D2、电容C1；绝缘栅双极型晶体管T1与二极管D1反并联，T1发射级与D1阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T2与二极管D2反并联，T2发射级与D2阳极相连，T2集电极与D2阴极相连，电容C1正极和负极分别连接于T1集电极和D2阳极，绝缘栅双极型晶体管T1发射级和绝缘栅双极型晶体管T2集电极连接于MMC子模块拓扑的电压正极输入端口。
所述改进型全桥子模块SM2包括绝缘栅双极型晶体管T3和T4、二极管D3和D4、电容C2、双向开关S2和二极管D8；绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3反并联，T3发射极与D3阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T4与二极管D4反并联，T4发射极与D4阳极相连，T4集电极与D3阴极相连，电容C2正极和负极分别连接于T3集电极和D4阳极，双向开关S2中的绝缘栅双极型晶体管T6与二极管D61、D63和D62、D64并联，二极管D62阳极和D64阴极共同连接于二极管D8阳极和子模块拓扑的电压负极输出端口，二极管D61和D63阴极共同连接于C2负极、T3发射极和T4集电极，二极管D8阳极连接于T3集电极、D3阴极和C2正极，二极管D8阴极连接于双向开关S2中的D62阳极、D64阴极和子模块拓扑的电压负极输出端口，绝缘栅双极型晶体管T3发射极和绝缘栅双极型晶体管T4集电极连接于双向开关S1中的D51阳极、D53阴极和二极管D7阳极。
所述双向开关S1包括绝缘栅双极型晶体管T5、二极管D51、D53、D52和D54，所述半桥子模块SM1包括绝缘栅双极型晶体管T2、二极管D1和电容C1，所述改进型全桥子模块SM2包括绝缘栅双极型晶体管T3和T4；绝缘栅双极型晶体管T5与二极管D51、D53和D52、D54并联，T5发射极与D53、D54阳极相连，T5集电极与D51、D52阴极相连，二极管D52阳极和D54阴极共同连接于半桥子模块SM1中的T2发射极和电容C1负极，二极管D51和D53阴极共同连接于二极管D7正极与改进型全桥子模块SM2中的T3发射极和T4集电极。
所述二极管D7阳极连接于双向开关S1中的D51阳极、D53阴极与改进型全桥子模块SM2中的T3发射极和T4集电极，二极管D7阴极连接于半桥子模块SM1中的T1集电极、D1阴极和C1正极。
如图1所示，本发明所述的子模块拓扑应用到模块化多电平换流器中时，其MMC拓扑结构包含由本发明子模块拓扑组成的A，B，C三相回路，每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块构成，其中包含4N个IGBT，6N个二极管，2N个双向开关，2N个电容，在A，B，C三个相单元之间串联设置上下两个桥臂电感。A相上桥臂的第1个子模块的上输出端连接正极直流母线，下输出端连接第2个子模块的上输出端，第2个子模块下输出端连接第3个子模块的上输出端，以此规律，第i个子模块的上输出端连接第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端。上桥臂的第N个子模块的上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接桥臂电抗器L0的上端，上桥臂电抗器与下桥臂电抗器串联，在上下桥臂电抗器的连接点接入A相交流电源。A相下桥臂的第1个子模块的上输出端连接下桥臂电抗器，下输出端连接下桥臂的第2个子模块的上输出端，以此规律，下桥臂的第i个子模块的上输出端连接下桥臂的第i-1个子模块的下输出端，下输出端连接第i+1个子模块的上输出端，第N个子模块的上输出端连接第N-1个子模块的下输出端，下输出端连接直流母线的负极。B、C两相的连接方式同A相。
如图3所示，正常运行时，双向开关S1、S2中的绝缘栅双极型晶体管T5、T6保持导通，绝缘栅双极型晶体管T1和T2，T3和T4开关状态相反，根据调制策略控制电容C1和C2的投切，可以输出UC1+UC2，UC1或UC2，0四种电平，具体控制方法如下：
模式1：当需要子模块的输出电压等于电容C1正极与负极的电压差和电容C2正极与负极的电压差之和，即UC1+UC2时，绝缘栅双极型晶体管T1、T3、T5和T6导通，绝缘栅双极型晶体管T2、T4关断；
当电流ism从所述MMC子模块的电压正极输入端口注入，即ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→D52→T5→D53→D3→C2→D61→T6→D64；
当电流ism从所述MMC子模块的电压负极输出端口注入时，即ism<0，电流流通路径为：D62→T6→D63→C2→T3→D51→T5→D54→C1→T1；
模式2：当需要输出电平等于电容C1正极与负极的电压差，即UC1时，绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T5、T6导通，绝缘栅双极型晶体管T2、T3关断；
当ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→D52→T5→D53→T4→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→D4→D51→T5→D5→C1→T1；
模式3：当需要输出电平等于电容C2正极与负极的电压差，即UC2时，绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T5和T6导通，绝缘栅双极型晶体管T1、T4关断；
当ism>0时，电流流通路径为：T2→D52→T5→D53→D3→C2→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→C2→T3→D51→T5→D54→D2；
模式4：当需要输出电压为0时，绝缘栅双极型晶体管T2、T4、T5、T6导通，绝缘栅双极型晶体管T1、T3关断；
当ism>0时，电流流通路径为：T2→D52→T5→D53→D3→T4→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→D4→D51→T5→D54→D2。
模式1～模式4通过控制T1～T6的触发和关断，能够输出4种不同的电压，从而能够满足不同的工作需求。
如图4所示，直流侧发生短路故障时，半桥子模块SM1中的电容C1和改进型全桥子模块SM2中的电容C2串联接入电路充电，即需要输出电平等于电容C1负极与正极的电压差与电容C2负极与正极的电压差之和，即-(UC1+UC2)。这时关断绝缘栅双极型晶体管T1～T6，电流只能从负极端口流进子模块拓扑。
电流流通路径为：D8→C2→D4→D7→C1→D2。
利用MMC中子模块电容串联负投入充电吸收故障回路电流能量，从而清除故障电流。
综上所述，本发明可分为四种正常投入模式和一种故障处理模式，满足正常工作时的不同需求和故障时的快速清除故障。
Figure BDA0003130420530000061
表1：各模式下的开关导通状态和电流流通路径
如图5所示，直流侧出口2.5s发生短路故障，直流侧短路故障电流能在短时间内清除，减少对换流设备的损耗。
如图6所示，直路侧出口2.5s发生短路故障，交流侧电流清除能在短时间内清除，阻断交流电流馈入。
图中加粗实线表示电流的流向。
为了验证本发明在直流故障情况下对故障电流的清除能力，在MATLAB/Simulink仿真平台搭建的如图2所示的±200kV单端MMC-HVDC仿真模型，模拟在直流侧出口双极短路，直流侧电流、阀侧交流电流如图5和图6所示，可以看出，本发明所述子模块拓扑对故障电流清除速度较快。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：包括半桥子模块SM1，改进型全桥子模块SM2，双向开关S1和二极管D7；半桥子模块SM1和改进型全桥子模块SM2通过级联的方式连接，二极管D7串联设置在半桥子模块SM1中电容C1的正极和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间，双向开关S1串联设置在半桥子模块SM1的负极输出端口和改进型全桥子模块SM2的正极输入端口之间。
2.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：所述半桥子模块SM1包括绝缘栅双极型晶体管T1和T2、二极管D1和D2、电容C1；绝缘栅双极型晶体管T1与二极管D1反并联，T1发射级与D1阳极相连，绝缘栅双极型晶体管T2与二极管D2反并联，T2发射级与D2阳极相连，T2集电极与D2阴极相连，电容C1正极和负极分别连接于T1集电极和D2阳极，绝缘栅双极型晶体管T1发射级和绝缘栅双极型晶体管T2集电极连接于MMC子模块拓扑的电压正极输入端口。
3.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：所述改进型全桥子模块SM2包括绝缘栅双极型晶体管T3和T4、二极管D3和D4、电容C2、双向开关S2和二极管D8；绝缘栅双极型晶体管T3和二极管D3反并联，T3发射极与D3阴极相连，绝缘栅双极型晶体管T4与二极管D4反并联，T4发射极与D4阳极相连，T4集电极与D3阴极相连，电容C2正极和负极分别连接于T3集电极和D4阳极，双向开关S2中的绝缘栅双极型晶体管T6与二极管D61、D63和D62、D64并联，二极管D62阳极和D64阴极共同连接于二极管D8阳极和子模块拓扑的电压负极输出端口，二极管D61和D63阴极共同连接于C2负极、T3发射极和T4集电极，二极管D8阳极连接于T3集电极、D3阴极和C2正极，二极管D8阴极连接于双向开关S2中的D62阳极、D64阴极和子模块拓扑的电压负极输出端口，绝缘栅双极型晶体管T3发射极和绝缘栅双极型晶体管T4集电极连接于双向开关S1中的D51阳极、D53阴极和二极管D7阳极。
4.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：所述双向开关S1包括绝缘栅双极型晶体管T5、二极管D51、D53、D52和D54，所述半桥子模块SM1包括绝缘栅双极型晶体管T2、二极管D1和电容C1，所述改进型全桥子模块SM2包括绝缘栅双极型晶体管T3和T4；绝缘栅双极型晶体管T5与二极管D51、D53和D52、D54并联，T5发射极与D53、D54阳极相连，T5集电极与D51、D52阴极相连，二极管D52阳极和D54阴极共同连接于半桥子模块SM1中的T2发射极和电容C1负极，二极管D51和D53阴极共同连接于二极管D7正极与改进型全桥子模块SM2中的T3发射极和T4集电极。
5.根据权利要求4所述的具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：所述二极管D7阳极连接于双向开关S1中的D51阳极、D53阴极与改进型全桥子模块SM2中的T3发射极和T4集电极，二极管D7阴极连接于半桥子模块SM1中的T1集电极、D1阴极和C1正极。
6.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：所述子模块拓扑的正极输入端口与负极输出端口的电压差为子模块的输出电压；
所述子模块的控制方法如下：
当需要子模块的输出电压等于电容C1正极与负极的电压差和电容C2正极与负极的电压差之和，即UC1+UC2时，绝缘栅双极型晶体管T1、T3、T5和T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当电流ism从所述MMC子模块的电压正极输入端口注入，即ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→D52→T5→D53→D3→C2→D61→T6→D64；
当电流ism从所述MMC子模块的电压负极输出端口注入时，即ism<0，电流流通路径为：D62→T6→D63→C2→T3→D51→T5→D54→C1→T1；
当需要输出电平等于电容C1正极与负极的电压差，即UC1时，绝缘栅双极型晶体管T1、T4、T5、T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism>0时，电流流通路径为：D1→C1→D52→T5→D53→T4→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→D4→D51→T5→D5→C1→T1；
当需要输出电平等于电容C2正极与负极的电压差，即UC2时，绝缘栅双极型晶体管T2、T3、T5和T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism>0时，电流流通路径为：T2→D52→T5→D53→D3→C2→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→C2→T3→D51→T5→D54→D2；
当需要输出电压等于零时，绝缘栅双极型晶体管T2、T4、T5、T6导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism>0时，电流流通路径为：T2→D52→T5→D53→D3→T4→D61→T6→D64；
当ism<0时，电流流通路径为：D62→T6→D63→D4→D51→T5→D54→D2；
当需要输出电平等于电容C1负极与正极的电压差与电容C2负极与正极的电压差之和，即-(UC1+UC2)时，所有绝缘栅双极型晶体管关断；
当ism<0时，电流流通路径为：D8→C2→D4→D7→C1→D2。
7.根据权利要求6所述的具备直流故障清除能力的子模块拓扑，其特征在于：若直流侧发生短路故障，关断绝缘栅双极型晶体管T1～T6，半桥子模块SM1中的电容C1和改进型全桥子模块SM2中的电容C2串联接入电路充电，MMC子模块拓扑中电压正极输入端口输出电平为-(UC1+UC2)，利用MMC中子模块电容串联负投入充电吸收故障回路电流能量，从而清除故障电流。
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