CN113507203A - 一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构 - Google Patents

一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构 Download PDF

Info

Publication number
CN113507203A
CN113507203A CN202110801338.7A CN202110801338A CN113507203A CN 113507203 A CN113507203 A CN 113507203A CN 202110801338 A CN202110801338 A CN 202110801338A CN 113507203 A CN113507203 A CN 113507203A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bridge
submodule
port
bridge submodule
diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110801338.7A
Other languages
English (en)
Inventor
束洪春
邵宗学
江耀曦
包广皎
王文韬
廖孟黎
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kunming University of Science and Technology
Original Assignee
Kunming University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kunming University of Science and Technology filed Critical Kunming University of Science and Technology
Priority to CN202110801338.7A priority Critical patent/CN113507203A/zh
Publication of CN113507203A publication Critical patent/CN113507203A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53875—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with analogue control of three-phase output
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/60—Arrangements for transfer of electric power between AC networks or generators via a high voltage DC link [HVCD]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及MMC拓扑结构，属于柔性直流输电技术领域。本发明包括A、B、C三个相单元，每一个相单元分别由上桥臂和下桥臂串联构成，每一个桥臂由N/2个半桥子模块SM和N/2个改进型半桥子模块SMH交叉串联后再与桥臂电感L0串联构成，晶闸管串联在半桥子模块SM的电容C的正极端与改进型半桥子模块SMH的电容C的负极端。直流侧发生短路故障时，子模块SM和子模块SMH接收闭锁信号，晶闸管接收导通信号，迫使故障电流通过晶闸管主动转移至子模块SM中进行故障电流自清除，从而提高了MMC的运行可靠性。

Description

一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及 MMC拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及MMC拓扑结构，属于柔性直流输电技术领域。
背景技术
基于电网换相换流器的高压直流输电(Line Commutated Converter Based HighVoltage Direct Current，LCC-HVDC)的技术技术已经十分成熟，不但具有远距离输电、输送容量大、电压等级较高、经济性好等显著优势，还可以通过强制移相对直流侧故障电流进行清除，但LCC-HVDC所面临的主要问题是容易换相失败，尤其受端多落点受电、与弱交流系统相连，换相失败问题将更加突出，甚至导致连锁换相失败。此外，运行过程中传统直流换流站需要消耗大量的无功功率、需要配置大量滤波装置和无功补偿装置、无法向无源网络供电、无法构成直流大电网。
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)型柔性直流输电具有无换相失败、波形质量高与灵活可控等优点，在分布式能源的消纳、直流负荷的接入、与跨区互联等方面具有广阔的运用前景。架空柔性直流输电直流侧线路发生短路故障时，其“弱阻尼、低惯性”的特点导致故障电流的上升率和幅值都较大，且故障电流没有过零点，故障清除难度比交流系统大。目前有以下几种方法可以抑制直流侧故障电流：1)跳开交流侧断路器；2)在阀侧直流线路侧安装直流断路器；3)直流侧加装限流器；4)换流器采用具备直流故障电流抑制的新型子模块。利用交流断路器隔离直流故障已在柔性直流输电工程中得到应用，但其开断及合闸速度和直流故障发展的快速性不匹配，不利于快速隔离直流故障和故障后系统快速恢复重启。直流线路侧安装直流断路器是切除直流故障最直接有效的方法，然而，直流断路器存在灭弧困难，伴随着直流电压等级的抬高，其性能要求越高，且价格昂贵，技术不成熟。加装限流器可以限制故障电流上升率，随着电感值的增大其限流能力趋于饱和。改进优化MMC拓扑以抑制直流侧短路故障电流已成为近年来的研究热点。
为了结合LCC-HVDC与MMC-HVDC各自的优势，近年来国内外学者对混合型直流输电系统做了大量的研究。整流侧由LCC构成，逆变侧由MMC构成，两者综合了LCC的技术成熟、建设成本较低及MMC的控制灵活、无换相失败的特点，极大的提高了直流输电系统的运行稳定性，其运用前景非常广阔。
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电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑及MMC拓扑结构，用以解决上述问题。
本发明的技术方案是：一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构，包括N/2个半桥子模块SM、N/2改进型半桥子模块SMH、N/2晶闸管；
半桥子模块SM的负极引出端口B1与改进型半桥子模块SMH的正极引出端口A2相连，晶闸管的阳极与半桥子模块SM的电容C1正极电位点相连，晶闸管的阴极与改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2相连；
所述半桥子模块SM包括绝缘栅双极型晶体管T1、T2、电容C1及二极管D1、D2，半桥子模块SM的电压正极引出端口A1连接至绝缘栅双极型晶体管T1发射极、T2集电极及二极管D1阳极、D2阴极，半桥子模块SM的电压负极引出端口B1连接至T2发射极、D2阳极、改进型半桥子模块SMH的正极引出端口A2；
所述半桥子模块SM的电容C1的正极端连接至T1集电极、D1阴极、晶闸管的阴极，半桥子模块SM的电容C1的负极端连接至T2发射极、D2阳极、半桥子模块SM的负极引出端口B1。
所述改进型半桥子模块SMH包括绝缘栅双极型晶体管T3、二极管D3、双向开关T及电容C2，改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2连接至绝缘栅双极型晶体管T3发射极、D3阳极、双向开关T二极管D41的阴极与D43的阳极的公共连接点、半桥子模块SM的电压负极引出端B1，改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2连接至双向开关T二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点、半桥子模块SM的电压正极引出端A1；
所述改进型半桥子模块SMH的电容C2的正极端连接至T3集电极、D3阴极、晶闸管的阳极，改进型半桥子模块SMH的电容C2的负极端连接至双向开关T二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点、改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2。
所述的双向开关T由绝缘栅双极型晶体管T4、二极管D41、二极管D42、二极管D43、二极管D44构成，绝缘栅双极型晶体管T4的集电极连接至二极管D43与二极管D44的共阴极点，绝缘栅双极型晶体管T4的发射极连接至二极管D41与二极管D42的共阳极点，二极管D41的阴极与D43的阳极的公共连接点与改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2相连接，二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点与改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2相连接。
若所述半桥子模块SM的绝缘栅双极型晶体管T1导通、T2关断，输出电平为UC1，电流ism从所述半桥子模块SM的电压正极引出端口A1流入及电压负极引出端口B1流出时，即ism>0，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压正极引出端口A1→D1→C1→半桥子模块SM的电压负极引出端口B1；电流ism从所述半桥子模块SM的电压负极引出端口B1流入及电压正极引出端口A1流出时，即ism＜0，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压负极引出端口B1→C1→T1→半桥子模块SM的电压正极引出端口A1。
若所述半桥子模块SM的绝缘栅双极型晶体管T2导通、T1关断，输出电平为零，电流ism从所述半桥子模块SM的电压正极引出端口流入及电压负极引出端口流出时，即ism>0，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压正极引出端口→T1→C→半桥子模块SM的电压负极引出端口；电流ism从所述半桥子模块SM的电压负极引出端口流入及电压正极引出端口流出时，即ism＜0，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压负极引出端口→D1→半桥子模块SM的电压正极引出端口。
若所述半桥子模块SM的绝缘栅双极型晶体管T2关断、T1关断，电流ism从所述半桥子模块SM的电压正极引出端口A1流入及电压负极引出端口B1流出时，即ism>0，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压正极引出端口A1→D1→C1→半桥子模块SM的电压负极引出端口B1，输出电平为UC1；电流ism从所述半桥子模块SM的电压负极引出端口B1流入及电压正极引出端口A1流出时，即ism＜0，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压负极引出端口B1→D2→半桥子模块SM的电压正极引出端口A1，输出电平为零。
若所述改进型半桥子模块SMH的绝缘栅双极型晶体管T3导通、T4关断，输出电平为UC2，当电流ism从改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2流入及电压负极引出端口B2流出时，即ism>0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2→D3→C2→改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2；当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2流入及电压正极引出端口A2流出时，即ism＜0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2→C1→T3→改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2。
若所述改进型半桥子模块SMH的绝缘栅双极型晶体管T4导通、T3关断，输出电平为零，当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2流入及电压负极引出端口B2流出时，即ism>0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2→D43→T4→D42→改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2；当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2流入及电压正极引出端口A2流出时，即ism＜0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2→D44→T4→D41→改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2。
若所述改进型半桥子模块SMH的绝缘栅双极型晶体管T3关断、T4关断，当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2流入及电压负极引出端口B2流出时，即ism>0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2→D3→C2→改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2，输出电平为UC2。当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口B2流入及电压负极引出端口A2流出时，电流被阻断。
当所述的双向开关T的绝缘栅双极型晶体管T4导通时，当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2流入及电压负极引出端口B2流出时，即ism>0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2→D43→T4→D42→改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2；当电流ism从所述改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2流入及电压正极引出端口A2流出时，即ism＜0，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2→D44→T4→D41→改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2；
若所述的双向开关T的绝缘栅双极型晶体管T4关断时，电流被双向开关T阻断。
一种MMC拓扑结构，包括A、B、C三个相单元，三个相单元并联连接，每一个相单元分别由上桥臂拓扑和下桥臂拓扑串联构成，A、B、C三个相单元的上桥臂拓扑的高压端口共接与正极直流母线，A、B、C三个相单元的下桥臂拓扑的低压端口共接与负极直流母线，同一相单元上桥臂拓扑的低压端口与其下桥臂拓扑的高压端口相连，所述上桥臂拓扑和下桥臂拓扑均为一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑。
每一个桥臂拓扑均由半桥子模块SM、改进型半桥子模块SMH、晶闸管构成。所述MMC拓扑为MMC的三相桥臂拓扑。
送端整流站采用LLC，受端逆变站采用具有直流故障电流主动转移抑制能力的MMC拓扑，两者通过直流线路相连。送端整流站和受端逆变站都采用具有直流故障电流主动转移抑制能力的MMC拓扑，两者通过直流线路相连。
相同规格情况下，二极管与晶闸管的价格远远低于绝缘栅双极型晶体管IGBT，而且二极管与晶闸管的耐压、耐流水平也远远高于IGBT，因此由晶闸管与二极管构成的故障电流转移吸收支路，在工程中易于实现，且安全可靠，经济性较好。
本发明的有益效果是：本发明基于传统半桥子模块构成的MMC桥臂拓扑，通过改进半桥子模块的拓扑结构，在半桥子模SM与改进型半桥子模块SMH之间通过晶闸管构成故障电流转移支路，迫使故障电流主动转移至传统半桥子模块中进行故障自清除，使得MMC自身具有直流侧故障电流自清除能力，新增IGBT器件个数为零，新增二极管器件个数为3N/2，新增晶闸管器件个数为N/2，二极管及晶闸管的投资成本远低于IGBT，经济性能较好、运行损耗也相对较低、稳态运行时无新增控制复杂度。
本发明具有直流故障自清除能力的MMC与具有强制移相直流故障清除能力的LCC构成混合型直流输电，极大地提高了直流故障电流的清除速度，保证了MMC直流故障穿越能力。送端整流站采用LLC，受端逆变站采用具有直流故障电流主动转移抑制能力的MMC拓扑，两者可以优势互补，送端与受端都具备直流故障自清除能力，使得直流故障自清除能力进一步提高，提高了混合型直流输电的直流故障穿越能力。送端整流站和受端逆变站都采用具有直流故障电流主动转移抑制能力的MMC拓扑，便于构成直流电网，与直流断路器相配合，可以快速可靠的切除直流故障，防止故障电流继续传播恶化，弱化对其他非故障直流线路的正常运行影响。
附图说明
图1是本发明的桥臂拓扑结构示意图；
图2是本发明桥臂拓扑构成的MMC拓扑结构示意图；
图3是本发明的桥臂拓扑构成的MMC拓扑与LCC拓扑构成的双端混合型直流输电系统仿真结构图；
图4是本发明的桥臂拓扑构成的MMC拓扑的双端直流输电系统仿真结构图；
图5是本发明的桥臂拓扑正常运行下单相电流通路示意图；
图6是本发明的桥臂拓扑在直流故障时子模块闭锁下的单相电流通路示意图；
图7是本发明的的桥臂拓扑构成的MMC拓扑在直流故障时的故障自清除电流通路示意图；
图8是在双端MMC直流出口发生短路故障下阀侧交直电流清除仿真波形示意图；
图9是在混合型双端LCC-MMC的MMC端直流出口发生短路故障下阀侧交直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，一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构，包括半桥子模块SM、改进型半桥子模块SMH、晶闸管。
所述半桥子模块SM包括绝缘栅双极型晶体管T1、T1、电容C1及二极管D1、D2，半桥子模块SM的电压正极引出端口A1连接至绝缘栅双极型晶体管T1发射极、T2集电极及二极管D1阳极、D2阴极，半桥子模块SM的电压负极引出端口B1连接至T2发射极、D2阳极、改进型半桥子模块SMH的正极引出端口A2；所述半桥子模块SM的电容C1的正极端连接至T1集电极、D1阴极、晶闸管的阴极，半桥子模块SM的电容C1的负极端连接至T2发射极、D2阳极、半桥子模块SM的负极引出端口B1。
所述改进型半桥子模块SMH包括绝缘栅双极型晶体管T3、二极管D3、双向开关T及电容C2，改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2连接至绝缘栅双极型晶体管T1发射极、D3阳极、双向开关T二极管D41的阴极与D43的阳极的公共连接点、半桥子模块SM的电压负极引出端B1，改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口A2连接至双向开关T二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点、半桥子模块SM的电压正极引出端A1；所述改进型半桥子模块SMH的电容C2的正极端连接至T3集电极、D3阴极、晶闸管的阳极，改进型半桥子模块SMH的电容C2的负极端连接至双向开关T二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点、改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2。
所述的双向开关T由绝缘栅双极型晶体管T4、二极管D41、二极管D42、二极管D43、二极管D44构成，绝缘栅双极型晶体管T4的集电极连接至二极管D43与二极管D44的共阴极点，绝缘栅双极型晶体管T4的发射极连接至二极管D41与二极管D42的共阳极点，二极管D41的阴极与D43的阳极的公共连接点与改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2相连接，二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点与改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2相连接。每一个晶闸管都串联在半桥子模块SM的电容C2的正极端与改进型半桥子模块SMH的电容C2的负极端。
如图2所示，一种由具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构构成的MMC拓扑结构，包括A、B、C三个相单元；每一个相单元分别由上桥臂和下桥臂串联构成；每一个桥臂由N/2个半桥子模块SM和N/2个改进型半桥子模块SMH交叉串联后再与桥臂电感L0串联构成，每一相单元共由2N个子模块，10N个IGBT，35N个二极管，4N个电容，N个晶闸管。每一个晶闸管都串联在半桥子模块SM的电容C的正极端与改进型半桥子模块SMH的电容C的负极端。每一相上桥臂的第一个子模块上端口连接直流母线正极，第一个子模块的下端口连接第二个子模块的上端口，第二个子模块的下端口又连接到第三个子模块的上端口，第i个子模块的上端口连接到第i-1个子模块的下端口，下端口连接第i+1个的上端口，相领子模块依次相连，第N个子模块的上端口连接第N-1个子模块的下端口，下端口连接至上桥臂电抗器L0。每一相下桥臂的第N个子模块的下端口连接直流母线的负极，上端口连接第N-1个子模块的下端口，对于下桥臂第i-1个子模块的下端口连接第i个子模块的上端口，相邻子模块依次相连，第1个子模块的上端口连接到下桥臂电抗器L0，下端口连接第二个子模块上端口。
每一相的上桥臂直流侧输出端与直流母线正极相连，交流侧输出端与上桥臂电抗器L0相连；下桥臂直流侧输出端与直流母线负极相连，交流侧输出端与下桥臂电抗器L0相连。在上下桥臂电抗器的连接点引出交流侧输出端口。
本发明提拱了具体涉及一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑及MMC拓扑结构，由于基于传统半桥子模块SM构成的MMC不具备直流故障自清除能力，对传统半桥子模块拓扑结构进行改进，在半桥子模SM与改进型半桥子模块SMH之间通过晶闸管构成故障电流转移支路，迫使故障电流主动转移至传统半桥子模块中进行故障自清除。相对于全半混合MMC，其成本大大降低，运行损耗也相对较低、稳态运行时无新增控制复杂度，具有重要的实际工程参考意义和使用价值，同时可以与LLC构成混合型直流输电，进一步提高直流故障自清除速度，LLC与MMC优势互补，提高了直流输电的安全性、可靠性、稳定性。
如图3所示，本发明的桥臂拓扑构成的MMC拓扑与LCC拓扑构成的双端混合型直流输电系统仿真结构图，其包括整流站和逆变站，整流站和逆变站通过直流线路相连，整流站是由本发明MMC拓扑构成，其中MMC换流器高压端连接直流母线正极，换流器低压端连接直流母线负极。整流站LCC采用定直流电流控制模型，逆变站MMC采用定直流电圧与无功控制模式。
如图4所示，本发明的桥臂拓扑构成的MMC拓扑的双端直流输电系统仿真结构图其包括整流站和逆变站，整流站和逆变站通过直流线路相连，整流站和逆变站都是由模块化多电平换流器MMC构成，MMC子模块拓扑结构采用本发明拓扑，其中MMC换流器高压端连接直流母线正极，换流器低压端连接直流母线负极。整流站MMC采用定有功与无功控制模型，逆变站MMC采用定直流电圧控制与无功控制模式。
如图5所示，本发明的桥臂拓扑正常运行下单相电流通路示意图,正常运行时所有晶闸管处于关断状态，根据最近电平逼近调制NLM与电容电压均衡控制算法,可控制半桥子模块SM和改进型半桥子模块SMH的IGBT T1、T2、T3、T4的导通与关断，从而控制半桥子模块SM的电容C1和改进型半桥子模块SMH的电容C2的投入与切除。以A相桥臂相邻的半桥子模块SM和改进型半桥子模块SMH的控制模式为例，具体控制模式如下：半桥子模块SM改进型半桥子模块SMH
如图5(1)所示，模式1：半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T4导通，半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T3关断，ism>0时，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压正极引出端口A1→半桥子模块SM的二极管D1→半桥子模块SM的电容C1→改进型半桥子模块SMH的双向开关T→改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2。此时，半桥子模块SM输出电平为UC1,改进型半桥子模块SMH输出电平为零，半桥子模块SM的电容C1处于充电状态，C2处于旁路状态。
如图5(2)所示，模式2：半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T4导通，半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T3关断，ism＜0时，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH负极引出端口B1→改进型半桥子模块SMH的双向开关T→半桥子模块SM的电容C1→半桥子模块SM的T1→半桥子模块SM的正极引出端口A1。此时，半桥子模块SM输出电平为UC1,改进型半桥子模块SMH输出电平为零，半桥子模块SM的电容C处于放电状态，C2处于旁路状态。
如图5(3)所示，模式3：半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T3导通，半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T4关断，ism>0时，电流流通路径为：半桥子模块SM的电压正极引出端口A1→半桥子模块SM的T2→改进型半桥子模块SMH的二极管D3→改进型半桥子模块SMH的电容C2→改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2。此时，半桥子模块SM输出电平为零,改进型半桥子模块SMH输出电平为UC2，改进型半桥子模块SMH的电容C2处于充电状态，C1处于旁路状态。
如图5(4)所示，模式4：半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T3导通，半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T4关断，ism＜0时，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH负极引出端口B2→改进型半桥子模块SMH的电容C2→改进型半桥子模块SMH的电容T3→半桥子模块SM的D2→半桥子模块SM的正极引出端口A1。此时，半桥子模块SM输出电平为零,改进型半桥子模块SMH输出电平为UC2，半桥子模块SM的电容C2处于放电状态，C1处于旁路状态。
如图5(5)所示，模式5：半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T3导通，半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T4关断，ism＞0时，电流流通路径为：半桥子模块SM的正极引出端口A1→半桥子模块SM的D1→半桥子模块SM的电容C1→改进型半桥子模块SMH的D3→改进型半桥子模块SMH的电容C2→改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2。此时，半桥子模块SM与改进型半桥子模块SMH输出电平分别为UC1、UC2，子模块SM与改进型半桥子模块SMH的电容C1、C2同处于充电状态。
如图5(6)所示，模式6：半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T3导通，半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T4关断，ism＜0时，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2→改进型半桥子模块SMH的电容C2→改进型半桥子模块SMH的T1→半桥子模块SM的电容C1→半桥子模块SM的T1→半桥子模块SM的正极引出端口A1。此时，半桥子模块SM与改进型半桥子模块SMH输出电平分别为UC1、UC2，子模块SM与改进型半桥子模块SMH的电容C1、C2同处于放电状态。
如图5(7)所示，模式7：半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T4导通，半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T3关断，ism＞0时，电流流通路径为：半桥子模块SM的正极引出端口A1→半桥子模块SM的T2→改进型半桥子模块SMH的双向开关T→改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2。此时，半桥子模块SM与改进型半桥子模块SMH输出电平同为零，子模块SM与改进型半桥子模块SMH的电容C1、C2同处于旁路切除状态。
如图5(8)所示，模式8：半桥子模块SM的T2与改进型半桥子模块SMH的T4导通，半桥子模块SM的T1与改进型半桥子模块SMH的T3关断，ism＜0时，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2→改进型半桥子模块SMH的双向开关T→半桥子模块SM的D2→半桥子模块SM的正极引出端口A1。此时，半桥子模块SM与改进型半桥子模块SMH输出电平同为零，子模块SM与改进型半桥子模块SMH的电容C1、C2同处于旁路切除状态。
如图6所示，本发明的桥臂拓扑在直流故障时子模块闭锁下的单相电流通路示意图，直流侧发生短路故障时，子模块SM和子模块SMH接收闭锁信号，晶闸管接收导通信号，具体模式如下：
如图6(1)所示，模式9：半桥子模块SM的T1、T2与改进型半桥子模块SMH的T3、T4同处于关断状态，ism＞0时，电流流通路径为：半桥子模块SM的正极引出端口A1→半桥子模块SM的D1→半桥子模块SM的电容C1→改进型半桥子模块SMH的D3→改进型半桥子模块SMH的电容C2→改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2。此时，子模块SM与改进型半桥子模块SMH的电容C1、C2同处于充电状态。
如图6(2)所示，模式10：半桥子模块SM的T1、T2与改进型半桥子模块SMH的T3、T4同处于关断状态，ism＜0时，电流流通路径为：改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2→晶闸管→半桥子模块SM的电容C1→半桥子模块SM的二极管D2→半桥子模块SM的正极引出端口A1。此时，子模块SM的电容C1处于充电状态，改进型半桥子模块SMH的电容C2处于旁路状态。
半桥子模块SM和改进型半桥子模块SMH的开关状态模模式如下表1所示：。
Figure BDA0003164860850000101
如图7所示，本发明的的桥臂拓扑构成的MMC拓扑在直流故障时的故障自清除电流通路示意图，流侧发生短路故障时，子模块SM和子模块SMH接收闭锁信号，晶闸管接收导通信号。以A、C相的故障电流流通路径为例，假设A相交流电流的参考方向为注入换流阀，C相交流电流的参考方向为流出换流阀。由故障回路可知，ism＞0时，子模块SM与改进型半桥子模块SMH的电容C1、C2同处于充电状态；ism＜0时，通过改进型半桥子模块SMH的双向开关T的双向导通与关断作用，利用导通的晶闸管构成充电回路，从而子模块SM的电容C1处于充电状态，改进型半桥子模块SMH的电容C2处于旁路状态。无论桥臂电流ism的方向如何，故障能量始终被子模块电容所吸收，从而实现直流故障自清除功能。
为了验证本发明一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑及MMC拓扑结构的直流故障自清除能力，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建如图3与图4所示的±100kV双端LCC-MMC、MMC-MMC仿真模型，模拟在逆变站直流侧出口除4.5s时发生双极瞬时短路故障，故障时长3ms。如图8(1)、8(2)所示，在双端MMC-MMC的逆变站直流侧直流出口发生双极瞬时短路故障下阀侧交直电流清除仿真波形示意图，图8(1)为交流电流波形，图8(2)为直流电流波形，可以看出，交流侧与直流侧的故障电流被阻断至零，交直流侧的故障电流得到彻底清除；如图9(1)、9(2)所示，在混合型双端LCC-MMC的MMC端直流出口发生双极瞬时短路故障下阀侧交直电流清除仿真波形示意图，图9(1)为交流电流波形，图9(2)为直流电流波形，可以看出，交流侧与直流侧的故障电流同样被阻断至零，交直流侧的故障电流得到彻底清除。
上述具体实施方式的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于提供具备直流故障自清除能力的新型桥臂拓扑结构，而不在于该桥臂拓扑结构所应用的换流系统，任何换流系统只要使用了本发明提供的桥臂拓扑结构及本发明，均落入本发明的保护范围之内。与其他桥臂拓扑结构构成MMC拓扑结构，只要涉及一个该新型桥臂拓扑结构及该新型桥臂拓扑所包含的改进型子模块SMH，就在本发明的保护范围内。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构，其特征在于：包括N/2个半桥子模块SM、N/2改进型半桥子模块SMH、N/2晶闸管；
半桥子模块SM的负极引出端口B1与改进型半桥子模块SMH的正极引出端口A2相连，晶闸管的阳极与半桥子模块SM的电容C1正极电位点相连，晶闸管的阴极与改进型半桥子模块SMH的负极引出端口B2相连。
2.根据权利要求1所述的具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构，其特征在于：所述半桥子模块SM包括绝缘栅双极型晶体管T1、T2、电容C1及二极管D1、D2，半桥子模块SM的电压正极引出端口A1连接至绝缘栅双极型晶体管T1发射极、T2集电极及二极管D1阳极、D2阴极，半桥子模块SM的电压负极引出端口B1连接至T2发射极、D2阳极、改进型半桥子模块SMH的正极引出端口A2；
所述半桥子模块SM的电容C1的正极端连接至T1集电极、D1阴极、晶闸管的阴极，半桥子模块SM的电容C1的负极端连接至T2发射极、D2阳极、半桥子模块SM的负极引出端口B1。
3.根据权利要求1所述的具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构，其特征在于：所述改进型半桥子模块SMH包括绝缘栅双极型晶体管T3、二极管D3、双向开关T及电容C2，改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2连接至绝缘栅双极型晶体管T3发射极、D3阳极、双向开关T二极管D41的阴极与D43的阳极的公共连接点、半桥子模块SM的电压负极引出端B1，改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2连接至双向开关T二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点、半桥子模块SM的电压正极引出端A1；
所述改进型半桥子模块SMH的电容C2的正极端连接至T3集电极、D3阴极、晶闸管的阳极，改进型半桥子模块SMH的电容C2的负极端连接至双向开关T二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点、改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2。
4.根据权利要求3所述的具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构，其特征在于：所述的双向开关T由绝缘栅双极型晶体管T4、二极管D41、二极管D42、二极管D43、二极管D44构成，绝缘栅双极型晶体管T4的集电极连接至二极管D43与二极管D44的共阴极点，绝缘栅双极型晶体管T4的发射极连接至二极管D41与二极管D42的共阳极点，二极管D41的阴极与D43的阳极的公共连接点与改进型半桥子模块SMH的电压正极引出端口A2相连接，二极管D42的阴极与D44的阳极的公共连接点与改进型半桥子模块SMH的电压负极引出端口B2相连接。
5.一种MMC拓扑结构，其特征在于：包括A、B、C三个相单元，三个相单元并联连接，每一个相单元分别由上桥臂拓扑和下桥臂拓扑串联构成，A、B、C三个相单元的上桥臂拓扑的高压端口共接与正极直流母线，A、B、C三个相单元的下桥臂拓扑的低压端口共接与负极直流母线，同一相单元上桥臂拓扑的低压端口与其下桥臂拓扑的高压端口相连，所述上桥臂拓扑和下桥臂拓扑均为一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑。
6.根据权利要求5所述的MMC拓扑结构，其特征在于：每一个桥臂由N/2个半桥子模块SM和N/2个改进型半桥子模块SMH交叉串联后再与桥臂电感L0串联构成，每一相单元共由2N个子模块，10N个IGBT，35N个二极管，4N个电容，N个晶闸管；每一个晶闸管都串联在半桥子模块SM的电容C1的正极端与改进型半桥子模块SMH的电容C2的负极端；
每一相上桥臂的第一个子模块上端口连接直流母线正极，第一个子模块的下端口连接第二个子模块的上端口，第二个子模块的下端口又连接到第三个子模块的上端口，第i个子模块的上端口连接到第i-1个子模块的下端口，下端口连接第i+1个的上端口，相领子模块依次相连，第N个子模块的上端口连接第N-1个子模块的下端口，下端口连接至上桥臂电抗器L0；
每一相下桥臂的第N个子模块的下端口连接直流母线的负极，上端口连接第N-1个子模块的下端口，对于下桥臂第i-1个子模块的下端口连接第i个子模块的上端口，相邻子模块依次相连，第1个子模块的上端口连接到下桥臂电抗器L0，下端口连接第二个子模块上端口。
7.根据权利要求6所述的MMC拓扑结构，其特征在于：每一相的上桥臂直流侧输出端与直流母线正极相连，交流侧输出端与上桥臂电抗器L0相连；下桥臂直流侧输出端与直流母线负极相连，交流侧输出端与下桥臂电抗器L0相连。在上下桥臂电抗器的连接点引出交流侧输出端口。
CN202110801338.7A 2021-07-15 2021-07-15 一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构 Pending CN113507203A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110801338.7A CN113507203A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110801338.7A CN113507203A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113507203A true CN113507203A (zh) 2021-10-15

Family

ID=78012817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110801338.7A Pending CN113507203A (zh) 2021-07-15 2021-07-15 一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113507203A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113991662A (zh) * 2021-11-10 2022-01-28 燕山大学 基于lcc-mmc的能量路由系统及直流故障保护方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160268915A1 (en) * 2014-05-29 2016-09-15 Huazhong University Of Science And Technology Submodule for modular multi-level converter and application thereof
CN206602450U (zh) * 2016-11-10 2017-10-31 中国石油大学(华东) 一种具有直流短路电流自清除能力的mmc子模块
US20180062536A1 (en) * 2015-03-24 2018-03-01 Siemens Aktiengesellschaft Converter Module For A Multi-Level Energy Converter
CN109995258A (zh) * 2019-05-15 2019-07-09 重庆大学 一种逆阻型二极管钳位子模块及其故障电流阻断方法
CN110224623A (zh) * 2019-06-12 2019-09-10 四川大学 一种直流故障阻断的模块化多电平换流器及子模块
CN111917317A (zh) * 2020-07-03 2020-11-10 上海交通大学 一种能阻断直流故障的柔直换流器、子模块及其保护方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160268915A1 (en) * 2014-05-29 2016-09-15 Huazhong University Of Science And Technology Submodule for modular multi-level converter and application thereof
US20180062536A1 (en) * 2015-03-24 2018-03-01 Siemens Aktiengesellschaft Converter Module For A Multi-Level Energy Converter
CN206602450U (zh) * 2016-11-10 2017-10-31 中国石油大学(华东) 一种具有直流短路电流自清除能力的mmc子模块
CN109995258A (zh) * 2019-05-15 2019-07-09 重庆大学 一种逆阻型二极管钳位子模块及其故障电流阻断方法
CN110224623A (zh) * 2019-06-12 2019-09-10 四川大学 一种直流故障阻断的模块化多电平换流器及子模块
CN111917317A (zh) * 2020-07-03 2020-11-10 上海交通大学 一种能阻断直流故障的柔直换流器、子模块及其保护方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113991662A (zh) * 2021-11-10 2022-01-28 燕山大学 基于lcc-mmc的能量路由系统及直流故障保护方法
CN113991662B (zh) * 2021-11-10 2023-12-01 燕山大学 基于lcc-mmc的能量路由系统及直流故障保护方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105162155B (zh) 一种具有直流故障穿越能力的串联混合型双极直流输电系统
CN104052026B (zh) 用于模块化多电平换流器的子模块拓扑及其应用
CN105406499B (zh) 一种智能的混合直流输电系统及故障处理方法
CN104753043B (zh) 一种具有直流故障穿越能力的多电平换流器及工作方法
CN111327216B (zh) 一种电阻型子模块混合mmc及其直流故障处理策略
CN104410260B (zh) 一种具有容错能力可实现直流故障自主防护的mmc子模块结构及其mmc调制方法
CN107994613A (zh) 一种风电柔直并网的交直流故障穿越及能量耗散方法
CN113991662B (zh) 基于lcc-mmc的能量路由系统及直流故障保护方法
CN111224569B (zh) 一种低全桥比例子模块混合型mmc及其直流故障处理策略
CN102969732A (zh) 一种混合双极直流输电系统
CN109830978A (zh) 一种具备故障自动穿越能力的风电柔直系统及控制方法
WO2014187181A1 (zh) 一种混合型换流器及风力发电系统
CN106655237A (zh) 多端柔性高压直流输电系统直流单极接地的故障穿越方法
CN104868748A (zh) 一种换流器模块单元、换流器、直流输电系统及控制方法
CN112039361B (zh) Mmc子模块及应用该子模块的mmc无闭锁低电压故障穿越方法
CN210693795U (zh) 一种组合型模块化多电平换流拓扑
CN103997033A (zh) 一种具备直流故障穿越能力的高压直流输电系统
CN111769530A (zh) 大规模风电接入的柔性直流输电故障电流协同抑制方法
WO2023134225A1 (zh) 一种低频输电系统及其控制方式
Ji et al. A voltage-balanced hybrid MMC topology for DC fault ride-through
CN111030060A (zh) 适用于直流故障清除的钳压式断路器拓扑
CN110912175A (zh) 一种混合四端高压直流输电系统
CN113300622B (zh) 一种模块化多电平换流器五电平钳位交叉型子模块拓扑结构
CN113507203A (zh) 一种具备直流故障电流主动转移抑制能力的桥臂拓扑结构及mmc拓扑结构
CN113258802A (zh) 一种具备直流故障清除和自均压能力的子模块拓扑结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination