CN113904573A - 一种半桥改进型mmc子模块拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构及其控制方法，包括第一绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的第四绝缘栅双极晶体管以及负极与所述第四绝缘栅双极晶体管发射极连接的电容；所述电容的正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接，所述电容和所述第一绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第五二极管，所述电容和所述第四绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第六二极管；在系统反应故障阶段，可以阻断交流系统向短路点的馈能通路，实现直流故障穿越。

Description

一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构及其控制方法
技术领域
本公开属于模块化多电平变换器技术领域，尤其涉及一种半桥改进型MMC 子模块拓扑结构及其控制方法。
背景技术
光伏发电与风力发电等新能源形式在电力系统中的占比呈逐渐增长态势， 新能源比重必然保持强劲增长势头。柔性直流输电技术(VSC-HVDC)是新能 源自送端孤岛系统送出至受端负荷中心的热点技术与关键技术。自柔性直流输 电的概念在上世纪提出以来，技术领域内相关问题的研究便从未停止过，按照 换流器类型经历了从两电平变换器到多电平变换器再到模块化多电平变换器 (MMC-HVDC)的发展历程。近些年来，MMC-HVDC因其谐波含量少，适用 于高压大功率场合，易于扩展性等优势成为业内研究的热门方向。经过十余年 的研究进程，MMC-HVDC领域的相关问题研究已经趋于成熟。
在MMC-HVDC的诸多问题之中，直流侧双线短路故障一旦发生，由于直 流系统本身惯性很小，故障电流发展速度会很快，使得系统交流侧断路器来不 及反应切断故障。如图1所示，常用的半桥型子模块拓扑在直流侧故障时会通 过子模块反并联二极管D1提供交流系统向直流侧短路点馈能的通道，因此故障 电流不会自动清除；由于交流侧断路器切断系统响应速度很慢，因此目前清除 直流侧故障电流的研究方向主要为半桥子模块+直流断路器方案，该方案已经 应用于柔性直流输电工程之中。
本公开发明人发现，半桥子模块+直流断路器方案，虽然高压直流断路器 可以实现3ms切断直流侧故障，但是采用的高压直流断路器仍然存在造价过高， 控制要求严密等主要问题；因此，需要设计一种具备直流侧故障电流自动清除 能力的子模块拓扑。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构 及其控制方法；通过在半桥型子模块支路上反向串联额外的绝缘栅双极型晶体 管，以及在半桥型子模块上设置两个二极管；在系统反应故障阶段，短路电流 对电容充电，子模块向系统提供反向电压，可以阻断交流系统向短路点的馈能 通路，实现直流故障穿越。
为了实现上述目的，第一方面，本公开提供了一种半桥改进型MMC子模 块拓扑结构，采用如下技术方案：
一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括第一绝缘栅双极晶体管、集 电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射 极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管、集电极 与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的第四绝缘栅双极晶体管以及负极与 所述第四绝缘栅双极晶体管发射极连接的电容；所述电容的正极与所述第一绝 缘栅双极晶体管集电极连接，所述电容和所述第一绝缘栅双极晶体管串联支路 上并联有第五二极管，所述电容和所述第四绝缘栅双极晶体管串联支路上并联 有第六二极管。
进一步的，所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所 述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管上分别反并联有第一二 极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。
进一步的，所述第五二极管连接在所述电容负极与所述第二二极管阴极之 间，所述第六二极管连接在所述电容正极与所述第三二极管阴极之间。
进一步的，所述第五二极管的阳极与所述电容的负极连接，阴极与所述第 二二极管的阴极连接；所述第六二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接， 阴极与所述电容的阳极连接。
为了实现上述目的，第二方面，本公开还提供了一种单晶闸管并联的半桥 改进型MMC子模块拓扑结构，采用如下技术方案：
一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括第一绝缘栅 双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双 极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极 晶体管以及负极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的电容，所述电容的 正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接；单晶闸管并联在所述第二绝缘 栅双极晶体管和所述第三绝缘栅双极晶体管串联的支路上。
进一步的，所述单晶闸管阳极连接所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极， 所述单晶闸管阴极连接所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极。
为了实现上述目的，第三方面，本公开提供了一种半桥改进型MMC子模 块拓扑结构控制方法，采用如下技术方案：
一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，采用了如第一方面所 述的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管始 终处于导通状态，所述第六二极管受反向电压关断；所述第一绝缘栅双极晶体 管导通，所述第二绝缘栅双极晶体管关断时，子模块处于投入状态，子模块向 系统提供电压，电流正向时流通路径为第一二极管二极管和电容，电流反向时 流通路径为电容和所述第一绝缘栅双极晶体管；所述第一绝缘栅双极晶体管关 断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通时，子模块处于切除状态，子模块向系统 提供电压为0，电流正向时流通路径为所述第二绝缘栅双极晶体管，电流反向时 通过第二二极管和第五二极管分流。
进一步的，直流输电系统发生双线短路故障时，故障按照如下两个阶段发 展：
绝缘栅双极晶体管闭锁前阶段：此阶段内MMC变换器将按照正常运行时 工作状态继续运行一段时间，子模块电容放电使得直流侧短路电流发展；系统 反应故障阶段：此阶段绝缘栅双极晶体管闭锁，直流侧短路电流流经第六二极 管、电容和第五二极管，短路电流对电容充电，子模块提供反向电压，阻断交 流系统向短路点的馈能通路。
为了实现上述目的，第四方面，本公开提供了一种单晶闸管并联的半桥改 进型MMC子模块拓扑结构控制方法，采用如下技术方案：
一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，采用 了如第二方面所述的单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管始终处于导通状态，单晶闸管处 于断开状态；投入状态时，所述第一绝缘栅双极晶体管导通，所述第二绝缘栅 双极晶体管关断，子模块向桥臂提供电压为电容电压；处于切除状态时，所述 第一绝缘栅双极晶体管关断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通，子模块向桥臂 提供电压为0。
进一步的，直流输电系统发生短路故障时，故障按照如下两个阶段发展：
第一阶段：所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第二绝缘栅双极晶体管关断， 所述第三绝缘栅双极晶体管导通，单晶闸管触发导通，短路电流将分流流过单 晶闸管所在支路，以及所述第三绝缘栅双极晶体管和第二二极管；第二阶段： 关断所述第三绝缘栅双极晶体管，此时短路电流仅流经单晶闸管。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
通过在半桥型子模块支路上反向串联额外的绝缘栅双极型晶体管，以及在 半桥型子模块上设置两个二极管；在系统反应故障阶段，短路电流对电容充电， 子模块向系统提供反向电压，可以阻断交流系统向短路点的馈能通路，实现直 流故障穿越。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解， 本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的 不当限定。
图1为本公开实施例1的半桥型子模块拓扑；
图2为本公开实施例1的半桥型子模块改进的具备直流故障穿越能力的子 模块；
图3为本公开实施例1的半桥型子模块改进的具备直流故障穿越能力的子 模块在正常运行状态下的等效电路；
图4为本公开实施例1的半桥型子模块改进的具备直流故障穿越能力的子 模块在投入状态下的电流流通路径；
图5为本公开实施例1的半桥型子模块改进的具备直流故障穿越能力的子 模块在投入状态下的电流流通路径；
图6为本公开实施例1的半桥型子模块改进的具备直流故障穿越能力的子 模块在故障阶段2电流流通路径；
图7为本公开实施例2的单晶闸管并联的半桥型子模块
图8为本公开实施例2的单晶闸管并联的半桥型子模块改进的具备直流故 障穿越能力的子模块；
图9为本公开实施例2的单晶闸管并联的半桥型子模块改进的具备直流故 障穿越能力的子模块在故障阶段2的第一小阶段的电流流通路径；
图10为本公开实施例2的单晶闸管并联的半桥型子模块改进的具备直流故 障穿越能力的子模块在故障阶段2的第二小阶段的电流流通路径。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。 除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图2所示，本公开提供了一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，实际 为半桥型子模块改进的具备直流故障穿越能力的子模块。
如图1和图2所示，在现有半桥型子模块基础上，增加了两个带有反并联 二极管的绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor-IGBT)，具体的为 第三绝缘栅双极晶体管T3和第四绝缘栅双极晶体管T4，以及两个二极管，具体的 为第五二极管D5和第六二极管D6，其中，所述第三绝缘栅双极晶体管T3和所述 第四绝缘栅双极晶体管T4通过反向串联的方式连接在同一支路上，所述第四绝 缘栅双极晶体管T4连接在第三绝缘栅双极晶体管T3与电容C负极之间，所述第 五二极管D5连接在电容C负极与第二二极管D2阴极之间，所述第六二极管D6连 接在电容C正极与第三二极管D3阴极之间，方向如图2所示。
具体的，在系统正常运行时，如图3所示，新型子模块可以充当半桥型子 模块使用，此工作状态下，所述第三绝缘栅双极晶体管T3和所述第四绝缘栅双 极晶体管T4始终处于导通状态，所述第六二极管D6因承受反向电压而关断，电 路可以等效为图3。第一绝缘栅双极晶体管T1导通，第二绝缘栅双极晶体管T2关 断时子模块处于投入状态，子模块向系统提供电压为UC，电流正向时流通路径 为所述第一二极管D1、电容C，电流反向时流通路径为电容C和所述第一绝缘 栅双极晶体管T1，路径如图4所示；所述第一绝缘栅双极晶体管T1关断，所述第 二绝缘栅双极晶体管T2导通时子模块处于切除状态，子模块向系统提供电压为0， 电流正向时流通路径为所述第二绝缘栅双极晶体管T2，电流反向时通过所述第 二二极管D2和所述第五二极管D5分流，流通路径如图5所示。
一旦直流输电系统发生双线短路故障，故障将按照如下两个阶段发展：
IGBT闭锁前阶段：该阶段是由于系统存在固有反应时间而产生的，此阶段 内MMC变换器将按照正常运行时工作状态继续运行一段时间，此时子模块电 容放电使得直流侧短路电流迅速发展。
系统反应故障阶段：此阶段所有缘栅双极晶体管闭锁，直流侧短路电流流经 所述第六二极管D6、所述电容C和所述第五二极管D5，短路电流对电容充电， 子模块向系统提供反向电压，可以阻断交流系统向短路点的馈能通路，实现直 流故障穿越，图6所示为该阶段电流流通路径。
实施例2：
如图8所示，本实施例提供了一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模 块拓扑结构，具体的为一种单晶闸管并联的半桥型子模块改进的具备直流故障 穿越能力的子模块。
单晶闸管并联的半桥型子模块改进型子模块相较于单晶闸管并联的半桥型 子模块来说，在第二绝缘栅双极晶体管T2所在支路上反向串联了一个第三绝缘 栅双极晶体管T3，仅仅增加了一个绝缘栅双极晶体管，但是和具有直流故障穿 越能力的全桥子模块来讲，反而减少了一个绝缘栅双极晶体管的使用，因此性 价比高。
在系统正常运行时，如图8所示，新型子模块可以充当半桥型子模块使用； 此工作状态下使得所述第二绝缘栅双极晶体管T3始终处于导通状态，单晶闸管S 处于断开状态，整个子模块按照传统半桥型子模块工作模式投入与切除；处于 投入状态时，第一绝缘栅双极晶体管T1导通，所述第二绝缘栅双极晶体管T2关断， 子模块向桥臂提供电压为电容电压UC；处于切除状态时，所述第一绝缘栅双极 晶体管T1关断，所述第二绝缘栅双极晶体管T2导通，子模块向桥臂提供电压为0。
故障时过程同实施例1中提到的两个阶段相同，其中，如图8所示电路可 以将阶段2分为两个小阶段：
第一小阶段：所述第一绝缘栅双极晶体管T1和所述第二绝缘栅双极晶体管T2因系统闭锁而关断，而使所述第三绝缘栅双极晶体管T3保持导通状态，同时所 述单晶闸管S触发导通，短路电流将分流流过晶闸管所在支路，以及IGBT T3， 二极管D2，保护IGBT不因过流而损坏，电流流通路径如图9所示。
第二小阶段：关断所述第三绝缘栅双极晶体管T3，此时短路电流仅流经所 述单晶闸管S，撤去晶闸管触发信号，电流自然过零后可自行关断，从而具备故 障穿越能力，该阶段电流流通路径，如图10所示。
实施例3：
本实施例提供了一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，采用 了如实施例1中所述的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管始 终处于导通状态，所述第六二极管受反向电压关断；所述第一绝缘栅双极晶体 管导通，所述第二绝缘栅双极晶体管关断时，子模块处于投入状态，子模块向 系统提供电压，电流正向时流通路径为第一二极管二极管和电容，电流反向时 流通路径为电容和所述第一绝缘栅双极晶体管；所述第一绝缘栅双极晶体管关 断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通时，子模块处于切除状态，子模块向系统 提供电压为0，电流正向时流通路径为所述第二绝缘栅双极晶体管，电流反向时 通过第二二极管和第五二极管分流。
在本实施例中，直流输电系统发生双线短路故障时，故障按照如下两个阶 段发展：
绝缘栅双极晶体管闭锁前阶段：此阶段内MMC变换器将按照正常运行时 工作状态继续运行一段时间，子模块电容放电使得直流侧短路电流发展；系统 反应故障阶段：此阶段绝缘栅双极晶体管闭锁，直流侧短路电流流经第六二极 管、电容和第五二极管，短路电流对电容充电，子模块提供反向电压，阻断交 流系统向短路点的馈能通路。
实施例4：
本实施例提供了一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构的 控制方法，采用了如实施例2中所述的单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模 块拓扑结构，包括：
正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管始终处于导通状态，单晶闸管处 于断开状态；投入状态时，所述第一绝缘栅双极晶体管导通，所述第二绝缘栅 双极晶体管关断，子模块向桥臂提供电压为电容电压；处于切除状态时，所述 第一绝缘栅双极晶体管关断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通，子模块向桥臂 提供电压为0。
在本实施例中，直流输电系统发生短路故障时，故障按照如下两个阶段发 展：
第一阶段：所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第二绝缘栅双极晶体管关断， 所述第三绝缘栅双极晶体管导通，单晶闸管触发导通，短路电流将分流流过单 晶闸管所在支路，以及所述第三绝缘栅双极晶体管和第二二极管；第二阶段： 关断所述第三绝缘栅双极晶体管，此时短路电流仅流经单晶闸管。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于 本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，包括第一绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的第四绝缘栅双极晶体管以及负极与所述第四绝缘栅双极晶体管发射极连接的电容；所述电容的正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接，所述电容和所述第一绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第五二极管，所述电容和所述第四绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第六二极管。
2.如权利要求1所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管上分别反并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。
3.如权利要求2所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述第五二极管连接在所述电容负极与所述第二二极管阴极之间，所述第六二极管连接在所述电容正极与所述第三二极管阴极之间。
4.如权利要求3所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述第五二极管的阳极与所述电容的负极连接，阴极与所述第二二极管的阴极连接；所述第六二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接，阴极与所述电容的阳极连接。
5.一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，包括第一绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管以及负极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的电容，所述电容的正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接；单晶闸管并联在所述第二绝缘栅双极晶体管和所述第三绝缘栅双极晶体管串联的支路上。
6.如权利要求5所述的一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述单晶闸管阳极连接所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极，所述单晶闸管阴极连接所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极。
7.一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，其特征在于，采用了如权利要求1-4任一项所述的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管始终处于导通状态，所述第六二极管受反向电压关断；所述第一绝缘栅双极晶体管导通，所述第二绝缘栅双极晶体管关断时，子模块处于投入状态，子模块向系统提供电压，电流正向时流通路径为第一二极管二极管和电容，电流反向时流通路径为电容和所述第一绝缘栅双极晶体管；所述第一绝缘栅双极晶体管关断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通时，子模块处于切除状态，子模块向系统提供电压为0，电流正向时流通路径为所述第二绝缘栅双极晶体管，电流反向时通过第二二极管和第五二极管分流。
8.如权利要求7所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，其特征在于，直流输电系统发生双线短路故障时，故障按照如下两个阶段发展：
绝缘栅双极晶体管闭锁前阶段：此阶段内MMC变换器将按照正常运行时工作状态继续运行一段时间，子模块电容放电使得直流侧短路电流发展；系统反应故障阶段：此阶段绝缘栅双极晶体管闭锁，直流侧短路电流流经第六二极管、电容和第五二极管，短路电流对电容充电，子模块提供反向电压，阻断交流系统向短路点的馈能通路。
9.一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，其特征在于，采用了如权利要求5-6任一项所述的单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管始终处于导通状态，单晶闸管处于断开状态；投入状态时，所述第一绝缘栅双极晶体管导通，所述第二绝缘栅双极晶体管关断，子模块向桥臂提供电压为电容电压；处于切除状态时，所述第一绝缘栅双极晶体管关断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通，子模块向桥臂提供电压为0。
10.如权利要求9所述的一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，其特征在于，直流输电系统发生短路故障时，故障按照如下两个阶段发展：
第一阶段：所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第二绝缘栅双极晶体管关断，所述第三绝缘栅双极晶体管导通，单晶闸管触发导通，短路电流将分流流过单晶闸管所在支路，以及所述第三绝缘栅双极晶体管和第二二极管；第二阶段：关断所述第三绝缘栅双极晶体管，此时短路电流仅流经单晶闸管。
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