CN115313493A - 基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，所述保护方法包括正常运行控制、直流侧故障清除控制和交流侧故障清除控制，所述高效混合型模块化多电平变流器由混合型模块化多电平变流器和晶闸管支路构成，混合型模块化多电平变流器为ABC三相结构，每相由一个上桥臂和一个下桥臂构成，晶闸管支路交错连接在混合型模块化多电平变流器不同相的上桥臂电感和下桥臂电感之间；三相上桥臂上端短接后经第一机械开关连接至直流侧，三相下桥臂下端短接后经第二机械开关连接至地。保护方法能够在模块化多电平变流器阀侧发生单相接地故障时，抑制变流器上桥臂电容过电压，快速断开故障电流，实现变流器阀侧单相接地故障保护。

Description

基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法
技术领域
本发明涉及多电平电力电子变换器技术领域，具体是基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法。
背景技术
模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)相对于传统的两电平和三电平变流器具有效率高、输出交流电压谐波小、高度模块化等特点，更适用于高电压、大功率的应用场合，在柔性直流输电、可再生能源消纳等领域具有广阔的应用前景。
交流故障是MMC系统所面临的重要问题，其中变流器阀侧单相接地故障的故障特性最为严重，将导致MMC内非故障相桥臂出现较大电压差，使子模块持续充电，引起严重过电压，危害MMC，影响直流电网控制；此外，交流故障还会导致电网交流电流无过零点，影响交流断路器对系统的保护。结果，变流器阀侧接地故障不仅对MMC造成危害，而且也影响交直流电网，造成故障由局部转为全局故障。
目前有多种交流故障保护方法，如经阻感接地法在MMC和地线之间加装电阻和并联电感实现保护，其不足之处在于上桥臂会产生过电压；基于全桥型的MMC法通过全桥子模块实现保护故障保护，其不足之处在于需要配备大量的全桥子模块，既增加了变流器正常运行时的损耗，降低系统运行效率，也增加了变流器的建设成本，因此，现在提出一种基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法。
发明内容
本发明的目的在于提供基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，能够有效地抑制上桥臂子模块电容过电压，解决电网交流电流无过零点问题，同时利用交错晶闸管支路实现变流器交直流侧解耦，减少全桥子模块数量，降低损耗，提高效率、经济性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，所述保护方法包括正常运行控制、直流侧故障清除控制和交流侧故障清除控制，保护方法具体操作包括以下步骤：
步骤一：正常运行控制检测到故障进入直流侧故障清除控制。
步骤二：直流侧故障清除控制进行变流器上桥臂电容过电压抑制。
步骤三：交流侧故障清除控制进行交流故障电流清除。
进一步的，所述高效混合型模块化多电平变流器由混合型模块化多电平变流器和晶闸管支路构成，混合型模块化多电平变流器为ABC三相结构，每相由一个上桥臂和一个下桥臂构成。
所述上桥臂包含N个半桥子模块和一个桥臂电感，下桥臂包含M个单极全桥子模块、N-M个半桥子模块和一个桥臂电感。
所述晶闸管支路由串联晶闸管组成，交错连接在混合型模块化多电平变流器不同相的上桥臂电感和下桥臂电感之间，三相上桥臂上端短接后经第一机械开关连接至直流侧，三相下桥臂下端短接后经第二机械开关连接至地，交流侧经变压器连接至交流电网。
进一步的，所述半桥子模块包含上I GBT、下I GBT、上二极管、下二极管、电解电容，其中上二极管反并联在上I GBT两端，下二极管反并联在下I GBT两端。
所述上IGBT的发射极连接至下IGBT的集电极，且该连接点作为半桥子模块的正端，电解电容的正极连接至上IGBT的集电极，电解电容的负极连接至下IGBT的发射极，且该连接点作为半桥子模块的负端。
进一步的，所述单极全桥子模块包含上1IGBT、下1IGBT、下2IGBT、上1二极管、下1二极管、上2二极管、下2二极管和电解电容，其中上1二极管反并联在上1IGBT两端，下1二极管反并联在下1IGBT两端，下2二极管反并联在下2IGBT两端。
所述上1IGBT的发射极连接至下1IGBT的集电极，且该连接点作为单极全桥子模块的正端，上2二极管的阳极连接至下2IGBT的集电极，且该连接点作为单极全桥子模块的正端，电解电容的正极分别连接上1IGBT集电极和上2二极管阴极，电解电容的负极分别连接下1IGBT发射极和下2IGBT发射极。
进一步的，所述晶闸管支路交错连接在各相桥臂上，第一晶闸管支路的阳极连接A相上桥臂电感的上端，阴极连接B相下桥臂电感的下端；第二晶闸管支路的阳极连接B相下桥臂电感的下端，阴极连接C相上桥臂电感的上端。
第三晶闸管支路的阳极连接C相上桥臂电感的上端，阴极连接A相下桥臂电感的下端；第四晶闸管支路的阳极连接A相下桥臂电感的下端，阴极连接B相上桥臂电感的上端；第五晶闸管支路的阳极连接B相上桥臂电感的上端，阴极连接C相下桥臂电感的下端；第六晶闸管支路的阳极连接C相下桥臂电感的下端，阴极连接A相上桥臂电感的上端。
进一步的，所述步骤二直流侧故障清除控制进行变流器上桥臂电容过电压抑制，具体操作包括以下步骤：
S1：采集桥臂电流iarm，当iarm大于1.5倍的额定值时，判定系统阀侧发生单相接地故障。
S2：关闭半桥子模块上IGBT、下IGBT的触发信号，关闭单极全桥子模块上1IGBT、下1IGBT、下2IGBT的触发信号，导通晶闸管支路中的晶闸管。
S3：对各相桥臂电流进行iarm采样，当iarm下降至零时，判定桥臂故障电流清除，桥臂电容电压得到抑制，断开直流侧第一机械开关和第二机械开关，实现故障变流器与直流侧隔离。
进一步的，所述步骤三通过将第一机械开关和第二机械开关完成断开后，导通单极全桥子模块中的下2IGBT，移除晶闸管信号，完成交流故障电流清除。
本发明的有益效果：
1、本发明保护方法采用交错晶闸管跨接在各相桥臂上的设计，故障时通过导通晶闸管支路，制造交流侧的三相短路，使得交流出口处非故障相相电压变为零，非故障上桥臂电压变为直流侧电压，从而有效抑制非故障相上桥臂过电压，避免非故障相上桥臂子模块持续充电；
2、本发明保护方法采用交错晶闸管和半桥子模块和单极性全桥子模块混合的设计，故障时导通晶闸管支路实现变流器交直流侧隔离，使得下桥臂直流分量无法流入交流侧，实现无过零点的故障电流的快速熄灭；
3、本发明保护方法利用闭锁的单极全桥子模块实现下桥臂故障电流的快速清除；
4、本发明保护方法提出的高效混合型模块化多电平变流器只需在下桥臂配置少量的单极全桥子模块，在正常运行时，高效混合型变流器较下桥臂配置100％的全桥子模块的基于全桥型的模块化多电平变流器减少了大量的变流器损耗，提高了变流器运行效率，在变流器满足安全可靠运行的同时，减少了电能损耗；
5、本法明保护方法中的晶闸管支路正常运行时处于闭锁状态，故对系统正常运行时的特性不产生任何影响。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明基于高效混合型模块化多电平变流器的拓扑结构图；
图2是本发明保护方法具体实施的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，高效混合型模块化多电平变流器由混合型模块化多电平变流器和晶闸管支路构成，混合型模块化多电平变流器为ABC三相结构，每相由一个上桥臂1.1和一个下桥臂1.2构成，其中上桥臂1.1包含N个半桥子模块1.3和一个桥臂电感1.5，下桥臂1.2包含M个单极全桥子模块1.4、N-M个半桥子模块1.3和一个桥臂电感1.5；
晶闸管支路1.6由串联晶闸管组成，交错连接在混合型模块化多电平变流器不同相的上桥臂电感和下桥臂电感之间，三相上桥臂上端短接后经第一机械开关1.7连接至直流侧，三相下桥臂下端短接后经第二机械开关1.8连接至地，交流侧经变压器1.9连接至交流电网。
半桥子模块1.3包含上IGBT、下IGBT、上二极管、下二极管、电解电容，其中上二极管反并联在上IGBT两端，下二极管反并联在下IGBT两端，上IGBT的发射极连接至下IGBT的集电极，且该连接点作为半桥子模块的正端，电解电容的正极连接至上IGBT的集电极，电解电容的负极连接至下IGBT的发射极，且该连接点作为半桥子模块的负端。
单极全桥子模块1.4包含上1IGBT、下1IGBT、下2IGBT、上1二极管、下1二极管、上2二极管、下2二极管和电解电容，其中上1二极管反并联在上1IGBT两端，下1二极管反并联在下1IGBT两端，下2二极管反并联在下2IGBT两端，上1IGBT的发射极连接至下1IGBT的集电极，且该连接点作为单极全桥子模块的正端，上2二极管的阳极连接至下2IGBT的集电极，且该连接点作为单极全桥子模块的正端，电解电容的正极分别连接上1IGBT集电极和上2二极管阴极，电解电容的负极分别连接下1IGBT发射极和下2IGBT发射极。
晶闸管支路1.6交错连接在各相桥臂上，第一晶闸管支路的阳极连接A相上桥臂电感的上端，阴极连接B相下桥臂电感的下端；第二晶闸管支路的阳极连接B相下桥臂电感的下端，阴极连接C相上桥臂电感的上端；第三晶闸管支路的阳极连接C相上桥臂电感的上端，阴极连接A相下桥臂电感的下端；第四晶闸管支路的阳极连接A相下桥臂电感的下端，阴极连接B相上桥臂电感的上端；第五晶闸管支路的阳极连接B相上桥臂电感的上端，阴极连接C相下桥臂电感的下端；第六晶闸管支路的阳极连接C相下桥臂电感的下端，阴极连接A相上桥臂电感的上端。
如图2所示，保护方法包括正常运行控制2.1、直流侧故障清除控制2.2和交流侧故障清除控制2.3，保护方法具体操作包括以下步骤：
步骤一：正常运行控制2.1检测到故障进入直流侧故障清除控制2.2
半桥子模块1.3中上IGBT、下IGBT互补运行，单极全桥子模块1.4中上1IGBT、下1IGBT互补运行，下2IGBT处于导通状态，晶闸管支路1.6处于闭锁状态，直流侧第一机械开关1.7、第二机械开关1.8保持闭合。
步骤二：直流侧故障清除控制2.2进行故障变流器与直流侧隔离，具体操作包括以下步骤：
S1：采集桥臂电流iarm，当iarm大于1.5倍的额定值时，判定系统阀侧发生单相接地故障；
S2：关闭半桥子模块1.3上IGBT、下IGBT的触发信号，关闭单极全桥子模块1.4上1IGBT、下1IGBT、下2IGBT的触发信号，导通晶闸管支路1.6中的晶闸管；
S3：对各相桥臂电流进行iarm采样，当iarm下降至零时，判定桥臂故障电流清除，桥臂电容电压得到抑制，断开直流侧第一机械开关1.7和第二机械开关1.8，实现故障变流器与直流侧隔离。
步骤三：交流侧故障清除控制2.3进行交流故障电流清除
当第一机械开关1.7和第二机械开关1.8完成断开后，导通单极全桥子模块中的下2IGBT，移除晶闸管信号，完成交流故障电流清除。
本发明保护方法能够避免非故障相上桥臂子模块持续充电，有效抑制非故障相桥臂过电压：
传统的三相半桥模块化多电平变流器在发生阀侧单相接地故障时，由于MMC交流出口处故障相相电压变为零，非故障相相电压上升至线电压，使得非故障相上桥臂子模块持续充电，产生过电压；本发明采用交错晶闸管跨接在各相桥臂上的设计，故障时通过导通晶闸管支路，制造交流侧的三相短路，使得交流出口处非故障相相电压变为零，非故障上桥臂电压变为直流侧电压，从而有效抑制非故障相上桥臂过电压。
本发明保护方法能够快速熄灭无过零点的故障电流，清除交流故障：
传统的三相半桥模块化多电平变流器在发生阀侧单相接地故障时，由于续流二极管的存在，使得下桥臂电流存在直流分量，且从MMC接地点流入交流故障点，造成交流电流不过零，影响交流断路器动作；本发明采用交错晶闸管和半桥子模块和单极性全桥子模块混合的设计，故障时导通晶闸管支路实现变流器交直流侧隔离，使得下桥臂直流分量无法流入交流侧，实现无过零点的故障电流的快速熄灭。此外，本发明利用闭锁的单极全桥子模块实现下桥臂故障电流的快速清除。
本发明保护方法在正常运行时不影响MMC的运行特性，且有较小的变流器损耗：
传统的模块化多电平变流器为了实现交流故障保护，需要在下桥臂配备大量的全桥子模块，目前基于全桥型MMC的故障保护方法均在下桥臂配置100％的全桥子模块；而本发明所提出的高效混合型模块化多电平变流器只需在下桥臂配置少量的单极全桥子模块，因此正常运行时，本发明提出的变流器较基于全桥型的模块化多电平变流器减少了大量的变流器损耗，提高了变流器运行效率，在变流器满足安全可靠运行的同时，减少了电能损耗。此外，本法明中的晶闸管支路正常运行时处于闭锁状态，故对系统正常运行时的特性不产生任何影响。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述保护方法包括正常运行控制(2.1)、直流侧故障清除控制(2.2)和交流侧故障清除控制(2.3)，保护方法具体操作包括以下步骤：
步骤一：正常运行控制(2.1)检测到故障进入直流侧故障清除控制(2.2)；
步骤二：直流侧故障清除控制(2.2)进行变流器上桥臂电容过电压抑制；
步骤三：交流侧故障清除控制(2.3)进行交流故障电流清除。
2.根据权利要求1所述的基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述高效混合型模块化多电平变流器由混合型模块化多电平变流器和晶闸管支路构成，混合型模块化多电平变流器为ABC三相结构，每相由一个上桥臂(1.1)和一个下桥臂(1.2)构成；
所述上桥臂(1.1)包含N个半桥子模块(1.3)和一个桥臂电感(1.5)，下桥臂(1.2)包含M个单极全桥子模块(1.4)、N-M个半桥子模块(1.3)和一个桥臂电感(1.5)；
所述晶闸管支路(1.6)由串联晶闸管组成，交错连接在混合型模块化多电平变流器不同相的上桥臂电感和下桥臂电感之间，三相上桥臂上端短接后经第一机械开关(1.7)连接至直流侧，三相下桥臂下端短接后经第二机械开关(1.8)连接至地，交流侧经变压器(1.9)连接至交流电网。
3.根据权利要求2所述的基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述半桥子模块(1.3)包含上IGBT、下IGBT、上二极管、下二极管、电解电容，其中上二极管反并联在上IGBT两端，下二极管反并联在下IGBT两端；
所述上IGBT的发射极连接至下IGBT的集电极，且该连接点作为半桥子模块的正端，电解电容的正极连接至上IGBT的集电极，电解电容的负极连接至下IGBT的发射极，且该连接点作为半桥子模块的负端。
4.根据权利要求3所述的基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述单极全桥子模块(1.4)包含上1IGBT、下1IGBT、下2IGBT、上1二极管、下1二极管、上2二极管、下2二极管和电解电容，其中上1二极管反并联在上1IGBT两端，下1二极管反并联在下1IGBT两端，下2二极管反并联在下2IGBT两端；
所述上1IGBT的发射极连接至下1IGBT的集电极，且该连接点作为单极全桥子模块的正端，上2二极管的阳极连接至下2IGBT的集电极，且该连接点作为单极全桥子模块的正端，电解电容的正极分别连接上1IGBT集电极和上2二极管阴极，电解电容的负极分别连接下1IGBT发射极和下2IGBT发射极。
5.根据权利要求4所述的基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述晶闸管支路(1.6)交错连接在各相桥臂上，第一晶闸管支路的阳极连接A相上桥臂电感的上端，阴极连接B相下桥臂电感的下端；第二晶闸管支路的阳极连接B相下桥臂电感的下端，阴极连接C相上桥臂电感的上端；
第三晶闸管支路的阳极连接C相上桥臂电感的上端，阴极连接A相下桥臂电感的下端；第四晶闸管支路的阳极连接A相下桥臂电感的下端，阴极连接B相上桥臂电感的上端；第五晶闸管支路的阳极连接B相上桥臂电感的上端，阴极连接C相下桥臂电感的下端；第六晶闸管支路的阳极连接C相下桥臂电感的下端，阴极连接A相上桥臂电感的上端。
6.根据权利要求5所述的基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述步骤二直流侧故障清除控制(2.2)进行变流器上桥臂电容过电压抑制，具体操作包括以下步骤：
S1：采集桥臂电流iarm，当iarm大于1.5倍的额定值时，判定系统阀侧发生单相接地故障；
S2：关闭半桥子模块(1.3)上IGBT、下IGBT的触发信号，关闭单极全桥子模块(1.4)上1IGBT、下1IGBT、下2IGBT的触发信号，导通晶闸管支路(1.6)中的晶闸管；
S3：对各相桥臂电流进行iarm采样，当iarm下降至零时，判定桥臂故障电流清除，桥臂电容电压得到抑制，断开直流侧第一机械开关(1.7)和第二机械开关(1.8)，实现故障变流器与直流侧隔离。
7.根据权利要求6所述的基于高效混合型模块化多电平变流器交流故障保护方法，其特征在于，所述步骤三通过将第一机械开关(1.7)和第二机械开关(1.8)完成断开后，导通单极全桥子模块中的下2IGBT，移除晶闸管信号，完成交流故障电流清除。
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