CN204304822U - 一种混合结构的模块化多电平换流器 - Google Patents

一种混合结构的模块化多电平换流器 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供一种混合结构的模块化多电平换流器，所述换流器包括三相单元，每相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂包括子模块和电抗器，所述每个桥臂的子模块依次级联后一端通过电抗器与变压器相连，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，所述每个桥臂的子模块包括上下两组，上组子模块全为单箝位子模块SCSM结构，下组子模块全为半桥子模块HBSM结构。本实用新型提供的混合结构的模块化多电平换流器有较强的直流故障穿越能力，同时相对于传统的模块化多电平换流器而言节省了半导体器件。

Description

一种混合结构的模块化多电平换流器
技术领域
本实用新型涉及一种换流器，具体讲涉及一种混合结构的模块化多电平换流器。
背景技术
主要用于高压直流(HVDC)输电的模块化多电平换流器(MMC)成功应用于大功率换流器。与传统两、三电平电压源换流器高压直流输电(Voltage SourceConverter based HVDC，VSC-HVDC)相比，模块化多电平换流器高压直流输电(Modular Multilevel Converter based HVDC，MMC-HVDC)有诸多优点：交流侧和直流侧能够进行完全控制，直流母线无需安装电容器，电力电子设备在故障后具有冗余运行能力，无需安装交流滤波器等等。由于MMC具有的独特优点，MMC-HVDC已成为未来HVDC领域的发展趋势。2010年，第一个商业化的MMC-HVDC工程“Trans Bay Cable Project(TBC)”在美国投运，其最高运行的直流电压达±200kV、最高输送容量达400MW。此外，世界各地2013年已超过4个MMC-HVDC工程投入运行。国内已建成投运的上海南汇柔性直流工程，以及即将启动建设的舟山多端柔性直流工程和大连柔性直流工程均以半桥型MMC(Half-Bridge MMC,HBMMC)为换流器拓扑，目前几乎所有的MMC-HVDC工程都是采用半桥子模块(Half-Bridge Sub-Module，HBSM)拓扑结构。
当柔性直流输电系统发生双极直流短路故障时，HBMMC-HVDC以及两、三电平VSC-HVDC中绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)反并联二极管的续流作用，使得交流系统在短路点发生三相短路，且无法依靠换流器自身切断短路电流，严重危害系统的安全运行。同时，由于高电压大容量直流断路器的制造工艺尚不成熟，现有多端柔性直流工程要求直流电缆必须具有极高的可靠性，即要求极低的直流故障发生概率，这在一定程度上限制了柔性直流向多端输电领域的发展和应用。
为解决这一问题，HBMMC拓扑的创始人R.Marquardt教授又在其论文中介绍了具有穿越严重直流故障的全桥型MMC(Full-Bridge MMC,FBMMC)结构，每个全桥子模块(Full-Bridge Sub-module,FBSM)可以输出三种电平，其能够中断任何方向的桥臂电流，并能够改变MMC的直流母线电压极性，但是它需要双倍数量的半导体器件。由于FBMMC所需要的半导体器件要比HBMMC多一倍，这又严重制约了FBMMC的工程应用，这也是目前的MMC-HVDC工程均采用半桥结构的原因。
为了解决直流故障穿越能力与半导体器件数量上的矛盾，申请号为201210451918.9的发明专利披露了一种模块化多电平换流器的混合结构模型，这种混合结构模型将模块化多电平换流器的每个桥臂上的子模块分为上下两组，上组子模块全部为FBSM结构，下组子模块全部为HBSM结构；但是FBSM结构需要四个绝缘栅双极型晶体管IGBT来提升模块化多电平换流器的直流故障穿越能力，所需电力电子器件的数量仍然比较多；因此，需要提供一种新的技术方案，在不降低模块化多电平换流器的直流故障穿越能力的前提下，进一步减少电力电子器件的数量，从而降低成本。
实用新型内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本实用新型提供一种新的混合结构的模块化多电平换流器。
本实用新型提供的技术方案是：一种混合结构的模块化多电平换流器，所述换流器包括三相单元，每相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂包括子模块和电抗器，所述每个桥臂的子模块依次级联后一端通过电抗器与变压器相连，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，其改进之处在于：所述每个桥臂的子模块包括上下两组，上组子模块全为单箝位子模块SCSM结构，下组子模块全为半桥子模块HBSM结构。
优选的，所述单箝位子模块SCSM结构包括绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2和IGBT3，二极管D1、D2、D3和D4，以及电容C；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极分别与所述二极管D1的阴极、所述电容C的一端以及所述二极管D4的阴极连接，其发射极分别与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极、所述二极管D2的阴极、以及所述二极管D1的阳极连接；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极分别与所述二极管D2的阳极、所述电容C的另一端、所述绝缘栅双极型晶体管IGBT3的发射极、以及所述二极管D3的阳极连接；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极分别与所述二极管D3的阴极和所述二极管D4的阳极连接。
进一步，当前单箝位子模块SCSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极与其上一个单箝位子模块SCSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极连接。
优选的，所述半桥子模块HBSM结构包括绝缘栅双极型晶体管IGBT4和IGBT5，二极管D5和D6，以及电容C0；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT4的集电极分别与所述二极管D5的阴极和所述电容C0的一端连接，其发射极分别与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT5的集电极、所述二极管D5的阳极、以及所述二极管D6的阴极连接；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT5的发射极分别与所述二极管D6的阳极和所述电容C0的另一端连接。
进一步，当前半桥子模块HBSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT4的发射极与其上一个半桥子模块HBSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT5的发射极连接。
优选的，每个桥臂的单箝位子模块SCSM结构的数量Ns与半桥子模块HBSM结构的数量NH的比值为9：11。
与最接近的技术方案相比，本实用新型具有如下有益进步：
本实用新型提供的混合结构的模块化多电平换流器具有较强的直流故障穿越能力，同时相对于传统的模块化多电平换流器而言节省了半导体器件，其在技术和成本上实现了更好的统一。
附图说明
图1是通用的模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图2是半桥子模块HBSM结构的拓扑结构图；
图3是单箝位子模块SCSM结构的拓扑结构图；
图4为本实用新型提供的混合结构的模块化多电平换流器的单个桥臂的拓扑结构图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合说明书附图和实例对本实用新型的内容做进一步的说明。
图1是通用的模块化多电平换流器的拓扑结构图。图1中，A，B和C分别表示模块化多电平换流器MMC交流侧三相；SM1，SM2，…，SMn,表示MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；L表示桥臂电抗器；Udc表示MMC正负极直流母线间的电压差。
图2是半桥子模块HBSM结构的拓扑结构图。图2中，T4和T5分别表示半桥子模块中上下两个IGBT；D5和D6分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管；C0表示半桥子模块中电容器；Uc表示子模块电容电压；Usm表示子模块端口输出电压，半桥子模块HBSM结构无法穿越直流故障。
图3是单箝位子模块SCSM结构的拓扑结构图。图3中，T1，T2，T3分别表示子模块中3个绝缘栅双极型晶体管IGBT，D1，D2，D3分别表示相应绝缘栅双极型晶体管IGBT的反并联二极管，D4为独立二极管；C表示子模块中电容器；单箝位子模块SCSM结构能有效抑制直流故障电流，和传统的FBSM结构相比，每个子模块均能减少一个绝缘栅双极型晶体管IGBT，有效降低了工程成本。
图4是本实用新型提供的混合结构的模块化多电平换流器的单个桥臂的拓扑结构图。
模块化多电平换流器MMC的通用拓扑结构由三相六个桥臂组成，如图1所示，本实用新型对每个桥臂上的子模块进行分组，分为数量分别为NS和NH的上下两组，并将上组的子模块全为单箝位子模块SCSM结构，下组的子模块全为半桥子模块HBSM结构，如图4所示。
单个桥臂上的两种子模块数目的选取需要考虑一下三点原则(暂不考虑冗余)：1)单个桥臂上单箝位子模块SCSM和半桥子模块HBSM的个数之和需要满足工程需要的个数N；2)单箝位子模块SCSM和半桥子模块HBSM的个数的选择需要满足相间回路间电容提供的反向电压大于线电压幅值。即单个桥臂上两种子模块数目的选取需要满足公式(1)：
N S + N H = N 2 N S U C > 3 U m - - - ( 1 )
其中，NS为单个桥臂中单箝位子模块SCSM的个数，NH为单个桥臂中半桥子模块HBSM的个数，N为单个桥臂中所有子模块的个数，UC为子模块电容电压，Um为交流侧相电压的幅值。
模块化多电平换流器MMC子模块电容模块电压与阀侧交流电压关系如式(2)所示：
U dc = NU C U m = 1 2 m U dc = 1 2 m NU C - - - ( 2 )
其中，Udc为直流侧电压，m为调制比。
结合公式(1)和(2)，可以得到能够穿越直流故障的单个桥臂SCSM个数NS的取值范围，其如公式(3)所示：
其中，表示大于参数x的最小整数。
由于模块化多电平换流器MMC的调制比m不超过1，考虑到模块化多电平换流器MMC运行中的各种工况，因此桥臂上SCSM个数NS的取值范围可以修正为公式(4)，
3 4 N ≤ N S ≤ N - - - ( 4 )
通过公式(4)分析可知，在充分考虑系统承受力的基础上尽可能节省投资成本和降低运行损耗，单个桥臂中单箝位子模块SCSM结构个数NS＝0.45N，半桥子模块HBSM结构个数NH＝0.55N较为合理。
以上仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种混合结构的模块化多电平换流器，所述换流器包括三相单元，每相单元由上下两个桥臂组成，每个桥臂包括子模块和电抗器，所述每个桥臂的子模块依次级联后一端通过电抗器与变压器相连，另一端与另两相桥臂级联的子模块连接，分别形成正负极母线，其特征在于：所述每个桥臂的子模块包括上下两组，上组子模块全为单箝位子模块SCSM结构，下组子模块全为半桥子模块HBSM结构。
2.如权利要求1所述的一种混合结构的模块化多电平换流器，其特征在于：
所述单箝位子模块SCSM结构包括绝缘栅双极型晶体管IGBT1、IGBT2和IGBT3，二极管D1、D2、D3和D4，以及电容C；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT1的集电极分别与所述二极管D1的阴极、所述电容C的一端以及所述二极管D4的阴极连接，其发射极分别与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2的集电极、所述二极管D2的阴极、以及所述二极管D1的阳极连接；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2的发射极分别与所述二极管D2的阳极、所述电容C的另一端、所述绝缘栅双极型晶体管IGBT3的发射极、以及所述二极管D3的阳极连接；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极分别与所述二极管D3的阴极和所述二极管D4的阳极连接。
3.如权利要求2所述的一种混合结构的模块化多电平换流器，其特征在于：
当前单箝位子模块SCSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT1的发射极与其上一个单箝位子模块SCSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT3的集电极连接。
4.如权利要求1所述的一种混合结构的模块化多电平换流器，其特征在于：
所述半桥子模块HBSM结构包括绝缘栅双极型晶体管IGBT4和IGBT5，二极管D5和D6，以及电容C0；
所述绝缘栅双极型晶体管IGBT4的集电极分别与所述二极管D5的阴极和所述电容C0的一端连接，其发射极分别与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT5的集电极、所述二极管D5的阳极、以及所述二极管D6的阴极连接；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT5的发射极分别与所述二极管D6的阳极和所述电容C0的另一端连接。
5.如权利要求4所述的一种混合结构的模块化多电平换流器，其特征在于：
当前半桥子模块HBSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT4的发射极与其上一个半桥子模块HBSM结构的绝缘栅双极型晶体管IGBT5的发射极连接。
6.如权利要求1所述的一种混合结构的模块化多电平换流器，其特征在于：
每个桥臂的单箝位子模块SCSM结构的数量Ns与半桥子模块HBSM结构的数量NH的比值为9：11。
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