CN206602450U - 一种具有直流短路电流自清除能力的mmc子模块 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块，能够快速清除直流侧短路故障电流，从而避免交流断路器动作，缩短了直流故障清除时间，提高系统稳定性。本实用新型一种具有直流短路电流自清除能力的MMC二极管钳位逆阻型双子模块主要包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、二极管D4、电容C1和电容C2；所述第一、第二、第三开关管为IGBT与反并联二极管，第四开关管为IGBT与反并联逆阻型IGBT。换流器正常工作时，本实用新型子模块可以等效成两个级联的半桥子模块。在输出相同电平数电压情况下，与现有的半桥子模块相比较，具备直流侧短路电流自清除能力，与全桥子模块相比，减少了半导体器件的数量，降低工作损耗和运行成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及MMC换流器领域，尤其是一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，多电平变换器及其相关技术的研究已逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。模块化多电平变换器(Modular MultilevelConverter，MMC)作为一种新型的多电平变换器拓扑结构，以其独特的结构优势，克服了传统多电平变换器的不足，其模块化结构具有良好的可扩展性，易于扩展到较高的电压等级和功率水平。在高压直流输电、无功补偿等对电压和功率等级要求较高的场合具有良好的应用潜力。
为了解决传统MMC不具备直流短路电流清除能力的问题，目前主要提出双向反并联晶闸管子模块、全桥型子模块和钳位型双子模块。双向反并联晶闸管子模块如图1a所示，由两个开关管、一个电容和两个晶闸管构成，直流故障时，闭锁IGBT，同时导通双向反并联晶闸管，将直流短路转化为交流短路，从而实现直流侧故障电流的自然衰减，但由于实际电路参数不同，容易出现故障电流衰减缓慢的现象，故障电流自清除效果不理想。全桥子型模块如图1b所示，由四个开关管和一个电容构成，直流侧故障时闭锁所有开关管，虽然可以有效的抑制短路电流，但使用的器件数量是传统半桥型的两倍，经济效益差。钳位型双子模块如图1c所示，由五个开关管、两个二极管和两个电容构成，直流侧故障时闭锁所有开关管清除短路故障，虽进一步减少功率器件数量，但与半桥子模块相比，器件数依然很多。
实用新型内容
本实用新型提供了一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块，能够快速清除直流侧短路故障电流，从而避免交流断路器动作，缩短了直流故障清除时间，提高系统稳定性。
本实用新型提供了一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块，其特征在于包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、二极管D4、电容C1和电容C2；所述第一开关管为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，第二开关管为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，第三开关管为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，第四开关管为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联逆阻型绝缘栅双极型晶体管TD；电容C1的电压为UC1，电容C2的电压为UC2；第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接，第一开关管的集电极与电容C1的正极、二极管D4的阴极连接，第二开关管的发射极与第三开关管的发射极、电容C1的负极连接，第三开关管的发射极与第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4 的集电极连接，第三开关管的集电极与电容C2的正极连接，第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的发射极与电容C2的负极、二极管D4的阳极连接。
所述的MMC子模块，第一开关管的发射极作为所述子模块输出端的正极，第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的发射极作为所述子模块输出端的负极，输出电压为Uout，子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压Uout的参考方向相同，UC1＝UC2＝电容电压额定值Ucref。
所述的MMC子模块在正常工作时输出三种电平电压(0，Ucref和2Ucref)，其作用等效两个半桥型子模块。当故障发生时，闭锁所有IGBT，所述的MMC子模块输出电压为2Ucref或-Ucref，从而达到迅速闭锁故障电流的目的。
与现有的直流短路电流自清除子模块相比，本实用新型的优势为：在输出相同电平数电压条件下，与双向反并联晶闸管子模块相比，所述MMC子模块可以快速清除故障电流而不受实际电路参数的影响。与全桥型子模块和钳位型双子模块相比，所述MMC子模块减少了功率器件的数量，且工作过程中导通的开关管数目少，降低了损耗。
附图说明
图1a、1b、1c分别为双向反并联晶闸管子模块、全桥型子模块和钳位型双子模块拓扑；
图2为本实用新型一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块拓扑；
图3a、3b1、3b2、3c分别为本实用新型一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块稳态条件下的1、2、3三种工作模式；
图4a、4b分别为本实用新型一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块电路闭锁后的两个工作模式。
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行说明，但本实用新型的实施不限于此。以下若有未特别说明的控制过程，均为本领域技术人员可参照现有控制技术实现的。
参照图2，所述的一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块拓扑结构包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、二极管D4、电容C1和电容C2；所述第一开关管为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，第二开关管为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，第三开关管为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，第四开关管为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联逆阻型绝缘栅双极型晶体管TD；电容C1的电压为UC1，电容C2的电压为UC2；第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接，第一开关管的集电极与电容C1的正极、二极管D4的阴极连接，第二开关管的发射极与第三开关管的发射极、电容C1的负极连接，第三开关管的发射极与第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4 的集电极连接，第三开关管的集电极与电容C2的正极连接，第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的发射极与电容C2的负极、二极管D4的阳极连接。
第一开关管的发射极作为所述子模块输出端的正极，第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的发射极作为所述子模块输出端的负极，输出电压为Uout，子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压Uout的参考方向相同，UC1＝UC2＝电容电压额定值Ucref。
所述一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块拓扑在正常运行时具有三种工作模式，其中 TD始终保持导通状态，D4处于反向截止状态：
模式1：如图3a所示，控制第一、第三开关管关断，第二、第四开关管导通。所述子模块输出电压 Uout＝0。当所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i流经T2和T4，电容C1和电容C2被旁路；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经TD和D2，电容C1和电容C2被旁路。
模式2：所述子模块输出电压Uout＝Ucref。可通过控制第一、第四开关管导通，第二、第三开关管关断或控制第二、第三开关管导通、第一、第四开关管关断实现。如图3b1所示，当控制第一、第四开关管导通，第二、第三开关管关断时，若所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i 流经D1和T4，向电容C1充电，电容C2被旁路；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经TD和T1，电容C1放电，电容C2被旁路。如图3b2所示，当控制第二、第三开关管导通，第一、第四开关管关断时，若所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i 流经T2和D3，向电容C2充电，电容C1被旁路；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经T3和D2，电容C2放电，电容C1被旁路。
模式3：如图3c所示，控制第一、第三开关管导通，第二、第四开关管关断。所述子模块输出电压 Uout＝2Ucref。当所述子模块输入电流i>0时，电流流通路径如图中实线所示，电流i流经D1和D3，向电容 C1和电容C2充电；当所述子模块输入电流i<0时，电流流通路径如图中虚线所示，电流i流经T3和T1，电容C1和电容C2放电。
当控制器检测到直流短路故障信号，闭锁MMC所有IGBT，所述一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块具有两种故障模式。
故障模式1：如图4a所示，当故障电流i>0时，电流流经D1和D3，向电容C1和电容C2充电，所述子模块输出电压Uout＝2Ucref。
故障模式2：如图4b所示，当故障电流i<0时，电流流经D4和D2，向电容C1充电，所述子模块输出电压Uout＝-Ucref。
可见，当故障发生时，闭锁所有IGBT，无论桥臂电流方向如何，都会对所述子模块进行充电，从而达到快速闭锁故障电流的目的。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例限制，其他的任何未背离本实施新型的精神实质与原理下的所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本实用新型的保护范围内。
Claims (3)
1.一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块，其特征在于包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、二极管D4、电容C1和电容C2；所述第一开关管为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，第二开关管为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，第三开关管为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，第四开关管为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联逆阻型绝缘栅双极型晶体管TD；电容C1的电压为UC1，电容C2的电压为UC2；第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接，第一开关管的集电极与电容C1的正极、二极管D4的阴极连接，第二开关管的发射极与第三开关管的发射极、电容C1的负极连接，第三开关管的发射极与第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的集电极连接，第三开关管的集电极与电容C2的正极连接，第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的发射极与电容C2的负极、二极管D4的阳极连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块，其特征在于：第一开关管的发射极作为所述子模块输出端的正极，第四开关管中绝缘栅双极型晶体管T4的发射极作为所述子模块输出端的负极，输出电压为Uout，所述子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压Uout的参考方向相同。
3.根据权利要求1所述的一种具有直流短路电流自清除能力的MMC子模块，其特征在于：UC1＝UC2＝电容电压额定值Ucref。
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