CN207265880U

CN207265880U - 飞跨电容的mmc子模块及具有该子模块的换流器

Info

Publication number: CN207265880U
Application number: CN201720998883.9U
Authority: CN
Inventors: 孟明; 苏亚慧; 吴亚帆
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2017-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2027-08-10

Abstract

一种飞跨电容的MMC子模块及具有该子模块的换流器，其中的飞跨电容的MMC子模块包括依次串联的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关，第一开关与第二开关相连的端连接第二电容的一端，第三开关与第四开关的相连端连接第二电容的另一端，第一开关的另一端分别连接第一电容的一端以及第六二极管的负极，第四开关与第五开关的相连端连接第一电容的另一端，第五开关的另一端连接第六二极管的正极，第二开关与第三开关相连的交点构成三电平输出的MMC子模块的正极，第五开关与第六二极管相连的交点构成三电平输出的MMC子模块的负极。本实用新型子模块结构简单，通过输出三电平降低电力电子器件的额定电压或减少子模块数量来降低成本。

Description

飞跨电容的MMC子模块及具有该子模块的换流器

技术领域

本实用新型涉及一种MMC电路。特别是涉及一种具备直流故障穿越能力的飞跨电容的 MMC子模块及具有该子模块的换流器

背景技术

柔性直流输电系统不存在传统高压直流输电系统的换相失败问题，是新型直流输电系统的主要发展方向。换流器是柔性直流输电系统的重要设备，包含但不限于两电平换流器、二极管钳位型换流器以及模块化多电平换流器(MMC)。其中，MMC为一种采用子模块级联的三相六桥臂结构，每相所包含的上下桥臂均由规格统一的子模块组成，在子模块个数较多的情况下，MMC可以输出高质量波形，且冗余子模块的存在为系统提供了较强的故障处理能力，同时，MMC子模块结构简单便于组装制造。因此，MMC换流器成为最具有发展前景的换流器。

采用MMC的柔性直流输电系统不可避免会遇到直流侧短路故障，尤其是采用架空线路的输电系统。MMC通常采用半桥子模块、全桥子模块和钳位双子模块三种结构。对于采用半桥子模块的MMC，系统发生直流侧单极接地或双极短路故障通常需要断开交流侧断路器以防止交流侧通过二极管通路向故障点注入电流。然而，断路器重启时间较长，系统的稳定性无法得到有效保障，特别是在发生瞬时直流故障时，断路器的频繁动作会严重影响正常电力传输。直流断路器也是一种阻断故障电流的有效方式，但是其投资成本高，运行不稳定，目前并不适用于工程的实际应用。

全桥子模块MMC可以通过闭锁开关管在不断开断路器的情况下实现直流故障穿越，但其在采用4个开关管的情况下最大仅输出单电平，器件个数的增多会造成换流站建设成本的成倍增长。钳位双子模块可输出多电平，可在附加功率器件作用下阻断故障电流通路实现故障穿越。虽然该结构减少了功率器件的数量，但其附加器件的额定电压水平为其它器件的一倍。由于电力电子器件由于制造工艺限制，额定电压等级越高则造价成比例增长，因此钳位型双子模块并没有有效降低实际的经济效益。

鉴于上述问题，改进MMC子模块拓扑，减少子模块功率器件的个数或降低功率器件额定电压水平并使其具备直流故障穿越能力对于柔性直流输电的稳定运行和建设投资有着重要意义。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种在实现直流故障穿越的同时，克服由于器件数目或器件电压等级所造成的成本高的缺陷的飞跨电容的MMC子模块及具有该子模块的换流器。

本实用新型所采用的技术方案是：一种飞跨电容的MMC子模块，包括依次串联连接的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关，所述第一开关与第二开关相连的端连接第二电容的一端，所述第三开关与第四开关的相连端连接第二电容的另一端，所述第一开关的另一端分别连接第一电容的一端以及第六二极管的负极，所述第四开关与第五开关的相连端连接第一电容的另一端，所述第五开关的另一端连接所述第六二极管的正极，所述第二开关与第三开关相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的正极，所述第五开关与所述第六二极管相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的负极。

所述的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关结构相同，均是由一个全控型电力电子器件与一个二极管反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件的漏极连接二极管的负极，所述全控型电力电子器件的源极连接二极管的正极，其中，第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均是前一个开关中的全控型电力电子器件的源极和二极管的正极共同连接下一个开关中的全控型电力电子器件的漏极和二极管的负极，且第一开关中的第一全控型电力电子器件的漏极和第一二极管的负极共同连接第一电容的一端以及连接第六二极管的负极，而第五开关是其中的第五全控型电力电子器件的源极和第五二极管的正极共同连接上一个开关即第四开关中的第四全控型电力电子器件的源极和第四二极管的正极，所述第五全控型电力电子器件漏极和第五二极管的负极共同连接第六二极管的正极，以及构成飞跨电容的MMC子模块的负极。

所述的全控型电力电子器件是绝缘栅双极型晶体管，或是集成门极换流晶闸管，或是门极可关断晶闸管，或是电子注入增强栅晶体管。

一种具有飞跨电容的MMC子模块的换流器，包括有相并联的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂，所述的A相桥臂是由A相上桥臂和A相下桥臂串联连接构成，所述A相上桥臂远离A相下桥臂的一端连接直流母线的正极，所述A相下桥臂远离A相上桥臂的一端连接直流母线负极，所述A相上桥臂和A相下桥臂相连的交点引出三相电源的a相，所述的B相桥臂是由B相上桥臂和B相下桥臂串联连接构成，所述B相上桥臂远离B相下桥臂的一端连接直流母线的正极，所述B相下桥臂远离B相上桥臂的一端连接直流母线负极，所述B相上桥臂和B相下桥臂相连的交点引出三相电源的b相，所述的C相桥臂是由C相上桥臂和C 相下桥臂构成，所述C相上桥臂远离C相下桥臂的一端连接直流母线的正极，所述C相下桥臂远离C相上桥臂的一端连接直流母线负极，所述C相上桥臂和C相下桥臂相连的交点引出三相电源的c相，其特征在于，所述的A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、 C相上桥臂和C相下桥臂结构相同，均是由2个以上的飞跨电容的MMC子模块和一个电感串联连接构成，每一个飞跨电容的MMC子模块均包括：依次串联连接的第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关，所述第一开关与第二开关相连的端连接第二电容的一端，所述第三开关与第四开关的相连端连接第二电容的另一端，所述第一开关的另一端分别连接第一电容的一端以及第六二极管的负极，所述第四开关与第五开关的相连端连接第一电容的另一端，所述第五开关的另一端连接所述第六二极管的正极，所述第二开关与第三开关相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的正极，所述第五开关与所述第六二极管相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的负极。

本实用新型的飞跨电容的MMC子模块及具有该子模块的换流器，子模块结构简单，通过输出三电平降低电力电子器件的额定电压或减少子模块数量来降低成本，并能够在引入额外电力电子器件的作用下实现故障穿越。本实用新型的具有飞跨电容的MMC子模块的换流器，采用本实用新型的飞跨电容的MMC子模块，以全桥型子模块为参考，同等电压等级下，在输出同等电平个数时，子模块个数仅为全桥子模块的一半，器件个数仅为其5/8，器件个数的减少会大幅度降低系统的总体投资成本。在采用相同子模块个数的情况下，采用本实用新型的飞跨电容的MMC子模块，输出电平个数多于全桥子模块，波形质量更好；器件个数虽然为全桥的1.25倍，但器件额定电压仅为全桥的一半，整体成本仍有较大降低。两种方案下， MMC的建设成本均有显著下降。

附图说明

图1是本实用新型飞跨电容的MMC子模块的原理图；

图2是本实用新型具有飞跨电容的MMC子模块的换流器的构成框图；

图3是在直流故障时电流从MMC子模块正极流入负极流出时MMC子模块电流通路；

图4是在直流故障时电流从MMC子模块负极流入正极流出时MMC子模块电流通路。

图中

1：A相上桥臂 2：B相上桥臂

3：C相上桥臂 4：A相下桥臂

5：B相下桥臂 6：C相下桥臂。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的飞跨电容的MMC子模块及具有该子模块的换流器做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的飞跨电容的MMC子模块，包括依次串联连接的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅，所述第一开关K₁与第二开关K₂相连的端连接第二电容C₂的一端，所述第三开关K₃与第四开关K₄的相连端连接第二电容C₂的另一端，所述第一开关K₁的另一端分别连接第一电容C₁的一端以及第六二极管D₆的负极，所述第四开关K₄与第五开关K₅的相连端连接第一电容C₁的另一端，所述第五开关K₅的另一端连接所述第六二极管D₆的正极，所述第二开关K₂与第三开关K₃相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的正极，所述第五开关K₅与所述第六二极管D₆相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的负极。

所述的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅结构相同，均是由一个全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅与一个二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的漏极连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的负极，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的源极连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的正极，其中，第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃和第四开关K₄均是前一个开关K₁/K₂/K₃中的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃的源极和二极管D₁/D₂/D₃的正极共同连接下一个开关K₂/K₃/K₄中的全控型电力电子器件T₂/T₃/T₄的漏极和二极管D₂/D₃/D₄的负极，且第一开关K₁中的第一全控型电力电子器件T₁的漏极和第一二极管D₁的负极共同连接第一电容C₁的一端以及连接第六二极管D₆的负极，而第五开关K₅是其中的第五全控型电力电子器件T₅的源极和第五二极管D₅的正极共同连接上一个开关即第四开关K₄中的第四全控型电力电子器件T₄的源极和第四二极管D₄的正极，所述第五全控型电力电子器件T₅漏极和第五二极管D₅的负极共同连接第六二极管D₆的正极，以及构成飞跨电容的MMC子模块的负极。

本实用新型中所述的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅，是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或集成门极换流晶闸管(IGCT)，或门极可关断晶闸管(GTO)，或电子注入增强栅晶体管(IEGT)。

本实用新型的飞跨电容的MMC子模块解决直流故障穿越问题的关键在于第五全控型电力电子器件T₅、第五二极管D₅和第六二极管D₆的连接位置和连接方式。在系统发生直流故障时，即通过闭锁所有开关管信号在子模块二极管作用下，根据子模块不同的电流方向电流通路中引入子模块电容C₁的电压来抑制线电压。电流通路中的二极管将在反向电压作用下被强制关闭，完成系统的直流故障穿越。

正常工作时，第一电容C₁两端参考电压为第二电容C₂端参考电压的两倍，即 U_C1＝2U_C2＝2U；第一全控型电力电子器件T₁与第四全控型电力电子器件T₄，第二全控型电力电子器件T₂与第三全控型电力电子器件T₃均采用互补导通的逻辑触发信号，即第一全控型电力电子器件T₁开通时第四全控型电力电子器件T₄关断，第二全控型电力电子器件T₂开通时第三全控型电力电子器件T₃关断，第一全控型电力电子器件T₁和第二全控型电力电子器件T₂的逻辑信号互不干扰，与第一全控型电力电子器件T₁～第四全控型电力电子器件T₄反并联二极管根据子模块输入电压轮流导通；第五全控型电力电子器件T₅触发逻辑信号独立，正常工作时触发信号始终为1，故障时闭锁；第六二极管D₆在第一电容C₁施加的反向电压作用下始终截止。该工作模式下，开关管不同脉冲信号的组合使模块输出0，U，2U三电平电压。

如图2所示，本实用新型的具有飞跨电容的MMC子模块的换流器，包括有相并联的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂，所述的A相桥臂是由A相上桥臂1和A相下桥臂4串联连接构成，所述A相上桥臂1的远离A相下桥臂4的一端连接直流母线的正极，所述A相下桥臂4远离A相上桥臂1的一端连接直流母线负极，所述A相上桥臂1和A相下桥臂4相连的交点引出三相电源的a相，所述的B相桥臂是由B相上桥臂2和B相下桥臂5串联连接构成，所述B相上桥臂2的远离B相下桥臂5的一端连接直流母线的正极，所述B相下桥臂 5的远离B相上桥臂2的一端连接直流母线负极，所述B相上桥臂2和B相下桥臂5相连的交点引出三相电源的b相，所述的C相桥臂是由C相上桥臂3和C相下桥臂6构成，所述C 相上桥臂3的远离C相下桥臂6的一端连接直流母线的正极，所述C相下桥臂6的远离C相上桥臂3的一端连接直流母线负极，所述C相上桥臂3和C相下桥臂6相连的交点引出三相电源的c相。

所述的A相上桥臂1、A相下桥臂4、B相上桥臂2、B相下桥臂5、C相上桥臂3和C 相下桥臂6结构相同，均是由2个以上的飞跨电容的MMC子模块A和一个电感 L1/L4/L2/L5/L3/L6串联连接构成，每一个飞跨电容的MMC子模块A如图1所示均包括：包括依次串联连接的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅，所述第一开关K₁与第二开关K₂相连的端连接第二电容C₂的一端，所述第三开关K₃与第四开关K₄的相连端连接第二电容C₂的另一端，所述第一开关K₁的另一端分别连接第一电容 C₁的一端以及第六二极管D₆的负极，所述第四开关K₄与第五开关K₅的相连端连接第一电容 C₁的另一端，所述第五开关K₅的另一端连接所述第六二极管D₆的正极，所述第二开关K₂与第三开关K₃相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的正极，所述第五开关K₅与所述第六二极管D₆相连的交点构成飞跨电容的MMC子模块的负极。

同样，本实用新型的的具有飞跨电容的MMC子模块的换流器中，所述的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅，是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或集成门极换流晶闸管(IGCT)，或门极可关断晶闸管(GTO)，或电子注入增强栅晶体管(IEGT)。

图3为在电流从MMC子模块正极流入负极流出时，直流线路发生短路故障(包含单极接地故障和双极短路故障)后闭锁全部开关管触发信号后的电流通路，此时子模块电流由正极流入，负极流出，电流流经第二二极管D₂→第一二极管D₁→第一电容C₁→第五二极管D₅，故障电流为电容第一C₁充电。将该结构拓展到整个MMC中，闭锁系统中所有开关管，电流通路上的电容电压之和大于交流侧电压(单极接地时为相电压，双极短路时为线电压)幅值的绝对值，电流通路中所有二极管将承受反向电压并在该电压作用下截止，从而阻断电流通路，在无需断开交流侧断路器的作用下清除直流故障电流。

图4为电流从MMC子模块负极流入正极流出时，直流线路发生短路故障(包含单极接地故障和双极短路故障)后闭锁全部开关管的触发信号电流通路，此时子模块电流由负极流入、正极流出，电流经第六二极管D₆→第一电容C₁→第四二极管D₄→第三二极管D₃流过，第一电容C₁充电，将该结构拓展到整个MMC中，闭锁系统中所有开关管，电流通路上的电容电压之和大于交流侧电压(单极接地时为相电压，双极短路时为线电压)正向幅值，电流通路中所有开关管承受反向电压截止，阻断电流通路，在无需断开交流侧断路器的作用下清除直流故障电流。

Claims

1.一种飞跨电容的MMC子模块，其特征在于，包括依次串联连接的第一开关(K₁)、第二开关(K₂)、第三开关(K₃)、第四开关(K₄)和第五开关(K₅)，所述第一开关(K₁)与第二开关(K₂)相连的端连接第二电容(C₂)的一端，所述第三开关(K₃)与第四开关(K₄)的相连端连接第二电容(C₂)的另一端，所述第一开关(K₁)的另一端分别连接第一电容(C₁)的一端以及第六二极管(D₆)的负极，所述第四开关(K₄)与第五开关(K₅)的相连端连接第一电容(C₁)的另一端，所述第五开关(K₅)的另一端连接所述第六二极管(D₆)的正极，所述第二开关(K₂)与第三开关(K₃)相连的交点构成三电平输出的MMC子模块的正极，所述第五开关(K₅)与所述第六二极管(D₆)相连的交点构成三电平输出的MMC子模块的负极。

2.根据权利要求1所述的飞跨电容的MMC子模块，其特征在于，所述的第一开关(K₁)、第二开关(K₂)、第三开关(K₃)、第四开关(K₄)和第五开关(K₅)结构相同，均是由一个全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)与一个二极管(D₁/D₂/D₃/D₄/D₅)反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)的漏极连接二极管(D₁/D₂/D₃/D₄/D₅)的负极，所述全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)的源极连接二极管(D₁/D₂/D₃/D₄/D₅)的正极，其中，第一开关(K₁)、第二开关(K₂)、第三开关(K₃)和第四开关(K₄)均是前一个开关(K₁/K₂/K₃)中的全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃)的源极和二极管(D₁/D₂/D₃)的正极共同连接下一个开关(K₂/K₃/K₄)中的全控型电力电子器件(T₂/T₃/T₄)的漏极和二极管(D₂/D₃/D₄)的负极，且第一开关(K₁)中的第一全控型电力电子器件(T₁)的漏极和第一二极管(D₁)的负极共同连接第一电容(C₁)的一端以及连接第六二极管(D₆)的负极，而第五开关(K₅)是其中的第五全控型电力电子器件(T₅)的源极和第五二极管(D₅)的正极共同连接上一个开关即第四开关(K₄)中的第四全控型电力电子器件(T₄)的源极和第四二极管(D₄)的正极，所述第五全控型电力电子器件(T₅)漏极和第五二极管(D₅)的负极共同连接第六二极管(D₆)的正极，以及构成三电平输出的MMC子模块的负极。

3.根据权利要求1所述的飞跨电容的MMC子模块，其特征在于，所述的全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)是绝缘栅双极型晶体管，或是集成门极换流晶闸管，或是门极可关断晶闸管，或是电子注入增强栅晶体管。

4.一种具有权利要求1所述的飞跨电容的MMC子模块的换流器，包括有相并联的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂，所述的A相桥臂是由A相上桥臂(1)和A相下桥臂(4)串联连接构成，所述A相上桥臂(1)远离A相下桥臂(4)的一端连接直流母线的正极，所述A相下桥臂(4)远离A相上桥臂(1)的一端连接直流母线负极，所述A相上桥臂(1)和A相下桥臂(4)相连的交点引出三相电源的a相，所述的B相桥臂是由B相上桥臂(2)和B相下桥臂(5)串联连接构成，所述B相上桥臂(2)远离B相下桥臂(5)的一端连接直流母线的正极，所述B相下桥臂(5)远离B相上桥臂(2)的一端连接直流母线负极，所述B相上桥臂(2)和B相下桥臂(5)相连的交点引出三相电源的b相，所述的C相桥臂是由C相上桥臂(3)和C相下桥臂(6)构成，所述C相上桥臂(3)远离C相下桥臂(6)的一端连接直流母线的正极，所述C相下桥臂(6)远离C相上桥臂(3)的一端连接直流母线负极，所述C相上桥臂(3)和C相下桥臂(6)相连的交点引出三相电源的c相，其特征在于，所述的A相上桥臂(1)、A相下桥臂(4)、B相上桥臂(2)、B相下桥臂(5)、C相上桥臂(3)和C相下桥臂(6)结构相同，均是由2个以上的三电平输出的MMC子模块(A)和一个电感(L1/L4/L2/L5/L3/L6)串联连接构成，每一个三电平输出的MMC子模块(A)均包括：依次串联连接的第一开关(K₁)、第二开关(K₂)、第三开关(K₃)、第四开关(K₄)和第五开关(K₅)，所述第一开关(K₁)与第二开关(K₂)相连的端连接第二电容(C₂)的一端，所述第三开关(K₃)与第四开关(K₄)的相连端连接第二电容(C₂)的另一端，所述第一开关(K₁)的另一端分别连接第一电容(C₁)的一端以及第六二极管(D₆)的负极，所述第四开关(K₄)与第五开关(K₅)的相连端连接第一电容(C₁)的另一端，所述第五开关(K₅)的另一端连接所述第六二极管(D₆)的正极，所述第二开关(K₂)与第三开关(K₃)相连的交点构成三电平输出的MMC子模块的正极，所述第五开关(K₅)与所述第六二极管(D₆)相连的交点构成三电平输出的MMC子模块的负极。

5.根据权利要求4所述的具有飞跨电容的MMC子模块的换流器，其特征在于，所述的第一开关(K₁)、第二开关(K₂)、第三开关(K₃)、第四开关(K₄)和第五开关(K₅)结构相同，均是由一个全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)与一个二极管(D₁/D₂/D₃/D₄/D₅)反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)的漏极连接二极管(D₁/D₂/D₃/D₄/D₅)的负极，所述全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)的源极连接二极管(D₁/D₂/D₃/D₄/D₅)的正极，其中，第一开关(K₁)、第二开关(K₂)、第三开关(K₃)和第四开关(K₄)均是前一个开关(K₁/K₂/K₃)中的全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃)的源极和二极管(D₁/D₂/D₃)的正极共同连接下一个开关(K₂/K₃/K₄)中的全控型电力电子器件(T₂/T₃/T₄)的漏极和二极管(D₂/D₃/D₄)的负极，且第一开关(K₁)中的第一全控型电力电子器件(T₁)的漏极和第一二极管(D₁)的负极共同连接第一电容(C₁)的一端以及连接第六二极管(D₆)的负极，而第五开关(K₅)是其中的第五全控型电力电子器件(T₅)的源极和第五二极管(D₅)的正极共同连接上一个开关即第四开关(K₄)中的第四全控型电力电子器件(T₄)的源极和第四二极管(D₄)的正极，所述第五全控型电力电子器件(T₅)漏极和第五二极管(D₅)的负极共同连接第六二极管(D₆)的正极，以及构成三电平输出的MMC子模块的负极。

6.根据权利要求5所述的具有飞跨电容的MMC子模块的换流器，其特征在于，所述的全控型电力电子器件(T₁/T₂/T₃/T₄/T₅)是绝缘栅双极型晶体管，或是集成门极换流晶闸管，或是门极可关断晶闸管，或是电子注入增强栅晶体管。