WO2014183570A1 - 一种子模块、保护单元、换流器及其控制方法 - Google Patents

一种子模块、保护单元、换流器及其控制方法 Download PDF

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protection unit
module
endpoint
thyristor
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PCT/CN2014/076781
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董云龙
曹冬明
田杰
李海英
汪楠楠
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南京南瑞继保电气有限公司
南京南瑞继保工程技术有限公司
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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Definitions

  • the invention belongs to the field of power electronics, and particularly relates to a submodule, a protection unit, a voltage source type multi-level converter and a control method thereof. Background technique
  • the modular multi-level converter is a new type of converter suitable for high-voltage applications in recent years. It adopts the sub-module cascade method, which can be changed by controlling the state of each sub-module separately.
  • the AC voltage outputted by the current device approaches the sine wave, thereby reducing the harmonic content in the output voltage. Its appearance solves the series voltage equalization problem existing in the two-level voltage source converter, and has broad application prospects.
  • Marquardt Rainer's "Distributed Energy Storage and Converter Circuit” first introduced a modular multilevel converter (MMC) (Patent Application Publication No.: DE10103031A), which uses a half bridge with submodules The capacitors are composed in parallel, and the output port of the sub-module can be controlled to generate two levels of capacitor voltage or zero voltage.
  • MMC modular multilevel converter
  • the successful commissioning of the Trans Bay project the world's first flexible DC transmission project with this topology, was demonstrated by Siemens, demonstrating the engineering application feasibility of this converter topology.
  • ABB has modified the structure based on the modular multilevel converter topology, and proposed a cascaded two-level modular multilevel topology (Patent Application Publication No.: US20100328977A1).
  • the difference between the streamer and the modular multilevel converter described above is that the submodules are connected in the opposite way.
  • the above two modular multilevel converters have the disadvantage that the AC network can provide fault current to the fault point through the diode of the submodule when the DC network fails, thereby causing overcurrent of the AC, DC and converter valves. Therefore, the DC fault must be cleared by jumping into the line switch. In the event of a transient failure in the DC network, all of the above-mentioned two modular multilevel converters connected to it also need to jump into the AC incoming line switch, and the time to resume power transmission will be longer. Summary of the invention
  • the object of the present invention is to provide a sub-module which can be used in a DC fault lockout converter In order to prevent the AC system from injecting fault current into the DC network, it is not necessary to jump the AC incoming line switch to clear the transient fault of the DC network, thereby quickly restarting the system.
  • a protection unit, an inverter corresponding to the submodule, and a control method are also provided.
  • the AC converter can be prevented from providing fault current to the fault point by blocking the converter
  • FIG. 1 is a topological view of one embodiment of a sub-module of the present invention.
  • FIG. 2 is a topological structural view of an embodiment of a submodule of the present invention.
  • Figure 3 is a topological view of one embodiment of a sub-module of the present invention.
  • Figure 4 is a topological view of one embodiment of a sub-module of the present invention.
  • FIG. 5 is a topological structural view of an inverter using all of the submodules provided by the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of two topologies of the remaining submodules in the present invention.
  • FIG. 7 is a topological structural view of an inverter partially using the submodule provided by the present invention.
  • Figure 8 is a schematic view showing an embodiment of a converter control method of the present invention.
  • Figure 9 is a schematic view showing an embodiment of a converter control method of the present invention.
  • FIG. 10 is a topological structural view of a sub-module protection unit of the present invention.
  • Figure 11 is a schematic diagram showing the connection mode of the sub-module protection unit and the sub-module of the present invention
  • FIG. 1 to 4 are topological views of a preferred embodiment of a sub-module provided by the present invention.
  • Figure 1 and Figure 2 show the case where the freewheeling diode branch does not contain a resistor
  • Figures 3 and 4 show the freewheeling diode branch. The case of a resistor.
  • the sub-module includes a turn-off device 1, 3, 5 and an energy storage element 8 with anti-parallel diodes, wherein the turn-off device 1 is in anti-parallel with the diode 2, and the device 3 can be turned off.
  • the device 5 can be turned off and the diode 6 is anti-parallel; for the turn-off devices 1, 3, 5, a single controllable switching device (such as IGBT, IGCT, MOSFET or GT0) can be used.
  • the device as exemplified by the IGBTs in the embodiments provided herein, may also employ a structure in which at least two controllable switching devices are connected in series.
  • the connection point serves as the terminal XI of the sub-module 10, the collector of which can be turned off Connecting the emitter of the turn-off device 3 via the energy storage element 8; the collector of the turn-off device 1 is also connected to the cathode of the diode 7, the anode connection of which can turn off the collector of the device 5, and The connection point serves as the end point X2 of the sub-module 10; the emitter of the turn-off device 5 is connected to the emitter of the turn-off device 3.
  • the emitter of the turn-off device 5 is connected to the cathode of the diode 7, and the connection point serves as the terminal XI of the sub-module 11, the collector of the turn-off device 5 via the energy storage element 8 Connecting the anode of the diode 7; the collector of the turn-off device 5 is also connected to the collector of the turn-off device 3, the emitter of the turn-off device 3 being connected to the collector of the device 1 and the connection Pointing as the end point X2 of the sub-module 11, the emitter of the turn-off device 1 is connected to the anode of the diode 7.
  • the sub-module includes a turn-off device 1, 3, 5 and an energy storage element C with anti-parallel diodes, wherein the turn-off device 1 and the diode 2 are anti-parallel, and the device can be turned off.
  • 3 is anti-parallel with diode 4, which can turn off device 5 and diode 6 in anti-parallel; for turn-off devices 1, 3, 5, it can use a single controllable switching device (such as IGBT, IGCT, MOSFET or GT0)
  • the control device as exemplified by the IGBT in the embodiments provided herein, may also adopt a structure in which at least two controllable switching devices are connected in series.
  • the collector of the turn-off device 1 is connected to the emitter of the turn-off device 3, and the connection point serves as the terminal XI of the sub-module 10, the emission of the turn-off device 1
  • the collector of the turn-off device 3 is connected via the energy storage element C; the collector of the turn-off device 1 is also connected to the series resistor R, the other end of the series resistor is connected to the cathode of the diode 7, and the anode connection of the diode 7 is
  • the collector of the device 5 is turned off, and this connection point serves as the end point X2 of the sub-module 10; the collector of the turn-off device 5 is connected to the collector of the turn-off device 3.
  • the series resistor R and the position of the diode 7 are interchangeable as long as the anode of the diode 7 is directly connected to the terminal X2 or the series resistor R is connected to the terminal X2.
  • Figure 4 is a sub-module 1 in which the endpoint XI and the endpoint in the sub-module topology shown in Figure 3
  • the X2 position is interchanged, the collector and emitter positions of all turn-off devices are interchanged, and the anode and cathode positions of all diodes are interchanged.
  • the collector of the turn-off device 5 is connected to the cathode of the diode 7, and the connection point serves as the terminal XI of the sub-module 11, and the emitter of the turn-off device 5 is connected to one end of the series resistor R via the energy storage element C.
  • the other end of the series resistor R is connected to the anode of the diode 7; the collector of the turn-off device 5 is also connected to the collector of the turn-off device 3, the emitter of which can be turned off to turn off the device 1
  • the collector, and the connection point serves as the end point X2 of the sub-module 11, the collector of the turn-off device 1 is connected to one end of the series resistor R.
  • the position of the series resistor R and the diode 7 can be interchanged as long as the cathode of the diode 7 is directly connected to the terminal XI or the terminal XI is connected via the series resistor R.
  • the switchable device, the resistor, the freewheeling diode, and the turn-off device in the embodiments of the present invention only describe the equivalent components. That is to say, it can be cascaded by multiple components.
  • the resistor may be formed by a plurality of resistor strings and/or in parallel to form an equivalent resistor.
  • the freewheeling diode may be referred to as a plurality of freewheeling diode strings and/or in parallel as an equivalent freewheeling diode, and the like.
  • the series resistance is an equivalent representation, that is, the positions of the resistors and the freewheeling diodes are not limited, and the number may be alternately arranged.
  • the inverter all uses the present invention to provide a sub-module including at least one phase unit, and the specific number of the phase units can be based on the AC system.
  • the number of alternating end points is determined; for each phase unit, there are an upper arm 100 and a lower arm 101, and the upper and lower arms each include at least two submodules 10 and at least one reactor connected in series with each other.
  • each submodule 10 has two end points XI, 12, in the same bridge arm (upper arm or lower bridge) In the arm), all the sub-modules 10 are connected in the same direction, and the sub-modules in the upper and lower arms are connected in opposite directions, which can be matched with FIG. 3; one end of the upper arm 100 serves as the first straight of the phase unit.
  • the flow end point P is used to access the DC network, and one end of the lower arm 101 is used as the second DC end point N of the phase unit for accessing the DC network, and the upper arm 100 and the lower arm 101 are connected to each other.
  • the series position of the submodule 10 and the reactor 20 is not limited, and since one reactor can be regarded as a plurality of sub-reactors connected in series, The number of reactors is not limited as long as the total reactance in a bridge arm reaches the corresponding requirement of the bridge arm.
  • FIG. 3 shows two topological structural diagrams of the remaining sub-modules in the present invention, and the cost of the converter can be saved by using the remaining sub-modules instead of the sub-modules in the converter shown in FIG. 5.
  • the remaining sub-modules include a turn-off device 1, 3 and an energy storage element C with anti-parallel diodes, wherein the turn-off device 1 and the diode 2 are connected in anti-parallel, and the turn-off device 3 and the diode 4 are connected in anti-parallel;
  • a single controllable switching device such as a full control device such as IGBT, IGCT, MOSFET or GT0, as IGBT is taken as an example in the embodiments provided herein
  • at least two A controllable switching device is constructed in series;
  • the collector of the turn-off device 1 is connected to the emitter of the turn-off device 3, and the connection point serves as an end point of the sub-module 12.
  • the emitter of the turn-off device 1 is connected via the energy storage element C to the collector of the turn-off device 3; the collector of the device 3 can be turned off as the terminal X2 of the sub-module 12.
  • Figure 6 (b) is a sub-module 13 in which the collector of the turn-off device 3 is connected to the emitter of the turn-off device 1 and the connection point serves as the end point X2 of the sub-module 13, which can be turned off
  • the emitter is connected via the energy storage element C to the collector of the turn-off device 3; the collector of the device 3 can be turned off as the terminal XI of the sub-module 12.
  • Figure 7 is a preferred embodiment of the inverter of the present invention, wherein the remaining sub-module replaces one of the lower arms of the inverter shown in Figure 5 as a sub-module 13, which can be turned off due to reduced use.
  • the number of devices can save the cost of the converter.
  • the replaced inverter should include at least one sub-module provided by the present invention, and the remaining sub-modules can be used to replace any position in the converter shown in FIG. 5 and any number of the present invention. Module.
  • the present invention also provides a control method for an inverter, which realizes control of the inverter by controlling the working state of each sub-module in the inverter, and the following is respectively FIG. 1 of the present invention.
  • the sub-modules 10, 11 provided in FIG. 2 are taken as an example to illustrate the control content of the control method.
  • the converter control method formed by the sub-modules 10', 11' of Fig. 3 and Fig. 4 is similar to this, and will not be described again.
  • the control sub-module 10 operates in three operating states: State 1: The device can be turned off 1, 5 is turned on, the device 3 can be turned off, and the energy storage device C is connected into the bridge arm through the diode 2 and the diode 6, as shown in FIG.
  • the diode 2 and the diode 6 are turned on, and the energy storage element C is serially connected into the bridge arm through the terminals XI and X2, and the output voltage of the submodule 10 is stored.
  • the voltage across the energy element C is shown in Figure 8(c); when the current flows from the terminal X2 to the terminal XI, the diode 7 and the diode 4 are turned on, and the energy storage element C is reversely connected into the bridge arm through the terminals XI and X2.
  • the output voltage of the sub-module 10 is a negative voltage across the energy storage element C plus the voltage across the resistor.
  • the fault current can be suppressed to finally make the fault current 0, and the series resistor R can be added to accelerate the decay speed of the fault current.
  • the control sub-module 11 operates in three operating states: State 1: The device can be turned off 1, 5 is turned on, the device 3 can be turned off, and the energy storage device C is connected into the bridge arm through the diode 6 and the diode 2, as shown in FIG.
  • (a), or energy storage component C is connected to the bridge arm through the switchable device 1, 5, see Figure 9 (d); the output voltage of sub-module 11 (ie, the voltage of terminal XI relative to the end point X2) is the energy storage component Voltage across C; State 2: Can turn off device 3, 5 turn-on, turn off device 1 turn-off, current can pass through diode 6 and turn-off device 3 (see Figure 9 (b)) or diode 4 and can be off The device 5 (see Figure 9(e)) is circulated, the energy storage device C is bypassed, and the output voltage of the sub-module 11 is 0.
  • the devices 1, 3, and 5 can be turned off, when the current is terminated by the terminal When XI flows to the end point X2, the diode 6 and the diode 2 are turned on, and the energy storage element C is serially connected into the bridge arm through the terminals XI and X2.
  • the output voltage of the sub-module 11 is the voltage across the energy storage element C, as shown in Fig. 9 (c When the current flows from the terminal X2 to the terminal XI, the diode 4 and the diode 7 are turned on, and are stored. C element through the reverse end XI and X2 into a string bridge arm, see FIG.
  • the output voltage of the sub-module 11 is the voltage on the negative voltage is applied to the resistance across the energy storage element C. Since the submodule operates in state 3, the output voltage of the submodule 11 is opposite to the current flowing in the submodule 11, and the fault current can be suppressed to finally make the fault current 0, and the series resistor R can be added to accelerate the decay speed of the fault current.
  • all submodules 10 or 11 in the inverter and the remaining submodules 12, 13 that may be configured are operated in state 3 by blocking the inverter, which can suppress the bridge arm when the fault occurs.
  • the current eventually reduces the faulty bridge arm current to zero, making it impossible for the AC network to provide fault current to the fault point.
  • the two-terminal or multi-terminal DC system composed of the inverter does not need to be equipped with a DC circuit breaker and can also have a good ability to clear the DC side fault.
  • the present invention also provides a protection unit.
  • the protection unit can be used in the submodule provided by the present invention, and can also be used for protection of other types of sub-modules such as full bridges and half bridges.
  • the protection unit can be constructed in four configurations. As shown in FIG. 10, (a) is a protection unit composed of a single thyristor, (b) is a protection unit composed of a single fast switch, and (c) is a protection unit composed of a parallel structure of a thyristor and a fast switch. (d) A protection unit consisting of a parallel structure of anti-parallel thyristors and fast switches.
  • (a) is a protection unit 21 composed of a single thyristor, the cathode of the thyristor serves as the end point X3 of the protection unit 21, and the anode of the thyristor serves as the end point X4 of the protection unit 21, which can quickly conduct the shunt to protect the sub-module when the sub-module is overcurrent
  • (b) is a protection unit 22 consisting of a single fast switch, one end of the fast switch acts as the end point X3 of the protection unit, and the other end of the fast switch acts as the end point X4 of the protection unit, which can be bypassed when the submodule fails If the faulty submodule has a redundant submodule in the bridge arm, the inverter can continue to operate;
  • (c) is a protection unit 23 composed of a parallel structure of a thyristor and a fast switch, and the cathode of the thyristor serves as the end point X3 of the protection unit, The ano
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the connection mode of the protection unit 23 and the submodule 10.
  • the endpoint X3 of the protection unit 23 is connected to the endpoint XI of the submodule 10
  • the endpoint X4 of the protection unit 23 is connected to the endpoint X2 of the submodule 10.
  • the protection unit 23 in Fig. 9 can be replaced by the protection unit 21, the protection unit 22 or the protection unit 24, which can be replaced by the sub-module 11.

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Abstract

一种子模块结构、子模块的保护单元、由该子模块组成的换流器及其控制方法。该子模块（10'，11'）包括储能元件（C）、第一可关断器件（1）、第二可关断器件（3）、第三可关断器件（5）、续流二极管（7）、与续流二极管串联的电阻（R）以及分别与各可关断器件反并联的二极管（2，4，6）。由该子模块组成的换流器可在直流故障闭锁该换流器时防止交流系统向直流网络注入故障电流，无需关断交流进线开关就可以清除直流网络的瞬时性故障从而能够快速重启系统。该子模块中的电阻也可以减小换流器交流侧配置的充电电阻。

Description

一种子模块、 单元、 换流器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域， 特别涉及一种子模块、 保护单元、 电压源型多电 平换流器及其控制方法。 背景技术
模块化多电平换流器是近几年备受关注的一种新型适用于高压应用场合的 换流器， 它采用子模块级联的方式， 通过分别控制每个子模块的状态， 可以使换 流器输出的交流电压逼近正弦波， 从而降低输出电压中的谐波含量， 它的出现解 决了两电平电压源换流器存在的串联均压问题， 具有广阔的应用前景。
Marquardt Rainer 的 "分布式能源存储与转换器电路"最早提及了一种模 块化多电平换流器（MMC) (专利申请公布号： DE10103031A), 该换流器的子模块 采用半桥与电容器并联组成， 在子模块的输出端口可通过控制产生电容电压或 0 电压两种电平。 2010 年， 由西门子公司承建的全世界第一个采用这种拓扑结构 的柔性直流输电工程 Trans Bay工程的成功投运， 证明了这种换流器拓扑结构的 工程应用可行性。
ABB公司在模块化多电平换流器拓扑结构的基础上对该结构进行了修改， 提 出了一种级联两电平模块化多电平拓扑结构 （专利申请公布号： US20100328977A1 )，该换流器与上述模块化多电平换流器的区别在于子模块的连 接方式相反。
上述两种模块化多电平换流器存在的缺点在于，直流网络发生故障时交流网 络可以通过子模块的二极管向故障点提供故障电流， 从而造成交、直流侧及换流 阀的过流， 因此必须通过跳进线开关的方式清除直流故障。在直流网络发生瞬时 故障时， 所有与其连接的上述两种模块化多电平换流器也需要跳交流进线开关， 重新恢复输电的时间将较长。 发明内容
本发明的目的， 在于提供一种子模块， 该换流器在直流故障闭锁换流器时可 以防止交流系统向直流网络注入故障电流，不需要跳交流进线开关即可清除直流 网络的瞬时性故障， 从而快速重启系统。 另外还提供保护单元、 与子模块相应的 换流器以及控制方法。
为了达成上述目的， 本发明采用的技术方案是：
采用上述方案后， 本发明的有益效果为：
( 1 ) 直流网络故障时， 可以通过闭锁换流器阻止交流网络向故障点提供故 障电流；
( 2 ) 直流侧瞬时故障时， 清除故障不需要跳交流进线开关；
( 3 ) 采用本发明提供的换流器组成的两端或多端直流系统不需要装设直流 断路器。 附图说明
图 1 是本发明子模块的一个实施例的拓扑结构图；
图 2是本发明子模块的一个实施例的拓扑结构图；
图 3是本发明子模块的一个实施例的拓扑结构图；
图 4是本发明子模块的一个实施例的拓扑结构图；
图 5是全部采用本发明提供的子模块的换流器拓扑结构图；
图 6是本发明中其余子模块的两种拓扑结构图；
图 7是部分采用本发明提供的子模块的换流器拓扑结构图；
图 8是本发明换流器控制方法的一个实施例的示意图；
图 9是本发明换流器控制方法的一个实施例的示意图；
图 10是本发明中子模块保护单元的四种拓扑结构图；
图 11是本发明中子模块保护单元与子模块的连接方式示意图 (
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例， 对本发明的技术方案进行详细说明。
图 1至图 4均为本发明提供的子模块的较优实施例的拓扑结构图。 其中图 1 和图 2为续流二极管支路中不含有电阻的情况，图 3和图 4为续流二极管支路中 含有电阻的情况。
如图 1和 2所示， 该子模块包括带反并联二极管的可关断器件 1、 3、 5和储 能元件 8， 其中， 可关断器件 1与二极管 2反并联， 可关断器件 3与二极管 4反 并联， 可关断器件 5与二极管 6反并联； 对于可关断器件 1、 3、 5来说， 其可采 用单个可控开关器件 （如 IGBT、 IGCT、 M0SFET或 GT0等全控器件， 如本文提供 实施例中均以 IGBT为例）， 也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结构。
图 1为子模块 10， 其中， 可关断器件 1的发射极与可关断器件 3的集电极 连接， 且该连接点作为子模块 10的端点 XI， 所述可关断器件 1的集电极经由储 能元件 8连接可关断器件 3的发射极；所述可关断器件 1的集电极还连接二极管 7的阴极， 所述二极管 7的阳极连接可关断器件 5的集电极， 且该连接点作为子 模块 10的端点 X2; 所述可关断器件 5的发射极连接至可关断器件 3的发射极。
图 2为子模块 11， 其中， 可关断器件 5的发射极连接二极管 7的阴极， 且 该连接点作为子模块 11的端点 XI， 所述可关断器件 5的集电极经由储能元件 8 连接二极管 7的阳极;所述可关断器件 5的集电极还连接可关断器件 3的集电极， 所述可关断器件 3的发射极连接可关断器件 1的集电极，且该连接点作为子模块 11的端点 X2， 所述可关断器件 1的发射极连接至二极管 7的阳极。
如图 3和图 4中， 所述子模块包括带反并联二极管的可关断器件 1、 3、 5和 储能元件 C， 其中， 可关断器件 1与二极管 2反并联， 可关断器件 3与二极管 4 反并联， 可关断器件 5与二极管 6反并联； 对于可关断器件 1、 3、 5来说， 其可 采用单个可控开关器件 （如 IGBT、 IGCT、 M0SFET或 GT0等全控器件， 如本文提 供实施例中均以 IGBT 为例）， 也可采用由至少两个可控开关器件串联构成的结 构。
图 3为子模块 10 ' ，其中， 可关断器件 1的集电极与可关断器件 3的发射极 连接， 且该连接点作为子模块 10的端点 XI， 所述可关断器件 1的发射极经由储 能元件 C连接可关断器件 3的集电极；所述可关断器件 1的集电极还连接串联电 阻 R， 串联电阻的另一端与二极管 7的阴极连接， 二极管 7的阳极连接可关断器 件 5的集电极， 且该连接点作为子模块 10的端点 X2; 所述可关断器件 5的集电 极连接至可关断器件 3的集电极。 串联电阻 R与二极管 7的位置可互换， 只要保 证二极管 7的阳极直接连接端点 X2或经过串联电阻 R连接端点 X2。
图 4为子模块 1 ， 其中， 将图 3所示的子模块拓扑结构中端点 XI和端点 X2 位置互换、 所有可关断器件的集电极和发射极位置互换以及将所有二极管的 阳极和阴极位置互换后得到。其中，可关断器件 5的集电极连接二极管 7的阴极， 且该连接点作为子模块 11的端点 XI， 所述可关断器件 5的发射极经由储能元件 C连接串联电阻 R的一端， 串联电阻 R的另一端连接二极管 7的阳极； 所述可关 断器件 5的集电极还连接可关断器件 3的集电极，所述可关断器件 3的发射极连 接可关断器件 1的集电极， 且该连接点作为子模块 11的端点 X2， 所述可关断器 件 1的集电极连接至串联电阻 R的一端。 串联电阻 R与二极管 7的位置可互换， 只要保证二极管 7的阴极直接连接端点 XI或经过串联电阻 R连接端点 XI。
需要注意的是， 本发明实施例中的可关器件、 电阻、 续流二极管、 可关断器 件， 仅描述了等效元件。 也就是说可以由多个元件级联而成。例如电阻可以由多 个电阻串和 /或并联构成一个等效电阻，续流二极管可以由多个续流二极管串和 / 或并联称为一个等效续流二极管， 等等。
需要注意的是，图 3和图 4所描述的实施例中，串联电阻是一种等效的表示， 也就是电阻与续流二极管的位置不限， 数量不限， 也可以交叉排列。
如图 5所示， 是本发明的换流器的一个较优实施例， 该换流器全部采用本发 明提供子模块， 包括至少一个相单元， 所述相单元的具体数目可根据交流系统的 交流端点数目来决定；对于每个相单元而言，均包括有上桥臂 100和下桥臂 101， 所述上、 下桥臂均包括有相互串联的至少两个子模块 10和至少一个电抗器 20， 且上、 下桥臂中包含的子模块和电抗器的数量可以相同， 也可以不同； 每个子模 块 10都有两个端点 XI、 12 , 在同一个桥臂 （上桥臂或下桥臂） 中， 所有的子模 块 10同向连接， 且上、 下桥臂中的子模块的连接方向相反， 可配合图 3所示； 上桥臂 100的一端作为所述相单元的第一直流端点 P， 用以接入直流网络中， 下 桥臂 101的一端作为所述相单元的第二直流端点 N， 用以接入直流网络中， 而上 桥臂 100、下桥臂 101的另一端连接在一起，共同作为所述相单元的交流端点 A， 用以接入交流网络中。 需要说明的是， 对于上桥臂 100或下桥臂 101而言， 所述 子模块 10与电抗器 20的串联位置并无限制，且由于一个电抗器可看作多个子电 抗器串联组成， 因此所述电抗器的数目不作限制， 只要某桥臂中的电抗总值达到 该桥臂对应的要求即可。
需要指出的是， 图 3中子模块 10也可采用前文所提供的 4种子模块的任意 一种替换。 图 6所示为本发明中其余子模块的两种拓扑结构图，通过采用其余子模块代 替图 5所示的换流器中的子模块可以达到节省换流器造价的目的。所述其余子模 块包括带反并联二极管的可关断器件 1、 3和储能元件 C， 其中， 可关断器件 1 与二极管 2反并联， 可关断器件 3与二极管 4反并联； 对于可关断器件 1、 3来 说， 其可采用单个可控开关器件 （如 IGBT、 IGCT、 M0SFET或 GT0等全控器件， 如本文提供实施例中均以 IGBT为例），也可采用由至少两个可控开关器件串联构 成的结构； 图 6 ( a) 为子模块 12， 其中可关断器件 1的集电极与可关断器件 3 的发射极连接， 且该连接点作为子模块 12的端点 XI， 所述可关断器件 1的发射 极经由储能元件 C连接可关断器件 3的集电极；可关断器件 3的集电极作为子模 块 12的端点 X2。 图 6 (b ) 为子模块 13， 其中可关断器件 3的集电极与可关断 器件 1的发射极连接， 且该连接点作为子模块 13的端点 X2， 所述可关断器件 1 的发射极经由储能元件 C连接可关断器件 3的集电极；可关断器件 3的集电极作 为子模块 12的端点 XI。
图 7为本发明换流器的一个较优实施例，其中使用其余子模块替换了图 5所 示换流器的下桥臂中的一个子模块为子模块 13， 由于减少了使用可关断器件的 数量， 可以节约换流器的造价。值得说明的是， 替换后的换流器中应至少包括一 个本发明提供的子模块，除此之外可使用其余子模块替换图 5所示换流器中任意 位置及任意数量的本发明子模块。
对于前述换流器， 本发明还提供一种换流器的控制方法， 其是通过控制换流 器中各个子模块的工作状态， 来实现对换流器的控制， 以下分别以本发明图 1和 图 2提供的子模块 10， 11为例， 说明控制方法的控制内容。 图 3和图 4子模块 10 ' ，11 ' 构成的换流器控制方法与此类似， 不再赘述。
如图 8所示， 其中， （a)、 ( d) 分别表示状态 1两种电流方向示意图， （b)、 ( e )分别表示状态 2两种电流方向示意图， （c)、 （f )分别表示状态 3两种电流 方向示意图。
控制子模块 10工作在 3种工作状态： 状态 1 : 可关断器件 1、 5开通， 可关 断器件 3关断， 储能元件 C通过二极管 2和二极管 6串入桥臂中， 见图 8 ( a), 或储能元件 C通过可关断器件 5、 1串入桥臂中， 见图 8 ( d); 子模块 10的输出 电压 （即端点 XI相对端点 X2的电压） 为储能元件 C两端的电压； 状态 2: 可关 断器件 3、 5开通， 可关断器件 1关断， 电流可通过可关断器件 3和二极管 6 (见 图 8 (b ) ) 或可关断器件 5和二极管 4 (见图 8 ( e )) 流通， 储能元件 C被旁路， 子模块 10的输出电压为 0; 状态 3: 可关断器件 1、 3、 5均关断， 当电流由端点 XI流入至端点 X2时， 二极管 2和二极管 6导通， 储能元件 C通过端点 XI和 X2 串入桥臂中， 子模块 10的输出电压为储能元件 C两端的电压， 见图 8 ( c ); 当 电流由端点 X2流入至端点 XI流出时， 二极管 7和二极管 4导通， 储能元件 C通 过端点 XI和 X2反向串入桥臂中， 见图 8 ( f)， 子模块 10的输出电压为负的储 能元件 C两端的电压加电阻上的电压。 由于子模块工作在状态 3时， 子模块 10 的输出电压与子模块 10中流通的电流方向相反， 可以抑制故障电流最终使故障 电流为 0， 加入串联电阻 R后可以加快故障电流的衰减速度。
如图 9所示， 其中， （a)、 ( d) 分别表示状态 1两种电流方向示意图， （b)、 ( e )分别表示状态 2两种电流方向示意图， （c)、 （f )分别表示状态 3两种电流 方向示意图。
控制子模块 11工作在 3种工作状态： 状态 1 : 可关断器件 1、 5开通， 可关 断器件 3关断， 储能元件 C通过二极管 6和二极管 2串入桥臂中， 见图 9 ( a), 或储能元件 C通过可关断器件 1、 5串入桥臂中， 见图 9 ( d); 子模块 11的输出 电压 （即端点 XI相对端点 X2的电压） 为储能元件 C两端的电压； 状态 2: 可关 断器件 3、 5开通， 可关断器件 1关断， 电流可通过二极管 6和可关断器件 3 (见 图 9 (b ) ) 或二极管 4和可关断器件 5 (见图 9 ( e )) 流通， 储能元件 C被旁路， 子模块 11的输出电压为 0; 状态 3: 可关断器件 1、 3、 5均关断， 当电流由端点 XI流入至端点 X2时， 二极管 6和二极管 2导通， 储能元件 C通过端点 XI和 X2 串入桥臂中， 子模块 11的输出电压为储能元件 C两端的电压， 见图 9 ( c ); 当 电流由端点 X2流入至端点 XI流出时， 二极管 4和二极管 7导通， 储能元件 C通 过端点 XI和 X2反向串入桥臂中， 见图 9 ( f)， 子模块 11的输出电压为负的储 能元件 C两端的电压加电阻上的电压。 由于子模块工作在状态 3时， 子模块 11 的输出电压与子模块 11中流通的电流方向相反， 可以抑制故障电流最终使故障 电流为 0， 加入串联电阻 R后可以加快故障电流的衰减速度。
在直流网络发生接地故障时， 通过闭锁换流器使换流器中所有的子模块 10 或 11以及可能配置的其余子模块 12、 13， 使其均工作在状态 3， 可以抑制故障 时桥臂的电流最终使故障桥臂电流降至 0， 从而使交流网络无法向故障点提供故 障电流。在直流侧瞬时故障时， 清除故障不需要跳交流进线开关， 采用本发明提 供的换流器组成的两端或多端直流系统不需要装设直流断路器也可以具有良好 的清除直流侧故障能力。
另外本发明还提供一种保护单元。该保护单元可以用于本发明所提供的子模 块中， 也可以用于其他类型的全桥、 半桥等子模块的保护。 该保护单元可以采用 四种结构。 如图 10所示， 其中， （a) 为由单个晶闸管组成的保护单元， （b ) 为 由单个快速开关组成的保护单元， （c )为由晶闸管和快速开关的并联结构组成的 保护单元， （d) 为由反并联晶闸管和快速开关的并联结构组成的保护单元。
( a) 为由单个晶闸管组成的保护单元 21， 晶闸管的阴极作为保护单元 21 的端点 X3， 晶闸管的阳极作为保护单元 21的端点 X4， 在子模块过流时可快速导 通分流从而保护子模块； （b ) 为由单个快速开关组成的保护单元 22， 快速开关 的一端作为保护单元的端点 X3， 快速开关的另一端作为保护单元的端点 X4， 在 子模块故障时可旁路该故障子模块， 若故障子模块所在桥臂中含有冗余子模块， 换流器可继续运行； （c )为由晶闸管和快速开关的并联结构组成的保护单元 23， 晶闸管的阴极作为保护单元的端点 X3， 晶闸管的阳极作为保护单元的端点 X4， 快速开关的一端连接晶闸管的阴极， 快速开关的另一端连接晶闸管的阳极， 可实 现子模块的过流保护以及主动旁路； （d)为由反并联晶闸管和快速开关的并联结 构组成的保护单元 24，反并联的晶闸管 2 ' 和 3 ' 的一端作为保护单元的端点 X3， 另一端作为保护单元的端点 X4， 快速开关 的一端连接端点 X3， 另一端连接 端点 X4。
如图 11所示为保护单元 23与子模块 10的连接方式示意图，保护单元 23的 端点 X3与子模块 10的端点 XI连接，保护单元 23的端点 X4与子模块 10的端点 X2连接。 需要指出的是， 图 9中的保护单元 23可由保护单元 21、 保护单元 22 或保护单元 24代替， 子模块 10可由子模块 11代替。
在直流网络发生接地故障时， 通过闭锁换流器使换流器中所有的子模块 10 或者子模块 11工作在状态 3， 可以抑制故障时桥臂的电流最终使故障桥臂电流 降至 0， 从而使交流网络无法向故障点提供故障电流。 在直流侧瞬时故障时， 清 除故障不需要跳交流进线开关，采用本发明提供的换流器组成的两端或多端直流 系统不需要装设直流断路器也可以具有良好的清除直流侧故障能力。 以上实施例仅为说明本发明的技术思想， 不能以此限定本发明的保护范围， 凡是按照本发明提出的技术思想， 在技术方案基础上所做的任何改动， 均落入本 发明保护范围之内。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种子模块， 包含储能元件、 第一可关断器件、 第二可关断器件、 第三 可关断器件、续流二极管以及分别与各可关断器件反并联的二极管组成， 其特征 在于采用下述两种类型中的任一种拓扑：
i ) 第一可关断器件的负极与第二可关断器件的正极连接， 且该连接点作为 子模块的第一端点，所述第一可关断器件的正极经由储能元件连接第二可关断器 件的负极， 所述第三可关断器件的负极连接所述第二可关断器件的负极； 续流二 极管支路一端与第一可关断器件的正极连接；另一端与第三可关断器件的正极连 接， 且该连接点作为子模块的第二端点；
ii )第三可关断器件的负极连接二极管的阴极， 且该连接点作为子模块的第 一端点； 所述第三可关断器件的正极连接第二可关断器件的正极， 所述第二可关 断器件的负极连接第一可关断器件的正极， 且该连接点作为子模块的第二端点， 所述第三可关断器件的正级经由储能元件连接第一可关断器件的负极；续流二极 管作为串联支路，一端与第一可关断器件的负极连接， 另一端与第三可关断器件 的负极连接。
2、 如权利要求 1所述的一种子模块， 其特征在于： 可关断器件采用单个可 控开关器件或由至少两个可控开关器件串联而成。
3、 如权利要求 1所述的一种子模块， 其特征在于： 储能元件采用电容器。
4、如权利要求 2所述的一种子模块， 其特征在于： 可控开关器件采用 IGBT、 IEGT、 IGCT、 M0SFET或 GT0。
5、 如权利要求 1所述的一种子模块， 其特征在于： 可关断器件采用 IGBT或 IEGT时，所述正极为其集电极，所述负极为其发射极；上述可关断器件采用 IGCT 或 GT0时，所述正极为其阳极，所述负极为其阴极； 上述可关断器件采用 M0SFET 时， 所述正极为其发射极， 所述负极为其集电极。
6、 如权利要求 1所述的一种子模块， 其特征在于， 所述续流二极管支路中 还串联电阻。
7、 如权利要求 1所述的一种子模块， 其特征在于， 还包括保护单元； 所述 保护单元的第一端点连接所述子模块的第一端点，保护单元的第二端点连接所述 子模块的第二端点； 所述保护单元采用下述四种拓扑结构的任意一种或多种： i)保护单元由晶闸管组成， 晶闸管的阴极为保护单元的第一端点， 晶闸管的 阳极为保护单元的第二端点；
i i )保护单元由快速开关组成， 快速开关的一端为保护单元的第一端点， 快 速开关的另一端为保护单元的第二端点；
i i i ) 保护单元由晶闸管和快速开关的并联结构组成， 晶闸管的阴极为保护 单元的第一端点， 晶闸管的阳极为保护单元的第二端点， 快速开关的一端连接晶 闸管的阴极， 快速开关的另一端连接晶闸管的阳极；
iv )保护单元由反并联的至少两个晶闸管和快速开关的并联结构组成， 反并 联的晶闸管的一端为保护单元的第一端点，反并联的晶闸管的另一端为保护单元 的第二端点， 快速开关的一端连接保护单元的第一端点， 快速开关的另一端连接 保护单元的第二端点。
8、 如权利要求 7所述的一种子模块， 其特征在于， 所述并联保护单元在子 模块发生故障时，若采用拓扑结构 i)或 i i)时，单独触发晶闸管或闭合快速开关， 对子模块进行保护； 若采用拓扑结构 i i i)或 iv)时， 同时触发晶闸管和闭合快速 开关， 对子模块进行保护。
9、 一种保护单元， 所述保护单元用于电压源型多电平换流器子模块， 包含 第一端点和第二端点， 其特征在于， 所述保护单元的第一端点连接子模块的第一 端点， 保护单元的第二端点连接子模块的第二端点； 所述保护单元采用下述四种 拓扑结构的任意一种或多种：
i)保护单元由晶闸管组成， 晶闸管的阴极为保护单元的第一端点， 晶闸管的 阳极为保护单元的第二端点；
i i )保护单元由快速开关组成， 快速开关的一端为保护单元的第一端点， 快 速开关的另一端为保护单元的第二端点；
i i i ) 保护单元由晶闸管和快速开关的并联结构组成， 晶闸管的阴极为保护 单元的第一端点， 晶闸管的阳极为保护单元的第二端点， 快速开关的一端连接晶 闸管的阴极， 快速开关的另一端连接晶闸管的阳极；
iv )保护单元由反并联的至少两个晶闸管和快速开关的并联结构组成， 反并 联的晶闸管的一端为保护单元的第一端点，反并联的晶闸管的另一端为保护单元 的第二端点， 快速开关的一端连接保护单元的第一端点， 快速开关的另一端连接 保护单元的第二端点。
10、如权利要求 9所述的保护单元，其特征在于，在所述子模块发生故障时， 若保护单元采用拓扑结构 i)或 ii)时， 单独触发晶闸管或闭合快速开关， 对子模 块进行保护； 若保护单元采用拓扑结构 iii)或 iv)时， 同时触发晶闸管和闭合快 速开关， 对子模块进行保护。
11、 一种换流器， 包括至少一个相单元， 各相单元均包括上桥臂和下桥臂， 所述上、下桥臂均包括相互串联的至少两个子模块和至少一个电抗器， 所述同一 桥臂中的所有子模块同向连接， 且上、 下桥臂中的子模块连接方向相反， 且上、 下桥臂的一端分别作为该相单元的第一、 二直流端点， 用以接入直流网络中， 而 上、 下桥臂的另一端相互短接作为该相单元的交流端点， 用以接入交流网络中； 其特征在于所述的至少两个子模块全部或部分使用如权利要求 1所述的子模块。
12、 如权利要求 11所述的一种换流器， 其特征在于： 当某个桥臂中部分使 用所述子模块时，其余子模块采用如下结构：包含串联的第一和第二可关断器件、 与第一可关断器件反并联的二极管、与第二可关断器件反并联的二极管， 以及储 能元件组成， 该储能元件与第一和第二可关断器件的串联支路并联。
13、 如权利要求 12所述的一种换流器， 其特征在于： 所述其余子模块中， 第一可关断器件的负极与第二可关断器件的正极相连作为第一端点，第二可关断 器件的负极作为第二端点。
14、 如权利要求 12所述的一种换流器， 其特征在于： 所述其余子模块中， 第二可关断器件的正极作为第一端点，第二可关断器件的负极与第一可关断器件 的正极相连作为第二端点。
15、 如权利要求 12所述的一种换流器， 其特征在于： 所述其余子模块中的 储能元件采用电容器。
16、 如权利要求 12所述的一种换流器， 其特征在于： 所述其余子模块中的 可关断器件采用 IGBT、 IEGT、 IGCT、 M0SFET或 GT0。
17、 如权利要求 16所述的一种换流器， 其特征在于： 可关断器件采用 IGBT 或 IEGT时， 所述正极为其集电极， 所述负极为其发射极； 上述可关断器件采用 IGCT或 GT0时， 所述正极为其阳极， 所述负极为其阴极； 上述可关断器件采用 M0SFET时， 所述正极为其发射极， 所述负极为其集电极。
18、 一种如权利要求 11所述的换流器的控制方法， 通过控制换流器中各子 模块的工作状态， 实现对换流器的控制， 其特征在于： 对于如权利要求 1所述的 子模块的控制方法为： 状态 1 : 第一、三可关断器件开通， 第二可关断器件关断， 该子模块的输出电压为储能元件的电压； 状态 2: 第二、 三可关断器件开通， 第 一可关断器件关断， 该子模块的输出电压为 0; 状态 3: 第一、 二、 三可关断器 件均关断， 该子模块的输出电压由电流方向决定； 所述子模块的输出电压是该子 模块第一端点相对第二端点的电压；
对于其余子模块的控制方法为： 状态 1 : 第一可关断器件开通， 第二可关断 器件关断， 该子模块的输出电压为储能元件的电压； 状态 2: 第二可关断器件开 通， 第一可关断器件关断， 该子模块的输出电压为 0; 状态 3: 第一、 二可关断 器件均关断， 该子模块的输出电压由电流方向决定； 所述其余子模块的输出电压 是该其余子模块第一端点相对第二端点的电压。
19、 如权利要求 18所述的控制方法， 当检测到换流器连接的直流系统发生 故障时， 通过控制所有子模块均工作在状态 3闭锁换流器。
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