CN104601017A - 一种可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于新型箝位子模块的可穿越直流短路故障的混合式模块化多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域。本发明提出的新型箝位子模块可在直流短路故障电流的通路上提供反压，有助于快速衰减故障电流。本发明提出的该变流器结构由三相构成，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由若干半桥子模块及若干箝位子模块及一台滤波电抗器串联构成。本发明提出的可实现直流短路故障保护的模块化多电平变流器结构，将半桥子模块结构与箝位单子模块结构混合级联，可以以较低的成本实现直流短路故障电流的自动清零，并具有成本低、故障电流清除速度快、不存在子模块内部电容均压问题等优点。

Description

一种可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器

技术领域

本发明涉及一种可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域。

背景技术

与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控开关器件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流***实现换相等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性高压直流输电***，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。

直流短路故障是柔性直流输电工程设计运行时必须考虑到的一种严重故障类型。但对于采用半桥子模块结构的变流器，当直流侧发生短路故障时，半桥子模块中的反并联二极管易构成故障点与交流***直接连通的能量馈送回路，使得变流器无法通过自身开关器件的动作实现直流侧故障电流的清除。为实现对直流短路故障电流的清除，现有文献和专利公开了多种改进方案，其中通过采用新型子模块结构来实现直流短路故障电流清除的方案最具有经济性和可行性。例如，申请号为201310470755.3、名称为《一种带短路保护的模块化多电平变流器变流模块电路》的中国专利公开了一种子模块结构，该结构通过在子模块内部增加可控开关器件和箝位二极管，使得单个子模块可提供自身正向额定电压一半的反压，从而可以实现故障电流清除，但该结构由于子模块内部存在多个电容，且只有一半数量的电容在故障后被充电，因而存在子模块内部电容电压不均衡的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器，对已有的模块化多电平变流器的结构进行改进，将半桥子模块结构与一种篏位子模块结构混合级联，可根据成本和闭锁时间灵活选择两种子模块的混合比例，从而以较低的成本实现直流短路故障电流的快速清除。由于该篏位子模块内部的电容在故障闭锁后均会被充电，因而不会存在子模块内部电容电压不均衡的问题。

本发明提出的可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器，由A相、B相和C相组成，每相由上桥臂和下桥臂串联而成，上桥臂的正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；三相直流侧正端连接到一起，成为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的直流侧正极；三相直流侧负端连接到一起，形成可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接；

所述的上桥臂和下桥臂均由L个半桥子模块、M个篏位子模块和一台滤波电抗器以任意次序串联而成，其中L+2M+1等于可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的电平数，M≥U_lm/(4U_c)，U_lm为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器交流侧线电压幅值，U_c为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器半桥子模块的额定电压；

所述的箝位子模块，包括第一直流电容器、第二直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管、第一嵌位二极管和第二嵌位二极管；所述第一可控开关器件的集电极、第二可控开关器件的集电极、第三可控开关器件的集电极、第四可控开关器件的集电极、第五可控开关器件的集电极和第六可控开关器件的集电极分别与所述的第一续流二极管的阴极、第二续流二极管的阴极、第三续流二极管的阴极、第四续流二极管的阴极、第五续流二极管的阴极和第六续流二极管的阴极相连；所述的第一可控开关器件的发射极、第二可控开关器件的发射极、第三可控开关器件的发射极、第四可控开关器件的发射极、第五可控开关器件的发射极、第六可控开关器件的发射极分别与所述的第一续流二极管的阳极、第二续流二极管的阳极、第三续流二极管的阳极、第四续流二极管的阳极、第五续流二极管的阳极、第六续流二极管的阳极相连；所述的第一可控开关器件的集电极同时与第一箝位二极管的阴极和第一直流电容器的正极端相连，第一可控开关器件的发射极与第二可控开关器件的集电极相连，作为箝位子模块的正极端；所述的第二可控开关器件的发射极同时与第三可控开关器件的发射极和第一直流电容器的负极相连，所述的第三可控开关器件的集电极同时与第一箝位二极管的阳极、第四可控开关器件的发射极和第二嵌位二极管的阴极相连；所述的第六可控开关器件的集电极同时与第四可控开关器件的集电极和第二直流电容器的正极相连；所述的第五可控开关器件的发射极同时与第二篏位二极管的阳极和第二直流电容的负极相连；所述的第五可控开关器件的集电极与第六可控开关器件的发射极相连，作为箝位子模块的负极端。

本发明提出的可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器，其优点是：

将半桥子模块结构与新型篏位子模块结构混合级联，可以以较低的成本实现直流短路故障电流的自动清零。由于采用混合级联结构，半桥子模块数L与篏位子模块数M的比值可以根据降低成本、减少故障电流清除时间等需求灵活设计。对于本发明提出的变流器，当L/M＝0，即完全采用新型篏位子模块时，其故障电流清除时间最短，与完全采用全桥子模块的模块化多电平变流器相比，故障电流清楚时间基本相当，但本发明提出的变流器三相共节省了12M个IGBT；随着L/M比值的增加，本发明提出的变流器所需IGBT及二极管数进一步减少，当L/M＝2时，与完全采用箝位双子模块的模块化多电平变流器相比，其故障电流清除时间基本相当，但本发明提出的变流器三相共节省了6L个箝位二极管，装置成本更低。适当增加L/M的比值，可以减少故障电流清零时间，有助于模块化多电平变流器在非永久性短路故障时快速恢复正常工作状态。与申请号为201310470755.3、名称为《一种带短路保护的模块化多电平变流器变流模块电路》的中国专利提出的子模块结构相比，本发明提出的变流器结构不存在模块内部电容均压问题，因此不会因多次故障后因子模块内部电容电压不均而造成电容损坏。

附图说明

图1是本发明提出的可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的电路原理图。

图2是图1所示的模块化多电平变流器中上桥臂和下桥臂的结构示意图。

图3是图2所示的上桥臂和下桥臂中的箝位子模块的结构示意图。

图4为本发明提出的模块化多电平变流器在直流侧短路故障前后故障电流的变化曲线。

具体实施方式

本发明提出的可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器，其电路原理图如图1所示，由A相、B相和C相组成，每相由上桥臂和下桥臂串联而成，上桥臂的正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；三相直流侧正端连接到一起，成为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的直流侧正极DC+；三相直流侧负端连接到一起，形成可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的直流侧负极DC-；变流器各相的交流侧端Ac、Bc、Cc分别与交流侧电网各相线端Ag、Bg、Cg连接；

上述模块化多电平变流器中的上桥臂和下桥臂，其电路原理图如图2所示，均由L个半桥子模块、M个篏位子模块和一台滤波电抗器以任意次序串联而成，其中L+2M+1等于可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的电平数，M≥U_lm/(4U_c)，U_lm为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器交流侧线电压幅值，U_c为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器半桥子模块的额定电压。

上述上桥臂和下桥臂中的箝位子模块，其电路原理图如图3所示，包括第一直流电容器C₁、第二直流电容器C₂、第一可控开关器件T₁、第二可控开关器件T₂、第三可控开关器件T₃、第四可控开关器件T₄、第五可控开关器件T₅、第六可控开关器件T₆、第一续流二极管D₁、第二续流二极管D₂、第三续流二极管D₃、第四续流二极管D₄、第五续流二极管D₅、第六续流二极管D₆、第一嵌位二极管D_c1和第二嵌位二极管D_c2；所述第一可控开关器件T₁的集电极、第二可控开关器件T₂的集电极、第三可控开关器件T₃的集电极、第四可控开关器件T₄的集电极、第五可控开关器件T₅的集电极和第六可控开关器件T₆的集电极分别与所述的第一续流二极管D₁的阴极、第二续流二极管D₂的阴极、第三续流二极管D₃的阴极、第四续流二极管D₄的阴极、第五续流二极管D₅的阴极和第六续流二极管D₆的阴极相连；所述的第一可控开关器件T₁的发射极、第二可控开关器件T₂的发射极、第三可控开关器件T₃的发射极、第四可控开关器件T₄的发射极、第五可控开关器件T₅的发射极、第六可控开关器件T₆的发射极分别与所述的第一续流二极管D₁的阳极、第二续流二极管D₂的阳极、第三续流二极管D₃的阳极、第四续流二极管D₄的阳极、第五续流二极管D₅的阳极、第六续流二极管D₆的阳极相连；所述的第一可控开关器件T₁的集电极同时与第一箝位二极管D_c1的阴极和第一直流电容器C₁的正极端相连，第一可控开关器件T₁的发射极与第二可控开关器件T₂的集电极相连，作为箝位子模块的正极端+；所述的第二可控开关器件T₂的发射极同时与第三可控开关器件T₃的发射极和第一直流电容器C₁的负极相连，所述的第三可控开关器件T₃的集电极同时与第一箝位二极管D_c1的阳极、第四可控开关器件T₄的发射极和第二嵌位二极管D_c2的阴极相连；所述的第六可控开关器件T₆的集电极同时与第四可控开关器件T₄的集电极和第二直流电容器C₂的正极相连；所述的第五可控开关器件T₅的发射极同时与第二篏位二极管D_c2的阳极和第二直流电容C₂的负极相连；所述的第五可控开关器件T₅的集电极与第六可控开关器件T₆的发射极相连，作为箝位子模块的负极端-。

本发明提出的模块化多电平变流器在正常运行时，所有箝位子模块中的第三可控器件T₃和第四可控开关器件T₄的控制信号均为高电平，使T₃和T₄一直导通；当检测到变流器直流侧短路故障时，所有可控开关器件的控制信号均为低电平，使所有可控开关器件均处于闭锁状态，此后短路电流会迅速下降，从而有效保护各电气器件不受损坏。

下面以应用于三相交流电网的三相模块化多电平整流器为例说明本发明的具体实施例。

该实施例中9电平三相模块化多电平变流器的参数见下表。

在本实施例中，在t＝0.5s前变流器正常工作，所有箝位子模块中的第三可控器件T₃和第四可控器件T₄的控制信号均为高电平，使T₃和T₄一直导通；在t＝0.5s时变流器直流侧发生短路故障，在t＝0.5026s检测到直流侧电流达到动作阈值0.75kA，变流器控制***给所有子模块中可控开关器件的控制信号均为低电平，使得所有可控开关器件均处于闭锁状态。图4给出了直流侧短路故障前后直流侧电流的变化情况，可见在t＝0.5026s变流器闭锁各可控开关器件后，短路电流迅速下降，在t＝0.5062s时下降到0，实现了故障电流的自动清除。

Claims (1)

1.一种可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器，其特征在于该模块化多电平变流器由A相、B相和C相组成，每相由上桥臂和下桥臂串联而成，上桥臂的正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；三相直流侧正端连接到一起，成为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的直流侧正极；三相直流侧负端连接到一起，形成可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接；

所述的上桥臂和下桥臂均由L个半桥子模块、M个篏位子模块和一台滤波电抗器以任意次序串联而成，其中L+2M+1等于可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器的电平数，M≥U_lm/(4U_c)，U_lm为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器交流侧线电压幅值，U_c为可穿越直流短路故障的模块化多电平变流器半桥子模块的额定电压；

所述的箝位子模块，包括第一直流电容器、第二直流电容器、第一可控开关器件、第二可控开关器件、第三可控开关器件、第四可控开关器件、第五可控开关器件、第六可控开关器件、第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管、第一嵌位二极管和第二嵌位二极管；所述第一可控开关器件的集电极、第二可控开关器件的集电极、第三可控开关器件的集电极、第四可控开关器件的集电极、第五可控开关器件的集电极和第六可控开关器件的集电极分别与所述的第一续流二极管的阴极、第二续流二极管的阴极、第三续流二极管的阴极、第四续流二极管的阴极、第五续流二极管的阴极和第六续流二极管的阴极相连；所述的第一可控开关器件的发射极、第二可控开关器件的发射极、第三可控开关器件的发射极、第四可控开关器件的发射极、第五可控开关器件的发射极、第六可控开关器件的发射极分别与所述的第一续流二极管的阳极、第二续流二极管的阳极、第三续流二极管的阳极、第四续流二极管的阳极、第五续流二极管的阳极、第六续流二极管的阳极相连；所述的第一可控开关器件的集电极同时与第一箝位二极管的阴极和第一直流电容器的正极端相连，第一可控开关器件的发射极与第二可控开关器件的集电极相连，作为箝位子模块的正极端；所述的第二可控开关器件的发射极同时与第三可控开关器件的发射极和第一直流电容器的负极相连，所述的第三可控开关器件的集电极同时与第一箝位二极管的阳极、第四可控开关器件的发射极和第二嵌位二极管的阴极相连；所述的第六可控开关器件的集电极同时与第四可控开关器件的集电极和第二直流电容器的正极相连；所述的第五可控开关器件的发射极同时与第二篏位二极管的阳极和第二直流电容的负极相连；所述的第五可控开关器件的集电极与第六可控开关器件的发射极相连，作为箝位子模块的负极端。