CN104796025A - 一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种模块化多电平变换器子模块的改进结构，包括相互串联的第一开关模块和第二开关模块，第一开关模块的负极连接第二开关模块的正极；第一电容的正极和第一开关模块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连；第三开关模块负极与第二开关模块的负极相连，第三开关模块由限流装置和开关装置并联组成，开关装置由绝缘栅双极型晶体管和二极管反并联组成，限流装置由电容和二极管串联组成。本发明主要应用于高电压大容量的模块化多电平变流器中，在直流侧故障的时候，能够有效的实现直流故障电流的闭锁，较好的实现故障隔离，同时无需交流断路器动作。本发明结构简单，在故障清除后，有着快速的故障恢复能力。

Description

一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力***输配电技术领域，涉及一种模块化多电平换流器新型子模块拓扑。
背景技术
柔性直流输电技术为解决大型风电场等可再生能源的并网瓶颈，为城市高压电网的增容改造、电网互联及孤岛供电提供了新手段和技术方案，具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择，已列入《国家能源科技“十二五”规划》高性能输变电关键设备，是需要重点技术攻关的重大技术装备。
由于柔性直流输电是从常规直流输电的基础上发展起来的，因此除了常规直流输电技术所具有的优点，柔性直流输电较之常规直流输电还具有紧凑化、模块化设计，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。
MMC-HVDC(基于模块化多电平换流器的直流输电技术)是VSC-HVDC(电压源换流器型高压直流输电)中的一种新型结构。和级联H桥变流器相比，MMC保留了高度模块化的结构特点，同时又具有一个高压直流母线，能够实现输出电压、输出电流的四象限运行。和传统的二、三电平变流器相比，MMC不存在开关管串联并联的均压、均流的问题。MMC的每个子模块结构相对简单，控制容易，可以无限扩展，特别适用于HVDC领域。由于MMC将VSC的两电平或三电平提高到几十电平甚至上百电平，从而在维持耐压水平的基础之上增大***电压等级、大大减少了开关器件的开关频率从而减小开关损耗、输出电压波形更趋近正弦波从而进一步减产谐波含量。同时，MMC采用完全一致的模块化技术，其模块化结构使其可扩展性强，便于实现冗余控制，在研发、制造、动态和静态均压以及减小环流方面有着重要优势。
在工程建设方面，南汇风电场柔性输电示范工程，作为我国第一个MMC工程，于2011年7月完成工程验收，成为我国首条正式投入商用的基于MMC的HVDC输电工程。同时南网的大型风电场柔性直流输电工程和国网舟山五端柔性直流工程正在建设。
传统的MMC-HVDC工程通常采用直流电缆进行传输，直流电缆安全稳定性能较好，但其价格较高，长距离输电成本较高。而在大容量的传输中更多的采用价格便宜，散热效果更好架空线传输。而在架空线传输中，传统的半桥结构从本质上缺乏直流故障隔离能力：当直流侧发生故障时，全控型开关器件反并联的续流二极管易构成故障点交流***直接连通的能量馈送回路，必须通过跳开交流断路器来将其切断，其缺点在于机械响应较慢(最快也需2～3个周波)，影响电力的正常传输，同时可能造成换流阀器件的过流和过压。往往需要采用增大设备额定参数、配置高速旁路开关等辅助性措施，因此该拓扑并不适用于易发生闪络等暂时性故障的架空线路输电，而需要铺设造价昂贵、故障率低的电缆线路。
因此，需要设计新的子模块结构，能够有效的隔离直流故障。
发明内容
针对上面所述问题和在高压大功率场合的应用要求，本发明在原来半桥结构的基础上提出一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，由串联的半桥结构和限流模块组成，新的改进结构不改变原有子模块的结构、控制策略和电容均压方式，改进串联部分可以实现单独控制。新的改进结构提高了***的故障穿越能力，在直流侧故障时候，能够有效隔离故障电流。
本发明技术方案：一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，由半桥结构和限流模块串联组成；所述半桥结构包括相互串联的第一开关模块、第二开关模块和第一电容；所述第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连；所述第一电容的正极和第一开关模块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连；
所述限流模块由第二电容、二极管和第三开关模块组成；所述二极管的负级和第二电容的正极相连，二极管的正极与第三开关模块的正极相连，第三开关模块的负极和第二电容的负级相连，限流模块的第二电容负级和第二开关模块的负级相连；
所述半桥结构的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为所述拓扑结构的输入端，限流模块的第三开关模块的正极和二极管正极之间的节点为所述拓扑结构的输出端。
进一步的，所述第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。
进一步的，正常工作情况下，限流模块中的第三开关模块的绝缘栅双极型晶体管一直施加脉冲，使其一直处于导通状态，从而使得第二电容和二极管处于短路状态，对输出无影响。
基于模块化多电平换流器子模块拓扑结构实现的一种模块化多电平换流器，包括三个相单元，每一个相单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块拓扑结构，每相上下桥臂串联的子模块拓扑结构数量相同；上下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂的连接处外接三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑结构的输入端与直流正极相连，下桥臂最下端子模块输出端与直流负极相连。
进一步的，在直流输电***中，当直流侧发生双极短路故障，先检测到故障电流，然后关闭所有第一开关模块和第二开关模块的触发信号，同时关断限流模块中的第三开关模块信号，电流从拓扑结构的输出端进入拓扑结构后，通过限流模块的二极管和第二电容从拓扑结构的输入端流出，而不再通过限流模块的第三开关模块和第一电容。该结构能够通过电容削减故障电流，达到消除故障目的。半桥结构所并联电容不流经电流，得到保护，使得故障后可以快速恢复。
进一步的，当所述的故障为直流永久性故障时，具体过程为：关断第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲，然后断开交流侧断路器，进行检修，故障修复后，进行重合闸，再开启第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块。
进一步的，当所述的故障为直流暂时性故障时，具体过程为：关断第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲，等待直流侧故障电流为零后，重新触发第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块的绝缘栅双极型晶体管，建立直流侧电压，等待***进入稳态运行。
本发明技术方案：本发明主要针对直流侧双极短路故障，研究双极短路故障下，故障电流关断机理，抑制措施。
本发明的优点在于：1)在高压大容量的传输过程中，能够有效的抑制直流侧故障电流，无需交流断路器动作；2)该电路能够有效的保护了原子模块电容，在故障恢复后能够实现快速的恢复；3)与其他拓扑结构比较，节省了元器件。
附图说明
图1是本发明的模块化多电平改进子模块拓扑原理图。
图2是本发明的含有新型子模块结构的三相模块化多电平变流器原理图。
图3是本发明的直流故障下电流从正极(1端)流入电流流向原理图。
图4是本发明的直流故障下电流从负极(2端)流入电流流向原理图。
图5是本发明的双极短路直流故障下电流流向原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
图1是本发明提出的改进的模块化多电平换流器子模型的拓扑。其中2端串联一由电容二极管串联再和IGBT并联的模块。该结构在正常工作时，2端串联的IGBT处于一直导通状态，电容被短路，原半桥子模块结构根据原有控制方法进行控制，无需对原有调制方法进行改变，也对子模块输出电压没有影响。当直流侧发生故障，2端串联的IGBT关断。
图2是三相模块化多电平变流器结构，每个子模块都由图1所示的改进型子模块组成。
图3是当直流侧发生故障，电流从1端流入，电流流经原子模块电容C1，然后经D3从3端流出(不流经并联的电容)。
图4是当直流侧发生故障，电流从2端流入，电流流经并联的电阻电容，然后经D2从1端流出。该结构能够通过电容削减故障电流，达到消除故障目的。半桥结构所并联电容不流经电流，得到保护，使得故障后可以快速恢复。
根据附图进行说明，当正常状态下运行时，限流模块中的第三开关的IGBT(S3)处于常开状态，限流模块中的电容二极管没有电流通过。当***发生双极短路故障时，关断限流模块中第三开关S3，故障电流从限流模块的上支路电容通过，对限流模块电容C2进行充电。
图5是当发生双极短路故障时电流流向图，图以A、B两相为例(每相简化用一个子模块代替)。当故障时候，电流从电网一相向故障出流动，电流经过一相桥臂，而后经过故障点，再经过另外一相桥臂后，流入另一相。如图5所示，电流流经通路为DB4-CB2-DB2-DA4-CA2-DA2。电流共通过2N个子模块，每个子模块电压为Um，电网连接点为线电压UAB。
Udc＝NUm
U A = U B = 1 2 mU dc
U AB = 3 U A = 3 U B
UAB＝2NUm+2N×(UD2+UD4)
可得：
U D 2 + U D 4 = 1 2 N ( U AB - 2 NU m ) = ( 3 2 m - 2 ) U m 2
又因为：m＜1
UD2+UD4＜0
其中：Udc是正常运行情况下直流侧电压；UA和UB分别是三相交流侧输出A相和B相的相电压；m是调制比；UAB是AB相的线电压；UD2和UD4分别是子模块中二极管D2和D4两端电压。
可知二极管承受反向电压，故障关断，可靠关断故障电流。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于：由半桥结构和限流模块串联组成；所述半桥结构包括第一开关模块、第二开关模块和第一电容；所述第一开关模块的负极与第二开关模块的正极相连；所述第一电容的正极和第一开关模块的正极相连，第一电容的负极和第二开关模块的负极相连；
所述限流模块由第二电容、二极管和第三开关模块组成；所述二极管的负级和第二电容的正极相连，二极管的正极与第三开关模块的正极相连，第三开关模块的负极和第二电容的负级相连，限流模块的第二电容负级和第二开关模块的负级相连；
所述半桥结构的第一开关模块的负极与第二开关模块的正极之间的节点为所述拓扑结构的输入端，限流模块的第三开关模块的正极和二极管正极之间的节点为所述拓扑结构的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，其特征在于：所述第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块均由一个绝缘栅双极型晶体管和一个二极管反并联组成。
3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，其特征在于：正常工作情况下，限流模块中的第三开关模块的绝缘栅双极型晶体管一直施加脉冲，使其一直处于导通状态，从而使得第二电容和二极管处于短路状态，对输出无影响。
4.一种模块化多电平换流器，包括三个相单元，每一个相单元分上下桥臂，其特征在于：每个桥臂包括若干个串联的子模块拓扑结构，每相上下桥臂串联的子模块拓扑结构数量相同；上下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂的连接处外接三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑结构的输入端与直流正极相连，下桥臂最下端子模块输出端与直流负极相连。
5.根据权利要求4所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于：在直流输电***中，当直流侧发生双极短路故障，先检测到故障电流，然后关闭所有第一开关模块和第二开关模块的触发信号，同时关断限流模块中的第三开关模块信号，故障电流从拓扑结构的输出端进入拓扑结构后，通过限流模块的二极管和第二电容从拓扑结构的输入端流出，而不再通过限流模块的第三开关模块和第一电容。
6.根据权利要求5所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于：当所述的故障为直流永久性故障时，具体过程为：关断第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲，然后断开交流侧断路器，进行检修，故障修复后，进行重合闸，再开启第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块。
7.根据权利要求5所述的一种模块化多电平换流器，其特征在于：当所述的故障为直流暂时性故障时，具体过程为：关断第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块中绝缘栅双极型晶体管的触发脉冲，等待直流侧故障电流为零，故障消除后，重新触发第一开关模块、第二开关模块和第三开关模块的绝缘栅双极型晶体管，建立直流侧电压，等待***进入稳态运行。
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