CN107026577A - 一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，属于电力电子功率变换技术领域。其中，三个上换流桥臂的正极端连接到一起与能量吸收支路晶闸管的阳极、快速机械开关的一端连接，快速机械开关的另一端与辅助电子开关的一端连接，辅助电子开关的另一端作为换流器直流正极端，三个下换流桥臂的负极端连接到一起与能量吸收电容的负极、续流二极管的阴极连接作为换流器直流负极端，每个桥臂由多个相同的功率模块采用串联连接形成，每个功率单元的交流端口各并联一组双向旁路晶闸管。本发明的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，可通过简单的快速机械开关和能量吸收电路，使模块化多电平换流器自身具备切断直流故障电流的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，属于电力电子功率变换技术领域。
背景技术
柔性直流输电已经成为目前最有潜质的新型电力传输方式。由于模块化多电平换流器具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电***。但是，在直流线路发生短路故障的情况下，模块化多电平换流器将产生一个不控整流器效应，采用常规半桥功率模块的模块化多电平换流器无法自己清除直流短路故障电流，这使得在工程中采用直流架空线受到限制。
一类解决方式是改进模块化多电平换流器的功率模块的拓扑结构。例如在半桥功率模块的基础上进行拓扑结构改进，通过在功率模块中增加额外的半导体开关器件和二极管器件阻断直流短路故障电流，使其具有阻断直流短路故障电流的能力。也可以采用全桥功率模块，使直流短路故障电流流过功率模块电容，通过功率模块电容电压阻断故障电流通路。但是这种改进功率模块的方案所需要增加的半导体开关器件较多，会带来比较大的成本的增加。另一方面，正常的工作电流会流过所增加的半导体开关器件，这又导致换流器的通态损耗的增加，使装置的效率大为降低。
另一类方式是加装直流断路器。目前的高压直流断路器包括机械式断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合式断路器等方案。直流固态断路器的主通流支路由半导体开关构成，正常运行电流全部流过半导体开关器件，这导致固态断路器的功率损耗较大。机械式直流断路器主通流支路由高速机械开关构成，转移支路由反向电流注入电路构成，用于在关断直流电流时注入反向电流，实现快速开关熄弧。机械式直流断路器在高压领域应用还面临高di/dt电流关断可靠性、串联多断口同步性和开断时间一致性等问题。混合式直流断路器主通流支路由高速机械开关和辅助换流电路构成，转移支路由半导体开关构成，正常运行电流流过主通流支路，开断时电流转移到由半导体开关构成的转移支路，由半导体开关关断电流，这可以兼顾通态损耗特性和快速分断特性。但是混合直流断路器由于存在电流转移时间，一般需要通过加装较大的直流电抗器限制故障电流上升率，由于故障电流的上升导致半导体开关所需关断的故障电流也较大。因此混合直流断路器目前还存在装置成本高、体积大等缺点，且可开断电流还受到可关断半导体器件的限制。总体来说，目前高压直流断路器的技术成熟度还不高，成本和体积也还都比较大。
发明内容
本发明的目的是针对目前半桥型模块化多电平换流器不具备直流短路故障电流清除能力，功率模块改进型模块化多电平换流器在成本和损耗方面的增加比较大，而高压直流断路器还存在技术成熟度低、成本和体积大等缺点，提出一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，在发生直流短路故障时，通过触发功率模块旁路晶闸管导通限制直流电压，通过触发导通能量吸收支路晶闸管将能量吸收电容支路投入，通过关断辅助电子开关将直流短路故障电流强迫转移到能量吸收电容和续流二极管中并快速衰减到零，使快速机械开关在零电流和零电压下开断，实现直流故障电流的切断。
本发明提出的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，包括三个上换流桥臂1、三个下换流桥臂2、两组三台滤波电抗器3、能量吸收旁路晶闸管TB、能量吸收电容CB、快速机械开关KM、辅助电子开关SM、续流二极管DF；所述的三个上换流桥臂的三个负极端分别连接到第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的一端，所述的三个下换流桥臂的三个正极端分别连接到第二组三台滤波电抗器LA2、LB2、LC2的一端，第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的另一端分别与第二组三台滤波电抗器LA2、LB2、LC2的另一端连接作为可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的三相交流相线端A、B、C，三个下换流桥臂的负极端连接到一起后与能量吸收电容CB的负极、续流二极管DF的阴极连接作为可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的直流负极端DC-，三个上换流桥臂的正极端连接到一起后与能量吸收旁路晶闸管TB的阳极、快速机械开关KM的一端连接；能量吸收旁路晶闸管TB的阴极与能量吸收电容的CB正极连接；快速机械开关KM的另一端与辅助电子开关SM的一端连接，辅助电子开关SM的另一端作为可切断直流短路电流的模块化多电平换流器的直流正极端DC+。
上述可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器中，所述的上换流桥臂和下换流桥臂的结构相同，每个换流桥臂由多个相同的功率模块采用串联连接，形成换流桥臂的一个正极端和一个负极端。
上述可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器中，所述的功率模块由第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、直流电容CD、第一旁路晶闸管SCR1、第二旁路晶闸管SCR2组成；所述的第一半导体开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第二半导体开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第一旁路晶闸管SCR1的阳极、第二旁路晶闸管的SCR2阴极相互连接后构成功率模块的第一端子T1；所述的第一半导体开关S1的集电极、第一二极管D1的阴极和直流电容CD的正极相互连接；所述的第二半导体开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极、直流电容CD的负极、第一旁路晶闸管SCR1的阴极、第二旁路晶闸管SCR2的阳极相互连接构成功率模块的第二端子T2。
本发明提出的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，其优点是：
本发明提出的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，将直流短路故障电流强迫转移到能量吸收电容和续流二极管中，使快速机械开关在零电流和零电压下开断，实现直流故障电流的切断，使模块化多电平换流器自身具备切断直流故障电流的能力。对于现有的混合高压直流断路器方案，由半导体器件开关构成的转移支路是开断故障电流的核心部分，也是成本最高的部分。通过本发明的模块化多电平换流器，可以不需要由半导体器件开关构成的转移支路，只需要简单的快速机械开关和能量吸收电路即可。另外，通过功率模块的双向晶闸管旁路限制直流短路故障期间换流器直流端口的电压以及直流短路故障电流的上升速度，还可以避免使用常规高压直流断路器方案所需的直流限流电抗器。通过本发明的模块化多电平换流器，可以将模块化多电平换流器功能和直流断路器功能结合在一起，又大大的降低了装置的造价和占地。
附图说明
图1是本发明提出的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的电路原理图。
图2是图1所示的模块化多电平换流器中上换流桥臂和下换流桥臂电路原理图。
图3是图2所示的上换流桥臂和下换流桥臂电路的功率模块的电路原理图。
图4是本发明的模块化多电平换流器在正常运行时的直流电流通路示意图。
图5是本发明的模块化多电平换流器在直流短路故障发生时刻的直流短路故障电流通路示意图。
图6是直流短路故障电流转移到能量吸收电容和续流二极管的电流通路示意图。
具体实施方式
本发明提出的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，其电路原理图如图1所示，包括三个上换流桥臂1、三个下换流桥臂2、两组三台滤波电抗器3、能量吸收旁路晶闸管TB、能量吸收电容CB、快速机械开关KM、辅助电子开关SM、续流二极管DF；所述的三个上换流桥臂的三个负极端分别连接到第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的一端，所述的三个下换流桥臂的三个正极端分别连接到第二组三台滤波电抗器LA2、LB2、LC2的一端，第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的另一端分别与第二组三台滤波电抗器LA2、LB2、LC2的另一端连接作为可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的三相交流相线端A、B、C，三个下换流桥臂的负极端连接到一起后与能量吸收电容CB的负极、续流二极管DF的阴极连接作为可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的直流负极端DC-，三个上换流桥臂的正极端连接到一起后与能量吸收旁路晶闸管TB的阳极、快速机械开关KM的一端连接；能量吸收旁路晶闸管TB的阴极与能量吸收电容的CB正极连接；快速机械开关KM的另一端与辅助电子开关SM的一端连接，辅助电子开关SM的另一端作为可切断直流短路电流的模块化多电平换流器的直流正极端DC+。
上述可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器中的上换流桥臂和下换流桥臂的结构相同，如图2所示，每个换流桥臂由多个相同的功率模块采用串联连接，形成换流桥臂的一个正极端和一个负极端。所述的功率模块的电路原理图如图3所示，由第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、直流电容CD、第一旁路晶闸管SCR1、第二旁路晶闸管SCR2组成；所述的第一半导体开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第二半导体开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第一旁路晶闸管SCR1的阳极、第二旁路晶闸管的SCR2阴极相互连接后构成功率模块的第一端子T1；所述的第一半导体开关S1的集电极、第一二极管D1的阴极和直流电容CD的正极相互连接；所述的第二半导体开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极、直流电容CD的负极、第一旁路晶闸管SCR1的阴极、第二旁路晶闸管SCR2的阳极相互连接构成功率模块的第二端子T2。
以下结合附图，详细介绍本发明的工作原理和工作过程。在正常运行时，换流桥臂各功率模块的第一旁路晶闸管SCR1和第二晶闸管SCR2都处于关断状态，功率模块中的第一半导体开关S1和第二半导体开关S2处于正常脉冲开关状态，模块化多电平换流器正常运行和输出直流电压。如图4所示，正常运行时快速机械开关KM和辅助电子开关SM都处于闭合状态，换流器的直流输出电流流经快速机械开关KM和辅助电子开关SM。当直流线路发生短路故障时，本发明的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器按照如下步骤切断直流故障电流：
1)直流线路发生短路故障时，直流短路故障电流开始上升。当检测到直流短路故障电流过大时，立即闭锁所有功率模块的脉冲信号，使所有功率模块的半导体开关S1和S2都处于关断状态。同时立即触发所有功率模块的旁路晶闸管开关SCR1和SCR2导通。各功率模块的旁路晶闸管导通后，换流器的等效电路如图5所示。由于功率模块旁路晶闸管开关全部导通，此时相当于三相交流电源被直接短路，去除了换流器的不控整流效应，施加在直流线路上的电压也变得接近于零，并使直流故障电流停止上升。
2)触发导通能量吸收支路晶闸管TB，然后关断辅助电子开关SM，强迫直流短路故障电流发生转移。如图6所示，在辅助电子开关SM关断后，换流器侧的直流短路故障电流将被强迫转移到能量吸收支路中，通过能量吸收支路晶闸管TB向能量吸收电容CB充电；直流线路侧的故障电流将被强迫转移到续流二极管DF中。
3)在直流故障电流全部转移到能量吸收电容CB和续流二极管DF后，快速机械开关在近似零电压和零电流下关断。
4)换流器侧的直流故障电流向能量吸收电容CB充电，电流快速衰减到零，当电流过零时能量吸收支路晶闸管TB自然关断。
5)撤除功率模块旁路晶闸管的门极触发信号，在桥臂电流过零点时旁路晶闸管关断。当所有功率模块的旁路晶闸管都关断后，换流器恢复到正常运行时的结构。
6)直流线路侧的故障电流流经续流二极管并快速衰减到零，直流线路短路点自然灭弧，使直流线路短路点切断后恢复到正常状态，最终完成直流短路故障电流的切断。
本发明提出的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，通过将功率模块的旁路晶闸管触发导通限制直流短路故障期间换流器直流端口的电压以及直流短路故障电流的上升率，通过能量吸收电容和续流二极管吸收直流短路故障电流，使快速机械开关在零电流和零电压下开断，实现直流短路故障电流的切断。相比于常规的模块化多电平换流器，本发明的模块化多电平换流器自身具备切断直流故障电流的能力。相比于高压直流断路器方案，本发明的模块化多电平换流器可以大大的降低装置的造价和占地。
Claims (3)
1.一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，其特征在于，该模块化多电平换流器包括三个上换流桥臂1、三个下换流桥臂2、两组三台滤波电抗器3、能量吸收旁路晶闸管TB、能量吸收电容CB、快速机械开关KM、辅助电子开关SM、续流二极管DF；所述的三个上换流桥臂的三个负极端分别连接到第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的一端，所述的三个下换流桥臂的三个正极端分别连接到第二组三台滤波电抗器LA2、LB2、LC2的一端，第一组三台滤波电抗器LA1、LB1、LC1的另一端分别与第二组三台滤波电抗器LA2、LB2、LC2的另一端连接作为可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的三相交流相线端A、B、C，三个下换流桥臂的负极端连接到一起后与能量吸收电容CB的负极、续流二极管DF的阴极连接作为可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器的直流负极端DC-，三个上换流桥臂的正极端连接到一起后与能量吸收旁路晶闸管TB的阳极、快速机械开关KM的一端连接；能量吸收旁路晶闸管TB的阴极与能量吸收电容的CB正极连接；快速机械开关KM的另一端与辅助电子开关SM的一端连接，辅助电子开关SM的另一端作为可切断直流短路电流的模块化多电平换流器的直流正极端DC+。
2.如权利要求1所述的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，其特征在于其中所述的上换流桥臂和下换流桥臂的结构相同，每个换流桥臂由多个相同的功率模块采用串联连接，形成换流桥臂的一个正极端和一个负极端。
3.如权利要求2所述的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，其特征在于，其中所述的功率模块由第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、直流电容CD、第一旁路晶闸管SCR1、第二旁路晶闸管SCR2组成；所述的第一半导体开关S1的发射极、第一二极管D1的阳极、第二半导体开关S2的集电极、第二二极管D2的阴极、第一旁路晶闸管SCR1的阳极、第二旁路晶闸管的SCR2阴极相互连接后构成功率模块的第一端子T1；所述的第一半导体开关S1的集电极、第一二极管D1的阴极和直流电容CD的正极相互连接；所述的第二半导体开关S2的发射极、第二二极管D2的阳极、直流电容CD的负极、第一旁路晶闸管SCR1的阴极、第二旁路晶闸管SCR2的阳极相互连接构成功率模块的第二端子T2。
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