CN107370393A - 一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构及其保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构及保护方法，子模块拓扑结构包括半桥子模块和限流模块；所述限流模块包括电阻和与所述电阻并联的可控开关；所述半桥子模块与所述限流模块串联。本发明提供的技术方案能够有效的抑制直流侧故障电流，降低了对直流断路器动作时间的要求，而且在直流故障期间，无需闭锁换流器，保证了功率控制的连续性，有效的保护了原子模块电容，并在故障恢复后能够实现快速恢复。

Description

一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构及其保护方法
技术领域
本发明涉及电力***柔性直流输电保护控制领域，具体涉及一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构及其保护方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种新型的多电平电压源换流器，其模块化设计、良好的扩展性等性能在高压直流输电等领域具有广阔的应用前景。在结构上，MMC与传统的两电平、三电平电压源换流器有很大的不同，其是由多个子模块(Submodule,SM)堆叠而成，通过控制子模块的投入和退出，就可以控制交流侧输出电压，从而实现交直流功率交换。
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，散热效果更好的架空线传输。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。半桥子模块(HBSM)面临着一大问题：当***直流侧发生故障以后，尽管换流器内部的绝缘栅双极型晶体管(IGBTs)将会由于其自保护功能而立即关断，但是由于续流二极管的存在，故障电流将一直存在。这是因为换流器内部的续流二极管在IGBT全部关断以后将构成一个不可控整流桥，从而导致换流器无法实现直流故障的自清除。
直流***中发生直流故障以后，故障电流会快速上升到很高的水平，将严重危及***中的相关电气设备，影响***的安全可靠运行。换流阀的耐流能力是造成直流电网保护困境的主要因素，但是研制或采用技术参数更高的换流阀存在着投资与时间成本等问题。
因此，配备合适的故障限流措施很有必要。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构及其保护方法。包括半桥子模块和限流模块；
所述限流模块包括电阻和与所述电阻并联的可控开关；
所述半桥子模块包括两个开关模块和电容；
所述两个开关模块串联后与电容并联。
优选的，所述可控开关至少为两个；所述两个可控开关反向并联。
优选的，所述可控开关包括门极可关断晶闸管。
优选的，所述半桥结构包括两个串联的开关模块.
优选的，所述开关模块包括反并联的绝缘栅双极型晶体管和二极管。
优选的，所述限流模块与节点1或节点2串联。
一种模块化多电平换流器保护方法，所述方法包括：
正常工作情况下，限流模块中的可控开关一直施加脉冲，处于导通状态，半桥子模块正常工作；
当出现故障时，多电平换流器收到直流保护动作信号立即关断并联的所述可控开关，将所述限流模块的电阻投入故障回路。
优选的，所述当出现故障时，多电平换流器收到直流保护动作信号立即关断并联的所述可控开关，将所述限流模块的电阻投入故障回路包括：
判断故障是否为永久性故障，如果是，则断开换流站的直流断路器进行检修，待故障修复后，重合闸启动换流站，否则检测故障清除后重新触发可控开关。
优选的，所述检测故障清除后重新触发可控开关包括：在线路上选取多个点，检测到选取的所述点的电流均低于阈值且具有一定持续时间即可由控制***发出信号重新触发可控开关，使换流阀恢复正常工作状态；
所述阈值在1.0～2.0p.u.之间。
与现有技术相比，本发明的优益效果为：
1)本发明提供的技术方案，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，降低了对直流断路器动作时间的要求；
2)本发明提供的技术方案，在原来半桥结构的基础上进行改进，不用改变原有子模块的结构、控制策略和电容均压方式，原理简单，限流效果好；
3)本发明提供的技术方案，在直流故障期间，无需闭锁换流器，保证了功率控制的连续性，有效的保护了原子模块电容，并在故障恢复后能够实现快速恢复；
4)本发明提供的技术方案，采用耐受电流电压水平较高的门极可关断晶闸管，且与其他具有故障隔离功能的MMC子模块拓扑结构相比，节省了元器件，经济效益和设备性能更好。
附图说明
图1为本发明的模块化多电平换流器结构示意图；
图2为本发明的限流模块正常运行时电流方向由节点1流向节点2时的工作状态示意图；
图3为本发明的限流模块正常运行时电流方向由节点2流向节点1时的工作状态示意图；
图4为本发明的限流模块实现直流故障隔离时电流方向示意图；
图5为本发明的限流模块实现直流故障隔离流程图；
图6为本发明的限流模块的另一种连接方式示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
针对目前基于模块化多电平换流器的柔性直流***中直流故障隔离难度大的问题，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及其保护方法。如图1所示，该子模块由串联的半桥子模块和限流模块串联组成，新的改进结构在不改变原有子模块的结构、控制策略和电容均压方式的基础上，增加了限流模块。
半桥子模块由两个串联的开关模块和电容组成，并且两个开关模块串联后与电容并联。
限流模块由两个反向并联的GTO可控开关T3、T4和限流电阻R并联组成，限流模块可以实现单独控制。这种模块化多电平换流器子模块拓扑可以在发生故障时，通过控制GTO可控开关的关断将限流电阻快速投入，从而实现故障限流的功能。
结合图2、图3和图4，对该模块化多电平换流器子模块原理方案进行相关说明：
限流模块具有两种工作状态：
(1)故障限流模块在正常运行时，反向并联的门极可关断晶闸管GTO均处于导通状态，如图2所示，此时，限流电阻被旁路，换流器子模块电流流经门极可关断晶闸管GTO，具体方向由子模块电流方向而定，当电流方向为节点1流向节点2时，电流回路如图2，当电流方向为节点2流向节点1时，电流回路如图3；
(2)直流侧发生故障时，根据故障检测***发出的动作信号关断反向并联的门极可关断晶闸管GTO，将限流电阻快速投入故障回路，限制故障电流，避免故障电流上升到很高水平，从而使换流器电力电子器件免受过流危害，如图4所示，给出了子模块IGBT未闭锁情况下将限流电阻快速投入故障回路之后的电流回路，电流方向为节点2流向节点1时。
子模块IGBT一般在2-3倍的过流情况下闭锁，若故障为暂时性故障，IGBT过流闭锁情况下不利于故障恢复后换流器的快速恢复。对于上述所提出的具有故障限流功能的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，限流电阻的合理设置可以使故障电流限制在合适的范围，使得在最严重的情况，双极短路故障下，不用将IGBT闭锁。
单独控制限流模块的可控开关GTO，直流故障发生时，尽可能快地将GTO闭锁。若故障为暂时性故障，检测到故障清除之后，重新触发GTO，使换流站恢复正常工作状态。若故障为永久性故障，断开断路器，进行检修，待故障修复之后，进行重合闸，重新启动换流站。模块化多电平换流器保护方法的具体步骤如图5的流程图所示。
判断是否收到直流保护动作信号，若未收到，则限流模块中的可控开关一直施加脉冲，处于导通状态；
若收到直流保护动作信号，多电平换流器收到直流保护动作信号立即关断并联的所述可控开关，将所述限流模块的电阻投入故障回路，
接收到直流保护动作信号，反向并联的可控开关被触发关断，所述限流模块的电阻投入故障回路；
判断故障是否为永久性故障，如果是，则断开换流站的直流断路器进行检修，待故障修复后，重合闸启动换流站，否则检测故障清除后重新触发可控开关。
检测故障清除后重新触发可控开关包括：在线路上随机选取多个点，选取点的位置应分布全面，点的数量和需要持续的时间根据不同***具体分析设定。，检测到所述点的电流低于阈值且具有一定持续时间即可由控制***发出信号重新触发可控开关，使换流阀恢复正常工作状态；阈值在1.0～2.0p.u.之间。
本发明所提出的具有故障限流功能的模块化多电平换流器，保证了断路器动作之前，将故障电流限制在可以接受的范围之内；同时可以满足直流瞬时性故障穿越的性能要求，故障期间无需闭锁换流器，利于故障清除之后的快恢复。另外，采用耐受电流、电压能力更强的GTO，与具有故障电流隔离能力的子模块拓扑相比较，经济效益和设备性能更好。
图6为限流模块的另一种连接方式的应用，将限流模块放置在节点1流入半桥结构处，与本申请具有的功能、实现的效果均相同。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于，包括半桥子模块和限流模块；
所述限流模块包括电阻和与所述电阻并联的可控开关；
所述半桥子模块与所述限流模块串联。
2.如权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于，所述可控开关至少为两个；所述两个可控开关反向并联。
3.如权利要求2所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于，所述可控开关包括门极可关断晶闸管。
4.如权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于，所述半桥子模块包括两个开关模块和电容；
所述两个开关模块串联后与电容并联。
5.如权利要求4所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于，所述开关模块包括反并联的绝缘栅双极型晶体管和二极管。
6.如权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构，其特征在于，所述限流模块与节点1或节点2串联。
7.一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构保护方法，其特征在于，所述方法包括：
正常工作情况下，限流模块中的可控开关一直施加脉冲，处于导通状态，半桥子模块正常工作；
当出现故障时，多电平换流器收到直流保护动作信号立即关断并联的所述可控开关，将所述限流模块的电阻投入故障回路。
8.如权利要求7所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构保护方法，其特征在于，所述当出现故障时，多电平换流器收到直流保护动作信号立即关断并联的所述可控开关，将所述限流模块的电阻投入故障回路，还包括：
判断故障是否为永久性故障，如果是，则断开换流站的直流断路器进行检修，待故障修复后，重合闸启动换流站，否则检测故障清除后重新触发可控开关。
9.如权利要求8所述的模块化多电平换流器子模块拓扑结构保护方法，其特征在于，所述检测故障清除后重新触发可控开关包括：在线路上选取多个点，检测到选取的所述点的电流均低于阈值且具有一定持续时间即可由控制***发出信号重新触发可控开关，使换流阀恢复正常工作状态；
所述阈值在1.0～2.0p.u.之间。
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