CN110808689A - 一种具有直流故障清除能力的双向开关mmc子模块拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，所述MMC子模块输入侧分别连接第一和第二IGBT反并联二极管，第一IGBT反并联二极管连接至第一电容的正极性端口，该端口同时反向连接第八二极管的一端；第二IGBT反并联二极管连接至第一电容的负极性端口，该端口连接双向开关的一端，双向开关的另一端和第八二极管的另一端连接所述MMC子模块输出侧，在第一电容的负极性端口和所述MMC子模块输出侧之间串联第二电容和第三IGBT反并联二极管。本发明与现有半桥子模块相比，使用的IGBT数目并未发生变化，使得架空线路在基于MMC的柔性直流输电领域得到广泛应用，减小损耗和工程投资。

Description

一种具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑。
背景技术
日益增加的分布式可再生能源接入电网的比例使得传统工频交流电网的不足之处更加明显，即传输效率低，电能质量差，输送功率小。直流输电凭借其运行成本低，传输效率高，可兼容不同类型的分布式可再生能源而完美的弥补了传统交流输电的不足。采用晶闸管换流站的传统直流输电由于消耗无功功率，波形畸变高，换相失败和传输功率小的不足而限制了直流输电的发展。模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)凭借其模块化设计，传输效率高，开关频率低，电能质量高的优点而弥补了晶闸管整流器的不足，推动了直流输电技术的发展。MMC在柔性直流输电领域获得成功应用更加推动了直流输电技术的发展。现在已经投产的MMC均采用半桥子模块，而该子模块因采用反并联二极管无法在发生直流侧短路故障时快速关断故障电流，因此威胁到MMC的正常运行。故当发生直流侧短路时必须断开直流侧断路器，导致功率传输中断，因此目前投产的MMC柔性直流输电均采用价格高昂的电缆来减小直流侧故障的几率。半桥MMC每个子模块仅能输出两电平，因此当MMC应用于高电压等级时，需要的子模块数目剧增，触发模块控制难度增加，这些不足之处无疑将增加直流输电工程的投资，限制了MMC在直流输电领域的发展。
因此希望有一种具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑能够解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明公开了一种具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑,所述MMC子模块输入侧分别连接第一和第二IGBT反并联二极管，第一IGBT反并联二极管连接至第一电容的正极性端口，该端口同时反向连接第八二极管的一端；第二IGBT反并联二极管连接至第一电容的负极性端口，该端口连接双向开关的一端，双向开关的另一端和第八二极管的另一端连接所述MMC子模块输出侧，在第一电容的负极性端口和所述MMC子模块输出侧之间串联第二电容和第三IGBT反并联二极管。
优选地，所述MMC子模块拓扑还包括四个开关管；通过控制第一和第二开关管，使得电容Vc1接入电路；通过控制第三和第四开关管，使得电容Vc2接入电路，由此简化触发脉冲。
优选地,当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc1+Vc2电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第二电容和第三二极管；当电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第三开关管、第二电容、第一电容和第一开关管。
优选地,当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关断开和第四开关闭合，输出Vc1电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第七二极管、第四开关管和第五二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第六二极管、第四开关管、第四二极管、第一电容和第一开关管。
优选地,当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc2电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第二开关管、第二电容和第三二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第三开关管、第二电容和第二二极管。
优选地，当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关断开和第四开关闭合，输出电压为0；电流方向为正时，电流依次通过：第二开关管、第七二极管、第四开关管和第五二极管；电流方向为负时，电流依次通过：第六二极管、第四开关管、第四二极管和第二二极管。
优选地,当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开，电流方向为正ism>0时，输出Vc1+Vc2电压，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第二电容和第三二极管；当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开，电流方向为负ism<0时，输出-Vc1电压，电流依次通过：第八二极管、第一电容和第二二极管。
本发明提出了一种具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，本发明解决了传统半桥MMC无法清除直流故障，关断故障电流，需要中断功率传输的问题，本发明与现有半桥子模块相比，使用的IGBT数目并未发生变化，使得架空线路在基于MMC的柔性直流输电领域得到广泛应用，减小损耗和工程投资。
附图说明
图1为本发明具有直流故障清除能力双向开关的MMC子模块拓扑结构图。
图2为本发明在正常工作方式下电流流通路径图。
图3为本发明在故障闭锁时电流流通路径图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，所述MMC子模块输入侧分别连接第一和第二IGBT反并联二极管，第一IGBT反并联二极管连接至第一电容的正极性端口，该端口同时反向连接第八二极管的一端；第二IGBT反并联二极管连接至第一电容的负极性端口，该端口连接双向开关的一端，双向开关的另一端和第八二极管的另一端连接所述MMC子模块输出侧，在第一电容的负极性端口和所述MMC子模块输出侧之间串联第二电容和第三IGBT反并联二极管。
在正常工作和故障闭锁时新型子模块电流的流通路径如表1所示：该子模块在不同开关管导通时可输出不同电压，电容的充放电状态可由电流方向确定，而且可单独输出每个电容的电压，因此当一串子模块串联时，该串子模块可输出预期的电平，从而提高传输功率，简化制造工艺。
在正常工作时，可控制T1和T2使得电容Vc1接入电路，控制T3和T4使得电容Vc2接入电路，因此简化触发脉冲。故障闭锁时，则通过续流二极管将电容分别接入电路从而起到抑制故障电流，清除直流故障的目的。
表1：正常工作和故障闭锁时新型子模块电流的流通路径
Figure BDA0002278670610000041
如图2(a)当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc1+Vc2电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第二电容和第三二极管；当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc1+Vc2电压；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第三开关管、第二电容、第一电容和第一开关管。
如图2(b)当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关断开和第四开关闭合，输出Vc1电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第七二极管、第四开关管和第五二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第六二极管、第四开关管、第四二极管、第一电容和第一开关管。
如图2(c)当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc2电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第二开关管、第二电容和第三二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第三开关管、第二电容和第二二极管。
如图2(d)当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关断开和第四开关闭合，输出电压为0；电流方向为正时，电流依次通过：第二开关管、第七二极管、第四开关管和第五二极管；电流方向为负时，电流依次通过：第六二极管、第四开关管、第四二极管和第二二极管。
如图3(a)当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开，直流侧发生故障IGBT闭锁，电流方向为正ism>0时，输出Vc1+Vc2电压，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第二电容和第三二极管。
如图3(b)当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开，直流侧发生故障IGBT闭锁，电流方向为负ism<0时，输出-Vc1电压，电流依次通过：第八二极管、第一电容和第二二极管。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于，所述MMC子模块输入侧分别连接第一和第二IGBT反并联二极管，第一IGBT反并联二极管连接至第一电容的正极性端口，该端口同时反向连接第八二极管的一端；第二IGBT反并联二极管连接至第一电容的负极性端口，该端口连接双向开关的一端，双向开关的另一端和第八二极管的另一端连接所述MMC子模块输出侧，在第一电容的负极性端口和所述MMC子模块输出侧之间串联第二电容和第三IGBT反并联二极管。
2.根据权利要求1所述的具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于：所述MMC子模块拓扑还包括四个开关管；通过控制第一和第二开关管，使得电容Vc1接入电路；通过控制第三和第四开关管，使得电容Vc2接入电路，由此简化触发脉冲。
3.根据权利要求2所述的具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc1+Vc2电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第二电容和第三二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第三开关管、第二电容、第一电容和第一开关管。
4.根据权利要求2所述的具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关闭合，第二开关断开，第三开关断开和第四开关闭合，输出Vc1电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第七二极管、第四开关管和第五二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第六二极管、第四开关管、第四二极管、第一电容和第一开关管。
5.根据权利要求2所述的具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关闭合和第四开关断开，输出Vc2电压；电流方向为正ism>0时，电流依次通过：第二开关管、第二电容和第三二极管；电流方向为负ism<0时，电流依次通过：第三开关管、第二电容和第二二极管。
6.根据权利要求2所述的具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关断开，第二开关闭合，第三开关断开和第四开关闭合，输出电压为0；电流方向为正时，电流依次通过：第二开关管、第七二极管、第四开关管和第五二极管；电流方向为负时，电流依次通过：第六二极管、第四开关管、第四二极管和第二二极管。
7.根据权利要求2所述的具有直流故障清除能力的双向开关MMC子模块拓扑，其特征在于：当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开，电流方向为正ism>0时，输出Vc1+Vc2电压，电流依次通过：第一二极管、第一电容、第二电容和第三二极管；当所述第一开关断开，第二开关断开，第三开关断开和第四开关断开，电流方向为负ism<0时，输出-Vc1电压，电流依次通过：第八二极管、第一电容和第二二极管。
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