CN111293911A - 一种移位全桥模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种移位全桥模块化多电平换流器MMC，由两个全桥子模块FBSM通过移位方式相互连接构成，包括6个带反并联二极管IGBT开关管、两个电容器、1个二极管。本发明的位全桥模块化多电平换流器MMC具有使用器件少、控制简单的优点，在正常和故障情况下均能实现模块电容电压的均衡，正常情况下可减少一半测量装置，故障情况下能快速清除故障电流，从而有利于***重启。

Description

一种移位全桥模块化多电平换流器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种移位全桥模块化多电平换流器MMC,具有直流故障清除和自均压能力。
背景技术
模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)因其无换相失败、谐波含量少、控制灵活等特点，已经成为直流输电研究和应用的热点。然而，模块化设计使得各个模块之间相互独立，导致模块电压不均衡，进而引起桥臂电压的不均衡，带来环流问题。此外，基于架空线路的直流输电***常发生短路故障，但是直流线路阻抗小，故障电流大，如何使MMC-HVDC具备直流故障穿越能力，是当前亟待解决的问题。
现阶段针对MMC直流故障问题主要有三种解决方案：交流断路器、直流断路器和改进换流器拓扑。断开交流断路器能够清除直流故障电流，但交流断路器一旦断开，需要耗费较长时间进行***重启。采用直流断路器可快速清除直流故障，但由于技术和成本原因，成熟实用的直流断路器仍处于研制之中。因此，对MMC子模块拓扑进行研究、使MMC具备直流故障穿越能力，是清除MMC直流故障最有效的手段。
国内外研究表明，基于新型子模块的MMC拓扑是实现直流故障穿越的可行方案。这类拓扑可以在故障时提供反向电压，快速清除故障电流，从而防止功率器件过流。此外，在IGBT闭锁后，子模块电容电压将保持一个接近稳态运行的恒定值，有利于***恢复。利用新型拓扑实现故障穿越的方式主要有两种：
(1)模块闭锁后，故障电流通路中有反向串联二极管。由于二极管的单一导电性，故障电流被阻断，从而实现故障穿越。在此基础上，有学者提出两类改进半桥型子模块拓扑，在直流侧发生短路故障后闭锁子模块中的IGBT，利用二极管的单向导通性阻断故障电流通路，从而阻止子模块电容向故障点放电，但此方法不能清除故障发生后、IGBT闭锁前已产生的故障电流。
(2)模块闭锁后，故障电流通路存在反向接入的电容。以全桥子模块为代表，包括钳位双子模块、串联双子模块等，此类子模块具有负电平输出能力，在闭锁后，电容器处于负输入状态，可为故障电流路径提供反向电动势，从而清除故障电流，实现故障穿越。虽然全桥子模块可以通过反向电压钳位的方式切断任何方向的桥臂电流，但会额外增加半导体器件和运行损耗，进而增加投资成本。
子模块电容是实现交直流能量传递的基础，保持其电压均衡是***稳定运行的必要条件。目前常用的均压方法主要通过两种方式实现：
(1)通过控制算法实现。目前已有的子模块电容电压优化排序算法可分为A型(降复杂度均压排序算法)、B型(降频均压排序算法)和AB型(双降均压排序算法)三类，但在高压情况下，子模块数量很多，排序算法仍有较大计算量且对实时采样数据的准确性要求较高。
(2)通过拓扑结构实现。已有学者提出了开关管分列运行的并联全桥子模块(paralleled full bridgesub-module，P-FBSM)拓扑，该拓扑可通过开关管切换实现子模块并联自动均压，无需测量子模块电容即可实现排序，提升了子模块电容均衡度，但所用IGBT数量会显著增加。
基于以上分析可知，清除MMC直流故障电流、提高MMC子模块电容电压均衡程度都可以通过改进子模块拓扑实现，但已提出的改进子模块拓扑大多只能实现其中一种功能，因此，研究一种兼具故障电流清除能力和电容电压自均衡能力的新型子模块拓扑具有重要意义。
发明目的
本发明的目的是提出一种移位全桥模块化多电平换流器，具有使用器件少、控制简单的优点，在正常和故障情况下均能实现模块电容电压的均衡，正常情况下可减少一半测量装置，故障情况下能快速清除故障电流，从而有利于***重启。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种移位全桥模块化多电平换流器，其由两个全桥子模块FBSM1、FBSM2通过移位方式相互连接而构成；所述FBSM1包括3个带反并联二极管IGBT开关管S1、S2、S3，1个二极管D1以及1个电容器C1，其中S1的集电极与S2的集电极连接，S2的发射极与S3的集电极连接，S3的发射极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与S1的发射极相连接，电容器C1跨接在S1的集电极和二极管D1的正极之间；所述FBSM2包括3个带反并联二极管IGBT开关管S4、S5、S6，以及1个电容器C2，其中S4的集电极与S3的发射极连接，S4的发射极与S6的集发射极连接，S6的集电极与S5的发射极相连接，S5的集电极与S2的发射极相连接，电容器C2跨接在S3的集电极和S4的发射极之间。
进一步地，所述移位全桥模块化多电平换流器包括正极端子“+”和负极端子“-”，所述正极端子“+”从S1的发射极和二极管D1的负极引出，所述负极端子“-”从S5的发射极和S6的集电极引出。
进一步地，本发明所述的移位全桥模块化多电平换流器，在正常工作情况下，具有5种工作模式：
(1)模式1：开关管S1、S2、S5，电容C1、C2均被旁路，输出0电平；
(2)模式2：开关管S1、S3、S5开通，电容C1单独投入，C2被旁路，输出1电平；
(3)模式3：开关管S1、S2、S6开通，电容C2单独投入，C1被旁路，输出1电平；
(4)模式4：开关管S1、S2、S4、S6开通，电容C1和C2并联投入，模块内部自均压，输出1电平；
(5)模式5：开关管S1、S2、S6开通，电容C1和C2串联投入，模块输出2电平；
在模式1、模式4和模式5中，电容C1和C2处于相同的投切状态，可以实现所述移位全桥模块化多电平换流器MMC内部电压的自动均衡。
更进一步地，在启动过程中，电容器C1、C2被充电到相同的电压水平。
再进一步地，当故障发生时，IGBT开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6均闭锁，电容C1和C2经过二极管D1并联，共同清除故障电流；电容C1、C2的变化过程相同，仍能保持均压效果，并且能够在故障切除后实现***快速重启。
附图说明
图1本发明所述移位全桥MMC的移位构成过程示意图。
图2是本发明所述移位全桥MMC的电路拓扑图。
图3是几种不同类型子模块所构成的MMC的电容电压对比图
图4是本发明所述移位全桥MMC的直流侧电流变化图。
图5是本发明所述移位全桥MMC在不同工作模式下的电流通路示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的移位全桥模块化多电平换流器(MMC)。
图1是本发明所述移位全桥模块化多电平换流器的移位构成过程的示意图。选择两个全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)通过移位方式连接起来，这两个FBSM分别表示为FBSM1、FBSM2。每个FBSM由4个带反并联二极管的IGBT(后简称为开关管)和一个电容组成，4个输出端口分别标记为“+”、“-”、“a”、“b”，其中“+”、“-”为FBSM原有输出端口，“a”、“b”分别为电容的正、负极接入点。连接FBSM1的“-”端和FBSM2的“a”端，连接FBSM1的“b”端和FBSM2的“+”端，将FBSM1的开关管S2替换为二极管D1，并去掉FBSM2的开关管S1，将开关管重新编号为S1～S6，即得移位全桥子模块(oblique connection full bridge sub-module，OCFBSM)，即本发明所述的移位全桥子模块化多电平换流器(MMC)的拓扑图，如附图2所示。
参照附图2，本发明的移位全桥子模块化多电平换流器(MMC)包括6个带反并联二极管IGBT开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，两个电容器C1、C2，1个二极管D1。S1的集电极与S2的集电极连接，S2的发射极与S3的集电极连接，S3的发射极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与S1的发射极相连接，电容器C1跨接在S1的集电极和二极管D1的正极之间。S4的集电极与S3的发射极连接，S4的发射极与S6的集发射极连接，S6的集电极与S5的发射极相连接，S5的集电极与S2的发射极相连接，电容器C2跨接在S3的集电极和S4的发射极之间。移位全桥模块化多电平换流器MMC包括正极端子“+”和负极端子“-”，所述正极端子“+”从S1的发射极和二极管D1的负极引出，所述负极端子“-”从S5的发射极和S6的集电极引出。
本发明的移位全桥子模块化多电平换流器(MMC)与现有技术中其它MMC拓扑的主要区别之一在于将两个全桥子模块通过移位的方式连接在一起，具有如下的优点：
(1)当开关管S2、S4关断，S3导通的时候，电容C1与C2串联，输出两个电容的电压值，可以提升整个桥臂的输出电压等级。
(2)当开关管S2、S4导通，S3关断的时候，电容C1与C2并联，可实现自动均压功能，从而改善子模块电容电压的均衡效果。在同一工况下(相同传输功率及***参数，且均在0.3s发生双极短路故障)。分别对由箝位双子模块构成的CD-MMC、由半桥子模块构成的HB-MMC、由全桥型子模块构成的FB-MMC三种不同类型子模块构成的MMC进行仿真分析，得到他们的子模块CDSM、HFBSM、FBSM以及本发明MMC的OCFBSM子模块的电容电压的不均衡程度(以模块电压最大最小差值衡量，取标幺值)，分别为0.2、1.16、0.21、0.11，电容电压仿真结果，如附图3所示。由此可见，本发明的移位全桥子模块的不均衡程度最低，具有良好的均压效果。
(3)在故障情况下，闭锁IGBT，移位全桥子模块能够将所有模块电容反向串入故障回路中，提供反向电动势，从而清除故障电流。故障电流仿真结果如附图4所示，0.3s时发生故障，电流迅速上升到额定值的数十倍，10ms后闭锁IGBT，故障电流得到快速清除。
本发明的移位全桥子模块化多电平换流器(MMC)与现有技术中其它MMC拓扑的主要区别之二在于，将两个全桥子模块连接起来，综合利用各IGBT开关管S1-S6的性能，提升了器件利用率，减少了冗余器件数量，节省了投资成本。
记Vdcn为直流极对极电压，子模块电容电压额定值为Vcn，令K＝Vdcn/Vcn，则IGBT和二极管数目NIGBT、Ndiode的使用量可通过下式计算：
Figure BDA0002381554500000061
式中，NIGBT_SMp和Ndiode_SM为每一子模块桥臂IGBT和二极管的数目；Narm为MMC的桥臂数目。对于三相MMC，Narm＝6。
表1展示了本发明的移位全桥子模块构成的MMC(OCFB-MMC)和其他典型MMC的综合性能对比，所对比的性能参数包括：子模块个数(NSM)、IGBT个数、二极管个数、子模块电容个数(NC)，故障隔离能力和均压能力。所述其他类型MMC包括：由半桥子模块构成的HB-MMC、由全桥型子模块构成的FB-MMC、由箝位双子模块构成的CD-MMC、由半压箝位型子模块构成的HVC-MMC、桥臂交替导通换流器AAMC、混合直流侧级联多电平换流器DC-HCMC和混合交流侧级联多电平换流器AC-HCMC。
表1二极管箝位型混合MMC拓扑综合性能参数对比
Figure BDA0002381554500000071
由表1中数据可以看出，同时具备直流故障阻断能力和故障均压能力的子模块拓扑只有CDSM和OCFSM，且两者在器件使用量上，都优于只具备故障清除能力的全桥子模块，但OCFSM还具备正常工作时候均压的优势，对于6K个电容，只需要3K的测量装置，在同等综合性能条件下，OCFSM的投资成本低于CDSM。因此，综合考量，本发明的移位全桥子模块化多电平换流器(MMC)相对于其他子模块构成的MMC，具有极大优势。
将单个电容电压值记为1个电平，以实线表示电流流通路径，发明所述移位全桥子模块化多电平换流器(MMC)在正常工作情况、启动过程、故障发生时的工作方式为：
在正常工作情况下，共有5种工作模式，如附图5(a)～(e)所示。这5种工作模式具体分别如下：
(1)模式1：开关管S1、S2、S5，电容C1、C2均被旁路，输出0电平；
(2)模式2：开关管S1、S3、S5开通，电容C1单独投入，C2被旁路，输出1电平；
(3)模式3：开关管S1、S2、S6开通，电容C2单独投入，C1被旁路，输出1电平；
(4)模式4：开关管S1、S2、S4、S6开通，电容C1和C2并联投入，模块内部自均压，输出1电平；
(5)模式5：开关管S1、S2、S6开通，电容C1和C2串联投入，模块输出2电平。
在模式1、模式4和模式5中，电容C1和C2处于相同的投切状态，因而可以实现模块内部电压的自动均衡。
在启动过程中，对移位全桥子模块进行不控充电，电流正向和反向的时候，对移位全桥子模块的电容变化规律相同，因此，所有电容均被充到同一电压水平。
当故障发生时，所有IGBT均闭锁，电流为负，其流通路径如附图5(f)所示，此时电流有两条流通路径：(1)电流通过开关管S5的二极管流到电容C2，再经由开关管S4的二极管流到D1，最后流出；(2)电流通过开关管S5和S2的二极管流经电容C1，再通过二极管D1流出。该过程中，电容C1和C2经过二极管并联，共同清除故障电流，且两个电容的变化过程相同，所以在故障时仍能保持均压效果，并且能够在故障切除后实现***快速重启。

Claims (5)

1.一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，由两个全桥子模块FBSM1、FBSM2通过移位方式相互连接而构成；
所述FBSM1包括3个带反并联二极管的IGBT开关管S1、S2、S3，1个二极管D1以及1个电容器C1，其中，S1的集电极与S2的集电极连接，S2的发射极与S3的集电极连接，S3的发射极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与S1的发射极相连接，电容器C1跨接在S1的集电极和二极管D1的正极之间；
所述FBSM2包括3个带反并联二极管的IGBT开关管S4、S5、S6，以及1个电容器C2，其中S4的集电极与S3的发射极连接，S4的发射极与S6的集发射极连接，S6的集电极与S5的发射极相连接，S5的集电极与S2的发射极相连接，电容器C2跨接在S3的集电极和S4的发射极之间。
2.如权利要求1所述的一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，包括正极端子“+”和负极端子“-”，所述正极端子“+”从S 1的发射极和二极管D1的负极引出，所述负极端子“-”从S5的发射极和S6的集电极引出。
3.如权利要求2所述的一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，在正常工作情况下，具有5种工作模式：
(1)模式1：开关管S1、S2、S5，电容C1、C2均被旁路，输出0电平；
(2)模式2：开关管S1、S3、S5开通，电容C1单独投入，C2被旁路，输出1电平；
(3)模式3：开关管S1、S2、S6开通，电容C2单独投入，C1被旁路，输出1电平；
(4)模式4：开关管S1、S2、S4、S6开通，电容C1和C2并联投入，模块内部自均压，输出1电平；
(5)模式5：开关管S1、S2、S6开通，电容C1和C2串联投入，模块输出2电平；
在模式1、模式4和模式5中，电容C1和C2处于相同的投切状态，可以实现所述移位全桥模块化多电平换流器内部电压的自动均衡。
4.如权利要求2所述的一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，在启动过程中，电容器C1、C2被充电到相同的电压水平。
5.如权利要求2所述的一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，当故障发生时，IGBT开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6均闭锁，电容C1和C2经过二极管D1并联，共同清除故障电流；电容C1、C2的变化过程相同，仍能保持均压效果，并且能够在故障切除后实现***快速重启。
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