CN112039360A - 一种具备故障电流阻断和自均压能力的mmc子模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，包括由开关管T1与T2、二极管D1与D2和电容C1组成的半桥子模块，由开关管T3、T4与T5、二极管D3～D8和电容C2组成的子模块，电容C1和C2之间通过二极管并联连接，开关管T1、T2之间的连接处连接MMC子模块的一个出线端，二极管D5～D8与开关管T5共同组成的双向开关下端连接MMC子模块的另一个出线端。本发明的MMC子模块，输出单位电平所需的IGBT仅为2.5个，相比于比现有的具备故障电流阻断能力的子模块拓扑更具有成本优势。本发明的子模块简化了电容电压均衡控制的难度，故障闭锁后，当流过正向故障电流时，电容串联入故障回路；当流过反向故障电流时，子模块将电容并联入故障回路，有利于故障后***的快速恢复。

Description

一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种具备故障电流阻断和自均压的MMC子模块。
背景技术
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)凭借传输效率高、谐波含量低、模块化设计等优点，成为柔性直流输配电领域的优选拓扑之一。然而，基于传统半桥子模块(half-bridge submodule，HBSM)的MMC无法阻断直流故障电流，功率器件面临因流过较大故障电流而击穿的风险。若风电场通过MMC接入交流***，风电场可能因故障重启时间较长而很难实现故障穿越。因此，如何阻断直流故障电流和故障后快速重启成为MMC亟待解决的问题。
目前处理直流故障的方法有三种，使用交流断路器、使用直流断路器和使用具备直流故障清除能力的新型子模块。交流断路器因故障恢复时间过长而难以处理瞬时性故障，直流断路器因制造工艺不成熟且价格昂贵而难以满足经济性要求。国内外学者对具备故障电流阻断能力的MMC子模块进行了较为深入的研究，并提出众多新型子模块拓扑。
根据电容数目，可将具有直流故障电流阻断能力的MMC子模块分为单电容子模块和双电容子模块两种。当不考虑负电平时，单电容子模块，比如全桥子模块(FBSM)、类全桥子模块(SFBSM)、类半桥子模块(SHBSM)、二极管钳位子模块(DCSM)和二极管钳位型双向开关子模块(DCBSSM)等，仅能输出两电平，因此控制***的复杂度增加。双电容子模块，比如二极管钳位双子模块(DCDSM)，混合串联子模块(HSSM)、钳位电路型双子模块(CCSM)、钳位双子模块(CDSM)、二极管钳位型多电平子模块(DCMSM)、单钳位子模块(CSSM)、五电平交叉连接子模块(FLCSM)、串联双子模块(SDSM)和增强混合型子模块(EHSM)可输出三电平，但需要较多功率器件，子模块造价和运行损耗较高。
发明内容
为了解决HBSM-MMC难以阻断直流故障电流且故障清除后重启时间较长的问题，本发明提出一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，该子模块可输出两个正电平，相比于输出一个正电平的传统子模块，在交流电压输出电平数目相同时，本文所提子模块数目较少、故障后电容电压较为均衡，有利于快速清除直流故障电流和故障后快速重启MMC。
针对上述问题，本发明提出了一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，包括：由开关管T1与T2、二极管D1与D2和电容C1组成的半桥子模块，由开关管T3、T4与T5、二极管D3～D8和电容C2组成的子模块，其特征在于：所述电容C1和C2之间通过二极管并联连接，所述开关管T1、T2之间的连接处连接所述MMC子模块的一个出线端，所述二极管D5～D8与开关管T5共同组成的双向开关下端连接所述MMC子模块的另一个出线端。
优选地，所述开关管T1与T2分别连接所述电容C1的正极和负极。
所述二极管D1与D2分别与相应的开关管T1与T2反并联；所述二极管D3与D4分别与相应的开关管T3、T4反并联。
优选地，所述双向开关的上端连接到所述电容C1的负极，所述开关管T4一端连接所述双向开关的下端口，另一端连接所述电容C2的负极；所述开关管T3一端连接所述双向开关的上端口，另一端连接所述电容C2的正极。
优选地，连接所述C1和C2之间的二极管包括二极管D9、D10和D11，所述二极管D9和D10为故障电流提供通路，所述二极管D10一端连接所述双向开关的上端口，另一端连接所述电容C2的负极；所述二极管D9的一端连接所述电容C2的正极，另一端连接所述双向开关的下端口；所述二极管D11分别与所述电容C1和C2的正极连接，每个电容的电压为UC，其作用为故障时均衡所述电容C1与C2的电压。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种具有故障电流阻断能力的新型MMC子模块，其输出单位电平所需的IGBT仅为2.5个，略微高于半桥子模块，但是相比于比现有的具备故障电流阻断能力的子模块拓扑更具有成本优势。单位电平输出所需的二极管为5.5个，考虑到二极管的造价大大低于IGBT，在所需IGBT很少的情况下，增加二极管并不会对子模块的造价产生太大影响。本发明的子模块可单独输出电容电压UC1或UC2及其任意组合，沿用传统的子模块轮换思想即可实现电容电压的平衡，简化了电容电压均衡控制的难度。故障闭锁后，当流过正向故障电流时，电容串联入故障回路；当流过反向故障电流时，该子模块将电容并联入故障回路，实现电容电压均衡，有利于故障后***的快速恢复。
附图说明
图1是本发明的MMC子模块的一个实施方式的结构图；
图2是本发明的MMC子模块的4个状态下的电流通路；其中，图2(a)和图2(b)分别是状态1下电流正向和反向时的电流通路；图2(c)和图2(d)分别是状态2下电流正向和反向时的电流通路；图2(e)和图2(f)分别是状态3下电流正向和反向时的电流通路；图2(g)和图2(h)分别是状态4下电流正向和反向时的电流通路；
图3是本发明的MMC子模块在闭锁状态下的电流通路；其中，图3(a)是闭锁状态下电流正向时的电流通路；图3(b)是闭锁状态下电流反向时的电流通路；
图4是本发明的MMC子模块在正常工作时交流侧仿真波形，其中，图4(a)是电压波形，图4(b)是电流波形；
图5为发明的MMC子模块正常工作时突发直流双极短路故障时的仿真波形；其中，图5(a)是电流波形，图5(b)是电压波形；
图6是本发明的MMC子模块正常工作时突发直流短路故障时，A相上、下桥臂子模块电容电压波形图，其中，图6(a)为上桥臂子模块电容电压波形，图6(b)为下桥臂子模块电容电压波形。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
图1示出了本发明的MMC子模块的一个实施方式。开关管T1、T2和二极管D1与D2以及电容C1组成一个半桥子模块，其中开关管T1与T2分别连接电容C1的正极和负极，二极管D1与D2分别与相应的开关管T1与T2反并联，开关管T1与T2之间连接处连接本发明的MMC子模块的一个出线端。开关管T3、T4、T5和二极管D3～D8以及电容C2组成另一个子模块，二极管D5～D8与开关管T5共同组成双向开关，二极管D3与D4分别与相应的开关管T3、T4反并联。双向开关的上端连接到电容C1的负极，下端连接到本发明的MMC子模块的另一个出线端。开关管T4一端连接双向开关的下端口，另一端连接电容C2的负极；开关管T3一端连接双向开关的上端口，另一端连接电容C2的正极。二极管D9和D10为故障电流提供通路，二极管D10一端连接开关管T5的上端口，另一端连接电容C2的负极；二极管D9的一端连接电容C2的正极，另一端连接双向开关的下端口。二极管D11分别与电容C1和C2的正极连接，每个电容的电压为UC，其作用为故障时均衡C1与C2的电压。
表1给出了该本发明的MMC子模块的开关状态，T1和T2分为一组，T3、T4和T5为另一组。两组开关管可以分别控制电容C1和C2的投切，采用传统的电容电压排序控制策略即可实现电容电压平衡。
表1本发明MMC子模块的开关状态
Figure BDA0002629584040000041
Figure BDA0002629584040000051
如图2(a)和2(b)所示，当处于状态1时，输出电容电压UC1。当电流方向为正时，电流通路为D1→C1→D6→T5→D7；当电流方向为负时，电流通路为D8→T5→D5→C1→T1。
如图2(c)和2(d)所示，当处于状态2时，输出电容电压UC2。当电流方向为正时，电流通路为T2→D3→C2→D4；当电流方向为负时，电流通路为T4→C2→T3→D2。
如图2(e)和2(f)所示，当处于状态3时，输出电容电压UC1与UC2之和。当电流方向为正时，电流通路为D1→C1→D3→C2→D4；当电流方向为负时，电流通路为T4→C2→T3→C1→T1。
如图2(g)和2(h)所示，当处于状态4时，输出电压为0。当电流方向为正时，电流通路为T2→D6→T5→D7；当电流方向为负时，电流通路为D8→T5→D5→D2。
图3(a)和3(b)所示，故障发生后当子模块的触发信号被封锁且流过电流方向为正时，本发明的MMC子模块处于状态5，输出电容电压为UC1与UC2之和，电流的通路为D1→C1→D3→C2→D4；当闭锁状态下电流方向为负时，本发明的MMC子模块处于状态6，电容C1与C2并联，输出电压为-UC，电流的通路为D9→D11→C1→D2或D9→C2→D10→D2。
为验证本发明的MMC子模块的正常工作状态和故障电流阻断能力，在Matlab/simulink平台搭建21电平单端MMC-HVDC***，仿真设定0.4s直流侧发生双极短路故障，所有子模块在0.402s闭锁。
图4为正常工作时MMC交流侧仿真波形，从图4(a)和图4(b)中可以看到，正常运行时交流侧产生21电平的阶梯波电压。仿真波形证明本发明的MMC子模块在正常工作时能够实现可靠换流，且交流侧波形质量较好。
图5为发明的MMC子模块正常工作时突发直流双极短路故障时的仿真波形图。如图5(a)所示，故障前直流电流波动较小，故障后直流电流瞬间上升为数十倍。如图5(b)所示，故障前直流电压波动较小，故障后直流电压瞬间跌落为0。
图6(a)和6(b)分别为发明的MMC子模块正常工作时突发直流短路故障时，交流侧A相的上、下桥臂子模块电容电压波形图。从图6中可以看出，本发明的MMC子模块可输出任意电平，因此正常运行时电容电压较为均衡，子模块闭锁后经过短暂的电容充电阶段，电容电压上升而阻断故障电流通路，此时电容电压稳定在额定值附近，且电容电压较为均衡，有利于***的快速恢复。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，包括：由开关管T1与T2、二极管D1与D2和电容C1组成的半桥子模块，由开关管T3、T4与T5、二极管D3～D8和电容C2组成的子模块，其特征在于：所述电容C1和C2之间通过二极管并联连接，所述开关管T1、T2之间的连接处连接所述MMC子模块的一个出线端，所述二极管D5～D8与开关管T5共同组成的双向开关下端连接所述MMC子模块的另一个出线端。
2.根据权利要求1所述的一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，其特征在于：所述开关管T1与T2分别连接所述电容C1的正极和负极。
3.根据权利要求1所述的一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，其特征在于：所述二极管D1与D2分别与相应的开关管T1与T2反并联；所述二极管D3与D4分别与相应的开关管T3、T4反并联。
4.根据权利要求1所述的一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，其特征在于：所述双向开关的上端连接到所述电容C1的负极，所述开关管T4一端连接所述双向开关的下端口，另一端连接所述电容C2的负极；所述开关管T3一端连接所述双向开关的上端口，另一端连接所述电容C2的正极。
5.根据权利要求1所述的一种具备故障电流阻断和自均压能力的MMC子模块，其特征在于：连接所述C1和C2之间的二极管包括二极管D9、D10和D11，所述二极管D9和D10为故障电流提供通路，所述二极管D10一端连接所述双向开关的上端口，另一端连接所述电容C2的负极；所述二极管D9的一端连接所述电容C2的正极，另一端连接所述双向开关的下端口；所述二极管D11分别与所述电容C1和C2的正极连接，每个电容的电压为UC，其作用为故障时均衡所述电容C1与C2的电压。
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