CN217656426U - 具备双极转换与故障清除功能的mmc子模块、mmc*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块、MMC***,该子模块包括并联连接的第一IGBT支路、第二IGBT支路以及第三IGBT支路;第一IGBT支路包括相互连接的第一IGBT、第二IGBT以及续流二极管D1;第二IGBT支路包括依次连接的第一IGBT组、电容以及第二IGBT组,第一IGBT组包括相互连接的第三IGBT以及第四IGBT,第二IGBT组包括相互连接的第五IGBT以及第六IGBT;第三IGBT支路,包括第七IGBT。本实用新型具有结构简单紧凑、成本低、安全稳定性高以及具备双极转换以及故障清除功能等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及柔性直流输电技术领域,尤其涉及一种具备双极转换与故障清除功能的MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)子模块、MMC***。
背景技术
当前新能源在电力***中所占的比重日益增大,而随着新能源的不断接入,输电方式也面临着巨大的挑战。传统长距离大容量交流输电由于损耗极大等缺点,渐渐被直流输电方式所替代。柔性直流输电即是一种新型的高压直流输电技术,与传统的高压直流输电不同,柔性直流输电采用了IGBT(绝缘栅双极晶体管)以及电压源换流器,具有良好的可控性和兼容性。MMC***即是一种采用模块化多电平直流输电方式的电压型换流器,可以满足当前对于电能以及电压等级的高要求。
MMC***中组成的核心部件即为IGBT支路中串联的子模块(Sub-module),MMC子模块通常采用半桥结构,如图1中(a)所示,或者采用全桥结构,如图1中(b)所示。故障保护策略是确保MMC***正常运行的关键,在MMC***的故障中,直流侧短路故障对***的影响相较其他故障来说更为重要。传统的半桥结构MMC子模块不具备故障清除功能,在运行过程中会存在安全隐患。而虽然现有技术中部分全桥结构MMC子模块具备故障清除功能,但是通常是采用直流侧故障发生时通过将子模块闭锁并利用电容放电的方式,达到故障清除目的,会存在以下问题:
1、为了使全桥结构中具备故障清除功能,整个子模块的拓扑会变得较为复杂,且不易实现。
2、利用子模块闭锁操作并不能完全解决故障问题,仅能暂时隔离故障或者减少故障影响,最终仍需利用直流断路器将直流线路断开,故障线路切除后则无法正常运行。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题,本实用新型提供一种结构简单紧凑、成本低、安全稳定性高的具备双极转换以及故障清除功能MMC子模块、MMC***。
为解决上述技术问题,本实用新型提出的技术方案为:
一种具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块,包括并联连接的第一IGBT支路、第二IGBT支路以及第三IGBT支路;
所述第一IGBT支路包括相互连接的第一IGBT、第二IGBT以及续流二极管D1,所述第一IGBT的发射极与所述第二IGBT的集电极连接,所述第一IGBT的发射极与所述第二IGBT的集电极之间连接电压输出第一端A,所述第二IGBT的发射极连接电压输出第二端B,所述续流二极管D1反向并联在所述第一IGBT的两端;
所述第二IGBT支路包括依次连接的第一IGBT组、电容以及第二IGBT组,所述第一IGBT组包括相互连接的第三IGBT以及第四IGBT,所述第二IGBT组包括相互连接的第五IGBT以及第六IGBT,所述第三IGBT的集电极分别与所述第一IGBT的集电极、所述第六IGBT的发射极连接,所述第三IGBT的发射极以及所述第四IGBT的发射极分别与所述电容的一端连接,所述第五IGBT的集电极与所述第六IGBT的集电极分别与所述电容的另一端连接,所述第四IGBT的集电极与所述第五IGBT的发射极连接;
第三IGBT支路,包括第七IGBT,所述第七IGBT的发射极与电压输出第二端B连接。
进一步的,通过控制所述第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT的各开关状态,控制进入电压模式、工作状态以及所述电容的状态,当电压输出第一端A与所述电压输出第二端B之间为正电压U时,进入正电压模式,当电压输出第一端A与所述电压输出第二端B之间为负电压-U时,进行负电压模式,所述工作状态包括闭锁、投入、切除中任意一种。
进一步的,所述负电压模式下进入投入工作状态且所述电容进行充电时,通过所述电容释放电流以实现故障清除。
进一步的,在所述正电压模式中,当所述各开关状态分别为断开、断开、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由所述电压输出第一端A流向所述电压输出第二端B,进入闭锁工作状态,所述电容进行充电;
当所述各开关状态分别为闭合、断开、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由所述电压输出第一端A流向所述电压输出第二端B,进入投入工作状态,所述电容进行充电;
当所述各开关状态分别为断开、闭合、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由所述电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入切除工作状态,所述电容旁路。
进一步的,在所述正电压模式中,当所述各开关状态分别为断开、断开、闭合、断开、闭合、断开、闭合时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入闭锁工作状,所述电容旁路;
当所述各开关状态分别为闭合、断开、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入投入工作状态,所述电容进行放电;
当所述各开关状态分别为闭合、闭合、闭合、断开、闭合、断开、闭合时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入切除工作状态,所述电容旁路。
进一步的,在所述负电压模式中,当所述各开关状态分别为断开、断开、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由所述电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入闭锁工作状态,所述电容进行放电;
当所述各开关状态分别为闭合、断开、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由所述电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入投入工作状态,所述电容进行放电;
当各开关状态分别为断开、闭合、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由所述电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入切除工作状态,所述电容旁路。
进一步的,在所述负电压模式中,当所述各开关状态分别为断开、断开、断开、闭合、断开、闭合、闭合时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入闭锁工作状态,所述电容旁路;
当所述各开关状态分别为闭合、断开、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入投入工作状态,所述电容进行充电;
当所述各开关状态分别为闭合、闭合、断开、闭合、断开、闭合、闭合时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入切除工作状态,所述电容旁路。
进一步的,所述第七IGBT的集电极分别与所述第一IGBT的集电极、所述第三IGBT的集电极连接,所述第三IGBT的发射极、所述第五IGBT的发射极分别连接所述电压输出第二端。
进一步的,所述电容的正极分别与所述第三IGBT的发射极、第四IGBT的发射极连接,所述电容的负极分别与所述第五IGBT的集电极、所述第六IGBT的集电极连接。
一种MMC***,包括三相桥臂,每相所述桥臂包括多个串联连接的MMC子模块,所述MMC子模块采用如上述的MMC子模块。
与现有技术相比,本实用新型的优点在于:本实用新型以半桥子模块结构为基础,通过由7个IGBT与一个电容构成MMC子模块,在正常工作时输出正电压,还可以输出负电压,当单极故障发生时,将电容两级反转,利用电容释放电流减少短路电流,达到故障自清除目的,当故障线路切除时,利用反极性可以提供正常运行的反向电压,满足单边运行需求,从而实现将双极反转进行单边运行,可以减少故障对于两端***的影响。
附图说明
图1是现有技术中MMC子模块的结构示意图。
图2是本实施例具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块的结构示意图。
图3是本实施例MMC子模块在发生接地故障时实现故障清除的原理示意图。
图4是本实施例采用的MMC***的结构示意图。
图例说明:1、第一IGBT支路;2、第二IGBT支路;21、第一IGBT组;22、第二IGBT组;3、第三IGBT支路。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述,但并不因此而限制本实用新型的保护范围。
如图2所示,本实施例具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块包括并联连接的第一IGBT支路1、第二IGBT支路2以及第三IGBT支路3;
第一IGBT支路1包括相互连接的第一IGBT(IGBT1)、第二IGBT(IGBT2)以及续流二极管D1,第一IGBT(IGBT1)的发射极与第二IGBT(IGBT2)的集电极连接,第一IGBT(IGBT1)的发射极与第二IGBT(IGBT2)的集电极之间连接电压输出第一端A,第二IGBT的发射极连接电压输出第二端B,续流二极管D1反向并联在第一IGBT(IGBT1)的两端;
第二IGBT支路2包括依次连接的第一IGBT组21、电容C以及第二IGBT组22,第一IGBT组21包括相互连接的第三IGBT(IGBT3)以及第四IGBT(IGBT4),第二IGBT(IGBT2)组22包括相互连接的第五IGBT(IGBT5)以及第六IGBT(IGBT6),第三IGBT(IGBT3)的集电极分别与第一IGBT(IGBT1)的集电极、第六IGBT(IGBT6)的发射极连接,第三IGBT(IGBT3)的发射极以及第四IGBT(IGBT4)的发射极分别与电容C的一端连接,第五IGBT(IGBT5)的集电极与第六IGBT(IGBT6)的集电极分别与电容C的另一端连接,第四IGBT的集电极与第五IGBT的发射极连接;
第三IGBT支路3,包括第三IGBT,第三IGBT的发射极与电压输出第二端B连接。
本实施例以半桥子模块结构为基础,通过由7个IGBT(IGBT1~IGBT7)与一个电容(C)构成MMC子模块,在正常工作时子模块输出正电压,还可以输出负电压,当单极故障发生时,将电容C两级反转,利用电容释放电流减少短路电流,达到故障自清除目的,而当故障线路切除时,利用反极性可以提供正常运行的反向电压,满足单边运行需求,从而实现将双极反转进行单边运行,基于MMC单极故障后的单极运行方式可以减少故障对于两端***的影响,即不仅具有故障清除功能,还具备双极可转换的功能。
本实施例中,第七IGBT的集电极分别与第一IGBT的集电极、第三IGBT的集电极连接,第三IGBT的发射极、第五IGBT的发射极分别连接电压输出第二端。
本实施例中,电容的正极分别与第三IGBT的发射极、第四IGBT的发射极连接,电容的负极分别与第五IGBT的集电极、第六IGBT的集电极连接。
本实施例中,通过控制第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT的各开关状态,控制进入电压模式、工作状态以及电容C的状态,当电压输出第一端A与电压输出第二端B之间为正电压U时,进入正电压模式,当电压输出第一端A与电压输出第二端B之间为负电压-U时,进行负电压模式,工作状态包括闭锁、投入、切除中任意一种,其中在负电压模式下进入投入工作状态且电容进行充电时,通过电容C释放电流以减少实现故障清除。即本实施例MMC子模块分为两种电压模式:正电压模式以及为负电压模式,正电压模式为正常使用的方式,而负电压模式可以跟接地配合组成单边运行***,即在发生接地故障时,电容C两级反转,利用电容C释放电流减少短路电流,当故障线路切除时,利用反极性提供正常运行的反向电压,以满足单边运行需求。在上述两种电压模式下,具体分为闭锁、投入、切除工作状态。
本实施例中,在正电压模式中,当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为断开、断开、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入闭锁工作状态,电容C进行充电;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为闭合、断开、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入投入工作状态,电容C进行充电;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)分别为断开、闭合、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入切除工作状态,电容C旁路。
本实施例上述MMC子模块在正电压模式中,当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为断开、断开、闭合、断开、闭合、断开、闭合时,电流由电压输出第二端B流向电压输出第一端A,进入闭锁工作状,电容C旁路;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为闭合、断开、闭合、断开、闭合、断开、断开时,电流由电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入投入工作状态,电容C进行放电;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为闭合、闭合、闭合、断开、闭合、断开、闭合时,电流由所述电压输出第二端B流向所述电压输出第一端A,进入切除工作状态,电容C旁路。
本实施例通过控制各开关状态(IGBT1~IGBT7)按照上述方式通断,即可以实现正电压输出模式,即正常工作模式,该模式下可以实现电流由电压输出第一端A流向电流第二端B下的闭锁、投入与切除状态,将电容C进行充电或者旁路,或者实现由电压输出第二端B流向电流第一端A闭锁、投入与切除状态,将电容C进行放电或者旁路。
本实施例上述MMC子模块在负电压模式中,当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为断开、断开、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入闭锁工作状态,电容C进行放电;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为闭合、断开、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入投入工作状态,电容C进行放电;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)分别为断开、闭合、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由电压输出第一端A流向电压输出第二端B,进入切除工作状态,电容C旁路。
本实施例上述MMC子模块在负电压模式中,当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为断开、断开、断开、闭合、断开、闭合、闭合时,电流由电压输出第二端B流向电压输出第一端A,进入闭锁工作状态,电容C旁路;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为闭合、断开、断开、闭合、断开、闭合、断开时,电流由电压输出第二端B流向电压输出第一端A,进入投入工作状态,电容C进行充电;
当各开关状态(IGBT1~IGBT7)依次分别为闭合、闭合、断开、闭合、断开、闭合、闭合时,电流由电压输出第二端B流向电压输出第一端A,进入切除工作状态,电容C旁路。
本实施例通过控制各开关状态(IGBT1~IGBT7)按照上述方式通断,即可以实现负电压输出模式,该模式下可以实现电流由电压输出第一端A流向电流第二端B下的闭锁、投入与切除状态,将电容C进行放电或者旁路,或者实现由电压输出第二端B流向电流第一端A闭锁、投入与切除状态,将电容C进行充电或者旁路。即在负电压模式下的电容充电时的投入模式具有故障清除功能,通过电容释放电流以实现故障自清除。
故障清除时的电流流向如图3所示,由电压输出第二端B依次经电容C依次经过第四IGBT(IGBT4)、电容C、第六IGBT(IGBT6)、第一IGBT(IGBT1)再到电压输出第一端A,可以减少接地电流,实现故障清除。
假设各IGBTn(n=1、2...7)的开关信号为VTn(n=1、2...7),当信号为1时闭合,当信号为0时断开。令电容的电压为U,本实施例中MMC子模块在各电压模式下工作状态、电流方向以及电容C状态如表1所示。
表1:MMC子模块工作模式
本实施例上述MMC子模块,具备两种工作模式(正电压、负电压)一共12种工作状态,不仅具备故障清除功能,而且双极还可以转换,使得在接地故障时可以跟接地配合组成单边运行***,减少故障影响,从而确保子模块安全稳定的运行,且整个子模块的结构简单、易于实现。
本实施例还包括MMC***,如图4所示,包括三相桥臂,每相桥臂包括多个串联连接的MMC子模块(SM1~SMN),每个MMC子模块(或者部分指定的MMC子模块)采用如上述的MMC子模块,即SM1~SMN采用如图2所示的结构。通过在MMC***中采用上述MMC子模块,各子模块具有故障清除功能以及双极转换功能,在接地故障时可以跟接地配合组成单边运行***减少故障影响,且无需调整***整体布局即可实现,可以大大降低***的整体实现成本。
上述只是本实用新型的较佳实施例,并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上,然而并非用以限定本实用新型。因此,凡是未脱离本实用新型技术方案的内容,依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。
Claims (4)
1.一种具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块,其特征在于:包括并联连接的第一IGBT支路(1)、第二IGBT支路(2)以及第三IGBT支路(3);
所述第一IGBT支路(1)包括相互连接的第一IGBT、第二IGBT以及续流二极管D1,所述第一IGBT的发射极与所述第二IGBT的集电极连接,所述第一IGBT的发射极与所述第二IGBT的集电极之间连接电压输出第一端A,所述第二IGBT的发射极连接电压输出第二端B,所述续流二极管D1反向并联在所述第一IGBT的两端;
所述第二IGBT支路(2)包括依次连接的第一IGBT组(21)、电容以及第二IGBT组(22),所述第一IGBT组(21)包括相互连接的第三IGBT以及第四IGBT,所述第二IGBT组(22)包括相互连接的第五IGBT以及第六IGBT,所述第三IGBT的集电极分别与所述第一IGBT的集电极、所述第六IGBT的发射极连接,所述第三IGBT的发射极以及所述第四IGBT的发射极分别与所述电容的一端连接,所述第五IGBT的集电极与所述第六IGBT的集电极分别与所述电容的另一端连接,所述第四IGBT的集电极与所述第五IGBT的发射极连接;
第三IGBT支路(3),包括第七IGBT,所述第七IGBT的发射极与电压输出第二端B连接。
2.根据权利要求1所述的具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块,其特征在于,所述第七IGBT的集电极分别与所述第一IGBT的集电极、所述第三IGBT的集电极连接,所述第三IGBT的发射极、所述第五IGBT的发射极分别连接所述电压输出第二端。
3.根据权利要求1所述的具备双极转换与故障清除功能的MMC子模块,其特征在于,所述电容的正极分别与所述第三IGBT的发射极、第四IGBT的发射极连接,所述电容的负极分别与所述第五IGBT的集电极、所述第六IGBT的集电极连接。
4.一种MMC***,包括三相桥臂,每相所述桥臂包括多个串联连接的MMC子模块,其特征在于,所述MMC子模块采用如权利要求1~3中任意一项所述的MMC子模块。
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