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CN107508267A - 一种电压源型换流器子模块单元及其组成的模块化多电平换流器 - Google Patents

一种电压源型换流器子模块单元及其组成的模块化多电平换流器 Download PDF

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CN107508267A
CN107508267A CN201710852418.9A CN201710852418A CN107508267A CN 107508267 A CN107508267 A CN 107508267A CN 201710852418 A CN201710852418 A CN 201710852418A CN 107508267 A CN107508267 A CN 107508267A
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electric capacity
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张中锋
欧阳有鹏
叶琳
杨滢
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
NR Electric Co Ltd
NR Engineering Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
NR Electric Co Ltd
NR Engineering Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种电压源型换流器子模块单元及其组成的模块化多电平换流器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和分别与各开关管反向并联的二极管，还包括第一直流支撑电容、第二直流支撑电容、旁路开关和二次控制保护单元；第一开关管与第二开关管串联后与第一直流支撑电容并联；第四开关管、第五开关管串联后与第二直流支撑电容并联；第三开关管上串联一个二极管后与第一直流支撑电容并联；二次控制保护单元分别与第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和旁路开关相连。本发明在直流系统发生直流短路故障时，通过自身开关管闭锁迅速切断故障电流回路，实现对换流站设备的保护。

Description

一种电压源型换流器子模块单元及其组成的模块化多电平换 流器
技术领域
本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种电压源型换流器子模块单元及其组成的模块化多电平换流器。
背景技术
柔性直流输电技术可应用于分布式可再生能源并网、海岛及城市负荷密集区供电。基于全控型电力电子开关器件的电压源型模块化多电平换流器在柔性直流输电领域有着广泛的应用。
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)通过若干个电压源型换流器子模块单元级联实现高电压输出，不需要开关器件的直接级联，对器件一致触发要求低，此外还具有扩展性好、开关频率低、运行损耗低、输出电压波形质量高等诸多优点，但由于柔性直流输电网络的低阻尼特性导致系统发生短路故障时，故障初期电流上升率达到数千安每毫秒级别，交流断路器几十毫秒的分断速度，会使直流网络中换流器等关键装备承受苛刻的电气应力，降低了设备运行的安全性，此外鉴于目前高压大容量直流断路器技术还没有取得突破，亦无法快速切断故障电流，这就要求在直流系统发生短路时换流器本身能够快速可靠的闭锁保护以实现短路电流的清除，而目前常用的基于半桥结构的模块化多电平电压源型换流器子模块由于开关管反并联续流二极管的存在，在直流侧故障时，通常无法采用控制或者闭锁换流器的方法来限制短路电流，一般只能通过断开交流侧断路器来分断故障电流，导致了系统故障后无法实现快速恢复。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种电压源型换流器子模块单元及其组成的模块化多电平换流器，能够在系统故障时，通过开关管闭锁快速切断故障电流回路，实现对换流站设备的保护，并且有利于系统故障切除后实现快速恢复启动。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种电压源型换流器子模块单元，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和分别与各开关管反向并联的二极管，还包括第一直流支撑电容、第二直流支撑电容、旁路开关和二次控制保护单元；
所述第一开关管的第一端与第一直流支撑电容的正极相连，第二端与所述第二开关管的第一端连接，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第二开关管的第二端与第一直流支撑电容的负极相连，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第一开关管和第二开关管的公共连接点作为所述电压源型换流器子模块单元的第一输出端；
所述第三开关管的第一端与第一直流支撑电容的正极相连，所述第一端还通过二极管与第二直流支撑电容的正极相连；第二端通过二极管与第一直流支撑电容的负极相连，所述第二端还与第二直流支撑电容的负极相连；第三端与二次控制保护单元相连；
所述第四开关管的第一端与第二直流支撑电容的正极相连，第二端与所述第五开关管的第一端连接，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第五开关管的第二端与第二直流支撑电容的负极相连，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第四开关管和第五开关管的公共连接点作为所述电压源型换流器子模块单元的第二输出端；
所述旁路开关设于所述第一输出端和第二输出端之间，其控制端与二次控制保护单元相连。
进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管均为全控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件及与其反向并联的二极管共同组成全控型开关模块。
进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管均为绝缘栅双极晶体管。
进一步地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的第一端均为集电极，第二端均为发射极，第三端均为栅极。
进一步地，所述二次控制保护单元分别联接第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和旁路开关的控制端，用于实时控制第一、第二、第三、第四、第五开关管的导通和关断及旁路开关K的闭合分断，同时实现对电压源型换流器子模块单元的监测和保护。
进一步地，当直流系统发生故障时，二次控制保护单元下发闭锁控制命令，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管全部闭锁，切断故障电流回路，保护了换流站设备；
进一步地，当所述电压源型换流器子模块单元出现故障时，二次控制保护单元下发控制命令，旁路开关闭合，将故障电压源型换流器子模块单元旁路。
一种由电压源型换流器子模块单元组成的模块化多电平换流器，包括若干个权利要求1-7中任一项所述的电压源型换流器子模块单元，各电压源型换流器子模块单元之间为同向顺序级联，其中，前一个电压源型换流器子模块单元的第二输出端与后一个电压源型换流器子模块的单元的第一输出端相连。
本发明的有益效果：
(1)本发明中，当直流系统发生故障时，将第一、第二、第三、第四、第五开关管闭锁，切断故障电流回路，保护了换流站设备，并且不需要跳开交流侧断路器，有利于系统故障切除后快速重启动。
(2)本发明中的电压源型换流器子模块单元输出端并联旁路开关，在子模块单元故障时，旁路开关闭合，将故障的子模块单元旁路，不会影响整个换流器的工作，实现了故障冗余，提高了运行可靠性。
附图说明
图1是本发明一种电压源型换流器子模块单元的电气原理图；
图2是本发明一种模块化多电平换流器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
本发明提供一种电压源型换流器子模块单元，多个电压源型换流器子模块单元同向顺序级联可以构成模块化多电平换流器，通过电压源型换流器子模块单元级联个数的调整可以满足不同电压等级、不同功率输送容量的要求。
实施例1
如图1所示，一种电压源型换流器子模块单元，包括第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5和分别与各开关管反向并联的二极管(D1-D5)，还包括第一直流支撑电容C1、第二直流支撑电容C2、旁路开关K和二次控制保护单元KZ；所述第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5优选均为全控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件及与其反向并联的二极管共同组成全控型开关模块；
所述第一开关管T1的第一端与第一直流支撑电容C1的正极相连，第二端与所述第二开关管T2的第一端连接，第三端与二次控制保护单元KZ相连；
所述第二开关管T2的第二端与第一直流支撑电容C1的负极相连，第三端与二次控制保护单元KZ相连；
所述第一开关管T1和第二开关管T2的公共连接点作为所述电压源型换流器子模块单元的第一输出端；
所述第三开关管T3的第一端与第一直流支撑电容C1的正极相连，所述第一端还通过二极管D6与第二直流支撑电容C2的正极相连，其中二极管D6的正极与T3的第一端相连，负极与第二直流支撑电容C2的正极相连；第二端通过二极管D7与第一直流支撑电容C1的负极相连，其中，二极管D7的正极与与第一直流支撑电容C1的负极相连，负极与T3的第二端相连；所述第二端还与第二直流支撑电容C2的负极相连；第三端与二次控制保护单元KZ相连；
所述第四开关管T4的第一端与第二直流支撑电容C2的正极相连，第二端与所述第五开关管T5的第一端连接，第三端与二次控制保护单元KZ相连；
所述第五开关管T5的第二端与第二直流支撑电容C2的负极相连，第三端与二次控制保护单元KZ相连；
所述第四开关管T4和第五开关管T5的公共连接点作为所述电压源型换流器子模块单元的第二输出端；
所述旁路开关K设于所述第一输出端和第二输出端之间，其控制端与二次控制保护单元KZ相连。
上述方案中，所述第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5均为绝缘栅双极晶体管；所述第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5的第一端均为集电极，第二端均为发射极，第三端均为栅极；所述二次控制保护单元KZ分别连接第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5的控制端和旁路开关K的控制端，用于实时控制第一、第二、第三、第四、第五开关管的导通和关断及旁路开关K的闭合分断，并且可以实现对由电压源型换流器子模块单元构成元器件的监测和保护。
在直流系统发生故障时，二次控制保护单元KZ下发闭锁控制命令，第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5全部闭锁，将切断故障电流回路，保护了换流站设备，并且有利于系统故障切除后实现快速恢复启动。此外电压源型换流器子模块单元输出端并联旁路开关K，在子模块单元故障时，旁路开关K闭合，将故障子模块单元旁路，不会影响整个换流器的工作，实现了故障冗余，提高了运行可靠性。
实施例2
如图2所示，一种由电压源型换流器子模块单元组成的模块化多电平换流器，包括若干个实施例1中所述的电压源型换流器子模块单元，各电压源型换流器子模块单元之间为同向顺序级联，其中，前一个电压源型换流器子模块单元的第二输出端与后一个电压源型换流器子模块的单元的第一输出端相连。
综上所述：
(1)本发明中，当电压源型换流器子模块单元输应用到直流系统时，当直流系统发生故障时，将第一、第二、第三、第四、第五开关管闭锁，切断故障电流回路，保护了换流站设备，并且不需要跳开交流侧断路器，有利于系统故障切除后快速重启动。
(2)本发明中的电压源型换流器子模块单元输出端并联旁路开关，在子模块单元故障时，旁路开关闭合，将故障的子模块单元旁路，不会影响整个换流器的工作，实现了故障冗余，提高了运行可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和分别与各开关管反向并联的二极管，还包括第一直流支撑电容、第二直流支撑电容、旁路开关和二次控制保护单元；
所述第一开关管的第一端与第一直流支撑电容的正极相连，第二端与所述第二开关管的第一端连接，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第二开关管的第二端与第一直流支撑电容的负极相连，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第一开关管和第二开关管的公共连接点作为所述电压源型换流器子模块单元的第一输出端；
所述第三开关管的第一端与第一直流支撑电容的正极相连，所述第一端还通过二极管与第二直流支撑电容的正极相连；第二端通过二极管与第一直流支撑电容的负极相连，所述第二端还与第二直流支撑电容的负极相连；第三端与二次控制保护单元相连；
所述第四开关管的第一端与第二直流支撑电容的正极相连，第二端与所述第五开关管的第一端连接，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第五开关管的第二端与第二直流支撑电容的负极相连，第三端与二次控制保护单元相连；
所述第四开关管和第五开关管的公共连接点作为所述电压源型换流器子模块单元的第二输出端；
所述旁路开关设于所述第一输出端和第二输出端之间，其控制端与二次控制保护单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管均为全控型功率半导体器件，全控型功率半导体器件及与其反向并联的二极管共同组成全控型开关模块。
3.根据权利要求2所述的一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管均为绝缘栅双极晶体管。
4.根据权利要求3所述的一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管的第一端均为集电极，第二端均为发射极，第三端均为栅极。
5.根据权利要求1所述的一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：所述二次控制保护单元分别联接第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和旁路开关的控制端，用于实时控制第一、第二、第三、第四、第五开关管的导通和关断及旁路开关K的闭合分断，同时实现对电压源型换流器子模块单元的监测和保护。
6.根据权利要求1所述的一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：当直流系统发生故障时，二次控制保护单元下发闭锁控制命令，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管全部闭锁，切断故障电流回路，保护了换流站设备。
7.根据权利要求1所述的一种电压源型换流器子模块单元，其特征在于：当所述电压源型换流器子模块单元出现故障时，二次控制保护单元下发控制命令，旁路开关闭合，将故障电压源型换流器子模块单元旁路。
8.一种由电压源型换流器子模块单元组成的模块化多电平换流器，其特征在于：包括若干个权利要求1-7中任一项所述的电压源型换流器子模块单元，各电压源型换流器子模块单元之间为同向顺序级联，其中，前一个电压源型换流器子模块单元的第二输出端与后一个电压源型换流器子模块的单元的第一输出端相连。
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