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CN108023494B - 一种模块化多电平换流器及其子模块结构 - Google Patents

一种模块化多电平换流器及其子模块结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平换流器及其子模块结构，其中：多电平换流器包括：电感和相互级联的子模块结构，电感与子模块结构串联构成桥臂，两组桥臂串联构成相单元；子模块结构包括：正极端支路、负极端支路、电容支路和双向功率开关支路；正极端支路与电容支路并联，双向功率开关支路的两端分别与正极端支路和电容支路的中点相连；负极端支路的一端与正极端支路和电容支路的并联相连，其另一端与电容支路的中点相连。本发明提供的技术方案应用在MMC‑HVDC系统中，可实现直流故障的自主防护，且由于结构的对称性，使得子模块结构在闭锁模式下，输出特性关于电流方向是对称的，良好的对称性有利于维持子模块中功率器件及电容的电流应力平衡。

Description

一种模块化多电平换流器及其子模块结构
技术领域
本发明涉及柔性直流输配电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器及其子模块结构。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、阶跃电压低、器件开关频率低等特点，日益成为高压直流(High Voltage Direct Current,HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。投入运行的MMC-HVDC项目中目前大多采用半桥子模块(Half Bridge Sub-Module,HBSM)结构，该结构功率器件数量少、系统成本低、运行效率高，但直流侧发生故障时换流器自身不具备主动防护能力，需借助交流继电保护设备隔离故障。
直流侧短路故障是直流输电特别是在架空线路中一种常见的故障。目前，处理直流侧故障主要有三种方式：1)通过交流设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障与交流系统的联系；2)通过直流设备如直流断路器等阻断-故障与换流器的联系；3)通过换流器中功率半导体器件的开关动作实现直流侧故障的隔离。但第一种处理方式由于其机械限制导致交流设备的响应时间长、重启复杂；第二种处理方式的不足之处是直流断路器技术尚不成熟且造价高，难以应用于实际工程中；较之前两种方式，第三种方式响应时间快，故障后系统恢复正常运行的能力强，所以成为处理MMC-HVDC直流侧短路故障的一种有效的解决途径。
目前，能够实现直流故障防护的子模块结构中具有代表性的是全桥子模块(FullBridge Sub-Module,FBSM)和箝位双子模块(Clamp Double Sub-Module,CDSM)的结构。全桥子模块的功率半导体器件数是半桥子模块的两倍，增大了系统成本、降低了换流器的运行效率；箝位双子模块虽然结构简洁，但容错能力差，一旦箝位开关管损坏子模块将无法实现电平的正常输出，影响整个系统的正常运行。
因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平换流器及其子模块结构，其中：模块化多电平换流器包括电感，相互级联的子模块结构，电感与子模块串联构成桥臂，两组桥臂串联构成相单元。
子模块结构包括：正极端支路、负极端支路、电容支路和双向功率开关支路；正极端支路与电容支路并联，双向功率开关支路的两端分别与正极端支路和电容支路的中点相连；负极端支路的一端与正极端支路和电容支路的并联相连，其另一端与电容支路的中点相连。
正极端支路包括：两个带反并二极管的开关管S1和S2；第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极相连。
负极端支路包括：两个带反并二极管的开关管S3和S4；第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的集电极相连。
电容支路包括：两个相互串联的电容C1和C2；
第一电容C1的正极端与第一开关管S1的集电极相连，第二电容C2的负极端与第二开关管S2及第四开关管S4的发射极相连，第三开关管S3的集电极与电容支路的中间节点相连。
双向功率开关支路包括：两个带反并二极管的开关管S5和S6；双向功率开关支路的一端与第五开关管S5的集电极相连，双向功率开关支路的另一端与第六开关管S6的集电极相连，第五开关管S5的发射极与第六开关管S6的发射极相连。
双向功率开关支路的另一种优选方案，包括：并联的两个开关管S5和S6；第五开关管S5的集电极与第六开关管S6的发射极相连。
带反并二极管的开关管的基极接收外部设备提供的开关控制信号；带反并二极管的开关管为IGBT型开关管。
子模块结构的运行模式包括正常模式、闭锁模式或STATCOM模式；
正常模式包括：+2E、+1E和0三种电平模式；STATCOM模式包括：+1E、0和-1E三种电平模式。
正常模式和STATCOM模式包括6种开关状态：
第一开关状态：第一开关管S1、第四开关管S4和第六开关管S6开通；第二开关管S2、第三开关管S3和第五开关管S5关断；
第二开关状态：第一开关管S1、第三开关管S3和第六开关管S6开通；第二开关管S2、第四开关管S4和第五开关管S5关断；
第三开关状态：第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6开通；第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3关断；
第四开关状态：第三开关管S3、第五开关管S5和第六开关管S6开通；第一开关管S1、第二开关管S2和第四开关管S4关断；
第五开关状态：第二开关管S2、第四开关管S4和第五开关管S5开通；第一开关管S1、第三开关管S3和第六开关管S6关断；
第六开关状态：第二开关管S2、第三开关管S3和第五开关管S5开通；第一开关管S1、第四开关管S4和第六开关管S6关断；
闭锁模式包括2种开关状态：
第七开关状态：关断全部开关管的门极信号，电流方向从正极端流向负极端时，电流经过第一开关管S1和第四开关管S4中的反并二极管向第一电容C1和第二电容C2充电；
第八开关状态：关断全部开关管的门极信号，电流方向从负极端流向正极端时，电流经第二开关管S2和第三开关管S3中的反并二极管向第二电容C2充电。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、在闭锁模式下，本发明提供的技术方案的子模块电容全部投入桥臂中，子模块电容充电，产生反向电动势，具有隔离直流侧故障的功能；
2、在MMC-HVDC系统中，应用本发明提供的技术方案可实现直流故障的自主防护，且由于结构的对称性，使得子模块结构在闭锁模式下，输出特性关于电流方向是对称的，良好的对称性有利于维持子模块中功率器件及电容的电流应力平衡；
3、在HCMC-HVDC系统中，应用本发明提供的技术方案具有比全桥子模块结构更低的导通损耗，系统的运行效率得以提高。
附图说明
图1为本发明的单端三相模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图2为本发明MMC子模块结构的一种拓扑示意图；
图3为本发明MMC子模块结构的另一种拓扑示意图；
图4为本发明MMC子模块结构的第一开关状态示意图；
图5为本发明MMC子模块结构的第二开关状态示意图；
图6为本发明MMC子模块结构的第三开关状态示意图；
图7为本发明MMC子模块结构的第四开关状态示意图；
图8为本发明MMC子模块结构的第五开关状态示意图；
图9为本发明MMC子模块结构的第六开关状态示意图；
图10为本发明MMC子模块结构的第七开关状态示意图；
图11为本发明MMC子模块结构的第八开关状态示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明公开了一种具有故障穿越功能的模块化多电平换流器子模块结构，其通过冗余的开关状态调节子模块中2个电容和8个功率开关管的电流应力平衡；在正常模式下可输出三种电平，提高了子模块的电平集成度；在闭锁模式下，子模块电容全部投入到桥臂中，子模块电容充电，产生反向电动势，起到隔离直流侧故障的功能。本发明子模块结构应用在MMC-HVDC系统中，可实现直流故障的自主防护，且由于结构的对称性，使得子模块结构在闭锁模式下，输出特性关于电流方向是对称的，良好的对称性有利于维持子模块中功率器件及电容的电流应力平衡；应用在HCMC-HVDC系统中，具有比全桥子模块结构更低的导通损耗，系统的运行效率得以提高。
本发明的子模块结构包括：4个带有反并二极管的开关管S1～S4、2个电容C1～C2以及1个双向功率开关，其中：开关管S1的发射极与开关管S2的集电极相连且为子模块结构的正极端，开关管S1的集电极与电容C1的正极端相连，开关管S2的发射极与电容C2的负极端及开关管S4的发射极相连，电容C1的负极端与电容C2的正极端相连并作为中间节点，开关管S3的集电极与中间节点相连，开关管S3的发射极与开关管S4的集电极相连且为子模块结构的负极端，双向开关管的一端与子模块正极端相连，双向开关管的另一端与中间节点相连。四个开关管S1～S4的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号，4个带有反并二极管的开关管S1～S4均采用IGBT。
双向功率开关由2个带有反并二极管的开关管S5～S6组成；其中，开关管S5的集电极为双向功率开关的一端，开关管S5的发射极与开关管S6的发射极相连，开关管S6的集电极为双向功率开关的另一端，2个开关管S5～S6的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
双向功率开关由2个不带有反并二极管的开关管S5～S6组成；其中，开关管S5的集电极与开关管S6的发射极相连且为双向功率开关的一端，开关管S5的发射极与开关管S6的集电极相连且为双向功率开关的另一端，2个开关管S5～S6的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号，2个带有反并二极管的开关管S5～S6均采用IGBT。
本发明MMC子模块结构存在三种运行模式(正常模式、闭锁模式和STATCOM模式)；在正常模式下可输出+2E、+1E和0三种电平，提高了子模块的电平集成度；在闭锁模式下，子模块电容全部投入到桥臂中，子模块电容充电，产生反向电动势，起到隔离直流侧故障的功能；在STATCOM模式下，可输出+1E、0和-1E三种电平，实现对交流系统的无功支撑。本发明MMC子模块的通态损耗低于MMC全桥子模块结构，有利于提高MMC-HVDC的系统运行效率；可主动输出负电平，故障处理较箝位双子模块更为灵活。
如图1所示，单端三相模块化多电平换流器(MMC)的基本单元为子模块(Sub-Module,SM)，N个子模块级联与一个桥臂电感串联构成一个桥臂，上下两个桥臂串联构成一个相单元。三相MMC换流器含有三个相单元，6个桥臂，6N个子模块。直流侧母线电压为Udc，交流侧三相相电压分别为ua、ub和uc，O点为零电位参考点。
如图2所示的MMC子模块结构，该子模块结构包括四个带有反并二极管的开关管S1～S4、两个电容C1～C2以及1个双向功率开关；其中：
开关管S1的发射极与开关管S2的集电极相连且为子模块结构的正极端，开关管S1的集电极与电容C1的正极端相连，开关管S2的发射极与电容C2的负极端及开关管S4的发射极相连，电容C1的负极端与电容C2的正极端相连并作为中间节点，开关管S3的集电极与中间节点相连，开关管S3的发射极与开关管S4的集电极相连且为子模块结构的负极端，双向开关管的一端与子模块正极端相连，双向开关管的另一端与中间节点相连，4个带有反并二极管的开关管S1～S4均采用IGBT。
图2中的双向功率开关由2个带有反并二极管的开关管S5～S6组成；其中，双向功率开关的两端分别为开关管S5的集电极和开关管S6的集电极，开关管S5的集电极与正极端相连，开关管S5的发射极与开关管S6的发射极相连，开关管S6的集电极与中间节点相连，，两个开关管S5～S6的基极均接收来自外部设备提供的开关控制信号。
作为可选方案，双向功率开关由2个不带有反并二极管的开关管S5～S6组成；具体如图3所示，其中，开关管S5的集电极与开关管S6的发射极相连且为双向功率开关的一端，开关管S5的发射极与开关管S6的集电极相连且为双向功率开关的另一端。开关管S5～S6均采用IGBT。
图4-图11为本实施方式MMC子模块结构的不同开关状态下的电流流向图。图4-图9为正常模式或STATCOM模式下的6种开关状态电流流向图；图10-图11为闭锁模式下的2种开关状态电流流向图。下表是一种具有主动故障穿越能力的模块化多电平换流器的MMC子模块结构的开关状态表。
Figure BDA0001140306770000061
Figure BDA0001140306770000071
表中的开关状态表给出了正常模式、STATCOM模式和闭锁模式下的开关状态，正常模式下，子模块在开关状态1～5之间切换，等效为两个半桥子模块串联，在STATCOM模式下，子模块在开关状态2～6之间切换，等效为一个全桥子模块。
下面结合附图对上述表格中的各开关状态进行具体介绍。
如图4所示，开关状态1：S1、S4和S6开通；S2、S3和S5关断。电容C1和C2通过开关管S1和S4投入到桥臂中，子模块的AB输出电压USM为电容C1和C2上电压之和，理论值为+2E，其中，E为每个子模块电容电压的理论值。此开关状态下，电流双向流动，电流的方向决定了子模块电容C1和C2的充放电状态。
如图5所示，开关状态2：S1、S3和S6开通；S2、S4和S5关断。电容C1通过开关管S1和开关管S3投入到桥臂中，电容C2被旁路。子模块AB输出电压USM为电容C1上的电压值，理论值为+E。此开关状态下，电流双向流动，电流的方向决定了子模块电容C1的充放电状态。
如图6所示，开关状态3：S4、S5和S6开通；S1、S2和S3关断。电容C2通过双向开关管和开关管S4投入到桥臂中，电容C1被旁路。子模块AB输出电压USM为电容C2上的电压值，理论值为+E。此开关状态下，电流双向流动，电流的方向决定了子模块电容C2的充放电状态。开关状态2和开关状态3具有相同的子模块外特性，输出电压USM为+E，两种开关状态可分别对电容C1和C2进行充放电，这有利于维持C1、C2的电压平衡。
如图7所示，开关状态4：S3、S5和S6开通；S1、S2和S4关断。电容C1和C2均被旁路，子模块AB输出电压USM为零。电流通过双向开关管和开关管S3双向流动。
如图8所示，开关状态5：S2、S4和S5开通；S1、S3和S6关断。电容C1和C2均被旁路，子模块AB输出电压USM为零。电流通过开关管S2和S4双向流动。
如图9所示，开关状态6：S2、S3和S5开通；S1、S4和S6关断。电容C2被旁路，子模块AB输出电压USM为-E。电流通过开关管S2和S3双向流动。
如图10所示，开关状态7：全部功率半导体器件的门极信号关断，电流方向从子模块的A端流向B端，电流经过开关管S1和S4中的IGBT反并二极管向电容C1和C2充电，子模块的输出电压USM为电容C1和C2上电压之和+2E。
如图11所示，开关状态8：全部功率半导体器件的门极信号关断，电流方向从子模块的B端流向A端，电流经过开关管S2和S3中的IGBT反并二极管向电容C2充电，子模块的输出电压USM为-E。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种模块化多电平换流器的子模块结构，其特征在于，
所述子模块结构包括：正极端支路、负极端支路、电容支路和双向功率开关支路；所述正极端支路与所述电容支路并联，所述双向功率开关支路的两端分别与所述正极端支路和所述电容支路的中间节点相连；
所述负极端支路的一端与所述正极端支路和所述电容支路的并联相连，其另一端与所述电容支路的中间节点相连；
所述正极端支路包括：两个带反并二极管的开关管(S1和S2)；
第一开关管(S1)的发射极与第二开关管(S2)的集电极相连；
所述负极端支路包括：
两个带反并二极管的开关管(S3和S4)；第三开关管(S3)的发射极与第四开关管(S4)的集电极相连；
所述电容支路包括：两个相互串联的电容(C1和C2)；
第一电容(C1)的正极端与所述第一开关管(S1)的集电极相连，第二电容(C2)的负极端与所述第二开关管(S2)及所述第四开关管(S4)的发射极相连，所述第三开关管(S3)的集电极与所述电容支路的中间节点相连；
所述双向功率开关支路包括：两个带反并二极管的开关管(S5和S6)；
第五开关管(S5)的集电极为所述双向功率开关支路的一端，其与所述正极端支路的中间节点相连；第六开关管(S6)的集电极为所述双向功率开关支路的另一端，其与所述电容支路的中间节点相连；所述第五开关管(S5)的发射极与所述第六开关管(S6)的发射极相连；
所述带反并二极管的开关管的基极接收外部设备提供的开关控制信号；
所述带反并二极管的开关管为IGBT型开关管；
所述子模块结构的运行模式包括正常模式、闭锁模式或STATCOM模式；
所述正常模式包括：+2E、+1E和0三种电平模式；
所述闭锁模式包括：+2E和-E两种电平模式；
所述STATCOM模式包括：+1E、0和-1E三种电平模式；
所述正常模式和所述STATCOM模式包括6种开关状态：
第一开关状态：所述第一开关管(S1)、所述第四开关管(S4)和所述第六开关管(S6)开通；所述第二开关管(S2)、所述第三开关管(S3)和所述第五开关管(S5)关断；
第二开关状态：所述第一开关管(S1)、所述第三开关管(S3)和所述第六开关管(S6)开通；所述第二开关管(S2)、所述第四开关管(S4)和所述第五开关管(S5)关断；
第三开关状态：所述第四开关管(S4)、所述第五开关管(S5)和所述第六开关管(S6)开通；所述第一开关管(S1)、所述第二开关管(S2)和所述第三开关管(S3)关断；
第四开关状态：所述第三开关管(S3)、所述第五开关管(S5)和所述第六开关管(S6)开通；所述第一开关管(S1)、所述第二开关管(S2)和所述第四开关管(S4)关断；
第五开关状态：所述第二开关管(S2)、所述第四开关管(S4)和所述第五开关管(S5)开通；所述第一开关管(S1)、所述第三开关管(S3)和所述第六开关管(S6)关断；
第六开关状态：所述第二开关管(S2)、所述第三开关管(S3)和所述第五开关管(S5)开通；所述第一开关管(S1)、所述第四开关管(S4)和所述第六开关管(S6)关断；
所述闭锁模式包括2种开关状态：
第七开关状态：关断全部开关管的门极信号，电流方向从所述正极端流向所述负极端时，所述电流经过所述第一开关管(S1)和所述第四开关管(S4)中的反并二极管向所述第一电容(C1)和所述第二电容(C2)充电；
第八开关状态：关断全部开关管的门极信号，电流方向从所述负极端流向所述正极端时，所述电流经所述第二开关管(S2)和所述第三开关管(S3)中的反并二极管向所述第二电容(C2)充电。
2.根据权利要求1所述的子模块结构，其特征在于，所述双向功率开关支路包括：并联的两个开关管(S5和S6)；
第五开关管(S5)的集电极与第六开关管(S6)的发射极相连；
所述第五开关管(S5)的发射极与所述第六开关管(S6)的集电极相连。
3.一种模块化多电平换流器，包括电感，其特征在于：还包括相互级联的如权利要求1-2任一的所述子模块结构，所述电感与所述子模块串联构成桥臂，两组所述桥臂串联构成相单元。
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