CN104821736A - 具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器，属于电力电子变换器技术领域；该模块化多电平变换器的每一相都分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由A_n个单极性子模块和B_m个双极性子模块串联得到，且B_m≥A_n；上桥臂和下桥臂之间串接两个缓冲电感，每一相的两个缓冲电感之间引出输出端接一滤波电感；连接子模块。本发明依据不同类型子模块的外特性，通过不同类型优选子模块的组合，实现了直流侧短路的保护功能，采用多电平子模块减少了总的子模块个数和与子模块相关的元器件个数；正常运行时，两类子模块的控制类似，使整个系统的控制算法简单；子模块损耗低，系统效率高。

Description

具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种用于高压直流输电的模块化多电平变换器主电路拓扑。

背景技术

模块化多电平变换器(MMC)具有模块化结构，共直流母线，高效和低输出谐波等优点，在高压大容量领域得到了越来越多的应用，其基本结构如图1所示。MMC的每一相都分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由N个子模块串联得到，上桥臂和下桥臂之间通常串接两个缓冲电感L_a，防止桥臂在开关过程中发生桥臂直通，导致大的桥臂电流。若正母线P+和负母线N-之间的电压为V_dc，则每个子模块所需承受的电压为V_dc/N。MMC的每一相的输出端(即两个缓冲电感L_a之间引出)接滤波电感L_o，使输出的电流满足负载R_L对THD(TotalHarmonic Distortion)的要求。MMC的子模块可以分为单极性子模块和双极性子模块，单极性子模块只能输出正电平和零电平，而双极性子模块可以输出正电平、零电平和负电平，基本的两电平单极性子模块和双极性子模块结构图分别如图2和图3所示。图2中的两电平单极性子模块包括两个开关器件(S₁和S₂)和一个电容(C₁)；其中两个开关器件S₁、S₂串联，电容C₁与开关器件S₁、S₂并联；S₁和S₂互补导通；当S₂导通时，该子模块被旁路。子模块中两个互补动作的开关管产生两个有效的开关状态，把电容C₁接入整个桥臂中或者将其旁路掉，通过这种方式产生多电平阶梯波。两电平单极性子模块结构简单，所需的开关器件少，效率高，但不能输出负电平。图3中的两电平双极性子模块包括四个开关器件(S₃、S₄、S₅和S₆)和一个电容(C₂)；其中开关器件S₃、S₄串联，S₅、S₆串联；电容C₂与开关器件S₃、S₄，S₅、S₆并联；正常工作时S₃和S₄互补导通，S₅保持常闭，S₆保持常通；当S₂和S₆导通时，该子模块被旁路；当S₅导通，S₆关闭时，该子模块输出负电平；两电平双极性子模块可以输出正电平电压、零电压和负电平电压，但每个子模块所需的开关器件数多，使得效率相比于两电平单极性子模块要低。在高压直流输电(HVDC)等应用场合，直流侧的短路保护是一个非常重要的功能要求，基于单极性子模块的MMC，由于子模块无法输出负电压，因此在直流侧发生短路故障时，无法限制故障电流。基于双极性子模块的MMC，由于子模块可以出负电压，因此在直流侧发生短路故障时，可以对直流侧故障电流进行限制和实现故障穿越，但双极性子模块所用的器件数多，损耗大，效率低。有学者提出同时采用单极性子模块和双极性子模块来构成MMC的桥臂，其结构图如图4所示，图中，A₁～A_n:单极性子模块，B₁～B_m:双极性子模块；这些单极性子模块和双极性子模块按一定的比例混合，实现输出电压等级和直流侧短路保护的要求。

现有的单极性子模块和双极性子模块混合式MMC拓扑，其子模块都是基于两电平的子模块，分别如图2和图3所示。两电平的子模块，由于单个子模块所能承受的电压较低，因而增加了总的子模块个数和与子模块相关的其它元器件个数。采用多电平子模块，可以显著减少子模块个数和与子模块相关的其它元器件个数。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中所述的基于两电平子模块的混合式MMC中子模块数及相关的其它元器件个数较多的问题，提出一种具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器，采用多电平子模块减少了总的子模块个数和与子模块相关的元器件个数；子模块损耗低，效率高，因而使整个系统的效率得到提升。

本发明提出的一种具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器，该模块化多电平变换器的每一相都分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由A_n个单极性子模块和B_m个双极性子模块串联得到，且B_m≥A_n；上桥臂和下桥臂之间串接两个缓冲电感，每一相的两个缓冲电感之间引出输出端接一滤波电感；其特征在于，所述的单极性子模块采用三电平的双半桥子模块；所述的双极性子模块采用五电平交叉连接子模块。

本发明的技术特点是：

本发明多电平变换器的五电平交叉连接子模块中，任意时刻电流只需流经三个开关器件，导通损耗低，效率高；

本发明多电平变换器的桥臂中的子模块可承受的电压为原有两电平子模块的两倍，在相同的直流母线电压下，每个桥臂总的模块数仅为采用两电平子模块拓扑的一半；

本发明多电平变换器的五电平交叉连接子模块中交叉连接开关器件(S₂₅和S₂₆)的耐压是其它开关器件(S₂₁，S₂₂，S₂₃和S₂₄)的两倍；

变换器正常工作时，双极性子模块中的交叉连接开关器件(S₂₆)保持导通，单极性子模块和双极性子模块的控制相同；

当直流侧发生短路故障时，桥臂中的所有的子模块的开关器件闭锁，实现对直流侧故障电流的限制；

当需要对交流侧进行无功补偿实现故障穿越时，桥臂中的所有的单极性子模块被旁路，所有的双极性子模块被接入，双极性子模块中的开关器件根据控制要求进行动作；

本发明的效果是:

本发明依据不同类型子模块的外特性，通过不同类型子模块的组合，实现了直流侧短路的保护功能，采用多电平子模块减少了总的子模块个数和与子模块相关的元器件个数；正常运行时，两类子模块的控制类似，使整个系统的控制算法简单；子模块损耗低，系统效率高。

本发明能实现直流侧短路的保护功能，在直流侧发生短路故障时通过控制子模块中的开关器件，可以迅速的切断故障电流；可对交流侧进行无功补偿实现故障穿越，提高电网系统的稳定性；

本发明采用多电平子模块减少了总的子模块个数和与子模块相关的元器件个数；变换器正常运行时，两类子模块的控制类似，使整个系统的控制算法简单；子模块损耗低，效率高，因而使整个系统的效率得到提升。

附图说明

图1是已有的MMC的基本结构图；

图2是已有的MMC中两电平单极性子模块结构图；

图3是已有的MMC中两电平双极性子模块结构图；

图4是本发明的单极性子模块和双极性子模块混合式MMC主电路拓扑结构图；

图5是本发明的拓扑中所采用的单极性子模块结构图；

图6是本发明的拓扑中所采用的双极性子模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

本发明提出的一种具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器MMC，如图4所示，该模块化多电平变换器的每一相都分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由A_n个单极性子模块和B_m个双极性子模块串联得到，图中Cell A₁-Cell A_n为单极性子模块，Cell B₁-CellB_m为双极性子模块。桥臂中总的模块个数(A_n+B_m)由直流母线电压和所采用的开关器件的耐压值来确定，同时为保证直流侧发生故障时能够迅速的切断故障电流，双极性子模块的个数要大于等于单极性子模块的个数，即B_m≥A_n。上桥臂和下桥臂之间串接两个缓冲电感L_a防止桥臂在开关过程中发生桥臂直通，导致大的桥臂电流。若正母线P+和负母线N-之间的电压为V_dc，则每个子模块所需承受的电压为V_dc/(A_n+B_m)。MMC的每一相的两个缓冲电感L_a之间引出输出端接一滤波电感L_o，使输出的电流满足负载R_L对THD(Total HarmonicDistortion)的要求。

所述的单极性子模块采用三电平的双半桥子模块实施例结构，如图5所示。图5中，单极性子模块由4个开关器件S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄和两个电容C₁₁、C₁₂构成；其中，4个开关器件S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄依次串联，第一电容C₁₁与第一、第二开关器件S₁₁、S₁₂并联，第二电容C₁₂与第三、第四开关器件S₁₃、S₁₄并联；第一、第二开关器件S₁₁和S₁₂互补导通；第三、第四开关器件S₁₃和S₁₄互补导通；当第二和第三开关器件S₁₂和S₁₃导通时，该子模块被旁路。

所述的双极性子模块采用五电平交叉连接子模块，如图6所示。图6中，双极性子模块由6个开关器件S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄、S₂₅、S₂₆和两个电容C₂₁、C₂₂构成。其中第一与第二开关器件S₂₁与S₂₂串联，第三与第四开关器件S₂₃与S₂₄串联；第一电容C₂₁与第一、第二开关器件S₂₁、S₂₂并联，第二电容C₂₂与第三、第四开关器件S₂₃、S₂₄并联；第一与第二电容C₂₁与C₂₂之间通过第五和第六开关器件S₂₅和S₂₆交叉连接；第一和第二开关器件S₂₁和S₂₂互补导通，第三和第四开关器件S₂₃和S₂₄互补导通；正常工作时第五开关器件S₂₅保持常闭，第六开关器件S₂₆保持常通；当第二、第六、第三开关器件S₂₂、S₂₆、S₂₃导通时，该子模块被旁路；当第五开关器件S₂₅导通，第六开关器件S₂₆关闭时，该子模块输出负电平。所述的五电平交叉连接子模块中第一、第二、第三和第四开关器件S₂₁，S₂₂，S₂₃和S₂₄具有相同的电压等级；第五和第六开关器件S₂₅和S₂₆的电压等级是第一、第二、第三或第四开关器件的两倍。

本发明的效果：所述变换器桥臂中子模块可承受的电压为V_dc/(A_n+B_m)，为原有两电平子模块的两倍，若正母线P+和负母线N-之间的电压为V_dc相同时，每个桥臂总的模块数(A_n+B_m)仅为采用两电平子模块拓扑的一半，即(A_n+B_m)＝N/2；所述的五电平交叉连接子模块中，任意时刻电流只需流经三个开关器件，导通损耗低，效率高；变换器正常工作时，所述的五电平交叉连接子模块中的交叉连接开关器件(S₂₆)保持导通，单极性子模块和双极性子模块的控制相同；当直流侧发生短路故障时，桥臂中的所有的子模块的开关器件闭锁，实现对直流侧故障电流的限制；当需要对交流侧进行无功补偿实现故障穿越时，桥臂中的所有的单极性子模块被旁路，所有的双极性子模块被接入，双极性子模块中的开关器件根据控制要求进行动作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式而非对其限制，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 (4)

1.一种具有直流侧短路保护功能的模块化多电平变换器，该模块化多电平变换器的每一相都分为上桥臂和下桥臂两部分，每个桥臂由A_n个单极性子模块和B_m个双极性子模块串联得到，且B_m≥A_n；上桥臂和下桥臂之间串接两个缓冲电感，每一相的两个缓冲电感之间引出输出端接一滤波电感；其特征在于，所述的单极性子模块采用三电平的双半桥子模块；所述的双极性子模块采用五电平交叉连接子模块。

2.如权利要求1所述的多电平变换器，其特征在于，所述的单极性子模块由4个开关器件(S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄)和两个电容(C₁₁、C₁₂)构成；其中，4个开关器件(S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄)依次串联，第一电容(C₁₁)与第一、第二开关器件(S₁₁、S₁₂)并联，第二电容(C₁₂)与第三、第四开关器件(S₁₃、S₁₄)并联；第一和第二开关器件(S₁₁和S₁₂)互补导通；第三和第四开关器件(S₁₃和S₁₄)互补导通；当第二和第三开关器件(S₁₂和S₁₃)导通时，该单极性子模块被旁路。

3.如权利要求1所述的多电平变换器，其特征在于，所述的双极性子模块由6个开关器件(S₂₁、S₂₂、S₂₃、S₂₄、S₂₅、S₂₆)和两个电容(C₂₁、C₂₂)构成；其中第一与第二开关器件(S₂₁与S₂₂)串联，第三与第四开关器件(S₂₃与S₂₄)串联；第一电容(C₂₁)与第一、第二开关器件(S₂₁、S₂₂)并联，第二电容(C₂₂)与第三、第四开关器件(S₂₃、S₂₄)并联；第一与第二电容(C₂₁与C₂₂)之间通过第五和第六开关器件(S₂₅和S₂₆)交叉连接；第一和第二开关器件(S₂₁和S₂₂)互补导通，第三和第四开关器件(S₂₃和S₂₄)互补导通；正常工作时，第五开关器件(S₂₅)保持常闭，第六开关器件(S₂₆)保持常通；当第二、第六、第三开关器件(S₂₂、S₂₆、S₂₃)导通时，该双极性子模块被旁路；当第五开关器件(S₂₅)导通，第六开关器件(S₂₆)关闭时，该子模块输出负电平。

4.如权利要求3所述的多电平变换器，其特征在于，所述的双极性连接子模块中第一、第二、第三和第四开关器件(S₂₁，S₂₂，S₂₃和S₂₄)具有相同的电压等级；第五和第六开关器件(S₂₅和S₂₆)的电压等级是第一、第二、第三或第四开关器件的两倍。