专利名称：一种具有处理直流故障功能的多电平换流器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统换流技术领域，具体涉及一种具有处理直流故障功能的多电平换流器。
背景技术：
目前应用在轻型高压直流输电、动态无功补偿等中高压大功率场合的电压源换流器拓扑结构主要分为两大类一类是以两电平换流器为代表的第一代电压源换流器；另一类是以模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)为代表的新一代电压源换流器。前者桥臂通常由大量的半导体器件串并联而成，目前已在多个实际工程成功运行，技术日趋成熟，但存在器件开关频率高、损耗大、动态均压难、谐波较大、容量难以提升等缺点；后者桥臂由多个半桥结构的子模块串联而成，具有扩展性好、输出电压波形质量高、开关频率低、损耗小、器件一致触发性要求低等优点，近年来发展迅速。然而上述的两种拓扑结构都不具备直流闭锁能力，当直流侧发生短路故障时，全控型开关器件所并联的二极管将构成不控整流通路，造成过电压过电流。目前，通常以断开交流断路器作为处理直流故障的惯用手段，但这样的操作手段存在两个主要问题一是开断交流断路器属于机械动作，响应速度慢，从故障发生到清除这期间，开关器件仍存在承受过电压过电流危险，故要求开关器件不得不选用额定值偏大的元件或串并联多个开关器件，增加相应的成本，增大了换流器的体积和重量；二是如果频繁开断交流断路器将大大缩短其寿命，同时需要配置成本昂贵故障率低的电缆作为直流线路。
发明内容
本发明提供了一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，能够自限制清除直流故障电流，且子模块数量少，减小了换流器的体积和重量。一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式整流电路；所述的三相桥式整流电路的每个桥臂从电网接入端至直流耦合端依次由桥臂导通开关、电抗器和模块化多电平单元串联构成；所述的三相桥式整流电路的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元。所述的模块化多电平单元由若干个全桥子模块串联构成；所述的全桥子模块由四个IGBT和一个电容构成，其中第一 IGBT的发射极与第三IGBT的集电极相连并构成所述的全桥子模块的一端，第一 IGBT的集电极与第二 IGBT的集电极和第一电容的一端相连，第二 IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连并构成所述的全桥子模块的另一端，第四IGBT 的发射极与第三IGBT的发射极和第一电容的另一端相连。所述的直流故障处理单元为非模块化直流故障处理单元或模块化直流故障处理单元所述的非模块化直流故障处理单元由两个直流导通开关和一个电容构成，其中 第一直流导通开关的一端与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与第二直流导通开关的一端相连并构成所述的非模块化直流故障处理单元的负极，第二直流导通开关的另一端与第一直流导通开关的另一端相连并构成所述的非模块化直流故障处理单元的正极。所述的模块化直流故障处理单元包括η个半桥子模块，其由第一半桥子模块至第 η半桥子模块依次串联而成，其中第一半桥子模块的正极为所述的模块化直流故障处理单元的正极，第η半桥子模块的负极为所述的模块化直流故障处理单元的负极，η为大于等于1的自然数；所述的半桥子模块由两个IGBT和一个电容构成，其中第五IGBT的集电极与第三电容的一端相连，第三电容的另一端与第六IGBT的发射极相连并构成所述的半桥子模块的负极，第六IGBT的集电极与第五IGBT的发射极相连并构成所述的半桥子模块的正极。所述的桥臂导通开关或直流导通开关由若干个IGBT串联构成。本发明的工作原理为稳态运行情况下旁通直流故障处理单元，利用桥臂导通开关循环交替导通或关断各个桥臂，通过投入或切除模块化多电平单元中的级联子模块，使交流电压波形逼近所期望的正弦参考波，从而完成能量的稳定传输。当直流侧发生故障时， 闭锁桥臂导通开关中的全控型开关器件，将各桥臂模块化多电平单元内的子模块负投入且同时开通直流故障单元使得串联二极管阳极电势低于阴极电势，利用其反向阻断能力达到限制并清除直流故障电流的目的，类似于传统直流通过增大触发角将整流状态变为逆变状态以完成闭锁熄弧的过程。本发明的多电平换流器采用全桥子模块级联而成的模块化多电平单元，使得系统开关频率低、器件损耗小、谐波小；并在直流公共母线上设置直流故障处理单元，利用半桥形式减少器件数量；当直流侧发生短路故障，通过桥臂导通开关、模块化多电平单元和直流故障处理单元协调配合能够自限制清除直流故障电流，故无需配置大额定值的开关器件或串并联多个开关器件，大大降低了相应的成本，减小了系统的体积和重量，可广泛应用于新能源并网，城市配电、孤岛送电、远距离大容量送电等多个场合。
图1为本发明多电平换流器的结构示意图。图2为本发明中桥臂导通开关结构示意图。图3为本发明中模块化多电平单元结构示意图。图4为本发明中模块化直流故障处理单元的结构示意图。图5为本发明桥臂导通开关导通和关断触发脉冲示意图。图6为本发明直流双极短路故障闭锁原理示意图。图7 (a)为本发明在0. 6s 0. 7s稳态运行期间a相电压参考波示意图。图7 (b)为本发明在0. 6s 0. 7s稳态运行期间a相上桥臂导通开关Sl导通和关断触发脉冲波示意图。图7 (C)为本发明在0.6s~0. 7s稳态运行期间a相下桥臂导通开关S2导通和关出阶梯正弦波形示意图。 断触发脉冲波示意图。图7(d)为本发明在0.6s~ 0. 7s稳态运行期间a相上桥臂模块化多电平单元输图7(e)为本发明在0.6s~0. 7s稳态运行期间a相下桥臂模块化多电平单元输出阶梯正弦波形示意图。图8 (a)为本发明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s发生直流双极短路故障)运行期间，a相上桥臂模块化多电平单元模块电容电压波形示意图。图8 (b)为本发明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s发生直流双极短路故障)运行期间，系统公共耦合点三相电压波形示意图。图8 (c)为本发明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s发生直流双极短路故障)运行期间，系统公共耦合点三相电流波形示意图。图8 (d)为本发明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s发生直流双极短路故障)运行期间，系统注入换流器有功功率和无功功率波形示意图。图9为本发明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s发生直流双极短路故障)运行期间，换流器直流侧电流波形示意图。
具体实施例方式为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式
对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。如图1所示，一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式整流电路；三相桥式整流电路的每个桥臂5从电网接入端至直流耦合端依次由桥臂导通开关1、电抗器2和模块化多电平单元3串联构成；三相桥式整流电路的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元4。如图2所示，桥臂导通开关1由八个IGBT串联构成。如图3所示，模块化多电平单元3由十个全桥子模块串联构成；全桥子模块F_SM 由四个IGBT和一个电容构成，其中第一 IGBT T1的发射极与第三IGBT 1~3的集电极相连并构成全桥子模块？_511的一端，第一 IGBT T1的集电极与第二 IGBT T2的集电极和第一电容 C1的一端相连，第二 IGBT T2的发射极与第四IGBT T4的集电极相连并构成全桥子模块F_ SM的另一端，第四IGBT T4的发射极与第三IGBT T3的发射极和第一电容C1的另一端相连。如图4所示，直流故障处理单元4为模块化直流故障处理单元；模块化直流故障处理单元包括三个半桥子模块，其由第一半桥子模块11_5111至第三半桥子模块!1_5113依次串联而成，其中第一半桥子模块ISM1的正极为模块化直流故障处理单元的正极，第三半桥子模块H_SM3的负极为模块化直流故障处理单元的负极；半桥子模块H_SM由两个IGBT和一个电容构成，其中第五IGBTT5的集电极与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第六IGBT T6的发射极相连并构成半桥子模块H_SM的负极，第六IGBT T6的集电极与第五IGBT T5的发射极相连并构成半桥子模块H_SM的正极。第三电容C3的电压极性与直流侧电压极性相反，直流故障处理单元4正常运行时处于旁通状态，直流故障期间产生负电平以限制故障电流。本实施方式的多电平换流器稳态运行时，需要桥臂导通开关、模块化多电平单元和直流故障处理单元相互协调来完成能量的平稳传输，其中桥臂导通开关交替导通和开断相关桥臂，模块化多电平单元通过特定的调制方式形成阶梯正弦波，直流故障处理单元旁通。为满足系统稳态运行的要求，交流系统相电压幅值Um与直流电压ud。的最优关系满足如下
权利要求
1.一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式整流电路，其特征在于所述的三相桥式整流电路的每个桥臂从电网接入端至直流耦合端依次由桥臂导通开关、电抗器和模块化多电平单元串联构成；所述的三相桥式整流电路的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元。
2.根据权利要求1所述的具有处理直流故障功能的多电平换流器，其特征在于 所述的模块化多电平单元由若干个全桥子模块串联构成；所述的全桥子模块由四个IGBT和一个电容构成，其中第一 IGBT的发射极与第三IGBT的集电极相连并构成所述的全桥子模块的一端，第一 IGBT的集电极与第二 IGBT的集电极和第一电容的一端相连，第二 IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连并构成所述的全桥子模块的另一端，第四IGBT的发射极与第三IGBT的发射极和第一电容的另一端相连。
3.根据权利要求1所述的具有处理直流故障功能的多电平换流器，其特征在于所述的直流故障处理单元为非模块化直流故障处理单元或模块化直流故障处理单元；所述的非模块化直流故障处理单元由两个直流导通开关和一个电容构成，其中第一直流导通开关的一端与第二电容的一端相连，第二电容的另一端与第二直流导通开关的一端相连并构成所述的非模块化直流故障处理单元的负极，第二直流导通开关的另一端与第一直流导通开关的另一端相连并构成所述的非模块化直流故障处理单元的正极；所述的模块化直流故障处理单元包括η个半桥子模块，其由第一半桥子模块至第η半桥子模块依次串联而成，其中第一半桥子模块的正极为所述的模块化直流故障处理单元的正极，第η半桥子模块的负极为所述的模块化直流故障处理单元的负极，η为大于等于1 的自然数；所述的半桥子模块由两个IGBT和一个电容构成，其中第五IGBT的集电极与第三电容的一端相连，第三电容的另一端与第六IGBT的发射极相连并构成所述的半桥子模块的负极，第六IGBT的集电极与第五IGBT的发射极相连并构成所述的半桥子模块的正极。
4.根据权利要求1或3所述的具有处理直流故障功能的多电平换流器，其特征在于 所述的桥臂导通开关或直流导通开关由若干个IGBT串联构成。
全文摘要
本发明公开了一种具有处理直流故障功能的多电平换流器，包括三相桥式整流电路；三相桥式整流电路的每个桥臂从电网接入端至直流耦合端依次由桥臂导通开关、电抗器和模块化多电平单元串联构成；三相桥式整流电路的两条公共直流母线上均串有直流故障处理单元。本发明的多电平换流器采用全桥子模块级联而成的模块化多电平单元，并在直流侧设置直流故障处理单元，使得系统开关频率低、器件损耗小、谐波小；当直流侧发生短路故障，系统能够自限制清除直流故障电流，故无需配置大额定值的开关器件或串并联多个开关器件，大大降低了相应的成本，减小了系统的体积和重量，可广泛应用于新能源并网，城市配电、孤岛送电、远距离大容量送电等多个场合。
文档编号H02M7/219GK102281014SQ201110251630
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月29日 优先权日2011年8月29日
发明者徐政, 薛英林 申请人:浙江大学