专利名称：一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法
技术领域：
本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法。
背景技术：
模块化多电平换流器(MMC)已经成功地应用于大功率换流器中，主要是应用在高压直流(HVDC)输电领域。与传统两、三电平电压源换流器高压直流输电(VoltageSource Converter based HVDC, VSC-HVDC)相比而言,模块化多电平换流器高压直流输电(ModularMultilevel Converter based HVDC, MMC-HVDC)有诸多优点交流侧和直流侧能够进行完全控制，直流母线无需安装电容器，电力电子设备在故障后具有冗余运行能力，无需安装交流滤波器等等。由于MMC的独特优点，MMC-HVDC已成为未来HVDC领域的发展趋势。2010年，第一个商业化的MMC-HVDC工程“Trans Bay Cable Pro ject (TBC) ”在美国投运，其最高运行的直流电压为土 200kV、输送容量最大400MW。此外，世界各地有超过4个MMC-HVDC工程将在2013年投运。国内已建成投运的上海南汇柔性直流工程，以及即将启动建设的舟山多端柔性直流工程和大连柔性直流工程均以半桥型MMC (Half-Bridge MMC, HBMMC)为换流器拓扑，目前来说，几乎所有的MMC-HVDC工程都是采用半桥子模块(Half-BridgeSub-Module, HBSM)拓扑结构。当柔性直流输电系统发生双极直流短路故障时，HBMMC-HVDC以及两、三电平VSC-HVDC中绝缘栅双极晶体管(Insul ated Gate Bipolar Transistor, IGBT)反并联二极管的续流作用，使得交流系统在短路点发生三相短路，且无法依靠换流器自身切断短路电流，严重危害系统的安全运行。同时，由于高电压大容量直流断路器的制造工艺尚不成熟，现有多端柔性直流工程必须要求直流电缆具有极高的可靠性，即要求极低的直流故障发生概率，这在一定程度上限制了柔性直流向多端输电领域的发展和应用。为解决这一问题，HBMMC拓扑的创始人R. Marquardt教授又在其论文中介绍了具有穿越严重直流故障的全桥型MMC (Full-BridgeMMC, FBMMC)结构，每个全桥子模块(Full-Bridge Sub-module, FBSM)可以输出三种电平,其能够中断任何方向的桥臂电流，并能够改变MMC的直流母线电压极性，但是它需要双倍数量的半导体器件。由于FBMMC所需要的半导体器件要比HBMMC多一倍，这又严重制约了 FBMMC的工程应用，这也是目前的MMC-HVDC工程均采用半桥结构的原因
发明内容
本发明所要解决的技术问题是MMC能够用尽可能少的半导体器件实现较优的直流故障穿越能力，提出了一种改进的模块化多电平换流器的混合结构模型。一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤步骤I :对半桥换流器HBMMC的每个桥臂上的子模块进行分组，分为等数量的上下两组，每组分配等数量的子模块，并将上组的子模块全改为全桥子模块FBSM/半桥子模块HBSM结构，下组的子模块全为半桥子模块HBSM/全桥子模块FBSM结构；步骤2 :各桥臂的上下两组分别进行排序选通，并对采用全桥子模块FBSM结构的组采取轮换导通控制方法进行导通；步骤3 :在模块化多电平换流器MMC结构的每个桥臂电抗器上分别并联放电通路，该换流器MMC在闭锁时，使通路导通放电。所述放电通路包括双向导通的并联双向晶闸管和串联电阻。本发明的有益效果是，提出的模块化多电平换流器的混合结构模型，具有较强的直流故障穿越能力，同时不需要全桥型模块化多电平换流器FBMMC那么多的半导体器件，其在技术和成本上实现了较好的统一。
图I是本发明提供的通用的模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图；图2是本发明提供的半桥结构MMC的子模块拓扑结构以及其故障闭锁时的电流通路；其中，(a)是半桥结构MMC的子模块拓扑结构；(b)是半桥结构MMC的子模块故障闭锁时的电流通路；图3是本发明提供的全桥结构MMC的子模块拓扑结构以及其故障闭锁时的电流通路；其中，(a)是全桥结构MMC的子模块拓扑结构；(b)是全桥结构MMC的子模块故障闭锁时的电流通路；图4是本发明提供的混合模块化多电平换流器MMC结构模型的说明图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。图I是本发明提供的通用的模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图。图I中，A，B和C分别表示MMC换流器交流侧三相；SM1，SM2，…，SMn,表示MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第η个子模块；L表示桥臂电抗器;Udc表示MMC正负极直流母线间的电压差。图2是本发明提供的半桥结构MMC的子模块拓扑结构以及其故障闭锁时的电流通路。图2中，T1和T2分别表示半桥子模块中上下两个IGBT 和D2分别表示相应绝缘栅双极晶体管IGBT的反并联二极管；C0表示半桥子模块中电容器;Uc表示子模块电容电压；usm表不子模块端口输出电压。图3是本发明提供的全桥结构MMC的子模块拓扑结构以及其故障闭锁时的电流通路。图3中，T1, T2, T3和T4分别表示全桥子模块中四个绝缘栅双极晶体管IGBT，D1, D2, D3,D4分别表示相应绝缘栅双极晶体管IGBT的反并联二极管；(；表示全桥子模块中电容器；Uc表不子模块电容电压；usm表不子模块端口输出电压。图4是本发明提供的混合模块化多电平换流器MMC结构模型的说明图。图4中，HBSM表示半桥子模块，FBSM表示全桥子模块，Udc表示MMC正负极直流母线间的电压差。建立混合结构模型的具体步骤为
步骤I :混合模块化多电平换流器MMC桥臂子模块结构的改变如图I所示，模块化多电平换流器MMC的通用拓扑结构由三相六个桥臂组成，一般其子模块结构是半桥形式(如图2所示)，也就是HBMMC模型，其直流故障穿越能力较差。图3是全桥子模块拓扑(FBSM)以及其在故障闭锁时的电流通路图，很明显，其具有较为优秀的直流故障穿越能力，能有效的抑制直流故障电流，但其需用双倍的半导体器件，工程成本较高。为了实现尽可能少的半导体器件实现较优的直流故障穿越能力，对原有的HBMMC换流器的下桥臂(或上桥臂)中的子模块进行更换，对原有的HBMMC换流器的每个桥臂上的子模块进行分组，分为等数量的上下两组，每组分配等数量的子模块，但上组(或下组)的子模块全改为FBSM结构，下组(或上组)的子模块全为HBSM结构，如图4所示，从而可以实现技术和成本上的统一。步骤2 :各桥臂的上下两组分别进行排序选通，并且对全桥子模块FBSM结构的组加入轮换导通控制策略步骤I中，将半桥型模块化多电平换流器HBMMC的桥臂子模块进行了分组，构造了混合模块化多电平换流器MMC，那么其相应的控制器就要进行相应的改变，加入分组排序的控制策略，以使其子模块可以有效进行控制。同时，由于每个桥臂上都有一组子模块采用的是全桥子模块FBSM结构，如图3和4所示，全桥子模块FBSM的有4个IGBT，其要脉冲的触发要进行采取轮换导通的策略进行控制。由于FBSM有四个IGBT，I) T1与T4开通，输出电压为电容电压Uc ;2) T1与T2开通或T3与T4开通，输出电压为O ;3) T2与T3开通，输出电压为-Uc由于T1与T2开通或T3与T4开通，输出电压都为0，那么为了均衡开关，我们需要在输出O电位的时候进行轮换导通,这次输出O时导通T1与T2,下次的输出O的时候开通T3 与 τ4。步骤3 :桥臂电抗器并联放电通路混合结构模型具有直流故障的穿越能力，混合MMC在直流故障发生后换流器闭锁前，子模块迅速放电，直流电压随之降低；闭锁后，子模块停止放电，依然保留部分电量，随着桥臂电抗器储能的释放，子模块的电容会进行充电，为了防止电容电压发生过充，使电容电压超过电容所能承受的电压值，需要在六个桥臂电抗器上并联放电通路，如图4所示。即，在每个桥臂电抗器上并联双向导通的并联双向晶闸管和串联电阻的放电通路，当闭锁时，让该通路导通放电，避免电容发生过充。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，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。
权利要求
1.一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤 步骤I :对半桥换流器HBMMC的每个桥臂上的子模块进行分组，分为等数量的上下两组，每组分配等数量的子模块，并将上组的子模块全改为全桥子模块FBSM结构/半桥子模块HBSM，下组的子模块全为半桥子模块HBSM/全桥子模块FBSM结构； 步骤2 :各桥臂的上下两组分别进行排序选通，并对采用全桥子模块FBSM结构的组采取轮换导通控制方法进行导通； 步骤3:在模块化多电平换流器MMC结构的每个桥臂电抗器上分别并联放电通路，当换流器MMC闭锁时，使通路导通放电。
2.根据权利要求I所述的一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法，其特征在于，所述放电通路包括双向导通的并联双向晶闸管和串联电阻。
全文摘要
本发明公开了输配电技术领域的一种建立模块化多电平换流器的混合结构模型的方法。其技术方案是，首先，对半桥换流器HBMMC的每个桥臂上的子模块进行分组，并将上组的子模块全改为全桥子模块FBSM结构，下组的子模块全为半桥子模块HBSM结构；其次，各桥臂的上下两组分别进行排序选通，并对全桥子模块FBSM结构的组采取轮换导通控制方法进行导通；最后，在模块化多电平换流器MMC结构上的六个桥臂电抗器上分别并联放电通路。本发明的有益效果是，提出的模块化多电平换流器的混合结构模型，具有较强的直流故障穿越能力，同时不需要全桥型模块化多电平换流器FBMMC那么多的半导体器件，其在技术和成本上实现了较好的统一。
文档编号H02M7/49GK102931863SQ201210451918
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者赵成勇, 刘兴华, 王朝亮, 彭茂兰, 刘济豪, 郭春义 申请人:华北电力大学