一种模块化多电平电压源换流器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种模块化多电平电压源换流器，至少包含一个相单元，所述相单元包含第一桥臂、第二桥臂和输出电抗器，每个桥臂由数个子单元和一个换流电抗器串联构成；所述第一、第二桥臂串有换流电抗器的一端相连，相连点通过输出电抗器接入交流网络；第一桥臂的另外一端连接至直流母线的正端，第二桥臂的另外一端连接至直流母线的负端；所述的子单元包括一个开关回路和一个三电平换流器，两者串联。此种换流器在直流系统故障情况下，可以持续运行且不向故障端馈入故障电流，避免通过跳交流开关来清除直流故障。本发明还公开一种模块化多电平电压源换流器的控制方法。
【专利说明】一种模块化多电平电压源换流器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于柔性直流领域，特别涉及一种适用于两端及多端柔性直流输电的模块 化多电平电压源换流器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 柔性直流输电采用电压源换流器，可以独立调节有功和无功的传输、提高交流系 统的输电能力，易于构成多端直流输电系统，在可再生能源的发电并网、孤岛城市供电以及 交流系统互联等应用领域，具有明显的竞争力。
[0003] 目前柔性直流输电系统使用的较多的拓扑结构有：两电平、三电平拓扑结构和模 块化的多电平结构。两电平结构的电压源换流器每个桥臂均由多个全控型开关直接串联 而成，其控制采用SPWM调制方法，开关频率比较高，谐波含量大，开关器件的电压应力比较 大，开关管的均压问题很难解决；三电平换流器开关频率有所降低，当并未根本解决这些问 题;Marquardt Rainer的"分布式能源存储与转换器电路"最早提及了一种模块化多电平 换流器（MMC)(专利申请公布号：DE10103031A)，该换流器的子模块采用半桥与电容器并联 组成，在子模块的输出端口可通过控制产生电容电压或0电压两种电平。2010年，由西门子 公司承建的全世界第一个采用这种拓扑结构的柔性直流输电工程Trans Bay工程的成功投 运，证明了这种换流器拓扑结构的工程应用可行性。
[0004] 上述两类拓扑结构的电压源换流器，在直流侧故障时，交流侧会通过与开关回路 并联的二极管馈入很大的故障电流，该电流无法控制，只能通过跳开换流器的动作速度较 慢(约40? 6〇ms)的交流侧断路器切除，严重威胁换流器的安全性，需要额外增加保护电 路，对于多端的直流电网故障时必须跳所有换流器的交流侧开关来清除故障，基本不可行。
[0005] 为了克服以上两电平和三电平拓扑结构只能通过跳交流开关来清除直流故障的 缺陷，本案由此产生。
【发明内容】
[0006]本发明的目的，在于提供一种模块化多电平电压源换流器及其控制方法，其适用 于两端及多端直流输电系统，在直流系统故障情况下，换流器可以持续运行且不向故障端 馈入故障电流，避免通过跳交流开关来清除直流故障。
[0007] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0008] -种模块化多电平电压源换流器，包括至少一个相单元，所述每个相单元包括第 一桥臂、第二桥臂和输出电抗器；
[0009]第一桥臂包括数个第一子单元和一个第一换流电抗器，所述第一子单元依次同向 串联，前一个第一子单元的第二端连接后一个第一子单元的第一端，而第一个第一子单元 的第一端作为该相单元的第一直流端子，连接直流正母线，而最后一个第一子单元的第二 端连接第一换流电抗器的一端；
[0010]第二桥臂包括数个第二子单元和一个第二换流电抗器，所述第二子单元依次同向 串联，前一个第二子单元的第一端连接后一个第二子单元的第二端，而第一个第二子单元 的第二端作为该相单元的第二直流端子，连接直流负母线，而最后一个第二子单元的第一 端连接第二换流电抗器的一端；
[0011] 所述第一、二换流电抗器的另一端共同连接输出电抗器的一端，而所述输出电抗 器的另一端作为该相单元的交流端子，接入交流网络；
[0012] 所述第一、二子单兀均包括相互串联的一个开关回路和一个三电平换流器，所述 开关回路的自由端作为子单元的第一端，三电平换流器的自由端作为子单元的第二端。
[0013] 上述开关回路包括一个半控或全控型开关器件，或多个半控或全控型开关器件串 联、并联或混联，且前述开关器件均反并联有一个二极管。
[0014] 上述开关器件采用IGBT、IGCT、IGET、GT0或晶闸管。
[0015] 上述三电平换流器包括4个全控型开关器件和一个电容器，各开关器件均反并联 有二极管，具体的连接结构是：第一、二开关器件的正极与电容器的正极相连接，第一开关 器件的负极连接第三开关器件的正极，该连接点作为三电平换流器的一端连接开关回路， 第二开关器件的负极连接第四开关器件的正极，该连接点为三电平换流器的自由端；第三、 四开关器件的负极和电容器的负极相连接。
[0016] 上述全控型开关器件采用IGBT、IGCT、IGET或GT0。
[0017] 一种模块化多电平电压源换流器的控制方法，控制各子单元工作在5种工作状 态：（1)正电平输出状态：控制开关回路开通，控制第一、四开关器件开通，控制第二、三开 关器件关断，此时子单元输出正电平，且该电平的绝对值是该子单元中电容器两端的电压； (2)负电平输出状态：控制开关回路开通，控制第二、三开关器件开通，控制第一、四开关器 件关断，子单元输出负电平，且该电平绝对值为该子单元中电容器两端的电压；（3)零电平 输出状态：控制开关回路开通，并控制第一、二开关器件开通或第三、四开关器件开通，子单 元输出零电位；（4)正电平截止状态：控制第一、四开关器件开通，控制开关回路关断，控 制第二、三开关器件关断，子单元输出第一可变电压；（5)零电平截止状态：控制开关回路 关断，并控制第一、二开关器件开通或第三、四开关器件开通，子单元输出第二可变电压；其 中，第一、二可变电压均由换流器桥臂两端电压与桥臂子单元电容电压累加和之间的压差 决定。
[0018] 上述第一可变电压的最大允许值为Uc+UT5max，其中，Uc为该子单元中电容器两 端的电压，UT5max为开关回路及其反并联的二极管在正常运行中能承受的耐压。
[0019] 采用上述方案后，本发明具有以下特点：
[0020] (1)基于本发明可以构成多电平的换流器，通过子单元的输出电压叠加，换流器输 出的交流波形可以很好地逼近正弦波，谐波含量低；
[0021] (2)本发明子单元的最大承受电压Ux-般可以达到子单元电容电压的两倍以上， 使得在同样的输出电压情况下，基于本发明的换流器的单元数相对于既有的MMC结构的换 流器可以减少将近一半，可以大大降低换流器的成本和体积；
[0022] (3)本发明在换流器直流侧发生短路故障时，可以控制各个子模块的输出正向或 负向电压抵消桥臂两端的电压，消除故障电流，保护换流器的安全，同时可以大大降低切除 直流侧故障的直流断路器设备切断电流指标的要求；
[0023] (4)本发明可按子单元配置控制电路，子单元控制电路数目及用于子单元控制电 路与换流器阀组控制系统通信的光纤数目相对MMC等类型的多电平换流器大大减少。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明换流器中一个相单元的拓扑结构示意图；
[0025]图2是本发明换流器中子单元的拓扑结构示意图；
[0026]图3是本发明换流器控制方法的示意图。
【具体实施方式】
[0027]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0028]如图1所示，本发明提供一种模块化多电平电压源换流器，包括至少一个相单元， 所述每个相单元均具有三个端子：第一、二直流端子和交流端子，其中，第一、二直流端子分 别连接直流正、负母线，用以接入直流网络，而交流端子用以接入交流网络中。
[0029]如图1所示，所述相单元包括第一桥臂、第二桥臂和输出电抗器，每个桥臂由数个 子单元U1?Un和一个换流电抗器串联构成，且两个桥臂所包含的子单元数目可以相同，也 可以不同，本案中尽管限定换流电抗器设置为一个，但若具体实施中设置多个换流电抗器， 且其电抗总和与本案中设置一个换流电抗器的电抗相同，并起到相同的作用，也应包含于 本发明的保护范围之内；所述子单元具有第一端和第二端，在第一桥臂中，数个子单元同向 依次串联，第一个子单元的第一端作为该第一桥臂的一个端子(也即该相单元的第一直流 端子)，连接直流正母线，而最后一个子单元的第二端连接换流电抗器XI的一端；在第二桥 臂中，数个子单元同向依次串联，第一个子单元的第二端作为该第二桥臂的一个端子(也即 该相单元的第二直流端子)，连接直流负母线，而最后一个子单元的第一端连接换流电抗器 X2的一端，所述换流电抗器X1、X2的另一端短接，并共同连接至输出电抗器X的一端，所述 输出电抗器X的另一端作为所述相单元的交流端子，接入交流网络。
[0030] 如图2所示，是本发明中子单元的电路图，所述子单元包括相互串联的一个开关 回路T5和一个三电平换流器，所述开关回路的自由端作为子单元的第一端IN1，三电平换 流器的自由端作为子单元的第二端IN2。
[0031] 所述开关回路包括一个半控或全控型开关器件，或多个半控或全控型开关器件串 联、并联或混联，所述的混联是指电路中既包含串联连接，还包含并联连接；无论前述哪一 种情形，所述开关器件均反并联有一个二极管；所述开关器件可采用IGBT、IGCT、IGET、GT0 等全控型器件，或晶闸管等半控型器件。
[0032] 所述三电平换流器可采用全桥结构，包括4个全控型开关器件T1、T2、T3、T4和一 个电容器，各开关器件均反并联有二极管，具体的连接结构是：T1的正极、Τ2的正极与电容 器的正极相连接，T1的负极连接T3的正极，该连接点作为三电平换流器的一端连接开关回 路T5，T2的负极连接T4的正极，该连接点为三电平换流器的自由端；T3的负极、T4的负极 和电容器的负极相连接。所述开关器件可采用igbt、igct、iget、gto等全控型器件。
[0033] 本发明还提供一种模块化多电平电压源换流器的控制方法，控制各子单元工作在 5种工作状态：（1)正电平输出状态：控制ΤΙ、T4、T5开通，T2、T3关断，此时子单元输出正 电平Uc ; (2)负电平输出状态：控制T2、T3、T5开通，ΤΙ、T4关断，子单元输出负电平-Uc ; (3)零电平输出状态：控制T5开通，并控制ΤΙ、T2开通或T3、T4开通，子单元输出零电位； (4)正电平截止状态：控制ΤΙ、T4开通且T5关断，T2、T3关断，子单元输出电压为Ux ; (5) 零电平截止状态：控制T5关断，并控制T1、T2开通或Τ3、Τ4开通，子单元输出电压为Uy ;其 中，Uc为子单元中电容器两端的电压，Ux、Uy为可变电压，由换流器桥臂两端电压与桥臂子 单元电容电压累加和之间的压差决定，所述Ux的最大允许值为Uc+UT5max,其中，UT5max为 开关回路T5及其反并联的二极管在正常运行中能承受的耐压。
[0034] 在在直流侧系统发生故障时，可通过控制换流器桥臂中串联的子单元叠加产生的 电压大于或等于桥臂两端的电压，从而抑制故障电流。
[0035] 如图3所示，以"直流输入为±5kV，交流输出端目标电压+3kV"为例，说明基于本 发明的换流器的输出电压控制方法。假设每个子单元的电容电压为lkV，控制第一桥臂子单 元U1、U2处于正电平输出状态，U1、U2输出电压为lkV，U3、U4、U5处于零电平输出状态，输 出电压为OkV，则第一桥臂累积的输出电压为2kV ;控制第二桥臂的U1?U5处于正电平截 止状态，第二桥臂整个回路处于关断状态，则第二桥臂承受的电压为（10kV-2kV)=8kV，第二 桥臂的每个子单元承受的电压Ux=8kV/5=l. 6kV。通过上述控制方法可以使交流输出端的电 压为（5kV-上桥臂电压)=3kV。更一般地讲：通过控制子单元的状态，可以控制第一、二桥臂 的输出电压，从而拟合出输出的正弦波电压信号。通过控制一个桥臂的部分子单元处于负 电平输出状态，其它子单元处于零电平输出状态，控制另一个桥臂的子单元处于正电平截 止状态，可以使交流端输出电压超过直流母线的电压。表1示出了以第一桥臂的子单元为 例，通过控制各开关器件的开关状态，对子单元输出状态的影响。
[0036] 表 1
[0037]
【权利要求】
1. 一种模块化多电平电压源换流器，其特征在于：包括至少一个相单元，所述每个相 单兀包括第一桥臂、第二桥臂和输出电抗器； 第一桥臂包括数个第一子单元和一个第一换流电抗器，所述第一子单元依次同向串 联，前一个第一子单元的第二端连接后一个第一子单元的第一端，而第一个第一子单元的 第一端作为该相单元的第一直流端子，连接直流正母线，而最后一个第一子单元的第二端 连接第一换流电抗器的一端； 第二桥臂包括数个第二子单元和一个第二换流电抗器，所述第二子单元依次同向串 联，前一个第二子单元的第一端连接后一个第二子单元的第二端，而第一个第二子单元的 第二端作为该相单元的第二直流端子，连接直流负母线，而最后一个第二子单元的第一端 连接第二换流电抗器的一端； 所述第一、二换流电抗器的另一端共同连接输出电抗器的一端，而所述输出电抗器的 另一端作为该相单元的交流端子，接入交流网络； 所述第一、二子单元均包括相互串联的一个开关回路和一个三电平换流器，所述开关 回路的自由端作为子单元的第一端，三电平换流器的自由端作为子单元的第二端。
2. 如权利要求1所述的一种模块化多电平电压源换流器，其特征在于：所述三电平换 流器包括4个全控型开关器件和一个电容器，各开关器件均反并联有二极管，具体的连接 结构是：第一、二开关器件的正极与电容器的正极相连接，第一开关器件的负极连接第三开 关器件的正极，该连接点作为三电平换流器的一端连接开关回路，第二开关器件的负极连 接第四开关器件的正极，该连接点为三电平换流器的自由端；第三、四开关器件的负极和电 容器的负极相连接。
3. 如权利要求2所述的一种模块化多电平电压源换流器，其特征在于：所述全控型开 关器件采用IGBT、IGCT、IGET或GTO。
4. 如权利要求1或2所述的一种模块化多电平电压源换流器，其特征在于：所述开关 回路包括一个半控或全控型开关器件，或多个半控或全控型开关器件串联、并联或混联，且 前述开关器件均反并联有一个二极管。
5. 如权利要求4所述的一种模块化多电平电压源换流器，其特征在于：所述开关器件 采用 IGBT、IGCT、IGET、GTO 或晶闸管。
6. -种基于如权利要求2所述的模块化多电平电压源换流器的控制方法，其特征在于 控制各子单元工作在5种工作状态：（1)正电平输出状态：控制开关回路开通，控制第一、四 开关器件开通，控制第二、三开关器件关断，此时子单元输出正电平，且该电平的绝对值是 该子单元中电容器两端的电压；（2)负电平输出状态：控制开关回路开通，控制第二、三开 关器件开通，控制第一、四开关器件关断，子单元输出负电平，且该电平绝对值为该子单元 中电容器两端的电压；（ 3)零电平输出状态：控制开关回路开通，并控制第一、二开关器件 开通或第三、四开关器件开通，子单元输出零电位；（4)正电平截止状态：控制第一、四开关 器件开通，控制开关回路关断，控制第二、三开关器件关断，子单元输出第一可变电压；（5) 零电平截止状态：控制开关回路关断，并控制第一、二开关器件开通或第三、四开关器件开 通，子单元输出第二可变电压；其中，第一、二可变电压均由换流器桥臂两端电压与桥臂子 单元电容电压累加和之间的压差决定。
7. 如权利要求6所述的一种模块化多电平电压源换流器的控制方法，其特征在于：所 述第一可变电压的最大允许值为Uc+UT5max，其中，Uc为该子单元中电容器两端的电压， UT5max为开关回路及其反并联的二极管在正常运行中能承受的耐压。
【文档编号】H02M7/48GK104300814SQ201310302912
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】冯亚东, 汪涛, 陈勇, 田杰, 曹冬明, 潘磊, 汪楠楠 申请人:南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司