一种多电平电压源换流器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种多电平电压源换流器，包括至少一个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂和换流电抗器，所述上、下桥臂均包括顺序串联的至少两个子模块、一个开关回路和一个桥臂电抗器，同一桥臂中的所有子模块同向串联，上、下桥臂中与开关回路连接的子模块的极性相反；上、下桥臂中串有桥臂电抗器的一端相连，并经由换流电抗器接入交流网络，上、下桥臂的另一端分别作为该相单元的第一、二直流端点接入直流网络；开关回路包括数个相互串联的反向并联晶闸管对。此种换流器结构适用于柔性直流输电等应用，具有子模块数目少、成本低、损耗小，并能有效阻断直流侧故障时的故障电流等优点。本发明还公开一种针对前述多电平电压源换流器的控制方法。
【专利说明】一种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输电领域，特别涉及一种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的每个桥臂均由多个全控型IGBT开关直接串联而成，通过PWM调制方法输出正或负母线的电压两个电平，电平的占空比与正弦波的幅值成正比，其开关频率比较高，谐波含量大，开关器件的电压应力比较大，开关管的均压问题难以处理；三电平换流器开关频率有所降低，但并未根本解决前述问题；模块化多电平换流器(MMC)的桥臂采用多个半桥型子模块串联构成，每个子模块都相当于一个可控电压源，输出O或电容电压两个电平，多个子模块输出的电压叠加可以得到所需要输出的正弦波电压，相对于两电平结构每个开关器件的开关频率显著降低、谐波含量低。
[0004]上述三种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器件并联的二极管馈入很大的故障电流，该电流无法控制，只能通过跳开动作速度慢(40?60ms)的交流侧的断路器切除，严重威胁换流器的安全性，并因此需要增加额外的保护电路。对于多端的直流电网，采用这些拓扑的直流输电系统，在直流侧故障时必须跳开所有换流器的交流侧开关才能清除故障，对电网运行有严重影响。
[0005]电压源换流器目前主要采用IGBT作为开关器件，IGBT损耗较大、耐压低、成本高，一定程度上制约了电压源型直流输电的应用和发展。
【发明内容】
[0006]本发明的目的，在于提供一种多电平电压源换流器及其控制方法，其可适用于柔性直流输电等应用，具有子模块数目少、成本低、损耗小，并能有效阻断直流侧故障时的故障电流等优点。
[0007]为了达成上述目的，本发明的解决方案是:
[0008]一种多电平电压源换流器，包括至少一个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂和换流电抗器，所述上、下桥臂均包括顺序串联的至少两个子模块、一个开关回路和一个桥臂电抗器，在同一桥臂中的所有子模块同向串联，且上、下桥臂中与开关回路连接的子模块的极性相反；所述上、下桥臂中串有桥臂电抗器的一端相连，并经由换流电抗器接入交流网络，而上、下桥臂的另一端分别作为该相单元的第一、二直流端点接入直流网络；所述开关回路包括数个相互串联的反向并联晶闸管对。
[0009]上述子模块包括两个可控开关器件、两个二极管和一个储能元件，两个二极管与两个可控开关器件分别对应反向并联，第一可控开关器件的负极与第二可控开关器件的正极连接，且该连接点作为子模块的第一端点，所述第一可控开关器件的正极经由储能元件连接第二可控开关器件的负极，且该连接点作为子模块的第二端点。
[0010]一种针对如前所述的多电平电压源换流器的控制方法，控制换流器中的各子模块工作在3种状态:
[0011]状态1:第一可控开关器件开通，第二可控开关器件关断，该子模块的输出电压为储能元件的电压，子模块处于投入状态；
[0012]状态2:第一可控开关器件关断，第二可控开关器件开通，该子模块的输出电压为0，子模块处于退出状态；
[0013]状态3:第一、第二可控开关器件均关断，该子模块的输出电压由电流方向决定；所述子模块的输出电压是该子模块第一端点相对第二端点的电压。
[0014]通过控制处于状态I和状态2的子模块数目，实现控制桥臂输出的电压；控制处于状态I的子模块数量等于该桥臂输出电压除以子模块储能元件的平均电压。
[0015]上述开关回路根据换流器交流侧输出电压轮流导通，对于某一相的输出而言，当输出交流侧电压为正时，所述上桥臂的开关回路被触发导通，下桥臂的开关回路则处于截止状态；当输出交流侧电压为负时，下桥臂的开关回路被触发导通，上桥臂开关回路则处于截止状态。
[0016]当直流侧出现短路故障时，通过闭锁开关回路中反向晶闸管的触发信号，使反向电流过零后反向晶闸管恢复截止状态，从而切断直流侧故障电流。
[0017]采用上述方案后，本发明适用于两端及多端柔性直流输电系统，具有以下特点:
[0018](I)基于本拓扑的换流器，通过子模块输出电压叠加，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；
[0019](2)本发明换流器半桥结构的子模块部分只承受正负直流母线之间电压的一半，其余电压将由开关回路中的晶闸管承担，使得在同样的电压等级情况下，基于本发明的换流器的子模块数相对于既有的MMC结构的换流器可以减少将近一半，取而代之的是结构简单紧凑的开关回路，换流器的成本和体积可以分别降低30% ；
[0020](3)本发明采用“反向并联的晶闸管对”代替MMC换流器中的一部分子模块，由于晶闸管器件的耐压能力远高于全控的IGBT器件，因此开关回路的晶闸管数目可以大大减少，同时晶闸管的导通压降也低于全控的IGBT，因此采用本发明的换流器的导通损耗可以减少约30% ；
[0021](4)本发明在换流器直流侧发生短路故障时，可以通过控制开关回路的晶闸管阻断故障电流。直流侧故障电流持续时间不超过半个工频周期，处在开关器件的安全范围内，本发明的半桥子模块中可以不需要反向并联的保护晶闸管。直流侧故障电流自动阻断的特性还有利于降低对直流断路器的切断电流指标的要求。本发明满足了多端直流、架空直流线路运行的要求，避免了既有换流器在直流侧故障时必须跳开每一端的交流断路器才能切断故障电流的缺点，避免了交流断路器动作速度慢对换流器安全的威胁。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明换流器中一个相单元的拓扑结构示意图；[0023]图2是本发明换流器中子模块的结构示意图；
[0024]图3是本发明换流器中子模块的等效工作状态示意图；
[0025]其中，(a)、(b)、(C)分别表示3种工作状态；
[0026]图4是本发明换流器输出电压控制方法实施例；
[0027]图5是直流侧故障时，本发明抑制故障电流的示意图。
【具体实施方式】
[0028]以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
[0029]如图1所示，本发明提供一种多电平电压源换流器，包括至少一个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂和换流电抗器，所述上、下桥臂均包括顺序串联的至少两个子模块、一个开关回路和一个桥臂电抗器，在同一桥臂中的所有子模块同向串联，且上、下桥臂中与开关回路连接的子模块的极性相反；所述上、下桥臂中串有桥臂电抗器的一端相连，并经由换流电抗器接入交流网络，而上、下桥臂的另一端分别作为该相单元的第一、二直流端点接入直流网络。
[0030]如图2所示，是本发明中子模块的电路连接图，所述子模块包括两个可控开关器件、两个二极管和一个储能元件，两个二极管与两个可控开关器件分别对应反向并联，而第一可控开关器件Tl的负极与第二可控开关器件T2的正极连接，且该连接点作为子模块的第一端点INl，所述第一可控开关器件Tl的正极经由储能元件连接第二可控开关器件T2的负极，且该连接点作为子模块的第二端点IN2。第一、二端点的极性相反，需要说明的是，在具体接入电路组成相单元时，既可以在上桥臂中将子模块的第一端点与开关回路连接，也可以将第二端点与开关回路连接，而下桥臂中则是另一种端点与开关回路连接，只要使得上、下桥臂中与开关回路连接的子模块的端点不同即可。
[0031]所述开关回路包括数个相互串联的反向并联晶闸管对，可配合图1所示。
[0032]本发明还提供一种针对上述多电平电压源换流器的控制方法，对应于输出交流侧电压的正负，控制上、下桥臂开关回路中的晶闸管轮流导通；通过控制换流器中各子模块的工作状态，实现换流器输出多电平电压波形。
[0033]如图3所示，上述换流器中各子模块的控制方式是:控制该子模块工作在3种状态:状态I (可配合图3中的(a)):第一可控开关器件开通，第二可控开关器件关断，该子模块的输出电压为储能元件的电压；状态2 (可配合图3中的(b)):第一可控开关器件关断，第二可控开关器件开通，该子模块的输出电压为O ;状态3 (可配合图3中的(c)):第一、第二可控开关器件均关断，该子模块的输出电压由电流方向决定；所述子模块的输出电压是该子模块第一端点相对第二端点的电压。
[0034]本发明中的换流器通过桥臂的轮流导通和桥臂投入子模块的个数来控制输出的电压。当输出电压为正时，上桥臂导通，上桥臂处于投入状态的子模块个数=输出电压/子模块电容平均电压，上桥臂由多个“反向并联的晶闸管对”组成的开关回路处于导通状态，下桥臂开关回路处于截止状态；当输出电压为负时，下桥臂导通，下桥臂处于投入状态的子模块个数=_输出电压/子模块电容平均电压，下桥臂开关回路处于导通状态，上桥臂开关回路处于截止状态。
[0035]如图4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，控制上桥臂子模块SMl、SM2处于投入状态，输出电压共为2kV，SM3、SM4、SM5处于退出状态，输出电压则为OkV，上桥臂开关回路为导通状态，两端电压为OkV。同时，下桥臂的SMl?SM5处于投入状态，输出电压共为5kV，下桥臂的开关回路处于截止状态，则下桥臂开关回路承受的电压为IOkV-电压(上桥臂SMl?SM2)-电压(下桥臂SMl?SM5)=10kV_2kV_5kV=3kV。通过上述控制方法可以使交流输出端的电压=直流正母线电压-电压(上桥臂SMl?SM2)=3kV。通过上述类似的方法控制子模块及开关回路的状态，可以控制换流器输出端的电压，从而拟合出正弦波各点的电压信号。
[0036]进一步，当直流侧出现短路故障时，通过闭锁开关回路中反向晶闸管的触发信号，使反向电流过零后反向晶闸管恢复截止状态，从而切断直流侧故障电流。如图5所示，当换流器的交流端存在一个交流电压源，而直流侧发生直流母线接地故障时，如果开关回路中的晶闸管处于导通状态，这时就会产生如图5所示的故障电流，故障电流路径由曲线表示。故障电流将随着交流端电压正负的变化，交替从上下桥臂的交流端经过子模块中的二极管流向直流侧的接地端，从而产生很大的故障电流。及时检测直流侧故障，并将开关回路的触发信号置为低电平，当故障电流交替经过上下桥臂时，桥臂中的故障电流必然会过零，开关回路中的晶闸管将自然恢复截止状态，从而实现了换流器的直流侧故障电流阻断功能，且故障电流最多持续半个周波就可被阻断。
[0037]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【权利要求】
1.一种多电平电压源换流器，其特征在于:包括至少一个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂和换流电抗器，所述上、下桥臂均包括顺序串联的至少两个子模块、一个开关回路和一个桥臂电抗器，在同一桥臂中的所有子模块同向串联，且上、下桥臂中与开关回路连接的子模块的极性相反；所述上、下桥臂中串有桥臂电抗器的一端相连，并经由换流电抗器接入交流网络，而上、下桥臂的另一端分别作为该相单元的第一、二直流端点接入直流网络；所述开关回路包括数个相互串联的反向并联晶闸管对。
2.如权利要求1所述的一种多电平电压源换流器，其特征在于:所述子模块包括两个可控开关器件、两个二极管和一个储能元件，两个二极管与两个可控开关器件分别对应反向并联，第一可控开关器件的负极与第二可控开关器件的正极连接，且该连接点作为子模块的第一端点，所述第一可控开关器件的正极经由储能元件连接第二可控开关器件的负极，且该连接点作为子模块的第二端点。
3.一种针对如权利要求2所述的多电平电压源换流器的控制方法，其特征在于:控制换流器中的各子模块工作在3种状态: 状态1:第一可控开关器件开通，第二可控开关器件关断，该子模块的输出电压为储能元件的电压，子模块处于投入状态； 状态2:第一可控开关器件关断，第二可控开关器件开通，该子模块的输出电压为O，子模块处于退出状态； 状态3:第一、第二可控开关器件均关断，该子模块的输出电压由电流方向决定；所述子模块的输出电压是该子模块第一端点相对第二端点的电压。
4.如权利要求3所述的一种多电平电压源换流器的控制方法，其特征在于:通过控制处于状态I和状态2的子模块数目，实现控制桥臂输出的电压；控制处于状态I的子模块数量等于该桥臂输出电压除以子模块储能元件的平均电压。
5.如权利要求3所述的一种多电平电压源换流器的控制方法，其特征在于，所述开关回路根据换流器交流侧输出电压轮流导通，对于某一相的输出而言，当输出交流侧电压为正时，所述上桥臂的开关回路被触发导通，下桥臂的开关回路则处于截止状态；当输出交流侧电压为负时，下桥臂的开关回路被触发导通，上桥臂开关回路则处于截止状态。
6.如权利要求5所述的一种多电平电压源换流器的控制方法，其特征在于，当直流侧出现短路故障时，通过闭锁开关回路中反向晶闸管的触发信号，使反向电流过零后反向晶闸管恢复截止状态，从而切断直流侧故障电流。
【文档编号】H02M7/515GK103580521SQ201310576311
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】冯亚东, 汪涛, 张茂强, 李乐乐 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