电容嵌位子模块、应用其的模块化多电平换流器及工作方法与流程

本发明属于电力系统直流输电技术领域，涉及一种电容嵌位子模块、应用其的模块化多电平换流器及工作方法。

背景技术：

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,mmc)采用子模块级联结构，具有开关频率较低、损耗较小、波形质量高等优点。传统的半桥子模块(half-bridgesub-module,hbsm)结构造价低、技术成熟，我国已投运的柔性直流输电工程几乎都采用基于半桥子模块的mmc结构。直流线路发生短路故障时，由于子模块电容放电以及交流系统馈能效应，故障电流会迅速增大，威胁换流器等设备的安全，因此必须立即切断故障电流。但由于半桥子模块中的二极管能形成交流侧与故障点之间的电流通路，所以它不具备切除故障电流的能力。

目前，处理mmc直流故障的方法中，跳开交流断路器虽然技术成熟，但存在响应速度慢、故障恢复时间长等缺点；高压直流断路器面临着开断电压等级不够高，容量不够大等技术问题，尚未在实际工程中应用；而通过改进子模块拓扑结构，控制子模块内部电力电子器件的通断来阻断故障电流，无需机械开关动作、系统恢复速度快，具有较大的研究价值和应用前景。

全桥子模块、箝位双子模块都具有直流故障阻断能力。全桥子模块的器件数目为半桥子模块的两倍，运行损耗较高。箝位双子模块中用于连接两个半桥结构的一对igbt反并联二极管在正常运行时需要一直处于导通状态，其通流能力、运行损耗、器件结温等参数均高于其它半导体器件。因此，需要研究综合性能更优的子模块结构。

技术实现要素：

针对现有技术中子模块存在元器件损耗大、需要持续导通等问题，本发明提出了一种电容嵌位子模块、应用其的模块化多电平换流器及工作方法；其电容嵌位子模块中的功率器件在子模块处于投入和切除状态时能够均衡导通；采用其作为子模块的模块化多电平换流器具有直流故障电流阻断能力。

本发明采用以下技术方案：一种电容嵌位子模块，其包括第一至第三晶体管t1～t3、电容器c及第一至第三二极管d1～d3；电容器c的正极端与第一晶体管t1的集电极相连，并在二者连接处引出子模块高压输出端m；电容器c的负极端与第二晶体管t2的发射极相连；第三晶体管t3的集电极与第二晶体管t2的集电极相连，并在二者连接处引出子模块低压输出端n；第三晶体管t3的发射极与第一晶体管t1的发射极相连；第一二极管d1阳极与第一晶体管t1的发射极连接；第一二极管d1阴极与第一晶体管t1的集电极连接；第二二极管d2阳极与第二晶体管t2的发射极连接；第二二极管d2阴极与第二晶体管t2的集电极连接；第三二极管d3阳极与第三晶体管t3的发射极连接；第三二极管d3阴极与第三晶体管t3的集电极连接。

在本发明一实施例中，第一至第三晶体管t1～t3均为绝缘栅双极型晶体管。

本发明还提供一种应用上述的电容嵌位子模块的模块化多电平换流器，包括a、b、c三相；每相含有上、下两桥臂；每桥臂由n个电容嵌位子模块级联而成，每桥臂串联一个桥臂电抗器；n为不小于1的自然数。

本发明还提供一电容嵌位子模块的工作方法，其包括投入、切除两种运行状态；投入状态为：第二晶体管t2开通，第一晶体管t1、第三晶体管t3关断，输出电平为+uc；当输入电流imn>0时，电流通路为：m→电容器c→第二二极管d2→n，电容充电；imn<0时，电流通路为：n→第二晶体管t2→电容器c→m，电容放电；切除状态为：第二晶体管t2关断，第一晶体管t1、第三晶体管t3开通，输出电平为0；输入电流imn>0时，电流通路为：m→第一晶体管t1→第三二极管d3→n，电容被旁路；当输入电流imn<0时，电流通路为：n→第三晶体管t3→第一二极管d1→m，电容被旁路。

在本发明一实施例中，还包括闭锁运行状态：当发生直流短路故障后，闭锁所有晶体管。

在本发明一实施例中，将电容嵌位子模块应用于模块化多电平换流器，模块化多电平换流器包括a、b、c三相；每相含有上、下两桥臂；每桥臂由n个电容嵌位子模块级联而成，每桥臂串联一个桥臂电抗器；n为不小于1的自然数；当模块化多电平换流器发生故障时，故障电流续流方向与二极管正方向相反，回路呈现高阻状态，电容嵌位子模块处于闭锁运行状态。

在本发明一实施例中，当模块化多电平换流器发生双极短路故障时，闭锁换流器中所有晶体管，由交流电源、桥臂电抗器、子模块电容、二极管组成的馈能通路。

进一步的，电容嵌位子模块闭锁包括以下工作流程：1)、晶体管闭锁后电容嵌位子模块电容c电压为uc’，交流线电压为uab，第二二极管d2两端正向压降为ud2；忽略桥臂电抗器压降，线路电阻、电抗压降以及故障点残压，由基尔霍夫电压定律得：

2)、故障发生前，换流器交直流侧满足如下动态关系：

其中，ul-l为交流线电压，uk_peak为交流相电压峰值，ω为基波工频对应的角速度，uc为故障前的电容电压，m为调制比；

3)、故障发生后，晶体管闭锁前，电容通过晶体管进行放电，但由于放电时间非常短暂，电容电压在闭锁前后近似不变，即uc’≈uc由(1)(2)(3)式可得：

系统调制比m<1，因此有：

由(5)式知，在发生直流双极短路故障后迅速将晶体管闭锁，故障电流回路中的子模块电容电压串联总和将大于交流线电压的最大值，回路中串联的第二二极管d2承受反向电压，因此实际上不存在故障电流通路，即阻断了交流侧向故障点的能量馈入。

较佳的，第一至第三晶体管t1～t3均为绝缘栅双极型晶体管。

与现有技术相比，本发明的电容嵌位子模块相较于全桥子模块减少了25％的电力电子器件，经济性更好；子模块内部的三个绝缘栅双极型晶体管在子模块处于投入、切除状态时的导通时间相同，无需采用特殊通流能力的器件，降低了投资成本；采用电容嵌位子模块的模块化多电平换流器能够迅速阻断直流故障电流。

附图说明

图1为本发明的电容嵌位子模块结构图。

图2为采用本发明电容嵌位子模块结构作为子模块的模块化多电平换流器的拓扑结构图。

图3为直流侧双极短路故障下模块化多电平换流器的故障电流阻断原理图。

图4为采用本发明的电容嵌位子模块结构作为子模块的模块化多电平换流器中igbt闭锁后柔性直流输电系统桥臂电抗续流等效电路图。

图5为直流侧双极短路故障直流电流波形图.

图6为三种柔性直流输电系统直流侧双极短路故障直流电流波形对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

图1为本发明提供的电容嵌位子模块，其包括第一至第三晶体管t1～t3、电容器c及第一至第三二极管d1～d3；电容器c的正极端与第一晶体管t1的集电极相连，并在二者连接处引出子模块高压输出端m；电容器c的负极端与第二晶体管t2的发射极相连；第三晶体管t3的集电极与第二晶体管t2的集电极相连，并在二者连接处引出子模块低压输出端n；第三晶体管t3的发射极与第一晶体管t1的发射极相连；第一二极管d1阳极与第一晶体管t1的发射极连接；第一二极管d1阴极与第一晶体管t1的集电极连接；第二二极管d2阳极与第二晶体管t2的发射极连接；第二二极管d2阴极与第二晶体管t2的集电极连接；第三二极管d3阳极与第三晶体管t3的发射极连接；第三二极管d3阴极与第三晶体管t3的集电极连接。

较佳的，第一至第三晶体管t1～t3均为绝缘栅双极型晶体管。

本发明还提供一种应用上述的电容嵌位子模块的模块化多电平换流器，包括a、b、c三相；每相含有上、下两桥臂；每桥臂由n个电容嵌位子模块级联而成，每桥臂串联一个桥臂电抗器；n为不小于1的自然数。主要电路拓扑图参见图2。

本发明还提供一电容嵌位子模块的工作方法，子模块正常工作时有投入和切除两种运行状态。当t2开通，t1、t3关断时，子模块处于投入状态，输出电平为+uc；当t2关断，t1、t3开通时，子模块处于切除状态，输出电平为0。当子模块处于投入状态，imn>0时，电流通路为：m→c→d2→n，电容充电；imn<0时，电流通路为：n→t2→c→m，电容放电。当子模块处于切除状态，imn>0时，电流通路为：m→t1→d3→n，电容被旁路；imn<0时，电流通路为：n→t3→d1→m，电容被旁路。

在本发明一实施例中，还包括闭锁运行状态：当发生直流短路故障后，闭锁所有晶体管。

将电容嵌位子模块应用于模块化多电平换流器，模块化多电平换流器包括a、b、c三相；每相含有上、下两桥臂；每桥臂由n个电容嵌位子模块级联而成，每桥臂串联一个桥臂电抗器；n为不小于1的自然数；当模块化多电平换流器发生故障时，故障电流续流方向与二极管正方向相反，回路呈现高阻状态，电容嵌位子模块处于闭锁运行状态。

在发生直流短路故障后，闭锁换流器中所有绝缘栅双极型晶体管(igbt)，利用电容电压与交流线电压的差值对串联二极管形成反向电压来阻断交流侧与故障点之间的馈能通路。以双极短路故障为例进行分析。发生双极短路故障时，闭锁换流器中所有igbt，但仍然存在由交流电源、桥臂电抗器、子模块电容、二极管组成的馈能通路。以a、b相为例，可能形成的交流侧向故障点馈能的通路如图3所示。

a相交流电流大于零时，由图3(a)可知，故障电流流经a相下桥臂电抗lna、子模块电容c、二极管d2、故障点，b相上桥臂二极管d2、子模块电容、桥臂电抗lpb。设igbt闭锁后子模块电容电压为uc’，交流线电压为uab，二极管d2两端正向压降为ud2。忽略桥臂电抗器压降，线路电阻、电抗压降以及故障点残压，由基尔霍夫电压定律可得：

故障发生前，模块化多电平(mmc)换流器交直流侧满足如下动态关系：

其中，ul-l为交流线电压，uk_peak为交流相电压峰值，ω为基波工频对应的角速度，uc为故障前的电容电压，m为调制比。故障发生后，igbt闭锁前，电容会通过igbt进行放电，但由于放电时间非常短暂，认为电容电压在闭锁前后近似不变，即uc’≈uc由(1)(2)(3)式可得：

在通常情况下，系统调制比m<1，因此有：

由(5)式可知，在发生直流双极短路故障后迅速将igbt闭锁，故障电流回路中的子模块电容电压串联总和将大于交流线电压的最大值，回路中串联的二极管d2承受反向电压，因此实际上不存在故障电流通路，即阻断了交流侧向故障点的能量馈入。a相交流电流小于零时故障电流回路如图3(b)所示，其分析与电流大于零时类似。

采用本发明提供的电容嵌位子模块结构作为子模块的模块化多电平换流器中igbt闭锁后柔性直流输电系统桥电抗续流的等效电路如图4所示。故障电流续流方向与二极管正方向相反，回路呈现高阻状态，故障电流的续流通路被阻断。采用全桥子模块和箝位双子模块的mmc在igbt闭锁后，其柔性直流系统的等效电路中存在桥臂电抗器向电容器充电的续流回路，因此故障电流衰减至零的时间比采用电容嵌位子模块的mmc长，因此电容嵌位子模块阻断直流故障电流的能力更强。

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例：

某采用本发明提供的电容嵌位子模块的模块化多电平换流器柔性直流输电系统的主要系统参数如表1所示。在pscad/emtdc仿真软件中搭建了相应的柔性直流输电系统模型。

表1柔性直流输电系统主要参数

为验证采用本发明作为子模块的模块化多电平换流器具有阻断直流故障电流的能力，设置上述柔性直流系统首先运行在正常状态，接着在2.5s时刻发生直流侧瞬时性正负极短路故障。考虑故障检测系统的时间延迟，设置模块化多电平换流器中所有子模块的igbt在故障发生2ms后全部闭锁，柔性直流输电直流侧电流仿真波形如图5所示。从图5可知，故障发生瞬间，直流故障电流迅速上升至较大值(约为5.8ka)；2ms后igbt闭锁，此时直流故障电流立即降为零，说明采用本发明作为子模块的模块化多电平换流器能有效阻断直流故障电流。

为对比采用本发明作为子模块的模块化多电平换流器较采用全桥子模块、箝位双子模块结构作为子模块的模块化多电平换流器具有更强的故障阻断能力，在pscad/emtdc仿真软件中分别搭建了采用全桥子模块、箝位双子模块结构作为子模块的模块化多电平换流器柔性直流输电系统，系统参数均采用表1中参数。对采用全桥子模块、箝位双子模块结构作为子模块的模块化多电平换流器柔性直流输电系统设置与采用本发明作为子模块的模块化多电平换流器的柔性直流输电系统相同的故障，并在相同的延时后令子模块中的igbt闭锁。三种柔性直流输电系统对应的直流故障电流波形对比如图6所示。从图6可以看出，采用电容嵌位子模块的柔性直流输电系统的直流故障电流最先降为零，其次是采用全桥子模块的柔性直流输电系统，最后是采用箝位双子模块的柔性直流输电系统，说明采用本发明作为子模块的模块化多电平换流器较采用全桥子模块、箝位双子模块的模块化多电平换流器对直流故障电流的阻断能力更强。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。