一种提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块的制作方法

本实用新型涉及高电压柔性直流输电中模块化多电平换流器(MMC)及其控制保护领域，具体涉及一种提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块。

背景技术：

我国已建成的柔性直流输电工程如南汇、舟山等工程均采用“对称单极”换流阀结构，其缺点是双极换流器没有解耦，导致一极故障，另一极也无法正常运行。“双极”换流阀结构实现了两极独立运行，并且在单极故障时，非故障极可以转带故障极功率，较大提高了运行可靠性。厦门柔性直流工程为我国投运的第一个双极柔直工程。

随着我国MMC-HVDC工程不断向高电压等级、大容量发展，在双极柔直工程中，若发生换流阀单极闭锁故障，在某些情况下，故障极的大功率将瞬时涌入非故障极，造成非故障极的功率不平衡并导致暂态过电压。若过电压超过换流阀的承受能力，会导致非故障极闭锁。这就无法发挥“双极”换流阀相比于“对称单极”换流阀的技术优势。因此，提高换流阀暂态过电压耐受能力，对提升双极换流器的运行可靠性具有重要意义。

虽然通过优化柔直交流侧系统接入方案或优化柔直系统的控制策略，也可以提高换流阀的暂态过电压耐受能力，但提高换流阀子模块器件本身的过电压耐受能力，对从本质上提升柔性直流工程的可靠性水平尤为重要。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块，用于提高柔性直流输电在暂态过电压情况下的运行可靠性。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块，其特征在于：其包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一至第三支路并联；所述第一支路由第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管构成，所述第二支路由第一电容构成，所述第三支路由第三二极管、第三开关管、第四开关管、第二电容和电阻构成。

所述第一支路中所述第一开关管和第二开关管串联连接，即所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极连接；所述第一二极管的阳极和阴极分别与所述第一开关管的发射极和集电极连接；所述第二二极管的阳极和阴极分别与所述第二开关管的发射极和集电极连接；所述第二开关管的发射极和集电极作为子模块的输出端。

所述第二支路中所述第一电容的正极和负极分别与所述第一支路中所述第一开关管的集电极和所述第二开关管的发射极连接。

所述第三支路为过电压耐受支路。

所述第三支路中，所述第三二极管、第三开关管和第四开关管依次串联连接，且所述第三二极管的阳极与所述第一支路中所述第一开关管的集电极连接，阴极与所述第三开关管的集电极连接；所述第三开关管的发射极与所述第四开关管的集电极连接；所述第四开关管的发射极与所述第一支路中所述第二开关管的发射极连接；所述第二电容与所述电阻串联后与所述第三开关管并联，且所述第二电容的负极与所述第三开关管的发射极连接。

各所述开关管都采用IGBT开关管。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型由于设置有过电压耐受支路，当出现暂态过电压时，第二电容对暂态过电压的冲击能量进行存储，有效限制子模块两端的暂态过电压，提高了器件的暂态过电压耐受能力。2、本实用新型由于在过电压耐受支路反串入一个二极管，阻断了过电压储能电容器的对外放电回路，实现了在提升暂态过电压耐受能力的同时，不影响其原有的对外放电特性。3、本实用新型由于过电压耐受支路中串联有一电阻，能够自动消耗暂态过电压能量，并且不会对外电路造成影响。4、本实用新型由于过电压耐受支路中的IGBT可以采用与原有IGBT相似的开断信号，控制简单。综上，本实用新型所提供的MMC子模块具有较好暂态过电压耐受能力，且控制逻辑简洁，易于实施，能够有效提高柔性直流输电的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块电路结构图；

图2是图1所示电路的充电模态；

图3是图1所示电路的放电模态；

图4是本实用新型提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块限制暂态过电压的效果示意图；

图5是现有无过电压限制能力的子模块过电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型提高暂态过电压耐受能力的MMC子模块(以下简称子模块)包括第一支路、第二支路和第三支路，且第一至第三支路并联连接；其中，第一支路由第一开关管T₁、第二开关管T₂、第一二极管D₁和第二二极管D₂构成；第二并联支路由第一电容C₁构成；第三支路由第三二极管D₃、第三开关管T₃、第四开关管T₄、第二电容C₂和电阻构成，且第三支路作为本实用新型的过电压耐受支路。

第一支路中：第一开关管T₁和第二开关管T₂串联连接，即第一开关管T₁的发射极和第二开关管T₂的集电极连接；第一二极管D₁的阳极和阴极分别与第一开关管T₁的发射极和集电极连接；第二二极管D₂的阳极和阴极分别与第二开关管T₂的发射极和集电极连接；第二开关管T₂的发射极和集电极作为本实用新型子模块的输出端。

第二支路中，第一电容C₁的正极和负极分别与第一支路中第一开关管T₁的集电极和第二开关管T₂的发射极连接。

第三支路中，第三二极管D₃、第三开关管T₃和第四开关管T₄依次串联连接，且第三二极管D₃的阳极与第一支路中第一开关管T₁的集电极连接，阴极与第三开关管T₃的集电极连接；第三开关管T₃的发射极与第四开关管T₄的集电极连接，第四开关管T₄的发射极与第一支路中的第二开关管T₂的发射极连接；第二电容C₂和电阻R串联后与第三开关管T₃并联，且第二电容C₂的负极与第三开关管T₃的发射极连接。

上述实施例中，各开关管都采用IGBT开关管。

下面对本实用新型的工作原理进行介绍。在正常工作模式下，第三开关管T₃、第四开关管T₄均关断，即过电压耐受支路不工作，此时本实用新型子模块的运行模式与传统子模块的运行模式相同。当过电压耐受支路工作时，存在两种模态也即充电模态和放电模态。

如图2所示，为模态1时的电流通路图。当检测到本实用新型子模块两侧出现暂态过电压时，子模块进入模态1，即过电压充电模态。此时第四开关管T₄、第一二极管D₁、第三二极管D₃导通，其余开关管和二极管均关断，第一电容C₁、第二电容C₂充电。根据电容两端电压不能突变的原理可知，第二电容C₂将存储暂态过电压的冲击能量，可以有效限制子模块两端的暂态过电压。

如图3所示，为模态2时的电流通路图。此时第一开关管T₁、第三开关管T₃导通，第一电容C₁和第二电容C₂放电。由于过电压耐受支路反串联了第三二极管D₃，使得第二电容C₂无法通过子模块输出端对外放电。子模块的放电特性维持不变，与仅含有第一电容C₁的传统子模块放电特性相同。同时，第三开关管T₃、第二电容C₂和电阻R构成的RC回路，可以将第二电容C₂存储的过电压能量经过电阻R释放，使过电压耐受支路能够循环使用。

从图2、图3中可以看出，在模态1、2的工作模式下，第三开关管T₃均可以使用第一开关管T₁的开断信号，第四开关管T₄可以使用与第三开关管T₃相反的开断信号。

如图4、图5所示，为本实用新型的仿真波形示意图，图中U_sm为子模块电压。图4为本实用新型子模块的限制暂态过电压效果示意图，其中子模块的仿真参数为：直流侧电压为500kV，子模块中第一电容C₁为15mF、第二电容C₂为3.6mF、电阻R为0.1Ω。在2s时，换流阀侧母线电压升至1.5pu，3ms后第四开关管T₄导通，过电压耐受支路工作。第二电容C₂开始充电后9ms子模块两端电压达到峰值，为2.06kV。与图5中无过电压限制能力的子模块在相同仿真条件下2.52kV的电压峰值相比，暂态过电压峰值下降18.3％。若合理优化配置第一电容C₁和第二电容C₂，还可以进一步限制子模块过电压峰值。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。