双向故障电流阻断MMC子模块及具有该子模块的换流器的制作方法

本实用新型涉及一种MMC子模块。特别是涉及一种双向故障电流阻断MMC子模块及具有该子模块的换流器。

背景技术：

柔性直流输电技术不仅可以实现有功功率和无功功率的独立控制，还同时具备易于潮流翻转、建设成本低、输出波形质量高等优点。该技术可有效解决新能源的并网难题，实现可再生能源的充分利用。适用于柔性直流输电系统的换流器主要有两电平、三电平和模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)，其中，MMC凭借耐高压、损耗小、易拓展、制造难度低等优点得到了广泛应用。

柔性直流输电示范工程通常采用在地下敷设电缆和架空线路的输电方式，无论采用哪种输电方式，均不可避免会发生直流短路故障，而由直流故障引起的过电流则会严重影响到MMC器件的性能和寿命，因此，直流故障是MMC系统必须解决的关键问题。

目前MMC系统通常采用三种方式清除故障电流，即：交流断路器、直流断路器和具备故障阻断能力的MMC子模块拓扑。其中，交流断路器响应时间和重启时间较长，不适用于瞬时短路故障。ABB公司研制的直流断路器可以快速清除直流故障，但该设备造价较高，将其工程化应用还需进一步的改进。为了克服断路器的缺陷，可以采用具有直流故障清除能力的MMC子模块拓扑，常见的具备故障电流阻断能力的子模块拓扑有全桥子模块和钳位双子模块。全桥子模块的开关管个数为半桥子模块的两倍，建设成本较高且运行损耗大；钳位双子模块可输出3电平，器件个数少于全桥子模块，但输出单位电平时仍比半桥子模块多增加了1.5个二极管和0.5个开关管，且其控制较为复杂。基于半桥子模块和全桥子模块混合级联结构可使MMC具备了故障清除能力并减少了开关管数量，但和钳位双子模块相比，其器件个数并没有明显降低。现有具备故障电流阻断能力的MMC子模块器件个数的增多带来MMC成本的成倍增长，不利于经济效益的提高。

鉴于上述问题，研究一种成本低的具备故障电流阻断能力的MMC子模块拓扑，对于系统的安全性和经济性有着重要意义。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种在可阻断故障电流并且能够克服现有技术由于器件数目和电气应力所造成的成本高的缺陷的双向故障电流阻断MMC子模块及具有该子模块的换流器。

本实用新型所采用的技术方案是：一种双向故障电流阻断MMC子模块包括依次串联连接的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅，所述第一开关K₁的另一端连接第一电容C₁的一端，所述第一开关K₁与第二开关K₂相连的交点连接第二电容C₂的一端，所述第三开关K₃与第四开关K₄相连的交点连接第二电容C₂的另一端，所述第四开关K₄与第五开关K₅相连的交点连接第一电容C₁的另一端，所述第五开关K₅的另一端构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极，所述第二开关K₂与第三开关K₃相连的交点构成双向故障电流阻断MMC子模块的正极。

所述的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅结构相同，均是由一个全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅对应与一个二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的漏极对应连接二极管D₁/D₂/ID₃/D₄/D₅的负极，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的源极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/ID₅的正极，其中，第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃和第四开关K₄均是前一个开关K₁/K₂/K₃中的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃的源极和二极管D₁/D₂/D₃的正极共同连接下一个开关K₂/K₃/K₄中的全控型电力电子器件T₂/T₃/T₄的漏极和二极管D₂/D₃/D₄的负极，且第一开关K₁中的第一全控型电力电子器件T₁的漏极和第一二极管D₁的负极共同连接第一电容C₁的一端，而第五开关K₅中的第五全控型电力电子器件T₅的源极和第五二极管D₅的正极共同连接上一个开关即第四开关K₄中的第四全控型电力电子器件T₄的源极和第四二极管D₄的正极，所述第五全控型电力电子器件T₅的漏极和第五二极管D₅的负极共同构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极。

本实用新型中所述的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅，是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或集成门极换流晶闸管(IGCT)，或门极可关断晶闸管(GTO)，或电子注入增强栅晶体管(IEGT)。

所述的具有双向故障电流阻断MMC子模块的换流器，包括有相并联的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂，所述的A相桥臂是由A相上桥臂和A相下桥臂串联连接构成，所述A相上桥臂远离A相下桥臂的一端连接直流母线的正极，所述A相下桥臂远离A相上桥臂的一端连接直流母线负极，所述A相上桥臂和A相下桥臂相连的交点引出三相电源的a相，所述的B相桥臂是由B相上桥臂和B相下桥臂串联连接构成，所述B相上桥臂远离B相下桥臂的一端连接直流母线的正极，所述B相下桥臂远离B相上桥臂的一端连接直流母线负极，所述B相上桥臂和B相下桥臂相连的交点引出三相电源的b相，所述的C相桥臂是由C相上桥臂和C相下桥臂构成，所述C相上桥臂远离C相下桥臂的一端连接直流母线的正极，所述C相下桥臂远离C相上桥臂的一端连接直流母线负极，所述C相上桥臂和C相下桥臂相连的交点引出三相电源的c相，其特征在于，所述的A相上桥臂、A相下桥臂、B相上桥臂、B相下桥臂、C相上桥臂和C相下桥臂结构相同，均是由2个以上的双向故障电流阻断MMC子模块和一个电感(L1/L4/L2/L5/L3/L6)串联连接构成，每一个双向故障电流阻断MMC子模块均包括：包括依次串联连接的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅，所述第一开关K₁的另一端连接第一电容C₁的一端，所述第一开关K₁与第二开关K₂相连的交点连接第二电容C₂的一端，所述第三开关K₃与第四开关K₄相连的交点连接第二电容C₂的另一端，所述第四开关K₄与第五开关K₅相连的交点连接第一电容C₁的另一端，所述第五开关K₅的另一端构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极，所述第二开关K₂与第三开关K₃相连的交点构成双向故障电流阻断MMC子模块的正极。

所述的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅结构相同，均是由一个全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅对应与一个二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的漏极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的负极，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的源极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的正极，其中，第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃和第四开关K₄均是前一个开关K₁/K₂/K₃中的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃的源极和二极管D₁/D₂/D₃的正极共同连接下一个开关K₂/K₃/K₄中的全控型电力电子器件T₂/T₃/T₄的漏极和二极管D₂/D₃/D₄的负极，且第一开关K₁中的第一全控型电力电子器件T₁的漏极和第一二极管D₁的负极共同连接第一电容C₁的一端，而第五开关K₅中的第五全控型电力电子器件T₅的源极和第五二极管D₅的正极共同连接上一个开关即第四开关K₄中的第四全控型电力电子器件T₄的源极和第四二极管D₄的正极，所述第五全控型电力电子器件T₅的漏极和第五二极管D₅的负极共同构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极。

同样，本实用新型的具有双向故障电流阻断MMC子模块的换流器中，所述的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅，是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或集成门极换流晶闸管(IGCT)，或门极可关断晶闸管(GTO)，或电子注入增强栅晶体管(IEGT)。

本实用新型的双向故障电流阻断MMC子模块及具有该子模块的换流器，通过引入额外的电力电子器件直接或间接阻断直流故障电流，并能够降低电力电子器件的额定电压或器件数量，从而减小投资提高系统整体经济性。本实用新型的双向故障电流阻断MMC子模块及具有该子模块的换流器，在采用相同额定电压的开关管时，子模块个数仅为全桥子模块的一半，器件总个数仅为其5/8，该方案下本实用新型通过减少器件个数来降低建设成本。在采用相同子模块个数的情况下，采用本实用新型双向故障电流阻断MMC子模块，其输出电平个数多于全桥子模块，输出电压谐波含量低，开关器件额定电压为全桥型子模块一半，降低了对开关器件的要求，整体成本有较大降低。综上，两种方案下，MMC建设成本均有所下降。

附图说明

图1是本实用新型双向故障电流阻断MMC子模块的原理图；

图2是本实用新型具有双向故障电流阻断MMC子模块的换流器的构成框图；

图3是在直流故障时电流从MMC子模块正极流入负极流出时MMC子模块电流通路；

图4是在直流故障时电流从MMC子模块负极流入正极流出时MMC子模块电流通路。

图中

1：A相上桥臂 2：B相上桥臂

3：C相上桥臂 4：A相下桥臂

5：B相下桥臂 6：C相下桥臂

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型的一种双向故障电流阻断MMC子模块及具有该子模块的换流器做出详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种双向故障电流阻断MMC子模块，包包括依次串联连接的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅，所述第一开关K₁的另一端连接第一电容C₁的一端，所述第一开关K₁与第二开关K₂相连的交点连接第二电容C₂的一端，所述第三开关K₃与第四开关K₄相连的交点连接第二电容C₂的另一端，所述第四开关K₄与第五开关K₅相连的交点连接第一电容C₁的另一端，所述第五开关K₅的另一端构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极，所述第二开关K₂与第三开关K₃相连的交点构成双向故障电流阻断MMC子模块的正极。

所述的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅结构相同，均是由一个全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅对应与一个二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的漏极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的负极，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的源极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的正极，其中，第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃和第四开关K₄均是前一个开关K₁/K₂/K₃中的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃的源极和二极管D₁/D₂/D₃的正极共同连接下一个开关K₂/K₃/K₄中的全控型电力电子器件T₂/T₃/T₄的漏极和二极管D₂/D₃/D₄的负极，且第一开关K₁中的第一全控型电力电子器件T₁的漏极和第一二极管D₁的负极共同连接第一电容C₁的一端，而第五开关K₅中的第五全控型电力电子器件T₅的源极和第五二极管D₅的正极共同连接上一个开关即第四开关K₄中的第四全控型电力电子器件T₄的源极和第四二极管D₄的正极，所述第五全控型电力电子器件T₅的漏极和第五二极管D₅的负极共同构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极。

本实用新型中所述的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅，是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或集成门极换流晶闸管(IGCT)，或门极可关断晶闸管(GTO)，或电子注入增强栅晶体管(IEGT)。

本实用新型的一种双向故障电流阻断MMC子模块，使MMC子模块拓扑具备故障阻断能力的关键在于第五全控型电力电子器件T₅、第五二极管D₅的连接位置和连接方式。在系统发生直流故障时，闭锁所有开关管信号，MMC子模块在二极管作用下，在MMC子模块电流由正极流入时向电流通路中引入MMC子模块第一电容C₁的电压来抑制线电压，电流通路中的二极管将在反向电压作用下被强制关闭，在MMC子模块电流由负极流入时由反并联二极管直接阻断电流通路达到清除故障电流的目的。

正常工作时，第一电容C₁两端电压为第二电容C₂端电压的两倍，即U_C1＝2U_C2＝2U；第一全控型电力电子器件T₁与第四全控型电力电子器件T₄，第二全控型电力电子器件T₂与第三全控型电力电子器件T₃均采用互补导通的的逻辑触发信号，即第一全控型电力电子器件T₁开通时第四全控型电力电子器件T₄关断，第二全控型电力电子器件T₂开通时第三全控型电力电子器件T₃关断，第一全控型电力电子器件T₁和第二全控型电力电子器件T₂的逻辑信号互不干扰，与第一全控型电力电子器件T₁～第四全控型电力电子器件T₄反并联的二极管根据MMC子模块输入电压轮流导通；第五全控型电力电子器件T₅触发逻辑信号独立，正常工作时触发信号始终为1。该工作模式下，开关管不同脉冲信号的组合使模块输出0，U，2U三电平电压。

如图2所示，本实用新型的具有双向故障电流阻断MMC子模块的换流器，包括有相并联的A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂，所述的A相桥臂是由A相上桥臂1和A相下桥臂4串联连接构成，所述A相上桥臂1远离A相下桥臂4的一端连接直流母线的正极，所述A相下桥臂4远离A相上桥臂1的一端连接直流母线负极，所述A相上桥臂1和A相下桥臂4相连的交点引出三相电源的a相，所述的B相桥臂是由B相上桥臂2和B相下桥臂5串联连接构成，所述B相上桥臂2远离B相下桥臂5的一端连接直流母线的正极，所述B相下桥臂5远离B相上桥臂2的一端连接直流母线负极，所述B相上桥臂2和B相下桥臂5相连的交点引出三相电源的b相，所述的C相桥臂是由C相上桥臂3和C相下桥臂6构成，所述C相上桥臂3远离C相下桥臂6的一端连接直流母线的正极，所述C相下桥臂6远离C相上桥臂3的一端连接直流母线负极，所述C相上桥臂3和C相下桥臂6相连的交点引出三相电源的c相。所述的A相上桥臂1、A相下桥臂4、B相上桥臂2、B相下桥臂5、C相上桥臂3和C相下桥臂6结构相同，均是由2个以上的双向故障电流阻断MMC子模块A和一个电感L1/L4/L2/L5/L3/L6串联连接构成，每一个双向故障电流阻断MMC子模块均包括：包括依次串联连接的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅，所述第一开关K₁的另一端连接第一电容C₁的一端，所述第一开关K₁与第二开关K₂相连的交点连接第二电容C₂的一端，所述第三开关K₃与第四开关K₄相连的交点连接第二电容C₂的另一端，所述第四开关K₄与第五开关K₅相连的交点连接第一电容C₁的另一端，所述第五开关K₅的另一端构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极，所述第二开关K₂与第三开关K₃相连的交点构成双向故障电流阻断MMC子模块的正极。

所述的第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃、第四开关K₄和第五开关K₅结构相同，均是由一个全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅对应与一个二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅反并联连接构成，即，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的漏极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/ID₅的负极，所述全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/T₄/T₅的源极对应连接二极管D₁/D₂/D₃/D₄/D₅的正极，其中，第一开关K₁、第二开关K₂、第三开关K₃和第四开关K₄均是前一个开关K₁/K₂/K₃中的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃的源极和二极管D₁/D₂/D₃的正极共同连接下一个开关K₂/K₃/K₄中的全控型电力电子器件T₂/T₃/T₄的漏极和二极管D₂/D₃/D₄的负极，且第一开关K₁中的第一全控型电力电子器件T₁的漏极和第一二极管D₁的负极共同连接第一电容C₁的一端，而第五开关K₅中的第五全控型电力电子器件T₅的源极和第五二极管D₅的正极共同连接上一个开关即第四开关K₄中的第四全控型电力电子器件T₄的源极和第四二极管D₄的正极，所述第五全控型电力电子器件T₅的漏极和第五二极管D₅的负极共同构成双向故障电流阻断MMC子模块的负极。

同样，本实用新型的具有双向故障电流阻断MMC子模块的换流器中，所述的全控型电力电子器件T₁/T₂/T₃/K₄/T₅，是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，或集成门极换流晶闸管(IGCT)，或门极可关断晶闸管(GTO)，或电子注入增强栅晶体管(IEGT)。

图3是在从MMC子模块正极流入负极流出的情况下，直流线路发生短路故障(包含单极接地故障和双极短路故障)后闭锁全部开关管的触发信号，此时MMC子模块电流由正极流入，负极流出，电流流经第二二极管D₂→第一二极管D₁→第一电容C₁→第五二极管D₅，故障电流为第一电容C₁充电。将该结构拓展到整个MMC子模块中，闭锁系统中所有开关管，电流通路上的电容电压之和大于交流侧电压(单极接地时为相电压，双极短路时为线电压)的绝对值，电流通路中所有二极管将承受反向电压并在该电压作用下截止，从而阻断电流通路，在无需断开交流侧断路器的作用下阻断系统的故障电流。

图4为直流线路发生短路故障(包含单极接地故障和双极短路故障)后闭锁全部开关管的触发信号的电流通路，子模块电流由负极流入后，子模块中因D₅和D₄反向连接，电路中无电流通路存在，故障电流被立即阻断。