模块化多电平换流器子模块电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统直流输电技术领域，特别是涉及模块化多电平换流器子模块电路。
【背景技术】
[0002]柔性直流输电是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制技术为基础的直流输电技术。由于它具有改善电网结构、优化潮流分布、提高运行安全稳定性等独特优势，在可再生能源发电并网、异步联网和大城市中心负荷供电等场合具有广阔的应用前景。由于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，以下简称MMC)具有模块化程度高、谐波含量小、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电系统。
[0003]目前应用柔性直流输电实际工程中的MMC多数采用半桥子模块电路。半桥子模块电路所用器件较少、损耗较低，但是不具备清除直流侧故障电流的能力。当直流侧发生故障时，由于反并联二极管仍能为故障电流提供通路，系统近似发生三相短路，限制故障过流能力差，容易危害系统的安全稳定运行。另一方面，当直流输电电压达到超高压甚至特高压等级时，由于其子模块需要使用较高耐压的半导体功率器件，或需要使用更多的子模块数量，使得换流器整体成本较高。
【发明内容】
[0004]基于此，有必要针对半桥子模块电路成本高、限制故障过流能力差的问题，提供一种具有直流短路故障穿越能力的MMC子模块电路。
[0005]—种模块化多电平换流器子模块电路，包括:
[0006]电容器Cl、C2，半导体开关 Tl、T2、T3、T4、T5，二极管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0007]所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5的集电极分别与二极管D1、D2、D3、D4、D5的阴极相连接，所述半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5的发射极分别与二极管Dl、D2、D3、D4、D5的阳极相连接；半导体开关Tl的发射极和二极管D6的阴极相连接，作为子模块的正极端，半导体开关T5的发射极和半导体开关T3的集电极相连接，作为子模块的负极端；电容器Cl的正极端与半导体开关T5的集电极、半导体开关T4的发射极以及电容器C2的负极端相连接；电容器Cl的负极端与半导体开关T3的发射极以及二极管D6的阳极相连接；电容器C2的正极端与半导体开关T2的集电极相连接；半导体开关T2的发射极与半导体开关T4的集电极以及半导体开关Tl的集电极相连接；
[0008]发生直流短路故障时，半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5关断，二极管Dl、D2、D3、D4、D5、D6对电流进行单向导通，故障电流流过电容器Cl、C2。
[0009]上述模块化多电平换流器子模块电路，将半导体开关Tl的发射极和二极管D6的阴极相连接，半导体开关T5的发射极和半导体开关T3的集电极相连接，电容器Cl的正极端与半导体开关T5的集电极、半导体开关T4的发射极以及电容器C2的负极端相连接；电容器Cl的负极端与半导体开关T3的发射极以及二极管D6的阳极相连接；电容器C2的正极端与半导体开关T2的集电极相连接；半导体开关Τ2的发射极与半导体开关Τ4的集电极以及半导体开关Tl的集电极相连接，当发生直流侧故障时，半导体开关Tl、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5关断，由于二极管的单向导通特性，故障电流将流经电容器Cl和/或C2，从而迅速减小故障电流，具有较好的直流短路故障穿越能力。且上述模块化多电平换流器子模块电路所用器件少，结构简单，硬件成本低。
[0010]—种模块化多电平换流器子模块电路，包括:
[0011]电容器Cl、C2，半导体开关 Tl、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5，二极管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0012]所述半导体开关Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5的集电极分别与二极管D1、D2、D3、D4、D5的阴极相连接，所述半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5的发射极分别与二极管Dl、D2、D3、D4、D5的阳极相连接；半导体开关Tl的集电极和二极管D6的阳极相连接，作为子模块的负极端，半导体开关T3的发射极和半导体开关T5的集电极相连接，作为子模块的正极端；电容器Cl的负极端与半导体开关T5的发射极、半导体开关T4的发射极以及电容器C2的正极端相连接；电容器Cl的正极端与半导体开关T3的集电极以及二极管D6的阴极相连接；电容器C2的负极端与半导体开关T2的发射极相连接；半导体开关T2的集电极与半导体开关T4的发射极以及半导体开关Tl的集发射极相连接；
[0013]发生直流短路故障时，半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5关断，二极管Dl、D2、D3、D4、D5、D6对电流进行单向导通，故障电流通过电容器Cl、C2。
[0014]上述模块化多电平换流器子模块电路，将半导体开关Tl的集电极和二极管D6的阳极相连接，半导体开关T3的发射极和半导体开关T5的集电极相连接，电容器Cl的负极端与半导体开关T5的发射极、半导体开关T4的发射极以及电容器C2的正极端相连接；电容器Cl的正极端与半导体开关T3的集电极以及二极管D6的阴极相连接；电容器C2的负极端与半导体开关T2的发射极相连接；半导体开关T2的集电极与半导体开关T4的发射极以及半导体开关Tl的集发射极相连接，当发生直流侧故障时，半导体开关!1323334、丁5关断，由于二极管的单向导通特性，故障电流将流经电容器Cl和/或C2，从而迅速减小故障电流，具有较好的直流短路故障穿越能力。且上述模块化多电平换流器子模块电路所用器件少，结构简单，硬件成本低。
[0015]一种模块化多电平换流器子模块电路，包括第一子模块与第二子模块，所述第一子模块的正极端与所述第二子模块的负极端相连接。
[0016]一种模块化多电平换流器子模块电路，包括第一子模块和第二子模块，所述第一子模块的正极端与第二子模块的负极端相连接。
[0017]上述模块化多电平换流器子模块电路，通过将多个子模块相连接，可以使用较低耐压的半导体功率器件来实现较高电压的输出，降低模块化多电平换流器中的子模块数量，降低换流器整体成本。
【附图说明】
[0018]图1为第一实施例的具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块电路的原理图。
[0019]图2为第二实施例的具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块电路的原理图。
[0020]图3为一个实施例的具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块之间的背靠背连接。
[0021]图4为一个实施例的具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块之间的串联连接。
【具体实施方式】
[0022]下面结合本发明附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0023]图1所示为本发明的第一实施例的具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块电路的电路图。该子模块电路包括:
[0024]电容器Cl、C2，半导体开关 Tl、T2、T3、T4、T5，二极管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0025]所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5的集电极分别与二极管D1、D2、D3、D4、D5的阴极相连接，所述半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5的发射极分别与二极管Dl、D2、D3、D4、D5的阳极相连接；半导体开关Tl的发射极和二极管D6的阴极相连接，作为子模块的正极端，半导体开关T5的发射极和半导体开关T3的集电极相连接，作为子模块的负极端；电容器Cl的正极端与半导体开关T5的集电极、半导体开关T4的发射极以及电容器C2的负极端相连接；电容器Cl的负极端与半导体开关T3的发射极以及二极管D6的阳极相连接；电容器C2的正极端与半导体开关T2的集电极相连接；半导体开关T2的发射极与半导体开关T4的集电极以及半导体开关Tl的集电极相连接；
[0026]发生直流短路故障时，半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5关断，二极管Dl、D2、D3、D4、D5、D6对电流进行单向导通，故障电流流过电容器Cl、C2。
[0027]上述具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块电路的工作原理如下:
[0028]正常工作时，当电流由子模块的正极流向子模块的负极时，一直对半导体开关Tl施加门极导通驱动信号，使Tl工作于常通状态，此时二极管Dl被短路；而二极管D6由于电容电压作用而处于常断状态。此时，可根据实际需要灵活控制半导体开关T2、T3、T4、T5的导通与关断，使电流流过不同的路径，从而控制电容器Cl、C2的投入和切除。例如，当半导体开关T2、T3、T4、T5全部关断时，电流从子模块的正极流经半导体开关Tl，二极管D2，电容器C2、C1，二极管D3到达子模块的负极；当半导体开关T5导通，半导体开关T2、T3、T4关断时，二极管D6、D3被短路，电流从子模块的正极流经半导体开关Tl，二极管D2，电容器C2，半导体开关Τ5到达子模块的负极。
[0029]当电流由子模块的负极流向子模块的正极时，可以导通半导体开关Τ3，关断其他半导体开关，将子模块切除。此时，电流从子模块的负极流经半导体开关Τ3、二极管D6到达子模块的正极。
[0030]当检测出换流器直流侧短路故障时，子模块的所有半导体开关立即闭锁关断。当故障电流由子模块正极流入时，流经二极管D1、D2，电容器C2、C1，二极管D3，由子模块负极流出；当故障电流由子模块负极流入时，流经二极管D5，电容器Cl，二极管D6，由子模块正极流出。由于直流电容电压的作用，故障电流会迅速下降，从而有效保护子模块电路的半导体开关和二极管。
[0031]图2所示为本发明的第二实施例的具有直流短路故障穿越能力的模块化多电平换流器子模块电路的电路图。该子模块电路包括:
[0032]电容器Cl、C2，半导体开关 Tl、T2、T3、T4、T5，二极管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0033]所述半导体开关T1、T2、T3、T4、T5的集电极分别与二极管D1、D2、D3、D4、D5的阴极相连接，所述半导体开关Tl、T2、T3、T4、T5的发射极分别与二极管Dl、D