一种模块化多电平换流器模块冗余配置电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化多电平换流器模块冗余配置电路及其控制方法，该电路包括共用直流稳压电容器的工作电路和冗余电路，工作电路的进线端和冗余电路的进线端通过开关连接，工作电路和冗余电路均为普通子模块功率电路。本发明工作电路与冗余电路共用一个直流稳压电容器，每一个冗余电路节约一个电容器，随着冗余电路数量的增加，可以有效节约多个电容器，降低硬件成本和优化资源配置，同时还能够工作于三种工作模式，当工作电路部分器件故障时，剩余器件还能继续工作，有效提高了器件的利用率和系统的可靠性。
【专利说明】一种模块化多电平换流器模块冗余配置电路及其控制方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于柔性直流输电【技术领域】，涉及一种模块化多电平换流器模块冗余配置电路及其控制方法。
[0003]
【背景技术】 [0004]柔性直流输电技术是一种基于电压源型换流器的新型高压直流输电(HVDC)技术，随着高压直流输电系统的广泛应用，使得柔性直流输电技术得到了广泛的关注，目前已经取得了很多成果，进而也促进了高压直流输电系统的快速发展。模块化多电平(MMC)技术作为一种新型的多电平拓扑结构，凭借其结构的优势，在柔性直流输电【技术领域】有着较好的应用前景。传统多电平换流器的主要拓扑结构有以下三种:二极管钳位型、电容器钳位型和H桥级联型。二极管钳位型需要大量钳位二极管，直流侧电压均衡问题复杂；电容器钳位型需要大量电容器，换流器控制复杂。这两种拓扑结构的电平扩展难度大，难以适用于高压场合。H桥级联型拓扑是当今国内外多电平领域的主流结构，该拓扑扩展灵活，不存在电容器均压问题，具有高度的稳定性和可靠性。但在高压变频领域，该拓扑需要采用移相变压器，制造难度、成本、体积大大增加，在一定程度上也限制了 H桥级联型拓扑的进一步应用。模块化多电平技术，克服了传统多电平技术的缺点，借助其拓扑结构的优势，高度模块化，集成度高，拓展容易，冗余设计简单，无需辅助均压设备，降低了控制复杂度，提高了系统的可靠性，优化了硬件成本。因此，模块化多电平技术在柔性直流输电【技术领域】受到广泛的关注，有着巨大的应用前景。
[0005]柔性直流输电技术主要是应用于高压直流输电系统中，长期、稳定的运行是该技术的关键。该技术的核心部分就是模块化多电平技术，如何保证模块化多电平换流器模块的正常、可靠地工作将是一个重要的课题。实际上，随着模块化多电平换流器模块数量的增加，使用时间的加长，模块器件的损坏是不可不免的，如何在模块损坏后，还能够使得模块化多电平换流器继续正常工作，否则将会影响输配电系统，对电网造成损失，因此这是一个十分关键的问题。再次背景之下，模块冗余的思想就应运而生，通过配置一定数量的冗余模块，当某些模块损坏后，立即投入冗余模块，从而保证系统的正常运行。但是，模块冗余数量的选择又成为了一个难题，冗余模块数量配置越多，系统可靠性越高，但是成本较高，冗余模块利用率较差，不经济；冗余模块数量配置越少，成本较低，但是系统的可靠性得不到保障。因此，合理有效的配置模块冗余数量就变得十分重要了。但是，目前并没有具体、有效的模块冗余配置方法。
[0006]针对模块冗余数量的配置方法，当前在柔性直流输电【技术领域】中，主要是根据保守原则，结合工程经验和实际情况来选择模块冗余数量。目前，模块冗余数量的配置研究较少，相关文献不多，相关文献给出了模块冗余数量的大概范围，但是依然需要结合实际工程经验进行选择。在现有的模块冗余配置中，冗余模块结构保持不变，每个模块由二个功率开关、二个反并联二极管和一个电容器构成，但是考虑到电容器不易损坏，可靠性远远高于功率开关和二极管，本发明提供了一种基于共用直流稳压电容器的模块化多电平换流器模块冗余配置电路。该电路将工作电路与冗余电路共用直流稳压电容器，有效节约一个电容器，还可以工作于三种工作模式，极大的提高了系统的可靠性。
[0007]
【发明内容】
[0008]技术问题:为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种有效节约电容器、提高了系统可靠性的模块化多电平换流器模块冗余配置电路，同时提供了一种故障电路切换控制方法。
技术方案:本发明的模块化多电平换流器模块冗余配置电路，包括共用直流稳压电容器的工作电路和冗余电路，工作电路的进线端和冗余电路的进线端通过开关连接，工作电路和冗余电路均为普通子模块功率电路。
[0009]本发明的模块化多电平换流器模块冗余配置电路中，工作电路包括依次正向串联的第一开关、第一单管功率模块、第二单管功率模块和第二开关，第一单管功率模块和第二单管功率模块之间为进线端；
冗余电路包括依次正向串联的第三开关、第三单管功率模块、第四单管功率模块和第四开关，第三单管功率模块和第四单管功率模块之间为进线端；冗余电路的进线端通过第五开关与工作电路的进线端连接；
工作电路的第一单管功率模块通过第一开关与直流稳压电容器的正极连接，第二单管功率模块通过第二开关与直流稳压电容器的负极连接，冗余电路的第三单管功率模块通过第三开关与直流稳压电容器的正极连接，第四单管功率模块通过第四开关与直流稳压电容器的负极连接。
[0010]本发明的基于上述模块化多电平换流器模块冗余配置电路进行故障电路切换控制的方法，具体包括:
当仅有第一单管功率模块故障时，断开第一开关，导通第三开关和第五开关；
当仅有第二单管功率模块故障时，断开第二开关，导通第四开关和第五开关；
当第一单管功率模块和第二单管功率模块同时故障时，断开第一开关和第二开关，导通第三开关、第四开关和第五开关。
[0011]有益效果:与现有技术相比，本发明有如下优点:
1.本发明所提供的模块冗余配置电路将工作电路和冗余电路通过开关连接共用直流稳压电容器，然而传统的模块冗余配置电路一般都是采用两个相同的电路，一个作为工作电路，另外一个作为冗余电路。首先，本发明公用直流稳压电容器，可以有效节约一个电容器，随着冗余电路数量的增加，可以有效节约多个电容器，极大节约硬件成本，优化资源配置；其次，传统冗余配置电路工作时，当工作电路的部分器件故障时，将切换到冗余电路，工作电路中剩余的器件将无法工作，本发明克服了这一点，由于工作电路和冗余电路通过开关合理的相接，即使工作电路中部分器件故障，剩余的器件连同冗余电路中的器件仍能继续工作，这样就极大地提高了器件的利用率，提高了系统的可靠性和工作效率；最后，传统冗余配置电路故障时，由于工作电路与冗余电路是分开的，一般情况下冗余电路中的直流稳压电容器没有电压，当冗余电路工作时，直流稳压电容器存在一个电容器充电过程，延长了动态时间，本发明由于共用直流稳压电容器，自然就不存在直流稳压电容器的充电过程，从而提闻了系统的动态响应和稳定性。
[0012]2.本发明所提供的模块冗余配置电路的故障电路切换控制方法，可以简单、有效地进行故障电路切换，工作于三种工作模式，分别为仅第一单管功率模块故障时工作模式，仅第二单管功率模块故障时工作模式，第一单管功率模块和第二单管功率模块同时故障时工作模式，而传统方法只能工作于一种模式，即只要发生故障，就切换到冗余模块，本发明所提供的故障电路切换控制方法应用到模块冗余配置电路中，当工作模块部分器件故障时，剩余器件连 同冗余电路中的器件仍然继续工作，可以有效提高器件的利用率和系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明传统单个模块SM的结构图。
[0014]图2为本发明单管功率模块电路结构图。
[0015]图3为本发明传统模块冗余配置电路结构图。
[0016]图4为本发明模块冗余配置电路结构图。
[0017]图5为本发明模块冗余配置电路正常工作模式。
[0018]图6为本发明模块冗余配置电路仅第一单管功率模块故障时工作模式。
[0019]图7为本发明模块冗余配置电路仅第二单管功率模块故障时工作模式。
[0020]图8为本发明模块冗余配置电路第一单管功率模块和第二单管功率模块同时故障时工作模式。
[0021]图中有:第一单管功率模块K1、第二单管功率模块K2、第三单管功率模块K3、第四单管功率模块K4、第一开关兄、第二开关S2、第三开关&、第四开关S4、第五开关&，直流稳压电容器C、绝缘栅双极性晶体管八二极管队
[0022]
【具体实施方式】
[0023]下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步说明。
[0024]图1是本发明传统单个模块SM的结构图，该电路由第一单管功率模块K1、第二单管功率模块V2和直流稳压电容器C组成。图2是本发明单管功率模块电路结构图，该电路由一个绝缘栅双极性晶体管和二极管D反向并联构成，即绝缘栅双极性晶体管T的集电极与二极管D的负极连接，绝缘栅双极性晶体管T的发射极与二极管D的正极连接。
[0025]图3是本发明传统模块冗余配置电路结构图，该电路由工作模块和冗余模块构成。当模块正常工作时，导通第一单管功率模块K1和第四单管功率模块K4,断开第二单管功率模块K2和第三单管功率模块K3,工作模块投入运行；当模块发生故障时，导通第二单管功率模块K2和第三单管功率模块K3,断开第一单管功率模块V1和第四单管功率模块K4，冗余模块投入运行。
[0026]图4是本发明模块冗余配置电路结构图。该电路包括共用直流稳压电容器的工作电路和冗余电路，工作电路的进线端和冗余电路的进线端通过开关连接，工作电路和冗余电路均为普通子模块功率电路。
[0027]工作电路包括依次正向串联的第一开关兄、第一单管功率模块K1、第二单管功率模块V2和第二开关S2，第一单管功率模块K1和第二单管功率模块K2之间为进线端；
冗余电路包括依次正向串联的第三开关S3、第三单管功率模块K3、第四单管功率模块K4和第四开关S4，第三单管功率模块K3和第四单管功率模块K4之间为进线端；冗余电路的进线端通过第五开关S5与工作电路的进线端连接；
工作电路的第一单管功率模块K1通过第一开关兄与直流稳压电容器C的正极连接，第二单管功率模块K2通过第二开关S2与直流稳压电容器C的负极连接，冗余电路的第三单管功率模块K3通过第三开关S3与直流稳压电容器C的正极连接，第四单管功率模块K4通过第四开关与直流稳压电容器C的负极连接。
[0028]图5是本发明模块冗余配置电路正常工作模式。当模块正常工作时，导通第一单管功率模块K1和第二单管功率模块K2,断开第三单管功率模块K3、第四单管功率模块K4和第五单管功率模块f5。
[0029]图6是本发明模块冗余配置电路仅第一单管功率模块故障时工作模式。当仅有第一单管功率模块K1故障时，断开第一开关兄，导通第三开关S3和第五开关S5 ；图7是本发明模块冗余配置电路仅第二单管功率模块故障时工作模式。当仅有第二单管功率模块K2故障时，断开第二开关，导通第四开关和第五开关A ;图8是本发明模块冗余配置电路第一单管功率模块和第二单管功率模块同时故障时工作模式。当第一单管功率模块K1和第二单管功率模块K2同时故障时，断开第一开关兄和第二开关S2,导通第三开关&、第四开关S4和第五开关X。
[0030]本发明提供了 一种模块化多电平换流器模块冗余配置电路及其控制方法。该电路将工作电路与冗余电路通过开关连接共用直流稳压电容器，每一个冗余电路节约一个电容器，随着冗余电路数量的增加，可以有效节约多个电容器，降低硬件成本和优化资源配置，同时还能够工作于三种工作模式，当工作电路部分器件故障时，剩余器件还能继续工作，有效提高了器件的利用率和系统的可靠性。
[0031]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种模块化多电平换流器模块冗余配置电路，其特征在于，该电路包括共用直流稳压电容器的工作电路和冗余电路，所述工作电路的进线端和冗余电路的进线端通过开关连接，所述工作电路和冗余电路均为普通子模块功率电路。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器模块冗余配置电路，其特征在于，所述工作电路包括依次正向串联的第一开关(兄)、第一单管功率模块(^)、第二单管功率模块(V2)和第二开关(?)，所述第一单管功率模块(K1)和第二单管功率模块(K2)之间为进线端; 所述冗余电路包括依次正向串联的第三开关(S)、第三单管功率模块(κ3)、第四单管功率模块(K4)和第四开关(5.4)，第三单管功率模块(K3)和第四单管功率模块(K4)之间为进线端；冗余电路的进线端通过第五开关(S5)与工作电路的进线端连接； 工作电路的第一单管功率模块(K1)通过第一开关(兄)与直流稳压电容器(CO的正极连接，第二单管功率模块(K2)通过第二开关(?)与直流稳压电容器(O的负极连接，冗余电路的第三单管功率模块(K3)通过第三开关(S3)与直流稳压电容器(O的正极连接，第四单管功率模块(K4)通过第四开关(5.4)与直流稳压电容器(CO的负极连接。
3.一种基于权利要求1或2所述模块化多电平换流器模块冗余配置电路进行故障电路切换控制的方法，其特征在于，该方法具体包括: 当仅有第一单管功率模块(K1)故障时，断开第一开关(兄)，导通第三开关(S3)和第五开关(S5); 当仅有第二单管功率模块(K2)故障时，断开第二开关(5.2)，导通第四开关(S4)和第五开关(A); 当第一单管功率模块(K1)和第二单管功率模块(K2)同时故障时，断开第一开关(兄)和第二开关C?2)，导通第三开关(&`)、第四开关(S4)和第五开关(X)。
【文档编号】H02M7/217GK103746575SQ201410012271
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】谭风雷, 滕春阳, 苗振林 申请人:东南大学