基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器。

背景技术：

由于缺少高压直流断路器技术，直流侧短路故障是柔性高压直流输电所面对的一个重要问题，严重影响柔性高压直流输电技术的发展。采用模块化多电平换流器(modularmulti-leverconverter,多电平换流器)技术的柔性高压直流输电系统，在直流侧短路故障的情况下，半桥型多电平换流器的子模块具有续流能力，闭锁开关管后，续流二极管为交流系统向直流故障点馈入故障电流提供了通路，交流系统侧发生三相虚短。目前处理直流侧故障的方法有三种：

1)利用交流侧断路器切断故障点与交流系统的连接；

2)利用直流侧断路器切除故障线路；

3)利用换流器自身结构实现直流侧故障的自清除。

虽然半桥型多电平换流器在功率器件数量及系统损耗等方面有较大的优势，但该结构不具备直流故障自清除能力。在系统直流侧发生短路故障的情况下，交流电网、续流二极管以及故障点构成故障电流回路，电网被虚短，后果严重，必须借助交流侧断路器切断交流系统和故障点的连接。

当前建成的柔性高压直流输电工程都是采用断开交流侧断路器的方法来切断直流侧故障线路。虽然断开交流侧断路器可以清除故障电流，但由于交流侧断路器是机械开关，响应速度慢，所以采用这种方法无法做到快速切除。另外在交流断路器断开的过程中，续流二极管也承受了巨大的故障电流，可能因此而损坏。

断开直流断路器可以快速清除和隔离故障。目前高压直流断路器的形式也有很多种，比如常规机械式、固态式以及这两种的混合型。但是，目前高压直流断路器价格昂贵，技术还不成熟。

因此，具备直流短路故障自清除能力的多电平换流器是一种新的研究方向，具有直流故障自阻断能力的不对称双子模块结构以其经济性较好受到青睐。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器，该装置能自动阻断多电平换流器直流侧的故障电流，实现多电平换流器直流侧的故障自愈。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器，特点在于其构成包括三相结构相同的多电平换流器，每相都由上桥臂和下桥臂构成，所述的上桥臂和下桥臂各由i个半桥子模块与n-i个不对称双子模块串接组成，所述的上桥臂的第1个子模块的自由端与多电平换流器的直流母线的正极相连，所述的下桥臂的第n个子模块的自由端与多电平换流器的直流母线的负极相连，所述的上桥臂的第n个双子模块的自由端与下桥臂的第1个子模块的自由端与交流线相连；

每个半桥子模块由两个全控开关器件及反并联二极管和一个直流电容构成：两个全控开关器件串联且形成子模块的直流正负极，两个二极管分别与所述的两个全控开关器件反并联，所述的直流电容与所述的两个串联的全控开关器件并联，所述的两个全控开关器件的连接点和第二全控开关器件的负极作端口串接在每相桥臂的电路中；

每个不对称双子模块构成是：

第一二极管、第二二极管、第三二极管与第四二极管分别与反并联第一全控开关器件、第二全控开关器件、第三全控开关器件和第四全控开关器件，所述的第一全控开关器件和第二全控开关器件串联且形成不对称双子模块的直流正负极，第一电容和第二电容串联后与所述的串联的第一全控开关器件、第二全控开关器件并联，所述的第三全控开关器件与第四全控开关器件串联，所述的第三全控开关器件的另一端与第一电容和第二电容的连接点相连，所述的第四全控开关器件的另一端与所述的不对称双子模块的直流负极相连，第一全控开关器件与第二全控开关器件的连接点和第三全控开关器件与第四全控开关器件的连接点作为不对称双子模块的端口串接在每相桥臂的电路中；

其中，n为大于2的整数，i<n的整数。

本发明多电平换流器直流故障自愈的原理如下：

1)定义流进不对称双子模块的电流i方向为正，直流侧发生故障时，闭锁所有的第一全控开关器件、第二全控开关器件、第三全控开关器件和第四全控开关，在不对称双子模块拓扑结构中，闭锁后当电流方向为正时，不对称双子模块内部的电流通路为第一二极管，第一电容，第二电容和第四二极管；当电流方向为负时，不对称双子模块内部的电流通路为第三二极管，第二电容和第二二极管；

(2)当i>0时，每个电流通路里面都含有2n个第1二极管，第一电容，第二电容和第4二极管，根据基尔霍夫电压定律，得出下式：

-urst+2n[ud1(t)+ud4(t)+uc1(t)+uc2(t)]+ul-l(t)＝0(1)

其中：urst为多电平换流器直流间短路后直流侧电压，ul-l(t)为交流侧线电压，ud1(t)、ud4(t)分别为第一二极管、第4二极管的电压，uc1(t)、uc2(t)分别为第一电容、第二电容的电压，且uc1(t)＝uc2(t)＝vdc/2n，vdc为多电平换流器直流电压；

计算不对称双子模块直流正负极两端的电压，公式如下：

由于多电平换流器直流间短路故障发生后，urst<<vdc，所以ud1(t)+ud4(t)＜0，因此若有电流流过第1二极管和第4二极管将会快速反向截止，从而故障电流被快速阻断。

(3)当i<0时，同理可得出第2二极管d2和第3二极管d3也会快速反向截止，快速阻断故障电流。

因此不对称双子模块结构具有直流故障电流阻断能力，且在同等电压等级下，该拓扑结构使用的开关管的数量和半桥型的数量相同，可以在一定程度上降低成本。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

本发明当多电平换流器直流侧发生故障时，利用电容电压迫使导通的二极管反向截止阻断故障电流，从而阻断了直流侧故障引起的大电流，保护了多电平换流器柔性直流输电系统，实现了多电平换流器柔性高压直流系统的直流故障自愈。

附图说明

图1是本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器拓扑示意图。

图2是本发明不对称双子模块故障电流路径图。

图3是多电平换流器直流侧电流图。

图4是多电平换流器交流侧电流图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器的拓扑图。图2为不对称双子模块故障电流路径图，如图所示，本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器，构成包括三相结构相同的多电平换流器，每相都由上桥臂和下桥臂构成，所述的上桥臂和下桥臂各由i个半桥子模块hsm1～hsmi与n-i个不对称双子模块smi+1～smn串接组成，所述的上桥臂的第1个子模块hsm1的自由端与多电平换流器的直流母线的正极相连，所述的下桥臂的第n个子模块smn的自由端与多电平换流器的直流母线的负极相连，所述的上桥臂的第n个双子模块smn的自由端与下桥臂的第1个子模块hsm1的自由端与交流线相连；

每个半桥子模块由两个全控开关器件及反并联二极管和一个直流电容构成：两个全控开关器件串联且形成子模块的直流正负极，两个二极管分别与所述的两个全控开关器件反并联，所述的直流电容与所述的两个串联的全控开关器件并联，所述的两个全控开关器件的连接点和第二全控开关器件的负极作端口串接在每相桥臂的电路中；

每个不对称双子模块构成是：

第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3与第四二极管d4分别与反并联第一全控开关器件t1、第二全控开关器件t2、第三全控开关器件t3和第四全控开关器件t4，所述的第一全控开关器件t1和第二全控开关器件t2串联且形成不对称双子模块的直流正负极，第一电容c1和第二电容c2串联后与所述的串联的第一全控开关器件t1、第二全控开关器件t2并联，所述的第三全控开关器件t3与第四全控开关器件t4串联，所述的第三全控开关器件t3的另一端与第一电容c1和第二电容c2的连接点相连，所述的第四全控开关器件t4的另一端与所述的不对称双子模块的直流负极相连，第一全控开关器件t1与第二全控开关器件t2的连接点和第三全控开关器件t3与第四全控开关器件t4的连接点作为不对称双子模块的端口串接在每相桥臂的电路中；

其中，n为大于2的整数，i<n的整数。

图3、图4所示分别为多电平换流器直流侧故障时直流电流、交流仿真示意图，由图可见，本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的多电平换流器直流侧在0.7s发生极间短路故障，2ms过后开关管闭锁，0.8s直流侧故障消除，系统恢复正常。发生故障时，闭锁igbt后，直流侧故障电流和交流侧电流在30ms内迅速降至零，达到了自动阻断直流故障的功能，实现了多电平换流器直流故障自愈。