换流阀子模块单元、模块化多电平换流器及其控制方法与流程

本发明属于柔性直流输电领域，特别涉及一种具有故障电流切断能力的换流阀子模块单元，及以其为基本单元组成的模块化多电平换流器，以及所述模块化多电平换流器的控制方法。

背景技术：

柔性直流输电技术可应用于分布式可再生能源并网、海岛及城市负荷密集区供电。基于全控型电力电子开关器件的电压源型模块化多电平换流器在柔性直流输电领域有着广泛的应用。

模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，mmc)通过若干个换流阀子模块单元级联实现高电压输出，不需要开关器件的直接级联，对器件一致触发要求低，此外还具有扩展性好、开关频率低、运行损耗低、输出电压波形质量高等诸多优点，但由于柔性直流输电网络的低阻尼特性导致系统发生短路故障时，故障初期电流上升率达到数千安每毫秒级别，交流断路器几十毫秒的分断速度，会使直流网络中换流器等关键装备承受苛刻的电气应力，降低了设备运行的安全性，此外鉴于目前高压大容量直流断路器技术还没有取得突破，亦无法快速切断故障电流，这就要求在直流系统发生短路时换流器本身能够快速可靠的闭锁保护以实现短路电流的清除，而目前常用的基于半桥结构的模块化多电平换流阀子模块由于全控型开关器件反并联续流二极管的存在，在直流侧故障时，通常无法采用控制或者闭锁换流器的方法来限制短路电流，一般只能通过断开交流侧断路器来分断故障电流，导致了系统故障后无法实现快速恢复。

鉴于以上分析，本发明人提出一种能够在系统故障时，通过全控型开关器件闭锁快速切断故障电流回路的换流阀子模块单元，以及此结构子模块单元构成的模块化多电平换流器。

技术实现要素：

本发明的目的，在于提供一种换流阀子模块单元、模块化多电平换流器及其控制方法，其可在系统发生直流短路故障时通过自身全控型开关器件闭锁迅速切断故障电流回路，实现对换流站设备的保护，并且有利于系统故障切除后实现快速恢复启动。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种换流阀子模块单元，包括至少一个直流支撑电容、均压电阻、三个全控型开关模块、三个二极管、旁路开关和二次控制保护单元，其中，均压电阻与所有直流支撑电容相互并联；

第一全控型开关模块正端与电容正端相联，第一全控型开关模块负端连接于第二全控型开关模块负端，此连接点作为换流阀子单元输出端中的第一端；第二全控型开关模块正端连接第二二极管的阴极；第三二极管的阳极连接第二全控型开关模块的负端，第三二极管的阴极连接第三全控型开关模块的正端；电容负端与第二二极管的阳极及第三全控型开关模块的负端连接，此连接点作为换流阀子单元输出端中的第二端；

旁路开关两端并联在换流阀子模块单元输出端；

二次控制保护单元分别连接第一、第二、第三全控型开关模块的控制端和旁路开关的控制端。

上述全控型开关模块包括全控型开关器件及与其反并联的二极管，其中，全控型开关器件的正极与反并联二极管的阴极相连端子定义为全控型开关模块的正端；全控型开关器件的负极与反并联二极管的阳极相连端子定义为全控型开关模块的负端。

上述全控型开关器件采用igbt，以igbt的集电极作为所述全控型开关器件正极，以igbt的发射极作为所述全控型开关器件的负极。

上述全控型开关器件采用mosfet，以mosfet的源极作为所述全控型开关器件正极，以mosfet的漏极作为所述全控型开关器件负极。

上述全控型开关器件采用igct，以igct的阳极作为所述全控型开关器件正极，以igct的阴极作为所述全控型开关器件负极。

一种由如前所述的换流阀子模块为基本单元组成的模块化多电平换流器，包含若干个换流阀子模块单元，将一个换流阀子模块单元的第一端与另一个换流阀子模块单元的第二端同向顺序级联组成模块化多电平换流器。

一种模块化多电平换流器的控制方法，实现其如下五种工作状态：

正向电流充电状态：第一至第三全控型开关模块均关闭，第一二极管导通，直流支撑电容充电；

正向电流旁路状态：第一全控型开关模块关闭，第二全控型开关模块关闭，第三全控型开关模块开通，第三二极管导通，直流支撑电容无电流流过；

负向电流放电状态：第一全控型开关模块开通，第二全控型开关模块关闭，第三全控型开关模块关闭，直流支撑电容放电；

负向电流旁路状态：第一全控型开关模块闭，第二全控型开关模块开通，第三全控型开关模块关闭，第二二极管导通，直流支撑电容无电流流过；

故障旁路状态：子模块单元内部发生故障时，旁路开关闭合，电流从旁路开关流过，子模块单元内部的二次控制保护单元全部停止运行。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)直流系统发生故障时，将第一、第二、第三全控型开关器件闭锁，切断故障电流回路，保护了换流站设备，并且不需要跳开交流侧断路器，有利于系统故障切除后快速重启动。

(2)换流阀子模块单元输出端并联旁路开关，在子模块单元故障时，旁路开关闭合，将故障子模块旁路，不会影响整个换流器的工作，实现了故障冗余，提高了运行可靠性。

附图说明

图1是本发明一种换流阀子模块单元的电气原理图；

图2是本发明一种换流阀子模块单元在正向电流下的充电工况示意图；

图3是本发明一种换流阀子模块单元在正向电流下的旁路工况示意图；

图4是本发明一种换流阀子模块单元在负向电流下的放电工况示意图；

图5是本发明一种换流阀子模块单元在负向电流下的旁路工况示意图；

图6是本发明一种换流阀子模块单元在故障时的旁路工况示意图；

图7是本发明一种模块化多电平换流器的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种换流阀子模块单元，多个子模块单元同向顺序级联可以构成模块化多电平换流器，通过子模块级联个数的调整可以满足不同电压等级、不同功率输送容量的要求。

如图1所示，所述换流阀子模块单元包括至少一个直流支撑电容c1～cn、均压电阻r1、第一全控型开关器件t1、第二全控型开关器件t2、第三全控型开关器件t3、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3，旁路开关k和二次控制保护单元kz，其中，n为自然数，当n>1时，所述直流支撑电容相互同向并联连接，形成的并联电容组再与均压电阻r1并联。

第一全控型开关器件t1的正极及其反并联二极管d1的阴极与电容正端相联，第一全控型开关器件t1的负极连接于第二全控型开关器件t2的负极，此连接点作为换流阀子模块单元输出端中的第一端；第二全控型开关器件t2的正极连接第二二极管d2的阴极；第三二极管d3的阳极连接第二全控型开关器件t2的负极，第三二极管d3的阴极连接第三全控型开关器件t3的正极；电容负端与第二二极管d2的阳极及第三全控型开关器件t3的负极连接，此连接点作为换流阀子模块单元输出端中的第二端。

旁路开关k的两端并联在换流阀子模块单元的输出端。

二次控制保护单元kz分别连接第一全控型开关器件t1、第二全控型开关器件t2、第三全控型开关器件t3的控制端和旁路开关k的控制端，用于实时控制第一、第二、第三全控型开关器件的导通和关断及旁路开关k的闭合分断，并且可以实现对子模块单元构成元器件的监测和保护。

在直流系统发生故障时，二次控制保护单元kz下发闭锁控制命令，第一全控型开关器件t1、第二全控型开关器件t2、第三全控型开关器件t3全部闭锁，将切断故障电流回路，保护了换流站设备，并且有利于系统故障切除后实现快速恢复启动。此外换流阀子模块单元输出端并联旁路开关k，在子模块单元故障时，旁路开关k闭合，将故障子模块旁路，不会影响整个换流器的工作，实现了故障冗余，提高了运行可靠性。

其中，第一/二/三全控型开关器件及与其反并联的第一/二/三二极管可以组成全控型开关模块，全控型开关器件的正极与反并联二极管的阴极相连端子定义为全控型开关模块的正端，全控型开关器件的负极与反并联二极管的阳极相连端子定义为全控型开关模块的负端。

所述第一、第二、第三全控型开关器件可以为igbt，以igbt的集电极作为所述全控型开关器件正极，以igbt的发射极作为所述全控型开关器件的负极；或者，所述第一、第二、第三全控型开关器件可以为mosfet，以mosfet的源极作为所述全控型开关器件正极，以mosfet的漏极作为所述全控型开关器件负极；或者，所述第一、第二、第三全控型开关器件可以为igct，以igct的阳极作为所述全控型开关器件正极，以igct的阴极作为所述全控型开关器件负极。

如图7所示，是本发明一种模块化多电平换流器的示意图，包含若干个前述换流阀子模块单元，在每个换流阀子模块单元中，定义所述子模块单元的第一全控型开关器件t1负极与第二全控型开关器件t2负极的连接点作为换流阀子模块单元输出端中的第一端，定义所述支撑电容的负极引出作为该换流阀子模块单元的第二端，将一个换流阀子模块单元输出端的第一端与另一个换流阀子模块的单元输出端的第二端同向顺序级联组成模块化多电平换流器。

本发明还提供一种模块化多电平换流器的控制方法，实现其如下五种工作状态：

(1)正向电流充电状态：如图2所示，t1，t2，t3关闭，第一二极管d1导通，直流支撑电容充电；

(2)正向电流旁路状态：如图3所示，t1关闭，t2关闭，t3开通，第三二极管d3导通，直流支撑电容无电流流过；

(3)负向电流放电状态：如图4所示，t1开通，t2关闭，t3关闭，直流支撑电容放电；

(4)负向电流旁路状态：如图5所示，t1关闭，t2开通，t3关闭，第二二极管d2导通，直流支撑电容无电流流过；

(5)故障旁路状态：如图6所示，子模块单元内部发生故障时，旁路开关k闭合，电流从旁路开关k流过，子模块单元内部的二次控制保护单元全部停止运行。

采用该方案的换流阀子模块单元，在直流系统发生故障后，t1、t2和t3的驱动信号闭锁，故障电流通路迅速被切断。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。