一种具备双向故障电流切除能力的MMC双子模块

本发明属于新能源技术领域，应用于柔性直流输电系统，特别涉及一种具备双向故障电流切除能力的mmc双子模块。

背景技术：

随着传统资源的枯竭，可再生能源市场进一步扩大，这也对电力系统的输电水平提出了更高的要求。相比于高压交流输电技术，高压直流输电技术在稳定性及能量损耗上更具有优势，其中模块化多电平换流器(mmc)技术因为具有集成模块化、传输效率高、控制灵活等特点而被学术和工程界广泛应用。mmc适用于大功率场合，由于采用模块化的设计理念，单个子模块抵御换流器级别故障的能力不足，因此，在设计换流器时就要加强换流器对所要面对的故障的应对能力。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，进一步抑制故障电流幅值的同时尽可能节省电力的元器件，针对典型的mmc子模块故障清除能力不足的情况，本发明的目的在于提供一种具备双向故障电流切除能力的mmc双子模块——反向阻断双子模块(reverseblockeddoublesub-module，rbdsm)，不仅可提高mmc在子模块应对直流侧故障的能力，还对减少器件成本有一定的优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种具备双向故障电流切除能力的mmc双子模块，包括两个结构相同的半桥子模块hbsm1和hbsm2、一个连接电路和一个反向阻断电路，其中，所述连接电路连接于hbsm1和hbsm2之间；所述反向阻断电路与hbsm1和hbsm2并联，其负极连接双子模块的正极，正极连接双子模块的负极，起到抑制吸收反向故障大电流的作用。

所述hbsm1由全控型功率开关管t1和t2、二极管d1和d2以及电容c1组成，其中，t1的源极与d1的正极、d2的负极、t2的漏极以及双子模块的正极连接，t1的漏极与d1的负极以及c1的正极连接，c1的负极与t2的源极以及d2的正极连接；

所述hbsm2由全控型功率开关管t3和t4、二极管d3和d4以及电容c2组成，其中，t3的源极与d3的正极、d4的负极以及t4的漏极连接，t3的漏极与d3的负极以及c2的正极连接，c2的负极与t4的源极、d4的正极以及双子模块的负极连接。

所述连接电路由全控型功率开关管t5和二极管d5组成，t5的源极与d5的正极以及d2的正极连接，t5的漏极与d5的负极以及d4的负极连接，正常工作时，t5的导通方向与t1、t2、t3、t4的导通方向相反，在连接hbsm1和hbsm2的同时，起到阻止故障电流流经hbsm1和hbsm2的作用。

所述全控型功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

所述反向阻断电路由一个吸收电容c3和一个二极管d6组成，d6的负极连接mmc双子模块的正极，正极连接c3的一端，c3的另一端连接mmc双子模块的负极。

正常工作时，hbsm1和hbsm2分别采用控制和调制策略，所述调制策略使用传统hbsm模块的mmc电路调制策略。

当mmc发生直流侧故障时，t1、t2、t3、t4、t5在第一时间停止工作并保持闭锁状态，以保护电源设备；当故障电流ism从双子模块的正极流入时，c1和c2用来抑制故障电流的快速增长；当故障电流从双子模块的负极流入时，故障电流只能经过反向阻断电路，被c3阻挡并快速抑制大电流的增大。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的改进型双子模块继承了典型的双子模块的特点，模块内的两个hbsm能够单独控制，与一般的hbsm一致；增加的igbt元件只需在启动或者停机检修情况下改变控制信号，不需要额外的控制算法；而外加的反向阻断电路能够在故障大电流反向流动时及时抑制电流的增大，阻断故障电流，对高压直流输电系统的可靠安全运行有重要的意义。

附图说明

图1为本发明双子模块的拓扑结构图。

图2为本发明mmc直流侧系统的故障类型示意图。

图3为本发明mmc直流侧双极短路时电流通路示意图。

图4为本发明mmc在故障时的等效电路(ism>0)。

图5为本发明mmc在故障时的等效电路(ism<0)。

图6为本发明双端mmc系统示意图。

图7为上桥臂电压波形。

图8为三相调制波波形。

图9为直流母线电压电流波形。

图10为三相交流电压电流波形。

图11为双子模块电容电压波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明为一种具备双向故障电流切除能力的mmc双子模块——反向阻断双子模块(reverseblockeddoublesub-module，rbdsm)，如图1所示，其包括结构相同的半桥子模块hbsm1和hbsm2以及一个连接电路和一个反向阻断电路。连接电路连接于hbsm1和hbsm2之间，反向阻断电路负极连接双子模块的正极，正极连接双子模块的负极，从整体上看，反向阻断电路是与hbsm1和hbsm2并联，能够在故障大电流反向流动时及时抑制电流增大。

本发明继承了典型的双子模块的特点，可以分开，分别采用控制和调制策略，与一般的hbsm一致，传统hbsm模块的mmc电路的调制策略同样适用于使用rbdsm模块的mmc电路。

在本发明的实施例中，hbsm1由全控型功率开关管t1和t2、二极管d1和d2以及电容c1组成，其中，t1的源极与d1的正极、d2的负极、t2的漏极以及双子模块的正极连接，t1的漏极与d1的负极以及c1的正极连接，c1的负极与t2的源极以及d2的正极连接。

hbsm2由全控型功率开关管t3和t4、二极管d3和d4以及电容c2组成，其中，t3的源极与d3的正极、d4的负极以及t4的漏极连接，t3的漏极与d3的负极以及c2的正极连接，c2的负极与t4的源极、d4的正极以及双子模块的负极连接。

连接电路则由全控型功率开关管t5和二极管d5组成，t5的源极与d5的正极以及d2的正极连接，t5的漏极与d5的负极以及d4的负极连接，正常工作时，t5的导通方向与t1、t2、t3、t4的导通方向相反，在连接hbsm1和hbsm2的同时，起到阻止故障电流流经hbsm1和hbsm2的作用。

本发明实施例中，全控型功率开关管均为绝缘栅双极型晶体管。

本发明的反向阻断电路由一个吸收电容c3和一个二极管d6组成，d6的负极连接mmc双子模块的正极，正极连接c3的一端，c3的另一端连接mmc双子模块的负极。

参考表1所示，本发明双子模块的运行模式有6种。

表1运行模式

下面以直流侧的双极短路故障为例，分析本发明双子模块抑制并切断故障电流的能力。mmc-hvdc系统主要由直流电力系统、换流站和交流电力系统组成，而系统的故障保护又分为直流侧故障保护、交流侧故障保护和换流器故障保护，在直流侧系统故障保护中，根据其表现形式可分为直流母线的单极短路故障、直流母线的双极短路故障和直流母线断线故障三类。双极短路故障是最严重的一种，直流母线正负极短路会出现很大的故障电流，会严重威胁电力设备器件和换流器系统的安全。

参考图2和图3，在直流侧正极和负极直流母线短路故障时，a相和b相之间有固定的故障电流路径。故障电流ism大于零时，电流先后流过b相下桥臂、短路点以及a相上桥臂的电路；故障电流ism小于零时，电流先后经过a相上桥臂、短路点以及b相下桥臂的电路。根据三相mmc结构、双子模块的拓扑以及电路基本原理，分析得到等效电路如图4和图5所示。下面将通过对该电路进行分析，从而得到本发明能够故障清除的机理。

在故障电流大于零时，根据电路原理、mmc电路特点，有以下公式成立：

式中：udc为母线电压/kv；nsm为rbdsm数量；ucn为电容c1的参考电压/kv；m为mmc调制系数，一般不超过1；up为相电压幅值/kv；ul为线电压的幅值/kv。

当故障电流大于0时，参考表1的模式5，当mmc发生直流侧故障，t1、t2、t3、t4、t5均在第一时间停止工作并保持闭锁状态，以此护电源设备等电力电子器件。而在图4中，故障电流ism从双子模块的正极流入，双子模块内部电流从正极流向负极，直流故障电流通过每个子模块中的两个电容器(c1和c2)和三个二极管(d1、d3和d5)。根据基尔霍夫电压定律和mmc特有的电路结构，需要满足以下条件：

结合公式(2)三式并推导，那么二极管d1、d3和d5的总电压可以表示为：

显然，公式(3)表示这三个二极管承受的是反向的偏置电压，由于二极管的单向导通特性，因此二极管不能导通，从而有效抑制并切除故障电流，快速消除故障造成的影响，电容器c1和c2则可抑制故障电流的快速增长。

当故障电流小于0时，参考表1的模式6，故障电流从双子模块的负极流入，只能流过反向阻断电路，此时，满足条件：

经过求解得到：

根据公式推断，当吸收电容c3充电使得电容电压达到一定程度时，二极管d6承受的电压就会成为负电压，从而快速抑制电流增长。

通过上述推导，可知无论故障电流从正极还是负极流入双子模块，所有的全控型功率开关管都闭锁后，rbdsm都能够使得二极管上施加的电压小于0，从而依靠电力器件二极管单向导通的特性快速切除故障电流，进而清除故障。并且本发明增加的igbt元件只需在启动或者停机检修情况下改变控制信号，不需要额外的控制算法。

图6示出了为双端mmc仿真模型，该模型是由两个mmc(本发明的rbdsm是一个mmc子模块，mmc的每一相由多个子模块串联而成)、两个交流电力系统、两个启动电路以及直流母线组成。mmc的两个交流侧是电源端，该模型是通过控制换流器的有功无功功率，进而实现在两个交流电力系统之间传送功率。

系统处于稳态时，如图7和图8所示，rbdsm-mmc具有良好的稳态性能。其中a相上桥臂电压基本维持在2kv～18kv上下，保持相对稳定，三相调制波的波形接近正弦波且幅值大概为0.4，符合调制比为0.8的预期，因此，本发明双子模块能够满足正常运行要求。

系统在启动预充电阶段如图9所示，mmc交流侧的启动电路处于断开状态，限流电阻开始工作限制启动电流的幅值，此时所有的igbt由于其驱动电路电源尚未充电不能进行有效控制；在0.15秒，直流母线电压达到15kv，启动电路1开关闭合，mmc1开始处于正常运行状态；在0.3秒时，启动电路2的开关闭合，mmc2开始正常工作。之后大概在0.4秒，直流母线电压达到预先设置的20kv(直流母线额定电压)，整个换流器系统平稳运行。

rbdsm在直流侧故障条件下的表现如图10和图11所示，双端mmc系统运行到0.8秒时出现了直流侧的双极短路故障，直流母线电压瞬间下降到0，同时直流母线电流飙升到3ka。随后，控制系统快速将所有功率管断开，由于本发明双子模块的故障自清除能力，母线电流幅值在0.82秒就被限制并快速下降到0，验证了改进的rbdsm在故障时起到了保护系统的作用。同时，交流测的三相交流电源也受到了影响，在0.8秒故障刚发生时，三相电压就发生一定程度的畸变，三相电流严重畸变，经过控制系统处理，到0.825秒交流电压恢复正弦波，而交流电流则降为0，最终mmc系统成功清除了严重的短路故障电流。

本发明双子模块在整个暂态过程的表现如图11所示，rbdsm中负责输出电压的电容c1和c2在系统不可控预充电阶段结束时达到0.71ucn，在0.25秒时达到ucn，其电容电压波动很小。在0.8秒故障发生后，由于t5关闭，c1和c2的电压保持不变。同时，在0.82秒反向阻断电路的电容(c3)吸收冲击大电流达到1.05kv并保持稳定。可见，rbdsm的逆向的阻断电路对切断直流故障电流起着重要作用。

综合上述阶段，在系统启动的不控预充电阶段，由系统的启动电路对充电电流幅值进行限制，减少大电流对电力电子器件的冲击；进入稳态，rbdsm中的hbsm单独控制，不影响正常运行；故障发生后，系统迅速将所有igbt闭锁，rbdsm起到抑制故障电流的作用，故障电流受限，mmc系统成功清除故障。

综上所述，本发明针对半桥子模块存在不能抑制故障电流而全桥子模块成本较高的问题，提出了一种改进的双子模块结构——rbdsm。该双子模块在保持半桥子模块原有调制和控制策略不变的基础上，不仅能够有效抑制双向的故障电流，而且还能够使得子模块使用较低耐压要求的功率器件和较少的功率器件数量，减少换流器的建设成本。