一种具备直流侧故障清除能力的桥式MMC子模块拓扑及其调制方法

一种具备直流侧故障清除能力的桥式mmc子模块拓扑及其调制方法
技术领域
1.本发明属于高压直流输电领域，具体涉及一种具备直流侧故障清除能力的桥式mmc子模块拓扑及其调制方法。


背景技术：

2.随着高压柔性直流输电技术的发展，基于模块化多电平换流器的高电压直流输电系统逐渐成为未来学术研究重点方向。多电平变换器相对于传统的两电平、三电平电压变换器，具有控制方式灵活、输出电压谐波含量低、高故障容错率、效率高等优势。目前，mmc的主要研究方向包括换流器及其子模块的拓扑，故障保护，系统控制策略，电容电压均衡策略等。由于柔性直流输电系统中往往含有大量的电力电子设备，当mmc-hvdc系统直流线路发生故障时，对电力电子器件造成不可逆的损坏，且严重的过电流冲击会给整个系统的安全性带来极大挑战。
3.对于目前应用广泛的半桥子模块构成的mmc柔性直流输电系统，在发生故障闭锁时，其内部续流二极管仍可以为故障电流提供导通回路，并不具备直流侧故障清除的能力，只能通过交流断路器对系统进行保护，但其动作时间长，故障清除后系统恢复缓慢等特点使其并不能成为系统故障保护的重要手段。
4.综上所述，利用mmc子模块自身特点进行故障电流清除,从而在经济可行的基础上减少对系统的损害，逐渐成为一种有效的mmc直流侧故障电流解决方式。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提出了一种具有直流故障自清除能力的桥式mmc子模块拓扑及其调制方法，用以进行直流侧故障电流的自清除。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种具备直流侧故障自清除能力的桥式mmc子模块拓扑，包括桥式开关单元和双向开关单元，所述桥式开关单元和双向开关单元共同接入正极输入端口与负极输出端口之间，通过连接电路并联；
8.所述桥式开关单元包括绝缘栅双极型晶体管t1和绝缘栅双极型晶体管t2、二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4、电容c；绝缘栅双极型晶体管t1与二极管d1反并联，绝缘栅双极型晶体管t1发射级与二极管d1阳极相连，绝缘栅双极型晶体管t2与二极管d2反并联，绝缘栅双极型晶体管t2发射级与二极管d2阳极相连，二极管d1与二极管d4阴极共同连接在电容c正极，二极管d2与二极管d3阳极共同连接在电容c负极，二极管d1阳极与二极管d3阴极连接在电压正极输入端口，二极管d4阴极与二极管d2阳极连接在电压负极输出端口；
9.所述双向开关单元包括绝缘栅双极型晶体管t3和绝缘栅双极型晶体管t4；绝缘栅双极型晶体管t3与绝缘栅双极型晶体管t4反并联共同接入到电路中，绝缘栅双极型晶体管t3集电极与绝缘栅双极型晶体管t4发射极连接在电压正极输入端口，绝缘栅双极型晶体管
t3发射极与绝缘栅双极型晶体管t4集电极连接在电压负极输出端口。
10.进一步地，子模块电容c为电解电容。
11.进一步地，所述子模块拓扑的正极输入端口与负极输出端口的电压差为子模块的输出电压。
12.本发明还提供一种具备直流侧故障自清除能力的桥式mmc子模块拓扑的调制方法，所述桥式mmc子模块拓扑具有2种工作模式：正常运行模式和故障发生时闭锁模式；根据绝缘栅双极型晶体管t1、绝缘栅双极型晶体管t2、绝缘栅双极型晶体管t3和绝缘栅双极型晶体管t4的轮流开断，子模块输出零电压或一倍电压，分别进行两种工作模式，保证直流电压的恒定和直流功率的稳定。
13.进一步地，所述绝缘栅双极型晶体管t1、绝缘栅双极型晶体管t2导通，绝缘栅双极型晶体管t3、绝缘栅双极型晶体管t4关断时，输出一倍电压；所述绝缘栅双极型晶体管t3和绝缘栅双极型晶体管t4导通，绝缘栅双极型晶体管t1和绝缘栅双极型晶体管t2关断时，输出零电压。
14.综上所述，本发明方案带来的有益效果为：
15.1、本发明利用桥式子模块的二极管的反向截止特性，拥有清除直流故障的能力，具有快速清除正反向直流故障的优点；
16.2、本发明控制手段与传统半桥mmc相同，具有减少系统控制成本的优点。
附图说明
17.图1为本发明的具备直流侧故障清除能力的桥式mmc子模块拓扑结构图；
18.图2为本发明用于展示一种具备直流侧故障自清除能力的桥式mmc子模块拓扑的工作状态的示意图；
19.图3为本发明子模块拓扑在正常条件下投入系统的电流通路电路图；
20.图4为本发明子模块拓扑在正常条件下切除系统的电流通路电路图；
21.图5为本发明子模块拓扑在故障条件下电流从正极流入的电流通路的电路图；
22.图6为本发明子模块拓扑在故障条件下电流从负极流入的电流通路的电路图；
23.图7为本发明子模块拓扑用于展示在发生永久双极短路故障后直流电流图；
24.图8为本发明子模块拓扑用于展示在发生永久双极短路故障后直流电压图；
25.图9为本发明子模块拓扑用于展示在发生永久双极短路故障后子模块电压图。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
27.下面将结合附图1至附图9，对本发明的具体实施方法作进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
28.如图1所示，本发明的一种具备直流侧故障自清除能力的桥式mmc子模块拓扑包括桥式开关单元和双向开关单元，所述桥式开关单元和双向开关单元共同接入正极输入端口
与负极输出端口之间，通过连接电路并联。所述桥式开关单元包括绝缘栅双极型晶体管t1和绝缘栅双极型晶体管t2、二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4、电容c；绝缘栅双极型晶体管t1与二极管d1反并联，绝缘栅双极型晶体管t1发射级与二极管d1阳极相连，绝缘栅双极型晶体管t2与二极管d2反并联，绝缘栅双极型晶体管t2发射级与二极管d2阳极相连，二极管d1与二极管d4阴极共同连接在电容c正极，二极管d2与二极管d3阳极共同连接在电容c负极，二极管d1阳极与二极管d3阴极连接在电压正极输入端口，二极管d4阴极与二极管d2阳极连接在电压负极输出端口。所述双向开关单元包括绝缘栅双极型晶体管t3和绝缘栅双极型晶体管t4；绝缘栅双极型晶体管t3与绝缘栅双极型晶体管t4反并联共同接入到电路中，绝缘栅双极型晶体管t3集电极与绝缘栅双极型晶体管t4发射极连接在电压正极输入端口，绝缘栅双极型晶体管t3发射极与绝缘栅双极型晶体管t4集电极连接在电压负极输出端口。uc为每个子模块中的一个电容的额定电压，u
sm
为子模块的输出电压，i
sm
为子模块电流。
29.如图1，图2所示，绝缘栅双极型晶体管t1、绝缘栅双极型晶体管t2导通，绝缘栅双极型晶体管t3、绝缘栅双极型晶体管t4关断时输出一倍电压；绝缘栅双极型晶体管t3和第四绝缘栅双极型晶体管t4导通，绝缘栅双极型晶体管t1和绝缘栅双极型晶体管t2关断时输出零电压；当所有绝缘栅双极型晶体管关断时，子模块处于阻塞状态。
30.如图3，图4所示，绝缘栅双极型晶体管t1、绝缘栅双极型晶体管t2导通，绝缘栅双极型晶体管t3、绝缘栅双极型晶体管t4关断时，子模块处于投入状态，如图3所示；绝缘栅双极型晶体管t3和绝缘栅双极型晶体管t4导通，其余绝缘栅双极型晶体管关断时，子模块处于切除状态，如图4所示。
31.如图5，图6所示，当子模块电流i
sm
＞0时，本发明的子模块拓扑的电容充电路径如图5所示。
32.故障电流在子模块中的流向如图5中虚线箭头方向所示，故障电流通过二极管d1、二极管d2对电容c进行充电，即：
33.u
sm
＝ucꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.式中，uc为每个子模块中的一个电容的额定电压，u
sm
为子模块的输出电压。
35.由图5可知，每个桥臂故障电流充电回路由2n个二极管d1、二极管d2和串联的电容c组成，根据基尔霍夫电压定律可得：
36.u
bc
(t)＝2n[u
d1
(t)+u
d2
(t)+uc(t)]-ur(t)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0037]
其中，u
bc
为交流系统中b相和c相的线路电压，ur为极间短路故障发生后直流侧正负极之间的剩余电压，u
d1
和u
d2
分别是二极管d1、二极管d2的导通电压，t代表时间，n代表子模块个数。
[0038]
又因为直流侧电压u
dc
为：
[0039]udc
＝nucꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0040]
则可得：
[0041][0042]
在mmc系统正常运行时，交流系统电压和直流系统电压应满足：
[0043][0044]
其中，u
l-l
和u
p
分别为交流系统的线电压和相电压，m为调制度(m＜1)。且交流系统中b相和c相的线路电压与直流侧电压关系为：
[0045][0046]
结合公式(3)、(4)可得：
[0047]ud1
(t)+u
d2
(t)＜0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0048]
根据上式(7)可以看出当子模块闭锁后回路二极管会承受反向电压而截止，阻断交流测向直流故障点注入能量。且这种阻断与子模块投入数量n无关，因此本发明所提出的mmc子模块在子模块电流i
sm
＞0时可以实现直流侧故障的自清除。
[0049]
如图6所示，当子模块电流i
sm
＜0时，故障电流流向如图6所示。故障电流如图中虚线箭头方向所示。分析方式与子模块电流i
sm
＞0时类似，可以发现当子模块电流i
sm
＜0时，本发明所提出的子模块同样具有直流侧故障清除的能力。
[0050]
本发明本实施例用于验证一种具备直流侧故障自清除能力的桥式mmc子模块拓扑的直流故障清除能力。
[0051]
在matlab/simulink中搭建了2mwa/
±
8kv的单端mmc换流器仿真模型，分析了直流输电系统中最严重的直流极间短路故障。采用半桥子模块的控制方法和子模块电压均衡控制策略，系统稳定运行后2.5s时发生永久性极间短路故障，0.1ms后系统所有子模块igbt闭锁。
[0052]
如图7，图8，图9所示，系统稳定后2.5s发生故障，在子模块闭锁前交流侧通过mmc换流器系统向故障点注入能量，直流侧电流迅速升高。直流侧电流如图7所示，0.1ms后系统所有子模块igbt闭锁，通过子模块特有结构使二极管反向截止，直流电流迅速衰减至零。直流侧电压如图8所示，在igbt闭锁后直流侧电压也迅速跌落至0kv。各子模块电压如图9所示，故障电流被切断后各子模块电压维持在2kv左右，有利于故障清除后系统的快速重启。
[0053]
以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。