一种具有直流故障抑制和均压功能的复合型双子模块拓扑

本发明属于多电平电力电子变换器，具体涉及利用一种由全控和不控器件构成箝位电路设计出具备直流侧故障电流抑制和电容电压自均衡能力的功能复合型双子模块拓扑及其控制策略。

背景技术：

1、当mmc-hvdc(high voltage dc transmission system based on modularmultilevel converter)系统直流线路发生短路故障时，会出现过电流现象，容易对子模块中成本高、过流能力较弱的igbt造成损坏，因此如何处理直流侧短路故障，是mmc-hvdc面临的一个技术难题。在实际工程中mmc普遍采用典型半桥型子模块拓扑，由于二极管与igbt反向并联，使得闭锁后的换流器成为不控整流桥，该子模块拓扑不具有直流电流阻断能力，无论是永久性故障还是瞬时故障，都很难限制短路电流，严重影响系统安全运行。采用直流断路器实现故障电流阻断和清除是一种较为理想的技术手段，但是在开发高压大容量直流断路器时仍面临着诸多问题和困难。为了避免直流侧故障造成危害，一种可行方案是是采用具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器拓扑。该技术方案通过对子模块拓扑进行重新设计，使其具有直流短路故障抑制能力，保证直流输电系统可靠且安全运行。

2、为了应对直流侧可能发生的短路故障，国内外学者研究了多种具有直流故障抑制能力的阻断型mmc子模块拓扑。阻断型子模块拓扑根据其输出电平数量可以分为以下两类：单子模块以及双子模块拓扑。单子模块包括全桥子模块(full-bridge sub-module，fbsm)、箝位型单子模块(clamped single sub-module，cssm)、非对称箝位单子模块(asymmetrical clamped single sub-module，acssm)以及非对称全桥子模块(asymmetrical full-bridge sub-module，afbsm)。虽然fbsm可以阻断直流侧故障电流，但fbsm相对半桥拓扑成本较高，经济性较差。cssm是基于fbsm的拓扑变化，当fbsm中的一个开关总是处于导通状态时，同一桥臂中的另一个开关可以转换成二极管，作为故障电流转移支路。acssm拓扑可以通过采用低压器件来降低成本，但是无法解决两个电容电压均衡问题。afbsm子模块拓扑继承了acssm的优点，能够解决acssm电压不平衡问题，具有直流故障电流清除能力并且成本较低，但需要考虑额外电压平衡状态。双子模块拓扑包括复合器件双子模块(devices-complexed-double sub-module，dcdsm)、串联连接双子模块(series-connected-double sub-module，scdsm)以及交叉连接双子模块(cross-connected-doublesub-module，ccdsm)。复合器件双子模块包括箝位型双子模块(clamp-double sub-module，cdsm)和全桥双子模块(full-bridge-double sub-module，fbdsm)。cdsm包括2个hbsm和箝位回路，可以等效为2个hbsm串联工作。fbdsm使用器件较多，成本较高。scdsm与ccdsm有着相似的功能，scdsm被视作ccdsm的简化拓扑，其单位电平所需器件数量同样优于fbsm。scdsm与ccdsm都具有故障电流的双向阻断能力，且在结构上不存在耦合性，控制相对简单。虽然这些子模块拓扑都具有直流故障阻断能力，但是也存在子模块内部电容不均衡充电问题，单位电平所需功率器件数量较多以及往往采用闭锁模式实现故障电流抑制，导致系统重新启动缓慢。

技术实现思路

1、为解决mmc-hvdc高压直流输电直流侧短路故障抑制问题，设计一种功能复合型双子模块拓扑，在不增加功率器件电压应力和功率器件数量的基础上实现直流故障抑制和内部电容均衡充电；同时针对闭锁模式可能带来的电容电压发散问题研究其非闭锁直流故障抑制策略和改进均压控制策略，可解决当前自阻型拓扑长期闭锁和不均衡充电导致的电容电压发散问题，同时也可降低排序均压算法计算量，减少电压传感器数量。

2、功能复合型双子模块拓扑。本发明借助子模块内储能电容充电效应，闭锁后当桥臂电容等效直流电压大于阀侧交流电压幅值时，续流二极管可靠截止，充电结束，桥臂电流降低为零，实现故障抑制。如图1所示，功能复合型双子模块拓扑共由6个igbt，两个箝位二极管d6、d7和两个储能电容构成，正常工作可等效为两个半桥子模块串联，具有0、1、2电平独立输出特性，不影响当前控制策略。

3、闭锁抑制。功能复合型双子模块拓扑闭锁后路径如图2所示。在桥臂电流大于零时，电容c1、c2处于串联充电状态；而当桥臂电流小于零时，电容c1、c2处于并联充电状态，可提供桥臂直流电压，偏置与igbt反并联续流二极管，截止故障电流。

4、自均压控制与排序电容电压均衡。功能复合型双子模块拓扑均压路径如图3所示。在不增加额外功率器件基础上，子模块内部两个电容在均压逻辑控制下能够自动保持彼此之间的电压均衡。在此基础上可以将参与电容电压排序均衡的电容电压数量降低一半。自均压和排序均衡控制逻辑如图4所示。

5、非闭锁故障抑制策略。如图5所示，在交流系统向直流短路点馈入电流ij为零前提下，上、下桥臂电流ij1 ij2具有单向变化特性且相等，上、下桥臂可以输出正、负电平。通过调制策略使上、下桥臂子模块输出电压和为零，从而桥臂转换为无源电路。当桥臂电抗中储存能量被完全耗散掉，桥臂电流、直流电流为零，实现非闭锁抑制。

6、本发明提供了具有直流故障抑制和内部电容自均压能力的功能复合型双子模块拓扑，该子模块拓扑通过全控和不控箝位电路实现子模块正常工作期间多电平输出，降低单位电平所需功率器件数量，不需要修改现有控制策略。同时与现有各种直流故障电流阻断型拓扑相比，该拓扑在不增加额外器件前提下还实现子模块内部电容自均压功能，解决混合拓扑中电容不均衡充电问题，且具有闭锁和非闭锁直流故障电流抑制功能。

技术特征：

1.一种解决直流侧故障电流抑制和电容自均压问题的功能复合型双子模块拓扑及其非闭锁控制方法，其特征是：通过闭锁后对电容充电实现直流侧故障电流的闭锁抑制，利用电容并联连接实现电容间电压的自均压功能，基于桥臂电流方向约束，通过调整上、下桥臂输出子模块数量及其电平极性实现直流侧故障电流非闭锁抑制。

2.根据权利1的要求，所述功能复合型双子模块拓扑结构包括，实现闭锁后电容充电和正常运行均压功能的箝位电路和均压控制逻辑。

3.根据权利1的要求，自均压控制逻辑主要包括根据输出电平数量约束分配触发脉冲实现均压控制算法。

技术总结
本发明公开了一种适用于高压直流输电技术领域和电能变换领域的模块化多电平换流器功能复合型子模块拓扑。其技术方案是，在不增加功率器件数量和电压应力前提下，以闭锁后电容充电为设计约束，同时兼顾自均压要求设计具有直流故障抑制及自均压功能的功能复合型双子模块拓扑。本发明可应用于模块化多电平电压源换流器中，实现直流侧故障电流闭锁和非闭锁抑制功能，避免混合拓扑闭锁期间内部电容不均衡充电问题和长时间闭锁可能导致的电容电压发散问题，并解决子模块数量过多给均压控制带来的复杂性问题。

技术研发人员：李晓远,张建坡,吴云锐
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15