一种具备直流故障清除能力的mmc拓扑的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构，由三个开关管、一个电容器、一个二极管和相应的导线组成。由该子模块构成的上桥臂的顶端和下桥臂的底端分别与直流正、负极母线连接，上桥臂的底端和下桥臂的顶端都经过一个桥臂电抗器接到交流母线；子模块所用开关管全部为具备自关断能力的电力电子器件。通过这种连接方式，使由该拓扑构成的MMC换流器具备直流故障清除能力，与工程上常用的具备直流故障清除能力的全桥MMC子模块拓扑相比，所用的开关管少了1/4，可应用于架空线柔性直流输电、多端柔性直流输电、直流电网等场合。
【专利说明】
一种具备直流故障清除能力的MMC拓扑
技术领域
[0001]本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种具备直流故障清除能力的MMC拓扑。
【背景技术】
[0002]模块化多电平换流器MMC是未来直流输电技术的发展方向，MMC采用子模块(Sub-module，SM)级联的方式构造换流阀，避免了大量器件的直接串联，降低了对器件一致性的要求，同时便于扩容及冗余配置。随着电平数的升高，输出波形接近正弦，能有效避开低电平VSC-HVDC的缺陷。
[0003]直流侧短路故障是目前MMC所面对的主要问题之一。实际工程中采用半桥子模块，当直流侧发生故障时，由于反并联二极管仍能为故障电流提供通路，系统近似发生三相短路，且无法通过闭锁换流器来切断故障电流，严重危害系统的安全稳定运行。同时，由于直流电流不存在过零点，熄弧困难，高压大容量直流断路器的制造工艺尚不成熟，目前仍处于实验阶段，在工程中鲜有应用。因此，清除直流侧故障只能依靠断开交流断路器来实现，但该方法动作速度慢，系统恢复时间长。
[0004]采用具有直流故障穿越能力的子模块拓扑来切断故障电流是一种行之有效的方法，但目前工程上常用的全桥型丽C子模块拓扑的开关管用量较多，成本较高，研究具有故障清除能力的子模块拓扑具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种经济的、具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构。
[0006]本发明具体的构成方式如下。
[0007]—种具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构，每个子模块由三个开关管、一个电容器、一个二极管和相应的导线组成;三个开关管串联连接，顶端接子模块电容正极，底端接子模块电容负极;前两个开关管正向连接，这里定义的正向即开通状态下电流由电容正极能够经由该开关管流出，第三个开关管反向连接，开关管由可关断电力电子器件组成，例如IGBT、IGCT等；靠近子模块电容负极的两个开关管的触发是一致的，在直流故障闭锁的时候，这两个反向连接的开关管起到强迫故障电流经由二极管给子模块电容充电的作用。
[0008]上述具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构，每一相都包含由该子模块构成的上下桥臂，上桥臂的顶端和下桥臂的底端分别与直流正、负极母线连接，上桥臂的底端和下桥臂的顶端都经过一个桥臂电抗器接到交流母线；以A相为例:A相上桥臂的第I个子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第2个子模块中靠近子模块电容正极的前两个开关管连接中点相连接，其子模块中靠近子模块电容正极的前两个开关管连接中点向上与直流母线正极相连接，其子模块电容正极向下经一个二极管与第2个子模块电容的负极相连接，负极向上经二极管与直流母线正极相连接，这里的二极管的正向导通方向与子模块电容电压正极到负极的方向相反，下面提到的二极管如无特殊说明，正向导通方向与此二极管相同；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2?AlI，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i+Ι个子模块的前两个开关管连接中点相连接，向上经一个二极管与第1-Ι个子模块的电容正极相连接，电容正极向下经一个二极管与第i+Ι个子模块电容的负极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相上桥臂的第1-Ι个子模块电容负极相连接;A相上桥臂的第Λ个子模块，其子模块电容负极向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂的第I个子模块的前两个开关管连接中点相连接，向上经一个二极管与第AlI个子模块的电容正极相连接，正极向下经二极管与下桥臂第一个子模块电容的负极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相上桥臂的第^ I个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2?，其子模块电容负极向下与A相下桥臂的第i+Ι个子模块的前两个开关管连接中点相连接，向上经一个二极管与第1-Ι个子模块电容正极相连接，正极向下经一个二极管与第i+Ι个子模块电容的负极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相下桥臂的第I个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第#个子模块，其子模块电容负极向下与直流母线负极相连接，向上经二极管与第个子模块的电容正极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相下桥臂的第个子模块电容负极相连接;B相、C相的连接方式与A相相同。
【附图说明】
[0009]图1是具备直流故障清除能力的MMC子模块拓扑。
[0010]图2是具备直流故障清除能力的MMC换流器结构。
【具体实施方式】
[0011]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0012]参考图1，每个子模块由三个开关管、一个电容器、一个二极管和相应的导线组成；三个开关管串联连接，顶端接子模块电容正极，底端接子模块电容负极;前两个开关管正向连接，这里定义的正向即开通状态下电流由电容正极能够经由该开关管流出，第三个开关管反向连接，开关管由可关断电力电子器件组成，例如IGBT、IGCT等；靠近子模块电容负极的两个开关管的触发是一致的，在直流故障闭锁的时候，这两个反向连接的开关管起到强迫故障电流经由二极管给子模块电容充电的作用，导通第一个开关管，关断第二、三个开关管即投入状态;关断第一个开关管，导通第二、三个开关管即切除状态，所有开关管关断即闭锁状态。
[0013]由图2构成的具备直流故障清除能力的MMC换流器结构，系统短路故障发生时，闭锁所有开关管，正向或反向的故障电流都只能通过开关管反并联的二极管或者附加的二极管对子模块电容进行充电，从而起到切断故障电流的作用。
[0014]最后应当说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
【主权项】
1.一种具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构，其特征在于，每个子模块由三个开关管、一个电容器、一个二极管和相应的导线组成;三个开关管串联连接，顶端接子模块电容正极，底端接子模块电容负极;前两个开关管正向连接，这里定义的正向即开通状态下电流由电容正极能够经由该开关管流出，第三个开关管反向连接，开关管由可关断电力电子器件组成，例如IGBT、IGCT等。2.一种具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构，其特征在于，靠近子模块电容负极的两个开关管的触发是一致的，在直流故障闭锁的时候，这两个反向连接的开关管起到强迫故障电流经由二极管给子模块电容充电的作用。3.—种具备直流故障清除能力的MMC拓扑结构，其特征在于，每一相都包含由该子模块构成的上下桥臂，上桥臂的顶端和下桥臂的底端分别与直流正、负极母线连接，上桥臂的底端和下桥臂的顶端都经过一个桥臂电抗器接到交流母线；以A相为例:A相上桥臂的第I个子模块，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第2个子模块中靠近子模块电容正极的前两个开关管连接中点相连接，其子模块中靠近子模块电容正极的前两个开关管连接中点向上与直流母线正极相连接，其子模块电容正极向下经一个二极管与第2个子模块电容的负极相连接，负极向上经二极管与直流母线正极相连接，这里的二极管的正向导通方向与子模块电容电压正极到负极的方向相反，下面提到的二极管如无特殊说明，正向导通方向与此二极管相同；A相上桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2?11，其子模块电容负极向下与A相上桥臂的第i+Ι个子模块的前两个开关管连接中点相连接，向上经一个二极管与第1-Ι个子模块的电容正极相连接，电容正极向下经一个二极管与第i+Ι个子模块电容的负极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相上桥臂的第1-Ι个子模块电容负极相连接;A相上桥臂的第Λ个子模块，其子模块电容负极向下经两个桥臂电抗器与A相下桥臂的第I个子模块的前两个开关管连接中点相连接，向上经一个二极管与第个子模块的电容正极相连接，正极向下经二极管与下桥臂第一个子模块电容的负极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相上桥臂的第个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第i个子模块，其中i的取值为2?AlI，其子模块电容负极向下与A相下桥臂的第i+1个子模块的前两个开关管连接中点相连接，向上经一个二极管与第1-Ι个子模块电容正极相连接，正极向下经一个二极管与第i+Ι个子模块电容的负极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相下桥臂的第1-Ι个子模块电容负极相连接;A相下桥臂的第Λ个子模块，其子模块电容负极向下与直流母线负极相连接，向上经二极管与第AlI个子模块的电容正极相连接，其子模块的前两个开关管连接中点向上与A相下桥臂的第Il个子模块电容负极相连接;B相、C相的连接方式与A相相同。
【文档编号】H02M7/797GK106058824SQ201610354630
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】赵成勇, 李帅, 许建中, 刘航
【申请人】华北电力大学