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CN109256969A - 一种新型t型子模块及其拓扑结构 - Google Patents

一种新型t型子模块及其拓扑结构 Download PDF

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CN109256969A
CN109256969A CN201810960732.3A CN201810960732A CN109256969A CN 109256969 A CN109256969 A CN 109256969A CN 201810960732 A CN201810960732 A CN 201810960732A CN 109256969 A CN109256969 A CN 109256969A
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China
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igbt
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庄俊
李官军
杨波
陶以彬
周晨
南国良
宋宁希
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State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
State Grid Henan Electric Power Co Ltd
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State Grid Corp of China SGCC
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
State Grid Henan Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种新型T型子模块及其拓扑结构，所述T型子模块包括：第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第一RB‑IGBT、第二RB‑IGBT、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和第一电容以及第二电容，本发明提供的具有直流故障阻断能力的T型子模块，在利用较少开关器件的情况下提高了拓扑结构的故障电流闭锁能力。

Description

一种新型T型子模块及其拓扑结构
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种应用于模块化多电平换流器的新型T型子模块及其拓扑结构。
背景技术
柔性直流输电技术是新一代的电能输送技术，目前已相继在部分国家得到了推广和应用，其中，基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)是柔性直流输电技术中重要组成。
目前，所有柔性直流输电中MMC子模块均采用半桥型子模块(Half-Bridge Sub-Module,HBSM)拓扑结构，但是，当MMC在发生双极短路故障时，在正电流方向下，半桥型子模块(HBSM)电容充电，可提供一个反向电动势来阻断故障电流，但是在负电流方向下，半桥型子模块(HBSM)的下桥臂IGBT反并联的二极管为故障电流提供通路，此时系统不具备故障电流阻断能力，危害了系统的安全，影响了系统的供电可靠性。
另一方面，拓扑结构中，基于半桥型子模块(HBSM)的基础上，配合使用交流断路器可以用来阻断直流侧的故障，然而交流断路器存在机械开关相应速度慢的问题且此技术尚不成熟。
目前，已有学者提出采用全桥型子模块(Full-Bridge Sub-Module,FBSM)或箝位型双子模块(Clamped-Dual Sub-Module,CDSM)来实现故障电流的闭锁。相比于基于半桥型子模块(HBSM)的拓扑结构，基于全桥型子模块(FBSM)的拓扑结构的故障闭锁能力最强，但是开关的数量增加了一倍，基于箝位型双子模块(CDSM)的拓扑结构的开关数量相比于基于全桥型子模块(FBSM)的拓扑结构相对较少，但是，基于箝位型双子模块(CDSM)的拓扑结构的电容利用率不高，闭锁能力较差。
发明内容
本发明提供一种基于T型子模块的拓扑结构，其目的是提高拓扑结构的闭锁能力且使用的开关器件大幅减少，降低投资成本。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种含新型T型子模块的拓扑结构，其改进之处在于，
第一IGBT(S1)、第二IGBT(S2)、第三IGBT(S3)、第一RB-IGBT(S4)、第二RB-IGBT(S5)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和第一电容(C1)以及第二电容(C2)；
所述第一电容(C1)的正极分别与所述第一IGBT(S1)的集电极、所述第二IGBT(S2)的集电极和所述第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的负极连接，所述第一电容(C1)的负极与所述第一RB-IGBT(S4)的发射极连接，所述第二电容(C2)的正极与所述第一RB-IGBT(S4)的发射极连接，所述第二电容(C2)的负极分别与所述第三IGBT(S3)的发射极、所述第四二极管(D4)的正极、第三二极管(D3)的正极连接，所述第一RB-IGBT(S4)与所述第二RB-IGBT(S5)反向并联，所述第二IGBT(S2)的发射极分别与所述第一RB-IGBT(S4)的集电极连接，所述第三IGBT(S3)的集电极、所述第一RB-IGBT(S4)的集电极、所述第四二极管(D4)的正极均与所述T型子模块负极输出连接，所述第一IGBT(S1)的发射极、所述第一二极管(D1)的正极、所述第四二极管(D4)的负极均与所述T型子模块正极输出连接。
优选的，当所述桥臂电流为正时，则桥臂上的T型子模块输出的反向箝位电压为所述第一电容的电压的2倍；
当桥臂电流为负时，则桥臂上的T型子模块输出的反向箝位电压为所述第一电容的电压的-2倍。
优选的，当母线直流侧发生短路故障时，所述T型子模块中第一电容(C1)和第二电容(C2)均被充电，当所述T型子模块中第一电容(C1)和第二电容(C2)的串联总电压超过交流侧母线线电压的幅值时，所述T型子模块中所有二极管反向截止。
一种基于所述的T型子模块的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由三组并联单元组成，每组单元由两个串联的桥臂组成；
两个串联的桥臂间的连接点作为交流侧母线接入端；
其中，两个串联的桥臂中至少一个桥臂包括所述T型子模块。
进一步的，所述桥臂由n个串联的T型子模块和桥臂电抗串联组成。
进一步的，所述两个串联的桥臂为串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂由n个串联的T型子模块和桥臂电抗串联组成，所述下桥臂由n个串联的半桥型子模块和桥臂电抗串联组成。
进一步的，所述桥臂由x个串联的T型子模块、y个串联的半桥型子模块和桥臂电抗串联组成。
进一步的，所述x和y满足：
其中，M为电压调制比，0＜M＜1。
进一步的，所述半桥型子模块包含：
电容C、第四IGBT(S1 4)、第五IGBT(S1 5)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)；
所述第四IGBT(S1 4)的发射极、所述第五二极管(D5)的正极、所述第五IGBT(S1 5)的集电极、所述第六二极管(D6)的负极均与所述半桥型子模块的正极输出连接；
所述第四IGBT(S1 4)的集电极、所述第五二极管(D5)的负极与所述电容(C)的正极连接；
所述第五IGBT(S1 5)的发射极、所述第六二极管(D6)的正极、所述电容(C)的负极均与所述半桥型子模块的负极输出连接。
本发明的有益效果：
本发明提供的技术方案，一种新型T型子模块，所述T型子模块包括：
第一IGBTS1、第二IGBTS2、第三IGBTS3、第一RB-IGBTS4、第二RB-IGBTS5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第一电容C1以及第二电容C2；基于本发明提供的具有直流故障阻断能力的T型子模块，在利用较少开关器件的情况下提高了拓扑结构的故障电流闭锁能力，将具有直流故障阻断能力的新型T型子模块加入到拓扑结构中，提高了拓扑结构的闭锁能力且使用的开关器件大幅减少，降低了投资成本，提高了故障阻断速度，进一步提高了系统的供电可靠性。
附图说明
图1是本发明一种新型T型子模块结构示意图；
图2是本发明直流侧发生短路故障时，T型子模块在正电流方向下，故障电流的流经通路；
图3是本发明直流侧发生短路故障时，T型子模块在正电流方向下，故障电流的流经通路；
图4是本发明一种基于T型子模块的第一拓扑结构；
图5是一种基于T型子模块的第二拓扑结构；
图6是本发明一种基于T型子模块的第三拓扑结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种新型T型子模块，如图1所示，所述T型子模块包括：
第一IGBT S1、第二IGBT S2、第三IGBT S3、第一RB-IGBT S4、第二RB-IGBT S5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和第一电容C1以及第二电容C2；
所述第一电容C1的正极分别与所述第一IGBT S1的集电极、所述第二IGBT S2的集电极和所述第一二极管D1的负极、第二二极管D2的负极连接，所述第一电容C1的负极与所述第一RB-IGBT S4的发射极连接，所述第二电容C2的正极与所述第一RB-IGBT S4的发射极连接，所述第二电容C2的负极分别与所述第三IGBT S3的发射极、所述第四二极管D4的正极、第三二极管D3的正极连接，所述第一RB-IGBT S4与所述第二RB-IGBT S5反向并联，所述第二IGBT S2的发射极分别与所述第一RB-IGBT S4的集电极连接，所述第三IGBT S3的集电极、所述第一RB-IGBT S4的集电极、所述第四二极管D4的正极均与所述T型子模块负极输出连接，所述第一IGBT S1的发射极、所述第一二极管D1的的正极、所述第四二极管的负极均与所述T型子模块正极输出连接。
例如，通过对所述T型子模块中IGBT的控制，可实现所述T型子模块中电容的投切状态，使得可以输出0、uc、2uc三种电平，正常模式下，可以承担两倍的所述T型子模块的电容电压。
例如，如下表所示，当基于T型子模块的拓扑结构在正常模式和闭锁模式时T型子模块输出电压和功率器件的开关状态；
当所述桥臂电流为正时，则桥臂上的T型子模块输出的反向箝位电压为所述第一电容的电压的2倍；
当桥臂电流为负时，则桥臂上的T型子模块输出的反向箝位电压为所述第一电容的电压的-2倍。
当母线直流侧发生短路故障时，所述T型子模块中第一电容C1和第二电容C2均被充电，当所述T型子模块中第一电容C1和第二电容C2的串联总电压超过交流侧母线线电压的幅值时，所述T型子模块中所有二极管反向截止。
例如，如图2所示，当直流侧发生短路故障时，本发明提出的基于T型子模块的拓扑结构中的T型子模块在所有IGBT闭锁后，在正电流方向下，故障电流的流经通路，此时可阻断故障电流。
如图3所示，当直流侧发生短路故障时，本发明提出的基于T型子模块的拓扑结构中的T型子模块在所有IGBT闭锁后，在负电流方向下，故障电流的流经通路，此时可阻断故障电流。
一种基于所述的T型子模块的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由三组并联单元组成，每组单元由两个串联的桥臂组成；
两个串联的桥臂间的连接点作为交流侧母线接入端；
其中，两个串联的桥臂中至少一个桥臂包括所述T型子模块。
例如，如图4所示，所述桥臂由n个串联的T型子模块和桥臂电抗串联组成。
如图5所示，所述两个串联的桥臂为串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂由n个串联的T型子模块和桥臂电抗串联组成，所述下桥臂由n个串联的半桥型子模块和桥臂电抗串联组成。
如图6所示，所述桥臂由x个串联的T型子模块、y个串联的半桥型子模块和桥臂电抗串联组成。
例如，在保证足够的故障电流阻断能力的前提下，尽量减少桥臂上所需的T型子模块与半桥型洗模块的数量，可得：
udc＝(y+2x)uc(1)
其中，udc为直流侧母线电压，uc为交流侧母线线电压幅值，x为串联的T型子模块数量，y为串联的半桥型子模块数量，为电感的峰值电压，M为电压调制比；
根据公式(1)、(2)、(3)可得，所述x和y满足：
其中，M为电压调制比，0＜M＜1。
所述半桥型子模块包含：
电容C、第四IGBT S1 4、第五IGBT S1 5、第五二极管D5和第六二极管D6；
所述第四IGBT S1 4的发射极、所述第五二极管D5的正极、所述第五IGBT S1 5的集电极、所述第六二极管D6的负极均与所述半桥型子模块的正极输出连接；
所述第四IGBT S1 4的集电极、所述第五二极管D5的负极与所述电容C的正极连接；
所述第五IGBT S1 5的发射极、所述第六二极管D6的正极、所述电容C的负极均与所述半桥型子模块的负极输出连接。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型T型子模块，其特征在于，所述T型子模块包括：
第一IGBT(S1)、第二IGBT(S2)、第三IGBT(S3)、第一RB-IGBT(S4)、第二RB-IGBT(S5)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)和第一电容(C1)以及第二电容(C2)；
所述第一电容(C1)的正极分别与所述第一IGBT(S1)的集电极、所述第二IGBT(S2)的集电极和所述第一二极管(D1)的负极、第二二极管(D2)的负极连接，所述第一电容(C1)的负极与所述第一RB-IGBT(S4)的发射极连接，所述第二电容(C2)的正极与所述第一RB-IGBT(S4)的发射极连接，所述第二电容(C2)的负极分别与所述第三IGBT(S3)的发射极、所述第四二极管(D4)的正极、第三二极管(D3)的正极连接，所述第一RB-IGBT(S4)与所述第二RB-IGBT(S5)反向并联，所述第二IGBT(S2)的发射极分别与所述第一RB-IGBT(S4)的集电极连接，所述第三IGBT(S3)的集电极、所述第一RB-IGBT(S4)的集电极、所述第四二极管(D4)的正极均与所述T型子模块负极输出连接，所述第一IGBT(S1)的发射极、所述第一二极管(D1)的正极、所述第四二极管(D4)的负极均与所述T型子模块正极输出连接。
2.如权利要求1所述的T型子模块，其特征在于，当所述桥臂电流为正时，则桥臂上的T型子模块输出的反向箝位电压为所述第一电容的电压的2倍；
当桥臂电流为负时，则桥臂上的T型子模块输出的反向箝位电压为所述第一电容的电压的-2倍。
3.如权利要求1所述的T型子模块，其特征在于，当母线直流侧发生短路故障时，所述T型子模块中第一电容(C1)和第二电容(C2)均被充电，当所述T型子模块中第一电容(C1)和第二电容(C2)的串联总电压超过交流侧母线线电压的幅值时，所述T型子模块中所有二极管反向截止。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的T型子模块的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构由三组并联单元组成，每组单元由两个串联的桥臂组成；
两个串联的桥臂间的连接点作为交流侧母线接入端；
其中，两个串联的桥臂中至少一个桥臂包括所述T型子模块。
5.如权利要求4所述的拓扑结构，其特征在于，所述桥臂由n个串联的T型子模块和桥臂电抗串联组成。
6.如权利要求4所述的拓扑结构，其特征在于，所述两个串联的桥臂为串联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂由n个串联的T型子模块和桥臂电抗串联组成，所述下桥臂由n个串联的半桥型子模块和桥臂电抗串联组成。
7.如权利要求4所述的拓扑结构，其特征在于，所述桥臂由x个串联的T型子模块、y个串联的半桥型子模块和桥臂电抗串联组成。
8.如权利要求7所述的拓扑结构，其特征在于，所述x和y满足：
其中，M为电压调制比，0＜M＜1。
9.如权利要求6或7所述的拓扑结构，其特征在于，所述半桥型子模块包含：
电容C、第四IGBT(S1 4)、第五IGBT(S1 5)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)；
所述第四IGBT(S1 4)的发射极、所述第五二极管(D5)的正极、所述第五IGBT(S1 5)的集电极、所述第六二极管(D6)的负极均与所述半桥型子模块的正极输出连接；
所述第四IGBT(S1 4)的集电极、所述第五二极管(D5)的负极与所述电容(C)的正极连接；
所述第五IGBT(S1 5)的发射极、所述第六二极管(D6)的正极、所述电容(C)的负极均与所述半桥型子模块的负极输出连接。
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