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CN111049407B - 具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法 - Google Patents

具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法，所述的多电平变换器为ABC三相结构，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由N个子模块构成，其中包含相串联的M个单极性全桥子模块和N‑M个半桥子模块；同一相中上桥臂的下端与下桥臂的上端之间串联有两个相同的桥臂电感；不同相的上、下桥臂通过6个晶闸管支路交错相连，三相上桥臂的上端短接后经第一隔离开关连接至直流侧，三相下桥臂的下端短接后经第二隔离开关连接至直流侧。此种技术方案可实现与传统三相模块化多电平变换器相同的输出特性，同时在发生直流侧短路故障时，快速熄灭短路电流，实现短路故障保护。

Description

具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，特别涉及一种基于交错晶闸管支路具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法。
背景技术
相对于传统的两电平和三电平换流器，模块化多电平换流器(MMC)具有效率高、输出交流电压谐波小、高度模块化等特点，在高压大功率系统中已展现出及其重要的工程应用前景，目前正逐步推广应用于可再生能源并网、高压直流输电、直流网等领域。
传统的半桥MMC由于续流二极管的存在，在发生短路故障时，续流二极管会构成不控整流通路，将换流器闭锁后交流侧依然会通过二极管整流通路向短路点源源不断地馈入短路电流。由于短路的电流无法过零熄灭，所以依靠单纯地闭锁半桥MMC是无法实现直流侧短路故障清除的。发生短路故障时，会产生巨大的短路电流，给变换器、输电线路、用电负荷带来危害，严重者可能导致变换器电力电子器件失效而无法投入运行。
为了实现短路故障的清除，MMC需要配备至少一半以上的全桥子模块，才能实现短路故障的清除。但是，全桥子模块的开关器件数量是传统半桥子模块开关器件数量的两倍，所以全桥子模块的损耗和器件成本都接近是半桥子模块的两倍，大量的全桥子模块增加了换流器正常运行时的损耗，也增加了换流器的建设成本。
针对以上问题，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种具有断流能力的混联型模块化多电平变换器及其控制方法，其可实现与传统三相模块化多电平变换器相同的输出特性，同时在发生直流侧短路故障时，快速熄灭短路电流，实现短路故障保护。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，所述的多电平变换器为ABC三相结构，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由N个子模块构成，其中包含相串联的M个单极性全桥子模块和N-M个半桥子模块，M的取值由短路参数计算确定；同一相中上桥臂的下端与下桥臂的上端之间串联有两个相同的桥臂电感；
A相上桥臂的下端与B相下桥臂的上端之间连接第一晶闸管支路，且第一晶闸管支路的阴极连接B相下桥臂；B相下桥臂的上端与C相上桥臂的下端之间连接第二晶闸管支路，且第二晶闸管支路的阴极连接C相上桥臂；C相上桥臂的下端与A相下桥臂的上端之间连接第三晶闸管支路，且第三晶闸管支路的阴极连接A相下桥臂；A相下桥臂的上端与B相上桥臂的下端之间连接第四晶闸管支路，且第三晶闸管支路的阴极连接B相上桥臂；B相上桥臂的下端与C相下桥臂的上端之间连接第五晶闸管支路，且第五晶闸管支路的阴极连接C相下桥臂；C相下桥臂的上端与A相上桥臂的下端之间连接第六晶闸管支路，且第六晶闸管支路的阴极连接A相上桥臂；
三相上桥臂的上端短接后经第一隔离开关连接至直流侧，三相下桥臂的下端短接后经第二隔离开关连接至直流侧。
上述单极性全桥子模块包括第一至第三IGBT、第一二极管和第一电解电容，其中，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，并以连接点作为该单极性全桥子模块的正端；第一IGBT的集电极分别连接第一二极管的阴极和第一电解电容的正极，第一二极管的阳极连接第三IGBT的集电极，并以连接点作为该单极性全桥子模块的负端；第三IGBT的发射极、第一电解电容的负极、第二IGBT的发射极相连接。
上述第一至第三IGBT均连接有反接二极管。
上述半桥子模块包括第四IGBT、第五IGBT和第二电解电容，其中，第二电解电容的正极和负极分别连接第四IGBT的集电极和第五IGBT的发射极，第四IGBT的发射极和第五IGBT的集电极相连接，且该连接点作为半桥子模块的正端，第五IGBT的发射极作为半桥子模块的负端。
上述第四至第五IGBT均连接有反接二极管。
由短路参数计算确定M的取值的方法是：首先，根据输电线路的最大长度Lm计算输电线路的电感Ld和输电线路的电阻Rd；然后，根据给定的直流短路故障断流时间Tint、故障保护动作电流Iact、Ld和Rd，计算断流过程中所需要注入反压Vneg；最后，根据Vneg和UFB-SM的额定电容电压UcN计算所需要的UFB-SM的个数M。
上述第一至第六晶闸管支路中，均由NTB个晶闸管串联而成，NTB的计算方法是：首先，根据晶闸管的选型确定每个晶闸管能承受的电压UT；然后，根据直流侧额定运行时的电压Vdcn，通过NTB＝Vdcn/UT计算每个晶闸管支路的串联晶闸管数量NTB。
如前所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法，在正常运行时进行如下控制：
正常运行时，半桥子模块中的第四IGBT、第五IGBT互补运行，单极性全桥子模块中的第一IGBT、第二IGBT互补运行，第三IGBT保持导通，晶闸管支路保持关断，第一、第二隔离开关保持闭合。
如前所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法，直流侧短路故障清除控制方法是：
对直流侧电流idc进行采样，当idc大于1.5倍的额定值时，判定直流侧发生短路故障，此时进入短路故障清除阶段，单极性全桥子模块中的第一至第三IGBT全部关断，半桥子模块中的第四、第五IGBT全部关断，导通所有晶闸管支路中的晶闸管。
如前所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法，交流侧短路故障清除控制方法是：
对直流侧电流idc进行采样，当idc下降到零，判定短路故障清除，向直流侧的第一、第二隔离开关发出断开指令；第一、第二隔离开关完成断开后，进入交流侧短路故障清除阶段；导通单极性全桥子模块中的第三IGBT，移除晶闸管的驱动信号。
采用上述方案后，本发明在检测到直流侧短路故障时可以主动制造交流侧三相短路，使得交流侧不会向直流侧注入短路电流；此外，还能在直流侧注入反向电动势，将直流侧电流快速熄灭。该方案具有快速清除直流侧短路故障、运行损耗低、基础建设成本低等优点，在高压大功率系统中已经展现出及其重要的工程应用前景，目前正逐步推广应用于新能源并网、高压直流输电、直流网等领域。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
(1)本发明能在3毫秒内熄灭直流侧短路电流，清除短路故障；
传统的三相半桥模块化多电平变换器在发生直流侧短路故障时由于续流二极管构成不控整流通路，所以依靠闭锁换流器无法熄灭短路电流；本发明采用交错晶闸管和半桥子模块和单极性全桥子模块混合的设计，通过适当的短路故障清除控制方法，实现短路电流的快速熄灭；由于交错晶闸管的存在，在清除短路故障时导通晶闸管，制造交流侧的三相短路的同时将桥臂电感从直流电流通路中旁路，使得交流侧无法向直流侧注入短路电流。另外，本发明利用闭锁的单极性全桥子模块向直流侧注入反向电动势，吸收输电线路中存储的能量，使得短路电流快速下降到零，实现直流侧短路故障的快速清除，这是本发明与现有模块化多电平变换器拓扑的本质区别。
(2)本发明在正常运行时有较小的变换器损耗；
传统的模块化多电平变换器为了清除直流侧短路故障，需要配备至少一半的全桥子模块；而本发明所提出的基于交错晶闸管具有自断流能力的混联型模块化多电平变换器只需要约14％的单极性全桥子模块，较传统的模块化多电平变换器减少了72％的全桥子模块数量；在正常运行的情况下，本发明提出的变换器较传统的模块化多电平变换器减少了17％的变换器损耗，在变换器满足安全可靠运行的同时，减小了电能损耗。
(3)本发明基础建设成本低；
传统的模块化多电平变换器为了清除直流侧短路故障，需要配备至少一半的全桥子模块；而本发明所提出的基于交错晶闸管具有自断流能力的混联型模块化多电平变换器只需要约14％的单极性全桥子模块，但增加了6个晶闸管支路；由于晶闸管和二极管的价格远低于同电压电流等级下的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，所以本方案的基础建设成本相较与传统的模块化多电平变换器建设成本降低了16％，故本发明在变换器初期的基础建设成本上具有更大优势。
附图说明
图1是本发明的MMC的电路图；
图2是本发明的MMC的控制框图；
图中各标号定义如下：
2.1为正常运行时新型MMC的状态，2.2为直流侧短路故障清除阶段新型MMC的状态，2.3为交流侧短路故障清除阶段新型MMC的状态。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种基于交错晶闸管支路具有自断流能力的混联型模块化多电平变换器，所述的多电平变换器每相均包含上下两个相同的桥臂1.1和1.2，每个桥臂由N个子模块(submodule，SM)构成，其中包含M个单极性全桥子模块(unipolar fullbridge submodule，UFB-SM)1.3和(N-M)个半桥子模块(half bridge submodule，HB-SM)1.4，M取值由短路参数计算确定；上下桥臂之间在每相内通过相同的两个桥臂电感1.5和1.6连接；不同相的桥臂通过6个晶闸管支路(thyristor branch，TB)1.7交错相连，每个晶闸管支路由NTB个晶闸管串联而成，其中，TB1连接P1和P5并且阴极指向P5，TB2连接P5和P3并且阴极指向P3，TB3连接P3和P4并且阴极指向P4，TB4连接P4和P2并且阴极指向P2，TB5连接P2和P6并且阴极指向P6，TB6连接P6和P1并且阴极指向P1；上(下)桥臂的上(下)端经隔离开关1.8和1.9和直流侧相连。
UFB-SM的数量M由短路参数计算确定：首先，根据输电线路的最大长度Lm计算输电线路的电感Ld和输电线路的电阻Rd；其次，根据给定的直流短路故障断流时间Tint、故障保护动作电流Iact、Ld和Rd，计算断流过程中所需要注入反压Vneg；
Figure BDA0002354668370000061
最后，根据Vneg和UFB-SM的额定电容电压UcN计算所需要的UFB-SM的个数M：
M＝Vneg/(2UcN)
晶闸管支路的串联晶闸管数量NTB由晶闸管选型和直流电压确定：首先，根据晶闸管的选型确定每个晶闸管能承受的电压UT；其次，根据直流侧额定运行时的电压Vdcn，通过NTB＝Vdcn/UT计算每个晶闸管支路的串联晶闸管数量NTB。
如图2所示，基于交错晶闸管支路具有自断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法包括正常运行时的控制、直流侧短路故障清除控制和交流侧短路故障清除控制，步骤如下：
1)正常运行时，HB-SM的Th1和Th2互补运行，UFB-SM的Tu1和Tu2互补运行，Tu3保持导通，晶闸管支路保持关断，隔离开关S1和S2保持闭合。
2)对直流侧电流idc进行采样，当idc大于1.5倍的额定值时，作为检测到直流侧短路故障的判据。当检测到直流侧短路故障时，进入短路故障清除阶段，UFB-SM中的Tu1、Tu2和Tu3全部关断，HB-SM中的Th1和Th2全部关断，导通所有晶闸管支路中的晶闸管；
3)当直流侧电流下降到零，作为短路故障清除的判据。当检测到直流侧短路故障已经清除完成，向直流侧的隔离开关S1和S2发出断开指令；隔离开关完成断开后，进入交流侧短路故障清除阶段；导通UFB-SM中的Tu3，移除晶闸管的驱动信号。
以上控制策略保证了基于交错晶闸管支路具有自断流能力的混联型模块化多电平变换器可以有效地熄灭短路电流，实现短路故障的清除。
以上实施例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，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：
所述的多电平变换器为ABC三相结构，每相均包含相同的上桥臂和下桥臂，上、下桥臂均由N个子模块构成，其中包含相串联的M个单极性全桥子模块和N-M个半桥子模块，M的取值由短路参数计算确定；同一相中上桥臂的下端与下桥臂的上端之间串联有两个相同的桥臂电感；
A相上桥臂的下端与B相下桥臂的上端之间连接第一晶闸管支路，且第一晶闸管支路的阴极连接B相下桥臂；B相下桥臂的上端与C相上桥臂的下端之间连接第二晶闸管支路，且第二晶闸管支路的阴极连接C相上桥臂；C相上桥臂的下端与A相下桥臂的上端之间连接第三晶闸管支路，且第三晶闸管支路的阴极连接A相下桥臂；A相下桥臂的上端与B相上桥臂的下端之间连接第四晶闸管支路，且第四晶闸管支路的阴极连接B相上桥臂；B相上桥臂的下端与C相下桥臂的上端之间连接第五晶闸管支路，且第五晶闸管支路的阴极连接C相下桥臂；C相下桥臂的上端与A相上桥臂的下端之间连接第六晶闸管支路，且第六晶闸管支路的阴极连接A相上桥臂；
三相上桥臂的上端短接后经第一隔离开关连接至直流侧，三相下桥臂的下端短接后经第二隔离开关连接至直流侧。
2.如权利要求1所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：所述单极性全桥子模块包括第一至第三IGBT、第一二极管和第一电解电容，其中，第一IGBT的发射极连接第二IGBT的集电极，并以连接点作为该单极性全桥子模块的正端；第一IGBT的集电极分别连接第一二极管的阴极和第一电解电容的正极，第一二极管的阳极连接第三IGBT的集电极，并以连接点作为该单极性全桥子模块的负端；第三IGBT的发射极、第一电解电容的负极、第二IGBT的发射极相连接。
3.如权利要求2所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：所述第一至第三IGBT均连接有反接二极管。
4.如权利要求2所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：所述半桥子模块包括第四IGBT、第五IGBT和第二电解电容，其中，第二电解电容的正极和负极分别连接第四IGBT的集电极和第五IGBT的发射极，第四IGBT的发射极和第五IGBT的集电极相连接，且该连接点作为半桥子模块的正端，第五IGBT的发射极作为半桥子模块的负端。
5.如权利要求4所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：所述第四至第五IGBT均连接有反接二极管。
6.如权利要求1所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：由短路参数计算确定M的取值的方法是：首先，根据输电线路的最大长度Lm计算输电线路的电感Ld和输电线路的电阻Rd；然后，根据给定的直流短路故障断流时间Tint、故障保护动作电流Iact、Ld和Rd，计算断流过程中所需要注入反压Vneg；最后，根据Vneg和单极性全桥子模块的额定电容电压UcN计算所需要的单极性全桥子模块的个数M。
7.如权利要求1所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器，其特征在于：所述第一至第六晶闸管支路中，均由NTB个晶闸管串联而成，NTB的计算方法是：首先，根据晶闸管的选型确定每个晶闸管能承受的电压UT；然后，根据直流侧额定运行时的电压Vdcn，通过NTB＝Vdcn/UT计算每个晶闸管支路的串联晶闸管数量NTB。
8.如权利要求4所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于：在正常运行时进行如下控制：
正常运行时，半桥子模块中的第四IGBT、第五IGBT互补运行，单极性全桥子模块中的第一IGBT、第二IGBT互补运行，第三IGBT保持导通，晶闸管支路保持关断，第一、第二隔离开关保持闭合。
9.如权利要求4所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于：直流侧短路故障清除控制方法是：
对直流侧电流idc进行采样，当idc大于1.5倍的额定值时，判定直流侧发生短路故障，此时进入短路故障清除阶段，单极性全桥子模块中的第一至第三IGBT全部关断，半桥子模块中的第四、第五IGBT全部关断，导通所有晶闸管支路中的晶闸管。
10.如权利要求4所述的具有断流能力的混联型模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于：交流侧短路故障清除控制方法是：
对直流侧电流idc进行采样，当idc下降到零，判定短路故障清除，向直流侧的第一、第二隔离开关发出断开指令；第一、第二隔离开关完成断开后，进入交流侧短路故障清除阶段；导通单极性全桥子模块中的第三IGBT，移除晶闸管的驱动信号。
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