一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法
2023-06-03 01:31:06
專利名稱：一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法
技術領域：
本發明屬於輸配電技術領域，尤其涉及一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法。
背景技術：
模塊化多電平換流器(MMC)已經成功地應用於大功率換流器中，主要是應用在高壓直流(HVDC)輸電領域。與傳統兩、三電平電壓源換流器高壓直流輸電(VoltageSource Converter based HVDC, VSC-HVDC)相比而言,模塊化多電平換流器高壓直流輸電(ModularMultilevel Converter based HVDC, MMC-HVDC)有諸多優點交流側和直流側能夠進行完全控制，直流母線無需安裝電容器，電力電子設備在故障後具有冗餘運行能力，無需安裝交流濾波器等等。由於MMC的獨特優點，MMC-HVDC已成為未來HVDC領域的發展趨勢。2010年，第一個商業化的MMC-HVDC工程「Trans Bay Cable Pro ject (TBC) 」在美國投運，其最高運行的直流電壓為土 200kV、輸送容量最大400MW。此外，世界各地有超過4個MMC-HVDC工程將在2013年投運。國內已建成投運的上海南匯柔性直流工程，以及即將啟動建設的舟山多端柔性直流工程和大連柔性直流工程均以半橋型MMC (Half-Bridge MMC, HBMMC)為換流器拓撲，目前來說，幾乎所有的MMC-HVDC工程都是採用半橋子模塊(Half-BridgeSub-Module, HBSM)拓撲結構。當柔性直流輸電系統發生雙極直流短路故障時，HBMMC-HVDC以及兩、三電平VSC-HVDC中絕緣柵雙極電晶體(Insul ated Gate Bipolar Transistor, IGBT)反並聯二極體的續流作用，使得交流系統在短路點發生三相短路，且無法依靠換流器自身切斷短路電流，嚴重危害系統的安全運行。同時，由於高電壓大容量直流斷路器的製造工藝尚不成熟，現有多端柔性直流工程必須要求直流電纜具有極高的可靠性，即要求極低的直流故障發生概率，這在一定程度上限制了柔性直流向多端輸電領域的發展和應用。為解決這一問題，HBMMC拓撲的創始人R. Marquardt教授又在其論文中介紹了具有穿越嚴重直流故障的全橋型MMC (Full-BridgeMMC, FBMMC)結構，每個全橋子模塊(Full-Bridge Sub-module, FBSM)可以輸出三種電平,其能夠中斷任何方向的橋臂電流，並能夠改變MMC的直流母線電壓極性，但是它需要雙倍數量的半導體器件。由於FBMMC所需要的半導體器件要比HBMMC多一倍，這又嚴重製約了 FBMMC的工程應用，這也是目前的MMC-HVDC工程均採用半橋結構的原因
發明內容
本發明所要解決的技術問題是MMC能夠用儘可能少的半導體器件實現較優的直流故障穿越能力，提出了一種改進的模塊化多電平換流器的混合結構模型。一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法，其特徵在於，所述方法具體包括以下步驟步驟I :對半橋換流器HBMMC的每個橋臂上的子模塊進行分組，分為等數量的上下兩組，每組分配等數量的子模塊，並將上組的子模塊全改為全橋子模塊FBSM/半橋子模塊HBSM結構，下組的子模塊全為半橋子模塊HBSM/全橋子模塊FBSM結構；步驟2 :各橋臂的上下兩組分別進行排序選通，並對採用全橋子模塊FBSM結構的組採取輪換導通控制方法進行導通；步驟3 :在模塊化多電平換流器MMC結構的每個橋臂電抗器上分別並聯放電通路，該換流器MMC在閉鎖時，使通路導通放電。所述放電通路包括雙嚮導通的並聯雙向晶閘管和串聯電阻。本發明的有益效果是，提出的模塊化多電平換流器的混合結構模型，具有較強的直流故障穿越能力，同時不需要全橋型模塊化多電平換流器FBMMC那麼多的半導體器件，其在技術和成本上實現了較好的統一。
圖I是本發明提供的通用的模塊化多電平換流器MMC的拓撲結構圖；圖2是本發明提供的半橋結構MMC的子模塊拓撲結構以及其故障閉鎖時的電流通路；其中，(a)是半橋結構MMC的子模塊拓撲結構；(b)是半橋結構MMC的子模塊故障閉鎖時的電流通路；圖3是本發明提供的全橋結構MMC的子模塊拓撲結構以及其故障閉鎖時的電流通路；其中，(a)是全橋結構MMC的子模塊拓撲結構；(b)是全橋結構MMC的子模塊故障閉鎖時的電流通路；圖4是本發明提供的混合模塊化多電平換流器MMC結構模型的說明圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及其應用。圖I是本發明提供的通用的模塊化多電平換流器MMC的拓撲結構圖。圖I中，A，B和C分別表示MMC換流器交流側三相；SM1，SM2，…，SMn,表示MMC某橋臂中第一個子模塊，第二個子模塊，…，第η個子模塊；L表示橋臂電抗器;Udc表示MMC正負極直流母線間的電壓差。圖2是本發明提供的半橋結構MMC的子模塊拓撲結構以及其故障閉鎖時的電流通路。圖2中，T1和T2分別表示半橋子模塊中上下兩個IGBT 和D2分別表示相應絕緣柵雙極電晶體IGBT的反並聯二極體；C0表示半橋子模塊中電容器;Uc表示子模塊電容電壓；usm表不子模塊埠輸出電壓。圖3是本發明提供的全橋結構MMC的子模塊拓撲結構以及其故障閉鎖時的電流通路。圖3中，T1, T2, T3和T4分別表示全橋子模塊中四個絕緣柵雙極電晶體IGBT，D1, D2, D3,D4分別表示相應絕緣柵雙極電晶體IGBT的反並聯二極體；(；表示全橋子模塊中電容器；Uc表不子模塊電容電壓；usm表不子模塊埠輸出電壓。圖4是本發明提供的混合模塊化多電平換流器MMC結構模型的說明圖。圖4中，HBSM表示半橋子模塊，FBSM表示全橋子模塊，Udc表示MMC正負極直流母線間的電壓差。建立混合結構模型的具體步驟為
步驟I :混合模塊化多電平換流器MMC橋臂子模塊結構的改變如圖I所示，模塊化多電平換流器MMC的通用拓撲結構由三相六個橋臂組成，一般其子模塊結構是半橋形式(如圖2所示)，也就是HBMMC模型，其直流故障穿越能力較差。圖3是全橋子模塊拓撲(FBSM)以及其在故障閉鎖時的電流通路圖，很明顯，其具有較為優秀的直流故障穿越能力，能有效的抑制直流故障電流，但其需用雙倍的半導體器件，工程成本較高。為了實現儘可能少的半導體器件實現較優的直流故障穿越能力，對原有的HBMMC換流器的下橋臂(或上橋臂)中的子模塊進行更換，對原有的HBMMC換流器的每個橋臂上的子模塊進行分組，分為等數量的上下兩組，每組分配等數量的子模塊，但上組(或下組)的子模塊全改為FBSM結構，下組(或上組)的子模塊全為HBSM結構，如圖4所示，從而可以實現技術和成本上的統一。步驟2 :各橋臂的上下兩組分別進行排序選通，並且對全橋子模塊FBSM結構的組加入輪換導通控制策略步驟I中，將半橋型模塊化多電平換流器HBMMC的橋臂子模塊進行了分組，構造了混合模塊化多電平換流器MMC，那麼其相應的控制器就要進行相應的改變，加入分組排序的控制策略，以使其子模塊可以有效進行控制。同時，由於每個橋臂上都有一組子模塊採用的是全橋子模塊FBSM結構，如圖3和4所示，全橋子模塊FBSM的有4個IGBT，其要脈衝的觸發要進行採取輪換導通的策略進行控制。由於FBSM有四個IGBT，I) T1與T4開通，輸出電壓為電容電壓Uc ;2) T1與T2開通或T3與T4開通，輸出電壓為O ;3) T2與T3開通，輸出電壓為-Uc由於T1與T2開通或T3與T4開通，輸出電壓都為0，那麼為了均衡開關，我們需要在輸出O電位的時候進行輪換導通,這次輸出O時導通T1與T2,下次的輸出O的時候開通T3 與 τ4。步驟3 :橋臂電抗器並聯放電通路混合結構模型具有直流故障的穿越能力，混合MMC在直流故障發生後換流器閉鎖前，子模塊迅速放電，直流電壓隨之降低；閉鎖後，子模塊停止放電，依然保留部分電量，隨著橋臂電抗器儲能的釋放，子模塊的電容會進行充電，為了防止電容電壓發生過充，使電容電壓超過電容所能承受的電壓值，需要在六個橋臂電抗器上並聯放電通路，如圖4所示。即，在每個橋臂電抗器上並聯雙嚮導通的並聯雙向晶閘管和串聯電阻的放電通路，當閉鎖時，讓該通路導通放電，避免電容發生過充。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。
權利要求
1.一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法，其特徵在於，所述方法具體包括以下步驟 步驟I :對半橋換流器HBMMC的每個橋臂上的子模塊進行分組，分為等數量的上下兩組，每組分配等數量的子模塊，並將上組的子模塊全改為全橋子模塊FBSM結構/半橋子模塊HBSM，下組的子模塊全為半橋子模塊HBSM/全橋子模塊FBSM結構； 步驟2 :各橋臂的上下兩組分別進行排序選通，並對採用全橋子模塊FBSM結構的組採取輪換導通控制方法進行導通； 步驟3:在模塊化多電平換流器MMC結構的每個橋臂電抗器上分別並聯放電通路，當換流器MMC閉鎖時，使通路導通放電。
2.根據權利要求I所述的一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法，其特徵在於，所述放電通路包括雙嚮導通的並聯雙向晶閘管和串聯電阻。
全文摘要
本發明公開了輸配電技術領域的一種建立模塊化多電平換流器的混合結構模型的方法。其技術方案是，首先，對半橋換流器HBMMC的每個橋臂上的子模塊進行分組，並將上組的子模塊全改為全橋子模塊FBSM結構，下組的子模塊全為半橋子模塊HBSM結構；其次，各橋臂的上下兩組分別進行排序選通，並對全橋子模塊FBSM結構的組採取輪換導通控制方法進行導通；最後，在模塊化多電平換流器MMC結構上的六個橋臂電抗器上分別並聯放電通路。本發明的有益效果是，提出的模塊化多電平換流器的混合結構模型，具有較強的直流故障穿越能力，同時不需要全橋型模塊化多電平換流器FBMMC那麼多的半導體器件，其在技術和成本上實現了較好的統一。
文檔編號H02M7/49GK102931863SQ201210451918
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者趙成勇, 劉興華, 王朝亮, 彭茂蘭, 劉濟豪, 郭春義 申請人:華北電力大學