一種具有處理直流故障功能的多電平換流器的製作方法

2023-07-21 18:48:51 2

專利名稱：一種具有處理直流故障功能的多電平換流器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力系統換流技術領域，具體涉及一種具有處理直流故障功能的多電平換流器。
背景技術：
目前應用在輕型高壓直流輸電、動態無功補償等中高壓大功率場合的電壓源換流器拓撲結構主要分為兩大類一類是以兩電平換流器為代表的第一代電壓源換流器；另一類是以模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)為代表的新一代電壓源換流器。前者橋臂通常由大量的半導體器件串並聯而成，目前已在多個實際工程成功運行，技術日趨成熟，但存在器件開關頻率高、損耗大、動態均壓難、諧波較大、容量難以提升等缺點；後者橋臂由多個半橋結構的子模塊串聯而成，具有擴展性好、輸出電壓波形質量高、開關頻率低、損耗小、器件一致觸發性要求低等優點，近年來發展迅速。然而上述的兩種拓撲結構都不具備直流閉鎖能力，當直流側發生短路故障時，全控型開關器件所並聯的二極體將構成不控整流通路，造成過電壓過電流。目前，通常以斷開交流斷路器作為處理直流故障的慣用手段，但這樣的操作手段存在兩個主要問題一是開斷交流斷路器屬於機械動作，響應速度慢，從故障發生到清除這期間，開關器件仍存在承受過電壓過電流危險，故要求開關器件不得不選用額定值偏大的元件或串並聯多個開關器件，增加相應的成本，增大了換流器的體積和重量；二是如果頻繁開斷交流斷路器將大大縮短其壽命，同時需要配置成本昂貴故障率低的電纜作為直流線路。

發明內容
本發明提供了一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，能夠自限制清除直流故障電流，且子模塊數量少，減小了換流器的體積和重量。一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路；所述的三相橋式整流電路的每個橋臂從電網接入端至直流耦合端依次由橋臂導通開關、電抗器和模塊化多電平單元串聯構成；所述的三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元。所述的模塊化多電平單元由若干個全橋子模塊串聯構成；所述的全橋子模塊由四個IGBT和一個電容構成，其中第一 IGBT的發射極與第三IGBT的集電極相連並構成所述的全橋子模塊的一端，第一 IGBT的集電極與第二 IGBT的集電極和第一電容的一端相連，第二 IGBT的發射極與第四IGBT的集電極相連並構成所述的全橋子模塊的另一端，第四IGBT 的發射極與第三IGBT的發射極和第一電容的另一端相連。所述的直流故障處理單元為非模塊化直流故障處理單元或模塊化直流故障處理單元所述的非模塊化直流故障處理單元由兩個直流導通開關和一個電容構成，其中 第一直流導通開關的一端與第二電容的一端相連，第二電容的另一端與第二直流導通開關的一端相連並構成所述的非模塊化直流故障處理單元的負極，第二直流導通開關的另一端與第一直流導通開關的另一端相連並構成所述的非模塊化直流故障處理單元的正極。所述的模塊化直流故障處理單元包括η個半橋子模塊，其由第一半橋子模塊至第 η半橋子模塊依次串聯而成，其中第一半橋子模塊的正極為所述的模塊化直流故障處理單元的正極，第η半橋子模塊的負極為所述的模塊化直流故障處理單元的負極，η為大於等於1的自然數；所述的半橋子模塊由兩個IGBT和一個電容構成，其中第五IGBT的集電極與第三電容的一端相連，第三電容的另一端與第六IGBT的發射極相連並構成所述的半橋子模塊的負極，第六IGBT的集電極與第五IGBT的發射極相連並構成所述的半橋子模塊的正極。所述的橋臂導通開關或直流導通開關由若干個IGBT串聯構成。本發明的工作原理為穩態運行情況下旁通直流故障處理單元，利用橋臂導通開關循環交替導通或關斷各個橋臂，通過投入或切除模塊化多電平單元中的級聯子模塊，使交流電壓波形逼近所期望的正弦參考波，從而完成能量的穩定傳輸。當直流側發生故障時， 閉鎖橋臂導通開關中的全控型開關器件，將各橋臂模塊化多電平單元內的子模塊負投入且同時開通直流故障單元使得串聯二極體陽極電勢低於陰極電勢，利用其反向阻斷能力達到限制並清除直流故障電流的目的，類似於傳統直流通過增大觸發角將整流狀態變為逆變狀態以完成閉鎖熄弧的過程。本發明的多電平換流器採用全橋子模塊級聯而成的模塊化多電平單元，使得系統開關頻率低、器件損耗小、諧波小；並在直流公共母線上設置直流故障處理單元，利用半橋形式減少器件數量；當直流側發生短路故障，通過橋臂導通開關、模塊化多電平單元和直流故障處理單元協調配合能夠自限制清除直流故障電流，故無需配置大額定值的開關器件或串並聯多個開關器件，大大降低了相應的成本，減小了系統的體積和重量，可廣泛應用於新能源併網，城市配電、孤島送電、遠距離大容量送電等多個場合。


圖1為本發明多電平換流器的結構示意圖。圖2為本發明中橋臂導通開關結構示意圖。圖3為本發明中模塊化多電平單元結構示意圖。圖4為本發明中模塊化直流故障處理單元的結構示意圖。圖5為本發明橋臂導通開關導通和關斷觸發脈衝示意圖。圖6為本發明直流雙極短路故障閉鎖原理示意圖。圖7 (a)為本發明在0. 6s 0. 7s穩態運行期間a相電壓參考波示意圖。圖7 (b)為本發明在0. 6s 0. 7s穩態運行期間a相上橋臂導通開關Sl導通和關斷觸發脈衝波示意圖。圖7 (C)為本發明在0.6s~0. 7s穩態運行期間a相下橋臂導通開關S2導通和關出階梯正弦波形示意圖。 斷觸發脈衝波示意圖。圖7(d)為本發明在0.6s~ 0. 7s穩態運行期間a相上橋臂模塊化多電平單元輸圖7(e)為本發明在0.6s~0. 7s穩態運行期間a相下橋臂模塊化多電平單元輸出階梯正弦波形示意圖。圖8 (a)為本發明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發生直流雙極短路故障)運行期間，a相上橋臂模塊化多電平單元模塊電容電壓波形示意圖。圖8 (b)為本發明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發生直流雙極短路故障)運行期間，系統公共耦合點三相電壓波形示意圖。圖8 (c)為本發明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發生直流雙極短路故障)運行期間，系統公共耦合點三相電流波形示意圖。圖8 (d)為本發明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發生直流雙極短路故障)運行期間，系統注入換流器有功功率和無功功率波形示意圖。圖9為本發明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發生直流雙極短路故障)運行期間，換流器直流側電流波形示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。如圖1所示，一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路；三相橋式整流電路的每個橋臂5從電網接入端至直流耦合端依次由橋臂導通開關1、電抗器2和模塊化多電平單元3串聯構成；三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元4。如圖2所示，橋臂導通開關1由八個IGBT串聯構成。如圖3所示，模塊化多電平單元3由十個全橋子模塊串聯構成；全橋子模塊F_SM 由四個IGBT和一個電容構成，其中第一 IGBT T1的發射極與第三IGBT 1~3的集電極相連並構成全橋子模塊？_511的一端，第一 IGBT T1的集電極與第二 IGBT T2的集電極和第一電容 C1的一端相連，第二 IGBT T2的發射極與第四IGBT T4的集電極相連並構成全橋子模塊F_ SM的另一端，第四IGBT T4的發射極與第三IGBT T3的發射極和第一電容C1的另一端相連。如圖4所示，直流故障處理單元4為模塊化直流故障處理單元；模塊化直流故障處理單元包括三個半橋子模塊，其由第一半橋子模塊11_5111至第三半橋子模塊!1_5113依次串聯而成，其中第一半橋子模塊ISM1的正極為模塊化直流故障處理單元的正極，第三半橋子模塊H_SM3的負極為模塊化直流故障處理單元的負極；半橋子模塊H_SM由兩個IGBT和一個電容構成，其中第五IGBTT5的集電極與第三電容C3的一端相連，第三電容C3的另一端與第六IGBT T6的發射極相連並構成半橋子模塊H_SM的負極，第六IGBT T6的集電極與第五IGBT T5的發射極相連並構成半橋子模塊H_SM的正極。第三電容C3的電壓極性與直流側電壓極性相反，直流故障處理單元4正常運行時處於旁通狀態，直流故障期間產生負電平以限制故障電流。本實施方式的多電平換流器穩態運行時，需要橋臂導通開關、模塊化多電平單元和直流故障處理單元相互協調來完成能量的平穩傳輸，其中橋臂導通開關交替導通和開斷相關橋臂，模塊化多電平單元通過特定的調製方式形成階梯正弦波，直流故障處理單元旁通。為滿足系統穩態運行的要求，交流系統相電壓幅值Um與直流電壓ud。的最優關係滿足如下
權利要求
1.一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路，其特徵在於所述的三相橋式整流電路的每個橋臂從電網接入端至直流耦合端依次由橋臂導通開關、電抗器和模塊化多電平單元串聯構成；所述的三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元。
2.根據權利要求1所述的具有處理直流故障功能的多電平換流器，其特徵在於 所述的模塊化多電平單元由若干個全橋子模塊串聯構成；所述的全橋子模塊由四個IGBT和一個電容構成，其中第一 IGBT的發射極與第三IGBT的集電極相連並構成所述的全橋子模塊的一端，第一 IGBT的集電極與第二 IGBT的集電極和第一電容的一端相連，第二 IGBT的發射極與第四IGBT的集電極相連並構成所述的全橋子模塊的另一端，第四IGBT的發射極與第三IGBT的發射極和第一電容的另一端相連。
3.根據權利要求1所述的具有處理直流故障功能的多電平換流器，其特徵在於所述的直流故障處理單元為非模塊化直流故障處理單元或模塊化直流故障處理單元；所述的非模塊化直流故障處理單元由兩個直流導通開關和一個電容構成，其中第一直流導通開關的一端與第二電容的一端相連，第二電容的另一端與第二直流導通開關的一端相連並構成所述的非模塊化直流故障處理單元的負極，第二直流導通開關的另一端與第一直流導通開關的另一端相連並構成所述的非模塊化直流故障處理單元的正極；所述的模塊化直流故障處理單元包括η個半橋子模塊，其由第一半橋子模塊至第η半橋子模塊依次串聯而成，其中第一半橋子模塊的正極為所述的模塊化直流故障處理單元的正極，第η半橋子模塊的負極為所述的模塊化直流故障處理單元的負極，η為大於等於1 的自然數；所述的半橋子模塊由兩個IGBT和一個電容構成，其中第五IGBT的集電極與第三電容的一端相連，第三電容的另一端與第六IGBT的發射極相連並構成所述的半橋子模塊的負極，第六IGBT的集電極與第五IGBT的發射極相連並構成所述的半橋子模塊的正極。
4.根據權利要求1或3所述的具有處理直流故障功能的多電平換流器，其特徵在於 所述的橋臂導通開關或直流導通開關由若干個IGBT串聯構成。
全文摘要
本發明公開了一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路；三相橋式整流電路的每個橋臂從電網接入端至直流耦合端依次由橋臂導通開關、電抗器和模塊化多電平單元串聯構成；三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元。本發明的多電平換流器採用全橋子模塊級聯而成的模塊化多電平單元，並在直流側設置直流故障處理單元，使得系統開關頻率低、器件損耗小、諧波小；當直流側發生短路故障，系統能夠自限制清除直流故障電流，故無需配置大額定值的開關器件或串並聯多個開關器件，大大降低了相應的成本，減小了系統的體積和重量，可廣泛應用於新能源併網，城市配電、孤島送電、遠距離大容量送電等多個場合。
文檔編號H02M7/219GK102281014SQ201110251630
公開日2011年12月14日 申請日期2011年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者徐政, 薛英林 申請人:浙江大學