一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法技术

本发明专利技术提供一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块，能够快速清除直流侧短路故障电流，从而避免交流断路器动作，缩短直流故障清除时间，提高系统稳定性。本发明专利技术一种具有直流故障电流阻断能力的MMC组合电容型子模块主要包括：开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、二极管D7、电容C1和电容C2；所述开关管1、2、3、4、5、6为IGBT与反并联二极管。换流器处于正常运行状态时，该子模块可以工作在旁路、并联、串联三种模式，分别输出0、U

【技术实现步骤摘要】
一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法
本专利技术涉及MMC换流器领域，尤其是一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法。技术背景随着电力电子技术的飞速发展，多电平变换器及其相关技术的研究已逐渐成为高压大功率电力应用领域的研究热点。模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter，MMC)作为一种新型的多电平变换器拓扑结构，以其独特的结构优势，克服了传统多电平变换器的不足，其模块化结构具有良好的可扩展性，在高压直流输电、无功补偿等对电压和功率等级要求较高的场合具有良好的应用潜力。直流侧短路故障是直流输电特别是在架空线路中一种较为严重的故障形式。目前，处理直流侧故障主要有三种方式：1)通过交流设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障点与交流系统的联系；2)通过直流设备如直流断路器等阻断故障点与换流器的联系；3)通过换流器中功率半导体器件的开关动作实现直流侧故障的隔离。但第一种方式由于其机械动作的限制导致交流设备的响应时间长且重启复杂；第二种方式中的直流断路器的技术尚不成熟且造价高，难以应用于实际工程中；相比于前两种方式，第三种方式响应时间快，故障后可快速恢复运行，成为处理MMC-HVDC直流侧短路故障的一种有效的解决途径。目前能够实现直流故障防护的子模块结构中具有代表性的是全桥子模块(FullBridgeSub-Module,FBSM)和箝位双子模块(ClampDoubleSub-Module,CDSM)的结构。对于由全桥子模块或箝位双子模块级联而成的N电平MMC，其任一桥臂的电容数量为N-1。为对每桥臂各模块单元的电容电压进行实时测量及排序，以实现电容电压的均衡控制，每桥臂所需的电压传感器数量也为N-1。对于级联数很大的MMC，需要大量的电压传感器，同时增加了控制系统的复杂程度，降低了系统的可靠性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑及其电容电压均衡控制方法，能够快速阻断直流侧短路故障电流，并减少所需的电压传感器数量，降低控制系统的复杂程度，提高系统的稳定性。本专利技术提供了一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，包括开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、二极管D7、电容C1和电容C2；电容C1的电压为UC1，电容C2的电压为UC2；开关管1的集电极与电容C1的正极连接，开关管1的发射极与开关管6的集电极连接，开关管2的发射极与电容C1的负极、开关管5的集电极连接，开关管2的集电极与开关管3的发射极、开关管6的发射极连接，开关管3的集电极与电容C2的正极、二极管D7的阴极连接，开关管4的发射极与电容C2的负极、开关管5的发射极连接，开关管4的集电极与二极管D7的阳极连接。所述的MMC三电平子模块拓扑，开关管1为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，开关管2为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，开关管3为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，开关管4为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联二极管TD，开关管5为绝缘栅双极型晶体管T5与反并联二极管D5，开关管6为绝缘栅双极型晶体管T6与反并联二极管D6。所述的MMC三电平子模块拓扑，开关管1的发射极作为子模块输出端的正极，开关管4集电极作为子模块输出端的负极，输出电压为Uout，子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压Uout的参考方向相同，UC1＝UC2＝电容电压额定值Ucref。所述的MMC三电平子模块拓扑，在正常运行状态下可以工作在旁路、并联、串联三种模式，输出三种电平电压(0，Ucref和2Ucref)：旁路模式下输出零电平；并联模式下，两电容电压相同，输出电压Uout＝UC1＝UC2＝Ucref；串联模式下输出电压Uout＝UC1+UC2＝2Ucref。当故障发生时，闭锁所有IGBT，所述的MMC三电平子模块拓扑输出电压为2Ucref或-Ucref，从而达到迅速闭锁故障电流的目的。基于上述子模块结构的电容电压均衡控制方法，包括如下步骤：步骤一：测量每桥臂每个子模块中电容C1的电容电压，生成原始输入电压序列[Vi]1×(N-1)/2＝[VC1VC2…VCk…VC(N-1)/2]；步骤二：对子模块电容电压[Vi]1×(N-1)/2由高到低进行排序，其对应的子模块序号也将重新排序，生成序列[NSM1]1×(N-1)/2，并将[NSM1]1×(N-1)/2中的每一个元素复制产生[NSM2]1×(N-1)；步骤三：对于MMC任一桥臂，利用载波层叠、载波移相或最近电平逼近等调制方法获得桥臂电压参考值即为下一时刻该桥臂所需投入的子模块电容个数n；步骤四：根据步骤三所求应投入的子模块电容个数n及桥臂电流方向，生成每一子模块的电容开关状态序列[X]1×(N-1)＝[X1X11X2X22…XkXkk…X(N-1)/2X(N-1)/2(N-1)/2]，其中Xk为电容Ck的开关状态，X11为电容Ckk的开关状态；步骤五：根据步骤四所得的子模块电容开关状态序列[X]1×(N-1)，查表获得子模块输出电压，生成IGBT触发脉冲。在所述步骤四中，若桥臂电流Iarm<0，生成序列[NV]1×(N-1)＝[11…100…0]，其中元素1的个数等于应投入的子模块电容个数n；若桥臂电流Iarm>0，生成序列[NV]1×(N-1)＝[00…011…1]，其中元素1的个数等于应投入的子模块电容个数n。将序列[NV]1×(N-1)与所述步骤二序列[NSM2]1×(N-1)中的对应元素一一相乘生成新的数列[NSM3]1×(N-1)，并将其奇偶元素分离，分别得到奇数序列[NSM4]1×(N-1)/2和偶数序列[NSM5]1×(N-1)/2，若k等于[NSM4]1×(N-1)/2中任一元素，则Xk＝1，否则Xk＝0；若k等于[NSM5]1×(N-1)/2中任一元素，则Xkk＝1，否则Xkk＝0。步骤五所述子模块输出电压及IGBT触发脉冲配置如下：若Xk＝0，Xkk＝0，则子模块输出电压VSM＝0，IGBT触发脉冲：T1k＝0，T2k＝1，T3k＝0，T4k＝1，T5k＝1，T6k＝1；若Xk＝1，Xkk＝0或者Xk＝0，Xkk＝1，则子模块输出电压VSM＝Ucref，IGBT触发脉冲：T1k＝1，T2k＝0，T3k＝1，T4k＝1，T5k＝1，T6k＝1；若Xk＝1，Xkk＝1，则子模块输出电压VSM＝2Ucref，IGBT触发脉冲：T1k＝1，T2k＝1，T3k＝1，T4k＝1，T5k＝0，T6k＝0。与现有的具备直流故障电流阻断能力的三电平子模块相比，本专利技术的优势为：对于该新型子模块级联而成的N电平MMC，其任意桥臂的子模块数量为(N-1)/2，由于每个子模块中两电容的电压相同，每桥臂所需的电压传感器数量为也为(N-1)/2，仅为传统子模块所需传感器数量的50％，所需进行排序的电容电压数量也降低了一半，极大的降低了硬件成本及控制系统的计算负担和复杂程度，提高了系统的稳定性。附图说明图1为本专利技术一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑；图2a、2b、2c分别为本专利技术一种具有直流故障电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，其特征在于包括开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、二极管D7、电容C1和电容C2；电容C1的电压为U

【技术特征摘要】
1.一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，其特征在于包括开关管1、开关管2、开关管3、开关管4、开关管5、开关管6、二极管D7、电容C1和电容C2；电容C1的电压为UC1，电容C2的电压为UC2；开关管1的集电极与电容C1的正极连接，开关管1的发射极与开关管6的集电极连接，开关管2的发射极与电容C1的负极、开关管5的集电极连接，开关管2的集电极与开关管3的发射极、开关管6的发射极连接，开关管3的集电极与电容C2的正极、二极管D7的阴极连接，开关管4的发射极与电容C2的负极、开关管5的发射极连接，开关管4的集电极与二极管D7的阳极连接。2.根据权利要求1所述的一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，其特征在于：所述开关管1为绝缘栅双极型晶体管T1与反并联二极管D1，开关管2为绝缘栅双极型晶体管T2与反并联二极管D2，开关管3为绝缘栅双极型晶体管T3与反并联二极管D3，开关管4为绝缘栅双极型晶体管T4与反并联二极管TD，开关管5为绝缘栅双极型晶体管T5与反并联二极管D5，开关管6为绝缘栅双极型晶体管T6与反并联二极管D6。3.根据权利要求1所述的一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，其特征在于：开关管1的发射极作为所述子模块输出端的正极，开关管4的集电极作为所述子模块输出端的负极，输出电压为Uout，所述子模块输入电流i的参考方向与所述输出电压Uout的参考方向相同。4.根据权利要求1所述的一种具有直流故障电流阻断能力的MMC三电平子模块拓扑，其特征在于：UC1＝UC2＝电容电压额定值Ucref。5.一种基于如权利1～3所述的MMC三电平子模块拓扑结构的电容电压均衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：测量每桥臂每个子模块中电容C1的电容电压，生成原始输入电压序列[Vi]1×(N-1)/2＝[VC1VC2…VCk…VC(N-1)/2]；步骤二：对子模块电容电压[Vi]1×(N-1)/2由高到低进行排序，其对应的子模块序号也将重新排序，生成序列[NSM1]1×(N-1)/2，并将[NSM1]1×(N-1)/2中的每一个元素复制产生[NSM2]1×(N...

【专利技术属性】
技术研发人员：马文忠，王晓，刘勇，孙迎新，王金鹏，张凯，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37