应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构及其调制方法技术方案

本发明专利技术提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，其中每个子模块均包括控制单元、第一半桥结构、第二半桥结构、以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述引导单元包括晶体管VT6及与其反向并联的二极管VD6，且晶体管VT6的集电极与第一半桥结构连接、发射极与第二半桥结构连接，控制单元用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的抵消电容、引导单元的二极管VD6和第一半桥结构的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。相应地，还提供上述拓扑结构的调制方法。本发明专利技术能够在发生直流故障时有效地减小故障电流，避免烧毁其中的电子器件。

【技术实现步骤摘要】
应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构及其调制方法
本专利技术涉及柔性直流输电
，具体涉及一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，以及该拓扑结构的调制方法。
技术介绍
柔性直流输电技术是构建智能电网的重要组成部分。与传统输电方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。其中，与传统电压源换流器(VoltageSourceConverter,VSC)相比，模块化多电平换流器(ModularMultileverConverter,MMC)因具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，更适用于直流输电应用场合。MMC模块拓扑结构一般由多个结构相同的子模块(SM,Sub-module)级联构成。为降低损耗和器件数量，用于构成MMC模块拓扑结构的子模块一般采用半桥子模块。但是，半桥子模块级联形成的MMC模块拓扑结构无法有效闭锁直流故障，因此，一旦发生直流故障，势必会烧毁其中的晶体管和二极管等电子器件，从而造成极大的损失。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构及其调制方法，其能够在发生直流故障时有效地减小故障电流，避免烧毁其中的电子器件。解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，其中，每个子模块均包括第一半桥结构、第二半桥结构、以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述第一半桥结构和第二半桥结构均包括抵消电容，所述引导单元包括晶体管VT6及与其反向并联的二极管VD6，且晶体管VT6的集电极与第一半桥结构连接、发射极与第二半桥结构连接，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的抵消电容、引导单元的二极管VD6和第一半桥结构的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。本专利技术还提供一种拓扑结构的调制方法，其包括如下步骤：使系统进入不控整流充电状态，直至不控整流充电结束；使系统进入可控升压阶段，在该阶段中，如果控制单元检测到系统发生直流故障，则控制每个子模块的晶体管VT1至VT6关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的电容C21、引导单元的二极管VD6、第一半桥结构的电容C12后，流入故障点。有益效果：本专利技术采用了新型的子模块，能够在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的阻断单元的晶体管VT5关闭，从而切断故障通路，以使得故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的抵消电容(电容C21)、引导单元的二极管VD6和第一半桥结构的抵消电容(电容C12)后流入故障点，此时两个抵消电容能够为系统回路提供反向电压，用以抵消交流电压到故障点之间的电压差，而电压差减小，自然就抑制了回路中的故障电流，实现直流故障电流的隔离，从而能有效闭锁直流故障。因此，本专利技术所述应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构及其调制方法能够在发生直流故障时，自动抑制故障电流，从而保护了其中的电子器件。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构的示意图；图2为图1中子模块的结构示意图；图3为采用图2所示子模块的拓扑结构的故障电流路径示意图；图4为子模块的工作模式表；图5为本专利技术实施例2提供的应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构的调制方法的流程图；图6为本专利技术实施例2提供的子模块在不控整流充电阶段电流从输出端A流向输出端B的电流路径示意图，以及电流从输出端B流向输出端A的电流路径示意图；图7为本专利技术实施例2提供的子模块在不控整流充电阶段结束后、可控升压阶段开始前、晶体管VT6打开时电流从输出端A流向输出端B的电流路径示意图，以及电流从输出端B流向输出端A的电流路径示意图；图8为子模块处于工作模式5时电流从输出端A流向输出端B的电流路径示意图；图9为子模块处于工作模式11时电流从输出端A流向输出端B的电流路径示意图。图中：1－第一半桥结构；2－第二半桥结构；3－阻断单元；4－引导单元。具体实施方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。实施例1：如图1所示，本实施例提供一种应用于柔性直流输电系统的MMC(ModularMultilevelConverter，模块化多电平换流器)模块拓扑结构，其包括三个相单元，分别为A相单元、B相单元和C相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的结构相同，均包括依次串联的电抗器L和n个子模块。每个相单元的子模块的数量是由系统设计之初通过直流母线电压、电子器件耐压等级以及子模块的类型等因素共同决定的。本实施例中，每个相单元的子模块的数量m＝2n＝Udc/USM，其中Udc是正负直流母线之间的电压，USM是每个子模块的电容电压，n是每个桥臂上的子模块的数量，且n>1。具体地，如图1所示，对于A相单元的上桥臂，输出端Ag依次连接电抗器LA上、n个子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的正极Vdc+连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器LA上的一端连接，电抗器LA上的另一端与A相输出端Ag连接，A相单元的上桥臂的其他子模块(除子模块1和子模块n以外的子模块)的输出端A均与其相邻的上一个子模块的输出端B连接，A相单元的上桥臂的其他子模块的输出端B均与其相邻的下一个子模块的输出端A连接。这里，与某一子模块相邻的上一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近直流母线电压的正极Vdc+的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的上一个子模块；与某一子模块相邻的下一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近A相输出端子Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：A相输出端Ag→电抗器LA上→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→…→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→直流母线电压的正极Vdc+。B相单元和C相单元的上桥臂的结构均与A相单元的上桥臂的结构相同，电流路径也类同，此处不再赘述。如图1所示，对于A相单元的下桥臂，A相输出端Ag依次连接电抗器LA下、n个子模块后接入直流母线电压的负极Vdc-，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的负极Vdc-连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器LA下的一端连接，电抗器LA下的另一端与输出端Ag连接，A相单元的下桥臂的其他子模块(除子模块1和子模块n以外的子模块)的输出端A均与其相邻的上一个子模块的输出端B连接，A相单元的下桥臂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，其特征在于，每个子模块均包括第一半桥结构、第二半桥结构、以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述第一半桥结构和第二半桥结构均包括抵消电容，所述引导单元包括晶体管VT6及与其反向并联的二极管VD6，且晶体管VT6的集电极与第一半桥结构连接、发射极与第二半桥结构连接，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的抵消电容、引导单元的二极管VD6和第一半桥结构的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。

【技术特征摘要】
1.一种应用于柔性直流输电系统的MMC模块拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，其特征在于，每个子模块均包括第一半桥结构、第二半桥结构、以及连接在二者之间的阻断单元和引导单元，所述第一半桥结构和第二半桥结构均包括抵消电容，所述引导单元包括晶体管VT6及与其反向并联的二极管VD6，且晶体管VT6的集电极与第一半桥结构连接、发射极与第二半桥结构连接，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的阻断单元关闭，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的抵消电容、引导单元的二极管VD6和第一半桥结构的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述第一半桥结构包括晶体管VT1及与其反向并联的二极管VD1、晶体管VT2及与其反向并联的二极管VD2、电容C11以及作为抵消电容的电容C12，晶体管VT1与晶体管VT2串联，电容C11与电容C12串联，且晶体管VT1与晶体管VT2这两个晶体管和电容C11与电容C12这两个电容并联，输出端A与晶体管VT1的发射极和晶体管VT2的集电极的连接点相连；所述第二半桥结构包括晶体管VT3及与其反向并联的二极管VD3、晶体管VT4及与其反向并联的二极管VD4、电容C22、以及作为抵消电容的电容C21，晶体管VT3与晶体管VT4串联，电容C21与电容C22串联，且晶体管VT3与晶体管VT4这两个晶体管和电容C21与电容C22这两个电容并联，输出端B与晶体管VT3的发射极和晶体管VT4的集电极的连接点相连；所述阻断单元包括晶体管VT5及与其反向并联的二极管VD5，且晶体管VT5的发射极与第一半桥结构的晶体管VT2的发射极连接，晶体管VT5的集电极与第二半桥结构的晶体管VT3的集电极连接；所述引导单元中的晶体管VT6的集电极与第一半桥结构的电容C11和电容C12的连接点相连、发射极与第二半桥结构的电容C21和电容C22的连接点相连；所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的晶体管VT1至VT6关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的电容C21、引导单元的二极管VD6、第一半桥结构的电容C12后，流入故障点。3.根据权利要求1或2所述的拓扑结构，其特征在于，每个子模块中采用的晶体管为全控型半导体器件。4.一种如权利要求2所述的拓扑结构的调制方法，其特征在于，包括如下步骤：使系统进入不控整流充电状态，直至不控整流充电结束；使系统进入可控升压阶段，在该阶段中，如果控制单元检测到系统发生直流故障，则控制每个子模块的晶体管VT1至VT6关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥结构的电容C21、引导单元的二极管VD6、第一半...

【专利技术属性】
技术研发人员：李战龙，刘伟增，郝翔，侯丹，刘汉军，
申请(专利权)人：特变电工新疆新能源股份有限公司，特变电工西安柔性输配电有限公司，
类型：发明
国别省市：新疆,65