一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器制造技术

本发明专利技术提出一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，属于电力电子技术和电力输配电领域。该变流器的结构由三相构成，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由若干对角桥式子模块及一台桥臂电抗器串联构成。上桥臂正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；3相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极；3相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接。本发明专利技术的多电平变流器可以清除直流短路故障电流，并且能够在直流故障时为交流电网提供无功支撑，且所用全控器件较少，成本较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及一种基于对角桥式子模块 的模块化多电平变流器。
技术介绍
与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控开关器件实现 对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相等优点， 在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性高压直流 输电系统，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用直流电缆，直流 故障发生的概率较小，但线路造价较高；而如果采用架空线，可大幅节省线路成本，但却容 易出现直流短路故障问题。其中，直流侧双极性短路故障是最为严重的直流故障。已有文献 分析，当换流站发生直流双极性短路故障时，换流站应具备直流短路电流的闭锁能力，使故 障电流能够快速清零；同时应能够为所连接的交流电网提供一定的无功支撑，以实现直流 故障的穿越。（G.Tang，Z.Xu,andY.Zhou/'ImpactsofThreeMMC-HVDCConfigurations onACSystemStabilityUnderDCLineFaults,IEEETrans.PowerSystems,vol.29, no. 6，pp. 3030-3040，Nov. 2014.)。然而，对于采用半桥结构的模块化多电平变流器，当直流 侧双极性短路故障发生后，由于反并联二极管的存在，交流电源会经反并联二极管与直流 故障点形成三相短路回路，同时子模块电容会迅速放电，会造成装置直流短路电流严重过 流，造成器件损坏；即便将所有可控开关器件闭锁，仍然无法限制短路电流和保存电容能 量，因而需要断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容 能量并进行重启动。（王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平换流器HVDC直流双极短路 子模块过电流分析.中国电机工程学报，2011，31 (1): 1 -7.)为解决上述问题，已有文献在半桥式模块化多电平变流器的基础上，提出了多种 具有直流故障穿越能力的多电平变流器，这些变流器可分为两大类:第一大类是用具有直 流故障穿越能力的新型子模块代替半桥子模块，从而构成具有直流故障穿越能力的新型模 块化多电平变流器。这类子模块包括全桥子模块、箝位双子模块(MarquardtR.Modular multilevelconverter：anuniversalconceptforHVDC-networksandextendeddc_ busapplications//2010InternationalPowerElectronicsConference(IPEC) .Sapporo，Japan:IEEE，2010:502-507 ·)、箝位单子模块（Jiangcha。Qin;Saeedifard，M.; Rockhill,A.；RuiZhou，''HybridDesignofModularMultilevelConvertersforHVDC SystemsBasedonVariousSubmoduleCircuits,^inPowerDelivery,IEEE Transactionson，vol· 30，no· 1，pp· 385-394，Feb· 2015 ·)、基于电感的电流源子模块 (Lizana，R.;Perez，Μ·;Rodriguez，J.;BinWu，〃Modularmultilevelconverterbased oncurrentsourceH-bridgecelIsimplementedwithlowcostreversing conductingIGCT，〃inEnergyConversionCongressandExposition(ECCE)，2013IEEE， vol.，no.，pp. 3363-3367，15-19Sept. 2013.)等;第二大类是混合式多电平变流器，该类变 流器将模块化多电平变流器结构与两电平变流器结构混合起来，变流器中既采用全桥子模 块，又采用级联IGBT(绝缘栅双极性晶体管），这类变流器包括桥臂交替导通变流器 (Merlin,M.M.C.；Green,T.C.；Mitcheson,Ρ.D.；Trainer,D.R.；Critchley,R.；Crookes, W.;Hassan,F.,〃TheAlternateArmConverter:ANewHybridMultilevelConverter WithDC-FaultBlockingCapability,^PowerDelivery,IEEETransactionson, vol·29,ηο· 1 ,pp.310,317,Feb.2014·)和交流侧级联!1桥的混合变流器(Adam,G.P. ;Ahmed, K·H.;Wi11iams,B·W.,"Mixedcellsmodularmultilevelconverter,"Industrial Electronics(ISIE),2014IEEE23rdInternationalSymposiumοη,νο?.,no.,pp.1390, 1395，l-4June2014)等。与第一大类变流器相比，第二大类变流器需要解决复杂的IGBT串 联均压问题，且直流侧滤波器较大。而第一大类变流器其主要问题在于目前所提出的新型 子模块所需IGBT数量较多，成本和损耗较半桥式模块化多电平变流器增加较多。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种基于对角桥式子模块的 模块化多电平变流器。该变流器采用一种新型的对角桥式子模块，其所用IGBT个数与半桥 子模块相当，从而使得所提出的变流器可以以较低成本实现故障电流的快速清除，同时能 在直流故障后为交流电网提供无功支撑。 本专利技术提出的一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，该 模块化多电平变流器包括结构相同的3相，每相由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂串 联构成，上桥臂正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负 极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端;3相的直流侧正端连接到一起，形成变流器 的直流侧正极;3相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极;变流器各相的交 流侧端分别与交流侧电网各相线端连接。 所述的基于对角桥式子模块的上、下桥臂均由N个对角桥式子模块以及一台滤波 电抗器串联组成;其中，所述上桥臂中第一个对角桥式子模块的正极端作为该桥臂的正极 端，第K个对角桥式子模块的负极端与第K+1个对角桥式子模块的正极端相连，（K=l, 2,…， Ν-1 )，第Ν个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作 为该桥臂的负极;所述下桥臂中第一个对角桥式子模块的负极端作为该桥臂的负极端，第Κ 个对角桥式子模块的正极端与第Κ+1个对角桥式子模块的负极端相连，第Ν个对角桥式子模 块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作为该桥臂的正极端。 所述上、下桥臂中对角桥式子模块的个数Ν满足NHUm+Udcy2)/Uc，其中仏为多电平 变流器交流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器，其特征在于，该模块化多电平变流器包括结构相同的3相，每相由基于对角桥式子模块的上、下2个桥臂串联构成，上桥臂正极端为该相直流侧正极端，下桥臂负极端为该相直流侧负极端，上桥臂负极端与下桥臂正极端的连接点为该相交流侧端；3相的直流侧正端连接到一起，形成变流器的直流侧正极；3相的直流侧负端连接到一起，形成变流器的直流侧负极；变流器各相的交流侧端分别与交流侧电网各相线端连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于心宇，魏应冬，姜齐荣，
申请(专利权)人：清华大学，江苏清电电气有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11