具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC制造技术

本发明专利技术涉及一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，属于柔性直流输电技术领域。步骤包括M‑HBSM型子模块拓扑结构设计；MH‑HB‑MMC主电路拓扑结构设计；MH‑HB‑MMC子模块混合比例设计；MH‑HB‑MMC转移支路电阻参数设计；MH‑HB‑MMC吸收支路电阻参数设计。借助桥臂辅助电路和电流能量耗散支路，配合相应的协调控制策略，实现直流侧故障电流阻断。依靠M‑HBSM故障阻断期间承受电压的最大值确定子模块的混合比例，把从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于

【技术实现步骤摘要】
具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC
本专利技术涉及柔性直流输电
，特别涉及一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC。
技术介绍
2001年，德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar提出模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)，推动了高压直流输电(highvoltagedirectcurrenttransmission，HVDC)技术的发展。基于MMC的柔性直流电网是实现大规模可再生能源汇集与远距离外送的必要手段。同时，随着大容量、远距离直流输电发展的迫切需要，运行过程中故障率更高的架空线输电方案成为未来发展的重要方向。然而，目前工程上常用的半桥型MMC具有无法阻断直流故障的固有缺陷，在应对直流故障时形成的不控整流效应成为其在架空线直流输配电方案中应用的主要障碍，因此，采取有效的方法实现直流故障阻断对架空线柔性直流输电的发展具有重要意义。应对MMC直流短路故障，最理想的故障阻断方法是加装直流断路器。但由于直流系统具有低阻尼特性，直流故障发展快，故障电流上升迅速，故障时要求直流断路器能够在数毫秒内开断故障电流，避免故障阻断期间换流器因过电流损坏。然而，目前能够满足大容量快速开断的直流断路器研制困难，且造价十分昂贵，限制了其大规模应用。针对直流侧故障阻断，国内外相关学者和研究机构提出了大量新型具有直流阻断能力的子模块及换流器拓扑。有学者提出一种具有故障阻断能力的不对称型全桥子模块，依靠二极管续流使半数子模块电容反向来抑制故障电流，也有人提出一种具备直流故障清除能力的电流转移型MMC，借助电流开断和辅助支路转移并阻断故障电流。上述方法所提子模块及换流器拓扑充分利用了电力电子开关器件动作速度快的特点实现了直流故障电流阻断和系统快速恢复，提高了柔性直流输电系统处理直流故障的能力，但所提到的新型子模块或换流器在设计过程中都增加了IGBT器件的使用，造成了系统建造成本的增加且提高了控制系统的复杂性。因此，低损耗、造价低、控制方式简单且具有直流故障阻断能力的换流器拓扑结构成为了研究的热点方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，解决了现有技术存在的上述问题。本专利技术在半桥型MMC基础上提出一种具有故障阻断能力的HBSM与M-HBSM混合的MMC，借助桥臂辅助电路和电流能量耗散支路，配合相应的协调控制策略，实现直流侧故障电流阻断。建立了改进混合半桥MMC拓扑结构，设计了辅助电路动作时序及参数选择方法，分析了MH-HB-MMC故障阻断动态过程，求取了M-HBSM与HBSM的混合比例。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，包括以下步骤：步骤(1)M-HBSM型子模块拓扑结构设计；步骤(2)MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计；步骤(3)MH-HB-MMC子模块混合比例设计；步骤(4)MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计；步骤(5)MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计。步骤(1)所述的M-HBSM型子模块拓扑结构设计，采用4个二极管和1个IGBT构成的H桥型结构，代替HBSM下桥中的IGBT和1个二极管反并联结构。步骤(2)所述的MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计，采用在传统半桥型MMC的基础上，MH-HB-MMC型拓扑增加了少量的M-HBSM、快速机械开关、桥臂转移支路和直流能量耗散支路。步骤(3)所述的MH-HB-MMC子模块混合比例设计，利用M-HBSM在故障阻断期间承受电压的最大值来计算MH-HB-MMC所需M-HBSM个数，具体方法是：设M-HBSM中二极管额定电压为Ue，由UT,max可求得MH-HB-MMC所需M-HBSM个数n，其可以表示为：n＝(3UT,max)/Ue(3-1)M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值UT,max可以由以下方法计算：UT＝URx+URs(3-2)URx＝idcRx(3-3)URs＝(ibu,max+ibn,max)Rs(3-4)式中，URx为能量耗散支路中Rx两端电压，URs为转移支路中Rs两端电压，ibu,max、ibn,max分别为M-HBSM阻断电流瞬间上下桥臂电流最大值；式中：UT,max为M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值，Im为换流器稳态运行时的交流相电流幅值，I0,max为M-HBSM阻断故障时直流电流的最大值。步骤(4)所述的MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计，转移支路电阻参数的选择应该满足从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于ts，具体方法是：换流器闭锁后，桥臂中故障电流被M-HBSM阻断强迫换流至转移支路上构成闭合回路，三相交流电流经L0和Rs流入接地点；设交流系统电压为ω为交流系统角频率，则交流电流幅值Im的计算公式为：式中：Leq为交流系统等效电感，Req为交流系统等效电阻；设故障阻断时刻桥臂电感中初始电流值为Ib0，则故障阻断后桥臂电感续流的表达式为：其中τ1＝L0/Rs为RL振荡电路的时间常数；由以上各式可以看出，转移支路中Rs除可加速桥臂电感续流衰减外还具有限制交流电流大小的作用；Rs取值越大，桥臂电感续流衰减速度越快，交流系统承受过电流也越小；对于RL振荡电路，零输入响应下，一般需3～5倍时间常数的时间电流能衰减至零，若设定从故障阻断到桥臂电感续流衰减为零的时间小于ts，则Rs需满足：Rs≥5L0/ts(4-3)随旁路电阻Rs增大，桥臂电感续流衰减时间减小，但M-HBSM阻断故障电流时所承受的电压会增加。步骤(5)所述的MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计，吸收支路电阻参数的选择应该满足从故障阻断到限流电感续流衰减为零的时间小于tk，具体方法是：换流器闭锁后限流电感及线路中电感续流通过二极管和泄能电阻Rx构成回路；可见，限流电感续流衰减过程与桥臂电感续流衰减过程一致，若设定从故障阻断到电流衰减为零所需时间小于tk，则Rx需满足：Rx≥5(Ls+LL)/tk(5-1)。本专利技术的有益效果在于：通过本专利技术设计的一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC拓扑，能够克服半桥型MMC不具备直流侧故障电流阻断能力的缺点，提高了柔性直流输电系统直流侧故障穿越能力，同时满足经济性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为单个MMC子模块拓扑结构图；图2为MH-HB-MMC拓扑结构图；图3为故障阻断时序图；图4为子模块切除后交直流电流回路图；图5为桥臂电流衰减回路图；图6为MH-HB-MMC直流阻断过程原理图；图7为直流故障阻断后交流电流回路图；图8为直流故障阻断后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤(1)M-HBSM型子模块拓扑结构设计；/n步骤(2)MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计；/n步骤(3)MH-HB-MMC子模块混合比例设计；/n步骤(4)MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计；/n步骤(5)MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)M-HBSM型子模块拓扑结构设计；
步骤(2)MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计；
步骤(3)MH-HB-MMC子模块混合比例设计；
步骤(4)MH-HB-MMC转移支路电阻参数设计；
步骤(5)MH-HB-MMC吸收支路电阻参数设计。


2.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(1)所述的M-HBSM型子模块拓扑结构设计，采用4个二极管和1个IGBT构成的H桥型结构，代替HBSM下桥中的IGBT和1个二极管反并联结构。


3.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(2)所述的MH-HB-MMC主电路拓扑结构设计，采用在传统半桥型MMC的基础上，MH-HB-MMC型拓扑增加了少量的M-HBSM、快速机械开关、桥臂转移支路和直流能量耗散支路。


4.根据权利要求1所述的具有故障阻断能力的改进型混合半桥MMC，其特征在于：步骤(3)所述的MH-HB-MMC子模块混合比例设计，利用M-HBSM在故障阻断期间承受电压的最大值来计算MH-HB-MMC所需M-HBSM个数，具体方法是：设M-HBSM中二极管额定电压为Ue，由UT,max可求得MH-HB-MMC所需M-HBSM个数n，其可以表示为：
n＝(3UT,max)/Ue(3-1)
M-HBSM故障阻断期间承受电压最大值UT,max可以由以下方法计算：
UT＝URx+URs(3-2)
URx＝idcRx(3-3)
URs＝(ibu,max+ibn,max)Rs(3-4)
式中，URx为能量耗散支路中Rx两端电压，URs为转移支路中Rs两端电压，ibu,max、ibn,max分别为M-HBSM阻断电流瞬间上下桥臂电流最大值；






式中：UT,max...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国庆，辛业春，江守其，王威儒，杨勇，王拓，张轶珠，李德鑫，
申请(专利权)人：东北电力大学，国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：吉林;22