一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构及其控制方法技术

本公开提出了一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构及其控制方法，包括第一绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的第四绝缘栅双极晶体管以及负极与所述第四绝缘栅双极晶体管发射极连接的电容；所述电容的正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接，所述电容和所述第一绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第五二极管，所述电容和所述第四绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第六二极管；在系统反应故障阶段，可以阻断交流系统向短路点的馈能通路，实现直流故障穿越。穿越。穿越。

【技术实现步骤摘要】
一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构及其控制方法


[0001]本公开属于模块化多电平变换器
，尤其涉及一种半桥改进型MMC 子模块拓扑结构及其控制方法。

技术介绍

[0002]光伏发电与风力发电等新能源形式在电力系统中的占比呈逐渐增长态势， 新能源比重必然保持强劲增长势头。柔性直流输电技术(VSC
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HVDC)是新能 源自送端孤岛系统送出至受端负荷中心的热点技术与关键技术。自柔性直流输 电的概念在上世纪提出以来，
内相关问题的研究便从未停止过，按照 换流器类型经历了从两电平变换器到多电平变换器再到模块化多电平变换器 (MMC
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HVDC)的发展历程。近些年来，MMC
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HVDC因其谐波含量少，适用 于高压大功率场合，易于扩展性等优势成为业内研究的热门方向。经过十余年 的研究进程，MMC
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HVDC领域的相关问题研究已经趋于成熟。
[0003]在MMC
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HVDC的诸多问题之中，直流侧双线短路故障一旦发生，由于直 流系统本身惯性很小，故障电流发展速度会很快，使得系统交流侧断路器来不 及反应切断故障。如图1所示，常用的半桥型子模块拓扑在直流侧故障时会通 过子模块反并联二极管D1提供交流系统向直流侧短路点馈能的通道，因此故障 电流不会自动清除；由于交流侧断路器切断系统响应速度很慢，因此目前清除 直流侧故障电流的研究方向主要为半桥子模块+直流断路器方案，该方案已经 应用于柔性直流输电工程之中。
[0004]本公开专利技术人发现，半桥子模块+直流断路器方案，虽然高压直流断路器 可以实现3ms切断直流侧故障，但是采用的高压直流断路器仍然存在造价过高， 控制要求严密等主要问题；因此，需要设计一种具备直流侧故障电流自动清除 能力的子模块拓扑。

技术实现思路

[0005]本公开为了解决上述问题，提出了一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构 及其控制方法；通过在半桥型子模块支路上反向串联额外的绝缘栅双极型晶体 管，以及在半桥型子模块上设置两个二极管；在系统反应故障阶段，短路电流 对电容充电，子模块向系统提供反向电压，可以阻断交流系统向短路点的馈能 通路，实现直流故障穿越。
[0006]为了实现上述目的，第一方面，本公开提供了一种半桥改进型MMC子模 块拓扑结构，采用如下技术方案：
[0007]一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括第一绝缘栅双极晶体管、集 电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射 极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管、集电极 与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的第四绝缘栅双极晶体管以及负极与 所述第四绝缘栅双极晶体管发射极连接的电容；所述电容的正极与所述第一绝 缘栅双极晶体管集电极连接，所述电容和所述第一绝缘栅双极晶体管串联支路 上并联有第五二极管，所述电容和所述第四绝缘栅双极晶体管串联支路上并联 有第六二极管。
[0008]进一步的，所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所 述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管上分别反并联有第一二 极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。
[0009]进一步的，所述第五二极管连接在所述电容负极与所述第二二极管阴极之 间，所述第六二极管连接在所述电容正极与所述第三二极管阴极之间。
[0010]进一步的，所述第五二极管的阳极与所述电容的负极连接，阴极与所述第 二二极管的阴极连接；所述第六二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接， 阴极与所述电容的阳极连接。
[0011]为了实现上述目的，第二方面，本公开还提供了一种单晶闸管并联的半桥 改进型MMC子模块拓扑结构，采用如下技术方案：
[0012]一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括第一绝缘栅 双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双 极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极 晶体管以及负极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的电容，所述电容的 正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接；单晶闸管并联在所述第二绝缘 栅双极晶体管和所述第三绝缘栅双极晶体管串联的支路上。
[0013]进一步的，所述单晶闸管阳极连接所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极， 所述单晶闸管阴极连接所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极。
[0014]为了实现上述目的，第三方面，本公开提供了一种半桥改进型MMC子模 块拓扑结构控制方法，采用如下技术方案：
[0015]一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，采用了如第一方面所 述的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
[0016]正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管始 终处于导通状态，所述第六二极管受反向电压关断；所述第一绝缘栅双极晶体 管导通，所述第二绝缘栅双极晶体管关断时，子模块处于投入状态，子模块向 系统提供电压，电流正向时流通路径为第一二极管二极管和电容，电流反向时 流通路径为电容和所述第一绝缘栅双极晶体管；所述第一绝缘栅双极晶体管关 断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通时，子模块处于切除状态，子模块向系统 提供电压为0，电流正向时流通路径为所述第二绝缘栅双极晶体管，电流反向时 通过第二二极管和第五二极管分流。
[0017]进一步的，直流输电系统发生双线短路故障时，故障按照如下两个阶段发 展：
[0018]绝缘栅双极晶体管闭锁前阶段：此阶段内MMC变换器将按照正常运行时 工作状态继续运行一段时间，子模块电容放电使得直流侧短路电流发展；系统 反应故障阶段：此阶段绝缘栅双极晶体管闭锁，直流侧短路电流流经第六二极 管、电容和第五二极管，短路电流对电容充电，子模块提供反向电压，阻断交 流系统向短路点的馈能通路。
[0019]为了实现上述目的，第四方面，本公开提供了一种单晶闸管并联的半桥改 进型MMC子模块拓扑结构控制方法，采用如下技术方案：
[0020]一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，采用 了如第二方面所述的单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，包括：
[0021]正常运行时，所述第三绝缘栅双极晶体管始终处于导通状态，单晶闸管处 于断开
状态；投入状态时，所述第一绝缘栅双极晶体管导通，所述第二绝缘栅 双极晶体管关断，子模块向桥臂提供电压为电容电压；处于切除状态时，所述 第一绝缘栅双极晶体管关断，所述第二绝缘栅双极晶体管导通，子模块向桥臂 提供电压为0。
[0022]进一步的，直流输电系统发生短路故障时，故障按照如下两个阶段发展：
[0023]第一阶段：所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第二绝缘栅双极晶体管关断， 所述第三绝缘栅双极晶体管导通，单晶闸管触发导通，短路电流将分流流过单 晶闸管所在支路，以及所述第三绝缘栅双极晶体管和第二二极管；第二阶段： 关断所述第三绝缘栅双极晶体管，此时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，包括第一绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的第四绝缘栅双极晶体管以及负极与所述第四绝缘栅双极晶体管发射极连接的电容；所述电容的正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接，所述电容和所述第一绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第五二极管，所述电容和所述第四绝缘栅双极晶体管串联支路上并联有第六二极管。2.如权利要求1所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述第一绝缘栅双极晶体管、所述第二绝缘栅双极晶体管、所述第三绝缘栅双极晶体管和所述第四绝缘栅双极晶体管上分别反并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。3.如权利要求2所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述第五二极管连接在所述电容负极与所述第二二极管阴极之间，所述第六二极管连接在所述电容正极与所述第三二极管阴极之间。4.如权利要求3所述的一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述第五二极管的阳极与所述电容的负极连接，阴极与所述第二二极管的阴极连接；所述第六二极管的阳极与所述第三二极管的阴极连接，阴极与所述电容的阳极连接。5.一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，包括第一绝缘栅双极晶体管、集电极与所述第一绝缘栅双极晶体管发射极连接的第二绝缘栅双极晶体管、发射极与所述第二绝缘栅双极晶体管发射极连接的第三绝缘栅双极晶体管以及负极与所述第三绝缘栅双极晶体管集电极连接的电容，所述电容的正极与所述第一绝缘栅双极晶体管集电极连接；单晶闸管并联在所述第二绝缘栅双极晶体管和所述第三绝缘栅双极晶体管串联的支路上。6.如权利要求5所述的一种单晶闸管并联的半桥改进型MMC子模块拓扑结构，其特征在于，所述单晶闸管阳极连接所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极，所述单晶闸管阴极连接所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极。7.一种半桥改进型MMC子模块拓扑结构的控制方法，其特征在于，采用了如权利要求1
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4任一项所述的半桥改进型M...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉，张涛，郭柏，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：