一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法技术

本发明专利技术属于多电平变换器技术领域，提供了一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法，包括第一半桥结构、第二半桥结构、反向开关管单元，以及并联在所述双向自阻塞子模块的端口处的续流晶闸管；其中，所述第一半桥结构包括第一开关管单元、第三开关管单元和第一电容；所述第二半桥结构包括第二开关管单元、第四开关管单元和第二电容；所述反向开关管单元的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；故障穿越方法包括电容放电阶段、故障隔离阶段以及重启动阶段。故障隔离阶段以及重启动阶段。故障隔离阶段以及重启动阶段。

【技术实现步骤摘要】
一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法


[0001]本专利技术属于多电平变换器
，具体涉及一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，简称MMC）由多个结构相同的子模块(Sub
‑
Module,简称SM)级联构成，已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑。
[0004]基于MMC的柔性直流输电技术因具备电能质量高、灵活可控及易于潮流反转等优势，被广泛认为是实现风能、太阳能等绿色可再生能源有效利用、分布式电源接入及区域电网互联的有效技术手段之一。但是大量的电力电子设备降低了柔性直流电网的系统阻尼及惯量，同时架空线故障率较高，使得直流侧故障快速隔离成为基于架空线的MMC型多端柔性直流电网需解决的问题。为了处理直流侧故障，目前工程所采取的解决方案有如下两种：直流侧断路器和基于换流器子模块故障电流自清除能力的故障隔离方式。
[0005]半桥型MMC是目前国内大多数柔直工程采用的拓扑结构，通过直流侧断路器(DC circuit breaker，简称DCCB)来应对直流侧故障。混合式直流断路器同时具备机械式开关的断流能力及固态式开关的动作速度，是目前工程应用及科研创新的首选结构，但较高的建设成本与占地面积限制了其大规模应用。
[0006]换流器自清除的方法基于换流器拓扑结构，配合相应的控制策略通过换流器抑制并清除故障电流，以达到隔离故障的目的。基于换流器故障电流自清除能力的故障隔离方式，其故障电流清除能力强，故障消失后重启速度快，且建设与运行投入相较于DCCB要低得多，因此在性能与成本方面具有明显优势，是现阶段直流输电系统故障处理方法的研究热点之一。
[0007]现存较为成熟的具备故障电流自清除能力的子模块可分为电容电压钳位型和故障转移型子模块两类；前者基于二极管的单向导通性，在直流侧发生故障后，闭锁子模块使子模块电容反极性接入故障电流流通路径中清除故障电流，优势主要是清除速度快、能量损耗小；后者基于晶闸管的关断特性，闭锁子模块并导通配置的晶闸管，转移故障电流至晶闸管并在完全转移后撤去晶闸管触发信号，故障电流过零晶闸管关断完成故障电流的清除，以较低的成本为突出优点；但两者在性能及成本方面均有较大的提升空间。现存故障转移型子模块无法兼顾保证较低的建设成本、较高的可靠性及控制简便性。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种双向自阻塞子模块拓扑结构及其故障穿越方法，针对现存故障转移型子模块无法兼顾性能及成本的缺点进行改进，在确保了较高的可靠性及降低控制难度的前提下，相较于现存故障转移型子模块降低了制造成本及运行成
本。
[0009]根据一些实施例，本专利技术的第一方案提供了一种双向自阻塞子模块拓扑结构，采用如下技术方案：一种双向自阻塞子模块拓扑结构，包括第一半桥结构、第二半桥结构、反向开关管单元，以及并联在所述双向自阻塞子模块的端口处的续流晶闸管；其中，所述第一半桥结构包括第一开关管单元、第三开关管单元和第一电容；所述第二半桥结构包括第二开关管单元、第四开关管单元和第二电容；所述反向开关管单元的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元均包括开关管和反向并联的二极管；所述开关管的集电极均与所述二极管的阴极相连接，所述开关管的发射极均与所述二极管的阳极相连接；所述第一电容的正极与所述第一开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第一电容的负极与所述第三开关管单元中的开关管的发射极相连接；所述第二电容的正极与所述第二开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第二电容的负极与所述第四开关管单元中的开关管的发射极相连接；所述反向开关管单元中的开关管的发射极分别连接所述第一开关管单元中的开关管的发射极和所述第二开关管单元中的开关管的发射极；所述反向开关管单元中的开关管的集电极分别连接所述第三开关管单元中的开关管的集电极和所述第四开关管单元中的开关管的集电极；所述续流晶闸管的阴极与所述第一电容的正极相连接，所述续流晶闸管的阳极与所述第二电容的负极相连接；所述双向自阻塞子模块的端口包括双向自阻塞子模块正极端口和双向自阻塞子模块负极端口；所述双向自阻塞子模块正极端口与所述续流晶闸管的阴极相连接；所述双向自阻塞子模块负极端口与所述续流晶闸管的阳极相连接。
[0010]作为进一步的技术限定，所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元中的开关管均采用IGBT。
[0011]根据一些实施例，本专利技术的第二方案提供了一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，采用如下技术方案：一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，采用了第一方案中述的双向自阻塞子模块拓扑结构作为子模块单元构建完成模块化多电平换流器；所述方法包括电容放电阶段、故障隔离阶段以及重启动阶段；其中，所述电容放电阶段是在故障发生后到换流器所有子模块IGBT闭锁这一阶段；所述故障隔离阶段从发出续流晶闸管触发信号开始，先后经历子模块所有IGBT闭锁以及续流晶闸管闭锁，当故障电流过零时所有双向自阻塞子模块中的续流晶闸管关断，故障隔离阶段结束；所述重启动阶段是待直流侧故障电流清零后，在供电可靠性允许的范围内考虑一般瞬时故障自行清除的时间，重新根据调制需求向双向自阻塞子模块施加投入或者旁路信号。
[0012]作为进一步的技术限定，所述电容放电阶段与所述故障隔离阶段存在着重叠时间，当检测到故障电流后且在子模块所有IGBT闭锁之前，双向自阻塞子模块正常投切，先给
续流晶闸管触发信号，续流晶闸管导通后再闭锁双向自阻塞子模块中的所有IGBT,使得交流侧暂时工作在三相短路状态。
[0013]进一步的，在续流晶闸管导通之后应尽快进行闭锁子模块所有IGBT操作，以缩短电容放电阶段与故障隔离阶段之间的时间间隔，减少电容放电损失的能量，降低短路电流的影响并便于后续重启动操作。
[0014]作为进一步的技术限定，在所述故障隔离阶段，续流晶闸管导通后，子模块快速闭锁，闭锁后因续流晶闸管导通与子模块并联连接，故障电流转移至续流晶闸管，不产生冲击电压，电容经过放电，电压低于额定电压，IGBT不会因电压过高而损坏。
[0015]进一步的，故障电流转移后，撤去续流晶闸管的触发信号，待故障电流均过零时，续流晶闸管关断，故障电流清除，故障隔离阶段结束。
[0016]作为进一步的技术限定，在所述重启动阶段中，若不再出现过电流情况，表示发生的为瞬时故障，故障穿越成功；否则，则视为永久性故障，需要配合交流侧断路器或直流侧断路器断开线路进行检修。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：从性能角度来讲，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向自阻塞子模块拓扑结构，其特征在于，包括第一半桥结构、第二半桥结构、反向开关管单元，以及并联在所述双向自阻塞子模块的端口处的续流晶闸管；其中，所述第一半桥结构包括第一开关管单元、第三开关管单元和第一电容；所述第二半桥结构包括第二开关管单元、第四开关管单元和第二电容；所述反向开关管单元的一端连接所述第一开关管单元和所述第二开关管单元，另一端连接所述第三开关管单元和所述第四开关管单元；所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元均包括开关管和反向并联的二极管；所述开关管的集电极均与所述二极管的阴极相连接，所述开关管的发射极均与所述二极管的阳极相连接；所述第一电容的正极与所述第一开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第一电容的负极与所述第三开关管单元中的开关管的发射极相连接；所述第二电容的正极与所述第二开关管单元中的开关管的集电极相连接，所述第二电容的负极与所述第四开关管单元中的开关管的发射极相连接；所述反向开关管单元中的开关管的发射极分别连接所述第一开关管单元中的开关管的发射极和所述第二开关管单元中的开关管的发射极；所述反向开关管单元中的开关管的集电极分别连接所述第三开关管单元中的开关管的集电极和所述第四开关管单元中的开关管的集电极；所述续流晶闸管的阴极与所述第一电容的正极相连接，所述续流晶闸管的阳极与所述第二电容的负极相连接；所述双向自阻塞子模块的端口包括双向自阻塞子模块正极端口和双向自阻塞子模块负极端口；所述双向自阻塞子模块正极端口与所述续流晶闸管的阴极相连接；所述双向自阻塞子模块负极端口与所述续流晶闸管的阳极相连接。2.如权利要求1中所述的一种双向自阻塞子模块拓扑结构，其特征在于，所述第一开关管单元、所述第二开关管单元、所述第三开关管单元、所述第四开关管单元和所述反向开关管单元中的开关管均采用IGBT。3.一种双向自阻塞子模块拓扑结构的故障穿越方法，采用了如权利要求1
‑
2中任一项所述的双向自阻塞子模块拓扑结构作为子模块单元的模块化多电平换流器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅，张振，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：