具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法技术

本发明专利技术公开了具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法，涉及多电平电力电子变换器技术领域。本发明专利技术包括A、B、C三相，每相均包含上桥臂与下桥臂，每个桥臂均包含N个相互串联的子模块，其特征在于，每个所述桥臂中的N个子模块中均包含1个单极性全桥子模块和N

【技术实现步骤摘要】
具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法


[0001]本专利技术涉及多电平电力电子变换器
，具体为具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平变换器MMC凭借结构高度模块化、效率高、输出电能质量高及可实现冗余控制等优点，在高压直流输电、可再生能源并网等领域广受关注。由于双极HVDC系统容量大、可靠性高，基于MMC的双极HVDC系统逐渐得到应用；双极HVDC系统由两个相同的不对称单极HVDC系统组成，基于传统半桥MMC的不对称单极HVDC系统，在发生阀侧交流单相接地故障时，交流电流中会产生巨大的直流偏置电流，使得交流故障电流无过零点，导致交流断路器难以及时断开故障电流；巨大的交流故障电流会给变换器、输电线路、用电负荷带来危害，严重时可能损坏变换器中电力电子器件。
[0003]现有技术中为了保证交流电流具备过零点，MMC三相下桥臂需要全部配备全桥子模块，但MMC三相下桥臂配备全桥子模块会导致上桥臂子模块电容出现严重的过电压，从而损坏电容和电力电子器件。此外，全桥子模块开关器件数量是半桥子模块开关器件数量的两倍，因此全桥子模块的功率损耗和器件成本都接近是半桥子模块的两倍，为此，我们提出具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法，在发生阀侧交流单相接地故障时，能够快速断开交流故障电流，避免子模块电容过电压和桥臂过电流，实现交流故障保护。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器及控制方法，包括A、B、C三相，每相均包含上桥臂与下桥臂，每个桥臂均包含N个相互串联的子模块，其特征在于，每个所述桥臂中的N个子模块中均包含1个单极性全桥子模块和N
‑
1个半桥子模块；
[0006]所述A、B、C三相的上桥臂上端短接，并经过第一隔离开关连接至输电线路直流侧，且A、B、C三相的下桥臂下端短接并经过第二隔离开关接地；
[0007]所述模块化多电平变换器还包括八个晶闸管支路，用于断开交流故障电流，所述八个晶闸管支路分别为第一晶闸管支路TB1、第二晶闸管支路TB2、第三晶闸管支路TB3、第四晶闸管支路TB4、第五晶闸管支路TB5、第六晶闸管支路TB6、第七晶闸管支路TB7和第八晶闸管支路TB8。
[0008]进一步的，所述八个晶闸管支路的连接方式具体如下：
[0009]第一晶闸管支路TB1阳极连接于A相上桥臂下端，阴极连接于B相下桥臂上端；第二晶闸管支路TB2阳极连接于B相下桥臂上端，阴极连接于C相上桥臂下端；第三晶闸管支路TB3阳极连接于C相上桥臂下端，阴极连接于A相下桥臂上端；第四晶闸管支路TB4阳极连接于A
相下桥臂上端，阴极连接于B相上桥臂下端；第五晶闸管支路TB5阳极连接于B相上桥臂下端，阴极连接于C相下桥臂上端；第六晶闸管支路TB6阳极连接于C相下桥臂上端，阴极连接于A相上桥臂下端；第七晶闸管支路TB7阳极接地，阴极连接于C相下桥臂上端；第八晶闸管支路TB8阳极连接于C相下桥臂上端，阴极接地。
[0010]进一步的，所述单极性全桥子模块包含第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第一直流电容和第一二极管，其中，第一IGBT的集电极连接第一二极管阴极，且该连接点与第一直流电容正极相连，第一IGBT的发射极与第二IGBT集电极相连；
[0011]第二IGBT发射极连接第三IGBT发射极，且该连接点与第一直流电容负极相连；
[0012]第三IGBT集电极与第一二极管阳极相连；
[0013]单极性全桥子模块正端连接于第一IGBT发射极和第二IGBT集电极之间，负端连接于第一二极管阳极与第三IGBT集电极之间。
[0014]进一步的，所述半桥子模块包括第四IGBT、第五IGBT和第二直流电容，其中，第四IGBT集电极与第二直流电容正极相连，第四IGBT发射极与第五IGBT集电极相连；
[0015]第五IGBT发射极与第二直流电容负极相连；
[0016]半桥子模块正端连接于第四IGBT发射极与第五IGBT集电极之间，负端连接于第五IGBT发射极。
[0017]进一步的，所述第一IGBT、第二IGBT和第三IGBT、第四IGBT与第五IGBT均包含反并联二极管。
[0018]进一步的，所述第一晶闸管支路至第八晶闸管支路分别由N
TBi
(i＝1～8)个晶闸管串联而成，N
TBi
的取值原则为：
[0019](1)根据所选晶闸管型号确定单个晶闸管能够承担的电压U
T
；
[0020](2)根据变流器额定运行时第i个晶闸管支路两端电压U
TBi
，通过N
TBi
＝U
TBi
/U
T
计算第i个晶闸管支路所需晶闸管数量N
TBi
。
[0021]根据本专利技术，本专利技术提供具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器的控制方法，包括正常运行控制、直流故障电流清除控制方法和交流故障电流清除控制方法。
[0022]进一步的，所述正常运行控制具体为：
[0023]未检测到交流故障前，单极性全桥子模块中第一IGBT、第二IGBT互补运行，第三IGBT保持导通；半桥子模块中第四IGBT和第五IGBT互补运行，八个晶闸管支路全部关断，第一隔离开关S1和第二隔离开关S2闭合。
[0024]进一步的，所述直流故障电流清除控制方法具体为：
[0025]检测到交流阀侧单相接地故障后，使得单极性全桥子模块中第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT全部关断，半桥子模块中第四IGBT、第五IGBT全部关断，8个晶闸管支路全部导通，进入直流故障电流清除阶段。
[0026]进一步的，所述交流故障电流清除控制方法具体为：
[0027]当直流故障电流清除后，断开第一隔离开关、第二隔离开关，移除八个晶闸管支路的触发信号，进入交流故障电流清除阶段。
[0028]本专利技术至少具备以下有益效果：
[0029]1、本专利技术能在20毫秒内断开交流故障电流，清除交流故障：
[0030]传统的三相半桥模块化多电平变换器在发生阀侧交流单相接地故障时，交流故障
电流由于巨大的直流偏置而无过零点，导致交流断路器无法断开故障电流，从而引起电力电子器件的损坏，对于下桥臂配备100％全桥子模块的模块化多电平变换器，在发生阀侧交流单相接地故障时，交流电流存在过零点，但其依赖交流断路器断开故障电流，断路器动作时间为40～100ms，导致交流故障清除时间长，本专利技术利用晶闸管支路断开交流故障电流，能够在20ms内实现交流故障的清除。
[0031]2、本专利技术避免了子模块电容过电压及桥臂过电流：
[0032]传统的在模块化多电平变换器下桥臂中配备10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器，包括A、B、C三相，每相均包含上桥臂与下桥臂，每个桥臂均包含N个相互串联的子模块，其特征在于，每个所述桥臂中的N个子模块中均包含1个单极性全桥子模块和N
‑
1个半桥子模块；所述A、B、C三相的上桥臂上端短接，并经过第一隔离开关连接至输电线路直流侧，且A、B、C三相的下桥臂下端短接并经过第二隔离开关接地；所述模块化多电平变换器还包括8个晶闸管支路，用于断开交流故障电流，所述八个晶闸管支路分别为第一晶闸管支路TB1、第二晶闸管支路TB2、第三晶闸管支路TB3、第四晶闸管支路TB4、第五晶闸管支路TB5、第六晶闸管支路TB6、第七晶闸管支路TB7和第八晶闸管支路TB8。2.根据权利要求1所述的具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器，其特征在于，所述八个晶闸管支路的连接方式具体如下：第一晶闸管支路TB1阳极连接于A相上桥臂下端，阴极连接于B相下桥臂上端；第二晶闸管支路TB2阳极连接于B相下桥臂上端，阴极连接于C相上桥臂下端；第三晶闸管支路TB3阳极连接于C相上桥臂下端，阴极连接于A相下桥臂上端；第四晶闸管支路TB4阳极连接于A相下桥臂上端，阴极连接于B相上桥臂下端；第五晶闸管支路TB5阳极连接于B相上桥臂下端，阴极连接于C相下桥臂上端；第六晶闸管支路TB6阳极连接于C相下桥臂上端，阴极连接于A相上桥臂下端；第七晶闸管支路TB7阳极接地，阴极连接于C相下桥臂上端；第八晶闸管支路TB8阳极连接于C相下桥臂上端，阴极接地。3.根据权利要求1所述的具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器，其特征在于：所述单极性全桥子模块包含第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第一直流电容和第一二极管，其中，第一IGBT的集电极连接第一二极管阴极，且该连接点与第一直流电容正极相连，第一IGBT的发射极与第二IGBT集电极相连；第二IGBT发射极连接第三IGBT发射极，且该连接点与第一直流电容负极相连；第三IGBT集电极与第一二极管阳极相连；单极性全桥子模块正端连接于第一IGBT发射极和第二IGBT集电极之间，负端连接于第一二极管阳极与第三IGBT集电极之间。4.根据权利要求3所述的具有交流故障保护能力的模块化多电平变换器，其特征在于：所述半桥子模块包括第四IGBT、第五IGBT和第二直流电容，其中，第四IGBT集电极与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓富金，李怀龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：