一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC及其控制方法，涉及多电平电力电子变换器技术领域。本发明专利技术所述MMC变换器采用三相六桥臂结构，三相上桥臂采用全桥子模块和半桥子模块混联的形式，通过上桥臂全桥子模块阻断直流短路电流；三相下桥臂采用单纯的半桥子模块；三个晶闸管支路形成环路，从A相上桥臂下端到B相上桥臂下端，再到C相上桥臂下端回到A相上桥臂下端；当发生直流侧短路故障时，触发晶闸管，将三相上桥臂下端短路，实现交直流解耦。通过三相上桥臂中全桥子模块注入的反向电压阻断直流侧短路电流，然后断开隔离开关实现变换器和故障线路的隔离，最后借助晶闸管半控特性断开交流电流，实现直流侧短路故障保护。实现直流侧短路故障保护。实现直流侧短路故障保护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC及其控制方法


[0001]本专利技术涉及多电平电力电子变换器
，具体为一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC及其控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输电的核心设备，与传统的两电平和三电平变换器相比，模块化多电平变换器具有效率高、模块化程度高、输出交流电压谐波低等特点。柔性直流系统发生直流短路故障时，会产生巨大的短路电流，对变流器、输电线路、用电负荷等造成危害，甚至导致变流器电力电子元件损坏而不能投入运行，因此直流故障的快速清除能力直接关系到系统运行的可靠性。
[0003]传统半桥MMC在发生直流侧短路故障后，半桥子模块闭锁，此时半桥子模块的输出特性等价于二极管，MMC的等效电路为三相不控整流电路，交流侧不断地向直流故障处注入短路电流，因此传统半桥MMC无法依靠子模块闭锁实现直流侧短路故障保护，为此，我们提出一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC及其控制方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC及其控制方法，可以实现直流侧短路故障保护。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC，所述MMC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个子模块，所述上桥臂的子模块为全桥子模块和半桥子模块混联，全桥子模块的数量为M，所述下桥臂的子模块均为半桥子模块；
[0006]所述上桥臂的下端短接有晶闸管支路，所述晶闸管支路的数量为三个，分别为第一支路TB1、第二支路TB2和第三支路TB3，且三个所述晶闸管支路串联成环路，从A相上桥臂下端到B相上桥臂下端，再从B相上桥臂下端到C相上桥臂下端，最后从C相上桥臂下端回到A相上桥臂下端；
[0007]所述MMC还包括三相交流端口和直流端口，所述三相交流端口通过第一桥臂电感与第二桥臂电感分别与上桥臂、下桥臂相连，所述直流端口通过第一隔离开关、第二隔离开关与直流母线相连。
[0008]进一步的，所述全桥子模块包括四个IGBT开关器件(包含反并联二极管)和一个电解电容，其中，第一IGBT开关管发射极与第二IGBT开关管集电极相连；第三IGBT开关管发射极与第四IGBT开关管集电极相连；第一IGBT开关管集电极、第三IGBT开关管集电极与电解电容正极相连；第二IGBT开关管发射极、第四IGBT开关管发射极与电解电容负极相连；第一IGBT开关管发射极为全桥子模块正端，第三IGBT开关管发射极为全桥子模块负端。
[0009]进一步的，所述半桥子模块包括两个IGBT开关器件(包含反并联二极管)和一个电解电容，其中，第一IGBT开关管发射极与第二IGBT开关管集电极相连；第一IGBT开关管集电
极与电解电容正极相连；第二IGBT开关管发射极与电解电容负极相连；第一IGBT开关管发射极为半桥子模块正端，第二IGBT开关管发射极为半桥子模块负端。
[0010]进一步的，所述子模块数量N的计算方法具体如下：
[0011]根据直流母线电压U
dc
和子模块电解电容额定电压U
cN
，计算确定上下桥臂子模块数量N：
[0012][0013]进一步的，所述上桥臂全桥子模块数量M的计算方法包括：
[0014](1)根据给定的交流侧三相相电压U
ph
、交流侧电感L
f
、交流侧电阻R
f
和桥臂电感L
S
，计算三相上桥臂短路运行时上桥臂电感电压幅值U
Lsm
；
[0015](2)根据得到的上桥臂电感电压幅值U
Lsm
，得到断流过程中所需要注入反压V
neg
；
[0016][0017](3)，根据V
neg
和FB
‑
SM的额定电容电压U
cN
计算所需要的FB
‑
SM的个数M：
[0018][0019]进一步的，所述三个晶闸管支路中，均包含N
TB
个串联晶闸管，串联晶闸管的数量N
TB
的计算方法为：
[0020](1)根据晶闸管的型号确定每个晶闸管的额定电压U
T
；
[0021](2)根据交流侧额定运行时的三相线电压V
Line
，通过N
TB
＝V
Line
/U
T
计算每个晶闸管支路的串联晶闸管数量N
TB
。
[0022]根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC控制方法，包括正常运行控制、直流侧短路故障清除控制以及交流侧短路故障清除控制。
[0023]进一步的，所述正常运行控制方法如下：
[0024]半桥子模块闭锁信号、全桥子模块闭锁信号、晶闸管驱动信号均为0，所有半桥子模块第一IGBT开关管和第二IGBT开关管驱动信号反相；所有全桥子模块第一IGBT开关管和第二IGBT开关管驱动信号反相，第三IGBT开关管驱动信号为0，第四IGBT开关管驱动信号为1；第一隔离开关S1和第二隔离开关S2保持闭合。
[0025]进一步的，所述直流侧短路故障清除控制方法如下：
[0026]当检测到直流电流增大到1.5倍额定值时，闭锁所有的全桥子模块和半桥子模块，全桥子模块中的第一至第四IGBT开关管全部关断，子模块的输出特性等价于电容，提供反向电压；半桥子模块中的第一至第二IGBT开关管全部关断，子模块的输出特性等价于二极管；
[0027]触发晶闸管，将三相上桥臂下端短接。
[0028]进一步的，所述交流侧短路故障清除控制方法如下：
[0029]当检测到直流侧短路电流降为零时，断开直流端口与直流母线之间的第一隔离开关S1和第二隔离开关S2，移除晶闸管环路驱动信号。
[0030]本专利技术至少具备以下有益效果：
[0031](1)相较于传统半桥MMC，本专利技术具有自断流能力，可以实现直流侧短路故障保护：
[0032]传统半桥MMC在发生直流侧短路故障后，闭锁全部的半桥子模块，此时半桥子模块的输出特性等价于二极管，MMC的等效电路为三相不控整流电路，交流侧不断地向直流故障处注入短路电流，因此传统半桥MMC无法依靠闭锁子模块实现直流侧短路故障保护，本专利技术在发生直流侧短路故障后，闭锁全部的全桥子模块和半桥子模块，触发晶闸管环，上桥臂全桥子模块抑制直流侧短路电流，晶闸管环路形成交流三相短路阻断交流测注入短路电流。这也是本专利技术与现有MMC拓扑的本质区别；
[0033](2)相较于传统混联MMC，本专利技术只需使用15％的全桥子模块实现直流侧短路故障保护：
[0034]传统混联MMC需要利用全桥子模块的特性来阻断直流短路故障电流，为此需要全桥子模块占比超过50％。而根据本专利技术的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC，所述MMC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个子模块，其特征在于，所述上桥臂的子模块为全桥子模块和半桥子模块混联，全桥子模块的数量为M，所述下桥臂的子模块均为半桥子模块；所述上桥臂的下端短接有晶闸管支路，所述晶闸管支路的数量为三个，分别为第一支路TB1、第二支路TB2和第三支路TB3，且三个所述晶闸管支路串联成环路，从A相上桥臂下端到B相上桥臂下端，再从B相上桥臂下端到C相上桥臂下端，最后从C相上桥臂下端回到A相上桥臂下端；所述MMC还包括三相交流端口和直流端口，所述三相交流端口通过第一桥臂电感与第二桥臂电感分别与上桥臂、下桥臂相连，所述直流端口通过第一隔离开关、第二隔离开关与直流母线相连。2.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC，其特征在于：所述全桥子模块包括四个IGBT开关器件(包含反并联二极管)和一个电解电容，其中，第一IGBT开关管发射极与第二IGBT开关管集电极相连；第三IGBT开关管发射极与第四IGBT开关管集电极相连；第一IGBT开关管集电极、第三IGBT开关管集电极与电解电容正极相连；第二IGBT开关管发射极、第四IGBT开关管发射极与电解电容负极相连；第一IGBT开关管发射极为全桥子模块正端，第三IGBT开关管发射极为全桥子模块负端。3.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC，其特征在于：所述半桥子模块包括两个IGBT开关器件(包含反并联二极管)和一个电解电容，其中，第一IGBT开关管发射极与第二IGBT开关管集电极相连；第一IGBT开关管集电极与电解电容正极相连；第二IGBT开关管发射极与电解电容负极相连；第一IGBT开关管发射极为半桥子模块正端，第二IGBT开关管发射极为半桥子模块负端。4.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC，其特征在于：所述子模块数量N的计算方法具体如下：根据直流母线电压U
dc
和子模块电解电容额定电压U
cN
，计算确定上下桥臂子模块数量N：5.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管环具有自断流能力的MMC，其特征在于：所述上桥臂全桥子模块数量M的计算方法包括：(1)根据给定的交流侧三相相电压U
ph
、交流侧电感L
f
、交流侧电阻R
f
和桥臂电感L
S
，计算三相上桥臂短路运行时上桥臂电...

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