【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电压源型变换器，涉及模块化多电平变换器的子模块电路拓扑及工作方法，具体涉及一种具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路拓扑及其工作方法。
技术介绍
1、随着电力电子技术的发展，基于模块化多电平变换器(mmc)的柔性直流(mmc-hvdc)系统受到了业界和学术界的广泛关注。mmc具有有功和无功控制解耦、无换相故障、低谐波等优点，性能优于电网换相换流器(lcc)，在风电场集成、多端运行、无源网络供电等场景中得到广泛应用。到目前为止，国内已建成了昆柳龙、张北等多端架空线路柔性直流工程。然而架空线输电场合导线裸露在空间中，线路容易发生短路、闪络等瞬时性故障，采用半桥子模块的典型mmc不具备直流侧故障自清除能力，对柔性直流系统的发展形成制约。采用全桥子模块的mmc因全桥子模块在闭锁状态下可将电流消纳至模块电容中的特性而具备直流侧故障自清除能力，但存在投资成本较高的问题。
2、受环境因素的影响，可再生能源的出力具有一定的波动性和间歇性，大规模可再生能源的并网将会影响电力系统的稳定性；高比例接入电力系统的电力电子器件也因其低惯性、弱致稳性、弱抗扰性等特征降低了电网抗扰动能力和调节能力，影响系统稳定性。在电力系统中增加储能系统能够平抑电力波动、提高系统稳定性和经济性，较好补偿以上不足。模块化多电平变换器具有模块化、输出电压谐波含量低、开关器件电压应力小等优点，是较理想的储能系统功率变换拓扑。
3、因此，设计一种可对分散储能系统的电力电子器件进行直流故障工况临时复用的半桥与全桥自适应mmc子模块，使基于m
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路及工作方法。
2、为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路，采用如下技术方案：
3、本专利技术公开的一种具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路，为便于指代以下称为子模块，包括以下元件：1个电抗器，为便于指代命名为l；1个电容器，命名为c；6个电力二极管，分别命名为d1、d2、d3、d3、d4、d5、d6；2个电力晶闸管，分别命名为v1、v2；5个绝缘栅双极型晶体管，分别命名为t1、t2、t3、t4、t5；1个储能元件，选用蓄电池或超级电容，命名为es。相较于典型非隔离型储能mmc子模块电路拓扑，本专利技术公开的子模块电路拓扑在仅增加1个绝缘栅双极型晶体管、2个电力晶闸管和2个电力二极管的情况下便令mmc换流站具备了柔性直流输电所紧缺的架空线路直流故障处理能力，且于正常工作状态下兼具储能电站的功能。
4、本专利技术公开的子模块电路拓扑，包含半桥常规子模块单元、储能变换器单元以及故障处理单元三部分，3个单元均包含3个接线端。半桥常规子模块单元为mmc桥臂提供较为稳定的电压，储能变换器单元实现能量在储能元件与电容器之间的交换，故障处理单元负责子模块半桥与全桥的临时状态转换。
5、进一步地，半桥常规子模块单元、储能变换器单元以及故障处理单元的连接关系如下：半桥常规子模块单元的第一接线端为本专利技术公开的子模块的正极输出接线端，半桥常规子模块单元的第二接线端与储能变换器单元的第一接线端相连，半桥常规子模块单元的第三接线端与储能变换器单元的第三接线端相连；故障处理单元的第一接线端为本专利技术公开的子模块的负极输出接线端，故障处理单元的第二接线端与储能变换器单元的第二接线端相连，故障处理单元的第三接线端与储能变换器单元的第三接线端相连。
6、进一步地，所述半桥常规子模块单元，包含电容器c、电力二极管d1、d2、绝缘栅双极型晶体管t1、t2，且5个元件的连接关系如下：d1的阳极、d2的阴极、t1的发射极和t2的集电极四者相连接并作为半桥常规子模块单元的第一接线端；电容器c的一端与t1的集电极及d1的阴极三者相连接并作为半桥常规子模块单元的第二接线端，电容器c的另一端与t2的发射极及d2的阳极三者相连接并作为半桥常规子模块单元的第三接线端。可见半桥常规子模块单元拓扑与典型半桥子模块拓扑构造相一致。
7、进一步地，所述储能变换器单元，包含电抗器l、电力二极管d3、d4、电力晶闸管v1、v2、绝缘栅双极型晶体管t3、t4、储能元件es，且8个元件的连接关系如下：d3的阴极与t3的集电极两者相连接并作为储能变换器单元的第一接线端；d3的阳极、d4的阴极、v1的阳极、v2的阴极、t3的发射极、t4的集电极六者相连接并作为储能变换器单元的第二接线端；l的一端与es的正极相连接，v1的阴极、v2的阳极与l的另一端三者相连接；t4的发射极、d4的阳极与es的负极三者相连接并作为储能变换器单元的第三接线端。可见储能变换器单元拓扑与典型buck-boost双向变换器拓扑相比增加了一对反并联晶闸管，该对晶闸管能够切断故障电流馈入储能元件的通路，达到相互隔离的目的。
8、进一步地，所述故障处理单元，包含电力二极管d5、d6、绝缘栅双极型晶体管t5，且3个元件的连接关系如下：d5的阳极、d6的阴极、t5的集电极三者相连接并作为故障处理单元的第一接线端；d5的阴极单独作为故障处理单元的第二接线端；d6的阳极与t5的发射极两者相连接并作为故障处理单元的第三接线端。故障处理单元拓扑为专利技术人独自发现并应用于所述的具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路，实现了子模块在常态半桥模式与故障状态下全桥模式之间的相互转换，对直流故障的清除起有不可或缺的重要作用。
9、为了实现上述目的，第二方面，本专利技术还提供了一种用于上述的具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路的控制方法，采用如下技术方案：
10、用于本专利技术公开的子模块的控制方法，包括六种控制模式，具体如下：
11、第一种控制模式为，在采用本专利技术公开的子模块的mmc中，在mmc直流侧双极短路且储能元件为充电状态的情况下，为了清除故障，进行以下操作：首先同时为t1、t2、t3、t5四者的栅极施加关断信号，为t4的栅极施加导通信号以及断开v1、v2二者门极的导通信号，然后等待2毫秒，最后为t4的栅极施加关断信号。其中等待一段时间目的在于令反并联晶闸管可靠关断。可见7个可控及半控元件悉数关断后，故障电流在本专利技术公开的子模块中流通路径为：由负极输出接线端流入，然后依次流经d5、d3、c、d2，最后循正极输出接线端流出。经此控制，本专利技术公开的子模块正、负极输出接线端间电压为电容器c的反向电压，有利于将故障电流消纳至电容中并由此阻断直流故障电流。
12、第二种控制模式为，在mmc直流侧双极短路且储能元件为放电状态的情况下，为了清除故障，进行以下操作：首先同时为t1、t2、t4、t5四者的栅极施加关断信号，为t3的栅极施加导通信号以及断开v1、v2二者门极的导通信号，然后等待2毫秒，最后为t3的栅极施加关断信号。其中等待一段时间目的同在于令反并联晶闸管可靠关断。可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路，其特征在于，包含半桥常规子模块单元、储能变换器单元以及故障处理单元，上述3个单元均包括3个接线端且相互的连接关系如下：半桥常规子模块单元的第一接线端为所述具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路的正极输出接线端，半桥常规子模块单元的第二接线端与储能变换器单元的第一接线端相连，半桥常规子模块单元的第三接线端与储能变换器单元的第三接线端相连；故障处理单元的第一接线端为所述具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路的负极输出接线端，故障处理单元的第二接线端与储能变换器单元的第二接线端相连，故障处理单元的第三接线端与储能变换器单元的第三接线端相连；
2.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路，其特征在于，所述储能型MMC子模块电路在MMC直流侧双极短路且储能元件为充电状态的情况下，为了清除故障，进行以下操作：首先同时为T1、T2、T3、T5四者的栅极施加关断信号，为T4的栅极施加导通信号以及断开V1、V2二者门极的导通信号，然后等待2毫秒，最后为T4的栅极施加关断信号。
3.根据
4.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路，其特征在于，为了使所述储能型MMC子模块电路向MMC桥臂输出正向电压且储能元件充电，同时进行以下操作：为T1、T3、T5三者的栅极施加导通信号，为T2、T4两者的栅极施加关断信号，为V1、V2的门极施加导通信号。
5.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路，其特征在于，为了使所述储能型MMC子模块电路向MMC桥臂输出正向电压且储能元件放电，同时进行以下操作：为T1、T4、T5三者的栅极施加导通信号，为T2、T3两者的栅极施加关断信号，为V1、V2的门极施加导通信号。
6.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路，其特征在于，为了使所述储能型MMC子模块电路向MMC桥臂输出零电压且储能元件充电，同时进行以下操作：为T2、T3、T5三者的栅极施加导通信号，为T1、T4两者的栅极施加关断信号，为V1、V2的门极施加导通信号。
7.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型MMC子模块电路，其特征在于，为了使所述储能型MMC子模块电路向MMC桥臂输出零电压且储能元件放电，同时进行以下操作：为T2、T4、T5三者的栅极施加导通信号，为T1、T3两者的栅极施加关断信号，为V1、V2的门极施加导通信号。
...【技术特征摘要】
1.一种具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路，其特征在于，包含半桥常规子模块单元、储能变换器单元以及故障处理单元，上述3个单元均包括3个接线端且相互的连接关系如下：半桥常规子模块单元的第一接线端为所述具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路的正极输出接线端，半桥常规子模块单元的第二接线端与储能变换器单元的第一接线端相连，半桥常规子模块单元的第三接线端与储能变换器单元的第三接线端相连；故障处理单元的第一接线端为所述具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路的负极输出接线端，故障处理单元的第二接线端与储能变换器单元的第二接线端相连，故障处理单元的第三接线端与储能变换器单元的第三接线端相连；
2.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路，其特征在于，所述储能型mmc子模块电路在mmc直流侧双极短路且储能元件为充电状态的情况下，为了清除故障，进行以下操作：首先同时为t1、t2、t3、t5四者的栅极施加关断信号，为t4的栅极施加导通信号以及断开v1、v2二者门极的导通信号，然后等待2毫秒，最后为t4的栅极施加关断信号。
3.根据权利要求1所述的具备直流故障清除能力的储能型mmc子模块电路，其特征在于，所述储能型mmc子模块电路在mmc直流侧双极短路且储能元件为放电状态的情况下，为了清除故障，进行以下操作：首先同时为t1、t2、t4、t5四者的栅极施加关断信号，为t3的栅极施加导通信号以及断...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖晃庆，朱琼海，杨淇鸾，张勇军，杨苹，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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