專利名稱：一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法。
背景技術(shù)：
模塊化多電平換流器(Modular Multi-level Converter，MMC)的基本結(jié)構(gòu)與常用的三相橋式換流器相似，其基本結(jié)構(gòu)也是由六個(gè)換流器橋臂組成，只是其中的每個(gè)橋臂都是由多個(gè)子模塊(SubModule，SM)串聯(lián)組成的，如錯(cuò)誤！未找到引用源。。其中每個(gè)子模塊主要包含兩個(gè)開關(guān)器件Sl和S2、一個(gè)直流電容C和一個(gè)旁路開關(guān)K。對(duì)于模塊化多電平換流器來說，其中的每個(gè)子模塊都包含兩個(gè)IGBT(絕緣柵雙極晶體管)器件，每個(gè)器件在工作過程中都有通(On)和斷(Off)兩種狀態(tài)，因此每個(gè)子模塊中的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)該有4種組合。但是由于兩個(gè)IGBT都同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，將造成子模塊中的電容短路放電，因此這種狀態(tài)是禁止出現(xiàn)的。所以實(shí)際上子模塊的工作狀態(tài)只能有3 種，如錯(cuò)誤！未找到引用源。2所示。在狀態(tài)1中，兩個(gè)IGBT都處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電流流入子模塊直流側(cè)正極時(shí)(定義其為電流的正方向)，則電流將通過續(xù)流二極管Dl向電容充電；當(dāng)電流反方向流動(dòng)，則電流將通過續(xù)流二極管D2將子模塊旁路。這種狀態(tài)在換流器運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)，而只有當(dāng)換流器處于啟動(dòng)充電過程下，將所有的子模塊置成此狀態(tài)，此時(shí)交流系統(tǒng)將通過續(xù)流二極管Dl為所有子模塊中的電容進(jìn)行充電。此外，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的情況下整個(gè)換流器將被閉鎖，此時(shí)所有的子模塊也將處于此種狀態(tài)。在狀態(tài)2中，IGBTl處于導(dǎo)通狀態(tài)，IGBT2處于關(guān)斷狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，當(dāng)電流正向流動(dòng)時(shí)，電流將通過續(xù)流二極管Dl流入電容，對(duì)電容充電；當(dāng)電流反向流動(dòng)時(shí)，電流將通過IGBTl對(duì)電容進(jìn)行放電。不管電流處于何種流通方向，子模塊的輸出端電壓都將為電容上的電壓。在狀態(tài)3中，IGBTl處于關(guān)斷狀態(tài)，IGBT2處于導(dǎo)通狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，當(dāng)電流正向流通時(shí)，電流將通過IGBT2將子模塊的電容旁路；當(dāng)電流方向反向流通時(shí)，將通過續(xù)流二極管D2將電容旁路。對(duì)于這種狀態(tài)，不管電流方向如何，子模塊的輸出端電壓都將為零。在子模塊3種工作狀態(tài)下，如果子模塊發(fā)生故障時(shí)，為了保護(hù)柔性直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需對(duì)故障子模塊進(jìn)行隔離，以防止故障繼續(xù)擴(kuò)大或者漫延。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法，保證模塊化多電平換流器的正常運(yùn)行。本發(fā)明提供的一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法，所述換流器包括子模塊控制器和子模塊，所述子模塊控制器包括監(jiān)控系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路；所述子模塊包括隔離開關(guān)、串聯(lián)的兩個(gè)IGBT、與每個(gè)IGBT反并聯(lián)的二極管、與串聯(lián)后的兩個(gè)IGBT并聯(lián)的電阻、電容和放電電路；所述隔離開關(guān)與其中一個(gè)所述IGBT并聯(lián)；其改進(jìn)之處在于，所述保護(hù)方法包括確定子模塊出現(xiàn)下述類型的故障時(shí)，合上所述隔離開關(guān)(1)經(jīng)所述監(jiān)控系統(tǒng)判斷子模塊發(fā)生的故障為不可恢復(fù)時(shí)；(2)所述監(jiān)控系統(tǒng)判斷子模塊發(fā)生的故障對(duì)子模塊的其他器件造成損害時(shí)；(3)所述監(jiān)控系統(tǒng)判斷當(dāng)子模塊所發(fā)生的故障可恢復(fù)但故障次數(shù)超出允許的規(guī)定時(shí)；(4)所述監(jiān)控系統(tǒng)判斷子模塊的電氣量發(fā)生快速的變化且其速度超過規(guī)定的限值時(shí)；(5)所述監(jiān)控系統(tǒng)判斷子模塊的電氣量發(fā)生較為緩慢的變化且所述電氣量的增加量超過規(guī)定的限值時(shí)。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，旁路開關(guān)的動(dòng)作由子模塊本身控制或由子模塊控制器的驅(qū)動(dòng)電路控制；當(dāng)過電壓或過電流導(dǎo)致子模塊的元件發(fā)生不可恢復(fù)的損壞時(shí)，由子模塊本身控制；當(dāng)過電壓或過電流導(dǎo)致子模塊的元件發(fā)生可恢復(fù)的故障時(shí)，由子模塊控制器的驅(qū)動(dòng)電路控制。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，當(dāng)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源來自所述子模塊電容的電容值時(shí)，使用真空式的機(jī)械開關(guān)；當(dāng)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源來自外界接入的直流電時(shí)，使用固態(tài)開關(guān)或者機(jī)械式開關(guān)。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，所述(3)中所述可恢復(fù)是指子模塊根據(jù)型號(hào)不同在規(guī)定的次數(shù)里故障消失；所述規(guī)定由廠商限定。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，所述中所述快速的變化是指電壓變化率超過lOOOV/us或者電流變化率超過3000A/US。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選方案的保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，所述(5)中所述緩慢的變化是指電壓變化率低于lOOOOV/us或者電流變化率低于3000A/US。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選方案的保護(hù)方法，其改進(jìn)之處在于，所述放電電路包括串聯(lián)的放電開關(guān)和電阻；在子模塊電容上的電壓值高于規(guī)定限制或低于規(guī)定限制時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電路相應(yīng)的閉合或打開所述放電開關(guān)。所述規(guī)定由廠商限定。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明使得模塊化多電平換流器子模塊的工作可靠性可以得到充分的保證，同時(shí)最大限度的保證了換流器的正常運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)樽幽K的故障而導(dǎo)致整個(gè)換流器的退出， 同時(shí)也不會(huì)因?yàn)樽幽K中各組件的故障而導(dǎo)致子模塊的整體損壞，從而極大的提高了模塊化多電平換流器本身的可用率。本發(fā)明的方法，配合實(shí)現(xiàn)換流器的冗余功能。通過在換流器中配置多于正常運(yùn)行所需要個(gè)數(shù)的子模塊，當(dāng)少量子模塊發(fā)生故障時(shí)通過將其進(jìn)行旁路，從而使得整個(gè)換流器可以保持正常運(yùn)行。通過使用本方法，可以充分保證換流器和子模塊在故障下的安全，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性及可用率。


圖1為本發(fā)明提供的MMC電氣結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明提供的子模塊開關(guān)狀態(tài)。圖3為本發(fā)明提供的子模塊詳細(xì)電氣結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖3所示，對(duì)于MMC中的子模塊來說，其通常含有如下的一些組件IGBT、晶閘管 T、直流電容C、電阻R、吸收電路XS、放電電路FD、旁路開關(guān)K等。子模塊控制器KZQ分別與驅(qū)動(dòng)電路QDl、QD2、QD3和QD4連接；QDl與旁路開關(guān)K 連接；QD2與晶閘管T連接；QD3與IGBT連接；QD4與放電電路FD連接。子模塊控制器KZQ包括監(jiān)控系統(tǒng)MS和驅(qū)動(dòng)電路DQl、DQ2、DQ3、DQ4 ；所述子模塊 SM包括隔離開關(guān)K、串聯(lián)的兩個(gè)IGBT、與每個(gè)IGBT反并聯(lián)的二極管D1、D2、與串聯(lián)后的兩個(gè) IGBT并聯(lián)的電阻R、電容C和放電電路FD ；隔離開關(guān)K與其中一個(gè)所述IGBT并聯(lián)；在每個(gè)二極管D1、D2的兩端并聯(lián)有吸收電路。當(dāng)這些組件發(fā)生故障時(shí)，需要根據(jù)子模塊各個(gè)器件的不同故障類型和故障可能產(chǎn)生的后果，或者各個(gè)器件故障可能的組合，驅(qū)動(dòng)旁路開關(guān)K進(jìn)行配合動(dòng)作，從而使相應(yīng)的故障得到控制。其中，吸收電路主要由電阻和電容串聯(lián)而成，作用是減緩功率管關(guān)斷時(shí)電壓的上升速度和限制功率管關(guān)斷時(shí)的最高電壓峰值，從而減小關(guān)斷損耗和防止功率管因關(guān)斷過壓而損壞；放電電路主要由放電開關(guān)和電阻串聯(lián)而成，其作用是配合直流電容C充放電。當(dāng)模塊化多電平換流器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果有子模塊出現(xiàn)故障，故障嚴(yán)重時(shí)，為了保證模塊化多電平換流器的正常運(yùn)行，必須將其排除；但子模塊出現(xiàn)故障如為可恢復(fù)時(shí)， 不必將其排除。本實(shí)施例的一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法，當(dāng)所述子模塊出現(xiàn)下述情況時(shí)，合上所述隔離開關(guān)K;(1)經(jīng)所述監(jiān)控系統(tǒng)MS判斷子模塊SM發(fā)生的故障為不可恢復(fù)時(shí)； (2)所述監(jiān)控系統(tǒng)MS判斷子模塊SM發(fā)生的故障對(duì)子模塊SM的其他器件造成損害時(shí)；(3)所述監(jiān)控系統(tǒng)MS判斷當(dāng)子模塊SM所發(fā)生的故障可恢復(fù)但故障次數(shù)超出允許的規(guī)定時(shí)；可恢復(fù)是指子模塊根據(jù)型號(hào)不同在規(guī)定的次數(shù)里故障消失，規(guī)定由廠商限定。當(dāng)所述監(jiān)控系統(tǒng)MS判斷當(dāng)子模塊SM所發(fā)生的故障可恢復(fù)且故障次數(shù)在允許的規(guī)定時(shí)，不閉合隔離開關(guān)K。(4)所述監(jiān)控系統(tǒng)MS判斷子模塊SM的電氣量發(fā)生快速的變化且其速度超過規(guī)定的限值時(shí)；快速的變化是指電壓變化率超過lOOOV/us或者電流變化率超過3000A/US。電氣量包括電壓和電流等。
(5)所述監(jiān)控系統(tǒng)MS判斷子模塊SM的電氣量發(fā)生較為緩慢的變化且所述電氣量的增加量超過規(guī)定的限值時(shí)。緩慢的變化是指電壓變化率低于lOOOOV/us或者電流變化率低于3000A/us。電氣量包括電壓和電流等。旁路開關(guān)的動(dòng)作由子模塊本身控制或由子模塊控制器的驅(qū)動(dòng)電路控制；當(dāng)過電壓或過電流導(dǎo)致子模塊SM的元件發(fā)生不可恢復(fù)的損壞時(shí)，由子模塊SM本身控制；當(dāng)過電壓或過電流導(dǎo)致子模塊SM的元件發(fā)生可恢復(fù)的故障時(shí)，由子模塊控制器 KZQ的驅(qū)動(dòng)電路QDl控制。當(dāng)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源來自子模塊電容值時(shí)，使用真空式的機(jī)械開關(guān)；當(dāng)旁路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電源來自外界接入的直流電時(shí)，使用固態(tài)開關(guān)或者機(jī)械式開關(guān)。本實(shí)施例的放電電路FD包括串聯(lián)的放電開關(guān)和電阻；在子模塊SM電容C上的電壓值高于規(guī)定限制時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路DQ4的閉合放電開關(guān)，作用是將電容上多余的電量消耗掉。 在子模塊SM電容C上的電壓值低于規(guī)定限制時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路DQ4的打開放電開關(guān)。最后應(yīng)該說明的是結(jié)合上述實(shí)施例僅說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法，所述換流器包括子模塊控制器(KZQ)和子模塊(SM)，所述子模塊控制器(KZQ)包括監(jiān)控系統(tǒng)(MQ和驅(qū)動(dòng)電路(DQ1、DQ2、DQ3、DQ4)；所述子模塊(SM)包括隔離開關(guān)(K)、串聯(lián)的兩個(gè)IGBT(S1、S2)、與每個(gè)IGBT反并聯(lián)的二極管 (DU D2)、與串聯(lián)后的兩個(gè)IGBT(SU S2)并聯(lián)的電阻(R)、電容(C)和放電電路(FD)；所述隔離開關(guān)(K)與其中一個(gè)所述IGBT并聯(lián)；其特征在于，所述保護(hù)方法包括確定子模塊(SM) 出現(xiàn)下述類型的故障時(shí)，合上所述隔離開關(guān)(K)(1)經(jīng)所述監(jiān)控系統(tǒng)(MS)判斷子模塊(SM)發(fā)生的故障為不可恢復(fù)時(shí)；(2)所述監(jiān)控系統(tǒng)(MQ判斷子模塊(SM)發(fā)生的故障對(duì)子模塊(SM)的其他器件造成損害時(shí)；(3)所述監(jiān)控系統(tǒng)(MQ判斷當(dāng)子模塊(SM)所發(fā)生的故障可恢復(fù)但故障次數(shù)超出允許的規(guī)定時(shí)；(4)所述監(jiān)控系統(tǒng)(MQ判斷子模塊(SM)的電氣量發(fā)生快速的變化且其速度超過規(guī)定的限值時(shí)；(5)所述監(jiān)控系統(tǒng)(MS)判斷子模塊(SM)的電氣量發(fā)生較為緩慢的變化且所述電氣量的增加量超過規(guī)定的限值時(shí)。
2.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于，旁路開關(guān)(K)的動(dòng)作由子模塊本身控制或由子模塊控制器(KZQ)的驅(qū)動(dòng)電路(DQl)控制；當(dāng)過電壓或過電流導(dǎo)致子模塊(SM)的元件發(fā)生不可恢復(fù)的損壞時(shí)，由子模塊(SM)本身控制；當(dāng)過電壓或過電流導(dǎo)致子模塊(SM)的元件發(fā)生可恢復(fù)的故障時(shí)，由子模塊控制器 (KZQ)的驅(qū)動(dòng)電路(DQl)控制。
3.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于，當(dāng)旁路開關(guān)⑷的驅(qū)動(dòng)電源來自所述子模塊(SM)電容(C)的電容值時(shí)，使用真空式的機(jī)械開關(guān)；當(dāng)旁路開關(guān)(K)的驅(qū)動(dòng)電源來自外界接入的直流電時(shí)，使用固態(tài)開關(guān)或者機(jī)械式開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于，所述(3)中所述可恢復(fù)是指子模塊根據(jù)型號(hào)不同在規(guī)定的次數(shù)里故障消失；所述規(guī)定由廠商限定。
5.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于，所述(4)中所述快速的變化是指電壓變化率超過lOOOV/us或者電流變化率超過3000A/us。
6.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于，所述(5)中所述緩慢的變化是指電壓變化率低于lOOOOV/us或者電流變化率低于3000A/us。
7.如權(quán)利要求1所述的保護(hù)方法，其特征在于，所述放電電路(FD)包括串聯(lián)的放電開關(guān)和電阻；在子模塊(SM)電容(C)上的電壓值高于規(guī)定限制或低于規(guī)定限制時(shí)，所述驅(qū)動(dòng)電路(DQ4)相應(yīng)的閉合或打開所述放電開關(guān)。所述規(guī)定由廠商限定。
全文摘要
本發(fā)明為一種模塊化多電平換流器的保護(hù)方法，換流器包括子模塊控制器和子模塊，當(dāng)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，通過子模塊控制器對(duì)子模塊的監(jiān)控及動(dòng)作，及時(shí)將出故障的子模塊排除，確保模塊化多電平換流器的正常運(yùn)行。本發(fā)明不會(huì)因?yàn)樽幽K的故障而導(dǎo)致整個(gè)換流器的退出，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)樽幽K中各組件的故障而導(dǎo)致子模塊的整體損壞，從而極大的提高了模塊化多電平換流器本身的可用率，且提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H02H3/08GK102354955SQ20111020686
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者馮靜波, 呂錚, 龐輝, 易榮, 欒洪洲, 湯廣福, 賀之淵 申請(qǐng)人:中國電力科學(xué)研究院