一種具有容錯能力可實現(xiàn)直流故障自主防護的mmc子模塊結構及其mmc調(diào)制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有容錯能力可實現(xiàn)直流故障自主防護的MMC子模塊結構，其通過冗余的開關狀態(tài)調(diào)節(jié)子模塊中兩個電容和8個功率開關管的電流應力平衡；在正常模式下可輸出三種電平，提高了子模塊的電平集成度；在閉鎖模式下，子模塊電容全部投入到橋臂中，子模塊電容充電，產(chǎn)生反向電動勢，起到隔離直流側故障的功能。本發(fā)明子模塊結構應用在MMC-HVDC系統(tǒng)中，可實現(xiàn)直流故障的自主防護，且由于結構的對稱性，使得子模塊結構在閉鎖模式下，輸出特性關于電流方向是對稱的，良好的對稱性有利于維持子模塊中功率器件及電容的電流應力平衡；應用在HCMC-HVDC系統(tǒng)中，具有比全橋子模塊結構更低的導通損耗，系統(tǒng)的運行效率得以提高。
【專利說明】-種具有容錯能力可實現(xiàn)直流故障自主防護的MMC子模塊 結構及其MMC調(diào)制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于柔性直流輸配電【技術領域】，具體涉及一種具有容錯能力可實現(xiàn)直流故 障自主防護的MMC子模塊結構及其MMC調(diào)制方法。
【背景技術】
[0002] 模塊化多電平換流器（ModularMultilevelConverter,MMC)自 2〇〇2 年問世 以來，以模塊化程度高、輸出波形質(zhì)量好、階躍電壓低、器件開關頻率低等特點，日益成為 高壓直流（HighVoltageDirectCurrent，HVDC)輸電系統(tǒng)中最具發(fā)展前景的換流器 拓撲結構之一。目前投入運行的MMC-HVDC項目中大多采用半橋子模塊（HalfBridge Sub-Module，HBSM)結構，該結構功率器件數(shù)量少、系統(tǒng)成本低、運行效率高，但發(fā)生直流側 故障時換流器自身不具備主動防護能力，需借助交流繼電保護設備隔離故障。
[0003] 直流側短路故障是直流輸電特別是在架空線路中一種常見的故障形式。目前，處 理直流側故障主要有三種方式：1)通過交流設備如交流斷路器、交流熔斷器等切斷故障與 交流系統(tǒng)的聯(lián)系；2)通過直流設備如直流斷路器等阻斷-故障與換流器的聯(lián)系；3)通過換 流器中功率半導體器件的開關動作實現(xiàn)直流側故障的隔離。但第一種方式由于其機械限制 導致交流設備的響應時間長、重啟復雜；第二種方式中的直流斷路器的技術尚不成熟且造 價高，難以應用于實際工程中；相比于前兩種方式，第三種方式響應時間快，故障后系統(tǒng)恢 復正常運行的能力強，成為處理MMC-HVDC直流側短路故障的一種有效的解決途徑。
[0004]目前能夠實現(xiàn)直流故障防護的子模塊結構中具有代表性的是全橋子模塊（Full BridgeSub-Module,FBSM)和箝位雙子模塊（ClampDoubleSub-Module,CDSM)的結構。全 橋子模塊的功率半導體器件數(shù)是半橋子模塊的兩倍，增大了系統(tǒng)成本、降低了換流器的運 行效率；箝位雙子模塊雖然結構簡潔，但容錯能力差，一旦箝位開關管損壞子模塊將無法實 現(xiàn)電平的正常輸出，影響整個系統(tǒng)的正常運行。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 針對現(xiàn)有技術所存在的上述技術問題，本發(fā)明提供了一種具有容錯能力可實現(xiàn)直 流故障自主防護的MMC子模塊結構及其MMC調(diào)制方法，具有導通損耗較小、容錯能力強等優(yōu) 點。
[0006] -種具有容錯能力可實現(xiàn)直流故障自主防護的MMC子模塊結構，包括：四個帶有 反并二極管的開關管&?S4、兩個電容Q?C2以及1?2個雙向功率開關；其中：
[0007] 開關管Si的發(fā)射極與開關管S2的集電極相連且為子模塊結構的正極端，開關管S3 的發(fā)射極與開關管S4的集電極相連且為子模塊結構的負極端，開關管Si的集電極與電容q 的一端和開關管S3的集電極相連，開關管S2的發(fā)射極與電容(：2的一端和開關管S4的發(fā)射 極相連，電容Q的另一端與電容C2的另一端相連并作為中間節(jié)點，四個開關管Si?S4的基 極均接收來自外部設備提供的開關控制信號；
[0008] 若雙向功率開關為一個，則該雙向功率開關的兩端分別與子模塊結構的正極端和 所述的中間節(jié)點相連或分別與子模塊結構的負極端和所述的中間節(jié)點相連；
[0009] 若雙向功率開關為兩個，則其中一個雙向功率開關的兩端分別與子模塊結構的正 極端和所述的中間節(jié)點相連，另一個雙向功率開關的兩端分別與子模塊結構的負極端和所 述的中間節(jié)點相連。
[0010] 所述的四個帶有反并二極管的開關管Si?S4均采用IGBT。
[0011] 所述的雙向功率開關由兩個帶有反并二極管的開關管S5?S6組成；其中，開關管 s5的集電極為雙向功率開關的一端，開關管s5的發(fā)射極與開關管s6的發(fā)射極相連，開關管 s6的集電極為雙向功率開關的另一端，兩個開關管s5?s6的基極均接收來自外部設備提供 的開關控制信號。
[0012] 所述的雙向功率開關由兩個不帶有反并二極管的開關管s5?s6組成；其中，開關 管s5的集電極與開關管s6的發(fā)射極相連且為雙向功率開關的一端，開關管s5的發(fā)射極與 開關管s6的集電極相連且為雙向功率開關的另一端，兩個開關管s5?s6的基極均接收來 自外部設備提供的開關控制信號。
[0013] 所述的兩個帶有反并二極管的開關管S5?S6均采用IGBT。
[0014] 基于上述子模塊結構的MMC調(diào)制方法，包括如下步驟：
[0015] (1)對于MMC任一橋臂，利用最近電平逼近法計算出下一時刻該橋臂所需投入的 子模塊電容個數(shù)；
[0016] (2)檢測各子模塊電容的電容電壓以及橋臂電流，并根據(jù)電容電壓對各子模塊電 容進行排序，形成電容隊列；
[0017] (3)根據(jù)橋臂電流判斷當前橋臂投入子模塊電容的狀態(tài)：
[0018] 若當前橋臂投入的子模塊電容處于充電狀態(tài)，則從電容隊列中提取電容電壓最低 的N個子模塊電容，并通過子模塊開關控制使這N個子模塊電容在下一時刻投入，其余子模 塊電容在下一時刻切除；
[0019] 若當前橋臂投入的子模塊電容處于放電狀態(tài)，則從電容隊列中提取電容電壓最高 的N個子模塊電容，并通過子模塊開關控制策略使這N個子模塊電容在下一時刻投入，其余 子模塊電容在下一時刻切除；N為下一時刻橋臂所需投入的子模塊電容個數(shù)。
[0020] 所述的子模塊開關控制策略如下：
[0021] 若使電容(^和(：2均投入，則子模塊中各開關器件的開關電平配置如下：
[0022] Si= 1，S2 = 0,S3 = 0,S4 = 1 ;
[0023] 與正極端連接的雙向功率開關中的S5=0,S6= 1 ;
[0024] 與負極端連接的雙向功率開關中的S5=1，S6= 0 ;
[0025] 若使電容(^投入，C2切除，則子模塊中各開關器件的開關電平配置如下：
[0026] Si= 1，S2 = 0,S3 = 0,S4 = 0 ;
[0027] 與正極端連接的雙向功率開關中的S5=0,S6= 1 ;
[0028] 與負極端連接的雙向功率開關中的S5 = 1，S6 = 1 ;
[0029] 若使電容C2投入，Q切除，則子模塊中各開關器件的開關電平配置如下：
[0030] Si= 0,S2 = 0,S3 = 0,S4 = 1 ;
[0031] 與正極端連接的雙向功率開關中的S5 = 1，S6 = 1;
[0032] 與負極端連接的雙向功率開關中的S5 = 1，S6 = 0;
[0033] 若使電容和C2均切除，則子模塊中各開關器件有三套開關電平配置如下：
[0034]第一套*= 1，S2 = 0,S3 = 1，S4 = 0;
[0035] 與正極端連接的雙向功率開關中的S5 = 0,S6 = 1;
[0036] 與負極端連接的雙向功率開關中的S5 = 0,S6 = 1;
[0037]弟_套：S! = 0，S2= 0，S3= 0，S4= 0;
[0038] 與正極端連接的雙向功率開關中的S5=1，S6=1 ;
[0039] 與負極端連接的雙向功率開關中的S5=1，S6=1 ;
[0040]弟二套：S! = 0，S2= 1，S3= 0，S4= 1;
[0041] 與正極端連接的雙向功率開關中的S5 = 1，S6 = 0;
[0042] 與負極端連接的雙向功率開關中的S5 = 1，S6 = 0;
[0043] 其中，1代表開通電平，0代表關斷電平。
[0044] 優(yōu)選地，當子模塊出現(xiàn)以下三類故障情況下，啟用冗余開關狀態(tài)，維持系統(tǒng)的正常 運行，具體實現(xiàn)如下：
[0045] ①當S2和S3至少一個器件發(fā)生故障時，若使電容Q和C2均切除，則采用第二套開 關電平配置；
[0046] ②當與正極端連接的雙向功率開關中的&和56至少一個器件發(fā)生故障時，若使電 容Q和C2均切除，則采用第一套或第三套開關電平配置；若使電容Q和C2其中一個投入 另一個切除，則采用電容Q投入C2切除對應的開關電平配置；
[0047] ③當與負極端連接的雙向功率開關中的&和56至少一個器件發(fā)生故障時，若使電 容Q和C2均切除，則采用第一套或第三套開關電平配置；若使電容Q和C2其中一個投入 另一個切除，則采用電容C2投入Q切除對應的開關電平配置。
[0048] 本發(fā)明MMC子模塊結構存在兩種運行模式（正常模式和閉鎖模式），通過冗余的 開關狀態(tài)調(diào)節(jié)子模塊中兩個電容和8個功率開關管的電流應力平衡；在正常模式下可輸出 +2E、+1E和0三種電平，提高了子模塊的電平集成度；在閉鎖模式下，子模塊電容全部投入 到橋臂中，子模塊電容充電，產(chǎn)生反向電動勢，起到隔離直流側故障的功能。本發(fā)明MMC子 模塊的通態(tài)損耗低于MMC全橋子模塊結構，有利于提高MMC-HVDC的系統(tǒng)運行效率，應用到 混合級聯(lián)多電平換流器（HybridCascadedMultilevelConverter,HCMC)中同樣具有損耗 低的優(yōu)勢；容錯性優(yōu)于箝位雙子模塊，兩個雙向開關管任意一個出現(xiàn)故障，子模塊仍然可是 輸出三電平，維持換流器的正常運行，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。
[0049] 本發(fā)明MMC子模塊結構應用在MMC-HVDC系統(tǒng)中，可實現(xiàn)直流故障的自主防護，且 由于結構的對稱性，使得子模塊結構在閉鎖模式下，輸出特性關于電流方向是對稱的，良好 的對稱性有利于維持子模塊中功率器件及電容的電流應力平衡；可通過調(diào)整調(diào)制方法提高 系統(tǒng)容錯性，2個雙向功率開關管中一個發(fā)生故障不會影響系統(tǒng)的正常運行。本發(fā)明MMC子 模塊結構應用在HCMC-HVDC系統(tǒng)中，比傳統(tǒng)的采用全橋子模塊的HCMC-HVDC系統(tǒng)具有較低 的通態(tài)損耗，系統(tǒng)運行效率得到提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0050] 圖1為單端三相模塊化多電平換流器的拓撲結構圖。
[0051] 圖2(a)?（b)分別為本發(fā)明MMC子模塊結構的兩種拓撲示意圖。
[0052] 圖3(a)?（f)分別為本發(fā)明MMC子模塊結構在正常模式下的六種開關狀態(tài)示意 圖。
[0053] 圖4(a)?（b)分別為本發(fā)明MMC子模塊結構在閉鎖模式下的兩種開關狀態(tài)示意 圖。
[0054] 圖5(a)?（b)分別對應為圖4(a)?（b)兩種開關狀態(tài)的子模塊等效電路圖。
[0055] 圖6為全橋子模塊的結構示意圖。
[0056] 圖7(a)?（b)分別為本發(fā)明MMC子模塊結構a相上橋臂電壓的仿真波形及其頻 譜分析示意圖。
[0057] 圖8(a)?（b)分別為本發(fā)明MMC子模塊結構a相上橋臂電流的仿真波形及其頻 譜分析示意圖。
[0058] 圖9為采用本發(fā)明MMC子模塊結構的MMC三相交流輸出端的相電壓波形圖。
[0059] 圖10為箝位雙子模塊的結構示意圖。
[0060] 圖11(a)?（b)分別為最近電平逼近調(diào)制方法的示意圖及調(diào)制框圖。
[0061] 圖12(a)?（b)分別為本發(fā)明MMC子模塊的兩種簡化結構示意圖。
[0062] 圖13是混合級聯(lián)多電平換流器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0063] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案 進行詳細說明。
[0064] 如圖1所示，單端三相模塊化多電平換流器（MMC)的基本單元為子模塊 (Sub-Module，SM)，N個子模塊級聯(lián)與一個橋臂電感串聯(lián)構成一個橋臂，上下兩個橋臂串聯(lián) 構成一個相單元。三相MMC換流器含有三個相單元，6個橋臂，6N個子模塊。直流側母線電 壓為Ud。,交流側三相相電壓分別為ua、ub和u。。0點為零電位參考點。
[0065] 本實施方式中，MMC采用如圖2 (a)所示的MMC子模塊結構，該子模塊結構包括第 一T型單元、電容組和第二T型單元；其中：
[0066] 第一T型單元由兩個帶反并二極管的IGBT管SpS2和一個雙向開關管％組成，帶 反并二極管的IGBT管Si的發(fā)射極與帶反并二極管的IGBT管S2的集電極相連且為子模塊 結構的輸入端，雙向全控型開關管％的輸入端與子模塊結構的輸入端相連；
[0067] 電容組由兩個電容組成；其中，電容Q的正極與Si的集電極相連，電容Q的負極 與電容C2的正極和雙向開關管Qi的輸出端相連，電容C2的負極與S2的發(fā)射極相連；
[0068] 第二T型單元由兩個帶反并二極管的IGBT管S5、S6和一個雙向全控型開關管Q2 組成，帶反并二極管的IGBT管S5的集電極與電容q的正極相連，S5的發(fā)射極與帶反并二極 管的IGBT管S6的集電極相連作為雙向全控型開關管的Q2的輸出端，且與子模塊的輸出端 相連，S2的發(fā)射極與電容C2的負極相連。
[0069] 雙向全控型開關管Qi或Q2由兩個不帶有反并二極管的開關管S3?S4或S7?S8 組成；其中，開關管s3或s8的集電極與開關管s4或s7的發(fā)射極相連且為雙向全控型開關管 Qi或Q2的一端，開關管S3或S8的發(fā)射極與開關管S4或S7的集電極相連且為雙向全控型開 關管％或92的另一端。
[0070] 在圖2(b)的拓撲結構中，雙向全控型開關管仏或％由兩個IGBT管S3?S4*S7? S8組成；其中，IGBT管S3或S8的集電極為雙向全控型開關管％或Q2的一端，IGBT管S3或 S8的發(fā)射極與IGBT管S4或S7的發(fā)射極相連，IGBT管S4或S7的集電極為雙向全控型開關 管％或％的另一端。
[0071] 圖3和圖4為本實施方式MMC子模塊結構的不同開關狀態(tài)下的電流流向圖。本實 施方式的子模塊結構存在兩種運行模式：正常模式和閉鎖模式。圖3為正常模式下的9種 開關狀態(tài)電流流向圖；圖4為閉鎖模式下的2種開關狀態(tài)電流流向圖。表1是一種具有容 錯能力的可實現(xiàn)直流故障自主防護的MMC子模塊結構的開關狀態(tài)表。
[0072]表1
[0073]
【權利要求】
1. 一種具有容錯能力可實現(xiàn)直流故障自主防護的MMC子模塊結構，其特征在于，包括：四個帶有反并二極管的開關管Si?S4、兩個電容Q?C2以及1?2個雙向功率開關；其 中： 開關管Si的發(fā)射極與開關管S2的集電極相連且為子模塊結構的正極端，開關管S3的 發(fā)射極與開關管&的集電極相連且為子模塊結構的負極端，開關管Si的集電極與電容q的 一端和開關管S3的集電極相連，開關管S2的發(fā)射極與電容C2的一端和開關管S 4的發(fā)射極 相連，電容Q的另一端與電容C2的另一端相連并作為中間節(jié)點，四個開關管Si?S4的基極 均接收來自外部設備提供的開關控制信號； 若雙向功率開關為一個，則該雙向功率開關的兩端分別與子模塊結構的正極端和所述 的中間節(jié)點相連或分別與子模塊結構的負極端和所述的中間節(jié)點相連； 若雙向功率開關為兩個，則其中一個雙向功率開關的兩端分別與子模塊結構的正極端 和所述的中間節(jié)點相連，另一個雙向功率開關的兩端分別與子模塊結構的負極端和所述的 中間節(jié)點相連。
2. 根據(jù)權利要求1所述的MMC子模塊結構，其特征在于：所述的四個帶有反并二極管 的開關管Si?S4均采用IGBT。
3. 根據(jù)權利要求1所述的MMC子模塊結構，其特征在于：所述的雙向功率開關由兩個 帶有反并二極管的開關管S5?S6組成；其中，開關管S5的集電極為雙向功率開關的一端， 開關管S5的發(fā)射極與開關管S6的發(fā)射極相連，開關管S6的集電極為雙向功率開關的另一 端，兩個開關管S5?S6的基極均接收來自外部設備提供的開關控制信號。
4. 根據(jù)權利要求1所述的MMC子模塊結構，其特征在于：所述的雙向功率開關由兩個 不帶有反并二極管的開關管S5?S6組成；其中，開關管S5的集電極與開關管S 6的發(fā)射極 相連且為雙向功率開關的一端，開關管S5的發(fā)射極與開關管S6的集電極相連且為雙向功率 開關的另一端，兩個開關管S5?S6的基極均接收來自外部設備提供的開關控制信號。
5. 根據(jù)權利要求3所述的MMC子模塊結構，其特征在于：所述的兩個帶有反并二極管 的開關管S5?S6均采用IGBT。
6. 一種基于如權利要求1?5任一權利要求所述的MMC子模塊結構的MMC調(diào)制方法， 包括如下步驟： (1) 對于MMC任一橋臂，利用最近電平逼近法計算出下一時刻該橋臂所需投入的子模 塊電容個數(shù)； (2) 檢測各子模塊電容的電容電壓以及橋臂電流，并根據(jù)電容電壓對各子模塊電容進 行排序，形成電容隊列； (3) 根據(jù)橋臂電流判斷當前橋臂投入子模塊電容的狀態(tài)： 若當前橋臂投入的子模塊電容處于充電狀態(tài)，則從電容隊列中提取電容電壓最低的N 個子模塊電容，并通過子模塊開關控制使這N個子模塊電容在下一時刻投入，其余子模塊 電容在下一時刻切除； 若當前橋臂投入的子模塊電容處于放電狀態(tài)，則從電容隊列中提取電容電壓最高的N 個子模塊電容，并通過子模塊開關控制策略使這N個子模塊電容在下一時刻投入，其余子 模塊電容在下一時刻切除；N為下一時刻橋臂所需投入的子模塊電容個數(shù)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的MMC調(diào)制方法，其特征在于：所述的子模塊開關控制策略如 下： 若使電容Ci和c2均投入，則子模塊中各開關器件的開關電平配置如下： Si = 1, S2 = 0, S3 = 0, S4 = 1 ; 與正極端連接的雙向功率開關中的s5 = 0, S6 = 1 ; 與負極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 0 ; 若使電容Ci投入，c2切除，則子模塊中各開關器件的開關電平配置如下： Si = 1，S2 = 0, S3 = 0, S4 = 0 ; 與正極端連接的雙向功率開關中的s5 = 0, S6 = 1 ; 與負極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 1 ; 若使電容c2投入，Ci切除，則子模塊中各開關器件的開關電平配置如下： Si = 0, S2 = 0, S3 = 0, S4 = 1 ; 與正極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 1 ; 與負極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 0 ; 若使電容Ci和c2均切除，則子模塊中各開關器件有三套開關電平配置如下： 第一套：Si = 1，S2 = 0, S3 = 1，S4 = 0 ; 與正極端連接的雙向功率開關中的s5 = 0, S6 = 1 ; 與負極端連接的雙向功率開關中的s5 = 0, S6 = 1 ; 第二套：Si = 0, S2 = 0, S3 = 0, S4 = 0 ; 與正極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 1 ; 與負極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 1 ; 弟二套：Si = 0，S2= 1，S3= 0，S4= 1 ; 與正極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 0 ; 與負極端連接的雙向功率開關中的s5 = 1，S6 = 0 ; 其中，1代表開通電平，〇代表關斷電平。
8.根據(jù)權利要求7所述的MMC調(diào)制方法，其特征在于：當子模塊出現(xiàn)以下三類故障情 況下，啟用冗余開關狀態(tài)，維持系統(tǒng)的正常運行，具體實現(xiàn)如下： ① 當S2和S3至少一個器件發(fā)生故障時，若使電容Ci和c2均切除，則采用第二套開關電 平配置； ② 當與正極端連接的雙向功率開關中的s5和S6至少一個器件發(fā)生故障時，若使電容Ci 和C2均切除，則采用第一套或第三套開關電平配置；若使電容Ci和c2其中一個投入另一個 切除，則采用電容Ci投入c2切除對應的開關電平配置； ③ 當與負極端連接的雙向功率開關中的s5和S6至少一個器件發(fā)生故障時，若使電容Ci 和C2均切除，則采用第一套或第三套開關電平配置；若使電容Ci和c2其中一個投入另一個 切除，則采用電容c2投入Ci切除對應的開關電平配置。
【文檔編號】H02J3/36GK104410260SQ201410589061
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權日:2014年10月28日
【發(fā)明者】李武華, 楊賀雅, 羅皓澤, 何湘寧 申請人:浙江大學