本發(fā)明屬于柔性直流輸電領(lǐng)域，特別涉及一種模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法及故障隔離方法。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出現(xiàn)使多電平換流器在柔性直流輸電領(lǐng)域也得到了成功的應(yīng)用。模塊化多電平換流器的換流器采用模塊化設(shè)計，由若干個結(jié)構(gòu)完全相同的基本單元模塊串聯(lián)構(gòu)成，每一個模塊稱為換流器模塊單元，通過增加換流器中的串聯(lián)模塊個數(shù)和電流水平，可以應(yīng)用于不同的電壓及功率等級場合。

然而傳統(tǒng)的半橋模塊單元存在無法有效處理直流故障的固有缺陷，而能抑制直流故障電流的全橋模塊也有著損耗大，造價高的問題。因此，如何優(yōu)化模塊化多電平換流器的性能，成為解決直流聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)因素。

鑒于以上分析，本發(fā)明人對模塊化多電平換流器的驅(qū)動信號調(diào)制方法進(jìn)行研究改進(jìn)，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，在于提供一種模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法及故障隔離方法。模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法可降低換流器中功率半導(dǎo)體開關(guān)的熱應(yīng)力，提升換流器的容量，克服全橋子模塊的不足，在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性上均有較好表現(xiàn)。本子模塊單元故障隔離方法可以靈活的選擇驅(qū)動調(diào)制方法，將故障開關(guān)管有效隔離，不影響系統(tǒng)的運行，還降低了子模塊單元的故障率，整個系統(tǒng)的可用率得到提高。

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法，所述模塊化多電平換流器包括至少一個橋臂，所述橋臂包括至少一個全橋子模塊單元；所述全橋子模塊單元包括第一功率半導(dǎo)體開關(guān)、第二功率半導(dǎo)體開關(guān)、第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)；其特征在于：

包括第一模式和第二模式；首先進(jìn)入第一模式，然后進(jìn)入第二模式，在進(jìn)入第一模式，依此循環(huán)；或者首先進(jìn)入第二模式，然后進(jìn)入第一模式，再進(jìn)入第二模式，依此循環(huán)；

在第一模式中，對所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)施加交替驅(qū)動信號，使第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)在同一時序內(nèi)交替導(dǎo)通；同時對第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)施加互補驅(qū)動信號，使第三功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)截止，第四功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)導(dǎo)通；

在第二模式中，對所述第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)施加交替驅(qū)動信號，使第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)在同一時序內(nèi)交替導(dǎo)通；同時對第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)施加互補驅(qū)動信號，使第一功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)導(dǎo)通，第四功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)截止。

進(jìn)一步的，所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T1及與開關(guān)管T1反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D1；第二功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T2及與開關(guān)管T2反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D2；第三功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T3及與開關(guān)管T3反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D3；和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T4及與開關(guān)管T4反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D4；

進(jìn)一步的，開關(guān)管T1、開關(guān)管T2、開關(guān)管T3和開關(guān)管T4均采用IGBT、IGCT、GTO或MOSFET。

進(jìn)一步的，包括以下步驟：

1)第一模式的電容放電狀態(tài)：開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在正向電流下，開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通，儲能元件C1放電；

2)第一模式的正向旁路狀態(tài)：開關(guān)管T2和T4加開通信號，開關(guān)管T1和T3加關(guān)斷信號，在正向電流下，續(xù)流二極管D2和開關(guān)管T4導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路；

3)第一模式的電容放電狀態(tài)：開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，續(xù)流二極管D1、D4導(dǎo)通，儲能元件C1充電；

4)第一模式的負(fù)向旁路狀態(tài)：開關(guān)管T2和T4加開通信號，開關(guān)管T1和T3加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，開關(guān)管T2和續(xù)流二極管D4導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路；

5)第二模式的電容放電狀態(tài)，開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在正向電流下，開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通，儲能元件C1放電；

6)第二模式的正向旁路狀態(tài)，開關(guān)管T1和T3加開通信號，開關(guān)管T2和T4加關(guān)斷信號，在正向電流下，開關(guān)管T1和續(xù)流二極管D3導(dǎo)通，全橋子模塊 單元旁路；

7)第二模式的電容放電狀態(tài)，開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，續(xù)流二極管D1、D4導(dǎo)通，儲能元件C1充電；

8)第二模式的負(fù)向旁路狀態(tài)，開關(guān)管T1和T3加開通信號，開關(guān)管T2和T4加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，續(xù)流二極管D1和開關(guān)管T3導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的另一技術(shù)方案為：子模塊單元故障隔離方法，所述子模塊單元為全橋子模塊單元，其特征在于：當(dāng)采用上述的模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制時，如果全橋子模塊單元中第二功率半導(dǎo)體開關(guān)或第三功率半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)生故障，或者如果第二功率半導(dǎo)體開關(guān)或第三功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動電路發(fā)生故障，通過改變驅(qū)動信號調(diào)制方式，將故障的功率半導(dǎo)體開關(guān)隔離，而全橋子模塊單元不退出運行。

本發(fā)明通過驅(qū)動信號的調(diào)制，使子模塊中各個功率半導(dǎo)體開關(guān)的熱應(yīng)力得到平衡，從而提升換流器容量；通過兩個階段模式的驅(qū)動信號輪換，改變了開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管的電流應(yīng)力；開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管的損耗更加均勻，功率半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)溫得到降低，運行安全裕度更大；通過降低功率半導(dǎo)體開關(guān)的結(jié)溫，可以使換流器的容量得到提升。

本發(fā)明在第一模式或是第二模式中，全橋子模塊單元均有一個開關(guān)管處于閉鎖狀態(tài)，因此可以在檢測到任意一個開關(guān)管故障時，可以選擇階段1階段2中的一種狀態(tài)進(jìn)行工作，將故障開關(guān)管設(shè)置為閉鎖狀態(tài)，其余3個開關(guān)管仍然正常工作，全橋子模塊單元不被旁路。當(dāng)任意一只開關(guān)管或者其驅(qū)動電路發(fā)生故障時，可以靈活的選擇驅(qū)動調(diào)制方法，將故障開關(guān)管有效隔離，不影響系統(tǒng)的運行；全橋子模塊單元可以允許一只開關(guān)管或者驅(qū)動電路的故障而不至于旁路，降低了子模塊單元的故障率；整個系統(tǒng)的可用率得到提高。

總之，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：使子模塊單元中各個功率半導(dǎo)體開關(guān)的熱應(yīng)力得到平衡，從而提升換流器容量，降低了換流器的單位容量造價；可以在不增加投資的條件下，提高子模塊單元的安全裕度，提高了系統(tǒng)的可靠性；可以容忍全橋子模塊單元中任意一只IGBT故障而正常工作，降低了全橋子模塊單元旁路的風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的可用率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種模塊化多電平換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2是本發(fā)明階段1時全橋子模塊單元的各個工況示意圖，其中：

(a)正向電流放電回路；

(b)正向電流旁路回路；

(c)負(fù)向電流充電回路；

(d)負(fù)向電流旁路回路。

圖3是本發(fā)明階段2時全橋子模塊單元的各個工況示意圖，其中：

(a)正向電流放電回路；

(b)正向電流旁路回路；

(c)負(fù)向電流充電回路；

(d)負(fù)向電流旁路回路。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

實施例1

參見圖1、圖2和圖3，本模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法，所述模塊化多電平換流器包括至少一個橋臂，本實施例中包括6個橋臂；所述橋臂包括至少一個全橋子模塊單元；所述全橋子模塊單元包括第一功率半導(dǎo)體開關(guān)、第二功率半導(dǎo)體開關(guān)、第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)；包括第一模式和第二模式；首先進(jìn)入第一模式，然后進(jìn)入第二模式，在進(jìn)入第一模式，依此循環(huán)；或者首先進(jìn)入第二模式，然后進(jìn)入第一模式，再進(jìn)入第二模式，依此循環(huán)；

在第一模式中，對所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)施加交替驅(qū)動信號，使第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)在同一時序內(nèi)交替導(dǎo)通；同時對第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)施加互補驅(qū)動信號，使第三功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)截止，第四功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)導(dǎo)通；

在第二模式中，對所述第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)施加交替驅(qū)動信號，使第三功率半導(dǎo)體開關(guān)和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)在同一時序內(nèi)交替導(dǎo)通；同時對第一功率半導(dǎo)體開關(guān)和第二功率半導(dǎo)體開關(guān)施加互補驅(qū)動信號，使第一功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)導(dǎo)通，第四功率半導(dǎo)體開關(guān)常態(tài)截止。

作為優(yōu)選方案，所述第一功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T1及與開關(guān)管T1反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D1；第二功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T2及與開關(guān)管T2反 向并聯(lián)的續(xù)流二極管D2；第三功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T3及與開關(guān)管T3反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D3；和第四功率半導(dǎo)體開關(guān)包括開關(guān)管T4及與開關(guān)管T4反向并聯(lián)的續(xù)流二極管D4；開關(guān)管T1、開關(guān)管T2、開關(guān)管T3和開關(guān)管T4均采用IGBT、IGCT、GTO或MOSFET。

更進(jìn)一步的，本模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法包括以下步驟：

1)第一模式的電容放電狀態(tài)：開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在正向電流下，開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通，儲能元件C1放電；如圖2a所示；

2)第一模式的正向旁路狀態(tài)：開關(guān)管T2和T4加開通信號，開關(guān)管T1和T3加關(guān)斷信號，在正向電流下，續(xù)流二極管D2和開關(guān)管T4導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路；如圖2b所示；

3)第一模式的電容放電狀態(tài)：開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，續(xù)流二極管D1、D4導(dǎo)通，儲能元件C1充電；如圖2c所示；

4)第一模式的負(fù)向旁路狀態(tài)：開關(guān)管T2和T4加開通信號，開關(guān)管T1和T3加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，開關(guān)管T2和續(xù)流二極管D4導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路)；如圖2d所示；

5)第二模式的電容放電狀態(tài)，開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在正向電流下，開關(guān)管T1、T4導(dǎo)通，儲能元件C1放電；如圖3a所示；

6)第二模式的正向旁路狀態(tài)，開關(guān)管T1和T3加開通信號，開關(guān)管T2和T4加關(guān)斷信號，在正向電流下，開關(guān)管T1和續(xù)流二極管D3導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路；如圖3b所示；

7)第二模式的電容放電狀態(tài)，開關(guān)管T1和T4加開通信號，開關(guān)管T2和T3加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，續(xù)流二極管D1、D4導(dǎo)通，儲能元件C1充電；；如圖3c所示；

8)第二模式的負(fù)向旁路狀態(tài)，開關(guān)管T1和T3加開通信號，開關(guān)管T2和T4加關(guān)斷信號，在負(fù)向電流下，續(xù)流二極管D1和開關(guān)管T3導(dǎo)通，全橋子模塊單元旁路；如圖3d所示；。

實施例2：

本子模塊單元故障隔離方法，所述子模塊單元為全橋子模塊單元，當(dāng)采用實施例1中的模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制時，如果全橋子模塊單元中第二功率半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)生故障，或者如果第二功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動電路發(fā)生故障，通過改變驅(qū)動信號調(diào)制方式，將故障的第二功率半導(dǎo)體開關(guān)隔離，而全橋子模塊單元不退出運行，全橋子模塊單元工作在第二模式，如圖3所示。

實施例3：

本子模塊單元故障隔離方法，所述子模塊單元為全橋子模塊單元，當(dāng)采用實施例1所述的模塊化多電平換流器驅(qū)動信號調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制時，如果全橋子模塊單元中第三功率半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)生故障，或者如果第三功率半導(dǎo)體開關(guān)的驅(qū)動電路發(fā)生故障，通過改變驅(qū)動信號調(diào)制方式，將故障的第三功率半導(dǎo)體開關(guān)隔離，而全橋子模塊單元不退出運行，全橋子模塊單元工作在第一模式，如圖2所示。