一種混合型功率開關(guān)及其在柔性直流輸電換流器中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種混合型功率開關(guān)及其在柔性直流輸 電換流器中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器（ModularMultilevelConverter，MMC)自 2002 年問世 以來，以模塊化程度高、輸出波形質(zhì)量好、換流器損耗小等特點，日益成為高壓直流（High VoltageDirectCurrent，HVDC)輸電系統(tǒng)中最具發(fā)展前景的換流器拓?fù)渲?。直流?cè)短 路故障是直流輸電特別是架空線路直流輸電中的常見故障形式。如何快速、可靠的切除直 流故障是柔性直流輸電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)之一。目前，處理直流側(cè)故障主要有三 種方式：1)通過交流設(shè)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(shè)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(dǎo)體器件 的開關(guān)動作實現(xiàn)直流側(cè)故障的隔離。
[0003] 以上三種直流故障處理方式均可以實現(xiàn)點對點直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)短路故障 切除。然而對于網(wǎng)狀連接的直流輸電網(wǎng)絡(luò)而言，第一種方式由于交流斷路器動作特性及安 裝位置的限制，響應(yīng)時間長、對電網(wǎng)沖擊大、重啟復(fù)雜且不能實現(xiàn)直流輸電網(wǎng)中對故障選擇 性切除的要求。第二種方式是解決直流電網(wǎng)短路故障有效的方案之一，但該方案需要響應(yīng) 速度快、導(dǎo)通損耗小、斷開能力大的直流斷路器，直流斷路器的技術(shù)難度較大且成本較高， 難以短時間內(nèi)應(yīng)用到實際工程中。相比于前兩種方式，第三種方式響應(yīng)時間快，故障后系統(tǒng) 恢復(fù)正常運行的能力強。
[0004]目前能夠?qū)崿F(xiàn)直流故障防護的子模塊結(jié)構(gòu)中具有代表性的是全橋子模塊和箝位 雙子模塊結(jié)構(gòu)，然而基于以上兩種子模塊結(jié)構(gòu)或其與半橋子模塊結(jié)構(gòu)混合的MMC換流閥損 耗大幅增加，嚴(yán)重制約了其工程應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種混合型功率開關(guān)及其在 柔性直流輸電換流器中的應(yīng)用，具有運行損耗低、動態(tài)響應(yīng)快、工程實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。
[0006] -種混合型功率開關(guān)，包括一機械開關(guān)、一帶有反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管以及 一雙向電力電子開關(guān)；其中：機械開關(guān)的一端與所述功率開關(guān)管的集電極相連并構(gòu)成所述 混合型功率開關(guān)的陽極，機械開關(guān)的另一端與雙向電力電子開關(guān)的一端相連，雙向電力電 子開關(guān)的另一端與所述功率開關(guān)管的發(fā)射極相連并構(gòu)成所述混合型功率開關(guān)的陰極；
[0007] 所述的雙向電力電子開關(guān)由兩個帶有反并聯(lián)二極管的M0S管連接組成，兩個M0S 管的源極共連，兩個M0S管的漏極分別作為雙向電力電子開關(guān)的兩端；
[0008] 所述功率開關(guān)管的基極、M0S管的柵極以及機械開關(guān)的控制極均接收外部設(shè)備提 供的開關(guān)控制信號。
[0009] 第一種應(yīng)用于MMC的子模塊結(jié)構(gòu)A1，包括一個電容、三個帶有反并聯(lián)二極管的功 率開關(guān)管Si~S3以及一個所述的混合型功率開關(guān)；其中，功率開關(guān)管si的發(fā)射極與功率開 關(guān)管s2的集電極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A1的正極端，功率開關(guān)管Si的集電極與電容的正 極和功率開關(guān)管S3的集電極相連，功率開關(guān)管S2的發(fā)射極與電容的負(fù)極和混合型功率開 關(guān)的陰極相連，功率開關(guān)管3 3的發(fā)射極與混合型功率開關(guān)的陽極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A1 的負(fù)極端；所述功率開關(guān)管Si~S3的基極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。
[0010] 第二種應(yīng)用于MMC的子模塊結(jié)構(gòu)A2,包括一個電容、兩個帶有反并聯(lián)二極管的功 率開關(guān)管31~5 2、一個二極管以及一個所述的混合型功率開關(guān)；其中，功率開關(guān)管Si的發(fā)射 極與功率開關(guān)管S2的集電極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A2的正極端，功率開關(guān)管S:的集電極 與電容的正極和二極管的陰極相連，功率開關(guān)管S2的發(fā)射極與電容的負(fù)極和混合型功率開 關(guān)的陰極相連，二極管的陽極與混合型功率開關(guān)的陽極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A2的負(fù)極 端；所述功率開關(guān)管Si~S2的基極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。
[0011] 第三種應(yīng)用于MMC的子模塊結(jié)構(gòu)A3,其由一個半橋子模塊和一個子模塊結(jié)構(gòu)A1連 接組成，子模塊結(jié)構(gòu)A1的正極端作為子模塊結(jié)構(gòu)A3的正極端，子模塊結(jié)構(gòu)A1的負(fù)極端與 半橋子模塊的正極端相連，半橋子模塊的負(fù)極端作為子模塊結(jié)構(gòu)A3的負(fù)極端。
[0012] 第四種應(yīng)用于MMC的子模塊結(jié)構(gòu)A4,包括兩個電容(；~C2、六個帶有反并聯(lián)二極 管的功率開關(guān)管Si~S6以及一個所述的混合型功率開關(guān)；其中，功率開關(guān)管Si的發(fā)射極與 功率開關(guān)管S2的集電極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A4的正極端，功率開關(guān)管Si的集電極與電 容Q的正極和功率開關(guān)管S3的集電極相連，功率開關(guān)管S2的發(fā)射極與電容Ci的負(fù)極、混合 型功率開關(guān)的陰極以及功率開關(guān)管S4的集電極相連，功率開關(guān)管53的發(fā)射極與混合型功率 開關(guān)的陽極、電容C2的正極以及功率開關(guān)管S5的集電極相連，功率開關(guān)管S4的發(fā)射極與電 容c2的負(fù)極和功率開關(guān)管S6的發(fā)射極相連，功率開關(guān)管S5的發(fā)射極與功率開關(guān)管S6的集 電極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A4的負(fù)極端；所述功率開關(guān)管Si~S6的基極均接收外部設(shè)備 提供的開關(guān)控制信號。
[0013] 第五種應(yīng)用于MMC的子模塊結(jié)構(gòu)A5,包括兩個電容Ci~C2、四個帶有反并聯(lián)二極 管的功率開關(guān)管Si~S4、兩個二極管Di~D2以及一個所述的混合型功率開關(guān)；其中，功率 開關(guān)管Si的發(fā)射極與功率開關(guān)管S2的集電極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A5的正極端，功率開 關(guān)管Si的集電極與電容Ci的正極和二極管Di的陰極相連，功率開關(guān)管S2的發(fā)射極與電容 Q的負(fù)極、混合型功率開關(guān)的陰極以及二極管D2的陰極相連，二極管Di的陽極與混合型功 率開關(guān)的陽極、電容C2的正極以及功率開關(guān)管S3的集電極相連，二極管D2的陽極與電容C2 的負(fù)極和功率開關(guān)管s4的發(fā)射極相連，功率開關(guān)管S3的發(fā)射極與功率開關(guān)管S4的集電極 相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A5的負(fù)極端；所述功率開關(guān)管Si~S4的基極均接收外部設(shè)備提供 的開關(guān)控制信號。
[0014] 第六種應(yīng)用于MMC的子模塊結(jié)構(gòu)A6,包括兩個電容Ci~C2、五個帶有反并聯(lián)二極 管的功率開關(guān)管Si~S5以及一個所述的混合型功率開關(guān)；其中，功率開關(guān)管si的發(fā)射極與 功率開關(guān)管S2的集電極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A6的正極端，功率開關(guān)管Si的集電極與電 容Q的正極和功率開關(guān)管S3的集電極相連，功率開關(guān)管S2的發(fā)射極與電容Ci的負(fù)極和混 合型功率開關(guān)的陰極相連，功率開關(guān)管S3的發(fā)射極與電容C2的負(fù)極和功率開關(guān)管S4的發(fā) 射極相連，功率開關(guān)管s4的集電極與功率開關(guān)管S5的發(fā)射極相連并構(gòu)成子模塊結(jié)構(gòu)A6的 負(fù)極端，功率開關(guān)管S5的集電極與電容C2的正極和混合型功率開關(guān)的陽極相連；所述功率 開關(guān)管Sl~S5的基極均接收外部設(shè)備提供的開關(guān)控制信號。
[0015] 所述的功率開關(guān)管由至少一個IGBT串聯(lián)或并聯(lián)組成；所述的M0S管由至少一個 M0SFET并聯(lián)組成。
[0016] 對于采用子模塊結(jié)構(gòu)A1~A6中任一子模塊結(jié)構(gòu)的MMC的控制方法為：
[0017] 在MMC正常工作狀態(tài)下，對于MMC中采用混合型功率開關(guān)的任一子模塊，開通其 混合型功率開關(guān)中的雙向電力電子開關(guān)和機械開關(guān)，關(guān)斷其混合型功率開關(guān)中的功率開關(guān) 管，子模塊中其余所有功率開關(guān)管的投切根據(jù)所要投入的電平進行動作；
[0018] 在MMC直流側(cè)短路故障狀態(tài)下，對于MMC中采用混合型功率開關(guān)的任一子模塊，關(guān) 斷其混合型功率開關(guān)中的雙向電力電子開關(guān)、機械開關(guān)、功率開關(guān)管以及子模塊中其余所 有功率開關(guān)管。
[0019] 對于采用子模塊結(jié)構(gòu)A1、A3、A4和A6中任一子模塊結(jié)構(gòu)的MMC的控制方法為：在 MMC正常工作狀態(tài)下，對于MMC中采用混合型功率開關(guān)的任一子模塊，開通其混合型功率開 關(guān)中的雙向電力電子開關(guān)和機械開關(guān)，關(guān)斷其混合型功率開關(guān)中的功率開關(guān)管，子模塊中 其余所有功率開關(guān)管的投切根據(jù)所要投入的電平進行動作；
[0020] 在MMC直流側(cè)短路故障狀態(tài)下，對于MMC中采用混合型功率開關(guān)的任一子模塊，關(guān) 斷其混合型功率開關(guān)中的雙向電力電子開關(guān)和機械開關(guān)，子模塊中所有功率開關(guān)管的投切 根據(jù)所要投入的電平進行動作。
[0021 ] 當(dāng)MMC發(fā)生直流側(cè)短路故障時，對于MMC中采用混合型功率開關(guān)的任一子模塊，將 其從正常運行狀態(tài)切換至直流側(cè)短路運行狀態(tài)，具體切換時序為：開通子模塊混合型功率 開關(guān)中的功率開關(guān)管，待該功率開關(guān)管完全導(dǎo)通后，關(guān)斷混合型功率開關(guān)中的雙向電力電 子開關(guān)，待橋臂電流完全換流至該功率開關(guān)管后，關(guān)斷混合型功率開關(guān)中的機械開關(guān)，機械 開關(guān)