一種具有直流短路電流自清除能力的mmc三電平子模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊，能夠快速清除短路故障電流，從而避免交流斷路器動作，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本實(shí)用新型一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊主要包括：開關(guān)管1、開關(guān)管2、開關(guān)管3、開關(guān)管4、電容1和電容2；所述開關(guān)管為IGBT和反并聯(lián)二極管。當(dāng)換流器處于正常工作時，本實(shí)用新型三電平子模塊輸出三種電平電壓，其作用等同兩個半橋子模塊。在輸出相同電平數(shù)電壓情況下，與現(xiàn)有的半橋子模塊相比較，具備直流短路電流自清除能力，與全橋子模塊相比較，無需要增加開關(guān)管的數(shù)量，減小換流器成本和工作損耗。
【專利說明】
一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本使用新型涉及MMC換流器領(lǐng)域，尤其是一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊。
技術(shù)背景
[0002]隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于模塊化多電平換流器(ModuleMultilevel Converter，MMC)的高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，受到社會的廣泛關(guān)注。MMC采用模塊化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、易于擴(kuò)展、低諧波含量、低損耗等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源并網(wǎng)、城市電網(wǎng)供電和異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等場合有著巨大的應(yīng)用前景。
[0003]為了解決傳統(tǒng)MMC不具備清除直流短路電流能力的問題，目前主要提出雙向反并聯(lián)晶閘管子模塊、全橋子模塊和鉗位雙子模塊。如圖1所示，雙向反并聯(lián)晶閘管子模塊結(jié)構(gòu)，在直流故障發(fā)生后，通過閉鎖子模塊中的IGBT，同時導(dǎo)通雙向反并聯(lián)晶閘管，將直流短路轉(zhuǎn)化為交流短路，保護(hù)續(xù)流二極管，從而實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)故障電流的自然衰減。但由于實(shí)際電路參數(shù)不同，容易出現(xiàn)故障電流衰減緩慢的現(xiàn)象，故障電流自清除效果不理想。全橋子模塊結(jié)構(gòu)，雖然可以有效的抑制短路電流，但是使用的器件數(shù)量是傳統(tǒng)半橋型的兩倍，經(jīng)濟(jì)效益較差。鉗位雙子模塊進(jìn)一步減少功率器件數(shù)量，但與半橋子模塊相比較，器件數(shù)量依然很多。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型提供了一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊，能夠快速清除直流短路故障電流，從而避免交流斷路器動作，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0005]本實(shí)用新型提供了一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊，包括開關(guān)管I (Tl和Dl)、開關(guān)管2(T2和D2)、開關(guān)管3(Τ3和D3)、開關(guān)管4(Τ4和D4)、電容I和電容2;電容I的電壓為Uci，電容2的電壓為Uc2;所述開關(guān)管為IGBT和反并聯(lián)二極管;開關(guān)管I的發(fā)射極與開關(guān)管2的集電極連接，開關(guān)管I的集電極與電容I的正極的連接，開關(guān)管2的發(fā)射極與電容2的負(fù)極、開關(guān)管4的發(fā)射極連接，開關(guān)管4的集電極與開關(guān)管3的發(fā)射極連接，電容I的負(fù)極與電容2的正極、開關(guān)管3的集電極連接。
[0006]所述的MMC三電平子模塊，開關(guān)管I的發(fā)射極作為三電平子模塊輸出端的正極，開關(guān)管4的集電極作為三電平子模塊輸出端的負(fù)極，輸出電壓為Umjt，三電平子模塊輸入電流i的參考方向與所述輸出電壓U—的參考方向相同，Uci = Uc2 =電容電壓額定值Ucref。
[0007]所述的麗C三電平子模塊在正常工作時輸出三種電平電壓(0、Ucref和2Ucref)，其作用等效兩個半橋子模塊。當(dāng)故障發(fā)生時，閉鎖所有IGBT，所述的MMC三電平子模塊輸出電壓為-UCTrf或者，從而達(dá)到迅速閉鎖故障電流的目的。
[0008]與現(xiàn)有的直流短路電流自清除子模塊相比較，本實(shí)用新型的優(yōu)勢為:在輸出相同電平數(shù)電壓條件下，與雙并聯(lián)晶閘管子模塊相比較，所述MMC三電平子模塊可以快速清除故障電流，且不受實(shí)際電路參數(shù)的影響。與全橋子模塊和鉗位雙子模塊相比較，所述三電平子模塊無需增加功率器件數(shù)量，即可實(shí)現(xiàn)直流短路故障電流自清除，且工作過程中導(dǎo)通開關(guān)管數(shù)目少，損耗較低。
【附圖說明】
[0009 ]圖1(a)、1(b)和1(c)分別為雙向反并聯(lián)晶閘管子模塊、全橋子模塊和鉗位雙子模塊拓?fù)洹?br>[0010]圖2為本實(shí)用新型一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊拓?fù)洹?br>[0011]圖3(a)、3(b)和3(c)分別為本實(shí)用新型一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊穩(wěn)態(tài)條件下的1、2、3三種工作模式。
[0012]圖4(a)和圖4 (b)分別為本實(shí)用新型一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊電路閉鎖后的兩個工作模式。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施不限于此。以下若有未特別說明的控制過程，均為本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
[0014]參照圖2，所述的一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊拓?fù)浒ㄩ_關(guān)管I (Tl和Dl)、開關(guān)管2(T2和D2)、開關(guān)管3(Τ3和D3)、開關(guān)管4(Τ4和D4)、電容I和電容2;電容I的電壓為Uci，電容2的電壓為Uc2;所述開關(guān)管為IGBT和反并聯(lián)二極管;開關(guān)管I的發(fā)射極與開關(guān)管2的集電極連接，開關(guān)管I的集電極與電容I的正極的連接，開關(guān)管2的發(fā)射極與電容2的負(fù)極、開關(guān)管4的發(fā)射極連接，開關(guān)管4的集電極與開關(guān)管3的發(fā)射極連接，電容I的負(fù)極與電容2的正極、開關(guān)管3的集電極連接。
[0015]開關(guān)管I的發(fā)射極作為所述MMC三電平子模塊輸出端的正極，開關(guān)管4的集電極作為所述MMC三電平子模塊輸出端的負(fù)極，輸出電壓為Uout，三電平子模塊輸入電流i的參考方向與所述輸出電壓U-的參考方向相同，Uci = Uc2 =電容電壓額定值Ucref。
[0016]參照圖3，所述一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊拓?fù)渚哂?種工作模式:
[0017]模式1:如圖3(a)所示，控制開關(guān)管2和開關(guān)管4導(dǎo)通，開關(guān)管I和開關(guān)管3關(guān)斷。所述子模塊輸出電壓Uciut = O。當(dāng)所述子模塊輸入電流i>0時，電流路徑如圖中虛線所示，電流i流過開關(guān)管2的IGBT和開關(guān)管4反并聯(lián)二極管，電容I和電容2既不充電也不放電；當(dāng)所述子模塊輸入電流KO時，電流路徑如圖中實(shí)線所示，電流i流過開關(guān)管2的反并聯(lián)二極管和開關(guān)管4的IGBT，電容I和電容2既不充電也不放電。
[0018]模式2:如圖3(b)所示，控制開關(guān)管I和開關(guān)管3導(dǎo)通，開關(guān)管2和開關(guān)管4關(guān)斷。所述子模塊輸出電壓Uciut = Uc^f。當(dāng)所述子模塊輸入電流i>0時，電流路徑如圖中虛線所示，電流i流過開關(guān)管I的反并聯(lián)二極管和開關(guān)管3的IGBT，給電容I充電，電容2既不充電也不放電；當(dāng)所述子模塊輸入電流KO時，電流路徑如圖中實(shí)線所示，電流i流過開關(guān)管I的IGBT和開關(guān)管3的反并聯(lián)二極管，給電容I放電，電容2既不充電也不放電。
[0019]模式3:如圖3(c)所示，控制開關(guān)管I和開關(guān)管4導(dǎo)通，開關(guān)管2和開關(guān)管3關(guān)斷。所述子模塊輸出電壓υ- = 21^Μ。當(dāng)所述子模塊輸入電流i>0時，電流路徑如圖中虛線所示，電流i流過開關(guān)管I和開關(guān)管4的反并聯(lián)二極管，給電容I和電容2充電；當(dāng)所述子模塊輸入電流i〈0時，電流路徑如圖中實(shí)線所示，電流i流過開關(guān)管I和開關(guān)管4的IGBT，給電容I和電容2放電。
[0020]當(dāng)控制器檢測到直流短路故障信號，閉鎖MMC所有IGBT，所述一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊具有兩個故障模式。
[0021]故障模式1:當(dāng)子模塊電流i>0時，電流路徑如圖4(a)所示，流過開關(guān)管I和開關(guān)管4的反并聯(lián)二極管，給電容I和電容2充電，所述子模塊輸出電壓Uout = 2UCTrf。
[0022]故障模式2:當(dāng)子模塊電流i〈0時，電流路徑如圖4(b)所示，流過開關(guān)管2和開關(guān)管3的反并聯(lián)二極管，給電容2充電，所述子模塊輸出電壓Uout= — Ucref。
[0023]可見，當(dāng)故障發(fā)生時，閉鎖所有IGBT，無論橋臂電流方向如何，都會對所述子模塊電容進(jìn)行充電，從而達(dá)到快速閉鎖故障電流的目的。
[0024]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下的所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包括在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊，其特征在于包括開關(guān)管I(Tl和Dl)、開關(guān)管2(T2和D2)、開關(guān)管3(Τ3和D3)、開關(guān)管4(Τ4和D4)、電容I和電容2;電容I的電壓為Uci，電容2的電壓為Uc2;所述開關(guān)管為IGBT和反并聯(lián)二極管；開關(guān)管I的發(fā)射極與開關(guān)管2的集電極連接，開關(guān)管I的集電極與電容I的正極的連接，開關(guān)管2的發(fā)射極與電容2的負(fù)極、開關(guān)管4的發(fā)射極連接，開關(guān)管4的集電極與開關(guān)管3的發(fā)射極連接，電容I的負(fù)極與電容2的正極、開關(guān)管3的集電極連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊，其特征在于:開關(guān)管I的發(fā)射極作為所述三電平子模塊輸出端的正極，開關(guān)管4的集電極作為所述三電平子模塊輸出端的負(fù)極，輸出電壓為Uout，所述三電平子模塊輸入電流i的參考方向與所述輸出電壓Uout的參考方向相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有直流短路電流自清除能力的MMC三電平子模塊，其特征在于:Uci = Uc2=電容電壓額定值Ucref。
【文檔編號】H02M1/32GK205647264SQ201620498162
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】孫迎新, 馬文忠, 魏亮, 劉勇, 趙華芳
【申請人】中國石油大學(xué)(華東)