專利名稱：一種具有處理直流故障功能的多電平換流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)換流技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有處理直流故障功能的多電平換流器。
背景技術(shù)：
目前應(yīng)用在輕型高壓直流輸電、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)戎懈邏捍蠊β蕡?chǎng)合的電壓源換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為兩大類一類是以兩電平換流器為代表的第一代電壓源換流器；另一類是以模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter, MMC)為代表的新一代電壓源換流器。前者橋臂通常由大量的半導(dǎo)體器件串并聯(lián)而成，目前已在多個(gè)實(shí)際工程成功運(yùn)行，技術(shù)日趨成熟，但存在器件開(kāi)關(guān)頻率高、損耗大、動(dòng)態(tài)均壓難、諧波較大、容量難以提升等缺點(diǎn)；后者橋臂由多個(gè)半橋結(jié)構(gòu)的子模塊串聯(lián)而成，具有擴(kuò)展性好、輸出電壓波形質(zhì)量高、開(kāi)關(guān)頻率低、損耗小、器件一致觸發(fā)性要求低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速。然而上述的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都不具備直流閉鎖能力，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，全控型開(kāi)關(guān)器件所并聯(lián)的二極管將構(gòu)成不控整流通路，造成過(guò)電壓過(guò)電流。目前，通常以斷開(kāi)交流斷路器作為處理直流故障的慣用手段，但這樣的操作手段存在兩個(gè)主要問(wèn)題一是開(kāi)斷交流斷路器屬于機(jī)械動(dòng)作，響應(yīng)速度慢，從故障發(fā)生到清除這期間，開(kāi)關(guān)器件仍存在承受過(guò)電壓過(guò)電流危險(xiǎn)，故要求開(kāi)關(guān)器件不得不選用額定值偏大的元件或串并聯(lián)多個(gè)開(kāi)關(guān)器件，增加相應(yīng)的成本，增大了換流器的體積和重量；二是如果頻繁開(kāi)斷交流斷路器將大大縮短其壽命，同時(shí)需要配置成本昂貴故障率低的電纜作為直流線路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，能夠自限制清除直流故障電流，且子模塊數(shù)量少，減小了換流器的體積和重量。一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路；所述的三相橋式整流電路的每個(gè)橋臂從電網(wǎng)接入端至直流耦合端依次由橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)、電抗器和模塊化多電平單元串聯(lián)構(gòu)成；所述的三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元。所述的模塊化多電平單元由若干個(gè)全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成；所述的全橋子模塊由四個(gè)IGBT和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第一 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極相連并構(gòu)成所述的全橋子模塊的一端，第一 IGBT的集電極與第二 IGBT的集電極和第一電容的一端相連，第二 IGBT的發(fā)射極與第四IGBT的集電極相連并構(gòu)成所述的全橋子模塊的另一端，第四IGBT 的發(fā)射極與第三IGBT的發(fā)射極和第一電容的另一端相連。所述的直流故障處理單元為非模塊化直流故障處理單元或模塊化直流故障處理單元所述的非模塊化直流故障處理單元由兩個(gè)直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容構(gòu)成，其中 第一直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的一端與第二電容的一端相連，第二電容的另一端與第二直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的一端相連并構(gòu)成所述的非模塊化直流故障處理單元的負(fù)極，第二直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的另一端與第一直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的另一端相連并構(gòu)成所述的非模塊化直流故障處理單元的正極。所述的模塊化直流故障處理單元包括η個(gè)半橋子模塊，其由第一半橋子模塊至第 η半橋子模塊依次串聯(lián)而成，其中第一半橋子模塊的正極為所述的模塊化直流故障處理單元的正極，第η半橋子模塊的負(fù)極為所述的模塊化直流故障處理單元的負(fù)極，η為大于等于1的自然數(shù)；所述的半橋子模塊由兩個(gè)IGBT和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第五IGBT的集電極與第三電容的一端相連，第三電容的另一端與第六IGBT的發(fā)射極相連并構(gòu)成所述的半橋子模塊的負(fù)極，第六IGBT的集電極與第五IGBT的發(fā)射極相連并構(gòu)成所述的半橋子模塊的正極。所述的橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)或直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)由若干個(gè)IGBT串聯(lián)構(gòu)成。本發(fā)明的工作原理為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下旁通直流故障處理單元，利用橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)循環(huán)交替導(dǎo)通或關(guān)斷各個(gè)橋臂，通過(guò)投入或切除模塊化多電平單元中的級(jí)聯(lián)子模塊，使交流電壓波形逼近所期望的正弦參考波，從而完成能量的穩(wěn)定傳輸。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)， 閉鎖橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)中的全控型開(kāi)關(guān)器件，將各橋臂模塊化多電平單元內(nèi)的子模塊負(fù)投入且同時(shí)開(kāi)通直流故障單元使得串聯(lián)二極管陽(yáng)極電勢(shì)低于陰極電勢(shì)，利用其反向阻斷能力達(dá)到限制并清除直流故障電流的目的，類似于傳統(tǒng)直流通過(guò)增大觸發(fā)角將整流狀態(tài)變?yōu)槟孀儬顟B(tài)以完成閉鎖熄弧的過(guò)程。本發(fā)明的多電平換流器采用全橋子模塊級(jí)聯(lián)而成的模塊化多電平單元，使得系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率低、器件損耗小、諧波??；并在直流公共母線上設(shè)置直流故障處理單元，利用半橋形式減少器件數(shù)量；當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障，通過(guò)橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)、模塊化多電平單元和直流故障處理單元協(xié)調(diào)配合能夠自限制清除直流故障電流，故無(wú)需配置大額定值的開(kāi)關(guān)器件或串并聯(lián)多個(gè)開(kāi)關(guān)器件，大大降低了相應(yīng)的成本，減小了系統(tǒng)的體積和重量，可廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)，城市配電、孤島送電、遠(yuǎn)距離大容量送電等多個(gè)場(chǎng)合。


圖1為本發(fā)明多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明中橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中模塊化多電平單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明中模塊化直流故障處理單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷觸發(fā)脈沖示意圖。圖6為本發(fā)明直流雙極短路故障閉鎖原理示意圖。圖7 (a)為本發(fā)明在0. 6s 0. 7s穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間a相電壓參考波示意圖。圖7 (b)為本發(fā)明在0. 6s 0. 7s穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間a相上橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)Sl導(dǎo)通和關(guān)斷觸發(fā)脈沖波示意圖。圖7 (C)為本發(fā)明在0.6s~0. 7s穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間a相下橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)S2導(dǎo)通和關(guān)出階梯正弦波形示意圖。 斷觸發(fā)脈沖波示意圖。圖7(d)為本發(fā)明在0.6s~ 0. 7s穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間a相上橋臂模塊化多電平單元輸圖7(e)為本發(fā)明在0.6s~0. 7s穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間a相下橋臂模塊化多電平單元輸出階梯正弦波形示意圖。圖8 (a)為本發(fā)明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發(fā)生直流雙極短路故障)運(yùn)行期間，a相上橋臂模塊化多電平單元模塊電容電壓波形示意圖。圖8 (b)為本發(fā)明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發(fā)生直流雙極短路故障)運(yùn)行期間，系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)三相電壓波形示意圖。圖8 (c)為本發(fā)明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發(fā)生直流雙極短路故障)運(yùn)行期間，系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)三相電流波形示意圖。圖8 (d)為本發(fā)明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發(fā)生直流雙極短路故障)運(yùn)行期間，系統(tǒng)注入換流器有功功率和無(wú)功功率波形示意圖。圖9為本發(fā)明在0. 7s 1. Is (其中0. 8s 0. 9s發(fā)生直流雙極短路故障)運(yùn)行期間，換流器直流側(cè)電流波形示意圖。
具體實(shí)施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及其相關(guān)原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路；三相橋式整流電路的每個(gè)橋臂5從電網(wǎng)接入端至直流耦合端依次由橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)1、電抗器2和模塊化多電平單元3串聯(lián)構(gòu)成；三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元4。如圖2所示，橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)1由八個(gè)IGBT串聯(lián)構(gòu)成。如圖3所示，模塊化多電平單元3由十個(gè)全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成；全橋子模塊F_SM 由四個(gè)IGBT和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第一 IGBT T1的發(fā)射極與第三IGBT 1~3的集電極相連并構(gòu)成全橋子模塊？_511的一端，第一 IGBT T1的集電極與第二 IGBT T2的集電極和第一電容 C1的一端相連，第二 IGBT T2的發(fā)射極與第四IGBT T4的集電極相連并構(gòu)成全橋子模塊F_ SM的另一端，第四IGBT T4的發(fā)射極與第三IGBT T3的發(fā)射極和第一電容C1的另一端相連。如圖4所示，直流故障處理單元4為模塊化直流故障處理單元；模塊化直流故障處理單元包括三個(gè)半橋子模塊，其由第一半橋子模塊11_5111至第三半橋子模塊!1_5113依次串聯(lián)而成，其中第一半橋子模塊ISM1的正極為模塊化直流故障處理單元的正極，第三半橋子模塊H_SM3的負(fù)極為模塊化直流故障處理單元的負(fù)極；半橋子模塊H_SM由兩個(gè)IGBT和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第五IGBTT5的集電極與第三電容C3的一端相連，第三電容C3的另一端與第六IGBT T6的發(fā)射極相連并構(gòu)成半橋子模塊H_SM的負(fù)極，第六IGBT T6的集電極與第五IGBT T5的發(fā)射極相連并構(gòu)成半橋子模塊H_SM的正極。第三電容C3的電壓極性與直流側(cè)電壓極性相反，直流故障處理單元4正常運(yùn)行時(shí)處于旁通狀態(tài)，直流故障期間產(chǎn)生負(fù)電平以限制故障電流。本實(shí)施方式的多電平換流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，需要橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)、模塊化多電平單元和直流故障處理單元相互協(xié)調(diào)來(lái)完成能量的平穩(wěn)傳輸，其中橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通和開(kāi)斷相關(guān)橋臂，模塊化多電平單元通過(guò)特定的調(diào)制方式形成階梯正弦波，直流故障處理單元旁通。為滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的要求，交流系統(tǒng)相電壓幅值Um與直流電壓ud。的最優(yōu)關(guān)系滿足如下
權(quán)利要求
1.一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路，其特征在于所述的三相橋式整流電路的每個(gè)橋臂從電網(wǎng)接入端至直流耦合端依次由橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)、電抗器和模塊化多電平單元串聯(lián)構(gòu)成；所述的三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有處理直流故障功能的多電平換流器，其特征在于 所述的模塊化多電平單元由若干個(gè)全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成；所述的全橋子模塊由四個(gè)IGBT和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第一 IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的集電極相連并構(gòu)成所述的全橋子模塊的一端，第一 IGBT的集電極與第二 IGBT的集電極和第一電容的一端相連，第二 IGBT的發(fā)射極與第四IGBT的集電極相連并構(gòu)成所述的全橋子模塊的另一端，第四IGBT的發(fā)射極與第三IGBT的發(fā)射極和第一電容的另一端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有處理直流故障功能的多電平換流器，其特征在于所述的直流故障處理單元為非模塊化直流故障處理單元或模塊化直流故障處理單元；所述的非模塊化直流故障處理單元由兩個(gè)直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第一直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的一端與第二電容的一端相連，第二電容的另一端與第二直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的一端相連并構(gòu)成所述的非模塊化直流故障處理單元的負(fù)極，第二直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的另一端與第一直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的另一端相連并構(gòu)成所述的非模塊化直流故障處理單元的正極；所述的模塊化直流故障處理單元包括η個(gè)半橋子模塊，其由第一半橋子模塊至第η半橋子模塊依次串聯(lián)而成，其中第一半橋子模塊的正極為所述的模塊化直流故障處理單元的正極，第η半橋子模塊的負(fù)極為所述的模塊化直流故障處理單元的負(fù)極，η為大于等于1 的自然數(shù)；所述的半橋子模塊由兩個(gè)IGBT和一個(gè)電容構(gòu)成，其中第五IGBT的集電極與第三電容的一端相連，第三電容的另一端與第六IGBT的發(fā)射極相連并構(gòu)成所述的半橋子模塊的負(fù)極，第六IGBT的集電極與第五IGBT的發(fā)射極相連并構(gòu)成所述的半橋子模塊的正極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的具有處理直流故障功能的多電平換流器，其特征在于 所述的橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)或直流導(dǎo)通開(kāi)關(guān)由若干個(gè)IGBT串聯(lián)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有處理直流故障功能的多電平換流器，包括三相橋式整流電路；三相橋式整流電路的每個(gè)橋臂從電網(wǎng)接入端至直流耦合端依次由橋臂導(dǎo)通開(kāi)關(guān)、電抗器和模塊化多電平單元串聯(lián)構(gòu)成；三相橋式整流電路的兩條公共直流母線上均串有直流故障處理單元。本發(fā)明的多電平換流器采用全橋子模塊級(jí)聯(lián)而成的模塊化多電平單元，并在直流側(cè)設(shè)置直流故障處理單元，使得系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率低、器件損耗小、諧波?。划?dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障，系統(tǒng)能夠自限制清除直流故障電流，故無(wú)需配置大額定值的開(kāi)關(guān)器件或串并聯(lián)多個(gè)開(kāi)關(guān)器件，大大降低了相應(yīng)的成本，減小了系統(tǒng)的體積和重量，可廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)，城市配電、孤島送電、遠(yuǎn)距離大容量送電等多個(gè)場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H02M7/219GK102281014SQ201110251630
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月29日
發(fā)明者徐政, 薛英林 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)