一種具有直流短路故障自清除能力的mmc子模塊的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊。本發(fā)明MMC子模塊由第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管、第四開(kāi)關(guān)管、第五開(kāi)關(guān)管、二極管、第一電容和第二電容構(gòu)成；所述開(kāi)關(guān)管為IGBT。本發(fā)明MMC子模塊的工作過(guò)程等效為兩個(gè)半橋模塊，損耗較低，具有直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障自清除的能力，且構(gòu)成的器件數(shù)目較少。與現(xiàn)有的半橋子模塊相比較，具有直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障自清除的能力；與現(xiàn)有的全橋子模塊相比較，開(kāi)關(guān)數(shù)目有所減少；與現(xiàn)有的雙鉗位子模塊相比較，減少了一個(gè)二極管，且工作過(guò)程中導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管數(shù)目少，損耗較低。
【專利說(shuō)明】一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及組合模塊多電平變換器領(lǐng)域，具體涉及一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著高壓直流輸電的不斷發(fā)展，多電平變換器得到了巨大的發(fā)展。其中，模塊組合多電平變換器(Modular Multilevel Converter,MMC)作為一種新型的多電平拓?fù)?，除了具有傳統(tǒng)多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)，模塊組合多電平變換器采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)擴(kuò)容和冗余工作；具有不平衡運(yùn)行能力、故障穿越和恢復(fù)能力，系統(tǒng)可靠性高；由于具有公共直流母線，模塊組合多電平變換器尤其適用于高壓直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用。
[0003]目前，MMC子模塊主要有半橋子模塊、全橋子模塊和鉗位雙子模塊。半橋子模塊如圖1所示，由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)電容構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但無(wú)法自清除直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的故障。全橋子模塊如圖2所示，由四個(gè)開(kāi)關(guān)管和一個(gè)電容構(gòu)成，當(dāng)MMC直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)閉鎖所有開(kāi)關(guān)管，使全橋子模塊輸出正電平或負(fù)電平，從而自清除直流側(cè)故障，但開(kāi)關(guān)管數(shù)目太多，成本高。鉗位雙子模塊如圖3所示，由五個(gè)開(kāi)關(guān)管、兩個(gè)二極管和兩個(gè)電容構(gòu)成，工作過(guò)程等效為兩個(gè)半橋子模塊，當(dāng)MMC直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)閉鎖所有開(kāi)關(guān)管，使鉗位雙子模塊輸出正電平或負(fù)電平，從而自清除直流側(cè)故障。鉗位雙子模塊與全橋子模塊相比較開(kāi)關(guān)數(shù)目有所減少，但器件數(shù)目依然很多。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種模具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊，由第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管、第四開(kāi)關(guān)管、第五開(kāi)關(guān)管、二極管、第一電容和第二電容構(gòu)成；所述開(kāi)關(guān)管為IGBT ；MMC子模塊的端口電壓為ySM，MMC子模塊的輸入電流為iSM ;第一電容的電壓為&，第二電容的電壓為Uc2,且HUc, Uc為給定值。
[0006]第一開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與第二開(kāi)關(guān)管的集電極、二極管的陰極連接，第一開(kāi)關(guān)管的集電極與第一電容的正極連接，第二開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與第五開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接，第五開(kāi)關(guān)管的集電極與第一電容的負(fù)極、第二電容的正極、第四開(kāi)關(guān)管的集電極連接，第四開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與第三開(kāi)關(guān)管的集電極連接，第三開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與二極管的陽(yáng)極、第二電容的負(fù)極連接；第一開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極與第三開(kāi)關(guān)管的集電極作為MMC子模塊的輸出端。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢(shì)為:工作過(guò)程等效為兩個(gè)半橋模塊，損耗較低，具有直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障自清除的能力，且構(gòu)成的器件數(shù)目較少。與現(xiàn)有的半橋子模塊相比較，具有直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)故障自清除的能力；與現(xiàn)有的全橋子模塊相比較，開(kāi)關(guān)數(shù)目有所減少；與現(xiàn)有的雙鉗位子模塊相比較，減少了一個(gè)二極管，且工作過(guò)程中導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管數(shù)目少，損耗較低。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是已有的半橋子模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖2是已有的全橋子模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖3是已有的雙鉗位子模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖4是本發(fā)明的一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；
圖5a、5b、5c、5d分別是圖4所示電路正常工作的四種模態(tài)；
圖6a、6b分別是圖4所示電路閉鎖情況的兩種模態(tài)。

【具體實(shí)施方式】
[0009]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容和特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行具體說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施不限于此。以下若有未特別詳細(xì)說(shuō)明的控制過(guò)程，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
[0010]參考圖4，本發(fā)明的一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊由第一開(kāi)關(guān)管T1、第二開(kāi)關(guān)管T2、第三開(kāi)關(guān)管T3、第四開(kāi)關(guān)管T4、第五開(kāi)關(guān)管T5、二極管D、第一電容C1和第二電容C2構(gòu)成；所述開(kāi)關(guān)管為IGBT ;MMC子模塊的端口電壓為ySM，MMC子模塊的輸入電流為iSM ;第一電容C1的電壓為&，第二電容C2的電壓為UC2, Uci等于U02且為設(shè)定值Uc。
[0011]第一開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極與第二開(kāi)關(guān)管T2的集電極、二極管D的陰極連接，第一開(kāi)關(guān)管T1的集電極與第一電容C1的正極連接，第二開(kāi)關(guān)管T2的發(fā)射極與第五開(kāi)關(guān)管T5的發(fā)射極連接，第五開(kāi)關(guān)管T5的集電極與第一電容C1的負(fù)極、第二電容C2的正極、第四開(kāi)關(guān)管T4的集電極連接，第四開(kāi)關(guān)管T4的發(fā)射極與第三開(kāi)關(guān)管T3的集電極連接，第三開(kāi)關(guān)管T3的發(fā)射極與二極管D的陽(yáng)極、第二電容C2的負(fù)極連接；第一開(kāi)關(guān)管T1的發(fā)射極與第三開(kāi)關(guān)管T3的集電極作為MMC子模塊的輸出端。
[0012]本發(fā)明所提供的MMC子模塊正常工作具有4個(gè)模態(tài)，在MMC正常運(yùn)行時(shí)控制第五開(kāi)關(guān)管T5 —直開(kāi)通:
模態(tài)1:如圖5a所示，控制第二開(kāi)關(guān)管T2和第四開(kāi)關(guān)管T4開(kāi)通，第一開(kāi)關(guān)管T1和第三開(kāi)關(guān)管T3關(guān)斷，二極管D截止，MMC子模塊輸出電壓《SM=0。當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM>0時(shí)，電流的路徑如虛線5al所示，電流iSM通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管T2、第四開(kāi)關(guān)管T4和第五開(kāi)關(guān)管T5的反并聯(lián)二極管，第一電容C1和第二電容C2既不充電也不放電；當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM〈0時(shí)，電流iSM通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管T2的反并聯(lián)二極管、第四開(kāi)關(guān)管T4和第五開(kāi)關(guān)管T5,電流的路徑如虛線5a2所示,第一電容C1和第二電容C2既不充電也不放電。
[0013]模態(tài)2:如圖5b所示，控制第一開(kāi)關(guān)管T1和第四開(kāi)關(guān)管T4開(kāi)通，第二開(kāi)關(guān)管T2和第三開(kāi)關(guān)管T3關(guān)斷，二極管D截止，MMC子模塊輸出電壓內(nèi)M=& (.Uc=Uci= uC2)a當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM>0時(shí)，電流的路徑如虛線5b2所示，電流iSM通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管T1的反并聯(lián)二極管和第四開(kāi)關(guān)管T4給第一電容C1充電，第二電容C2既不充電也不放電；當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM〈0時(shí)，電流的路徑如虛線5bl所示，第一電容C1通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管T1和第四開(kāi)關(guān)管T4的反并聯(lián)二極管放電，第二電容C2既不充電也不放電。
[0014]模態(tài)3:如圖5c所示，控制第二開(kāi)關(guān)管T2和第三開(kāi)關(guān)管T3開(kāi)通，第一開(kāi)關(guān)管T1和第四開(kāi)關(guān)管T4關(guān)斷，二極管D截止，MMC子模塊輸出電壓Usk=Uco當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM>0時(shí)，電流的路徑如虛線5cl所示，第一電容C1既不充電也不放電，電流iSM通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管T2、第三開(kāi)關(guān)管T3的反并聯(lián)二極管和第五開(kāi)關(guān)管T5的反并聯(lián)二極管給第二電容C2充電；當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM〈0時(shí)，電流的路徑如虛線5c2所示，第一電容C1既不充電也不放電，第二電容C2通過(guò)第二開(kāi)關(guān)管T2的反并聯(lián)二極管、第三開(kāi)關(guān)管T3和第五開(kāi)關(guān)管T5放電。
[0015]模態(tài)4:如圖5d所示，控制第一開(kāi)關(guān)管T1和第三開(kāi)關(guān)管T3開(kāi)通，第二開(kāi)關(guān)管T2和第四開(kāi)關(guān)管T4關(guān)斷，二極管D截止，MMC子模塊輸出電壓uS}i=2uc。當(dāng)MMC子模塊輸入電流is?>0時(shí)，電流的路徑如虛線5dl所示，電流iSM通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管T1的反并聯(lián)二極管和第三開(kāi)關(guān)管T3的反并聯(lián)二極管給第一電容C1和第二電容C2充電；當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM〈0時(shí)，電流的路徑如虛線5d2所示，第一電容C1和第二電容C2通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管T1和第三開(kāi)關(guān)管T3放電。
[0016]當(dāng)直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，閉鎖所有的開(kāi)關(guān)管，即在MMC直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)控制所有開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷，MMC子模塊具有兩個(gè)模態(tài)。
[0017]模態(tài)1:當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM>0時(shí)，電流路徑如圖6a所示，MMC子模塊的輸出電壓Um=Wc,電流iSM通過(guò)第一開(kāi)關(guān)管T1的反并聯(lián)二極管和第三開(kāi)關(guān)管T3的反并聯(lián)二極管給第一電容C1和第二電容C2充電。
[0018]模態(tài)2:當(dāng)MMC子模塊輸入電流iSM〈0時(shí)，電流路徑如圖6b所示，MMC子模塊的輸出電壓"SM=_仏，第一電容C1和第二電容C2通過(guò)二極管D和第四開(kāi)關(guān)管T4的反并聯(lián)二極管放電。
[0019]可見(jiàn)，當(dāng)MMC直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)通過(guò)閉鎖所有開(kāi)關(guān)管，使MMC子模塊輸出正電平或負(fù)電平，從而自清除直流側(cè)故障。
[0020]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊，其特征在于包括第一開(kāi)關(guān)管(!\)、第二開(kāi)關(guān)管(T2)、第三開(kāi)關(guān)管(T3)、第四開(kāi)關(guān)管(T4)、第五開(kāi)關(guān)管(T5)、二極管(D)、第一電容(C1)和第二電容(C2);所述開(kāi)關(guān)管為IGBT ;第一電容(C1)的電壓為,第二電容(C2)的電壓為Uc2,且Uci=Uao
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有直流短路故障自清除能力的MMC子模塊，其特征在于:第一開(kāi)關(guān)管(T1)的發(fā)射極與第二開(kāi)關(guān)管(T2)的集電極、二極管(D)的陰極連接，第一開(kāi)關(guān)管(T1)的集電極與第一電容(C1)的正極連接，第二開(kāi)關(guān)管(T2)的發(fā)射極與第五開(kāi)關(guān)管(T5)的發(fā)射極連接，第五開(kāi)關(guān)管(T5)的集電極與第一電容(C1)的負(fù)極、第二電容(C2)的正極、第四開(kāi)關(guān)管(T4)的集電極連接，第四開(kāi)關(guān)管(T4)的發(fā)射極與第三開(kāi)關(guān)管(T3)的集電極連接，第三開(kāi)關(guān)管(T3)的發(fā)射極與二極管(D)的陽(yáng)極、第二電容(C2)的負(fù)極連接；第一開(kāi)關(guān)管(T1)的發(fā)射極與第三開(kāi)關(guān)管(T3)的集電極作為MMC子模塊的輸出端。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK104242641SQ201410460489
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】張波, 付堅(jiān), 丘東元 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)