本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器。

背景技術(shù)：

由于缺少高壓直流斷路器技術(shù)，直流側(cè)短路故障是柔性高壓直流輸電所面對的一個(gè)重要問題，嚴(yán)重影響柔性高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展。采用模塊化多電平換流器(modularmulti-leverconverter,多電平換流器)技術(shù)的柔性高壓直流輸電系統(tǒng)，在直流側(cè)短路故障的情況下，半橋型多電平換流器的子模塊具有續(xù)流能力，閉鎖開關(guān)管后，續(xù)流二極管為交流系統(tǒng)向直流故障點(diǎn)饋入故障電流提供了通路，交流系統(tǒng)側(cè)發(fā)生三相虛短。目前處理直流側(cè)故障的方法有三種：

1)利用交流側(cè)斷路器切斷故障點(diǎn)與交流系統(tǒng)的連接；

2)利用直流側(cè)斷路器切除故障線路；

3)利用換流器自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的自清除。

雖然半橋型多電平換流器在功率器件數(shù)量及系統(tǒng)損耗等方面有較大的優(yōu)勢，但該結(jié)構(gòu)不具備直流故障自清除能力。在系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生短路故障的情況下，交流電網(wǎng)、續(xù)流二極管以及故障點(diǎn)構(gòu)成故障電流回路，電網(wǎng)被虛短，后果嚴(yán)重，必須借助交流側(cè)斷路器切斷交流系統(tǒng)和故障點(diǎn)的連接。

當(dāng)前建成的柔性高壓直流輸電工程都是采用斷開交流側(cè)斷路器的方法來切斷直流側(cè)故障線路。雖然斷開交流側(cè)斷路器可以清除故障電流，但由于交流側(cè)斷路器是機(jī)械開關(guān)，響應(yīng)速度慢，所以采用這種方法無法做到快速切除。另外在交流斷路器斷開的過程中，續(xù)流二極管也承受了巨大的故障電流，可能因此而損壞。

斷開直流斷路器可以快速清除和隔離故障。目前高壓直流斷路器的形式也有很多種，比如常規(guī)機(jī)械式、固態(tài)式以及這兩種的混合型。但是，目前高壓直流斷路器價(jià)格昂貴，技術(shù)還不成熟。

因此，具備直流短路故障自清除能力的多電平換流器是一種新的研究方向，具有直流故障自阻斷能力的不對稱雙子模塊結(jié)構(gòu)以其經(jīng)濟(jì)性較好受到青睞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器，該裝置能自動(dòng)阻斷多電平換流器直流側(cè)的故障電流，實(shí)現(xiàn)多電平換流器直流側(cè)的故障自愈。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括三相結(jié)構(gòu)相同的多電平換流器，每相都由上橋臂和下橋臂構(gòu)成，所述的上橋臂和下橋臂各由i個(gè)半橋子模塊與n-i個(gè)不對稱雙子模塊串接組成，所述的上橋臂的第1個(gè)子模塊的自由端與多電平換流器的直流母線的正極相連，所述的下橋臂的第n個(gè)子模塊的自由端與多電平換流器的直流母線的負(fù)極相連，所述的上橋臂的第n個(gè)雙子模塊的自由端與下橋臂的第1個(gè)子模塊的自由端與交流線相連；

每個(gè)半橋子模塊由兩個(gè)全控開關(guān)器件及反并聯(lián)二極管和一個(gè)直流電容構(gòu)成：兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)且形成子模塊的直流正負(fù)極，兩個(gè)二極管分別與所述的兩個(gè)全控開關(guān)器件反并聯(lián)，所述的直流電容與所述的兩個(gè)串聯(lián)的全控開關(guān)器件并聯(lián)，所述的兩個(gè)全控開關(guān)器件的連接點(diǎn)和第二全控開關(guān)器件的負(fù)極作端口串接在每相橋臂的電路中；

每個(gè)不對稱雙子模塊構(gòu)成是：

第一二極管、第二二極管、第三二極管與第四二極管分別與反并聯(lián)第一全控開關(guān)器件、第二全控開關(guān)器件、第三全控開關(guān)器件和第四全控開關(guān)器件，所述的第一全控開關(guān)器件和第二全控開關(guān)器件串聯(lián)且形成不對稱雙子模塊的直流正負(fù)極，第一電容和第二電容串聯(lián)后與所述的串聯(lián)的第一全控開關(guān)器件、第二全控開關(guān)器件并聯(lián)，所述的第三全控開關(guān)器件與第四全控開關(guān)器件串聯(lián)，所述的第三全控開關(guān)器件的另一端與第一電容和第二電容的連接點(diǎn)相連，所述的第四全控開關(guān)器件的另一端與所述的不對稱雙子模塊的直流負(fù)極相連，第一全控開關(guān)器件與第二全控開關(guān)器件的連接點(diǎn)和第三全控開關(guān)器件與第四全控開關(guān)器件的連接點(diǎn)作為不對稱雙子模塊的端口串接在每相橋臂的電路中；

其中，n為大于2的整數(shù)，i<n的整數(shù)。

本發(fā)明多電平換流器直流故障自愈的原理如下：

1)定義流進(jìn)不對稱雙子模塊的電流i方向?yàn)檎?，直流?cè)發(fā)生故障時(shí)，閉鎖所有的第一全控開關(guān)器件、第二全控開關(guān)器件、第三全控開關(guān)器件和第四全控開關(guān)，在不對稱雙子模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，閉鎖后當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r(shí)，不對稱雙子模塊內(nèi)部的電流通路為第一二極管，第一電容，第二電容和第四二極管；當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，不對稱雙子模塊內(nèi)部的電流通路為第三二極管，第二電容和第二二極管；

(2)當(dāng)i>0時(shí)，每個(gè)電流通路里面都含有2n個(gè)第1二極管，第一電容，第二電容和第4二極管，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得出下式：

-urst+2n[ud1(t)+ud4(t)+uc1(t)+uc2(t)]+ul-l(t)＝0(1)

其中：urst為多電平換流器直流間短路后直流側(cè)電壓，ul-l(t)為交流側(cè)線電壓，ud1(t)、ud4(t)分別為第一二極管、第4二極管的電壓，uc1(t)、uc2(t)分別為第一電容、第二電容的電壓，且uc1(t)＝uc2(t)＝vdc/2n，vdc為多電平換流器直流電壓；

計(jì)算不對稱雙子模塊直流正負(fù)極兩端的電壓，公式如下：

由于多電平換流器直流間短路故障發(fā)生后，urst<<vdc，所以ud1(t)+ud4(t)＜0，因此若有電流流過第1二極管和第4二極管將會(huì)快速反向截止，從而故障電流被快速阻斷。

(3)當(dāng)i<0時(shí)，同理可得出第2二極管d2和第3二極管d3也會(huì)快速反向截止，快速阻斷故障電流。

因此不對稱雙子模塊結(jié)構(gòu)具有直流故障電流阻斷能力，且在同等電壓等級下，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用的開關(guān)管的數(shù)量和半橋型的數(shù)量相同，可以在一定程度上降低成本。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)如下：

本發(fā)明當(dāng)多電平換流器直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，利用電容電壓迫使導(dǎo)通的二極管反向截止阻斷故障電流，從而阻斷了直流側(cè)故障引起的大電流，保護(hù)了多電平換流器柔性直流輸電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多電平換流器柔性高壓直流系統(tǒng)的直流故障自愈。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器拓?fù)涫疽鈭D。

圖2是本發(fā)明不對稱雙子模塊故障電流路徑圖。

圖3是多電平換流器直流側(cè)電流圖。

圖4是多電平換流器交流側(cè)電流圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器的拓?fù)鋱D。圖2為不對稱雙子模塊故障電流路徑圖，如圖所示，本發(fā)明基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器，構(gòu)成包括三相結(jié)構(gòu)相同的多電平換流器，每相都由上橋臂和下橋臂構(gòu)成，所述的上橋臂和下橋臂各由i個(gè)半橋子模塊hsm1～hsmi與n-i個(gè)不對稱雙子模塊smi+1～smn串接組成，所述的上橋臂的第1個(gè)子模塊hsm1的自由端與多電平換流器的直流母線的正極相連，所述的下橋臂的第n個(gè)子模塊smn的自由端與多電平換流器的直流母線的負(fù)極相連，所述的上橋臂的第n個(gè)雙子模塊smn的自由端與下橋臂的第1個(gè)子模塊hsm1的自由端與交流線相連；

每個(gè)半橋子模塊由兩個(gè)全控開關(guān)器件及反并聯(lián)二極管和一個(gè)直流電容構(gòu)成：兩個(gè)全控開關(guān)器件串聯(lián)且形成子模塊的直流正負(fù)極，兩個(gè)二極管分別與所述的兩個(gè)全控開關(guān)器件反并聯(lián)，所述的直流電容與所述的兩個(gè)串聯(lián)的全控開關(guān)器件并聯(lián)，所述的兩個(gè)全控開關(guān)器件的連接點(diǎn)和第二全控開關(guān)器件的負(fù)極作端口串接在每相橋臂的電路中；

每個(gè)不對稱雙子模塊構(gòu)成是：

第一二極管d1、第二二極管d2、第三二極管d3與第四二極管d4分別與反并聯(lián)第一全控開關(guān)器件t1、第二全控開關(guān)器件t2、第三全控開關(guān)器件t3和第四全控開關(guān)器件t4，所述的第一全控開關(guān)器件t1和第二全控開關(guān)器件t2串聯(lián)且形成不對稱雙子模塊的直流正負(fù)極，第一電容c1和第二電容c2串聯(lián)后與所述的串聯(lián)的第一全控開關(guān)器件t1、第二全控開關(guān)器件t2并聯(lián)，所述的第三全控開關(guān)器件t3與第四全控開關(guān)器件t4串聯(lián)，所述的第三全控開關(guān)器件t3的另一端與第一電容c1和第二電容c2的連接點(diǎn)相連，所述的第四全控開關(guān)器件t4的另一端與所述的不對稱雙子模塊的直流負(fù)極相連，第一全控開關(guān)器件t1與第二全控開關(guān)器件t2的連接點(diǎn)和第三全控開關(guān)器件t3與第四全控開關(guān)器件t4的連接點(diǎn)作為不對稱雙子模塊的端口串接在每相橋臂的電路中；

其中，n為大于2的整數(shù)，i<n的整數(shù)。

圖3、圖4所示分別為多電平換流器直流側(cè)故障時(shí)直流電流、交流仿真示意圖，由圖可見，本發(fā)明基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器直流側(cè)在0.7s發(fā)生極間短路故障，2ms過后開關(guān)管閉鎖，0.8s直流側(cè)故障消除，系統(tǒng)恢復(fù)正常。發(fā)生故障時(shí)，閉鎖igbt后，直流側(cè)故障電流和交流側(cè)電流在30ms內(nèi)迅速降至零，達(dá)到了自動(dòng)阻斷直流故障的功能，實(shí)現(xiàn)了多電平換流器直流故障自愈。