具有直流側短路保護功能的模塊化多電平變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子變換器技術領域，尤其涉及一種用于高壓直流輸電的模塊化多電平變換器主電路拓撲。
【背景技術】
[0002]模塊化多電平變換器(MMC)具有模塊化結構，共直流母線，高效和低輸出諧波等優(yōu)點，在高壓大容量領域得到了越來越多的應用，其基本結構如圖1所示。MMC的每一相都分為上橋臂和下橋臂兩部分，每個橋臂由N個子模塊串聯(lián)得到，上橋臂和下橋臂之間通常串接兩個緩沖電感La，防止橋臂在開關過程中發(fā)生橋臂直通，導致大的橋臂電流。若正母線P+和負母線N-之間的電壓為Vd。，則每個子模塊所需承受的電壓為Vdc/N。MMC的每一相的輸出端(即兩個緩沖電感1^之間引出)接濾波電感L。，使輸出的電流滿足負載&對THD (Total Harmonic Distort1n)的要求。MMC的子模塊可以分為單極性子模塊和雙極性子模塊，單極性子模塊只能輸出正電平和零電平，而雙極性子模塊可以輸出正電平、零電平和負電平，基本的兩電平單極性子模塊和雙極性子模塊結構圖分別如圖2和圖3所示。圖2中的兩電平單極性子模塊包括兩個開關器件⑶和S2)和一個電容(C1);其中兩個開關器件Sp S2串聯(lián)，電容C i與開關器件S P S2并聯(lián)；S jp S 2互補導通；當S 2導通時，該子模塊被旁路。子模塊中兩個互補動作的開關管產生兩個有效的開關狀態(tài)，把電容C1接入整個橋臂中或者將其旁路掉，通過這種方式產生多電平階梯波。兩電平單極性子模塊結構簡單，所需的開關器件少，效率高，但不能輸出負電平。圖3中的兩電平雙極性子模塊包括四個開關器件(S3、S4、S#P S 6)和一個電容(C2);其中開關器件S3、S4串聯(lián)，S 5、S6串聯(lián)；電容C 2與開關器件S3、S4，S5、S6并聯(lián)；正常工作時S 3和S 4互補導通，S 5保持常閉，S 6保持常通；當S 2和S 6導通時，該子模塊被旁路；當S5導通，S6關閉時，該子模塊輸出負電平；兩電平雙極性子模塊可以輸出正電平電壓、零電壓和負電平電壓，但每個子模塊所需的開關器件數(shù)多，使得效率相比于兩電平單極性子模塊要低。在高壓直流輸電(HVDC)等應用場合，直流側的短路保護是一個非常重要的功能要求，基于單極性子模塊的MMC，由于子模塊無法輸出負電壓，因此在直流側發(fā)生短路故障時，無法限制故障電流?；陔p極性子模塊的MMC，由于子模塊可以出負電壓，因此在直流側發(fā)生短路故障時，可以對直流側故障電流進行限制和實現(xiàn)故障穿越，但雙極性子模塊所用的器件數(shù)多，損耗大，效率低。有學者提出同時采用單極性子模塊和雙極性子模塊來構成MMC的橋臂，其結構圖如圖4所示，圖中，A1-An:單極性子模塊，B1NBm:雙極性子模塊；這些單極性子模塊和雙極性子模塊按一定的比例混合，實現(xiàn)輸出電壓等級和直流側短路保護的要求。
[0003]現(xiàn)有的單極性子模塊和雙極性子模塊混合式MMC拓撲，其子模塊都是基于兩電平的子模塊，分別如圖2和圖3所示。兩電平的子模塊，由于單個子模塊所能承受的電壓較低，因而增加了總的子模塊個數(shù)和與子模塊相關的其它元器件個數(shù)。采用多電平子模塊，可以顯著減少子模塊個數(shù)和與子模塊相關的其它元器件個數(shù)。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對已有技術中所述的基于兩電平子模塊的混合式MMC中子模塊數(shù)及相關的其它元器件個數(shù)較多的問題，提出一種具有直流側短路保護功能的模塊化多電平變換器，采用多電平子模塊減少了總的子模塊個數(shù)和與子模塊相關的元器件個數(shù)；子模塊損耗低，效率高，因而使整個系統(tǒng)的效率得到提升。
[0005]本發(fā)明提出的一種具有直流側短路保護功能的模塊化多電平變換器，該模塊化多電平變換器的每一相都分為上橋臂和下橋臂兩部分，每個橋臂由An個單極性子模塊和B_?個雙極性子模塊串聯(lián)得到，且Bn^An;上橋臂和下橋臂之間串接兩個緩沖電感，每一相的兩個緩沖電感之間引出輸出端接一濾波電感；其特征在于，所述的單極性子模塊采用三電平的雙半橋子模塊；所述的雙極性子模塊采用五電平交叉連接子模塊。
[0006]本發(fā)明的技術特點是:
[0007]本發(fā)明多電平變換器的五電平交叉連接子模塊中，任意時刻電流只需流經三個開關器件，導通損耗低，效率高；
[0008]本發(fā)明多電平變換器的橋臂中的子模塊可承受的電壓為原有兩電平子模塊的兩倍，在相同的直流母線電壓下，每個橋臂總的模塊數(shù)僅為采用兩電平子模塊拓撲的一半；
[0009]本發(fā)明多電平變換器的五電平交叉連接子模塊中交叉連接開關器件(S2JPS26)的耐壓是其它開關器件(S21，S22，S23和S24)的兩倍；
[0010]變換器正常工作時，雙極性子模塊中的交叉連接開關器件(S26)保持導通，單極性子模塊和雙極性子模塊的控制相同；
[0011]當直流側發(fā)生短路故障時，橋臂中的所有的子模塊的開關器件閉鎖，實現(xiàn)對直流側故障電流的限制；
[0012]當需要對交流側進行無功補償實現(xiàn)故障穿越時，橋臂中的所有的單極性子模塊被旁路，所有的雙極性子模塊被接入，雙極性子模塊中的開關器件根據(jù)控制要求進行動作；
[0013]本發(fā)明的效果是:
[0014]本發(fā)明依據(jù)不同類型子模塊的外特性，通過不同類型子模塊的組合，實現(xiàn)了直流側短路的保護功能，采用多電平子模塊減少了總的子模塊個數(shù)和與子模塊相關的元器件個數(shù)；正常運行時，兩類子模塊的控制類似，使整個系統(tǒng)的控制算法簡單；子模塊損耗低，系統(tǒng)效率高。
[0015]本發(fā)明能實現(xiàn)直流側短路的保護功能，在直流側發(fā)生短路故障時通過控制子模塊中的開關器件，可以迅速的切斷故障電流；可對交流側進行無功補償實現(xiàn)故障穿越，提高電網系統(tǒng)的穩(wěn)定性；
[0016]本發(fā)明采用多電平子模塊減少了總的子模塊個數(shù)和與子模塊相關的元器件個數(shù)；變換器正常運行時，兩類子模塊的控制類似，使整個系統(tǒng)的控制算法簡單；子模塊損耗低，效率高，因而使整個系統(tǒng)的效率得到提升。
【附圖說明】
[0017]圖1是已有的MMC的基本結構圖；
[0018]圖2是已有的MMC中兩電平單極性子模塊結構圖；
[0019]圖3是已有的MMC中兩電平雙極性子模塊結構圖；
[0020]圖4是本發(fā)明的單極性子模塊和雙極性子模塊混合式MMC主電路拓撲結構圖；
[0021]圖5是本發(fā)明的拓撲中所采用的單極性子模塊結構圖；
[0022]圖6是本發(fā)明的拓撲中所采用的雙極性子模塊結構圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖，對本發(fā)明進行詳細說明。
[0024]本發(fā)明提出的一種具有直流側短路保護功能的模塊化多電平變換器MMC，如圖4所示，該模塊化多電平變換器的每一相都分為上橋臂和下橋臂兩部分，每個橋臂由An個單極性子模塊和Bm個雙極性子模塊串聯(lián)得到，圖中Cell A1-Cell An為單極性子模塊，CellB1-Cell Bm為