模塊化多電平換流器子模塊電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及模塊化多電平換流器子模塊電路。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性直流輸電是一種以電壓源換流器、自關(guān)斷器件和脈寬調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)的直流輸電技術(shù)。由于它具有改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化潮流分布、提高運(yùn)行安全穩(wěn)定性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在可再生能源發(fā)電并網(wǎng)、異步聯(lián)網(wǎng)和大城市中心負(fù)荷供電等場合具有廣闊的應(yīng)用前景。由于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，以下簡稱MMC)具有模塊化程度高、諧波含量小、開關(guān)器件損耗小等特點(diǎn)，十分適用于柔性直流輸電系統(tǒng)。
[0003]目前應(yīng)用柔性直流輸電實(shí)際工程中的MMC多數(shù)采用半橋子模塊電路。半橋子模塊電路所用器件較少、損耗較低，但是不具備清除直流側(cè)故障電流的能力。當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，由于反并聯(lián)二極管仍能為故障電流提供通路，系統(tǒng)近似發(fā)生三相短路，限制故障過流能力差，容易危害系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，當(dāng)直流輸電電壓達(dá)到超高壓甚至特高壓等級(jí)時(shí)，由于其子模塊需要使用較高耐壓的半導(dǎo)體功率器件，或需要使用更多的子模塊數(shù)量，使得換流器整體成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，有必要針對(duì)半橋子模塊電路成本高、限制故障過流能力差的問題，提供一種具有直流短路故障穿越能力的MMC子模塊電路。
[0005]—種模塊化多電平換流器子模塊電路，包括:
[0006]電容器Cl、C2，半導(dǎo)體開關(guān) Tl、T2、T3、T4、T5，二極管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0007]所述半導(dǎo)體開關(guān)T1、T2、T3、T4、T5的集電極分別與二極管D1、D2、D3、D4、D5的陰極相連接，所述半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5的發(fā)射極分別與二極管Dl、D2、D3、D4、D5的陽極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)Tl的發(fā)射極和二極管D6的陰極相連接，作為子模塊的正極端，半導(dǎo)體開關(guān)T5的發(fā)射極和半導(dǎo)體開關(guān)T3的集電極相連接，作為子模塊的負(fù)極端；電容器Cl的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T5的集電極、半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及電容器C2的負(fù)極端相連接；電容器Cl的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極以及二極管D6的陽極相連接；電容器C2的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)T2的發(fā)射極與半導(dǎo)體開關(guān)T4的集電極以及半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集電極相連接；
[0008]發(fā)生直流短路故障時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5關(guān)斷，二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6對(duì)電流進(jìn)行單向?qū)?，故障電流流過電容器Cl、C2。
[0009]上述模塊化多電平換流器子模塊電路，將半導(dǎo)體開關(guān)Tl的發(fā)射極和二極管D6的陰極相連接，半導(dǎo)體開關(guān)T5的發(fā)射極和半導(dǎo)體開關(guān)T3的集電極相連接，電容器Cl的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T5的集電極、半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及電容器C2的負(fù)極端相連接；電容器Cl的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極以及二極管D6的陽極相連接；電容器C2的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)Τ2的發(fā)射極與半導(dǎo)體開關(guān)Τ4的集電極以及半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集電極相連接，當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)Tl、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5關(guān)斷，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，故障電流將流?jīng)電容器Cl和/或C2，從而迅速減小故障電流，具有較好的直流短路故障穿越能力。且上述模塊化多電平換流器子模塊電路所用器件少，結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本低。
[0010]—種模塊化多電平換流器子模塊電路，包括:
[0011]電容器Cl、C2，半導(dǎo)體開關(guān) Tl、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5，二極管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0012]所述半導(dǎo)體開關(guān)Τ1、Τ2、Τ3、Τ4、Τ5的集電極分別與二極管D1、D2、D3、D4、D5的陰極相連接，所述半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5的發(fā)射極分別與二極管Dl、D2、D3、D4、D5的陽極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集電極和二極管D6的陽極相連接，作為子模塊的負(fù)極端，半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極和半導(dǎo)體開關(guān)T5的集電極相連接，作為子模塊的正極端；電容器Cl的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T5的發(fā)射極、半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及電容器C2的正極端相連接；電容器Cl的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T3的集電極以及二極管D6的陰極相連接；電容器C2的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T2的發(fā)射極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極與半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集發(fā)射極相連接；
[0013]發(fā)生直流短路故障時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5關(guān)斷，二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6對(duì)電流進(jìn)行單向?qū)?，故障電流通過電容器Cl、C2。
[0014]上述模塊化多電平換流器子模塊電路，將半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集電極和二極管D6的陽極相連接，半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極和半導(dǎo)體開關(guān)T5的集電極相連接，電容器Cl的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T5的發(fā)射極、半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及電容器C2的正極端相連接；電容器Cl的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T3的集電極以及二極管D6的陰極相連接；電容器C2的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T2的發(fā)射極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極與半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集發(fā)射極相連接，當(dāng)發(fā)生直流側(cè)故障時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)!1323334、丁5關(guān)斷，由于二極管的單向?qū)ㄌ匦?，故障電流將流?jīng)電容器Cl和/或C2，從而迅速減小故障電流，具有較好的直流短路故障穿越能力。且上述模塊化多電平換流器子模塊電路所用器件少，結(jié)構(gòu)簡單，硬件成本低。
[0015]一種模塊化多電平換流器子模塊電路，包括第一子模塊與第二子模塊，所述第一子模塊的正極端與所述第二子模塊的負(fù)極端相連接。
[0016]一種模塊化多電平換流器子模塊電路，包括第一子模塊和第二子模塊，所述第一子模塊的正極端與第二子模塊的負(fù)極端相連接。
[0017]上述模塊化多電平換流器子模塊電路，通過將多個(gè)子模塊相連接，可以使用較低耐壓的半導(dǎo)體功率器件來實(shí)現(xiàn)較高電壓的輸出，降低模塊化多電平換流器中的子模塊數(shù)量，降低換流器整體成本。
【附圖說明】
[0018]圖1為第一實(shí)施例的具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊電路的原理圖。
[0019]圖2為第二實(shí)施例的具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊電路的原理圖。
[0020]圖3為一個(gè)實(shí)施例的具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊之間的背靠背連接。
[0021]圖4為一個(gè)實(shí)施例的具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊之間的串聯(lián)連接。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合本發(fā)明附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0023]圖1所示為本發(fā)明的第一實(shí)施例的具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊電路的電路圖。該子模塊電路包括:
[0024]電容器Cl、C2，半導(dǎo)體開關(guān) Tl、T2、T3、T4、T5，二極管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0025]所述半導(dǎo)體開關(guān)T1、T2、T3、T4、T5的集電極分別與二極管D1、D2、D3、D4、D5的陰極相連接，所述半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5的發(fā)射極分別與二極管Dl、D2、D3、D4、D5的陽極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)Tl的發(fā)射極和二極管D6的陰極相連接，作為子模塊的正極端，半導(dǎo)體開關(guān)T5的發(fā)射極和半導(dǎo)體開關(guān)T3的集電極相連接，作為子模塊的負(fù)極端；電容器Cl的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T5的集電極、半導(dǎo)體開關(guān)T4的發(fā)射極以及電容器C2的負(fù)極端相連接；電容器Cl的負(fù)極端與半導(dǎo)體開關(guān)T3的發(fā)射極以及二極管D6的陽極相連接；電容器C2的正極端與半導(dǎo)體開關(guān)T2的集電極相連接；半導(dǎo)體開關(guān)T2的發(fā)射極與半導(dǎo)體開關(guān)T4的集電極以及半導(dǎo)體開關(guān)Tl的集電極相連接；
[0026]發(fā)生直流短路故障時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5關(guān)斷，二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6對(duì)電流進(jìn)行單向?qū)?，故障電流流過電容器Cl、C2。
[0027]上述具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊電路的工作原理如下:
[0028]正常工作時(shí)，當(dāng)電流由子模塊的正極流向子模塊的負(fù)極時(shí)，一直對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)Tl施加門極導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使Tl工作于常通狀態(tài)，此時(shí)二極管Dl被短路；而二極管D6由于電容電壓作用而處于常斷狀態(tài)。此時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需要靈活控制半導(dǎo)體開關(guān)T2、T3、T4、T5的導(dǎo)通與關(guān)斷，使電流流過不同的路徑，從而控制電容器Cl、C2的投入和切除。例如，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)T2、T3、T4、T5全部關(guān)斷時(shí)，電流從子模塊的正極流經(jīng)半導(dǎo)體開關(guān)Tl，二極管D2，電容器C2、C1，二極管D3到達(dá)子模塊的負(fù)極；當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)T5導(dǎo)通，半導(dǎo)體開關(guān)T2、T3、T4關(guān)斷時(shí)，二極管D6、D3被短路，電流從子模塊的正極流經(jīng)半導(dǎo)體開關(guān)Tl，二極管D2，電容器C2，半導(dǎo)體開關(guān)Τ5到達(dá)子模塊的負(fù)極。
[0029]當(dāng)電流由子模塊的負(fù)極流向子模塊的正極時(shí)，可以導(dǎo)通半導(dǎo)體開關(guān)Τ3，關(guān)斷其他半導(dǎo)體開關(guān)，將子模塊切除。此時(shí)，電流從子模塊的負(fù)極流經(jīng)半導(dǎo)體開關(guān)Τ3、二極管D6到達(dá)子模塊的正極。
[0030]當(dāng)檢測出換流器直流側(cè)短路故障時(shí)，子模塊的所有半導(dǎo)體開關(guān)立即閉鎖關(guān)斷。當(dāng)故障電流由子模塊正極流入時(shí)，流經(jīng)二極管D1、D2，電容器C2、C1，二極管D3，由子模塊負(fù)極流出；當(dāng)故障電流由子模塊負(fù)極流入時(shí)，流經(jīng)二極管D5，電容器Cl，二極管D6，由子模塊正極流出。由于直流電容電壓的作用，故障電流會(huì)迅速下降，從而有效保護(hù)子模塊電路的半導(dǎo)體開關(guān)和二極管。
[0031]圖2所示為本發(fā)明的第二實(shí)施例的具有直流短路故障穿越能力的模塊化多電平換流器子模塊電路的電路圖。該子模塊電路包括:
[0032]電容器Cl、C2，半導(dǎo)體開關(guān) Tl、T2、T3、T4、T5，二極管 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 ;
[0033]所述半導(dǎo)體開關(guān)T1、T2、T3、T4、T5的集電極分別與二極管D1、D2、D3、D4、D5的陰極相連接，所述半導(dǎo)體開關(guān)Tl、T2、T3、T4、T5的發(fā)射極分別與二極管Dl、D