一种模块化多电平换流器及直流故障清除方法技术

本发明专利技术涉及一种模块化多电平换流器及直流故障清除方法，在传统半桥型MMC换流器的基础上，增加一组上下桥臂，并辅以适当的控制，即可实现对直流故障的清除。在直流侧正常工作状态下，上桥臂的前M子模块处于切除状态，后M个处于投入状态，直流侧发生短路故障时，封锁ARM‑PLUS上桥臂前M个子模块和下桥臂后M个子模块的触发脉冲，使其工作在闭锁状态。若直流侧残压较高，控制ARM‑PLUS工作在反向Boost状态。在直流输出侧增加隔离开关，可清除永久性故障。短路故障排除后，短路电流达到零值时，等待数ms，待短路电弧完全熄灭，恢复ARM‑PLUS至正常工作状态。本发明专利技术所提出的ARM‑PLUS拓扑，原理清晰，实现方法简单，可显著提高直流故障处理与运行恢复速度。

A modular multilevel converter and its DC fault clearing method

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平换流器及直流故障清除方法
本专利技术涉及电力电子
，特别是涉及一种模块化多电平换流器及直流故障清除方法。
技术介绍
随着大容量远距离输电、大规模可再生能源并网、孤岛供电等电力传输需求的提出，基于半桥型模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)的柔性直流输电技术，以谐波畸变小、拓展性好等优点，成为了国内外研究的焦点。与两端系统相比，多端直流柔性输电(multi-terminalHVDC,MTDC)系统可实现多电源供电和多落点受电，具有较好的灵活性、经济性和稳定性，应用前景广阔。高压直流输电技术发展所带来的直流网络化，导致直流短路故障可能造成网络化直流系统的崩溃且恢复周期长的问题。在直流短路故障情况下，控制系统可快速响应以闭锁换流站，但交流电网仍会通过传统半桥型MMC换流器的反并联二极管为短路点提供短路电流，只能通过跳开交流侧断路器清除短路故障，无论是在动作时间还是保证系统供电可靠性方面都无法满足要求，且换流站的闭锁及交流侧断路器的跳开，加大了故障处理与恢复运行的周期。直流断路器可在短时间内清除直流故障，不失为一种有效的解决方案，但国内外大容量直流断路器的研发尚处于起步阶段，目前可商业应用的直流断路器容量有限、价格昂贵且可靠性差，故障发生后的协调控制也较为困难。剖析导致直流短路故障危害严重的原因，其关键点为用于直流电网的AC/DC换流器为电压源型换流器(VSC)，直流侧短路相当于对电压源的短路。而换流器本身没有任何控制手段，导致了短路故障对直流系统造成巨大的冲击。因此，对传统VSC的进行拓扑改进和控制，使其具备直流故障清除能力是一种值得关注的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种半桥型模块化多电平换流器及直流故障清除方法实现对短路电流的控制，并提高故障处理与运行恢复速度。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种模块化多电平换流器，所述换流器包括：三相半桥型模块化多电平换流器MMC、相单元、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电感、第四电感、第一隔离开关以及第二隔离开关；所述MMC包括6个第一桥臂，每个所述第一桥臂包括N个子模块，N≥2；所述相单元包含上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括N个子模块，N≥2；所述相单元与所述MMC的输出端连接，所述第一电感L1A的一端以及所述第二电感的一端均与所述相单元的输出端连接，所述第一电感的另一端与所述第一电容的一端以及所述第三电感的一端连接，所述第二电感的另一端与所述第二电容的一端以及所述第四电感的一端连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端连接，所述第三电感的另一端与所述第一隔离开关连接，所述第四电感的另一端与所述第二隔离开关连接。可选的，所述子模块包括：第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管以及第三电容；所述第一IGBT的集电极与所述第一二极管的阴极和所述第三电容的一端连接，所述第一IGBT的发射极与所述第一二极管的阳极连接；所述第二IGBT的集电极与所述第一IGBT的发射极以及所述第二二极管的阴极连接，所述第二IGBT的发射极与所述第二二极管的阳极以及所述第三电容的另一端连接。可选的，所述相单元中的器件参数与所述MMC中的器件参数相同。可选的，所述上桥臂和所述下桥臂的工作状态镜像对称。本专利技术另外提供一种直流故障清除方法，所述方法应用于上述模块化多电平换流器中，所述方法包括：检测直流线路测直流电流或电压，得到第一直流电流或电压；基于所述第一直流电流或电压判断直流侧是否发生短路，得到第一判断结果；若第一判断结果表示发生短路故障时，封锁相单元中的上桥臂的前M个子模块和下桥臂的后M个子模块的触发脉冲；其中，M＝1/2N，N表示一个桥臂中子模块的总个数；判断直流残压是否超出设定阈值，若超出设定阈值，则控制相单元工作在反向Boost状态，将直流侧能量返送给交流侧；等待固定时间间隔，直到短路电弧完全熄灭；继续检测直流侧电流或电压，得到第二直流电流或电压；基于所述第二直流电流或电压判断直流侧是否发生短路，得到第二判断结果；若第二判断结果表示仍然存在短路故障时，封锁上桥臂前M个子模块和下桥臂后M个子模块的触发脉冲，并判定短路故障为永久性故障；待短路电流降为0时，断开直流侧隔离开关。可选的，通过电流或电压传感器持续检测直流线路测直流电流或电压。根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：本专利技术提出一种具备直流故障清除能力的ARM-PLUS方式半桥型模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)。在传统半桥型MMC换流器拓扑的基础上，通过增加一组上下桥臂，即一个相单元(ARM-PLUS)并辅以适当的控制，即可实现对直流故障的清除。此外，在直流输出侧增加隔离开关，以配合ARM-PLUS，可清除永久性故障。由于故障过程中不必紧急封锁MMC换流器的脉冲，交流侧断路器也不必跳开，所以系统可快速恢复运行。本专利技术所提出的新型ARM-PLUS拓扑，原理清晰，实现方法简单，可显著提高直流故障处理与运行恢复速度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例为ARM-PLUS方式模块化多电平换流器拓扑图；图2本专利技术实施例半桥型MMC子模块工作状态图；图3为本专利技术实施例ARM-PLUS故障动作流程图；图4为本专利技术实施例为直流短路后电容放电回路示意图；图5为本专利技术实施例为直流短路后电感放电回路示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术的目的是提供一种半桥型模块化多电平换流器及直流故障清除方法实现对短路电流的控制，并提高故障处理与运行恢复速度。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。为了解决上述问题，本专利技术基于传统半桥型模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter,MMC)，提出了一种具备直流故障清除能力的改进拓扑与控制的换流器，称为ARM-PLUS方式半桥型模块化多电平MMC换流器。ARM-PLUS方式的半桥型MMC换流器，在传统半桥型MMC换流器的基础上，在原有换流器的三个相单元之后，增加了一个器件参数和结构与原换流器一致的一个相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流器包括：/n三相半桥型模块化多电平换流器MMC、相单元、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电感、第四电感、第一隔离开关以及第二隔离开关；所述MMC包括6个第一桥臂，每个所述第一桥臂包括N个子模块，N≥2；所述相单元包含上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括N个子模块，N≥2；/n所述相单元与所述MMC的输出端连接，所述第一电感的一端以及所述第二电感的一端均与所述相单元的输出端连接，所述第一电感的另一端与所述第一电容的一端以及所述第三电感的一端连接，所述第二电感的另一端与所述第二电容的一端以及所述第四电感的一端连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端连接，所述第三电感的另一端与所述第一隔离开关连接，所述第四电感的另一端与所述第二隔离开关连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器，其特征在于，所述换流器包括：
三相半桥型模块化多电平换流器MMC、相单元、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、第三电感、第四电感、第一隔离开关以及第二隔离开关；所述MMC包括6个第一桥臂，每个所述第一桥臂包括N个子模块，N≥2；所述相单元包含上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均包括N个子模块，N≥2；
所述相单元与所述MMC的输出端连接，所述第一电感的一端以及所述第二电感的一端均与所述相单元的输出端连接，所述第一电感的另一端与所述第一电容的一端以及所述第三电感的一端连接，所述第二电感的另一端与所述第二电容的一端以及所述第四电感的一端连接，所述第一电容的另一端和所述第二电容的另一端连接，所述第三电感的另一端与所述第一隔离开关连接，所述第四电感的另一端与所述第二隔离开关连接。


2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器，其特征在于，所述子模块包括：第一IGBT、第二IGBT、第一二极管、第二二极管以及第三电容；
所述第一IGBT的集电极与所述第一二极管的阴极和所述第三电容的一端连接，所述第一IGBT的发射极与所述第一二极管的阳极连接；
所述第二IGBT的集电极与所述第一IGBT的发射极以及所述第二二极管的阴极连接，所述第二IGBT的发射极与所述第二二极管的阳极以及所述第三电容的另一端连接。

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【专利技术属性】
技术研发人员：韩民晓，周光阳，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11