一种移位全桥模块化多电平换流器制造技术

本发明专利技术提供了一种移位全桥模块化多电平换流器MMC，由两个全桥子模块FBSM通过移位方式相互连接构成，包括6个带反并联二极管IGBT开关管、两个电容器、1个二极管。本发明专利技术的位全桥模块化多电平换流器MMC具有使用器件少、控制简单的优点，在正常和故障情况下均能实现模块电容电压的均衡，正常情况下可减少一半测量装置，故障情况下能快速清除故障电流，从而有利于系统重启。

【技术实现步骤摘要】
一种移位全桥模块化多电平换流器
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种移位全桥模块化多电平换流器MMC,具有直流故障清除和自均压能力。
技术介绍
模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)因其无换相失败、谐波含量少、控制灵活等特点，已经成为直流输电研究和应用的热点。然而，模块化设计使得各个模块之间相互独立，导致模块电压不均衡，进而引起桥臂电压的不均衡，带来环流问题。此外，基于架空线路的直流输电系统常发生短路故障，但是直流线路阻抗小，故障电流大，如何使MMC-HVDC具备直流故障穿越能力，是当前亟待解决的问题。现阶段针对MMC直流故障问题主要有三种解决方案：交流断路器、直流断路器和改进换流器拓扑。断开交流断路器能够清除直流故障电流，但交流断路器一旦断开，需要耗费较长时间进行系统重启。采用直流断路器可快速清除直流故障，但由于技术和成本原因，成熟实用的直流断路器仍处于研制之中。因此，对MMC子模块拓扑进行研究、使MMC具备直流故障穿越能力，是清除MMC直流故障最有效的手段。国内外研究表明，基于新型子模块的MMC拓扑是实现直流故障穿越的可行方案。这类拓扑可以在故障时提供反向电压，快速清除故障电流，从而防止功率器件过流。此外，在IGBT闭锁后，子模块电容电压将保持一个接近稳态运行的恒定值，有利于系统恢复。利用新型拓扑实现故障穿越的方式主要有两种：(1)模块闭锁后，故障电流通路中有反向串联二极管。由于二极管的单一导电性，故障电流被阻断，从而实现故障穿越。在此基础上，有学者提出两类改进半桥型子模块拓扑，在直流侧发生短路故障后闭锁子模块中的IGBT，利用二极管的单向导通性阻断故障电流通路，从而阻止子模块电容向故障点放电，但此方法不能清除故障发生后、IGBT闭锁前已产生的故障电流。(2)模块闭锁后，故障电流通路存在反向接入的电容。以全桥子模块为代表，包括钳位双子模块、串联双子模块等，此类子模块具有负电平输出能力，在闭锁后，电容器处于负输入状态，可为故障电流路径提供反向电动势，从而清除故障电流，实现故障穿越。虽然全桥子模块可以通过反向电压钳位的方式切断任何方向的桥臂电流，但会额外增加半导体器件和运行损耗，进而增加投资成本。子模块电容是实现交直流能量传递的基础，保持其电压均衡是系统稳定运行的必要条件。目前常用的均压方法主要通过两种方式实现：(1)通过控制算法实现。目前已有的子模块电容电压优化排序算法可分为A型(降复杂度均压排序算法)、B型(降频均压排序算法)和AB型(双降均压排序算法)三类，但在高压情况下，子模块数量很多，排序算法仍有较大计算量且对实时采样数据的准确性要求较高。(2)通过拓扑结构实现。已有学者提出了开关管分列运行的并联全桥子模块(paralleledfullbridgesub-module，P-FBSM)拓扑，该拓扑可通过开关管切换实现子模块并联自动均压，无需测量子模块电容即可实现排序，提升了子模块电容均衡度，但所用IGBT数量会显著增加。基于以上分析可知，清除MMC直流故障电流、提高MMC子模块电容电压均衡程度都可以通过改进子模块拓扑实现，但已提出的改进子模块拓扑大多只能实现其中一种功能，因此，研究一种兼具故障电流清除能力和电容电压自均衡能力的新型子模块拓扑具有重要意义。专利技术目的本专利技术的目的是提出一种移位全桥模块化多电平换流器，具有使用器件少、控制简单的优点，在正常和故障情况下均能实现模块电容电压的均衡，正常情况下可减少一半测量装置，故障情况下能快速清除故障电流，从而有利于系统重启。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种移位全桥模块化多电平换流器，其由两个全桥子模块FBSM1、FBSM2通过移位方式相互连接而构成；所述FBSM1包括3个带反并联二极管IGBT开关管S1、S2、S3，1个二极管D1以及1个电容器C1，其中S1的集电极与S2的集电极连接，S2的发射极与S3的集电极连接，S3的发射极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与S1的发射极相连接，电容器C1跨接在S1的集电极和二极管D1的正极之间；所述FBSM2包括3个带反并联二极管IGBT开关管S4、S5、S6，以及1个电容器C2，其中S4的集电极与S3的发射极连接，S4的发射极与S6的集发射极连接，S6的集电极与S5的发射极相连接，S5的集电极与S2的发射极相连接，电容器C2跨接在S3的集电极和S4的发射极之间。进一步地，所述移位全桥模块化多电平换流器包括正极端子“+”和负极端子“-”，所述正极端子“+”从S1的发射极和二极管D1的负极引出，所述负极端子“-”从S5的发射极和S6的集电极引出。进一步地，本专利技术所述的移位全桥模块化多电平换流器，在正常工作情况下，具有5种工作模式：(1)模式1：开关管S1、S2、S5，电容C1、C2均被旁路，输出0电平；(2)模式2：开关管S1、S3、S5开通，电容C1单独投入，C2被旁路，输出1电平；(3)模式3：开关管S1、S2、S6开通，电容C2单独投入，C1被旁路，输出1电平；(4)模式4：开关管S1、S2、S4、S6开通，电容C1和C2并联投入，模块内部自均压，输出1电平；(5)模式5：开关管S1、S2、S6开通，电容C1和C2串联投入，模块输出2电平；在模式1、模式4和模式5中，电容C1和C2处于相同的投切状态，可以实现所述移位全桥模块化多电平换流器MMC内部电压的自动均衡。更进一步地，在启动过程中，电容器C1、C2被充电到相同的电压水平。再进一步地，当故障发生时，IGBT开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6均闭锁，电容C1和C2经过二极管D1并联，共同清除故障电流；电容C1、C2的变化过程相同，仍能保持均压效果，并且能够在故障切除后实现系统快速重启。附图说明图1本专利技术所述移位全桥MMC的移位构成过程示意图。图2是本专利技术所述移位全桥MMC的电路拓扑图。图3是几种不同类型子模块所构成的MMC的电容电压对比图图4是本专利技术所述移位全桥MMC的直流侧电流变化图。图5是本专利技术所述移位全桥MMC在不同工作模式下的电流通路示意图。具体实施方式以下结合附图详细说明本专利技术的移位全桥模块化多电平换流器(MMC)。图1是本专利技术所述移位全桥模块化多电平换流器的移位构成过程的示意图。选择两个全桥子模块(fullbridgesub-module，FBSM)通过移位方式连接起来，这两个FBSM分别表示为FBSM1、FBSM2。每个FBSM由4个带反并联二极管的IGBT(后简称为开关管)和一个电容组成，4个输出端口分别标记为“+”、“-”、“a”、“b”，其中“+”、“-”为FBSM原有输出端口，“a”、“b”分别为电容的正、负极接入点。连接FBSM1的“-”端和FBSM2的“a”端，连接FBSM1的“b”端和FBSM2的“+”端，将FBSM1的开关管S2替换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，由两个全桥子模块FBSM1、FBSM2通过移位方式相互连接而构成；/n所述FBSM1包括3个带反并联二极管的IGBT开关管S1、S2、S3，1个二极管D1以及1个电容器C1，其中，S1的集电极与S2的集电极连接，S2的发射极与S3的集电极连接，S3的发射极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与S1的发射极相连接，电容器C1跨接在S1的集电极和二极管D1的正极之间；/n所述FBSM2包括3个带反并联二极管的IGBT开关管S4、S5、S6，以及1个电容器C2，其中S4的集电极与S3的发射极连接，S4的发射极与S6的集发射极连接，S6的集电极与S5的发射极相连接，S5的集电极与S2的发射极相连接，电容器C2跨接在S3的集电极和S4的发射极之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，由两个全桥子模块FBSM1、FBSM2通过移位方式相互连接而构成；
所述FBSM1包括3个带反并联二极管的IGBT开关管S1、S2、S3，1个二极管D1以及1个电容器C1，其中，S1的集电极与S2的集电极连接，S2的发射极与S3的集电极连接，S3的发射极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与S1的发射极相连接，电容器C1跨接在S1的集电极和二极管D1的正极之间；
所述FBSM2包括3个带反并联二极管的IGBT开关管S4、S5、S6，以及1个电容器C2，其中S4的集电极与S3的发射极连接，S4的发射极与S6的集发射极连接，S6的集电极与S5的发射极相连接，S5的集电极与S2的发射极相连接，电容器C2跨接在S3的集电极和S4的发射极之间。


2.如权利要求1所述的一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，包括正极端子“+”和负极端子“-”，所述正极端子“+”从S1的发射极和二极管D1的负极引出，所述负极端子“-”从S5的发射极和S6的集电极引出。


3.如权利要求2所述的一种移位全桥模块化多电平换流器，其特征在于，在正常工作情况下，具...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅，谭开东，王琛，陶建业，魏晓光，王新颖，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，全球能源互联网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13