技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统输配电技术领域，具体地，涉及一种具备故障阻断能力的低损耗的模块化多电平换流器及其参数设计方法。
背景技术
[0002] 随着
可再生能源发电量的提升，
可再生能源并网成为了当下一个非常重要的研究方向。
[0003] 柔性直流输电技术为解决可再生能源并网提供了一种解决思路，具有较强的技术优势。其中利用模块化多电平换流器的柔性直流输电技术相比传统的两电平、三电平换流器具有更好的可维护性、拓展性，且不存在
开关管
串联均压、并联均流问题。模块化多电平换流器的每个子模块的结构相对简单，控制容易，且由于模块化易于拓展的特性使之特别适合与
高压直流输电领域。模块化多电平换流器输出的电平数可以通过调整桥臂
中子模块的数目进行调整，直流侧的
电压也可以通过调整每相子模块的数目进行控制，这样模块化多电平换流器构成的系统的电压等级和输出的谐波含量都可以得到有效的控制。
[0004] 传统的模块化多电平换流器采用半桥结构的子模块拓扑，而半桥子模块拓扑由于
下管的反并联
二极管不受控制脉冲控制，在直流侧发生
短路故障时会形成交流侧到直流故障点的续流回路，从而将短路故障传递到交流侧，对
电网稳定性造成影响。所以需要通过直流、交流
断路器或其他方式阻断
故障电流。然而，直流断路器目前暂无成熟的技术，且造价过于昂贵；交流断路器需要较长的响应时间，在交流断路器断开前需要换流
阀器件承受较大的电流
应力，极易造成器件的损坏。故需要一
种子模块拓扑，对这种子模块进行控制即可阻断直流侧故障。
[0005] 现有具有故障阻断能力的子模块拓扑普遍存在一个问题，即在换流器正常工作状态下每个子模块中会有一个额外开关器件位于正常的电流路径上，该器件处于常开状态。当出现故障时，该开关器件关断，从而使得电流从另一条路径流通，以实现故障电流阻断或限制的效果。该额外的开关器件将增加系统的导通损耗，从而造成资源的损失。
发明内容
[0006] 针对
现有技术的
缺陷，本发明的目的提供一种具备故障阻断能力的低损耗模块化多电平换流器及其参数设计方法，无需额外的开关器件即可实现直流侧短路的故障阻断。
[0007] 根据本发明的第一方面，提供一种具低损耗模块化多电平换流器，包括三个相单元，每一个单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同；上、下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂连接处外接三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出
端子与直流
母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与
直流母线负极相连；每个桥臂中，所述子模块由两个半桥结构、四个电容和两个
续流二极管组成，其中：
[0008] 所述半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块和第二开关模块，第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；所述第一开关模块的负极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二开关模块的负极与所述第三开关模块的正极相连，所述第三开关模块的负极与所述第四开关模块的正极相连；
[0009] 所述四个电容中，第一个电容的正极与所述第一开关模块的正极相连；所述第一个电容的负极与第二个电容的正极相连；所述第二个电容的负极与所述第二开关模块的负极相连；第三个电容的正极与所述第三开关模块的正极相连；所述第三个电容的负极与第四个电容的正极相连，所述第四个电容的负极与所述第四开关模块的负极相连；
[0010] 所述两个续流二极管中，第一个续流二极管的正极与所述第一个电容的负极相连，所述第一个续流二极管的负极与所述第四开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的正极与所述第二开关模块的正极相连，所述第二个续流二极管的负极与所述第三个电容的负极相连；
[0011] 所述第一开关模块的负极和所述第二开关模块的正极之间的
节点作为整个子模块的第一个输出端子；所述第三开关模块的负极和所述第四开关模块的正极之间的节点作为整个子模块的第二个输出端子。
[0012] 可选地，所述第一个输出端子连接第一个半桥结构的输出口和第二续流二极管的
阴极，所述第二个输出端子连接第二个半桥结构的输出口和第一续流二极管的
阳极。
[0013] 可选地，所述第一开关模块、所述第四开关模块均由一个
绝缘栅双极晶体管和一个二极管反并联组成。
[0014] 可选地，所述第二开关模块、所述第三开关模块均为逆阻型开关模块。进一步的，所述第二开关模块由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管组成；同样的，所述第三开关模块由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管组成。
[0015] 可选地，本发明上述的变流器，正常工作情况下，所述第二开关模块的负极接第一个输出端子的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管以及第三开关模块的正极接第二个输出端子的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管保持导通状态；所述两个续流二极管由于承受反压保持关断状态，不加入
电路，从而不产生导通损耗。
[0016] 可选地，本发明上述的变流器在直流输电系统中，当直流侧检测到双极短路故障，立即关断所有全控开关，所述全控开关包括所述第一开关模块、所述第四开关模块中的绝缘栅双极晶体管，以及所述第二开关模块、所述第三开关模块中的逆阻型绝缘栅双极晶体管；故障电流将从第二输出端子流入每个桥臂中的所述子模块拓扑后通过第二个续流二极管、第二个电容、第三个电容以及第一个续流二极管流出。
[0017] 可选地，本发明上述的变流器，当故障为直流永久性故障时：关断所有全控开关，待交流侧电流归零后断开交流断路器、直流侧开关，进行检修；故障修复后，闭合直流侧开关，交流侧进行重合闸，再开启第二、第四逆阻型绝缘栅双极晶体管，恢复第一、第二、第三、第四开关模块的正常工作状态。
[0018] 可选地，本发明上述的变流器，当故障为直流暂时性故障时：关断所有全控开关，等待直流侧电流归零，故障清除后等待一定时间后，开启第二、第四逆阻型绝缘栅双极晶体管，恢复第一、第二、第三、第四开关模块的正常工作状态，若无过流现象发生，则进行重合闸，重合闸成功后即代表故障已经清除；若出现过流，则重新关断所有全控开关；当出现三次以上过流之后，则认为发生的是永久性故障。
[0019] 根据本发明的第二方面，提供一种低损耗模块化多电平换流器的参数设计方法，包括：
[0020] 根据所述换流器的环流谐振关系式确定电容电感和桥臂子模块数量之间的限制关系；
[0021] 根据所选
半导体器件耐压，设计出每个桥臂的子模块数目，再根据系统容量和系统储能之间的关系，从而选择出每个子模块的电容大小；
[0022] 最后根据电容和桥臂子模块数确定系统电感感值。
[0023] 在正常工况下，采用串联半桥子模块结构，使得产生每单位电平时，电流只需流经一个开关器件，从而可以降低导通损耗；在直流侧故障工况下，利用逆阻型器件的性质阻断电流通路，并通过另外增添的续流回路，将故障电流引向子模块电容正极，从而利用子模块电容电
压实现故障阻断。同时，可以通过将子模块电容进行拆分，并将续流二极管连接至拆分点，从而降低部分开关管的电压应力。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0025] 本发明上述的低损耗模块化多电平换流器，采用不同于现有技术的每个桥臂中所述子模块拓扑结构，在正常状态下，该换流器的子模块拓扑与传统半桥子模块具有相同的导通元件数量，因而也具有相近的导通损耗。因此，无需依靠额外的开关器件，不会增加系统的导通损耗。
[0026] 本发明上述的低损耗模块化多电平换流器，通过控制每个桥臂中所述子模块的开关模块的状态，即能够实现直流故障情况下的故障隔离，隔离速度快。
[0027] 本发明上述的低损耗模块化多电平换流器，在故障时能保持每个桥臂中所述子模块的电容电压，恢复供电速度快。
[0028] 本发明上述的低损耗模块化多电平换流器，交流侧启动过程与传统半桥系统相似，控制简单。
附图说明
[0029] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0030] 图1为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器原理图；
[0031] 图2为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器的子模块拓扑结构；
[0032] 图3为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器子模块在直流故障下经开关管控制后的等效电路图；
[0033] 图4为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器的交流侧启动策略
流程图；
[0034] 图5是本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器子模块拓扑结构的演绎思路；
[0035] 图6为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器参数设计方法流程图。
具体实施方式
[0036] 下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这都属于本发明的保护范围。
[0037] 图1为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器原理图。
[0038] 参照图1所示，低损耗模块化多电平换流器包括三个相单元，每一个单元分上下桥臂，每个桥臂包括若干个串联的子模块，每相上、下桥臂串联的子模块数量相同；上、下桥臂分别串联限流电抗器，每相从上至下为：上桥臂所有子模块、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器、下桥臂所有子模块；且每相上下桥臂连接处外接三相交流电压，上桥臂最上面子模块拓扑的第一个输出端子与直流母线正极相连，下桥臂最下端子模块第二个输出端子与直流母线负极相连。
[0039] 图2为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器的子模块拓扑结构。
[0040] 参照图2所示，多电平直流直流变换器中每个桥臂的子模块由两个半桥结构、四个电容C1～C4和两个续流二极管D3～D4组成。
[0041] 两个半桥结构中，第一个半桥包括第一开关模块、第二开关模块；第一开关模块T1的负极与第二开关模块的正极相连。第二个半桥包括第三开关模块和第四开关模块；第三开关模块的负极与第四开关模块的正极相连；第三开关模块的正极与第二开关模块的负极相连。具体的，参照图2所示，第一开关模块由一个绝缘栅双极晶体管T1和一个二极管D1反并联组成；第四开关模块由一个绝缘栅双极晶体管T2和一个二极管D2反并联组成；第二开关模块为逆阻型开关模块，由第一逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1和与之反并联的第二逆阻型绝缘栅双极晶体管TR2组成，第三开关模块也为逆阻型开关模块，由第三逆阻型绝缘栅双极晶体管TR3和与之反并联的第四逆阻型绝缘栅双极晶体管TR4组成。
[0042] 四个电容中，第一个电容C1的正极与第一开关模块T1的正极相连；第一个电容C1的负极与第二个电容C2的正极相连；第二个电容C2的负极与第二开关模块的负极相连；第三个电容C3的正极与第三开关模块的正极相连；第三个电容C3的负极与第四个电容C4的正极相连；第四个电容C4的负极与第四开关模块的负极相连；第一个续流二极管正极D3与第一个电容C1的负极相连；第一个续流二极管D3的负极与第四开关模块正极相连；第二个续流二极管D4的正极与第二开关模块正极相连；第二个续流二极管D4负极与第三个电容C3的负极相连。
[0043] 上述实施例的多电平换流器子模块，第一开关模块的负极和第二开关模块正极之间的节点为第一个输出端子1；第三开关模块负极和第四开关模块正极之间的节点作为第二个输出端子2。其中第一个输出端子1连接一个半桥结构的输出口和第二续流二极管D4的阴极，第二个输出端子2连接另一个半桥结构的输出口和第一续流二极管D3的阳极。
[0044] 上述子模块在直流侧正常工况下，第二开关模块、第三开关模块中TR2和TR4管处于常通状态，等效于TR1和TR3的反并联二极管，整个模块等效于两个半桥模块串联，因此可输出0，VC，2VC三种电平。正常工况下，续流二极管D3和D4由于至少承受幅值为0.5VC的反向电压，处于关断状态，因此不会产生损耗。
[0045] 在正常工况下，该子模块产生3种电平时电流均只通过2个
半导体开关器件，与两个串联的半桥模块的在正常工作时，电流流过的开关器件数目相同。由已有器件的数据手册分析可以得出，该新提出的子模块具备低于所有现有具备故障阻断能力的子模块的导通损耗。
[0046] 参照图1、图2所示，图1是一种三相模块化多电平换流器结构，其中每个桥臂的每个子模块均由图2所示的子模块组成。该换流器无需依靠额外的开关器件，在具备故障阻断能力的同时，具有低损耗的特点，可实现直流侧短路的故障阻断。
[0047] 图3为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器子模块在直流故障下经开关管控制后的等效电路图。模块化多电平换流器在直流输电系统中，当直流侧检测到双极短路故障，立即关断所有全控开关，全控开关包括绝缘栅双极晶体管T1和T3，逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1～TR4，故障电流将从第二输出端子流入所述子模块拓扑后通过第二个续流二极管D4、第二个电容C2、第三个电容C3以及第一续流二极管D3流出。
[0048] 具体的，当直流侧发生故障后，封
锁所有可控开关之后，电流从第一个输出端子1流入时，该子模块等效于两个二极管和四个电容串联；当电流从第二个输出端子2流入时，该子模块相当于两个二极管和两个电容串联。
[0049] 当发生直流双极短路故障后，由于直流侧电压低于每个相单元中所有子模块电容电压的串联，故电流方向应为从第二个输出端子2流入。图3中标注出了该模块化多电平换流器系统的一条电流通路。故障电流的路径为D3->C1->C2->D4。设直流侧电压额定值为Vdc，系统调制比为m，第一续流二极管D3两端的电压为VD3，第二续流二极管D4两端的电压为VD4，各桥臂均有N个子模块，每个独立电容的电压为0.5VC，电网每相电压的峰值为Vgm。可以由模块化多电平换流器运行特点得出：
[0050] Vdc＝N·4·0.5VC＝2NVC
[0051]
[0052] 故障态时，取图3所示的电流路径，可得：
[0053]
[0054] VAB＝2N·2·0.5VC+2N·(VD3+VD4)
[0055] 由此可得：
[0056]
[0057] 而通常情况下有调制比m不大于1，故：
[0058] VD3+VD4＜0
[0059] 即两个续流二极管处于
反向偏置状态，电流会被阻断。
[0060] 另外，在直流输电系统中，当故障为直流永久性故障时，具体过程为：关断所有全控开关(全控开关包括绝缘栅双极晶体管T1和T3，逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1～TR4)；待交流侧电流归零后断开交流断路器、直流侧开关，进行检修。故障修复后，闭合直流侧开关，交流侧进行重合闸，再开启逆阻型绝缘栅双极晶体管TR2和TR4，恢复第一～第四开关模块的正常工作状态。
[0061] 当故障为直流暂时性故障时，具体过程为：关断所有全控开关(全控开关包括绝缘栅双极晶体管T1和T2，逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1～TR4)，等待直流侧电流归零，故障清除后等待一定时间后，开启逆阻型绝缘栅双极晶体管TR2和TR4，恢复第一～第四开关模块的正常工作状态，若无过流现象发生，则可进行重合闸，重合闸成功后即代表故障已经清除；若出现过流，则重新关断所有全控开关。当出现三次过流之后，则认为发生的是永久性故障。进行停电检修。
[0062] 图4为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器的交流侧启动策略流程图。由于每个子模块从第一个输出端子1和第二个输出端子2流入电流均可给子模块充电，且没有混杂其他类型子模块，故在可控整流阶段开始时无需分组充电，可直接按有功、无功给定为0的方式，将电压充至额定值。具体的，当模块化多电平换流器需要从交流侧启动时，启动策略与半桥结构基本相同，先进行不控整流。当多电平直流直流变换器中每个桥臂的子模块电压达到额定电容电压的30％之后，进入可控整流阶段，直至达到额定电容电压，再开始进行功率传输。进一步的，包含所述换流器的换流站，由于换流站的接线方式有多种，可能含有不止一个所述模块化多电平换流器，每个所述换流器交流侧启动方式都相同。
[0063] 图5是本发明的具备故障穿越能力的低损耗模块化多电平换流器子模块拓扑结构的设计思路。在多子模块系统中，由于开关
频率可以降到相对低的
水平，而导通损耗基本不随开关频率变化，故降低导通损耗有利于减小系统总损耗。已有模块中半桥子模块导通损耗最小，但不具备故障阻断能力。在保持低导通损耗的同时使其具备故障阻断能力即为设计思路的要点。具体的，将逆阻型绝缘栅双极晶体管引入子模块中，利用其导通压降低于常规绝缘栅双极晶体管与二极管的串联结构的特性，实现常态下较低的导通损耗。在正常工况下，采用串联半桥子模块结构，使得产生每单位电平时，电流只需流经一个开关器件，从而可以降低导通损耗；在直流侧故障工况下，利用逆阻型器件的性质阻断电流通路，并通过另外增添的续流回路D3->C1->C2->D4，将故障电流引向子模块电容C2及C3的正极，从而利用子模块电容电压实现故障阻断。同时，可以通过将子模块电容进行拆分，并将续流二极管连接至拆分点，从而降低部分开关管的电压应力。本实施例中，利用了逆阻型IGBT能阻断反向电压和电流的特点，将其运用于需要阻断续流二极管通路的场合，从而实现模块化多电平换流器的直流侧故障阻断；通过拆分电容，可以有效地减小故障时，模块中其余IGBT管上所需承受的电压，从而使得构建更高电压等级的模块成为可能。
[0064] 图6为本发明一实施例中低损耗模块化多电平换流器参数设计方法流程图。参照图6所知，首先，根据半桥模块化多电平换流器系统环流谐振关系式确定电容电感和桥臂子模块数量之间的限制关系。接着，根据所选半导体器件耐压，可以设计出每个桥臂的子模块数目，再根据系统容量和系统储能之间的关系，从而选择出每个子模块的电容大小。最后根据电容和桥臂子模块数确定系统电感感值。
[0065] 具体的，低损耗模块化多电平换流器的参数设计方法如下：
[0066] 首先确定模块化多电平换流器的直流侧电压等级Vdc，再根据准备使用的逆阻型绝缘栅双极晶体管器件的电压应力VIGBT，留出1倍或更多的裕量，从而可以得到桥臂子模块数N。假设留出一倍裕量，则可以选择逆阻型绝缘栅双极晶体管TR1、TR2、TR3、TR4的耐压为2VIGBT，绝缘栅双极晶体管T1、T2以及二极管D1、D2、D3、D4的耐压为3VIGBT。
[0067] 得到桥臂子模块数后，可以利用环流谐振的
角频率公式(m为调制比，k代表第k次环流)：
[0068]
[0069] 选取模块化多电平换流器中桥臂电感的感值L和子模块电容的容值C参数，从而使得二倍频环流不会引发谐振即可。由公式可知，环流次数越高，对应谐振频率越低，故只需保证二倍频环流不发生谐振即可保证所有环流均不会发生谐振。
[0070] 注意其中C参数视为C1、C2或C3、C4两个电容串联得到的等效电容容值，由于C1、C2、C3和C4从在选取时需要注意保证一样的容值，从而可以得到实际选取的电容容值为2C。
[0071] 由此可以得到：
[0072]
[0073] 根据实际系统，确定二倍频角频率即可得出电感电容值乘积的约束。
[0074] 电容值的选取可以按照换流器存储的总
能量Etotal和额定容量S之比决定。如给定为tES，则可以确定具体等效电容值C，关系如下：
[0075]
[0076] Etotal＝S·tES
[0077]
[0078]
选定等效电容值之后，即可根据一半的耐压，选取容值为2C的电容，再根据前述乘积约束选取电感。从而确定低损耗模块化多电平换流器的参数。
[0079] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
