一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的制作方法

本發明屬于電力電子技術和電力輸配電領域，特別涉及一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器。

背景技術：

在柔性高壓直流輸電領域，模塊化多電平變流器(MMC)自提出至今，已成為最有應用前景的變流器拓撲之一。模塊化多電平變流器具有可模塊化設計、開關頻率低、損耗小、降低變壓器數量、減少濾波器體積等優點。在直流側將兩個單極MMC串聯后得到的雙極MMC具有直流側接地極，更高的母線電壓等級和更高的傳輸容量等優點，因此是遠程直流輸電的更佳選擇。盡管優勢明顯，但是對采用架空線路的基于雙極MMC的柔性直流輸電系統而言，其穿越直流故障的能力較差。雙極MMC若發生單極對地故障就會導致連接故障極的單極MMC發生雙極短路故障，而且傳統的單極MMC的子模塊常采用半橋子模塊拓撲，缺少穿越雙極短路故障的能力。這種類型的直流短路故障會導致橋臂電流和直流故障電流的迅速增加，進而導致電力電子設備的損壞。

若要穿越直流故障，就要求MMC能夠快速清除直流故障電流，從而在發生非永久性直流故障時，盡快使直流線路恢復絕緣，功率傳輸重新啟動；同時應能夠為所連接的交流電網提供一定的無功支撐，以實現直流故障的穿越。可以通過采用增強型子模塊，如全橋子模塊、箝位雙子模塊、箝位單子模塊等代替半橋子模塊。這些增強型子模塊在發生直流故障時可以閉鎖橋臂電流，并快速清除直流故障電流，但是這些子模塊需要采用比半橋子模塊更多的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，因此可通過將增強型子模塊與半橋子模塊混合構成MMC，從而減少變流器損耗和成本。目前，在已有技術公開的混合式MMC方案中，J.Qin,M.Saeedifard,A.Rockhill,and R.Zhou("Hybrid Design of Modular Multilevel Converters for HVDC Systems Based on Various Submodule Circuits,"IEEE Trans.Power Del,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015)提出的基于箝位單子模塊的混合子模塊式MMC是最具經濟性的一種拓撲，但是這種拓撲雖然可以清除直流故障電流，卻無法在直流故障中為交流系統提供無功支撐；R.Zeng,L.Xu,L.Yao,and D.J.Morrow("Precharging and DC Fault Ride-Through of Hybrid MMC-Based HVDC Systems,"IEEE Trans.Power Del.,vol.30,no.3,pp.1298-1306,Jun.2015)和A.Nami,J.Liang,F.Dijkhuizen,and P.Lundberg("Analysis of modular multilevel converters with DC short circuit fault blocking capability in bipolar HVDC transmission systems,"in Proc.ECCE-Europe 2015,Geneva,Switzerland,Sept.2015,pp.1-10,8-10)提出的基于全橋子模塊的混合子模塊式MMC可以在直流故障中為交流電網提供無功支撐，但變流器所需要的IGBT數量過多，經濟性較差。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器，能夠在清除直流故障電流的同時，為交流電網提供無功支撐，并且能夠在較低成本的前提下穿越直流故障。

本發明提出的一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器，其特征在于，包括均由三相構成的正極模塊化多電平變流器和負極模塊化多電平變流器，以及兩個變壓器；其中，正極模塊化多電平變流器的正極直流端作為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的正極直流母線，正極模塊化多電平變流器的負極直流端與負極模塊化多電平變流器的正極端相連，作為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的地極直流母線，負極模塊化多電平變流器的負極直流端作為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的負極直流母線；正極模塊化多電平變流器的三相交流側出線端與第一變壓器(TR1)的副邊三相出線端相連，第一變壓器的原邊三相出線端與外部的交流電網三相相連；負極模塊化多電平變流器的三相交流側出線端與第二變壓器(TR2)的副邊三相出線端相連，第二變壓器的原邊三相出線端與外部的交流電網三相相連；

所述構成正極模塊化多電平變流器的三相結構相同，每相均由箝位子模塊型橋臂和半橋子模塊型橋臂兩個不同的橋臂構成；在每相中，箝位子模塊型橋臂的正極端作為該相直流側正極端，半橋子模塊型橋臂的負極端作為該相直流側負極端，箝位子模塊型橋臂的負極端與半橋子模塊型橋臂的正極端相連，作為每相交流側出線端；三相直流側正極端相連，作為正極模塊化多電平變流器的正極直流端；三相直流側負極端相連，作為正極模塊化多電平變流器的負極直流端；

所述構成負極模塊化多電平變流器的三相結構相同，每相均由箝位子模塊型橋臂和半橋子模塊型橋臂兩個不同的橋臂構成；在每相中，箝位子模塊型橋臂的負極端作為該相直流側負極端，半橋子模塊型橋臂的正極端作為該相直流側正極端，箝位子模塊型橋臂的正極端與半橋子模塊型橋臂的負極端相連，作為每相交流側出線端；三相直流側正極端相連，作為負極模塊化多電平變流器的正極直流端；三相直流側負極端相連，作為負極模塊化多電平變流器的負極直流端。

本發明提出的一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器，其特點及有益效果在于：

與已有技術采用半橋子模塊結構的雙極MMC相比，本發明提出的一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器能夠在發生直流故障時迅速清除直流故障電流，保護系統電力電子設備，并能為交流電網提供無功支撐，維持交流電網電壓穩定；與基于箝位單子模塊的混合子模塊式MMC相比，本發明提出的變流器能夠在不增加器件成本的前提下，為交流電網提供一定的無功支撐；與基于全橋子模塊的混合子模塊式MMC相比，本發明提出的變流器能夠降低IGBT數量，降低成本。因此，本發明所提出的多電平變流器為采用架空線的MMC遠距離直流輸電工程提供了成本較低且性能較好的解決方案。

附圖說明

圖1是本發明提出的橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器結構圖。

圖2是本發明提出的橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器中橋臂電路結構圖；其中圖2(a)是箝位子模塊型橋臂電路結構圖，圖2(b)是半橋子模塊型橋臂電路結構圖。

圖3是本發明提出的橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器中的箝位子模塊結構圖；其中圖3(a)是兩電平箝位子模塊結構圖，圖3(b)是三電平箝位子模塊結構圖；圖3(c)是半橋子模塊結構圖。

圖4是本發明提出的橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器在直流側短路故障前后正極、負極MMC發出有功、無功的波形以及直流側電壓、電流波形圖。

具體實施方式

本發明提出的一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器，下面結合附圖和具體實施例進一步說明如下。

本發明提出的一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器總體結構如圖1所示。該橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器包括均由三相構成的正極模塊化多電平變流器PMMC和負極模塊化多電平變流器NMMC，變壓器TR1和變壓器TR2；其中PMMC的正極直流端P+作為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的正極直流母線DC+；PMMC的負極直流端P-與NMMC的正極端N+相連，作為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的地極直流母線DC0；NMMC的負極直流端N-作為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的負極直流母線DC-；PMMC的三相交流側出線端與TR1的副邊三相出線端相連，TR1的原邊三相出線端與外部的交流電網三相相連；NMMC的三相交流側出線端與TR2的副邊三相出線端相連，TR2的原邊三相出線端與外部的交流電網三相相連；

所述PMMC由結構相同的a,b,c三相組成，每相均由箝位子模塊型橋臂和半橋子模塊型橋臂兩個不同的橋臂構成。在x(x＝a,b,c)相中，箝位子模塊型橋臂的正極端U+作為該相直流側正極端Px+；半橋子模塊型橋臂的負極端H-作為該相直流側負極端Px-；箝位子模塊型橋臂的負極端U-與半橋子模塊型橋臂的正極端H+相連，作為該相交流側出線端；a,b,c三相的直流側正極端相連，作為PMMC的正極直流端P+；a,b,c三相的直流側負極端相連，作為PMMC的負極直流端P-；

所述NMMC由結構相同的a,b,c三相組成，每相均由箝位子模塊型橋臂和半橋子模塊型橋臂兩個不同的橋臂構成。在x(x＝a,b,c)相中，箝位子模塊型橋臂的負極端U-作為該相直流側負極端Nx-；半橋子模塊型橋臂的正極端H+作為該相直流側正極端Nx+；箝位子模塊型橋臂的正極端U+與半橋子模塊型橋臂的負極端H-相連，作為該相交流側出線端；a,b,c三相的直流側正極端相連，作為NMMC的正極直流端N+；a,b,c三相的直流側負極端相連，作為NMMC的負極直流端N-。

所述箝位子模塊型橋臂的結構如圖2(a)所示，由N個箝位子模塊和一臺電抗器串聯構成，其中第一個箝位子模塊的正極端作為箝位子模塊型橋臂的正極端U+，第K(K＝1,2,…,N-1)個箝位子模塊的負極端與第K+1(K＝1,2,…,N-1)個箝位子模塊的正極端相連，第N個箝位子模塊的負極端與電抗器的一端相連，電抗器的另一端作為箝位子模塊型橋臂的負極端U-。構成該橋臂的箝位子模塊個數N大于等于U_m/(2U_cm)，其中U_m為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器交流側線電壓峰值，U_cm為箝位子模塊的額定電壓。

所述半橋子模塊型橋臂的結構如圖2(b)所示，由M個半橋子模塊和一臺電抗器串聯構成，其中第一個半橋子模塊的正極端作為半橋子模塊型橋臂的正極端H+，第L(L＝1,2,…,M-1)個半橋子模塊的負極端與第L+1(L＝1,2,…,M-1)個半橋子模塊的正極端相連，第N個半橋子模塊的負極端與電抗器的一端相連，電抗器的另一端作為半橋子模塊型橋臂的負極端H-。橋臂中半橋子模塊個數M大于等于U_m/(2U_ch)，其中U_m為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器交流側線電壓峰值，U_ch為半橋子模塊電容器的額定電壓。

本發明的箝位子模塊可采用兩電平箝位子模塊，其電路結構如圖3(a)所示，兩電平箝位子模塊包括直流電容器C₀、第一全控開關器件T₁、第二全控開關器件T₂、第三全控開關器件T₃、第一續流二極管D₁、第二續流二極管D₂、第三續流二極管D₃和箝位二極管D₄；T₁的集電極、T₂的集電極、T₃的集電極分別與D₁的陰極、D₂的陰極、D₃的陰極相連；T₁的發射極、T₂的發射極、T₃的發射極分別與D₁的陽極、D₂的陽極、D₃的陽極相連；T₁的集電極同時與D₄的陰極和C₀的正極端相連；T₁的發射極和T₂的集電極相連，作為兩電平箝位子模塊的正極端；T₂的發射極同時與T₃的發射極和C₀的負極端相連；T₃的集電極和D₄的陽極相連，作為兩電平箝位子模塊的負極端。兩電平箝位子模塊的額定電壓為C₀的額定電壓。

本發明的箝位子模塊也可采用三電平箝位子模塊，其電路結構如圖3(b)所示，三電平箝位子模塊包括第一直流電容器C₁、第二直流電容器C₂、第一可控開關器件T₁、第二可控開關器件T₂、第三可控開關器件T₃、第四可控開關器件T₄、第五可控開關器件T₅、第六可控開關器件T₆、第一續流二極管D₁、第二續流二極管D₂、第三續流二極管D₃、第四續流二極管D₄、第五續流二極管D₅、第六續流二極管D₆、第一箝位二極管D_c1、第二箝位二極管D_c2；T1、T2、T3、T4、T5、T6的集電極分別與D1、D2、D3、D4、D5、D6的陰極相連，T1、T2、T3、T4、T5、T6的發射極分別與D1、D2、D3、D4、D5、D6的陽極相連，T1的集電極同時與D_c1的陰極和C₁的正極端相連，T₁的發射極與T₂的集電極相連，作為三電平箝位子模塊的正極端；T₂的發射極同時與T₃的發射極和C₁的負極相連，T3的集電極同時與D_c1的陽極、T₄的發射極和D_c2的陰極相連，T₆的集電極同時與T₄的集電極和C₂的正極相連，T₅的發射極同時與D_c2的陽極和C₂的負極相連，T₅的集電極與T₆的發射極相連，作為三電平箝位子模塊的負極端。三電平箝位子模塊的額定電壓為C₁和C₂的額定電壓之和。

本發明的半橋子模塊的電路結構如圖3(c)所示，包括直流電容器C、第一全控開關器件T₁、第二全控開關器件T₂、第一續流二極管D₁和第二續流二極管D₂；T₁的發射極與D₁的陽極相連，T₁的集電極同時與D₁的陰極和C的正極端相連，T₂的集電極與D₂的陰極相連，T₂的發射極同時與D₂的陽極和C的負極端相連作為半橋子模塊的負極端，T₁的發射極與T₂的集電極相連作為半橋子模塊的正極端。半橋子模塊的額定電壓為C的額定電壓。

本發明的變壓器TR1和TR2均采用三相變壓器，原邊與交流電網三相相連，副邊分別與PMMC和NMMC相連；TR1和TR2可均采用Y-Δ連接形式，也可均采用Y-Y連接形式；變壓器變比為U_ac:U_mmc,其中U_ac為交流電網線電壓有效值，U_mmc為橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器交流側線電壓有效值。

所述兩電平箝位子模塊存在投入、旁路、閉鎖三種工作狀態。其中投入狀態是指T₁、T₃導通，T₂關斷；旁路狀態是指T₁關斷，T₂和T₃導通；閉鎖狀態是指可控開關器件全部關斷。

所述三電平箝位子模塊存在兩電平投入、C₁投入、C₂投入、旁路、閉鎖五種工作狀態。其中兩電平投入狀態是指T₁、T₃、T₄、T₅導通，T₂、T₆關斷；C₁投入狀態是指T₁、T₃、T₄、T₆導通，T₂、T₅關斷；C₂投入狀態是指T₂、T₃、T₄、T₅導通，T₁、T₆關斷；旁路狀態是指T₂、T₃、T₄、T₆導通，T₁、T₅關斷；閉鎖狀態是指全部可控開關器件全部關斷。

半橋子模塊存在投入、旁路、閉鎖三種工作狀態，其中投入狀態是指T₁導通，T₂關斷；旁路狀態是指T₁關斷，T₂導通；閉鎖狀態是指T₁和T₂全部關斷。

PMMC和NMMC均具有正常工作模式和故障工作模式兩種模式。在正常工作模式下，PMMC或NMMC中的各橋臂子模塊狀態由調制策略和子模塊均壓策略確定，其中調制策略可以采用包括但不限于最近電平逼近的方法，子模塊均壓策略可以采用包括但不限于電容電壓排序的方法；在故障模式下，PMMC或NMMC中的箝位子模塊的投入狀態均為閉鎖狀態，而半橋子模塊的投入狀態由調制策略和子模塊均壓策略確定，其中調制策略可以采用包括但不限于最近電平逼近的方法，子模塊均壓策略可以采用包括但不限于電容電壓排序的方法。在故障模式下，箝位子模塊型橋臂通過閉鎖箝位子模塊以實現對直流故障電流的清除，而半橋子模塊型橋臂則可控制注入交流電網的無功電流，為交流電網提供無功支撐。

本發明的一種橋臂混合式雙極性模塊化多電平變流器的具體實施例說明如下：

本實施例中的箝位子模塊采用如圖3(a)所示的兩電平箝位子模塊，半橋子模塊采用如圖3(c)所示的半橋子模塊；本實施例中各器件的相關參數詳見下表。

在本實施例中，在t＝0.4s前變流器正常工作，傳輸10MW有功，發出0MVar無功，在t＝0.4s時發生直流側雙極短路故障，變流器在檢測到故障電流后切換到故障工作模式，兩個單極變流器切換至無功補償模式，分別為交流系統提供5MVar無功支撐。圖4是直流側短路故障前后正極、負極MMC發出有功、無功的波形以及直流側電壓、電流波形圖可見在本發明所提出的多電平變流器能夠在直流側雙極短路故障后可以實現直流故障穿越，并提供無功補償。