一種模塊化多電平換流器和一種混合雙子模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器和一種混合雙子模塊，屬于電力系統(tǒng)柔性直 流輸配電、電力電子和用戶電力技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器（MMC)已經(jīng)成功地應(yīng)用在大功率換流器中，主要是應(yīng)用 在高壓直流（HVDC)輸電領(lǐng)域。與傳統(tǒng)兩、三電平電壓源換流器高壓直流輸電（Voltage Source Converter based HVDC，VSC-HVDC)相比而言，模塊化多電平換流器高壓直流輸電 (MMC-HVDC)有諸多優(yōu)點(diǎn)：交流側(cè)和直流側(cè)能夠進(jìn)行完全控制，直流母線無需安裝電容器， 電力電子設(shè)備在故障后具有冗余運(yùn)行能力，無需安裝交流濾波器等等。由于MMC的獨(dú)特優(yōu) 點(diǎn)，MMC-HVDC已成為未來HVDC領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
[0003] 直流短路故障是MMC-HVDC系統(tǒng)最為常見的一種故障，基于半橋式子模塊的MMC換 流器在直流雙極短路故障時(shí)無法通過閉鎖子模塊IGBT來切斷交流系統(tǒng)向直流短路點(diǎn)的饋 能回路，必須快速跳開交流斷路器或直流隔離開關(guān)以清除故障電流，這不僅增加了系統(tǒng)成 本，提高了對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求，同時(shí)也降低了系統(tǒng)投運(yùn)率，減慢了故障恢復(fù)速度。
[0004] 目前工程上大多采用制造難度大、成本高的直流電纜敷設(shè)線路以降低直流故障發(fā) 生率，但并不能從根本解決半橋式MMC換流器對(duì)直流故障的處理失效問題。鑒于此，通過換 流器自身控制實(shí)現(xiàn)故障電流自清除成為一種最經(jīng)濟(jì)有效的方法，也使得尋找具有直流故障 穿越能力的換流器拓?fù)涑蔀檠绣弛厔?shì)。
[0005] 目前具有穿直流故障穿越能力的MMC子模塊拓?fù)溆腥珮蜃幽K、鉗位雙子模塊 等，如圖1所示，圖1-1為半橋子模塊，圖1-2為全橋子模塊，圖1-3為鉗位雙子模塊。其 中，全橋子模塊式MMC除直流故障穿越能力外，還因子模塊負(fù)電壓特性能提高直流電壓利 用率，從而提升系統(tǒng)容量；鉗位雙子模塊式MMC則具有較全橋子模塊更少的器件數(shù)，經(jīng)濟(jì)性 更高，但子模塊不具備提升系統(tǒng)容量的能力。比如說，申請(qǐng)?zhí)枮?01410558336、發(fā)明名稱為 《具備直流故障穿越能力的混合子模塊式MMC換流器》的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種MMC換流 器，包括三相共6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂均由m個(gè)半橋式子模塊，n個(gè)全橋式子模塊以及1個(gè)鉗 位雙子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成。但是由于現(xiàn)有的三種子模塊均具有一定的局限性或者說是缺陷，所 以，非常有必要提出一種包含新型MMC子模塊的MMC換流器，使MMC換流器兼具器件少、容 量高與直流故障穿越功能等優(yōu)勢(shì)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種模塊化多電平換流器，用以解決現(xiàn)有的MMC換流器由于 子模塊具有的缺陷而不能同時(shí)兼具器件少、容量高與直流故障穿越功能等優(yōu)勢(shì)的問題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種模塊化多電平換流器，包括3相，每相由 上、下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，所述模塊化多電平換流器中的子模 塊中，至少一個(gè)子模塊為混合雙子模塊，所述混合雙子模塊包括4個(gè)功率模塊：Tl、T2、T3、 T4和2個(gè)電容：C1、C2,所述Tl的陽極連接所述T4的陽極，所述T2的陰極連接T3的陰極， 所述Tl的陰極連接所述T2的陽極，所述T4的陰極通過所述電容C2連接所述T3的陽極， 所述Tl和T4的連接點(diǎn)與所述T2和T3的連接點(diǎn)之間連接所述電容C1，所述Tl和T2的連 接點(diǎn)為所述混合雙子模塊的一個(gè)端口，所述C2和T4的連接點(diǎn)為所述混合雙子模塊的另一 個(gè)端口。
[0008] 所述功率模塊為IGBT模塊，所述功率模塊的陽極為IGBT模塊的集電極，所述功率 模塊的陰極為IGBT模塊的發(fā)射極。
[0009] 每個(gè)所述功率模塊均反向并聯(lián)一個(gè)二極管。
[0010] 一種混合雙子模塊，所述混合雙子模塊包括4個(gè)功率模塊：!1、12、13、14和2個(gè)電 容：CI、C2，所述T1的陽極連接所述T4的陽極，所述T2的陰極連接T3的陰極，所述T1的陰 極連接所述T2的陽極，所述T4的陰極通過所述電容C2連接所述T3的陽極，所述Tl和T4 的連接點(diǎn)與所述T2和T3的連接點(diǎn)之間連接所述電容C1，所述Tl和T2的連接點(diǎn)為所述混 合雙子模塊的一個(gè)端口，所述C2和T4的連接點(diǎn)為所述混合雙子模塊的另一個(gè)端口。
[0011] 所述功率模塊為IGBT模塊，所述功率模塊的陽極為IGBT模塊的集電極，所述功率 模塊的陰極為IGBT模塊的發(fā)射極。
[0012] 每個(gè)所述功率模塊均反向并聯(lián)一個(gè)二極管。
[0013] 本發(fā)明提供的新型混合雙子模塊由4個(gè)功率模塊和2個(gè)模塊電容構(gòu)成，該混合雙 子模塊具有兩種工作模式：正常運(yùn)行模式和閉鎖模式，在正常運(yùn)行模式下，該混合雙子模塊 能夠輸出4種電壓，分別為兩倍電容電壓、電容電壓、零電壓和負(fù)向電容電壓。由于一個(gè)該 混合雙子模塊能夠輸出兩倍的電容電壓，所以一個(gè)混合雙子模塊相當(dāng)于兩個(gè)半橋子模塊， 其能夠同時(shí)替代兩個(gè)半橋子模塊。而且，由于該混合雙子模塊能夠輸出負(fù)向的電壓，其具備 全橋子模塊的負(fù)電壓特性，所以該混合雙子模塊能夠提高直流電壓利用率，提升系統(tǒng)的容 量。
[0014] -個(gè)混合雙子模塊能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全橋子模塊和半橋子模塊的全部能夠，但是， 該混合雙子模塊只包含4個(gè)功率模塊和2個(gè)模塊電容，而一個(gè)全橋子模塊和一個(gè)半橋子模 塊中的元器件加一起為6個(gè)功率模塊和2個(gè)模塊電容，所以，混合雙子模塊以較少的器件實(shí) 現(xiàn)了相同的功能，節(jié)約了成本。
[0015] 所以，基于該混合雙子模塊的MMC兼具器件少、容量高與直流故障穿越功能等優(yōu) 勢(shì)。
[0016] 混合雙子模塊內(nèi)部的兩個(gè)電容器，可以根據(jù)需要合理配置這兩個(gè)電容電壓為不同 值。該方式下，能夠有效擴(kuò)展MMC的應(yīng)用范圍，例如合理配置子模塊中的兩個(gè)電容電壓以實(shí) 現(xiàn)該MMC提高調(diào)制度的同時(shí)具備STATCOM運(yùn)行故障穿越能力。
[0017] 還有就是，MMC中的子模塊可以全部是本發(fā)明提供的混合雙子模塊，還可以是以 下情況:MMC中的橋臂由混合雙子模塊與其他一種或者幾種現(xiàn)有子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，那么，該 MMC為混合式MMC換流器。該混合式MMC換流器按照實(shí)際情況進(jìn)行拓展時(shí)具有廣泛的應(yīng)用， 如提高調(diào)制度的同時(shí)具備STATCOM運(yùn)行故障穿越能力、節(jié)約系統(tǒng)硬件成本等。
【附圖說明】
[0018] 圖1-1是現(xiàn)有半橋MMC子模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖1-2是現(xiàn)有全橋MMC子模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖1-3是現(xiàn)有鉗位雙子模塊的結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖2是本發(fā)明提供的混合雙子模塊及其組成的MMC的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3是混合雙子模塊的近似構(gòu)成連接圖；
[0023] 圖4-1是混合子模塊正常工作模式下的第一種工作狀態(tài)示意圖；
[0024] 圖4-2是混合子模塊正常工作模式下的第二種工作狀態(tài)示意圖；
[0025] 圖4-3是混合子模塊正常工作模式下的第三種工作狀態(tài)示意圖；
[0026] 圖4-4是混合子模塊正常工作模式下的第四種工作狀態(tài)示意圖；
[0027] 圖5-1是混合子模塊閉鎖模式下的其中一種工作狀態(tài)不意圖；
[0028] 圖5-2是混合子模塊閉鎖模式下的另一種工作狀態(tài)示意圖；
[0029] 圖6是換流器直流故障時(shí)的閉鎖原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0031] 模塊化多電平換流器實(shí)施例
[0032] 如圖2所示的模塊化多電平換流器，包括3相，每相由上、下兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋 臂由n個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，在該模塊化多電平換流器中的子模塊中，至少一個(gè)子模塊為混 合雙子模塊，該混合雙子模塊包括4個(gè)IGBT模塊：Tl、T2、T3、T4和2個(gè)電容：C1、C2, Tl的 集電極連接T4的集電極，T2的發(fā)射極連接T3的發(fā)射極，Tl的發(fā)射極連接T2的集電極，T4 的發(fā)射極通過電容C2連接T3的集電極，Tl和T4的連接點(diǎn)與T2和T3的連接點(diǎn)之間連接 電容Cl，Tl和T2的連接點(diǎn)為該混合雙子模塊的一個(gè)端口，C2和T4的連接點(diǎn)為該混合雙子 模塊的另一個(gè)端口。混合雙子模塊內(nèi)所有的IGBT (T1、T2、T3、T4)均反并聯(lián)了續(xù)流二極管， Tl、T2、T3、T4的基極分別接受外部設(shè)備提供的控制信號(hào)。
[0033] 如圖3所示，該混合雙子模塊可近似認(rèn)為由兩個(gè)半橋子模塊組合而成，將第二個(gè) 半橋子模塊的正端口（即兩個(gè)IGBT連接點(diǎn)）斷開為兩個(gè)端口（上管端口和下管端口），交 叉連接于第一個(gè)半橋子模塊中的電容Cl的兩端（即上管端口連接于電容Cl的負(fù)端，下管 端口連接于電容Cl的正端）。
[0034] 混合雙子模塊有兩種工作模式，正常運(yùn)行模式和閉鎖模式。在正常運(yùn)行模式下，Tl 和T2之間最多只能有一個(gè)IGBT導(dǎo)通，為了防止電容Cl短路，Tl和T2均不能同時(shí)導(dǎo)通；T3 和T4之間最多只能有一個(gè)IGBT導(dǎo)通。
[0035] 混合雙子模塊在正常工作模式下，有4種工作狀態(tài)，正常運(yùn)行模式下的4種運(yùn)行狀 態(tài)如圖4-1至4-4所示，（1)為當(dāng)T1、T3導(dǎo)通時(shí)的電流流向，（2)為當(dāng)T1、T4導(dǎo)通時(shí)的電流 流向，（3)為當(dāng)T2、T3導(dǎo)通時(shí)的電流流向，（4)為當(dāng)T2、T4導(dǎo)通時(shí)的電流流向。如表1所示， 當(dāng)Tl、T3導(dǎo)通時(shí)，端口輸出電壓為兩個(gè)電容電壓和；當(dāng)Tl、T4導(dǎo)通時(shí)，端口輸出