[发明专利]一种模块化多电平换流器子单元拓扑

说明书

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器子单元拓扑。

背景技术

基于电压源变换的直流输电，由于其独特的优势在清洁新能源并网、城市输配电增容改造、海上孤立负荷送电等领域具有广阔的应用前景。基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)由于采用半桥子模块级联的形式，具有对器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点，已成为当前换流器选择的主流趋势。然而这种结构存在无法有效处理直流故障的固有缺陷。当直流侧发生故障时，全控型开关器件所反并联的续流二极管容易构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路，无法单纯依靠换流器动作完成直流侧故障电流的清除。目前已投运的VSC-HVDC工程大多采用电缆敷设线路，以减少直流故障发生概率，但造价昂贵、经济效益差。

利用换流器自身控制实现直流侧故障的自清除，无需机械设备动作，故系统恢复很快，该思想事实上已广泛应用在传统直流输电技术中，即通过强制移相快速消除弧道电流。寻找具有直流故障穿越能力的新型换流器是目前学术界和工业界的研究热点。2010年ALSTOM公司在国际大电网会议上提出了多种结合传统两电平换流器和MMC结构特点的混合式换流器，其中桥臂交替导通多电平换流器和混合级联多电平换流器均具有直流故障穿越能力。但是控制较为复杂，子单元电容电压均衡较为困难。采用全桥子模块(full bridge sub-module，FBSM)虽然也具有直流闭锁能力，但是正常运行时损耗较大，且换流站成本显著增加。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提出一种新的模块化多电平换流器子单元拓扑。本发明可使整个换流站在具备直流侧故障处理能力的同时，正常运行时尽可能降低损耗，并且可以降低换流站建造成本。

本发明模块化多电平换流器子单元由第一电容组、第二电容组、五个全控型半导体器件，以及二极管组合电路组成。其连接方式如下：

第一电容组的正极与第一全控型半导体器件的集电极连接。第一全控型半导体器件的发射极与第二全控型半导体器件的集电极连接，作为模块化多电平换流器子单元拓扑的第一引出端子。第二全控型半导体器件的发射极与第五全控型半导体器件的发射极连接，然后与第一电容组的负极连接。第五全控型半导体器件的集电极与第二电容组的正极连接，然后与第三全控型半导体器件的集电极连接。第三全控型半导体器件的发射极与第四全控型半导体器件的集电极连接作为模块化多电平换流器子单元拓扑的第二引出端子。第四全控型半导体器件的发射极与第二电容组的负极连接。

二极管组合电路的第一引出端子与第一电容组的正极连接，二极管组合电路的第二引出端子与模块化多电平换流器子单元拓扑的第一引出端子连接，二极管组合电路的第三引出端子与模块化多电平换流器子单元拓扑的第二引出端子连接，二极管组合电路的第四引出端子与第二电容组的负极连接。二极管组合电路的第五引出端子与第一电容组的负极连接，二极管组合电路的第六引出端子与第二电容组的正极连接。

所述的子单元拓扑正常工作时，第五全控型半导体器件导通，当第一全控型半导体器件关断，第二全控型半导体器件开通，第三全控型半导体器件开通，第四全控型半导体器件关断时，所述的子单元拓扑第一引出端子与第二引出端子之间电压为0，第一电容组C1和第二电容组C2不接入电路；

当第一全控型半导体器件关断，第二全控型半导体器件开通，第三全控型半导体器件关断，第四全控型半导体器件开通时，所述的子单元拓扑第一引出端子与第二引出端子之间电压为第二电容组C2两端电压；第一电容组C1不接入电路；

当第一全控型半导体器件开通，第二全控型半导体器件关断，第三全控型半导体器件开通，第四全控型半导体器件关断时，所述的子单元拓扑第一引出端子与第二引出端子之间电压为第一电容组C1两端电压；第二电容组C2不接入电路；

当第一全控型半导体器件开通，第二全控型半导体器件关断，第三全控型半导体器件关断，第四全控型半导体器件开通时，所述的子单元拓扑第一引出端子与第二引出端子之间电压为第一电容组C1和第二电容组C2两端电压之和；

所述的子单元拓扑闭锁时，根据二极管组合电路结构的不同，工作原理也不同。

所述的二极管组合电路可以仅由第五二极管模块组成，也可以仅由第一二极管模块组成，也可以仅由第二二极管模块组成，也可以由第一二极管模块和第二二极管模块组合组成，也可以仅由第三二极管模块组成，也可以仅由第四二极管组成，也可以由第三二极管模块和第四二极管模块组合组成。