[发明专利]一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法

说明书

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法。

背景技术

目前，凭借开关器件无动静态均压问题及运行效率高等优势，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)已成为高压大功率变换器尤其是高压直流输电换流器的首要选择。在高压直流输电领域，尤其是基于架空线路的电能传输时，基于MMC的换流站往往要面临较大概率的直流侧短路故障状况。传统的MMC设计方法所有的子模块拓扑均相同。经典的由半桥子模块构成的MMC(Half Bridge Sub-module MMC,H-MMC)虽具有成本低及运行效率高的优势，但不具备直流侧故障的隔离能力，会将直流侧短路故障转换为交流侧短路故障。为使MMC具备直流闭锁能力，又先后出现了由全桥子模块构成的MMC(Full Bridge Sub-module MMC,F-MMC)以及由钳位双子模块构成的MMC(Clamping Double Sub-module MMC,C-MMC)。三种MMC的拓扑结构分别如图1至图3所示。为使半桥子模块具备负电平输出能力，又出现了交叉连接双半桥子模块，其拓扑结构如图4所示。

为实现MMC整体性能的提高，传统的设计方法要求各子模块拓扑均改变，从而导致MMC的成本上升，运行效率下降。例如，当功率等级相同时，F-MMC的单位成本较H-MMC提高约15％，F-MMC及C-MMC的通态损耗较H-MMC增大近70％及35％。此外，直流侧短路故障尤其是零直流电压短路故障期间，直流闭锁能力虽可清除直流侧短路故障，但无法向电网注入无功以支撑电网电压。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC及其设计方法，得到的MMC可在保证其能实现零直流电压故障穿越的前提下，有效降低变换器成本及提高变换器的运行效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具备零直流电压故障穿越能力的MMC的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定MMC由两种拓扑结构的子模块组成，分别表示为第一子模块和第二子模块；其中，第一子模块确定为半桥子模块，以降低MMC的设计成本及提高其运行效率；第二子模块需满足如下条件：能在非闭锁状态下输出正、负及零三类电平，使MMC具备零直流电压穿越能力；

(2)确定零直流电压故障穿越方案；

其中，穿越方案遵循以下原则：所有半桥子模块均旁路，同相上、下桥臂的第二子模块总输出电压等大反相，下桥臂第二子模块总输出电压为该相瞬时电压值，同桥臂第二子模块只能输出正电平及零电平，或者负电平及零电平；

第二子模块投切原则满足如下条件：(A1)需追加投入子模块时，如果当前桥臂电流对子模块中电容充电，应投入原处于切除状态的电压较低的第二子模块；反之，应投入原处于切除状态的电压较高的第二子模块；(A2)需追加切除子模块时，如果当前桥臂电流对子模块电容充电，应切除原处于投入状态的电压较高的第二子模块；反之，应切除原处于投入状态的电压较低的第二子模块；

(3)根据步骤(2)确定的零直流电压故障穿越方案，确定第一子模块和第二子模块的个数，以使得MMC在可实现零直流电压故障穿越的同时成本最低及运行效率最高，完成MMC的设计；

其中，半桥子模块的个数满足如下条件：单桥臂中半桥子模块总投入电压为直流侧额定电压与交流侧相电压峰值之差；第二子模块的个数满足如下条件：单桥臂中第二子模块最大总投入电压为交流相电压的峰值。

优选地，所述步骤(3)中，在电压调制系数为1时，如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:1，则半桥子模块与第二子模块的个数比为1:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的一半；如果半桥子模块的额定电压与第二子模块的额定电压比值为1:2，则半桥子模块与第二子模块的个数比为2:1，半桥子模块个数为直流侧额定电压与半桥子模块额定电压比值的三分之二。

优选地，所述第二子模块为全桥子模块或交叉连接双半桥子模块。

按照本发明的另一方面，提供了一种用上述方法设计的模块化多电平变换器。