[发明专利]一种全桥结构模块化多电平换流器桥臂等效电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种全桥结构模块化多电平换流器的桥臂等效电路。

背景技术

基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的高压柔性直流输电系统(VSC-HVDC)具有四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点，其在输电领域获得了广泛关注。现有模块化多电平换流器电路拓扑有半桥结构和全桥结构两种类型。

对于半桥结构模块化多电平换流器，当直流侧出现短路故障时，其交流电源、绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)反并联二极管与直流短路点将构成短路回路，造成模块化多电平换流器系统严重过流。由于目前高压直流断路器技术并不成熟，其直流短路保护通过并联晶闸管分流并切除交流侧断路器实现。这种方法仅实用于电压等级较底且容量较小的模块化多电平换流器。例如±160kV直流电压200MW容量的南澳柔性直流输电系统，其模块化多电平换流器直流短路电流约为3kA，该电流等级为目前晶闸管可承受范围之内。然而对于未来高电压且大容量柔性直流输电系统，由于其电压等级高需采用架空线，导致了直流侧发生短路故障概率大大增加。当采用半桥结构模块化多电平换流器，直流侧短路故障的短路电流已经超过现有器件最大承受能力，导致模块化多电平换流器灾难性的损坏。例如，±500kV直流电压3000MW容量的柔性直流输电系统，当采用半桥模块化多电平换流器时其短路电流可达到100kA等级，然而目前电力电子器件无法承受如此大的短路电流。

全桥结构模块化多电平换流器不同于半桥结构模块化多电平换流器，这是因为半桥功率模块只能输出零电压或正电压，而全桥功率模块可输出零电压、正电压和负电压三种，因此全桥结构模块化多电平换流器具备直流侧短路故障隔离能力，该优点对于未来采用架空线的高电压且大容量柔性直流输电系统具有十分重要作用。然而全桥结构模块化多电平换流器的开关器件数量比半桥结构模块化多电平换流器多了一倍，其电路结点数及器件数量也相应的增加了一倍，实现全桥结构模块化多电平换流器的全过程快速仿真具有较大困难。

为了解决全桥结构模块化多电平换流器快速仿真问题，专利CN102663174B将全桥结构模块化多电平换流器的桥臂等效为一个由受控电压源以及可调电阻构成的简单电路，该方法由桥臂电流的方向来调整可调电阻的阻值。方法在不控充电结束时，桥臂电流正负波动可能引起仿真回路的震荡。专利CN103593521A提出了在全桥结构模块化多电平换流器闭锁阶段中，对开关器件导通状态在两个仿真时刻之间发生变化的问题进行了附加开关器件处理，该方法对模型进行可控状态与不控状态的切换增加了复杂度，且也不能仿真桥臂中有少数模块发生故障的工况。

发明内容

本发明的目的是克服现有方法的不足，提出一种全桥结构模块化多电平换流器桥臂等效电路。

本发明可应用于高电压大容量柔性直流输电工程的全桥结构模块化多电平换流器的快速仿真，可同时仿真桥臂中既包含不控模块又包含受控模块工况下的电磁暂态过程，实现全桥结构模块化多电平换流器在不控状态、受控状态、少数模块发生故障状态下的快速仿真。

本发明的桥臂等效电路包括四只二极管、二个电压源、桥臂电抗以及桥臂上下端接线端子。其中，第一二极管的阳极与第二二极管的阴极的连接，其连接点为桥臂上端正接线端子；第一二极管的阴极与第三二极管的阴极及第一电压源的一端相连接，第二二极管的阳极与第四二极管的阳极及第一电压源的一端相连接，第三二极管的阳极与第四二极管的阴极及第二电压源的一端相连接；桥臂电抗的一端与第一电压源的另一端相连接，桥臂电抗的另一端为桥臂下端负接线端子。所述桥臂等效电路中，第一电压源的电压为桥臂中所有不控全桥功率模块电容电压之和，第二电压源的电压为桥臂中所有受控全桥功率模块输出电压之和。

本发明在各种工况下模块化多电平换流器实现电磁暂态仿真方法如下：

(1)不控工况下的电磁暂态仿真

全桥结构模块化多电平变流器中每个桥臂所有不控全桥功率模块由四只二极管和第一电压源表示。第一电压源的电压U_S1为桥臂中所有不控全桥功率模块电容电压U_C1，U_C2，...，U_CM之和，假设桥臂有M个不控全桥功率模块，M≥1且为整数。

U_S1＝U_C1+U_C2+...+U_CM

每个全桥功率模块电容的电压U_C经下式计算得出：