[发明专利]可关断子模块以及可切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统，具体涉及一种可关断子模块以及采用该可关断子模块的用于切除直流故障的改进型半桥MMC-HVDC拓扑结构。

背景技术

柔性直流输电系统的核心是基于全控器件的电压源型换流器，换流器拓扑的不同直接决定了换流器的性能，现有已经工程化的拓扑结构有以下几种：两电平、三电平、MMC(modularmultilevelconverter模块化多电平换流器)、CTL(CascadedTwo-LevelConverter基于级联两电平换流器)等。

MMC拓扑结构有显著优势：其一，MMC子模块多，交流侧谐波尤其是低频谐波含量很少，无须配置大型交流滤波器，节省空间；其二，开关频率相对较低，降低了开关损耗，采用最新一代器件和优化控制算法的MMC换流器损耗能降低到接近常规直流输电水平；其三，避免了器件直接串联，子模块故障后，可通过配置冗余子模块使系统在冗余范围内继续正常运行；其四，直流故障时，只有部分子模块放电，并且放电电流受桥臂电抗限制。

MMC拓扑结构主要包括半桥MMC拓扑结构、全桥MMC拓扑结构以及箍位双子模块MMC拓扑结构。半桥MMC拓扑结构相对于全桥MMC拓扑结构以及箍位双子模块MMC拓扑结构等，核心优势是子模块的高效利用带来的经济性与可靠性。

图1示出了三相半桥MMC的主电路拓扑结构，其共有6个桥臂，每相由上下两个桥臂构成，每个桥臂都是有相同数量、相同结构的子模块和一个桥臂电抗器串联构成，所有子模块的参数均相同，各个桥臂电抗器的参数也相同。现有子模块的结构包括第一开关管、第二开关管、第一反并联二极管、第二反并联二极管以及子模块电容，其中，第一开关管和第二开关管串联，第一反并联二极管、第二反并联二极管分别并接于第一开关管和第二开关管的两端，子模块电容的正、负极分别连接与第一反并联二极管的负极和第二反并联二极管的正极。

半桥MMC拓扑结构缺点在于因续流二极管(反并联二极管)的续流作用不能切除直流故障。目前该问题解决思路有两种，一种是使用直流断路器，但目前的直流断路器价格昂贵，性能参数指标远不能满足要求；第二种是开发新拓扑和新的控制策略。

针对MMC-HVDC不能切除直流故障问题，国内外学者在拓扑改进上做了深入研究。图2提出了一种桥臂上串联IGBT(含续流二极管)的改进型MMCHVDC拓扑，能够实现阻断直流电流的目的，但用的子模块众多，并联IGBT故障将导致整个系统瘫痪，无冗余性可言。图3提出一种箍位双子模块MMC结构，使用的器件数目介于半桥MMC与全桥MMC结构之间，但该结构控制复杂，所用器件较多。图4给出了全桥型的MMC拓扑具有直流故障穿越能力，但此类全桥性MMC拓扑器件成本翻倍，四个IGBT中任一个故障即导致整个模块即故障，大大减弱了系统的经济型与可靠性。图5提出了一种二极管箍位子模块拓扑，较箍位双子模块比，器件少了一半，但大大增加了电容数量，子模块均压问题突出，控制复杂。

发明内容

针对以上不足，本发明的目的之一在于提供一种可关断子模块，其通过在现有普通子模块中增加一开关管，可有效切断直流线路故障时第二反并联二极管上的续流回路。

为了实现上述目的，本发明通过下列技术方案来实现：

一种可关断子模块，其由普通子模块和第三开关管构成，所述普通子模块均包括第一开关管、第二开关管、第一反并联二极管、第二反并联二极管以及子模块电容，所述第一开关管和第二开关管串联，第一反并联二极管、第二反并联二极管分别并接于第一开关管和第二开关管的两端，子模块电容的正、负极分别连接与第一反并联二极管的负极和第二反并联二极管的正极，所述第三开关管串接于第二反并联二极管上。

所述第一开关管的集电极和发射极分别与第一反并联二极管的负极和正极相连，所述第二开关管的集电极和发射极分别与第三开关管的发射极和第二反并联二极管的正极相连，第二反并联二极管的正极与第三开关管的集电极相连，第一开关管的发射极还与第二开关管的集电极相连。

所述第一、第二和第三开关管均为IGBT管，所述IGBT管的门极与一信号控制源连接。