[发明专利]一种模块化多电平换流器及其子模块结构

说明书

本发明提供了一种模块化多电平换流器及其子模块结构，其中：多电平换流器包括：电感和相互级联的子模块结构，电感与子模块结构串联构成桥臂，两组桥臂串联构成相单元；子模块结构包括：正极端支路、负极端支路、电容支路和双向功率开关支路；正极端支路与电容支路并联，双向功率开关支路的两端分别与正极端支路和电容支路的中点相连；负极端支路的一端与正极端支路和电容支路的并联相连，其另一端与电容支路的中点相连。本发明提供的技术方案应用在MMC‑HVDC系统中，可实现直流故障的自主防护，且由于结构的对称性，使得子模块结构在闭锁模式下，输出特性关于电流方向是对称的，良好的对称性有利于维持子模块中功率器件及电容的电流应力平衡。

技术领域

本发明涉及柔性直流输配电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器及其子模块结构。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、阶跃电压低、器件开关频率低等特点，日益成为高压直流(High Voltage Direct Current,HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。投入运行的MMC-HVDC项目中目前大多采用半桥子模块(Half Bridge Sub-Module,HBSM)结构，该结构功率器件数量少、系统成本低、运行效率高，但直流侧发生故障时换流器自身不具备主动防护能力，需借助交流继电保护设备隔离故障。

直流侧短路故障是直流输电特别是在架空线路中一种常见的故障。目前，处理直流侧故障主要有三种方式：1)通过交流设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障与交流系统的联系；2)通过直流设备如直流断路器等阻断-故障与换流器的联系；3)通过换流器中功率半导体器件的开关动作实现直流侧故障的隔离。但第一种处理方式由于其机械限制导致交流设备的响应时间长、重启复杂；第二种处理方式的不足之处是直流断路器技术尚不成熟且造价高，难以应用于实际工程中；较之前两种方式，第三种方式响应时间快，故障后系统恢复正常运行的能力强，所以成为处理MMC-HVDC直流侧短路故障的一种有效的解决途径。

目前，能够实现直流故障防护的子模块结构中具有代表性的是全桥子模块(FullBridge Sub-Module,FBSM)和箝位双子模块(Clamp Double Sub-Module,CDSM)的结构。全桥子模块的功率半导体器件数是半桥子模块的两倍，增大了系统成本、降低了换流器的运行效率；箝位双子模块虽然结构简洁，但容错能力差，一旦箝位开关管损坏子模块将无法实现电平的正常输出，影响整个系统的正常运行。

因此，需要提供一种技术方案来满足现有技术的需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种模块化多电平换流器及其子模块结构，其中：模块化多电平换流器包括电感，相互级联的子模块结构，电感与子模块串联构成桥臂，两组桥臂串联构成相单元。

子模块结构包括：正极端支路、负极端支路、电容支路和双向功率开关支路；正极端支路与电容支路并联，双向功率开关支路的两端分别与正极端支路和电容支路的中点相连；负极端支路的一端与正极端支路和电容支路的并联相连，其另一端与电容支路的中点相连。

正极端支路包括：两个带反并二极管的开关管S1和S2；第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极相连。

负极端支路包括：两个带反并二极管的开关管S3和S4；第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的集电极相连。

电容支路包括：两个相互串联的电容C1和C2；

第一电容C1的正极端与第一开关管S1的集电极相连，第二电容C2的负极端与第二开关管S2及第四开关管S4的发射极相连，第三开关管S3的集电极与电容支路的中间节点相连。