一種可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器，屬于電力電子技術(shù) 和電力輸配電領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 與傳統(tǒng)的高壓直流輸電技術(shù)相比，柔性高壓直流輸電技術(shù)采用全控開關(guān)器件實現(xiàn) 對變流器的控制，因而具有控制靈活、無功可自由補償及不依賴交流系統(tǒng)實現(xiàn)換相等優(yōu)點， 在近年來得到了廣泛的研宄和應(yīng)用。尤其是基于模塊化多電平變流器結(jié)構(gòu)的柔性高壓直流 輸電系統(tǒng)，在國內(nèi)外已經(jīng)有多處工程投運或正在建設(shè)。
[0003] 直流短路故障是柔性直流輸電工程設(shè)計運行時必須考慮到的一種嚴(yán)重故障類型。 但對于采用半橋子模塊結(jié)構(gòu)的變流器，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生短路故障時，半橋子模塊中的反并聯(lián) 二極管易構(gòu)成故障點與交流系統(tǒng)直接連通的能量饋送回路，使得變流器無法通過自身開關(guān) 器件的動作實現(xiàn)直流側(cè)故障電流的清除。為實現(xiàn)對直流短路故障電流的清除，現(xiàn)有文獻和 專利公開了多種改進方案，其中通過采用新型子模塊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)直流短路故障電流清除的 方案最具有經(jīng)濟性和可行性。例如，申請?zhí)枮?01310470755. 3、名稱為《一種帶短路保護的 模塊化多電平變流器變流模塊電路》的中國專利公開了一種子模塊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過在子 模塊內(nèi)部增加可控開關(guān)器件和箝位二極管，使得單個子模塊可提供自身正向額定電壓一半 的反壓，從而可以實現(xiàn)故障電流清除，但該結(jié)構(gòu)由于子模塊內(nèi)部存在多個電容，且只有一半 數(shù)量的電容在故障后被充電，因而存在子模塊內(nèi)部電容電壓不均衡的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器，對已有的 模塊化多電平變流器的結(jié)構(gòu)進行改進，將半橋子模塊結(jié)構(gòu)與一種篏位子模塊結(jié)構(gòu)混合級 聯(lián)，可根據(jù)成本和閉鎖時間靈活選擇兩種子模塊的混合比例，從而以較低的成本實現(xiàn)直流 短路故障電流的快速清除。由于該篏位子模塊內(nèi)部的電容在故障閉鎖后均會被充電，因而 不會存在子模塊內(nèi)部電容電壓不均衡的問題。
[0005] 本發(fā)明提出的可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器，由A相、B相和C相組 成，每相由上橋臂和下橋臂串聯(lián)而成，上橋臂的正極端為該相直流側(cè)正極端，下橋臂負(fù)極端 為該相直流側(cè)負(fù)極端，上橋臂負(fù)極端與下橋臂正極端的連接點為該相交流側(cè)端；三相直流 側(cè)正端連接到一起，成為可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器的直流側(cè)正極；三相 直流側(cè)負(fù)端連接到一起，形成可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器的直流側(cè)負(fù)極； 變流器各相的交流側(cè)端分別與交流側(cè)電網(wǎng)各相線端連接；
[0006] 所述的上橋臂和下橋臂均由L個半橋子模塊、M個篏位子模塊和一臺濾波電抗器 以任意次序串聯(lián)而成，其中L+2M+1等于可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器的電 平數(shù)，M彡Uln/(4U。)，Ulm為可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器交流側(cè)線電壓幅值， U。為可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器半橋子模塊的額定電壓；
[0007] 所述的箝位子模塊，包括第一直流電容器、第二直流電容器、第一可控開關(guān)器件、 第二可控開關(guān)器件、第三可控開關(guān)器件、第四可控開關(guān)器件、第五可控開關(guān)器件、第六可控 開關(guān)器件、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管、第三續(xù)流二極管、第四續(xù)流二極管、第五續(xù)流 二極管、第六續(xù)流二極管、第一嵌位二極管和第二嵌位二極管；所述第一可控開關(guān)器件的 集電極、第二可控開關(guān)器件的集電極、第三可控開關(guān)器件的集電極、第四可控開關(guān)器件的集 電極、第五可控開關(guān)器件的集電極和第六可控開關(guān)器件的集電極分別與所述的第一續(xù)流二 極管的陰極、第二續(xù)流二極管的陰極、第三續(xù)流二極管的陰極、第四續(xù)流二極管的陰極、第 五續(xù)流二極管的陰極和第六續(xù)流二極管的陰極相連；所述的第一可控開關(guān)器件的發(fā)射極、 第二可控開關(guān)器件的發(fā)射極、第三可控開關(guān)器件的發(fā)射極、第四可控開關(guān)器件的發(fā)射極、第 五可控開關(guān)器件的發(fā)射極、第六可控開關(guān)器件的發(fā)射極分別與所述的第一續(xù)流二極管的陽 極、第二續(xù)流二極管的陽極、第三續(xù)流二極管的陽極、第四續(xù)流二極管的陽極、第五續(xù)流二 極管的陽極、第六續(xù)流二極管的陽極相連；所述的第一可控開關(guān)器件的集電極同時與第一 箝位二極管的陰極和第一直流電容器的正極端相連，第一可控開關(guān)器件的發(fā)射極與第二可 控開關(guān)器件的集電極相連，作為箝位子模塊的正極端；所述的第二可控開關(guān)器件的發(fā)射極 同時與第三可控開關(guān)器件的發(fā)射極和第一直流電容器的負(fù)極相連，所述的第三可控開關(guān)器 件的集電極同時與第一箝位二極管的陽極、第四可控開關(guān)器件的發(fā)射極和第二嵌位二極管 的陰極相連；所述的第六可控開關(guān)器件的集電極同時與第四可控開關(guān)器件的集電極和第二 直流電容器的正極相連；所述的第五可控開關(guān)器件的發(fā)射極同時與第二篏位二極管的陽極 和第二直流電容的負(fù)極相連；所述的第五可控開關(guān)器件的集電極與第六可控開關(guān)器件的發(fā) 射極相連，作為箝位子模塊的負(fù)極端。
[0008] 本發(fā)明提出的可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器，其優(yōu)點是：
[0009] 將半橋子模塊結(jié)構(gòu)與新型篏位子模塊結(jié)構(gòu)混合級聯(lián)，可以以較低的成本實現(xiàn)直流 短路故障電流的自動清零。由于采用混合級聯(lián)結(jié)構(gòu)，半橋子模塊數(shù)L與篏位子模塊數(shù)M的 比值可以根據(jù)降低成本、減少故障電流清除時間等需求靈活設(shè)計。對于本發(fā)明提出的變流 器，當(dāng)L/M= 0,即完全采用新型篏位子模塊時，其故障電流清除時間最短，與完全采用全橋 子模塊的模塊化多電平變流器相比，故障電流清楚時間基本相當(dāng)，但本發(fā)明提出的變流器 三相共節(jié)省了 12M個IGBT;隨著L/M比值的增加，本發(fā)明提出的變流器所需IGBT及二極管 數(shù)進一步減少，當(dāng)L/M= 2時，與完全采用箝位雙子模塊的模塊化多電平變流器相比，其故 障電流清除時間基本相當(dāng)，但本發(fā)明提出的變流器三相共節(jié)省了 6L個箝位二極管，裝置成 本更低。適當(dāng)增加L/M的比值，可以減少故障電流清零時間，有助于模塊化多電平變流器在 非永久性短路故障時快速恢復(fù)正常工作狀態(tài)。與申請?zhí)枮?01310470755. 3、名稱為《一種 帶短路保護的模塊化多電平變流器變流模塊電路》的中國專利提出的子模塊結(jié)構(gòu)相比，本 發(fā)明提出的變流器結(jié)構(gòu)不存在模塊內(nèi)部電容均壓問題，因此不會因多次故障后因子模塊內(nèi) 部電容電壓不均而造成電容損壞。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明提出的可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器的電路原理圖。
[0011] 圖2是圖1所示的模塊化多電平變流器中上橋臂和下橋臂的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖3是圖2所示的上橋臂和下橋臂中的箝位子模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖4為本發(fā)明提出的模塊化多電平變流器在直流側(cè)短路故障前后故障電流的變 化曲線。
【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明提出的可穿越直流短路故障的模塊化多電平變流器，其電路原理圖如圖1 所示，由A相、B相和C相組成，每相由上橋臂和下橋臂串聯(lián)而成，上橋臂的正極端為該相直 流側(cè)正極端，下橋臂負(fù)極端為該相直流側(cè)負(fù)極端，上橋臂負(fù)極端與下橋臂正極端的連接點 為該相交流側(cè)端；三相直流側(cè)正端連接到一起，成為可穿越直流短路故障的模塊化多電平 變流器的直流側(cè)正極DC+;三相直流側(cè)負(fù)端連接到一起，形成可穿越直流短路故障的模塊 化多電平變流器的直流側(cè)負(fù)極DC-;變流器各