一种改进型串联双子模块

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种改进型串联双子模块。

背景技术

大规模清洁能源的送出与消纳是世界性难题，多端直流输电技术是解决大规模清洁能源送出与消纳难题的有力抓手，其中基于模块化多电平换流器的柔性高压直流输电技术(Modular Multilevel Converter-High Voltage Direct Current，MMC-HVDC)因易于拓展的模块化结构与较低的运行损耗等独特优势在直流电网中得到了快速发展。

针对陆上大规模新能源远距离接入的场景，一般多采用架空线送出方式，架空线受地形地貌、气候等地理因素影响大，因此直流线路发生雷击短路的故障频发，这会严重影响输电系统的运行可靠性。

为应对上述问题，国家电网公司、南方电网公司等单位在多端柔性直流输电系统直流故障清除方面做了大量研究，并形成部分技术方案，其中一种主要方案为采用带有自清除直流故障能力的子模块来搭建MMC换流阀，换流器自清除方案虽不需要昂贵的直流断路器，但是换流阀(例如采用全桥子模块)成本较高，运行损耗较大，对控制器的要求高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种改进型串联双子模块，用于解决现有带有自清除直流故障能力的子模块来搭建MMC换流阀成本较高、控制较为复杂的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种改进型串联双子模块，包括第一半桥子模块和第二半桥子模块，第一半桥子模块连接直流侧，第二半桥子模块连接交流侧，第一半桥子模块的一端经串联支路与第二半桥子模块的一端连接，第二半桥子模块的另一端经串联钳位阻尼支路与第一半桥子模块的另一端连接；在直流故障闭锁状态时，利用串联钳位阻尼支路耗散桥臂故障电流交、直流分量。

具体的，第一半桥子模块包括晶体管T1和晶体管T2，晶体管T1的发射极与晶体管T2的集电极连接，晶体管T2的发射极经电容C1与晶体管T1的集电极连接，晶体管T1并联连接有二极管D1，晶体管T2并联连接有二极管D2。

具体的，第二半桥子模块包括晶体管T3和晶体管T4，晶体管T3的发射极与晶体管T4的集电极连接，晶体管T4的发射极经电容C2与晶体管T3的集电极连接，晶体管T3并联连接有二极管D3，晶体管T4并联连接有二极管D4。

具体的，串联支路包括IGBT单元T5与续流二极管D5，续流二极管D5反相并联在IGBT单元T5上，IGBT单元T5的发射极与第一半桥子模块中晶体管T2的发射极连接，IGBT单元T5的集电极与第二半桥子模块中晶体管T3的集电极连接。

具体的，串联钳位阻尼支路包括续流二极管D6和阻尼电阻R1，续流二极管D6的负极与第一半桥子模块中晶体管T1的集电极连接，续流二极管D6的正极经阻尼电阻R1与第二半桥子模块中晶体管T4的发射极连接。

具体的，在全投入模式中，第一半桥子模块中二极管D1的晶体管T1为1，第一半桥子模块中二极管D2的晶体管T2为0，第二半桥子模块中二极管D3的晶体管T3为1，第二半桥子模块中二极管D4的晶体管T4为1，串联支路中IGBT单元T5为0，直流侧流入为正方向，当桥臂电流为正方向，即i

具体的，在半投入模式中，第一半桥子模块中二极管D1的晶体管T1为1，第一半桥子模块中二极管D2的晶体管T2为0，第二半桥子模块中二极管D3的晶体管T3为1，第二半桥子模块中二极管D4的晶体管T4为0，串联支路中IGBT单元T5为1，直流侧流入为正方向，当桥臂电流为正方向，即i

第一半桥子模块中二极管D1的晶体管T1为0，第一半桥子模块中二极管D2的晶体管T2为1，第二半桥子模块中二极管D3的晶体管T3为1，第二半桥子模块中二极管D4的晶体管T4为1，串联支路中IGBT单元T5为0，当桥臂电流为正方向，即i

具体的，在切除模式中，第一半桥子模块中二极管D1的晶体管T1为0，第一半桥子模块中二极管D2的晶体管T2为1，第二半桥子模块中二极管D3的晶体管T3为1，第二半桥子模块中二极管D4的晶体管T4为0，串联支路中IGBT单元T5为1，直流侧流入为正方向，当桥臂电流为负方向，即i

具体的，在预充电闭锁模式中，第一半桥子模块中二极管D1的晶体管T1为0，第一半桥子模块中二极管D2的晶体管T2为0，第二半桥子模块中二极管D3的晶体管T3为1，第二半桥子模块中二极管D4的晶体管T4为0，串联支路中IGBT单元T5为0，直流侧流入为正方向，当桥臂电流为正方向，即i

具体的，在直流故障闭锁模式中，第一半桥子模块中二极管D1的晶体管T1为0，第一半桥子模块中二极管D2的晶体管T2为0，第二半桥子模块中二极管D3的晶体管T3为0，第二半桥子模块中二极管D4的晶体管T4为0，串联支路中IGBT单元T5为1，直流侧流入为正方向，当桥臂电流为正方向，即i

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种改进型串联双子模块，第一半桥子模块的一端经串联支路与第二半桥子模块的一端连接，在该串联支路上的IGBT单元T5为1(导通状态)，电流流经该支路，不流经串联钳位阻尼支路，此时对T1、T2、T3、T4进行控制，可让改进型串联双子模块处于闭锁预充或者正常运行投切模式，这种状态下的改进型串联双子模块相当于两个半桥子模块直接串联的功能，且串联钳位阻尼支路的阻尼电路不会出现在电路中造成损耗；第二半桥子模块的另一端经串联钳位阻尼支路与第一半桥子模块的另一端连接，在该串联支路上的IGBT单元T5为0(关断状态)时，电流流经串联钳位阻尼支路，此时能让改进型串联双子模块投入反向电压，并且将串联钳位阻尼支路上的阻尼电阻被投入电路，此时就能利用改进型串联双子模块的反向钳位电压电压阻断交流源向故障点馈入短路电路的路径，并且电路中的阻尼电阻能加快衰减故障电流交、直流分量的速度。

进一步的，第一半桥子模块各器件包括两个IGBT以及两个反并联在IGBT的二极管，以及一个直流电容，以上器件组成一个半桥子模块，保证在不同电流方向和不同IGBT触发信号状态下，第一半桥子模块各器件能提供0电平或者正平，即第一半桥子模块的功能与一个半桥子模块功能相同。

进一步的，第二半桥子模块各器件包括两个IGBT以及两个反并联在IGBT上的二极管，以及一个直流电容，以上器件组成一个半桥子模块，保证在不同电流方向和不同IGBT触发信号状态下，第二半桥子模块各器件能提供0电平或者正电平，即第二半桥子模块的功能与一个半桥子模块功能相同。

进一步的，串联钳位支路上的器件包括一个IGBT单元T5以及一个反并联在T5上的二极管D5，以上器件以及它们的连接方式保证了当IGBT单元T5为1(导通状态)时，无论桥臂电流i

进一步的，串联钳位阻尼支路上的器件包括一个续流二极管D6以及和它串联的阻尼电阻R1，串联钳位支路上的IGBT单元T5为0(关断状态)时，桥臂电流方向为负(i

进一步的，全投入模式下改进型串联双子模块相当于两个直接串联的半桥子模块同时投入正电平，此时改进型串联双子模块投入桥臂的电压为子模块中两个直流电容电压绝对值之和，即2U

进一步的，半投入模式下改进型串联双子模块相当于两个直接串联的半桥子模块，一个投入正电平，另一个处于切除模式投入0电平，此时改进型串联双子模块投入桥臂的电压等于子模块中两个直流电容其中一个电容的电压绝对值，即U

进一步的，切除模式下改进型串联双子模块相当于两个直接串联的半桥子模块均处于切除模式，都投入0电平，此时改进型串联双子模块投入桥臂的电压等于0。

进一步的，以上全投入模式、半投入模式、切除模式三种模式的设置，使改进型串联双子模块的控制更加灵活，改进型串联双子模块中的第一半桥子模块和第二半桥子模块控制相对独立，两者投入电平可不相同，通过对改进型串联双子模块中各IGBT的控制，使子模块能够投入2U

进一步的，预充电闭锁模式下，因为此时串联支路上的IGBT单元为1(导通状态)改进型串联双子模块下相当于两个处于闭锁模式的半桥子模块直接串联，桥臂电流流经串联支路，不流经串联钳位阻尼支路，阻尼电阻不会存在回路中影响改进型串联双子模块的预充电过程，改进型串联双子模块中的两个直流电容同时充电、流经的电流大小相同。

进一步的，直流故障闭锁模式下，因为此时串联支路上的IGBT单元为0(关断导通状态)。当桥臂电流为正方向i

综上所述，本发明改进型串联双子模块基于两个半桥子模块的串联结构，在两个子模块直接串联的支路上串联了一个IGBT单元T5以及一个反并联的二极D5,正常运行时T5导通，改进型串联双子模块与两个半桥子模块直接串联的功能相同，而在发生直流短路故障后改进型串联双子模块直流故障闭锁模式下能够通过关断T5，来使桥臂电流为负方向时电流流经串联钳位阻尼支路；并且增设一条串联钳位阻尼支路，该支路由一个续流二极管D6以及一个阻尼电阻R1串联构成，该支路的作用是在直流故障闭锁模式下能使改进型串联双子模块能起到提供反向钳位电压并且利用阻尼电阻加快衰减故障电流的作用。对比于同样具备自清除直流故障能力的子模块，如全桥子模块，在正常运行时提供相同的正电平或者在故障闭锁后提供相同的反向钳位电压，一个改进型串联双子模块能起到两个全桥子模块的作用，并且一个改进型串联双子模块需要的电力电子器件少于两个全桥子模块需要的电力电子器件，成本更低，此外改进型串联双子模块阻尼电阻的存在能够加快直流故障电流衰减速度，使提供反向钳位电压能力相同的由改进型串联双子模块构成的MMC换流站比由全桥子模块构成的MMC换流站的故障自清除能力更强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明改进型串联双子模块的拓扑结构图；

图2为预充电闭锁模式等效电路图，其中，(a)为预充电闭锁模式下桥臂电流方向为正向时的等效电路，(b)为预充电闭锁模式下桥臂电流方向为负向时的等效电路；

图3为全投入模式等效电路图，其中，(a)为全投入模式下桥臂电流方向为正向时的等效电路，(b)为全投入模式下桥臂电流方向为负向时的等效电路；

图4为半投入模式等效电路图，其中，(a)为半投入模式下桥臂电流方向为正向时的等效电路，(b)为半投入模式下桥臂电流方向为负向时的等效电路；

图5为切除模式等效电路图，其中，(a)为切除模式下桥臂电流方向为正向时的等效电路，(b)为切除模式下桥臂电流方向为负向时的等效电路；

图6为直流故障闭锁模式等效电路图，其中，(a)为直流故障闭锁模式下桥臂电流方向为正向时的等效电路，(b)为直流故障闭锁模式下桥臂电流方向为负向时的等效电路；

图7为改进型串联双子模块+半桥子模块”型、“全桥子模块+半桥子模块”型MMC两种类型的单站MMC系统换流阀直流侧出口处发生短路接地、换流阀所有子模块闭锁的直流侧电流波形比较图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种改进型串联双子模块，具备直流故障阻尼能力，即在发生直流故障时利用闭锁模式能够阻断交流侧向直流故障点馈入电流路径，同时能够利用串联阻尼支路的阻尼电阻加速故障电流衰减过程。在具备同样的直流故障清除能力的情况下，一个具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块可以替代两个串联的全桥子模块的作用，本发明构成的桥臂与全桥构成的桥臂相比，需要更少的IGBT和二极管，降低了成本，经济性更好。

请参阅图1，本发明一种改进型串联双子模块，包括两个常规的半桥子模块、一条串联支路和一条串联钳位阻尼支路；第一半桥子模块连接直流侧A端，第二半桥子模块连接交流侧B端，第一半桥子模块的一端经串联支路与第二半桥子模块的一端连接，第二半桥子模块的另一端经串联钳位阻尼支路与第一半桥子模块的另一端连接。

第一半桥子模块包括晶体管T1和晶体管T2，晶体管T1的发射极与晶体管T2的集电极连接，晶体管T2的发射极经电容C1与晶体管T1的集电极连接，晶体管T1并联连接有二极管D1，晶体管T2并联连接有二极管D2。

第二半桥子模块包括晶体管T3和晶体管T4，晶体管T3的发射极与晶体管T4的集电极连接，晶体管T4的发射极经电容C2与晶体管T3的集电极连接，晶体管T3并联连接有二极管D3，晶体管T4并联连接有二极管D4。

串联支路包括一个IGBT单元与续流二极管，续流二极管D5反并联在IGBT单元上，IGBT单元的发射极与第一半桥子模块的一端连接，IGBT单元的集电极与第二半桥子模块的一端连接。

串联钳位阻尼支路包括一个续流二极管D6和阻尼电阻R1，续流二极管D6和阻尼电阻R1串联连接，续流二极管D6的负极与第一半桥子模块的另一端连接，续流二极管D6的正极经阻尼电阻R1与第二半桥子模块的另一端连接。

改进型串联双子模块的拓扑结构具体为：

晶体管T1的发射极分两路，一路连接直流侧，另一路经晶体管T2的发射极分两路，一路与带续流二极管D5的IGBT单元T5的发射极连接，另一路经电容C1后分两路，一路连接晶体管T1的集电极，另一路经续流二极管D6与阻尼电阻R1的一端连接；IGBT单元T5的集电极分两路，一路连接电容C2的正极，另一路经晶体管T3的发射极后分两路，一路连接交流侧，另一路经晶体管T4的发射极后分两路，一路连接电容C2的负极，另一路与阻尼电阻R1的另一端连接。

本发明的改进型串联双子模块在正常运行工作时，相当于两个半桥子模块串联运行，在只需子模块提供非负电平时，相当于两个全桥子模块；在直流故障闭锁状态时，改进型串联双子模块经过含有阻尼电阻的支路来耗散桥臂故障电流交、直流分量。

通过对IGBT的触发信号控制，使一个具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块在预充电阶段和正常工作状态(投入、切除)时，与两个独立的半桥子模块串联运行原理效果相同，在直流故障闭锁状态时，才经过含有阻尼电阻的支路来耗散桥臂故障电流交、直流分量。

设置具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块有五种运行模式：全投入模式、半投入模式、切除模式、预充电闭锁模式，以及直流故障闭锁模式；具体见表1。

表1具备直流故障阻尼能力的改进型串联双子模块运行模式

表1中0代表IGBT处于关断状态，1代表IGBT处于导通状态。

根据系统运行参数、故障电流水平及控保装置的需求，可配置不同的阻尼电阻，并且根据各个工作状态下T5的流经电流以及所承受的最大正、反向电压来对T5进行参数计算，如图1所示。

请参阅图2，在预充电阶段，改进型串联双子模块的模式设置为预充电闭锁模式，此时子模块的功能与两个串联的半桥子模块相同，在不同桥臂电流方向下的子模块等效电路如图2(a)、图2(b)所示。

请参阅图3，图4和图5，在正常运行阶段，改进型串联双子模块的模式为全投入模式、半投入模式及切除模式，三种模式在不同桥臂电流方向下的子模块等效电路分别如图3(a)、(b)，图4(a)、(b)，图5(a)、(b)所示。

请参阅图6，在发生直流侧短路故障时，子模块模式进入直流故障闭锁模式，阻断交流侧流向直流侧，也可以在反向电压的作用下，通过使故障电流流经阻尼电阻，快速衰减故障电流直流分量。直流故障闭锁模式在不同桥臂电流方向下的子模块等效电路如图6(a)、图6(b)所示。

采用本发明改进型串联双子模块搭建的MMC换流阀能够在直流侧发生短路故障时，利用自身的闭锁功能快速清除直流故障电流，并且不需要昂贵的直流断路器，相比使用全桥子模块等目前带自清除能力的子模块的直流故障清除方案需要更少的器件，成本更低、经济性好。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在PSCAD仿真平台上搭建直流侧电压等级为320KV的MMC单站模型，分别采用“改进型串联双子模块+半桥子模块”和“全桥子模块+半桥子模块”两种模型进行仿真对比。两种MMC桥臂中具备自清除直流故障的子模块提供的反向钳位电压总和相同，两种模型其余参数均相同。在MMC单站系统换流阀直流侧出口处发生短路接地故障后，3ms后全站所有子模块闭锁，直流电流波形如图7，图中“FBHB”曲线代表“全桥子模块+半桥子模块”型MMC的直流侧电流波形，“SDHB-1ohm”曲线代表“改进型串联双子模块+半桥子模块”型MMC的直流侧电流波形，此情况每个改进型串联双子模块中的阻尼电阻为1ohm，因此类推。

从图7中可以看出，“改进型串联双子模块+半桥子模块”型MMC的故障清除时间短于“全桥子模块+半桥子模块”型MMC，当改进型串联双子模块中的阻尼电阻变大时，故障清除时间进一步缩短、故障清除速度变快，也即是说改进型串联双子模块相比于全桥子模块具备更强的自清除直流故障的能力。

综上所述，本发明一种改进型串联双子模块，基于两个半桥子模块的串联结构，在两个子模块直接串联的支路上串联了一个IGBT单元T5以及一个反并联的二极D5,并且增设一条串联钳位阻尼支路，该支路由一个续流二极管D6以及一个阻尼电阻R1串联构成。两条支路的设计可以让改进型串联双子模块在正常运行时相当于两个直接串联的半桥子模块、控制简单，同时可以在发生直流故障闭锁后使改进型串联双子模块具备半桥子模块不具备的提供反向钳位电压的能力，并且将阻尼电阻投入电路中。反向钳位电压能够阻断交流源向故障点馈入短路电流的路径，阻尼电阻能加快故障电流的衰减。对比于同样具备自清除直流故障能力的子模块，在无需提供负电平的情况下，一个改进型串联双子模块相当于两个全桥子模块串联，在提供相同的反向钳位电压时，需要的改进型串联双子模块个数为全桥子模块的一半，改进型串联双子模块需要的总电力电子器件更少，经济性更高。利用改进型串联双子模块与半桥子模块构成的MMC换流阀与具备提供同样反向钳位电压的全桥子模块与半桥子模块构成的MMC相比，直流故障电流清除速度更快，这是因为改进型串联双子模块中串联钳位阻尼支路上的阻尼电阻在闭锁模式下投入电路，能加速衰减故障电流，因此相较于全桥子模块，改进型串联双子模块的故障自清除能力更强。相比于目前用于构成具备自清除直流故障的MMC的子模块，如全桥子模块，该发明提供了一种具备直流故障自清除能力同时经济性更高、自清除能力更强的新型子模块。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。