[發明專利]基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器

在審

• 申請號: 201710264504.8
• 申請日: 2017-04-21
• 公開（公告）號: CN106998151A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 李國杰;朱明琳;杭麗君;江秀臣
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/32;H02J3/36
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙)31317
• 代理人: 張寧展

技術領域

本發明涉及電力電子技術領域，特別是一種基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器。

背景技術

由于缺少高壓直流斷路器技術，直流側短路故障是柔性高壓直流輸電所面對的一個重要問題，嚴重影響柔性高壓直流輸電技術的發展。采用模塊化多電平換流器(modular multi-lever coNverter,多電平換流器)技術的柔性高壓直流輸電系統，在直流側短路故障的情況下，半橋型多電平換流器的子模塊具有續流能力，閉鎖開關管后，續流二極管為交流系統向直流故障點饋入故障電流提供了通路，交流系統側發生三相虛短。目前處理直流側故障的方法有三種：

1)利用交流側斷路器切斷故障點與交流系統的連接；

2)利用直流側斷路器切除故障線路；

3)利用換流器自身結構實現直流側故障的自清除。

雖然半橋型多電平換流器在功率器件數量及系統損耗等方面有較大的優勢，但該結構不具備直流故障自清除能力。在系統直流側發生短路故障的情況下，交流電網、續流二極管以及故障點構成故障電流回路，電網被虛短，后果嚴重，必須借助交流側斷路器切斷交流系統和故障點的連接。

當前建成的柔性高壓直流輸電工程都是采用斷開交流側斷路器的方法來切斷直流側故障線路。雖然斷開交流側斷路器可以清除故障電流，但由于交流側斷路器是機械開關，響應速度慢，所以采用這種方法無法做到快速切除。另外在交流斷路器斷開的過程中，續流二極管也承受了巨大的故障電流，可能因此而損壞。

斷開直流斷路器可以快速清除和隔離故障。目前高壓直流斷路器的形式也有很多種，比如常規機械式、固態式以及這兩種的混合型。但是，目前高壓直流斷路器價格昂貴，技術還不成熟。

因此，具備直流短路故障自清除能力的多電平換流器是一種新的研究方向，具有直流故障自阻斷能力的不對稱雙子模塊結構以其經濟性較好受到青睞。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器，該裝置能自動阻斷多電平換流器直流側的故障電流，實現多電平換流器直流側的故障自愈。

本發明的技術解決方案如下：

一種基于不對稱雙子模塊和半橋子模塊的多電平換流器，特點在于其構成包括三相結構相同的多電平換流器，每相都由上橋臂和下橋臂構成，所述的上橋臂和下橋臂各由i個半橋子模塊與N-i個不對稱雙子模塊串接組成，所述的上橋臂的第1個子模塊的自由端與多電平換流器的直流母線的正極相連，所述的下橋臂的第N個子模塊的自由端與多電平換流器的直流母線的負極相連，所述的上橋臂的第N個雙子模塊的自由端與下橋臂的第1個子模塊的自由端與交流線相連；

每個半橋子模塊由兩個全控開關器件及反并聯二極管和一個直流電容構成：兩個全控開關器件串聯且形成子模塊的直流正負極，兩個二極管分別與所述的兩個全控開關器件反并聯，所述的直流電容與所述的兩個串聯的全控開關器件并聯，所述的兩個全控開關器件的連接點和第二全控開關器件的負極作端口串接在每相橋臂的電路中；

每個不對稱雙子模塊構成是：

第一二極管、第二二極管、第三二極管與第四二極管分別與反并聯第一全控開關器件、第二全控開關器件、第三全控開關器件和第四全控開關器件，所述的第一全控開關器件和第二全控開關器件串聯且形成不對稱雙子模塊的直流正負極，第一電容和第二電容串聯后與所述的串聯的第一全控開關器件、第二全控開關器件并聯，所述的第三全控開關器件與第四全控開關器件串聯，所述的第三全控開關器件的另一端與第一電容和第二電容的連接點相連，所述的第四全控開關器件的另一端與所述的不對稱雙子模塊的直流負極相連，第一全控開關器件與第二全控開關器件的連接點和第三全控開關器件與第四全控開關器件的連接點作為不對稱雙子模塊的端口串接在每相橋臂的電路中；

其中，N為大于2的整數，i<N的整數。

本發明多電平換流器直流故障自愈的原理如下：

1)定義流進不對稱雙子模塊的電流i方向為正，直流側發生故障時，閉鎖所有的第一全控開關器件、第二全控開關器件、第三全控開關器件和第四全控開關，在不對稱雙子模塊拓撲結構中，閉鎖后當電流方向為正時，不對稱雙子模塊內部的電流通路為第一二極管，第一電容，第二電容和第四二極管；當電流方向為負時，不對稱雙子模塊內部的電流通路為第三二極管，第二電容和第二二極管；

(2)當i>0時，每個電流通路里面都含有2N個第1二極管，第一電容，第二電容和第4二極管，根據基爾霍夫電壓定律，得出下式：