[發明專利]三電平輸出的MMC子模塊及具有該子模塊的換流器

在審

• 申請號: 201710682871.X
• 申請日: 2017-08-10
• 公開（公告）號: CN107370394A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 孟明;蘇亞慧;吳亞帆
• 申請（專利權）人: 華北電力大學（保定）
• 主分類號: H02M7/00
• 分類號: H02M7/00;H02J3/36
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種MMC電路。特別是涉及一種具備直流故障穿越能力的三電平輸出的MMC子模塊及具有該子模塊的換流器

背景技術

柔性直流輸電系統不存在傳統高壓直流輸電系統的換相失敗問題，是新型直流輸電系統的主要發展方向。換流器是柔性直流輸電系統的重要設備，包含但不限于兩電平換流器、二極管鉗位型換流器以及模塊化多電平換流器(MMC)。其中，MMC為一種采用子模塊級聯的三相六橋臂結構，每相所包含的上下橋臂均由規格統一的子模塊組成，在子模塊個數較多的情況下，MMC可以輸出高質量波形，且冗余子模塊的存在為系統提供了較強的故障處理能力，同時，MMC子模塊結構簡單便于組裝制造。因此，MMC換流器成為最具有發展前景的換流器。

采用MMC的柔性直流輸電系統不可避免會遇到直流側短路故障，尤其是采用架空線路的輸電系統。MMC通常采用半橋子模塊、全橋子模塊和鉗位雙子模塊三種結構。對于采用半橋子模塊的MMC，系統發生直流側單極接地或雙極短路故障通常需要斷開交流側斷路器以防止交流側通過二極管通路向故障點注入電流。然而，斷路器重啟時間較長，系統的穩定性無法得到有效保障，特別是在發生瞬時直流故障時，斷路器的頻繁動作會嚴重影響正常電力傳輸。直流斷路器也是一種阻斷故障電流的有效方式，但是其投資成本高，運行不穩定，目前并不適用于工程的實際應用。

全橋子模塊MMC可以通過閉鎖開關管在不斷開斷路器的情況下實現直流故障穿越，但其在采用4個開關管的情況下最大僅輸出單電平，器件個數的增多會造成換流站建設成本的成倍增長。鉗位雙子模塊可輸出多電平，可在附加功率器件作用下阻斷故障電流通路實現故障穿越。雖然該結構減少了功率器件的數量，但其附加器件的額定電壓水平為其它器件的一倍。由于電力電子器件由于制造工藝限制，額定電壓等級越高則造價成比例增長，因此鉗位型雙子模塊并沒有有效降低實際的經濟效益。

鑒于上述問題，改進MMC子模塊拓撲，減少子模塊功率器件的個數或降低功率器件額定電壓水平并使其具備直流故障穿越能力對于柔性直流輸電的穩定運行和建設投資有著重要意義。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種在實現直流故障穿越的同時，克服由于器件數目或器件電壓等級所造成的成本高的缺陷的三電平輸出的MMC子模塊及具有該子模塊的換流器。

本發明所采用的技術方案是：一種三電平輸出的MMC子模塊，包括依次串聯連接的第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第五開關，所述第一開關與第二開關相連的端連接第二電容的一端，所述第三開關與第四開關的相連端連接第二電容的另一端，所述第一開關的另一端分別連接第一電容的一端以及第六二極管的負極，所述第四開關與第五開關的相連端連接第一電容的另一端，所述第五開關的另一端連接所述第六二極管的正極，所述第二開關與第三開關相連的交點構成三電平輸出的MMC子模塊的正極，所述第五開關與所述第六二極管相連的交點構成三電平輸出的MMC子模塊的負極。

所述的第一開關、第二開關、第三開關、第四開關和第五開關結構相同，均是由一個全控型電力電子器件與一個二極管反并聯連接構成，即，所述全控型電力電子器件的漏極連接二極管的負極，所述全控型電力電子器件的源極連接二極管的正極，其中，第一開關、第二開關、第三開關和第四開關均是前一個開關中的全控型電力電子器件的源極和二極管的正極共同連接下一個開關中的全控型電力電子器件的漏極和二極管的負極，且第一開關中的第一全控型電力電子器件的漏極和第一二極管的負極共同連接第一電容的一端以及連接第六二極管的負極，而第五開關是其中的第五全控型電力電子器件的源極和第五二極管的正極共同連接上一個開關即第四開關中的第四全控型電力電子器件的源極和第四二極管的正極，所述第五全控型電力電子器件漏極和第五二極管的負極共同連接第六二極管的正極，以及構成三電平輸出的MMC子模塊的負極。

所述的全控型電力電子器件是絕緣柵雙極型晶體管，或是集成門極換流晶閘管，或是門極可關斷晶閘管，或是電子注入增強柵晶體管。