一種模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路及其控制方法，該電路包括共用直流穩(wěn)壓電容器的工作電路和冗余電路，工作電路的進(jìn)線端和冗余電路的進(jìn)線端通過開關(guān)連接，工作電路和冗余電路均為普通子模塊功率電路。本發(fā)明工作電路與冗余電路共用一個(gè)直流穩(wěn)壓電容器，每一個(gè)冗余電路節(jié)約一個(gè)電容器，隨著冗余電路數(shù)量的增加，可以有效節(jié)約多個(gè)電容器，降低硬件成本和優(yōu)化資源配置，同時(shí)還能夠工作于三種工作模式，當(dāng)工作電路部分器件故障時(shí)，剩余器件還能繼續(xù)工作，有效提高了器件的利用率和系統(tǒng)的可靠性。
【專利說明】一種模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路及其控制方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于柔性直流輸電【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路及其控制方法。
[0003]
【背景技術(shù)】 [0004]柔性直流輸電技術(shù)是一種基于電壓源型換流器的新型高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)，隨著高壓直流輸電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得柔性直流輸電技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，目前已經(jīng)取得了很多成果，進(jìn)而也促進(jìn)了高壓直流輸電系統(tǒng)的快速發(fā)展。模塊化多電平(MMC)技術(shù)作為一種新型的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，憑借其結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在柔性直流輸電【技術(shù)領(lǐng)域】有著較好的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)多電平換流器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下三種:二極管鉗位型、電容器鉗位型和H橋級(jí)聯(lián)型。二極管鉗位型需要大量鉗位二極管，直流側(cè)電壓均衡問題復(fù)雜；電容器鉗位型需要大量電容器，換流器控制復(fù)雜。這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電平擴(kuò)展難度大，難以適用于高壓場(chǎng)合。H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)涫钱?dāng)今國內(nèi)外多電平領(lǐng)域的主流結(jié)構(gòu)，該拓?fù)鋽U(kuò)展靈活，不存在電容器均壓?jiǎn)栴}，具有高度的穩(wěn)定性和可靠性。但在高壓變頻領(lǐng)域，該拓?fù)湫枰捎靡葡嘧儔浩?，制造難度、成本、體積大大增加，在一定程度上也限制了 H橋級(jí)聯(lián)型拓?fù)涞倪M(jìn)一步應(yīng)用。模塊化多電平技術(shù)，克服了傳統(tǒng)多電平技術(shù)的缺點(diǎn)，借助其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，高度模塊化，集成度高，拓展容易，冗余設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，無需輔助均壓設(shè)備，降低了控制復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化了硬件成本。因此，模塊化多電平技術(shù)在柔性直流輸電【技術(shù)領(lǐng)域】受到廣泛的關(guān)注，有著巨大的應(yīng)用前景。
[0005]柔性直流輸電技術(shù)主要是應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)中，長期、穩(wěn)定的運(yùn)行是該技術(shù)的關(guān)鍵。該技術(shù)的核心部分就是模塊化多電平技術(shù)，如何保證模塊化多電平換流器模塊的正常、可靠地工作將是一個(gè)重要的課題。實(shí)際上，隨著模塊化多電平換流器模塊數(shù)量的增加，使用時(shí)間的加長，模塊器件的損壞是不可不免的，如何在模塊損壞后，還能夠使得模塊化多電平換流器繼續(xù)正常工作，否則將會(huì)影響輸配電系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)造成損失，因此這是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。再次背景之下，模塊冗余的思想就應(yīng)運(yùn)而生，通過配置一定數(shù)量的冗余模塊，當(dāng)某些模塊損壞后，立即投入冗余模塊，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但是，模塊冗余數(shù)量的選擇又成為了一個(gè)難題，冗余模塊數(shù)量配置越多，系統(tǒng)可靠性越高，但是成本較高，冗余模塊利用率較差，不經(jīng)濟(jì)；冗余模塊數(shù)量配置越少，成本較低，但是系統(tǒng)的可靠性得不到保障。因此，合理有效的配置模塊冗余數(shù)量就變得十分重要了。但是，目前并沒有具體、有效的模塊冗余配置方法。
[0006]針對(duì)模塊冗余數(shù)量的配置方法，當(dāng)前在柔性直流輸電【技術(shù)領(lǐng)域】中，主要是根據(jù)保守原則，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況來選擇模塊冗余數(shù)量。目前，模塊冗余數(shù)量的配置研究較少，相關(guān)文獻(xiàn)不多，相關(guān)文獻(xiàn)給出了模塊冗余數(shù)量的大概范圍，但是依然需要結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。在現(xiàn)有的模塊冗余配置中，冗余模塊結(jié)構(gòu)保持不變，每個(gè)模塊由二個(gè)功率開關(guān)、二個(gè)反并聯(lián)二極管和一個(gè)電容器構(gòu)成，但是考慮到電容器不易損壞，可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于功率開關(guān)和二極管，本發(fā)明提供了一種基于共用直流穩(wěn)壓電容器的模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路。該電路將工作電路與冗余電路共用直流穩(wěn)壓電容器，有效節(jié)約一個(gè)電容器，還可以工作于三種工作模式，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]技術(shù)問題:為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種有效節(jié)約電容器、提高了系統(tǒng)可靠性的模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路，同時(shí)提供了一種故障電路切換控制方法。
技術(shù)方案:本發(fā)明的模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路，包括共用直流穩(wěn)壓電容器的工作電路和冗余電路，工作電路的進(jìn)線端和冗余電路的進(jìn)線端通過開關(guān)連接，工作電路和冗余電路均為普通子模塊功率電路。
[0009]本發(fā)明的模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路中，工作電路包括依次正向串聯(lián)的第一開關(guān)、第一單管功率模塊、第二單管功率模塊和第二開關(guān)，第一單管功率模塊和第二單管功率模塊之間為進(jìn)線端；
冗余電路包括依次正向串聯(lián)的第三開關(guān)、第三單管功率模塊、第四單管功率模塊和第四開關(guān)，第三單管功率模塊和第四單管功率模塊之間為進(jìn)線端；冗余電路的進(jìn)線端通過第五開關(guān)與工作電路的進(jìn)線端連接；
工作電路的第一單管功率模塊通過第一開關(guān)與直流穩(wěn)壓電容器的正極連接，第二單管功率模塊通過第二開關(guān)與直流穩(wěn)壓電容器的負(fù)極連接，冗余電路的第三單管功率模塊通過第三開關(guān)與直流穩(wěn)壓電容器的正極連接，第四單管功率模塊通過第四開關(guān)與直流穩(wěn)壓電容器的負(fù)極連接。
[0010]本發(fā)明的基于上述模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路進(jìn)行故障電路切換控制的方法，具體包括:
當(dāng)僅有第一單管功率模塊故障時(shí)，斷開第一開關(guān)，導(dǎo)通第三開關(guān)和第五開關(guān)；
當(dāng)僅有第二單管功率模塊故障時(shí)，斷開第二開關(guān)，導(dǎo)通第四開關(guān)和第五開關(guān)；
當(dāng)?shù)谝粏喂芄β誓K和第二單管功率模塊同時(shí)故障時(shí)，斷開第一開關(guān)和第二開關(guān)，導(dǎo)通第三開關(guān)、第四開關(guān)和第五開關(guān)。
[0011]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明所提供的模塊冗余配置電路將工作電路和冗余電路通過開關(guān)連接共用直流穩(wěn)壓電容器，然而傳統(tǒng)的模塊冗余配置電路一般都是采用兩個(gè)相同的電路，一個(gè)作為工作電路，另外一個(gè)作為冗余電路。首先，本發(fā)明公用直流穩(wěn)壓電容器，可以有效節(jié)約一個(gè)電容器，隨著冗余電路數(shù)量的增加，可以有效節(jié)約多個(gè)電容器，極大節(jié)約硬件成本，優(yōu)化資源配置；其次，傳統(tǒng)冗余配置電路工作時(shí)，當(dāng)工作電路的部分器件故障時(shí)，將切換到冗余電路，工作電路中剩余的器件將無法工作，本發(fā)明克服了這一點(diǎn)，由于工作電路和冗余電路通過開關(guān)合理的相接，即使工作電路中部分器件故障，剩余的器件連同冗余電路中的器件仍能繼續(xù)工作，這樣就極大地提高了器件的利用率，提高了系統(tǒng)的可靠性和工作效率；最后，傳統(tǒng)冗余配置電路故障時(shí)，由于工作電路與冗余電路是分開的，一般情況下冗余電路中的直流穩(wěn)壓電容器沒有電壓，當(dāng)冗余電路工作時(shí)，直流穩(wěn)壓電容器存在一個(gè)電容器充電過程，延長了動(dòng)態(tài)時(shí)間，本發(fā)明由于共用直流穩(wěn)壓電容器，自然就不存在直流穩(wěn)壓電容器的充電過程，從而提聞了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。
[0012]2.本發(fā)明所提供的模塊冗余配置電路的故障電路切換控制方法，可以簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行故障電路切換，工作于三種工作模式，分別為僅第一單管功率模塊故障時(shí)工作模式，僅第二單管功率模塊故障時(shí)工作模式，第一單管功率模塊和第二單管功率模塊同時(shí)故障時(shí)工作模式，而傳統(tǒng)方法只能工作于一種模式，即只要發(fā)生故障，就切換到冗余模塊，本發(fā)明所提供的故障電路切換控制方法應(yīng)用到模塊冗余配置電路中，當(dāng)工作模塊部分器件故障時(shí)，剩余器件連 同冗余電路中的器件仍然繼續(xù)工作，可以有效提高器件的利用率和系統(tǒng)的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明傳統(tǒng)單個(gè)模塊SM的結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2為本發(fā)明單管功率模塊電路結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3為本發(fā)明傳統(tǒng)模塊冗余配置電路結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖4為本發(fā)明模塊冗余配置電路結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖5為本發(fā)明模塊冗余配置電路正常工作模式。
[0018]圖6為本發(fā)明模塊冗余配置電路僅第一單管功率模塊故障時(shí)工作模式。
[0019]圖7為本發(fā)明模塊冗余配置電路僅第二單管功率模塊故障時(shí)工作模式。
[0020]圖8為本發(fā)明模塊冗余配置電路第一單管功率模塊和第二單管功率模塊同時(shí)故障時(shí)工作模式。
[0021]圖中有:第一單管功率模塊K1、第二單管功率模塊K2、第三單管功率模塊K3、第四單管功率模塊K4、第一開關(guān)兄、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)&、第四開關(guān)S4、第五開關(guān)&，直流穩(wěn)壓電容器C、絕緣柵雙極性晶體管八二極管隊(duì)
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合說明書附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0024]圖1是本發(fā)明傳統(tǒng)單個(gè)模塊SM的結(jié)構(gòu)圖，該電路由第一單管功率模塊K1、第二單管功率模塊V2和直流穩(wěn)壓電容器C組成。圖2是本發(fā)明單管功率模塊電路結(jié)構(gòu)圖，該電路由一個(gè)絕緣柵雙極性晶體管和二極管D反向并聯(lián)構(gòu)成，即絕緣柵雙極性晶體管T的集電極與二極管D的負(fù)極連接，絕緣柵雙極性晶體管T的發(fā)射極與二極管D的正極連接。
[0025]圖3是本發(fā)明傳統(tǒng)模塊冗余配置電路結(jié)構(gòu)圖，該電路由工作模塊和冗余模塊構(gòu)成。當(dāng)模塊正常工作時(shí)，導(dǎo)通第一單管功率模塊K1和第四單管功率模塊K4,斷開第二單管功率模塊K2和第三單管功率模塊K3,工作模塊投入運(yùn)行；當(dāng)模塊發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)通第二單管功率模塊K2和第三單管功率模塊K3,斷開第一單管功率模塊V1和第四單管功率模塊K4，冗余模塊投入運(yùn)行。
[0026]圖4是本發(fā)明模塊冗余配置電路結(jié)構(gòu)圖。該電路包括共用直流穩(wěn)壓電容器的工作電路和冗余電路，工作電路的進(jìn)線端和冗余電路的進(jìn)線端通過開關(guān)連接，工作電路和冗余電路均為普通子模塊功率電路。
[0027]工作電路包括依次正向串聯(lián)的第一開關(guān)兄、第一單管功率模塊K1、第二單管功率模塊V2和第二開關(guān)S2，第一單管功率模塊K1和第二單管功率模塊K2之間為進(jìn)線端；
冗余電路包括依次正向串聯(lián)的第三開關(guān)S3、第三單管功率模塊K3、第四單管功率模塊K4和第四開關(guān)S4，第三單管功率模塊K3和第四單管功率模塊K4之間為進(jìn)線端；冗余電路的進(jìn)線端通過第五開關(guān)S5與工作電路的進(jìn)線端連接；
工作電路的第一單管功率模塊K1通過第一開關(guān)兄與直流穩(wěn)壓電容器C的正極連接，第二單管功率模塊K2通過第二開關(guān)S2與直流穩(wěn)壓電容器C的負(fù)極連接，冗余電路的第三單管功率模塊K3通過第三開關(guān)S3與直流穩(wěn)壓電容器C的正極連接，第四單管功率模塊K4通過第四開關(guān)與直流穩(wěn)壓電容器C的負(fù)極連接。
[0028]圖5是本發(fā)明模塊冗余配置電路正常工作模式。當(dāng)模塊正常工作時(shí)，導(dǎo)通第一單管功率模塊K1和第二單管功率模塊K2,斷開第三單管功率模塊K3、第四單管功率模塊K4和第五單管功率模塊f5。
[0029]圖6是本發(fā)明模塊冗余配置電路僅第一單管功率模塊故障時(shí)工作模式。當(dāng)僅有第一單管功率模塊K1故障時(shí)，斷開第一開關(guān)兄，導(dǎo)通第三開關(guān)S3和第五開關(guān)S5 ；圖7是本發(fā)明模塊冗余配置電路僅第二單管功率模塊故障時(shí)工作模式。當(dāng)僅有第二單管功率模塊K2故障時(shí)，斷開第二開關(guān)，導(dǎo)通第四開關(guān)和第五開關(guān)A ;圖8是本發(fā)明模塊冗余配置電路第一單管功率模塊和第二單管功率模塊同時(shí)故障時(shí)工作模式。當(dāng)?shù)谝粏喂芄β誓KK1和第二單管功率模塊K2同時(shí)故障時(shí)，斷開第一開關(guān)兄和第二開關(guān)S2,導(dǎo)通第三開關(guān)&、第四開關(guān)S4和第五開關(guān)X。
[0030]本發(fā)明提供了 一種模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路及其控制方法。該電路將工作電路與冗余電路通過開關(guān)連接共用直流穩(wěn)壓電容器，每一個(gè)冗余電路節(jié)約一個(gè)電容器，隨著冗余電路數(shù)量的增加，可以有效節(jié)約多個(gè)電容器，降低硬件成本和優(yōu)化資源配置，同時(shí)還能夠工作于三種工作模式，當(dāng)工作電路部分器件故障時(shí)，剩余器件還能繼續(xù)工作，有效提高了器件的利用率和系統(tǒng)的可靠性。
[0031]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路，其特征在于，該電路包括共用直流穩(wěn)壓電容器的工作電路和冗余電路，所述工作電路的進(jìn)線端和冗余電路的進(jìn)線端通過開關(guān)連接，所述工作電路和冗余電路均為普通子模塊功率電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路，其特征在于，所述工作電路包括依次正向串聯(lián)的第一開關(guān)(兄)、第一單管功率模塊(^)、第二單管功率模塊(V2)和第二開關(guān)(?)，所述第一單管功率模塊(K1)和第二單管功率模塊(K2)之間為進(jìn)線端; 所述冗余電路包括依次正向串聯(lián)的第三開關(guān)(S)、第三單管功率模塊(κ3)、第四單管功率模塊(K4)和第四開關(guān)(5.4)，第三單管功率模塊(K3)和第四單管功率模塊(K4)之間為進(jìn)線端；冗余電路的進(jìn)線端通過第五開關(guān)(S5)與工作電路的進(jìn)線端連接； 工作電路的第一單管功率模塊(K1)通過第一開關(guān)(兄)與直流穩(wěn)壓電容器(CO的正極連接，第二單管功率模塊(K2)通過第二開關(guān)(?)與直流穩(wěn)壓電容器(O的負(fù)極連接，冗余電路的第三單管功率模塊(K3)通過第三開關(guān)(S3)與直流穩(wěn)壓電容器(O的正極連接，第四單管功率模塊(K4)通過第四開關(guān)(5.4)與直流穩(wěn)壓電容器(CO的負(fù)極連接。
3.一種基于權(quán)利要求1或2所述模塊化多電平換流器模塊冗余配置電路進(jìn)行故障電路切換控制的方法，其特征在于，該方法具體包括: 當(dāng)僅有第一單管功率模塊(K1)故障時(shí)，斷開第一開關(guān)(兄)，導(dǎo)通第三開關(guān)(S3)和第五開關(guān)(S5); 當(dāng)僅有第二單管功率模塊(K2)故障時(shí)，斷開第二開關(guān)(5.2)，導(dǎo)通第四開關(guān)(S4)和第五開關(guān)(A); 當(dāng)?shù)谝粏喂芄β誓K(K1)和第二單管功率模塊(K2)同時(shí)故障時(shí)，斷開第一開關(guān)(兄)和第二開關(guān)C?2)，導(dǎo)通第三開關(guān)(&`)、第四開關(guān)(S4)和第五開關(guān)(X)。
【文檔編號(hào)】H02M7/217GK103746575SQ201410012271
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】譚風(fēng)雷, 滕春陽, 苗振林 申請(qǐng)人:東南大學(xué)