本發(fā)明涉及一種帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器，屬于電氣自動化設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

模塊化多電平電壓源變流器在實現(xiàn)架空線直流輸電時，需解決直流側(cè)短路的保護(hù)問題。目前常用的方法有：1)模塊化多電平功率模塊(MMC功率模塊)橋臂下管反并聯(lián)可控硅，利用該可控硅來承受大的短路電流，并等待交流側(cè)開關(guān)跳閘；2)采用鉗位雙子模塊(CDSM)中的保護(hù)IGBT來實現(xiàn)直流短路電流的快速關(guān)斷。CDSM的缺點是：1)保護(hù)IGBT及相應(yīng)的鉗位二極管電壓電流容量與主功率器件相同，成本高；2)保護(hù)IGBT及其續(xù)流二極管輪換工作在導(dǎo)通狀態(tài)，由于其正向壓降大，導(dǎo)通損耗大。因此，如果全部采用CDSM模塊會導(dǎo)致模塊化多電平換流器成本高，損耗大。需要一種成本較低且運行損耗較小的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器，以克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，使用部分CDSM模塊及部分常規(guī)MMC功率模塊構(gòu)成混合模塊化多電平換流器來實現(xiàn)直流短路電流的清除，降低變流器整體成本并降低運行損耗。

本發(fā)明提出的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器，包括三臺上換流臂、三臺下?lián)Q流臂、第一組三臺濾波電抗器和第二組三臺濾波電抗器；所述的三臺上換流臂的三個正極端連接到一起后作為所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的直流正極端，三臺上換流臂的三個負(fù)極端分別連接到第一組三臺濾波電抗器的一端，第一組三臺濾波電抗器的另一端分別作為所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的三相交流相線端；三臺下?lián)Q流臂的三個負(fù)極端連接到一起后作為所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的直流負(fù)極端，三臺下?lián)Q流臂的三個正極端分別連接到第二組三臺濾波電抗器的一端，第二組三臺濾波電抗器的另一端分別連接到所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的三相交流相線端。

上述帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器中，所述的上換流臂和下?lián)Q流臂，分別包括多個A型功率模塊以及多個B型功率模塊，多個A型功率模塊和多個B型功率模塊采用串聯(lián)連接形成一個正極端和一個負(fù)極端。

上述上換流臂和下?lián)Q流臂中的A型功率模塊，包括第一直流電容器C1、第二直流電容器C2、第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4、第五半導(dǎo)體開關(guān)S5、第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4、第五續(xù)流二極管D5、阻容吸收電路CS/RS、均壓電阻RJ、第一充電二極管D6、第二充電二極管D7和限流電阻RL；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4和第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極分別與所述的第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4和第五續(xù)流二極管D5的陰極相連接，所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4和第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的發(fā)射極分別與所述的第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4和第五續(xù)流二極管D5的陽極相連接；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1的發(fā)射極和第二半導(dǎo)體開關(guān)S2的集電極相連接作為A型功率模塊的正極端，所述的第三半導(dǎo)體開關(guān)S3的發(fā)射極和所述的第四半導(dǎo)體開關(guān)S4的集電極相連接作為A型功率模塊的負(fù)極端；所述的第一直流電容器C1的正極端與所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1的集電極相連接，第一直流電容器C1的負(fù)極端與第二半導(dǎo)體開關(guān)S2的發(fā)射極以及第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的發(fā)射極相連接；所述的第二直流電容器C2的正極端與第三半導(dǎo)體開關(guān)S3的集電極以及第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極相連接，第二直流電容器C2的負(fù)極端與第四半導(dǎo)體開關(guān)S4的發(fā)射極相連接；所述的阻容吸收電路CS/RS和所述的均壓電阻RJ分別并聯(lián)于第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極和發(fā)射極；所述的第一充電二極管D6的陽極連接到第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極，所述的第一充電二極管D6的陰極連接到第一半導(dǎo)體開關(guān)S1的集電極；所述的第二充電二極管D7的陰極連接到所述的第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的發(fā)射極，所述的第二充電二極管D7的陽極連接到限流電阻RL的一端，所述的限流電阻RL的另一端連接到所述的第四半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極。

上述上換流臂和下?lián)Q流臂中的B型功率模塊，包括直流電容器C3、第六半導(dǎo)體開關(guān)S6、第七半導(dǎo)體開關(guān)S7、第八續(xù)流二極管D8和第九續(xù)流二極管D9；所述的第六半導(dǎo)體開關(guān)S6和第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的集電極分別與所述的第八續(xù)流二極管D8的陰極和第九續(xù)流二極管D9的陰極相連接，第六半導(dǎo)體開關(guān)S6和第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的發(fā)射極分別與所述的第八續(xù)流二極管D8的陽極和第九續(xù)流二極管D9的陽極相連接；所述的第六半導(dǎo)體開關(guān)S6的發(fā)射極和第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的集電極相連接作為B型功率模塊的正極端；所述的直流電容器C3的正極端與所述的第六半導(dǎo)體開關(guān)S6的集電極相連接，直流電容器C3的負(fù)極端與第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的發(fā)射極相連接，作為B型功率模塊的負(fù)極端。

本發(fā)明提出的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器，其優(yōu)點是：使用部分CDSM模塊及部分常規(guī)MMC功率模塊構(gòu)成混合模塊化多電平換流器來實現(xiàn)直流短路電流的清除，降低變流器整體成本并降低運行損耗?；诒景l(fā)明的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器可以應(yīng)用于架空線柔性直流輸電(VSC-HVDC)等。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的電路原理圖。

圖2為圖1所示的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器中上換流臂和下?lián)Q流臂的電路原理圖。

圖3為圖2所示的上換流臂和下?lián)Q流臂中A型功率模塊的電路原理圖。

圖4和圖5分別為圖2所示的上換流臂和下?lián)Q流臂中A型功率模塊的另外兩種電路原理圖。

圖6為圖2所示的上換流臂和下?lián)Q流臂中B型功率模塊的電路原理圖。

圖7為圖2所示的上換流臂和下?lián)Q流臂中B型功率模塊的另一種電路原理圖。

圖8為帶直流短路保護(hù)功能的功率模塊電路原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器，包括三臺上換流臂、三臺下?lián)Q流臂、第一組三臺濾波電抗器和第二組三臺濾波電抗器；所述的三臺上換流臂的三個正極端連接到一起后作為所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的直流正極端，三臺上換流臂的三個負(fù)極端分別連接到第一組三臺濾波電抗器的一端，第一組三臺濾波電抗器的另一端分別作為所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的三相交流相線端；三臺下?lián)Q流臂的三個負(fù)極端連接到一起后作為所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的直流負(fù)極端，三臺下?lián)Q流臂的三個正極端分別連接到第二組三臺濾波電抗器的一端，第二組三臺濾波電抗器的另一端分別連接到所述的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的三相交流相線端。

如圖1所示，帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器包括三臺上換流臂(1)、三臺下?lián)Q流臂(2)、兩組六臺濾波電抗器(3)。三臺上換流臂(1)的正極端連接到一起后作為帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的直流正極端DC+；三臺上換流臂(1)的負(fù)極端分別連接到第一組三臺濾波電抗器LA1、LB1、LC1的一端，LA1、LB1、LC1的另一端分別作為帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的三相交流相線端A、B、C。三臺下?lián)Q流臂(2)的負(fù)極端連接到一起后作為帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的直流負(fù)極端DC-；三臺下?lián)Q流臂(2)的正極端分別連接到第二組三臺濾波電抗器LA2、LB2、LC2的一端，第二組三臺濾波電抗器的另一端分別連接到帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器的三相交流相線端A、B、C。

如圖2所示，帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器中的上換流臂和下?lián)Q流臂分別包括多個A型功率模塊和多個B型功率模塊，所有A型功率模塊和B型功率模塊采用串聯(lián)連接(一個A型功率模塊或B型功率模塊的正極端連接到另一個A型功率模塊或B 型功率模塊的負(fù)極端)形成一個正極端“+”和一個負(fù)極端“-”。

如圖3所示，上換流臂和下?lián)Q流臂中的每個A型功率模塊，包括第一直流電容器C1、第二直流電容器C2、第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4、第五半導(dǎo)體開關(guān)S5、第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4、第五續(xù)流二極管D5、阻容吸收電路CS/RS、均壓電阻RJ、第一充電二極管D6、第二充電二極管D7、限流電阻RL；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4和第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極分別與所述的第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4和第五續(xù)流二極管D5的陰極相連接，所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4和第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的發(fā)射極分別與所述的第一續(xù)流二極管D1、第二續(xù)流二極管D2、第三續(xù)流二極管D3、第四續(xù)流二極管D4和第五續(xù)流二極管D5的陽極相連接；所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極S1和第二半導(dǎo)體開關(guān)S2的集電極相連接作為A型功率模塊的正極端，所述的第三半導(dǎo)體開關(guān)S3的發(fā)射極和所述的第四半導(dǎo)體開關(guān)S4的集電極相連接作為A型功率模塊的負(fù)極端；所述的第一直流電容器C1的正極端與所述的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1的集電極相連接，第一直流電容器C1的負(fù)極端與第二半導(dǎo)體開關(guān)S2的發(fā)射極以及第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的發(fā)射極相連接；所述的第二直流電容器C2的正極端與第三半導(dǎo)體開關(guān)S3的集電極以及第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極相連接第二直流電容器C2的負(fù)極端與第四半導(dǎo)體開關(guān)S4的發(fā)射極相連接；所述的阻容吸收電路CS/RS和所述的均壓電阻RJ分別并聯(lián)于第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極和發(fā)射極；所述的第一充電二極管D6的陽極連接到第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的集電極，所述的第一充電二極管D6的陰極連接到第一半導(dǎo)體開關(guān)S1的集電極；所述的第二充電二極管D7的陰極連接到所述的第五半導(dǎo)體開關(guān)S5的發(fā)射極，所述的第二充電二極管D7的陽極連接到限流電阻RL的一端，所述的限流電阻RL的另一端連接到所述的第四半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)射極。

如圖6所示，上換流臂和下?lián)Q流臂中的B型功率模塊，包括直流電容器C3、第六半導(dǎo)體開關(guān)S6、第七半導(dǎo)體開關(guān)S7、第八續(xù)流二極管D8和第九續(xù)流二極管D9；所述的第六半導(dǎo)體開關(guān)S6和第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的集電極分別與所述的第八續(xù)流二極管D8的陰極和第九續(xù)流二極管D9的陰極相連接，第六半導(dǎo)體開關(guān)S6和第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的發(fā)射極分別與所述的第八續(xù)流二極管D8的陽極和第九續(xù)流二極管D9的陽極相連接；所述的第六半導(dǎo)體開關(guān)S6的發(fā)射極和第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的集電極相連接作為B型功率模塊的正極端；所述的直流電容器C3的正極端與所述的第六半導(dǎo)體開關(guān)S6的集電極相連接；所述的直流電容器C3的負(fù)極端與第七半導(dǎo)體開關(guān)S7的發(fā)射極相連接，作為B型功率模塊的負(fù)極端。

本發(fā)明的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器，B型功率模塊為常規(guī)MMC功率模塊。而對于A型功率模塊，在上電充電初期，S5不導(dǎo)通。當(dāng)直流電容C1、C2電壓建立到使模塊控制電路工作后，S5被施加門極導(dǎo)通信號，通過S5和D5使C1、C2繼續(xù)充電過程直到充電結(jié)束。正常工作時，一直對第五半導(dǎo)體開關(guān)S5施加門極導(dǎo)通驅(qū)動信號，使S5一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)檢測出換流器直流側(cè)短路故障時，A型功率模塊的第一半導(dǎo)體開關(guān)S1、第二半導(dǎo)體開關(guān)S2、第三半導(dǎo)體開關(guān)S3、第四半導(dǎo)體開關(guān)S4和第五半導(dǎo)體開關(guān)S5立即閉鎖關(guān)斷，B型功率模塊的S6和S7也立即閉鎖，短路電流會迅速下降，從而有效保護(hù)A型功率模塊和B型功率模塊電路中的半導(dǎo)體開關(guān)和續(xù)流二極管。之后，交流線電壓會通過短路的直流側(cè)對A型功率模塊的直流電容器C1和C2充電，而B型功率模塊的直流側(cè)電容器C3則避免了這種充電過程。如果A型功率模塊數(shù)為M，B型功率模塊數(shù)為N，交流線電壓額定有效值為U，總額定直流電壓為2U，則單個功率模塊額定直流電壓為2U/(2M+N)，直流側(cè)短路后，A型功率模塊直流電壓將會充電到1.414U/2M，為了使得該電壓不超過正常運行時的功率模塊額定直流電壓，必須使1.414U/2M小于2U/(2M+N)，也就是當(dāng)M大于1.21N時，直流側(cè)發(fā)生短路故障導(dǎo)致所有A、B型功率模塊中半導(dǎo)體開關(guān)器件閉鎖關(guān)斷后，A型功率模塊直流側(cè)電壓充電結(jié)束后可保持小于原來正常工作時的額定直流電壓。由于使用了相當(dāng)數(shù)量的常規(guī)MMC功率模塊而不是全部都使用CDSM功率模塊，因而可以大幅降低CDSM模塊中增加保護(hù)IGBT及其反并聯(lián)二極管導(dǎo)致的額外損耗和成本。D6、D7、RL在換流器啟動過程中提供整流充電回路，而RL起到在S5關(guān)斷時限制流入D7的電流大小的作用，使得D7可選擇較小電流容量的二極管。CS/RS及RJ使得S5在斷開后能和其他串聯(lián)的A型功率模塊內(nèi)的S5保持均壓。

上換流臂和下?lián)Q流臂中的A型功率模塊也可以采用如圖4和圖5所示的變形電路，上電進(jìn)行初始充電使控制電源建立后，S5被施加門極導(dǎo)通信號，之后C1和C2也一樣可繼續(xù)完成充電過程。而直流短路后的保護(hù)動作過程也一樣。其中的B型功率模塊也可以采用如圖7所示的變形電路。

另外，圖4所示A型功率模塊使用時由圖8所示電路與圖7所示電路串聯(lián)組合而成，圖5所示A型功率模塊使用時由圖8所示電路與圖6所示電路串聯(lián)組合而成，實際產(chǎn)品使用時可按此拆分成兩個串聯(lián)的功率模塊。

本發(fā)明的帶直流短路故障保護(hù)的混合模塊化多電平換流器中，其關(guān)鍵是使用了相當(dāng)數(shù)量的B型功率模塊和A型功率模塊混合工作，從而降低了正常運行時換流器的損耗，并降低了換流器的成本。A型功率模塊和B型功率模塊在上換流臂及下?lián)Q流臂中的使用數(shù)量可以分別進(jìn)行不同組合。任何基于本發(fā)明電路所作的等效變換電路，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。