一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构的制作方法

本发明涉及柔性直流输电设备技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构。

背景技术

对于柔性直流输电系统在直流侧发生故障的情况，现阶段的故障清除方法包括：(1)利用MMC自身控制策略来清除直流侧故障电流，但这一方法清楚直流侧故障电流的效果不佳；(2)在直流侧配有直流断路器，从而在故障发生时隔离直流故障，但针对高压大容量直流断路器的发展尚不成熟，且制作成本较高；(3)利用交流侧设备断开与交流侧电源的连接，运用交流断路器切断交流侧电源，但这一方法清楚故障的时间较长，导致每次直流侧故障清除时，都会造成整个电力系统停运，从而严重影响柔性输电系统的可用率。

综上所述，提出一种具有故障清除能力的MMC子模块拓扑结构，从而在经济可行的情况下快速实现直流故障的清除，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，用于在经济可行的情况下快速实现直流故障的清除。

本发明实施例提供的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括：电容、3个二极管及五个全控型器件；第一全控型器件与第一二极管并联组成第一全控型器件模块，第二全控型器件与第二二极管并联组成第二全控型器件模块，第三全控型器件与第三二极管并联组成第三全控型器件模块；

所述第一全控型器件模块的第一侧与电源的第一侧连接，所述第一全控型器件模块的第二侧与所述电容的正极，以及第四全控型器件的第一侧连接；

所述第二全控型器件模块的第一侧分别与所述电源的第二侧、所述第三全控型器件模块的第二侧、以及所述第四全控型器件的第二侧连接，所述第二全控型器件模块的第二侧与所述电源的第一侧连接；

所述第三全控型器件模块的第一侧与所述电容的负极和连接，所述第三全控型器件模块的第二侧与所述电源的第二侧；

第五全控型器件的第一侧与所述电源的第一侧连接，所述第五全控制器件的第二侧与所述第三全控制性器件模块的第一侧连接。

可选地，所述全控型器件为绝缘栅双极晶体管。

可选地，所述第一全控型器件模块为第一绝缘栅双极晶体管的发射极与第一二极管的阳极连接，所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极与所述第一二极管的阴极连接得到；

所述第二绝缘栅双极晶体管模块为第二绝缘栅双极晶体管的发射极与第二二极管的阳极连接，所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极与所述第二二极管的阴极连接得到；

所述第三绝缘栅双极晶体管模块为第三绝缘栅双极晶体管的发射极与第三二极管的阳极连接，所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极与所述第三二极管的阴极连接得到。

可选地，所述第一全控型器件模块的发射极与所述电源的第一侧连接，所述第一全控型器件模块的集电极与所述电容的正极，以及第四全控型器件的发射极连接；

所述第二全控型器件模块的发射极分别与所述电源的第二侧、所述第三全控型器件模块的集电极、以及所述第四全控型器件的集电极连接，所述第二全控型器件模块的集电极与所述电源的第一侧连接；

所述第三全控型器件模块的发射极与所述电容的负极连接，所述第三全控型器件模块的集电极与所述电源的第二侧；

所述第五全控型器件的发射极与所述电源的第一侧连接，所述第五全控制器件的集电极与所述第三全控制性器件模块的发射极连接。

可选地，所述电容具体为直流支撑电容。

可选地，所述全控制器件为电力场效应晶体管。

可选地，所述全控制器件为电力晶体管。

可选地，所述全控制器件为门极可关断晶闸管。

可选地，所述二极管为碳化硅二极管。

可选地，所述二极管为硅基二极管。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明公开的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括：电容、3个二极管及五个全控型器件；第一全控型器件与第一二极管并联组成第一全控型器件模块，第二全控型器件与第二二极管并联组成第二全控型器件模块，第三全控型器件与第三二极管并联组成第三全控型器件模块；所述第一全控型器件模块的第一侧与电源的第一侧连接，所述第一全控型器件模块的第二侧与所述电容的正极，以及第四全控型器件的第一侧连接；所述第二全控型器件模块的第一侧分别与所述电源的第二侧、所述第三全控型器件模块的第二侧、以及所述第四全控型器件的第二侧连接，所述第二全控型器件模块的第二侧与所述电源的第一侧连接；所述第三全控型器件模块的第一侧与所述电容的负极和连接，所述第三全控型器件模块的第二侧与所述电源的第二侧；第五全控型器件的第一侧与所述电源的第一侧连接，所述第五全控制器件的第二侧与所述第三全控制器件模块的第一侧连接。

如此，在正常运行的情况下，第一全控制器件模块与第三全控制器件模块处于开通状态，第二全控制器件模块、第四全控制器件和第五全控制器件处于关断状态，此时电容总是被接入主电路中；而在直流侧发生故障的情况下，第一全控制器件模块、第二全控制器件模块和第三全控制器件模块处于关断状态，第四全控制器件和第五全控制器件处于开通状态，此时电容电压方向与故障电流流通方向相反，从而电容的放电电流会和故障电流相抵消，进而达到故障自清除的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图；

图1为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例的结构示意图；

图2为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在正常情况下的电流路径图之一；

图3为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在正常情况下的电流路径图之二；

图4为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在故障情况下的电流路径图之一；

图5为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在故障情况下的电流路径图之二。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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申请中的具体含义。

请参阅图1，为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例的结构示意图，包括：

电容C、3个二极管及五个全控型器件；第一全控型器件VT1与第一二极管VD1并联组成第一全控型器件模块，第二全控型器件VT1与第二二极管VD2并联组成第二全控型器件模块，第三全控型器件VT3与第三二极管VD3并联组成第三全控型器件模块；

所述第一全控型器件模块的第一侧与电源的第一侧A连接，所述第一全控型器件模块的第二侧与所述电容C的正极，以及第四全控型器件VT4的第一侧连接；

所述第二全控型器件模块的第一侧分别与所述电源的第二侧B、所述第三全控型器件模块的第二侧、以及所述第四全控型器件VT4的第二侧连接，所述第二全控型器件模块的第二侧与所述电源的第一侧A连接；

所述第三全控型器件模块的第一侧与所述电容C的负极和连接，所述第三全控型器件模块的第二侧与所述电源的第二侧B；

第五全控型器件VT5的第一侧与所述电源的第一侧A连接，所述第五全控制器件VT5的第二侧与所述第三全控制性器件模块的第一侧连接。

具体地，所述全控型器件为绝缘栅双极晶体管。

模块化多电平换流器(MMC)是采用若干子模块所构建的大容量直流换流器。由于具有制造难度下降、波形质量好、阶跃电压降低、损耗成倍下降以及故障处理能力强等优点，目前MMC在中高压柔性直流输电中得到广泛应用。

相对于传统直流输电，柔性直流输电可以同时独立调节有功功率和无功功率，可对无源系统供电，不存在常规直流输电技术换向失败的问题，并且还具有谐波水平低、占地面积小等优点，随着直流系统电压和容量的进一步提升，背靠背柔性直流输电技术逐渐开始运用于两个非同步运行的交流电网互联。

同时，相对于传统直流输电，柔性直流输电最大的不足之处在于不太适合长距离架空线路输电：目前柔性直流输电大多采用的基于半桥子模块的MMC，在直流侧发生短路时，即使全控制器件全部闭锁，换流阀通过与全控制器件反并联的二极管，仍然会向故障点输入电流，故无法像传统直流输电通过换流自身控制来清除直流侧的故障。具体地，半桥子模块的MMC不能清除故障电流原因在于全控制器件闭锁之后，半桥子模块的MMC实际就相当于二极管整流，而这并不能降低直流电流；此外，半桥子模块的MMC在全控制器件闭锁之后，会变成一个整流器，没有办法吸收直流侧的故障电池，从而产生更大的直流故障电流。因此，对于半桥子模块的MMC，必须要保证在闭锁前断开交流侧的断路器，否则就需要更大规格的直流断路器，整体制作成本反而会增加的更多。

进一步地，所述第一全控型器件模块为第一绝缘栅双极晶体管VT1的发射极与第一二极管VD1的阳极连接，所述第一绝缘栅双极晶体管VT1的集电极与所述第一二极管VD1的阴极连接得到；

所述第二绝缘栅双极晶体管模块为第二绝缘栅双极晶体管VT2的发射极与第二二极管VD2的阳极连接，所述第二绝缘栅双极晶体管VT2的集电极与所述第二二极管VD2的阴极连接得到；

所述第三绝缘栅双极晶体管模块为第三绝缘栅双极晶体管VT3的发射极与第三二极管VD3的阳极连接，所述第三绝缘栅双极晶体管VT3的集电极与所述第三二极管VD3的阴极连接得到。

在本发明实施例中，所述第一全控型器件模块的发射极与所述电源的第一侧A连接，所述第一全控型器件模块的集电极与所述电容C的正极，以及第四全控型器件VT4的发射极连接；

所述第二全控型器件模块的发射极分别与所述电源的第二侧B、所述第三全控型器件模块的集电极、以及所述第四全控型器件VT4的集电极连接，所述第二全控型器件模块的集电极与所述电源的第一侧A连接；

所述第三全控型器件模块的发射极与所述电容C的负极连接，所述第三全控型器件模块的集电极与所述电源的第二侧B；

所述第五全控型器件VT5的发射极与所述电源的第一侧A连接，所述第五全控制器件VT5的集电极与所述第三全控制性器件模块的发射极连接。

具体地，所述电容C具体为直流支撑电容。

在一个可选实施例中，所述全控制器件为电力场效应晶体管。

在一个可选实施例中，所述全控制器件为电力晶体管。

在一个可选实施例中，所述全控制器件为门极可关断晶闸管。

在一个可选实施例中，所述二极管为碳化硅二极管。

在一个可选实施例中，所述二极管为硅基二极管。

请参阅图2～图5，图2为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在正常情况下的电流路径图之一，图3为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在正常情况下的电流路径图之二，图4为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在故障情况下的电流路径图之一，图5为本发明的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构实施例在故障情况下的电流路径图之二。在具体操作中，本发明实施例公开的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构在存在两种工作模式，一种是在正常情况下的投入状态工作模式，另一种是直流侧故障情况下的闭锁状态工作模式，当处于投入状态工作模式时，第一全控制器件模块与第三全控制器件模块处于开通状态，第二全控制器件模块、第四全控制器件VT4和第五全控制器件VT5处于关断状态，此时，若电源的第一侧A为电流输入端，则按照图2所示的电流方向：电流路径依次为：第一全控制器模块的第一二极管VD1、电容C及第三全控制器模块的第三二极管VD3，然后进入电源的第二侧B；若电源的第二侧B为电流输入端，则按照图3所示的电流方向：电流路径依次为：第三全控制器模块的第三全控制器VT3、电容C及第一全控制器模块的第一控制器VT1，然后进入电源的第二侧B。当处于闭锁状态时，第一全控制器件模块、第二全控制器件模块和第三全控制器件模块处于关断状态，第四全控制器件VT4和第五全控制器件VT5处于开通状态，此时，若电源的第一侧A为电流输入端，则按照图4所示的电流方向：电流路径依次为：第一全控制器模块的第一二极管VD1、电容C及第三全控制器模块的第三二极管VD3，然后进入电源的第二侧B；若电源的第二侧B为电流输入端，则按照图5所示的电流方向：电流路径依次为：第四全控制器VT4、电容C及第五全控制器VT5，然后进入电源的第一侧A。

在本发明实施例公开的一种模块化多电平换流器子模块拓扑结构，电容C、3个二极管及五个全控型器件；第一全控型器件VT1与第一二极管VD1并联组成第一全控型器件模块，第二全控型器件VT1与第二二极管VD2并联组成第二全控型器件模块，第三全控型器件VT3与第三二极管VD3并联组成第三全控型器件模块；所述第一全控型器件模块的第一侧与电源的第一侧A连接，所述第一全控型器件模块的第二侧与所述电容C的正极，以及第四全控型器件VT4的第一侧连接；所述第二全控型器件模块的第一侧分别与所述电源的第二侧B、所述第三全控型器件模块的第二侧、以及所述第四全控型器件VT4的第二侧连接，所述第二全控型器件模块的第二侧与所述电源的第一侧A连接；所述第三全控型器件模块的第一侧与所述电容C的负极和连接，所述第三全控型器件模块的第二侧与所述电源的第二侧B；第五全控型器件VT5的第一侧与所述电源的第一侧A连接，所述第五全控制器件VT5的第二侧与所述第三全控制性器件模块的第一侧连接。

如此，在正常运行的情况下，第一全控制器件模块与第三全控制器件模块处于开通状态，第二全控制器件模块、第四全控制器件VT4和第五全控制器件VT5处于关断状态，此时电容C总是被接入主电路中；而在直流侧发生故障的情况下，第一全控制器件模块、第二全控制器件模块和第三全控制器件模块处于关断状态，第四全控制器件VT4和第五全控制器件VT5处于开通状态，此时电容C的电压方向与故障电流流通方向相反，从而电容C的放电电流会和故障电流相抵消，进而达到故障自清除的效果。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。