[发明专利]一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电换流器的控制技术，具体讲涉及一种模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)子模块控制保护方法。

背景技术

当前，基于全控型电力电子器件IGBT的各种电力电子电路已经越来越多地应用于电力系统、机车牵引、航空航天等领域。随着电力电子技术及材料、制造工艺的发展，IGBT器件的通流能力也越来越强，使其在直流输电领域也得到重要的发挥空间，直接促进了柔性直流输电技术的诞生和发展。与传统的高压直流输电技术不同，柔性直流输电换流器以由IGBT串联构成的高压换流阀替代了晶闸管串联换流阀，形成了电压源型的柔性直流换流器。柔性直流输电可以实现向远距离的中小型孤立、弱负荷进行供电；可以进行独立、准确、灵活的有功/无功功率控制，提高系统潮流传输的经济性和稳定性；在潮流反转时直流电压极性不变，方便构成多端直流输电系统；在相联系统短路时不增加系统的短路容量，有利于限制短路电流，阻止系统的故障扩散；可以提供无功支持和频率控制，用于风电场和分布式发电等可再生能源并网有着特殊的优势；在相联电网故障后能够提供黑启动电源，加快电网故障后的快速恢复能力；换流站占地面积相对于普通直流大为减小。

在柔性直流输电技术中，基于模块化多电平(Modular Multilevel Coverter，MMC)结构的换流器是柔性直流换流器的重要拓扑结构之一。对于已经广泛采用的两电平换流器拓扑结构，由于直流输电中的电压和功率等级比较高，单独的IGBT器件远不能满足耐压要求，因此需要将IGBT串联组成阀体增加耐压。但是由于每个器件的特性不尽相同，对于IGBT串联组成阀体的可靠性成为了该拓扑结构需要解决的重点和难题。模块化多电平换流器结构避免了两电平换流器结构需要IGBT串联的难点，并且输出交流电压电压变化小，电平阶梯多更趋近于正弦波，因此同样是一种具有强大技术优势和广阔发展前景的柔性直流输电换流器拓扑结构。

柔性直流输电技术丰富的性能优势吸引了众多科研技术人员投入到相关的研究及实践工作中，其灵活的控制性能也使得柔性直流的控制保护方法和控制保护装置成为了柔性直流技术的研究热点。在基于模块化多电平换流器拓扑结构的柔性直流的控制中，对换流器子模块内部的控制保护是整个控制保护系统中一个非常重要的环节。

发明内容

本发明的目的是设计一种针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)的柔性直流换流器子模块的控制保护方案，实现整个子模块的协调控制和保护，保证子模块在模块化多电平换流器中的稳定可靠运行以及与模块化多电平换流器整个控制保护系统的协同配合。

本发明采用下述方案实现本发明的目的：

一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，所述模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由子模块级联组成；其改进之处在于，所述子模块包括绝缘栅双极型功率管IGBT1和IGBT2、晶闸管V、储能电容C、真空开关、电阻R1和电阻R2；所述电阻R1和电阻R2串联，组成R1-R2支路；所述真空开关、晶闸管V和IGBT2依次并联；所述IGBT1和IGBT2为上下结构且IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极；所述IGBT1、R1-R2支路和储能电容C依次并联；

所述控制保护方法包括设置子模块控制器，所述子模块控制器包括可编程逻辑芯片、A/D转换电路、分压、调理及隔离电路、光耦、光接收器和光发射器；所述子模块控制器的内部接口包括：子模块控制器与IGBT驱动电路接口、子模块控制器与晶闸管驱动电路接口、子模块控制器与真空开关驱动电路接口、子模块控制器与取能电源接口以及子模块控制器与储能电容接口；

所述子模块控制器的外部接口为与换流器阀基控制器的光纤通信接口；

所述控制保护方法采用下述处理方式：

A、在所述子模块的4种控制模式下，所述子模块控制器执行不同的控制保护逻辑、

B、实现所述子模块内部接口输出信号的生成、输入信号的检测和多种故障的诊断、

C、所述子模块控制器按照动作优先级执行控制和保护动作、

D、所述子模块控制器对所述储能电容C电压进行测量或

E、所述子模块控制器与阀基控制器之间进行异步串行通信。

本发明提供的一种优选的技术方案是：所述处理方式A中：所述4种控制模式依次进行上电延时模式、正常运行模式、系统停机模式和模块掉电模式。

本发明提供的第二种优选的技术方案是：所述处理方式B中：