[发明专利]一种混合型功率开关及其在柔性直流输电换流器中的应用

说明书

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种混合型功率开关及其在柔性直流输电换流器中的应用。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、换流器损耗小等特点，日益成为高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑之一。直流侧短路故障是直流输电特别是架空线路直流输电中的常见故障形式。如何快速、可靠的切除直流故障是柔性直流输电技术大规模应用的主要挑战之一。目前，处理直流侧故障主要有三种方式：1)通过交流设备如交流断路器、交流熔断器等切断故障与交流系统的联系；2)通过直流设备如直流断路器等阻断故障与换流器的联系；3)通过换流器中功率半导体器件的开关动作实现直流侧故障的隔离。

以上三种直流故障处理方式均可以实现点对点直流输电系统的直流侧短路故障切除。然而对于网状连接的直流输电网络而言，第一种方式由于交流断路器动作特性及安装位置的限制，响应时间长、对电网冲击大、重启复杂且不能实现直流输电网中对故障选择性切除的要求。第二种方式是解决直流电网短路故障有效的方案之一，但该方案需要响应速度快、导通损耗小、断开能力大的直流断路器，直流断路器的技术难度较大且成本较高，难以短时间内应用到实际工程中。相比于前两种方式，第三种方式响应时间快，故障后系统恢复正常运行的能力强。

目前能够实现直流故障防护的子模块结构中具有代表性的是全桥子模块和箝位双子模块结构，然而基于以上两种子模块结构或其与半桥子模块结构混合的MMC换流阀损耗大幅增加，严重制约了其工程应用。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种混合型功率开关及其在柔性直流输电换流器中的应用，具有运行损耗低、动态响应快、工程实现简单等优点。

一种混合型功率开关，包括一机械开关、一带有反并联二极管的功率开关管以及一双向电力电子开关；其中：机械开关的一端与所述功率开关管的集电极相连并构成所述混合型功率开关的阳极，机械开关的另一端与双向电力电子开关的一端相连，双向电力电子开关的另一端与所述功率开关管的发射极相连并构成所述混合型功率开关的阴极；

所述的双向电力电子开关由两个带有反并联二极管的MOS管连接组成，两个MOS管的源极共连，两个MOS管的漏极分别作为双向电力电子开关的两端；

所述功率开关管的基极、MOS管的栅极以及机械开关的控制极均接收外部设备提供的开关控制信号。

第一种应用于MMC的子模块结构A1，包括一个电容、三个带有反并联二极管的功率开关管S₁～S₃以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率开关管S₁的发射极与功率开关管S₂的集电极相连并构成子模块结构A1的正极端，功率开关管S₁的集电极与电容的正极和功率开关管S₃的集电极相连，功率开关管S₂的发射极与电容的负极和混合型功率开关的阴极相连，功率开关管S₃的发射极与混合型功率开关的阳极相连并构成子模块结构A1的负极端；所述功率开关管S₁～S₃的基极均接收外部设备提供的开关控制信号。

第二种应用于MMC的子模块结构A2，包括一个电容、两个带有反并联二极管的功率开关管S₁～S₂、一个二极管以及一个所述的混合型功率开关；其中，功率开关管S₁的发射极与功率开关管S₂的集电极相连并构成子模块结构A2的正极端，功率开关管S₁的集电极与电容的正极和二极管的阴极相连，功率开关管S₂的发射极与电容的负极和混合型功率开关的阴极相连，二极管的阳极与混合型功率开关的阳极相连并构成子模块结构A2的负极端；所述功率开关管S₁～S₂的基极均接收外部设备提供的开关控制信号。

第三种应用于MMC的子模块结构A3，其由一个半桥子模块和一个子模块结构A1连接组成，子模块结构A1的正极端作为子模块结构A3的正极端，子模块结构A1的负极端与半桥子模块的正极端相连，半桥子模块的负极端作为子模块结构A3的负极端。