[发明专利]一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器

说明书

本发明涉及一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，属于电力电子功率变换技术领域。其中，三个上换流桥臂的正极端连接到一起与能量吸收支路晶闸管的阳极、快速机械开关的一端连接，快速机械开关的另一端与辅助电子开关的一端连接，辅助电子开关的另一端作为换流器直流正极端，三个下换流桥臂的负极端连接到一起与能量吸收电容的负极、续流二极管的阴极连接作为换流器直流负极端，每个桥臂由多个相同的功率模块采用串联连接形成，每个功率单元的交流端口各并联一组双向旁路晶闸管。本发明的可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，可通过简单的快速机械开关和能量吸收电路，使模块化多电平换流器自身具备切断直流故障电流的能力。

技术领域

本发明涉及一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，属于电力电子功率变换技术领域。

背景技术

柔性直流输电已经成为目前最有潜质的新型电力传输方式。由于模块化多电平换流器具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电系统。但是，在直流线路发生短路故障的情况下，模块化多电平换流器将产生一个不控整流器效应，采用常规半桥功率模块的模块化多电平换流器无法自己清除直流短路故障电流，这使得在工程中采用直流架空线受到限制。

一类解决方式是改进模块化多电平换流器的功率模块的拓扑结构。例如在半桥功率模块的基础上进行拓扑结构改进，通过在功率模块中增加额外的半导体开关器件和二极管器件阻断直流短路故障电流，使其具有阻断直流短路故障电流的能力。也可以采用全桥功率模块，使直流短路故障电流流过功率模块电容，通过功率模块电容电压阻断故障电流通路。但是这种改进功率模块的方案所需要增加的半导体开关器件较多，会带来比较大的成本的增加。另一方面，正常的工作电流会流过所增加的半导体开关器件，这又导致换流器的通态损耗的增加，使装置的效率大为降低。

另一类方式是加装直流断路器。目前的高压直流断路器包括机械式断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合式断路器等方案。直流固态断路器的主通流支路由半导体开关构成，正常运行电流全部流过半导体开关器件，这导致固态断路器的功率损耗较大。机械式直流断路器主通流支路由高速机械开关构成，转移支路由反向电流注入电路构成，用于在关断直流电流时注入反向电流，实现快速开关熄弧。机械式直流断路器在高压领域应用还面临高di/dt电流关断可靠性、串联多断口同步性和开断时间一致性等问题。混合式直流断路器主通流支路由高速机械开关和辅助换流电路构成，转移支路由半导体开关构成，正常运行电流流过主通流支路，开断时电流转移到由半导体开关构成的转移支路，由半导体开关关断电流，这可以兼顾通态损耗特性和快速分断特性。但是混合直流断路器由于存在电流转移时间，一般需要通过加装较大的直流电抗器限制故障电流上升率，由于故障电流的上升导致半导体开关所需关断的故障电流也较大。因此混合直流断路器目前还存在装置成本高、体积大等缺点，且可开断电流还受到可关断半导体器件的限制。总体来说，目前高压直流断路器的技术成熟度还不高，成本和体积也还都比较大。

发明内容

本发明的目的是针对目前半桥型模块化多电平换流器不具备直流短路故障电流清除能力，功率模块改进型模块化多电平换流器在成本和损耗方面的增加比较大，而高压直流断路器还存在技术成熟度低、成本和体积大等缺点，提出一种可切断直流短路故障电流的模块化多电平换流器，在发生直流短路故障时，通过触发功率模块旁路晶闸管导通限制直流电压，通过触发导通能量吸收支路晶闸管将能量吸收电容支路投入，通过关断辅助电子开关将直流短路故障电流强迫转移到能量吸收电容和续流二极管中并快速衰减到零，使快速机械开关在零电流和零电压下开断，实现直流故障电流的切断。