[发明专利]具有交直流故障清除能力的子模块结构及MMC拓扑结构

说明书

本发明涉及具有交直流故障清除能力的子模块结构及MMC拓扑结构，设置有两个控制开关，第一控制开关与子模块拓扑结构并联连接，第二控制开关串设在子模块的电压正极端口或者电压负极端口与子模块拓扑结构之间的连接线路上，子模块结构稳态运行时，第一控制开关处于关断状态，第二控制开关处于导通状态。当交流侧发生故障时，触发第一控制开关导通，注入MMC的故障电流就会被引入大地；直流侧发生故障时，控制第二控制开关关断。因此，该子模块结构能够实现交直流故障的隔离，并有效地降低子模块功率器件的电压应力和电流应力。而且，该方案是对现有子模块的二次设计改造，对阀塔和阀厅设计的影响很小，成本非常低，实现过程简单。

技术领域

本发明涉及具有交直流故障清除能力的子模块结构及MMC拓扑结构。

背景技术

以全控型电力电子器件为基础的第二代柔性直流输电技术模块化多电平电压源型换流器(MMC)具有电压源型换流器(VSC)所有的优点，可独立控制有功无功功率、不存在换相失败、可为无源孤岛供电等诸多优点得到学术界与工业界的青睐。比如申请公布号为CN107453635A的中国专利申请文件中公开了一种模块化多电平换流器拓扑结构，各桥臂由若干个子模块级联构成。MMC的每个桥臂由串联的多个子模块和桥臂电抗器组成，子模块的核心器件为全控型电力电子器件与电容，其中运行中通过对全控型电力电子器件的开关状态进行控制以实现控制目标。

在直流输电系统中把受端逆变器改造或者设计为大容量MMC是一种具备较高技术经济性的优化配置方案。将成为未来直流输电的发展趋势，在直流多馈入地区、受端弱电网、新能源联网等应用场景中有广泛的发展前景。

MMC运行中采用最近电平逼近调制法，通过控制子模块的投入和切除的个数来实现控制目标。在柔直直流输电系统中MMC的交直流故障隔离技术及故障工况下全控型功率器件的应力水平是制约其发展的主要因素之一。目前的技术条件下全控型电力电子器件的通流能力和耐压水平非常有限，且半桥型子模块不具备直流故障隔离能力。以半桥型子模块为例，在MMC交流侧故障中，子模块闭锁后直流注入的电流仍持续对子模块充电，造成其严重过压；MMC直流侧故障后半桥子模块不具备故障电流的穿越能力，造成子模块严重的过电流。

并且，直流输电系统中MMC由于器件的限流能力与电压源换流器自身的特性，基本都采用了对称双极拓扑结构。直流输电系统中MMC交流侧发生故障后，由于控制方式、调节速度以及通信延时等原因直流侧会持续向MMC注入较大电流。在MMC闭锁后仍持续向MMC子模块中注入较大的电流，造成子模块电流应力和电压应力超标，严重的情况下可能会导致器件损耗和换流站停机。MMC直流侧发生故障后，对于一些不具备故障隔离功能的子模块，比如半桥子模块，就会造成子模块电流应力超标，甚至损坏。

目前MMC交直流故障隔离以及降低器件应力水平的常用方式是增设专门的泄能装置或者设置直流断路器，通过在系统中增设泄能装置来实现故障隔离，首先实现难度大成本高，其次外加设备大大降低了系统的可靠性；而直流断路器方案目前技术尚不成熟，可靠性低且成本高经济性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有交直流故障清除能力的子模块结构，用以解决在系统中增设泄能装置来实现交直流故障隔离的方式成本高的问题。本发明同时提供一种MMC拓扑结构。

为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。

子模块结构方案一：本方案提供一种具有交直流故障清除能力的子模块结构，包括MMC子模块，所述MMC子模块包括端口以及与端口连接的子模块拓扑结构，所述端口分为电压正极端口和电压负极端口，所述子模块结构还包括第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关与所述子模块拓扑结构并联连接，所述第二控制开关串设在电压正极端口或者电压负极端口与子模块拓扑结构之间的连接线路上，当MMC交流侧发生故障或者MMC子模块过压时，控制所述第一控制开关导通，将MMC子模块旁路掉，故障电流不再经过子模块拓扑结构；当MMC直流侧发生故障时，控制第二控制开关断开，实现故障点与MMC子模块的隔离。