一种具有直流故障闭锁能力的新型子模块

对于传统基于半桥子模块(HBSM)的模块化多电平变换器(MMC)而言,由于HBSM结构不具有直流故障闭锁能力,因此,当MMC直流侧发生短路故障时,过大的电流将会损坏器件。为了解决该问题,提出一种改进型半桥子模块结构,该结构在正常运行时,工作原理与HBSM结构类似;而当直流侧发生短路故障时,通过闭锁该结构内的全部IGBT,能够实现故障电流的闭锁,并搭建仿真模型以及实验平台。实验结果表明,所述子模块结构能够良好地实现直流故障闭锁。     

MMC系统级拓扑及其直流故障电流阻断能力研究

由于直流断路器成本较为昂贵,尚处于试验阶段,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑才是实现输配电网可控性,提高MMC运行可靠性的关键。文中在分析传统半桥型模块化多电平换流器(half bridge sub module based modular multilevel converter,HBSM-MMC)直流侧故障机理的基础上,对具有直流故障电流阻断能力MMC相关研究进行综述。分析了桥臂优化MMC的拓扑结构及直流故障抑制能力,包括子模块混合型MMC及二极管阻断型MMC;分析了单相优化MMC拓扑结构及直流故障电流阻断能力,包括桥臂交替导通MMC和混合级联型MMC。仅从理论角度来说,具备直流故障电流阻断能力的MMC拓扑结构研究已经较为成熟,但混合子模块优化控制、改进子模块封装、串联子模块和开关器件的协调配合、器件冷却等工程实现诸多问题还有待进一步研究。     

具备阻断直流故障电流能力的MMC钳位双电容子模块

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是柔性直流输配电领域的优选拓扑之一,但其传统半桥子模块(half-bridgesubmodule,HBSM)不具备阻断直流故障电流的能力。为此,推导了一种基于双向开关的钳位双电容子模块(clamp dual capacitor submodule,CDCSM),该子模块包含两个电容,能够输出3个电平,通过将电容引入故障回路可实现对故障电流的快速阻断。与其他能够阻断直流故障电流的子模块相比,CDCSM具有一定的成本优势,且运行损耗较低。基于Matlab/Simulink的仿真结果表明,CDCSM-MMC可快速阻断直流故障电流,且故障后电容电压较为均衡,有利于MMC的快速重启。     

一种可阻断直流故障电流的双逆阻型MMC研究

可阻断直流故障电流的模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)在高压直流输电工程中具有广泛的应用前景。提出一种可阻断故障电流的基于新型双逆阻型子模块(DualReverseBlockingSub-Module,DRBSM)的MMC拓扑结构。在输出相同电平数的前提下,与现有拓扑相比,DRBSM型MMC具有较强的直流故障电流阻断能力和更低的功率损耗,且DRBSM型MMC可直接移植半桥子模块(HBSM)型MMC拓扑的控制和调制策略。亦对该子模块结构的拓扑构成、运行原理及故障电流阻断机理进行分析。最后,采用PSCAD/EMTDC仿真验证了该拓扑结构的可行性和有效性。     

一种能够清除直流故障的改进MMC子模块及特性研究

模块化多电平换流器(MMC)具有输出波形谐波含量低、高度模块化等优点,在高压直流输电(HVDC)领域得到了广泛的应用,如何处理直流侧故障也成了MMC面临的主要难题。提出一种具备直流故障自清除能力的改进子模块拓扑,分析了其工作原理、运行特性和故障阻断机理并进行了混合拓扑计算;然后对改进子模块的阻断能力、经济性进行了综合对比分析;最后在PSCAD/EMTDC中搭建了单端MMC直流系统对提出的子模块阻断特性进行了仿真验证,仿真结果表明,所提改进子模块的混合拓扑能够快速有效清除直流故障电流。     

一种具有直流故障限流能力的模块化多电平换流器

为解决传统半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法限制直流故障电流的问题,提出一种改进型子模块的MMC拓扑。与传统半桥型子模块拓扑不同,交流输出端口增加了阻断IGBT及其旁路吸收回路。本文首先分析改进型子模块的工作原理,在此基础上开展基于该子模块的MMC的故障限流机理及其主要功率开关器件的电气应力的研究,并通过仿真算例对所提出的拓扑进行了验证。仿真结果表明基于改进型子模块的MMC拓扑在原有正常模式下不需要改变控制策略与调制策略,而在故障阶段能够迅速实现故障电流阻断效果,通过引入旁路吸收回路,进一步降低了对电路触发脉冲一致性的要求,因此在未来高压直流输电系统领域具有良好的工程应用前景。     

具备直流故障阻断能力的新型双子模块拓扑

传统的半桥子模块(HBSM)拓扑因其拓扑简单、投资成本低等优点,被广泛应用于柔性直流输电领域。然而,当输电线路发生直流故障时,HBSM无法快速阻断故障电流。因此,这里提出一种基于双电容的二极管箝位型双子模块(CDCDSM)拓扑,该拓扑通过将子模块电容接入故障回路的方式迅速切除直流故障。此外,CDCDSM具有同时输出3个电平、控制方法简便、闭锁后可迅速重启等优点。与其他子模块相比,CDCDSM的投资成本较低。通过仿真和实验对该子模块特性进行验证,结果表明,CDCDSM-模块化多电平换流器(MMC)具有快速阻断直流故障的能力。     

具有直流故障自清除能力的新型MMC子模块及其混合拓扑

针对传统半桥型模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters,MMC)在高压大功率领域不能通过换流器自身控制来实现直流故障的阻断问题,提出一种新型的类半桥型(Similarity Half Bridge Sub-Module,SHBSM)子模块拓扑结构。直流侧发生极间短路故障时,需同时闭锁所有IGBT脉冲信号。为降低IGBT触发一致技术要求,进一步提出一种类半桥-半桥混合型子模块,无需所有IGBT同时闭锁。在PSCAD/EMTDC仿真平台搭建双端MMC-HVDC系统,仿真结果表明,所提出的类半桥型子模块,类半桥-半桥混合型子模块MMC能有效阻断直流侧故障电流,隔离故障。相比于传统半桥型子模块MMC,类半桥型子模块MMC以及半桥-半桥混合型子模块MMC均无需增加IGBT的投入,即可以实现对直流侧故障电流的有效阻断,因此,具有较好的应用前景。     

具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC

具有直流故障阻断能力的模块化多电平换流器(MMC)是柔性直流输配电技术的重要支撑设备。针对传统半桥型MMC无法阻断直流短路故障的问题,通过结合现有的故障阻断方案,提出了具有直流故障阻断能力的电流主动转移型MMC。该拓扑增加了断流支路、桥臂阻断支路以及能量吸收支路。直流故障发生后,通过断开断流支路,一方面主动转移故障电流,另一方面实现桥臂电流的换向,进而利用半桥子模块吸收MMC内部故障能量。同时,能量吸收支路中的全桥子模块在闭锁过程中也投入电容以吸收线路侧的故障能量,从而实现了短路故障的快速阻断。文中通过建立电流主动转移型MMC拓扑,详尽分析了故障阻断机理,并在MATLAB/Simulink中搭建了单端100 kV/25电平仿真模型,验证了该拓扑的可行性与有效性。     

模块化多电平换流器改进拓扑结构及其应用

模块化多电平换流器(MMC)作为实现多电平换流器的一种新的拓扑结构,具有高度模块化、维护间隔长、输出波形谐波含量低等优点,因此在中高压电能变换和高压直流输电领域得到了广泛的应用和研究。而传统的半桥型子模块结构在直流侧发生故障的时候,由于所并联前向二级管原因,当IGBT闭锁时,不能够实现直流侧故障电流的阻断功能,从而对其应用带来了一定的不利影响。本文总结了现有的子模块拓扑结构的特点,通过分析MMC直流侧故障时桥臂电流与模块电容的充放电关系,对传统的半桥型子模块拓扑结构进行了改进,设计了串联双子模块闭锁拓扑结构,从而在不影响控制策略的基础上实现了直流侧故障电流阻断功能。最后以改进型拓扑结构为例,搭建了仿真模型,对直流侧故障特性以及相应的控制策略进行了分析验证。     

一种具备故障阻断能力的低导通损耗模块化多电平换流器

论文面向具备直流侧故障阻断能力的MMC子模块拓扑开展研究,通过详细分析半桥型和全桥型MMC子模块在直流侧故障时的工作特性,提出一种基于逆阻型元件的新型子模块:该拓扑无需向子模块正常电流通路中插入额外功率器件,即可改变故障电流路径。与现存具备故障阻断能力的子模块拓扑相比,提出的拓扑在正常工况下具有更低的导通损耗。为了验证提出拓扑的有效性,在Matlab/Simulink环境下搭新型MMC换流器仿真平台,并搭建相应样机,全面验证所提的子模块拓扑具备直流侧故障阻断能力。     

具备直流故障清除和自均压能力的MMC移位全桥子模块拓扑

模块化多电平换流器（MMC）可通过改进子模块拓扑实现对直流故障电流的清除,但大多数子模块不具备电容电压自均衡能力。在全桥子模块的基础上,推导了一种兼具故障电流自清除能力和模块电容电压自均衡能力的新型子模块：移位全桥子模块（OCFBSM）。该子模块由2个全桥子模块通过移位组合构成,正常工作时根据2个电容的连接关系运行在旁路、串联和并联3种状态,可不依赖于外加均压控制自动实现模块内电容电压均衡。发生直流短路故障时,OCFBSM通过将2个电容反向接入故障回路可自动清除直流故障电流。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了OCFBSM在直流故障电流清除和自均压方面的有效性,且故障闭锁后各子模块电容电压均衡,有利于MMC重启。     

一种具有故障隔离能力的MMC-HVDC换流站子模块拓扑研究

针对典型半桥型模块化多电平换流器(MMC)无法阻断直流短路故障电流的固有缺陷,提出一种串联型双电容箝位型子模块,并结合传统半桥型子模块,设计成混联型桥臂拓扑,采用更低额定工作电压的IGBT,实现子模块基本功能的同时,增加了故障电流隔离能力。与全桥子模块结构和箝位双子模块结构相比,所提出的子模块拓扑方案进一步降低了器件成本。详细描述了该方案故障电流阻断机理,并通过电磁暂态仿真模型验证了基于该子模块拓扑的换流站方案的可行性。     

适用于架空线路的双极混合MMC-HVDC拓扑

为应对柔性直流输电在远距离大容量架空线输电领域应用问题,基于钳位双子模块和双晶闸管子模块拓扑构成的两种模块化多电平换流器,设计了串联双极混合直流输电系统,既提高了输电容量,又能缓解单种拓扑能耗较大或直流故障抑制时间较长问题。重点分析了双极混合拓扑在不同直流故障下等值电路和直流故障穿越机理及其抑制特性。最后,在PSCAD/EMTDC仿真环境下搭建双极混合直流输电模型,对系统稳态运行工况和直流故障穿越特性进行了对比研究。仿真结果表明,双极混合系统既体现出灵活多样的稳态运行特性,又具有直流故障穿越与快速恢复能力,较好地适用于远距离大容量架空线路输电应用领域。     

基于混合子模块的MMC故障阻断及谐波特性分析

针对模块化多电平换流器(MMC)所存在的直流侧故障无法自清除的问题,许多新型的子模块拓扑在原有半桥型子模块(HBSM)的基础上进行调整修正,利用其自身的拓扑特点,在直流侧发生短路故障时通过使短路电流给子模块电容充电的方法实现故障电流的快速阻断。在研究了众多新型子模块拓扑的基础上,设计了电流阻断能力较强的新型子模块。并考虑了损耗特性,采用新型子模块与HBSM结合的混合拓扑结构,从调制策略到谐波特性以及故障阻断性能进行了分析。推导了各次谐波电压幅值的表达式,并通过仿真验证了其准确性与实用性。     

具有交流源完全阻断能力的混合式MMC拓扑

在具有直流故障清除能力的多种模块化多电平换流器(MMC)子模块中,箝位双子模块投资成本和附加损耗最低,但是交流源阻断能力相对较弱;串联双子模块和增强自阻型子模块交流源阻断能力足够强,但是投资成本和附加损耗较大。结合不同类型子模块所具备的不同优势,设计了一种混合式MMC拓扑结构。以闭锁后交流源完全阻断为约束,以投资成本、附加损耗最低为目标,提出了子模块数量的混合配置原则。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建相应的基于不同子模块的柔性直流系统模型,通过大量的仿真测试验证了理论分析的正确性以及所设计的混合式MMC拓扑的可行性。     

基于模块化多电平换流器的新型全桥损耗优化调制策略

提出了一种新型全桥损耗优化调制策略,可以平衡子模块中各个半导体开关器件的热应力,提高器件安全裕度,从而提升模块化多电平换流器(MMC)的功率传输能力。首先,对构成MMC的子模块结构进行了分析,从抑制直流侧故障角度出发,选择了全桥子模块作为分析的对象。其次,针对MMC型高压直流输电(MMC-HVDC)系统的各种工况进行了损耗和结温分析,找出了限制MMC功率传输的主要因素。最后,在综合分析的基础上,针对MMC-HVDC系统提出了全桥损耗优化调制策略,该方法可以提升直流传输功率。仿真分析验证了所提出的全桥损耗优化调制策略的有效性。     

C-MMC型电力电子变压器直流故障分析与保护方法研究

对模块化多电平换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC)型电力电子变压器的拓扑结构及实现原理进行介绍。分析了在采用半桥子模块的MMC中发生中压直流母线双极短路故障后的电流流通路径,以及其不能实现直流故障闭锁的原因。为解决上述问题,选取箝位双子模块代替半桥模块,并分析了其故障电流流通路径和故障闭锁原理。但由于箝位双子模块在直流故障闭锁后可能出现子模块过电压问题,为此,提出了电力电子变压器隔离级延时闭锁的策略,并分析了MMC闭锁后在该策略下隔离级闭锁前的故障电流流通路径。最后,通过PSCAD仿真平台对箝位双子模块的闭锁功能和隔离级延时闭锁策略进行了仿真验证。