一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构的制作方法

本实用新型涉及换流器技术领域，特别是一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构。

背景技术：

模块化多电平换流器(MMC)是德国慕尼黑联邦国防军大学于2002年提出的一种新型的换流器拓扑结构。相对于两电平和三电平换流器拓扑结构，MMC拓扑结构有诸多优点：模块化设计，通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化；开关频率低，损耗下降；输出电压波形非常平滑且接近理想正弦波形，谐波含量少，在网侧不需要大容量交流滤波器等。基于上述特点，将MMC应用于直流输电可以显著提高直流输电系统的经济性，可靠性和适应性。

直流侧短路故障是目前MMC所面对的主要问题之一。现阶段清除直流侧故障只能依靠断开交流断路器来实现，但该方法动作速度慢，系统恢复时间长。采用具有直流故障清除能力的子模块拓扑来切断故障电流是一种行之有效的方法。该装置通过换流器自身的电力电子器件来切断直流故障电流。普通的MMC拓扑结构在故障时无法通过闭锁来切断故障电流，所以对通用的拓扑结构进行改造，使其具有直流故障穿越的能力。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括多个晶体管和多个二极管，所述多个晶体管包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5和第七晶体管T7，所述多个二极管包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8，还包括第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4，其特征在于：第一晶体管T1和第一二极管D1反并联，再与第二晶体管T2和第二二极管D2反并联的结构串联，然后与第一电容器C1和第二电容器C2组成的串联结构并联，构成第一并联结构；第三晶体管T3和第三二极管D3反并联，再与第四晶体管T4和第四二极管D4反并联的结构串联，然后与第三电容器C3和第四电容器C4组成的串联结构并联，构成第二并联结构；

所述第一并联结构与第二并联结构由两个桥臂交叉相连，第一个桥臂由第三电容器C3的上端连接至第二电容器C2的下端，第一桥臂由两组晶闸管和二极管反并联的结构串联而成，第一组为第五晶体管T5和第五二极管D5反并联，第二组为第七IGBT晶体管T7和第七二极管D7反并联；第二个桥臂由第一电容器C1、第二电容器C2之间连接至第三电容器C3与第四电容器C4之间，第二个桥臂由第六二极管D6和第八二极管D8串联而成，两个桥臂交叉相连形成四个小桥臂，使每个小桥臂上都分配有一个二极管。

优选的，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5和第七晶体管T7均为IGBT晶体管。

本实用新型提供一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构，附加功率器件的额定电压仅为常规功率器件的一半，额外成本较低。达到同等电压等级，所需子模块数目仅为常规设计的一半，降低了脉冲控制的设计难度和硬件成本,具有良好的经济优势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型闭锁模式正向电流流通路径图；

图3为本实用新型闭锁模式负向电流流通路径图；

图4（a）为本实用新型永久性故障清除流程图；

图4（b）为本实用新型瞬时性故障清除流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种新型模块化多电平换流器子模块拓扑结构，包括多个晶体管和多个二极管，所述多个晶体管包括第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5和第七晶体管T7，所述多个二极管包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8，还包括第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3和第四电容器C4，其特征在于：第一晶体管T1和第一二极管D1反并联，再与第二晶体管T2和第二二极管D2反并联的结构串联，然后与第一电容器C1和第二电容器C2组成的串联结构并联，构成第一并联结构；第三晶体管T3和第三二极管D3反并联，再与第四晶体管T4和第四二极管D4反并联的结构串联，然后与第三电容器C3和第四电容器C4组成的串联结构并联，构成第二并联结构；

所述第一并联结构与第二并联结构由两个桥臂交叉相连，第一个桥臂由第三电容器C3的上端连接至第二电容器C2的下端，第一桥臂由两组晶闸管和二极管反并联的结构串联而成，第一组为第五晶体管T5和第五二极管D5反并联，第二组为第七IGBT晶体管T7和第七二极管D7反并联；第二个桥臂由第一电容器C1、第二电容器C2之间连接至第三电容器C3与第四电容器C4之间，第二个桥臂由第六二极管D6和第八二极管D8串联而成，两个桥臂交叉相连形成四个小桥臂，使每个小桥臂上都分配有一个二极管。

优选的，所述第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第四晶体管T4、第五晶体管T5和第七晶体管T7均为IGBT晶体管。

子模块拓扑结构电路电平输出包括3种电平状态。

串联双子模块存在两种运行模式，即正常运行模式和闭锁模式；在所述正常运行模式内，第五晶体管T5和第七晶体管T7一直处于导通状态，存在四种运行状态：

运行状态一：当第一晶体管T1和第三晶体管T3导通，第二晶体管T2和第四晶体管T4关断时,此时电容第一电容器C1和第二电容器C2以串联形式接入电流流通路径，子模块端电压为UC；

运行状态二：当第一晶体管T1和第四晶体管T4导通，第二晶体管T2和第三晶体管T3关断时,此时电容第一电容器C1和第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4以串联形式接入电流流通路径，子模块端电压为2UC；

运行状态三：当第二晶体管T2和第三晶体管T3导通，第一晶体管T1和第四晶体管T4关断时,此时电容第一电容器C1和第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4均不接入电流流通路径，子模块端电压为0；

运行状态四：当第二晶体管T2和第四晶体管T4导通，第一晶体管T1和第三晶体管T3关断时,此时电容第三电容器C3和第四电容器C4以串联形式接入电流流通路径，子模块端电压为UC；

在闭锁模式内，所有可控开关即6个晶体管全部关断，此时，串联双子模块内的电容电压反极性接入到电流流通路径中，在发生直流故障时，使二极管嵌位式双子模块进入闭锁模式，子模块电容电压来抑制直流故障的二极管续流效应，关断故障电流通路，从而迅速地清除故障电流。

如图2、3所示，当子模块正常工作时所述第五晶体管T5和第七晶体管T7一直处于导通状态，当子模块出现故障时，故障信息被反馈到子模块控制器，子模块控制器发出控制信号，关断所有晶体管, 利用子模块电容电压迫使导通的二极管反向截止，从而有效抑制MMC的不控整流效应，关断故障电流通路，在很短的时间内实现故障清除。

如图4（a）所示,对于永久性故障，检测到直流故障后立即闭锁所有晶体管脉冲，来清除故障电流。等到故障电流清除后，断开交流断路器，进行故障隔离和检修；如图4（b）所示，对于瞬时性故障，故障清除的过程和永久性故障类似。但是，故障清除后还要求快速恢复供电。通过解锁第五晶体管T5和第七晶体管T7的脉冲，MMC变为三相不控整流器，直流侧电压逐步恢复。然后解锁剩余所有 晶体管脉冲，换流器将恢复正常运行。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。