专利名称：一种模块化多电平换流器的保护方法
技术领域：
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种模块化多电平换流器的保护方法。
背景技术：
模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter，MMC)的基本结构与常用的三相桥式换流器相似，其基本结构也是由六个换流器桥臂组成，只是其中的每个桥臂都是由多个子模块(SubModule，SM)串联组成的，如错误！未找到引用源。。其中每个子模块主要包含两个开关器件Sl和S2、一个直流电容C和一个旁路开关K。对于模块化多电平换流器来说，其中的每个子模块都包含两个IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件，每个器件在工作过程中都有通(On)和断(Off)两种状态，因此每个子模块中的开关状态应该有4种组合。但是由于两个IGBT都同时处于导通状态时，将造成子模块中的电容短路放电，因此这种状态是禁止出现的。所以实际上子模块的工作状态只能有3 种，如错误！未找到引用源。2所示。在状态1中，两个IGBT都处于关断状态。当电流流入子模块直流侧正极时(定义其为电流的正方向)，则电流将通过续流二极管Dl向电容充电；当电流反方向流动，则电流将通过续流二极管D2将子模块旁路。这种状态在换流器运行时不会出现，而只有当换流器处于启动充电过程下，将所有的子模块置成此状态，此时交流系统将通过续流二极管Dl为所有子模块中的电容进行充电。此外，当出现严重故障的情况下整个换流器将被闭锁，此时所有的子模块也将处于此种状态。在状态2中，IGBTl处于导通状态，IGBT2处于关断状态。在这种状态下，当电流正向流动时，电流将通过续流二极管Dl流入电容，对电容充电；当电流反向流动时，电流将通过IGBTl对电容进行放电。不管电流处于何种流通方向，子模块的输出端电压都将为电容上的电压。在状态3中，IGBTl处于关断状态，IGBT2处于导通状态。在这种状态下，当电流正向流通时，电流将通过IGBT2将子模块的电容旁路；当电流方向反向流通时，将通过续流二极管D2将电容旁路。对于这种状态，不管电流方向如何，子模块的输出端电压都将为零。在子模块3种工作状态下，如果子模块发生故障时，为了保护柔性直流输电系统的正常运行，需对故障子模块进行隔离，以防止故障继续扩大或者漫延。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器的保护方法，保证模块化多电平换流器的正常运行。本发明提供的一种模块化多电平换流器的保护方法，所述换流器包括子模块控制器和子模块，所述子模块控制器包括监控系统和驱动电路；所述子模块包括隔离开关、串联的两个IGBT、与每个IGBT反并联的二极管、与串联后的两个IGBT并联的电阻、电容和放电电路；所述隔离开关与其中一个所述IGBT并联；其改进之处在于，所述保护方法包括确定子模块出现下述类型的故障时，合上所述隔离开关(1)经所述监控系统判断子模块发生的故障为不可恢复时；(2)所述监控系统判断子模块发生的故障对子模块的其他器件造成损害时；(3)所述监控系统判断当子模块所发生的故障可恢复但故障次数超出允许的规定时；(4)所述监控系统判断子模块的电气量发生快速的变化且其速度超过规定的限值时；(5)所述监控系统判断子模块的电气量发生较为缓慢的变化且所述电气量的增加量超过规定的限值时。本发明提供的第一优选方案的保护方法，其改进之处在于，旁路开关的动作由子模块本身控制或由子模块控制器的驱动电路控制；当过电压或过电流导致子模块的元件发生不可恢复的损坏时，由子模块本身控制；当过电压或过电流导致子模块的元件发生可恢复的故障时，由子模块控制器的驱动电路控制。本发明提供的第二优选方案的保护方法，其改进之处在于，当旁路开关的驱动电源来自所述子模块电容的电容值时，使用真空式的机械开关；当旁路开关的驱动电源来自外界接入的直流电时，使用固态开关或者机械式开关。本发明提供的第三优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述(3)中所述可恢复是指子模块根据型号不同在规定的次数里故障消失；所述规定由厂商限定。本发明提供的第四优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述中所述快速的变化是指电压变化率超过lOOOV/us或者电流变化率超过3000A/US。本发明提供的第五优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述(5)中所述缓慢的变化是指电压变化率低于lOOOOV/us或者电流变化率低于3000A/US。本发明提供的第六优选方案的保护方法，其改进之处在于，所述放电电路包括串联的放电开关和电阻；在子模块电容上的电压值高于规定限制或低于规定限制时，所述驱动电路相应的闭合或打开所述放电开关。所述规定由厂商限定。与现有技术比，本发明的有益效果为本发明使得模块化多电平换流器子模块的工作可靠性可以得到充分的保证，同时最大限度的保证了换流器的正常运行，不会因为子模块的故障而导致整个换流器的退出， 同时也不会因为子模块中各组件的故障而导致子模块的整体损坏，从而极大的提高了模块化多电平换流器本身的可用率。本发明的方法，配合实现换流器的冗余功能。通过在换流器中配置多于正常运行所需要个数的子模块，当少量子模块发生故障时通过将其进行旁路，从而使得整个换流器可以保持正常运行。通过使用本方法，可以充分保证换流器和子模块在故障下的安全，提高了系统运行的稳定性及可用率。
图1为本发明提供的MMC电气结构图。图2为本发明提供的子模块开关状态。图3为本发明提供的子模块详细电气结构。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。如图3所示，对于MMC中的子模块来说，其通常含有如下的一些组件IGBT、晶闸管 T、直流电容C、电阻R、吸收电路XS、放电电路FD、旁路开关K等。子模块控制器KZQ分别与驱动电路QDl、QD2、QD3和QD4连接；QDl与旁路开关K 连接；QD2与晶闸管T连接；QD3与IGBT连接；QD4与放电电路FD连接。子模块控制器KZQ包括监控系统MS和驱动电路DQl、DQ2、DQ3、DQ4 ；所述子模块 SM包括隔离开关K、串联的两个IGBT、与每个IGBT反并联的二极管D1、D2、与串联后的两个 IGBT并联的电阻R、电容C和放电电路FD ；隔离开关K与其中一个所述IGBT并联；在每个二极管D1、D2的两端并联有吸收电路。当这些组件发生故障时，需要根据子模块各个器件的不同故障类型和故障可能产生的后果，或者各个器件故障可能的组合，驱动旁路开关K进行配合动作，从而使相应的故障得到控制。其中，吸收电路主要由电阻和电容串联而成，作用是减缓功率管关断时电压的上升速度和限制功率管关断时的最高电压峰值，从而减小关断损耗和防止功率管因关断过压而损坏；放电电路主要由放电开关和电阻串联而成，其作用是配合直流电容C充放电。当模块化多电平换流器处于运行状态时，如果有子模块出现故障，故障严重时，为了保证模块化多电平换流器的正常运行，必须将其排除；但子模块出现故障如为可恢复时， 不必将其排除。本实施例的一种模块化多电平换流器的保护方法，当所述子模块出现下述情况时，合上所述隔离开关K;(1)经所述监控系统MS判断子模块SM发生的故障为不可恢复时； (2)所述监控系统MS判断子模块SM发生的故障对子模块SM的其他器件造成损害时；(3)所述监控系统MS判断当子模块SM所发生的故障可恢复但故障次数超出允许的规定时；可恢复是指子模块根据型号不同在规定的次数里故障消失，规定由厂商限定。当所述监控系统MS判断当子模块SM所发生的故障可恢复且故障次数在允许的规定时，不闭合隔离开关K。(4)所述监控系统MS判断子模块SM的电气量发生快速的变化且其速度超过规定的限值时；快速的变化是指电压变化率超过lOOOV/us或者电流变化率超过3000A/US。电气量包括电压和电流等。
(5)所述监控系统MS判断子模块SM的电气量发生较为缓慢的变化且所述电气量的增加量超过规定的限值时。缓慢的变化是指电压变化率低于lOOOOV/us或者电流变化率低于3000A/us。电气量包括电压和电流等。旁路开关的动作由子模块本身控制或由子模块控制器的驱动电路控制；当过电压或过电流导致子模块SM的元件发生不可恢复的损坏时，由子模块SM本身控制；当过电压或过电流导致子模块SM的元件发生可恢复的故障时，由子模块控制器 KZQ的驱动电路QDl控制。当旁路开关的驱动电源来自子模块电容值时，使用真空式的机械开关；当旁路开关的驱动电源来自外界接入的直流电时，使用固态开关或者机械式开关。本实施例的放电电路FD包括串联的放电开关和电阻；在子模块SM电容C上的电压值高于规定限制时，驱动电路DQ4的闭合放电开关，作用是将电容上多余的电量消耗掉。 在子模块SM电容C上的电压值低于规定限制时，驱动电路DQ4的打开放电开关。最后应该说明的是结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
权利要求
1.一种模块化多电平换流器的保护方法，所述换流器包括子模块控制器(KZQ)和子模块(SM)，所述子模块控制器(KZQ)包括监控系统(MQ和驱动电路(DQ1、DQ2、DQ3、DQ4)；所述子模块(SM)包括隔离开关(K)、串联的两个IGBT(S1、S2)、与每个IGBT反并联的二极管 (DU D2)、与串联后的两个IGBT(SU S2)并联的电阻(R)、电容(C)和放电电路(FD)；所述隔离开关(K)与其中一个所述IGBT并联；其特征在于，所述保护方法包括确定子模块(SM) 出现下述类型的故障时，合上所述隔离开关(K)(1)经所述监控系统(MS)判断子模块(SM)发生的故障为不可恢复时；(2)所述监控系统(MQ判断子模块(SM)发生的故障对子模块(SM)的其他器件造成损害时；(3)所述监控系统(MQ判断当子模块(SM)所发生的故障可恢复但故障次数超出允许的规定时；(4)所述监控系统(MQ判断子模块(SM)的电气量发生快速的变化且其速度超过规定的限值时；(5)所述监控系统(MS)判断子模块(SM)的电气量发生较为缓慢的变化且所述电气量的增加量超过规定的限值时。
2.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，旁路开关(K)的动作由子模块本身控制或由子模块控制器(KZQ)的驱动电路(DQl)控制；当过电压或过电流导致子模块(SM)的元件发生不可恢复的损坏时，由子模块(SM)本身控制；当过电压或过电流导致子模块(SM)的元件发生可恢复的故障时，由子模块控制器 (KZQ)的驱动电路(DQl)控制。
3.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，当旁路开关⑷的驱动电源来自所述子模块(SM)电容(C)的电容值时，使用真空式的机械开关；当旁路开关(K)的驱动电源来自外界接入的直流电时，使用固态开关或者机械式开关。
4.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述(3)中所述可恢复是指子模块根据型号不同在规定的次数里故障消失；所述规定由厂商限定。
5.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述(4)中所述快速的变化是指电压变化率超过lOOOV/us或者电流变化率超过3000A/us。
6.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述(5)中所述缓慢的变化是指电压变化率低于lOOOOV/us或者电流变化率低于3000A/us。
7.如权利要求1所述的保护方法，其特征在于，所述放电电路(FD)包括串联的放电开关和电阻；在子模块(SM)电容(C)上的电压值高于规定限制或低于规定限制时，所述驱动电路(DQ4)相应的闭合或打开所述放电开关。所述规定由厂商限定。
全文摘要
本发明为一种模块化多电平换流器的保护方法，换流器包括子模块控制器和子模块，当子模块出现故障时，通过子模块控制器对子模块的监控及动作，及时将出故障的子模块排除，确保模块化多电平换流器的正常运行。本发明不会因为子模块的故障而导致整个换流器的退出，同时也不会因为子模块中各组件的故障而导致子模块的整体损坏，从而极大的提高了模块化多电平换流器本身的可用率，且提高了系统运行的稳定性。
文档编号H02H3/08GK102354955SQ20111020686
公开日2012年2月15日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者冯静波, 吕铮, 庞辉, 易荣, 栾洪洲, 汤广福, 贺之渊 申请人:中国电力科学研究院