专利名称：一种基于晶闸管器件的mmc换流阀子模块装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电力系统和电力电子领域，具体涉及一种基于晶闸管器件的MMC换流 阀子模块装置及其控制方法，尤其涉及一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块拓扑结构 装置及其控制方法。
背景技术：
由于能源短缺和环境趋向恶化，大力发展新能源成为我国发展的主要方向，柔性 直流输电技术是新能源并网的主要手段。柔性直流输电技术的核心设备-电压源控制 (VSC)换流阀，目前主要采用模块化多电平(MMC)结构，它先由可关断器件构成子模块，再利 用多个子模块串联组成。
子模块的结构对于VSC换流阀的性能及控制的复杂度至关重要，目前采用的子模 块结构见图1，由两个IGBT器件和一个电容器组成半桥结构，通过控制IGBT器件的开通和 关断输出电压。IGBT器件，相较于晶闸管器件，其开关损耗较大，控制复杂，单只器件的额定 电压电流较低，随着电压等级的不断提高，子模块串联数增加，子模块间的平衡均压困难， 不利于换流阀向高压大容量方向发展。发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置 及其控制方法，本发明基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块结构利用晶闸管器件代替IGBT 器件，降低了器件的开关损耗，降低了控制复杂度，提高了子模块的转换效率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的
一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其改进之处在于，所述装置包括 主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；所述主电路包括晶闸管单元1、晶闸管单元II 和电容器C ;所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。
其中，所述晶闸管单元I与晶闸管单元II并联；电容器C连接在晶闸管单元I与 晶闸管单元II之间。
其中，所述晶闸管单元I包括晶闸管Tl和与其反并联的二极管Dl ;所述晶闸管Tl 的阴极、二极管Dl的阳极连接、二极管Dl的阴极和晶闸管Tl的阳极依次连接组成闭合回 路I ;所述晶闸管单元II包括晶闸管T2和与其反并联的二极管D2 ;所述晶闸管T2的阴极、 二极管D2的阳极连接、二极管D2的阴极和晶闸管T2的阳极依次连接组成闭合回路II。
其中，所述强迫换流电路的个数为2 ;其中一个强迫换流电路包括晶闸管T3和T5、 电感LI和电容Cl ;所述电感LI和电容Cl串联组成Ll-Cl支路；所述晶闸管T5与Ll-Cl 支路并联；晶闸管T3连接在Ll-Cl支路和晶闸管单元I之间；
另一个强迫换流电路包括晶闸管T4和T6、电感L2和电容C2 ;所述电感L2和电容 C2串联组成L2-C2支路；所述晶闸管T6与L2-C2支路并联；晶闸管T4连接在L2-C2支路和晶闸管单元II之间。
本发明基于另一目的提供的一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤
(I)分别对两个强迫换流电路中的电容Cl和电容C2进行预充电；
(2)所述子模块工作并输出电压。
其中，所述步骤(I)中，分别对两个强迫换流电路中的电容Cl和电容C2进行预充电包括下述步骤
①触发晶闸管T3与T2，所电容器C给电容Cl充电，直到电容Cl两端的电压Uci大于或等于电容器C的电压值，所述晶闸管T3与T2关断；
②触发晶闸管T5，电容Cl沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路，使得电容Cl上的电压反向，当振荡电流为零时，电容Cl电压为-Uci，所述晶闸管T5关断；
③触发晶闸管T4与Tl，利用电容器C给电容C2充电，直到电容C2两端的电压Uc2 大于或等于电容器C的电压值，晶闸管Tl与T4关断；
④触发晶闸管T6，电容C2沿着晶闸管T6-电感L2形成振荡回路，使得电容C2上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2电压为-Uc2，所述晶闸管T6关断。
其中，所述步骤(2)中，所述子模块工作并输出电压包括 下述步骤
一、当所述电流I为正时，触发晶闸管Tl，晶闸管T2关断，晶闸管Tl流过电流为电流I，输出电压为零；
二、开通晶闸管T3，电容Cl沿二极管Dl-晶闸管T3-电感LI形成振荡回路，使得流过晶闸管Tl上的电流为零，晶闸管Tl关断，当振荡电流过零时，晶闸管T3关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容Cl电压为+υα，电流I转移到电容器C-二极管D2 回路，输出电压为电容器C的电压Uc ；
触发晶闸管Τ5，电容Cl沿电感L1-晶闸管Τ5回路振荡，使得电容Cl的电压反向， 当振荡电流为零时，电容Cl上电压为-Ua，为下一次晶闸管Tl的强迫换流准备；
三、当所述电流I为负时，触发晶闸管Τ2，晶闸管Tl关断，晶闸管Τ2上流过的电流为I，输出电压为电容器C上电压Uc ；
四、开通晶闸管Τ4，电容C2沿电感L2-晶闸管Τ4- 二极管D2形成振荡回路，使得流过晶闸管Τ2上的电流为零，晶闸管Τ2关断，当振荡电流过零后，晶闸管Τ4关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C2电压为+%2，电流I转移到二极管Dl回路，输出电压为零；
触发晶闸管Τ6，电容C2沿晶闸管Τ6-电感L2回路振荡，使得电容C2的电压反向， 当振荡电流为零时，电容C2上电压为_UC2，为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是
1、基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块结构利用晶闸管器件代替IGBT器件，降低了器件的开关损耗，降低了控制复杂度，提高了子模块的转换效率；
2、单只晶闸管器件较之于IGBT器件，额定电压电流大，当换流阀电压提高时，所需子模块串联级数少，降低了子模块间的均压难度，更利于MMC换流阀向更高电压等级发展。
3、本发明提供的晶闸管器件较之于IGBT器件工艺成熟，可靠性高。
图1是基于IGBT器件的MMC换流阀子模块拓扑结构；
图2是本发明提供的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块拓扑结构图。
具体实施方式
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。
本发明提供的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块拓扑结构如图2所示，包括主 电路以及与其两端并联的强迫换流电路；主电路包括晶闸管单元1、晶闸管单元II和电容 器C ;所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。
晶闸管单元I与晶闸管单元II并联；电容器C连接在晶闸管单元I与晶闸管单元 II之间。
晶闸管单元I包括晶闸管Tl和与其反并联的二极管Dl ;所述晶闸管Tl的阴极、 二极管Dl的阳极连接、二极管Dl的阴极和晶闸管Tl的阳极依次连接组成闭合回路I ;所 述晶闸管单元II包括晶闸管T2和与其反并联的二极管D2 ;所述晶闸管T2的阴极、二极管 D2的阳极连接、二极管D2的阴极和晶闸管T2的阳极依次连接组成闭合回路II。
强迫换流电路的个数为2 ;其中一个强迫换流电路包括晶闸管T3和T5、电感LI和 电容Cl ;所述电感LI和电容Cl串联组成Ll-Cl支路；所述晶闸管T5与Ll-Cl支路并联； 晶闸管T3连接在Ll-Cl支路和晶闸管单元I之间；
另一个强迫换流电路包括晶闸管T4和T6、电感L2和电容C2 ;所述电感L2和电容 C2串联组成L2-C2支路；所述晶闸管T6与L2-C2支路并联；晶闸管T4连接在L2-C2支路 和晶闸管单元II之间。
本发明提供的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，所述方法包 括下述步骤
(I)在子模块工作之前，分别对两个强迫换流电路中的电容Cl和电容C2进行预充 电；
①触发晶闸管T3与T2，所电容器C给电容Cl充电，直到电容Cl两端的电压Uci大 于或等于电容器C的电压值，所述晶闸管T3与T2关断；
②触发晶闸管T5，电容Cl沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路，使得电容Cl上 的电压反向，当振荡电流为零时，电容Cl电压为-Uci，所述晶闸管T5关断；
③触发晶闸管T4与Tl，利用电容器C给电容C2充电，直到电容C2两端的电压Uc2 大于或等于电容器C的电压值，晶闸管Tl与T4关断；
④触发晶闸管T6，电容C2沿着晶闸管T6-电感L2形成振荡回路，使得电容C2上 的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2电压为-Uc2，所述晶闸管T6关断。
(2)强迫换流回路预充电过程结束后，子模块进入工作状态，其工作原理如下
一、当所述电流I为正时，触发晶闸管Tl，晶闸管T2关断，晶闸管Tl流过电流为电 流I，输出电压为零；
二、开通晶闸管T3，电容Cl沿二极管Dl-晶闸管T3-电感LI形成振荡回路，使得 流过晶闸管Tl上的电流为零，晶闸管Tl关断，当振荡电流过零时，晶闸管T3关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容Cl电压为+υα，电流I转移到电容器C-二极管D2 回路，输出电压为电容器C的电压Uc ；触发晶闸管Τ5，电容Cl沿电感L1-晶闸管Τ5回路振荡，使得电容Cl的电压反向， 当振荡电流为零时，电容Cl上电压为-Ua，为下一次晶闸管Tl的强迫换流准备；
三、当所述电流I为负时，触发晶闸管Τ2，晶闸管Tl关断，晶闸管Τ2上流过的电流为I，输出电压为电容器C上电压Uc ；
四、开通晶闸管Τ4，电容C2沿电感L2-晶闸管Τ4- 二极管D2形成振荡回路，使得流过晶闸管Τ2上的电流为零，晶闸管Τ2关断，当振荡电流过零后，晶闸管Τ4关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C2电压为+%2，电流I转移到二极管Dl回路，输出电压为零；
触发晶闸管Τ6，电容C2沿晶闸管Τ6-电感L2回路振荡，使得电容C2的电压反向， 当振荡电流为零时，电容C2上电压为_UC2，为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。
理想情况下，以上四个工作模式各运行一次为一个工作周期，子模块输出电压Utl 为零和Uc两种电平。
最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其特征在于，所述装置包括主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；所述主电路包括晶闸管单元1、晶闸管单元II和电容器C ;所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。
2.如权利要求1所述的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其特征在于，所述晶闸管单元I与晶闸管单元II并联；电容器C连接在晶闸管单元I与晶闸管单元II之间。
3.如权利要求2所述的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其特征在于，所述晶闸管单元I包括晶闸管Tl和与其反并联的二极管Dl ;所述晶闸管Tl的阴极、二极管Dl的阳极连接、二极管Dl的阴极和晶闸管Tl的阳极依次连接组成闭合回路I ;所述晶闸管单元II包括晶闸管T2和与其反并联的二极管D2 ;所述晶闸管T2的阴极、二极管D2的阳极连接、二极管D2的阴极和晶闸管T2的阳极依次连接组成闭合回路II。
4.如权利要求1所述的基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置，其特征在于，所述强迫换流电路的个数为2 ;其中一个强迫换流电路包括晶闸管T3和T5、电感LI和电容Cl ；所述电感LI和电容Cl串联组成Ll-Cl支路；所述晶闸管T5与Ll-Cl支路并联；晶闸管T3连接在Ll-Cl支路和晶闸管单元I之间； 另一个强迫换流电路包括晶闸管T4和T6、电感L2和电容C2 ;所述电感L2和电容C2串联组成L2-C2支路；所述晶闸管T6与L2-C2支路并联；晶闸管T4连接在L2-C2支路和晶闸管单元II之间。
5.一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤 (1)分别对两个强迫换流电路中的电容Cl和电容C2进行预充电； (2)所述子模块工作并输出电压。
6.如权利要求5基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，其特征在于，所述步骤(I)中，分别对两个强迫换流电路中的电容Cl和电容C2进行预充电包括下述步骤 ①触发晶闸管T3与T2，所电容器C给电容Cl充电，直到电容Cl两端的电压Uci大于或等于电容器C的电压值，所述晶闸管T3与T2关断； ②触发晶闸管T5，电容Cl沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路，使得电容Cl上的电压反向，当振荡电流为零时，电容Cl电压为-Uci，所述晶闸管T5关断； ③触发晶闸管T4与Tl，利用电容器C给电容C2充电，直到电容C2两端的电压Uc2大于或等于电容器C的电压值，晶闸管Tl与T4关断； ④触发晶闸管T6，电容C2沿着晶闸管T6-电感L2形成振荡回路，使得电容C2上的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2电压为-Uc2，所述晶闸管T6关断。
7.如权利要求5基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置的控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述子模块工作并输出电压包括下述步骤 一、当所述电流I为正时，触发晶闸管Tl，晶闸管T2关断，晶闸管Tl流过电流为电流I，输出电压为零； 二、开通晶闸管T3，电容Cl沿二极管Dl-晶闸管T3-电感LI形成振荡回路，使得流过晶闸管Tl上的电流为零，晶闸管Tl关断，当振荡电流过零时，晶闸管T3关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容Cl电压为+Ua，电流I转移到电容器C-二极管D2回路，输出电压为电容器C的电压Uc ；触发晶闸管T5，电容Cl沿电感L1-晶闸管T5回路振荡，使得电容Cl的电压反向，当振荡电流为零时，电容Cl上电压为-Ua，为下一次晶闸管Tl的强迫换流准备； 三、当所述、电流I为负时，触发晶闸管T2，晶闸管Tl关断，晶闸管T2上流过的电流为I，输出电压为电容器C上电压Uc ； 四、开通晶闸管T4，电容C2沿电感L2-晶闸管T4-二极管D2形成振荡回路，使得流过晶闸管T2上的电流为零，晶闸管T2关断，当振荡电流过零后，晶闸管T4关断，由于振荡过程中电流I补充振荡回路损耗，电容C2电压为+Ue2，电流I转移到二极管Dl回路，输出电 压为零； 触发晶闸管T6，电容C2沿晶闸管T6-电感L2回路振荡，使得电容C2的电压反向，当振荡电流为零时，电容C2上电压为_UC2，为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。
全文摘要
本发明涉及电力系统和电力电子领域，具体涉及一种基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块装置及其控制方法，该装置包括主电路以及与其两端并联的强迫换流电路；所述主电路包括晶闸管单元I、晶闸管单元II和电容器C；所述晶闸管单元I和晶闸管单元II均由晶闸管和与其反并联的二极管组成。该方法包括下述步骤(1)分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电；(2)所述子模块工作并输出电压。基于晶闸管器件的MMC换流阀子模块结构利用晶闸管器件代替IGBT器件，降低了器件的开关损耗，降低了控制复杂度，提高了子模块的转换效率。
文档编号H02M3/10GK103023312SQ20121045569
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者温家良, 王秀环, 郭高鹏, 吴婧, 王宇, 杨杰, 药涛 申请人:国网智能电网研究院, 国家电网公司