具有直流故障清除能力的MMC子模块及其选取方法

2019-04-17 08:04韩朋乐
通信电源技术 2019年3期
关键词:桥臂全桥串联

韩朋乐

(国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心,河南 郑州 450001)

0 引 言

模块化多电平变换器(MMC)采用子模块串联结构,可提高系统功率和电压等级,实现电压的多电平变换输出。在电力电子、电力拖动及电网变换等供配电领域,它具有巨大的应用前景。

实际工作中,MMC由于结构缺陷,导致直流侧发生短路时不能立即闭锁短路,进而损坏子模块结构,影响整个系统的使用。实际工作中,直流侧线路故障是经常发生的故障类型。现有处理方式是使用直流断路器阻断直流侧电路,以防MMC的损坏。但是,此故障规避方式需要大量的断路器设备,增加了成本,且断路器易老化损坏,仍威胁系统安全[1]。

近年来,社会上出现了多种具有直流侧短路阻断能力的MMC子模块。虽然每种子模块的结构不同,但都实现了直流侧短路故障的闭锁清除。由于现有的各种子模块都存在一定缺陷,导致实际选型困难。本文分析了各种常用MMC子模块的工作原理,对比了各种子模块在运行时对系统的影响,阐述了各种拓扑的优缺点,便于工程技术人员实际选型。

1 MMC的基本原理

德国学者R. Marquart和A. Lesnicax于2002年提出了MMC结构。MMC的基本拓扑结构如图1所示,整体类似于一个三相全桥结构,只是将三相全桥中的开关管换成了由若干子模块构成的桥臂,每个桥臂由若干个串联的子模块SM1~SMn构成,且每个桥臂的输出端都串联用于滤波的电感L。此结构使电力变换的设计更加灵活、多变,其中最基本的子模块结构是半桥子模块(HBSM)和全桥子模块(FBSM)。

图1 MMC简化电路

2 具有直流故障清除能力的MMC子模块

基于MMC子模块的基本结构,衍生了多种具有直流故障清除能力的子模块,如箝双子模块、串联双子模块、交叉连接型子模块及混合型子模块等[2]。

2.1 箝双子模块并联拓扑

如图2所示,箝双子模块拓扑(Clamp Double Sub Module,CDSM)在传统的全桥中间母线上并联了一个IGBT开关管,在IGBT两端的母线上分别串联两个二极管,并增加一个并联电容,实现了闭锁能力,减少了输出单位电压所需的器件数量,并使子模块能够输出三个电平——2Uc、Uc及0。

子模块正常运行时,CDSM中的开关管VT5一直导通,使得整个子模块等效为两个半桥子模块。直流侧短路故障发生时,所有的IGBT会被控制系统关断,此时短路电流的通路如图3所示。短路电流不管从哪个方向输入,都会流过两个电容,并从另一端输出。电容的阻断作用实现了短路阻断闭锁,而电流方向的不同使电容的串并联关系不同。

图2 CDSM拓扑结构

图3 CDSM桥臂电流路径

2.2 串联双子模块拓扑

图4 是串联双子模块(Series-connected Double Sub Module,SDSM)的拓扑结构,端子1和端子2是输出端,而两个端子3是相连的。

图4 SDSM拓扑结构

正常运行时,两个子模块SM1和SM2串联,且独立工作,使控制软件和调制方法设计时与传统MMC相同[3]。

当发生直流侧故障时,故障电流的通路如图5所示。不管故障电流从哪个输出端进入,都会流过两个电容C1、C2,并回到输出端,进而实现短路电流的闭锁。同时,两个电容之间在两个短路方向上都是串联,且都由短路电流充电,易排除最终的故障电流。

图5 SDSM桥臂电流路径

2.3 交叉连接型子模块拓扑

图6 是交叉连接型子模块(Cross-connected Sub Module,CCSM)的拓扑结构。这种结构由两个半桥结构和两个IGBT构成,其中两个IGBT连接两个半桥的正负母线[4]。通过对各个开关管的控制,最终可输出五个电平——0、±Uc及±2Uc。

图6 CCSM的拓扑结构

当发生直流侧故障时,全部IGBT断开,输出端的短路电流通过IGBT的反并联二极管和两个电容进行流动,进而实现短路电流的阻断,如图7所示。

图7 CCSM桥臂电流路径

2.4 混合型子模块拓扑

图8 是混合型子模块(Hybrid Sub Module,HSM)的拓扑结构,类似由一个半桥结构和一个全桥结构并联构成。二极管D6是一个IGBT的反并联二极管,但由于一直处于关断状态,所以可省略[5]。这种结构使现有的全桥和半桥IGBT模块易于快速构成,便于使用和调试,可输出四个电平——0、±Uc及2Uc。

图8 HSM拓扑结构

当发生直流侧故障时,关断全部IGBT,两个输出端进入的短路电流会在子模块内部形成一个电流通路,并流过反并联二极管和电容器实现短路电流的阻断,如图9所示。

HSM衍生于传统的全桥结构,提高了输出电平的数量,且结构简单。但是,当短路电流从D3的阳极进入时,短路电流在回路中只流过一个电容,导致短路电流阻断能力降低。

图9 HSM桥臂电流路径

3 各类MMC子模块的性能比较和选取方法

系统输出功率和系统输出电压等级相同时,对比分析各子模块的优缺点,结果如表1所示。对比的参数包括控制复杂度、开关管数量、模块损耗及器件耐压等。由于结构不同,各子模块的应用场景也不同。其中,SDSM虽然控制复杂度高,但是损耗较低,使用的开关管数量较少,降低了成本;CCSM虽然损耗较高,但是对母线电压的承受力较强,可应用于特殊场景。具体应用中,技术人员可根据具体需要进行选择[5]。

由表1可知,传统的FBSM拓扑结构和控制简单,但拓扑损耗较高,对母线电压值的承受力较低,实际应用较少;其余4种拓扑由于增加了额外的开关管或者二极管,提高了控制复杂度,增加了系统损耗,但实现了直流电路闭锁功能。可见,不同子模块拓扑虽然结构差异较大,但都通过对中间电容的充电实现了断路电流的阻断,只是阻断的电流回路各不相同[6]。

具体地,CDSM拓扑和HSM拓扑仅在经典的全桥结构上增加了若干开关管,仍具有经典全桥结构的优点,如控制系统更加容易设计且改动较小,普遍应用于实际工程;SDSM拓扑和CCSM拓扑对经典全桥的改变较大,特别是SDSM拓扑结构,直接改变了全桥四开关的串联模式和整个子模块的功能结构。因此,控制系统设计和硬件设计时,需增大调试投入,充分仿真分析,以避免运行电路功能的失调[7]。

选择MMC子模块拓扑时,需综合考虑设计成本、控制难度、软硬件变更的大小、整个系统调试的困难度、系统运行的稳定性、系统损耗及成本等因素,如表2所示。

4 结 论

目前,MMC模块是直流电网故障隔离和消除的研究热点。使用不同的MMC子模块的拓扑结构进行短路电流的阻断,提高了现有电网运行的可靠性和灵活性,减小了现有电网系统中使用的断路器个数,降低了系统成本。因此,本文总结常用子模块的拓扑结构,分析各种直流短路阻断的原理,得到了基于不同考虑情形的选择方法,可为工程技术人员提供参考。

表1 不同子模块参数比较

表2 子模块结构的折衷考虑表

猜你喜欢
桥臂全桥串联
桥臂病变的临床病因学研究进展
基于k/n(G)模型的MMC系统可靠性建模与分析
宽范围输入输出离子电推进屏栅电源的设计
细谈DAM 10 kW中波发射机的RF功放模块
*改进的最近电平调制策略在模块化多电平变换器中的应用
桥臂梗死的临床分析
光影串联,家之风景
全桥LLC谐振变换器研究
串联攻坚弹后级引信自适应起爆方法
基于TL431的电动汽车多节串联锂电池模拟器