專利名稱：一種基于晶閘管器件的mmc換流閥子模塊裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)和電力電子領域，具體涉及一種基于晶閘管器件的MMC換流 閥子模塊裝置及其控制方法，尤其涉及一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊拓撲結構 裝置及其控制方法。
背景技術：
由于能源短缺和環(huán)境趨向惡化，大力發(fā)展新能源成為我國發(fā)展的主要方向，柔性 直流輸電技術是新能源并網(wǎng)的主要手段。柔性直流輸電技術的核心設備-電壓源控制 (VSC)換流閥，目前主要采用模塊化多電平(MMC)結構，它先由可關斷器件構成子模塊，再利 用多個子模塊串聯(lián)組成。
子模塊的結構對于VSC換流閥的性能及控制的復雜度至關重要，目前采用的子模 塊結構見圖1，由兩個IGBT器件和一個電容器組成半橋結構，通過控制IGBT器件的開通和 關斷輸出電壓。IGBT器件，相較于晶閘管器件，其開關損耗較大，控制復雜，單只器件的額定 電壓電流較低，隨著電壓等級的不斷提高，子模塊串聯(lián)數(shù)增加，子模塊間的平衡均壓困難， 不利于換流閥向高壓大容量方向發(fā)展。發(fā)明內容
針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置 及其控制方法，本發(fā)明基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊結構利用晶閘管器件代替IGBT 器件，降低了器件的開關損耗，降低了控制復雜度，提高了子模塊的轉換效率。
本發(fā)明的目的是采用下述技術方案實現(xiàn)的
一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置，其改進之處在于，所述裝置包括 主電路以及與其兩端并聯(lián)的強迫換流電路；所述主電路包括晶閘管單元1、晶閘管單元II 和電容器C ;所述晶閘管單元I和晶閘管單元II均由晶閘管和與其反并聯(lián)的二極管組成。
其中，所述晶閘管單元I與晶閘管單元II并聯(lián)；電容器C連接在晶閘管單元I與 晶閘管單元II之間。
其中，所述晶閘管單元I包括晶閘管Tl和與其反并聯(lián)的二極管Dl ;所述晶閘管Tl 的陰極、二極管Dl的陽極連接、二極管Dl的陰極和晶閘管Tl的陽極依次連接組成閉合回 路I ;所述晶閘管單元II包括晶閘管T2和與其反并聯(lián)的二極管D2 ;所述晶閘管T2的陰極、 二極管D2的陽極連接、二極管D2的陰極和晶閘管T2的陽極依次連接組成閉合回路II。
其中，所述強迫換流電路的個數(shù)為2 ;其中一個強迫換流電路包括晶閘管T3和T5、 電感LI和電容Cl ;所述電感LI和電容Cl串聯(lián)組成Ll-Cl支路；所述晶閘管T5與Ll-Cl 支路并聯(lián)；晶閘管T3連接在Ll-Cl支路和晶閘管單元I之間；
另一個強迫換流電路包括晶閘管T4和T6、電感L2和電容C2 ;所述電感L2和電容 C2串聯(lián)組成L2-C2支路；所述晶閘管T6與L2-C2支路并聯(lián)；晶閘管T4連接在L2-C2支路和晶閘管單元II之間。
本發(fā)明基于另一目的提供的一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置的控制方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟
(I)分別對兩個強迫換流電路中的電容Cl和電容C2進行預充電；
(2)所述子模塊工作并輸出電壓。
其中，所述步驟(I)中，分別對兩個強迫換流電路中的電容Cl和電容C2進行預充電包括下述步驟
①觸發(fā)晶閘管T3與T2，所電容器C給電容Cl充電，直到電容Cl兩端的電壓Uci大于或等于電容器C的電壓值，所述晶閘管T3與T2關斷；
②觸發(fā)晶閘管T5，電容Cl沿著電感L1-晶閘管T5形成振蕩回路，使得電容Cl上的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容Cl電壓為-Uci，所述晶閘管T5關斷；
③觸發(fā)晶閘管T4與Tl，利用電容器C給電容C2充電，直到電容C2兩端的電壓Uc2 大于或等于電容器C的電壓值，晶閘管Tl與T4關斷；
④觸發(fā)晶閘管T6，電容C2沿著晶閘管T6-電感L2形成振蕩回路，使得電容C2上的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容C2電壓為-Uc2，所述晶閘管T6關斷。
其中，所述步驟(2)中，所述子模塊工作并輸出電壓包括 下述步驟
一、當所述電流I為正時，觸發(fā)晶閘管Tl，晶閘管T2關斷，晶閘管Tl流過電流為電流I，輸出電壓為零；
二、開通晶閘管T3，電容Cl沿二極管Dl-晶閘管T3-電感LI形成振蕩回路，使得流過晶閘管Tl上的電流為零，晶閘管Tl關斷，當振蕩電流過零時，晶閘管T3關斷，由于振蕩過程中電流I補充振蕩回路損耗，電容Cl電壓為+υα，電流I轉移到電容器C-二極管D2 回路，輸出電壓為電容器C的電壓Uc ；
觸發(fā)晶閘管Τ5，電容Cl沿電感L1-晶閘管Τ5回路振蕩，使得電容Cl的電壓反向， 當振蕩電流為零時，電容Cl上電壓為-Ua，為下一次晶閘管Tl的強迫換流準備；
三、當所述電流I為負時，觸發(fā)晶閘管Τ2，晶閘管Tl關斷，晶閘管Τ2上流過的電流為I，輸出電壓為電容器C上電壓Uc ；
四、開通晶閘管Τ4，電容C2沿電感L2-晶閘管Τ4- 二極管D2形成振蕩回路，使得流過晶閘管Τ2上的電流為零，晶閘管Τ2關斷，當振蕩電流過零后，晶閘管Τ4關斷，由于振蕩過程中電流I補充振蕩回路損耗，電容C2電壓為+%2，電流I轉移到二極管Dl回路，輸出電壓為零；
觸發(fā)晶閘管Τ6，電容C2沿晶閘管Τ6-電感L2回路振蕩，使得電容C2的電壓反向， 當振蕩電流為零時，電容C2上電壓為_UC2，為下一次晶閘管T2的強迫換流準備。
與現(xiàn)有技術比，本發(fā)明達到的有益效果是
1、基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊結構利用晶閘管器件代替IGBT器件，降低了器件的開關損耗，降低了控制復雜度，提高了子模塊的轉換效率；
2、單只晶閘管器件較之于IGBT器件，額定電壓電流大，當換流閥電壓提高時，所需子模塊串聯(lián)級數(shù)少，降低了子模塊間的均壓難度，更利于MMC換流閥向更高電壓等級發(fā)展。
3、本發(fā)明提供的晶閘管器件較之于IGBT器件工藝成熟，可靠性高。
圖1是基于IGBT器件的MMC換流閥子模塊拓撲結構；
圖2是本發(fā)明提供的基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊拓撲結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
本發(fā)明提供的基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊拓撲結構如圖2所示，包括主 電路以及與其兩端并聯(lián)的強迫換流電路；主電路包括晶閘管單元1、晶閘管單元II和電容 器C ;所述晶閘管單元I和晶閘管單元II均由晶閘管和與其反并聯(lián)的二極管組成。
晶閘管單元I與晶閘管單元II并聯(lián)；電容器C連接在晶閘管單元I與晶閘管單元 II之間。
晶閘管單元I包括晶閘管Tl和與其反并聯(lián)的二極管Dl ;所述晶閘管Tl的陰極、 二極管Dl的陽極連接、二極管Dl的陰極和晶閘管Tl的陽極依次連接組成閉合回路I ;所 述晶閘管單元II包括晶閘管T2和與其反并聯(lián)的二極管D2 ;所述晶閘管T2的陰極、二極管 D2的陽極連接、二極管D2的陰極和晶閘管T2的陽極依次連接組成閉合回路II。
強迫換流電路的個數(shù)為2 ;其中一個強迫換流電路包括晶閘管T3和T5、電感LI和 電容Cl ;所述電感LI和電容Cl串聯(lián)組成Ll-Cl支路；所述晶閘管T5與Ll-Cl支路并聯(lián)； 晶閘管T3連接在Ll-Cl支路和晶閘管單元I之間；
另一個強迫換流電路包括晶閘管T4和T6、電感L2和電容C2 ;所述電感L2和電容 C2串聯(lián)組成L2-C2支路；所述晶閘管T6與L2-C2支路并聯(lián)；晶閘管T4連接在L2-C2支路 和晶閘管單元II之間。
本發(fā)明提供的基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置的控制方法，所述方法包 括下述步驟
(I)在子模塊工作之前，分別對兩個強迫換流電路中的電容Cl和電容C2進行預充 電；
①觸發(fā)晶閘管T3與T2，所電容器C給電容Cl充電，直到電容Cl兩端的電壓Uci大 于或等于電容器C的電壓值，所述晶閘管T3與T2關斷；
②觸發(fā)晶閘管T5，電容Cl沿著電感L1-晶閘管T5形成振蕩回路，使得電容Cl上 的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容Cl電壓為-Uci，所述晶閘管T5關斷；
③觸發(fā)晶閘管T4與Tl，利用電容器C給電容C2充電，直到電容C2兩端的電壓Uc2 大于或等于電容器C的電壓值，晶閘管Tl與T4關斷；
④觸發(fā)晶閘管T6，電容C2沿著晶閘管T6-電感L2形成振蕩回路，使得電容C2上 的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容C2電壓為-Uc2，所述晶閘管T6關斷。
(2)強迫換流回路預充電過程結束后，子模塊進入工作狀態(tài)，其工作原理如下
一、當所述電流I為正時，觸發(fā)晶閘管Tl，晶閘管T2關斷，晶閘管Tl流過電流為電 流I，輸出電壓為零；
二、開通晶閘管T3，電容Cl沿二極管Dl-晶閘管T3-電感LI形成振蕩回路，使得 流過晶閘管Tl上的電流為零，晶閘管Tl關斷，當振蕩電流過零時，晶閘管T3關斷，由于振蕩過程中電流I補充振蕩回路損耗，電容Cl電壓為+υα，電流I轉移到電容器C-二極管D2 回路，輸出電壓為電容器C的電壓Uc ；觸發(fā)晶閘管Τ5，電容Cl沿電感L1-晶閘管Τ5回路振蕩，使得電容Cl的電壓反向， 當振蕩電流為零時，電容Cl上電壓為-Ua，為下一次晶閘管Tl的強迫換流準備；
三、當所述電流I為負時，觸發(fā)晶閘管Τ2，晶閘管Tl關斷，晶閘管Τ2上流過的電流為I，輸出電壓為電容器C上電壓Uc ；
四、開通晶閘管Τ4，電容C2沿電感L2-晶閘管Τ4- 二極管D2形成振蕩回路，使得流過晶閘管Τ2上的電流為零，晶閘管Τ2關斷，當振蕩電流過零后，晶閘管Τ4關斷，由于振蕩過程中電流I補充振蕩回路損耗，電容C2電壓為+%2，電流I轉移到二極管Dl回路，輸出電壓為零；
觸發(fā)晶閘管Τ6，電容C2沿晶閘管Τ6-電感L2回路振蕩，使得電容C2的電壓反向， 當振蕩電流為零時，電容C2上電壓為_UC2，為下一次晶閘管T2的強迫換流準備。
理想情況下，以上四個工作模式各運行一次為一個工作周期，子模塊輸出電壓Utl 為零和Uc兩種電平。
最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置，其特征在于，所述裝置包括主電路以及與其兩端并聯(lián)的強迫換流電路；所述主電路包括晶閘管單元1、晶閘管單元II和電容器C ;所述晶閘管單元I和晶閘管單元II均由晶閘管和與其反并聯(lián)的二極管組成。
2.如權利要求1所述的基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置，其特征在于，所述晶閘管單元I與晶閘管單元II并聯(lián)；電容器C連接在晶閘管單元I與晶閘管單元II之間。
3.如權利要求2所述的基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置，其特征在于，所述晶閘管單元I包括晶閘管Tl和與其反并聯(lián)的二極管Dl ;所述晶閘管Tl的陰極、二極管Dl的陽極連接、二極管Dl的陰極和晶閘管Tl的陽極依次連接組成閉合回路I ;所述晶閘管單元II包括晶閘管T2和與其反并聯(lián)的二極管D2 ;所述晶閘管T2的陰極、二極管D2的陽極連接、二極管D2的陰極和晶閘管T2的陽極依次連接組成閉合回路II。
4.如權利要求1所述的基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置，其特征在于，所述強迫換流電路的個數(shù)為2 ;其中一個強迫換流電路包括晶閘管T3和T5、電感LI和電容Cl ；所述電感LI和電容Cl串聯(lián)組成Ll-Cl支路；所述晶閘管T5與Ll-Cl支路并聯(lián)；晶閘管T3連接在Ll-Cl支路和晶閘管單元I之間； 另一個強迫換流電路包括晶閘管T4和T6、電感L2和電容C2 ;所述電感L2和電容C2串聯(lián)組成L2-C2支路；所述晶閘管T6與L2-C2支路并聯(lián)；晶閘管T4連接在L2-C2支路和晶閘管單元II之間。
5.一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置的控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟 (1)分別對兩個強迫換流電路中的電容Cl和電容C2進行預充電； (2)所述子模塊工作并輸出電壓。
6.如權利要求5基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟(I)中，分別對兩個強迫換流電路中的電容Cl和電容C2進行預充電包括下述步驟 ①觸發(fā)晶閘管T3與T2，所電容器C給電容Cl充電，直到電容Cl兩端的電壓Uci大于或等于電容器C的電壓值，所述晶閘管T3與T2關斷； ②觸發(fā)晶閘管T5，電容Cl沿著電感L1-晶閘管T5形成振蕩回路，使得電容Cl上的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容Cl電壓為-Uci，所述晶閘管T5關斷； ③觸發(fā)晶閘管T4與Tl，利用電容器C給電容C2充電，直到電容C2兩端的電壓Uc2大于或等于電容器C的電壓值，晶閘管Tl與T4關斷； ④觸發(fā)晶閘管T6，電容C2沿著晶閘管T6-電感L2形成振蕩回路，使得電容C2上的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容C2電壓為-Uc2，所述晶閘管T6關斷。
7.如權利要求5基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述子模塊工作并輸出電壓包括下述步驟 一、當所述電流I為正時，觸發(fā)晶閘管Tl，晶閘管T2關斷，晶閘管Tl流過電流為電流I，輸出電壓為零； 二、開通晶閘管T3，電容Cl沿二極管Dl-晶閘管T3-電感LI形成振蕩回路，使得流過晶閘管Tl上的電流為零，晶閘管Tl關斷，當振蕩電流過零時，晶閘管T3關斷，由于振蕩過程中電流I補充振蕩回路損耗，電容Cl電壓為+Ua，電流I轉移到電容器C-二極管D2回路，輸出電壓為電容器C的電壓Uc ；觸發(fā)晶閘管T5，電容Cl沿電感L1-晶閘管T5回路振蕩，使得電容Cl的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容Cl上電壓為-Ua，為下一次晶閘管Tl的強迫換流準備； 三、當所述、電流I為負時，觸發(fā)晶閘管T2，晶閘管Tl關斷，晶閘管T2上流過的電流為I，輸出電壓為電容器C上電壓Uc ； 四、開通晶閘管T4，電容C2沿電感L2-晶閘管T4-二極管D2形成振蕩回路，使得流過晶閘管T2上的電流為零，晶閘管T2關斷，當振蕩電流過零后，晶閘管T4關斷，由于振蕩過程中電流I補充振蕩回路損耗，電容C2電壓為+Ue2，電流I轉移到二極管Dl回路，輸出電 壓為零； 觸發(fā)晶閘管T6，電容C2沿晶閘管T6-電感L2回路振蕩，使得電容C2的電壓反向，當振蕩電流為零時，電容C2上電壓為_UC2，為下一次晶閘管T2的強迫換流準備。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)和電力電子領域，具體涉及一種基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊裝置及其控制方法，該裝置包括主電路以及與其兩端并聯(lián)的強迫換流電路；所述主電路包括晶閘管單元I、晶閘管單元II和電容器C；所述晶閘管單元I和晶閘管單元II均由晶閘管和與其反并聯(lián)的二極管組成。該方法包括下述步驟(1)分別對兩個強迫換流電路中的電容C1和電容C2進行預充電；(2)所述子模塊工作并輸出電壓。基于晶閘管器件的MMC換流閥子模塊結構利用晶閘管器件代替IGBT器件，降低了器件的開關損耗，降低了控制復雜度，提高了子模塊的轉換效率。
文檔編號H02M3/10GK103023312SQ20121045569
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權日2012年11月14日
發(fā)明者溫家良, 王秀環(huán), 郭高鵬, 吳婧, 王宇, 楊杰, 藥濤 申請人:國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國家電網(wǎng)公司