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。
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。
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T1和与其反并联的二极管D1;所述晶闸管T1的阴极、二极管D1的阳极连接、二极管D1的阴极和晶闸管T1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L1和电容C1;所述电感L1和电容C1串联组成L1-C1支路;所述晶闸管T5与L1-C1支路并联;晶闸管T3连接在L1-C1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C1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(1)中,分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电包括下述步骤:1触发晶闸管T3与T2,所电容器C给电容C1充电,直到电容C1两端的电压U_C1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C1沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路,使得电容C1上的电压反向,当振荡电流为零时,电容C1电压为-U_C1,所述晶闸管T5关断;3触发晶闸管T4与T1,利用电容器C给电容C2充电,直到电容C2两端的电压U_C2大于或等于电容器C的电压值,晶闸管T1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-U_C2,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T1,晶闸管T2关断,晶闸管T1流过电流为电流I,输出电压为零;二、开通晶闸管T3,电容C1沿二极管D1-晶闸管T3-电感L1形成振荡回路,使得流过晶闸管T1上的电流为零,晶闸管T1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C1电压为+U_C1,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C1沿电感L1-晶闸管T5回路振荡,使得电容C1的电压反向,当振荡电流为零时,电容C1上电压为-U_C1,为下一次晶闸管T1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T1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U_C;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+U_C2,电流I转移到二极管D1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-U_C2,为下一次晶闸管T2的强迫换流准备。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。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T1和与其反并联的二极管D1;所述晶闸管T1的阴极、二极管D1的阳极连接、二极管D1的阴极和晶闸管T1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L1和电容C1;所述电感L1和电容C1串联组成L1-C1支路;所述晶闸管T5与L1-C1支路并联;晶闸管T3连接在L1-C1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:(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。其中,所述步骤(1)中,分别对两个强迫换流电路中的电容C1和电容C2进行预充电包括下述步骤:1触发晶闸管T3与T2,所电容器C给电容C1充电,直到电容C1两端的电压U_C1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C1沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路,使得电容C1上的电压反向,当振荡电流为零时,电容C1电压为-U_C1,所述晶闸管T5关断;3触发晶闸管T4与T1,利用电容器C给电容C2充电,直到电容C2两端的电压U_C2大于或等于电容器C的电压值,晶闸管T1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-U_C2,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T1,晶闸管T2关断,晶闸管T1流过电流为电流I,输出电压为零;二、开通晶闸管T3,电容C1沿二极管D1-晶闸管T3-电感L1形成振荡回路,使得流过晶闸管T1上的电流为零,晶闸管T1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C1电压为+U_C1,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C1沿电感L1-晶闸管T5回路振荡,使得电容C1的电压反向,当振荡电流为零时,电容C1上电压为-U_C1,为下一次晶闸管T1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T1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U_C;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+U_C2,电流I转移到二极管D1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-U_C2,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。
附图说明
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。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T1和与其反并联的二极管D1;所述晶闸管T1的阴极、二极管D1的阳极连接、二极管D1的阴极和晶闸管T1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L1和电容C1;所述电感L1和电容C1串联组成L1-C1支路;所述晶闸管T5与L1-C1支路并联;晶闸管T3连接在L1-C1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:(1)在子模块工作之前,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;1触发晶闸管T3与T2,所电容器C给电容C1充电,直到电容C1两端的电压U_C1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C1沿着电感L1-晶闸管T5形成振荡回路,使得电容C1上的电压反向,当振荡电流为零时,电容C1电压为-U_C1,所述晶闸管T5关断;3触发晶闸管T4与T1,利用电容器C给电容C2充电,直到电容C2两端的电压U_C2大于或等于电容器C的电压值,晶闸管T1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-U_C2,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T1,晶闸管T2关断,晶闸管T1流过电流为电流I,输出电压为零;二、开通晶闸管T3,电容C1沿二极管D1-晶闸管T3-电感L1形成振荡回路,使得流过晶闸管T1上的电流为零,晶闸管T1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C1电压为+U_C1,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C1沿电感L1-晶闸管T5回路振荡,使得电容C1的电压反向,当振荡电流为零时,电容C1上电压为-U_C1,为下一次晶闸管T1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T1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U_C;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+U_C2,电流I转移到二极管D1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-U_C2,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U₀为零和U_C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。