Sub-module Overvoltage Protection of Modular Multilevel Converter for Flexible DC Transmission

Tao WANG; Xiaoyang YU; Jifeng WEN; Dongming CAO; Jie TIAN; Yunlong DONG

doi:10.7500/AEPS20200226007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Sub-module Overvoltage Protection of Modular Multilevel Converter for Flexible DC Transmission

Application Research | 更新时间：2025-06-16

- Sub-module Overvoltage Protection of Modular Multilevel Converter for Flexible DC Transmission
- Automation of Electric Power Systems Vol. 44, Issue 21, Pages: 107-115(2020)
- 作者机构：
  
  南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  State Grid Corporation of China
- DOI：10.7500/AEPS20200226007
  CLC：
- Received：26 February 2020，
  
  Revised：2020-06-23，
  
  Published Online：24 August 2020，
  
  Published：10 November 2020
- 稿件说明：
移动端阅览
汪涛,虞晓阳,文继锋等.模块化多电平柔性直流输电换流器子模块过电压保护[J].电力系统自动化,2020,44(21):107-115.

WANG Tao,YU Xiaoyang,WEN Jifeng,et al.Sub-module Overvoltage Protection of Modular Multilevel Converter for Flexible DC Transmission[J].Automation of Electric Power Systems,2020,44(21):107-115.
汪涛,虞晓阳,文继锋等.模块化多电平柔性直流输电换流器子模块过电压保护[J].电力系统自动化,2020,44(21):107-115. DOI： 10.7500/AEPS20200226007.

WANG Tao,YU Xiaoyang,WEN Jifeng,et al.Sub-module Overvoltage Protection of Modular Multilevel Converter for Flexible DC Transmission[J].Automation of Electric Power Systems,2020,44(21):107-115. DOI： 10.7500/AEPS20200226007.

摘要

以模块化多电平柔性直流换流器为研究对象，分析子模块过电压特点，研究子模块在运行中的瞬态过电压和暂态过电压问题。子模块瞬态过电压包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）关断过电压和二极管反向恢复过电压：针对子模块IGBT关断过电压，提出一种两电平关断技术抑制关断电压尖峰；针对子模块二极管在旁路开关动作时反向恢复过电压，提出一种抑制二极管反向恢复过电压的旁路方法。文中同时分析了系统故障造成的暂态过电压，提出一种带耗能回路的子模块拓扑，以提高换流器故障穿越能力，并可有效减少子模块级联数量。针对模块化多电平换流器在不同故障工况下的过电压问题，提出了多级过电压保护相互配合的控制逻辑策略，并提出一种冗余供电方案，解决了模块化多电平换流器启动过程中的黑模块过电压问题，提高了系统运行可靠性。最后，给出实验和仿真波形验证了瞬态、暂态过电压理论分析的正确性和保护方案的有效性。

Abstract

Modular multilevel converter (MMC) for flexible DC transmission is introduced as the research object to analyze overvoltage characteristics of the sub-modules. The transient overvoltage and temporary overvoltage problems of the sub-modules in operation are studied. Transient overvoltage of the sub-modules includes turn-off overvoltage of the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and reverse recovery overvoltage of the diodes. For the turn-off overvoltage of IGBT in the sub-modules

a two-level turn-off technology is proposed to limit the voltage overshoot; for the reverse recovery overvoltage of diodes in the sub-modules when the bypass switch operates

a bypass method is proposed to suppress the reverse recovery overvoltage of the diodes. The temporary overvoltage problem of the sub-modules caused by system fault is also analyzed

and a sub-module topology with energy-consuming branch is proposed to improve the fault ride-through ability of converters

which can also reduce the number of the sub-modules effectively. For the overvoltage problem of MMC under different fault operation conditions

a control logic strategy of multi-stage overvoltage protection coordination is proposed. And a new redundant power supply scheme is proposed to solve the problem of ‘first start-up failure’ during the MMC starting process

and improve the reliability of system operation. Finally

the experimental and simulation waveforms are given to verify the correctness of the theoretical analysis of transient overvoltage and temporary overvoltage and the validity of the protection scheme.

关键词

Keywords

references

查鲲鹏，曹均正，郑媚媚，等 . 计及金属化膜电容器失效的MMC换流阀组件可靠性评估［J］. 电力系统自动化， 2019 ， 43 （ 4 ）： 86 - 93 .

ZHA Kunpeng ， CAO Junzheng ， ZHENG Meimei ， et al . Reliability evaluation of MMC converter valve module considering failure mode of metallized film capacitors ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2019 ， 43 （ 4 ）： 86 - 93 .

张哲任，徐政，薛英林 . MMC-HVDC系统过电压保护和绝缘配合的研究［J］. 电力系统保护与控制， 2013 ， 41 （ 21 ）： 58 - 64 .

ZHANG Zheren ， XU Zheng ， XUE Yinglin . Study of overvoltage protection and insulation coordination for MMC based HVDC ［J］. Power System Protection and Control ， 2013 ， 41 （ 21 ）： 58 - 64 .

常非，王一，王一振，等 . 基于模块化多电平变换器的高压直流输电故障特性与控制保护［J］. 高电压技术， 2015 ， 41 （ 7 ）： 2428 - 2434 .

CHANG Fei ， WANG Yi ， WANG Yizheng ， et al . Faults feature analysis and control protection strategies of modular multilevel converter based high voltage direct current ［J］. High Voltage Engineering ， 2015 ， 41 （ 7 ）： 2428 - 2434 .

潘荣贞，廖其艳，王健 . 闭锁状态下MMC子模块电容充电升压机理及对策［J］. 南方电网技术， 2018 ， 12 （ 1 ）： 7 - 13 .

PAN Rongzhen ， LIAO Qiyan ， WANG Jian . Boosting mechanism and countermeasures of MMC sub-module capacitor charging in blocking state ［J］. Southern Power System Technology ， 2018 ， 12 （ 1 ）： 7 - 13 .

刘欣和，吴金龙，郭宁宁，等 . 直流故障下全桥型多电平换流器模块电压分析［J］. 高压电器， 2016 ， 52 （ 5 ）： 101 - 108 .

LIU Xinhe ， WU Jinlong ， GUO Ningning ， et al . Analysis of submodule capacitor voltage caused by DC pole-to-pole fault in FBMMC HVDC system ［J］. High Voltage Apparatus ， 2016 ， 52 （ 5 ）： 101 - 108 .

罗程，赵成勇，张宝顺，等 . MMC控制系统时序逻辑与子模块故障监测［J］. 电力自动化设备， 2015 ， 35 （ 5 ）： 83 - 88 .

LUO Cheng ， ZHAO Chengyong ， ZHANG Baoshun ， et al . Sequential logic and sub-module fault detection of MMC control system ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2015 ， 35 （ 5 ）： 83 - 88 .

李探，赵成勇，李路遥，等 . MMC-HVDC子模块故障诊断与就地保护策略［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 34 （ 10 ）： 1641 - 1649 .

LI Tan ， ZHAO Chengyong ， LI Luyao ， et al . Sub-module fault diagnosis and the local protection scheme for MMC-HVDC system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 34 （ 10 ）： 1641 - 1649 .

冯亚东，汪涛，卢宇，等 . 模块化多电平柔性直流换流器阀组本体保护的设计［J］. 电力系统自动化， 2015 ， 39 （ 11 ）： 64 - 68 .

FENG Yadong ， WANG Tao ， LU Yu ， et al . Valve protection design of modular multilevel converter for VSC-HVDC ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2015 ， 39 （ 11 ）： 64 - 68 .

郝林钊，何山，王维庆，等 . 一种基于CR-CD型电路的直驱风机变流器IGBT过电压保护电路研究［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 9 ）： 150 - 157 .

HAO Linzhao ， HE Shan ， WANG Weiqing ， et al . Research on IGBT overvoltage protection circuit of direct drive wind turbine converter based on CR-CD circuit ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 9 ）： 150 - 157 .

张红卫，王富珍，高勇，等 . 栅极电阻对IGBT d u /d t 和d i /d t 的影响分析［J］. 电力电子技术， 2012 ， 46 （ 12 ）： 52 - 54 .

ZHANG Hongwei ， WANG Fuzhen ， GAO Yong ， et al . Analysis of the effects of IGBT gate resistance on d u /d t and d i /d t ［J］. Power Electronics ， 2012 ， 46 （ 12 ）： 52 - 54 .

胡亮灯，肖明恺，楼徐杰 . 中高压大功率 IGBT 数字有源门极开环分级驱动技术［J］. 电工技术学报， 2018 ， 33 （ 8 ）： 1 - 11 .

HU Liangdeng ， XIAO Mingkai ， LOU Xujie . Open-loop hierarchical control technology of high-power IGBT digital active gate drive ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2018 ， 33 （ 8 ）： 1 - 11 .

GRBOVIC PETAR J . An IGBT gate driver for feed-forward control of turn-on losses and reverse recovery current ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2008 ， 23 （ 2 ）： 643 - 652 .

曹帅，向往，林卫星，等 . 含风电的真双极混合型MMC-MTDC系统故障穿越及能量耗散控制［J］. 电力系统保护与控制， 2019 ， 47 （ 7 ）： 39 - 48 .

CAO Shuai ， XIANG Wang ， LIN Weixing ， et al . Fault ride-through and energy dissipation control of bipolar hybrid MMC-MTDC integrating wind farms ［J］. Power System Protection and Control ， 2019 ， 47 （ 7 ）： 39 - 48 .

李琦，宋强，刘文华，等 . 基于柔性直流输电的风电场并网故障穿越协调控制策略［J］. 电网技术， 2014 ， 38 （ 7 ）： 1739 - 1745 .

LI Qi ， SONG Qiang ， LIU Wenhua ， et al . A coordinated control strategy for fault ride-through of wind farm integration based on VSC-HVDC ［J］. Power System Technology ， 2014 ， 38 （ 7 ）： 1739 - 1745 .

汪涛，王柯，冯亚东，等 . 模块化多电平换流器过电压保护方法及装置： CN105680420A ［P］. 2014-11-17 .

WANG Tao ， WANG Ke ， FENG Yadong ， et al . Overvoltage protection method and device for modular multilevel converter ： CN105680420A ［P］. 2014-11-17 .

陈永奎，汪涛，张茂强，等 . 一种换流器子模块的过压保护电路和方法： CN105098721A ［P］. 2015-11-25 .

CHEN Yongkui ， WANG Tao ， ZHANG Maoqiang ， et al . An overvoltage protection circuit and method of submodule for modular multilevel converter ： CN105098721A ［P］. 2015-11-25 .

殷冠贤，谢晔源，朱铭炼，等 . 高结温无延迟的VSC-HVDC阀合成试验方法［J］. 电力系统自动化， 2018 ， 42 （ 7 ）： 94 - 101 .

YIN Guanxian ， XIE Yeyuan ， ZHU Minglian ， et al . Undelayed synthetic test method with high junction temperature for VSC-HVDC valves ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2018 ， 42 （ 7 ）： 94 - 101 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Operating Condition Simulation Test Method for Sub-modules of Modular Multilevel Converter

Loss Optimization Control Strategy for IGBT in Sub-module of Modular Multilevel Converter

链式三角形静止同步补偿器子模块冗余容错方案

基于线性最优的MMC子模块电容电压均衡控制策略

模块化多电平换流器子模块故障时中性点移位容错控制策略

Related Author

Xu CAI

Ke MA

Enyi LI

Peng GUO

Fayun ZHOU

Hongqi DING

Fujun MA

Qianming XU

Related Institution

School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University

College of Electrical and Information Engineering, Hunan University

Xian XD Power Systems Co. Ltd., Xian

State Grid Corporation of China

National Active Distribution Network Technology Research Center of Beijing Jiaotong University

⁰