MMC换流阀设计

中国电力科学研究院
CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE
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均压电阻
均压电阻主要用来在换流器启
参数
额定电压 额定电阻
数值
3600V 20kΩ
动充电和闭锁状态下均衡每个 子模块上的直流电压
额定功率
冷却方式
400W
水冷
SMC
S1 D1
1
ia R K T S2 D2
6
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MMC子模块主要参数
子模块的额定参数设计如下所示：
参数 模块额定电压
目前设计的MMC系统换流器的主要参数如下：
数值
1250V/DC，纹波±15%
模块额定电流
器件开关频率 外部短路电流 外部过电压 供电方式
MMC电气设计
柔性直流输电技术研究室 2018年8月30日
MMC换流阀
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MMC子模块
换流模块实物图
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2
MMC子模块
1
ia R K T S2 D2
C
2
直流电容
寿命要求
10000Hale Waihona Puke Baiduh
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保护晶闸管参数设计

晶闸管参数考虑要能承担在最大运行方式下发生直流 侧出口短路时的故障电流 直流侧短路时，故障电流将由IGBT的二极管部分和 保护晶闸管来共同分担
C
2
均压电阻 中国电力科学研究院
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均压电阻
在换流器停运后，子模块中的电容将通过此并联电阻和两个闭锁
的IGBT模块以及晶闸管缓慢放电。考虑最不利的情况，认为电容 上的电量完全由此电阻来消耗，则根据阻容回路的放电时间常数 τ=RC，一般可以认为经过5τ的时间电容上的电将完全放掉
换流阀塔
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MMC子模块电气接线
PW S1 GDU D1 C 1 K T GDU 2 S2 D2 R
S1、S2：IGBT模块 C：直流侧电容 R：并联电阻
T：保护晶闸管 K：旁路开关 PW：取能供电单元
旁路开关动作时间和参数需要
与系统的保护动作时间和主要 电气应力相配合
额定关合电流
额定操作电压 合闸时间
6.3kA
400VDC ≤8ms
SMC
S1 D1
1
ia R K T S2 D2
C
2
旁路开关 中国电力科学研究院
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20
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子模块冗余设计

按照工程中换流器的桥臂电压为60kV，子模块额定电压为 1.25kV，则所需的子模块数量为48个

根据直流输电模块冗余的相关标准，每个桥臂的子模块冗余 数量最少为三个
参考西门子的相关工程设计，其子模块冗余度大约为8%左右 。按照此标准则每个桥臂的模块数需要为52个 此处冗余度稍微大一点按照10%选取，则每个桥臂的子模块 数为53个。这样示范工程的换流器桥臂子模块数为将设计为 49电平，每个桥臂冗余子模块数为5个
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直流电容参数设计
直流电容参数设计考虑系统
SMC
S1 D1
运行电压纹波不超过一定的 限制并需要满足暂态电压上 升率的要求。
参数 电容额定容量（Cn） 允许误差 额定直流电压（Uw） 额定电流有效值（In） 杂散电感（Ls） 工作环境温度范围 数值 6000μF ±5% 1600V 250A <50nH 10~50º C
SMC
S1 D1
IGBT模块
C R
1
ia K T S2 D2
2
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IGBT模块参数设计
参数 最大电压 额定最大电流 导通压降 门极电压 关断漏电流 开通时间 关断时间 数值 3300V 1200A 3~5V +15V/-15V（或-9V） 0.15~12mA 0.6us 2us


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水冷散热片参数设计
换流子模块在正常工作情况下的损耗主要由两个IGBT
模块（包括IGBT部分和二极管部分）产生，这部分占 子模块总损耗的80%以上
其它可能产生损耗的器件还有：均压电阻、高位取能
电路、SMC电路、电容器等
散热功率考虑在最大运行方式下开关频率最高的子模
块功耗和其它需要散热的器件功率进行考虑
子模块中所有器件的额定功耗大约为1kW左右
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水冷散热片参数设计
每个子模块配一块散热器。同时为IGBT、均压电
换流模块实物图
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MMC-HVDC技术动画演示
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MMC换流阀
换流阀 直流母线 换流阀模块
换流阀子模块
换流阀 交流母线
SMC
S1 D1
1
ia R K T S2 D2
C
2
保护晶闸管 中国电力科学研究院
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保护晶闸管参数设计

直流侧出口短路时，其中一个桥臂的故障电流波形如下所示 根据晶闸管和IGBT模块的反并联二极管分压曲线，可以对晶 闸管参数进行计算
270A/AC，100A/DC，10%过载能力
最大300Hz <2500A，200ms <1880V 子模块自身取能供电
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IGBT模块参数设计


IGBT的额定电压需要根据系统的稳态、暂态过电压、 故障过电压、换相过电压限制等进行选取。 IGBT的额定电流需要根据直流侧电流、换相过电流、 短路故障电流等进行选取。
根据所选择的电容和电阻的大
小，可以知道当换流器处于闭 锁状态时，电容器的放电时间 常数为120s，这样如果子模块 电容器上的电量要完全放掉， 可能需要10分钟左右的时间
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旁路开关
参数 额定电压 额定电流 数值 3600V 630A
阻、取能电路（如果需要的话）等提供散热 散热片的最大散热功率：2.5kW 散热器流量：5~6L/min
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直流电容参数设计
直流电容电压按照子模块额定电压峰值乘以安全系数考虑，
即1250*1.15*1.1=1600V 电容器上电流波形及其频谱如下图所示