本發(fā)明涉及一種子模塊拓撲以及一種MMC換流器。

背景技術：

隨著全控型電力電子器件的發(fā)展和電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用，基于電壓源換流器的柔性直流輸電技術日益受到重視。模塊化多電平換流器(Modular multilevel converter，MMC)是柔性直流輸電系統(tǒng)應用中電壓源換流器的一種，它由多個子模塊按照一定的方式連接而成，通過控制各個子模塊IGBT組的投入和切除狀態(tài)使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，實現(xiàn)能量的高效傳輸。

傳統(tǒng)的模塊化多電平換流器中，通常采用半橋式子模塊作為基礎單元，以降低換流器建設成本。傳統(tǒng)的半橋式子模塊MMC在直流短路故障發(fā)生時無法通過自身特性迅速抑制故障電流，必須依靠交流斷路器或直流斷路器才能清楚故障電流。一方面由于交流斷路器的響應時間較長，有可能導致保護不及時而造成換流器過流損壞；另一方面配置直流斷路器提高了對設備的技術要求，增加了系統(tǒng)成本。

為了解決這一問題，有學者提出采用全橋子模塊、箝位雙子模塊等具備直流故障穿越能力的新型子模塊拓撲替代半橋子模塊。通過故障后迅速閉鎖換流器，利用全橋子模塊等拓撲中二極管的反向阻斷能力迅速抑制故障電流，實現(xiàn)直流故障的自清除。但采用閉鎖換流器的方式穿越，會造成交流側(cè)脫網(wǎng)，交流斷路器跳閘，不利于故障后輸電能力的恢復。而且，雖然在采用全橋子模塊時，還可以利用全橋子模塊生成負電平的能力，在維持交流側(cè)并網(wǎng)的情況下將直流電壓降低至0，從而抑制故障電流，實現(xiàn)在不閉鎖狀態(tài)下的直流故障穿越；但是，在某直流電壓等級下，比如MMC的電平數(shù)為N+1，那么就需要N個全橋子模塊，由于每個全橋子模塊中有四個開關器件，那么共需開關器件個數(shù)為4N個。由于開關器件在柔性直流輸電工程成本中本身就占有較大比重，因此如果利用全橋子模塊實現(xiàn)不閉鎖直流故障穿越，需要投入的成本較高，并不適合實際工程應用。因此，非常有必要提出一種新型MMC子模塊拓撲，使MMC兼具閉鎖與不閉鎖直流故障穿越功能，且具有一定的成本優(yōu)勢。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種子模塊拓撲，用以解決全橋子模塊雖然能夠?qū)崿F(xiàn)不閉鎖直流故障穿越，但是投入成本較高的問題。本發(fā)明同時提供一種MMC換流器。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種子模塊拓撲，包括第一單元和第二單元，所述第一單元和第二單元均由一條開關支路和一條電容支路并聯(lián)構成，所述開關支路上串設有兩個開關模塊，所述電容支路上串設有兩個電容；第一單元中的開關支路與電容支路的其中一個連接點與第二單元中的開關支路與電容支路的其中一個連接點之間連接有開關模塊T5，第一單元中的兩個電容的連接點與第二單元中的兩個電容的連接點之間連接有開關模塊T6，第一單元中的兩個開關模塊的連接點與第二單元中的兩個開關模塊的連接點為所述子模塊拓撲的輸入輸出端。

所述第一單元中的兩個開關模塊分別為開關模塊T1和T2，第一單元中的兩個電容模塊分別為電容C1和C2，第二單元中的兩個開關模塊分別為開關模塊T3和T4，第二單元中的兩個電容模塊分別為電容C3和C4；開關模塊T1的陽極連接電容C1的正極，開關模塊T1的陰極連接開關模塊T2的陽極，開關模塊T2的陰極連接電容C2的負極；開關模塊T3的陽極連接電容C3的正極，開關模塊T3的陰極連接開關模塊T4的陽極，開關模塊T4的陰極連接電容C4的負極；開關模塊T2的陰極與電容C2的負極之間的連接點連接開關模塊T5的陰極，開關模塊T3的陽極與電容C3的正極之間的連接點連接開關模塊T5的陽極；電容C1的負極與電容C2的正極之間的連接點連接開關模塊T6的陽極，電容C3的負極與電容C4的正極之間的連接點連接開關模塊T6的陰極。

各開關模塊由開關器件與二極管反向并聯(lián)構成。

一種MMC換流器，包括3相，每相由上、下兩個橋臂組成，每個橋臂由n個子模塊級聯(lián)構成，所述MMC換流器有至少一個子模塊包括第一單元和第二單元，所述第一單元和第二單元均由一條開關支路和一條電容支路并聯(lián)構成，所述開關支路上串設有兩個開關模塊，所述電容支路上串設有兩個電容；第一單元中的開關支路與電容支路的其中一個連接點與第二單元中的開關支路與電容支路的其中一個連接點之間連接有開關模塊T5，第一單元中的兩個電容的連接點與第二單元中的兩個電容的連接點之間連接有開關模塊T6，第一單元中的兩個開關模塊的連接點與第二單元中的兩個開關模塊的連接點為所述子模塊拓撲的輸入輸出端。

所述第一單元中的兩個開關模塊分別為開關模塊T1和T2，第一單元中的兩個電容模塊分別為電容C1和C2，第二單元中的兩個開關模塊分別為開關模塊T3和T4，第二單元中的兩個電容模塊分別為電容C3和C4；開關模塊T1的陽極連接電容C1的正極，開關模塊T1的陰極連接開關模塊T2的陽極，開關模塊T2的陰極連接電容C2的負極；開關模塊T3的陽極連接電容C3的正極，開關模塊T3的陰極連接開關模塊T4的陽極，開關模塊T4的陰極連接電容C4的負極；開關模塊T2的陰極與電容C2的負極之間的連接點連接開關模塊T5的陰極，開關模塊T3的陽極與電容C3的正極之間的連接點連接開關模塊T5的陽極；電容C1的負極與電容C2的正極之間的連接點連接開關模塊T6的陽極，電容C3的負極與電容C4的正極之間的連接點連接開關模塊T6的陰極。

各開關模塊由開關器件與二極管反向并聯(lián)構成。

首先，通過閉鎖本發(fā)明提供的子模塊拓撲中的全控型器件的驅(qū)動信號實現(xiàn)以閉鎖方式進行直流故障穿越；而且，由于該子模塊具有輸出負電壓的能力，在直流故障發(fā)生后，能夠?qū)⒅绷麟妷悍D(zhuǎn)為負值以抑制故障電流，待故障電流接近0后，控制直流電壓為0，整個過程中維持交流電壓不變，所以，該子模塊拓撲還能夠以非閉鎖方式進行直流故障穿越。因此，該子模塊在直流故障發(fā)生時，故障穿越可靠性較高，可根據(jù)實際控制需要選擇相應的直流故障穿越方式。

而且，在同樣電壓等級下，即同樣的電平數(shù)下，比如電平數(shù)為N+1的全橋子模塊MMC中，需要包含全橋子模塊為N個，則共需開關器件個數(shù)為4N個；而基于本發(fā)明提供的子模塊的MMC中，由于該子模塊輸出的最高電壓是全橋子模塊最高輸出電壓的兩倍，因此，在電平數(shù)為N+1的MMC中，只需設置N/2個子模塊即可滿足要求，則共需開關器件個數(shù)為6*N/2＝3N個。由于開關器件在直流輸電工程成本中占有較大比重，因此本發(fā)明提供的子模塊拓撲與全橋子模塊相比，在同樣的要求下，需要的開關器件的個數(shù)更少，能夠有效降低直流輸電工程的成本，并且，電壓等級越高，輸出電平數(shù)越高時，節(jié)約的開關器件的個數(shù)就越多。

附圖說明

圖1是MMC換流器的拓撲結構示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的子模塊拓撲圖；

圖3-a至3-h是本發(fā)明提供的子模塊的八種工作狀態(tài)示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的子模塊其中一種閉鎖模式下的工作狀態(tài)示意圖；

圖5是不閉鎖直流故障穿越原理示意圖；

圖6是子模塊基本架構示意圖；

圖7是子模塊另一種實施方式的拓撲圖。

具體實施方式

MMC換流器實施例

如圖1所示，常規(guī)的MMC換流器包括a、b、c 3相，每相由上、下兩個橋臂組成，每個橋臂由n個子模塊級聯(lián)構成。該MMC換流器中的子模塊中有至少一個子模塊是本發(fā)明提供的新型子模塊，根據(jù)實際需要設置該新型子模塊的具體個數(shù)。

由于MMC換流器屬于常規(guī)技術，本發(fā)明的發(fā)明點在于子模塊的具體結構，所以，以下對該子模塊進行具體說明。

如圖2所示，該子模塊拓撲包括6個開關模塊T1～T6和4個電容C1～C4。其中，開關模塊為全壓開關模塊，每個開關模塊由全控型開關器件(比如IGBT)和對應的二極管反向并聯(lián)構成。電容C1～C4為半壓電容，每個電容在正常運行時的電壓為額定電壓的一半，設定電容電壓為Uc，額定電壓為Uc_rated，則Uc_rated＝2*Uc。

該子模塊整體包括三部分，其中，

第一部分和第二部分均是由一條開關支路和一條電容支路并聯(lián)構成的電路，第一部分中的開關支路上串設有開關模塊T1和T2，第一部分中的電容支路上串設有電容C1和C2，第二部分中的開關支路上串設有開關模塊T3和T4，第二部分中的電容支路上串設有電容C3和C4。開關模塊T1的陽極連接電容C1的正極，開關模塊T1的陰極連接開關模塊T2的陽極，開關模塊T2的陰極連接電容C2的負極；開關模塊T3的陽極連接電容C3的正極，開關模塊T3的陰極連接開關模塊T4的陽極，開關模塊T4的陰極連接電容C4的負極。

第三部分包括開關模塊T5和T6，開關模塊T2的陰極與電容C2的負極之間的連接點連接開關模塊T5的陰極，開關模塊T3的陽極與電容C3的正極之間的連接點連接開關模塊T5的陽極；電容C1的負極與電容C2的正極之間的連接點連接開關模塊T6的陽極，電容C3的負極與電容C4的正極之間的連接點連接開關模塊T6的陰極。

開關模塊T1的陰極與開關模塊T2的陽極之間的連接點引出該子模塊的一端，開關模塊T3的陰極與開關模塊T4的陽極之間的連接點引出該子模塊的另一端。

上述各開關模塊中的陽極為對應的全控型開關器件的陽極，即全控型開關器件的電流流入的一端；各開關模塊中的陰極為對應的全控型開關器件的陰極，即全控型開關器件的電流流出的一端。比如：按照圖2的方位來說，開關模塊T1的陽極為開關模塊T1中全控型開關器件的陽極，即開關模塊T1的上端，開關模塊T1的陰極為開關模塊T1中全控型開關器件的陰極，即開關模塊T1的下端。

上述6個開關模塊中兩兩一組，開關模塊T1和T2為一組，開關模塊T3和T4為一組，開關模塊T5和T6為一組，各組中的兩個開關模塊中的全控型開關器件不能同時導通，比如：開關模塊T1中的全控型器件導通時，開關模塊T2中的全控型器件必須關斷。按照上述原則，該子模塊包括以下8種運行狀態(tài)，其中，圖3-a至3-h和圖4中描述的電流的流向定為電流正向，則，圖3和圖4中描述的電流流向的反方向為電流反向：

1)如圖3-a所示，開關模塊T1、T4、T5導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，該運行狀態(tài)是閉鎖模式，利用開關模塊T1、T4、T5中的二極管實現(xiàn)橋臂電流流過這4個半壓電容；當電流為反向時，利用開關模塊T1、T4、T5中的全控型開關器件實現(xiàn)橋臂電流流過這4個半壓電容。這種運行狀態(tài)下，該子模塊的輸出電壓為4Uc，即2Uc_rated。

2)如圖3-b所示，開關模塊T2、T4、T5導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T2中的全控型開關器件、開關模塊T5中的二極管、電容C3和C4、開關模塊T4中的二極管；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T4中的全控型開關器件、電容C3和C4、開關模塊T5中的全控型開關器件、開關模塊T2中的二極管。這種運行狀態(tài)下，子模塊輸出電壓為2Uc，即Uc_rated。

3)如圖3-c所示，開關模塊T1、T3、T5導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T1中的二極管、電容C1和C2、開關模塊T5中的二極管、開關模塊T3中的全控型開關器件；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T3中的二極管、開關模塊T5中的全控型開關器件、電容C1和C2、開關模塊T1中的全控型開關器件。這種運行狀態(tài)下，子模塊輸出電壓為2Uc，即Uc_rated。

4)如圖3-d所示，開關模塊T2、T3、T5導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T2中的全控型開關器件、開關模塊T5中的二極管、開關模塊T3中的全控型開關器件；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T3中的二極管、開關模塊T5中的全控型開關器件、開關模塊T2中的二極管。這種運行狀態(tài)下，橋臂電流不流過電容，子模塊輸出電壓為0。

5)如圖3-e所示，開關模塊T1、T4、T6導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T1中的二極管、電容C1、開關模塊T6中的全控型開關器件、電容C4、開關模塊T4中的二極管；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T4中的全控型開關器件、電容C4、開關模塊T6中的二極管、電容C1、開關模塊T1中的全控型開關器件。這種運行狀態(tài)下，子模塊輸出電壓為2Uc，即Uc_rated。

6)如圖3-f所示，開關模塊T2、T4、T6導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T2中的全控型開關器件、電容C2、開關模塊T6中的全控型開關器件、電容C4、開關模塊T4中的二極管；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T4中的全控型開關器件、電容C4、開關模塊T6中的二極管、電容C2、開關模塊T2中的二極管。這種運行狀態(tài)下，子模塊輸出電壓為0。

7)如圖3-g所示，開關模塊T1、T3、T6導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T1中的二極管、電容C1、開關模塊T6中的全控型開關器件、電容C3、開關模塊T3中的全控型開關器件；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T3中的二極管、電容C3、開關模塊T6中的二極管、電容C1、開關模塊T1中的全控型開關器件。這種運行狀態(tài)下，子模塊輸出電壓為0。

8)如圖3-h所示，開關模塊T2、T3、T6導通，其余開關模塊關斷。當電流為正向時，橋臂電流依次流過開關模塊T2中的全控型開關器件、電容C2、開關模塊T6中的全控型開關器件、電容C3、開關模塊T3中的全控型開關器件；當電流為反向時，橋臂電流依次流過開關模塊T3中的二極管、電容C3、開關模塊T6中的二極管、電容C2、開關模塊T2中的二極管。這種運行狀態(tài)下，子模塊輸出電壓為-2Uc，即-Uc_rated。

通過上述8種運行狀態(tài)可以看出該子模塊可以輸出4個電壓等級，分別是兩倍額定電壓2Uc_rated、額定電壓Uc_rated、零電壓、負向額定電壓-Uc_rated。

對于上述幾種運行狀態(tài)中的電流反向時的情況，基于當二極管兩端有反向截止電壓時二極管關斷的原理，電流反向時的電流流向只能夠有一種，就是上述八種運行狀態(tài)中描述的情況。

另外，該子模塊有兩種閉鎖模式，分別是電流正向時的閉鎖模式和電流反向時的閉鎖模式，其中，可以利用圖3-a來表示電流正向時該子模塊在閉鎖模式下的運行狀態(tài)，利用圖4來表示電流反向時該子模塊在閉鎖模式下的運行狀態(tài)。

該子模塊應用在如圖1所示的MMC換流器中時，通過不同狀態(tài)的組合可以實現(xiàn)子模塊的排序均壓，能夠滿足正常狀態(tài)及直流短路故障狀態(tài)下的需求。

該子模塊能夠?qū)崿F(xiàn)采用閉鎖方式進行直流故障穿越和采用不閉鎖方式進行直流故障穿越兩種方式。

若采用閉鎖方式進行直流故障穿越，利用拓撲中電容C2和電容C3的反向電動勢，即該子模塊可以為換流器提供1倍的反向額定子模塊電壓-Uc_rated，電流流向如圖4所示，電流方向為負。若MMC換流器橋臂中全部采用該子模塊，則在閉鎖情況下該橋臂輸出的電壓與直流母線電壓大小相等，方向相反。所以采用閉鎖方式能夠使得直流故障電流迅速減小，達到直流故障穿越的目的。待故障清除后，重新排序均壓并解鎖，完成整個故障穿越過程。

若采用不閉鎖方式進行直流故障穿越，則需要利用子模塊輸出負電壓的能力，即在直流故障發(fā)生后，將子模塊的直流電壓翻轉(zhuǎn)為負值，以抑制故障電流，待故障電流接近0后，控制直流電壓為0，整個過程中維持交流側(cè)的并網(wǎng)狀態(tài)，且交流電壓不變。待故障清除后，不需要進行排序均壓和解鎖流程，只需要提升直流電壓即可。

不閉鎖直流故障穿越原理如圖5所示，假設MMC每個橋臂中包括N個該子模塊，則能夠輸出的最大反向直流電壓為：

-U_{dc_max}＝2(U_{ac_peak}-2NU_C)＝2(U_{ac_peak}-NU_{C_rated})

其中U_{ac_peak}為運行所需的交流電壓峰值。

對于該子模塊的經(jīng)濟性，可以與相同電平數(shù)、相同直流電壓等級的全橋子模塊MMC進行對比。電平數(shù)為N+1的全橋子模塊MMC中，包含全橋子模塊N個，共需開關器件個數(shù)為4N個；而采用本發(fā)明提供的子模塊的MMC中，在同樣的直流電壓等級下，輸出N+1電平時，由于本發(fā)明提供的子模塊最大輸出電壓是全橋子模塊最大輸出電壓的兩倍，因此，只需包含N/2個子模塊，共需開關器件個數(shù)為6*N/2＝3N個。由于開關器件在柔性直流輸電工程成本中本身就占有較大比重，因此本發(fā)明提供的子模塊拓撲與全橋子模塊相比，能夠有效降低柔性直流工程成本，而且，電壓等級越高，輸出電平數(shù)越高時，節(jié)約的開關器件的個數(shù)就越多。

子模塊拓撲實施例

本實施例提供的子模塊拓撲為圖2所示的拓撲，由于該拓撲的具體結構以及工作原理等在上述換流器實施例中已做出了具體描述，本實施例就不再說明。

而且，本實施例中的子模塊適用于MMC換流器中，但是，也不排除應用在其他場合的可能性。

以上給出了具體的實施方式，如圖2所示，給出了該子模塊的具體拓撲圖，但本發(fā)明不局限于具體拓撲。本發(fā)明的基本思路在于該子模塊的基本架構，如圖6所示，其中，矩形框表示開關模塊，對本領域普通技術人員而言，在不改變該子模塊的基本原理的前提下，對該拓撲的等效變換并不需要花費創(chuàng)造性勞動，比如：調(diào)換開關模塊T5和T6；或者第一部分和第二部分位置互換，如圖7所示。上述兩種實施方式中，在相應的控制策略進行相應修改的情況下，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)相應功能。因此，在不脫離該子模塊的基本原理的情況下對該子模塊進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。