一种应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构的制作方法

本发明涉及柔性直流输配电技术领域，具体涉及一种应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构。

背景技术：

柔性直流输电技术是构建智能电网的重要组成部分。与传统输电方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。

基于电压源换流器(VSC,Voltage Source Converter)和脉宽调制(PWM,Pulse Width Modulation)技术的电压源换流器型高压直流输电(VSC-HVDC,Voltage Source Converter High-Voltage Direct Current)技术是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，能有效提高电能质量并确保电网安全稳定运行，是智能电网发展中具有代表性的关键技术之一。

但是，已有研究表明，尽管VSC-HVDC性能优良、运行灵活，但因其损耗较高、换流器容量限制等缺陷，使得其在较大型风电场并网中的应用并非最优方案。

此时，一种新型的模块化多电平换流器(MMC,Modular Multilevel Converter)应运而生。与VSC相比，MMC具有扩展性好、谐波小、开关频率低、对器件一致触发要求少等优点，尤其适用于高压直流输电应用场合，因而得到了越来越多的关注和研究。

MMC一般由多个结构相同的子模块(SM,Sub-module)级联构成。目前，用于构成MMC拓扑结构的子模块主要有H-MMC(半桥子模块)、F-MMC(全桥子模块)和C-MMC(箝位双子模块) 三种。其中，半桥子模块因具有结构简单、功率器件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势而在换流器中得到广泛应用。但是，半桥子模块级联形成的MMC无法有效闭锁直流故障，因此，一旦发生直流故障，势必会烧毁其中的IGBT和二极管等电子器件，从而造成极大的损失。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构，能够在发生直流故障时有效地减小故障电流，避免烧毁其中的电子器件。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂均包括串联的电抗器和多个子模块，每个子模块均包括彼此连接的第一半桥电路、第二半桥电路和引导晶体管，所述第一半桥电路和第二半桥电路均包括抵消电容，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的引导晶体管关断，以使故障电流流经每个子模块的第一半桥电路的抵消电容和第二半桥电路的抵消电容后流入故障点，从而抑制故障电流。

优选地，所述第一半桥电路包括晶体管VT1及与其反向并联的二极管VD1、晶体管VT2及与其反向并联的二极管VD2，以及作为抵消电容的电容C12，晶体管VT1和晶体管VT2串联，电容C12与二者并联；

所述第二半桥电路包括晶体管VT3及与其反向并联的二极管VD3、晶体管VT4及与其反向并联的二极管VD4，以及作为抵消电容的电容C21，晶体管VT3和晶体管VT4串联，电容C21与二者并联；

每个子模块还包括连接在第一半桥电路和第二半桥电路之间的二极管VD6；

所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的引导晶体管关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥电路中的电容C21、二极管VD6、第一半桥电路中的电容C12后，流入故障点。

进一步优选地，所述第一半桥电路还包括与电容C12串联的电容C11，且电容C11和电容C12与晶体管VT1和晶体管VT2并联；所述第二半桥电路还包括与电容C22串联的电容C21，且电容C21和电容C22与晶体管VT3和晶体管VT4并联；

所述控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的引导晶体管、晶体管VT1、晶体管VT2、晶体管VT3和晶体管VT4均关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD3、电容C21、二极管VD6、电容C12和二极管VD2后，流入故障点。

优选地，所述控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时控制每个子模块的引导晶体管始终导通。

优选地，所述控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个子模块的晶体管VT1导通或晶体管VT2导通而使电容C11和电容C12被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个子模块的晶体管VT3导通或晶体管VT4导通而使电容C21和电容C22被接入系统或从系统中切除。

进一步优选地，所述控制单元具体用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个子模块的晶体管VT1导通、晶体管VT2关断而使电容C11和电容C12被接入系统，通过控制每个子模块的晶体管VT1关断、晶体管VT2导通而使电容C11和电容C12被从系统中切除；以及通过控制每个子模块的晶体管VT4导通、晶体管VT3关断而使电容C21和电容C22被接入系统，通过控制每个子模块的晶体管VT4关断、晶体管VT3导通而使电容C21和电容C22被从系统中切除。

优选地，每个子模块还包括与所述引导晶体管反向并联的二极管VD5。

优选地，每个子模块中采用的开关器件包括绝缘栅双极型晶 体管。

有益效果：

本发明所述应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构采用新型子模块，在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的引导晶体管关断，从而切断故障通路，以使得故障电流流经每个子模块的第一半桥电路的抵消电容和第二半桥电路的抵消电容后流入故障点，此时第一半桥电路的抵消电容和第二半桥电路的抵消电容能够为系统回路提供反向电压，用以抵消交流电压到故障点之间的电压差，而电压差减小，自然就抑制了回路中的故障电流，实现直流故障电流的隔离，从而能有效闭锁直流故障。因此，本发明所述应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构能够在发生直流故障时，自动抑制故障电流，从而保护了其中的电子器件。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用于柔性直流输电的MMC拓扑结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的子模块的结构示意图；以及

图3为本发明实施例提供的故障电流流向示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种应用于柔性直流输电的MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)拓扑结构，其包括三个相单元，分别为A相单元、B相单元和C相单元，每个相单元均包括上桥臂和下桥臂，每个相单元的上桥臂和下桥臂的结构相同，均包括依次串联的电抗器L和n个子模块。每个相单元的子模块的数量是由系统设计之初通过直流母线电压、电子器件耐压等级以及子模块的类型等因素共同决定的，本实施 例中，每个相单元的子模块的数量N＝2n＝Udct/Udcs，其中Udct是正负直流母线之间的电压，Udcs是每个子模块的电容电压。

具体地，对于A相单元的上桥臂，输出端Ag依次连接电抗器L_A上、n个子模块后接入直流母线电压的正极Vdc+，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的正极Vdc+连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器L_A上的一端连接，电抗器L_A上的另一端与输出端Ag连接，A相单元的上桥臂的其他子模块的输出端A均与其相邻的上一个子模块的输出端B连接、输出端B均与其相邻的下一个子模块的输出端A连接。某一子模块相邻的上一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近直流母线电压的正极Vdc+的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的上一个子模块；某一子模块相邻的下一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近输出端子Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：输出端Ag→电抗器L_A上→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→…→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→直流母线电压的正极Vdc+。B相单元和C相单元的上桥臂的结构均与A相单元的上桥臂的结构相同，不再赘述。

对于A相单元的下桥臂，输出端Ag依次连接电抗器L_A下、n个子模块后接入直流母线电压的负极Vdc-，其中，子模块1的输出端A与直流母线电压的负极Vdc-连接、输出端B与相邻的子模块2的输出端A连接，子模块n的输出端A与相邻的子模块(n-1)的输出端B连接、子模块n的输出端B与电抗器L_A下的一端连接，电抗器L_A下的另一端与输出端Ag连接，A相单元的下桥臂的其他子模块的输出端A均与其相邻的上一个子模块的输出端B连接、输出端B均与其相邻的下一个子模块的输出端A连接。某一子模块相邻的上一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系 上比该子模块更接近直流母线电压的负极Vdc-的子模块，例如子模块2是与子模块3相邻的上一个子模块；某一子模块相邻的下一个子模块指的是与该子模块相邻且在电路连接关系上比该子模块更接近输出端子Ag的子模块，例如子模块3是与子模块2相邻的下一个子模块。电流路径为：输出端Ag→电抗器L_A下→子模块n的输出端B→子模块n的输出端A→子模块(n-1)的输出端B→子模块(n-1)的输出端A→…→子模块1的输出端B→子模块1的输出端A→直流母线电压的负极Vdc-。B相单元和C相单元的下桥臂的结构均与A相单元的下桥臂的结构相同，不再赘述。

每个子模块中采用的开关器件包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)和二极管。当然，IGBT也可采用其他类型的能够起到开关作用的晶体管替代。本实施例中，以采用的晶体管为IGBT为例进行描述。

本实施例中，每个子模块的结构均相同，包括彼此连接的第一半桥电路、第二半桥电路和引导IGBT，所述第一半桥电路和第二半桥电路均包括抵消电容，所述拓扑结构还包括控制单元，其用于判断系统是否出现直流故障，以及在判断系统出现直流故障时控制每个子模块的引导IGBT关断，以使故障电流流经每个子模块的第一半桥电路的抵消电容和第二半桥电路的抵消电容后流入故障点，通过抵消电容提供的反向电压来抵消交流电压到故障点之间的电压差，从而能有效抑制故障电流。其中，第一半桥电路和第二半桥电路可采用现有的半桥电路，故具体组成和器件连接关系不再赘述。

具体地，第一半桥电路包括IGBT VT1及与其反向并联的二极管VD1、IGBT VT2及与其反向并联的二极管VD2，以及作为抵消电容的电容C12，IGBT VT1和IGBT VT2串联，电容C12与二者(即VT1和VT2)并联；第二半桥电路包括IGBT VT3及与其反向并联的二极管VD3、IGBT VT4及与其反向并联的二极管VD4，以及作为抵消电容的电容C21，IGBT VT3和IGBT VT4串联，电容C21与二者(即VT3和VT4)并联；每个子模块还包括 连接在第一半桥电路和第二半桥电路之间的二极管VD6；控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的引导IGBT关断，以使故障电流依次流经每个子模块的第二半桥电路中的电容C21、二极管VD6、第一半桥电路中的电容C12后，流入故障点。

进一步地，第一半桥电路还包括与电容C12串联的电容C11，且电容C11和电容C12与IGBT VT1和IGBT VT2并联；第二半桥电路还包括与电容C22串联的电容C21，且电容C21和电容C22与IGBT VT3和IGBT VT4并联；控制单元具体用于在判断出现直流故障时控制每个子模块的引导IGBT、IGBT VT1、IGBT VT2、IGBT VT3和IGBT VT4均关断，以使故障电流依次流经每个子模块的二极管VD3、电容C21、二极管VD6、电容C12和二极管VD2后，流入故障点；以及，在判断系统处于正常工作状态时，控制每个子模块的引导IGBT始终导通，而其余IGBT则按照工作需要导通或关断。每个子模块还包括与所述引导IGBT反向并联的二极管VD5。

因此，系统在正常工作状态时，每个子模块的IGBT VT5被解锁而始终处于导通状态；系统在出现直流故障时，每个子模块的IGBT VT5被闭锁而处于关断状态，由其中的二极管VD6提供电流通路。

下面结合图2详细描述每个子模块的具体结构。

如图2所示，每个子模块均包括5个IGBT、6个二极管和4个电容，每个IGBT均反向并联一个二极管。其中，IGBT VT1、二极管VD1、IGBT VT2、二极管VD2、电容C11和电容C12构成第一半桥电路，IGBT VT3、二极管VD3、IGBT VT4、二极管VD4、电容C21和电容C22构成第二半桥电路，IGBT VT5作为引导IGBT，二极管VD6的负极与第一半桥电路中的电容C11和电容C12的连接点相连、正极与第二半桥电路中的电容C21和电容C22的连接点相连，即二极管VD6连接在两个半桥电路之间。

具体地，IGBT VT1的集电极分别与二极管VD1的负极、电 容C11的正极连接，IGBT VT1的发射极分别与二极管VD1的正极、IGBT VT2的集电极连接，IGBT VT2的集电极还与二极管VD2的负极连接，IGBT VT2的发射极分别与二极管VD2的正极、电容C12的负极连接，电容C11的负极与电容C12的正极连接，输出端A与IGBT VT1的发射极和IGBT VT2的集电极的连接点相连；IGBT VT3的集电极分别与二极管VD3的负极、电容C21的正极连接，IGBT VT3的发射极分别与二极管VD3的正极、IGBT VT4的集电极连接，IGBT VT4的集电极还与二极管VD4的负极连接，IGBT VT4的发射极分别与二极管VD4的正极、电容C22的负极连接，电容C21的负极与电容C22的正极连接，输出端B与IGBT VT3的发射极和IGBT VT4的集电极的连接点相连；IGBT VT5的发射极分别与IGBT VT2的发射极、二极管VD5的正极连接，IGBT VT5的集电极分别与IGBT VT3的集电极、二极管VD5的负极连接；二极管VD6的负极与电容C11和电容C12的连接点相连，二极管VD6的正极与电容C21和电容C22的连接点相连；IGBT VT1至IGBT VT5的栅极均与控制单元相连，以接收控制单元发出的驱动信号，并在驱动信号的驱动下导通或关断。

本实施例中，控制单元还用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个子模块的IGBT VT1导通或IGBT VT2导通而使电容C11和电容C12被接入系统或从系统中切除；以及通过控制每个子模块的IGBT VT3导通或IGBT VT4导通而使电容C21和电容C22被接入系统或从系统中切除。通过将电容C11和电容C12投入或切除系统，以及将电容C21和电容C22投入或切除系统，可以调整阀侧交流输出端Ag、Bg和Cg处的电压，从而通过电压的调整达到输出相应功率的目的。

可见，每个子模块在控制单元的控制下按照工作要求输出或不输出电容电压，或者输出不同等级的电容电压，从而通过对各个子模块的控制使各个相单元输出近似正弦的电压。

进一步地，控制单元具体用于在判断系统处于正常工作状态时，通过控制每个子模块的IGBT VT1导通、IGBT VT2关断而使 电容C11和电容C12被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的IGBT VT1关断、IGBT VT2导通而使电容C11和电容C12被从系统中切除以不再提供电容电压；以及通过控制每个子模块的IGBT VT4导通、IGBT VT3关断而使电容C21和电容C22被接入系统以提供电容电压，通过控制每个子模块的IGBT VT4关断、IGBT VT3导通而使电容C21和电容C22被从系统中切除以不再提供电容电压。

下面结合图2详细描述电容C11和电容C12，以及电容C21和电容C22被接入系统或从系统中切除的具体情况。

1)若电流从输出端A流向输出端B，

当控制单元控制IGBT VT1和IGBT VT3导通，IGBT VT2和IGBT VT4关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→电容C12→二极管VD5→IGBT VT3→输出端B；

当控制单元控制IGBT VT1和IGBT VT4导通，IGBT VT2和IGBT VT3关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端A→二极管VD1→电容C11→电容C12→二极管VD5→电容C21→电容C22→二极管VD4→输出端B；

当控制单元控制IGBT VT2和IGBT VT3导通，IGBT VT1和IGBT VT4关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端A→IGBT VT2→二极管VD5→IGBT VT3→输出端B；

当控制单元控制IGBT VT2和IGBT VT4导通，IGBT VT1和IGBT VT3关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端A→IGBT VT2→二极管VD5→电容C21→电容C22→二极管VD4→输出端B。

2)若电流从输出端B流向输出端A，

当控制单元控制IGBT VT1和IGBT VT3导通，IGBT VT2和IGBT VT4关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端B→二极管VD3→IGBT VT5→电容C12→电容C11→IGBT VT1→输出端A；

当控制单元控制IGBT VT1和IGBT VT4导通，IGBT VT2和IGBT VT3关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端B→IGBT VT4→电容C22→电容C21→IGBT VT5→电容C12→电容C11→IGBT VT1→输出端A；

当控制单元控制IGBT VT2和IGBT VT3导通，IGBT VT1和IGBT VT4关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端B→二极管VD3→IGBT VT5→二极管VD2→输出端A；

当控制单元控制IGBT VT2和IGBT VT4导通，IGBT VT1和IGBT VT3关断时，

则每个子模块中电流路径为：输出端B→IGBT VT4→电容C22→电容C21→IGBT VT5→二极管VD2→输出端A。

本发明实施例在判断系统发生直流故障时，闭锁每个子模块的引导IGBT，从而切断故障通路，以使故障电流流经每个子模块的二极管VD3、电容C21、二极管VD6、电容C12和二极管VD2后流入故障点，而电容C21和电容C12能够提供反向电压，从而有效地减小了直流故障电流，闭锁直流故障。下面结合图3，以A相单元上桥臂为例详细描述故障电流的流向。A相单元的下桥臂、B相单元的上桥臂与下桥臂、C相单元的上桥臂与下桥臂均与A相单元上桥臂的情形相同或相类似，此处不再赘述。

当控制单元检测出系统发生直流故障时，如果不进行任何控制，则以子模块1为例，故障电流在每个子模块的路径为：输出端B→二极管VD3→IGBT VT5→二极管VD2→输出端A→故障点E，可见，该路径中未经过任何模块电容，无法提供反向的电压来抵消故障造成的过电流。为了抵消故障电流，如图3所示，控制单元一旦检测到系统发生直流故障，则向每个子模块的所有IGBT发送驱动信号以闭锁所有的IGBT，则故障电流在每个子模块的路 径为：输出端B→二极管VD3→电容C21→二极管VD6→电容C12→二极管VD2→输出端A→故障点E，可见，该路径中故障电流会流经电容C12和电容C21，而电容C12和电容C21会为电流回路提供一个反向电压，用以抵消交流电压到故障点之间的电压差。电压差减小，故障电流自然得到抑制。

此外，每个子模块中，电容C12和电容C21容值的选择会影响对故障电流的抑制效果，当电容C12和电容C21的电容电压所占的比重越大，即电容C12的电容电压与电容C11、电容C12、电容C21和电容C22的电容电压之和的比值越大，以及电容C21的电容电压与电容C11、电容C12、电容C21和电容C22的电容电压之和的比值越大，对故障电流的抑制效果越好。

需要说明的是，各个相单元的上桥臂的故障点位于直流母线电压的正极Vdc+，各个相单元的下桥臂的故障点位于直流母线电压的负极Vdc-。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。