适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的制作方法

本发明属于电力电子技术和电力输配电领域，特别涉及适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器。
背景技术：
：与传统的高压直流输电技术相比，柔性高压直流输电技术采用全控开关器件实现对变流器的控制，因而具有控制灵活、无功可自由补偿及不依赖交流系统实现换相等优点，在近年来得到了广泛的研究和应用。尤其是基于模块化多电平变流器结构的柔性高压直流输电系统，在国内外已经有多处工程投运或正在建设。如何处理直流短路故障是目前柔性直流输电技术亟待解决的技术问题。现有的基于模块化多电平变流器的柔性高压直流输电工程多采用直流电缆，直流故障发生的概率较小，但线路造价较高；而如果采用架空线，可大幅节省线路成本，但却容易发生直流短路故障。其中，直流侧双极性短路故障是最为严重的直流故障。已有文献分析，对于基于半桥子模块结构的模块化多电平变流器，当直流侧双极性短路故障发生后，由于反并联二极管的存在，交流电源会经反并联二极管与直流故障点形成三相短路回路，同时半桥子模块电容会迅速放电，会造成装置直流短路电流严重过流，导致器件损坏；即便将所有全控型开关器件闭锁，仍然无法限制短路电流和保存电容能量，因而需要断开交流断路器来配合清除直流电流，故障电流清零较慢，且不利于保存电容能量并进行重启动(王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平换流器HVDC直流双极短路子模块过电流分析[J].中国电机工程学报，2011，31(1)：1-7.)。为解决基于半桥子模块结构的模块化多电平变流器无法处理直流短路故障的问题，已有文献提出了多种具有直流故障穿越能力的多电平变流器方案。这些变流器可分为两大类：第一大类是用具有直流故障穿越能力的新型子模块代替半桥子模块，从而构成具有直流故障穿越能力的新型模块化多电平变流器。这类模块化多电平变流器采用的子模块包括全桥子模块、箝位双子模块(MarquardtR.Modularmultilevelconverter：anuniversalconceptforHVDC-networksandextendeddc-busapplications[C]//2010InternationalPowerElectronicsConference(IPEC).Sapporo，Japan：IEEE，2010：502-507.)、单极电压子模块(JiangchaoQin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；RuiZhou,"HybridDesignofModularMultilevelConvertersforHVDCSystemsBasedonVariousSubmoduleCircuits,"inPowerDelivery,IEEETransactionson,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.)、对角桥式子模块(专利公开号CN105450045A)等；第二大类是混合式多电平变流器，该类变流器将模块化多电平变流器结构与两电平变流器结构混合起来，变流器中既采用全桥子模块，又采用级联IGBT(绝缘栅双极性晶体管)，这类变流器包括桥臂交替导通变流器(Merlin,M.M.C.；Green,T.C.；Mitcheson,P.D.；Trainer,D.R.；Critchley,R.；Crookes,W.；Hassan,F.,"TheAlternateArmConverter:ANewHybridMultilevelConverterWithDC-FaultBlockingCapability,"PowerDelivery,IEEETransactionson,vol.29,no.1,pp.310,317,Feb.2014.)和交流侧级联H桥的混合变流器(Adam,G.P.；Ahmed,K.H.；Williams,B.W.,"Mixedcellsmodularmultilevelconverter,"IndustrialElectronics(ISIE),2014IEEE23rdInternationalSymposiumon,vol.,no.,pp.1390,1395,1-4June2014)等。与第一大类变流器相比，第二大类变流器需要解决复杂的IGBT串联均压问题，且直流侧滤波器较大，因此变流器成本和体积会随着直流电压的升高而迅速升高。而第一大类变流器的主要问题在于现有文献所提出的各种新型子模块所需IGBT和额外二极管数量较多，成本和损耗较半桥式模块化多电平变流器均有所增加。上述具备直流故障穿越能力的模块化多电平变流器方案的共同点在于，都是针对功率潮流需要双向传输的场合，需要实现对功率潮流方向的改变。例如在上述变流器中，基于对角桥式子模块的模块化多电平变流器(专利公开号CN105450045A)是通过改变直流电压极性实现功率潮流的改变；而其他模块化多电平变流器都是通过改变直流侧电流极性实现功率潮流的改变。然而，在某些特定直流输电应用场合，如风电汇集并网、光伏汇集并网、无源海岛供电等场合中，直流输电线路的功率潮流方向始终是单一方向的，所采用的模块化多电平变流器并不需要具备双向功率传输功能。前述适于功率潮流双向传输的模块化多电平变流器，应用在这种单向功率潮流的直流输电场合，通常存在着较为显著的器件成本和功率损耗的浪费。因此，在这种场合下，充分利用柔性直流换流站的潮流单向传输特点，对变流器结构进行改造，将可以减少变流器的成本和损耗。公开号为CN102969732A的专利提出一种在直流侧串联二极管阀组的柔性直流变流器，在基于半桥子模块的模块化多电平变流器的基础上，在直流侧串联部分二极管，从而以较少的额外成本和损耗实现了功率单向传递场合下换流站的直流故障穿越。然而，采用该方案的柔性直流换流站只能作为直流输电系统的功率受端，不能作为输电系统功率发端，因此应用场合受到限制；同时，该方案由于全部采用半桥子模块构成，构成的直流输电系统的直流电压运行范围非常有限，无法适应直流电压在较大范围内运行控制的需求，不利于直流故障恢复和缺乏对交流电网的电压波动的适应性。技术实现要素：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出一种适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器，所提出的变流器可以以低成本实现直流故障电流的快速清除，同时在大多数应用场合还能在直流故障期间为交流电网提供动态无功支撑。适于包括风能、光伏等在内的新能源发电的直流送出以及集中负荷直流接入等直流输电单向潮流应用场合。本发明提出的单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器，其特征在于，当本变流器为仅适用于柔性直流输电受端系统的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器时，包括第一二极管组串(D1)、第二二极管组串(D2)和结构相同的三相，每相由基于B型子模块的一侧桥臂、基于对角桥式子模块的另一侧桥臂以及第三二极管组串(D3)串联构成；其中，各相的正极端共同与第一二极管组串的负极端连接，第一二极管组串的正极端接入该变流器的直流侧正极；各相的负极端共同与第二二极管组串的正极端连接，第二二极管组串的负极端接入该变流器的直流侧负极端；各相交流侧端分别接入与其相连的三相换流变压器副边各相线端；所述变流器的直流侧电压为该变流器的直流侧正极与直流侧负极之间的电压差；所述变流器的直流侧电压的额定值记为Udc，该变流器交流侧的额定相电压交流分量幅值记为Um，则Udc、Um满足关系式：Udc＝3Um/2本发明提出的一种适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器，其特征在于，当本变流器为既适用于柔性直流输电受端系统又适用于柔性直流输电发端系统的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器时，包括结构相同的三相，每相由基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型的一侧桥臂以及基于对角桥式子模块的另一侧桥臂串联构成；其中，各相正极端共同接入该变流器的直流侧正极，各相负极端共同接入该变流器的直流侧负极；各相交流侧端分别接入与其相连的三相换流变压器副边各相线端；所述变流器的直流侧电压为该变流器的直流侧正极与直流侧负极之间的电压差；所述变流器的直流侧电压的额定值记为Udc，该变流器交流侧的额定相电压交流分量幅值记为Um，则Udc、Um满足关系式：Udc＝3Um/2本发明的特点及有益效果：本发明提出的适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器，该变流器分别由基于对角桥式子模块和B型子模块构成的上桥臂或下桥臂，配合二极管组串或单电压极性子模块，采用桥臂混合方式构成。其使用的全控型开关器件，如IGBT(绝缘门极双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)或GTO(门极可关断晶闸管)等的个数与完全采用半桥子模块构成的变流器使用的器件数量相当，使用的独立二极管的数量仅为全控型开关器件数量的一半；均能以较低的成本实现直流短路故障电流的自动抑制。由本发明提出的模块化多电平变流器构成的采用真双极系统接线的柔性直流输电系统，在直流故障期间可为交流电网提供动态无功支撑，输电系统直流侧电压受控波动范围可从额定直流电压的100％到33％之间；由本发明提出的模块化多电平变流器构成的采用伪双极系统接线的柔性直流输电系统，在部分直流故障条件下可为交流电网提供动态无功支撑。在本发明具体实施方式中提出的四种混合型模块化多电平变流器中，有两种仅适用于柔性直流输电系统受端，有两种既适用于柔性直流输电受端系统，也适用于柔性直流输电发端系统。本发明所提出的适于单向潮流柔性直流输电系统的单侧桥臂阻断型多电平变流器，针对大规模风力发电、光伏发电等新能源送出，以及集中负荷群、海岛等单向潮流架空线远距离直流输电工程，提供了成本较低的直流故障穿越解决方案。附图说明图1是本发明适于受端的上桥臂阻断型模块化多电平变流器1的结构示意图；图2是本发明适于受端的下桥臂阻断型模块化多电平变流器2的结构示意图；图3是本发明上桥臂阻断型模块化多电平变流器3的结构示意图；图4是本发明下桥臂阻断型模块化多电平变流器4的结构示意图；图5是本发明基于对角桥式子模块的上、下桥臂结构图；其中图5(a)是基于对角桥式子模块的上桥臂结构图，图5(b)是基于对角桥式子模块的下桥臂结构图；图6是本发明中基于B型子模块的上、下桥臂结构图；其中图6(a)是基于B型子模块的上桥臂结构图，图6(b)是基于B型子模块的下桥臂结构图；图7是本发明中基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上、下桥臂结构图；其中图7(a)是B/U混合型上桥臂结构图，图7(b)是B/U混合型下桥臂结构图；图8是本发明中二极管组串D1、D2结构图；其中图8(a)是二极管组串D1的结构图，图8(b)是二极管组串D2的结构图；图9是本发明中二极管组串D3的结构图；图10是本发明的B型子模块结构图；图11是本发明采用伪双极系统接线的柔性直流输电受端系统图；其中图11(a)是基于适于受端的上桥臂阻断型模块化多电平变流器1或者适于受端的下桥臂阻断型模块化多电平变流器2的伪双极系统接线的柔性直流输电受端系统图，图11(b)是基于上桥臂阻断型模块化多电平变流器3或者下桥臂阻断型模块化多电平变流器4，伪双极系统接线柔性直流输电受端系统或发端系统图；图12是本发明实施例1采用真双极系统接线的柔性直流输电受端系统图；图13是本发明实施例2基于上桥臂阻断型模块化多电平变流器3和下桥臂阻断型模块化多电平变流器4，采用真双极系统接线的柔性直流输电发端系统图；图14是本发明两个实施例中子模块的电路结构图，图14(a)是作为发端系统的第一对角桥式子模块电路结构图，图14(b)是受端系统的第二对角桥子模块电路图，图14(c)是半桥子模块电路结构图，图14(d)是第一单极电压子模块电路结构图，图14(e)是第二单极电压子模块电路结构图，图14(f)第三单极电压子模块电路结构图，图14(g)是第四单极电压子模块电路结构图。具体实施方式本发明提出的适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器，下面结合附图和具体实施例进一步说明如下。本发明提出的适于单向潮流的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器，包括仅适于受端系统的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器和既适于受端系统又适于发端系统的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器两类；其中，仅适于受端系统的单侧桥臂阻断性型模块混合型多电平变流器包括上桥臂阻断型模块化多电平变流器1和下桥臂阻断型模块化多电平变流器2，共计两种变流器类型；既适于受端系统又适于发端系统的桥臂阻断型模块化多电平变流器包括上桥臂阻断型模块化多电平变流器3和下桥臂阻断型模块化多电平变流器4，共计两种变流器类型。所述仅适于受端的上桥臂阻断型模块化多电平变流器1，其电路结构见图1，包括结构相同的A、B、C三相和二极管组串D1、D2，每相由二极管组串D3、基于对角桥式子模块(对角桥式子模块简记为DBSM)的上桥臂以及基于B型子模块的下桥臂依次串联构成；每相基于对角桥式子模块的上桥臂正极端D+接入二极管组串D3的负极端32，二极管组串D3的正极端31为该相的正极端，每相基于B型子模块的下桥臂负极端B-为该相的负极端，各相的正极端共同与二极管组串D1的负极端12连接，二极管组串D1的正极端11接入变流器的直流侧正极DC+，各相的负极端共同与二极管组串D2的正极端21连接，二极管组串D2的负极端22接入变流器的直流侧负极DC-；各相基于对角桥式子模块上桥臂负极端D-与基于B型子模块下桥臂正极端B+的连接点为该相交流侧端Ac、Bc、Cc，分别接入与其相连的三相换流变压器副边各相线端Ag、Bg、Cg。所述仅适于受端的下桥臂阻断型模块化多电平变流器2，其电路结构见图2，包括结构相同的A、B、C三相和二极管组串D1、D2，每相由基于B型子模块的上桥臂、基于对角桥式子模块的下桥臂以及二极管组串D3依次串联构成；每相基于B型子模块的上桥臂正极端B+为该相正极端，每相基于对角桥式子模块的下桥臂负极端D-接入二极管组串D3的正极端31，二极管组串D3的负极端32为该相的负极端，各相的正极端共同与二极管组串D1的负极端12连接，二极管组串D1的正极端11接入变流器的直流侧正极DC+，各相的负极端共同与二极管组串D2的正极端21连接，二极管组串D2的负极端22接入变流器的直流侧负极端DC-；各相基于B型子模块上桥臂负极端B-与基于对角桥式子模块下桥臂正极端D+的连接点为该相交流侧端Ac、Bc、Cc，分别接入与其相连的三相换流变压器副边各相线端Ag、Bg、Cg。所述既适于受端系统又适于发端系统的上桥臂阻断型模块化多电平变流器3，其电路结构见图3，包括结构相同的A、B、C三相，每相由基于对角桥式子模块的上桥臂和基于B型子模块和单极电压子模块(单极电压子模块简记为UBSM)混合构成的B/U混合型下桥臂串联构成；每相基于对角桥式子模块的上桥臂正极端D+为该相的正极端，每相基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型下桥臂的负极端H-为该相的负极端，各相正极端共同接入变流器的直流侧正极DC+，各相负极端共同接入变流器的直流侧负极DC-；各相基于对角桥式子模块的上桥臂负极端D-与基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型下桥臂正极端H+的连接点为该相交流侧端Ac、Bc、Cc，分别接入与其相连的三相换流变压器副边各相线端Ag、Bg、Cg。所述既适于受端系统又适于发端系统的下桥臂阻断型模块化多电平变流器4，其电路结构见图4，包括结构相同的A、B、C三相，每相由基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上桥臂和基于对角桥式子模块的下桥臂串联构成；每相基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上桥臂的正极端H+为该相的正极端，每相基于对角桥式子模块的下桥臂的负极端D-为该相的负极端，各相正极端共同接入变流器的直流侧正极DC+，各相负极端共同接入变流器的直流侧负极DC-；各相基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上桥臂负极端H-与基于对角桥式子模块的下桥臂正极端D+的连接点为该相交流侧端Ac、Bc、Cc，分别接入与其相连的三相换流变压器副边各相线端Ag、Bg、Cg。所述4种模块化多电平变流器的直流侧电压，为各模块化多电平变流器的直流侧正极DC+与其直流侧负极DC-之间的电压差；4种模块化多电平变流器的直流侧电压的额定值均统一采用Udc表示，不再区分变流器类型下标，但在实施例中4种模块化多电平变流器的直流侧额定电压值Udc并不必然相等，实际取值取决于每种变流器交流侧额定相电压；采用Um统一表示4种模块化多电平变流器交流侧额定相电压交流分量幅值，则通常满足关系：Udc＝3Um/2(1)所述基于对角桥式子模块的上桥臂或下桥臂，均由N个对角桥式子模块以及一台滤波电抗器L串联组成，结构见图5；其中，所述基于对角桥式子模块的上桥臂，其第i个对角桥式子模块负极端与第i+1个对角桥式子模块的正极端相连，i＝1,2,…,N-1：当第一个对角桥式子模块的正极端作为该上桥臂的正极端时，第N个对角桥式子模块的负极端与滤波电抗器的一端相连，该滤波电抗器的另一端作为该上桥臂的负极端(如图5(a)所示)；或者当滤波电抗器的一端作为该上桥臂的正极端时，该滤波电抗器的另一端与第一个对角桥式子模块的正极端相连，第N个对角桥式子模块的负极端作为该上桥臂的负极端；所述基于对角桥式子模块的下桥臂，其第i个对角桥式子模块的负极端与第i+1个对角桥式子模块的正极端相连，i＝1,2,…,N-1：当滤波电抗器L的一端作为该下桥臂的正极端D+，该滤波电抗器L的另一端与第一个对角桥式子模块的正极端相连，第N个对角桥式子模块的负极端作为该下桥臂的负极端D-(如图5(b)所示)；或者滤波电抗器L的一端作为该下桥臂的负极端D-，该滤波电抗器L的另一端与第N个对角桥式子模块的负极端相连，第一个对角桥式子模块的正极作为该下桥臂的正极端D+。所述基于B型子模块的上桥臂或下桥臂，均由M个B型子模块以及一台滤波电抗器L串联组成，结构见图6；其中，所述基于B型子模块的上桥臂，第j个B型子模块的负极端与第j+1个B型子模块的正极端相连，j＝1,2,…,M-1，当第一个B型子模块的正极端作为该上桥臂的正极端B+时，第M个B型子模块的负极端与滤波电抗器L的一端相连，该滤波电抗器L的另一端作为该上桥臂的负极端B-，结构见图6(a)；或者当滤波电抗器的一端作为该上桥臂的正极端时，该滤波电抗器的另一端与第一个B型子模块的正极端相连，第M个B型子模块的负极端作为该上桥臂的负极端B-；所述基于B型子模块的下桥臂，其第j个B型子模块的负极端与第j+1个B型子模块的正极端相连，j＝1,2,…,M-1：当滤波电抗器L的一端作为该下桥臂的正极端B+，该滤波电抗器L的另一端与第一个B型子模块的正极端相连，第M个B型子模块的负极端作为该下桥臂的负极端B-(如图6(b)所示)；或者滤波电抗器L的一端作为该下桥臂的负极端B-，该滤波电抗器L的另一端与第M个B型子模块的负极端相连，第一个B型子模块的正极作为该下桥臂的正极端B+。所述基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上桥臂或下桥臂，均由Mh个B型子模块、Nh个单极电压子模块以及一台滤波电抗器L串联组成，结构见图7；其中，所述B/U混合型上桥臂，第k个B型子模块或单极电压子模块的负极端与第k+1个B型子模块或单极电压子模块的正极端相连(即相连的两个子模块的类型相同或者不同)，k＝1,2,…,Mh+Nh-1，当第一个B型子模块或单极电压子模块的正极端作为该上桥臂的正极端H+时，第Mh+Nh个B型子模块或单极电压子模块的负极端与滤波电抗器L的一端相连，该滤波电抗器L的另一端作为该上桥臂的负极端H-，结构见图7(a)；或者当滤波电抗器的一端作为该上桥臂的正极端时，该滤波电抗器的另一端与第一个B型子模块或单极电压子模块的正极端相连，第Mh+Nh个B型子模块或单极电压子模块的负极端作为该上桥臂的负极端H-；所述B/U混合型下桥臂，其第k个B型子模块或单极电压子模块的负极端与第k+1个B型子模块或单极电压子模块的正极端相连(即相连的两个子模块的类型相同或者不同)，k＝1,2,…,Mh+Nh-1：当滤波电抗器L的一端作为该下桥臂的正极端H+，该滤波电抗器L的另一端与第一个B型子模块或单极电压子模块的正极端相连，第Mh+Nh-个B型子模块或单极电压子模块的负极端作为该下桥臂的负极端H-(如图7(b)所示)；或者滤波电抗器L的一端作为该下桥臂的负极端H-，该滤波电抗器L的另一端与第Mh+Nh-个B型子模块或单极电压子模块的负极端相连，第一个B型子模块或单极电压子模块的正极作为该下桥臂的正极端H+。基于对角桥式子模块的上桥臂或下桥臂中，对角桥式子模块的个数N应满足：N≥(Um+Udc/3)/Ud；(2)基于B型子模块的上桥臂或下桥臂中，B型子模块的个数M应满足：M≥(Um+2Udc/3)/Ub；(3)基于B型子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上桥臂或下桥臂中，B型子模块的数量Mh应满足：Mh≥(0.268Um+Udc)/Ub，(4)单极电压子模块的数量Nh应满足：Nh≥(0.732Um-Udc/3)/Uu；(5)式(2)～(5)中，Ud为对角桥式子模块的额定直流电压，Ub为B型子模块的额定直流电压，Uu为单极电压子模块的额定直流电压；所述二极管组串D1、D2，结构见图8，分别由p个和q个额定反向耐压值UD均相同的二极管按同极性依次串联构成，其中，当p＞1时，二极管组串D1的正极端11接入该组串中第一个二极管D11的正极，第x1个二极管的负极接入第x1+1个二极管的正极，(x1＝1，…，p-1)，第p个二极管D1p的负极作为二极管组串D1的负极端12，见图8(a)；当q＞1时，二极管组串D2的正极端21接入该组串中第一个二极管D21的正极，第x2个二极管的负极接入第x2+1个二极管的正极，(x2＝1，…，q-1)，第q个二极管D2q的负极作为二极管组串D2的负极端22，见图8(b)。当p＝1时，二极管组串D1的正极端11接入该组串中二极管D11的正极，二极管组串D1的负极端12接入该组串中的二极管D11的负极；当q＝1时，二极管组串D2的正极端21接入该组串中二极管D21的正极，二极管组串D2的负极端22接入该组串中的二极管D22的负极。当p＝0时，表示对应电路中没有二极管组串D1；当q＝0时，表示对应电路中没有二极管组串D2。所述二极管组串D3，结构图见图9，由r个额定反向耐压值UD均相同的二极管按同极性依次串联构成，其中，当r＞1时，二极管组串D3的正极端31接入该组串中第一个二极管D31的正极，第x3个二极管的负极接入第x3+1个二极管的正极，(x3＝1，…，r-1)，第r个二极管D3r的负极作为二极管组串D3的负极端32。当r＝1时，二极管组串D3的正极端31接入该组串中二极管D31的正极，二极管组串D3的负极端32接入该组串中二极管D31的负极；当r＝0时，表示对应电路中没有二极管组串D3。所述构成二极管组串D1、D2的二极管个数p、q均为非负整数，所述构成二极管组串D3的二极管个数r为非负整数，且同时满足以下两式：p≥0,q≥0,r≥0;---(6)]]>(p+q+r)≥(0.732Um-Udc/3)/UD(7)式(7)中UD为二极管组串D1、D2、D3中各个二极管的额定反向耐压值。所述构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器1、下桥臂阻断型模块化多电平变流器2、上桥臂阻断型模块化多电平变流器3或下桥臂阻断型模块化多电平变流器4的B型子模块均为单相电压源型变流器结构，具有t(t为正整数且满足t≥2)个输出电平；记B型子模块端口电压为uSMB，流经B型子模块的电流为iSMB，且均以B型子模块正极端到负极端为正方向，参见图10；所述B型子模块中包括d个直流电容，(d为正整数且满足t>d≥1)，其中B型子模块内第v个直流电容正极与负极之间的电压差为该直流电容的直流电压Ubv，(v＝1，2，…，d)，B型子模块额定直流电压Ub通常满足关系：Ub≤Σv=1dUbv---(8)]]>在B型子模块内部所有全控型开关器件关断时，若流经B型子模块的电流iSMB为负，B型子模块端口电压uSMB幅值近似为零，可表示为：若iSMB<0，则所述变量t、uSMB、iSMB、Ub、d、v，此处没有区分变流器的类型下标，对于本发明的各类变流器，所述变量t、uSMB、iSMB、Ub、d、v不必然相等；其中t、d、v均仅取决于采用的B型子模块的具体类型，所述B型子模块包括但不限于以下功率子模块类型：半桥子模块(简称HBSM，属于公知内容)，记为B1型子模块，对应t＝2、d＝1；双半桥子模块(属于公知内容)，记为B2型子模块，对应t＝3、d＝2；带阻断开关的T型中点箝位子模块(属于公知内容)，记为B3型子模块，对应t＝3、d＝2；飞跨电容型三电平子模块(属于公知内容)，记为B4型子模块，对应t＝3、d＝2；；所述B1—B4型子模块均为公知的标准电路。所述构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器1、下桥臂阻断型模块化多电平变流器2、上桥臂阻断型模块化多电平变流器3或下桥臂阻断型模块化多电平变流器4的对角桥式子模块包括，由第一全控型开关器件T1和第一二极管D1构成的第一串联电路、由第二二极管D2和第二全控型开关器件T2构成的第二串联电路以及电容器C；其中，在第一串联电路中，所述第一全控型开关器件T1的发射极和第一二极管D1的负极彼此连接，该连接点形成对角桥子模块第一输出端子；在第二串联电路中，第二全控型开关器件T2的集电极和第二二极管D2的正极彼此连接，该连接点形成对角桥式子模块的第二输出端子；所述第一串联电路、第二串联电路以及电容器C彼此并联连接；在电容器C上存在的直流电压等于对角桥式子模块的额定直流电压Ud，在第一、第二输出端子之间存在端口电压uSMD，该端口电压近似等于负的额定直流电压-Ud或近似等于额定直流电压Ud或近似等于零；当对角桥式子模块正极端由该子模块的第一输出端子构成、负极端由该子模块的第二输出端子构成时，该对角桥子模块为第一对角桥式子模块，其结构如图14(a)所示；当对角桥式子模块由第一输出端子构成其负极端、由第二输出端子作为其正极端时，该对角桥子模块为第二对角桥式子模块，其结构如图14(b)所示；在对角桥式子模块内部所有全控型开关器件关断时，对角桥式子模块端口电压uSMD近似等于负的直流电压-Ud或近似等于额定直流电压Ud。所述构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器3或下桥臂阻断型模块化多电平变流器4的单极电压子模块包括，由第一全控型开关器件T1和第二全控型开关器件T2构成的第一串联电路、由第三全控型开关器件T3和第一二极管D1构成的第二串联电路以及电容器C；其中，在第一串联电路中，所述第一全控型开关器件T1的发射极和第二全控型开关器件T2的集电极彼此连接，该连接点形成单极电压子模块第一输出端子；在第二串联电路中，第三全控型开关器件T3的发射极和第一二极管D1负极彼此连接，或者第三全控型开关器件T3的集电极和第一二极管D1的正极彼此连接，该连接点形成单极电压子模块的第二输出端子；所述第一串联电路、第二串联电路以及电容器C彼此并联连接；在电容器C上存在的直流电压等于单极电压子模块的额定直流电压Uu，在两个输出端子之间存在的端口输出电压uSMu，该端口电压近似等于负的额定直流电压-Uu或近似等于额定直流电压Uu或近似等于零；当单极电压子模块的正极端由该子模块的第一输出端子构成、其负极端由该单极电压子模块的第二输出端子构成，并且在其第二串联电路中第三全控型开关器件的集电极和第一二极管的正极彼此连接时，称之为第一单极电压子模块，其结构如图14(d)所示；当单极电压子模块的正极端由该子模块的第一输出端子构成、其负极端由该单极电压子模块的第二输出端子构成，并且在其第二串联电路中第三全控型开关器件的发射极和第一二极管的负极彼此连接时，称之为第二单极电压子模块，其结构如图14(e)所示；当单极电压子模块的负极端由该子模块的第一输出端子构成、其正极端由该单极电压子模块的第二输出端子构成，并且在其第二串联电路中第三全控型开关器件的发射极和第一二极管的负极彼此连接时，称之为第三单极电压子模块，其结构如图14(f)所示；当单极电压子模块的负极端由该子模块的第一输出端子构成、其正极端由该单极电压子模块的第二输出端子构成，并且在其第二串联电路中第三全控型开关器件的集电极和第一二极管的正极彼此连接时，称之为第四单极电压子模块，其结构如图14(g)所示；在单极电压子模块内部所有全控型开关器件关断时，单极电压子模块端口电压uSMu近似等于负的直流电压-Uu或近似等于额定直流电压Uu。由本发明所述的单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器构成的适于单向潮流柔性直流输电系统，既可采用伪双极系统接线方式，也可采用真双极系统接线方式。伪双极系统接线柔性直流输电系统的正极直流母线和负极直流母线之间的电压差，为伪双极系统接线柔性直流输电系统的额定直流电压UDC，UDC等于构成该伪双极系统接线柔性直流输电系统的模块化多电平变流器额定直流侧电压Udc；真双极系统接线柔性直流输电系统的正极直流母线与接地极之间的电压差，为真双极系统接线柔性直流输电系统的正极直流电压UDC,p，真双极系统接线柔性直流输电系统的接地极与负极直流母线之间的电压差，为真双极系统接线柔性直流输电系统的负极直流电压UDC,n；UDC,p等于构成该真双极系统接线柔性直流输电系统的正极变流器额定直流侧电压Udc，UDC,n等于构成该真双极系统接线柔性直流输电系统的负极变流器额定直流侧电压Udc。流经正极直流母线和负极直流母线的直流电流为Id，其正方向为：由正极直流母线流入模块化多电平变流器直流侧正极DC+，并由变流器直流侧负极DC-流出负极直流母线。构成的适于单向潮流柔性直流输电系统，包括柔性直流输电受端系统和柔性直流输电发端系统两种。柔性直流输电受端系统，潮流方向是从直流输电系统的直流端口向交流端口流动，其中流经正极直流母线或负极直流母线的直流电流Id的实际方向均与其正方向相同；柔性直流输电发端系统，潮流方向时从直流输电系统的交流端口向直流端口流动，其中流经正极直流母线或负极直流母线的直流电流Id的实际方向均与其正方向相反。当基于本发明所述单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的柔性直流输电系统采用伪双极系统接线方式时，其结构图见图11：当采用本发明所述模块化多电平变流器构成伪双极系统接线的柔性直流输电受端系统，可采用仅适于受端系统的上桥臂阻断型模块化多电平变流器1或仅适于受端系统的下桥臂阻断型模块化多电平变流器2，两种模块化多电平变流器中的任何一种，参见图11(a)；此时，所述上桥臂阻断型模块化多电平变流器1、下桥臂阻断型模块化多电平变流器2中的基于对角桥式子模块的上桥臂或下桥臂，其对角桥式子模块均应选择第二对角桥式子模块。将该变流器的直流侧正极DC+接入柔性直流输电系统的正极直流母线，将该变流器的直流侧负极DC-接入柔性直流输电系统的负极直流母线，将该变流器三相的交流侧端Ac、Bc、Cc分别与三相换流变压器Tr副边各相线端Ag、Bg、Cg相连，三相换流变压器Tr的原边各相线端接入受端交流系统AC。接地方式上，通常将Ag、Bg、Cg通过由星形接法的电抗L0和接地阻抗R0构成的接地电路接入大地；或者将正极直流母线与负极直流母线均通过电容或电阻构成接地电路接入大地(2种接地电路均属于公知内容，不属于本发明保护范围)。当采用本发明所述模块化多电平变流器构成伪双极系统接线的柔性直流输电受端系统或发端系统时，均可采用上桥臂阻断型模块化多电平变流器3或下桥臂阻断型模块化多电平变流器4两种模块化多电平变流器中的任何一种，参见图11(b)，区别在于：在构成柔性直流输电受端系统时，所述上桥臂阻断型模块化多电平变流器3、下桥臂阻断型模块化多电平变流器4中的基于对角桥式子模块的上桥臂或下桥臂，其对角桥式子模块均应选择第二对角桥式子模块；在构成柔性直流输电发端系统时，所述上桥臂阻断型模块化多电平变流器3、下桥臂阻断型模块化多电平变流器4中的基于对角桥式子模块的上桥臂或下桥臂，其对角桥式子模块均应选择第一对角桥式子模块，参见专利(公开号CN105450045A)。无论构成柔性直流输电受端系统或发端系统，所述上桥臂阻断型模块化多电平变流器3、下桥臂阻断型模块化多电平变流器4中的基于半桥子模块和单极电压子模块混合构成的B/U混合型上桥臂或下桥臂，其单极电压子模块可采用第一单极电压子模块，第二单极电压子模块，第三单极电压子模块和第四单极电压子模块中的任何一种。将该变流器的直流侧正极DC+接入柔性直流输电系统的正极直流母线，将该变流器的直流侧负极DC-接入柔性直流输电系统的负极直流母线，将该变流器三相的交流侧端Ac、Bc、Cc分别与三相换流变压器Tr副边各相线端Ag、Bg、Cg相连，三相换流变压器Tr的原边各相线端接入受端交流系统AC。接地方式上，通常将Ag、Bg、Cg通过由星形接法的电抗L0和接地阻抗R0构成的接地电路接入大地；或者将正极直流母线与负极直流母线均通过电容或电阻构成接地电路接入大地(2种接地电路均属于公知内容，不属于本发明保护范围)。当采用本发明所述模块化多电平变流器构成真双极系统接线的柔性直流输电受端系统时，结合应用于光伏电站汇集接入场合的实施例1及图12对该系统进行说明：该实施例中，受端交流系统额定线电压Us为35kV，双极最大输送有功功率为60MW，单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的相关参数见表1。表1该实施例中，电路结构参见图12，采用上桥臂阻断型模块化多电平变流器1作为单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的正极变流器，采用下桥臂阻断型模块化多电平变流器2作为单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的负极变流器；所述正极变流器的直流侧正极DC+接入真双极接线柔性直流输电受端系统的正极直流母线，正极变流器的直流侧负极DC-接入接地极；所述负极变流器的直流侧正极DC+接入接地极，负极变流器的直流侧负极DC-接入真双极接线柔性直流输电受端系统的负极直流母线；所述正极变流器三相的各交流侧端Ac、Bc、Cc分别与三相换流变压器Trp副边各相线端Ag、Bg、Cg相连，三相换流变压器Trp原边各相线端接入受端交流系统AC；所述负极变流器三相的各交流侧端Ac、Bc、Cc分别与三相换流变压器Trn副边各相线端Ag、Bg、Cg相连，三相换流变压器Trn原边各相线端接入受端交流系统AC。该实施例中，上桥臂阻断型模块化多电平变流器1包括三相，每相由上、下两个桥臂串联构成；每相的上桥臂由18个如图14(b)所示的第二对角桥式子模块和一台滤波电抗器依次串联构成。上桥臂阻断型模块化多电平变流器1每相的下桥臂由24个半桥子模块和一台滤波电抗器依次串联构成；其中，半桥子模块电路结构如图14(c)所示，包括直流电容器C、第一全控开关器件T1、第二全控开关器件T2；其中T1的发射极与T2的集电极相连接，T1的集电极与C的正极端相连，T2的发射极与C的负极端相连并作为半桥子模块的负极端，T1的发射极与T2的集电极相连作为半桥子模块的正极端。该实施例中，下桥臂阻断型模块化多电平变流器2包括三相，每相由上、下两个桥臂串联构成；每相的下桥臂由18个如图14(b)所示的第二对角桥式子模块和一台滤波电抗器依次串联构成。下桥臂阻断型模块化多电平变流器2每相的上桥臂由24个半桥子模块和一台电抗器串联构成。其中，半桥子模块电路结构与本实施例中构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器1每相下桥臂的半桥子模块相同，此处不再赘述。该实施例中，上桥臂阻断型模块化多电平变流器1、下桥臂阻断型模块化多电2中的二极管组串D1均由2个额定反向耐压值UD为1.7kV的二极管构成，其中第一个二极管的正极作为二极管组串D1的正极端11，第一个二极管负极与第二个二极管的正极相连接，第二个二极管的负极作为二极管组串D1的负极端12；二极管组串D2均由1个二极管构成，该二极管的正极作为二极管组串D2的正极端21，二极管的负极作为二极管组串D2的负极端22。下面结合应用于海上大容量风电汇集输送场合的实施例2(本实施例为发端系统)及图13对该系统进行说明：该实施例中，发端交流系统额定线电压Us为220kV，双极最大输送有功功率为60MW，单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的相关参数见表2。表2该实施例中，采用上桥臂阻断型模块化多电平变流器3作为单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的正极变流器，采用下桥臂阻断型模块化多电平变流器4作为单侧桥臂阻断型模块化多电平变流器的负极变流器；所述正极变流器的直流侧正极DC+接入柔性直流输电发端系统的正极直流母线，正极变流器的直流侧负极DC-接入接地极；所述负极变流器的直流侧正极DC+接入接地极，负极变流器的直流侧正极DC-接入柔性直流输电发端系统的负极直流母线；所述正极变流器三相的交流侧端Ac、Bc、Cc分别与三相换流变压器Trp副边各相线端Ag、Bg、Cg相连，三相换流变压器Trp原边各相线端接入发端交流系统AC；所述负极变流器三相的交流侧端Ac、Bc、Cc分别与三相换流变压器Trn副边各相线端Ag、Bg、Cg相连，三相换流变压器Trn原边各相线端接入发端交流系统AC。该实施例中，上桥臂阻断型模块化多电平变流器3包括三相，每相由上、下两个桥臂串联构成，每相的上桥臂由106个如图14(a)所示的第一对角桥式子模块和一台滤波电抗器依次串联构成。上桥臂阻断型模块化多电平变流器3每相的下桥臂由126个半桥子模块、16个单极电压子模块和一台滤波电抗器依次串联构成；其中，半桥子模块电路结构(如图14(c)所示)与实施例1中构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器1每相下桥臂的半桥子模块相同，此处不再赘述；单极电压子模块可采用如图14(d)所示的第一单极电压子模块、如图14(e)所示的第二单极电压子模块、如图14(f)所示的第三单极电压子模块或如图14(g)所示的第四单极电压子模块中的任何一种。该实施例中，下桥臂阻断型模块化多电平变流器4包括三相，每相由上、下两个桥臂串联构成；每相的下桥臂由106个第一对角桥式子模块和一台滤波电抗器依次串联构成，所述第一对角桥式子模块电路结构与本实施例中构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器3每相下桥臂的第一对角桥式子模块相同，此处不再赘述。下桥臂阻断型模块化多电平变流器4每相的上桥臂由126个半桥子模块、16个单极电压子模块和一台滤波电抗器依次串联构成；所述半桥子模块、单极电压子模块的电路结构分别与本实施例中构成上桥臂阻断型模块化多电平变流器3每相下桥臂的半桥子模块、单极电压子模块相同，此处不再赘述。与现有技术对比：下面以表格形式，对比在相同条件(单侧阻断型模块化多电平变流器额定容量30MVA，变流器交流侧相电压的交流分量幅值10kV，子模块额定运行电压2kV，二极管额定反向耐压值2kV，开关器件额定电流1kA)下，本发明提出的变流器与已有技术方案的有益效果，详见表3：表3可见在相同容量下，本发明提出的变流器具有更低的器件成本，且能实现直流电压的宽范围运行，因此具有更优的经济性和运行性能。此外，与对比文件5提出的相比，本发明提出的变流器在成本上与对比文件5的方案基本相当，而优点在于能够实现直流电压宽范围运行。表3中对比文件如下：对比文件1：MarquardtR.Modularmultilevelconverter：anuniversalconceptforHVDC-networksandextendeddc-busapplications[C]//2010InternationalPowerElectronicsConference(IPEC).Sapporo，Japan：IEEE，2010：502-507.对比文件2：JiangchaoQin；Saeedifard,M.；Rockhill,A.；RuiZhou,"HybridDesignofModularMultilevelConvertersforHVDCSystemsBasedonVariousSubmoduleCircuits,"inPowerDelivery,IEEETransactionson,vol.30,no.1,pp.385-394,Feb.2015.对比文件3：R.Zeng,L.Xu,L.Yao,andD.J.Morrow,"PrechargingandDCFaultRide-ThroughofHybridMMC-BasedHVDCSystems,"IEEETrans.PowerDel.,vol.30,no.3,pp.1298-1306,Jun.2015.对比文件4：公开号为CN105450045A的专利。对比文件5：公开号为CN102969732A的专利。当前第1页1 2 3